第15章 連接設(shè)計(jì)-2012-螺栓（章節(jié)課程）

1、第15章 聯(lián)接設(shè)計(jì)桑塔納轎車15.1 螺紋連接的類型和防松機(jī)床摩托車飛機(jī)機(jī)翼發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸化工管道自行車鎖緊螺母汽車輪胎螺旋線的形成：將直角三角形(直角底邊長d2)繞到直徑為d2的圓柱體上，其斜邊即在圓柱體上形成螺旋線。 螺紋的形成：取一通過圓柱體軸線的平面圖形(三角形、矩形、梯形等)沿螺旋線運(yùn)動(dòng)，該圖形在空間形成的體形即為螺紋。 22S15.1 螺 紋 參 數(shù)一、螺紋的形成二、螺紋的主要參數(shù)d 螺紋大徑，公稱直徑d1 螺紋小徑d2 螺紋中徑n 螺紋線數(shù)p 螺距L 導(dǎo)程，L = n.p 升角 牙型角 牙側(cè)角1）按軸向剖面形狀（螺紋的牙型）三 、螺紋的種類：三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋管制螺紋矩形螺

2、紋2）按螺旋線數(shù)目分單頭螺紋：多頭螺紋：3）按螺旋線繞行方向分左旋右旋（常用）左旋右旋15.2 螺紋聯(lián)接的基本類型及螺紋聯(lián)接件 一、螺紋聯(lián)接主要類型1、螺栓聯(lián)接a) 普通螺栓聯(lián)接被聯(lián)接件不太厚，通孔不帶螺紋，螺桿穿過通孔與螺母配合使用。裝配后孔與桿間有間隙，并在工作中間隙不許消失，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便。b) 精密螺栓聯(lián)接裝配后無間隙，主要承受橫向載荷，也可作定位用，采用基孔制配合鉸制孔螺栓聯(lián)接。2、雙頭螺栓聯(lián)接螺桿兩端無釘頭，但均有螺紋，裝配時(shí)一端旋入被聯(lián)接件，另一端配以螺母。適于常拆卸而被聯(lián)接件之一較厚時(shí)。拆裝時(shí)只需拆螺母，而不將雙頭螺栓從被聯(lián)接件中擰出。3、螺釘聯(lián)接適于被聯(lián)接件之一較厚（上帶

3、螺紋孔），不需經(jīng)常裝拆，一端有螺釘頭，不需螺母，適于受載較小情況4、緊定螺釘聯(lián)接擰入后，利用桿末端頂住另一零件表面或旋入零件相應(yīng)的缺口中以固定零件的相對位置?？蓚鬟f不大的軸向力或扭矩。地腳螺栓聯(lián)接 吊環(huán)螺釘聯(lián)接 T型槽螺栓5、其它類型二、螺紋聯(lián)接件 1）螺栓 普通螺栓 六角頭，小六角頭，標(biāo)準(zhǔn)六角頭，大六角頭, 內(nèi)六角 鉸制孔螺栓螺紋部分直徑較小各種螺栓 2）雙頭螺柱兩端帶螺紋 A型有退刀槽 B型無退刀槽3）螺釘： 與螺栓區(qū)別螺紋部分直徑較粗;全螺紋.4）緊定螺釘 錐 端適于零件表面硬度較低不常拆卸的場合 平 端接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，適于經(jīng)常拆卸 圓柱端壓入軸上凹坑中

4、，適于頂緊軸上零件的位置5）自攻螺釘由螺釘攻出螺紋6）螺母：六角螺母、鎖緊螺母、圓螺母、蝶形螺母、圓蓋螺母、法蘭螺母、加長螺母等圓螺母+止退墊圈帶有缺口，應(yīng)用時(shí)帶翅墊圈內(nèi)舌嵌入軸槽中，外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊六角螺母按厚度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)、厚、薄型螺母.蝶形螺母7）墊圈放置在螺母和被聯(lián)接件之間，起保護(hù)支承表面等作用。斜墊圈為用于傾斜支承面的墊圈。一、預(yù)緊1、預(yù)緊目的保持正常工作。如氣缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力等。螺紋聯(lián)接預(yù)緊過緊預(yù)緊力過大，螺桿靜載荷增大、降低本身強(qiáng)度預(yù)緊過松預(yù)緊力過小，工作不可靠 15.3 螺紋聯(lián)

