機械設(shè)計之螺紋聯(lián)接

1、第二篇第二篇 聯(lián)接聯(lián)接機械聯(lián)接有兩大類： 動聯(lián)接：機器工作時，被聯(lián)接的零(部)件間可以有相對運動的聯(lián)接，如各種運動副； 靜聯(lián)接：機器工作時，被聯(lián)接的零(部)件間不允許產(chǎn)生相對運動的聯(lián)接。 本書中除了指明為動聯(lián)接外，所用到的聯(lián)接”均指機械靜聯(lián)接。 連接分類：連接分類： 可拆聯(lián)接：不須毀壞聯(lián)接中的任一零件就可拆開的聯(lián)接，故多次裝拆無損于其使用性能。如：螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接。 不可拆聯(lián)接：至少必須毀壞聯(lián)接中的某一部分才能拆開的聯(lián)接。常見的有鉚釘聯(lián)接、焊接、膠接等。 可拆或不可拆的過盈聯(lián)接，在機器中也常使用。 連接類型選擇：連接類型選擇： 以使用要求及經(jīng)濟性要求為根據(jù) 還要考慮連接的加工條件和被連接零件的

2、材料、形狀及尺寸第五章第五章 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動螺紋聯(lián)接和螺旋傳動學習要求：學習要求： 1 螺紋聯(lián)接的基本知識（14節(jié)）：了解螺紋及其螺紋聯(lián)接件的類型、特性、標準、結(jié)構(gòu)應用場合及有關(guān)的放松方法等，以便在設(shè)計時能夠正確的選用它們 2 螺紋聯(lián)接設(shè)計及強度計算（57節(jié)）：掌握其結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及強度計算的理論與方法，能正確進行螺栓組的受力分析，能較為合理地設(shè)計出可靠的螺栓組聯(lián)接學習重點：學習重點： 1 各類不同外載荷情況下，螺栓組中各螺栓的受力分析 2 螺栓聯(lián)接的強度計算，尤其是承受軸向拉伸載荷的緊螺栓聯(lián)接強度計算 難點：難點：承受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的設(shè)計第五章第五章 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動螺紋聯(lián)接和

3、螺旋傳動 螺紋聯(lián)接和螺旋傳動都是利用螺紋零件工作的。但兩者的工作性質(zhì)不同，在技術(shù)要求上也有差別。前者作為緊固件用，要求保證聯(lián)接強度（有時還要求緊密性)；后者則作為傳動件用，要保證螺旋副的傳動精度、效率和磨損壽命等。 51 螺螺 紋紋 (一)螺紋的類型和應用 螺紋有外螺紋和內(nèi)螺紋之分，它們共同組成螺旋副；起聯(lián)接作用的螺紋稱為聯(lián)接螺紋；起傳動作用的螺紋稱為傳動螺紋：螺紋又分為米制和英制(螺距以每英寸牙數(shù)表示)兩類，我國除管螺紋保留英制外，都采用米制螺紋。 常用螺紋的類型主要有普通螺紋、米制錐螺紋、管螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋。前三種主要用于聯(lián)接，后三種主要用于傳動。 (二)螺紋的主要參數(shù)

4、 1)大徑大徑d螺紋的最大直徑，即與螺紋牙頂相重合的假想圓柱面的直徑，在標準中定為公稱直徑。 2)小徑小徑d1螺紋的最小直徑， 即與螺紋牙底相重合的假想圓柱面的直徑，在強度計算中常作為螺桿危險截面的計算直徑。 3)中徑中徑d2通過螺紋軸向截面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處的假想圓柱面的直徑，近似等于螺紋的平均直徑，d20.5(d+d1)。中徑是確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質(zhì)的直徑。 4)線數(shù)線數(shù)n螺紋的螺旋線數(shù)目。沿一根螺旋線形成的螺紋稱為單線螺紋；沿兩根以上的等距螺旋線形成的螺紋稱為多線螺紋。常用的聯(lián)接螺紋要求自鎖性，故多用單線螺紋；傳動螺紋要求傳動效率高，故多用雙線或三線螺紋。為了便于制造，一

5、般用線數(shù)n4。 5)螺距螺距P螺紋相鄰兩個牙型上對應點間的軸向距離。 6)導程導程S螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉(zhuǎn)周所移動的軸向距離。單線螺紋S=P；多線螺紋S=nP。 7)螺紋升角螺紋升角螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。在螺紋的不同直徑處，螺紋升角各不相同。通常按螺紋中徑d2處計算，即 22arctanarctandnPdS 8)牙型角牙型角螺紋軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。螺紋牙型的側(cè)邊與螺紋軸線的垂直平面的夾角稱為牙側(cè)角，對稱牙型的牙側(cè)角=/2。 9)接觸高度接觸高度h內(nèi)外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度。 各種管螺紋的主要幾何參數(shù)可查閱有關(guān)標準，其尺寸代號都不是螺紋大徑，而近

