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1、 第第5 5章章 螺纹连接螺纹连接 Screw joints1特选课堂5-1 连接类型和螺纹连接简介 Types of the joints and screw joints5-2 螺纹连接的预紧和防松 Tightening and preventing unscrewing of screw joints5-3 螺纹连接的强度计算 Strength calculations for a bolt 5-4 螺纹组连接的设计 Forces in group of screw joints 5-5 提高螺栓连接强度的措施 Measures of increasing joint strength
2、of bolts 习题课习题课：螺纹连接设计实例 Design example of screw joint主要内容主要内容2特选课堂教学目标与教学重点教学目标与教学重点1） 螺纹连接的基本类型及之间的区别；螺纹连接的基本类型及之间的区别；2） 防松的必要性、基本原理和具体措施。防松的必要性、基本原理和具体措施。3） 既受预紧力又受工作载荷的受拉紧螺栓连接强度计算。既受预紧力又受工作载荷的受拉紧螺栓连接强度计算。4） 螺栓组连接的设计。螺栓组连接的设计。1）熟悉螺纹连接的基本类型及其之间的区别熟悉螺纹连接的基本类型及其之间的区别；2）了解螺纹连接拧紧的目的拧紧力矩的计算方法；了解螺纹连接拧紧的
3、目的拧紧力矩的计算方法；3）掌握螺纹连接防松的必要性以及防松的基本原理和措施；掌握螺纹连接防松的必要性以及防松的基本原理和措施；4） 掌握受剪螺栓连接强度计算方法；掌握受剪螺栓连接强度计算方法；5） 掌握受拉螺栓连接强度计算方法。掌握受拉螺栓连接强度计算方法。6）掌握螺栓组受力分析的方法；）掌握螺栓组受力分析的方法；7） 掌握提高螺栓连接强度的几项措施。掌握提高螺栓连接强度的几项措施。教教学学目目标标教教学学重重点点3特选课堂5-1 连接类型和螺纹连接简介 Types of the joints and screw jointsB 连接类型B 螺纹的类型和主要参数 B 螺纹连接的类型和应用 4
4、特选课堂一、连接类型 Types of the joints JointsSeparable jointsPermanent jointsScrew jointsKey, spline and pin jointsShaped jointsInterference fit jointsRiveted jointsWelded jointsAdhesive jointsElastic ring jointsShafthub joints5特选课堂二、螺纹的类型和主要参数 Types and main parameters of screw 1.1.螺纹的形成：螺纹的形成：2.2.螺纹的分类：螺纹
5、的分类：3.3.螺纹的主要参数螺纹的主要参数a)按螺旋线方向分按螺旋线方向分: b)按螺旋线头数分按螺旋线头数分:c)按螺纹在母体的内外表面分按螺纹在母体的内外表面分:d)按螺纹的母体分按螺纹的母体分:e)按牙形分按牙形分:左旋、右旋左旋、右旋单线、多线单线、多线外螺纹、内螺纹外螺纹、内螺纹圆柱螺纹、圆锥螺纹圆柱螺纹、圆锥螺纹三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹详细4.4.螺纹副的受力关系：螺纹副的受力关系：拧紧时放松时6特选课堂3 螺纹的主要参数大径d即螺纹的公称直径小径d1常用于连接的强度计算中径d2常用于连接的几何计算螺距P螺纹相邻两个牙型
6、上 对应点间的轴向距离牙型角a螺纹轴向截面内，螺纹 牙型两侧边的夹角线数n螺纹的螺旋线数目导程S螺纹上任一点沿同一条 螺旋线转一周所移动的 轴向距离，S=nP升角y螺旋线的切线与垂直于 螺纹轴线的平面间的夹角7特选课堂螺纹连接通常有以下几种形式：n螺栓连接 Bolt jointsn双头螺柱连接 Stud jointsn螺钉连接 Cap screw jointsn紧定螺钉连接 Setscrew joints三、螺纹连接简介和应用Screw joints and their applications此外，还有一些特殊结构的连接。例如：标准螺纹连接件1、螺纹连接的主要类型：8特选课堂9特选课堂10特
7、选课堂11特选课堂12特选课堂2、螺纹连接工程中的应用：轿车机床摩托车飞机机翼发动机气缸化工管道自行车锁紧螺母汽车轮胎13特选课堂 5-2 螺纹连接的预紧和防松 Tightening and preventing unscrewing of screw jointsA螺纹连接的预紧 Tightening of screw jointsA螺纹连接的防松 Preventing unscrewing of screw joints14特选课堂利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手测力矩扳手或或定力矩扳手定力矩扳手，对于重要的
8、螺栓连接，也可以采用，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长测定螺栓伸长的方法来控制预的方法来控制预紧力。紧力。 大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。 增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。或发生相对移动。 注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。的螺栓。 拧紧后螺纹连接
