機械原理與機械設計

螺紋螺紋連接單個螺栓連接的強度計算螺栓組連接的設計提高螺紋連接強度的措施 第十四章螺紋連接 螺紋的主要參數(shù)常用螺紋 14 1螺紋 5 1螺紋 大徑d 是螺紋的公稱直徑 小徑d1 常用于強度計算 中徑d2 常用于幾何計算 螺距P 中徑線上 相鄰兩螺紋牙上對應點間的軸向距離 導程S 沿螺紋上同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動的軸向距離 S nP 線數(shù)n 螺紋的螺旋線數(shù)目 牙型角a 在軸向截面內(nèi) 螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角 螺紋 螺紋的主要參數(shù) 牙型高度h 牙頂和牙底間垂直于軸線的距離 螺紋旋向分左旋和右旋 常用右旋螺紋 螺紋升角y 螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角 按軸向剖面形狀 螺紋的牙型 三角形螺紋 常用于連接 常用于傳動 單向受載 常用于傳動 梯形螺紋 鋸齒形螺紋 按螺旋線數(shù)目分 單頭螺紋 多頭螺紋 常用于連接 常用于傳動 按螺旋線繞行方向分 左旋 右旋 常用 常用螺紋 螺紋 左旋 右旋 螺紋連接的類型和螺紋緊固件的材料及精度螺紋連接的預緊及其控制螺紋連接的防松 14 螺紋連接 1 螺栓聯(lián)接 螺紋連接的類型和螺紋緊固件的材料和精度 螺紋連接 一 螺紋連接的類型 2 雙頭螺柱聯(lián)接 工作原理 螺栓受拉力 承受外載 應用 被聯(lián)接件較厚 且常拆卸處 螺紋連接 3 螺釘聯(lián)接 工作原理 螺栓受拉承受外載 應用 一被聯(lián)件較厚 但不常拆卸處 螺紋連接 4 緊定螺釘聯(lián)接 工作原理 靠承受外載 應用 薄壁件聯(lián)接 螺紋連接 螺栓 螺釘 雙頭螺柱 螺母 墊圈 防松零件等 標準化 螺釘 螺母 墊圈 二 螺紋緊固件 螺紋連接 按公差等級分成A B C三級 A級的公差等級最高 C級公差等級較低螺栓 螺母 螺釘和雙頭螺柱的常用材料有Q215 Q235 35和45鋼 螺紋聯(lián)接件實物 1 螺栓聯(lián)接 螺紋連接的預緊及其控制 螺紋連接 一 螺紋連接的類型 擰緊目的 提高螺栓聯(lián)接剛性 緊密性 緊固性要求 以及防松 擰緊力矩和預緊力 預緊 安裝時將螺母擰緊 使聯(lián)接受到一定的預緊力 螺紋間摩擦力矩 支承面處與螺母間摩擦力矩 擰緊力矩T 螺紋連接的預緊及其控制 螺紋連接 T2 fcF rf F 預緊力 d2 螺紋中徑 當量摩擦角 fc 螺母與被聯(lián)接件支承面間摩擦系數(shù) 無潤滑時取fc 0 15 rf 支承面摩擦半徑rf D1 d0 4 式中 D1 d0 螺母支承面的外徑 內(nèi)徑 螺紋連接 注意 對于重要的聯(lián)接 盡可能不采用直徑過小 M12 的螺栓 簡化計算 對M10 M68的粗牙普通螺紋取f tg 0 15 fc 0 15 得 T 0 2F dN mm 控制擰緊力矩方法 1 擰緊程度 通常由經(jīng)驗控制 螺紋連接 使用測力矩扳手測力矩扳手原理 利用彈性件的變形量正比于擰緊力矩的原理 借助手柄上的指針指示刻度扳上擰緊力矩值 以控制F 使用定力矩扳手定力矩扳手原理 當擰緊力矩超過規(guī)定值時 彈簧壓縮 卡盤與圓柱銷之間打滑 如果繼續(xù)轉(zhuǎn)動手柄 卡盤不再回轉(zhuǎn) 擰緊力矩的大小可用螺釘調(diào)整彈簧壓力來加以控制 螺紋連接 1 螺紋聯(lián)接多采用單線普通螺紋 一般都具有自鎖性 2 在靜載荷和工作環(huán)境溫度變化不大的情況下不會自動松脫 但在振動 沖擊 變載荷或溫度變化很大時 3 聯(lián)接就有可能松脫 為保證聯(lián)接安全可靠 設計時必須考慮放松問題 防松方法 摩擦防松機械防松永久止動 螺紋連接的防松 螺紋連接 受拉螺栓連接的強度計算鉸制孔螺栓 受剪螺栓 連接的強度計算螺紋連接件的許用應力 14 單個螺栓連接的強度計算 5 3單個螺栓聯(lián)接的強度 本節(jié)以螺栓聯(lián)接為代表 討論強度計算問題 其方法和結(jié)論也適用于其他形式的螺紋聯(lián)接 螺栓聯(lián)接強度計算的目的是 確定防止失效所需的螺栓直徑 聯(lián)接的強度計算內(nèi)容 根據(jù)其可能的失效形式而定 