机械设计习题集第二侯玉英第十五章螺纹连接

机械设计习题集第二版侯玉英答案第十五章__螺纹连结机械设计习题集第二版侯玉英答案第十五章__螺纹连结/机械设计习题集第二版侯玉英答案第十五章__螺纹连结15—4一牵曳钩用2个M10的一般螺钉固定于机体上，以以下图。已知接合面间的摩擦系数f=，螺栓资料为Q235、强度级别为级，装置时控制预紧力，试求螺栓组连结赞同的最大牵引力。解题分析：此题是螺栓组受横向载荷作用的典型例子．它是靠一般螺栓拧紧后在接合面间产生的摩擦力来传达横向外载荷FR。解题时，要先求出螺栓组所受的预紧力，尔后，以连结的接合面不滑移作为计算准则，依照接合面的静力平衡条件反推出外载荷FR。题15—4图解题要点：（1）求预紧力F′：由螺栓强度级别级知σS=240MPa，查教材表11—5（a），取S=，则许用拉应力：[σ]=S/S=240/MPa=178MPa，查（GB196—86）M10螺纹小径d1=8.376mm由教材式（11—13）：1.3F′/（πd12/4）≤[σ]MPa得：F′=[σ]πd12/（4×）=178×π×N=7535N（2）求牵引力FR：由式（11—25）得FR=F′fzm/Kf=7535××2×1/=N（取Kf=）分析与思虑：1）常用螺纹按牙型分为哪几种各有何特点各合用于什么场合连结螺纹用什么牙型传动螺纹主要用哪些牙型为什么答：依照牙型，螺纹能够分为三角形、矩形、梯形、锯齿形等。采用时要依照螺纹连结的工作要求，主要从螺纹连结的效率和自锁条件两个方面考虑，联合各样螺纹的牙形特点。比方三角形螺纹，由于它的牙形角α较大，当量摩擦角也较大（arctanfarctanf），分cos析螺纹的效率tanΨ，可知三角形螺纹效率较低，但自锁条件较和自锁条件tan好，因此用于连结。同理可知矩形、梯形和锯齿形螺纹等当量摩擦角较小，效率较高，自锁条件较差，因此用于传动。2）从自锁和效率的角度比较不相同线数螺纹的特点，为什么多线螺纹主要用于传动螺纹线数一般控制在什么范围内为什么答：当螺纹副的当量摩擦系数一准时，螺纹线数越多，螺纹升角越大，效率越高，越不易自锁，故多线螺纹主要用于传动。可是螺纹线数过多时加工困难，因此螺纹线数n=1～4。15—5一刚性凸缘联轴器用6个M10的铰制孔用螺栓（螺栓GB27—88）连接，结构尺寸以以下图。两半联轴器材料为HT200，螺栓资料为Q235、性能等级级。试求：（1）该螺栓组连结赞同传达的最大转矩Tmax。（2）若传达的最大转矩Tmax不变，改用一般螺栓连结，试计算螺栓直径，并确定其公称长度，写出螺栓标记。（设两半联轴器间的摩擦系数f=，可靠性系数Kf=）。解题要点：（1）计算螺栓组连结赞同传达的最大转矩Tmax：该铰制孔用精制螺栓连结所能传达转矩大小受螺栓剪切强度和配合面挤压强度的限制。因此，可先按螺栓剪切强度来计算Tmax，尔后较核配合面挤压强度。也可按螺栓剪切强度和配合面挤压强度分别求出Tmax，取其值小者。本解按第一种方法计算1）确定铰制孔用螺栓许用应力由螺栓资料Q235、性能等级级知：题15—5图b500MPa、s300MPa；被连结件资料HT200b200MPa。（a）确定许用剪应力查表11—6，螺栓资料为Q235受剪切时S=，则螺栓资料[τ]=s/S=300/=120MPa（b）确定许用挤压应力查表11—6，螺栓资料为Q235受挤压Sp1=螺栓资料[p1]=s/S=300/=240Mpa被连结件资料为HT200（b=200MPa）受挤压时Sp2=2～被连结件资料[p2]b/S200/（2～）MPa=80～100MPa∵[p1]＞[p2]∴取[p]=[p2]=80MPa2）按剪切强度计算Tmax由式（11—23）知τ=2T/（ZDmπd02/4）≤[τ]（查GB27—88得M10的铰制孔用螺栓光杆直径d0=11mm）故Tmax3Dmd02[]/43×340×1×π×112×120/4N·mm=.96Nmm）校核螺栓与孔壁配合面间的挤压强度从式（11—22）pFs/(d0h)可得p2Tmax[p]6Dd0hmin式中，hmin为配合面最小接触高度，依照题15—5图结构h=hmin=（60－35）mm=25mm；2Tmax2116320.9641.47MPa[p]80MPa,知足挤压强度。