機械原理與機械設(shè)計 第十四章 螺紋連接

螺紋螺紋連接單個螺栓連接的強度計算螺栓組連接的設(shè)計提高螺紋連接強度的措施第十四章螺紋連接目前一頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺紋的主要參數(shù)常用螺紋§14.1螺紋

目前二頁\總數(shù)五十二頁\編于點§5-1螺紋大徑d

－是螺紋的公稱直徑。小徑d1－常用于強度計算。中徑d2－常用于幾何計算。螺距P

－中徑線上，相鄰兩螺紋牙上對應(yīng)點間的軸向距離。導(dǎo)程

S

－沿螺紋上同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動的軸向距離，S=nP。線數(shù)

n

－螺紋的螺旋線數(shù)目。牙型角a－在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。螺紋螺紋的主要參數(shù)牙型高度h－牙頂和牙底間垂直于軸線的距離螺紋旋向分左旋和右旋，常用右旋螺紋螺紋升角y－螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。目前三頁\總數(shù)五十二頁\編于點按軸向剖面形狀（螺紋的牙型）三角形螺紋：常用于連接，常用于傳動，單向受載常用于傳動梯形螺紋：鋸齒形螺紋：按螺旋線數(shù)目分單頭螺紋：多頭螺紋：常用于連接，常用于傳動按螺旋線繞行方向分左旋右旋（常用）常用螺紋螺紋目前四頁\總數(shù)五十二頁\編于點目前五頁\總數(shù)五十二頁\編于點目前六頁\總數(shù)五十二頁\編于點目前七頁\總數(shù)五十二頁\編于點目前八頁\總數(shù)五十二頁\編于點左旋右旋目前九頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺紋連接的類型和螺紋緊固件的材料及精度螺紋連接的預(yù)緊及其控制螺紋連接的防松§14.２螺紋連接

目前十頁\總數(shù)五十二頁\編于點1.螺栓聯(lián)接螺紋連接的類型和螺紋緊固件的材料和精度螺紋連接一、螺紋連接的類型目前十一頁\總數(shù)五十二頁\編于點2.雙頭螺柱聯(lián)接工作原理：螺栓受拉力，承受外載應(yīng)用：被聯(lián)接件較厚，且常拆卸處螺紋連接目前十二頁\總數(shù)五十二頁\編于點3.螺釘聯(lián)接工作原理：螺栓受拉承受外載應(yīng)用：一被聯(lián)件較厚，但不常拆卸處螺紋連接目前十三頁\總數(shù)五十二頁\編于點4.緊定螺釘聯(lián)接工作原理：靠承受外載應(yīng)用：薄壁件聯(lián)接螺紋連接目前十四頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺栓、螺釘、雙頭螺柱、螺母、墊圈、防松零件等標(biāo)準(zhǔn)化螺釘、螺母、墊圈二、螺紋緊固件螺紋連接按公差等級分成A、B、C三級。A級的公差等級最高,C級公差等級較低螺栓、螺母、螺釘和雙頭螺柱的常用材料有Q215、Q235、35和45鋼。目前十五頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺紋聯(lián)接件實物目前十六頁\總數(shù)五十二頁\編于點1.螺栓聯(lián)接螺紋連接的預(yù)緊及其控制螺紋連接一、螺紋連接的類型目前十七頁\總數(shù)五十二頁\編于點擰緊目的：提高螺栓聯(lián)接剛性、緊密性、緊固性要求；以及防松擰緊力矩和預(yù)緊力預(yù)緊：安裝時將螺母擰緊，使聯(lián)接受到一定的預(yù)緊力。螺紋間摩擦力矩支承面處與螺母間摩擦力矩擰緊力矩T螺紋連接的預(yù)緊及其控制螺紋連接T2

=fc

F/

rf目前十八頁\總數(shù)五十二頁\編于點F/—預(yù)緊力;d2—螺紋中徑;/—當(dāng)量摩擦角;

fc—螺母與被聯(lián)接件支承面間摩擦系數(shù),無潤滑時取fc＝0.15；rf—支承面摩擦半徑rf≈(D1+d0)/4；式中D1、d0—螺母支承面的外徑、內(nèi)徑。螺紋連接注意：對于重要的聯(lián)接，盡可能不采用直徑過小(＜M12)的螺栓。簡化計算：對M10－M68的粗牙普通螺紋取f/=tg/=0.15，fc＝0.15得：T≈0.2F/dN.mm目前十九頁\總數(shù)五十二頁\編于點控制擰緊力矩方法

