螺栓组结构设计

1、第五章,螺纹连接与螺旋传动,本章学习要求,1,对于螺纹连接基本知识，应了解螺纹及螺纹连接件的类型,特性、标准、结构、应用场合及有关的防松方法等，以使在,设计时能够正确地选用它们,2,对于螺栓连接设计及强度计算部分，应掌握其结构设计原,则及强度计算的理论与方法，能够较为合理地设计出可靠的,螺栓组连接,3,了解螺旋传动的设计过程,引言,5-0,引,言,由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中,很,多零件需要彼此连接,机械零件之间的连接分为,被连接件之间相互完全固定,被连接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副,静连接,动连接,本课程介绍的连接主要是静连接,连接的类型,螺纹连接,键连接

2、、花键连接、销连接,铆接,焊接,粘接,连接,可拆连接,不可拆连接,过盈连接,介于两者之间,5-1,螺纹,5-1,螺,纹,一、螺纹的主要参数,大径,d,是螺纹的公称直径,小径,d,1,常用于强度计算,中径,d,2,常用于几何计算,螺距,P,相邻两螺纹牙上对应点,间的轴向距离,导程,S,沿螺纹上同一条螺旋线,转一周所移动的轴向距离,S,nP,线数,n,螺纹的螺旋线数目,牙型角,a,在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角,牙侧角,在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂,线之间的夹角,螺纹的类型,螺纹升角,y,螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角,螺,纹,2,2,tan,d,nP,d,S,二、螺

3、纹的类型,螺纹分为,外螺纹,内螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,左旋,右旋,常用右旋,效率较高，主要用于螺旋传动,此外，还有,管螺纹,主要用于管路的连,接,按牙型的不同分为,普通螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,详见表,5,1,效率低，易自锁，多用于连接,详细介绍,5-2,螺纹连接,5-2,螺纹连接,一、螺纹连接的基本类型,1,螺栓连接,1,普通螺栓连接,特点：杆与通孔有间隙,使用不受被连接件材料限制,受力：杆受拉应力和扭转切应力,力传递,时,被连接件不发生相对错动,优点：通孔精度低，结构简单,装拆方便,缺点：不能准确定位,外加,F,F,f,螺纹连接,d,d,mm,d,e,d,a,d,l,d,l,

4、d,l,d,l,l,1,1,4,6,3,3,3,0,2,0,2,75,0,5,0,3,0,1,0,1,1,1,1,1,通孔直径,边缘距离,螺栓轴线到被连接件,螺纹伸出长度,铰制孔用螺栓,冲击载荷或弯曲载荷,变载荷,静载荷,普通螺栓,螺纹余留长度,主要尺寸关系,螺纹连接,2,铰制孔用螺栓连接,特点：杆与通孔无间隙，采用基孔,制过渡配合,受力：杆受剪切力和挤压力,优点：可准确定位,缺点：通孔加工精度要求高,6,7,6,7,n,H,m,H,螺栓连接应用场合,被连接件不太厚，有通孔，且能从连接的两边进行装配,螺纹连接,2,双头螺柱连接,双头螺栓连接座端被旋入并拧紧在,被连接件之一的螺纹孔中,特点及应用

5、场合,用于结构上不能采用螺栓连接的场合,且需要经常拆装的场合,3,螺钉连接,特点与应用,螺钉连接不用螺母，结构简单紧凑,而且能有光整的外露表面,应用与双头螺柱连接相似，但不宜,用于经常拆卸的连接，以免损坏被,连接件的螺纹孔,螺纹连接,双头螺柱连接和螺钉连接的主要尺寸关系,铝合金,铸铁,钢或青铜,当带螺纹孔材料为,拧入深度,d,H,d,H,d,H,H,5,2,5,1,5,1,25,1,螺纹连接,4,紧定螺钉连接,特点,利用拧入的螺钉末端顶住另一个零件的表面或顶入相应的凹坑中,以固定两个零件的相对位置，并可同时传递不大的力或扭矩,螺纹连接,6,特殊结构的连接,1,地脚螺栓连接,2,吊环螺钉连接,3

6、,T,形槽螺栓连接,二、标准螺纹连接件,螺纹连接,标准螺纹连接件精度,A,级：公差小，精度最高，用于准确定位、装配要求高的场合,B,级：精度居中，用于受载较大，且需要调整、装拆的零件,C,级：精度较低，用于一般场合的标准螺纹连接件,注意,1,标准螺纹连接件的结构形式、尺寸、画法等均已标准化，设,计时可查手册,2,自学表,5-2,总结各标准连接件特点和应用,规定,拧紧后螺纹连接件在预紧力,作用下产生的,预紧应力不得超过其材料屈服极限,的,80,推荐,碳素钢螺栓,合金钢螺栓,螺纹连接的拧紧,s,1,0,1,0,6,0,5,0,7,0,6,0,A,F,A,F,s,s,螺纹连接,三、螺纹连接的拧紧,大

