第十四章-螺紋連接與焊接課件

第十四章螺紋連接與焊接

聯(lián)接可拆聯(lián)接不可拆聯(lián)接鍵、花鍵、銷螺紋聯(lián)接鉚接焊接膠接過盈聯(lián)接成形聯(lián)接為了滿足制造、結(jié)構(gòu)、安裝及檢修等方面的要求，在機(jī)器和設(shè)備中廣泛地采用了各種連接。螺紋連接

§14-1螺紋參數(shù)

螺紋的牙型有：三角形、矩形、梯形和鋸齒形幾種。現(xiàn)以三角形外螺紋為例，說明螺紋的主要參數(shù)(見圖)。

1．大徑d與外螺紋牙頂或內(nèi)螺紋牙底相重合的假想圓柱面的直徑，也稱公稱直徑。

2．中徑d2軸向截面內(nèi)牙厚等于牙間寬的圓柱直徑。

3．小徑d1

與外螺紋牙底或內(nèi)螺紋牙頂相重合的假想圓柱面直徑。

4．螺距p相鄰兩螺紋牙在中徑線上對應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離。

5．螺紋線數(shù)n螺紋可由一根或幾根螺旋線卷繞在圓柱體上而形成，螺旋線的根數(shù)即為螺紋線數(shù)(見圖)。

6．導(dǎo)程s在同一條螺旋線上，相鄰兩螺紋牙在中徑線上對應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離。導(dǎo)程

s與螺距的關(guān)系為：

7．螺紋升角φ在中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角(見圖)，其計(jì)算式為：

8．牙形角α在螺紋牙型上，相鄰兩牙側(cè)間的夾角。

9．螺紋旋合長度兩個(gè)相互配合的螺紋沿螺紋軸線方向相互旋合部分的長度。

此外，螺紋還按螺旋線繞向的不同分為左旋螺紋和右旋螺紋。一般多采用右旋螺紋，當(dāng)有特殊要求時(shí)，才采用左旋螺紋

根據(jù)母體形狀，螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋。根據(jù)牙型，分為三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋等(見圖)。連接用的螺紋要求強(qiáng)度高、自鎖性好，故采用牙形角α＝60°的三角形螺紋。矩形、梯形和鋸齒形螺紋主要用于傳動(dòng)。在我國，除矩形螺紋外，其它螺紋均已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)公稱直徑查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而得到螺紋的基本尺寸。三角形螺紋分為粗牙和細(xì)牙兩種，下表中摘錄了部分常用普通粗牙及細(xì)牙螺紋的直徑與螺距。注：1.M14X1.25僅用于火花塞。2．括號(hào)內(nèi)的螺距盡可能不用。

當(dāng)公稱直徑相同時(shí)，細(xì)牙螺紋的螺距小，升角小，螺紋深度淺(見圖)，因而自鎖性較好且對零件的強(qiáng)度削弱小，一般適用于薄壁零件、受變載荷的連接及微調(diào)裝置等。但細(xì)牙螺紋不耐磨、易滑扣，不宜經(jīng)常裝拆。所以，通常廣泛采用粗牙螺紋。下表摘錄了部分普通螺紋的基本尺寸。螺紋代號(hào)：粗牙普通螺紋用字母“M”及“公稱直徑”表示，M24表示公稱直徑為24mm的粗牙普通螺紋。細(xì)牙普通螺紋用字母“M”及“公稱直徑×螺距”表示，M24×1.5表示公稱直徑為24mm，螺距為1.5mm的細(xì)牙普通螺紋。當(dāng)螺紋為左旋時(shí)，在螺紋代號(hào)之后加“左”字，如M24×1.5左，表示公稱直徑為24mm，螺距為1.5m，方向?yàn)樽笮募?xì)牙普通螺紋。

管件連接中采用較細(xì)的三角形圓柱管螺紋(見圖)。這類螺紋仍屬英制，牙型角α=55°，公稱直徑近似為管子內(nèi)徑，它廣泛應(yīng)用于水、煤氣及潤滑管路系統(tǒng)中。圖為兩種圓錐管螺紋，用于對密封要求較高的管路連接中。

矩形、梯形和鋸齒形螺紋主要用于傳動(dòng)。矩形螺紋的效率高，但它有強(qiáng)度差、磨損后無法補(bǔ)償間隙和定心性能差等缺點(diǎn)，一般很少采用。

梯形螺紋的效率稍低于矩形螺紋，但沒有矩形螺紋的那些缺點(diǎn)，因此應(yīng)用較廣。鋸齒形螺紋(其工作面牙型角β＝3°)的效率幾乎和矩型螺紋相同，但它只限于單側(cè)工作。

