第16章 螺紋聯(lián)結(jié)

第16章螺紋聯(lián)結(jié)16.1

螺紋的形成、類型和主要參數(shù)16.2螺紋副中的摩擦、效率和自鎖16.3螺旋機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用16.4螺紋聯(lián)接的基本類型及螺紋聯(lián)接件16.5螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松16.6螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施16.7螺栓的材料及許用應(yīng)力16.8螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算實(shí)訓(xùn)16

設(shè)計(jì)氣缸用普通螺栓聯(lián)接知識(shí)梳理與總結(jié)16.1

螺紋的形成、類型和主要參數(shù)

1、螺紋的形成、類型

螺旋線形成如圖所示，把底邊等于πd2的直角三角形繞于直徑為d2的圓柱上，并使底邊與圓柱體的底邊對(duì)齊，則它的斜邊在圓柱體表面便形成一條螺旋線。

螺紋形成取任一平面幾何圖形，使其一邊靠在圓柱體的母線上并沿螺旋線移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)保持平面幾何圖形通過圓柱體的軸線，便可得到相應(yīng)的螺紋。按圓柱直立時(shí)螺旋線的繞行方向是向右上升還是向左上升，可分為左旋螺紋和右旋螺紋，常采用右旋；按螺紋牙型可分為三角形、矩形、梯形、鋸齒形；螺紋的形成、類型和主要參數(shù)按圓柱上螺旋線的數(shù)目，可分為單線、雙線和多線螺紋；60°普通螺紋α=60°β＝30°30°梯形螺紋α=30°β＝15°3°30°鋸齒形螺紋α=33°β工＝3°β非＝30°矩形螺紋α=0°β＝0°螺紋類型按用途分聯(lián)接螺紋(三角形)和傳動(dòng)螺紋(矩形、梯形、鋸齒形)

2、螺紋的主要參數(shù)大徑d，小徑d1，中經(jīng)d2，螺距P，導(dǎo)程S與線數(shù)n(S

=nP)，升角λ(tan

λ=s/πd2=nP/πd2

)，牙型角α、牙型斜角β。螺紋的形成、類型和主要參數(shù)→在軸向載荷下相對(duì)運(yùn)動(dòng)內(nèi)螺紋外螺紋擰緊、加載、頂起重物相對(duì)運(yùn)動(dòng)→聯(lián)接傳動(dòng)→螺旋副→將螺旋線沿中徑展開→滑塊(重物)在斜面運(yùn)動(dòng)（一）螺旋副中的摩擦16.2

螺紋副中的摩擦、效率和自鎖分析:1.當(dāng)勻速上升:ρFaFtFnFRFfλFaFtFRλ+ρFR與Fn夾角→摩擦角ρ:tgρ＝f＝Ff/Ｆn∴ＦR與Ｆa

夾角＝λ＋ρ→加載Ｆa(軸向力,自重,阻力)作用在螺旋副上的驅(qū)動(dòng)力矩：∴Ｆt＝Ｆa·tan(λ

＋ρ)→合反力FRV∵(滑塊)合力＝０→法向反力Fn(⊥斜面)→施加水平推力Ｆt→摩擦阻力:f·Fn=Ff矩形螺紋:(α=0°)螺紋副中的摩擦、效率和自鎖→施加水平支持力Ｆt

(勻速下滑)當(dāng)Ｆt＝０→

Ｆt＜０→自鎖條件：滑塊在斜面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變作用力Ｆ與假設(shè)力的方向相反→推力Ｆt≤０→λ≤ρρFaFtFnFRFfλFaFtFRλ－ρ→無論Ｆa多大，滑塊不會(huì)自動(dòng)下滑→自鎖2.當(dāng)勻速下降

:螺紋副中的摩擦、效率和自鎖→將ρ→ρv(當(dāng)量摩擦角)tanρv＝f/cosβ=fv(當(dāng)量摩擦系數(shù))

α(β)↑ρv

↑→

λ↑→勻速上升:Ｆt＝Ｆa·tan(λ＋ρv)勻速下降:Ｆt＝Fa·tan(λ－ρv)

