机械设计第五章螺纹连接的强度计算.ppt

第六节第六节 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算v螺螺纹连接的失效形式及接的失效形式及设计准准则v螺螺纹连接接强度度计算的内容算的内容v松松连接的接的强度度计算算v紧连接的接的强度度计算算§普通螺栓普通螺栓连接接§铰制孔用螺栓制孔用螺栓连接接一一 、螺栓连接的失效形式和设计准则、螺栓连接的失效形式和设计准则1、受拉普通螺栓、受拉普通螺栓连接接螺栓承受轴向载荷，螺栓承受轴向载荷， 失效形式：拉断、塑性变形失效形式：拉断、塑性变形计算准则：保证螺栓杆螺纹部分的静强计算准则：保证螺栓杆螺纹部分的静强度或疲劳拉伸强度度或疲劳拉伸强度2、受剪、受剪铰制孔用螺栓制孔用螺栓连接接螺栓承受横向载荷螺栓承受横向载荷剪断、压溃剪断、压溃保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度疲劳断裂发生在螺纹牙底截面疲劳断裂发生在螺纹牙底截面65%的疲劳裂纹发生在螺栓与螺母旋和的第一圈的疲劳裂纹发生在螺栓与螺母旋和的第一圈螺纹处15%的疲劳裂纹发生在螺栓头与光杆部分交接处的疲劳裂纹发生在螺栓头与光杆部分交接处 20%的疲劳裂纹螺纹尾部倒角处的疲劳裂纹螺纹尾部倒角处二、单个螺栓连接的强度计算的内容二、单个螺栓连接的强度计算的内容v确定螺栓的受力确定螺栓的受力§根根据据连接接的的类型型、、连接接的的装装配配情情况况、、载荷荷状状态等条件。

等条件v计算算螺螺栓栓危危险剖剖面面的的直直径径（（螺螺纹小小径径d1））或或校校核核相相应的的强度v螺螺栓栓的的其其他他部部分分（（螺螺纹牙牙、、螺螺栓栓头、、光光杆杆））和和螺螺母母、、垫圈圈的的结构构尺尺寸寸，，都都不不需需要要进行行强度度计算算，，可根据螺栓螺可根据螺栓螺纹的公称直径在的公称直径在标准中准中查得符号规定符号规定预紧力预紧力工作拉力工作拉力剩余预紧力剩余预紧力螺栓总拉力螺栓总拉力螺纹小径螺纹小径许用拉应力许用拉应力螺栓刚度螺栓刚度被连接件刚度被连接件刚度三、松联接的强度计算三、松联接的强度计算v在装配时不需将螺母拧紧，在承受工作载在装配时不需将螺母拧紧，在承受工作载荷之前联接不受力因此荷之前联接不受力因此联接所受的载荷联接所受的载荷即为螺栓所受的工作载荷即为螺栓所受的工作载荷F拉应力强度计拉应力强度计算：算：v例例题1 起重滑起重滑轮中的螺栓中的螺栓联接，已知最大起重量接，已知最大起重量为F＝＝50KN，螺栓材料，螺栓材料为35钢，性能等，性能等级为5.6级确定螺纹的公称直径的公称直径v解：解：查手册：取查手册：取四、紧螺栓连接的强度计算四、紧螺栓连接的强度计算n仅受预紧力的紧螺栓连接仅受预紧力的紧螺栓连接n承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接n承受工作剪力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接FFFF/2F/2F0F0F0F01 1、仅受预紧力的紧螺栓连接、仅受预紧力的紧螺栓连接v普普通通螺螺栓栓连接接承承受受横横向向载荷荷时，，靠靠被被连接接件件接接合合面面间的的摩摩擦擦力力承承受受外外载荷荷，，此此摩摩擦擦力力由由螺螺栓栓装装配配时的的预紧力力产生。

