機械設計習題集答案十五章螺紋連接(解答)

1、第十五章 螺紋連接和螺旋傳動154 一牽曳鉤用2個m10的普通螺釘固定于機體上，如圖所示。已知接合面間的摩擦系數(shù)f=0.15，螺栓材料為q235、強度級別為4.6級，裝配時控制預緊力，試求螺栓組連接允許的最大牽引力。解題分析：本題是螺栓組受橫向載荷作用的典型例子它是靠普通螺栓擰緊后在接合面間產生的摩擦力來傳遞橫向外載荷fr。解題時，要先求出螺栓組所受的預緊力，然后，以連接的接合面不滑移作為計算準則，根據(jù)接合面的靜力平衡條件反推出外載荷fr。 題154圖解題要點： （1）求預緊力f： 由螺栓強度級別4.6級知s =240mpa，查教材表115（a），取s=1.35，則許用拉應力： = s /s

2、=240/1.35 mpa=178 mpa ， 查（gb19686）m10螺紋小徑=8.376mm由教材式（1113）： 1.3f/（/4） mpa 得：f=/（4×1.3）=178 ××8.3762/5.2 n =7535 n （2） 求牽引力fr： 由式（1125）得fr=ffzm/=7535×0.15×2×1/1.2n=1883.8 n （取=1.2）分析與思考：（1）常用螺紋按牙型分為哪幾種？各有何特點？各適用于什么場合？連接螺紋用什么牙型？傳動螺紋主要用哪些牙型？為什么？ 答：根據(jù)牙型，螺紋可以分為三角形、矩形、梯形、鋸齒形

3、等。選用時要根據(jù)螺紋連接的工作要求，主要從螺紋連接的效率和自鎖條件兩個方面考慮，結合各種螺紋的牙形特點。例如三角形螺紋，由于它的牙形角較大，當量摩擦角也較大（），分析螺紋的效率和自鎖條件 ，可知三角形螺紋效率較低，但自鎖條件較好，因此用于連接。同理可知矩形、梯形和鋸齒形螺紋等當量摩擦角較小，效率較高，自鎖條件較差，因此用于傳動。（2）從自鎖和效率的角度比較不同線數(shù)螺紋的特點，為什么多線螺紋主要用于傳動？螺紋線數(shù)一般控制在什么范圍內？為什么？答：當螺紋副的當量摩擦系數(shù)一定時，螺紋線數(shù)越多，螺紋升角越大，效率越高，越不易自鎖，故多線螺紋主要用于傳動。但是螺紋線數(shù)過多時加工困難，所以螺紋線數(shù)n=14

4、。155 一剛性凸緣聯(lián)軸器用6個m10的鉸制孔用螺栓（螺栓 gb2788）連接，結構尺寸如圖所示。兩半聯(lián)軸器材料為ht200，螺栓材料為q235、性能等級5.6級。試求：（1）該螺栓組連接允許傳遞的最大轉矩tmax。（2）若傳遞的最大轉矩tmax不變，改用普通螺栓連接，試計算螺栓直徑，并確定其公稱長度，寫出螺栓標記。（設兩半聯(lián)軸器間的摩擦系數(shù)f=0.16，可靠性系數(shù)kf=1.2）。解題要點： （1）計算螺栓組連接允許傳遞的最大轉矩tmax ：該鉸制孔用精制螺栓連接所能傳遞轉矩大小受螺栓剪切強度和配合面擠壓強度的制約。因此，可先按螺栓剪切強度來計算tmax ，然后較核配合面擠壓強度。也可按螺栓剪

5、切強度和配合面擠壓強度分別求出tmax ，取其值小者。本解按第一種方法計算 1） 確定鉸制孔用螺栓許用應力 由螺栓材料q235、性能等級5.6級知： 題155圖 500mpa、300mpa ；被連接件材料ht200200mpa 。 （a）確定許用剪應力查表116，螺栓材料為q235受剪切時=2.5，則螺栓材料 =300/2.5mpa=120mpa（b）確定許用擠壓應力查表116，螺栓材料為q235受擠壓=1.25螺栓材料=300/1.25mpa=240mpa被連接件材料為ht200（=200mpa）受擠壓時=22.5被連接件材料 200/（22.5）mpa=80100mpa 取=80mpa2）

