第九章 机械设计之连接件

3、严格控制预紧力时
d≮M12~M16
标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：
T=FL=15dF=0.2F’d → F’=75F 若F=200N，则F’=15000N。 →小于M12，则易拉断。 二、防松 1、螺纹联接按自锁条件设计： ψ ≰ρv。∴ 静载下不会自行松脱。 2、松动原因 冲击、振动、变载荷下 螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失
§5 螺栓组联接的受力分析
一、思路 联接结构形式、外载荷类型 —→螺栓受力 —→找出受载最大螺栓
—→按单个螺栓联接的计算方法计算 二、基本假定 1、各螺栓刚度相同； 2、各螺栓F’相同； 3、变形在弹性范围内； 4、被联件为刚体；
三、四种典型受载情况时 的受力分析 1、受轴向载荷的螺栓组联接
特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。 —→各螺栓组平均受载： F=FQ/z
② 线数n：n=1时用于联接；n＞1时用于传动；
n↑→η↑，但为便于制造n≰4 ③ 牙形角α：螺纹牙两侧面夹角。 ④ 螺距p
⑤ 导程s ：s=np ⑥ 中径升角ψ： arctan d 2 2、螺纹的类型 螺纹位置：内螺纹——螺母；外螺纹——螺钉。
np
螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。
1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、…… 性能等级 如：6.8
材料性能
σBmin/100=6
σBmin=600MPa
10(σsmin/σBmin)=8
σsmin=480MPa
或σsmin=(6×8)×10=480MPa
低碳钢或中碳钢
2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）
§3 螺栓联接的拧紧与防松
F'/2
e)计算螺母承压面 力矩用的符号
d)螺栓和被联接 件所受预紧力
2、控制T的方法 T↑ T↓ 方法： F↑ 拉断、滑扣 控制T的大小
不能满足工作要求 一般情况凭经验，拧紧即可。 测力矩扳手 定力矩扳手
冲击扳手
测量螺栓伸长量：σ
μ（大型螺栓联接）
测量螺栓伸长量
采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不 适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来 控制预紧力。
温度变化较大时
松动
3、防松方法
——防止螺旋副相对转动。
按防松原理不同，分为三类： a ）摩擦防松
螺 栓 上螺母 下螺母
对顶螺母
自锁螺母
开口方向：斜向右下方 弹性增压 弹簧垫圈 b ）机械防松（直接锁住）
尖端抵住
开口销与槽形螺母
串联金属丝
注意金属丝穿入方向 正确
不正确
c ）破坏螺纹副关系
不可拆联接
铰制孔螺栓：除起联接作用外， 还起定位作用。
2、双头螺柱联接
3、螺钉联接
用于有一联接件较厚，并 经常装拆的场合，拆卸时只需 拧下螺母即可。
用于有一联接件较厚，
且不需经常装拆的场合。
4、紧定螺钉联接
螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定 两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。
二、性能等级
工作条件： s F m z k f FR
F k f FR s m z
按仅受F’的紧联接计算。 式中：μs—— 结合面的摩擦系数；
z —— 螺栓个数；
m —— 结合面数目，图中m=2； kf——可靠系数（防滑系数）， kf=1.1~1.5；
b、受剪螺栓 假定每个螺栓受载相同，则 工作条件： z Fs FR
焊住
冲点
胶接
§4 单个螺栓联接的受力分析和强度计算
松联接：不拧紧，无预紧力F’，仅受工作载荷F 受拉螺栓 螺栓联接 受剪螺栓 一、受拉螺栓联接 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。
15% 20% 65%
紧联接：需拧紧
仅受预紧力F’ 同时受预紧力F’和工作载荷F
危险截面面积由计算直径dc确定： dc=d1-H/6，H≈0.866p； 其中：d1、p分别为螺纹小径和螺距。
F02 F01 F2 F1 C1 2 2 C1 C 2
（P110）表6.3 螺栓许用应力幅 即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。
