同济大学机械设计教案第二篇联接概述

一. 联接的作用
构件机构需要联接---运动副 零件构件需要联接
1. 动联接：两构件之间的联接，构成运动副。

2. 静联接：同一构件上零件之间的联接。

「可拆联接例：螺纹、键、花键、销等 静联接彳不可拆联接 例：铆接、焊接、胶接
L 过盈配合联接
3•联接类型的选用
第五章螺纹联接
第0节概述
二.螺纹的基本参数
1. 大径d----例：公称直径 M16 2•小径d i 3. 中径 d 2 4. 螺距t 5. 升角
四.螺纹类型：
1. 按旋向分：左旋和右旋。

见形成
2. 按配对分：内螺纹和外螺纹。

3. 按轴剖面形状分： 1）三角螺纹 a. 粗牙螺纹 b. 细牙螺纹
第二篇联接
分类
螺纹的形成 3） 矩形螺
纹
4） 梯形螺
纹
b.圆锥管螺纹
螺纹联接的主要类型、材料
螺纹联接的基本类型
1.螺栓联接
1）受拉（普通）螺栓联接.
2）受剪（铰制孔）螺栓联接
二. 螺纹紧固件的性能等级和材料
2.双头螺柱联接
3.螺钉联接
4.紧定螺钉联接
国标规定螺纹紧固件机械性能分级
1.螺栓、螺柱、螺钉的性能分为十级:
精度等级 3.6
4.6、4.8、
5.6、
5.8、
6.8
8.8、9.8 10.9 12.9
常用材料低碳钢低碳钢或中碳
钢
中碳钢或低碳
合金钢
中碳钢或低碳
合金钢
合金钢
2.机械强度与性能等级关系:
Bmin=100 X1点前数字smin=10 ＞（点前数字X点后数字）
例：3.6级螺栓：
Bmin=100 X点前数字=100 X3=300(Mpa)
smin=10 X点前数字X 点后数字）=10 X3 X）=180（Mpa）
3.螺母性能等级：
根据螺母高度m不同，分为两类
螺母高性能等级
m > 0.8D 4、5、6、8、9、10、12
0.5D < m<0.8D 04、05
4.机械强度与性能等级关系:
Bmin=100 X级别
例：级别为6的螺母：
Bmin=100 X级别=100 X 6=600（Mpa）
三.许用应力与安全系数
第2节单个螺栓联接的受力分析和强度计算
（螺纹联接的强度计算）
受拉螺栓联接
F
1.失效形式：主要为螺栓断裂
2•设计准则：保证螺栓静强度和疲劳强度。

3.受力分析与强度计算
1）受拉松螺栓联接力分析与强度计算a）受力分析：螺栓中受力F b）强度计算
螺栓联接的拧紧
1. 拧紧的目的
贝,F=T/0.2d=200 15d/0.2d=15000N
如果螺栓小于 M12可能被拧断。

2）方法 a ）测力矩扳
手、
b ）定力矩扳手、
c ）测量螺栓伸长量
螺纹联接的防松
1. 防松的目的
=1°42'〜3°2'< v ,自锁，但在振动、冲击、变载荷作用下摩擦力会减小或消失，引起联 接
松脱，所以，必须防松。

2. 防松的根本问题 防止螺旋副的相对转动
3. 防松的方法
”摩擦防松（对顶螺母、弹簧垫圈）。

特点：易装拆
防松方法 -机械防松（开口销、止动垫片、串联钢丝）特点：可靠 沖―1破坏螺旋副（焊、胶
接、冲）
特点：可靠、不便装拆
1） 摩擦防松
b. 对顶螺母防松
c. 弹性垫片防松
d. 金属锁紧螺母防松
e. 尼龙圈锁紧螺母防松 2） 机械防松
f. 开口销与槽形螺母防松
g. 止动垫片防松
h. 串联钢丝绳防松 3） 破坏螺旋副
i. 点焊防松 j. 冲点防松
1 F”>0
=F/A=4F/ di 2
< []校核式
d i =(4F/ [ ])
1/2
设计式
1） 增强联接的可靠性和紧密性。