9、件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s ss的的80%。v 预紧力预紧力：v 预紧的目的预紧的目的：v 预紧力的确定原则预紧力的确定原则：v 预紧力的控制预紧力的控制：v 预紧力和预紧力矩之间的关系：预紧力和预紧力矩之间的关系：详细推导 一、螺纹连接的预紧Tightening of screw joints15特选课堂二、螺纹连接的防松 P Preventing unscrewingreventing unscrewing of screw jointsof screw joints 在静载荷下，螺纹连接能满足自锁条件：导程角小于当在静载荷下，
10、螺纹连接能满足自锁条件：导程角小于当量摩擦角。量摩擦角。 但在冲击、振动和变载荷作用下，或当温度变化但在冲击、振动和变载荷作用下，或当温度变化较大时，连接有可能松动，甚至松开，容易发生事故。所以，较大时，连接有可能松动，甚至松开，容易发生事故。所以，在设计螺纹连接时，必须考虑防松问题。在设计螺纹连接时，必须考虑防松问题。 防松的根本问题在于防止螺纹副在受载时发生相对转动。防松的根本问题在于防止螺纹副在受载时发生相对转动。 根据工作原理来划分，有根据工作原理来划分，有利用摩擦利用摩擦、机械防松机械防松和和破坏螺破坏螺纹副关系纹副关系三种方法。三种方法。1、防松的必要性防松的必要性2、防松的根本问
11、题、防松的根本问题3. 3. 防松的方法防松的方法16特选课堂请见实例17特选课堂实例 动画模拟实例 18特选课堂19特选课堂二、受剪螺栓（铰制孔螺栓）二、受剪螺栓（铰制孔螺栓）5-3 螺纹连接的强度计算 Strength calculations for screw joints一、受拉螺栓（普通螺栓）1、受拉松螺栓、受拉松螺栓2、受拉紧螺栓、受拉紧螺栓a、受横向工作载荷的受拉紧螺栓连接、受横向工作载荷的受拉紧螺栓连接(仅承受预紧力的紧螺栓连接仅承受预紧力的紧螺栓连接)b、受轴向工作载荷的受拉紧螺栓连接受轴向工作载荷的受拉紧螺栓连接(承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺
12、栓连接)(承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接)20特选课堂一、一、 受拉螺栓受拉螺栓 Tensile bolts1. 受拉松螺栓 Loose bolts 这种连接只能承受静载荷，螺栓在这种连接只能承受静载荷，螺栓在工作时才受拉力工作时才受拉力F。 当连接承受工作载荷当连接承受工作载荷F 时，螺栓时，螺栓所受的工作拉力为所受的工作拉力为F，其螺纹部分的，其螺纹部分的强度条件为：强度条件为：或：或： 校核式校核式 设计式设计式21特选课堂2.只受预紧力的紧螺栓只受预紧力的紧螺栓 Tight bolts only subject to preload一、一、 受拉螺栓受拉螺栓 Tens
13、ile bolts 紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭的扭转而产生扭切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。(受横向载荷的紧螺栓连接)根据第四强度理论，根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下螺栓在预紧状态下的计算应力的计算应力: :强度条件：强度条件：说明22特选课堂螺纹连接的强度计算3(受轴向载荷的紧螺栓连接) 螺栓预紧力F0后，在工作拉力F 的作
14、用下，螺栓的总拉力F2 = ?这时螺栓的总拉力为： 为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：静强度条件： 式中F1为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使 F1 0，一般根据连接的性质确定F1的大小。式中：为螺栓的相对刚度，其取值范围为 01。详细分析疲劳强度校核 工作过程模拟3.Tight bolts subject to preload and operating loadC承受预紧力和工作载荷联合作用的紧螺栓23特选课堂螺纹连接的强度计算4(承受工作剪力的紧螺栓连接) 这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受
15、挤压。在连接结合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中：F螺栓所受的工作剪力，单位为N；d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使Lmin1.25d0 二、 受剪螺栓 Shear bolts动画模拟24特选课堂n螺栓组连接的结构设计n螺栓组连接的受力分析 5-4 螺栓组连接的设计Design of group of bolt joints25特选课堂螺纹连接组的设计1 在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连
16、接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列应有合理的间距、边距。螺栓的排列应有合理的间距、边距。v 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成数目取成4、6、8等偶数。