§14-3螺旋副的受力分析、效率及自鎖

一、螺旋副的受力分析現(xiàn)以圖示的起重螺旋(設(shè)該螺旋為矩形螺紋)為例來說明螺旋副中力的關(guān)系。舉重量Q(即軸向載荷)可以認(rèn)為均布于螺紋中徑d2的圓周上。為了分析方便，假定把Q集中作用在該圓周上的一點(diǎn)A上(見圖b)，加在螺旋上的力矩T1可以看作相當(dāng)于在A點(diǎn)加一圓周力P，力P在垂直于螺旋軸線的水平面內(nèi)。T1與P的關(guān)系為螺旋除受有Q、P兩力作用外，還受到接觸面間的法向反力N、摩擦阻力f(f為接觸面間的摩擦系數(shù))的作用。為了便于分析，從圖b中的A點(diǎn)附近螺旋線mm上截取一微小長度，放大如下圖所示。由于截取的螺旋線長度極微小，因此可以用直線來代替該段螺旋線。按升角的定義，力P與mm的夾角即為升角φ反力N應(yīng)垂直于mm，摩擦力fN在mm線上。

當(dāng)推動(dòng)重物沿螺旋線等速上升時(shí)，摩擦力向下，因而總反力R與載荷Q之間的夾角為升角φ與摩擦角ρ之和。由力的平衡條件可知，R、P和Q三力的合力應(yīng)為零。由上圖的力多邊形閉合圖可以解得式中ρ——摩擦角，其計(jì)算式為將此式代入上式，可得到轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋副所需要的力矩為上述分析是在牙型角α=O°的矩形螺紋上進(jìn)行的。對于非矩形螺紋，其差別可以從下圖a(矩形螺紋)和b(非矩形螺紋)的比較而得出類似的結(jié)果。

圖示為螺旋的軸向截面，即按右圖的a-a處截取而得。如果忽略螺紋升角的影響，在軸向力Q的作用下，矩形螺紋的法向反力N=Q，摩擦阻力f=fQ非矩形螺紋的法向反力，摩擦阻力。顯然，在相同的軸向載荷作用下，非矩形螺紋的摩擦阻力要比矩形螺紋大倍。若把法向反力的增加看作摩擦系數(shù)的增加，則摩擦阻力可寫為式中fv—當(dāng)量摩擦系數(shù)因此，就可以得出非矩形螺紋的力的關(guān)系式：式中，ρ值的計(jì)算公式因螺紋的牙型不同而異：二、螺旋傳動(dòng)的效率對于一個(gè)作勻速運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，因其動(dòng)能在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都保持不變，即動(dòng)能增量為零。如果忽略構(gòu)件重力的影響，那么這個(gè)機(jī)構(gòu)的效率為：式中理想驅(qū)動(dòng)力(力矩)--當(dāng)機(jī)構(gòu)摩擦力等于零時(shí)用以克服實(shí)際生產(chǎn)阻力(阻力矩)所需的驅(qū)動(dòng)力(力矩);實(shí)際驅(qū)動(dòng)力(力矩)—計(jì)及摩擦力時(shí)用于克服實(shí)際生產(chǎn)阻力(阻力矩)所需的驅(qū)動(dòng)力(力矩)。對于螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在忽略支承面的摩擦阻力矩時(shí)，計(jì)及螺紋牙間摩擦?xí)r所需的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩為則可得螺旋傳動(dòng)的效率為三、自鎖螺旋當(dāng)起重螺旋的軸向載荷Q作為主動(dòng)力使得螺旋等速下降時(shí)，摩擦力向上，P為支持力(見圖)。由圖中的力多邊形閉合圖可解得：由上式可知，當(dāng)P≤0；就是說，這時(shí)無論軸向載荷Q有多大，螺旋不會(huì)自動(dòng)下降，只有當(dāng)P等于零或者變?yōu)橥苿?dòng)力(即與上圖所示P力的方向相反)時(shí)，螺旋才會(huì)下降。這種現(xiàn)象稱為自鎖，其自鎖條件為一般ρ≈6°～8°，為了保證自鎖，可以取φ≤4．5°。自鎖螺旋的效率η<50%。因此，對具有自鎖性的螺旋傳動(dòng)，不能企求高效率?！?4-4螺紋連接的基本類型及螺紋連接件