自鎖條件：λ

≤ρvαβ要自鎖好→α(β)↑,λ↓(單頭)自鎖性↑自鎖性↓非矩形螺紋螺紋副中的摩擦、效率和自鎖要效率高→過大，制造困難/\ρv－當(dāng)量摩擦角,λ－升角η＝有效功／輸入功＝Ｆa·Ｓ/（2πT）要自鎖好→λ↓(單線);要效率高→

λ↑(多線)λ↑,ρv↓當(dāng)勻速上升:(二）螺旋副的效率:螺紋副中的摩擦、效率和自鎖聯(lián)接(可靠)→要自鎖傳動(dòng)→效率高1.三角形／普通螺紋(M)

螺紋

(聯(lián)接)＼管螺紋→α＝60°、55°→緊密梯形螺紋Tr→α＝30°,β＝15°鋸齒形螺紋S→β工＝3°,β非＝30°矩形螺紋→α＝０°→α小、λ大→多線螺旋副ρv↑→α↑λ↓→單線ｎ=1ρv↓→α↓

λ↑→多線ｎ＞１→α＝60°,β=30°2.傳動(dòng)螺紋→效率高→緊固→聯(lián)接(單線、α大)(粗,細(xì))螺紋副中的摩擦、效率和自鎖

一、螺旋機(jī)構(gòu)的工作原理及類型

通常它是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)導(dǎo)程角大于當(dāng)量摩擦角時(shí)，它還可以將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，螺旋機(jī)構(gòu)分為滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)。

螺旋機(jī)構(gòu)是利用螺旋副傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，由螺桿、螺母和機(jī)架組成。

16.3

螺旋機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用

當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)過φ時(shí)，螺母沿其軸向移動(dòng)的距離為L(zhǎng)＇=

s

φ/(2π)其中s為螺旋的導(dǎo)程mm。（1）微動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)設(shè)螺旋機(jī)構(gòu)中A、B段的螺旋導(dǎo)程分別為SA、SB

,且兩端螺旋的旋向相同（即同為左旋或右旋），則，當(dāng)螺桿1轉(zhuǎn)過φ時(shí)，螺母2的位移L為螺桿螺母A段螺紋B段螺紋機(jī)架123L＝(SA－SB)φ/(2π）

因SA、SB相差很小時(shí)，位移L可能很小，故這種螺旋機(jī)構(gòu)稱為微動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)或差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)。（一）滑動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用如用于調(diào)節(jié)鏜刀進(jìn)刀量的螺旋機(jī)構(gòu)。微動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)常用測(cè)微計(jì)、分度機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中。（2）復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)

如果螺旋機(jī)構(gòu)的兩段螺旋導(dǎo)程分別為SA、SB，且兩端螺旋的旋向相反。

這種螺旋機(jī)構(gòu)稱為復(fù)式螺旋機(jī)構(gòu)。L＝(SA＋SB)φ/(2π）此種螺旋機(jī)構(gòu)常用于車輛的連接。123AB螺旋機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用（二）滾動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)在螺桿和螺母間設(shè)有封閉循環(huán)的滾道，在滾道間填充鋼珠，使螺旋副的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，提高傳動(dòng)效率，這種傳動(dòng)稱為螺旋傳動(dòng)，又稱為滾珠絲杠副。按循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)滾珠絲杠螺旋機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用二、螺旋機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用

效率較低，特別是具有自鎖性的螺旋機(jī)構(gòu)效率低于50％。

能獲得很多的減速比和力的增益；選擇合適的螺旋機(jī)構(gòu)導(dǎo)程角，可獲得機(jī)構(gòu)的自鎖性。主要優(yōu)點(diǎn)：主要缺點(diǎn)：因此，螺旋機(jī)構(gòu)常用于起重機(jī)、壓力機(jī)以及功率不大的進(jìn)給系統(tǒng)和微調(diào)裝置中。螺旋機(jī)構(gòu)16.4