生v在在装装配配时，，螺螺母母需需要要拧紧，，在在拧紧力力矩矩的的作作用用下下，，螺螺栓栓除除了了受受到到预紧力力引引起起的的拉拉伸伸应力力之之外外，，还受受螺螺纹摩摩擦擦力力矩矩T1产生生扭扭转切切应力力的的作作用用紧螺螺栓栓连接接处于于拉拉伸与扭伸与扭转的复合的复合应力状力状态1 1、仅受预紧力的紧螺栓连接、仅受预紧力的紧螺栓连接仅受预紧力？仅受预紧力？对于于M10～～M64普通螺普通螺纹的的钢制螺制螺栓适用栓适用1 1、仅受预紧力的紧螺栓连接、仅受预紧力的紧螺栓连接预紧力引起的拉应力预紧力引起的拉应力扭紧力矩引起的切应力扭紧力矩引起的切应力 紧紧螺螺栓栓连连接接中中，，螺螺栓栓承承受受拉拉伸伸和和扭扭转转的的联联合合作作用用，，利利用用第第四四强强度度理理论论，，计计算算时时考考虑虑拉拉伸伸强强度度，，并并将将拉拉伸伸应应力力增增大大30%来考虑扭转的影响来考虑扭转的影响强度条件：强度条件：根据第四强度理论根据第四强度理论1 1、仅受预紧力的紧螺栓连接、仅受预紧力的紧螺栓连接承受横向载荷的减载零件承受横向载荷的减载零件连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算。

连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算v例例2：凸：凸缘联轴器的螺栓器的螺栓组连接已知在接已知在D0＝＝150mm的的圆周上均匀分布周上均匀分布8个个M12的普通螺栓，螺栓的性能的普通螺栓，螺栓的性能级别为4.6级，材料，材料为Q235钢凸缘联轴器器传递的扭的扭矩矩T＝＝1000Nm,材料材料为钢装配时要求控制要求控制预紧力f=0.3,Ks=1.2)v校核校核该螺栓螺栓组连接的接的强度D0每个螺栓应有的预紧力：每个螺栓应有的预紧力：2.受受预紧力和工作拉力的力和工作拉力的紧螺栓螺栓连接接v螺栓螺栓连接承受的接承受的轴向外向外载荷如：压力容器的螺栓联接如：压力容器的螺栓联接分 析v工作特点：工作前工作特点：工作前拧紧，有，有F0 ；工作后加上工；工作后加上工作作载荷荷F；； 工作前、工作中工作前、工作中载荷荷变化v工作原理：靠螺杆抗拉工作原理：靠螺杆抗拉强度承受外度承受外载Fv解决解决问题：：§保保证安全可靠的工作，安全可靠的工作， F0 =？？§工作工作时螺栓螺栓总载荷，荷， F2 =？？ §保保证螺栓螺栓联接的接的紧密性，密性，联接的剩余接的剩余预紧力力 F1 =？？未拧紧螺母未拧紧螺母螺母拧紧螺母拧紧承受轴向工作载荷承受轴向工作载荷螺栓变形分析螺栓变形分析       螺栓螺母松螺栓螺母松驰状态，驰状态，螺栓与螺栓与被联接件都不受被联接件都不受力，没有变形。

