第15章 連接設(shè)計-2012-螺栓（章節(jié)課程）

1、第15章 聯(lián)接設(shè)計桑塔納轎車15.1 螺紋連接的類型和防松機床摩托車飛機機翼發(fā)動機氣缸化工管道自行車鎖緊螺母汽車輪胎螺旋線的形成：將直角三角形(直角底邊長d2)繞到直徑為d2的圓柱體上，其斜邊即在圓柱體上形成螺旋線。 螺紋的形成：取一通過圓柱體軸線的平面圖形(三角形、矩形、梯形等)沿螺旋線運動，該圖形在空間形成的體形即為螺紋。 22S15.1 螺 紋 參 數(shù)一、螺紋的形成二、螺紋的主要參數(shù)d 螺紋大徑，公稱直徑d1 螺紋小徑d2 螺紋中徑n 螺紋線數(shù)p 螺距L 導程，L = n.p 升角 牙型角 牙側(cè)角1）按軸向剖面形狀（螺紋的牙型）三 、螺紋的種類：三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋管制螺紋矩形螺

2、紋2）按螺旋線數(shù)目分單頭螺紋：多頭螺紋：3）按螺旋線繞行方向分左旋右旋（常用）左旋右旋15.2 螺紋聯(lián)接的基本類型及螺紋聯(lián)接件 一、螺紋聯(lián)接主要類型1、螺栓聯(lián)接a) 普通螺栓聯(lián)接被聯(lián)接件不太厚，通孔不帶螺紋，螺桿穿過通孔與螺母配合使用。裝配后孔與桿間有間隙，并在工作中間隙不許消失，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便。b) 精密螺栓聯(lián)接裝配后無間隙，主要承受橫向載荷，也可作定位用，采用基孔制配合鉸制孔螺栓聯(lián)接。2、雙頭螺栓聯(lián)接螺桿兩端無釘頭，但均有螺紋，裝配時一端旋入被聯(lián)接件，另一端配以螺母。適于常拆卸而被聯(lián)接件之一較厚時。拆裝時只需拆螺母，而不將雙頭螺栓從被聯(lián)接件中擰出。3、螺釘聯(lián)接適于被聯(lián)接件之一較厚（上帶

3、螺紋孔），不需經(jīng)常裝拆，一端有螺釘頭，不需螺母，適于受載較小情況4、緊定螺釘聯(lián)接擰入后，利用桿末端頂住另一零件表面或旋入零件相應的缺口中以固定零件的相對位置?？蓚鬟f不大的軸向力或扭矩。地腳螺栓聯(lián)接 吊環(huán)螺釘聯(lián)接 T型槽螺栓5、其它類型二、螺紋聯(lián)接件 1）螺栓 普通螺栓 六角頭，小六角頭，標準六角頭，大六角頭, 內(nèi)六角 鉸制孔螺栓螺紋部分直徑較小各種螺栓 2）雙頭螺柱兩端帶螺紋 A型有退刀槽 B型無退刀槽3）螺釘： 與螺栓區(qū)別螺紋部分直徑較粗;全螺紋.4）緊定螺釘 錐 端適于零件表面硬度較低不常拆卸的場合 平 端接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，適于經(jīng)常拆卸 圓柱端壓入軸上凹坑中

4、，適于頂緊軸上零件的位置5）自攻螺釘由螺釘攻出螺紋6）螺母：六角螺母、鎖緊螺母、圓螺母、蝶形螺母、圓蓋螺母、法蘭螺母、加長螺母等圓螺母+止退墊圈帶有缺口，應用時帶翅墊圈內(nèi)舌嵌入軸槽中，外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊六角螺母按厚度的不同，分為標準、厚、薄型螺母.蝶形螺母7）墊圈放置在螺母和被聯(lián)接件之間，起保護支承表面等作用。斜墊圈為用于傾斜支承面的墊圈。一、預緊1、預緊目的保持正常工作。如氣缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力等。螺紋聯(lián)接預緊過緊預緊力過大，螺桿靜載荷增大、降低本身強度預緊過松預緊力過小，工作不可靠 15.3 螺紋聯(lián)

5、接的預緊和防松松聯(lián)接緊聯(lián)接擰緊時螺母：T=T1+T2T擰緊力矩 T1螺紋摩擦阻力矩 T2螺母端環(huán)形面與被聯(lián)接件間的摩擦力矩 2、擰緊力矩其中由于直徑過小的螺栓，容易在擰緊時過載拉斷，所以對于重要的聯(lián)接不宜小于M10M14對于M10M68的粗牙螺紋：設(shè)計時首先應保證所需的預緊力, 但擰緊后螺紋連接件預緊應力不得大于其材料屈服極限S的80%。對于一般用鋼制螺栓, 推薦用預緊力極限值為碳素鋼螺栓：合金鋼螺栓：3、預緊力的控制：測力矩板手測出預緊力矩；定力矩板手達到固定的擰緊力矩時，將自動打滑。扳手擰緊力矩T=FHL其中，F(xiàn)H作用于手柄上的力，L力臂1、防松目的實際工作中，外載荷有振動、變化、材料高溫