7、多数螺纹连接在装配时就已经拧紧，称之为,预紧,预紧,使连接中的零件所受的力称为,预紧力,用,F,0,表示,预紧的目的：增大连接的刚性；提高紧密性；防松,预紧力的控制,0,F,紧螺栓连接：工作前安装时就拧紧，各零件已受力,松螺栓连接：工作前安装时不拧紧，各零件不受力,分类,螺纹连接,控制预紧力的方法,通常，通过控制,拧紧力矩,M,来控制预紧力,预紧力和预紧力矩之间的,关系,d,F,T,0,2,0,注意,对于重要的连接，尽可能不采用直径过小,M12,的螺栓,可采用,测力矩扳手,或,定力矩扳手,控制拧紧力矩。对于重要,的螺栓连接，也可以通过,控制螺栓的伸长量,来控制预紧力,F,F,FL,F,d,L,

8、T,d,75,T,15,0,若拧紧力,标准扳手长度,扳手的拧紧力矩,螺栓公称直径,其中,纹连接的防松,螺纹连接,四、螺纹连接的防松,螺纹连接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击,振动或变载荷作用下，或在温度变化较大的情况下，螺纹连接可能,会产生松脱现象,防松的本质在于防止螺旋副相对转动,按工作原理的不同，防松方法分三类,详见表,5,3,摩擦防松,机械防松,破坏螺旋副关系放松（永久防松,详细说明,5-3,螺栓组连接的设计,一、螺栓组连接设计步骤,1,进行螺栓组的结构设计，即确定螺栓的数目、布置形式、间距,边距等,2,对螺栓组进行受力分析，求出每一个螺栓所受的力，找出受力最,大的螺栓及其所受

9、的力,3,对找出的受力最大的螺栓进行强度计算，求出螺栓的最小直径,d,1,4,根据求出的最小直径,d,1,查国家手册来选取合适的螺栓的公称直,径,d,及长度,L,再据公称直径,d,查手册选与螺栓相配合的螺母和垫圈,螺栓组连接的设计,目的：合理的确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓,和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配,接结合面的几何形状都设计成,轴对称,的简单几何形状,螺栓布置应使各螺栓的受力合理,螺栓的排列应有合理的间距、边距,为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓,数目取成,4,6,8,等,偶数,避免螺栓承受附加的弯曲载荷,说明,说明,说明,二、螺

10、栓组连接的结构设计,目的：求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓,连接的强度计算,一、承受轴向载荷,时（仅能用普通螺栓连接,F,F,P,F,F,设,平行于螺栓轴线且通过螺栓组形,心,则各螺栓所受的工作载荷,相等,F,F,则,z,F,F,螺栓个数,注：如,不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算,F,螺栓组连接的,基本受载类型,有四种,螺栓组连接的受力分析与计算,假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同,螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合,被连接件为刚体，受载后连接接合面仍保持为平面,各螺栓刚度相同，且螺栓的变形在弹性范围内,螺栓组连接的受载类型,螺栓组连接的受载类型,螺

11、栓组连接的基本受载类型,2,受横向载荷,F,F,4,受倾覆力矩,O,M,3,受转矩,r,i,O,T,1,受轴向载荷,F,F,受横向载荷,1,二、受横向载荷,时,F,1,用普通螺栓连接（受拉螺栓,设螺栓仅受预紧作用，靠接,合面间产生的摩擦力承受横向载荷,设各螺栓连接接合面摩擦力相,等并集中在螺栓中心处，则,保证被连接件不相对滑动，须满足,F,K,zi,fF,s,0,则,所需预紧力,为,zfi,F,K,F,s,0,式中,K,s,防滑系数,K,s,1.11.3,结合面的摩擦因数,表,5-5,i,结合面数。（图中,i=2,f,注,为提高承载能力,可采用减载措施,说明,F,F,F,F,b,a,F,F,F

12、,螺栓组连接受力分析与计算,受横向载荷,2,2,用铰制孔用螺栓连接（受剪螺栓,F,F,F,F,a,F,F,F,b,a,F,F,通过螺栓组形心,时，在前,述假设下，各螺栓承受的横向力,相等,则,F,F,z,F,F,注,a,不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算,F,b,沿,方向上的受剪螺栓个数不宜过多,F,螺栓组连接受力分析与计算,靠螺栓杆受剪切和螺栓杆与孔壁,之间的挤压传递载荷，一般忽略拧紧,产生的摩擦力,承受转矩,T,时,1,三、承受转矩,T,时,1,用受拉螺栓,靠结合面上的摩擦力承受,T,保证底板在,T,作用下不转动，须满足,T,K,r,fF,r,fF,r,fF,s,z,0,2,0,1,0

