螺纹连接强度计算
螺纹联接的强度计算
工作载荷不稳定时，F1=（0.6～1.0）F
F
Dp
D
12
各力定义:
1、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件 上压力）
2、工作拉力F（对螺栓联接施加的外载荷） 3、 残余预紧力F1 4、螺栓的总拉力F2
螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：
p
F d0 Lmin
p
螺栓杆的剪切强度条件：
F
d02
4
Lmin——挤压面的最小高度, Lmin ≥1.25d0
d0 ——光杆直径
3
②当用普通螺栓联接时
因横向载荷是由预紧力在被联
接件间产生的摩擦力来抵抗的，所 以应满足：
F/2
F0
F0 f n F
F
F0
F f n
32
习 题： P101 5-4、5-9 、5-10
33
谢谢！
34
r
30
⑵从设计、装配、制 造上设法避免附加 应力的产生。
球面垫圈
腰环螺栓
切削加工支承面
被联接件变形太大 支承面不平
采用凸台或沉孔结构
31
4 采用合理的制造工艺方法
采用冷墩螺栓头部，滚压螺纹，使应力集中变小，金属流 线合理，冷作硬化硬表面留有残余应力。
滚压螺纹疲劳强度比切削提高30～40％，而且材料利用率 高，生产效率高，制造成本低。
F/2 F0 T1
4
预紧力F0（拉伸应力）+ 螺纹 摩擦力矩T1（扭转切应力）
F0 F/2
强度计算准则（与仅受预
紧力的螺栓联接相同）第四强 度理论：螺栓的计算应力为 ：
螺纹连接强度计算
对于M10~M68的普通螺纹，取d1、d2和ψ的平均值， 并取： tgρ’ = f ’ =0.15
得： τ ≈ 0.5 σ 当量应力： c 2 3 2 2 3(0.5 ) 2
1.3
1.3Fa 强度条件： 2 [ ] d1 / 4
长沙交通学院专用
二、紧螺栓联接
装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。
Fa
螺栓受轴向拉力Fa和摩擦力矩T的双重作用。
Fa [ ] 拉应力： 2 d1 / 4
长沙交通学院专用
Fa
T1 Fa tg ( ' ) d1 2 切应力： 3 d1 / 16 d13 / 16 分母为抗剪截面系数 Fa 2d 2 tg ( ' ) 2 d1 d1 / 4
§10－6 螺栓联接的强度计算
螺栓联接 螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度 原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分 都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主 要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称 直径d及螺距P等。
滑扣 因经常拆装 一、松螺栓联接 装配时不须要拧紧 Fa [ ] 力除以面积 强度条件： d12 / 4 式中:d1----螺纹小径， mm
螺纹联接的强度计算
螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算螺栓的受⼒形式主要是轴向受拉或横向受剪。
轴向受拉时有松螺栓联接与紧螺栓联接两种情况。
螺栓危险截⾯应是⼩径所在截⾯。
⼀、松螺栓联接的强度1、特点：在承受⼯作载荷前，螺栓不受⼒，在⼯作时则只承受轴向⼯作载荷F 作⽤。
此联接可能发⽣的失效形式为螺栓杆的拉断。
2、强度条件：或式中，d 1为螺纹⼩径（mm ），[σ]为松螺栓联接螺栓的许⽤拉应⼒（MP ），查下表。
3、实例:如起重吊钩。
⼆、紧螺栓联接的强度计算紧螺栓联接装配时已拧紧，未加载荷前已受预紧⼒。
只分析受横向⼯作载荷情况如右图：外载荷Fs 与螺栓轴线垂直。
联接靠被联接件接合⾯间的摩擦⼒传递外载荷，因此螺栓只受预紧⼒Q 0作⽤。
⼯作时防⽌被联接件相对滑动，螺栓预紧⼒Q 0为：式中，S 为安全系数，通常S=1.1～1.3；m 为接合⾯数,f 为接合⾯间的摩擦系数,f ＝0.1～0.16。
这种联接的螺栓在预紧⼒Q 0作⽤下，在其危险截⾯(⼩径)产⽣拉应⼒：在对螺栓施加预紧⼒Q 0时,拧紧时螺栓同进还受扭矩T,螺栓在T 作⽤下,在其危险截⾯(⼩径)处产⽣扭转切应⼒τ:对于M10～M60的普通螺纹，取d 1、d 2、λ的平均值，并取，则。