6、似等于管子的內(nèi)徑。 52 螺紋聯(lián)接的類型和標準聯(lián)接件螺紋聯(lián)接的類型和標準聯(lián)接件 (一一)螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的基本類型 1螺栓聯(lián)接螺栓聯(lián)接 這種聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點是被聯(lián)接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙，通孔的加工精度要求低，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，使用時不受被聯(lián)接件材料的限制，因此應用極廣。 鉸制孔用螺栓聯(lián)接?？缀吐菟U多采用基孔制過渡配合(H7m6、H7n6)。這種聯(lián)接能精確固定被聯(lián)接件的相對位置，并能承受橫向載荷，但孔的加工精度要求較高。 2雙頭螺柱聯(lián)接這種聯(lián)接適用于結(jié)構(gòu)上不能采用螺栓聯(lián)接的場合，例如被聯(lián)接件之一被聯(lián)接件之一太厚不宜制成通孔，材太厚不宜制成通孔，材料又比較軟料又比較軟(例如用鋁

7、鎂合金制造的殼體)，且需要經(jīng)常拆裝時且需要經(jīng)常拆裝時，往往采用雙頭螺柱聯(lián)接。顯然，拆卸這種聯(lián)接時，不用拆下螺柱。 3螺釘聯(lián)接 這種聯(lián)接的特點是螺栓(或螺釘)直接擰入被聯(lián)接件的螺紋孔中，不用螺母，在結(jié)構(gòu)上比雙頭螺柱聯(lián)接簡單、緊湊。其用途和雙頭螺柱聯(lián)接相似，但如經(jīng)常拆裝時，易使螺紋孔磨損，可能導致被聯(lián)接件報廢，故多用于受力不大，或不用于受力不大，或不需要經(jīng)常拆裝的場合需要經(jīng)常拆裝的場合。4緊定螺釘聯(lián)接 緊定螺釘聯(lián)接是利用擰入零件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面(圖54a)或頂入相應的凹坑中(圖54b)，以固定兩個零件的相對位置，并可傳遞不大的力或轉(zhuǎn)矩。 螺釘除作為聯(lián)接和緊定用外，還可用于調(diào)整零

8、件位置，如機器、儀器的調(diào)節(jié)螺釘?shù)取?特殊結(jié)構(gòu)的聯(lián)接 專門用于將機座或機架固定在地基上的裝在機器或大型零部件的頂蓋或外殼上用于工裝設(shè)備中(二)標準螺紋聯(lián)接件 螺紋聯(lián)接件的類型很多，在機械制造中常見的螺紋聯(lián)接件有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、螺母和墊圈等。這類零件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已標準化，設(shè)計時可根據(jù)有關(guān)標準選用。它們的結(jié)構(gòu)特點和應用示于表52。 根據(jù)GBT 310311982的規(guī)定，螺紋聯(lián)接件分為三個精度等級，其代號為A、B、C級。A級精度的公差小，精度最高，用于要求配合精確、防止振動等重要零件的聯(lián)接；B級精度多用于受載較大且經(jīng)常裝拆、調(diào)整或承受變載荷的聯(lián)接；C級精度多用于一般的螺紋聯(lián)接。常用的標準螺

9、常用的標準螺紋聯(lián)接件紋聯(lián)接件(螺栓、螺釘螺栓、螺釘)，通常選用，通常選用C級精度。級精度。 53 螺紋聯(lián)接的預緊螺紋聯(lián)接的預緊 絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都必須擰緊，使聯(lián)接在承受工作載荷之前，預先受到力的作用。這個預加作用力稱為預緊力，預緊的目的在于增強聯(lián)接的可靠性和緊密性，以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移。 經(jīng)驗證明：適當選用較大的預緊力對螺紋聯(lián)接的可靠性以及聯(lián)接件的疲勞強度都是有利的(詳見58)，特別對于像氣缸蓋、管路凸緣、齒輪箱、軸承蓋等緊密性要求較高的螺紋聯(lián)接，預緊更為重要。但過大的預緊力會導致整個聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸增大，也會使聯(lián)接件在裝配或偶然過載時被拉斷。為了保證聯(lián)接所需要的

10、預緊力，又不使螺紋聯(lián)接件過載，對重要的螺紋聯(lián)接，在裝配時要控制預緊力。 通常規(guī)定，擰緊后螺紋聯(lián)接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限s的80。對于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓聯(lián)接的預緊力F0，推薦按下列關(guān)系確定： 碳素鋼螺栓 F0 （0.60.7）s A 1 碳素鋼螺栓 F0 （0.50.6）s A 1式中：s螺栓材料的屈服極限； A1螺栓危險截面的面積，A1d12/4。 預緊力的具體數(shù)值應根據(jù)載荷性質(zhì)、聯(lián)接剛度等具體工作條件確定。 受變載荷的螺栓聯(lián)接的預緊力應比受靜載荷的要大些?？刂祁A緊力的方法 根據(jù)彈性元件1產(chǎn)生的彈性變形來指示擰緊力矩的大小指示刻度2直接以力矩值標出擰緊力矩超過規(guī)定值時，3被壓縮