p6MPa6Dd0hmin3401125故该螺栓组连结赞同传达的最大转矩Tmax=.96N·mm2）改为一般螺栓连结，计算螺栓小径d1：a）计算螺栓所需的预紧力F‘按接合面见不发生相对滑移的条件，则有(Z=6m=1)zfF'm2KfTmax/D∴KfTmax1.211632060.9685529.86NF3N3fD0.16340（b）计算螺栓小径d1设螺栓直径d≥30mm，查表11-5（a）得S=2～则[σ]=s/S=300/（2～）MPa=150～取[σ]=150MPa41.3F41.385529.86d1[]150mm=30.721mm查GB196—81，取M36螺栓（d1=31.670mm﹥30.721mm）（c）确定一般螺栓公称长度l（l=2b+m+s+（～）d）依照题11－2结构图可知，半联轴器凸缘（螺栓连结处）厚度查GB6170—86，得：螺母GB6170—86M36，螺母高度查GB93—87，得：弹簧垫圈36GB93—87，弹簧垫圈厚度则I=2×35+31+9+（～）×36mm=～120.8mm，取l=120mm（按GB5782—86l系列10进位）故螺栓标记：GB5782—86M36×120

b＝35mmmmax=31mms=9mm分析与思虑：螺纹连结有哪些种类各有何特点各合用于什么场合答：有四各样类。1）螺栓连结：（a）一般螺栓（受拉螺栓）连结，被连结件孔和螺栓杆之间有间隙，通孔加工精度较低，结构简单、装拆方便，应用宽泛；（b）铰制孔用螺栓（受剪螺栓）连结，被连结件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合，孔的加工精度要求较高，一般用于螺栓杆承受横向载荷或要求精准固定被连结件相对地点的场合。受拉和受剪螺栓连结，平常均用于被连结件不太厚和两边有足够装置空间的场合。2）双头螺柱连结：多用于结构碰到限制（被连结件之一太厚）不能够开通孔或从两边进行装置的场合；有时也用于希望结构比较紧凑的场合。3）螺钉连结：其应用与双头螺柱连接相像，但常用于不经常装拆的场合。4）紧定螺钉连结：可用于传达不大的力及转矩，多用于轴和轴上部件的连结。(2)为什么螺纹连结常需要防松按防松原理，螺纹连结的防松方法可分为哪几类试举例说明。答：一般螺纹连结能知足自锁条件而不会自动松脱，但在受振动和冲击载荷，或是温度变化较大时，连结螺母可能会渐渐松动。为了使连结可靠，故设计时必定考虑防松举措。防松的主要目的是在于防备螺纹副间的相对滑动。按其工作原理可分为：利用摩擦力防松，比方加弹簧垫圈，对顶双螺母等。机械防松，如利用槽形螺母和张口销等。永远性防松，破坏及改变螺纹副关系，比方用冲点法。(3)一般螺栓连结在拧紧螺母时，螺栓处于什么应力状态下应当按哪一种强度理论进行计算为什么将拉力增加30%，即可按纯拉伸进行强度计算答：一般螺栓连结在拧紧螺母时，螺栓处于拉伸与扭剪应力两种状态。应当按第四强度理论进行计算。将拉力增加30%按纯拉伸强度进行计算，是考虑扭剪应力的影响。15—6一钢结构托架由两块边板和一块承重板焊成的，立柱相连结，其结构尺寸以以下图。托架所受的最大载荷为

两块边板各用四个螺栓与20kN，载荷有较大的改动。试问：（1）此螺栓连结采用一般螺栓连结仍是铰制孔用螺栓连结为宜（2）如采用铰制孔用螺栓连结，螺栓的直径应为多大解题要点：（1）采用铰制孔用螺栓连结较为合宜。由于如用一般螺栓连结，为了防备边板下滑，就需在拧紧螺母时施加相当大的预紧力，以保证接合面间有足够大的摩擦力。这样就要增大连结的结构尺寸。同时螺栓杆和孔之间有空隙，为要保证导轨的平直，在装置时还需要调整。