力，没有变形螺栓拉长；螺栓拉长；被连接件压缩被连接件压缩     螺栓进一步拉螺栓进一步拉长；被连接件的压长；被连接件的压缩变形略有恢复缩变形略有恢复螺栓的总拉力螺栓的总拉力= =剩余预紧力剩余预紧力+ +工作载荷工作载荷承受工作载荷之前承受工作载荷之前承受工作载荷之后承受工作载荷之后 单个螺栓联接受力变形线图单个螺栓联接受力变形线图螺栓联接拧紧后，未承受工作载荷螺栓联接拧紧后，未承受工作载荷力 螺栓变形图螺栓变形图变形变形力 被联接件变形图被联接件变形图力力 变形变形螺栓刚度螺栓刚度被连接件刚度被连接件刚度 单个螺栓连接受力变形线图单个螺栓连接受力变形线图力力 变形变形承受工作载荷后：承受工作载荷后：螺栓的伸长增量螺栓的伸长增量被连接件的压缩恢复量被连接件的压缩恢复量为使连接不失效：为使连接不失效：剩余预剩余预紧力紧力螺栓总螺栓总拉力拉力力力 变形变形载荷变化量载荷变化量变形变化量变形变化量螺栓螺栓F2 - F0D Dl l被连接件被连接件F0 – F1D Dl l 螺栓总拉力计算公式的推导螺栓总拉力计算公式的推导 螺栓总拉力计算公式的推导螺栓总拉力计算公式的推导剩余预紧力剩余预紧力螺栓总拉力螺栓总拉力螺栓的相对刚度螺栓的相对刚度 讨讨 论论 最不利的情况最不利的情况 最理想的情况最理想的情况 螺栓的相对刚度参考值螺栓的相对刚度参考值  为保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面为保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面间产生缝隙，应使间产生缝隙，应使F1 >0。

ü有密封性要求的联接，有密封性要求的联接， F1 ＝＝(1.5~1.8)Fü 对于一般联接，工作载荷稳定时对于一般联接，工作载荷稳定时: F1=(0.2~0.6)F；； ü工作载荷不稳定时工作载荷不稳定时，， F1 ＝＝(0.6~1)Fv设计时常用的方法：设计时常用的方法：§根据螺栓联接的受载情况，求出螺栓的工作拉力根据螺栓联接的受载情况，求出螺栓的工作拉力F，，根据联接的工作要求选取根据联接的工作要求选取F1值，再计算螺栓的总拉力值，再计算螺栓的总拉力 受轴向变载荷螺栓的疲劳强度计算受轴向变载荷螺栓的疲劳强度计算力力 变形变形 时间时间 时间时间螺栓中总拉力的变化螺栓中总拉力的变化螺栓工作拉力的变化螺栓工作拉力的变化v工作拉力在工作拉力在0～～F之间变化，螺栓所受的总拉力将在之间变化，螺栓所受的总拉力将在F0～～F2之间变化之间变化螺栓危险截面的最大、最小拉应力按下式计算：螺栓危险截面的最大、最小拉应力按下式计算：螺栓危险截面的应力幅：螺栓危险截面的应力幅：螺栓疲劳强度验算公式：螺栓疲劳强度验算公式：σ-1σ-1eσaσmOCA DσS G45˚ MM’3σminL螺栓应力变化的规律为：螺栓应力变化的规律为：σmin=C 疲劳强度安全系数为疲劳强度安全系数为3 3、承受工作剪力的紧螺栓联接、承受工作剪力的紧螺栓联接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：螺栓杆与剪切强度条件：螺栓杆与剪切强度条件：课堂练习题课堂练习题•受横向载荷作用的普通螺栓连接的工作原理是受横向载荷作用的普通螺栓连接的工作原理是　　　　。

A.连接接合面摩擦力平衡外载荷连接接合面摩擦力平衡外载荷B.螺栓受剪平衡外载荷螺栓受剪平衡外载荷C.螺栓受挤压平衡外载荷螺栓受挤压平衡外载荷D.螺栓的预紧力平衡外载荷螺栓的预紧力平衡外载荷 对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，除了考虑它的对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，除了考虑它的静强度之外，还应根据螺栓的静强度之外，还应根据螺栓的 来验算来验算它的疲劳强度它的疲劳强度A 最大工作应力最大工作应力B 最小工作应力最小工作应力C 平均工作应力平均工作应力D 应力幅应力幅变形变形力力 一螺纹连接的螺栓受力与变形关系如图所示，若保证一螺纹连接的螺栓受力与变形关系如图所示，若保证剩余预紧力是预紧力的剩余预紧力是预紧力的1/2，则该螺纹连接能承受的最大，则该螺纹连接能承受的最大轴向工作载荷为轴向工作载荷为 螺栓能够承受的最螺栓能够承受的最大总拉力为大总拉力为 第七节第七节 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1、螺纹联接件的材料与性能等级、螺纹联接件的材料与性能等级（（1）常用材料：）常用材料： 一一般联接：碳般联接：碳 钢：钢：Q215-A、、Q235-A、、35、、45 重重要联接：合金钢：要联接：合金钢：15Cr、、20Cr、、30CrMnSi等等（（2）螺栓、螺母材料性能等级）螺栓、螺母材料性能等级 若将螺栓的材料性能等级标成若将螺栓的材料性能等级标成6.8级，数字级，数字6.8代表代表 。

