第三章螺纹联接.ppt

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1、第二篇第二篇 联联 接接 联接分类联接分类：1.1.按机械工作时被联接零（部）件间是否有相对运动分：按机械工作时被联接零（部）件间是否有相对运动分：2.2.按能否拆开分：按能否拆开分：联接联接静联接静联接动联接动联接螺纹联接、键联接、花键联接、销联接螺纹联接、键联接、花键联接、销联接 导向平键联接、导向花键联接及各种运动副导向平键联接、导向花键联接及各种运动副 联接联接可拆联接可拆联接不可拆联接不可拆联接螺纹联接、键联接，销联接、形面联接螺纹联接、键联接，销联接、形面联接 焊接、粘接和铆接等焊接、粘接和铆接等 第三章第三章 螺纹联接螺纹联接 一、螺纹的形成及其分类一、螺纹的形成及其分类 第一节

2、第一节 螺纹及螺纹参数螺纹及螺纹参数 （一）螺纹的形成（一）螺纹的形成1.1.螺旋线的形成螺旋线的形成s d2 d2第三章第三章 螺纹联接螺纹联接 一、螺纹的形成及其分类一、螺纹的形成及其分类 第一节第一节 螺纹及螺纹参数螺纹及螺纹参数 （一）螺纹的形成（一）螺纹的形成1.1.螺旋线的形成螺旋线的形成s d2 d2第三章第三章 螺纹联接螺纹联接 第一节第一节 螺纹及螺纹参数螺纹及螺纹参数 右旋、单头右旋、单头左旋、单头左旋、单头右旋、双头右旋、双头2 2、螺纹的形成、螺纹的形成右旋单线三角螺纹的形成右旋单线三角螺纹的形成右旋双线三角螺纹的形成右旋双线三角螺纹的形成右旋双线矩形螺纹的形成右旋双线

3、矩形螺纹的形成左旋双线矩形螺纹的形成左旋双线矩形螺纹的形成（二）螺纹的分类（二）螺纹的分类普通螺普通螺纹纹 管螺纹管螺纹 自攻螺钉用螺纹自攻螺钉用螺纹 矩矩形形螺螺纹纹 梯梯形螺纹形螺纹 锯齿锯齿形螺纹形螺纹 1.1.按牙型分按牙型分:2.2.按螺纹分布的部位，可分为按螺纹分布的部位，可分为外螺纹外螺纹和和内螺纹内螺纹。外螺纹外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹内螺纹内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹3.3.根据螺旋线绕行方向：根据螺旋线绕行方向：左旋左旋、右旋右旋。内外螺纹两者旋合组成的运动副称为内外螺纹两者旋合组成的运动副称为螺纹副螺纹副或或螺

4、螺旋副旋副。4.4.根据螺旋线的数目，分为根据螺旋线的数目，分为单线螺纹单线螺纹和和多线螺纹多线螺纹。单线螺纹用于联接，多线螺纹用于传动。单线螺纹用于联接，多线螺纹用于传动。二、二、普通普通螺纹的主要参数螺纹的主要参数1.1.大径大径 d：最大直径最大直径螺纹的公称直径。螺纹的公称直径。2.2.小径小径 d1：最小直径最小直径常用于联接的强度计算常用于联接的强度计算3.3.中径中径 d2 轴向剖面内轴向剖面内牙厚等于牙间宽处的圆柱牙厚等于牙间宽处的圆柱直径。直径。dd2d1常用于联接的几何计算常用于联接的几何计算4.4.螺距螺距PP5.5.导程导程S Sd2SnP6.6.升角升角：在中径圆柱上

5、，螺旋线在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直其轴线的平面所夹的的切线与垂直其轴线的平面所夹的夹角夹角 d2 S 7.7.牙型角牙型角8.8.牙侧角牙侧角 对于对称牙型对于对称牙型 第二节第二节 螺纹联接螺纹联接 一、螺旋副的受力分析、效率和自锁一、螺旋副的受力分析、效率和自锁 T1问题的提出：问题的提出：1.1.力关系力关系2.2.效率问题效率问题螺旋千斤顶螺旋千斤顶Q3.3.自锁问题自锁问题问题的提出：问题的提出：1.1.力关系力关系2.2.效率问题效率问题螺旋千斤顶螺旋千斤顶Q一、矩形螺旋副一、矩形螺旋副 T11.1.力关系式力关系式T1d21.1.力关系式力关系式FFQ QQ Q 1.1.力

6、关系式力关系式T1Q1.1.力关系式力关系式摩擦角摩擦角 ：Q Q+Q QN NR RF Ff fF FR RF F 1.1.力关系式力关系式摩擦角摩擦角 ：d2F Q QN NR RF Ff fF F 当螺母旋转一周时当螺母旋转一周时:2.2.螺旋副的效率螺旋副的效率输入功：输入功：输出功：输出功：T1S 当螺母旋转一周时当螺母旋转一周时:输入功：输入功：输出功：输出功：2.2.螺旋副的效率螺旋副的效率Q QS效率效率:在工程应用中：在工程应用中：0 10 20 30 40 50 60 70 80 9010080604020螺纹升角螺纹升角 效率效率（%）2.2.螺旋副的效率螺旋副的效率3.