一、螺紋連接的基本類型

螺紋連接有以下四種基本類型

1．螺栓連接螺栓連接用于連接兩個(gè)較薄的零件，其特點(diǎn)是被連接件上不必切制螺紋，裝拆方便，成本低廉，所以它的應(yīng)用最為廣泛。螺栓連接又分為普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接。1螺栓聯(lián)接普通螺栓聯(lián)接—受拉螺栓鉸制孔螺栓聯(lián)接—受剪螺栓

2．雙頭螺柱連接

這種連接多用于較厚的被連接件或?yàn)榱私Y(jié)構(gòu)緊湊而必須采用盲孔的連接。3．螺釘連接將螺釘直接旋入被連接件的螺紋孔中，省去了螺母，故結(jié)構(gòu)比雙頭螺柱簡單。4．緊定螺釘連接這種連接常用來固定兩零件的相對位置，并可傳遞不大的力或扭矩。二、螺紋連接用標(biāo)準(zhǔn)連接零件

常用的螺紋連接用標(biāo)準(zhǔn)連接零件有螺栓、雙頭螺柱、螺母、墊圈和防松零件等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照手冊按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取。

1．螺栓按加工精度不同有粗制螺栓和精制螺栓兩種。螺栓的頭部形狀，常用的有標(biāo)準(zhǔn)六角頭、六角頭鉸制孔用螺栓，其結(jié)構(gòu)形式見圖。

2．雙頭螺柱兩端均制有螺紋，旋入被連接件螺紋孔的一端稱為座端，另一端為螺母端，公稱長度為L。

3．緊定螺釘其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于頭部和尾部的形式很多，可以適應(yīng)不同擰緊程度的需要。圖示分別為緊定螺釘?shù)念^部及尾部形式。

4．螺母最常用的是六角螺母，按螺母高度不同，分標(biāo)準(zhǔn)螺母、扁螺母和厚螺母。如要求減輕重量且不常拆卸，可選用扁螺母，經(jīng)常拆卸時(shí)應(yīng)選用厚螺母。

5．墊圈墊圈的作用是增加被連接件的支承面積，以減少接觸處的壓強(qiáng)和避免擰緊螺母時(shí)擦傷被連接件的表面或防止螺母松脫(用彈簧墊圈)。三、螺紋緊固件的強(qiáng)度級(jí)別國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，螺紋緊固件按機(jī)械性能分級(jí)。強(qiáng)度級(jí)別用數(shù)字表示：螺栓用中間帶“·”的兩個(gè)數(shù)字表示，點(diǎn)前的數(shù)字為，點(diǎn)后的數(shù)字為，兩個(gè)數(shù)字乘積的10倍即為材料的最低屈服極限σsmin(MPa)。螺母用一位數(shù)字表示，為為了防止螺紋副咬死及減少磨損，選材時(shí)應(yīng)使螺母材料的級(jí)別比螺栓材料的級(jí)別低。螺栓(螺釘、雙頭螺柱)和螺母的強(qiáng)度級(jí)別和推薦材料牌號(hào)見表。§14-5螺紋連接的擰緊和防松一、螺紋連接的擰緊在實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時(shí)都需要擰緊。擰緊的目的是增強(qiáng)連接的剛性、緊密性和防松能力；對于受拉螺栓連接，還可以提高螺栓的疲勞強(qiáng)度；對于受剪螺栓連接，可以增大連接中的摩擦力。擰緊螺母時(shí)，施加的擰緊力矩丁要克服螺紋副的螺紋力矩T1和螺母端面與被連接件支承面的摩擦力矩T2，即擰緊力矩T可用下式計(jì)算：式中的kt稱為擰緊力矩系數(shù)。kt的大小與接合面的加工狀況和潤滑條件有關(guān)，kt值一般在O.1～0.3之間，通常取kt=0.2。下圖示為螺紋連接各零件在擰緊時(shí)的受力情況，應(yīng)注意螺栓桿所受力矩為T1。小直徑的螺栓在擰緊時(shí)容易因擰緊力矩過大而斷裂，因此，對于重要的螺栓連接不宜采用小于M12～M16的螺栓(與螺栓強(qiáng)度級(jí)別有關(guān))。

對于重要的螺栓連接，應(yīng)根據(jù)連接的緊密要求、載荷性質(zhì)、被連接件剛度等工作條件來決定所需擰緊力矩的大小，以便裝配時(shí)控制。

控制擰緊力矩較簡便的方法是采用測力矩扳手(見下圖)，可直接讀出擰緊力矩值，或采用定力矩扳手(見下圖)，當(dāng)達(dá)到所需擰緊力矩值時(shí)，扳手將自動(dòng)打滑。二、螺紋連接的防松在靜載荷作用下且溫度變化不大時(shí)，連接作用的螺紋能夠滿足自鎖條件。但在沖擊、振動(dòng)或變載荷作用下，或溫度變化大時(shí)，連接有可能松動(dòng)，甚至松開，這就容易發(fā)生事故。所以在設(shè)計(jì)螺紋連接時(shí)，必須考慮防松問題。連接防松的關(guān)鍵在于防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動(dòng)?？刹捎玫拇胧┖芏啵推涔ぷ髟韥砜?，有利用摩擦力防松、采用機(jī)械方法防松及永久止動(dòng)防松三大類。具體方法參見表14—5。