A 对螺栓材料的强度要求对螺栓材料的强度要求B 对螺栓制造精度的要求对螺栓制造精度的要求C 对螺栓材料刚度的要求对螺栓材料刚度的要求D 对螺栓材料的耐腐蚀性要求对螺栓材料的耐腐蚀性要求A 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 2、螺纹联接件的许用应力、螺纹联接件的许用应力例例 3 将将一一块块矩矩形形钢钢板板固固定定在在一一个个槽槽钢钢上上已已知知钢钢板板悬悬臂臂端端受受载载荷荷P＝＝16kN，，假假定定被被联联接接件件强强度度足足够够，，有有关关尺尺寸寸如如图图所所示示分分析析如如果果采采用用4个个M16的的铰铰制制孔孔用用螺螺栓栓，，性性能能级级别别为为4.6，，如如图图布布置置，，能能否否满满足足强强度度要求？要求？v解：解：1.受力分析受力分析FsTFsp第八节第八节 提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施v改善螺改善螺纹牙牙间的的载荷分布荷分布v减小减小应力集中的影响力集中的影响v避免避免产生附加的弯曲生附加的弯曲应力力v采用合理的制造工采用合理的制造工艺方法方法v降低影响螺栓疲降低影响螺栓疲劳强度的度的应力幅力幅一、改善螺纹牙间的载荷分布一、改善螺纹牙间的载荷分布v螺螺纹旋合后，各圈螺旋合后，各圈螺纹牙上的受力牙上的受力不同。

不同v工作中螺栓螺距抗拉伸工作中螺栓螺距抗拉伸长，螺母螺，螺母螺距受距受压缩短，伸与短，伸与缩的螺距的螺距变化差化差以以紧靠支承面靠支承面处第一圈第一圈为最大，最大，应变最大，最大，应力最大，其余各圈依次力最大，其余各圈依次递减v采用圈数采用圈数过多的加厚螺母，并不能多的加厚螺母，并不能改善改善载荷在螺荷在螺纹牙牙间的分布，不能的分布，不能提高提高联接的接的强度解决办法解决办法v悬置螺母置螺母v内斜螺母内斜螺母v环槽螺母槽螺母v内斜内斜环槽螺母槽螺母1.悬置螺母悬置螺母v将螺母将螺母转变为受拉螺母受拉螺母v工作工作时螺栓杆和螺母均受拉，螺距螺栓杆和螺母均受拉，螺距变化差减小可以提高化差减小可以提高螺栓的疲螺栓的疲劳强度达度达40%2. 内斜螺母内斜螺母v将螺母上的螺将螺母上的螺纹制成沿螺母高度内斜状制成沿螺母高度内斜状v使使载荷上移，把力荷上移，把力转移到原来受力小的螺移到原来受力小的螺纹牙上可以提高疲可以提高疲劳强度度20%3.环槽螺母环槽螺母v在螺母下端开在螺母下端开设环槽，与槽，与悬置螺母原理相同，使置螺母原理相同，使螺母工作螺母工作时下端受拉且富有下端受拉且富有弹性v提高疲提高疲劳强度度30%。