按第四强度理论，当量应⼒为故该螺栓联接的强度条件为：或螺纹联接按材料的⼒学性能分为⼗个等级。
螺母的性能等级⽤螺栓⼒学性能等级标记的第⼀部分数字标记。
当螺栓与螺母配套成组合件时，两者的⼒学性能应为同级。
螺栓联接的许⽤⼒和安全系数螺纹的结构、预紧与防松⼀、螺纹连接的结构设计1、联接接合⾯的⼏何形状通常设计成轴对称的简单⼏何形状，螺纹连接布置时应使其对称中⼼与联接接合⾯的形⼼重合，以使受⼒均匀。
2、分布在同⼀圆周上的螺纹联接数⽬应尽量取4、6、8、12、16、的偶数，以便于圆周上钻孔时分度和划线。
同⼀螺纹联接中的螺纹联接件的材料、直径和长度均取为相同，同⼀产品上采⽤的螺纹联接件的类型和尺⼨规格应越少越好。
螺纹连接强度的计算
螺纹的连接强度设计规范之阿布丰王创作已知条件：螺纹各圈牙的受力不均匀系数：旋合长度：L=23螺纹资料:45 屈服强度360MPa 抗拉强度 600Mpa n=5(交变载荷)系统压力P=17.5Mpa 活塞杆d=28 缸套D=65推力F=PA=47270N请校核螺纹的连接强度：1：螺纹的抗剪强度校验：[]τ故抗剪强度足够。
2：抗弯强度校核：(σw)(σw)：许用弯曲应力为: 0.4*360(屈服极限)=144MPa故其抗弯强度缺乏：3: 螺纹面抗挤压校验(σp)故其抗挤压强度足够。
4: 螺纹抗拉强度效验(σ)dc 螺纹计算直径: dc=( d+d1-H/6)/2故其抗拉强度缺乏。
例1-1钢制液压油缸如图10-21所示，油缸壁厚为10mm，油压p=1.6MPa，D=160mm，试计算上盖的螺栓联接和螺栓分布圆直径。
解(1) 决定螺栓工作载荷暂取螺栓数z=8，则每个螺栓承受的平均轴向工作载荷为(2) 决定螺栓总拉伸载荷对于压力容器取残存预紧力，由式(10-14)可得(3) 求螺栓直径选取螺栓资料为45钢=355MPa(表9-1)，装配时不要求严格控制预紧力，按表10-7暂取平安系数S=3，螺栓许用应力为MPa。
由式(10-12)得螺纹的小径为查表10-1，取M16螺栓(小径=13.835mm)。
依照表10-7可知所取平安系数S=3是正确的。
为包管容器结合面密封可靠，允许的螺栓间距l()为：p≤1.6MPa时，l≤7d；p=(1.6～10)MPa时，ld；p=(10～30)MPa时，l≤(4～3)d。
这里d为螺栓公称直径。
(4) 决定螺栓分布圆直径螺栓置于凸缘中部。
从图10-9可以决定螺栓分布圆直径为=d+2e+2×10=160+2[16+(3～6)]+2×10=218～224 mm 取=220mm螺栓间距l 为当p≤1.6MPa时，l≤7d=7×16=112 mm，所以选取的和z 合宜。
联接螺栓强度计算方法
联接螺栓的强度计算方法一．连接螺栓的选用及预紧力：1、已知条件：螺栓的s＝730MPa 螺栓的拧紧力矩T=49N.m2、拧紧力矩：为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。
其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩T2。
装配时可用力矩扳手法控制力矩。
公式：T=T1+T2=K*F* d拧紧扳手力矩T=49N.m其中K为拧紧力矩系数，F为预紧力N d为螺纹公称直径mm其中K为拧紧力矩系数，F为预紧力N d为螺纹公称直径mm摩擦表面状态K值有润滑无润滑精加工表面0.10.12一般工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.20.24镀锌0.180.22粗加工表面-0.26-0.3取K＝0.28，则预紧力F＝T/0.28*10*10-3＝17500N3、承受预紧力螺栓的强度计算：螺栓公称应力截面面积As（mm）=58mm2外螺纹小径d1=8.38mm外螺纹中径d2=9.03mm计算直径d3＝8.16mm 螺纹原始三角形高度h=1.29mm 螺纹原始三角形根部厚度b=1.12mm紧螺栓连接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。
螺栓的最大拉伸应力σ1(MPa)。