螺紋聯(lián)接的基本類型及螺紋聯(lián)接件一、螺紋聯(lián)接的基本類型和應(yīng)用螺紋聯(lián)接是利用帶有螺紋的零件將兩個(gè)或兩個(gè)以上的零件相對(duì)固定起來的可拆聯(lián)接，應(yīng)用非常廣泛。普通螺栓聯(lián)接螺栓孔與螺栓桿之間留有間隙，孔的加工精度要求低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，應(yīng)用最廣。工作時(shí)螺栓主要承受拉力作用。螺栓孔與螺栓桿之間采用過渡配合，能精確固定被聯(lián)接件之間的相對(duì)位置，但孔的加工精度要求高，必須進(jìn)行鉸削。工作時(shí)螺栓承受剪切和擠壓作用。鉸制孔螺栓聯(lián)接螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件雙頭螺柱聯(lián)接螺釘聯(lián)接與螺柱聯(lián)接相似，但不用螺母，螺釘直接擰入被聯(lián)接件的螺紋孔中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。宜用于受力不大，不經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合，以免螺紋孔磨損。被聯(lián)接件之一為光孔，另一為螺紋孔，螺柱座端緊定在螺紋孔中，拆卸時(shí)其無須退出。宜用在不便于采用螺栓聯(lián)接，且需要經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合。緊定螺釘聯(lián)接利用螺釘末端頂住另一零件的表面或凹坑，以固定兩零件的相對(duì)位置，并可傳遞不大的力或力矩。螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件二、螺紋聯(lián)接零件六角頭螺栓普通六角頭螺栓的種類很多，應(yīng)用最廣。精度分為A、B、C三級(jí)，通用機(jī)械中多用C級(jí)。螺桿部可制出一段螺紋或全螺紋，螺紋有粗牙和細(xì)牙之分，常用粗牙。雙頭螺柱兩端均制有螺紋，兩端螺紋可以相同或不同，有A型（帶腰桿）、B型（帶退刀槽）兩種結(jié)構(gòu)型式。螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件螺釘頭部形狀有圓頭、扁圓頭、六角頭、圓柱頭和沉頭等，起子槽有一字槽、十字槽、內(nèi)六角槽等形式。螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件緊定螺釘末端形狀有錐端、平端和圓柱端等形式。錐端適用于被緊定零件的表面硬度較低或不經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合；平端接觸面積大，不傷零件表面，常用于頂緊硬度較大的平面或經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合；圓柱端壓入軸上的凹坑中，適用于緊定空心軸上的零件位置。螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件六角螺母根據(jù)螺母厚度的不同，分為標(biāo)準(zhǔn)螺母和薄螺母兩種。薄螺母常用于受剪力的螺栓上或空間尺寸受限制的場(chǎng)合。螺母的制造精度和螺栓相同，分為A、B、C三級(jí)，分別與同級(jí)別的螺栓配用。螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件圓螺母圓螺母常與止動(dòng)墊圈配用，裝配時(shí)將墊圈內(nèi)舌插入軸上的槽內(nèi)，而將墊圈的外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊。常用來固定滾動(dòng)軸承的軸向位置。螺紋聯(lián)接及螺紋聯(lián)接零件墊圈放置在螺母與被聯(lián)接件之間，起保護(hù)支承表面等作用。平墊圈按精度不同，可分為A級(jí)和C級(jí)兩種。用于同一螺紋直徑的墊圈又分為特大、普通和小型四種規(guī)格，特大墊圈主要用在鐵木結(jié)構(gòu)上。斜墊圈只用在傾斜的支承面上。16.5螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松一、螺紋聯(lián)接的預(yù)緊大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)都需要擰緊，使之在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個(gè)預(yù)加的作用力稱為預(yù)緊力，這一擰緊過程稱為預(yù)緊。增強(qiáng)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(duì)移動(dòng)。預(yù)緊和預(yù)緊力預(yù)緊的目的預(yù)緊力的控制預(yù)緊力的大小要適度，太小起不到預(yù)緊的作用，太大可能使螺栓過載斷裂。