第五章螺纹连接和螺旋传动

1、2022-5-41机械设计Design of Machinery机电工程学院机械设计研究室2022-5-42第二篇 连 接5.1螺纹螺纹5.2螺纹连接螺纹连接5.3螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算5.4螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计5.5螺纹连接件的材料及许用应力螺纹连接件的材料及许用应力5.6提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施5.7螺旋传动螺旋传动第五章 螺纹连接和螺旋传动 连接总论连接总论工程应用工程应用2022-5-43与动力与动力源组合源组合零件零件构件构件机构机构机器机器静连接静连接动连接动连接(运动副运动副) 由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机由于使用

2、、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。器中很多零件需要彼此连接。 机械零件之间的连接分为：机械零件之间的连接分为：被连接件之间相互完全固定。被连接件之间相互完全固定。静连接：静连接：动连接：动连接：本课程介绍的连接主要是静连接。本课程介绍的连接主要是静连接。被连接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。被连接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。2022-5-44连接的类型：连接的类型：螺纹连接螺纹连接键连接、花键连接、销连接键连接、花键连接、销连接弹性嵌卡连接等弹性嵌卡连接等铆接铆接焊接焊接粘接粘接连接连接可拆连接可拆连接不可拆连接不可拆连接过盈连接过盈连接

3、（介于两者之间介于两者之间）1 1、按、按运动关系运动关系分分静连接：只固定，无相对运动。如螺纹连接、普通平键连接。静连接：只固定，无相对运动。如螺纹连接、普通平键连接。动连接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。动连接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。运动副运动副2 2、按、按传载原理传载原理分分靠摩擦力（力闭合）：如受横向载荷的紧螺栓连接、过盈连接。靠摩擦力（力闭合）：如受横向载荷的紧螺栓连接、过盈连接。非摩擦（形闭合）：靠连接零件的相互嵌合传载，如平键。非摩擦（形闭合）：靠连接零件的相互嵌合传载，如平键。材料锁合连接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。材料锁合连接：利用附加材料分

4、子间作用，如粘接、焊接。3 3、按、按拆开时是否损坏零件拆开时是否损坏零件分分2022-5-45 直径直径大径大径d d：公称直径公称直径。M20d=20mmM20d=20mm小径小径d d1 1：螺纹的最小直径。：螺纹的最小直径。中径中径d d2 2：齿厚：齿厚= =齿槽宽处直径，几何计齿槽宽处直径，几何计算用。算用。 一般取：一般取：d d2 2=(d+d=(d+d1 1)/2)/2 螺距螺距p p 线数线数n n：n=1n=1时用于连接时用于连接；n n1 1时用于传动；时用于传动； nn，但为便于制造，但为便于制造n4n4 牙形角牙形角 ：螺纹牙两侧面夹角。：螺纹牙两侧面夹角。一、螺纹

5、的主要参数一、螺纹的主要参数5.1 5.1 螺纹螺纹2022-5-46二、螺纹的类型二、螺纹的类型右旋右旋左旋左旋螺纹位置：内螺纹螺纹位置：内螺纹螺母；外螺纹螺母；外螺纹螺钉。螺钉。旋向判定：旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）（常用）。思考：思考： 中径升角中径升角 ：2arctandnp 导程导程s s ：s=nps=np2022-5-47连接：效率低、自锁性好。连接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三

6、角形、矩形、梯形、锯齿形等螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等30303 330306060三角形三角形梯形梯形锯齿形锯齿形矩形矩形单线，用于连接单线，用于连接双线或多线，常用于传动双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。粗牙：一般情况下使用。细牙：细牙：d d相同，相同，p p小，小， 小，牙浅，自锁性好，但不小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。耐磨，易滑扣。 用于变载荷场合。用于变载荷场合。 连接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。连接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。螺纹线数螺纹线数：单线（连接）；多线（传动）。：单线（连接）；多线（传动）。2022-5-48一、主要类

