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1、 设计者思维设计者思维 作为工程师，需要在机械设计中正确选用各种螺纹作为工程师，需要在机械设计中正确选用各种螺纹连接：连接：p螺纹连接有哪些类型？螺纹连接有哪些类型？p螺纹连接的主要参数是什么？螺纹连接的主要参数是什么？p螺纹连接的受力特性分为哪些类型？螺纹连接的受力特性分为哪些类型？p螺纹连接的主要失效形式是什么？螺纹连接的主要失效形式是什么？p螺栓和螺母是采用什么材料制造出来的？螺栓和螺母是采用什么材料制造出来的？p如何正确进行螺栓组的结构设计？如何正确进行螺栓组的结构设计？p在螺栓组中如何确定螺栓公称直径在螺栓组中如何确定螺栓公称直径d的大小？的大小？p一般的螺纹连接为什么要采取必要的预
2、紧？一般的螺纹连接为什么要采取必要的预紧？p如何采取螺纹连接的防松措施？如何采取螺纹连接的防松措施？p螺旋传动与螺纹连接有什么关系？螺旋传动与螺纹连接有什么关系？设计者思维设计者思维第1页/共162页 简单实例简单实例 螺纹连接是应用最广泛的连接类型之一。图4-1所示的是一减速器上的部分螺纹连接件。其中有用于减速器箱盖、轴承旁的连接螺栓，用于轴承端盖的连接螺钉，以及与地基连接的地脚螺栓等。图4-1减速器第2页/共162页4.1螺纹及其螺纹连接螺纹及其螺纹连接 零件构件部件机器连接连接连接动连接：被连接零件可相对运动运动副静连接：被连接零件无相对运动构件（1）可拆连接：螺纹、键、销、成型连接（2
3、）不可拆连接：铆接、焊接、胶结（3）过盈配合：温差法装入可拆 压如法装入不可拆u1连接的作用连接的作用：u2连接的分类连接的分类：第3页/共162页螺纹分为内螺纹内螺纹和外螺纹外螺纹，二者共同组成螺旋副。n连接螺纹：用于连接的螺纹n传动螺纹：用于传动的螺纹母体形状 圆柱螺纹 圆锥螺纹 牙型 三角螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 此外，螺纹还有米制和英制，左旋和右旋，单线、双线和多线之分。一般的螺纹常采用右旋螺纹一般的螺纹常采用右旋螺纹。第4页/共162页u1连接螺纹连接螺纹 要求自锁要求自锁三角形螺纹三角形螺纹n（1）普通螺纹（=60）以大径d为公称直径 粗牙：常用的联接螺纹细牙：用于薄壁
4、件或密封处普通螺纹 第5页/共162页n（2）管螺纹（=55）（英制）一般管路联接圆柱：螺纹中线与管轴线平行牙顶圆角，旋合后无隙，密封性好圆锥：螺纹中线与管子轴线不平行，自密封性好圆柱管螺纹 圆锥管螺纹 第6页/共162页图4-3 粗牙螺纹与细牙螺纹n 同一公称直径的普通螺纹，可以有多种螺距，其中螺距最大的螺纹称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹，如图4-3所示。第7页/共162页 对于左旋螺纹，应在螺纹尺寸代号之后加注左旋代号“LH”；对于粗牙螺纹，在螺纹尺寸代号中不注出螺距值。标记示例：M16，表示公称直径为16 mm的粗牙螺纹；M10 1.25LH，表示公称直径为10 mm的左旋细牙螺纹，螺
5、距P为1.25 mm。n螺纹的完整标记由螺纹代号、中径公差带代号组成。第8页/共162页u2传动螺纹传动螺纹 n（1）矩形螺纹（=0）效率高，牙根强度差，磨损难补偿矩形螺纹第9页/共162页n（2）梯形螺纹（=30）效率较高，牙根强，对中好，磨损后用剖分螺母补偿间隙常用常用梯形螺纹第10页/共162页n（3）锯齿形螺纹（工作面=3非工作面=30）兼备矩形、梯形螺纹的优点，非工作面牙根圆角大，强度高锯齿形螺纹第11页/共162页螺纹的主要参数 u1螺纹的直径螺纹的直径 大径d公称直径（查标准）小径d1计算直径（强度计算）中径d2几何直径（几何计算和配合性质的直径）图4-5 螺纹的主要几何参数第1
6、2页/共162页u2螺纹的螺距、导程和线数螺纹的螺距、导程和线数 螺距螺距P相邻螺牙对应点间轴向距离线数线数n在形成螺纹时，所用螺旋线的条数第13页/共162页导程导程S同一螺线相邻螺牙对应点间轴向距离 S=nP（n-线数）n单线螺纹：沿一根螺旋线形成的螺纹 n多线螺纹：沿两根以上等距螺旋线形成的螺纹传动螺纹要求效率高，故多用双线 或多线螺纹 第14页/共162页u3螺纹升角螺纹升角 螺纹升角螺纹升角 在中径圆柱上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线 的平面间所夹的锐角，用表示 u4螺纹的牙型角与牙侧角螺纹的牙型角与牙侧角 牙型角牙型角螺纹轴截面内，牙型两侧边的夹角牙型半角牙型半角螺纹轴截面内，牙型侧