對(duì)于重要的螺紋聯(lián)接，裝配時(shí)必須控制其預(yù)緊力的大小。預(yù)緊力與擰緊力矩成正比，一般可通過控制擰緊力矩來間接控制預(yù)緊力。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松如圖所示，螺紋聯(lián)接預(yù)緊時(shí)，被聯(lián)接件受壓，螺栓受拉，預(yù)緊力同為F0。擰緊螺母的力矩M等于螺旋副間的摩擦力矩M1和螺母與支承面間的摩擦力矩M2之和，對(duì)于M10~M68的普通螺紋，簡(jiǎn)化后有如下關(guān)系生產(chǎn)中，一般采用測(cè)力矩扳手或定力矩扳手控制預(yù)緊力的大小，需要精確控制預(yù)緊力時(shí)，則采用測(cè)量螺栓拉伸變形的方法。對(duì)于不控制預(yù)緊力的重要螺栓聯(lián)接，宜大于M12~M16mm，以免裝配時(shí)擰斷。M二、螺紋聯(lián)接的防松螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松螺紋聯(lián)接具有自鎖性螺紋聯(lián)接通常采用三角形螺紋，其升角λ(1.5°~3.5°)小于當(dāng)量摩擦角ρv(5°~6°)，滿足自鎖條件，一般情況下不會(huì)自行松脫。松脫的原因在沖擊、振動(dòng)或變載荷作用下，或在高溫或溫度變化較大的情況下，螺紋聯(lián)接中的預(yù)緊力和摩擦力會(huì)逐漸減小或可能瞬時(shí)消失，導(dǎo)致聯(lián)接失效。重要的螺紋聯(lián)接均應(yīng)采取防松措施。防松的根本問題是防止螺旋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按防松原理不同，防松方法可分為摩擦防松和機(jī)械防松等。防松方法螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松彈簧墊圈防松原理：螺母擰緊后，靠墊圈壓平而產(chǎn)生的反彈力使旋合螺紋間壓緊。同時(shí)墊圈斜口的尖端抵住螺母與被聯(lián)接件的支承面也有防松作用。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但在振動(dòng)沖擊載荷作用下，防松效果較差，用于一般的聯(lián)接。彈性帶齒墊圈防松原理：與彈簧墊圈相似。特點(diǎn)：分外齒和內(nèi)齒，無開口，彈力均勻，比彈簧墊圈防松效果好。但它不宜用于經(jīng)常裝拆或材料較軟的被聯(lián)接件。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松對(duì)頂螺母防松原理：兩螺母對(duì)頂擰緊后，使旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，防松效果好，適用于低速、平穩(wěn)和重載的固定裝置的聯(lián)接。尼龍圈鎖緊螺母防松原理：螺母中嵌有尼龍圈，裝配后尼龍圈內(nèi)孔被脹大，箍緊螺栓。特點(diǎn)：尼龍彈性好，與螺紋牙接觸緊密，摩擦大。但不宜用于頻繁裝拆和高溫場(chǎng)合。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松槽形螺母加開口銷防松原理：開槽螺母擰緊后，將開口銷穿入螺栓尾部小孔和螺母的槽內(nèi)，并將開口銷尾部掰開與螺母?jìng)?cè)面貼緊。特點(diǎn)：適用于有較大沖擊、振動(dòng)的高速機(jī)械中運(yùn)動(dòng)部件的聯(lián)接。圓螺母加帶翅墊片防松原理：使墊片內(nèi)翅嵌入螺栓（軸）的槽內(nèi)，擰緊螺母后將墊片的外翅之一折彎嵌入螺母的一個(gè)槽內(nèi)。特點(diǎn)：圓螺母為細(xì)牙螺紋，防松可靠，主要用于滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的固定。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松止動(dòng)墊片防松原理：螺釘擰緊后，將雙耳止動(dòng)墊圈分別向螺母和被聯(lián)接件的側(cè)面折彎貼緊，即可將螺釘瑣住。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，防松可靠。串聯(lián)鋼絲防松原理：用鋼絲穿入各螺釘頭部的孔內(nèi)，將各螺釘串聯(lián)起來，使其相互制動(dòng)。但需注意鋼絲的穿入方向。特點(diǎn)：適用于螺釘組聯(lián)接，拆卸不便。螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松沖點(diǎn)防松原理：擰緊螺母后，在內(nèi)外螺紋的旋合縫隙處用沖頭沖幾個(gè)點(diǎn)，使其發(fā)生塑性變形，防止螺母退出。特點(diǎn)：屬破壞性防松，不能重復(fù)裝拆，用于一次性聯(lián)接。膠接防松原理：用粘合劑涂于螺紋旋合表面，擰緊螺母后粘合劑能自行固化，起到防松效果。16.6

螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施

1)對(duì)通用機(jī)械，螺栓數(shù)目、螺栓直徑及螺栓的布置形式，一般參照現(xiàn)有設(shè)計(jì)類比確定。大多數(shù)情況下螺栓聯(lián)接都是成組使用的。螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題是根據(jù)聯(lián)接用途及被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)確定螺栓的數(shù)目和布置形式。2)螺栓的布置應(yīng)對(duì)稱、均勻，以使結(jié)合面受力均勻，加工方便。為此，結(jié)合面常采用簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱的幾何形狀。螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）為了減小螺栓承受的載荷，對(duì)承受旋轉(zhuǎn)力矩和翻轉(zhuǎn)力矩作用的螺栓組，應(yīng)將螺栓適當(dāng)靠近結(jié)合面的邊緣布置。4）對(duì)于承受橫向載荷的鉸制孔用螺栓聯(lián)接，不要在平行于外力的方向上布置8個(gè)以上的螺栓，以免螺栓受力不均，或?qū)Ρ宦?lián)接件的強(qiáng)度削弱過多。右圖中3、8螺栓的作用不大，可去掉。螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5）螺栓之間、螺栓與機(jī)體壁之間應(yīng)有合理的距離，以滿足加工和裝拆要求。扳手空間尺寸可查手冊(cè)確定。螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6）在通用機(jī)械中，為了加工和裝配方便，對(duì)于同一組螺栓，不論其受力大小，均采用相同的材料和尺寸。7）分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成3、4、6、8、12等易于分度的數(shù)目，以利劃線和鉆孔。8）對(duì)承受橫向載荷較大的普通螺栓組，可采用卸載裝置承受橫向載荷，螺栓起聯(lián)接作用。提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施一、避免附加應(yīng)力二、減小應(yīng)力集中三、采用合理的制造工藝采用滾壓螺紋工藝、表面滲氮以及液體碳氮共滲等，大型螺桿可用噴丸、輾壓等表面硬化處理。增大過渡圓角、車制卸載槽等可減小應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。支承面不平、螺母孔不正、被聯(lián)接件剛度小或鉤頭螺栓等，使螺栓除受拉外，還要產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。采用凸臺(tái)、魚眼坑、斜墊圈、球面墊圈等結(jié)構(gòu)，可避免螺栓受偏心載荷。16.7

螺栓的材料及許用應(yīng)力

一、螺紋聯(lián)接件的材料和性能等級(jí)常用材料適用場(chǎng)合Q215，Q235，10一般不重要的螺栓35，45承受中等載荷和精密機(jī)械中的螺栓40Cr調(diào)質(zhì)等重載、高速下工作的螺栓Cr17Ni2等要求耐腐蝕的螺栓35CrMo，35CrMoA等要求耐高溫的螺栓銅、鋁合金等要求導(dǎo)電防磁的螺栓螺紋聯(lián)接件的常用材料在螺紋聯(lián)接中，因螺紋聯(lián)接件一般承受變載荷的作用，故其常采用碳鋼和合金鋼等塑性材料。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺紋聯(lián)接件按材料的力學(xué)性能分出精度等級(jí)，雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘?shù)牟牧吓c螺栓相同。在設(shè)計(jì)圖紙中只標(biāo)出螺栓、螺母的性能等級(jí)，不應(yīng)標(biāo)出材料。性能等級(jí)3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9強(qiáng)度極σbmin33040042050052060080090010401220屈服點(diǎn)σsmin1902403403004204806407209401100硬度HBWmin90109113134140181232269312365性能等級(jí)456891012強(qiáng)度極限σbmin51052060080090010401150相配螺栓的性能等級(jí)3.6，4.6，4.83.6，4.6，4.8，5.6，5.86.88.88.89.810.912.9螺母的性能等級(jí)（摘自GB/T3098.2-2000)螺栓的性能等級(jí)（摘自GB/T3098.1-2000)螺栓的材料及許用應(yīng)力二、螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力受載類型靜載荷變載荷松螺栓聯(lián)接1.2~1.7緊螺栓聯(lián)接受軸向及橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接不考慮預(yù)緊力的簡(jiǎn)化計(jì)算d/mmM6~M16M16~M30M30~M60d/mmM6~M16M16~M30M30~M60碳鋼5~44~2.52.5~2碳鋼12.5~8.58.58.5~12.5合金鋼5.7~55~3.43.4~3合金鋼10~6.86.86.8~10考慮預(yù)緊力的計(jì)算1.2~1.5鉸制孔用螺栓聯(lián)接鋼：Sτ=2.5，Sp=1.25鑄鐵：Sp=2.0~2.5鋼：Sτ=3.5~5，Sp=1.5鑄鐵：Sp=2.5~3.0螺紋聯(lián)接的安全系數(shù)S鋼鑄鐵螺栓的材料及許用應(yīng)力16.8

螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

普通螺栓的主要失效形式是螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂，鉸制孔螺栓的主要失效形式是螺栓桿被剪斷或螺栓桿和孔壁配合面被壓潰。大多數(shù)情況下，螺栓的直徑都是按經(jīng)驗(yàn)或規(guī)范來確定的。對(duì)于那些重要的螺栓聯(lián)接，如發(fā)動(dòng)機(jī)中的連桿螺栓、汽缸上受載的雙頭螺柱、高溫高壓容器蓋的聯(lián)接螺栓、重載法蘭聯(lián)接螺栓等，其直徑必須通過強(qiáng)度計(jì)算確定。螺紋的強(qiáng)度計(jì)算主要是確定螺紋的小徑d1，然后按標(biāo)準(zhǔn)選取螺紋的公稱直徑（大徑）d等。螺紋的小徑d1的確定可根據(jù)不同的情況由教材表16-8中的計(jì)算公式確定。在進(jìn)行螺栓組聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，一般先根據(jù)聯(lián)接的工作情況，找出受力最大的螺栓并求出它的工作載荷值，然后按強(qiáng)度條件確定其直徑，其它螺栓則采用與其相同的尺寸。以下主要介紹單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算方法。螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算一、松螺栓聯(lián)接松螺栓聯(lián)接在裝配時(shí)不需擰緊螺母，所以只有在承受工作載荷時(shí)螺栓才受到拉力的作用。在圖示起重吊鉤螺紋聯(lián)接中，為了保證吊鉤在工作中能相對(duì)吊鉤架自由轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母不能擰緊，故其為松螺栓聯(lián)接。松螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度條件為Fa