7、3.螺旋副的自锁螺旋副的自锁 QNFfFR -QFR当当 时，时，自锁条件自锁条件 ：螺旋副自锁的用处：螺旋副自锁的用处：连接用的螺旋副，紧固物件可连接用的螺旋副，紧固物件可自动防松自动防松；螺旋千斤顶举重物，可自动防止重物下落。螺旋千斤顶举重物，可自动防止重物下落。小结：矩形螺旋副力关系、效率、自锁条件小结：矩形螺旋副力关系、效率、自锁条件 二、非矩形螺旋副二、非矩形螺旋副 设设 QFf f N f QN Q/cos Ff f N f Q/cos QFf f N f QN Q/cos Ff f N f Q/cos fv当量摩擦因数。当量摩擦因数。v当量摩擦角。当量摩擦角。非矩形螺旋副力关系、

8、效率、自锁条件非矩形螺旋副力关系、效率、自锁条件讨论讨论：1.当螺纹升角当螺纹升角 一定时，螺纹的牙型斜角一定时，螺纹的牙型斜角 愈大，则愈大，则fv（或（或 v）愈大，效率愈低，但自锁性愈大，效率愈低，但自锁性愈好。因而在几种牙型的螺纹中，三角形螺纹愈好。因而在几种牙型的螺纹中，三角形螺纹自锁性最好，其次为梯形、锯齿形螺纹、矩形自锁性最好，其次为梯形、锯齿形螺纹、矩形螺纹自锁性最差，传动效率则与此相反。螺纹自锁性最差，传动效率则与此相反。2.2.当当fv（或（或 v）一定时，一般升角一定时，一般升角 愈小，愈小，螺纹效率愈低，愈易自锁。故螺纹效率愈低，愈易自锁。故单线螺纹多用于单线螺纹多用于

9、联接，多线螺纹则常用于传动联接，多线螺纹则常用于传动。因此因此三角形螺纹用于联接，梯形、锯齿形三角形螺纹用于联接，梯形、锯齿形螺纹、矩形螺纹用于传动螺纹、矩形螺纹用于传动。第三节第三节 螺纹联接的主要类型和标准联接件螺纹联接的主要类型和标准联接件 一、机械设备中的常用螺纹一、机械设备中的常用螺纹 螺纹螺纹 联接用螺纹联接用螺纹 传动用螺纹传动用螺纹 三角形螺纹三角形螺纹 矩形、梯形和锯齿形螺纹矩形、梯形和锯齿形螺纹 二、螺纹联接的主要类型二、螺纹联接的主要类型 1.1.螺栓联接螺栓联接1)1)普通螺栓联接普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺

10、杆穿过通孔与螺母配合使带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多次装拆，应用较广。可多次装拆，应用较广。2)2)铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接铰制孔用螺栓能精铰制孔用螺栓能精确固定联接件的相对位置并能承受横向载确固定联接件的相对位置并能承受横向载荷，但对孔的加工精度要求高。荷，但对孔的加工精度要求高。2.2.双头螺栓联接双头螺栓联接双头螺柱旋紧在被联接件之一的螺孔中，双头螺柱旋紧在被联接件之一的螺孔中，用于因结构限制不能用螺栓联接的地方用于因结构限制不能用螺栓联接的地方（

11、如被联接之一太厚）或希望结构较紧（如被联接之一太厚）或希望结构较紧凑且经常装拆的场合凑且经常装拆的场合 。3.3.螺钉联接螺钉联接适于被联接件之一较适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况。较小情况。4 4、紧定螺钉联接、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩的轴向力或扭矩。吊环螺钉联接吊环螺钉联接特殊联接：特殊联接：地

12、脚螺栓联地脚螺栓联接接三、标准螺纹联接件三、标准螺纹联接件螺纹联接件的类型很多，在机械设备中常见的有螺纹联接件的类型很多，在机械设备中常见的有螺栓螺栓、双头螺栓双头螺栓、螺钉螺钉、螺母螺母和和垫圈垫圈等。这类零件的结构型式和尺等。这类零件的结构型式和尺寸都已标准化，设计时应根据有关标准选用。寸都已标准化，设计时应根据有关标准选用。1.1.螺栓螺栓 普通螺栓普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，六角头，小六角头，标准六角头，大六角头大六角头,内六角内六角 铰制孔螺栓铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺纹部分直径较小 2.2.双头螺柱双头螺柱两端带螺纹两端带螺纹 A A型型有退刀槽有退刀槽 B B型型无