1）擰緊程度——通常由經(jīng)驗控制2）重要聯(lián)接——根據(jù)聯(lián)接要求決定計算出T的值。在擰緊時用側(cè)力矩扳手或定力矩扳手控制T按T計算式螺紋連接目前二十頁\總數(shù)五十二頁\編于點使用測力矩扳手測力矩扳手原理：利用彈性件的變形量正比于擰緊力矩的原理，借助手柄上的指針指示刻度扳上擰緊力矩值,以控制F’。

使用定力矩扳手定力矩扳手原理：當(dāng)擰緊力矩超過規(guī)定值時，彈簧壓縮，卡盤與圓柱銷之間打滑，如果繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄，卡盤不再回轉(zhuǎn)，擰緊力矩的大小可用螺釘調(diào)整彈簧壓力來加以控制。螺紋連接目前二十一頁\總數(shù)五十二頁\編于點1、螺紋聯(lián)接多采用單線普通螺紋，一般都具有自鎖性；2、在靜載荷和工作環(huán)境溫度變化不大的情況下不會自動松脫。但在振動、沖擊、變載荷或溫度變化很大時，3、聯(lián)接就有可能松脫。為保證聯(lián)接安全可靠，設(shè)計時必須考慮放松問題。防松方法：

摩擦防松機械防松永久止動螺紋連接的防松螺紋連接目前二十二頁\總數(shù)五十二頁\編于點目前二十三頁\總數(shù)五十二頁\編于點目前二十四頁\總數(shù)五十二頁\編于點受拉螺栓連接的強度計算鉸制孔螺栓（受剪螺栓）連接的強度計算螺紋連接件的許用應(yīng)力§14.３單個螺栓連接的強度計算

目前二十五頁\總數(shù)五十二頁\編于點§5-3單個螺栓聯(lián)接的強度本節(jié)以螺栓聯(lián)接為代表，討論強度計算問題，其方法和結(jié)論也適用于其他形式的螺紋聯(lián)接。螺栓聯(lián)接強度計算的目的是：確定防止失效所需的螺栓直徑。聯(lián)接的強度計算內(nèi)容，根據(jù)其可能的失效形式而定。螺紋聯(lián)接的受載形式基本分為：采用受拉螺栓可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。軸向載荷（沿軸線方向）：橫向載荷（⊥軸線方向）：下面按螺栓類型和受載形式的不同，分別討論其強度計算方法。單個螺栓連接的強度計算目前二十六頁\總數(shù)五十二頁\編于點受拉螺栓的強度一、受橫向工作載荷的受拉螺栓連接

受拉螺栓的失效形式主要是：螺紋部分的塑性變形。螺桿的疲勞斷裂。受拉螺栓連接的強度計算單個螺栓連接的強度計算1）僅受預(yù)緊力

F′的緊螺栓聯(lián)接Fs為橫向工作載荷；s為被連接件結(jié)合面間的摩擦因數(shù)，m為結(jié)合面?zhèn)€數(shù)；K為可靠性因子，通常K＝1.1～1.3F′引起的拉應(yīng)力：擰緊力矩M引起的切應(yīng)力經(jīng)分析推導(dǎo)可知：目前二十七頁\總數(shù)五十二頁\編于點僅受預(yù)緊力的螺栓聯(lián)接按第四強度理論計算當(dāng)量應(yīng)力，則單個螺栓連接的強度計算強度條件為：設(shè)計式為：——驗算用

——設(shè)計用。查手冊，選螺栓

當(dāng)s＝0.15、m＝1、K＝1.2時，則F＝8Fs?？梢?，要想傳遞一定的外載荷，需在螺栓上施加8倍于外載荷的預(yù)緊力，這將導(dǎo)致螺栓與連接的結(jié)構(gòu)尺寸過大。為避免上述缺點可采用減載裝置，如減載銷、減載套等，或采用鉸制孔用螺栓連接。

