第十三 章 连接设计

§9—1螺纹连接的基本知识一、螺纹的分类第十三章连接设计三角形螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹圆弧形螺纹按螺纹牙型分螺纹的牙型螺纹线数螺旋线的绕行方向分右旋螺纹（正螺纹）左旋螺纹（反螺纹）内螺纹外螺纹柱螺纹锥螺纹左旋右旋

图13-1圆柱螺纹基本参数1--外螺纹2—内螺纹3—外螺纹牙顶4—螺纹牙侧5—外螺纹牙底6—内螺纹牙顶7--内螺纹牙底γSSSπd1πd2πd12d1hP5674dd32βα二、螺纹的基本参数和术语1、外径（大径）d----公称直径。2、小径（内径）d1----危险截面直径。3、中径----d２处于大径与小径之间，几何计算直径。4、螺距P--相邻两螺纹牙同名点之间的轴向距离。5、导程S--同一条螺旋线上相邻两螺纹牙同名点之间的轴向距离。S=Pn（ｎ--螺旋线头数）

S=πd2tgγ6、螺旋升角γ--螺旋线上任意点切线与垂直于螺纹轴线平面间的夹角。7、牙型角α--同一螺纹牙的两个侧边所夹锐角。牙侧角β。8、工作高度h—螺纹副的螺纹牙接触部分的径向高度。自锁条件：γ＜Ψv

连接螺纹自锁性要强：∴γ要小，Ψv要大。传动用螺旋效率要高：∴γ要大，Ψv要小。三、螺纹副的效率和自锁ρΨv1、普通螺纹--主要用于连接1）、粗牙--2）、细牙--2、矩形螺纹--3、梯形螺纹--4、锯齿形螺纹--5、圆弧螺纹--四、机械制造中常用的螺纹主要用于传动主要用于排污设备、玻璃器皿§13—2螺纹连接基本类型和螺纹连接件一、基本类型1、螺栓连接dd

L1aa普通螺栓连接工作原理：螺栓受拉力，被连接件结合面产生的摩擦力承受外载荷。应用：应用于被连接件不太厚,被连接件上下两个方向都有操作空间，需要经常拆卸的场合铰制孔用螺栓连接工作原理侧壁受挤压杆横截面受剪承受外载应用：需精确固定两被连接件的相对位置2、双头螺柱连接3、螺钉连接H2H2一个被连接件很厚，或单侧有操作空间又要经常拆卸的场合。不经常拆卸的场合，其它同双头螺柱。4、紧定螺钉连接用螺钉的尾端直接顶住另外一个被连接件的表面或顶入凹坑中。用以固定两个被连接件的相互位置，可传递较小的力或转矩。4、其它螺纹连接二、螺纹连接件1、螺栓和螺钉2、双头螺柱3、紧定螺钉二、螺纹连接件4、螺母和垫圈§13--3螺纹连接的预紧和防松一、预紧（一）目的：增加刚度；增加连接的紧密性；增加连接的可靠性；提高螺栓的疲劳强度。（二）预紧力的大小Fp1.拧紧力矩TT=T1+T2

T2----螺母与支乘面间的摩擦阻力矩T1--螺纹副摩擦力矩（二）预紧力的大小Fp1.拧紧力矩TT=T1+T2

T2----螺母与支乘面间的摩擦阻力矩T1－螺纹副摩擦阻力矩当量摩擦系数FpT2D0螺纹为标准件，将M12~M64螺纹各参数代入上式整理后得：取0.2适用于＞M12的螺栓拉力Fp扭矩T1结论：拧紧螺栓时d1截面（三）预紧力大小的控制1、不重要的连接----不控制预紧力。2、重要连接---定力矩扳手、测力矩扳手、测量螺栓伸长量、控制螺母转角、测量螺栓的应变等。

图13-6力矩扳手a）、b)测力矩扳手c）定力矩扳手b)a)c)二、螺纹连接的防松防止螺纹副的相对运动（一）利用摩擦力防松1.原理2.方法（二）机械防松1.原理2.方法（三）永久防松1.原理2.方法摩擦防松：对顶螺母弹簧垫圈自锁螺母正确不正确机械防松：开口销与六角开槽螺母止动垫圈

串联钢丝永久防松：结束放映点冲铆合点焊粘合§14—4螺栓组连接设计一、螺纹连接失效1、被连接件：滑移、出现间隙、压溃及断裂。2、连接件：断裂、压溃、塑性变形、螺纹牙的破坏。

螺栓组的受力可归纳为四种情况：XY—受横向载荷F作用的螺栓组连接；Z—受轴向载荷F作用的螺栓组连接；YX—受倾覆力矩M作用的螺栓组连接；Z—受旋转力矩T作用的螺栓组连接；一）受横向载荷作用的螺栓组连接FΣFΣO二、螺栓组连接的受力分析ZFP

fm≥Kf

FΣ

Kf=1.1～1.3。1、普通螺栓连接单个螺栓受预紧力：目的：找出螺栓组中受力最大的螺栓2、铰制孔用螺栓连接组单个螺栓受工作载荷：二）、受转矩作用的螺栓连接组在转矩T作用下，被连接件接触面不允许发生滑移或压溃。1）采用普通螺栓—螺栓只受预紧力各螺栓预紧力Fp相同。力平衡条件：TfFpr1fFpr2T2）采用铰制孔用螺栓（找出受力最大的螺栓）受力最大的螺栓的横向工作载荷：力平衡条件：变形协调条件：34521678910r2F2TT三）受轴向载荷作用的螺栓组OFΣO单个螺栓的轴向工作载荷：单个螺栓所受总载荷F0＝？工作前各螺栓受预紧力FP。四）受倾翻力矩M作用的螺栓连接组平衡条件：变形协调条件受力最大螺栓的轴向载荷：受拉侧不许出现间隙；受压侧不允许压溃