7、型（一、主要类型（注意各图的画法注意各图的画法）1 1、螺栓连接、螺栓连接受拉受拉普通螺栓普通螺栓普通螺栓：普通螺栓：无需在被连件上加工螺纹无需在被连件上加工螺纹 孔，装拆方便，用于孔，装拆方便，用于两被两被 连件均不太厚连件均不太厚的场合。的场合。受剪受剪铰制孔螺栓铰制孔螺栓铰制孔螺栓：铰制孔螺栓：除起连接作用外，除起连接作用外， 还起还起定位定位作用。作用。5.2 5.2 螺纹连接螺纹连接2022-5-492 2、双头螺柱连接、双头螺柱连接 用于用于有一连接件较厚，并有一连接件较厚，并经常装拆经常装拆的场合，拆卸时只需的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。拧下螺母即可。3 3、螺钉连接、螺钉连接

8、 用于用于有一连接件较厚，有一连接件较厚，且不需经常装拆且不需经常装拆的场合。的场合。2022-5-4104 4、紧定螺钉连接、紧定螺钉连接 螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩可传递不大的力或力矩。2022-5-411二、螺栓连接的预紧与防松二、螺栓连接的预紧与防松1 1、预紧、预紧受载之前受载之前拧紧螺母拧紧螺母预紧力预紧力F F0 0预紧预紧连接刚度连接刚度防松能力防松能力紧密性紧密性（1 1）拧紧力矩）拧紧力矩T=T=？螺母支承面间的摩擦阻力矩螺母支承面间的摩擦阻力矩以螺

9、母分析：以螺母分析：T=TT=T1 1+T+T2 2螺纹副间的摩擦力矩螺纹副间的摩擦力矩2022-5-412221dFTt)tan(vtFF螺纹副间有效圆周力螺纹副间有效圆周力2)tan(2dFva)螺母所 受转矩b)螺栓所 受转矩c)螺栓转 矩图T1T2T1TTTT434T3T12022-5-413frFT 2（r rf f支承面摩擦半径）支承面摩擦半径）dFkTTTt 21k kt t拧紧力矩系数，一般取拧紧力矩系数，一般取k kt t=0.2=0.2F/2F/2d)螺栓和被联接 件所受预紧力e)计算螺母承压面 力矩用的符号FF/2F/2FD1d1221dFTt)tan(vtFF螺纹副间有

10、效圆周力螺纹副间有效圆周力2)tan(2dFv2022-5-414（2 2）控制）控制T T的方法的方法T F T F 拉断、滑扣拉断、滑扣TT不能满足工作要求不能满足工作要求控制控制T T的大小的大小一般情况凭经验，拧紧即可。一般情况凭经验，拧紧即可。方法：方法：测量螺栓伸长量：测量螺栓伸长量： （大型螺栓连接）（大型螺栓连接）定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手测力矩扳手冲击扳手冲击扳手2022-5-415 采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓连接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来适用与大型的螺栓连接。为

11、此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。控制预紧力。测量螺栓伸长量测量螺栓伸长量2022-5-416（3 3）严格控制预紧力时）严格控制预紧力时 dM12M16dM12M16标准扳手长度标准扳手长度L=15dL=15d，若拧紧力为，若拧紧力为F F，则：，则： T=FL=15dF=0.2FT=FL=15dF=0.2Fd d F F=75F=75F若若F=200NF=200N，则，则F F=15000N=15000N。 小于小于M12M12，则易拉断。，则易拉断。二、防松二、防松1 1、螺纹连接按自锁条件设计：、螺纹连接按自锁条件设计： v v。 静载下不会自行松脱。静载下不会自行松脱。2

12、 2、松动原因、松动原因冲击、振动、变载荷下冲击、振动、变载荷下温度变化较大时温度变化较大时螺旋副摩擦力螺旋副摩擦力F Ff f减小或瞬时消失减小或瞬时消失松动松动2022-5-417下螺母上螺母螺栓对顶螺母对顶螺母3 3、防松方法、防松方法防止螺旋副相对转动。防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：按防松原理不同，分为三类：a a ）摩擦防松摩擦防松自锁螺母自锁螺母2022-5-418弹簧垫圈弹簧垫圈开口方向：开口方向：斜向右下方斜向右下方弹性增压弹性增压尖端抵住尖端抵住开口销与槽形螺母开口销与槽形螺母b b ）机械防松（直接锁住）机械防松（直接锁住）2022-5-4192022-5-