13、退刀槽无退刀槽3.3.螺钉螺钉 与螺栓区别与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗，全螺纹。要求螺纹部分直径较粗，全螺纹。4.4.紧定螺钉紧定螺钉 锥锥 端端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合。适于零件表面硬度较低不常拆卸常合。平平 端端接接触触面面积积大大、不不伤伤零零件件表表面面，用用于于顶顶紧紧硬硬度度较较大大的平面，适于经常拆卸。的平面，适于经常拆卸。圆圆柱柱端端压压入入轴轴上上凹凹坑坑中中，适适于于紧紧定定空空心心轴轴上上零零件件的的位位置置轻材料和金属薄板。轻材料和金属薄板。5.5.自攻螺钉自攻螺钉由螺钉攻出螺纹由螺钉攻出螺纹6.6.螺母螺母 六角螺母：标准，扁，厚六角螺母：标准，扁，厚 圆螺

14、母圆螺母+止退垫圈止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧7.7.垫圈垫圈第四节第四节 螺纹联接的拧紧和防松螺纹联接的拧紧和防松 一、螺纹联接的拧紧一、螺纹联接的拧紧 螺纹拧紧的螺纹拧紧的目的目的：增：增强螺纹的联接的可靠性、强螺纹的联接的可靠性、紧密性和防松能力。紧密性和防松能力。预紧力预紧力F：大多数螺大多数螺纹联接在装配时都需要拧纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧这个预加作

15、用力称为预紧力。力。1.1.确定拧紧力矩确定拧紧力矩 T0.2F d (3-9)一般标准扳手的长度一般标准扳手的长度L15d,若拧紧力为若拧紧力为F，则，则T=FL,由（由（3-9）式可得：）式可得：F 75F。假假定定F=200N，则则F=15000N。如果用这个预紧力如果用这个预紧力拧紧拧紧M12以下的钢制螺栓，以下的钢制螺栓，就很可能过载折断。因此，就很可能过载折断。因此，对于重要的联接，应尽可对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小（例如能不采用直径过小（例如小于小于M12）的螺栓。必须的螺栓。必须使用时，应严格控制其拧使用时，应严格控制其拧紧力矩。紧力矩。2.2.控制预紧力的方法控制预

16、紧力的方法 利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用用测力矩扳手测力矩扳手或或定力矩扳手定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采，对于重要的螺栓联接，也可以采用用测测定螺栓伸长定螺栓伸长的方法来控制预紧力。的方法来控制预紧力。动画动画动画动画二、螺纹联接的防松二、螺纹联接的防松 2 2、防松原理、防松原理消消除除（或或限限制制）螺螺纹纹副副之之间间的的相相对对运运动动，或或增增大大相相对对运运动动的的难度。难度。按按工工作作原原理理的的不不同同，防防松松方方法法分分为为摩摩擦擦防防松松、机机械械防防松松、永永久止动防松久止动防松等。

17、等。1 1、防松目的、防松目的实实际际工工作作中中，外外载载荷荷有有振振动动、变变化化、材材料料高高温温蠕蠕变变等等会会造造成成摩摩擦擦力力减减少少，螺螺纹纹副副中中正正压压力力在在某某一一瞬瞬间间消消失失、摩摩擦擦力力为为零零，从从而而使使螺螺纹纹联联接接松松动动，如如经经反反复复作作用用，螺螺纹纹联联接接就就会会松松驰驰而而失失效效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。3 3、防松办法及措施、防松办法及措施1 1）摩擦防松）摩擦防松 双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等 弹簧垫圈弹簧垫圈

18、1 1）摩擦防松）摩擦防松 自锁螺母自锁螺母1 1）摩擦防松）摩擦防松 以特殊技术使特殊的工程树以特殊技术使特殊的工程树脂材料永久粘付在螺牙上，利用脂材料永久粘付在螺牙上，利用工程树脂材料的反弹性，使螺栓工程树脂材料的反弹性，使螺栓和螺母在锁紧过程中通过挤压工和螺母在锁紧过程中通过挤压工程树脂材料产生强大的摩擦力，程树脂材料产生强大的摩擦力，达到对震动及冲击的绝对阻力，达到对震动及冲击的绝对阻力，彻底解决了螺丝的松动问题。彻底解决了螺丝的松动问题。2 2）机械防松）机械防松 开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，止开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，止动垫片，串联钢丝等。动垫片，串联钢丝等。开槽

19、螺母与开口销开槽螺母与开口销2 2）机械防松）机械防松 圆螺母与止动垫圈圆螺母与止动垫圈2 2）机械防松）机械防松 止动垫片止动垫片2 2）机械防松）机械防松 串联钢丝串联钢丝防盗装置防盗装置3 3）永久防松：端铆、冲点、点、粘合）永久防松：端铆、冲点、点、粘合防松紧固的新工艺防松紧固的新工艺:微型胶囊防松紧固加工工艺微型胶囊防松紧固加工工艺。当紧固件安装进去时，胶囊就会当紧固件安装进去时，胶囊就会破裂，产生化学反应使之凝固。但以破裂，产生化学反应使之凝固。但以前的这种加工需要较长的凝固时间，前的这种加工需要较长的凝固时间，而且保管时间也比较短，在使用方法而且保管时间也比较短，在使用方法与稳定