6、按剪切強度計算由式（1123）知 =2t/（zdm/4） （查gb2788得m10的鉸制孔用螺栓光桿直徑=11mm）故 3×340×1××112×120/4n·mm=11632060.96 nmm3）校核螺栓與孔壁配合面間的擠壓強度從式（1122）可得式中，hmin為配合面最小接觸高度，根據(jù)題155圖結構h=hmin=（6035 ）mm=25mm； 故該螺栓組連接允許傳遞的最大轉矩=11632060.96n·mm（2）改為普通螺栓連接，計算螺栓小徑d1 ：（a） 計算螺栓所需的預緊力f按接合面見不發(fā)生相對滑移的條件，則有 (

7、z=6 m=1) （b） 計算螺栓小徑d1 設螺栓直徑d30mm，查表11-5（a）得s=21.3則 =/s=300/（21.3）mpa=150230.77mpa 取=150mpa mm=30.721mm 查gb19681，取m36螺栓（=31.670mm30.721mm）（c） 確定普通螺栓公稱長度l（l=2b+m+s+（0.20.3）d） 根據(jù)題112結構圖可知，半聯(lián)軸器凸緣（螺栓連接處）厚度b35mm查gb617086，得：螺母gb617086 m36，螺母高度=31mm 查gb9387，得：彈簧墊圈36 gb9387，彈簧墊圈厚度s=9mm則 i=2×35+31+9+（0.2

8、0.2）×36 mm =117.2120.8 mm，取l=120 mm（按gb578286 l系列10進位）故螺栓標記：gb578286 m36×120分析與思考：(1) 螺紋連接有哪些類型？各有何特點？各適用于什么場合？答：有四種類型。1）螺栓連接：（a）普通螺栓（受拉螺栓）連接，被連接件孔和螺栓桿之間有間隙，通孔加工精度較低，結構簡單、裝拆方便，應用廣泛；（b）鉸制孔用螺栓（受剪螺栓）連接，被連接件孔和螺栓桿之間常采用基孔制過渡配合，孔的加工精度要求較高，一般用于螺栓桿承受橫向載荷或要求精確固定被連接件相對位置的場合。受拉和受剪螺栓連接，通常均用于被連接件不太厚和兩邊有

9、足夠裝配空間的場合。2）雙頭螺柱連接：多用于結構受到限制（被連接件之一太厚）不能開通孔或從兩邊進行裝配的場合；有時也用于希望結構比較緊湊的場合。3）螺釘連接：其應用與雙頭螺柱連接相似，但常用于不經常裝拆的場合。4）緊定螺釘連接：可用于傳遞不大的力及轉矩，多用于軸和軸上零件的連接。(2)為什么螺紋連接常需要防松？按防松原理，螺紋連接的防松方法可分為哪幾類？試舉例說明。答：一般螺紋連接能滿足自鎖條件而不會自動松脫，但在受振動和沖擊載荷，或是溫度變化較大時，連接螺母可能會逐漸松動。為了使連接可靠，故設計時必須考慮防松措施。防松的主要目的是在于防止螺紋副間的相對滑動。按其工作原理可分為：利用摩擦力防松

10、，例如加彈簧墊圈，對頂雙螺母等。機械防松，如利用槽形螺母和開口銷等。永久性防松，破壞及改變螺紋副關系，例如用沖點法。(3)普通螺栓連接在擰緊螺母時，螺栓處于什么應力狀態(tài)下？應該按哪一種強度理論進行計算？為什么將拉力增加30%，即可按純拉伸進行強度計算 ？ 答：普通螺栓連接在擰緊螺母時，螺栓處于拉伸與扭剪應力兩種狀態(tài)。應該按第四強度理論進行計算。將拉力增加30%按純拉伸強度進行計算，是考慮扭剪應力的影響。 156 一鋼結構托架由兩塊邊板和一塊承重板焊成的，兩塊邊板各用四個螺栓與立柱相連接，其結構尺寸如圖所示。托架所受的最大載荷為20 kn，載荷有較大的變動。試問：（1）此螺栓連接采用普通螺栓連接

