第十三章　螺紋連接設(shè)計

機(jī)械設(shè)計教程第3版機(jī)械工業(yè)出版社第十三章螺紋連接設(shè)計第一節(jié)概述

第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松第三節(jié)螺栓組設(shè)計第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算第五節(jié)提高螺紋連接性能的措施

第十三章螺紋連接設(shè)計零件要以適當(dāng)?shù)男问竭B接起來才能成為機(jī)器,實現(xiàn)預(yù)定的運動和功能。在高質(zhì)量的工程設(shè)計中,零件的連接方法是極其重要的,設(shè)計者必須熟練掌握各種連接和連接件的使用條件和性能。機(jī)器運行過程中所有連接必須可靠,否則會釀成大禍。我國連接件生產(chǎn)用鋼大約占鋼產(chǎn)量的1.5%,由此可見機(jī)械設(shè)備中連接件占有很大的比例。例如波音747飛機(jī)約有250萬個連接件,個別連接件的單價高達(dá)幾美元,因此連接件的價格、質(zhì)量和性能直接影響組裝連接后機(jī)器的性能和成本。為使產(chǎn)品成本下降,許多大公司都有連接件研發(fā)部門,不斷更新連接件的設(shè)計(包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計和制造工藝設(shè)計),所以說連接件在機(jī)械設(shè)計中有著極其重要的作用。螺紋連接是利用帶有螺紋的零件構(gòu)成的可拆連接,它的功用是把兩個或兩個以上的零件連接在一起。這種連接結(jié)構(gòu)簡單,拆裝方便,互換性好,工作可靠,形式靈活多樣,可反復(fù)拆裝而不必破壞任何零件。螺紋連接有不需要附加零件的連接和采用一個或多個附加零件的連接。這種將零件和零件連接起來的零件稱為連接件,也稱為緊固件。連接件螺紋的基本牙型為三角形(圖13-1),這種螺紋有很好的自鎖性。螺紋連接件多為標(biāo)準(zhǔn)件,它由專業(yè)工廠成批生產(chǎn),成本低廉,因而應(yīng)用廣泛。第十三章螺紋連接設(shè)計圖13-1普通螺紋牙型第一節(jié)概述螺紋連接是利用帶有螺紋的零件組成的可拆連接,用于連接兩個或兩個以上零件。一、螺紋連接的基本類型螺紋連接的類型很多,其基本類型見表13-1。除表13-1中所述四種基本類型外,還有幾種特殊結(jié)構(gòu)的螺紋連接,應(yīng)用也較廣泛,如固定機(jī)械或設(shè)備的地腳螺栓連接(圖13-2a)、梯形槽螺栓連接、起吊設(shè)備或大型零件用的吊環(huán)螺釘連接(圖13-2b)等。圖13-2其他螺栓連接a)地腳螺栓連接b)吊環(huán)螺釘連接第一節(jié)概述一、螺紋連接的基本類型第一節(jié)概述一、螺紋連接的基本類型第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件螺紋連接件(緊固件)的種類繁多,根據(jù)其使用的廣泛性,有適用面廣、用量大的通用螺紋連接件,還有適應(yīng)某種需要、具有特殊結(jié)構(gòu)的專用螺紋連接件。通用螺紋連接件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。為適應(yīng)國際技術(shù)經(jīng)濟(jì)往來,國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalStandardOrganization,ISO)發(fā)布了許多有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。常用的標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件有螺栓、螺釘、雙頭螺柱、螺母和墊圈五大類。