20、上都给使用者带来很多不便。与稳定上都给使用者带来很多不便。PrecotePrecote 作为一种化学毡合剂，作为一种化学毡合剂，他的主要特性就是环氧树脂与固化剂他的主要特性就是环氧树脂与固化剂各自独立包装在微型胶囊里。这种专各自独立包装在微型胶囊里。这种专利技术与只有一种成分的胶囊包装工利技术与只有一种成分的胶囊包装工艺相比，他的寿命更长。而且可以避艺相比，他的寿命更长。而且可以避免由于潮湿或溶剂反应而使之提前固免由于潮湿或溶剂反应而使之提前固化。化。第五节螺栓组联接的受力分析第五节螺栓组联接的受力分析 螺栓组联接受力分析的螺栓组联接受力分析的目的：目的：根据联接的结构和载荷情况，求出联接中受

21、载根据联接的结构和载荷情况，求出联接中受载最大的螺栓及其载荷，为螺栓强度计算提供依据。最大的螺栓及其载荷，为螺栓强度计算提供依据。前提（假设）前提（假设）：(1)各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同。各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同。(2)受力后材料变形在弹性范围内。受力后材料变形在弹性范围内。(3)被联接件为刚性不变形，只有地基变形。被联接件为刚性不变形，只有地基变形。(4)接合面形心与螺栓组形心接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍重合，受力后其接缝面仍保持平面。保持平面。一、受轴向载荷一、受轴向载荷Q Q的螺栓组联接的螺栓组联接 单个螺栓工作载荷为：单个螺栓工作载荷为：F=Q/ZF=Q/Z

22、 Q Q轴向外载荷轴向外载荷 ZZ螺栓个数螺栓个数 二、受横向载荷二、受横向载荷R R的螺栓组联接的螺栓组联接载荷载荷R的作用线通过螺栓组形心，并与螺栓轴线垂直。载的作用线通过螺栓组形心，并与螺栓轴线垂直。载荷荷R可以通过受拉或受剪螺栓联接来传递可以通过受拉或受剪螺栓联接来传递。1.1.受拉螺栓联接受拉螺栓联接 每个螺栓需要的预紧力为：每个螺栓需要的预紧力为：式中式中 Kf可靠性系数，可靠性系数，Kf=1.11.3；fs接合面间的摩擦系数，对于钢或接合面间的摩擦系数，对于钢或铸铁的干燥加工表面铸铁的干燥加工表面fs=0.100.16，当当加工表面沾有油污时加工表面沾有油污时fs=0.060.1

23、0；（311）2.2.受剪螺栓联接受剪螺栓联接 设联接螺栓数目为设联接螺栓数目为z,则每个螺栓受到横则每个螺栓受到横向工作剪力为向工作剪力为：(3-12)三、受旋转力矩三、受旋转力矩T T的螺栓组联接的螺栓组联接 1.1.受拉螺栓联接受拉螺栓联接 则各个螺栓所需的预紧力为：则各个螺栓所需的预紧力为：假设各螺栓的预紧力相假设各螺栓的预紧力相同，而且各螺栓联接处产生同，而且各螺栓联接处产生的摩擦力集中作用在螺栓中的摩擦力集中作用在螺栓中心，并垂直于螺栓中心与底心，并垂直于螺栓中心与底板旋转中心的连线。板旋转中心的连线。联接件联接件不产生相对滑动的条件为：不产生相对滑动的条件为：(313)2.2.受

24、剪螺栓联接受剪螺栓联接 在在旋旋转转力力矩矩T作作用用下下,各各螺螺栓栓受受的的横横向向工工作作剪剪力力Fs与与螺螺栓栓中中心心到到底底板板旋旋转转中中心心的的连连线线垂垂直直,计计算算中中不不考考虑虑结结合合面面摩摩擦擦力力的的影影响响,按底板静力平衡条件得按底板静力平衡条件得根据螺栓变形协调条件，各螺栓的剪切变形量与螺栓中心到根据螺栓变形协调条件，各螺栓的剪切变形量与螺栓中心到底板旋转中心的距离成正比。由于螺栓的剪切刚度相同，所以各底板旋转中心的距离成正比。由于螺栓的剪切刚度相同，所以各螺栓受的横向工作剪力也与这个距离成正比，即螺栓受的横向工作剪力也与这个距离成正比，即 或或将此式代入上式