—工作拉力（N）；d1—螺栓小徑（mm）；[σ

]—螺栓材料的許用拉應(yīng)力（MPa）?；蚵菟?lián)接的強(qiáng)度計(jì)算二、緊螺栓聯(lián)接緊螺栓聯(lián)接裝配時(shí)需要擰緊螺母。擰緊時(shí)，螺栓既受到預(yù)緊力F0的拉伸作用，又受到螺紋摩擦力矩M1的扭轉(zhuǎn)作用，危險(xiǎn)截面上既有拉應(yīng)力，又有切應(yīng)力，處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)?；蚵菟ǖ牟牧鲜卿摚瑸樗苄圆牧?，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，可求出預(yù)緊狀態(tài)下螺栓的強(qiáng)度條件為Z—螺栓數(shù)目；m—接合面數(shù)目，圖中m=2；C—可靠性系數(shù)，C=1.1~1.3。（一）只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接受橫向工作載荷的普通螺栓聯(lián)接如圖所示，緊螺栓聯(lián)接受橫向工作載荷F時(shí)，由于預(yù)緊力的作用，將在被聯(lián)接件接合面間產(chǎn)生摩擦力而平衡，螺栓所受拉力并沒有變化，仍為預(yù)緊力F0。此時(shí)，為防止接合面發(fā)生滑移，應(yīng)使其最大摩擦力大于或等于橫向載荷，即或f—接合面摩擦因數(shù)，對(duì)鋼或鑄鐵f=0.1~0.15；螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算受轉(zhuǎn)矩的普通螺栓聯(lián)接螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算圖示凸緣聯(lián)軸器用普通螺栓聯(lián)接，裝配時(shí)進(jìn)行預(yù)緊，工作時(shí)則依靠接合面的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩T，螺栓僅承受預(yù)緊力F0的作用。為使接合面不發(fā)生滑移，摩擦力矩應(yīng)大于或等于轉(zhuǎn)矩T，即或r—螺栓軸線分布圓周半徑。求出F0后，可按預(yù)緊狀態(tài)的強(qiáng)度公式校核螺栓的強(qiáng)度。在以上計(jì)算中，若取f=0.15，C=1.2，m=1，z=1，則預(yù)緊力F0=8F?？梢?，靠摩擦力承受橫向載荷時(shí)，螺栓的受力大，尺寸大。故當(dāng)橫向載荷較大時(shí)常采用卸載裝置或鉸制孔螺栓聯(lián)接。螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算（二）受軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接圖示為壓力容器的普通螺栓聯(lián)接，為保證緊密性，工作前螺栓必須預(yù)緊，螺栓受到預(yù)緊力F0的作用，工作時(shí)螺栓還要受到被聯(lián)接件傳來的工作拉力Fa的作用。p—流體壓強(qiáng)（MPa）；D—容器內(nèi)徑（mm）；z—螺栓數(shù)目。此時(shí)，螺栓受到的總拉力F是多少呢？F=F0+Fa？錯(cuò)誤！總拉力F不但與預(yù)緊力F0

和工作拉力Fa有關(guān)，還與螺栓剛度C1及被聯(lián)接件剛度C2有關(guān)，須通過變形協(xié)調(diào)條件來求解。螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算1．受力與變形分析零件狀態(tài)螺栓被聯(lián)接件受力變形受力變形預(yù)緊狀態(tài)F0δ1F0δ2工作狀態(tài)Fδ1+Δδ1F'0δ2－Δδ2變化量F－F0Δδ1F0－F'0Δδ2設(shè)工作時(shí)螺栓聯(lián)接處于彈性狀態(tài)，各接觸面保持壓緊無間隙，則其受力和變形如圖、表所示。根據(jù)靜力平衡條件有F=F'0

+Fa根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件有Δδ1=Δδ2引入胡克定律有C1—螺栓剛度；C2—被聯(lián)接件剛度。螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算由以上兩式可求得接合面殘余預(yù)緊力和螺栓總拉力分別為為了保證聯(lián)接的緊密性，以防接合面間出現(xiàn)間隙，殘余預(yù)緊力必須大于零，并應(yīng)保持一定的數(shù)值，可按下式計(jì)算。F'0

=KFaK—?dú)堄囝A(yù)緊系數(shù)，按表確定。螺栓總拉力為F=F'0

+Fa=（1+K）Fa則最小預(yù)緊力為2．螺栓的強(qiáng)度計(jì)算考慮到在工作過程中可能要補(bǔ)充擰緊螺栓，故強(qiáng)度條件為聯(lián)接情況K緊固靜載荷0.2~0.6變載荷0.6~1緊密1.5~1.8螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算(三)受橫向工作載荷的鉸制孔螺栓聯(lián)接圖示鉸制孔螺栓聯(lián)接，螺栓桿與螺栓孔采用過渡配合，其依靠螺栓受剪切和擠壓來傳遞橫向工作載荷F∑，預(yù)緊力可不計(jì)，剪切和擠壓強(qiáng)度條件為F—每個(gè)螺栓受到的橫向力F=F∑/z，z

為螺栓數(shù)目；m—螺栓受剪面數(shù)目；d0—螺栓受剪面直徑；δ—螺栓與孔的最小擠壓高度。螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算(四)受轉(zhuǎn)矩的鉸制孔螺栓聯(lián)接圖示凸緣聯(lián)軸器采用鉸制孔螺栓聯(lián)接，其依靠螺栓受剪切和擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩T，預(yù)緊力可不計(jì)。因螺栓均布在同一圓周上，根據(jù)力矩平衡條件可得每個(gè)螺栓所受的橫向力F。強(qiáng)度條件為各參數(shù)意義同前。螺紋聯(lián)接件的材料、性能等級(jí)及許用應(yīng)力例題