7、边与横截面的夹角第15页/共162页螺纹连接类型1 1、螺栓连接、螺栓连接被联件较薄、易做成通孔处，可经常拆卸。n（1）普通螺栓：被联件孔与螺栓杆有间隙，可传横向、轴 向外载n（2）铰制孔螺栓：被联件孔与螺栓杆过渡配合，只传横向 外载第16页/共162页第17页/共162页第18页/共162页2.2.双头螺柱连接双头螺柱连接被联件之一较厚、不易做成通孔，需经常拆卸处。第19页/共162页第20页/共162页3.3.螺钉连接螺钉连接被联件之一较厚、不易做成通孔，不需经常拆卸处第21页/共162页第22页/共162页4.4.紧定螺钉连接紧定螺钉连接固定两零件相对位置，可传递不大扭矩平端紧定螺钉平端
8、紧定螺钉锥端紧定螺钉锥端紧定螺钉第23页/共162页第24页/共162页标准螺纹连接件按制造精度分为标准螺纹连接件按制造精度分为A、B、C三级三级。nA级精度最高级精度最高，用于要求装配精度高及受振动、变载等重要连接；nB级多用于受载较大且经常拆卸、调整及载荷变动的连接；nC级多用于一般的螺纹连接，如常用的螺栓、螺钉连接。第25页/共162页4.2螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 预紧预紧工作前拧紧n1.目的目的：增加螺纹联接刚度、紧密性和防松能力n2.要求要求：装配时控制预紧力在规定范围内n3.预紧力控制方法图4-7 测力矩扳手与定力矩扳手第26页/共162页防松防松n1.目的：防止
9、螺杆与螺母相对转动n2.原因：设计条件下jv，静载、恒温条件不会松脱。但在变载、振动、温差大时，将引起螺牙间摩擦力瞬时消失造成松脱。如如：（1）承受较大的振动、冲击载荷的作用；（2）承受较长时间的变动载荷的作用；（3）温度（气温或工作温度）变化较大，产生蠕变和应力松驰；（4）雨水浸入，使螺旋副间的摩擦系数值减小。第27页/共162页n3.防松方法按工作原理分：摩擦防松摩擦防松：直接锁住防松直接锁住防松：破坏螺旋副关系防松破坏螺旋副关系防松：简单方便 可靠性高 虽然防松可靠，但仅适用于装配后不再拆卸的连接中 第28页/共162页（1 1）摩擦防松）摩擦防松利用辅助元件（结构）防止螺纹副间摩擦力消
10、失弹簧垫片 结构简单，使用方便，应用广泛，但不十分可靠 对顶螺母 结构简单，适用于平稳、低速、重载场合 尼龙圈锁紧螺母 利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹，放松效果好。用于工作温度小于100的连接 第29页/共162页（2 2）机械防松）机械防松利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合第30页/共162页（3 3）破坏螺纹副防松）破坏螺纹副防松防松可靠，冲击振动大、重要联接第31页/共162页4.3单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 对于一个具体的螺栓而言，不外乎受轴向拉力轴向拉力或横向剪力横向剪力的作用。n普通螺栓连接承受轴向拉力作用 螺杆和螺纹部分发生断裂 保证螺栓
11、的静力强度和疲劳拉伸强度 失效形式：设计准则：4.3单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 第32页/共162页 对于其中每一个具体的螺栓而言，不外乎受轴向拉轴向拉力力或横向剪力横向剪力的作用。n铰制孔螺栓连接承受横向剪切和挤压力作用 螺栓杆被剪断螺栓杆与孔壁贴合面上出现压溃 保证螺栓的剪切强度和连接的挤压强度 失效形式：设计准则：第33页/共162页受拉螺栓连接的强度计算受拉螺栓连接的强度计算 n松螺栓连接装配时不需要拧紧 承受工作载荷之前，螺栓不受力 工作时只有工作载荷F起拉伸作用 如：如：拉杆、起重吊钩、起重滑轮等的连接 n紧螺栓连接装配时必须拧紧 承受工作载荷之前，螺栓已受预紧力
12、 两者的受力状况不同，因而强度计算也是不同的。第34页/共162页1 1受拉松螺栓连接受拉松螺栓连接如图4-8所示，起重滑轮的螺栓连接即为松螺栓连接。图4-8 起重滑轮螺栓连接 螺栓工作时只有载荷F起拉伸作用（忽略自重），工作载荷即为螺栓所受的拉力，故其设计设计准则是保证螺栓的抗拉强度。准则是保证螺栓的抗拉强度。强度条件为 设计公式为 F为工作拉力（N）；为螺栓的小径（mm）；s为螺栓材料的许用拉应力（MPa）第35页/共162页2受拉紧螺栓连接受拉紧螺栓连接n1）只承受预紧力的受拉紧螺栓连接 受横向工作载荷及受转矩作用的普通螺栓组连接中的螺栓，在拧紧后的受力状况多属于此。图4-9 承受横向载