题15—6图题解15—6图2）确定螺栓直径a）螺栓组受力分析：由题解15—6图可见，载荷作用在整体结构的对称平面内，因此每一边（块）钢板所受载荷：P=20/2kN=10000，将载荷P向螺栓组连结的接合面形心简化，则得横向载荷（向下滑移）：P=10000N旋转力矩（绕中心O）：T=10000×300N·mm=3000000Nmm（b）计算受力最大螺栓的横向载荷Fs：在横向载荷P作用下各螺栓受的横向载荷Fsp大小相等，方向同P，即Fsp1=Fsp2=Fsp3=Fsp4=P/4=10000/4N=2500N在旋转力矩T作用下,各螺栓受的横向载荷FST大小亦相等。这是由于各螺栓中心至形心O点距离相等，方向各垂直于螺栓中心与形心O点的连心线。由图可见，螺栓中心至形心O点距离为r=752752mm=106.1mm故FST1=FST2=FST3=FST4=T/（4r）=3000000/（4×）N=7071N各螺栓上所受横向载荷FSP和FST的方向以以下图。由图中能够看出螺栓1和螺栓2所受的两个力间夹角α最小（α=45°），故螺栓1和螺栓2所受协力最大，依照力的合成原理，所受总的横向载荷FSmax为FSmax=FS1=FS2=222FSP1FST1cosFSP1FST1=2500270712225007071cos45N=9014N（c）确定铰制孔用螺栓直径：选螺栓资料的强度级别级，查教材表11—4得s=240MPa，查表11—6得S=，[τ]=s/S=240/MPa=96MPa依照教材式（11—23），得螺栓杆危险剖面直径为d0≥4FSmax/([])=49014/(96)mm=10.934mm由手册按GB27—88查得，当螺纹公称直径为10mm时，螺杆光杆部分直径d0=11，符合强度要求，应选M10（GB27—88）的铰制孔用螺栓。分析与思虑：一般螺栓连结和铰制孔用螺栓连结的结构上各有何特点当这两种螺栓连结在承受横向外载荷时，螺栓各受什么力的作用答：一般螺栓（受拉螺栓）连结，被连结件孔和螺栓杆之间有空隙，通孔加工精度较低，结构简单、装拆方便，应用宽泛；铰制孔用螺栓（受剪螺栓）连结，被连结件孔和螺栓杆之间常采用基孔制过渡配合，孔的加工精度要求较高，一般用于螺栓杆承受横向载荷或要求精准固定被连结件相对地点的场合。一般螺栓在受横向外载荷时，螺栓碰到拉伸预紧力作用；而铰制孔用螺栓在承受横向外载荷时，分别碰到剪切应力和螺栓与孔配合面的挤压应力的作用。15—7一方形盖板用四个螺栓与箱体连结，其结构尺寸以以下图。盖板中心O点的吊环受拉力FQ=20000N，设节余预紧力F″=0.6F,F为螺栓所受的轴向工作载荷。试求：（1）螺栓所受的总拉力F。，并计算确定螺栓直径（螺栓资料为45号钢，性能等级为级）。（2）如因制造误差，吊环由O点移到O′点，且OO′=52mm,求受力最大螺栓所受的总拉力F。，并校核（1）中确定的螺栓的强度。解题要点：（1）吊环中心在O点时：此螺栓的受力属于既受预紧力F′作用又受轴向工作载荷F作用的情况。依照题给条件，可求出螺栓的总拉力：F0=F″+F=0.6F+F=1.6F而轴向工作载荷F是由轴向载荷FQ惹起的，故有：题15—7图FFQ20000N5000N44∴F01.6F1.65000N8000N螺栓资料45号钢、性能等级为级时，s480MPa，查表11—5a取，则S=3[]s/S=480/3MPa=160MPa,故41.3F041.380009.097mmd1mm160查GB196-81，取M12（d1=10.106mm＞9.097mm）。2）吊环中心移至O′点时：第一将载荷FQ向O点简化，得一轴向载荷Q和一翻转力矩M。