這些零件的結(jié)構(gòu)形式、系列和尺寸規(guī)格均已標(biāo)準(zhǔn)化,設(shè)計螺紋連接時,只需根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取適當(dāng)?shù)倪B接件即可。1.螺栓和螺釘螺紋連接件是按照使用方法命名的,如果設(shè)計結(jié)構(gòu)是將連接件裝入螺紋孔,這種連接件是螺釘,在螺釘頭部施加轉(zhuǎn)矩就可擰緊連接;如果設(shè)計結(jié)構(gòu)是將連接件穿過被連接件的光孔再擰上螺母,這種連接件就是螺栓,擰緊連接需要在螺母上施加轉(zhuǎn)矩。螺栓和螺釘有多種頭部形狀,如六角頭、方頭、盤頭、圓柱頭、半圓頭、扁圓頭、沉頭、半沉頭、滾花、內(nèi)六角頭及T形頭等,如圖13-3所示。除此之外還有地腳、U形和鉸鏈用螺栓等。第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件圖13-3螺栓和螺釘頭部形狀a)六角頭b)方頭c)盤頭d)圓柱頭e)半圓頭f)扁圓頭g)沉頭h)半沉頭i)滾花j)內(nèi)六角頭k)T形頭第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件螺栓和螺釘?shù)奈捕诵螤钜埠芏?有輾制端、倒角端、球面端、錐端、截錐端、平端、凹端、圓柱端、刮削端及斷頸端等,如圖13-4所示,設(shè)計時根據(jù)需要選用適當(dāng)?shù)奈捕诵螤?。圖13-4螺栓和螺釘尾部形狀a)輾制端b)倒角端c)球面端d)錐端e)截錐端f)平端g)凹端h)圓柱端i)刮削端j)斷頸端第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件2.雙頭螺柱雙頭螺柱是無螺釘頭的外螺紋連接件,兩端螺紋有等長和不等長之分。不等長雙頭螺柱其兩端的螺紋參數(shù)可以相同也可以不同,且短的一端旋入機(jī)體,應(yīng)用較為廣泛。另外還有一些用于特殊場合的螺柱,如一端有螺紋的焊接螺柱和全螺紋的螺桿。3.螺母螺母是內(nèi)螺紋連接件,其形狀有六角形、方形和圓形。其中六角螺母有普通六角螺母、厚六角螺母和薄六角螺母等,應(yīng)用最為廣泛的是普通六角螺母。4.墊圈墊圈是輔助連接件,置于螺母和支承面之間。墊圈可以增大支撐面,遮蓋較大孔或墊平被連接件表面,還可保護(hù)被連接件表面。螺紋連接中的墊圈有平墊圈、斜墊圈、彈簧墊圈、止動墊圈等。第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件1.螺紋連接件的選用原則螺紋緊固件的選擇首先要明確連接的用途、工作要求和使用條件,以符合技術(shù)要求,操作安全方便,經(jīng)濟(jì)合理為基本原則。以下幾方面供設(shè)計參考。1)同一組螺紋連接應(yīng)選用同樣的螺紋緊固件,包括它的種類、形狀、螺紋形式和尺寸、性能等級、產(chǎn)品等級以及表面狀態(tài)等。2)首先選用標(biāo)準(zhǔn)緊固件。這些緊固件是由專業(yè)生產(chǎn)廠批量生產(chǎn),市場可以供應(yīng)的產(chǎn)品,其質(zhì)量可靠,價格低廉。如果有特殊需要或確無合適的標(biāo)準(zhǔn)緊固件而不得不使用非標(biāo)準(zhǔn)緊固件時,也應(yīng)盡可能在設(shè)計參數(shù)或局部與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)一致。3)根據(jù)連接的用途和工作條件選定恰當(dāng)?shù)男阅艿燃壓彤a(chǎn)品等級,過高的等級將使成本增加。4)根據(jù)操作選用適當(dāng)?shù)倪B接件。明確采用何種安裝工具和安裝方法(手工安裝、機(jī)動工具安裝還是自動化安裝),是否需要控制預(yù)緊力,采用何種方法控制預(yù)緊力。5)便于修理與更換。第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件2.螺紋緊連接的選擇(1)螺紋種類的選擇一般連接多用粗牙普通螺紋,其公稱直徑應(yīng)符合GB/T196—2003,并優(yōu)先選用第一系列。