5、接的預(yù)緊和防松松聯(lián)接緊聯(lián)接擰緊時(shí)螺母：T=T1+T2T擰緊力矩 T1螺紋摩擦阻力矩 T2螺母端環(huán)形面與被聯(lián)接件間的摩擦力矩 2、擰緊力矩其中由于直徑過小的螺栓，容易在擰緊時(shí)過載拉斷，所以對于重要的聯(lián)接不宜小于M10M14對于M10M68的粗牙螺紋：設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)保證所需的預(yù)緊力, 但擰緊后螺紋連接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料屈服極限S的80%。對于一般用鋼制螺栓, 推薦用預(yù)緊力極限值為碳素鋼螺栓：合金鋼螺栓：3、預(yù)緊力的控制：測力矩板手測出預(yù)緊力矩；定力矩板手達(dá)到固定的擰緊力矩時(shí)，將自動(dòng)打滑。扳手?jǐn)Q緊力矩T=FHL其中，F(xiàn)H作用于手柄上的力，L力臂1、防松目的實(shí)際工作中，外載荷有振動(dòng)、變化、材料高溫

6、蠕變等會造成摩擦力減少，螺紋副中正壓力在某一瞬間消失、摩擦力為零，從而使螺紋聯(lián)接松動(dòng)，如反復(fù)作用，螺紋聯(lián)接就會松馳而失效。因此，必須進(jìn)行防松，否則會影響正常工作，造成事故. 2、防松原理消除（或限制）螺紋副之間的相對運(yùn)動(dòng)，或增大相對運(yùn)動(dòng)的難度。二、螺紋防松 3、防松辦法及措施1）摩擦防松 2）機(jī)械防松3）永久防松自鎖螺母螺母一端做成非圓形收口或開峰后徑面收口，螺母擰緊后收口漲開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊1）摩擦防松 2）機(jī)械防松 開槽螺母與開口銷，圓螺母與止動(dòng)墊圈，軸用帶翅墊片，止動(dòng)墊片，串聯(lián)鋼絲等3）永久防松：點(diǎn)焊、沖點(diǎn)、粘合15.4 單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算 針對不同零件的不同失效形式

7、，分別擬定其設(shè)計(jì)計(jì)算方法. 失效形式是設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。1、失效形式受拉螺栓螺栓桿和螺紋可能發(fā)生塑性變形或斷裂受剪螺栓螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷工程中螺栓聯(lián)接多數(shù)為疲勞失效 受拉螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的疲勞拉伸強(qiáng)度和靜強(qiáng)度受剪螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度 2、設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則與思路、松螺栓聯(lián)接如吊鉤螺栓，工作前不擰緊，無預(yù)緊力，只有工作載荷 F 起拉伸作用強(qiáng)度條件為：驗(yàn)算用 設(shè)計(jì)用 式中：d1 螺桿危險(xiǎn)截面直徑（mm） 許用拉應(yīng)力 (MPa) 二、緊螺栓聯(lián)接根據(jù)所受拉力不同, 緊螺栓連接可分為 1 只受預(yù)緊力 2 受預(yù)緊力和靜工作拉力 3 受預(yù)緊力和變工作拉力三類。

8、工作前要進(jìn)行預(yù)緊，螺栓處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài):1）預(yù)緊力產(chǎn)生拉伸應(yīng)力2）螺紋阻力矩產(chǎn)生剪應(yīng)力按第四強(qiáng)度理論：(1) 只受預(yù)緊力的緊螺栓連接式中：F軸向拉力或預(yù)緊力（N） T 螺紋摩擦力矩，起扭剪作用，又稱螺紋扭矩，N.mm 1.3系數(shù)將外載荷提高30%，以考慮螺紋力矩對螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的影響，把拉扭的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)簡化為純拉伸來處理，簡化了計(jì)算手續(xù)，故又稱簡化計(jì)算法 強(qiáng)度條件為：F的大小根據(jù)被連接面間不產(chǎn)生滑移條件確定,即 F F /f , f 為被連接面間的摩擦系數(shù),查表 15.3; 為靜載緊連接螺栓的許用拉應(yīng)力,MPa ,其值由表 15.8 查得。設(shè)計(jì)公式：僅靠預(yù)緊力傳遞橫向力,需很大的預(yù)緊力,且連接