13、420正确正确不正确不正确注意注意金属丝穿入方向金属丝穿入方向串连金属丝串连金属丝2022-5-421c c ）破坏螺纹副关系破坏螺纹副关系不可拆连接不可拆连接胶接胶接冲点冲点焊住焊住2022-5-422 5.3螺栓连接的强度计算失效形式失效形式设计步骤设计步骤松螺栓连接强度设计松螺栓连接强度设计紧螺栓连接强度设计紧螺栓连接强度设计仅受预紧力仅受预紧力的紧螺栓连接的紧螺栓连接受横向载荷受横向载荷的紧螺栓连接的紧螺栓连接受轴向载荷受轴向载荷的紧螺栓连接的紧螺栓连接螺栓连接螺栓连接受拉螺栓受拉螺栓受剪螺栓受剪螺栓松连接：不拧紧，无预紧力松连接：不拧紧，无预紧力F F0，仅受工作载荷，仅受工作载荷F

14、 F紧连接：需拧紧紧连接：需拧紧仅受预紧力仅受预紧力F F0同时受预紧力同时受预紧力F F0和工作载荷和工作载荷F F2022-5-423一一. .失效形式失效形式失效形式：失效形式：u 1. 1. 螺纹部分的塑性变形和螺栓杆的断螺纹部分的塑性变形和螺栓杆的断 裂（裂（普通普通螺栓）螺栓）u 2. 2. 螺栓杆剪断或帖合面压溃（螺栓杆剪断或帖合面压溃（受剪受剪螺栓）螺栓）u 3. 3. 经常装拆因磨损而发生滑扣经常装拆因磨损而发生滑扣u普通螺栓主要为普通螺栓主要为螺杆的疲劳断裂螺杆的疲劳断裂u受剪螺栓受剪螺栓( (铰制孔螺栓铰制孔螺栓) )主要为压溃和剪切主要为压溃和剪切FFsdhsFsF20

15、22-5-424二二. .设计步骤设计步骤一般设计步骤：一般设计步骤：u螺栓组受力分析螺栓组受力分析找出受力最大的螺栓找出受力最大的螺栓 单个螺单个螺栓受力分析和失效分析栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算确确定螺栓的尺寸（直径、长度）定螺栓的尺寸（直径、长度）2022-5-425三三 . . 松螺栓连接强度设计松螺栓连接强度设计u受载荷形式受载荷形式轴向拉伸轴向拉伸( (工作拉力工作拉力F)F)u失效形式失效形式螺栓塑变或拉断螺栓塑变或拉断 u设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度u强度条件：强度条件： s ss s u设计计算方法：设计计算方法： 校核式校核式

16、: :设计式设计式: : ss4/21dF1dsF4式中：式中：d1螺纹小径（螺纹小径（mm）；）； 螺栓的许用拉应力（螺栓的许用拉应力（Mpa)。 s2022-5-426四 .紧螺栓连接强度设计1. 1. 仅受预紧力的紧螺栓连接仅受预紧力的紧螺栓连接（工作前预紧，工作中受力不变，（工作前预紧，工作中受力不变，例：普通设备盖板）例：普通设备盖板）u受载荷形式受载荷形式拧紧后拧紧后: :轴向拉伸轴向拉伸( (轴向拉力轴向拉力F F0 0) ) 拧紧过程中拧紧过程中: :轴向拉伸轴向拉伸F F0 0、扭力、扭力T Tu失效形式失效形式螺栓拉断螺栓拉断 ( (拉、扭综合作用拉、扭综合作用) )u设计