1sF A σ==17500N/58*10-6m 2=302MPa 剪切应力：=0.51σ=151 MPa根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力: =1.3*302=392.6 MPa强度条件：=392.6≤730*0.8=584预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s σ的80%。
4、 倾覆力矩倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓()2031tan 216v Td F T W dϕρτπ+== 1.31ca σσ≈[]0211.34F ca d σσπ=≤已拧紧并承受预紧力F 0。
螺栓联接的强度计算
螺栓联接的强度计算，主要是根据联接的类型、联接的装配情况(是否预紧)和受载状态等条件，确定螺栓的受力；然后按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径(螺纹小径)或校核其强度。
1.松螺栓联接松螺栓联接在装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷之前螺栓并不受力，所以螺栓所受到的工作拉力就是工作载荷F，故螺栓危险截面拉伸强度条件为：设计公式：——螺纹小径，mm；F——螺栓承受的轴向工作载荷，N；[σ]——松螺栓联接的许用应力，N/，许用应力及安全系数见表3-4-1。
2.紧螺栓联接紧螺栓联接有预紧力F′，按所受工作载荷的方向分为两种情况：（1）受横向工作载荷的紧螺栓联接(a)普通螺栓联接:左图为通螺栓联接，被联接件承受垂直于轴线的横向载荷。
因螺栓杆与螺栓孔间有间隙，故螺纹不直接承受横向载荷，而是预先拧紧螺栓，使被联接零件表面间产生压力，从而使被联接件接合面间产生的摩擦力来承受横向载荷。
如摩擦力之总和大于或等于横向载荷，被联接件间不会相互滑移，故可达到联接的目的。
（b)铰制孔用螺栓:承受横向载荷时，不仅可采用普通螺栓联接，也可采用铰制孔用螺栓联接。
此时，螺栓孔为铰制孔，与螺栓杆（直径处）之间为过渡配合，螺栓杆直接承受剪切，如上图所示。
在受横向载荷的铰制孔螺栓联接中，载荷是靠螺杆的剪切以及螺杆和被联接件间的挤压来传递的。
这种联接的失效形式有两种：①螺杆受剪面的塑性变形或剪断；②螺杆与被联接件中较弱者的挤压面被压溃。
故需同时验算其挤压强度和剪切强度条件:剪切强度条件:挤压强度条件:(2)受轴向工作载荷的紧螺栓联接现实生活中，螺栓所受外载荷与螺栓轴线平行的情况很多，如左图所示的汽缸盖螺栓联接，即为承受轴向外载荷的联接。
右图其受力分析图，在工作载荷作用前，螺栓只受预紧力，接合面受压力；工作时，在轴向工作载荷作用下，接合面有分离趋势，该处压力由减为，称为残余预紧力，同时也作用于螺栓，因此，螺栓所受总拉力应为轴向工作载荷与残余预紧力之和，即: = + .所以螺栓的强度校核与设计计算式分别为：注意：当轴向工作载荷在0～F之间变化时，螺栓所受的总拉力将在~之间变化。
螺纹强度计算公式
螺纹强度计算公式螺纹强度计算公式是指计算螺纹连接件的强度，以确保其安全使用的公式。
在机械制造和装配中，螺纹连接是一种常见的连接方式，用于连接螺纹孔和螺纹支柱。
螺纹连接的强度取决于许多因素，如螺纹类型、材料强度、尺寸和几何形状等。
螺纹连接的强度通常是按照最小截面的强度进行计算。
最小截面是指螺纹连接件的有效截面，包括螺纹节距处的截面和棱角处的截面。
螺纹强度计算公式一般包括以下几个关键因素：1. 螺纹形状：螺纹形状是螺纹连接件的主要特征之一，包括螺纹角度、螺纹节距、螺纹高度等。
不同形状的螺纹对螺纹连接件的强度产生不同的影响。
2. 材料强度：材料的强度是螺纹连接件的另一个重要因素。
通常情况下，螺纹连接件使用的材料应该具有足够的强度和硬度，以承受连接所需要的力和扭矩。
3. 螺纹尺寸：螺纹连接件的尺寸也是螺纹强度计算公式中的一个关键因素。
螺纹连接件的尺寸应该满足实际应用中的需求，同时也要考虑强度和刚度等因素。
根据以上几个关键因素，螺纹强度计算公式可以表示为：P=SfAs或P=T/J其中P表示螺纹连接件的最大允许载荷，Sf表示螺纹连接件疲劳极限强度，As表示螺纹连接件最小截面面积，T表示螺纹连接所承受的最大扭矩，J表示螺纹连接件的极径转动惯量。
以上两个公式分别适用于拉伸载荷和扭转载荷的情况。
在拉伸载荷情况下，螺纹连接件的最大允许载荷应该小于其疲劳极限强度乘以最小截面面积。