11、，扳手卡盤1與圓柱銷2之間打滑，繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄，卡盤不在轉(zhuǎn)動。擰緊力矩大小可利用螺釘4調(diào)整彈簧壓緊力來控制預緊力和擰緊力矩之間的關(guān)系 擰緊力矩T(T=FL)的作用，使螺栓和被聯(lián)接件之間產(chǎn)生預緊力Fo。 擰緊力矩T等于螺旋副間的摩擦阻力矩T1和螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件(或墊圈)支承面間的摩擦阻力矩T2之和，即 T=T1+T2 (53) 螺旋副間的摩擦力矩為 （5-4）vdFTtan2201將式(54)、(55)代人式(53)，得 )55(312020303002dDdDFfTc)65(32tan212020303020dDdDfdFTcv螺母與支承面間的摩擦力矩為 對于MI0M64粗牙普通螺紋的鋼制

12、螺栓，螺紋升角 ；螺紋中徑d2=0.9d；螺旋副的當量摩擦角 (f為摩擦系數(shù)，無潤滑時f=0.10.2)；螺栓孔直徑do1.1d；螺母環(huán)形支承面的外徑D015d；螺母與支承面間的摩擦系數(shù)f=0.15。將上述各參數(shù)代人式(56)整理后可得 T0.2F0d (57)23241fv155. 1arctan 對于一定公稱直徑d的螺栓，當所要求的預緊力Fo已知時，即可按式(57)確定扳手的擰緊力矩了。般標準扳手的長度上L15d，若擰緊力為F，則T=FL。由式(57)可得：Fo75F。假定Fo=200N，則F0=15 000N。如果用這個預緊力擰緊M12以下的鋼制螺栓，就很可能過載擰斷，應嚴格控制其擰緊力

13、矩。 采用測力矩扳手或定力矩扳手控制預緊力的方法，操作簡便，但準確性較差(因擰緊力矩受摩擦系數(shù)波動的影響較大)，也不適用于大型的螺栓聯(lián)接。為此，可采用測定螺栓伸長量的方法來控制預緊力(圖511)。所需的伸長量可根據(jù)預緊力的規(guī)定值計算。54 螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接的防松 螺紋聯(lián)接件一般采用單線普通螺紋：螺紋升角( )小于螺旋副的當量摩擦角( )。因此，聯(lián)接螺紋都能滿足自鎖條件( )。此外，擰緊以后螺母和螺栓頭部等支承面上的摩擦力也有防松作用，所以在靜載荷和工作溫度變化不大時，螺紋聯(lián)接不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷的作用下，螺旋副間的摩擦力可能減小或瞬時消失。這種現(xiàn)象多次重復后，就會使聯(lián)接松

14、脫。在高溫或溫度變化較大的情況下，由于螺紋聯(lián)接件和被聯(lián)接件的材料發(fā)生蠕變和應力松弛，也會使聯(lián)接中的預緊力和摩擦力逐漸減小，最終將導致聯(lián)接失效。232415 .105 . 6vv 為了防止聯(lián)接松脫，保證聯(lián)接安全可靠，設(shè)計時必須采取有效的防松措施。 防松的根本問題在于防止螺旋副在受載時防松的根本問題在于防止螺旋副在受載時發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。防松的方法，按其工作原理可分為摩擦防松、機械防松以及鉚沖防摩擦防松、機械防松以及鉚沖防松。松。一般說，摩擦防松簡單、方便，但沒有機械防松可靠。對于重要的聯(lián)接，特別是在機器內(nèi)部的不易檢查的聯(lián)接，應采用機械防松。 摩擦防松摩擦防松機械防松機械防松 特殊的防松

15、方法： 在旋合螺紋間涂以液體膠粘劑或在螺母末端鑲嵌尼龍環(huán)等。 采用鉚沖方法防松。螺母擰緊后把螺栓末端伸出部分鉚死，或利用沖頭在螺栓末端與螺母的旋合縫處打沖，利用沖點防松。這種防松方法可靠，但拆卸后聯(lián)接件不能重復使用。55 螺紋聯(lián)接的強度計算螺紋聯(lián)接的強度計算 螺紋聯(lián)接包括螺栓聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接和螺釘聯(lián)接等類型。以螺栓聯(lián)接力代表討論螺紋聯(lián)接的強度計算方法。其方法對雙頭螺柱聯(lián)接和螺釘聯(lián)接也同樣適用。 當兩零件用螺栓進行聯(lián)接時，常常同時使用若干個螺栓，稱為螺栓組螺栓組。在開始進行強度計算前，先要進行螺栓組的受力分析，找出其中受力最大的螺栓及其所受的力，作為進行強度計算的依據(jù)。對構(gòu)成整個聯(lián)接的螺栓組而