細(xì)牙普通螺紋用于薄壁零件或受沖擊、振動、變載荷的連接。(2)螺栓、螺釘頭部形狀的選擇六角頭有較好的力學(xué)性能,便于用扳手?jǐn)Q緊,可施加較大的擰緊力矩,應(yīng)用廣泛。方頭頭部尺寸較大,便于扳手?jǐn)Q緊產(chǎn)生較大的預(yù)緊力,還可靠在其他零件上制動。它多用于比較粗糙、經(jīng)常拆卸的結(jié)構(gòu)上,但不宜用在運動的部件上。盤頭頭部尺寸較小,占用空間小,為保證有足夠的強(qiáng)度,常采用鋼結(jié)構(gòu)、高性能等級。用于螺釘時,頭部開有一字槽或十字槽兩種形狀,便于螺釘旋具擰緊。開槽頭通用性好,多用于低強(qiáng)度、低旋擰力矩的緊固件;十字槽頭部旋轉(zhuǎn)時對中性好,易實現(xiàn)自動化裝配,生產(chǎn)效率高,外形美觀,槽的強(qiáng)度高,不易擰禿、打滑,但需要專用的旋擰工具。盤頭一般用于直徑小于10mm的螺紋連接件。第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件圓柱頭頭部尺寸較小,頭部開有一字槽或十字槽兩種,一般用于直徑小于10mm的螺釘。半圓頭多用于結(jié)構(gòu)表面要求較光滑或螺栓頭受限制的螺紋連接。扁圓頭較半圓頭的高度小,外徑稍大,承壓面積較半圓頭大,多用于薄壁零件、板結(jié)構(gòu)的連接,直徑d小于10mm。沉頭頭部可沉入被連接件表面的錐坑內(nèi),多用于表面要求平滑、外形美觀或其結(jié)構(gòu)不允許螺栓頭凸出的部位,頭部下有方頸或榫,可防止旋擰螺母時轉(zhuǎn)動。用于螺釘時,頭部開有一字槽或十字槽兩種,直徑小于10mm。半沉頭的特點和沉頭相同,頭部高度比沉頭大些,強(qiáng)度較高。內(nèi)六角頭部小,頭部可埋于零件內(nèi),連接強(qiáng)度高,用于結(jié)構(gòu)要求緊湊、外形平滑或無法用普通扳手?jǐn)Q緊的連接,但內(nèi)六角一旦被破壞則很難拆卸,因此不便經(jīng)常拆卸。滾花頭頭部尺寸較小,受力較小,裝拆方便,可用手?jǐn)Q緊。T形頭可固定在有T形槽口的滑道內(nèi),并可在槽內(nèi)移動以調(diào)整位置,還可防止轉(zhuǎn)動。第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件(3)螺栓、螺釘尾端形狀的選擇輾制尾端的連接件端部不進(jìn)行特殊加工,尾端近似為平端,制造簡單,不便安裝,螺紋易壞,應(yīng)用較少,僅用于小螺釘和M8以下的輾制螺釘。倒角端端部切斷后倒角,便于裝配,應(yīng)用較廣。球面端端部成球面,既便于裝配,又有保護(hù)端部螺紋的作用,制造稍難。錐端直接頂緊被連接件,被連接件上要制錐坑,一般用于緊定螺釘,安裝后不常拆卸,或用于硬度較小的被連接件,錐端直接頂緊被連接件。截錐端用于螺栓和螺釘,有較好的導(dǎo)向?qū)χ凶饔?用于緊定螺釘。安裝時應(yīng)在頂緊面上加工出圓柱形沉孔使截錐端擠入沉孔,以增大傳遞載荷的能力。平端端部經(jīng)加工成平面并具有倒角,端面平整美觀,各種外螺紋件都有采用;應(yīng)用于緊定螺釘時,接觸面積大,不傷被頂緊表面,常用于頂緊硬度較大或經(jīng)常調(diào)節(jié)位置的零件。頂緊面應(yīng)加工成平面。第一節(jié)概述凹端端部為環(huán)平面,應(yīng)用和平端相同,但傳遞載荷能力較小。圓柱端的短圓柱多用于鉸制孔螺栓和配合較緊的螺栓,端部圓柱可保護(hù)端部螺紋在拆卸時免遭損壞。長圓柱多用于緊定螺釘和定位螺釘,用來固定裝在空心軸(薄壁)上的零件或需要經(jīng)常調(diào)節(jié)位置的連接;因圓柱端頂入軸的沉孔中,可傳遞較大的載荷。刮削端用于自攻螺釘,端部成錐體,有溝槽,槽口的螺紋牙形成切削刃,擰入被連接件時具有刮削作用,形成配合螺紋。斷頸端端部上方有0.75d的頸,用于鋼結(jié)構(gòu)件單面安裝的扭剪型高強(qiáng)度螺紋連接。