在扭转载荷情况下，螺纹连接件的最大扭矩应该小于其极径转动惯量除以螺纹连接件的极半径。
总之，螺纹强度计算公式是确保螺纹连接件安全使用的重要工具。
将各种关键因素综合考虑，可以准确地计算螺纹连接件的强度，并根据计算结果做出相应的设计和选择决策。
这样可以大大提高机械制造和装配的可靠性和安全性。
机械设计基础螺纹连接的强度计算
即
1.3F0
d12
[ ]
4
设计公式为
d1
4 1.3F0
[ ]
（2）受横向外载荷的紧螺栓联接
载荷与螺栓轴向垂直，靠被
联接件间的摩擦力传递。螺栓
内部危险截面上既有轴向预紧
力F0形成的拉应力σ，又有因螺 栓与螺纹牙面间的摩擦力矩T1
而形成的扭转剪应力τ。
螺栓预紧力
F0
Kf f
FR m
防偏载措施：
复习思考题
1．在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是 ( )。
A .三角形螺纹 B. 梯形螺纹 C .锯齿形螺纹 D . 矩形螺纹
2．当两个被联接件之一太厚，不宜制成通孔，且 联接不需要经常拆卸时，往往采用( )。
A 螺栓联接 B 螺钉联接 C 双头螺柱联接 D 紧 定螺钉联接
3.两被联接件之一较厚，盲孔且经常拆卸时，常用（）。 A.螺栓联接 B.双头螺柱联接 C.螺钉联接
A.螺纹上的应力集中 B.螺栓杆横截面上的扭转应力 C.载荷沿螺纹圈分布的不均匀性 D.螺纹毛刺的部分挤压
13.螺纹连接的基本形式有哪几种？各适用于何种场合？有 何特点？ 14.为什么螺纹连接通常要采用防松设施？常用的防松方法 和装置有哪些？ 15.常见的螺栓失效形式有哪几种？失效发生的部位通常在 何处？
（二）受剪切螺栓联接
螺栓受载前后不需预紧， 横向载荷靠源自栓杆与螺栓 孔壁之间的相互挤压传递。
➢挤压强度条件
p
FR
ds
[ p ]
➢剪切强度条件
FR
m ds2
/4
[]
四、螺栓组联接的结构设计和受力分析
工程中螺栓成组使用，单个使用极少。因此，必须研 究栓组设计和受力分析，它是单个螺栓计算基础和前提 条件。
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螺纹联接设计：单个螺栓联接的强度计算
newmaker
螺纹联接根据载荷性质不同，其失效形式也不
同：受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性
变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的铰制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，栓杆或被联接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或联接时常装拆，很可能发生滑扣现象。
螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。
采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。
所以，螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径（大径）d，以及螺母和垫圈等联接零件的尺寸。
1. 受拉松螺栓联接强度计算
图15.3
松螺栓联接装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前，除有关零件的自重（自重一般很小，强度计算时可略去。
）外，联接并不受力。
图1所示吊钩尾部的联接是其使用实例。
当螺栓承受轴向工作载荷(N)时，其强度条件为
或
式中：d1--螺纹小径，mm；
σ1--松联接螺栓的许用拉应力，Mpa。
2. 受拉紧螺栓联接的强度计算
根据所受拉力不同，紧螺栓联接可分为只受预紧力、受预紧力和静工作拉力及受预紧力和变工作拉力三类。
①只受预紧力的紧螺栓联接
图为靠摩擦传递横向力F的受拉螺栓联接，拧紧螺母后，这时螺栓杆除受预紧力F`引起的拉应力σ=4F`/πd12外，还受到螺纹力矩T1引起的扭转剪应力：
对于M10～M68的普通螺纹，取d1、d2和λ的平均值，并取ρ`=arctan0.15，得τ≈0.5σ。
由于螺栓材料是塑性材料，按照第四强度理论，当量应力σe为