4. 内斜与环槽螺母内斜与环槽螺母v￿ ￿兼有兼有环槽螺母和内斜螺母的作用槽螺母和内斜螺母的作用二、减小应力集中的影响二、减小应力集中的影响v在在螺螺纹牙牙根根、、螺螺纹尾尾部部、、螺螺栓栓头部部与与螺螺栓栓杆杆交交接接处，，都有都有应力集中，是影响螺栓疲力集中，是影响螺栓疲劳强度的主要原因之一度的主要原因之一v在螺在螺纹头部与螺栓杆交接部与螺栓杆交接处采取以下措施：采取以下措施：§加大加大过渡渡处圆角角§改用退刀槽改用退刀槽§卸卸载槽槽§卸卸载过渡渡结构构三、避免产生附加的弯曲应力三、避免产生附加的弯曲应力v由于由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到附加弯曲到附加弯曲应力），力），这对螺栓疲螺栓疲劳强度的影响很大，度的影响很大，应设法避免v在在铸件或件或锻件等未加工表面上安装螺栓件等未加工表面上安装螺栓时，，常采用凸台或沉常采用凸台或沉头座等座等结构，构，经切削加工后切削加工后可可获得平整的支承面得平整的支承面￿ ￿.4.采用合理的制造工艺方法采用合理的制造工艺方法•      制制造造工工艺艺对对螺螺栓栓的的疲疲劳劳强强度度有有很很大大影影响响。

对对于于高高强强度度钢钢制制螺螺栓栓，，更更为为显显著著采采用用辗辗制制螺螺纹纹时时，，由由于于冷冷作作硬硬化化的的作作用用，，表表层层有有残残余余压压应应力力，，金金属属流线合理，螺栓疲劳强度比车削的高流线合理，螺栓疲劳强度比车削的高  　　　　•      碳碳氮氮共共渗渗、、氮氮化化、、喷喷丸丸处处理理都都能能提提高高螺螺栓栓疲疲劳强度v工作拉力在工作拉力在0～～F之间变化，螺栓所受的总拉力将之间变化，螺栓所受的总拉力将在在F0～～F2之间变化之间变化5.降低影响螺栓疲劳强度的应力幅降低影响螺栓疲劳强度的应力幅v在保持在保持预紧力力F0不不变的条件下，减小螺栓的条件下，减小螺栓刚度度Cb和增大被和增大被联接件接件刚度度Cm都可以达到降低都可以达到降低应力幅的力幅的目的v减小螺栓减小螺栓刚度的措施：度的措施：§适当增大螺栓的适当增大螺栓的长度；度；§部分减小栓杆直径或做成中空的部分减小栓杆直径或做成中空的结构；构；§在螺母下面安装在螺母下面安装弹性元件；性元件；增大被联接件刚度的措施：增大被联接件刚度的措施：•可以不用垫片或采用刚度较大的垫片可以不用垫片或采用刚度较大的垫片 ；；•对于需要保持紧密性的联接，从增大被联对于需要保持紧密性的联接，从增大被联接件刚度的角度来看，不宜采用较软的气缸接件刚度的角度来看，不宜采用较软的气缸垫片。

可以采用密封环可以采用密封环第九节第九节 螺旋传动螺旋传动 Power screws are designed to convert rotary motion to linear motion and to exert the necessary force required to move a machine element along a desired path.本节内容本节内容v螺旋螺旋传动传动的的类类型和型和应应用用v滑滑动动螺旋螺旋简简介介v滚动滚动螺旋螺旋简简介介v静静压压螺旋螺旋传动传动一、螺旋传动的类型和应用一、螺旋传动的类型和应用利用内、外螺纹组成螺旋副实现传动要求利用内、外螺纹组成螺旋副实现传动要求 用于将回转运动转换为直线运动，同时传递运动和动力用于将回转运动转换为直线运动，同时传递运动和动力 螺螺旋旋传传动动1. 功能功能调整螺旋调整螺旋静压螺旋静压螺旋类类型型运动形式有：运动形式有：按用按用途分途分传力螺旋传力螺旋传导螺旋传导螺旋滑动滑动螺旋螺旋滚动螺旋滚动螺旋按摩擦按摩擦性质分性质分传递动力传递动力 传递运动传递运动, ,要求精度高要求精度高调整相对位置调整相对位置2. 类型类型螺杆转动，螺母移动螺杆转动，螺母移动螺母固定，螺杆转动并移动螺母固定，螺杆转动并移动螺杆转动螺杆转动螺母移动螺母移动螺母转动螺母转动螺杆移动螺杆移动螺杆转、移动螺杆转、移动螺母固定螺母固定螺母转、移动螺母转、移动螺杆固定螺杆固定螺旋传动的运动形式螺旋传动的运动形式Screw used to transmit power传力螺旋传力螺旋运动形式：螺母固定，螺杆转动并移动运动形式：螺母固定，螺杆转动并移动它以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴它以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。