13、荷的紧螺栓连接 在预紧过程中，螺栓除受预紧力F0的作用而产生拉应力外，还受到螺纹副间摩擦阻力矩T1的作用，从而产生扭转切应力。因此，当对这类螺栓进行强度计算时，应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用。第36页/共162页图4-9 承受横向载荷的紧螺栓连接螺栓危险剖面的拉应力为 螺栓危险剖面的扭转切应力为对于M10M64的普通螺栓 合成应力第37页/共162页图4-9 承受横向载荷的紧螺栓连接 由此可以得出结论：对于受预紧力结论：对于受预紧力F0作用的受拉紧螺作用的受拉紧螺栓（普通螺栓）连接，在拧紧时虽然同时受到拉伸和扭转栓（普通螺栓）连接，在拧紧时虽然同时受到拉伸和扭转所产生的复合应力作用，但在
14、计算时仍可按纯拉伸来计算所产生的复合应力作用，但在计算时仍可按纯拉伸来计算螺栓的强度，只需将所受拉力（预紧力）增大螺栓的强度，只需将所受拉力（预紧力）增大30，以考，以考虑扭转的影响即可。虑扭转的影响即可。设计准则为 设计公式为 第38页/共162页 这种受力形式的螺栓连接，为保证连接的可靠性，通常所需的预紧力较大，从而使螺栓的结构尺寸增大。为此，可采用各种减载零件来承担横向载荷，如图4-10所示。图4-10 承受横向载荷的减载零件第39页/共162页n2）承受预紧力和工作拉力的受拉紧螺栓连接(如：汽缸盖）第40页/共162页 特别指出的是，当螺栓承受工作拉力时，由于螺栓和被连接件弹性变形的影
15、响，螺栓的总拉力总拉力F2并不仅与预紧力并不仅与预紧力F0和工和工作拉力作拉力F有关，还与螺栓刚度有关，还与螺栓刚度Cb和被连接刚度和被连接刚度Cm有关有关，应根据静力平衡条件和变形协调条件进行分析。图（a)是螺母刚好拧到与被连接件接触的情况。此时，螺栓与被连接件均未受力，也未产生变形。第41页/共162页图（b）在预紧力F0的作用下，螺栓产生伸长变形，被连接件产生压缩变形。第42页/共162页现在把轴向工作拉力F作用于已预紧的螺栓上，如图(c)所示。n螺栓因所受的拉力由F0增加到F2n相应的变形量也增加 ，螺栓总的伸长变形则为 第43页/共162页n预紧后受压的被连接件，因螺栓伸长而有所放松
16、，其压缩量较前减小了 n螺栓所受的总拉力F2等于残余预紧力F1和工作拉力F之和 F2=F1+F第44页/共162页 还可用力变形关系线图对螺栓和被连接件的受力与变形关系进行进一步的分析。图4-12(a)表示螺栓和被连接件仅受预紧力时的受力变形关系 图4-12 单个螺栓连接的受力变形线图第45页/共162页此时，螺栓的拉力和被连接件的压缩力相同，都等于预紧力F0。但由于两者的刚度不同，即CbCm（Cb=tanb、Cm=tanm），所以变形量不同。Cb、Cm分别为螺栓和被连接件的刚度，为定值。第46页/共162页图4-12(b)表示承受工作拉力F后的受力变形关系 图4-12 单个螺栓连接的受力变形
17、线图在F的作用下，螺栓的总拉力由F0增加至F2，其总伸长量增至+，被连接件的压缩力由F0减小至残余预紧力F1，其总压缩量减至-得第47页/共162页螺栓的预紧力F0与工作载荷F、残余预紧力F1的关系为螺栓的总拉力F2与预紧力F0、工作载荷F的关系为螺栓在危险剖面的强度条件为 设计公式为相对刚度第48页/共162页 为螺栓的相对刚度，其值对螺栓的受力影响很大。在同样的载荷条件下，若被连接件的刚度很大，而螺在同样的载荷条件下，若被连接件的刚度很大，而螺栓刚度很小，则螺栓的相对刚度趋于零，此时螺栓所受的栓刚度很小，则螺栓的相对刚度趋于零，此时螺栓所受的总拉力总拉力F2趋于趋于F0，即总拉力增加很少。
18、，即总拉力增加很少。第49页/共162页 反之，若螺栓的刚度很大，而被连接件刚度很小，反之，若螺栓的刚度很大，而被连接件刚度很小，则螺栓的相对刚度趋于则螺栓的相对刚度趋于1，此时螺栓所受的总拉力，此时螺栓所受的总拉力F2趋趋于于F0+F，即总拉力增加很多。，即总拉力增加很多。因此，在螺栓连接的设计中，为了减小螺栓的受力，因此，在螺栓连接的设计中，为了减小螺栓的受力，提高螺栓连接的强度和承载能力，应尽量使提高螺栓连接的强度和承载能力，应尽量使 值小一些。值小一些。第50页/共162页的大小与螺栓及被连接件的材料、尺寸和结构形状有关，其值在01之间，可通过实验或计算确定。设计时可按表4-3选取。表
19、表4-3 螺栓连接的相对刚度螺栓连接的相对刚度Cb/(Cb+Cm)第51页/共162页由图4-12(b)可见，如果工作载荷F过大，将使残余预紧力过小甚至为零，此时连接的接合面会出现缝隙接合面会出现缝隙，这是连接的失效，是不允许的。为了保证连接的紧密性，防止连接受载后产生缝隙，应使残余预紧力F1大于零。对于不同要求的连接，建议残余预紧力F1按表4-4推荐值选取。表表4-4 残余预紧力残余预紧力F1推荐值推荐值 第52页/共162页对于受轴向变载荷的重要连接如内燃机汽缸盖的螺栓连接，除进行静强度计算外，还应对连接螺栓进行疲劳强度校核。如图4-19所示的汽缸盖螺栓组连接，由于汽缸反复进气、压缩、燃烧