2(F2 F1 ) C1 [ a ] ∴应力幅： a 2 d c C1 C 2
F02-F01 2 F02
变形
F1
二、受剪螺栓联接
旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高 则为左旋，右边高则为右旋。 思考：
右旋
左旋
4
螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。
螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等 60 30 ° °
三角形 联接：效率低、自锁性好。 单线，用于联接 梯形
30 ° 3°
锯齿形 矩形
传动：效率高、自锁性差。 双线或多线，常用于传动
同理，考虑扭转作用，强度条件为：
c
1.3F0 [ ] 2 d c / 4
——校核式
4 1.3F0 dc [ ]
mm ——设计式
c1 c1+c2 F1
若工作载荷为变载荷：
c2 c1+c2F2
力 工作载荷变化
2
螺栓拉力变化
F2
o
时间
o
F"
F在F1~F2变化时，螺栓总拉力在F01~F02之间变化 变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断 Fa——拉力变幅： Fa
斜向右下方弹性增压尖端抵住开口销与槽形螺母机械防松直接锁住正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝破坏螺纹副关系不可拆联接单个螺栓联接的受力分析和强度计算螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接
提 高 螺 纹 联 接 强 度 的 措 施
螺 纹 组 受 力 分 析 与 讨 论
计 算
单 个 螺 栓 的 受 力 分 析 与 强 度
2、螺栓工作拉力F0 —→总拉力
3、工作载荷F（对螺栓联接施加的外载荷） 4、F”剩余预紧力。（P108） 思考：图b中，F0=？ 图c中，F0=F+F’？ 静力平衡条件： F0=F+F” 即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。 ■ 上述过程还可通过力——变形图表示 力 力 力
λ1 δ1 变形
4 1.3F0 [ ] 螺栓还受F’ —→F0 —→ 2 d C
工作条件：F”>0
2、受横向载荷的螺栓组联接
FR/2
F' FR
F'
FR/2
F' μ FR F' μ
'
F' μ
'
'
F' μ
'
a)用受拉螺栓联接
（1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。
（2）承载方式：力闭合：受拉螺栓（由F’在结合面产生的摩擦力承载） 形闭合：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载） （3）受力分析 a 、受拉螺栓
螺 纹 联 接 的 拧 紧 与 防 松
螺 纹 联 接 概 述
联 接 概 述
螺 纹 联 接
§1 概述
一、联接分类 1、按运动关系分 静联接：只固定，无相对运动。如螺纹联接、普通平键联接。 动联接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。——运动副 2、按传载原理分 靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈联接。 非摩擦（形闭合）：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。
一、拧紧 受载之前 预紧 拧紧螺母 ↑联接刚度 预紧力F’
↑防松能力
↑紧密性
1、拧紧力矩T=？
以螺母分析：T=T1+T2
螺母支承面间的摩擦阻力矩 螺纹副间的摩擦力矩
d2 (Ft F tan( v ) —— 螺纹副间有效圆周力 T1 Ft 2 d2 F tan( v ) 2
s
工作条件：
s F r1 s F r2 s F rz k f T
F kfT s (r1 r2 rz ) kfT
s ri
i 1
z
（2）受剪螺栓联接
靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用
下受横向力Fs。 问题：Fs1= Fs2= …= Fsz ？ 工作条件： Fs1r1+ Fs2r2+ …+ Fszrz= T 变形协调条件：底板视为刚体，ri↑
4 1.3F mm ——设计式 dc [ ]
（2）受预紧力F’和轴向工作载荷F的紧螺栓联接
变形受力过程：
a、未拧状态
b、拧紧状态F’
c、工作状态F
无变形—→ F’ —→
δ δ
1 2
—→ +F —→
δ 1+Δ δ δ 2-Δ δ