25、得将此式代入上式得 或或(3-14)式中式中 Fsi第第i个螺栓承受的横向工作剪力；个螺栓承受的横向工作剪力；Fsmax受受载载最最大大（离离螺螺栓栓组组形形心心最最远远）的的螺螺栓栓承承受受的的横横向工作剪力；向工作剪力；ri第第i个螺栓中心至底板旋转中心的距离；个螺栓中心至底板旋转中心的距离；rmax受载最大的螺栓中心至底板旋转中心的距离。受载最大的螺栓中心至底板旋转中心的距离。四、受翻转力矩四、受翻转力矩M的螺栓组联接的螺栓组联接 假设被联接件（基座）有一定的假设被联接件（基座）有一定的弹性，而底板刚性很大，接合面始终弹性，而底板刚性很大，接合面始终保持平面，在保持平面，在M作用下底板有

26、绕螺栓作用下底板有绕螺栓组对称轴线组对称轴线O-O翻转的趋势，各螺栓翻转的趋势，各螺栓承受的预紧力承受的预紧力F相等，拉伸刚度相同。相等，拉伸刚度相同。设单个螺栓工作载荷为设单个螺栓工作载荷为F Fi i，取取板板为受力对象，由静平衡条件得为受力对象，由静平衡条件得 或或根据螺栓变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与螺栓中心至根据螺栓变形协调条件，各螺栓的拉伸变形量与螺栓中心至底板翻转轴线底板翻转轴线O-O的距离的距离Li成正比。由于螺栓的拉伸刚度相同，成正比。由于螺栓的拉伸刚度相同，所以各螺栓的工作拉力所以各螺栓的工作拉力Fi与距离与距离Li成正比，即成正比，即 或或将此式代入上式得将此式代入上

27、式得 或或（315）式式中中 Fmax受受载载最最大大（离离翻翻转转轴轴线线O-O距距离离最最远远）的的螺螺栓栓承受的轴向工作拉力；承受的轴向工作拉力；Fi第第i个螺栓承受的轴向工作拉力；个螺栓承受的轴向工作拉力；Lmax受载最大的螺栓中心至底板翻转轴线的距离；受载最大的螺栓中心至底板翻转轴线的距离；Li第第i个螺栓中心至底板翻转轴线的距离。个螺栓中心至底板翻转轴线的距离。1.接合面右边不被压溃的条件接合面右边不被压溃的条件（316）2.接合面左边出现间隙的条件接合面左边出现间隙的条件（317）式中式中 F每个螺栓的预紧力（每个螺栓的预紧力（N）；）；z螺栓数目：螺栓数目：A接合面面积（接合面

28、面积（mm2），），如图如图3-18所示，所示，A=ab-ab1；W接合面对接合面对O-O轴的抗弯截面模量（轴的抗弯截面模量（mm3），；），；s sp接合面材料的许用挤压应力接合面材料的许用挤压应力(MPa)，应接强度较弱者选取，其应接强度较弱者选取，其值列于表值列于表3-5。在工程中在工程中螺栓组联接螺栓组联接受力情况很复杂，受力情况很复杂，实际使用实际使用中螺栓组联接所受的载荷是以上中螺栓组联接所受的载荷是以上四种简单受力状态的四种简单受力状态的不同组合不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起受力状

29、态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可。螺栓进行强度计算即可。第六节第六节 螺纹联接的失效形式和计算准则螺纹联接的失效形式和计算准则 一、螺栓联接的失效形式一、螺栓联接的失效形式 对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的分的塑性变形塑性变形和和螺杆的疲劳断裂螺杆的疲劳断裂。对于受剪螺栓，其失效形式可能是对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆螺栓杆被剪断被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃压溃。二、螺栓联接的强度计算准则二、螺栓

30、联接的强度计算准则 对于受拉螺栓，设计准则是保证螺栓的对于受拉螺栓，设计准则是保证螺栓的静力静力或或疲劳抗拉强度疲劳抗拉强度；对于受剪螺栓其设计准则是保证联接的对于受剪螺栓其设计准则是保证联接的挤压强挤压强度度和螺栓的和螺栓的抗剪强度抗剪强度，其中联接的挤压强度对联接，其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性作用。的可靠性起决定性作用。第七节第七节 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算 螺栓联接强度计算的螺栓联接强度计算的目的目的是：根据强度条件确定螺栓是：根据强度条件确定螺栓直径或校核其强度直径或校核其强度 ，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。

31、分尺寸均按标准选定。螺栓联接的强度计算主要与联接的装配情况（预螺栓联接的强度计算主要与联接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。（一）松螺栓联接（一）松螺栓联接如如吊吊钩钩螺螺栓栓，工工作作前前不不拧拧紧紧，只只有有工作载荷工作载荷F F起拉伸作用，强度条件为：起拉伸作用，强度条件为：验算用验算用 设计用设计用 式中式中 d1螺纹小径，螺纹小径，mm；s s松螺栓联接的许用拉应力，松螺栓联接的许用拉应力，MPa，其值见表其值见表3-6。一、受拉螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接的强度计算 或或（二）紧螺栓联接（二）紧螺栓联接 1只