6、蠕變等會造成摩擦力減少，螺紋副中正壓力在某一瞬間消失、摩擦力為零，從而使螺紋聯(lián)接松動，如反復作用，螺紋聯(lián)接就會松馳而失效。因此，必須進行防松，否則會影響正常工作，造成事故. 2、防松原理消除（或限制）螺紋副之間的相對運動，或增大相對運動的難度。二、螺紋防松 3、防松辦法及措施1）摩擦防松 2）機械防松3）永久防松自鎖螺母螺母一端做成非圓形收口或開峰后徑面收口，螺母擰緊后收口漲開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊1）摩擦防松 2）機械防松 開槽螺母與開口銷，圓螺母與止動墊圈，軸用帶翅墊片，止動墊片，串聯(lián)鋼絲等3）永久防松：點焊、沖點、粘合15.4 單個螺栓聯(lián)接的強度計算 針對不同零件的不同失效形式

7、，分別擬定其設(shè)計計算方法. 失效形式是設(shè)計計算的依據(jù)和出發(fā)點。1、失效形式受拉螺栓螺栓桿和螺紋可能發(fā)生塑性變形或斷裂受剪螺栓螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷工程中螺栓聯(lián)接多數(shù)為疲勞失效 受拉螺栓：設(shè)計準則為保證螺栓的疲勞拉伸強度和靜強度受剪螺栓：設(shè)計準則為保證螺栓的擠壓強度和剪切強度 2、設(shè)計計算準則與思路、松螺栓聯(lián)接如吊鉤螺栓，工作前不擰緊，無預緊力，只有工作載荷 F 起拉伸作用強度條件為：驗算用 設(shè)計用 式中：d1 螺桿危險截面直徑（mm） 許用拉應力 (MPa) 二、緊螺栓聯(lián)接根據(jù)所受拉力不同, 緊螺栓連接可分為 1 只受預緊力 2 受預緊力和靜工作拉力 3 受預緊力和變工作拉力三類。

8、工作前要進行預緊，螺栓處于復合應力狀態(tài):1）預緊力產(chǎn)生拉伸應力2）螺紋阻力矩產(chǎn)生剪應力按第四強度理論：(1) 只受預緊力的緊螺栓連接式中：F軸向拉力或預緊力（N） T 螺紋摩擦力矩，起扭剪作用，又稱螺紋扭矩，N.mm 1.3系數(shù)將外載荷提高30%，以考慮螺紋力矩對螺栓聯(lián)接強度的影響，把拉扭的復合應力狀態(tài)簡化為純拉伸來處理，簡化了計算手續(xù)，故又稱簡化計算法 強度條件為：F的大小根據(jù)被連接面間不產(chǎn)生滑移條件確定,即 F F /f , f 為被連接面間的摩擦系數(shù),查表 15.3; 為靜載緊連接螺栓的許用拉應力,MPa ,其值由表 15.8 查得。設(shè)計公式：僅靠預緊力傳遞橫向力,需很大的預緊力,且連接

9、不可靠。FEFETFaFRFRFa螺栓所受的總拉力：Fa = F0+ FE?此時，聯(lián)接中各零件的受力關(guān)系屬靜不定問題未知力有兩個：Fa 總拉力FR 殘余預緊力須根據(jù)靜力平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件求解F0F0(2) 受預緊力和工作拉力的緊螺栓連接 (壓力容器)F0F0F0F0FEFEFaFRFRFac0b0bc變形協(xié)調(diào)條件： b = c = 靜力平衡條件： Fa = FR + FE螺栓總拉力殘余預緊力軸向外載荷變形力力力變形b0c0b0c0F0F0FaFEFRbc(a)(b)(c)F0螺栓剛度: c1 = F0/b0被聯(lián)接件剛度: c2= F0/c0 FbFc當c2 c1時，相對剛度系數(shù)0， Fa

10、F0當c2 c1時，相對剛度系數(shù)1， Fa F0+FE相對剛度系數(shù)總拉力公式也寫成:K0為預緊系數(shù),查表 15.4;預緊力 F0 = K0 FE; Kc 螺栓的相對剛度系數(shù), Kc =c1/(c1+c2)。螺栓的相對剛度系數(shù)的大小與螺栓及被連接件的材料、 尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān),其值在 01 之間變化,一般可按表 15.5 選取強度條件：注意：對于普通螺栓聯(lián)接，無論聯(lián)接是受橫向工作載荷還是軸向工作載荷，螺栓本身總是受拉力作用1）無特殊要求時 FR =（0.20.6) FE2）變載作用時 FR =（0.61.0) FE3）有緊密性要求時 FR =（1.51.8) FE緊螺栓連接應能保證被連接件的接合面不