17、准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度u强度条件：强度条件： s scas s u设计计算方法：设计计算方法：校核式校核式 : :TF0F0拧紧力矩拧紧力矩TT剪应力剪应力预紧拉力预紧拉力F F拉应力拉应力s5 .0ca3 . 1)5 . 0(3+=3+=22224/3 . 1=210dFca1.3401Fd设计式设计式: :2022-5-4272.2.受横向载荷的紧螺栓连接受横向载荷的紧螺栓连接u受载荷形式受载荷形式工作载荷作用之前工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力，螺栓已受预紧力 F0作用作用 （拧紧过程中拧紧过程中:轴向拉伸轴向拉伸F0、扭力、扭力T） 拧紧后拧紧后: 预紧力预紧力

18、F0u失效形式失效形式 相同否相同否？两种情况的工作原理不同两种情况的工作原理不同！普通螺栓普通螺栓铰制孔螺栓铰制孔螺栓2022-5-428受横向载荷的普通螺栓连接受横向载荷的普通螺栓连接u受载荷形式受载荷形式拧紧过程中拧紧过程中: :轴向拉伸轴向拉伸F F0 0 、扭力扭力T Tu失效形式失效形式螺栓拉断螺栓拉断 ( (拉、扭综合作用拉、扭综合作用) )u设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度u强度条件强度条件： caca u设计计算方法设计计算方法：u问题：预紧力问题：预紧力F F0 0应满足的条件应满足的条件? ?与横向载荷与横向载荷F F有何关系有何关系？u依据：被连接件不滑

19、移依据：被连接件不滑移界面摩擦力界面摩擦力F F即：即：F0F0FFTF0F0校核式校核式 : :4/3 . 1=210dFca1.3401Fd设计式设计式: :FfF2 . 1=0fFF2 . 1=0讨论：讨论：f=0.2时，时，F0=?F2022-5-429讨论：讨论：u普通螺栓受横向载荷普通螺栓受横向载荷F F时，为保证结合面时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F Fu预紧力预紧力F F0 0的大小，根据接合面不发生滑移的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定的条件确定uf=0.2f=0.2时，时，F F0 0=6F=6Fu结论：结论：横向载荷过

20、大的情况下，不适宜用普通螺栓横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒减载销、键或减载套筒使用使用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算FSFsFFT1.3401FdFFf2.1=02022-5-430受横向载荷的铰制孔螺栓连接受横向载荷的铰制孔螺栓连接u受载荷形式受载荷形式拧紧过程中拧紧过程中: :轴向拉伸轴向拉伸F F0 0 、扭、扭力力T T( (预紧力小，计算时可忽略预紧力小，计算时可忽略) ) 工作时：工作时：横向载荷横向载荷F Fu失效形式失效形式侧面压溃及

21、螺栓剪切侧面压溃及螺栓剪切u设计准则设计准则保证挤压、剪切强度保证挤压、剪切强度u强度条件强度条件： p pp p 、 u设计计算方法：设计计算方法：挤压强度：挤压强度：剪切强度：剪切强度：min0ppLdFs ss s 420dF2022-5-4313. 3. 受轴向载荷的紧螺栓连接受轴向载荷的紧螺栓连接u受载荷形式受载荷形式拧紧过程中拧紧过程中: : 轴向拉轴向拉伸伸F F0 0 、扭力、扭力T Tu工作时，工作时，再承受再承受工作载荷工作载荷F Fu此时，螺栓所受的总拉力此时，螺栓所受的总拉力: :uF F2 2 = F= F0 0+F +F ? ?TF0F0FFF2F2u须根据静力平须

22、根据静力平衡方程和变形衡方程和变形协调条件求解协调条件求解FDDp2022-5-432受力和变形关系受力和变形关系变形协调条件变形协调条件: l l1 1 l lm l lF2F+F0F2=F+F1l lbl lm l l1 l lmF0F0FFF2F2F0F0F1F1预紧预紧F0受载受载F螺栓螺栓被连接件被连接件拉力拉力F0，伸长，伸长l lb压力压力F0，压缩，压缩l lm拉力拉力F2, 伸长伸长bb l l1 1压力压力F1, 压缩压缩l lm - l lm未预紧未预紧未受力、无变形未受力、无变形 未受力、无变形未受力、无变形2022-5-433受力变形线图受力变形线图F F1 1：残余