32、受预紧力的紧螺栓联接只受预紧力的紧螺栓联接 拧紧螺母时，螺栓除受预紧力拧紧螺母时，螺栓除受预紧力F产生的拉应力产生的拉应力s s外，还受螺纹力矩外，还受螺纹力矩T1产生的扭剪应力产生的扭剪应力t t作用。螺栓危险剖作用。螺栓危险剖面上产生的拉应力面上产生的拉应力s s和扭剪应力和扭剪应力t t分别分别为为对于常用的对于常用的M10M68的钢制普通螺栓，可取的钢制普通螺栓，可取、，则。、，则。故螺纹部分的强度条件为故螺纹部分的强度条件为 验算用验算用 设计用设计用 式中式中 s s紧联接螺栓的许用拉应力（紧联接螺栓的许用拉应力（MPa）由于钢制螺栓是塑性材料，根据第四强度理论其当量应力为由于钢制

33、螺栓是塑性材料，根据第四强度理论其当量应力为 由此可见，同时受拉伸和扭转作用的紧联接螺栓，可把拉力由此可见，同时受拉伸和扭转作用的紧联接螺栓，可把拉力增大增大30%30%当纯拉伸来计算螺栓的强度，以考虑螺纹力矩的影响，当纯拉伸来计算螺栓的强度，以考虑螺纹力矩的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续，故又称算手续，故又称简化计算法简化计算法 。但由式（但由式（3-11）可知，当）可知，当m=1，fs=0.15，Kf=1.2时，螺栓需要的时，螺栓需要的预紧力预紧力F=8=8R R。因而所需螺栓尺寸较大，如有冲击、

34、振动或变载荷因而所需螺栓尺寸较大，如有冲击、振动或变载荷作用时，联接的可靠性更差。作用时，联接的可靠性更差。（311）为避免上述缺点，为避免上述缺点，增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力，载能力，可采用各种抗剪元件来传递横向载荷，如用销、套简、键可采用各种抗剪元件来传递横向载荷，如用销、套简、键等，如图等，如图3-21所示。其强度计算与受剪螺栓联接相似。另外，也可所示。其强度计算与受剪螺栓联接相似。另外，也可改为铰制孔用螺栓联接。改为铰制孔用螺栓联接。a)a)减载销减载销b)b)减载套筒减载套筒c)c)减载键减载键 靠摩擦传递横向载荷的联接，具有结

35、构简单、装配方便等优点。靠摩擦传递横向载荷的联接，具有结构简单、装配方便等优点。2受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接（2 2）解决问题解决问题：a)a)工作时螺栓总载荷，工作时螺栓总载荷，0 0=？b)b)保证安全可靠的工作，保证安全可靠的工作，预紧力预紧力F=？（1 1）工作特点工作特点：工作前拧紧，有：工作前拧紧，有预紧力预紧力F；工作后加工作后加上工作载荷上工作载荷F F，工作前、工作中载荷变化。工作前、工作中载荷变化。（3）根据变形协调条件求螺拴受力）根据变形协调条件求螺拴受力a)a)螺母拧紧后未受工作拉力时，联接只受螺母拧紧后未受工作拉力时，联接只受F F作

36、用作用 （a）螺拴）螺拴变形图变形图(b)联接件变形图联接件变形图（c）合并后的变形图合并后的变形图设设c1、c2分别表示螺栓和联接件的刚度，则螺栓的伸长变形量分别表示螺栓和联接件的刚度，则螺栓的伸长变形量为为d d1=F/c1，联接件的压缩变形量为联接件的压缩变形量为d d2=F/c2。b)b)螺母拧紧后受工作拉力螺母拧紧后受工作拉力F F作用作用从图线可看出，从图线可看出，螺栓受工作载荷螺栓受工作载荷F F时，时，螺栓总载荷：螺栓总载荷：F0=F+F（3-20）变形协调条件变形协调条件DdDd1=Dd Dd2（321）（322）（323）Kc的值与螺栓刚度的值与螺栓刚度c1和被联接件（包括

37、垫片、螺母和被联接件（包括垫片、螺母和垫圈等）刚度和垫圈等）刚度c2有关，在有关，在01之间变化。之间变化。Kc的值可通过计算或试验确定。对于钢螺栓和钢、铁的的值可通过计算或试验确定。对于钢螺栓和钢、铁的被联接件，其值如下：被联接件，其值如下：皮革垫片皮革垫片Kc=0.7；金属垫片或不用垫片金属垫片或不用垫片Kc=0.20.3；铜皮、石棉垫片铜皮、石棉垫片Kc=0.8；橡胶垫片橡胶垫片Kc=0.9。式中式中，称为相对刚度系数。称为相对刚度系数。当当螺栓刚度螺栓刚度c1很小（如细长的或中空螺栓），而被联很小（如细长的或中空螺栓），而被联接件（包括垫片、螺母和垫圈等）刚度接件（包括垫片、螺母和垫圈