二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件(4)螺母的選擇應(yīng)用最廣的六角螺母有1型和2型。2型六角螺母比1型約高10%,主要用于9級和12級。對于結(jié)構(gòu)要求緊湊或以承受剪切力為主的螺栓連接,以及防松用的副螺母,可以選用六角薄螺母;經(jīng)常拆卸而六角螺母又不能滿足使用要求時,可選用六角厚螺母。承受振動和變載荷的連接,常選用螺桿帶孔的螺栓和開槽螺母,配以開口銷防止松動。(5)墊圈的選擇平墊圈應(yīng)用最廣,對軟質(zhì)零件(如木制品等)宜選用大或特大墊圈。對于表面有斜度的被連接件可選用斜墊圈。為了防止連接松動可選用彈簧墊圈、彈性墊圈、鎖緊墊圈以及止動墊圈等。墊圈的產(chǎn)品等級僅有A級和C級,一般情況下,C級螺栓、螺釘和螺母選用C級墊圈,其他等級螺栓、螺釘和螺母均用A級墊圈。第一節(jié)概述3.連接件材料和力學(xué)性能等級選擇螺紋緊固件按力學(xué)性能分成若干等級(表13-2),每個等級規(guī)定若干性能指標(biāo)。選用時,只需從標(biāo)準(zhǔn)中選取符合設(shè)計要求性能等級的螺紋連接件,而不必考慮或指定選用的材料、加工工藝和熱處理等。只有在特定情況下(如承受動載荷、高溫載荷等),對螺紋連接件有特殊要求,標(biāo)準(zhǔn)連接件的力學(xué)性能不能滿足工作要求時,才選定材料、規(guī)定性能和試驗方法以及技術(shù)要求等。二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件第一節(jié)概述二、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件4.產(chǎn)品等級選擇通用的螺栓、螺釘和螺母分為A、B、C三個產(chǎn)品等級,A級最精確,C級粗糙。對于安裝精度要求高,受較大沖擊、振動或變載荷的重要連接應(yīng)選用A級。對于精密機(jī)械用連接件、公差要求高的小螺紋緊固件d=1~3mm,還制定了產(chǎn)品等級為F的連接件公差標(biāo)準(zhǔn)。5.表面處理方法選擇標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件一般不需要表面處理,但為適應(yīng)防銹、耐蝕、導(dǎo)電或減摩的要求時,可采用不同的表面處理方法,如鍍鋅、鍍鎘、鍍鉻、鍍銀、鈍化、發(fā)藍(lán)、磷化及鋁和鋁合金螺紋件的陽極氧化等。選用表面處理方法時可參考機(jī)械工業(yè)出版社出版的《機(jī)械工程手冊》。第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松一、螺紋連接的預(yù)緊及其控制1.螺紋連接的預(yù)緊絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時都需要擰緊(松螺栓連接除外),稱為預(yù)緊。預(yù)緊可夾緊被連接件,使連接結(jié)合面產(chǎn)生壓緊力,這個力即為預(yù)緊力,它能防止被連接件的分離、相對滑移或結(jié)合面開縫。適當(dāng)選用較大的預(yù)緊力可以提高連接的可靠性和緊密性。但過大的預(yù)緊力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸增大,成本增加,也會在裝配或偶然過載時發(fā)生拉斷連接件。因此,既要保證連接所需要的預(yù)緊力,又不能使連接件過載。預(yù)緊力的大小應(yīng)根據(jù)載荷性質(zhì)、連接剛度等具體工作條件經(jīng)設(shè)計計算確定。扳動螺母擰緊連接時,擰緊力矩T(T=FHL,式中,FH為作用于手柄上的力,L為扳手力臂)要克服螺紋副間的螺紋力矩T1和螺母與被連接件(或墊圈)支承面間的摩擦力矩T2,如圖13-5所示,即T=T1+T2。由螺母傳給螺栓的螺紋力矩T1,則由施加在螺栓頭部的夾持力矩T4和螺栓頭支承面摩擦力矩T3平衡,即T1=