§14-6螺栓組連接的受力分析

大多數(shù)情況下螺栓都是成組使用的，這種成組使用的螺栓連接叫螺栓組連接。設(shè)計(jì)時(shí)，常根據(jù)被連接件的結(jié)構(gòu)和連接的載荷來確定連接的傳力方式、螺栓的數(shù)目及布置形式。為了減少所用螺栓的規(guī)格和提高連接的結(jié)構(gòu)工藝性，通常都采用相同材料、直徑和長度的螺栓。螺栓組連接受力分析的任務(wù)是求出連接中受力最大的螺栓及其載荷。分析時(shí)，通常作以下三個(gè)假設(shè)：1)被連接件為剛體；2)各螺栓的拉伸剛度及剪切剛度都相同(即各螺栓的材料、直徑和長度都相同)，預(yù)緊力也相同；3)螺栓的應(yīng)變沒有超出彈性范圍。以下將對螺栓組的各種受力情況進(jìn)行較詳細(xì)的分析與討論。一、受軸向力Q作用的螺栓組連接圖為氣缸蓋的螺栓組連接。載荷的作用線與螺栓的軸線平行，并通過螺栓組形心。計(jì)算時(shí)，認(rèn)為各螺栓平均受載。設(shè)螺栓數(shù)目為Z，則每個(gè)螺栓所受的軸向工作載荷為此外，螺栓還受有預(yù)緊力作用。螺栓所受總拉力的求法見§14-7內(nèi)容。二、受橫向力R作用的螺栓組連接圖示為板件連接。載荷R的作用線通過螺栓組形心并與螺栓的軸線相垂直。連接既可以采用普通螺栓連接(指裝配后螺栓桿與釘孔壁之間存在間隙的螺栓連接)，也可用鉸制孔用螺栓連接(這種連接在裝配后螺栓桿與釘孔壁之間無間隙)。

從螺栓的受力形式來分，普通螺栓連接又叫受拉螺栓連接，鉸制孔用螺栓連接又叫受剪螺栓連接。

當(dāng)用受拉螺栓連接時(shí)(見圖a)，螺栓只受預(yù)緊力F’，橫向載荷靠接合面間因螺栓的預(yù)緊力而產(chǎn)生的摩擦力來傳遞。假設(shè)各螺栓連接接合面間的摩擦力相等，并集中在螺栓中心處，則根據(jù)板的平衡條件有當(dāng)用受剪螺栓連接時(shí)(見圖b)，載荷靠螺栓受剪和螺栓與被連接件間相互擠壓來傳遞。

由于螺栓要擰緊，故連接中還受有預(yù)緊力和摩擦力，但一般忽略不計(jì)。因?yàn)榭柯菟ㄊ芗艏奥菟ㄅc被連接件相互擠壓的承載能力要比靠預(yù)緊力在接合面間產(chǎn)生摩擦力的承載能力大得多。計(jì)算時(shí)，假設(shè)各螺栓每個(gè)受剪面所受的工作剪力均為F。(實(shí)際上由于板是彈性體，兩端螺栓所受的剪力比中間螺栓大。所以，沿載荷方向布置的螺栓數(shù)目不宜超過6個(gè)，以免受力嚴(yán)重不均)，根據(jù)板的平衡條件得：三、受旋轉(zhuǎn)力矩T作用的螺栓組連接

圖示為底板螺栓連接。假設(shè)在T作用下底板有繞通過螺栓組形心的軸線O—O(簡稱旋轉(zhuǎn)中心)旋轉(zhuǎn)的趨勢，則每個(gè)螺栓連接處都受有橫向力。此時(shí)既可以采用普通螺栓連接，也可以采用鉸制孔用螺栓連接。當(dāng)采用普通螺栓連接(圖a)時(shí)，假設(shè)各螺栓連接接合面處的摩擦力相等并集中在螺栓中心處且與螺栓中心到底板旋轉(zhuǎn)中心0的連線垂直。根據(jù)底板的靜力平衡條件得：