16、言，所受的載荷可能包括軸向載荷、橫向載荷、彎矩和轉(zhuǎn)矩等。 對其中每一個具體的螺栓而言，其受載的形式不外乎是受軸向力或受橫向力。 在軸向力(包括預緊力)的作用下，螺栓桿和螺紋部分可能發(fā)生塑性變形或斷裂；而在橫向力的作用下，當采用鉸制孔用螺栓時，螺栓桿和孔壁的貼合面上可能發(fā)生壓潰或螺栓桿被剪斷等。根據(jù)統(tǒng)計分析，在靜載荷下螺栓聯(lián)接是很少發(fā)生破壞的，只有在嚴重過載的情況下才會發(fā)生。就破壞性質(zhì)而言，約有90的螺栓屬于疲勞破壞。而且疲勞斷裂常發(fā)生在螺紋根部，即截面面積較小并有缺口應力集中的部位(約占其中的85)，有時也發(fā)生在螺栓頭與光桿的交接處(約占其中的15)。 對于受拉螺栓，其主要破壞形式是螺栓桿螺紋

17、部分發(fā)生斷裂，因而其設(shè)計準則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強度； 對于受剪螺栓，其主要破壞形式是螺栓桿和孔壁的貼合面上出現(xiàn)壓潰或螺栓桿被剪斷，其設(shè)計準則是保證聯(lián)接的擠壓強度和螺栓的剪切強度，其中聯(lián)接的擠壓強度對聯(lián)接的可靠性起決定性作用。 螺栓聯(lián)接的強度計算， 1、根據(jù)聯(lián)接的類型、聯(lián)接的裝配情況(預緊或不預緊)、載荷狀態(tài)等條件，確定螺栓的受力； 2、按相應的強度條件計算螺栓危險截面的直徑(螺紋小徑)或校核其強度。 螺栓的其它部分(螺紋牙、螺栓頭、光桿)和螺母、墊圈的結(jié)構(gòu)尺寸，是根據(jù)等強度條件及使用經(jīng)驗規(guī)定的，通常都不需要進行強度計算，可按螺栓螺紋的公稱直徑由標準中選定。 (一)松螺栓聯(lián)接強度計算 松

18、螺栓聯(lián)接裝配時，螺母不需要擰緊。在承受工作載荷之前，螺栓不受力。 起重吊鉤的螺紋聯(lián)接 拉伸強度條件為 214dF（5-8） Fd41（5-9） 式中：F作拉力，單位為N； d1螺栓危險截面的直徑，單位為mm； 螺栓材料的許用拉應力，單位為MPa。（二）緊螺栓聯(lián)接強度計算 1僅承受預緊力的緊螺栓聯(lián)接 緊螺栓聯(lián)接裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩作用下，螺栓除受預緊力F0的拉伸而產(chǎn)生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩Tl見式(54)的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應力，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復合應力狀態(tài)下。因此，進行僅承受預緊力的緊螺栓強度計算時，應綜合考慮拉伸應力和扭轉(zhuǎn)切應力的作用。 螺栓危險截面的拉伸應力為 螺栓危

19、險截面的扭轉(zhuǎn)切應力為 對于M10M64普通螺紋的鋼制螺栓，可取，d2/d1= 1.041.08，tan0.05，由此可得： 0.5 (512)2104dF21012312042tantan1tantan162tandFddddFvvv 由于螺栓材料是塑性的，故可根據(jù)第四強度理論，求出螺栓預緊狀態(tài)下的計算應力為 (513) 由此可見，對于M10M64普通螺紋的鋼制緊螺栓聯(lián)接，在擰緊時雖是同時承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計算時可以只按拉伸強度計算并將所受的拉力（預緊力）30%來考慮扭轉(zhuǎn)的影響。3 . 15 . 0332222ca 當普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時，由于預緊力的作用，將在按合面間產(chǎn)生摩

20、擦力來抵抗工作載荷(圖513)。這時，螺栓僅承受預緊力的作用，而且預緊力不受工作載荷的影響，在聯(lián)接承受工作載荷后仍保持不變。預緊力F0的大小，根據(jù)接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定。 螺栓危險截面的拉伸強度條件根據(jù)式(510)及(513)可寫為 (514) 使聯(lián)接接合面不滑移的預緊力F0F/f，若f=02，則F。5F，會使螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增加。此外，在振動、沖擊或變載荷下，由于摩擦系數(shù)f的變動，將使聯(lián)接的可靠性降低，有可能出現(xiàn)松脫。 21043 . 1dFca 為了避免上述缺陷，可以考慮用各種減載零件來承擔橫向：工作載荷(圖514)，這種具有減載零件的緊螺栓聯(lián)接，其聯(lián)接強度按減載零件的剪切、擠壓強度條件