38、等）刚度c2很大时很大时，由知，螺栓所受总拉力增加很少。由知，螺栓所受总拉力增加很少。反过来当反过来当螺栓刚度螺栓刚度c1很大，而被联接件（包括垫片、很大，而被联接件（包括垫片、螺母和垫圈等）刚度螺母和垫圈等）刚度c2很小时很小时，由，由知，螺栓所受总拉力有较大的增加。知，螺栓所受总拉力有较大的增加。为了降低螺栓的受力，提高螺栓联接的承载能力，应使为了降低螺栓的受力，提高螺栓联接的承载能力，应使Kc的值尽量小些的值尽量小些。c)c)剩余预紧力剩余预紧力F F 的的选取选取若工作载荷若工作载荷F过大，致使过大，致使DdDd1d d2，被被联接件间出现缝隙，这是不允许的。因此，联接件间出现缝隙，这

39、是不允许的。因此，要求工作时要求工作时剩余预紧力剩余预紧力F大于零大于零，以保，以保证联接的紧密性和刚性。证联接的紧密性和刚性。通常根据工作要求按经验选取通常根据工作要求按经验选取F，下下列数据可供参考：列数据可供参考：对紧固联接，当对紧固联接，当F无变化时，无变化时，F=（0.20.6）F；当当F有变化时，有变化时，F=（0.61.0）F；对压力容器等紧密性要求较高的联接，对压力容器等紧密性要求较高的联接，F=（1.51.8）F；对地脚螺栓联接，对地脚螺栓联接，FF。d)d)设计时力计算公式的使用设计时力计算公式的使用已知已知F、F，由式（由式（3-20）求出）求出F0 0，以计算螺栓的强以

40、计算螺栓的强度；由式（度；由式（3-22）求出预紧力）求出预紧力F。F0=F+F（320）（322）已知已知F、F F ，由式（由式（3-23）求出）求出F0 0，以计算螺栓的强以计算螺栓的强度；由式（度；由式（3-21）求出）求出F以检查其是否达到需要值。以检查其是否达到需要值。（323）（321）（4）受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接强度条件强度条件设计用设计用验算用验算用或或紧联接螺栓通常应在承受工作拉力之前拧紧。为了紧联接螺栓通常应在承受工作拉力之前拧紧。为了安全，考虑到可能在总拉力安全，考虑到可能在总拉力F0作用下被补充拧紧（应尽作用下被补充拧紧（应尽量避

41、免），量避免），因此因此螺栓承受了拉、扭应力的作用，按第四螺栓承受了拉、扭应力的作用，按第四强度理论得出的强度条件为：强度理论得出的强度条件为：3.受预紧力和变载荷的紧螺栓联接受预紧力和变载荷的紧螺栓联接 当工作拉力在当工作拉力在0与与F之间变化时，螺栓的拉力变幅为之间变化时，螺栓的拉力变幅为:（F F0 0F F ）/2=/2=D DF F/2=/2=K Kc cF F/2/2。（325）二、受剪螺栓联接强度计算二、受剪螺栓联接强度计算 主要失效形式有：主要失效形式有：螺栓杆被剪断螺栓杆被剪断，螺栓杆与孔壁螺栓杆与孔壁接触表面压溃接触表面压溃。1.1.螺栓杆的抗剪强度条件为螺栓杆的抗剪强度条

42、件为(3-26)2.2.螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为(3-27)式中式中 Fs单个螺栓承受的横向工作剪力（单个螺栓承受的横向工作剪力（N）；）；m螺栓杆受剪面的数目，如图螺栓杆受剪面的数目，如图3-25a所示，所示，m=1，如图如图3-25b所示，所示，m=2；d0螺栓杆受剪面的直径（螺栓杆受剪面的直径（mm）；）；h螺螺栓栓杆杆与与孔孔壁壁挤挤压压面面的的最最小小高高度度（mm），如如图图3-25b所所示示，取取（h1+h2）与与h3中的小值；中的小值；t t螺栓的许用切应力（螺栓的许用切应力（MPa），），见表见表3-6；s sp螺栓或孔壁材料的

43、许用挤压应力（螺栓或孔壁材料的许用挤压应力（MPa），），见表见表3-6。三、螺纹联接件的材料和许用应力三、螺纹联接件的材料和许用应力 1.1.螺纹联接件的常用材料螺纹联接件的常用材料一般采用碳素钢，如一般采用碳素钢，如Q215、Q235、35和和45号钢等。对于号钢等。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用15Cr、30CrMnsi、40Cr等力学性能较高的合金钢。等力学性能较高的合金钢。2.2.螺母、螺栓强度级别螺母、螺栓强度级别(表表3 37)7)1 1）根据机械性能，把栓母分级并以数字表示，此乃强度级别）根据机械性能，把栓母分级并以数字