13、,则所需预紧力,0,F,2,1,z,s,r,r,r,f,T,K,式中,同上,s,K,f,螺栓组连接受力分析与计算,O,T,1,r,2,r,0,fF,0,fF,假设：各螺栓预紧程度相同，则各螺,栓产生的摩擦力均相等,各摩擦力集中在螺栓中心处，并与螺,栓中心与底板中心的连线垂直,承受转矩,T,时,2,2,F,2,用受剪螺栓,螺栓组连接受力分析与计算,靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗转矩,T,r,F,r,F,r,F,z,z,2,2,1,1,联立两式求解，得,最大工作剪力,2,2,2,2,1,m,ax,m,ax,z,r,r,r,Tr,F,max,max,max,max,2,2,1,1,r,r,F,F,r,F

14、,r,F,r,F,i,i,即,O,T,1,r,2,r,1,F,据螺栓变形协调条件：螺栓所受工作,横向力与螺栓轴线到螺栓组对称中心,o,的距离成正比,据前述假设：螺栓所受横向力与螺栓轴线到螺栓组对称中心,o,的连,线垂直；据静力平衡方程,受翻转力矩,M,时,1,z,i,i,i,L,F,M,1,z,i,i,L,L,F,M,1,max,2,max,螺栓组连接受力分析与计算,四、受倾翻力矩,M,时（仅能用普通螺栓连接,M,O,1,F,2,F,3,F,4,F,3,L,1,L,2,L,4,L,1,作用效果：在,M,作用下，底,板有绕通过螺栓组形心的轴线,O,转,动的趋势,3,据变形协调条件，各螺栓,所受的

15、工作拉力,与其中心到,翻转轴线的距离,成正比,i,F,i,L,max,max,max,max,2,2,1,1,L,L,F,F,L,F,L,F,L,F,i,i,即,2,在前述假设条件下：由静力矩平衡条件，得,z,i,i,L,L,M,F,1,2,max,max,4,螺栓所受最大工作载荷,受翻转力矩,M,时,2,0,0,m,in,P,W,M,A,zF,为防止,结合面受压最小处,出现间隙,要求,0,m,ax,P,P,W,M,A,zF,5,为防止,结合面受压最大处,被压溃,要求,式中,A,结合面的面积,mm,2,W,结合面的抗弯截面模量,mm,3,许用挤压应力,Mpa,见表,5,6,p,螺栓组连接受力分

16、析与计算,注,实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷,利用静力学分析方法将复杂的受力状态简化为,4,种简单受力状态分,析,一般，对普通螺栓连接可按,轴向载荷或（和）倾覆力矩确定螺栓的工作拉力,横向载荷或（和）转矩确定连接所需的预紧力,铰制孔用螺栓连接，按横向载荷或（和）转矩确定工作载荷,螺栓组连接受力分析与计算,实例,螺栓组连接受力分析与计算,例,如图所示的支架受,F,力,M,A,B,F,O,O,H,F,V,F,H,F,V,F,将,F,力分解并向螺,栓组形心及结合面平移，得,轴向载荷,横向载荷,翻转力矩,H,F,V,F,B,F,A,F,M,H,V,设计中，采用普通螺栓连接，需要防止如下

17、四种可能的失效形式,上沿开缝,下沿压溃,支架下滑,需要足够大的,0,F,螺栓拉断,需要足够大的螺栓直径,1,d,0,min,p,m,ax,p,p,5-3,单个螺栓连接的强度,5-4,单个螺栓连接的强度计算,本节以螺栓连接为代表，讨论强度计算问题，其方法和结论也,适用于其他形式的螺纹连接,螺栓连接,强度计算的目的,是：确定防止失效所需的螺栓直径,连接的,强度计算内容,根据其可能的失效形式而定,螺纹连接的受载形式基本分为,采用受拉螺栓,可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓,轴向载荷,沿轴线方向,横向载荷,轴线方向,下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算方法,一、受剪螺栓连接的强度计算,其主要失