20、、排气，所以螺栓所受工作拉力在0F之间变化，因而螺栓所受的总拉力将在F0F2之间变化，如图4-13所示。图4-13受轴向变载荷的螺栓连接 图4-19汽缸盖螺栓组连接 第53页/共162页螺栓危险剖面上的最大拉应力最大拉应力和最小拉应力最小拉应力分别为 和 应力幅应力幅为 受变载荷的零件多为疲劳破坏，应力幅的大小是影响变载荷零件疲劳强度的主要因素。因此，螺栓疲劳强度的校核公式为 第54页/共162页受剪螺栓连接的强度计算受剪螺栓连接的强度计算 铰制孔螺栓连接 过渡配合 螺栓在连接结合面处受到剪切，在杆与孔壁的接触表面受到挤压，如图4-14所示。图4-14承受工作剪力的铰制孔用螺栓连接失效形式失效
21、形式是螺栓杆被剪断及螺栓是螺栓杆被剪断及螺栓杆或孔壁被压溃。杆或孔壁被压溃。连接所需的预紧力很小，所以计算时可忽略预紧力和摩擦力矩的影响。第55页/共162页螺栓杆的剪切强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为设计公式为设计公式为 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为设计公式为设计公式为F为螺栓组中受力最大螺栓所受的工作剪力（N），可根据连接的受载情况确定 d0为螺栓剪切面的直径（mm）（可取为螺栓孔的直径）Lmin为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度（mm），设计时应使Lmin1.25d0 为螺栓材料的许用切应力（MPa）为螺栓或孔壁材料的许用挤压应力(MPa)第56页/共162页4.
22、4螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计 n结构设计 目的：目的：合理确定连接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，使各螺栓和结合面间受力均匀，便于加工和装配。设计原则：设计原则：第57页/共162页常使结合面设计成轴对称的简单几何形状，且螺栓对称布置，螺栓组的对称中心与连接结合面的形心重合，如图4-15所示。这样，便于加工和安装，易于保证连接结合面受力均匀，结合牢固。图4-15螺栓组连接结合面常用形状及螺栓布置方案1连接结合面的几何形状尽可能简单 第58页/共162页2螺栓的布置要求使各螺栓受力合理 当螺栓组承受横向载荷时，为当螺栓组承受横向载荷时，为了使各螺栓受力尽量均匀，不要在了使各螺栓受力尽量均
23、匀，不要在平行于工作载荷的方向上成排设计平行于工作载荷的方向上成排设计8个以上的螺栓个以上的螺栓，如图(b)所示。当螺栓组承受弯矩或转矩时，为了当螺栓组承受弯矩或转矩时，为了减小螺栓的受力，应使螺栓的位置尽量减小螺栓的受力，应使螺栓的位置尽量靠近连接结合面的边缘靠近连接结合面的边缘，如图(c)所示，而如图(d)所示的布置则不合理。当承受较大的轴向载荷和横向载荷，当承受较大的轴向载荷和横向载荷，尽量采用铰制尽量采用铰制孔螺栓连接或采用减载装置孔螺栓连接或采用减载装置 第59页/共162页3螺栓排列应有合理的边距与间距 螺栓布置时，要在螺栓轴线间以及螺栓与机体壁面螺栓布置时，要在螺栓轴线间以及螺栓
24、与机体壁面间留有足够的扳手活动空间间留有足够的扳手活动空间，如图如图4-17所示。所示。图4-17扳手空间 第60页/共162页4避免螺栓承受附加弯曲载荷被连接件上的螺母和螺栓头部的支承面应平整并与螺被连接件上的螺母和螺栓头部的支承面应平整并与螺栓轴线垂直。栓轴线垂直。铸件等粗糙表面上安装 制成凸台或沉头座 支承面为倾斜面 采用斜垫片 图4-18避免偏心的措施第61页/共162页5要便于加工和装配 分布在同一圆周上的螺栓数目应取成分布在同一圆周上的螺栓数目应取成偶数，以便于分度和画线；同一螺栓组的偶数，以便于分度和画线；同一螺栓组的螺栓的材料、直径和长度均应相同，以便螺栓的材料、直径和长度均应
25、相同，以便于装配。于装配。第62页/共162页n螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析 目的：目的：确定螺栓组中受力最大的螺栓所在的位置及其所受力的大小，为螺栓连接的强度计算提供依据。为简化计算，在对螺栓组连接进行受力分析时，假设假设所有螺栓的材料直径、长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与连接结合面的形心重合；受载后连接结合面仍保持为平面。根据连接的结构形式及受载特征，可将螺栓组连接的受力分为以下四种典型形式。第63页/共162页1受轴向载荷的螺栓组连接 在设计时，应先根据连接的受载情况，求出螺栓的工作拉力求出螺栓的工作拉力F，再根据连接的工作要求，选取残余预紧力选取残余预紧力F1值值，再