T4+T3,如圖13-5b所示。因此螺栓受扭,其結(jié)構(gòu)和受力(轉(zhuǎn)矩)如圖13-5c所示。擰緊螺母使螺栓受軸向拉力Fp,而被連接件則由螺栓頭和螺母以力Fp夾緊,此力即為預(yù)緊力。第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松一、螺紋連接的預(yù)緊及其控制圖13-5螺紋的擰緊力矩第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松一、螺紋連接的預(yù)緊及其控制

第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松一、螺紋連接的預(yù)緊及其控制2.預(yù)緊力的控制方法重要的連接應(yīng)采用一定的方法控制預(yù)緊力。預(yù)緊力控制方法有以下幾種。(1)利用專門的裝配工具

如借助扭力扳手(圖13-6a、b)、定力矩扳手(圖13-6c),通過擰緊力矩控制預(yù)緊力。這種方法操作簡單,應(yīng)用較廣泛,但控制預(yù)緊力準(zhǔn)確性較差,適合預(yù)緊力精度要求不高的場合,不適合大型螺栓連接和預(yù)緊力精度要求高的場合。圖13-6力矩扳手第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松一、螺紋連接的預(yù)緊及其控制

第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松一、螺紋連接的預(yù)緊及其控制

第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松二、螺紋連接的防松在靜載下連接螺紋副的自鎖能力、螺母和螺栓頭部的支承面摩擦力可有效地防止連接松脫。但在沖擊、振動及變載荷作用下或在高溫或溫度變化較大時,連接中的預(yù)緊力和摩擦力會逐漸減小或瞬時消失,使螺母松動或脫落,導(dǎo)致連接失效。螺紋連接一旦出現(xiàn)失效,輕者會影響機(jī)器的正常運轉(zhuǎn),重者會造成嚴(yán)重事故及人身傷亡。因此,對于上述情況下的螺紋連接,特別是機(jī)器內(nèi)部不易檢查的螺紋連接,必須采用有效、合理的防松措施。防松的根本問題在于防止螺紋副間的相對運動。常用的防松措施很多,就其工作原理不同,可分為三大類,見表13-3。第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松二、螺紋連接的防松第二節(jié)螺紋連接的預(yù)緊和防松二、螺紋連接的防松第三節(jié)螺栓組設(shè)計由兩個或兩個以上螺栓組成的連接稱為螺栓組連接,通常在機(jī)械設(shè)備上,螺栓連接是成組使用的。螺栓組設(shè)計的主要內(nèi)容包括:螺栓組連接的失效分析、螺栓組的受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計。一、螺栓組連接的失效分析螺栓組連接就是使被連接件A和B之間不發(fā)生相對運動,或者說被連接件A相對B在空間的六個自由度均要受到約束。