18、效形式为,螺栓被剪断,剪切强度,孔壁被压溃,挤压强度,受剪螺栓的强度,2,螺栓杆与孔壁的,挤压强度,条件为,1,螺栓杆的,剪切强度,条件为,P,m,in,0,P,L,d,F,i,d,F,2,0,4,0,d,min,L,F,F,式中,F,螺栓所受的工作剪力,N,d,0,螺栓剪切面的直径,mm,i,螺栓受剪面数,螺栓材料的许用切应力,单个螺栓连接的强度计,算,式中,L,min,螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度,mm,，设计时,螺栓或孔壁材料的许用挤压应力,Mpa,p,0,min,25,1,d,L,受拉螺栓的强度,单个螺栓连接的强度计算,二、受拉螺栓连接的强度计算,受拉螺栓连接,松连接：不预紧的,紧连接

19、：预紧的,1,松螺栓连接的强度计算,工作中，松螺栓只受,工作拉力,F,设计准则：拉伸强度计算,4,2,1,d,F,强度条件,为,设计式,为,1,d,F,4,式中,d,1,螺纹小径,mm,螺栓的许用拉应力,Mpa,实例,受拉螺栓的失效形式,主要是,静载：塑性变形或拉断,变载：疲劳断裂。,90,仅受预紧力的螺栓连,接,单个螺栓连接的强度计算,2,紧螺栓连接的强度计算,1,仅受预紧力,F,0,的紧螺栓连接,这种连接在拧紧的瞬间最危险,此时,2,1,0,4,d,F,F,0,引起的拉应力,此外，还有螺纹摩擦力矩,T,1,引,起的切应力,经分析推导可知,5,0,按第四强度理论计算当量应力，则,3,1,5,

20、0,3,3,2,2,2,2,ca,0,F,0,F,承受轴向载荷的紧螺栓连接,强度条件,为,4,3,1,3,1,2,1,0,d,F,ca,单个螺栓连接的强度计算,设计式,为,0,1,3,1,4,F,d,2,承受轴向载荷的紧螺栓连接,如右图所示的气缸盖上的连,接即属此种类型,F,D,D,p,虽然，这种螺栓是在受预紧力,F,0,的基础上，又受,工作拉力,F,但,是,螺栓的总拉力,F,F,F,0,2,为什么,承受轴向载荷的紧螺栓,2,b,m,0,F,0,F,0,F,0,F,1,F,1,F,2,F,2,F,F,预紧时,受工作载荷后,2,b,F,1,m,F,F,1,残余预紧力,m,F,0,螺栓,被连接件,

21、F,F,2,F,1,F,螺栓的总拉力为,F,F,F,1,2,单个螺栓连接的强度计算,a,b,F,0,m,m,b,b,0,F,承受轴向载荷的紧螺栓,3,F,F,C,m,m,tan,可用载荷变形图分析各力之间的关系,螺栓的刚度,C,b,被连接件的刚度,C,m,m,m,力,变形,b,0,F,力,变形,o,力,变形,o,1,F,F,2,F,F,b,b,C,F,0,m,m,C,F,0,F,C,C,C,m,b,b,螺栓总拉力表达式,单个螺栓连接的强度计算,b,F,C,b,b,tan,b,F,C,C,C,F,F,F,F,m,b,b,0,0,2,F,C,C,C,F,F,F,F,F,m,b,m,1,1,0,受力

22、变形动画,承受轴向载荷的紧螺栓,4,单个螺栓连接的强度计算,令,m,b,b,C,C,C,称为螺栓的,相对刚度,其值,01,见教材,P84,为保证连接的紧密性,应使,F,1,0,通常根据工作拉力,F,的性质确定,F,1,见教材,P,83,设计中,根据,F,计算总拉力,2,F,计算螺栓的强度,a,静强度计算,F,不变化时,强度条件为,4,3,1,2,1,2,d,F,ca,注,式中,1.3,考虑的是工作中可能的补充拧紧引起的切应力的影,响,设计式为,1,d,3,1,4,2,F,F,C,C,C,F,F,F,F,F,m,b,b,0,2,1,2,或,螺纹连接件的许用应力,1,4,2,1,2,m,ax,d,

23、F,最大拉应力,C,d,F,4,2,1,0,m,in,最小拉应力,b,疲劳强度计算,F,变化时,当工作拉力在,0,F,之间变化时，螺栓的总拉力在,之间变化,0,F,2,F,单个螺栓连接的强度计算,若不考虑摩擦力矩的扭转作用，则螺栓危险截面的,2,1,m,in,m,ax,2,2,d,F,C,C,C,m,b,b,a,应力幅,单个螺栓连接的强度计算,2,1,2,d,F,m,b,b,C,C,C,a,强度条件,1,a,许用应力幅,强度条件,2,件,可按第三章建立强度条,C,m,in,tc,1,若螺栓工作应力点在,OJGI,区，则按疲劳强度建立强度条件，即,S,S,K,K,S,a,tc,ca,2,2,m,