當(dāng)采用鉸制孔用螺栓連接(圖b)時(shí)，各螺栓的工作載荷F。與其到底板旋轉(zhuǎn)中心的連線垂直。忽略連接中的預(yù)緊力和摩擦力，則根據(jù)底板的靜力平衡條件有

根據(jù)螺栓的變形協(xié)調(diào)條件知，各螺栓的剪切變形量與其中心到底板旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比。由于各螺栓的剪切剛度相同，所以各螺栓所受的剪力也與這個(gè)距離成正比。即：顯然，有則將上式代入式，有：則

Fsmax是距底板旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的螺栓(1、4、5、8)所受的剪力。設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)螺栓都應(yīng)按Fsmax來確定直徑。

四、受翻轉(zhuǎn)(傾覆)力矩M作用的螺栓組連接

圖示為另一種底板螺栓連接。這種連接采用普通螺栓，擰緊后螺栓受預(yù)緊力作用。假設(shè)被連接件是彈性體，但其接合面始終保持為平面，在M作用下底板有繞通過螺栓組形心的軸線0-0翻轉(zhuǎn)的趨勢。

根據(jù)接合面始終保持為平面的假設(shè)，在這一組螺栓中，離0-0軸線越遠(yuǎn)的螺栓變形越大(僅指0-0軸線左側(cè)的螺栓)，則螺栓所受的軸向載荷也越大，軸向載荷的大小與螺栓到0-0軸線的距離成正比。即

顯然，0-0軸線左側(cè)的底板在各螺栓處受到的軸向反力與0-0軸線右側(cè)的底板所受到的不均勻分布的反力對0-0軸線的力矩之和，應(yīng)當(dāng)與外加的翻轉(zhuǎn)力矩M相平衡。

當(dāng)螺栓為對稱布置時(shí)，底板所受到的總反力矩可以視為0-0軸線左側(cè)各力(Fi、Fmax)對0-0軸線的力矩之和的兩倍，即：將式代入上式中，有

§14－7螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算

螺栓的小徑及其它各部分尺寸是根據(jù)等強(qiáng)度原則及使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的。一般情況下，除小徑外，其余部分都不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺栓連接的計(jì)算，主要是確定螺栓的小徑并按標(biāo)準(zhǔn)選出螺栓的規(guī)格，或按已知的螺栓尺寸來校核其強(qiáng)度。一、受拉螺栓連接在計(jì)算螺栓的強(qiáng)度時(shí)，一般取螺紋小徑圓截面為危險(xiǎn)截面。(一)松螺栓連接這種連接(見圖)只能承受靜載荷，螺栓在工作時(shí)才受拉力F的作用。圖示的起重滑輪螺栓，其螺栓部分的強(qiáng)度條件為：(二)緊螺栓連接

這種連接既能承受靜載荷，也能承受變載荷。

1．螺栓僅受預(yù)緊力的連接圖a所示的螺栓連接中，螺栓的螺紋部分受預(yù)緊力F’和螺紋力矩的作用。這時(shí)螺栓危險(xiǎn)截面(即螺紋小徑d，處)除受有拉應(yīng)力外，還受有螺紋力矩T1所引起的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τT，由于螺栓是塑性材料，在拉伸正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力同時(shí)作用下，可依第四強(qiáng)度理論得到螺紋部分的強(qiáng)度條件為：式中[σ]——緊連接螺栓的許用應(yīng)力，MPa。由此可見，緊連接螺栓的強(qiáng)度可以按純拉伸計(jì)算，但需將拉力增大30％，以考慮螺紋力矩的影響。普通螺栓連接是靠接合面間的摩擦力來傳遞橫向載荷的。這種連接在沖擊、振動(dòng)或變載荷下不夠可靠，而且所需螺栓直徑也較大，因?yàn)槁菟ㄊ艿牧Υ?。例如，?dāng)接合面對數(shù)為1時(shí)，一個(gè)螺栓為產(chǎn)生摩擦力R’所需要具有的預(yù)緊力，當(dāng)fs=0.2、kf=1.1時(shí)，F(xiàn)′=5.5R′。但是，由于構(gòu)造簡單和裝配方便，這種連接也常被采用。為了避免上述缺點(diǎn)，可采用各種抗剪件來傳遞橫向力，如圖所示。

近年來發(fā)展了高強(qiáng)度螺栓摩擦連接，螺栓材料的高達(dá)1200MPa(一般螺栓材料的σB為800～1000MPa)，螺栓經(jīng)強(qiáng)力擰緊后預(yù)緊力可以達(dá)到(O.75～0.85)σS