2）
提高疲劳强度
2. 拧紧力和预紧力矩的关系
3. 拧紧力矩的控制 1）目的：
防止F '过大拧断螺栓
例：汽缸缸盖的拧紧
例：对于标准扳手,
L=15d ，设拧紧时扳手力为 F=200N.
F
k.胶接防松
2)受拉紧螺栓联接
a.仅受预紧力的紧螺栓联接
受力分析 拉力：F
拧紧力和预紧力矩的关系
T=T I +T 2
式中：
T i =F ‘tg(
)d 2/2
T 2=F ' D i 3
-d o 3
D i 1 2
-d o 2
代入得：
T=[tg( )d 2/2d+2 D i 3
-d o 3
d D i 2
-d o 2
Fd]
对于M10〜M68的螺栓，将尺寸代入， 并取
贝T 〜0.2F 'd 强度计算 拉应力：=4F '/ d i 2
扭转剪应力：=T 1/ d i 3
/16
对于M10〜M68的钢制螺栓，tg()〜0.17, ~ 2.8 °,
d 2/d i =1.04 〜1.08
代入得：〜0.5
等效应力：ca =( 2
+3 2
)"2
~ 1.3 < [] 校核式
2
即：4X 1.3F' / d 1 <[]
1/2
d 1>(4 X 1.3F' /[]) 结论：
仅受预紧力的螺栓联接可以按拉伸计
2 对密封有要求 F”=(1.5〜1.8)F
3•—般联接、载荷平稳
F''=(0.2〜0.6)F
4. 载荷不平稳 F”=(0.6〜1.0)F
:F 0=F+F”
1= 2
F''=F'-(C 2
/(C 1+C 2))F 彳
F'=F''+(C 2
/
(C 1+C 2))F
F 0=F'+(C 1
/
(C 1+
⑵)F • F'=F 0-(C J(C 1+C 2))F
F R
*
b. 受预紧力和工作载荷的螺栓联接
受力分析
讨论：剩余预紧力的确定 (F o -F) /c 1=(F'
解得:
F R /2
但须将拉应力放大30%.
C 1
/
(C 什C 2)称为螺栓相对刚度
强度计算
静强度计算
拉应力： o =4F o/ d i 2
剪应力：
等效应力：ca =4 X1.3F 0/ d i 2
< []
校核式
d i > (4X1.3F 。

/ [ ])1/2
设计式
疲劳强度计算
工作载荷：F=F i 〜F 2 力幅： F a =(F o2-F oi )
/
2 =(c i
/(c i +C 2))(F 2-
F i )/
2 疲劳强度： a =F
w []
二. 受剪螺栓联接 1. 工作原理 2. 失效形式 1) .螺杆剪切面被剪断
2) 强度较弱的螺杆或孔被压 溃 s
3.条件性强度计算 螺栓剪切强度：4F
s / d 2
m w
[] 挤压强度：F
s /
dh
min W
[ P ]
例题 已知汽缸工作压力 p=0〜0.5Mpa ，工作温度<i25°c . 汽缸内径D 2=1100mm ,螺栓数目 算汽缸盖螺栓直径。

解 一.力分析
1. 汽缸盖受气体最大压力：
F Q =P • D 2
2
/
4=0.5 &14
2. 单个螺栓工作载荷：
z=20,采用铜皮石棉垫。

1100
2
/
4=475200(N)
F i =0
试计
F 2=F Q /Z =475200 /20=23760(N) 3•剩余预紧力：
F”=1.5F 2=1.5 忽3760=35640(N) 4•螺栓最大拉力
F O 2=F 2+F”=2376O+3564O=594OO(N) 5•预紧力
F'=F O 2-C I /(C I +C 2)F=594OO-O.8 2^3760 =40390(N) 6.螺栓拉力变化幅度：
F a =(F 02-F')/2=(59400-40390)
/2=950
5(N)
二.计算螺栓疲劳强度
1. 螺栓直径：
初取 M42，查手册 d=42mm ，
d 1=37.129mm ， d 2=39.07mm
(取标准，也可先按静强度计算 d ，再校 核疲
劳强度)
2. 螺栓截面积
A= d 12
/4=3.14 37.1292
/4=1082.17 mm 2
3. 螺栓应力幅：
a =F a/A=9505 /1082.17=8.78(Mpa)
4. 选材：
35钢，螺栓强度级别 5.6级。

B =500Mpa s =300Mpa
5. 螺栓材料疲劳极限
-1=0.41 B =0.41 500=205Mpa
6. 螺栓极限应力幅
k m = 1 k u =1 k
alim = k m k u -1/k
/
pa)
7. 螺栓许用应力幅
[s a ]=3
[a ]= alim/[S a ]=36.84/3=12.28(Mpa) 8. 校核
a =8.78(Mpa)<[ a ]=12.28(Mpa) 满足
疲劳强度 三.计算静强度
1. 拉应力
=F 02/ d 12
/4=59400/
2
/4
)=54.88(Mpa) 2. 许用应力：
[S S ]=2.5 []=s/ s s =300/
=120(Mpa)
3. 等效应力：
ca =1.3
pa)
4. 强度校核：
ca =71.344<[ ]=120(Mpa)
满足静强度 结果：M42 , Z=20
第3节
螺栓组联接的受力分析
一. 本节任务
通常螺栓都是成组使用的，对螺栓组设计要解决螺栓的 数目、布置、
被联接件结合面设计、螺栓尺寸。