圖示普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷F=20kN，接合面對(duì)數(shù)m=1，摩擦因數(shù)f=0.15，螺栓個(gè)數(shù)z=4。不控制預(yù)緊力，試確定螺栓的公稱直徑及相配螺母的性能等級(jí)。解該聯(lián)接為工作時(shí)只承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接。1）確定單個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力。按防滑條件，取可靠性系數(shù)C=1.15，得2）選擇螺栓、螺母的性能等級(jí)，確定許用應(yīng)力，計(jì)算螺栓直徑。選擇螺栓性能等級(jí)4.6，由表可查得屈服點(diǎn)σs=240MPa。由于不控制預(yù)緊力時(shí)，安全系數(shù)S隨d變化，故常用試算法。螺紋聯(lián)接件的材料、性能等級(jí)及許用應(yīng)力假設(shè)螺栓為M16，查標(biāo)準(zhǔn)d1=18.835mm。由表可查得安全系數(shù)S=4，則許用應(yīng)力[σ]=σs/S=240/4MPa=60MPa。按強(qiáng)度條件確定螺栓直徑計(jì)算所得直徑d1大于假設(shè)d1，需重算。又假設(shè)螺栓公稱直徑M30mm，查標(biāo)準(zhǔn)d1=26.211mm。查安全系數(shù)S=2.5，則許用應(yīng)力[σ]=σs/S=240/2.5MPa=96MPa。故M30mm的螺栓合格。由表可選用螺母的性能等級(jí)為4。按強(qiáng)度條件再算螺栓直徑螺紋聯(lián)接件的材料、性能等級(jí)及許用應(yīng)力例題圖示凸緣聯(lián)軸器采用鉸制孔螺栓聯(lián)接，螺栓分布圓直徑D0=195mm，螺栓個(gè)數(shù)z=4，允許傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T=2600N.m，螺栓的最小擠壓高度為1.25d0，聯(lián)軸器材料為HT300。試確定螺栓的公稱直徑。解該聯(lián)接為承受轉(zhuǎn)矩的鉸制孔螺栓聯(lián)接。1）計(jì)算單個(gè)螺栓承受的剪力2）確定螺栓的性能等級(jí)及許用應(yīng)力。選擇螺栓的性能等級(jí)為4.6，由表查得屈服點(diǎn)σs=240MPa，安全系數(shù)Sτ=2.5，鑄鐵Sp=2.5，由鑄鐵牌號(hào)HT300可知σb=300MPa。許用剪切應(yīng)力[τ

]=σs/2.5=240/2.5=96MPa螺紋聯(lián)接件的材料、性能等級(jí)及許用應(yīng)力3）確定螺栓直徑。按剪切和擠壓強(qiáng)度條件有許用擠壓應(yīng)力[σp]=σb/2.5=300/2.5=120MPa由d0=9.40mm查標(biāo)準(zhǔn)M10mm螺栓的d0=11mm可行。實(shí)訓(xùn)16設(shè)計(jì)氣缸用普通螺栓聯(lián)接實(shí)訓(xùn)目的：

掌握螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的選擇。實(shí)訓(xùn)要求：

設(shè)計(jì)教材表16-8中圖例所示的氣缸用普通螺栓聯(lián)接，確定螺栓的的數(shù)目及公稱直徑，完成實(shí)訓(xùn)報(bào)告。已知?dú)飧變?nèi)徑為D1=220mm，螺栓分布圓直徑D2=320mm，工作油壓P為1.4MPa，螺栓間距t≤120mm，安裝時(shí)控制預(yù)緊力。實(shí)訓(xùn)步驟：（見教材）知識(shí)梳理與總結(jié)1、通過本章學(xué)習(xí)了螺紋的形成、螺紋聯(lián)結(jié)類型、應(yīng)用、預(yù)緊與防松；螺紋聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、螺紋副中的摩擦、效率和自鎖；螺旋傳動(dòng)的類型、特