9、不可靠。FEFETFaFRFRFa螺栓所受的總拉力：Fa = F0+ FE?此時(shí)，聯(lián)接中各零件的受力關(guān)系屬靜不定問題未知力有兩個(gè)：Fa 總拉力FR 殘余預(yù)緊力須根據(jù)靜力平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件求解F0F0(2) 受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓連接 (壓力容器)F0F0F0F0FEFEFaFRFRFac0b0bc變形協(xié)調(diào)條件： b = c = 靜力平衡條件： Fa = FR + FE螺栓總拉力殘余預(yù)緊力軸向外載荷變形力力力變形b0c0b0c0F0F0FaFEFRbc(a)(b)(c)F0螺栓剛度: c1 = F0/b0被聯(lián)接件剛度: c2= F0/c0 FbFc當(dāng)c2 c1時(shí)，相對剛度系數(shù)0， Fa

10、F0當(dāng)c2 c1時(shí)，相對剛度系數(shù)1， Fa F0+FE相對剛度系數(shù)總拉力公式也寫成:K0為預(yù)緊系數(shù),查表 15.4;預(yù)緊力 F0 = K0 FE; Kc 螺栓的相對剛度系數(shù), Kc =c1/(c1+c2)。螺栓的相對剛度系數(shù)的大小與螺栓及被連接件的材料、 尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān),其值在 01 之間變化,一般可按表 15.5 選取強(qiáng)度條件：注意：對于普通螺栓聯(lián)接，無論聯(lián)接是受橫向工作載荷還是軸向工作載荷，螺栓本身總是受拉力作用1）無特殊要求時(shí) FR =（0.20.6) FE2）變載作用時(shí) FR =（0.61.0) FE3）有緊密性要求時(shí) FR =（1.51.8) FE緊螺栓連接應(yīng)能保證被連接件的接合面不

11、出現(xiàn)縫隙，殘余預(yù)緊力應(yīng)滿足下列要求：一般的計(jì)算過程： FE FR Fa e設(shè)計(jì)時(shí), 通常在求出F E和預(yù)緊力F0后, 可以公式求總拉力Fa一般的計(jì)算過程： FE F0 Fa e在預(yù)緊力難以確定或重要的連接, 可先確定殘余預(yù)緊力當(dāng)工作載荷FE在0與FE之間變化時(shí), 螺栓的拉力在Fa與F0之間變化, 螺栓的拉力變幅為由于變載零件的疲勞強(qiáng)度應(yīng)力幅a是主要因素, 故應(yīng)滿足強(qiáng)度條件力時(shí)間OF2F1工作載荷變化變形O力 3)軸向載荷+變工作載荷特點(diǎn)：螺桿與孔間緊密配合，無間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來傳遞外載荷F進(jìn)行工作3. 受剪螺栓連接螺栓的剪切強(qiáng)度條件為：式中： F -橫向載荷（N） d0-螺桿或孔

12、的直徑（mm） 螺栓許用剪應(yīng)力，MPa螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強(qiáng)度條件為： 式中： 被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長度（mm） 螺栓或被聯(lián)接件中較弱者的許用擠壓應(yīng)力，MPa鉸制孔螺栓能承受較大的橫向載荷，但被加工件孔壁加工精度較高，成本較高國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為 7級。 在一般用途的設(shè)計(jì)中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設(shè)計(jì)中的螺紋聯(lián)接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。常用的螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當(dāng)強(qiáng)度要求高時(shí)，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。

