螺栓連接的強度計算ppt課件

1、目的要求：通過討論螺旋副的效率和自鎖,并明確于 聯(lián)接和傳動的螺紋類型 。 教學(xué)重點：螺紋聯(lián)接的自鎖條件 ；結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注 意的問題、及防松方法。緊螺栓的強度 計算。 教學(xué)難點：受軸向載荷的緊螺栓的強度計算。受力 分析 教學(xué)內(nèi)容：螺旋副的受力分析、自鎖、效率；螺紋 聯(lián)接的強度計算；螺紋聯(lián)接的結(jié)構(gòu)、預(yù) 緊和防松,第二講 螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松、螺旋傳動,1,一、預(yù)緊,預(yù)緊目的保持正常工作。如汽缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大剛性等。 增大剛性增加聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力 預(yù)緊力QP預(yù)先軸向作用力（拉力）,螺紋聯(lián)接：松聯(lián)接在裝配時不擰緊，只存受外載時才受到力的作

2、用 緊聯(lián)接在裝配時需擰緊，即在承載時，已預(yù)先受力，預(yù)緊力QP,預(yù)緊過緊擰緊力QP過大，螺桿靜載荷增大、降低本身強度 過松擰緊力QP過小，工作不可靠,63 螺紋聯(lián)接和預(yù)緊和防松,2,扳手?jǐn)Q緊力矩T=FHL,擰緊時螺母：T=T1+T2 T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,FH作用于手柄上的力，L力臂,一般 K=0.10.3,擰緊力矩系數(shù),由于直徑過小的螺栓，容易在擰緊時過載拉斷，所以對于重要的聯(lián)接不宜小于M10M14,3,預(yù)緊力QP的控制： 測力矩板手測出預(yù)緊力矩，如左圖 定力矩板手達到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑，如右圖 測量預(yù)緊前后螺栓伸長量精度較

3、高,二、螺紋防松,4,1、防松目的 實際工作中，外載荷有振動、變化、材料高溫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，如經(jīng)反復(fù)作用，螺紋聯(lián)接就會松馳而失效。因此，必須進行防松，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動，或增大相對運動的難度。 3、防松辦法及措施,1）摩擦防松,雙螺母、彈簧墊圈、尼龍墊圈、自鎖螺母等,5,彈簧墊圈,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,2）機械防松： 開槽螺母與開口銷，圓螺母與止動墊圈，彈簧墊片，軸用帶翅墊片，止動墊片，串

4、聯(lián)鋼絲等,6,3）永久防松：端鉚、沖點、點焊 4）化學(xué)防松粘合,開槽螺母 與開口銷,圓螺母 與止動墊圈,串聯(lián)鋼絲,7,針對不同零件的不同失效形式，分別擬定其設(shè)計計算方法，則失效形式是設(shè)計計算依據(jù)和出點。,1、失效形式和原因,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,b）失效原因：應(yīng)力集中,a）失效形式,工程中螺栓聯(lián)接多數(shù)為疲勞失效,受拉螺栓：設(shè)計準(zhǔn)則為保證螺栓的疲勞拉伸強度和靜強度 受剪螺栓：設(shè)計準(zhǔn)則為保證螺栓的擠壓強度和剪切強度,應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展過程,2、設(shè)計計算準(zhǔn)則與思路,64 單個螺栓聯(lián)接的強度計算,8,、松螺栓聯(lián)接,如吊鉤螺

5、栓，工作前不擰緊，無QP，只有工作載荷F起拉伸作用,強度條件為：,驗算用,設(shè)計用,d1螺桿危險截面直徑（mm） 許用拉應(yīng)力 N/mm2 (MPa),s材料屈服極限Mpa表4-8 N 安全系數(shù)，表4-9,9,二、緊螺栓聯(lián)接工作前有預(yù)緊力QP,工作前擰緊，在擰緊力矩T作用下：,預(yù)緊力QP產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,螺紋摩擦力矩T1產(chǎn)生剪應(yīng)力,復(fù)合應(yīng)力狀態(tài):,接第四強度理論：, 強度條件為：,10,式中：QP 預(yù)緊力（N） T1 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)接強度的影響，這樣把拉扭的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)簡化為純拉伸來處理，大大簡化了計算手續(xù)，故又稱