23、预紧力：残余预紧力u防止受载后接合面产生缝隙防止受载后接合面产生缝隙u根据紧密性要求选取，根据紧密性要求选取，p83p83形变形变l l力力Fl lbl lmllF1FF2F0被连接件被连接件螺栓螺栓l lm螺栓预紧后力与变形的关系螺栓预紧后力与变形的关系螺栓受载后力与变形的关系螺栓受载后力与变形的关系2022-5-434承受轴向载荷的紧螺栓承受轴向载荷的紧螺栓3可用载荷变形图进一步分析各力之间的关系：可用载荷变形图进一步分析各力之间的关系：螺栓的刚度螺栓的刚度 ： Cb 被连接件的刚度：被连接件的刚度：Cmmm力力变形变形b0F力力变形变形o力力变形变形ommbb0F1FF2FFbbCtan

24、mmCtanFCCCmbb+=则则螺栓的总拉力螺栓的总拉力 FCCCFFmbb+=02FCCCFFmbm+=10或写成：或写成：FCCCFFmbm+=01-bb2022-5-435承受轴向载荷的紧螺栓4令mbb+=CCCKc，称为螺栓的，称为螺栓的相对刚度相对刚度，其值见表其值见表P84。 为保证连接的紧密性，为保证连接的紧密性，应使应使 F1 0 。通常根据工作拉力。通常根据工作拉力 F 的性的性质确定质确定F1 。 a) 静强度计算静强度计算（ F 不变化时不变化时）强度条件为：强度条件为：21243 .1=dF s注注：式中：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

25、影响。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：设计式为：1d F3 . 142F F无变化时，无变化时，F1=(0.2-0.6)FF1=(0.2-0.6)FF F有变化时，有变化时，F1=(0.6-1)FF1=(0.6-1)F有密封要求时，有密封要求时，F1=(1.5-1.8)FF1=(1.5-1.8)F2022-5-436螺纹连接件的许用应力1b) 疲劳强度计算疲劳强度计算（F变化时）变化时）2022-5-437 5.45.4螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计螺栓组：所有螺栓的材料、尺寸、拧紧程度完全一样。螺栓组：所有螺栓的材料、尺寸、拧紧程度完全一样。螺栓组设计的任务：螺栓

26、组设计的任务：1.合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式及合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式及数目，力求各螺栓和螺栓结合面受力均匀，便于加工和数目，力求各螺栓和螺栓结合面受力均匀，便于加工和装配装配-结构设计结构设计;2.找出螺栓组中受力最大的螺栓及其载荷找出螺栓组中受力最大的螺栓及其载荷-受力分析受力分析。2022-5-438螺纹连接组的设计螺纹连接组的设计1 一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计主要目的主要目的：确定螺栓的数目及布置形式；确定螺栓连：确定螺栓的数目及布置形式；确定螺栓连接的结构尺寸。应综合考虑以下问题：接的结构

27、尺寸。应综合考虑以下问题：v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形匀，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。状。2022-5-439螺纹连接组的设计螺纹连接组的设计1 一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列应有合理的间距、边距。螺栓的排列应有合理的间距、边距。v避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。说明说明说明说明说明说明202

28、2-5-440螺纹连接组的设计1 一、螺栓组连接的结构设计一、螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计v 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周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。等偶数。2022-5-441螺栓组连接的基本螺栓组连接的基本受载类型：受载类型：1受横向载荷受横向载荷FS SFS S4受倾覆力矩受倾覆力矩OM2受转矩受转矩riOT3受轴向载荷受轴向载荷FFS S假设：假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；所有螺栓的刚度和预紧力均相同； 螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；螺栓组的对称