21、計算，而螺紋聯(lián)接只是保證聯(lián)接，不再承受工作載荷，因此預緊力不必很大。但這種聯(lián)接增加了結(jié)構(gòu)和工藝上的復雜性。2承受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接 這種受力形式在緊螺栓聯(lián)接中比較常見，也是最重要的一種。這種緊螺栓聯(lián)接承受軸向拉伸工作載荷后，由于螺栓和被聯(lián)接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力并不等于預緊力和工作拉力之和。根據(jù)理論分析，螺栓的總拉力除和預緊力F0，工作拉力F有關(guān)外，還受到螺栓剛度Cb及被聯(lián)接件剛度Cm等因素的影響。因此，應從分析螺栓聯(lián)接的受力和變形的關(guān)系入手，找出螺栓總拉力的大小。聯(lián)接受載后，由于預緊力的變化，螺栓的總拉力F2并不等于預緊力F0與工作拉力F之和，而等于殘余預緊力Fl與工作拉力

22、F之和。 如圖5-16c所示，當聯(lián)接承受工作載荷F時，螺栓的總拉力為F2，相應的總伸長量為b+；被聯(lián)接件的壓縮力等于殘余預緊力F1，相應的總壓縮量為m=m-；由圖可見螺栓的總拉力F2等于殘余預緊力F1與工作拉力F之和，即 F2=F1+F (5-15) 為了保證聯(lián)接的緊密性，以防止聯(lián)接受載后接合面間產(chǎn)生縫隙，應使F10。推薦采用的F1為：對于有密封性要求的聯(lián)接，F(xiàn)1=(1.51.8)F；對于般聯(lián)接，工作載荷穩(wěn)定時，F(xiàn)1=(0.20.6)F；工作載荷不穩(wěn)定時，F(xiàn)1=(0.61.0)F；對于地腳螺栓聯(lián)接，F(xiàn)1F。 螺栓的預緊力F0與殘余預緊力F1、總拉力F2的關(guān)系，可由圖5-16中的幾何關(guān)系推出。

23、由圖5-16可得：bbbCFtan0mmmCFtan0式中Cb、Cm分別表示螺栓和被聯(lián)接件的剛度，均為定值。 F0=F1+(F-F) (a) 按圖中的幾何關(guān)系得mbmbCCFFFtantan)(bFCCCFmbbFFCFCmmbbtan,tan將式(b)代人式(a)得螺栓的預緊力為FCCCFFCCCFFmbmmbb1101螺栓的總拉力為)185(02FCCCFFmbb 上式中 稱為螺栓的相對剛度，其大小與螺栓和被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料以及墊片、工作載荷的作用位置等因素有關(guān)，其值在01之間變動。mbbCCCmbbCCCmbbCCC 若被聯(lián)接件的剛度很大，而螺栓的剛度很小(如細長的或中空螺栓)，則

24、螺栓的相對剛度趨于零。此時，工作載荷作用后，使螺栓所受的總拉力增加很少。反過來，當螺栓的相對剛度較大時，則工作載荷作用后，將使螺栓所受的總拉力有較大的增加。為了降低螺栓受力，提高螺栓的 承載能力，應使 值盡量小些。 值可通 過計算或?qū)嶒灤_定。一般設(shè)計時，可根據(jù)墊片材料不同使用下列推薦數(shù)據(jù)：金屬墊片(或無墊片)0.20.3；皮革墊片0.7；銅皮石棉墊片0.8；橡膠墊片0.9。 設(shè)計時，可先根據(jù)聯(lián)接的受載情況，求出螺栓的工作拉力F，再根據(jù)聯(lián)接的工作要求選取F1值，然后按式F2=F1+F 計算螺栓的總拉力F2。求得F2值后即可進行螺栓強度計算?？紤]到螺栓在總拉力F2的作用下可能需要補充擰緊，故仿前將

25、總拉力增加30以考慮扭轉(zhuǎn)切應力的影響。于是螺栓危險截面的拉伸強度條件為 )195(43 . 1212dFca )205(3 . 1421Fd 對于受軸向變載荷的重要聯(lián)接(如內(nèi)燃機汽缸蓋螺栓聯(lián)接等)，除按式(5-19)或(5-20)作靜強度計算外，還應根據(jù)下述方法對螺栓的疲勞強度作精確校核。 如下圖所示，當工作拉力在0F之間變化時，螺栓所受的總拉力將在F0F2，之間變化。如果不考慮螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)作用，則螺栓危險截面的最大拉應力為最小拉應力(注意此時螺栓中的應力變化規(guī)律是 保持不變)為212max4dFmin210min4dF21minmax22dFCCCmbba應力幅為式中：-1tc螺栓材料

