螺纹联接

第四章螺纹联接沈阳农业大学工程学院机械设计教研室张祖立基本要求1、了解螺纹联接的类型、特点、结构及应用场合2、了解螺纹联接预紧的目的及预紧方法3、掌握螺纹联接防松的目的、防松原理及防松结构4、掌握螺栓组联接的结构设计原则、受力分析的目的及方法，能够合理设计螺栓组联接5、掌握单个螺栓联接的失效形式、受力分析及强度计算6、掌握提高螺栓联接强度的措施重点内容4）掌握变载荷下螺纹联接结构的强度计算2）掌握螺栓联接受力与变形的关系1）掌握螺栓组联接结构设计的原则，螺栓组联接的受力分析3）掌握单个螺纹联接的强度计算5）掌握提高螺栓联接强度的结构措施和工艺措施机械联接联接的分类机械动联接(运动副)机械静联接焊接粘接铆接过盈配合联接螺纹联接键联接销联接过盈配合联接可拆联接不可拆联接将2个或2个以上的零件联成一体的结构第一节螺纹一、螺纹的形成、分类及应用1.螺纹的形成2.螺纹的分类及应用左旋螺纹右旋螺纹单线螺纹双线螺纹内螺纹外螺纹πdλd2=nPcba公制螺纹英制螺纹我国采用公制，国际标准也采用公制标准螺纹凡牙型、大径和螺距都符合国家标准的螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹普通螺纹管螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹常用螺纹的类型、特点和应用前两种螺纹用于联接——联接螺纹后三种螺纹用于传动——传动螺纹普通螺纹牙型角为60º三角形公制螺纹粗牙螺纹细牙螺纹——螺距小，升角小，自锁性能好，螺纹钉杆强度较高，但不耐磨，容易滑扣；宜用于薄壁零件。——用于一般联接。1．大径d——公称直径2．小径d1——危险截面的计算直径3．中径d2——确定螺纹几何参数和配合性质的直径4．线数n——联接螺纹要求自锁性能，多用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，多用双线或三线螺纹。5．螺距P6．导程S——单线螺纹S=P多线螺纹S=nP7．螺纹升角y8．牙型角a9．牙型斜角b10．接触高度h二、螺纹的主要参数外螺纹内螺纹Phd1d2d22arctanarctandnPdSy1．螺栓联接第二节螺纹联接的基本类型l1ded0adal1普通螺栓联接（受拉螺栓联接）铰制孔用螺栓联接（受剪螺栓联接）2．双头螺柱联接Hdl1eaH2H13.螺钉联接Hl1dd0eH2H14.紧定螺钉联接5．其他形式螺纹联接一、螺纹联接的预紧紧联接装配时需要将螺母适当拧紧，螺纹联接在承受工作载荷之前受到预紧力的作用预紧的目的增强联接的刚性、紧密性和防松能力保证联接的正常工作提高螺栓的疲劳强度第三节螺纹联接的预紧和防松1．拧紧力矩的确定拧紧螺母时，拧紧力矩T需克服螺纹副间的摩擦阻力矩T1螺母与支承面间的摩擦阻力矩T221TTT)tan(2201vρψdFT202130310231dDdDFT则M10～M68粗牙普通螺纹钢制螺栓：d2≈0.9d；d0≈1.1d；D1≈1.5d；y=～F0——螺栓所受预紧力rv——螺纹副的当量摩擦角，rv=arctan1.155，为摩擦系数，无润滑时可取≈0.15整理后可得D1d0F0F0F0/2F0/2TTF0/2F0/2T202130312032)tan(21dDdDμdρψdddFTv42123dFkT0式中：k——拧紧力矩系数，k在0.1～0.3范围内变动一般标准板手长度L≈15d，若拧紧力F=200N，取k=0.2可得对于重要的联接不宜采用小于M12～M16的螺栓必须使用时，应严格控制拧紧力矩的大小dFFLT02.0dF0LFN15000152.02002.00dLFF（1）控制拧紧力矩法利用测力矩扳手和定力矩扳手来控制预紧力（2）测量螺栓的弹性伸长量法测量螺栓受力后的伸长量设螺栓的原始长度为lS，根据所需的预紧力F0确定拧紧后螺栓长度lM为式中：c1——螺栓刚度，N/mm1234LSLM10cFllSM2．控制预紧力的方法普通螺纹件联接yrv在静载下可保证联接自锁而不松脱在冲击、振动或变载荷作用下或温度变化较大时，螺纹副间和螺母与支承面间的摩擦阻力可能瞬时消失，多次重复会使联接松动。