29、中心与连接接合面的形心重合； 受载后连接接合面仍保持为平面受载后连接接合面仍保持为平面; ; 各零件的变形在弹性范围内。各零件的变形在弹性范围内。二、螺栓组连接的受力分析二、螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的设计螺栓组连接的设计2022-5-442受横向载荷11、受横向载荷受横向载荷 时时F（1）用普通螺栓）用普通螺栓 螺栓预紧后在被连接件的接螺栓预紧后在被连接件的接触面上产生正压力，靠由此产生触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受的摩擦力承受 。F 保证被连接件不相对滑动，保证被连接件不相对滑动，须满足：须满足：0FKzifFs则所需预紧力为则所需预紧力为fziFKFS0式中：式中：Ks可靠

30、性系数，可靠性系数，ks=1.1-1.3 接合面的摩擦系数。见表接合面的摩擦系数。见表5-5。i接合面数。接合面数。f注：为减小螺栓直径，注：为减小螺栓直径，可采用减载措施。可采用减载措施。说明说明FFFFb)a)FFFF螺栓组连接受力分析2022-5-443受横向载荷2（2）采用铰制孔用螺栓FFFFb )a )FFFFb )a )FF 通过螺栓组形心时，在前通过螺栓组形心时，在前述假设下，各螺栓承受的横向力述假设下，各螺栓承受的横向力 相等。相等。 则则FFzFF=注：注：a) 不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。Fb) 沿沿 方向上的受剪螺栓个数

31、不宜过多。方向上的受剪螺栓个数不宜过多。F螺栓组连接受力分析2022-5-444受横向载荷22 2、承受转矩、承受转矩 T T 的螺栓组连接的螺栓组连接连接受载后有绕螺栓组连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似作载荷的螺栓连接类似 承受转矩的螺栓组连接承受转矩的螺栓组连接 螺栓组连接受力分析2022-5-445承受转矩 T 时1(1）用普通螺栓连接）用普通螺栓连接 靠结合面上的摩擦力承受靠结合面上的摩擦力承受T 。 保证底板在保证底板在 T 作用下不转作用下不转动，须满足动，须满足zrfFrfFrfF02010+

32、TKS则所需预紧力则所需预紧力0F)+(21zSrrrfTK式中：式中： 、 见教材见教材 P76。sKfOT1r2r0fF0fF2 2、承受转矩、承受转矩 T T 的螺栓组连接的螺栓组连接螺栓组连接受力分析2022-5-446承受转矩 T 时2iirKFmaxF(2）采用铰制孔用螺栓）采用铰制孔用螺栓 在前述假设下，各螺栓所受在前述假设下，各螺栓所受的工作剪力的工作剪力 与其中心到底板与其中心到底板中心的距离中心的距离 成正比。成正比。iFirOTirmaxriF螺栓组连接受力分析即即iirFrFmaxmax底板的静力平衡方程为底板的静力平衡方程为TrFziii1联立两式求解，得最大工作剪力

33、联立两式求解，得最大工作剪力ZiirTrF12maxmax2022-5-4475-4 螺栓组连接受力分析3、承受轴向载荷、承受轴向载荷 时时F 当当 通过螺栓组形心时，各螺栓所受通过螺栓组形心时，各螺栓所受的工作载荷的工作载荷 相等。相等。SFF则zFFS螺栓个数注：如注：如 不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。SF螺栓组连接受力分析受轴向载荷的螺栓组连接受轴向载荷的螺栓组连接 SFPFF2022-5-4484受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接 倾覆力矩 M 作用在通过x-x并垂直于连接接合面的对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已被

34、拧紧并承受预紧力F0且被拉伸，地基有均匀的压缩。在作用M后，接触面绕o-o线转动一个角度，左边的地基被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。F2F0 F0 F2mp2( F1m引起引起)p1( F1引起引起)LiLmaxOOxxOMMp ( F 0引起引起)2022-5-449F1m 强调是基座上的压力Fm F2m F1 F F2 C2 单个螺栓单个螺栓-地基的受力分析：地基的受力分析：Om 力力 变形变形 Ob 未加倾覆力矩时，工未加倾覆力矩时，工作点在作点在A。Mi=0施加倾覆力矩施加倾覆力矩M时时:左边的螺栓，工作点移至：左边的螺栓，工作点移至：B1 和和C1