減載裝置a)減載銷 b)減載套目前二十八頁\總數(shù)五十二頁\編于點承受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接二、受軸向工作載荷的受拉螺栓連接如圖所示的氣缸蓋上的聯(lián)接即屬此種類型。雖然，這種螺栓是在受預(yù)緊力F′的基礎(chǔ)上，又受工作拉力F

。但是，螺栓的總拉力

單個螺栓連接的強度計算1.受力分析？目前二十九頁\總數(shù)五十二頁\編于點承受軸向載荷的緊螺栓2預(yù)緊時受工作載荷后F″－剩余預(yù)緊力螺栓：被聯(lián)接件：螺栓的總拉力為bFdμ￠單個螺栓連接的強度計算目前三十頁\總數(shù)五十二頁\編于點承受軸向載荷的緊螺栓3可用載荷變形圖分析各力之間的關(guān)系。螺栓的剛度：Cb被聯(lián)接件的剛度：Cm力變形力變形力變形則螺栓的總拉力

或?qū)懗桑菏芰ψ冃蝿赢媶蝹€螺栓連接的強度計算目前三十一頁\總數(shù)五十二頁\編于點承受軸向載荷的緊螺栓4令，稱為螺栓的相對剛度

為保證聯(lián)接的緊密性，應(yīng)使F″

＞0。通常根據(jù)工作拉力F的性質(zhì)確定F″。

設(shè)計中，根據(jù)F確定F″計算滿足F″所需的F′計算總拉力計算螺栓的強度。２.受軸向靜載荷時螺栓連接的強度計算強度驗算：≤設(shè)計式為：≥單個螺栓連接的強度計算目前三十二頁\總數(shù)五十二頁\編于點單個螺栓連接的強度計算3.受軸向循環(huán)載荷時螺栓連接的強度計算靜強度計算（同上）疲勞強度計算螺栓的工作載荷在0～F之間循環(huán)變化時，螺栓所受的總拉力將在F

～F0之間循環(huán)變化≤[a]

受軸向循環(huán)載荷螺栓的拉力變化目前三十三頁\總數(shù)五十二頁\編于點受剪螺栓的強度１、螺栓桿的剪切強度條件為：式中：Fs－螺栓所受的工作剪力（N）；

ds－螺栓剪切面的直徑（mm）；

m－螺栓受剪面數(shù)；－螺栓的許用切應(yīng)力。鉸制孔螺栓聯(lián)接的強度計算其主要失效形式為：螺栓被剪斷孔壁被壓潰單個螺栓連接的強度計算目前三十四頁\總數(shù)五十二頁\編于點２、螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為：式中：

h－計算對象（即最小者）的擠壓面高度（mm）；－計算對象的許用擠壓應(yīng)力（Mpa)單個螺栓連接的強度計算螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力螺紋連接的許用應(yīng)力受諸多因素的影響，如材料性能、熱處理工藝、結(jié)構(gòu)尺寸、載荷性質(zhì)、使用工況等。必須綜合上述各因素確定許用應(yīng)力，一般設(shè)計時可參閱表14-8,14-9,14-10,14-11。目前三十五頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓組連接的受力分析與計算§14.4螺栓組連接的設(shè)計

目前三十六頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺紋聯(lián)接組的設(shè)計1設(shè)計螺栓組連接時，通常是先進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，即確定結(jié)合面的形狀、螺栓布置方式和數(shù)目，然后按螺栓組的結(jié)構(gòu)和承載狀況進行受力分析。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證連接結(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。螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。

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)。螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距。各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng)留有足夠的扳手空。

螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓組連接的設(shè)計目前三十七頁\總數(shù)五十二頁\編于點扳手空間螺栓組連接的設(shè)計應(yīng)保證螺栓與螺母的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直，以避免引起偏心載荷。為此，應(yīng)將被連接件的支承表面制成凸臺或沉頭座當(dāng)支承面傾斜時，可采用斜面墊圈凸臺與沉頭座目前三十八頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺栓組聯(lián)接的基本受載類型：2．受橫向載荷FSFS4．受傾覆力矩OM3．受轉(zhuǎn)矩riOT1．受軸向載荷FFS假設(shè)：所有螺栓的剛度和預(yù)緊力均相同；被聯(lián)接件為剛體；各零件的變形在彈性范圍內(nèi)。螺栓組連接的受力分析與設(shè)計螺栓組連接的設(shè)計目前三十九頁\總數(shù)五十二頁\編于點§5-4螺栓組聯(lián)接受力分析一、承受軸向載荷的螺栓組連接