44、表示，此乃强度级别 2 2）所依据机械性能为抗拉强度极限）所依据机械性能为抗拉强度极限b b和屈服极限和屈服极限s s螺栓级别螺栓级别:带点数字表示带点数字表示 ，点前数字为：点前数字为：点后数字为：点后数字为：螺母级别螺母级别:注意：螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬注意：螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于度稍低于螺栓的硬度（均低于2020 40HB40HB）3.3.螺栓联接的许用应力（表螺栓联接的许用应力（表3-63-6）4.4.紧联接螺栓的安全系数紧联接螺栓的安全系数S S （表（表3-83-8）表表3-8 3-8 紧联接螺栓的安全系

45、数紧联接螺栓的安全系数S S（不控制预紧力）不控制预紧力）螺栓材料螺栓材料静载荷静载荷变戴荷变戴荷M6M6M16M16M16M16M30M30M30M30M60M60M6M6M16M16M16-M30M16-M30钢钢合金钢合金钢4 43 35 54 43 32 24 42.52.52 21.31.32.52.510106.56.57.5-57.5-56.56.55 5注意注意：1.1.不控制预紧力不控制预紧力 的紧螺栓联接，易过载，设计时的紧螺栓联接，易过载，设计时应取较大的完全系数。控制预紧力时可取较小的安全应取较大的完全系数。控制预紧力时可取较小的安全系数系数S S。2.2.安全系数安全

46、系数S S 及及 与与d d 有关有关所以设计时，先假设所以设计时，先假设d d，选取一安全系数进行试选取一安全系数进行试算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内即可，否则需重新进行估算。所属范围内即可，否则需重新进行估算。试算法试算法思路：思路：螺纹联接计算实例：螺纹联接计算实例：螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设按最大载荷的单个螺栓

47、设计（求计（求d d1 1标准）标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换的全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）目的）例例3-1 起重卷筒用起重卷筒用6个均匀分布在个均匀分布在D0=500mm的圆周上的双头的圆周上的双头螺柱与齿轮联接，利用双头螺柱夹紧产生的摩擦力矩将转矩螺柱与齿轮联接，利用双头螺柱夹紧产生的摩擦力矩将转矩传至卷筒（见图传至卷筒（见图3-26）。已知卷筒上的钢绳拉力）。已知卷筒上的钢绳拉力G=15000N，卷筒直径卷筒直径D=400mm，螺柱强度级别螺柱强度级别4.6级，联接接合面摩擦系级，联接接合面摩擦系数数fc=0.12，可靠性系数可靠性系数Kf=1.2，试计算双头螺柱的直径。试计算双

48、头螺柱的直径。解解：1计算双头螺柱的预紧力计算双头螺柱的预紧力F如图如图3-26所示，卷筒与齿轮联接采用止口结构，因此双头螺所示，卷筒与齿轮联接采用止口结构，因此双头螺柱联接只承受转矩柱联接只承受转矩T的作用，不受横向力的作用，不受横向力G的作用。的作用。在联接接合面上双头螺柱以预紧力在联接接合面上双头螺柱以预紧力F夹紧产生的摩擦力矩夹紧产生的摩擦力矩 D20fFzTcf =保证此双头螺柱联接正常工作的条件为保证此双头螺柱联接正常工作的条件为故为产生足够的摩擦力，每个螺柱所需的预紧力为故为产生足够的摩擦力，每个螺柱所需的预紧力为 卷筒上的阻力矩卷筒上的阻力矩 即即2确定双头螺柱直径确定双头螺柱

49、直径 d(mm)由表由表3-6查得查得 ，因为双头螺柱的强度级别为，因为双头螺柱的强度级别为4.6级，由级，由表表3-7查得查得s ss=240N/mm2，初估双头螺柱直径初估双头螺柱直径d=22mm（查表得查表得d1=19.294mm），），查表查表3-8，当不控制预紧力时，当不控制预紧力时，S=2.57（用用插插值法值法求得）。故求得）。故 则则 因因18.8mm19.294mm18.8mm19.294mm，故选用故选用6个个M22（GB897-88）双头螺双头螺柱，螺柱长度按结构确定。柱，螺柱长度按结构确定。162232322.57第八节第八节 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措

50、施 影响联接强度的因素很多，如螺纹牙间载荷分配、应力幅、影响联接强度的因素很多，如螺纹牙间载荷分配、应力幅、应力集中、附加应力、材料、结构、尺寸参数、制造和装配工应力集中、附加应力、材料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等艺等 ，而，而螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。一、改善螺纹牙间的载荷分配一、改善螺纹牙间的载荷分配 工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减，旋合螺纹间