必须考虑螺栓联接的放松问题按工作原理可分为：摩擦防松机械防松破坏螺纹副防松二、螺纹联接的防松螺栓上螺母下螺母焊住冲点常用的防松方法、特点及应用摩擦防松机械防松破坏螺纹副一、失效形式分析及计算准则1．受拉螺栓联接（普通螺栓联接）强度失效螺栓杆或螺纹部分塑性变形和断裂约有90%的螺栓发生疲劳破坏设计准则保证螺栓的静力强度及拉伸疲劳强度约15%约20%约65%第四节螺纹联接的强度计算2．受剪螺栓联接（铰制孔用螺栓联接）强度失效螺栓杆部和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断设计准则保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度被联接件12FSFS挤压破坏a）受剪螺栓联接b）螺栓被挤压c）挤压应力分布d）假设挤压应力分布剪切破坏lmind0FSFS1．松螺栓联接的强度计算松螺栓联接在承受工作载荷之前不受力，只受工作拉力的联接螺栓危险截面的强度条件为设计式为式中：[s]——螺栓的许用拉应力，对于钢制螺栓[s]=sS/[S]ss2141dF][41sFdFd二、受拉螺栓联接的强度计算（1）只受预紧力的紧螺栓联接螺栓危险截面：受预紧力F0引起的拉应力s，螺纹副阻力矩T1引起的扭转切应力t对于M10～M68的普通螺栓，取tany≈0.05，tanrv≈0.17，可得21041dFs320111612ddFWTVTryt)tan(21012412dFddVry)tan(st5.02．紧螺栓联接的强度计算08.1~04.112dd用第四强度理论求螺栓在预紧状态下的计算应力普通螺栓联接，拧紧时受拉伸和扭转复合应力作用，但在设计时可以只按拉伸强度计算，并将所受的拉力增大30%来考虑扭转切应力的影响紧螺栓联接的强度条件为设计式为][413.1210ssdF][3.1401sFdssstss3.1)5.0(332222ca1）螺栓的总拉力由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力不等于预紧力F0与工作拉力F之和预紧力F0作用下螺栓的拉伸变形量d1，被联接件的压缩变形量d2δ1δ2F0F0δ2F0FΣFΣF0'FFΔΔδ1FF（2）受预紧力和轴向静工作载荷的紧螺栓联接螺栓和被联接件的受力和变形关系设c1、c2分别为螺栓与被联接件的刚度轴向工作载荷F下，螺栓拉力增量FS-F0，伸长增量Dd1接合面间压力减为残余预紧力F0′，压力减量F0-F0′，压缩变形减量Dd2力力力力变形变形变形F0F0F0F0Fδ1δ2δ1δ2δ1δ2Δδ1Δδ2α1α2FΣFα1α2ΔF(a)(b)(c)α1α2/22021101tan,tancFcFdada螺栓的静力平衡条件螺栓的总拉力变形协调条件Dd1=Dd2FFFS0力力力力变形变形变形F0F0F0F0Fδ1δ2δ1δ2δ1δ2Δδ1Δδ2α1α2FΣFα1α2ΔF(a)(b)(c)α1α2/由可得预紧力螺栓总拉力残余预紧力1101cFcFFDDSd22002cFFcFFDD'dFcccFD211FcccFFFFF212000D)(FcccFFFF21100DSFcccFFFFF212000D)(力力力力变形变形变形F0F0F0F0Fδ1δ2δ1δ2δ1δ2Δδ1Δδ2α1α2FΣFα1α2ΔF(a)(b)(c)α1α2/式中：——螺栓相对刚度被联接件为钢或铸铁件时，一般根据垫片材料不同取值：金属垫片或无垫片0.2～0.3皮革垫片0.7铜皮石棉垫片0.8橡胶垫片0.9螺栓总拉力FS等于预紧力加上部分工作载荷当c2c1时，FS≈F0当c2c1时，FS≈F0+F联接的工作载荷很大时，不宜采用刚性小的垫片211ccc保证联接的紧密性和刚性，应使残余预紧力F0′＞0推荐的F0′数据：工作载荷稳定F0′=（0.2~0.6）F工作载荷不稳定F0′=（0.6~1.0）F紧密性联接F0′=（1.5~1.8）F地脚螺栓联接F0′＞F2）螺栓联接的静强度计算在总拉力FS作用下螺栓的拉伸强度条件设计式为ssS21413.1dFsSFd3.141（3）受预紧力和轴向变工作载荷的紧螺栓联接先按静强度初定螺栓直径，然后按疲劳强度做精确校核。