二. 螺栓组联接的结构设计
目的：合理的确定联接的结合面形状、螺栓数目、使结合面和螺栓受 力均匀、并便于加工和装配。

1.结合面几何形状设计：通常为对称的简单形状。

2. 使各螺栓受力合理
3. 螺栓排列有合理的间距和边距
4•同一组螺栓尽量用相同的材料、直径、长度
5•同一圆周上的螺栓数应为 4、6、8、12等，便于划线。

三. 螺栓组联接受力分析
目的：找出受力最大的螺栓并计算所受力的大小、性质，以便强度计算。

假设：1>.各螺栓预紧力相同。

2>.各螺栓材料、直径、长度相同。

3>.螺栓组中心和结合面中心重合。

4>.受载后结合面仍为平面。

1. 受轴向力F Q 的螺栓组联接
每个螺栓受工作载荷：
F=F Q /Z
（ F o =F+F ）
2. 受横向载荷的螺栓组联接
受力分析
F R
1） 受拉螺栓联接
a ）力分析
力平衡：
s F'm z=k f F R
预紧力：F'= k f F R / s mz 式中：k f -----可靠性系数
s ----摩擦系数
b ）强度计算
ca =4 X1.3F'/ d 12< []
2） 受剪螺栓联接 a ） 力分析
由力平衡：Z F S =F R 有：F S =F R /Z
b ） 强度计算（略） 3. 受旋转力矩的螺栓组联接
1）
受拉螺栓联接
s F'rn - + s F'r i --- + s F'r z =k f T
F'=k f T / S （ r i ）
2）
受剪螺栓联接
a ） 力矩平衡
F S 1 门 + •…+ F si 「i + •…+F sz 「z =T b ） 由变形协调条件：
F S 1/「1 =・・・=F si /r i = …=F SZ /「Z = F
smax /r max 代入得：F
smax =Tr max /「F
F si =(F smax /r max )「i
s F
4.受翻转力矩的螺栓组联接
F i r i + •…+ F i 「i + •…+ F z 「z =M b)变形协调条件
F i /r i = •…=F i /r i = •…=F z /r z = F max /r max
解得：
F max =Mr max /「i
2
例题：已知P=4800N ，
结合面尺寸如图，
设计螺栓组联接。

解：
1. 结构设计略
2. 螺栓受力分析
P 2=Pcos =4800 >os500
=3085(N)
翻转力矩
M=P1X160+P2X150=3677 >60+3085 >5 0=1051070（N ）
2）在P 1作用下各螺栓所受工作拉力
5.受复杂力系的螺栓组联接
方法：将力系向结合面形心分解成 轴向、横向、旋转、反转 等简单力系。

3）在M 作用下上边螺栓受力
F max =Mr max /『=1051070 >140/(4 W02
)
横向力 4）在P 2作用下结合面不滑移条件
求拧紧力
1）将力向形心简化
轴向力
P i =Psin =4800 冶in50°=3677(N)
=1877(N)
F 1=P 1/z=3677/4=919(N)
= [1.2 X 3085/ +0.8 >677]/4=6520(N)
伞
$
s [zF'-
C 2/(C 1+C 2)p 1 ]=k f P 2
s =0.16, k f =1.2
C /(C +C )=0.2
C 2/(C 1 + C 2) = 1-C 1/(C 1+C 2)=0.8
F'=[k P +C /(C +C )p ]
a ）力矩平衡
15
=(4 )6520-0.8 6377)/(150 (840-220))
+1051070/2107059=1.78(Mpa)
F=F i +F max =919+1877=2796(N)
总拉力：
F 0=F'+(C 1/(C 1+C 2))F=652O+O.2 2796=7079(N) 3.
确定螺栓直径
1) 许用应力
选材：A3 ;螺栓强度级别：4.6; 许用应力：
s =240MPa ，[S ]=1.5，
[]=s /[s]=
/1.5=160(MPa)
2) 螺栓直径
1/2
d i > (4 X 1.3 F o
/[])
1/2
=(4 X 1.3 X 7079/160X 3.14) =8.6(mm
)
查手册：d=10mm 时， d i =8.376mm<d min 强度不足 d=12mm 时，
d i =10.107mm>d min 满足强度
4.
校核被联接件结合面的工作能力
1)校核下端挤压
pmax = (Z F'-C 2/(C 1+C 2)P I )/A+M/W
抗弯截面模量W
由许用挤压安全系数：[S p ]=2.5 由手册：s B =250Mpa
[P ]= B /[S P ]=
/2.5=100Mpa
pmax <<[ p ]安全
2)校核上端缝隙
pmax =(zF'-C 2/(C l +C 2)P l )/A-M/W
=(4 X 520-0.8 6X 77)/(150 &40-220 ))-1051070 /2107059
=0.72(Mpa)>0
不会出现缝隙
第4节
提高螺栓联接强度的措施
一.
均匀螺纹牙受力分配
螺纹牙受力不均 原因：一般的螺栓联接，由于螺杆受拉，螺距变大；螺母受压，螺 距变小。