（受倾翻力矩M作用的螺栓连接组不作考试内容）例：a)b)c)图9-13螺栓组的力分析xyozoxFxzyFFxzyoxαaF三、螺栓组连接结构设计设计准则：根据载荷情况确定连接接合面的几何形状和螺栓组布置形式，力争使各螺栓受力均匀，避免螺栓产生附加载荷，便于加工和装配。设计准则1、形状尽量简单2、便于加工和分度3、尽量减少加工面4、各螺栓受力均匀5、螺栓排列应有合理的钉距和边距6、其它参数见表10-6§14—5单个螺栓的强度计算

螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。

螺栓连接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。螺纹连接的失效形式：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。对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。一、普通螺栓（一）单个松螺栓连接强度计算F（一）单个松螺栓连接强度计算F根据d1值查手册，确定d的大小[σ]=σs/S（MPa）S－安全系数，FFFPFPFfFf

（二）只受预紧力的单个紧连接螺栓强度计算

（受横向载荷作用的单个螺栓强度计算）螺栓应力：和准则：接合面不滑移根据第四强度理论：只受预紧力的紧螺栓连接强度条件：（三）受轴向载荷作用的紧螺栓连接强度计算螺栓工作载荷：螺栓受预紧力：Fp螺栓总载荷：F0＝？设计要求：在F∑作用下，不允许接触面间有间隙，且接触面间仍有足够的压应力。

1、受力和变形分析：连接件和被连接件均为弹性体，应变均在弹性变形范围内。力和变形为线性关系。12力变形曲线λ1λ2F0Fp/F△FFpOb变形力△λFpOmλ2Fpλ1力连接件刚度C1：被连接件刚度C2：工作前：受力连接件Fp→

λ1被连接件Fp→λ2连接件λ1→（λ1+△λ1）

F0被连接件λ2→（λ2-△λ2）Fp/工作中：F0Fp/F△F△λλ2Fpλ1力根据变形协调条件得：△λ1=△λ2F0Fp/F△F△λλ2Fpλ1力得：受轴向载荷作用的紧螺栓连接的总载荷F0螺栓的相对刚度见表13-6F0Fp/F△F△λλ2Fpλ1力分析受轴向载荷的紧螺栓连接：

1）相对刚度与结构、材料、尺寸有关2）△λ=λ2时连接失效。所以Fp/>03）F0→Fp→F0变应力→疲劳破坏。如果工作载荷F为变载荷（在F1→F2之间变化）则螺栓总载荷F02→F01→F02

4)F/P的常用值见P286

2、受轴向载荷的紧螺栓连接强度计算使用公式说明：F不变----静强度计算F变化----静强度计算+疲劳强度计算

3、疲劳强度计算（应力幅计算）拉力幅应力幅提高螺栓连接疲劳强度的措施减小Fa（F0、F/P和F不能改变）1、降低C1；2、提高C2；3、降低C1同时提高C2。减小Fa

§13--6螺栓的材料和许用应力螺栓、螺柱及螺钉的性能等级见表13-8，如3·6、4·6、4·8…….。·前数字为σb/100；·后为屈强比10σs/σb。σb为材料的抗拉强度极限σs为材料的屈服极限。二、紧螺栓连接许用应力见表13-6一、螺栓的材料见表13-8S－安全系数见表13-7。表13-7

材料静载荷变载荷M6～M16M16～M30M306～M60M6～M16M16～M30碳素钢5～44～2.52.5～212.5～8.58.5合金钢5.7～55～3.43.4～310～6.86.8控制预紧力时紧螺栓连接的安全系数S=1.2～

1.5不控制预紧力时紧螺栓连接的安全系数：二、铰制孔用螺栓连接强度计算d0≠d1

Lmin---最小工作长度。m—受剪面对数。设计要求：不压溃，不剪断。受剪螺栓的许用应力见表13-8例：一凸缘联轴器若采用M16的普通螺栓联成一体，传递转矩T＝450Nm，螺栓性能等级4.8，结合面摩擦因数f=0.15，安装时不控制预紧力，试设计此螺栓连接。解题思路：解决螺栓个数Z；横向载荷的普通螺栓组，以预紧力FP产生摩擦阻力矩传递转矩T；即：FPfZrm≥KfT。解：查设计手册，M16的螺栓，d1=13.835mm，由性能等级知σS=320MPa查表13-7（不控制预紧力）取S=4[σ]=σS/S=320/4=80MPa

由FPfZrm≥KfT取过载系数Kf=1.2；由题意知m＝1，r＝D/2=155/2=77.5mm。Z≥KfT/FPfrm＝1.2×450×103/9246.44×0.15×77.5×1=5.02∴取螺栓个数为Z=6个。

3）分析F和T对螺栓组的作用，并划出力分析图；1）布置方案2）力向螺栓组形心简化，得到横向载荷F和扭距T；4）划出各螺栓所受的合力。5）求出各方案中受力最大的螺栓所受载荷Fmax比较方案的合理性。6）设计螺栓的直径例：设计图示螺栓连接组（螺栓布置方案、螺