当工作拉力在0～F之间变化时由螺栓所受的总拉力将在F0与FS之间变化FcccFFFF21100DS时间时间螺栓拉力变化螺栓工作载荷变化变形力FF0FΣF0F′螺栓危险截面的最大与最小拉应力应力变化幅螺栓的疲劳强度条件式中：[sa]——螺栓的许用应力幅21max41dFsS210min41dFs2121121minmaxa24212dFcccdFsssDaass212112dFccc1.螺栓杆的剪切强度计算在装配时需适当拧紧，预紧力很小，略去不计螺栓杆的剪切强度条件为式中：FS——螺栓所受的工作剪力；d0——螺栓抗剪面直径；m——螺栓抗剪面的数目；[t]——螺栓的许用切应力。三、受剪螺栓联接的强度计算][4120ttmdFS被联接件12FSFS挤压破坏a）受剪螺栓联接b）螺栓被挤压c）挤压应力分布d）假设挤压应力分布剪切破坏lmind0FSFS2.联接的挤压强度计算假设挤压应力按均匀规律分布，螺栓杆与被联接件孔壁的挤压强度条件为式中：lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度；[sp]——螺栓或孔壁材料的许用挤压应力。][min0pSpldFss被联接件12FSFS挤压破坏a）受剪螺栓联接b）螺栓被挤压c）挤压应力分布d）假设挤压应力分布剪切破坏lmind0FSFS一、螺纹紧固件的常用材料及性能等级常用的材料螺栓、螺钉、螺柱和螺母：Q215-A、Q235-A、35、45钢等重要的或特殊用途时：15Cr、20Cr、40Cr、15MnVB、30CrMnSi等普通垫片：Q235、15钢弹簧垫圈：65Mn第五节螺纹联接件的材料及许用应力螺纹紧固件按材料的机械性能等级1）螺栓、螺钉和螺柱的性能等级3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9共十个等级点前的数字=公称抗拉强度极限sB的1/100，点后数字表=公称屈服强度极限sS与公称抗拉强度极限sB比值的10倍如5.8表示：sB=5×100=500MPa，sS=8×500/10=400MPa2）螺母的性能等级由与该螺母相配的最高性能等级的螺栓公称抗拉强度极限的1/100表示456891012共七个等级（1）静载（2）变载1）按最大应力2）按循环变应力式中：s-1t——材料在拉（压）对称循环下的疲劳极限，MPa；ks——有效应力集中系数(表4-7)；e——尺寸系数(表4-8)二、螺纹联接件的许用应力][][SSss][][SSssσtkSε][][1aass一、螺栓组联接的结构设计合理确定接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和接合面间受力均匀，便于加工和装配（1）接合面的形状应力求简单，并成轴对称结构第六节螺栓组联接设计（2）布置螺栓应使各螺栓和接合面受力合理1）对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合。2）接合面受扭转力矩或翻转力矩时，螺栓布置应尽量远离对称中心或对称轴线。3）铰制孔用螺栓联接，在平行于工作载荷的方向上成排布置的螺栓数目不宜超过8个。a）合理b）不合理（3）螺栓的排列应有合理的间距、边距（4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应取易于分度的数如：2、4、6、8、12等。（5）同一组中的螺栓，应取相同的材料、直径和长度（6）螺母支承面应平整，与螺栓轴线相垂直可将被联接件支承面做成凸台、沉头座，或采用斜面垫圈或球面垫圈4）普通螺栓联接同时承受横向及轴向载荷时，应采用抗剪切零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。假设：1）同一组螺栓的