6、簡化計算法,11,1、橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接計算主要防止被聯(lián)接件錯動,特點：桿孔間有間隙，靠擰緊的正壓力(QP)產(chǎn)生摩擦力來傳遞外載荷，保證聯(lián)接可靠(不產(chǎn)生相對滑移)的條件為：,（1）普通螺栓聯(lián)接,f 接縫面間的摩擦系數(shù) i接縫界面數(shù)目 KS防滑系數(shù)（可靠性系數(shù)） KS=1.11.3,12,強度條件驗算公式：,設(shè)計公式：,分析：由上式可知，當(dāng)f=0.2,i=1,KS=1則QP=5R，說明這種聯(lián)接螺栓直徑大，且在沖擊振動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,13,2、鉸制孔螺栓聯(lián)接防滑動,特點：螺桿與孔間緊密

7、配合，無間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來傳遞外載荷R進行工作,螺栓的剪切強度條件為：,螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強度條件為：,R 橫向載荷（N） d0螺桿或孔的直徑（mm） Lmin 被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長度（mm），如圖所示 螺栓許用剪應(yīng)力，MPa，,，,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,14,2、軸向載荷緊螺栓聯(lián)接強度計算,工作特點：工作前擰緊，有QP；工作后加上工作載荷F 工作前、工作中載荷變化,工作原理：靠螺桿抗拉強度傳遞外載F,解決問題： a) 保證安全可靠的工作，QP=？ b) 工作時螺栓總載荷，

8、 Q=？,分析：,圖1，螺母未擰緊螺栓螺母松馳狀態(tài),15,圖，擰緊預(yù)緊狀態(tài) 凸緣壓m QP 栓桿拉b QP,16,圖3，加載F后工作狀態(tài),栓桿繼續(xù)拉,凸緣 放松 ,殘余預(yù)緊力,總載,17, 作圖，為了更明確以簡化計算（受力變形圖） 設(shè)：材料變形在彈性極限內(nèi)，力與變形成正比,單個緊螺栓聯(lián)接受力變形圖,左圖擰緊螺母時,螺栓與被聯(lián)接件的力與變形,右圖將上兩圖合并，并施加工作載荷F,從圖線可看出，螺栓受工作載荷F時，螺栓總載荷：,18,變形協(xié)調(diào)條件：,凸緣壓力減量,變形縮小m,栓桿拉力增量,變形縮小b,變形協(xié)調(diào)條件,19,由圖可知，螺栓剛度：,被聯(lián)接件剛度：,稱螺栓相對于聯(lián)接的剛度，稱螺栓的相對剛度,

9、F 部分工作載荷,20,對殘余預(yù)緊力的要求，為保證受載后接合面聯(lián)接的緊密性應(yīng)使,QP的取法: QP =（1.51.8）F有密封要求 一般聯(lián)接 QP =（0.20.6）F 載荷穩(wěn)定 QP =（0.61.0）F 載荷不穩(wěn) QPF 地腳螺栓聯(lián)接,21,討論：,） 最不利的情況,） 最理想的情況,）不允許的情況有縫隙存在，漏氣,）降低螺栓受力的措施：,a) 必須采用剛度小螺栓（空心、加長、細頸） b) 加硬墊片或直接擰在凸緣上均可提高強度,）為聯(lián)接緊密、不漏氣，要求,22,6）計算時可根據(jù)已知條件選擇其一進行計算,a）軸向靜力緊螺栓聯(lián)接強度計算,靜力F不變，Q為靜力，但考慮補充擰緊防斷,強度條件驗算公

10、式：,設(shè)計公式：,b）軸向變載荷緊螺栓聯(lián)接強度計算,分析：當(dāng)工作載荷，由0F,螺栓總載，由QpQ QP,部分載荷，由0F0,23,3、當(dāng)驗算不滿足時措施：,b) 最好改善結(jié)構(gòu)、降低應(yīng)力集中。包括：工藝、結(jié)構(gòu)、制造、CmCb，適當(dāng)提高QP等綜合措施,a),24,三、螺栓材料與許用應(yīng)力計算,1、材料,螺母、螺栓強度級別：,1）根據(jù)機械性能，把栓母分級并以數(shù)字表示，此乃強度級別,2）所依據(jù)機械性能為抗拉強度極限Bmin和屈服極限Smin,螺栓級別:,帶點數(shù)字表示 ， 點前數(shù)字為,點后數(shù)字為,螺母級別:,注意：選擇對螺母的強度級別應(yīng)低于螺栓材料的強度級別，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于2040HB