35、右边的螺栓，工作点移至：右边的螺栓，工作点移至：B2 和和C2 左边螺栓总拉力增加，右边螺栓总拉力减小。F2 F2m C1 B2 B1 A F0 在在MM的作用下，的作用下，根据底板的静力根据底板的静力平衡条件有：平衡条件有：iziiLFM1=maxmaxLLFFii作用在底板上的所有作用载荷之和形成一个作用在底板上的所有作用载荷之和形成一个力矩。这个力矩应该与外加倾覆力矩力矩。这个力矩应该与外加倾覆力矩M相平相平衡衡 假设底板受载仍为平面，则螺栓受假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺栓中心到螺栓组排列中心的力与螺栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比距离成正比: :2022-5-450可见，距离

36、中心线越远的螺栓受力越大。可见，距离中心线越远的螺栓受力越大。ziiziiLMLFLLFM12maxmax1max2max所以：故： 4. 4.受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接螺栓组连接受力分析2022-5-451为了防止接合面受压最大处被压碎或受压最为了防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，应使接合面间的应力符合以小处出现间隙，应使接合面间的应力符合以下条件：下条件：0maxminmaxmaxpppppppsssssssWMCCCMWAzFbmmpp)(1min0ss式中： 4. 4.受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接螺栓组连接受力分析2022-5-45220

37、22-5-453所以，上述条件可表达为：所以，上述条件可表达为：00min0maxWMAzFWMAzFpppsss式中：式中：A接合面的面积（接合面的面积（mm2）。）。W接合面的抗弯截面系数（接合面的抗弯截面系数（mm3）。）。许用挤压应力（许用挤压应力（Mpa），），见表见表56。ps 4. 4.受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接螺栓组连接受力分析2022-5-454连接接合面材料的许用挤压应力见下表：连接接合面材料的许用挤压应力见下表： 4. 4.受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接螺栓组连接受力分析2022-5-4553.14212max02ssdFFCCCFFcam

38、bb强度条件：螺栓的总拉力： 4. 4.受倾覆力矩的螺栓组连接受倾覆力矩的螺栓组连接螺栓组连接受力分析2022-5-456例：例：如图所示的支架受如图所示的支架受 F 力。力。MABFOOHFVFHFVF 将将 F 力分解并向螺栓力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：组形心及结合面平移，得：轴向载荷轴向载荷 横向载荷横向载荷翻转力矩翻转力矩HFVFBFAFMHV设计中，需要防止如下四种可能的失效形式设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：上沿开缝；上沿开缝；下沿压溃下沿压溃支架下滑；支架下滑； 需要足够大的需要足够大的 。 0F螺栓拉断；螺栓拉断； 需要足够大的螺栓直径需要足够大的螺栓直径 。

39、1d0minpsmaxpsps注：注： 实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。2022-5-4575 57 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力( (一一) )螺纹连接件螺纹连接件材料材料螺栓、螺柱、螺钉常用材料：螺栓、螺柱、螺钉常用材料：Q215、Q235、35、45等碳素钢；等碳素钢；特殊用途特殊用途( (防磁、导电防磁、导电): ): 特殊钢、铜合金、铝合金等。特殊钢、铜合金、铝合金等。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。级。3.6 4.6 4.8 5.6 58 6.8 8.8 9.8 10.9

40、 12.9作为标准零件，螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。冲击振动场合用：冲击振动场合用：15Cr、40Cr、 30CrMnSi等合金钢。等合金钢。垫圈：垫圈：Q235、15、 35弹簧垫圈：弹簧垫圈： 65Mn 5-7 5-7 螺纹连接件的材料及许用应力螺纹连接件的材料及许用应力2022-5-458选用原则：选用原则：一般用途：通常选用一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，级左右的螺栓，重要场合：要选用高的性能等级，重要场合：要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。级的螺栓。螺母的性能等级分为 7级。 4 5