26、计算出螺计算出螺栓的总拉力栓的总拉力F2，然后进行螺栓强度计算进行螺栓强度计算。第64页/共162页1受轴向载荷的螺栓组连接 图4-19汽缸盖螺栓组连接图4-19所示的是一受轴向载荷为的汽缸盖螺栓组连接。受载特点是力的作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心。由于螺栓均布，所以每个螺栓所受的轴向工作载荷F相等，即 z为螺栓数量 第65页/共162页【工程实例4-1】汽缸盖螺栓组连接设计 如图4-19所示的汽缸盖螺栓连接，缸内工作压力p=1.2MPa，汽缸内径D=220mm，缸体壁厚=10mm。试设计此螺栓组连接。图4-19汽缸盖螺栓组连接第66页/共162页解：此螺栓组连接的设计包括：确定
27、螺栓的公称直径d、个数z、螺栓组分布圆周直径D0，同时要保证连接的紧密性要求及符合扳手空间要求。第67页/共162页 这是受轴向载荷的紧螺栓连接，螺栓承受预紧力和工作拉力的作用。因每个螺栓上承受的工作载荷与螺栓的个数有关，而螺栓个数又与螺栓直径有关，因此无法同时确定。所以，需要先根据经验初定螺栓个数z，再通过强度条件确定直径d，最后根据其他条件修改初定值，直到符合设计要求。这种方法称为试算这种方法称为试算法法，它是工程设计计算中常用的方法。n 试算法：先初定；再通过强度条件等确定；最后根据其他条件修改初定值，直到符合设计要求。第68页/共162页（1）确定每个螺栓的工作载荷F初定螺栓个数为z=
28、12，总工作载荷均匀分布在每个螺栓上，则根据式(4-31)得（2）确定每个螺栓的总拉力F2因汽缸盖连接有紧密性要求，根据表4-4，取残余预紧力F1=1.8F，由式(4-16)得 第69页/共162页（3）确定螺栓公称直径d汽缸与缸盖的连接属于重要的螺栓连接，所以取螺栓材料性能等级为4.8级，由附表4-2查得s=320MPa，考虑装配时不控制预紧力（即按最危险情况设计），假设d=16mm，由附表4-5查得S=34，取S=3，则许用应力s=320/3=106.67MPa，由式(4-25)得 由附表4-12查得，当粗牙普通螺栓的公称直径d=16mm时，小径d1=13.835mm12.85mm，故假设
29、d值与计算结果相符。否则，应重新假设d值，再按上述步骤进行计算，直至相符。第70页/共162页第71页/共162页2受横向载荷的螺栓组连接图4-20所示的是由z个螺栓组成的受横向载荷为F的螺栓组连接。受载特点受载特点：F的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。传递方式：传递方式：普通螺栓连接 铰制孔螺栓连接 第72页/共162页1）普通螺栓连接 设计时，应保证连接预紧后保证连接预紧后，结合面间所产生的最大结合面间所产生的最大摩擦力大于或等于横向载荷摩擦力大于或等于横向载荷，即 F0为各螺栓所需的预紧力（N）i为结合面数 Ks为防滑系数Ks=1.11.3 Z为螺栓数目 为结合面摩擦系数
30、预紧力F0 第73页/共162页2）铰制孔螺栓连接 外载荷直接作用在每个螺栓上，靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。计算时不必考虑预紧力和摩擦力的影响。若每个螺栓所承受的横向工作载荷均为F，则有 第74页/共162页【工程实例4-2】受力薄板的螺栓连接 如图4-21(a)所示，一个厚度为15mm的薄板，用两个螺栓固定在机架上。已知载荷F=4000N，其他尺寸如图所示。薄板和机架材料为Q235。要求：对螺栓组进行受力分析；分析螺栓的失效形式和设计准则；按强度设计螺栓直径。图4-21受力薄板螺栓连接第75页/共162页根据螺栓组连接的设计可知，此时薄板连接可使用铰制孔螺栓，也可使用普通螺栓。前者在
31、载荷F的作用下，螺栓组连接受横向工作剪力作用，后者则仅受预紧力F0作用，由于受力特性不同，故应分别进行分析和讨论。（1）采用铰制孔螺栓连接此时，螺栓可能的失效形式是螺栓光杆在两个被连接件结合面间被剪断或薄板与光杆接触面被压溃。因此，应分别按剪切强度与挤压强度的设计准则来确定螺栓直径。在F作用下，两个螺栓所受横向工作载荷是不相同的，设分别为F、F，方向如图4-21(b)所示，则根据薄板的力平衡条件有 第76页/共162页第77页/共162页对于薄板，对两个螺栓的对称中心O点取矩有 由式、式可得 则螺栓2受到的工作载荷最大，即 第78页/共162页由螺栓杆的剪切强度条件和挤压强度条件可分别计算螺栓
