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第6章螺纹联接


第六章 螺纹联接

联接的类型
动联接 联接 静联接 螺纹联接 键、花键、销联接

可拆联接

楔联接 型面联接 过盈联接 铆接

联接

不可拆联接 焊接 胶 接

第一节 螺纹联接的主要类型、参数和精 度
螺纹联接的主要类型 螺纹的主要参数 螺纹紧固件及其性能等级

一、螺纹联接的主要类型
1、螺纹联接分类
按螺纹拧紧 的方式分联 接 紧联接 松联接 受拉螺栓联接 受剪螺栓联接 螺栓联接 特殊类型 按螺纹的结 构特点分联 接 双头螺柱联接

按螺纹的受 力方式分联 接
吊环螺钉联接 地脚螺栓联接 T型槽螺栓联接

螺钉联接
紧定螺钉联接

2、螺纹的类型
根据螺纹的牙形:三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、 锯齿形螺纹 根据螺旋线方向:左旋、右旋 根据螺旋线的数目:单线、多线 根据母体形状:圆柱螺纹、圆锥螺纹 根据螺距:粗牙螺纹、细牙螺纹 根据采用的标准制度不同:米制螺纹、英制螺纹

3、常用螺纹的特点及应用
普通螺纹
管螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹

二、螺纹的主要参数
螺纹大径、小径、中径、螺距、导程、螺纹线数、 螺旋升角、牙形角、牙形斜角

三、螺纹紧固件及其性能等级
1、螺纹紧固件

六角头螺纹、双头螺栓、螺钉、紧定螺钉、自攻螺 钉、六角螺母、圆螺母、垫圈

2、性能等级标记代号的意义

?b 代号由两个数字组成:小数点前的数字 100
?s 小数点后的数字 ? 10 ?b
例:已知螺栓的级别为6.8

? b ? 6 ? 100 ? 600MPa
8 ? ? b 8 ? 600 ?s ? ? ? 480 MPa 10 10

第二节 螺纹联接的预紧和防松
螺纹联接的拧紧 螺纹联接的防松

一、螺纹联接的预紧
1、预紧的作用 1)增强联接的刚性、可靠性紧密性和防松能力

2)保持正常工作、防止出现缝隙或发生相对滑移
3)提高螺栓的疲劳强度 4)有利于增大联接中的摩擦(受剪螺栓联接) 2、预紧的方法

3、拧紧力矩

T ? T1 ? T2 ? KF0d
T1——克服螺纹副的螺纹力矩 T2——螺母的承压面力矩 K——拧紧力矩系数

二、螺纹联接的防松
1、防松的目的 实际工作中,外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会 造成摩擦力减少,螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦 力为零,从而使螺纹联接松动,如经反复作用,螺纹联接 就会松驰而失效。因此,必须进行防松,否则会影响正常 工作,造成事故。

2、防松原理
防止(或限制)螺纹副之间的相对运动,或增大相对运 动的难度。

3、防松方法及措施

1)摩擦防松 使螺纹副中有不随联接在何而变的压力,从而 始终有摩擦力矩存在,防止相对转动
自锁螺母、尼龙圈锁紧螺母、对顶螺母、弹簧垫圈

2)直接锁住(机械防松) 利用便于更换的金属元件约束螺纹副
开口销与槽形螺母、止动垫片、带翅垫片、串联金属丝

3)破坏螺纹副运动关系 将螺纹副变为非运动副,从而排除相对转动的可能
焊点、冲点、粘合

第三节 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
普通螺栓联接
松螺栓联接 紧螺栓联接

受剪螺栓联接

一、普通螺栓联接
静载荷作用时的失效形式:螺纹部分可能发生塑 性变形或断裂 变载荷作用时的失效形式:螺栓杆可能发生疲劳断裂

计算直径dc

H d c ? d1 ? 6

1、受拉松螺栓联接
只能承受静载荷作用
强度条件:

F F ? ? ? 2 ? [? ] A ?d c 4

设计公式:

dc ?