13、4. 螺栓的材料和許用應(yīng)力二、螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力1螺紋聯(lián)接件的許用拉應(yīng)力2螺紋聯(lián)接件的許用剪應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力3螺紋聯(lián)接件的安全系數(shù)（被聯(lián)接件為鋼）（被聯(lián)接件為鑄鐵）15.5 螺栓組連接的設(shè)計(jì)計(jì)算螺栓組連接設(shè)計(jì)主要有以下內(nèi)容:1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：按連接的用途和被連接件的結(jié)構(gòu), 選定螺栓的數(shù)目和布置形式;2) 受力分析：按連接布置形式和載荷情況, 求出受力最大的螺栓所受的力; 3) 強(qiáng)度計(jì)算：按受力最大的螺栓進(jìn)行單個(gè)螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。為了便于加工制造和對稱布置螺栓，保證聯(lián)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(jì)成軸對稱的簡單幾何形狀。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

14、證聯(lián) 接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng)留有足夠的扳手空間。 為了便于在圓周上鉆孔時(shí)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)。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。一、螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的, 在于合理地確定連接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式, 力求使各螺栓和連接接合面間受力均勻, 便于加工和裝配。1受橫向載荷2受轉(zhuǎn)矩3受軸向載荷4受傾覆力矩 受力分析的目的：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(jìn)行螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算。 受力分析時(shí)所作假設(shè)：所有螺栓的材料、直徑、長度和預(yù)緊力均相同； 受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。 受力分析的類型：二、螺

15、栓組聯(lián)接的受力分析螺栓組的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合；FSFSriOOMTfF0fF0FFS1受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個(gè)螺栓受載相同，每個(gè)螺栓所受軸向工作載荷為： 通常，各個(gè)螺栓還承受預(yù)緊力F0的作用，當(dāng)聯(lián)接要有保證的殘余預(yù)緊力為FR時(shí)，每個(gè)螺栓所承受的總載荷Fa為。Fa = F + FRFFS （2）對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接（圖b），每個(gè)螺栓所受工作剪力為： 式中：z為螺栓數(shù)目。 圖示為由四個(gè)螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。2受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 （1）對于普通螺栓聯(lián)接(圖a)，按預(yù)緊后接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦

16、力必須大于或等于橫向載荷的要求，有：或Kf為防滑系數(shù)，設(shè)計(jì)中可取Ks =1.11.3。m為結(jié)合面數(shù)量，z為螺栓數(shù)目，f為摩擦系數(shù)分析：當(dāng)f=0.15，m=1，C=1.2，則F08F，說明這種聯(lián)接螺栓直徑大，且在沖擊振動(dòng)變載下工作極不可靠. 為增加可靠性，減小直徑，簡化結(jié)構(gòu)，提高承載能力可采用如下減載裝置： a)減載銷 b)減載套筒 c)減載鍵采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉(zhuǎn)矩時(shí)的受力情況是不同的。3受旋轉(zhuǎn)力矩 T 的螺栓組連接 1）采用普通螺栓，是靠連接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T。 2）采用鉸制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉(zhuǎn)矩T。FSriOTf

17、F0fF0與4受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接 傾覆力矩 M 作用在聯(lián)接接合面的一個(gè)對稱面內(nèi)，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預(yù)緊力F0。 作用在底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作載荷：OM 為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求： 受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接的受力過程可用右圖表示。式中, F0為每個(gè)螺栓所受的預(yù)緊力, N; p1 為由預(yù)緊力產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力,MPa ; z 為螺栓數(shù)目; A 為接合面的有效面積,mm2 ;p2 為由翻轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的附加最大擠壓應(yīng)力,MPa , W為接合面抗彎截面系數(shù), mm3 ; p 為接合面材料的許用擠壓應(yīng)力,MPa , 對于鋼和鑄鐵, 其值見表15.9 , 混凝土p = 23 MPa; 磚(水泥漿縫) p = 1.22 MPa; 木材p = 24 MPa。 在實(shí)際應(yīng)用中, 螺栓組連接所受工作載荷可能是以上四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。 對于復(fù)雜的受力狀態(tài), 可以化簡為上述四種簡單受力狀態(tài), 再按矢量疊加原理求出螺栓受力。求出受力最大螺栓的力值后, 即可進(jìn)行單個(gè)螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算。一 、改善螺紋牙上載荷的分配15.6 提高螺栓連接強(qiáng)度的措施均載螺母1均載螺母2均載螺母3鋼絲螺套二. 避免或減小附加應(yīng)力由于設(shè)計(jì)、制造或安裝上的疏忽,