17、等偶数。v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。说明说明说明说明说明说明一、螺栓组连接的结构设计 各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。留有足够的扳手空间。 举例举例26特选课堂27特选课堂螺纹连接组的设计21受横向载荷2受转矩3受轴向载荷4受倾覆力矩 受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。 受力分析时所作
18、假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 受载后连接接合面仍保持为平面。受载后连接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型：受力分析的类型：二、螺栓组连接的受力分析螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合； Forces in group of bolts28特选课堂螺纹连接组的设计3 （1）对于受剪螺栓（铰制孔用螺栓）连接（图b），每个螺栓所受工作剪力为： （2）对于受拉螺栓（普通螺栓）连接（图a） ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有： 式中：z为螺栓数目
19、。1受横向载荷的螺栓组连接或 Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。动画模拟The group of bolts bears transverse forces29特选课堂螺纹连接组的设计42受转矩的螺栓组连接 采用受拉螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。 采用受剪螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。 动画模拟动画模拟The group of bolts bears rotating torque30特选课堂螺纹连接组的设计53受轴向载荷的螺栓组连接 若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同
20、，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当连接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。F2 = F1 + F Group of bolts bears axial force31特选课堂螺纹连接组的设计64受倾覆力矩的螺栓组连接 倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。 作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作载荷： 动画模拟Group of tensile bolts bears inverting moment32特选课堂螺纹连接组的设计7螺栓的总拉力： 为
21、防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求： 4受倾覆力矩的螺栓组连接Group of tensile bolts bears inverting moment33特选课堂提高螺纹连接强度的措施 以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。改善螺纹牙上载荷改善螺纹牙上载荷分布不均的现象分布不均的现象降低影响螺栓疲降低影响螺栓疲劳强度的应力幅劳强度的应力幅减小应力集中减小应力集中的影响的影响采用合理的制造采用合理的制造工艺工艺 分析分析分析5-5 提高螺栓连接强
22、度的措施 Methods of increasing joint strength of bolts过程模拟34特选课堂35特选课堂36特选课堂37特选课堂38特选课堂39特选课堂已知：支架和底板用2个受拉螺栓连接。支架和底板的材料为HT200、螺栓的材料为Q235，支架重量不计。P=3000N、30、A200mm、B50mm、2l250mm、H1300mm、 H2200mm、C60mm，试设计此螺栓连接。 习题课： 螺栓连接设计实例40特选课堂分析：此螺栓组采用受拉螺栓、并有轴向工作载荷，设计公式如下：其中受力最大螺栓的总拉力F2 、螺栓的许用拉应力 为未知量。 通过查表得到， F2 通过受
23、力分析获得。 为计算方便，我们采用后一公式求F2。则首先应求出受力最大螺栓的工作载荷Fmax和预紧力F0。一、螺栓组连接受力分析41特选课堂1.力系简化力系简化2. 受力最大螺栓工作拉力受力最大螺栓工作拉力Fmax42特选课堂3、分析可能的失效形式n强度不满足n在横向载荷R的作用下，支架有向下滑移的可能n在轴向载荷Q的和倾覆力矩M的作用下，结合面上部可能离缝；n在轴向载荷Q的和倾覆力矩M的作用下，支架或底板下部被压溃。43特选课堂4、 确定确定F0？（2）不滑移条件（1）不离缝条件44特选课堂把相关数据代入、式：取F08539N5、 计算F045特选课堂二、螺栓参数确定 按粗牙普通螺纹标准，选用螺纹公称直径d=12mm（螺纹小径的=10.106mm9.7mm）46特选课堂三、 校核螺栓组连接结合面的工作能力1、校核挤压强度47特选课堂2、校核螺栓所需预紧力是否合适三、 校核螺栓组连接结合面的工作能力48特选课堂思考题49特选课堂思考题50特选课堂思考题51特选课堂思考题52特选课堂思考题53特选课堂54特选课堂