4F ? [? ]

F——螺栓承受的轴向工作载荷 [σ ]——松螺栓联接的许用拉应力 N/mm2 (MPa)

dc计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径。

2、受拉紧螺栓联接 (受横向工作载荷)
螺栓正常工作需满足的条件(预紧力条件)

?fm ? FR F ? ? cFR F
螺栓的强度条件

fm

2 ? v ? ? 2 ? 3? T ? 1.3? ? ?? ?

4 ? 1.3F ? ?v ? ? ?? ? 2 ?d c 螺栓的设计公式 5.2 F ? dc ? ? ?? ?

——验算用

——设计用

2、受拉紧螺栓联接

(受轴向工作载荷)
螺栓和被连接件的受力和变形
螺栓所受的总拉力

F0 ? F ? F ??
螺栓的强度条件

4 ? 1.3F0 ?v ? ? ?? ? ——验算用 2 ?d c
螺栓的设计公式

dc ?

5.2 F0

? ?? ?

——设计用

若螺栓所受载荷为变载荷

Fa ( F2 ? F1 ) 4 c1 2( F2 ? F1 ) c1 ?a ? ? ? 2? ? ? ?? a ? 2 Ac 2 ?d c c1 ? c2 ?d c c1 ? c2

二、受剪螺栓联接
受剪螺栓联接的失效形式 1)螺栓受剪面的塑性变形或剪断

2)螺杆与被连接件中较弱者的挤压面被压溃

联接的预紧力和摩擦力在一般情况下忽略不计,主要只 受剪切力的作用

螺栓杆的受剪强度条件

4 FR ? ? 2 ? ?? ? ?d S m
螺栓杆与孔壁的挤压强度条件

FR ?p ? ? ?? p ? dSh
要对联接中所有的受压件分别进行计算

例1
已知:气缸盖与气缸体的凸缘厚度均为b=30mm, 采用普通螺栓联接。气体压强p=1.5MPa, D=250mm,12个螺栓联接,其分布直径 D0=350mm。 试选择螺栓的材料和性能,确定螺栓的直径。 解:(1)选择材料的性能等级 根据已知该联接属于受轴向工作载荷的紧螺栓联接,选螺栓的 性能等级为6.8 ∴σb=600MPa,σs=0.8σb=480MPa (2)计算螺栓所受的总拉力

p?D 2 1.5 ? 3.14 ? 2502 每个螺栓所受工作载荷为: F? ? ? 6132.83N 4z 4 ? 12
残余预紧力取

F ?? ? 1.6F

(压力容器,6.3.1节)

每个螺栓所受的总拉力为:

F0 ? F ? F ?? ? F ? 1.6F ? 15945.37 N

(3)计算所需螺栓直径

有表6-3查得 ?S ? ? 1.5 ,所以 ?

? ? ? ? s ?S ? ? 480 1.5 ? 320MPa

dc ?

5.2 F0

? ?? ?

?

5.2 ? 15945.37 ? 9.08mm 3.14 ? 320

∴选M12的螺栓

例2
已知:凸缘联轴器。D0=250mm,b=30mm, T=106N?m,f=0.15,C=1.2 试求:1)若采用6个普通螺栓联接,计算所需螺栓直径 2)若采用与上相同公称直径的三个绞制孔用螺栓联接, 强度是否足够? 解:1)求普通螺栓直径 (1)求螺栓所受预紧力 该联接是受横向工作载荷的紧螺栓联接,所以每个螺栓的预紧力为:

CFR 2CT 2 ? 1.2 ? 106 F? ? ? ? ? 10667 N fm fmD0 z 0.15 ? 1 ? 250 ? 6
(2)选择螺栓材料,确定许用应力
选Q235,4.6级

? b ? 400MPa

? s ? 240MPa

由表6-3,得安全系数

许用应力为

?S ? ? 4
(3)计算螺栓直径

240 ?? ? ? ? ? 60 MPa ?S ? 4

?s

dc ?

5.2 F ?

? ?? ?

?

5.2 ? 10667 ? 17.159mm 3.14 ? 60

取d=20mm 2)校核绞制孔用螺栓强度 (1)每个螺栓所受横向载荷

2T 2 ? 106 Fs ? ? ? 2667 N D0 z 250 ? 3

(2)选择螺栓材料,确定许用应力 选Q235,4.6级

? b ? 400MPa

? s ? 240MPa

由表6-3,?Ss ? ? 2.5

?S ? ? 1.25
p

?? ? ?