11、還是鉸制孔用螺栓連接為宜？（2）如采用鉸制孔用螺栓連接，螺栓的直徑應為多大？解題要點：（1） 采用鉸制孔用螺栓連接較為合宜。因為如用普通螺栓連接，為了防止邊板下滑，就需在擰緊螺母時施加相當大的預緊力，以保證接合面間有足夠大的摩擦力。這樣就要增大連接的結構尺寸。同時螺栓桿和孔之間 有間隙，為要保證導軌的平直，在裝配時還需要調整。 題156圖 題解156圖（2） 確定螺栓直徑 （a）螺栓組受力分析：由題解156圖可見，載荷作用在總體結構的對稱平面內，因此每一邊（塊）鋼板所受載荷： p=20/2 kn=10000 ，將載荷p向螺栓組連接的接合面形心簡化，則得橫向載荷（向下滑移）： p=10000 n

12、旋轉力矩（繞中心o）： t=10000×300 n·mm=3000000 nmm（b）計算受力最大螺栓的橫向載荷fs：在橫向載荷p作用下各螺栓受的橫向載荷fsp大小相等，方向同p，即 fsp1 = fsp2 = fsp3 = fsp4 = p/4 = 10000/4 n = 2500 n在旋轉力矩t作用下,各螺栓受的橫向載荷大小亦相等。這是因為各螺栓中心至形心o點距離相等，方向各垂直于螺栓中心與形心o點的連心線。由圖可見，螺栓中心至形心o點距離為r = mm=106.1 mm 故 = = =t/（4r）=3000000/（4×106.1）n= 7071 n 各螺栓

13、上所受橫向載荷和的方向如圖所示。由圖中可以看出螺栓1和螺栓2所受的兩個力間夾角最?。?45°），故螺栓1和螺栓2所受合力最大，根據(jù)力的合成原理，所受總的橫向載荷為 = = = = n=9014 n（c）確定鉸制孔用螺栓直徑：選螺栓材料的強度級別4.6級，查教材表114得=240mpa，查表116得s=2.5 ， =/s=240/2.5 mpa =96 mpa根據(jù)教材式（1123），得螺栓桿危險剖面直徑為 = mm= 10.934 mm由手冊按gb2788查得，當螺紋公稱直徑為10 mm時，螺桿光桿部分直徑=11 mm，符合強度要求，故選m10（gb2788）的鉸制孔用螺栓。分析與思考

14、：普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接的結構上各有何特點？當這兩種螺栓連接在承受橫向外載荷時，螺栓各受什么力的作用?答：普通螺栓（受拉螺栓）連接，被連接件孔和螺栓桿之間有間隙，通孔加工精度較低，結構簡單、裝拆方便，應用廣泛；鉸制孔用螺栓（受剪螺栓）連接，被連接件孔和螺栓桿之間常采用基孔制過渡配合，孔的加工精度要求較高，一般用于螺栓桿承受橫向載荷或要求精確固定被連接件相對位置的場合。普通螺栓在受橫向外載荷時，螺栓受到拉伸預緊力作用；而鉸制孔用螺栓在承受橫向外載荷時，分別受到剪切應力和螺栓與孔配合面的擠壓應力的作用。157 一方形蓋板用四個螺栓與箱體連接，其結構尺寸如圖所示。蓋板中心o點的吊環(huán)受拉力fq

15、=20000n，設剩余預緊力f=0.6f, f為螺栓所受的軸向工作載荷。試求：（1）螺栓所受的總拉力f。，并計算確定螺栓直徑（螺栓材料為45號鋼，性能等級為6.8級）。（2）如因制造誤差，吊環(huán)由o點移到o點，且oo=5mm,求受力最大螺栓所受的總拉力f。，并校核（1）中確定的螺栓的強度。解題要點：（1）吊環(huán)中心在o點時： 此螺栓的受力屬于既受預緊力f作用又受軸向工作載荷f作用的情況。根據(jù)題給條件，可求出螺栓的總拉力： f0=f+f=0.6f+f=1.6f而軸向工作載荷f是由軸向載荷fq引起的，故有： 題157圖 螺栓材料45號鋼、性能等級為6.8級時， ，查表115a取s=3，則/s=480/

16、3mpa=160mpa ,故 查gb196-81，取m12（d1=10.106mm9.097mm）。（2）吊環(huán)中心移至o點時：首先將載荷fq向o點簡化，得一軸向載荷fq和一翻轉力矩m。m使蓋板有繞螺栓1和3中心連線翻轉的趨勢。 顯然螺栓4受力最大，其軸向工作載荷為 故吊環(huán)中心偏移至o點后，螺栓強度仍足夠。 分析與思考：（1）緊螺栓連接的工作拉力為脈動變化時，螺栓總拉力是如何變化的？試畫出其受力變形圖，并加以說明。答：總拉力，受力變形圖見主教材圖11-16。（2）提高螺栓連接強度的措施有哪些？這些措施中哪些主要是針對靜強度？哪些主要是針對疲勞強度？答：措施有：1）改善螺紋牙間的載荷分配；2）減少

