第4讲(螺纹连接)

§5-6螺纹联接的强度计算1螺纹联接的失效形式和设计准则2松螺栓联接的强度计算3紧螺栓联接的强度计算潘存云教授研制1螺纹联接的失效形式和设计准则单个螺栓连接的受力分析FDDp受轴向载荷受横向载荷受轴向载荷的螺栓保证静力或疲劳拉伸强度主要失效形式：螺栓杆螺纹部分发生塑性变形或断裂FDDp轴向力作用下螺栓杆和螺纹部分发生塑性变形或断裂受横向载荷的螺栓保证结合处的挤压强度和螺栓杆的剪切强度铰制孔用螺栓结合部位发生压溃或螺栓杆被剪断2松螺栓联接的强度计算（不预紧）螺栓工作之前不需拧紧，不受力。拉杆起重吊钩拉伸强度条件为：d1——一般为螺栓的小径注意：螺栓的危险截面2141dFFFd41设计式为：校核式d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径（大径）d。粗牙普通螺纹基本尺寸3紧螺栓联接的强度计算紧螺栓联接强度计算⑴仅受预紧力的紧螺栓联接⑵受横向工作载荷的紧螺栓联接⑶同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接3紧螺栓联接的强度计算⑴仅受预紧力的紧螺栓联接拉伸应力（预紧力F0）扭转切应力（螺纹摩擦力矩T1）162)tg(312v01ddFITF0F0T121041dF第四强度理论：螺栓的计算应力为2102243.13.13dFcaM10～M64普通钢制螺栓τ=0.5σ设计式为：013.14Fd将所受的拉力（预紧力）增大30%以考虑扭转的影响⑵受横向工作载荷的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：ppLdFmin0螺栓杆的剪切强度条件：420dFLmin——挤压面的最小高度,Lmin≥1.25d0d0——光杆直径①当用铰制孔用螺栓联接时②当用普通螺栓联接时FF/2F/2F0F0T1因横向载荷是由预紧力在被联接件间产生的摩擦力来抵抗的，所以应满足：FifF0ifFF0预紧力F0（拉伸应力）+螺纹摩擦力矩T1（扭转切应力）强度计算准则（与仅受预紧力的螺栓联接相同）第四强度理论：螺栓的计算应力为：2102243.13.13dFcaFF/2F/2F0F0T1校核式设计式ifFF0013.14Fd⑶同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接FDDp螺栓受预紧力F0后，再在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力F2=?螺母未拧紧螺母已拧紧已承受工作载荷受力变形图F2F0m被联接件总压缩量为：b螺栓总伸长量为：F1为残余预紧力F0F2螺栓:F0F2增至被联接件:F0F1减至FFF12螺栓中总拉力为：F2(F2＞F1)（1）式中F1为残余预紧力F0F2力与变形线图λbF0Ob力变形λmOm力F0λmλbObOm力变形θmθbF0螺栓被联接件合并后mmbbCtgCtg预紧后：预紧且有工作载荷后：△FF0ObOm力变形ABCλbλm△λθbθmF2FF1力与变形线图FFF12为保证连接的紧密性，应使残余预紧力F1＞0，一般根据连接的性质确定F1的大小。FDDp推荐采用的F1为：对于用密封要求的连接，F1=（1.5～1.8）F对于一般连接，工作载荷稳定时，F1=（0.2～0.6）F工作载荷不稳定时，F1=（0.6～1.0）F各力定义:1、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、工作拉力F（对螺栓联接施加的外载荷）3、残余预紧力F14、螺栓的总拉力F2FDDpFFFFFFF1002那么：令：FCCCFCCFFFbmbmbmtgtgb由力与变形关系：FCCCFFFFFCCCFFmbbmbm00210或：联立二式求解得：△FF0ObOm力变形ABCλbλm△λθbθmF2FF1（2）（3）FFF12（1）FDDpFCCCFFmbb02mbbCCC（3）螺栓的相对刚度FDDp强度计算这时即可套用前面预紧力作用下螺栓强度计算式，考虑受载后补充拧紧，总载荷取总拉力F2的1.3倍21243.1dFca设计式：213.14Fd校核式疲劳强度计算轴向工作载荷变化范围：0～F螺栓所受的总轴向拉力：F0～F2螺栓中的应力变化范围：（忽略螺纹间摩擦力矩）0214Fd2124dF～21minmax22dFCCCmbbaambbadFCCC212疲劳强度计算应力幅：那么，强度条件为：SKKStccaminmaxmin122对重要零件，校核疲劳安全系数：§5-5螺栓联接受力分析和强度分析总结联接状态受力特点计算式设计式松螺栓联接承载前螺栓不受力，承载后螺栓受拉力紧螺栓联接仅受预紧力作用的螺栓联接受横向载荷普通螺栓螺栓只受预紧力，靠摩擦力抵抗外载时，应控制预紧力铰制孔用螺栓螺栓受预紧力，受工作载荷的剪切和挤压作用取二式计算结果中较大的ds选择螺栓受轴向载荷工作前受预紧力，工作后受残余预紧力及工作载荷共同作用静强度疲劳强度同上013.14Fd2141dF013.14FdFd41214103.1dFFnfF0mdFs241psphdFFFFCCCFFmbb102214123.1dFca213.14FdambbadFCCC212SKKSatccaminmin122nfFF0214103.1dF螺栓联接受力分析和强度分析总结在强度计算公式中所使用的载荷必须是计入各种影响后螺栓承受的总的载荷：松螺栓联接为工作载荷F；对只承受预紧力的紧螺栓联接要考虑拧紧力矩的影响：为预紧力F0的1.3倍；对同时承受轴向工作载荷的紧螺栓联接，考虑受载后补充拧紧，总载荷取总拉力F2的1.3倍。•强度校核计算由机器要求确定工作载荷F由工作性能要求确定工作状态下连接的紧密性要求确定残余预紧力F1计算螺栓中的最大拉力F2及危险截面最大应力σcaca试选螺栓尺寸，确定d1细节结构设计NOYES由工作性能要求确定工作状态下连接的紧密性要求确定需要的残余预紧力[F1]试选螺栓尺寸，确定d1由机器要求确定工作载荷F由螺栓材料性能计算螺栓可承受最大拉力F2计算螺栓联接中的残余预紧力F111FF细节结构设计NOYES确定螺栓预紧情况F0§5-7螺纹联接件的材料与许用应力1螺纹联接件材料2螺纹联接件的许用应力潘存云教授研制Fd411螺纹联接件材料最常用的螺纹联接件材料为Q235、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如40Cr等。普通垫圈(平垫)，通常采用Q235弹簧垫圈，采用65Mn螺栓、螺柱、螺钉、螺母⑴常用材料国家标准规定了螺纹联接件的性能等级螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，从3.6到12.9第八版表⑵螺栓、螺母材料性能等级螺栓性能等级的代号及含义：代号a.ba——表示公称抗拉强度b——表示屈服强度MPa100aBMPa10baS螺母的性能等级分为7级，从4到1234TDP00-12-01Q235Q235Q2351:2.5Q235Q235Q235Q235Q235Q235φ20840055065010575061234567891011121314567891011121314TDP00-12-023TDP00-12-034M101065MnM10X25Q23534TDP00-12-01Q235Q235Q2351:2.5Q235Q235Q235Q235Q235Q235φ20840055065010575061234567891011121314567891011121314TDP00-12-023TDP00-12-034M101065MnM10X25Q2352螺纹联接件的许用应力Slim][螺纹联接件的许用应力S——安全系数σlim——极限应力§5-8提高螺纹联接强度的措施1降低应力幅，提高螺栓疲劳强度2改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象3减小应力集中4采用合理的制造工艺方法潘存云教授研制1降低应力幅，提高螺栓疲劳强度由式可知：减小螺栓刚度Cb或增大被联接件的刚度Cm都可以减小应力幅，提高螺栓的疲劳性能。