?Ss ?

?s

?

240 ? 96 MPa 2.5

240 ?? ? ? ?? ? ? 1.25 ? 192MPa S
s p p

(3)校核螺栓强度 查表得ds=21mm,计算得hmin=23mm

??

FR 2667 ? ? 7.7 ? ?? ? 2 2 ?d s 3.14 ? 21 4 4 F 2667 ?p ? R ? ? 5.5 ? ?? p ? d s hmin 21 ? 23

采用3个绞制孔用螺栓联接强度足够

第四节 螺栓组联接的受力分析
受轴向力的螺栓组联接 受横向力的螺栓组联接 受旋转力矩的螺栓组联接 受翻转力矩的螺栓组联接

前提假设
①被联接件为刚性不变形,只有地基变形

②各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同 ③受力后材料变形在弹性范围内
④接合面形心与螺栓组形心重合,受力后 其接缝面仍保持平面

一、受轴向力的螺栓组联接
单个螺栓工作载荷为 FQ——轴向外载 z——螺栓个数

F?

FQ z

F0 ? F ? F ??
4 ? 1.3F0 ?v ? ? ?? ? ——验算用 2 ?d c

P

dc ?

5.2 F0

D'

p'

? ?? ?

——设计用

二、受横向力的螺栓组联接
1、普通螺栓
——受拉伸作用
?s——接合面摩擦系数
m——接合面数目 z——螺栓数目 kf——摩擦传力的可靠系数

?s F ?mz ? k f FR ? F ? ?

k f FR ?

?s mz
F R?

F R?

F R?

F R?

2、铰制孔螺栓 ——受横向载荷剪切、挤压作用

zFR ? FR ?
F R?

FR ? FR ? z
F R?

z——螺栓数目

F R?

F R?

三、受旋转力矩的螺栓组联接
1、普通螺栓
由静平衡条件 ?T ? 0
O ri T ?sF' ?sF'

∴联接件不产生相对滑动的条件为:

?s F ?r1 ? ?s F ?r2 ? ? ? ?s F ?rZ ? T ? k f T
则各个螺栓所需的预紧力为

F? ?

T ?kf

?s ( r1 ? r2 ? ? ? rZ )

?

kfT

?s ? ri
i ?1

Z

2、铰制孔螺栓
ri

F si O F smax
rmax

由变形协调条件可知,各个

T

螺栓的变形量和受力大小与其中
心到接合面形心的距离成正比

Fs1 Fs 2 Fsz ? ??? r1 r2 rz
由静平衡条件

Fs1r1 ? Fs 2r2 ? ? ? Fszrz ? T ?T ? 0 T ? rmax Fs max ? Z ri 2 ?
i ?1

四、受翻转力矩的螺栓组联接
由静平衡条件

?M ? 0
O

M

F1r ? F2r2 ? ? Fz rz ? M 1
由变形协调条件可知
x O x

F1 F2 Fz ? ??? r1 r2 rz
Fmax ? Mrmax ri 2 ?
i ?1 z

ri rmax

O

工程实际使用中螺栓组联接所受的载荷是以上四种简 单受力状态的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在 这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷,然后按向量叠 加起来,便得到每个螺栓的总工作载荷,再对受力最大的

螺栓进行强度计算即可
总设计思路:螺栓组结构设计(布局、数目)→螺栓组受力 分析(载荷类型、状态、形式)→求单个螺栓的最 大工作载荷(判断哪个最大)→按最大载荷的单个 螺栓设计(求d1—标准)→全组采用同样尺寸螺栓 (互换的目的)

第五节 螺栓联接的结构设计
螺栓组的布置 提高螺栓强度的措施

一、螺栓组的布置
避免螺栓承受偏心载荷
联接接合面形状应和机器的结构形状相适应 螺栓的布置应使螺栓受力合理

螺栓排列应有合理的间距
分布在同一圆周上的螺栓数目,应便于在圆周 上分度划线 同一螺栓组中,螺栓的材料、直径和长度应相同

二、提高螺栓强度的措施
螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度,影响螺栓强 度的主要因素有载荷分布、应力变化幅度、应力集中 和附加应力、材料的力学性能等几个方面 均匀螺纹牙受力分配