11、）,25,2、許用應(yīng)力,許用拉應(yīng)力：,已知：不控制QP的緊螺栓聯(lián)接，易過載。 設(shè)計時應(yīng)取較大的完全系數(shù)?？刂祁A(yù)緊力時可取較小的安全系數(shù)n。 顯然n，與d 有關(guān)。 設(shè)計時，先假設(shè)d，進行試算，選取一安全系數(shù)進行計算，計算結(jié)果與估計直徑相比較，如在原先估計直徑所屬范圍內(nèi)即可，否則需重新進行估算。試算法,26,工程中螺栓皆成組使用，單個使用極少。因此，必須研究栓組設(shè)計和受力分析。它是單個螺栓計算基礎(chǔ)和前提條件。 螺栓組聯(lián)接設(shè)計的順序選布局、定數(shù)目、力分析、設(shè)計尺寸,一、結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,1、布局要盡量對稱分布，栓組中心與聯(lián)接結(jié)合面形心重合（有利于分度、劃線、鉆孔），以受力均勻,2、受剪螺栓組（鉸制孔螺栓

12、聯(lián)接）時，不要在外載作用方向布置8個以上，螺栓要使其受力均勻，以免受力太不均勻，但彎扭作用螺栓組，要適當(dāng)靠接縫邊緣布局，否則受力太不均,3、合理間距，適當(dāng)邊距，以利用扳手裝拆,65 螺栓組的設(shè)計與受力分析,27,4、避免偏心載荷作用 a）被聯(lián)接件支承面不平突起 b）表面與孔不垂直 c）鉤頭螺栓聯(lián)接,防偏載措施：a）凸合；b）凹坑（魚眼坑）；c）斜墊片,二、螺栓組受力分析,目的求受力最大載荷的螺栓,28,前提（假設(shè)）： 被聯(lián)接件為剛性不變形，只有地基變形。 各螺栓材料、尺寸、擰緊力均相同 受力后材料變形在彈性范圍內(nèi) 接合面形心與螺栓組形心重合，受力后其接縫面仍保持平面,1、受軸向載荷螺栓組聯(lián)接,

13、單個螺栓工作載荷為： F=P/Z P軸向外載 Z螺栓個數(shù),29,2、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 特點：普通螺栓，鉸制孔用螺栓皆可用，外載垂直于螺栓軸線、防滑 普 通 螺 栓 受拉伸作用 鉸制孔螺栓受橫向載荷剪切、擠壓作用。 單個螺栓所承受的橫向載荷相等 R=RL/Z,30,3、受橫向扭矩螺栓組聯(lián)接,（1）圓形接合面：單個螺栓所受橫向載荷,（2）矩形接合面,a)普通螺栓聯(lián)接,由靜平衡條件,則各個螺栓所需的預(yù)緊力為,聯(lián)接件不產(chǎn)生相對滑動的條件為：,31,b)鉸制孔螺栓聯(lián)接組,由變形協(xié)調(diào)條件可知，各個螺栓的變形量和受力大小與其中心到接合面形心的距離成正比,由假設(shè)板為剛體不變形，工作后仍保持平面，則剪應(yīng)變

14、與半徑成正比。在材料彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比,由靜平衡條件,32,4、受傾覆（縱向）力矩螺栓組聯(lián)接,特點：M在鉛直平面內(nèi)，繞O-O回轉(zhuǎn)，只能用普通螺栓，取板為受力對象，由靜平衡條件,設(shè)單個螺栓工作載荷為Fi,33,螺栓桿不拉斷的條件,設(shè)計公式,驗算公式,右側(cè)不壓潰條件（被聯(lián)接件）,QP作用下接合面的擠壓應(yīng)力,M作用下接合面的擠壓應(yīng)力,34,左側(cè)不開縫的條件,若受有橫向載荷PH，板不滑動條件為：,被聯(lián)接件相對剛度,實際使用中螺栓組聯(lián)接所受的載荷是以上四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。計算時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，然后按向量疊加起來，便得到每個螺栓的總工作載荷，再