一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常向推力一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁要求自锁 千斤顶千斤顶Screw used to transmit motion传导螺旋传导螺旋丝杠丝杠运动形式：螺杆转动，螺母移动运动形式：螺杆转动，螺母移动螺母螺母特点：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度特点：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高         用以调整并固定零件或部件之间的相对位置一用以调整并固定零件或部件之间的相对位置一般不在工作载荷作用下转动，要求能自锁，有时也要般不在工作载荷作用下转动，要求能自锁，有时也要求有很高的精度求有很高的精度 调整螺旋调整螺旋调整螺旋调整螺旋虎钳虎钳带传动张紧装置带传动张紧装置二、滑动螺旋简介二、滑动螺旋简介优点：结构简单、便于制造、易于自锁优点：结构简单、便于制造、易于自锁缺点：摩擦阻力大，传动效率低、磨损快、传动缺点：摩擦阻力大，传动效率低、磨损快、传动精度低螺母与螺杆之间为滑动摩擦螺母与螺杆之间为滑动摩擦滑动螺旋传动常用螺纹滑动螺旋传动常用螺纹梯形螺纹梯形螺纹ACME thread滑动螺旋传动常用螺纹滑动螺旋传动常用螺纹矩形螺纹矩形螺纹Square thread整体螺母整体螺母 组合螺母组合螺母滑动螺旋传动螺母结构滑动螺旋传动螺母结构组合螺母组合螺母调整楔快调整楔快调整螺钉调整螺钉固定螺钉固定螺钉用螺母定期调节螺纹副用螺母定期调节螺纹副用弹簧定期调节螺纹副用弹簧定期调节螺纹副三、滚动螺旋简介三、滚动螺旋简介优点：摩擦阻力小、传动效率高。

优点：摩擦阻力小、传动效率高缺点：结构复杂缺点：结构复杂1. 滚珠螺旋滚珠螺旋外循环外循环内循环内循环2. 圆锥滚子螺旋圆锥滚子螺旋      为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性和抗振性能，可以将静压原理增强螺旋传动的刚性和抗振性能，可以将静压原理应用于螺旋传动中，制成静压螺旋应用于螺旋传动中，制成静压螺旋四、静压螺旋简介四、静压螺旋简介本章小节本章小节1. 螺螺纹纹连连接接的的基基本本知知识识：：螺螺纹纹和和螺螺纹纹连连接接件件的的类类型型、、结结构构、、特特点点、、标标准准、、应应用用场场合合及及选选用用原原则则要要特特别别注注意意普普通通螺螺栓栓连连接接与与铰铰制制孔孔用用螺螺栓栓连连接接在在传传力力、、失失效效形形式式、、结构及强度计算准则上的不同结构及强度计算准则上的不同2. 螺螺纹纹连连接接的的强强度度计计算算，，要要求求掌掌握握紧紧螺螺栓栓连连接接力力与与变变形形之间的关系之间的关系3. 螺纹连接的防松原理及防松装置螺纹连接的防松原理及防松装置4. 螺螺纹纹组组连连接接的的受受力力分分析析，，确确定定受受力力最最大大螺螺栓栓及及其其受受力计算。

力计算5. 螺旋传动的基本知识：螺旋传动的类型及应用螺旋传动的基本知识：螺旋传动的类型及应用。