17、螺栓的應力幅；3）采用合理制造工藝；4）避免附加彎曲應力；5）減少應力集中。第1）種措施主要對靜強度，其余四種主要針對疲勞強度。 158 有一氣缸蓋與缸體凸緣采用普通螺栓連接，如圖所示。已知氣缸中的壓力p在02mpa之間變化，氣缸內徑d=500mm，螺栓分布圓直徑d0=650mm。為保證氣密性要求，剩余預緊力f=1.8f，螺栓間距t4.5d（d為螺栓的大徑）。螺栓材料的許用拉伸應力=120mpa，許用應力幅=20mpa。選用銅皮石棉墊片螺栓相對剛度c1/（c1+c2）=0.8，試設計此螺栓組連接。 解題要點：（1） 選螺栓數(shù)目z ：因為螺栓分布圓直徑較大，為保證螺栓間間距不致過大，所以選用較多

18、的螺栓，初取z=24。 （2）計算螺栓的軸向工作載荷f ：1）螺栓組連接的最大軸向載荷fq 2） 螺栓的最大軸向工作載荷f： 題15-8圖（3）計算螺栓的總拉力f0 （4）計算螺栓直徑 ：查gb19681，取m30（d1=26.211mm>25.139mm）（5）校核螺栓疲勞強度 ： 故螺栓滿足疲勞強度要求。 （6）校核螺栓間距 ： 實際螺栓間距為 故螺栓間距滿足聯(lián)接的氣密性要求。分析與思考（1） 對于受軸向變載荷作用的螺栓，可以采用哪些措施來減小螺栓的應力幅a答：1）增加螺栓的長度，以適當減小螺栓無螺紋部分的截面積，在螺母下面安裝彈性元件。2）增大被連接件剛度措施：a）改進被連接件的結

19、構；b）采用剛度大的硬墊片，對于有緊密性要求的汽缸連接，不應采用較軟的墊片，而應改進密封環(huán)。（2）為什么對于重要的螺栓連接要控制螺栓的預緊力f？控制螺栓的預緊力的方法有哪幾種？答：對于重要的受拉螺栓連接，在擰緊螺母時，對于較小直徑的螺栓容易產生過大的預緊拉應力，同時由于螺紋副和螺母支承面之間的摩擦系數(shù)不穩(wěn)定以及加在扳手上的力矩有時很難準確控制，容易擰得過緊產生過載應力，甚至擰斷。所以要控制預緊力，且不宜采用直徑小于m12m16的螺栓?？刂祁A緊力的方法有采用定力矩扳手或測力矩扳手等來擰緊螺母，也可以在裝配時，測量螺栓的伸長以及規(guī)定開始擰緊后扳動角度或圈數(shù)等。分析與思考：(1)為了防止螺旋千斤頂發(fā)

20、生失效，設計時應對螺桿和螺母進行哪些驗算？答：螺栓應進行耐磨性計算和強度計算，同時還要進行自鎖驗算與穩(wěn)定性校核。對于螺母的螺紋牙要進行剪切強度和彎曲強度校核，對其凸緣要進行擠壓和彎曲強度的校核。(2)在螺旋傳動中，為什么要校核螺母螺紋的壓強p？限制p的物理意義是什么？答：螺旋傳動中，設計螺紋直徑一般按抗拉、扭強度來進行初步設計。實際上，螺紋副的磨損是比較主要失效形式。故要進行螺母（比螺桿的材料要弱）螺紋的壓強校核。限制pp主要是利用此耐磨條件性計算未考慮磨損的影響。151 單項選擇題：（將正確答案字母填入括號內）1) 當螺紋公稱直徑、牙型角、螺紋線數(shù)相同時，細牙螺紋的自鎖性能比粗牙螺紋的自鎖性