26、的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限（值見表54）單位為MPa： 試件的材料常數(shù)，即循環(huán)應力中平均應力的折算系數(shù)。對于碳素鋼=0.10.2，合金鋼，=0.20.3； K拉壓疲勞強度綜合影響系數(shù)，如忽略加工方法的影響，則K=k,此處k為有效應力集中系數(shù)，見第三章附表36，為尺寸系數(shù)，見附表37； S安全系數(shù)，見表510。 SKKSatccaminmin12)()(2螺栓的最大應力(疲勞極限)計算安全系數(shù)為3承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接 如圖518所示，這種聯(lián)接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷F的。螺栓桿與孔壁之間無間隙，接觸表面受擠壓；在聯(lián)接接合面處，螺栓桿則受剪切。因此，應分別按擠壓及

27、剪切強度條件計算。螺栓桿的剪切強度條件為ppLdFmin0 4/20dF螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為式中：F螺栓所受的工作剪力，單位為N；d0螺栓剪切面的直徑(可取為螺栓孔的直徑)，單位為mm； Lmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為，mm， 設(shè)計時應使Lmin1.25d0； p螺栓或孔壁材料的許用擠壓應力，單位為MPa。 螺栓材料的許用切應力，單位為MPa。56 螺栓組聯(lián)接的設(shè)計螺栓組聯(lián)接的設(shè)計 大多數(shù)機器的螺紋聯(lián)接件都是成組使用的，其中以螺栓組聯(lián)接最具有典型性，討論它的設(shè)計和計算問題。其基本結(jié)論對雙頭螺柱組、螺釘組聯(lián)接也同樣適用。 設(shè)計螺栓組聯(lián)接時，首先需要選定螺栓的數(shù)目及布置形式，

28、然后確定螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸。在確定螺栓尺寸時，對于不重要的螺栓聯(lián)接，可以參考現(xiàn)有的機械設(shè)備，用類比法確定，不再進行強度校核。但對于重要的聯(lián)接，應根據(jù)聯(lián)接的工作載荷，分析各螺栓的受力狀況，找出受力最大的螺栓進行強度校核。 (一)螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計 目的：目的：合理地確定聯(lián)接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和聯(lián)接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。 設(shè)計時應綜合考慮以下幾方面的問題： 1)聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計成軸對聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀稱的簡單幾何形狀，如圓形、環(huán)形、矩形、框形、三角形等。這樣不但便于加工制造，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱

29、中心和聯(lián)接接合面的形心重合，從而保證聯(lián)接接合面受力比較均勻。 2)螺栓的布置應使各螺栓的受力合理。螺栓的布置應使各螺栓的受力合理。對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接，不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置八個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均。當螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時，使螺栓的位置適當靠近聯(lián)接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力(圖519)。如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷，應采用銷、套筒、鍵等抗剪零件來承受橫向載荷(參看圖514)，以減螺栓的預緊力及其結(jié)構(gòu)尺寸。3)螺栓的排列應有合理的間距、邊距螺栓的排列應有合理的間距、邊距 布置螺栓時，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機體壁間的最小距離，應根據(jù)扳手所需活動空間的

30、大小來決定。扳手空間的尺寸可查閱有關(guān)標準。 5)避免螺栓承受附加的彎曲載荷避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結(jié)構(gòu)上設(shè)法保證載荷不偏心外，還應在工藝上保證被聯(lián)接件、螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。在鑄、鍛件等的粗糙表面上安裝螺栓時，應制成凸臺或沉頭座(圖520)。當支承面為傾斜表面時，應采用斜面墊圈(圖521)等。 4)分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應取成4、6、8等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長度均應相同。(二)螺栓組聯(lián)接的受力分析目的目的: : 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

31、螺栓聯(lián)接的強度計算。假設(shè)假設(shè): : 1.所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同;2.螺栓組的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合;3.受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。 1受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 當采用螺栓桿與孔壁間留有間隙的普通螺栓聯(lián)接時普通螺栓聯(lián)接時(圖522a)，靠聯(lián)接預緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷；當采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接時當采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接時(圖522b)，靠螺栓桿受剪切和擠壓來抵抗橫向載荷。雖然兩者的傳力方式不同，但計算時可近似地認為，在橫向總載荷F的作用下，各螺栓所承擔的工作載荷是均等的。 式中：z為螺栓數(shù)目。 求得F后，按式(521)與式(522)校核螺栓聯(lián)接的擠壓強度與