如圖13-7所示螺栓組,其螺栓軸線與z軸平行。首先將螺栓組所受的任意外載荷向螺栓組形心O簡化,則有沿x軸、y軸的橫向載荷Fx、Fy和沿z軸的軸向載荷Fz;還有繞x軸、y軸的翻轉(zhuǎn)力矩Mx、My和繞z軸的轉(zhuǎn)矩Tz。被連接件A與B受橫向載荷及轉(zhuǎn)矩作用,有相對滑移的趨勢;受軸向載荷及翻轉(zhuǎn)力矩作用,有出現(xiàn)間隙或壓潰的趨勢。一旦出現(xiàn)上述情況之一,則連接失效。就整個連接而言,其失效包括被連接件之間的滑移、出現(xiàn)間隙、壓潰及斷裂;連接件的斷裂、壓潰、塑性變形及螺紋牙的滑扣。另外,沖擊、振動、溫度變化、摩擦力變化常使連接發(fā)生松脫,引起連接失效。第三節(jié)螺栓組設(shè)計一、螺栓組連接的失效分析圖13-7螺栓組連接的受力A—被連接件B—被連接件第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析螺栓組受力分析的目的在于,根據(jù)連接所受的載荷求出受力最大的螺栓及其所受的力,此力可能是連接需要的預(yù)緊力,也可能是應(yīng)傳遞的工作拉力或剪切力。為簡化分析,做如下假設(shè):①同組螺栓采用相同的材料、直徑、長度且預(yù)緊力相同。②被連接件為剛體,即受載后連接結(jié)合面仍為平面。③螺栓組的形心與連接結(jié)合面的形心重合。④螺栓的變形在彈性范圍之內(nèi)。根據(jù)圖13-7的分析,螺栓組所受載荷有以下四種基本情況:①受橫向載荷的螺栓組。②受旋轉(zhuǎn)力矩的螺栓組。③受軸向載荷的螺栓組。④受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組。下面將分別討論。第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析圖13-8受橫向載荷作用的螺栓組第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析圖13-9減載措施a)減載套筒

b)減載鍵

c)減載階梯

d)減載凸齒第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析圖13-10受轉(zhuǎn)矩作用的螺栓組a)普通螺栓組

b)加強(qiáng)桿螺栓組第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析圖13-11凸緣式聯(lián)軸器第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

圖13-12懸掛架及其螺栓布置a)懸掛架

b)螺栓布置形式第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析如圖13-13所示,螺栓組為對稱布置,且形心和結(jié)合面形心重合,翻轉(zhuǎn)力矩M作用在與連接件結(jié)合面垂直且通過對稱軸線x—x的平面內(nèi)。圖13-13受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析