措施：使螺母受拉。

减小附加应力
例：螺栓受附加应力 措施：
三.
减小应力集中
5）螺栓受总拉力
工作拉力：
b
W=b(h-h') 3/
6h =150 X(3403
-2203
)/
6 X 340
=2107059mm 3
四. 降低应力幅
增大被联接件刚度、降低螺栓刚度、适当增大预紧力。

降低螺栓刚度措施：增长螺栓长度、减小螺栓直径或作成空心螺栓。

变形
减小螺栓刚度、增大预紧力
五. 改善制造工艺
螺旋传动
一.作用
将转动变为移动，传递运动和动
力。

例：
二.分类
按摩擦分：
1.滑动螺旋：结构简单、加工方便、易自
锁；效率底、磨损快。

2.滚动摩擦：〔
3.静压螺旋：效率高、结构复杂、成本高
三.滑动螺旋传动设计
1.选材
螺杆：受力复杂，用优质碳钢及合金钢。

螺母：铜合金、铸铁等
2.失效形式
1)螺纹磨损
2)螺杆或螺纹断裂
3)自锁
4)压杆稳定性
3.设计计算
校核式：
p---螺距，
[p]---许用比压
对矩形和梯形螺纹
h=0.75p
取H'/d2=，整理得
设计式：
2) 螺纹牙强度
(螺母材料强度低,
a)剪切强度
b)弯曲强度
Fp
d2hH' p
h=0.5p;锯齿形螺纹,
d2
故按螺母校核)
F []
dt1z
3Fh
3)
4)
1)螺旋副耐磨性计算条
件性计算
F/ d2hz<[p]
用螺母高H'和
螺距表示得
5)
v
压杆稳定性
F
ca
F
2.5 4
第六章小结
螺纹联接螺纹概述
螺纹类型、应用 1.摩擦防松
2.机械防松
3.破坏螺旋副
螺纹联接的类型
预紧、防松问题
设计计算
单个螺栓联
接强度计算
受拉松螺栓联接
1.只受预紧力
2.受预紧力和工作载荷
受拉紧螺栓联接
受剪螺栓联接
螺栓组设计
受轴向载何受
拉
立螺栓联接
受横向载何
受拉/受剪螺栓联接
受旋转载荷
受翻转载荷受拉螺栓联接
受复杂力系
受拉/受剪螺栓联接
提高螺栓联接强度措施：
1.C1、C2、F'
2.受拉螺母
3.附加载荷
思考题
1•三角形螺纹有何特点？主要用途？
2•螺纹联接有哪几种类型？受拉螺栓和受剪螺栓联接有何不同？它们的画法有何不同？载荷是怎样传递
的？
3•双头螺柱和螺钉联接哪一种不宜用在经常装拆的场合？
4•强度级别为5.8的螺栓，B=?，S=?
5•防松的根本问题是什么？有哪些防松措施？
6.弹簧垫片开口旋向是左旋还是右旋？串联钢丝防松时，金属丝的方向如何?
7.松螺栓联接如何进行强度计算？
8.只受拧紧力的紧螺栓联接的等效应力与拉应力有何关系？
9.既受拧紧力又受工作载荷的紧螺栓联接F'、F“、F、F o
之间的关系？什么是螺栓的相对刚度系数？
10・受拉螺栓联接的失效形式是什么？受剪螺栓联接呢？
11・导出受轴向力、横向力、旋转力矩、翻转力矩的螺栓联接中受力最大的螺栓所受最大力。

12・受拉螺栓既受拧紧力又受工作载荷时，如果工作载荷在0〜F之间变化，在图上标出螺栓最大变形
量imax、受
工作载荷F后变形量增量1；标出被联接件最大变形量
2max、受工作载荷F后变形量增量2；标出拧紧力F'、最小总拉力F omin、最大总拉力F Omax、力变化
幅F a、剩余拧紧力F''o
13・改变螺栓的相对刚度和拧紧力是如何提高疲劳强度的？
14・受拉紧螺栓联接，螺杆受拉应力=50Mpa，许用应力［
该螺杆是否满足强度条件？
37
2/2。