32、所需的光杆直径。选用螺栓的材料为Q235，查附表4-1可知材料Q235的屈服极限，由附表4-6查得安全系数,;有螺栓的许用剪切应力，螺栓的许用挤压应力。由式(4-28)得螺栓满足剪切强度条件所需光杆直径为 由式(4-30)得螺栓满足挤压强度条件所需光杆直径为 第79页/共162页因为，所以按查机械设计手册选2个M12的铰制孔螺栓，光杆部分直径d0=13mm即可。第80页/共162页（2）采用普通螺栓连接此时，螺栓连接可能的失效形式是被连接件之间产生相对滑移。故应根据预紧后被连接件接触面之间产生的摩擦力大于横向工作载荷的设计准则来确定螺栓所需的预紧力F0，并根据F0计算螺栓直径。设每个螺栓的预紧
33、力相等，两个接触面的摩擦系数查附表4-4，取f=0.15；取防滑系数Ks=1.2，同样，螺栓2受到的工作载荷最大为12000N，则螺栓所受的预紧力为 第81页/共162页按照抗拉强度条件计算螺栓直径。选用螺栓的材料为Q235，查附表4-1可知。由附表4-5得，若假设螺栓直径d30，则由附表4-5试选S=1.5，所以螺栓的许用拉应力。由式(4-15)得螺栓满足抗拉强度条件所需螺栓的小径为 第82页/共162页附表4-5受拉螺栓连接的许用应力、安全系数和许用应力幅 第83页/共162页查附表4-12，取两个M36的普通螺栓（小径d1=31.67mm）即可，且和假设一致。附表4-12普通螺纹常用第一
34、系列（摘自JB/T79121999）第84页/共162页通过以上两种情况的分析和计算可以看出，虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓连接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直径相差很大。确定了螺栓的公称直径后，螺栓的类型、长度、精度及相应的螺母、垫圈等结构尺寸，都可根据机架、薄板的厚度等进行确定。第85页/共162页3受转矩的螺栓组连接对于每个螺栓而言，都受到横向载荷的作用。因此，与前面的情况相同，载荷可通过两种连接形式传递。1）普通螺栓连接当用普通螺栓连接时，靠预紧后在结合面上各螺栓处的摩擦力对形心O的力矩之和来平衡转矩T，如图4-22(b)所示。由力矩平衡条件得 第86页/共
35、162页由此可得每个螺栓所需的预紧力为为第个螺栓的轴线到螺栓组形心O的距离 第87页/共162页2）铰制孔螺栓连接 当用铰制孔螺栓连接时，靠螺栓所受剪力对形心O的力矩之和来平衡转矩T，如图4-22(c)所示。各螺栓所受剪切力Fi的方向垂直于螺栓中心与螺栓组形心O的连线，并与转矩T反向。图4-22 受转矩的螺栓组连接第88页/共162页由力矩平衡条件得各个螺栓的变形量和受力大小与其到螺栓组形心O的距离成正比（胡克定律），即螺栓组中距离形心O最远的螺栓所受的工作剪力最大 受力最大螺栓所受工作剪力为 为受力最大螺栓中心到螺栓组形心O的距离 第89页/共162页4受翻转力矩的螺栓组连接受载特点受载特点
36、是翻转力矩作用在通过轴并垂直于连接结合面的对称平面内，使底板有绕轴翻转的趋势。1 1、基本假定基本假定（1 1）螺栓、地基为弹性体；）螺栓、地基为弹性体；（2 2）M M作用在作用在z-zz-z平面内，平面内，机座在机座在M M作用下绕作用下绕O-OO-O转动转动（3 3）机座刚性较大，变形后）机座刚性较大，变形后 与基础的接触面仍为平面与基础的接触面仍为平面第90页/共162页2、受力分析受力分析螺栓螺栓接合面接合面左侧左侧螺栓螺栓右右侧侧螺栓螺栓左侧左侧右侧右侧预紧预紧状态状态拉拉拉拉压压压压工作工作状态状态F0 F0 F左 F右 底板的静力平衡条件得 第91页/共162页图4-23受翻转
37、力矩的螺栓组连接 根据变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与其中心至底板翻转轴线的距离成正比。又由于各螺栓的拉伸刚度相同，所以左边螺栓所受工作载荷和右边地基座上螺栓处所受的压力，都与到轴线的距离成正比，且距离最远的螺栓受到的工作载荷最大，即第92页/共162页 联立以上两式，便可求得受力最大螺栓上所受的最大工作载荷为第93页/共162页为防止结合面受压最大处（图4-23底板右边缘）被压碎或受压最小处（图4-23底板左边缘）出现间隙，应使受载后地基结合面挤压应力的最大值不超过底板与地受载后地基结合面挤压应力的最大值不超过底板与地基两者中最弱材料的许用值，最小值不小于零基两者中最弱材料的许用值，最小值