第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析工程中,螺栓組受單一載荷的情況較少,其受力多為以上四種基本情況的某種組合。因此,進(jìn)行螺栓組受力分析時,首先要將載荷進(jìn)行簡化和分解,并逐一按照單一情況進(jìn)行分析,求出各螺栓所受載荷,最后將相同性質(zhì)的載荷按照力的疊加原理,求出受力最大的螺栓所受的實際載荷。圖13-14給出了三種受載情況。圖13-14a所示為一托架系統(tǒng),托架上作用載荷F。將載荷F向螺栓組形心O簡化后,得螺栓組所受載荷為橫向載荷Fy=F和轉(zhuǎn)矩Tz=Fl的組合形式,兩種載荷均由結(jié)合面的摩擦力來平衡。將每個螺栓所受的兩種摩擦力進(jìn)行矢量求和后,即可找出受載最大的螺栓所受的力。圖13-14b中,將載荷F向螺栓組形心O簡化,得螺栓組所受載荷為軸向載荷Fz和翻轉(zhuǎn)力矩My=Fl的組合。按照前述單一載荷力分析方法,分別計算各螺栓所受軸向拉力,并將Fz/z與M作用下螺栓所受的軸向載荷相加,即可求出受力最大的螺栓所受最大軸向工作載荷。第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析圖13-14c中,一機(jī)座上作用有載荷F,首先將載荷F分解成Fz和Fx,分別將Fz和Fx向螺栓組形心O簡化,得螺栓組所受載荷為:橫向載荷Fx、轉(zhuǎn)矩Tz=Fxa、軸向載荷Fz及翻轉(zhuǎn)力矩Mz=Fza和My=FxH的組合。其中,Fx和Tz=Fxa同前述;而載荷Fz與翻轉(zhuǎn)力矩Mz和My使螺栓受拉及結(jié)合面受擠壓,在保證結(jié)合面不出現(xiàn)間隙且不壓潰的條件下,平衡Fz、Mz和My所需的殘余預(yù)緊力Fp',應(yīng)大于傳遞Fx和Tz所需的預(yù)緊力Fp。由以上幾個實例可知,螺栓所受的橫向載荷和軸向載荷應(yīng)分別相加,橫向載荷按矢量相加,軸向載荷按代數(shù)相加。第三節(jié)螺栓組設(shè)計二、螺栓組連接的受力分析圖13-14螺栓組的力分析第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的在于,根據(jù)載荷情況確定連接件結(jié)合面的幾何形狀和螺栓組布置形式,力爭使各螺栓受力均勻,避免螺栓產(chǎn)生附加載荷,便于加工和裝配。設(shè)計時應(yīng)考慮的主要原則如下:1.形狀簡單連接件結(jié)合面應(yīng)盡量采用有兩個對稱軸的簡單幾何形狀,如矩形、圓形、正方形、三角形;螺栓組的形心與連接件結(jié)合面的形心重合,并與整臺機(jī)器的外形協(xié)調(diào)一致,這樣便于加工,且便于對稱布置螺栓。2.便于分度同一圓周上的螺栓數(shù)目應(yīng)采用3、4、6、8、12…,以便于分度,如圖13-15a所示。結(jié)合面較大時應(yīng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)(圖13-15b)、條狀結(jié)構(gòu)(圖13-15c)或凸臺結(jié)構(gòu),以減少加工面,且能提高連接的平穩(wěn)性和連接剛度。第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計圖13-15連接件結(jié)合面形狀a)圓形布置

b)環(huán)狀結(jié)構(gòu)

c)條狀結(jié)構(gòu)第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計4.各螺栓受力均勻1)受轉(zhuǎn)矩T和翻轉(zhuǎn)力矩M作用的螺栓組,螺栓布置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心或?qū)ΨQ軸線,如圖13-16所示,以使各螺栓受力較小。2)受橫向載荷作用的普通螺栓組,可以采用減載措施,如圖13-9所示,或采用加強(qiáng)桿螺栓。當(dāng)采用加強(qiáng)桿螺栓連接組承受橫向載荷時,由于被連接件為彈性體,在載荷作用方向上,其兩端的螺栓所受載荷大于中間的螺栓,因此沿載荷方向布置的螺栓數(shù)目每列不宜超過6~8個。圖13-16受轉(zhuǎn)矩或翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組a)合理布置