如圖所示為壓力容器的螺栓組連接，所受軸向總載荷FQ通過螺栓組形心，螺栓組各螺栓所受的工作載荷相等。螺栓數(shù)目注：如FQ不通過螺栓組的形心，應(yīng)向形心平移后再計算。螺栓組連接的設(shè)計軸向外載荷受軸向載荷的螺栓組連接

目前四十頁\總數(shù)五十二頁\編于點受橫向載荷1二、承受橫向載荷的螺栓組連接１.普通螺栓連接

螺栓預(yù)緊后在被聯(lián)接件的接觸面上產(chǎn)生正壓力，靠由此產(chǎn)生的摩擦力承受。

保證被聯(lián)接件不相對滑動，須滿足：則所需預(yù)緊力為式中：K－可靠性系數(shù)

－結(jié)合面的摩擦因數(shù)m－結(jié)合面數(shù)螺栓組連接的設(shè)計受橫向載荷的螺栓組連接

目前四十一頁\總數(shù)五十二頁\編于點受橫向載荷2２.受鉸制孔螺栓連接各螺栓承受的橫向力相等。分別進行剪切強度和擠壓強度計算。螺栓組連接的設(shè)計三、承受轉(zhuǎn)矩T的螺栓組連接連接受載后有繞螺栓組形心轉(zhuǎn)動的趨勢，螺栓受力情況與承受橫向工作載荷的螺栓連接類似

承受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接

目前四十二頁\總數(shù)五十二頁\編于點承受轉(zhuǎn)矩T時1１.普通螺栓連接

靠結(jié)合面上的摩擦力承受T。

保證底板在T作用下不轉(zhuǎn)動，須滿足≥則所需預(yù)緊力≥螺栓組連接的設(shè)計

r1、r2、…rz——各螺栓中心與螺栓組形心間的距離。目前四十三頁\總數(shù)五十二頁\編于點承受轉(zhuǎn)矩T時2２.鉸制孔螺栓連接各螺栓所受的工作剪力與其中心到底板中心的距離成正比。底板的靜力平衡方程為聯(lián)立兩式求解，得最大工作剪力即螺栓組連接的設(shè)計目前四十四頁\總數(shù)五十二頁\編于點受翻轉(zhuǎn)力矩M時1四、承受傾翻力矩M的螺栓組連接

在M作用下，底板有繞通過螺栓組形心的軸線O轉(zhuǎn)動的趨勢。

在前述假設(shè)下，各螺栓所受的工作拉力與其中心到翻轉(zhuǎn)軸線的距離成正比。底板的靜力平衡方程為聯(lián)立兩式求解，得最大工作拉力螺栓組連接的設(shè)計目前四十五頁\總數(shù)五十二頁\編于點受翻轉(zhuǎn)力矩M時2為防止結(jié)合面受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：為防止結(jié)合面受壓最大處被壓潰，要求：式中：A－結(jié)合面的面積（mm2）W－結(jié)合面的抗彎截面模量（mm3）－許用擠壓應(yīng)力（Mpa）實際中，螺栓組往往同時承受兩種或兩種以上的載荷。螺栓組連接的設(shè)計

工作時承受外載荷FP

軸向載荷FV橫向載荷FH

翻轉(zhuǎn)力矩M目前四十六頁\總數(shù)五十二頁\編于點改善螺紋牙間的載荷分配減小螺紋的應(yīng)力副減小附加彎曲應(yīng)力§14.5提高螺紋連接強度的措施

目前四十七頁\總數(shù)五十二頁\編于點螺紋聯(lián)接組的設(shè)計1設(shè)計螺栓組連接時，通常是先進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，即確定結(jié)合面的形狀、螺栓布置方式和數(shù)目，然后按螺栓組的結(jié)構(gòu)和承載狀況進行受力分析。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證連接結(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。螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。

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