38、不小于零，即A为结合面的有效面积(mm)；W为承压面的抗弯载面系数（mm3）；为结合面材料的许用挤压应力（MPa）第94页/共162页表4-5 连接结合面材料的许用挤压应力p/MPa材料钢铸铁混凝土水泥浆砖砌面木材p0.8s(0.40.5)b2.03.01.22.02.04.0注：1当连接结合面的材料不同时，应按强度较弱者选取；2当连接承受静载荷时，p应取表中较大者；当承受变载荷时则p应取较小值。第95页/共162页因此，当计算受倾覆力矩的螺栓组的强度时，首先由预紧力由预紧力F0和最大工作载荷和最大工作载荷Fmax确定受力最大的螺旋的总拉力确定受力最大的螺旋的总拉力F2，然后按式按式 进行强度
39、校核。进行强度校核。第96页/共162页一般来说，普通螺栓普通螺栓 按轴向载荷及翻转力矩确定螺栓的工作拉力 按横向载荷及转矩确定所需的预紧力 进而求出螺栓的总拉力 铰制孔螺栓铰制孔螺栓 按横向载荷及转矩确定螺栓的工作剪力。第97页/共162页4.5螺栓连接的材料及许用应力螺栓连接的材料及许用应力 1、螺纹连接件的常用材料及其力学性能（1）常用材料：碳钢：Q215-A、Q235-A、35、45一般联接 合金钢：15Cr、20Cr、30CrMnSi 等重要联接（2）螺栓、螺母材料性能等级（表2-7）a、螺栓材料性能等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12
40、.9 第98页/共162页4.5螺栓连接的材料及许用应力螺栓连接的材料及许用应力 第99页/共162页b、螺母的性能等级：4，5，6，8，9，10，12螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100第100页/共162页2、螺纹连接件的许用应力许用应力影响因素：许用应力影响因素：载荷性质：静、变载荷载荷性质：静、变载荷 材料质量：性能等级材料质量：性能等级 结构尺寸：尺寸系数结构尺寸：尺寸系数 装配质量：载荷控制准确性装配质量：载荷控制准确性受拉螺栓的许用应力可按附表4-5进行计算；第101页/共162页受剪螺栓连接的许用应力可按附表4-6进行计算。第102页/共162页4
41、.6提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 1改善螺纹牙上载荷分布不均现象螺牙间变形不协螺牙间变形不协调，导致牙间载调，导致牙间载荷分配不均荷分配不均第103页/共162页研究结果表明，靠近螺母支承面的第1圈螺纹变形最大，因而受力也最大，约占总载荷的30，以后各圈受力递减，到第8圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷。旋合的圈数越多，载荷分配不均匀的程度越严重。因此，采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。第104页/共162页解决的办法：降低螺母的刚度，使之容易变降低螺母的刚度，使之容易变形形；增加螺母与螺杆的变形协调性，以缓和矛盾增加螺母与螺杆的变形协调性，以缓和矛盾。常采取以下一些方法
42、。（1）采用悬置螺母 减小了螺母的刚度，使螺母的旋合部分也受拉，与螺栓螺纹牙的受拉变形协调，使各圈螺纹牙上的载荷分配趋于均匀。第105页/共162页（2）采用环槽螺母 螺母开割凹槽后，螺母内缘下端局部受拉，减小了螺母下部的刚度，使螺母接近支承面处受拉且富有弹性。第106页/共162页（3）采用内斜螺母 螺母上螺栓旋入端内斜1015，以减小螺母中受力大的螺纹牙的刚度，把部分力移到受力小的螺纹牙上，载荷上移，使载荷分配趋于均匀。第107页/共162页（4）采用特殊结构螺母 这种螺母综合了环槽螺母和内斜螺母的优点，均载效果更明显。第108页/共162页（5）螺栓和螺母采用不同的材料匹配 通常，螺母用
43、弹性模量低且较软的材料，如钢螺栓配有色金属螺母，能改善螺纹牙受力的分配。第109页/共162页2降低螺栓的应力幅 第110页/共162页在保持预紧力F0不变的条件下，若减小螺栓刚度Cb或增大被连接件刚度Cm，都可以达到减小总拉力F2的变动范围，即减小应力幅的目的，如图4-26(a)、(b)所示。第111页/共162页第112页/共162页第113页/共162页但在这两种情况下都将引起残余预紧力F1减小，从而降低了连接的可靠性。所以，在减小Cb，增大Cm的同时，还应适当增加F0，使F1不至于减小太多或保持不变，如图4-26(c)所示。第114页/共162页图4-26降低螺栓应力幅的措施第115页
44、/共162页为了减小螺栓刚度，可减小螺栓光杆部分的直径或采用空心螺杆，如图4-27所示。图4-27柔性螺栓 第116页/共162页可酌情增加螺栓的长度。图4-28所示的是液压油缸缸体和缸盖的螺栓连接，采用长螺栓比采用短螺栓的疲劳强度高。图4-28油缸缸体和缸盖的两种螺栓连接方式 第117页/共162页被连接件本身的刚度往往是较大的，但被连接件的结合面因需要密封而采用软垫片时，会使其刚度降低，如图4-29(a)所示，这将降低螺栓连接的疲劳强度。这时应改用刚度较大的金属薄垫片或密封环，如图4-29(b)所示，即可保持被连接件原来的刚度值。第118页/共162页3避免附加弯曲应力螺纹牙根部对弯曲十分