但是，F1减小，联接的紧密性受到了影响。★可在不影响静强度的条件下增大预紧力，以保持联接紧密性。21minmax22dFCCCmbbaFCCCFFmbm01F1F2F1′F2′△F′△Fb′bCb′CbF0b′bb⑴减少螺栓刚度Cb①加长螺栓②柔性螺栓：空心、腰杆③螺母下加弹性元件△F′△FF2′F2F1′F1F0m′bmm′mCm′Cm⑵增加被联接件的刚度Cm①刚度大的垫圈可以不用垫片②对于有紧密性要求的连接，从增大被连接件刚度角度来看，应尽量避免采用较软的气缸垫片．可采用密封环实现密封功能。2改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象螺栓所受的总拉力是通过相接触的螺纹牙面传递的，由于螺栓和螺母的刚度不同，变形性质不同，造成各圈螺纹牙上的受力不同。采用均载螺母，如：悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母或环槽且内斜螺母、或用钢丝螺套均载。10~15˚悬置螺母环槽螺母内斜螺母10~15˚内斜与环槽螺母3减小应力集中⑴主要从螺栓结构上来说，加大过度部位圆角、设置卸载槽、设置卸载过渡结构、螺纹收尾处留退刀槽。r零件几何形状结构尺寸发生变化，当受载时都产生应力集中设计和制造中应增大过渡圆角，增加卸载结构，避免偏心载荷，提高制造精度。⑵从设计、装配、制造上设法避免附加应力的产生。支承面不平采用凸台或沉孔结构切削加工支承面被联接件变形太大球面垫圈腰环螺栓4采用合理的制造工艺方法冷镦螺栓头部、滚压螺纹的螺栓比切制螺纹疲劳性能好，另外，氮化、氰化、喷丸处理可提高螺纹联接件的疲劳强度。采用冷墩螺栓头部，滚压螺纹，使应力集中变小，金属流线合理，冷作硬化硬表面留有残余应力。滚压螺纹疲劳强度比切削提高30～40％，而且材料利用率高，生产效率高，制造成本低。实际证明螺栓的疲劳强度随直径的增大而降低，M20、M45、M75的螺栓疲劳极限之比约为2.5:1.5:1，所以对于受轴向变载荷的联接，应用数目较多的细长螺拴，但直径应不小于M12～M16。螺旋副的计算公式螺纹升角牙形角α效率自锁条件当量摩擦系数当量摩擦角2/cosffV22arctanarctandnPdS线数n螺距p梯形螺纹三角形螺纹§5-9螺旋传动1、螺旋传动的类型和应用2、滑动螺旋的结构和材料3、滑动螺旋传动的设计计算1、螺旋传动的类型和应用螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。机床⑴螺旋传动的运动形式有：螺杆转动，螺母移动螺母固定，螺杆转动并移动⑵螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型:传力螺旋传导螺旋调整螺旋⑶螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。2、滑动螺旋的结构和材料⑴滑动螺旋的结构螺杆螺母整体螺母简单，间隙不可调组合螺母剖分螺母间隙可调多线，梯形和锯齿形螺纹固定螺钉调整螺钉调整楔快组合螺母支承的结构在设计螺旋副的支承结构时，可将螺杆视为轴、螺母视为支承⑵螺杆和螺母的材料要求：强度、耐磨性、减摩性螺杆（耐磨）螺母（减摩）f↓一般传动：45重要传动：40Cr铸锡青铜ZCuSn10P13、滑动螺旋传动的设计计算主要失效形式:螺纹的磨损设计准则：按耐磨性计算，确定螺杆直径与螺母高度。校核螺杆的强度、螺母螺纹牙的强度。传力螺旋塑性变形或断裂长径比很大的螺杆螺杆受压后失稳校核螺杆的稳定性转矩及轴向力⑴耐磨性计算][22phHdFPhudFAFp滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其耐磨性