1 2
变形协调条件： Δδ1= Δδ2 =Δδ
各力定义 1、预紧力F’（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）
1、松联接
如：起重滑轮螺栓 仅受轴向工作拉力F——失效：拉断 强度条件：

F [ ] MPa ——校核式 2 d c / 4
式中：dc——危险截面计算直径
[σ]——许用应力， [σ]= σs／[Ss]，见表6.3（P110）。
4F dc [ ]
mm ——设计式
查手册，选螺栓
2、紧联接 （1）只受预紧力F’的紧联接 外载荷FR——对螺栓为横向力——靠摩擦力传递 a. FR作用下，板不滑移：FR≰Ff，而Ff—→F’。
力
c2 F c1 c 2 ——检查F”的大小 F F
∴
F0 F F F
c1 F c1 c 2
——求总拉力
即：螺栓总拉力等于预紧力加上
部分工作载荷。
δ1
Δδ 1 Δδ 2 δ2
变形
讨论：
c1 ——螺栓相对刚度系数 1、 c1 c 2 c1 F0 当F、F’一定时， c1 c 2 c ∴为↓螺栓受力 —→应使 1 ↓ —→ 选择不同垫片 c1 c 2 c F F 2 F 验算) (P108) 2、 F 0 ：不出现缝隙。(由 c1 c 2
T T1 T2
T1
T
1
T3 T4 T3 T4
a)螺母所 受转矩
b)螺栓所 受转矩
c)螺栓转 矩图
T 2 F rf
∴T
（rf——支承面摩擦半径）
T1 T 2 k t F d
kt——拧紧力矩系数，一般取kt=0.2
F'/2 F' F'/2
d1 F'
D1
F'/2
FS FR / z
剪切计算 挤压计算
FR/2 FR Fs Fs FR/2
Fs/2 FR Fs/2
Fs/2 Fs/2
b)用受剪螺栓联接
3、受旋转力矩T的螺栓组联接
特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。 受拉螺栓
横向力
受剪螺栓 （1）受拉螺栓联接
摩擦力承载，各螺栓处产生相等 的摩擦力 F
F b. 按F’计算： F’为螺栓轴向负荷—→拉应力 d c2 / 4 c. 拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭—→产生τ T
T T1 F tan( v ) d 2 / 2 2d 2 F tan( v ) 2 WT d c3 / 16 dc d c / 4
λ2 δ2
δ1 δ2 变形
螺栓刚度： 1 tan 1 F / 1 c
由于
被联件刚度：2 tan 2 F / 2 c
1 2
两图合并
在合并图中： 1
F0 F F F F c1 c1
2
F F c2
对钢制M10~M68螺栓：τ T≈0.5σ。 d. 危险截面上受复合应力（ σ、 τ T）作用—→强度准则
螺栓为塑性材料—→第四强度理论。
c 3 1.3 [ ]
2 2 T
即： c
1.3F [ ] ——校核式 2 d c / 4
1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。
材料锁合联接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。
3、按拆开时是否损坏零件分 可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。
不可拆联接：如焊接、铆接等。
二、螺纹基本知识 1、螺纹的主要参数 ① 直径 大径d：公称直径。M20→d=20mm 小径d1：螺纹的最小直径。 中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计 算用。 一般取：d2=(d+d1)/2
被连接件
1
FR
挤压破坏
h2
FR
h1
d
2
a)受剪螺栓联接
剪断破坏 b)螺栓被挤压
1、失效形式： 剪断、接触表面压溃。
2、螺栓剪切强度条件 3、挤压强度条件
Fs [ ] 2 m d / 4
d——杆抗剪面直径 m——抗剪面数目 [τ]——许用剪应力
h——对象受压高度； Fs p [ p ] [σp]——许用挤压应力，表6.4，取弱者计算； d h
粗牙：一般情况下使用。
细牙：d相同，p小， ψ小，牙浅，自锁性好，但不 耐磨，易滑扣。∴ 用于变载荷场合。 ∴联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。
§2 螺纹联接的主要类型、材料
一、主要类型（注意各图的画法） 1、螺栓联接 受拉——普通螺栓 受剪——铰制孔螺栓
普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹 孔，装拆方便，用于两被 联件均不太厚的场合。