甚至更高；再經(jīng)噴砂、噴丸、火焰清理、適當(dāng)生銹再刷去浮銹等方法增大接合面間的摩擦系數(shù)；改進(jìn)連接的結(jié)構(gòu)型式及螺栓的布置，合理選取螺母和墊圈的材料，以增大連接的摩擦力。這種連接在橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較廣。接合面間的摩擦系數(shù)依被連接件的材料及接合表面狀態(tài)的不同由表查取。

2．螺栓既受預(yù)緊力又受軸向工作載荷的連接若分析時(shí)考慮到被連接件也是彈性體，則連接中各零件的受力關(guān)系屬于靜不定問題。擰緊后螺栓受預(yù)緊力F’，工作時(shí)還受到由被連接件傳來的工作載荷F(見圖)。但螺栓的總拉力F0在一般情況下并不等于F’與F之和。當(dāng)應(yīng)變在彈性范圍之內(nèi)時(shí)，可以根據(jù)靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件進(jìn)行分析。圖b所示為螺栓被擰緊后而連接尚未承受工作載荷時(shí)的情況。根據(jù)靜力平衡條件，螺栓所受的拉力應(yīng)與被連接件所受的壓力大小相等，均為F’。

用c1和c2分別表示螺栓和被連接件的剛度，則螺栓的伸長量為；被連接件的縮短量為

螺栓與被連接件的受力和變形還可以用圖線來表示。圖a為這時(shí)螺栓與被連接件的受力和變形的關(guān)系曲線。

將螺栓與被連接件的力-變形曲線合并，得到b圖。圖14—23c和圖14—24c是螺栓受工作載荷時(shí)的情況。這時(shí)，螺栓受到總拉力F0作用，其拉力增量為F0-F′，伸長增量為么△δ1；而被連接件則隨之舒展放松，其壓力減少到剩余預(yù)緊力F″，壓力減量為F′-F″，壓縮量的減量為△δ2

。根據(jù)螺栓的靜力平衡條件有：上式表明，螺栓的總拉力為工作載荷與被連接件給它的剩余預(yù)緊力之和。依螺栓與被連接件的變形協(xié)調(diào)條件有：式(14—29)是螺栓總拉力的另一種表達(dá)形式。即螺栓的總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷?？偫0的大小與相對剛度有關(guān)，當(dāng)c2》c1時(shí)，F(xiàn)。≈F’；當(dāng)c2《c1時(shí)，F(xiàn)0=F’+F。由此可見，當(dāng)連接的載荷很大時(shí)，不宜采用剛性小的墊片。相對剛度的大小，與螺栓和被連接件的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸及工作載荷作用位置、墊片等因素有關(guān)，可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。在一般設(shè)計(jì)計(jì)算中，當(dāng)被連接件為鋼或鑄鐵件時(shí)，可不必計(jì)算c1和c2值，而直接從表中選取相對剛度的值。通常，連接是在受工作載荷之前擰緊的，螺紋力矩為

。為了安全，考慮到在實(shí)際使用中可能會(huì)在工作載荷下被補(bǔ)充擰緊(這應(yīng)盡量避免)，螺紋力矩則為。于是，螺栓中螺紋部分的強(qiáng)度條件為：圖示為當(dāng)螺栓軸向工作載荷過大時(shí)，連接出現(xiàn)縫隙的情況，這是不允許的。顯然，F(xiàn)”應(yīng)大于零，以保證連接的剛性或緊密性。表中給出了剩余預(yù)緊力的推薦值。對于壓力容器的緊密連接，應(yīng)保證密封面剩余預(yù)緊壓強(qiáng)P”為壓力容器工作壓力P的(2～3．5)倍。

對于僅受軸向工作載荷的螺栓連接，設(shè)計(jì)時(shí)通常是先求出工作載荷F，然后根據(jù)連接的工作要求選擇F″，再由式(14—26)求出F0，以計(jì)算螺栓的強(qiáng)度。至于為保持F″所需要的F′則可由式(14—28)求出。當(dāng)F和F′已知時(shí)，可用式(14—29)求出F0，用式(14—27)計(jì)算出F″以便檢查是否達(dá)到需要值。式(14—30)適用于受靜載荷作用的螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算。當(dāng)螺栓受變載荷作用時(shí)，需按應(yīng)力幅來計(jì)算，并驗(yàn)算靜載下的強(qiáng)度。由圖知，當(dāng)工作載荷在O到F之間變化時(shí)，螺栓拉力在F′到F0之間變化。影響受變載荷作用的零件疲勞強(qiáng)度的主要因素是應(yīng)力幅。螺栓的拉力變幅為因此，螺紋部分的強(qiáng)度條件為式中[以]——螺栓的許用應(yīng)力幅。二、受橫向載荷作用的鉸制孔用螺栓連接