21、能a。 a、好； b、差； c、相同； d、不一定2）用于連接的螺紋牙型為三角形，這是因為三角形螺紋a。a、牙根強度高、自鎖性能好；b、傳動效率高；c、防振性能好；e、自鎖性能差3）若螺紋的直徑和螺旋副的摩擦系數(shù)一定，則擰緊螺母時的效率取決于螺紋的b。 a、螺距和牙型角； b、升角和線數(shù)n； c、導程和牙形斜角； d、螺距和升角4) 用于薄壁零件聯(lián)結的螺紋，應采用a。 a、三角形細牙螺紋；b、梯形螺紋； c、鋸齒形螺紋； d、多線的三角形粗牙螺紋5） 當鉸制孔用螺栓組連接承受橫向載荷或旋轉力矩時，該螺栓組中的螺栓c。a、必受剪切力作用； b、必受拉力作用； c、同時受剪切與擠壓作用；d、既可能

22、受剪切、也可能受擠壓作用6） 在受軸向變載荷作用的緊螺栓連接中，為提高螺栓的疲勞強度，可采取的措施是b。 （c1為螺栓剛度，c2為被連接件剛度。） a、增大螺栓剛度、減小被連接件剛度； b、減小、增大； c、增大和； d、減小和152 填空題：（正確答案填入空格內）1）三角形螺紋的牙形角=60º ，適用于連接 ，而梯形螺紋的= 30º，適用于傳動 。 2)螺旋副的自鎖條件是 螺旋升角小于或等于當量摩擦角 。 3）螺紋連接的擰緊力矩等于 螺紋副間摩擦力矩和螺母（或螺栓頭）端面與被連接件支承面間的摩擦力矩 之和。4）連接的防松的實質是防止螺栓桿與螺母（或被連接件螺紋孔）間發(fā)生相

23、對轉動（或防止螺紋副間相對轉動） 。153 簡答題：1） 擰緊螺母與松退螺母時的螺紋效率如何計算？哪些參數(shù)影響螺紋副的效率？答：擰緊時；松退時，。影響效率主要參數(shù)有：（、）和（、直徑）等。2） 螺栓連接的損壞形式有哪些？其危險部位在哪里？對于受拉螺栓連接強度計算時，為什么一般只計算螺栓根部直徑？答：對于受拉螺栓連接，在靜載荷作用下的損壞形式有螺栓的塑性變形和斷裂。而在變載荷作用下的損壞形式則為螺栓的疲勞斷裂。危險部位常在螺栓桿截面變化產生應力集中的部位，例如螺紋根部、螺紋退刀處、螺栓釘頭與栓桿過度部分等，特別是螺母支承面處的第一圈旋合螺紋處最易損壞。對于受剪螺栓連接，其損壞形式常為螺栓桿受剪后

24、產生塑性變形和剪斷，螺栓桿與被聯(lián)接件上的螺栓孔壁相互擠壓，其中較弱材料的塑性變形或壓潰。危險部位常發(fā)生在螺栓桿受剪面處和桿孔相互擠壓處。螺紋連接強度計算時，如果選用的是標準螺紋零件（螺栓、螺母、墊圈），這些標準件的各部分尺寸如螺紋大徑、小徑、釘頭高度、螺母高度等都是按等強度原則確定的。因此，對受拉螺栓，只要對螺紋零件的危險部位處進行強度計算，確定其根部直徑，至于其它各部分尺寸，一般都可從標準中選取。3）為什么在重要的受拉螺栓連接中不宜采用直徑小于m12m16的螺栓？答：對于重要的受拉螺栓連接，不宜采用直徑小于m12m16的螺栓。因為在擰緊螺母時，對于較小直徑的螺栓容易產生過大的預緊拉應力。同時

25、由于螺紋副和螺母與支承面之間的摩擦系數(shù)不穩(wěn)定以及加在扳手上的力矩有時很難準確控制，容易擰得過緊產生過載應力甚至擰斷，例如以扳手p為200n擰緊m10（=8.376mm）的螺栓連接，設扳手的長度l5d，則由式t=kt fd，取kt0.2，則f15000 n，考慮到擰緊過程中扭轉剪應力的影響，螺栓預緊時拉應力為可知該應力值已超過一般鋼材的屈服極限了。4）一螺旋拉緊裝置如圖所示，若按圖上箭頭方向旋轉中間零件，能使兩端螺桿a和b向中央移動，從而將兩零件拉緊。試問該裝置中螺桿a和b上的螺紋旋向是右旋還是左旋？答：如圖所示若按圖上箭頭方向旋轉中間零件，使兩端螺桿a和b向中央移動，從而將兩零件拉緊，螺桿a和b的螺旋線方向必相反，根據(jù)相對運動關系，螺桿a為