b)不合理布置第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計圖13-19松螺栓連接第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計5.螺栓的排列應(yīng)有合理的間距和邊距為方便裝配和保證支承強(qiáng)度,螺栓的各軸線之間以及螺栓軸線和機(jī)體壁之間應(yīng)有合理的間距和邊距,間距和邊距的最小尺寸根據(jù)扳手空間如圖13-17所示決定,其尺寸請查閱有關(guān)設(shè)計手冊。對于有緊密性要求的壓力容器、氣缸蓋等受軸向載荷作用的螺栓連接組,螺栓間距還應(yīng)滿足表13-5的推薦值。圖13-17扳手空間第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計6.其他1)為減少螺紋連接件的規(guī)格,以便加工和裝配,同一組螺紋連接件除非受結(jié)構(gòu)限制或受力相差過大,其材料、直徑、長度、結(jié)構(gòu)形狀等應(yīng)盡量一致。2)與螺栓頭部或螺母接觸的被連接件表面應(yīng)平整,如圖13-18所示,螺紋孔軸線應(yīng)垂直于螺母或螺栓頭部支承面,以避免螺栓受附加載荷。對于不重要的螺栓組連接,設(shè)計時也可以參考同類機(jī)型或設(shè)備,如采用類比法直接確定螺栓組的結(jié)構(gòu)形式和連接件的規(guī)格,不必進(jìn)行強(qiáng)度校核;對于重要的連接,采用類比法設(shè)計后,還要做受力分析和強(qiáng)度校核。螺栓連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析及連接件的強(qiáng)度計算方法,同樣適合于螺釘連接和雙頭螺柱連接。第三節(jié)螺栓組設(shè)計三、螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計圖13-18避免附加載荷a)球面墊圈

b)斜墊圈

c)凸臺

d)沉頭座第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算如采用標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件,螺栓、螺母、墊片等各部分的結(jié)構(gòu)尺寸均已按等強(qiáng)度原則,并考慮制造裝配等設(shè)計確定,其強(qiáng)度計算只需確定或校核螺紋部分的危險截面直徑d1,而加強(qiáng)桿螺栓只需確定或校核螺栓桿無螺紋部分的截面直徑d0,其他均可根據(jù)公稱直徑d,直接從螺紋連接件標(biāo)準(zhǔn)中選定。第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算圖13-20

緊螺栓連接的受力和變形分析a)未擰緊Fp=0

b)已擰緊未加載Fp螺釘=Fp被連接件c)加工作載荷F,Δλ1=Δλ2

d)被連接件分離Fp'=0第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算圖13-21螺栓和被連接件的力-變形曲線第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算圖13-22變載荷時螺栓的拉力變化幅第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算一、單個普通螺栓強(qiáng)度計算第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算二、單個加強(qiáng)桿螺栓強(qiáng)度計算

第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算二、單個加強(qiáng)桿螺栓強(qiáng)度計算圖13-23加強(qiáng)桿用螺栓連接第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算二、單個加強(qiáng)桿螺栓強(qiáng)度計算第四節(jié)單個螺栓的強(qiáng)度計算三、螺紋連接件的材料和許用應(yīng)力

第五節(jié)提高螺紋連接性能的措施一、提高螺紋連接強(qiáng)度的措施1.改善螺紋牙載荷分布不均現(xiàn)象螺栓連接工作時,螺桿和螺母的變形不同(螺桿受拉,螺距增大;螺母受壓,螺距減小)造成各圈螺紋受力不均。螺紋旋合圈數(shù)越多,這種載荷分布不均的現(xiàn)象越嚴(yán)重,如圖13-28所示,從第8~10圈以后的螺紋牙幾乎不受力(有關(guān)分析見參考文獻(xiàn)[7])。因此,采用加高螺母和增加旋合圈數(shù)并不能提高螺紋連接的性能,但也不可盲目選用薄螺母。采用圖13-29所示各措施均可改善螺紋牙受力不均的現(xiàn)象,但螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。圖13-28螺紋牙載荷分布1—用厚螺母2—用普通螺母第五節(jié)提高螺紋連接性能的措施一、提高螺紋連接強(qiáng)度的措施圖13-29改善螺紋牙受力a)懸置螺母b)內(nèi)斜螺母c)環(huán)槽螺母第五節(jié)提高螺紋連接性能的措施一、提高螺紋連接強(qiáng)度的措施2.減小應(yīng)力集中螺栓的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,引起螺栓應(yīng)力集中的因素很多,如螺紋牙根部、螺紋尾端、螺桿截面變化處、螺栓桿和頭部連接處等