24、in,m,in,1,螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限,MPa,表,5-7,试件的材料常数，也即循环应力中平均应力的折算系数,K,拉压疲劳强度综合影响系数,许用安全系数，表,5-10,2,0,1,0,碳素钢,合金钢,3,0,2,0,1,螺栓等,性能等级用两个数字表示，共,10,级，表,5-8,其中：整数部分：表示材料的抗拉强度极限的,1/100,即,小数部分：表示材料的屈服极限与抗拉强度极限之比,屈强比）的,10,倍，即,单个螺栓连接的强度计算,若螺栓工作应力点在,GIC,区，则按静强度建立强度条件，即,S,S,m,a,s,ca,三、螺纹连接件的材料,螺纹标准件的性能等级,产品等级：按公差大小不同

25、分为,A,B,C,三级,A,级精度最高,C,级较低，用于一般场合,性能等级：按力学性能不同所分等级,100,b,b,s,10,国标规定,A,B,级产品的性能等级为,8.8,级,C,级产品的性能等级为,4.6,级或,4.8,级,选用时，螺母的性能等级应不低于与其相配的螺栓的性能等级,一般选两者性能等级相同,单个螺栓连接的强度计算,2,螺母,性能等级用一个数字粗略表示螺母能承受的最小应力,的,1/100,共,7,级，表,5-9,螺纹标准件的材料,常用材料：低碳钢,Q215,10,钢,中碳钢,Q235,35,钢,45,钢,冲击或变载荷：低合金钢、合金钢，如,15Cr,40Cr,等,普通垫圈材料：推荐

26、采用,Q235,15,钢,35,钢,弹簧垫圈：用,65Mn,制造，并经热处理和表面处理,标准规定,8.8,或,8.8,级以上的中碳钢、低碳或中碳合金钢需经淬火,并回火处理,单个螺栓连接的强度计算,b,疲劳强度,计算的许用应力幅,a,a,S,k,1,式中,k,见附表,3,6,7,1,可按经验公式近似计算,或表,5-7,b,32,0,1,a,S,见表,5,10,单个螺栓连接的强度计算,四、螺纹连接件的许用应力,a,静强度,计算的许用应力,S,S,b,s,或,式中,S,安全系数,松螺栓连接,S,1.2,1.7,紧螺栓连接,S,的值见表,5,10,说明,5-5,提高螺栓强度的,措施,5-5,提高螺栓连

27、接强度的措,施,可从以下几个方面提高螺栓的强度,4,采用合理的制造工艺,2,减小螺栓的应力幅,3,减小附加弯曲应力,1,改善各螺纹牙受载不均的现象,工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋,合的,各圈螺纹牙受载,不均,改善措施,采用悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母,采用钢丝螺套,分析,2,1,2,d,F,m,b,b,C,C,C,a,减小,增大,b,C,m,C,均可使,减小,a,措施,冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度,说明,凸台、沉头座,斜垫圈、球面垫圈,措施,分析,螺旋传动,1,螺旋传动,一、螺旋传动的类型和应用,传力螺旋,传导螺旋,调整螺,旋,螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的

28、不同，又可分为,说明,滑动螺旋,滚动螺旋,静压,螺旋,说明,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它,主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力,螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型,螺旋传动按运动形式有：螺杆转动，螺母移动,螺母固定，螺杆,转动并移动,螺旋传动,2,螺旋传动,二、滑动螺旋的结构和材料,1,滑动螺旋的结构,整体螺母,组合螺母,剖分螺母,螺母结构,滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固,定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精,度等和支承结构有直接关系,固定螺钉,调整螺钉,调整楔快,螺杆支承结构,螺杆短而粗且垂直布置时,利用螺母本身做支承,螺杆细长且水平布置时,在螺杆两端或中间附加支,承，以提高螺杆工作刚度,螺旋传动,螺旋传动常采用螺纹牙型：矩形、梯形、锯齿形和三角形,其中：梯形螺纹效率高，工艺性好，应用最广,矩形螺纹加工工艺性差，牙根强度低，应用较少,锯齿形螺纹用于单面受力,三角形螺纹在受力不大的调整螺旋等情况采用,螺杆旋向：常用右旋，特殊场合左旋,传力螺旋和调整螺旋：要求自锁时，采用单头螺纹,传导螺旋：为提高效率和直线运动速度，可采用多线螺纹,2,螺杆和螺母材料,螺杆材料：要求足够的强度和耐磨性,螺母材料：足够的