45、敏感，故附加弯曲应力是螺栓断裂的重要因素。图4-30所示的是几种常见的产生附加弯曲应力的结构。图4-30螺栓的附加弯曲应力 第119页/共162页 根本方法根本方法是使螺纹孔轴线与被连接件各支承面垂直 第120页/共162页4减小应力集中的影响减小应力集中的程度，可适当加大螺纹牙根的过渡圆角，它可使螺栓的疲劳强度提高2040。第121页/共162页在螺栓头部与螺栓杆交接处采用较大的过渡圆角，如图4-31(a)所示 切制卸载槽，如图4-31(b)所示 图4-31减小应力集中的方法 第122页/共162页5采用合理的制造工艺冷墩头部、滚压螺纹有利于提高螺栓疲劳强度冷墩头部、滚压螺纹有利于提高螺栓疲
46、劳强度热处理后再进行滚压螺纹，则效果更佳，螺栓的疲劳强度可提高近一倍。此制造工艺具有优质、高产、低消耗的功效。喷丸、氰化、氮化等热处理工艺能使螺栓表面冷作硬化，表层有残余压应力，从而可明显提高螺栓的疲劳强度。第123页/共162页【工程实例4-3】支架与地基连接的螺栓组设计 图4-32所示的是一铸铁支架固定在水泥地基上，受静载荷=5000N，水泥地基的许用挤压应力p=1.2MPa，支架与地基之间的摩擦系数fs=0.3。设螺栓材料为35号钢，许用应力=100MPa，因属刚性连接可取，可靠性系数取，其尺寸如图4-32所示，试设计此螺栓组。第124页/共162页第125页/共162页解：1受力分析（
47、1）外载荷可以分解为水平方向和垂直方向的两个分力、，将移至结合面，则螺栓组受到一个横向力及倾覆力矩M，即（2）在Fv作用下，螺栓受拉，由于螺栓组均布，每个螺栓收到的拉力相等，即F1=Fv /4=2500/4=625N。第126页/共162页（3）在M作用下，使结合面有绕轴顺时针翻转的趋势，左边螺栓受拉，右边螺栓则被放松，故左边螺栓受到的拉力较大为（4）故左边的螺栓所受的最大工作拉力为 第127页/共162页（5）求每个螺栓需要的预紧力，欲使底板向右滑动，受到结合面摩擦阻力的阻挡。预紧力使结合面之间产生摩擦力，而的作用是使预紧力减小。M对摩擦力无影响，因为在倾覆力矩M作用下，底板右边压力虽增大，
48、但其左边的压力却以同样程度减小。参考式(4-22)残余预紧力的计算公式，则保证底板不产生相对滑动的条件为 第128页/共162页（6）计算螺栓组中受最大载荷的螺栓的工作拉力为 2确定螺栓的直径 根据已知条件：螺栓材料为35号钢，许用应力=100MPa，由强度条件可得 根据附表4-12，查得粗牙普通螺栓的公称直径为M12，小径d1=10.106mm9.646mm。第129页/共162页3校验螺栓安全工作时的必要条件（1）底板接触面不压溃的条件由于底板右边所受的压力大，因此根据已知条件许用压应力，根据式(4-41)，则 由于，因此底板右边的水泥不会被压溃。第130页/共162页（2）底板接触面不出
49、现缝隙的条件 根据式(4-42)，底板左边会被放松，即 上述验算表明，左边接缝处不会出现缝隙。第131页/共162页4.7螺旋传动螺旋传动 螺旋传动的类型、特点及应用 螺旋传动螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机构。将旋转运动变为直线运动，用较小的转矩获得很大的推力；在螺旋升角大于摩擦角时，也可将直线运动变为旋转运动。3312第132页/共162页在螺旋升角大于摩擦角时，也可将直线运动变为旋转运动。当螺旋传动用做减速机构时，可获得很大的减速比，有较高的传动精度，且传动平稳；用做测量元件时，可获得很高的测量精度，最小读数可达0.001mm；当用螺旋升角小于摩擦角的自锁螺旋作为升降机构时，可防
50、止因自重而自行降落。36353433第133页/共162页按用途螺旋传动可分为以下三类（1）传力螺旋：以传递动力为主，一般要求用较小的转矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生轴向运动和较大的轴向推力。图4-33传力螺旋传动 第134页/共162页（2）传导螺旋：以传递运动为主，要求能在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此，要求较高的传动精度。如精密车床的走刀螺杆。图4-34机床进给螺旋机构 第135页/共162页（3）调整螺旋：用于调整并固定零部件之间的相对位置，它不经常转动，一般在空载下调整，要求有可靠的自锁性能和精度，用于测量仪器及各种机械的调整装置。如千分尺中的螺旋。图4-35镗