减少附加应力
减轻应力集中 降低应力幅 另外一些措施

螺纹牙形
内 螺 纹



梯 形 螺 纹
d2 d1 d

内 螺 纹

30°

P

30° 螺
d2 d1



外 螺 纹

P



d

锯齿形螺纹
内 螺 纹 外 螺 纹

P
d d2 d1

矩 形 螺 纹

三 角 形 螺 纹

内 螺 纹

60°
外 螺 纹

d d2 d1

P

螺纹旋向

右 旋

左 旋

普通螺栓联接
被联接件不太厚,螺 杆带钉头,通孔不带 螺纹,螺杆穿过通孔 与螺母配合使用。装 配后孔与杆间有间隙, 并在工作中不许消失, 结构简单,装拆方便, 可多个装拆,应用较 广。
d0

l1 a

d (a)

受剪螺栓联接 d
0

a

装配后无间隙,主 要承受横向载荷, 也可作定位用,采 用基孔制配合铰制 孔螺栓联接。
点击查看三维图

d

(a)

(b)

双头螺栓联接
螺杆两端无钉头,但 均有螺纹,装配时一 端旋入被联接件,另 一端则穿过另一被联 接件的孔,配以螺母。 适于常拆卸而被联接 件之一较厚时。折装 时只需拆螺母,而不 将双头螺栓从被联接 件中拧出。
点击查看三维图
d

H l2

(a)

螺钉联接
d

适于被联接件之一 较厚(上带螺纹 孔),不需经常装 拆,一端有螺钉头, 不需螺母,适于受 载较小情况
点击查看三维图 (a)

l1

d

H

l2

l3 l2

H

(b)

紧定螺钉联接
拧入后,利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应 的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力 或扭矩

点击查看三维图

(a)

(b)

螺栓的拧紧方式
松联接——在装配时不拧紧,只存受 外载时才受到力的作用

紧联接——在装配时需拧紧, 即在承载时,已预先受力,预 紧力

螺纹联接的特殊类型
吊环螺钉联接 地脚螺栓联接
T型槽螺栓联接

主要参数
1)外径(大径)d(D)——与外螺纹牙顶相重合的假 想圆柱面直径,亦称公称直径

2)内径(小径)d1(D1) 想圆柱面直径

——与外螺纹牙底相重合的假

3)中径d2 —— 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假 想面的圆柱直径,d2≈0.5(d+d1) 4)螺 距P——相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离 5)导程L——同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线 上的对应两点间的轴向距离

主要参数
6)线 数 n ——螺纹螺旋线数目,一般为便于制造 n≤4螺距、导程、线数之间关系:S=nP

7)螺旋升角ψ——中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角

8)牙型角α——螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角

9)牙型斜角β——螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角

1)螺栓

普通螺栓 ——六角头,小六角头,标准六角 头,大六角头, 内六角 铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小螺母
倒角端 倒角端 倒角端 倒角端

~3 15°~30° 15° 0° rr
dd s s dd a a

辗制末端 辗制末端

A型 A型 X X

dd s s

X X ll

dd

ee

bb
辗制末端 辗制末端

bbm m

k' k' kk

lsls lg g l ll

ss
B型 B型

辗制末端 辗制末端

dd s s

X X

X X ll bb

2)双头螺柱——两端带螺纹 A型——有退刀槽

bbm m

B型——无退刀槽

dd

dd

3)螺钉

与螺栓区别——要求螺纹部分直径较粗;要
求全螺纹
dd k k nn
XX bb

tt

ll

dd

RR

4)紧定螺钉 锥 端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 平 端——接触面积大、不伤零件表面,用于顶紧硬度较大 的平面,适于经常拆卸 圆柱端——压入轴上凹抗中,适于紧定空心轴上零件的位置 轻材料和金属薄板

tt

R R

90° 90°

nn

dd
ll

5)自攻螺钉—— 由螺钉攻出螺纹

~3 15°~30° 15° 0°

~ 15°~30° 15°30° 6)螺母——六角螺母: 标准,扁,厚
ee d d

ss

ee

m m

dd

ss

m m

7)圆螺母+止退垫圈——带有缺口,应用时带翅垫圈 内舌嵌入轴槽中,外舌嵌入圆螺母的槽内,螺母即 330° 0° 被锁紧 30° 30° C×445° 330° 0° C× 5° C×44 ° C× 55° 330° 0°