鉸制孔用螺栓連接在受到橫向載荷R作用時(shí)(見圖)，連接的主要失效形式是：釘桿被剪斷以及釘桿與孔壁間的擠壓應(yīng)力使得連接中較弱的材料(多為板孔)壓潰。計(jì)算時(shí)，螺栓的預(yù)緊力及結(jié)合面間的摩擦力可忽略不計(jì)。設(shè)螺栓每個(gè)受剪面所受的剪力為Fs，則螺栓桿截面的剪切強(qiáng)度條件為：螺栓桿與螺栓孔壁間的擠壓應(yīng)力σp及強(qiáng)度表達(dá)式為：考慮到各零件的材料和受擠壓長度可能不同，應(yīng)取δmin與，之乘積小的為計(jì)算對象。

三、螺紋連接的許用應(yīng)力

螺紋連接的許用應(yīng)力與許多因素有關(guān)，如螺栓的材料、熱處理工藝、構(gòu)造尺寸、載荷性質(zhì)、工作溫度、加工裝配質(zhì)量、使用條件等，在確定許用應(yīng)力時(shí)必須綜合考慮上述各因素。一般機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)可參照表14—9～表14—12來確定許用應(yīng)力及安全系數(shù)。從表14—9可以看出，在軸向靜載荷作用下，螺栓不控制預(yù)緊力時(shí)的安全系數(shù)S值隨螺栓直徑的不同而不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，只能采用試算法。即先假定螺栓直徑的范圍(如假設(shè)所選螺栓的直徑在M6～M16之間或在M16～M30之間)，然后取安全系數(shù)的平均值來進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得到所需的螺栓直徑。若算出的螺栓直徑不在最初假設(shè)的范圍之內(nèi)，則需重新假設(shè)螺栓直徑的范圍，重新選取安全系數(shù)再次進(jìn)行設(shè)計(jì)。顯然。這種方法比較麻煩．給設(shè)計(jì)工作增加了困難。下面介紹一種簡化計(jì)算的方法，可以一次得到所需螺栓的直徑。這個(gè)方法叫做“假想危險(xiǎn)斷面面積法”。由式(14—30)知，在軸向靜載荷作用下，螺栓的強(qiáng)度條件為：設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)0已經(jīng)計(jì)算出來；當(dāng)螺栓材料確定之后，σs也就知道了。于是，所需的假想危險(xiǎn)斷面面積As就可以求出來。我們把常用的M6～M48螺栓在軸向靜載荷作用下的安全系數(shù)，按螺栓直徑的不同用插值法計(jì)算出來，并算出每種螺栓直徑所對應(yīng)的假想危險(xiǎn)斷面面積As之值，列成表14—13。使用時(shí)，按所需的As值，從表14—13中就可以查出應(yīng)選的螺栓直徑，免去了試算的麻煩，簡化了設(shè)計(jì)過程。

【解】1．確定螺栓的強(qiáng)度級(jí)別及材料依表14—4，選螺栓的強(qiáng)度級(jí)別為5．6級(jí)，材料為35鋼，其σs=300MPa

2．確定螺栓直徑按不控制預(yù)緊力考慮，所需的假想危險(xiǎn)斷面面積為

【例14—1】己知一螺栓所受總拉力為8320N，試確定其直徑。由表14—13知，應(yīng)選M16的35鋼普通螺栓，其As=50.1lmm2＞36.053mm2

【例14-2】圖14—27所示為一凸緣聯(lián)軸器，上半圖表示采用鉸制孔用螺栓連接，下半圖表示采用普通螺栓連接。螺栓中心圓直徑D1=195mm，凸緣厚度H=26mm，聯(lián)軸器傳遞的扭矩T=1.1×106N·mm；聯(lián)軸器材料為ZC35正火，其σs=280MPa；試確定采用普通螺栓及鉸制孔用螺栓時(shí)所需的螺栓直徑。計(jì)算時(shí)取kf=1.2?！窘狻?/p>