M使盖板有绕螺F栓1和3中心连线翻转的趋势。MFQ?OO2000052N?mm141421.4N?mm显然螺栓4受力最大，其轴向工作载荷为FFQFQM20000141421.4FM42r421002N5500N41002∴F01.6F1.65500N8800N∴1.3F01.38800MPa142.6MPa160MPae10.1062d2/4/41故吊环中心偏移至O′点后，螺栓强度仍足够。分析与思虑：1）紧螺栓连结的工作拉力为脉动变化时，螺栓总拉力是怎样变化的试画出其受力变形图，并加以说明。答：总拉力F0FC1FFF，受力变形图见主教材图11-16。C2C1（2）提高螺栓连结强度的举措有哪些这些举措中哪些主若是针对静强度哪些主若是针对疲倦强度答：举措有：1）改良螺纹牙间的载荷分派；2）减少螺栓的应力幅；3）采用合理制造工艺；4）防备附加波折应力；5）减少应力集中。第1）种举措主要对静强度，其余四种主要针对疲倦强度。15—8有一气缸盖与缸体凸缘采用一般螺栓连结，以以下图。已知气缸中的压力p在0~2MPa之间变化，气缸内径D=500mm，螺栓散布圆直径D0=650mm。为保证气密性要求，节余预紧力F″=1.8F，螺栓间距t≤（d为螺栓的大径）。螺栓资料的许用拉伸应力[σ]=120MPa，许用应力幅[σ]=20MPa。采用铜皮石棉垫片螺栓相对刚度C1/ɑ（C1+C2）=，试设计此螺栓组连结。解题要点：1）选螺栓数目Z：由于螺栓散布圆直径较大，为保证螺栓间间距不致过大，因此采用很多的螺栓，初取Z=24。（2）计算螺栓的轴向工作载荷F：1）螺栓组连结的最大轴向载荷FQFQD2p50022N3.927105N442）螺栓的最大轴向工作载荷F：FFQ3.92710516362.5N题15-8图N243）计算螺栓的总拉力F0F0FF1.8FF2.8F2.816362.5N45815N（4）计算螺栓直径：41.3F041.345815d1mm25.139mm120查GB196—81，取M30（d1=26.211mm>25.139mm）5）校核螺栓疲倦强度：C12F216362.5a20MPaa?20.826.2112MPa12.13MPaC1C2d1故螺栓知足疲倦强度要求。（6）校核螺栓间距：实质螺栓间距为D0650tmm85.1mm4.5d4.530mm135mmZ24故螺栓间距知足联接的气密性要求。分析与思虑（1）关于受轴向变载荷作用的螺栓，能够采用哪些举措来减小螺栓的应力幅σ

a答：1）增加螺栓的长度，以适合减小螺栓无螺纹部分的截面积，在螺母下边安装弹性元件。2）增大被连结件刚度举措：a）改良被连结件的结构；b）采用刚度大的硬垫片，关于有亲密性要求的汽缸连结，不应采用较软的垫片，而应改良密封环。2）为什么关于重要的螺栓连结要控制螺栓的预紧力F′控制螺栓的预紧力的方法有哪几种答：关于重要的受拉螺栓连结，在拧紧螺母时，关于较小直径的螺栓简单产生过大的预紧拉应力，同时由于螺纹副和螺母支承面之间的摩擦系数不牢固以及加在扳手上的力矩有时很难正确控制，简单拧得过紧产生过载应力，甚至拧断。因此要控制预紧力，且不宜采用直径小于M12~M16的螺栓。控制预紧力的方法有采用定力矩扳手或测力矩扳手等来拧紧螺母，也能够在装置时，测量螺栓的伸长以及规定开始拧紧后扳动角度或圈数等。分析与思虑：(1)为了防备螺旋千斤顶发生无效，设计时应付螺杆和螺母进行哪些验算答：螺栓应进行耐磨性计算和强度计算，同时还要进行自锁验算与牢固性校核。关于螺母的螺纹牙要进行剪切强度和波折强度校核，对其凸缘要进行挤压和波折强度的校核。(2)在螺旋传动中，为什么要校核螺母螺纹的压强p限制[p]的物理意义是什么答：螺旋传动中，设计螺纹直径一般按抗拉、扭强度来进行初步设计。实质上，螺纹副的磨损是比较主要无效形式。