1120° D 20° C1 1 D C

dd D D1 1

1120° 20° C1 1 C
330° 0°

dd D D1 1
bb

dd 0 0 DD 1 1

115° 5°

bb H H

330° 0°

H H

tt

330° 0°

330 0°

D

C1

D1 D1
30° 30°
H H bb

8)垫圈
bb

tt

30° 30°

平垫圈 平垫圈

斜垫圈 斜垫圈

hh

dd 1 1 dd 2 2

标准螺栓、螺柱、螺钉联接件

标准紧定螺钉、螺母

标准垫圈

预紧的方法
1)定力矩扳手

2)测力矩扳手

拧紧力矩系数

摩擦防松——自锁螺母
自 锁 螺 母 —— 螺 母 一端做成非圆形收口 或开峰后径面收口, 螺母拧紧后收口涨开, 利用收口的弹力使旋 合螺纹间压紧

摩擦防松——尼龙圈锁紧螺母

摩擦防松——对顶螺母

摩擦 防 松— —弹 簧垫 圈

机械 防 松— —开 口销 与槽 形螺 母

机 械 防 松 — — 止 动 垫 片

机械防松——止动垫片

机械 防 松— —带 翅垫 片

机械防 松——串 联金属丝

破坏螺纹副运动关系防松——焊点法

破坏螺纹副运动关系防松——冲点法

破坏螺纹副运动关系防松——粘合法

螺栓和被联接件的受力和变形

F?
d1

F0
?d1

F

d2

?d2

F?

F0

F





F?
O d1 力 变形

F?

O
变形 d2

O 变形 d1 d2

F?



c1 F c1 ? c2

F
C2 F ? ? F ?? ? F C1 ? C2 C2 ?? ? F ? ? F F C1 ? C2 F0 ? F ? ? C1 F C1 ? C2

F?

O
?d1 d1 ?d2 d2 变形

C1——螺栓的刚度 C2——被联接件的刚度

F"

F0

1、均匀螺纹牙受力分配

螺纹牙受力的不均匀性 工作中螺栓牙抗拉伸长, 螺母牙受压缩短,伸与缩 的螺距变化差以紧靠支承 面处第一圈为最大,应变 最大,应力最大,其余各 圈依次递减,旋合螺纹间 的载荷分布如图所示。

Q

使螺纹牙受力分配改善的螺母结构

a) 悬置螺母

b) 环槽螺母

c)内斜螺母

d)环槽内斜

10° ° ~15

10° ° ~15

2、减轻附加应力

附加应力的产生

避免弯曲应力的措施

3、减轻应力集中的方法
螺纹承压面以内有余留螺纹

静载荷 变载荷 冲击载荷

l1 ? (0.3 ~ 0.5)d l1 ? 0.75d l1 ? d
l1

3、减轻应力集中的方法

3、减轻应力集中的方法
加大过渡处圆角
0.5~1.0

卸载槽

卸载过渡结构

r
d

r
r2
d

r1
d r1≈0.15d; r2≈1.0d; h≈0.5d;

r=0.2d

r≈0.2d

h

4、降低螺栓的应力幅度

F F〞 减小螺栓的刚度

F F〞

增大被联接件的刚度

4、降低螺栓的应力幅度——减小螺栓的 刚度

受变载荷作用的螺栓,其应力也在一定的幅 度内变动,减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆 可以使螺栓的应力变化幅度减小。

a.柔性螺栓

b.弹性元件

4、降低螺栓的应力幅度——增大被联接 件刚度

a.金属垫片

b.密封环

减载装置
为增加可靠性,减小直径,简化结构,提高承 载能力可采用如下减载装置: a)减载销 b)减载套筒 c)减载键

避免螺栓承受偏心载荷

螺栓组联接接合面要设计成轴对称的几 何形状

螺栓布置合理

接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置

螺栓的布置应有合理的间距、边距
合理的扳手空间

螺栓联接

双头螺柱联接

螺钉联接

紧定螺钉联接


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