41、 6 8 9 10 122022-5-459性能等级性能等级1 1、螺栓等：十个性能等级，如：、螺栓等：十个性能等级，如：3.63.6、4.64.6、4.84.8、性能等级性能等级材料性能材料性能如：如：6.86.8 BminBmin/100=6/100=6 BminBmin=600MPa=600MPa10(10(sminsmin/BminBmin)=8)=8 sminsmin=480MPa=480MPa或或 sminsmin=(6=(68)8)10=480MPa10=480MPa低碳钢或中碳钢低碳钢或中碳钢2 2、螺母的性能等级：、螺母的性能等级：4 4，5 5，6 6，8 8，9 9，10

42、10，1212 螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100 1/100 MpaaB40010041004 s s度度为为，相相配配螺螺栓栓最最高高抗抗拉拉强强例例：螺螺母母材材料料性性能能等等级级2022-5-460（二）螺纹连接件的许用应力（二）螺纹连接件的许用应力 螺纹连接件的许用应力与载荷性质螺纹连接件的许用应力与载荷性质( (静、变载荷静、变载荷) )、装配情况装配情况( (松、紧连接松、紧连接) )、材料、结构尺寸有关。、材料、结构尺寸有关。许用拉应力：许用拉应力： 许用剪应力和挤压应力：许用剪应力和挤压

43、应力： SssssSsPsPSss-被连接件为钢被连接件为钢PBPSss-被连接件为铸铁被连接件为铸铁S S, , S Sp p-安全系数，其取值详见下页表。安全系数，其取值详见下页表。2022-5-461表表5-10 螺栓连接的安全系数螺栓连接的安全系数S 碳素钢碳素钢 54 42.5 2.52 碳素钢碳素钢 12.58.5 8.5 8.512.5 M6M16 M16M30 M30M60 M16M16 M16 M30 M30M60不控制不控制预紧力预紧力的计算的计算控制预控制预紧力的紧力的计算计算受载类型受载类型 静载荷静载荷 变载荷变载荷松螺栓连接松螺栓连接 1.21.7合金钢合金钢 5.

44、75 53.4 3.43 合金钢合金钢 106.8 6.8 6.810 1.2 1.5 1.2 1.5(Sa=2.54 )钢：钢：S=2.5， Sp= 1. 25， 钢：钢：S=3.55， Sp= 1. 5铸铁：铸铁：Sp=2.02.5， 铸铁：铸铁： Sp= 2.53铰制孔用铰制孔用螺栓连接螺栓连接受轴受轴向及向及横向横向载荷载荷的普的普通螺通螺栓连栓连接接紧紧螺螺栓栓连连接接2022-5-4625 56 6 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂疲劳断裂容易断裂部位：容易断裂部位：( (一一) )降低螺栓总拉

45、伸载荷降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围的变化范围轴向工作载荷轴向工作载荷F的变化范围的变化范围: 0 FCb+ CmCbF0 F0 +F总拉伸载荷的总拉伸载荷的F2变化范围变化范围: Cb 或或 Cm F2变化范围变化范围F 提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？ 以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。65%20%15%2022-5-463F0 m b措施一：降低螺栓刚度（措施一：降低螺栓刚度（ Cb Cb , b Cm , m m ） 措施三：综合措施（措施三：综合措施（ Cb Cm , F0 F0 ）F F F1 F2 F2F F m F1bF0m 虽然F = =FF F强调残余预紧力减小但有F F强调残余预紧力减小F = =FF = =F， F1 = =F 1F F前两种措施会导致残余预紧力减小，使密封性能降低。为保证可靠工作，可适当增大预紧力。F2F F F1 b F0 m bF F F1 F2 FF1FF0 bF F F1 F2 m 分析见图528。2022-5-4645.6 5.6 提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施1 1、机理、机理工作时，工作时，螺栓受拉，螺栓受拉，pp螺母受压，螺母