15、對受力最大的螺栓進行強度計算即可,35,說明：工程中受力情況很復(fù)雜，但均可轉(zhuǎn)化為四種典型情況進行解決。 計算公式在對稱分布情況下推導(dǎo)，但不對稱也可以用 取轉(zhuǎn)軸不同，公式計算精度不同。,總設(shè)計思路：螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計（布局、數(shù)目）螺栓組受力分析（載荷類型、狀態(tài)、形式）求單個螺栓的最大工作載荷（判斷哪個最大）按最大載荷的單個螺栓設(shè)計（求d1標(biāo)準(zhǔn)）全組采用同樣尺寸螺栓（互換的目的）,36,影響聯(lián)接強度的因素很多，如材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應(yīng)力幅度、機械性能，而螺栓聯(lián)接的強度又主要取決于螺栓的強度。,一、改善螺紋牙間載荷分布不均狀況,工作中螺栓牙抗拉伸長，螺母牙受壓縮短，伸與縮的螺距變

16、化差以緊靠支承面處第一圈為最大，應(yīng)變最大，應(yīng)力最大，其余各圈依次遞減，旋合螺紋間的載荷分布如圖所示。所以采用圈數(shù)過多的加厚螺母，并不能提高聯(lián)接的強度。,辦法：降低剛性，易變形、增加協(xié)調(diào)性，以緩和矛盾,63 提高螺栓聯(lián)接的強度的措施,37,a) 懸置螺母 b) 環(huán)槽螺母 c)內(nèi)斜螺母 d)環(huán)槽內(nèi)斜,三、降低螺栓應(yīng)力幅,1、降低螺栓剛性,抗疲勞強度得到提高，可用豎心桿、細長桿、柔性螺栓聯(lián)接,38,2、增大凸緣剛性,提高了螺栓聯(lián)接疲勞強度，采用高硬度墊片或直接擰在鑄鐵,3、同時使用Cb,Cm同時適當(dāng)增加QP,提高被聯(lián)接件剛性Cm 降低螺栓剛性Cb , 同時QP2QP2 理想方法,39,三、減小應(yīng)力集

17、中的影響,1）加大過渡處圓角(圖1) 2）改用退刀槽 3）卸載槽，(圖2) 4）卸載過渡結(jié)構(gòu)。（圖3）,40,四、采用合理的制造工藝,1）用擠壓法（滾壓法）制造螺栓，疲勞強度提高3040% 2）冷作硬化，表層有殘余應(yīng)力（壓）、氰化、氮化、噴丸等可提高疲勞強度 3）熱處理后再進行滾壓螺紋，效果更佳，強度提高70100 %，此法具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗功能 4）控制單個螺距誤差和螺距累積誤差,41,一、螺旋傳動的類型、特點與應(yīng)用,1、應(yīng)用,螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動將直線運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，同時傳遞運動或動力。,2、傳動形式： a)螺桿轉(zhuǎn)螺母

18、移 b)螺桿又轉(zhuǎn)又移（螺平固定）用得多 c) 螺母轉(zhuǎn)螺桿移 d) 螺母又轉(zhuǎn)又移（螺桿固定）用得少,67 螺旋傳動,42,按用途分三類： 1）傳力螺旋舉重器、千斤頂、加壓螺旋 特點：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖 2）傳導(dǎo)螺旋機床進給匯杠傳遞運動和動力 特點：速度高、連續(xù)工作、精度高 3）調(diào)整螺旋機床、儀器及測試裝置中的微調(diào)螺旋。 特點：是受力較小且不經(jīng)常轉(zhuǎn)動,3、螺旋傳動類型,螺旋傳動按摩擦副的性質(zhì)分：,1、滑動螺旋：構(gòu)造簡單、傳動比大，承載能力高，加工方便、傳動平穩(wěn)、工作可靠、易于自鎖,缺 點 ：磨損快、壽命短，低速時有爬行現(xiàn)象（滑移），摩擦損耗大，傳動效率低（3040%）傳動精度低,43,2、滾動螺旋傳動摩擦性質(zhì)為滾動摩擦。滾動螺旋傳動是在具有圓弧形螺旋槽的螺桿和螺母之間連續(xù)裝填若干滾動體（多用鋼球），當(dāng)傳動工作時，滾動體沿螺紋滾道滾動并形成循環(huán)。按循環(huán)方式有：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種,特點：傳動效率高（可達90%），起動力矩小，傳動靈活平穩(wěn)，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆運動效率相同，可實現(xiàn)逆?zhèn)鲃印?缺點：不自鎖，需附加自鎖裝置，抗振性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高，成本較高。,44,3、靜壓螺旋液體摩擦，靠外部液壓系統(tǒng)提高壓力油，壓力油進入螺桿與螺母螺紋間的油缸，促使螺桿、螺母、螺紋牙間產(chǎn)生壓力油膜而分隔開,特點：