11、出現(xiàn)縫隙，殘余預緊力應滿足下列要求：一般的計算過程： FE FR Fa e設(shè)計時, 通常在求出F E和預緊力F0后, 可以公式求總拉力Fa一般的計算過程： FE F0 Fa e在預緊力難以確定或重要的連接, 可先確定殘余預緊力當工作載荷FE在0與FE之間變化時, 螺栓的拉力在Fa與F0之間變化, 螺栓的拉力變幅為由于變載零件的疲勞強度應力幅a是主要因素, 故應滿足強度條件力時間OF2F1工作載荷變化變形O力 3)軸向載荷+變工作載荷特點：螺桿與孔間緊密配合，無間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來傳遞外載荷F進行工作3. 受剪螺栓連接螺栓的剪切強度條件為：式中： F -橫向載荷（N） d0-螺桿或孔

12、的直徑（mm） 螺栓許用剪應力，MPa螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強度條件為： 式中： 被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長度（mm） 螺栓或被聯(lián)接件中較弱者的許用擠壓應力，MPa鉸制孔螺栓能承受較大的橫向載荷，但被加工件孔壁加工精度較高，成本較高國家標準規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為 7級。 在一般用途的設(shè)計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計中的螺紋聯(lián)接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。常用的螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當強度要求高時，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。

13、4. 螺栓的材料和許用應力二、螺紋聯(lián)接件的許用應力1螺紋聯(lián)接件的許用拉應力2螺紋聯(lián)接件的許用剪應力和許用擠壓應力3螺紋聯(lián)接件的安全系數(shù)（被聯(lián)接件為鋼）（被聯(lián)接件為鑄鐵）15.5 螺栓組連接的設(shè)計計算螺栓組連接設(shè)計主要有以下內(nèi)容:1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計：按連接的用途和被連接件的結(jié)構(gòu), 選定螺栓的數(shù)目和布置形式;2) 受力分析：按連接布置形式和載荷情況, 求出受力最大的螺栓所受的力; 3) 強度計算：按受力最大的螺栓進行單個螺栓的強度計算。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯(lián)接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀。螺栓的排列應有合理的間距、邊距。各螺栓之間的距離大小既要保

14、證聯(lián) 接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應留有足夠的扳手空間。 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。一、螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的, 在于合理地確定連接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式, 力求使各螺栓和連接接合面間受力均勻, 便于加工和裝配。1受橫向載荷2受轉(zhuǎn)矩3受軸向載荷4受傾覆力矩 受力分析的目的：根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便進行螺栓聯(lián)接的強度計算。 受力分析時所作假設(shè)：所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同； 受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。 受力分析的類型：二、螺

15、栓組聯(lián)接的受力分析螺栓組的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合；FSFSriOOMTfF0fF0FFS1受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為： 通常，各個螺栓還承受預緊力F0的作用，當聯(lián)接要有保證的殘余預緊力為FR時，每個螺栓所承受的總載荷Fa為。Fa = F + FRFFS （2）對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接（圖b），每個螺栓所受工作剪力為： 式中：z為螺栓數(shù)目。 圖示為由四個螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。2受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 （1）對于普通螺栓聯(lián)接(圖a)，按預緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦

16、力必須大于或等于橫向載荷的要求，有：或Kf為防滑系數(shù)，設(shè)計中可取Ks =1.11.3。m為結(jié)合面數(shù)量，z為螺栓數(shù)目，f為摩擦系數(shù)分析：當f=0.15，m=1，C=1.2，則F08F，說明這種聯(lián)接螺栓直徑大，且在沖擊振動變載下工作極不可靠. 為增加可靠性，減小直徑，簡化結(jié)構(gòu)，提高承載能力可采用如下減載裝置： a)減載銷 b)減載套筒 c)減載鍵采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉(zhuǎn)矩時的受力情況是不同的。3受旋轉(zhuǎn)力矩 T 的螺栓組連接 1）采用普通螺栓，是靠連接預緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T。 2）采用鉸制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T。FSriOTf

17、F0fF0與4受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接 傾覆力矩 M 作用在聯(lián)接接合面的一個對稱面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預緊力F0。 作用在底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作載荷：OM 為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求： 受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的受力過程可用右圖表示。式中, F0為每個螺栓所受的預緊力, N; p1 為由預緊力產(chǎn)生的擠壓應力,MPa ; z 為螺栓數(shù)目; A 為接合面的有效面積,mm2 ;p2 為由翻轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的附加最大擠壓應力,MPa , W為接合面抗彎截面系數(shù), mm3 ; p 為接合面材料的許用擠壓應力,MPa , 對于鋼和鑄鐵, 其值見表15.9 , 混凝土p = 23 MPa; 磚(水泥漿縫) p = 1.22 MPa; 木材p = 24 MPa。 在實際應用中, 螺栓組連接所受工作載荷可能是以上四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。 對于復雜的受力狀態(tài), 可以化簡為上述四種簡單受力狀態(tài), 再按矢量疊加原理求出螺栓受力。求出受力最大螺栓的力值后, 即可進行單個螺栓連接強度計算。一 、改善螺紋牙上載荷的分配15.6 提高螺栓連接強度的措施均載螺母1均載螺母2均載螺母3鋼絲螺套二. 避免或減小附加應力由于設(shè)計、制造或安裝上的疏忽,