32、剪切強度。 zFF鉸制孔用螺栓聯(lián)接：對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接，每個螺栓所受的橫向工作剪力為普通螺栓聯(lián)接：對于普通螺栓聯(lián)接，應保證聯(lián)接預緊后，接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。 假設(shè)各螺栓所需要的預緊力均為F，螺栓數(shù)目為z，則其平衡條件為式中：f接合面的摩擦系數(shù)，見表56； i接合面數(shù)(圖522中，i=2)； Ks防滑系數(shù)，Ks=1.11.3。FKzifFs0fziFKFs0或： 校核螺栓的強度 2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接 如圖所示，轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，底板將繞通過螺栓組對稱中心O并與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動。為了防止底板轉(zhuǎn)動，可以采用普通螺栓聯(lián)接，

33、也可采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。 假設(shè)各螺栓的預緊程度相同，即各螺栓的預緊力均為F0，則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力均相等，并假設(shè)此摩擦力集中作用在螺栓中心處。為阻止接合面發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，各摩擦力應與各該螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的連線(即力臂ri)相垂直。根據(jù)作用在底板上的力矩平衡及聯(lián)接強度的條件，應有 TKrfFrfFrfFsz 02010由上式可得各螺栓所需的預緊力為 ziiszsrfTKrrrfTKF1210)(求得預緊力F0，然后按式(514)校核螺栓的強度 普通螺栓： 在轉(zhuǎn)矩T的作用下，各螺栓受到剪切和擠壓作用，各螺栓所受的橫向工作剪力和各該螺栓軸線到

34、螺栓組對稱中心O的連線(即力臂ri )相垂直(圖523b)。計算時假定底板為剛體，受載后接合面仍保持為平面，則各螺栓的剪切變形量與各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心O的距離成正比。即距螺栓組對稱中心O越遠，螺栓的剪切變形量越大。如果各螺栓的剪切剛度相同，則螺栓的剪切變形量越大時，其所受的工作剪力也越大。鉸制孔用螺栓：用ri、rmax分別表示第i個螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；Fi、Fmax分別表示第i個螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，則得iirFrFmaxmax)265(, 2 , 1maxmaxzirrFFii或：根據(jù)作用在底板上的力矩平衡的條件得)275(1ziiiTrF)28

35、5(12maxmaxziirTrF聯(lián)解式(526)及(527)，可求得受力最大的螺栓的工作剪力為然后按式(521)與式(522)校核螺栓聯(lián)接的擠壓強度與剪切強度。 3受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接F的作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，計算時，認為各螺栓平均受載，則每個螺栓所受的軸向工作載荷為)295( zFF 應當指出的是，各螺栓除承受軸向工作載荷F外，還受有預緊力F0的作用。前已說明，各螺栓在工作時所受的總拉力，并不等于F與F0之和，故由式(529)求得F后，即應按式(518)算出螺栓的總拉力F2，并按下式計算螺栓的強度。 21243 . 1dFcaFCCCFFmbb02 4受傾覆力矩的

36、螺栓組聯(lián)接 傾覆力矩M作用在通過xx軸并垂直于聯(lián)接接合面的對稱平面內(nèi)。底板承受傾覆力矩前，由于螺栓已擰緊，螺栓受預緊力F0,有均勻伸長；地基在各螺栓的F0作用下，有均勻的壓縮，如圖525b所示。當?shù)装迨艿絻A覆力矩作用后，它繞軸線OO傾轉(zhuǎn)個角度。假定仍保持為平面，此時，在軸線OO左側(cè)，地基被放松，螺栓被進一步拉伸；在右側(cè)，螺栓被放松，地基被進一步壓縮。底板的受力情況如圖525c所示。 可用單個螺栓地基的受力變形圖來表示。為簡便起見，地基與底板的互相作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。如圖所示，斜線ObA表示螺栓的受力變形線，斜線OmA表示地基的受力變形線。在傾覆力矩M作用以前，螺栓和地基的工作

37、點都處于A點。底板上受到的合力為零。當?shù)装迳鲜艿酵饧拥膬A覆力矩M后(相當于圖525c的情況)，在傾轉(zhuǎn)軸線OO左側(cè)，螺栓與地基的工作點分別移至B1與C1點。兩者作用到底板上的合力的大小等于螺栓的工作載荷F，方向向下。在OO右側(cè)，螺栓與地基的工作點分別移至B2與C2點，兩者作用到底板上的合力等于載荷Fm其大小等于工作載荷F，但方向向上(注意右側(cè)螺栓的工作載荷為零)。作用在OO兩側(cè)底板上的兩個總合力，對OO形成一個力矩，這個力矩應與外加的傾覆力矩M平衡，即式中：Fmax代表最大的工作載荷；z代表總的螺栓個數(shù)；Li代表各螺栓軸線到底板軸線OO的距離；Lmax表示Li中最大的值(圖525a)。)305(