故要进行螺母（比螺杆的资料要弱）螺纹的压强校核。限制p≤[p]主若是利用此耐磨条件性计算未考虑磨损的影响。15—1单项选择题：（将正确答案字母填入括号内）当螺纹公称直径、牙型角、螺纹线数相同时，细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能A。A、好；B、差；C、相同；D、不用然2）用于连结的螺纹牙型为三角形，这是由于三角形螺纹A。A、牙根强度高、自锁性能好；B、传动效率高；C、防振性能好；E、自锁性能差3）若螺纹的直径和螺旋副的摩擦系数必然，则拧紧螺母时的效率取决于螺纹的B。A、螺距和牙型角；B、升角和线数n；C、导程和牙形斜角；D、螺距和升角4)用于薄壁部件联系的螺纹，应采用A。A、三角形细牙螺纹；B、梯形螺纹；C、锯齿形螺纹；D、多线的三角形粗牙螺纹5）当铰制孔用螺栓组连结承受横向载荷或旋转力矩时，该螺栓组中的螺栓C。A、必受剪切力作用；B、必受拉力作用；C、同时受剪切与挤压作用；D、既可能受剪切、也可能受挤压作用6）在受轴向变载荷作用的紧螺栓连结中，为提高螺栓的疲倦强度，可采用的举措是B。（C1为螺栓刚度，C2为被连结件刚度。）A、增大螺栓刚度C1、减小被连结件刚度C2；B、减小C1、增大C2；C、增大C1和C2；D、减小C1和C215—2填空题：（正确答案填入空格内）1）三角形螺纹的牙形角α=60o，合用于连结，而梯形螺纹的α=30o，合用于传动。2)螺旋副的自锁条件是螺旋升角ψ小于或等于当量摩擦角。3）螺纹连结的拧紧力矩等于螺纹副间摩擦力矩和螺母（或螺栓头）端面与被连结件支承面间的摩擦力矩之和。4）连结的防松的实质是防备螺栓杆与螺母（或被连结件螺纹孔）间发生相对转动（或防备螺纹副间相对转动）。15—3简答题：1）拧紧螺母与松退螺母时的螺纹效率怎样计算哪些参数影响螺纹副的效率答：拧紧时tantan；松退时，。影响效率主要参数有：tantan（f、）和（p、n、直径）等。2）螺栓连结的破坏形式有哪些其危险部位在哪里关于受拉螺栓连结强度计算时，为什么一般只计算螺栓根部直径答：关于受拉螺栓连结，在静载荷作用下的破坏形式有螺栓的塑性变形和断裂。而在变载荷作用下的破坏形式则为螺栓的疲倦断裂。危险部位常在螺栓杆截面变化产生应力集中的部位，比方螺纹根部、螺纹退刀处、螺栓钉头与栓杆过分部分等，特别是螺母支承面处的第一圈旋合螺纹处最易破坏。关于受剪螺栓连结，其破坏形式常为螺栓杆受剪后产生塑性变形和剪断，螺栓杆与被联接件上的螺栓孔壁相互挤压，其中较弱资料的塑性变形或压溃。危险部位常发生在螺栓杆受剪面处和杆孔相互挤压处。螺纹连结强度计算时，若是采用的是标准螺纹部件（螺栓、螺母、垫圈），这些标准件的各部分尺寸如螺纹大径、小径、钉头高度、螺母高度等都是按等强度原则确定的。因此，对受拉螺栓，只需对螺纹部件的危险部位处进行强度计算，确定其根部直径，至于其余各部分尺寸，一般都可从标准中采用。3）为什么在重要的受拉螺栓连结中不宜采用直径小于M12~M16的螺栓答：关于重要的受拉螺栓连结，不宜采用直径小于M12~M16的螺栓。由于在拧紧螺母时，关于较小直径的螺栓简单产生过大的预紧拉应力。同时由于螺纹副和螺母与支承面之间的摩擦系数不牢固以及加在扳手上的力矩有时很难正确控制，简单拧得过紧产生过载应力甚至拧断，比方以扳手P为200N拧紧M10（d1=8.376mm）的螺栓连结，设扳手的长度L≈5d，则由式T=ktF′d，取kt≈，则F′≈15000N，考虑到拧紧过程中扭转剪应力的影响，螺栓预紧时拉应力为1.3F15000354MPa1.328.3762/4d1/4可知该应力值已高出一般钢材的服气极限了。4）一螺旋拉紧装置以以下图，若按图上箭头方向旋转中间部件，能使两头螺杆A和B向中央搬动，进而将两部件拉紧。试问该装置中螺杆A和B上的