一、按采用普通螺栓連接計(jì)算

1．計(jì)算螺栓所需的預(yù)緊力F’由式(14—17)有：其中由題給定志kf=1.2；由表14—6取fs=O.14；由題圖知Z=8，于是可算出螺栓所需的預(yù)緊力2．確定所需螺栓直徑d(1)選取螺栓的強(qiáng)度級(jí)別及材料由表14—4選螺栓的強(qiáng)度級(jí)別為5.6級(jí)，材料為35號(hào)鋼，則其σs=300MPa。(2)確定螺栓直徑按不控制預(yù)緊力考慮，螺栓所應(yīng)具有的假想危險(xiǎn)斷面面積為：由表14—13知，應(yīng)選M18的碳鋼普通螺栓，其As=65.61mm2>52.39mm2。二、按采用鉸制孔用螺栓連接計(jì)算1．計(jì)算螺栓各受剪面所受到的最大工作剪力FSmax2．計(jì)算[σ]由表14—12知由于螺栓為5．6級(jí)，故知3．按螺栓的剪切強(qiáng)度確定所需螺栓直徑由式(14—32)知以FSmax代替Fs，并改寫成設(shè)計(jì)計(jì)算式，有應(yīng)按螺栓的剪切強(qiáng)度來確定螺栓直徑。即d0≥3.87mm，依GB27—88可知，應(yīng)選M6內(nèi)鉸制孔用螺栓，其d0=7mm。

4．校核擠壓強(qiáng)度(1)計(jì)算[σ]p

由表14—12知由題知，聯(lián)軸器材料的σs=280MPa，而所選螺栓材料的σs=300MPa，故只需校核聯(lián)軸器上螺栓孔的擠壓強(qiáng)度，則(2)校核擠壓強(qiáng)度強(qiáng)度足夠．

從以上的計(jì)算可以看到，采用鉸制孔用螺栓的直徑要比采用普通螺栓的直徑小得多，而且鉸制孔用螺栓連接還有固定被連接零件相對位置的作用；但是，所需費(fèi)用卻比采用普通螺栓連接要昂貴得多。

§14—8高溫條件下工作的螺栓連接在鍋爐、熱管道等設(shè)備中，螺紋緊固件主要用于可拆卸的閥門、人孔及手孔蓋、節(jié)流板等部位。緊固件材料的選擇，除應(yīng)保證有較高的強(qiáng)度、較低的缺口敏感性、較大的持久塑性外，還應(yīng)注意：

1．工作溫度大于400℃的螺栓用鋼，應(yīng)具有較好的抗松弛能力；

2．螺栓用鋼應(yīng)具有較高的沖擊值，回火脆性及熱脆性傾向要小，以防突然脆斷；

3．長期在高溫下工作后，不發(fā)生“咬合”現(xiàn)象。螺栓、螺母材料不同或熱處理規(guī)范不同以及表面氮化、發(fā)藍(lán)、加工盡量光潔或采用特殊涂料(但不可用一般機(jī)油)等，均可防止咬合。但兩種材料應(yīng)有相近的線膨脹系數(shù)，不允許一個(gè)用珠光體鋼，另一個(gè)用奧氏體鋼來制造。螺栓用鋼的強(qiáng)度和硬度應(yīng)比螺母高些。高溫螺栓連接用鋼牌號(hào)及應(yīng)用范圍可參見表14—14。螺栓的高溫脆斷將造成重大事故，高溫脆斷主要發(fā)生在25Cr2M01VA等合金鋼螺栓中。在高溫下工作2～5年后，這些螺栓的硬度上升、沖擊值下降，金相組織呈網(wǎng)狀，在螺母與螺桿旋合的第一道螺紋處發(fā)生裂紋或斷裂。目前所采取的措施主要是加強(qiáng)監(jiān)督及定期測試，當(dāng)發(fā)現(xiàn)沖擊值αk。小于允許值或HBs>300時(shí)，應(yīng)對螺栓進(jìn)行恢復(fù)熱處理。一般采用二次正火加一次回火的規(guī)范。焊接焊接是目前在各工業(yè)部門中應(yīng)用得最廣泛的一種連接方法。在暖通及燃?xì)忸悓I(yè)設(shè)備中，更是廣泛的采用了焊接這種連接方式。如在各種壓力容器(如鍋爐、氨罐、液化氣罐、空壓站的貯氣罐)、輸配氣及供熱管道等產(chǎn)品的制造中。

§14-9焊縫的強(qiáng)度計(jì)算在焊接中，電焊應(yīng)用最為廣泛。因此，我們只介紹電焊焊縫的強(qiáng)度計(jì)算。表14—15為電弧焊常見接頭焊縫的靜強(qiáng)度計(jì)算公式示例。當(dāng)用側(cè)焊縫連接不對稱剖面元件（如角鋼）時(shí)，在俯視圖上應(yīng)使焊縫形心線與元件剖面的形心線重合，以減小偏心載荷。見圖，用e1、e2分別表示兩側(cè)邊(焊縫)到元件形心線的距離(由角鋼標(biāo)準(zhǔn)查取)，l1、l2表示