故螺栓螺纹部分的强度条件为：
或
式中[σ]为静载紧联接螺栓的许用拉应力，其值由表1查得。
②受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接。
图15.5
图15.5所示压力容器的螺栓联接是受预紧力和轴向工作载荷的典型实例。
这种联接拧紧后螺栓受预紧力F`，工作时还受到工作载荷F。
一般情况下，螺栓的总拉力F0并不等于F和F`之和。
现分析如下：
螺栓和被联接件受载前后的情况见图15.6。
图a为螺母刚好拧到和被联接件接触，此时螺栓和被联接件均未受力，因而也不产生变形。
图为螺母已拧紧，但尚未承受工作拉力的情况，这时，螺栓受预紧力F`的作用。
以c1和c2分别表示螺栓和被联接件的刚度，在预紧力F`的作用下，螺栓产生伸长变形δ1=F`/c1，被联接件产生压缩变形δ2=F`/c2。
图为螺栓受工作拉力F后的情况。
这时，螺栓拉力增大到F0，拉力增量为F0-F`，伸长增量为△δ1；而被联接件随之部分放松，其受压力减小到F"（称之为剩余预紧力），压缩减量为△δ2 。
根据螺栓的静力平衡条件得
F0=F"+F(1)
图15.7
即螺栓所受的总拉力F0应等于剩余预紧力F"和工作拉力F之和。
如图15.7所示，图a为螺栓和被联接的受力和变形关系图，将两关系图合并得图b。
图为螺栓受工作载荷时的情况，根据螺
栓和被联接件变形协调条件有△δ1 =△δ2 ，以和δ2=(F`-F")/c2代入得
F"=F`-Fc2/(c1+c2)(15-12)
F`=F"+Fc2/(c1+c2)(15-13)
F0=F`+Fc1/(c1+c2)(15-14)
式中c1/(c1+c2)称为螺栓的相对刚度系数。
螺栓的相对刚度系数的大小和螺栓及被联接件的材料、尺寸和结构有关，其值在0～1之间变化，一般可按表选取。
表螺栓的相对刚度系数
紧螺栓联接应能保证被联接件的接合面不出现缝隙(图2d为螺栓工作载荷过大，联接出现缝隙的情况，这是不容许的。
)，因此剩余预紧力F"应大于零。
当工作载荷F没有变化时，可取F"=（0.2~0.6）F，当F有变化时，F"＝（0.6～1.0）F；对于有紧密性要求的联接（如压力容器的螺栓联接），F"＝（1.5～1.8）F。
设计时，通常在求出F后，即可根据联接的工作要求选择F"，然后由式（15-11）求F0以计算螺栓的强度。
联接应该是在受工作载荷前拧紧的，螺纹力矩为F`tan(λ+ρ`)d2/2；但考虑到出现特殊情况时可能在工作载荷下补充拧紧，则螺纹力矩为F0tan(λ+ρ`)d2/2，相应的螺栓切应力τ和拉应力σ分别为
σ=4F0/πd21
因此，为安全起见，参照式（15-9）的推导，得螺纹部分的强度条件为
5.2F0/πd21≤[σ](15-15)
式（15-15）用于静载荷计算。
静载时的许用应力见表15.6。
如图15.8可知，当工作载荷在0和F之间变化时，螺栓的拉力在F`和F0之间变化，螺栓的拉力变幅为：
由于变载零件的疲劳强度应力幅是主要因素，故应满足强度条件
式中σa--螺栓变载时的应力幅；
[σa]--螺栓变载时的许用应力幅，见表15.6。
图15.8
3. 受剪螺栓联接
图15.9所示为铰制孔用螺栓联接，工作时螺杆在联接接合面处受剪切，并和被联接件孔壁互相挤压。
联接损坏的可能形式有：螺栓被剪断，栓杆或孔壁被压溃等。
在计算时，这种联接的预紧力和摩擦力可忽略不计。
设螺栓所受的剪力为Fs，则栓杆的抗剪切强度条件为
4F S/πd2m≤[τ]（15-17）
栓杆和被联接件孔壁的抗挤压强度条件为
F S≤dh[σp] （15-18）
式中d--螺栓抗剪面直径；
m--螺栓抗剪面数目；
h--栓杆和孔壁挤压面最小高度；
[τ]--螺栓的许用切应力，见表15.7；
[σp]--栓杆或孔壁材料中强度较弱者的许用挤压应力，见表15.7。
图15.9
4. 螺栓的材料和许用应力
螺栓的常用材料为Q215、Q235、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹联接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力学性能较高的合金钢。
国家标准规定螺纹联接件按其力学性能进行分级（见表15.4）。
表15.5列出了螺纹联接件常用材料的抗拉伸力学性能。
螺纹联接的许用应力及安全
系数见表15.6和表15.7。
(end)。