机械设计之连接

第2章连接主讲人：潘承怡

机械基础工程系（新主楼C406）

Telhapter2Joints螺纹连接概述螺纹连接的基本类型和标准螺纹连接件螺纹连接的拧紧和防松

单个螺栓连接的强度计算

螺栓组连接的受力分析提高螺栓连接强度的措施Chapter2ScrewJoints2.1概述2.1.1螺纹的形成Chapter2ScrewJoints2.1.2螺纹的分类Chapter2ScrewJoints联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，ψ小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。Chapter2ScrewJoints螺纹位置：内螺纹——螺母；外螺纹——螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考：n=1n=2Chapter2ScrewJoints螺纹线数：单线（联接）；双线；多线（传动）。

（头数）Chapter2ScrewJoints2.1.3螺纹的主要参数⑤

螺距p②线数n：n=1时用于联接；n＞1时用于传动；

n↑→η↑，但为便于制造n≤4③牙形角

：螺纹牙两侧面夹角。①直径大径d：公称直径。M20→d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2④

牙形斜角：牙型侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。

对于对称牙型：=/2

Chapter2ScrewJoints⑦

中径升角

：⑥

导程s：s=npChapter2ScrewJoints2.2

螺纹连接的主要类型和标准螺纹连接件2.2.1主要类型（注意各图的画法）1、螺栓连接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被连件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不太厚的场合。受剪——铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起连接作用外，还起定位作用。Chapter2ScrewJoints2、双头螺柱连接

用于有一连接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。3、螺钉连接用于有一连接件较厚，且不需经常装拆的场合。Chapter2ScrewJoints4、紧定螺钉连接螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。2.2.2标准螺纹连接件螺栓、螺钉、双头螺柱、螺母、垫圈Chapter2ScrewJointsChapter2ScrewJointsChapter2ScrewJoints1、螺栓、螺柱、螺钉：10个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、……性能等级材料性能如：6.8σBmin/100=6σBmin=600MPa10(σsmin/σBmin)=8σsmin=480MPa或σsmin=(6×8)×10=480MPa低碳钢或中碳钢2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（见表2.1，P18）2.2.3螺纹紧固件的力学性能等级2.3

螺栓连接的拧紧2.3.1拧紧的目的、实质及预紧力F

’受载之前拧紧螺母预紧力F

’预紧↑连接刚度↑防松能力↑紧密性2.3.2拧紧力矩T的计算

T

=？螺母支承面间的摩擦阻力矩以螺母分析：T=T1+T2螺纹副间的摩擦力矩Chapter2ScrewJoints——螺纹副间有效圆周力Chapter2ScrewJoints∴kt——拧紧力矩系数，一般取kt=0.2Chapter2ScrewJoints2、控制T的方法T↑F↑拉断、滑扣T↓不能满足工作要求控制T的大小一般情况凭经验，拧紧即可。方法：测量螺栓伸长量（大型螺栓连接）定力矩扳手测力矩扳手冲击扳手Chapter2ScrewJoints3、对不控制预紧力的受拉螺栓连接d≮M12~M16标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：

T=FL=15dF=0.2F’d→F’=75F若F=200N，则F’=15000N。→小于M12，则易拉断。Chapter2ScrewJoints2.4螺纹连接的防松1、螺纹联接按自锁条件设计：

ψ≤ρv。∴

静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷下温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失松动Chapter2ScrewJoints对顶螺母3、防松方法——防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：a）摩擦防松Chapter2ScrewJoints弹簧垫圈开口方向：斜向右下方开口销与槽形螺母b）机械防松（直接锁住）Chapter2ScrewJoints自锁螺母Chapter2ScrewJointsChapter2ScrewJoints正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝Chapter2ScrewJointsc）破坏螺纹副关系不可拆连接胶接冲点焊住Chapter2ScrewJoints2.6

单个螺栓连接的受力分析和强度计算螺栓连接受拉螺栓受剪螺栓松联接：不拧紧，无预紧力F’，仅受工作载荷F紧联接：需拧紧仅受预紧力F’同时受预紧力F’和工作载荷F一、受拉螺栓连接对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。危险截面面积由计算直径dc确定：dc≈d1Chapter2ScrewJoints1、松连接如：起重滑轮螺栓仅受轴向工作拉力F——失效：拉断强度条件：MPa

——校核式式中：d1——危险截面计算直径[σ]——许用应力，[σ]=σs／[S]，见表2.3（P30）。mm——设计式查手册，选螺栓Chapter2ScrewJoints2、紧连接（1）只受预紧力F’的紧联接外载荷FR——对螺栓为横向力——靠摩擦力传递a.FR作用下，板不滑移：FR≤Ff，而Ff—→F’。b.按F’计算：F’为螺栓轴向负荷—→拉应力c.拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭—→产生τT对钢制M10~M68螺栓：τT≈0.5σ。d.危险截面上受复合应力（σ、τT）作用—→强度准则螺栓为塑性材料—→第四强度理论。Chapter2ScrewJoints——校核式即：1.3意义：紧连接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。mm