螺紋聯(lián)接的受載形式基本分為 采用受拉螺栓 可用受剪螺栓 也可用受拉螺栓 下面按螺栓類型和受載形式的不同 分別討論其強度計算方法 單個螺栓連接的強度計算 受拉螺栓的強度 一 受橫向工作載荷的受拉螺栓連接 受拉螺栓連接的強度計算 單個螺栓連接的強度計算 1 僅受預緊力F 的緊螺栓聯(lián)接 Fs為橫向工作載荷 s為被連接件結(jié)合面間的摩擦因數(shù) m為結(jié)合面?zhèn)€數(shù) K為可靠性因子 通常K 1 1 1 3 F 引起的拉應力 擰緊力矩M引起的切應力 經(jīng)分析推導可知 僅受預緊力的螺栓聯(lián)接 按第四強度理論計算當量應力 則 單個螺栓連接的強度計算 強度條件為 設計式為 驗算用 設計用 查手冊 選螺栓 當 s 0 15 m 1 K 1 2時 則F 8Fs 可見 要想傳遞一定的外載荷 需在螺栓上施加8倍于外載荷的預緊力 這將導致螺栓與連接的結(jié)構(gòu)尺寸過大 為避免上述缺點可采用減載裝置 如減載銷 減載套等 或采用鉸制孔用螺栓連接 減載裝置a 減載銷b 減載套 承受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接 二 受軸向工作載荷的受拉螺栓連接 如圖所示的氣缸蓋上的聯(lián)接即屬此種類型 雖然 這種螺栓是在受預緊力F 的基礎上 又受工作拉力F 但是 螺栓的總拉力 單個螺栓連接的強度計算 1 受力分析 承受軸向載荷的緊螺栓2 預緊時 受工作載荷后 F 剩余預緊力 螺栓的總拉力為 單個螺栓連接的強度計算 承受軸向載荷的緊螺栓3 可用載荷變形圖分析各力之間的關系 則螺栓的總拉力 或?qū)懗?受力變形動畫 單個螺栓連接的強度計算 承受軸向載荷的緊螺栓4 為保證聯(lián)接的緊密性 應使F 0 通常根據(jù)工作拉力F的性質(zhì)確定F 受軸向靜載荷時螺栓連接的強度計算 單個螺栓連接的強度計算 單個螺栓連接的強度計算 3 受軸向循環(huán)載荷時螺栓連接的強度計算 靜強度計算 同上 疲勞強度計算螺栓的工作載荷在0 F之間循環(huán)變化時 螺栓所受的總拉力將在F F0之間循環(huán)變化 a 受軸向循環(huán)載荷螺栓的拉力變化 受剪螺栓的強度 螺栓桿的剪切強度條件為 式中 Fs 螺栓所受的工作剪力 N ds 螺栓剪切面的直徑 mm m 螺栓受剪面數(shù) 螺栓的許用切應力 鉸制孔螺栓聯(lián)接的強度計算 單個螺栓連接的強度計算 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為 式中 h 計算對象 即最小者 的擠壓面高度 mm 計算對象的許用擠壓應力 Mpa 單個螺栓連接的強度計算 螺紋聯(lián)接件的許用應力 螺紋連接的許用應力受諸多因素的影響 如材料性能 熱處理工藝 結(jié)構(gòu)尺寸 載荷性質(zhì) 使用工況等 必須綜合上述各因素確定許用應力 一般設計時可參閱表14 8 14 9 14 10 14 11 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設計螺栓組連接的受力分析與計算 14 4螺栓組連接的設計 螺紋聯(lián)接組的設計1 設計螺栓組連接時 通常是先進行結(jié)構(gòu)設計 即確定結(jié)合面的形狀 螺栓布置方式和數(shù)目 然后按螺栓組的結(jié)構(gòu)和承載狀況進行受力分析 為了便于加工制造和對稱布置螺栓 保證連接結(jié)合面受力均勻 通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設計成軸對稱的簡單幾何形狀 螺栓布置應使各螺栓的受力合理 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線 通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4 6 8等偶數(shù) 螺栓的排列應有合理的間距 邊距 各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便 還應留有足夠的扳手空 螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設計 螺栓組連接的設計 扳手空間 