38、1ziiiLFMziiiiLLFMLLFF1max2maxmaxmax)315(12maxmaxziiLMLF或為了防止接合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，應該檢查受載后地基接合面壓應力的最大值不超過允許值，最小值不小于零，即有)335 (0)325 (maxminmaxmaxpppppppAzFp0代表地基接合面在受載前由于預緊力而產(chǎn)生的擠壓應力聯(lián)接接合面材料的許用擠壓應力p ，可查表57。)375 (0)365 (0min0maxWMAzFWMAzFppp)345()(1maxbmmpCCCMW)355(maxWMp1bmmbmmCCCCCC剛度大的地基稱為地基的相對剛度。W接合面

39、的有效抗彎截面系數(shù) 計算受傾覆力矩的螺栓組的強度時，首先由預緊力F0、最大工作載荷Fmax確定受力最大的螺栓的總拉力F2，由式(518)得max02FCCCFFmbb 在實際使用中，螺栓組聯(lián)接所受的工作載荷常常是以上四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。但不論受力狀態(tài)如何復雜，都可利用靜力分析方法將復雜的受力狀態(tài)簡化成上述四種簡單受力狀態(tài)。因此，只要分別計算出螺栓組在這些簡單受力狀態(tài)下每個螺栓的工作載荷，然后將它們向量地迭加起來，便得到每個螺栓的總的工作載荷。一般說，對普通螺栓可按軸向載荷或(和)傾覆力矩確定螺栓的工作拉力；按橫向載荷或(和)轉(zhuǎn)矩確定聯(lián)接所需要的預緊力，然后求出螺栓的總拉力。對鉸制孔用螺

40、栓則按橫向載荷或(和)轉(zhuǎn)矩確定螺栓的工作剪力。求得受力最大的螺栓及其聽受的剪力后，再進行單個螺栓聯(lián)接的強度計算。57 螺紋聯(lián)接件的材料及許用應力螺紋聯(lián)接件的材料及許用應力 (一)螺紋聯(lián)接件的材料 國家標準規(guī)定螺紋聯(lián)接件按材料的力學性能分出等級(簡示于表58、59，詳見GBT3098.12000和GBT 3098.22000)：螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃槭墸?.6至12.9。小數(shù)點前的數(shù)字代表材料的抗拉強度極限的1100(B100)，小數(shù)點后的數(shù)字代表材料的屈服極限(s或0.2)與抗拉強度極限(B)之比值(屈強比)的10倍(100sB )。例如性能等級4.6，其中4表示材料的抗拉強度極限

41、為400 MPa，6表示屈服極限與抗拉強度極限之比為0.6。螺母的性能等級分為七級，從4到12。數(shù)字粗略表示螺母保證(能承受的)最小應力min的1100(min100)。選用時，須注意所用螺母的性能等級應不低于與其相配螺栓的性能等級。 適合制造螺紋聯(lián)接件的材料品種很多，常用材料有低碳鋼(Q215、10鋼)和中碳鋼(Q235、35鋼、45鋼)。對于承受沖擊、振動或變載荷的螺紋聯(lián)接件，可采用低合金鋼、合金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnSi等。標準規(guī)定8.8和8.8級以上的中碳鋼、低碳或中碳合金鋼都須經(jīng)淬火并回火處理。對于特殊用途(如防銹蝕、防磁、導電或耐高溫等)的螺紋聯(lián)接件，可采用特種鋼或

42、銅合金，鋁合金等，并經(jīng)表面處理(如氧化、鍍鋅鈍化、磷化、鍍鎘等)。 普通墊圈的材料，推薦采用Q235、15鋼、35鋼，彈簧墊圈用65Mn制造，并經(jīng)熱處理和表面處理。(二)螺紋聯(lián)接件的許用應力 螺紋聯(lián)接件的許用應力與載荷性質(zhì)(靜、變載荷)、裝配情況(松聯(lián)接或緊聯(lián)接)以及螺紋聯(lián)接件的材料、結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)。螺紋聯(lián)接件的許用拉應力按下式確定： )395(SS 螺紋聯(lián)接件的許用切應力和許用擠壓應力p分別按下式確定： SSpSpSpBpS對于鋼 對于鑄鐵 58 提高螺紋聯(lián)接強度的措施提高螺紋聯(lián)接強度的措施 螺栓聯(lián)接的強度主要取決于螺栓的強度，研究影響螺栓強度的因素和提高螺栓強度的措施，對提高聯(lián)接的可靠性有著重要的意義。 影響螺栓強度的因素很多，主要涉及到螺紋牙的載荷分配、應力變化幅度、應力集中、附加應力、材料的機械性能和制造工藝等幾個方面。下面分析各