——设计式（2）受预紧力F’和轴向工作载荷F的紧螺栓联接a、未拧状态b、拧紧状态F’c、工作状态F变形受力过程：δ2F’

—→δ1—→+F—→δ1+Δδ1δ2-Δδ2变形协调条件：Δδ1=Δδ2=ΔδChapter2ScrewJoints各力定义1、预紧力F’（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被连件上压力）2、螺栓工作拉力F0

—→总拉力3、工作载荷F（对螺栓连接施加的外载荷）4、F”残余预紧力。思考：图b中，F0=？图c中，F0=F+F’？静力平衡条件：

F0=F+F”即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。■

上述过程还可通过力——变形图表示Chapter2ScrewJoints螺栓刚度：被连件刚度：在合并图中：∴——检查F”的大小——求总拉力即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。由于两图合并Chapter2ScrewJoints讨论：1、——螺栓相对刚度系数当F、F’一定时，∴为↓螺栓受力—→选择不同垫片↓—→应使2、：不出现缝隙。(由验算)(P32)同理，考虑扭转作用，强度条件为：——校核式mm——设计式Chapter2ScrewJointsChapter2ScrewJoints若工作载荷为变载荷：当工作载荷在F1~F2变化时，螺栓总拉力在F01~F02之间变化变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断Fa——拉力变幅：∴应力幅：螺栓许用应力幅（P30）表2.3降低C1或增大C2，疲劳强度提高。1、失效形式：2、螺栓剪切强度条件d——杆抗剪面直径m——抗剪面数目[τ]——许用剪应力3、挤压强度条件h——对象受压高度；[σp]——许用挤压应力，表2.4，取弱者计算；Chapter2ScrewJoints二、受剪螺栓连接剪断、接触表面压溃。2.5

螺栓组连接的受力分析一、思路连接结构形式、外载荷类型—→螺栓受力—→找出受载最大螺栓—→按单个螺栓连接的计算方法计算二、基本假定1、各螺栓刚度相同；2、各螺栓F’相同；3、变形在弹性范围内；4、被连件为刚体；三、四种典型受载情况时的受力分析1、受轴向载荷的螺栓组联接Chapter2ScrewJoints特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。—→各螺栓组平均受载：F=FQ/z螺栓还受F’

—→F0

—→2、受横向载荷的螺栓组连接Chapter2ScrewJoints（1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。（2）承载方式：形闭合：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）力闭合：受拉螺栓（由F’在结合面产生的摩擦力承载）（3）受力分析a、受拉螺栓工作条件：按仅受F’的紧联接计算。式中：μs——结合面的摩擦系数；

z——螺栓个数；

m——结合面数目，图中m=2；

kf——可靠系数（防滑系数），kf=1.1~1.5。Chapter2ScrewJointsb、受剪螺栓假定每个螺栓受载相同，则工作条件：剪切计算挤压计算Chapter2ScrewJoints3、受旋转力矩T的螺栓组连接特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。横向力受拉螺栓受剪螺栓摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力（1）受拉螺栓联接工作条件：（2）受剪螺栓联接靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用下受横向力Fs。问题：Fs1=Fs2=…=Fsz

？即Fsi与ri成正比：或工作条件：

Fs1r1+Fs2r2+…+Fszrz=T变形协调条件：底板视为刚体，ri↑—→剪切变形量↑—→Fsi↑Chapter2ScrewJoints代入工作条件中：4、受翻转力矩M（倾覆力矩）的螺栓组联接特点：在M作用下，底板有绕螺栓组形心轴翻转的趋势。作用M前：各螺栓受相同F’作用M后：左侧：F拉(不均匀)，右侧：F压(不均匀)→F’↓Chapter2ScrewJoints工作条件：变形协调条件：其它条件：附加校核讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？——远离对称中心ri↑→Fmax↓实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算迭加横向载荷和旋转力矩轴向载荷和翻转力矩强度计算左侧不出现缝隙右侧边缘不压溃Chapter2ScrewJoints

螺栓组结构设计要点1、结合面几何形状力求简单（矩、圆、三角），且螺栓组的对称中心与结合面形心重合，结合面受力均匀。3、分布在同一圆周上的z应取偶数（4、6、8），便于分度划线。4、避免附加弯曲载荷：凸台、沉孔、斜垫圈等。5、螺栓排列应有合理间距、边距、扳手空间。6、合理防松方法。2、螺栓组受力合理：螺栓布置应尽量远离对称中心，铰制孔螺栓组≯8个；同时承受轴向、横向载荷时，可采用抗剪元件承受横向力，↓d。Chapter2ScrewJoints2.7

提高螺栓连接强度的措施1、机理工作时，螺栓受拉，p↑螺母受压，p↓两者产生螺距差一、改善