螺栓組連接的設計 應保證螺栓與螺母的支承面平整 并與螺栓軸線相垂直 以避免引起偏心載荷 為此 應將被連接件的支承表面制成凸臺或沉頭座當支承面傾斜時 可采用斜面墊圈 凸臺與沉頭座 螺栓組聯(lián)接的基本受載類型 假設 所有螺栓的剛度和預緊力均相同 被聯(lián)接件為剛體 各零件的變形在彈性范圍內(nèi) 螺栓組連接的受力分析與設計 螺栓組連接的設計 5 4螺栓組聯(lián)接受力分析 一 承受軸向載荷的螺栓組連接 如圖所示為壓力容器的螺栓組連接 所受軸向總載荷FQ通過螺栓組形心 螺栓組各螺栓所受的工作載荷相等 螺栓數(shù)目 注 如FQ不通過螺栓組的形心 應向形心平移后再計算 螺栓組連接的設計 軸向外載荷 受軸向載荷的螺栓組連接 受橫向載荷1 二 承受橫向載荷的螺栓組連接 普通螺栓連接 螺栓預緊后在被聯(lián)接件的接觸面上產(chǎn)生正壓力 靠由此產(chǎn)生的摩擦力承受 保證被聯(lián)接件不相對滑動 須滿足 則所需預緊力為 螺栓組連接的設計 受橫向載荷的螺栓組連接 受橫向載荷2 受鉸制孔螺栓連接 各螺栓承受的橫向力相等 分別進行剪切強度和擠壓強度計算 螺栓組連接的設計 三 承受轉(zhuǎn)矩T的螺栓組連接 連接受載后有繞螺栓組形心轉(zhuǎn)動的趨勢 螺栓受力情況與承受橫向工作載荷的螺栓連接類似 承受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接 承受轉(zhuǎn)矩T時1 普通螺栓連接 靠結(jié)合面上的摩擦力承受T 螺栓組連接的設計 r1 r2 rz 各螺栓中心與螺栓組形心間的距離 承受轉(zhuǎn)矩T時2 鉸制孔螺栓連接 各螺栓所受的工作剪力與其中心到底板中心的距離成正比 底板的靜力平衡方程為 聯(lián)立兩式求解 得最大工作剪力 即 螺栓組連接的設計 受翻轉(zhuǎn)力矩M時1 四 承受傾翻力矩M的螺栓組連接 在M作用下 底板有繞通過螺栓組形心的軸線O轉(zhuǎn)動的趨勢 在前述假設下 各螺栓所受的工作拉力與其中心到翻轉(zhuǎn)軸線的距離成正比 底板的靜力平衡方程為 聯(lián)立兩式求解 得最大工作拉力 螺栓組連接的設計 受翻轉(zhuǎn)力矩M時2 為防止結(jié)合面受壓最小處出現(xiàn)間隙 要求 為防止結(jié)合面受壓最大處被壓潰 要求 式中 A 結(jié)合面的面積 mm2 W 結(jié)合面的抗彎截面模量 mm3 許用擠壓應力 Mpa 實際中 螺栓組往往同時承受兩種或兩種以上的載荷 螺栓組連接的設計 工作時承受外載荷FP 軸向載荷FV橫向載荷FH翻轉(zhuǎn)力矩M 改善螺紋牙間的載荷分配減小螺紋的應力副減小附加彎曲應力 14 5提高螺紋連接強度的措施 螺紋聯(lián)接組的設計1 設計螺栓組連接時 通常是先進行結(jié)構(gòu)設計 即確定結(jié)合面的形狀 螺栓布置方式和數(shù)目 然后按螺栓組的結(jié)構(gòu)和承載狀況進行受力分析 為了便于加工制造和對稱布置螺栓 保證連接結(jié)合面受力均勻 通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設計成軸對稱的簡單幾何形狀 螺栓布置應使各螺栓的受力合理 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線 通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4 6 8等偶數(shù) 螺栓的排列應有合理的間距 邊距 各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便 還應留有足夠的扳手空 改善螺紋牙間的載荷分配 提高螺紋連接強度的措施 5 5提高螺栓強度的措施 工作中 螺栓受拉 螺母受壓 從而產(chǎn)生螺距差 導致旋合的各圈螺紋牙受載不均 提高螺栓連接強度的措施 改善螺紋牙間的載荷分配 螺栓受拉伸 其螺紋的螺距增大 螺母受壓縮 其螺紋的螺距減小 約有1 3的載荷集中作用在第一圈 第八圈以后的螺紋牙幾乎不承受載荷 懸置螺母螺桿與懸置螺母同時受拉力 使兩者變形協(xié)調(diào) 可使旋合螺紋牙的載荷均勻分配 提高螺栓連接強度的措施 環(huán)槽螺母環(huán)槽螺母和螺栓在支承面處的變形性質(zhì)相同 均受拉 從