《机械设计基础》课程教学资源（教案讲义）第20次课 螺纹联接（二）

次课螺纹联接 (二)141.螺纹联接的失效形式和计算准则；2.各种螺栓联接的强度计算。教学要求1.了解螺栓的失效形式；2.掌握单种螺栓联接的强度计算方法。教学的重点和难点重点：1.螺栓联接的主要失效形式和设计计算准则：2．螺栓联接的强度计算理论与方法。包括螺栓所受总拉力的确定与紧螺栓联接强度计算公式中系数1.3的物理意义。难点：受轴向载荷的紧螺栓联接的受力分析以及强度计算。（这个问题的关键是解题的思维方式要转变，要由解静定问题转到解静不定问题上来。要从分析螺栓及被连接件的受力一变形关系人手，充分理解变形协调条件，深入掌握螺栓与被连接件的受力一变形关系图。）教学方式与手段充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。在教学过程中通过各种实例分析螺栓各种受力情况，达到启发学生能灵活应用所学的力学知识分析螺栓的受力情况。注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。教学过程组织：复习旧课：螺纹的主要类型，螺旋副的效率和自锁条件，螺纹放松的措施。引入新课：对于任何一种零件在进行设计时我们都会关注它的失效与强度，一个小小的螺栓或者螺钉失效所带来的危害也是巨大的。比如1998年，国内某航空公司的一飞机因前起落架不能放下，追降在上海虹桥机场。事后检查发现由于前起落架的锁连杆上固定螺栓脱落，造成前起落架因不能开锁而不能放下。后来发现螺栓脱落的原因不是螺母脱落，而是螺栓在靠近螺栓头的部位发生了断裂所致。今天我们要讲的就是螺纹联接的失效与强度计算。失效形式与设计准则：1.失效形式和原因a）形式：多数为抗拉疲劳失效，静态失效较少，但严重过载拉断，螺牙剪断，螺纹压溃等可出现。b）失效原因：应力集中应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程2.设计计算准则与思路受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度受载情况：「松螺栓一用于轴向工作载荷普通螺栓（紧螺栓一用于轴向或横向工作载荷铰制孔螺栓一用于横向工作载荷1、普通松螺栓联接如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无预紧力，只有工作载荷F起拉伸作用，防断。F≤[0]一一验算用，强度条件为：G=MPa44F或dz(mm)（设计用）→定公称直径dVr[a]式中：d1—一螺杆危险截面直径(mm)[o]—许用拉应力N/mm2(MPa)

第二十次课 螺纹联接（二） 教学内容 1.螺纹联接的失效形式和计算准则； 2.各种螺栓联接的强度计算。 教学要求 1.了解螺栓的失效形式； 2.掌握单种螺栓联接的强度计算方法。 教学的重点和难点 重点： 1．螺栓联接的主要失效形式和设计计算准则； 2．螺栓联接的强度计算理论与方法。包括螺栓所受总拉力的确定与紧螺栓联接强度计算公式中系数1.3的物理意义。 难点： 受轴向载荷的紧螺栓联接的受力分析以及强度计算。 （这个问题的关键是解题的思维方式要转变，要由解静定问题转到解静不定问题上来。要从分析螺栓及被连接件的受力—变形关系人手，充分理解变形 协调条件，深入掌握螺栓与被连接件的受力—变形关系图。） 教学方式与手段： 充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。在教学过程中通过各种实例分析螺栓各种受力情况，达到启发学生能灵活应用所学的力学知识 分析螺栓的受力情况。注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。 教学过程组织： 复习旧课： 螺纹的主要类型，螺旋副的效率和自锁条件，螺纹放松的措施。 引入新课： 对于任何一种零件在进行设计时我们都会关注它的失效与强度，一个小小的螺栓或者螺钉失效所带来的危害也是巨大的。比如1998年，国内某航空公司 的一飞机因前起落架不能放下，迫降在上海虹桥机场。事后检查发现由于前起落架的锁连杆上固定螺栓脱落，造成前起落架因不能开锁而不能放下。后 来发现螺栓脱落的原因不是螺母脱落，而是螺栓在靠近螺栓头的部位发生了断裂所致。今天我们要讲的就是螺纹联接的失效与强度计算。 失效形式与设计准则： 1.失效形式和原因 a）形式：多数为抗拉疲劳失效，静态失效较少，但严重过载拉断，螺牙剪断，螺纹压溃等可出现。 b）失效原因：应力集中 应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程 2.设计计算准则与思路 受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度 受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度 受载情况： 1、普通松螺栓联接： 如吊钩螺栓，工作前不拧紧，无预紧力，只有工作载荷F起拉伸作用，防断。 式中：d1——螺杆危险截面直径（mm） [σ]——许用拉应力 N/mm2 (MPa)

起重机上的吊钩2、普通紧螺栓联接工作前有预紧力2.1横向载荷的紧螺栓联接计算-主要防止被联接件错动FR为横向载荷，特点：杆孔间有间隙，靠拧紧后正压力由预紧力产生摩擦力来传递外载荷，设所须的预紧力为FO，保证联接可靠（不产生相对滑移）的条件为：mμF2K,FrBkE一工作前后不变，式中：μ一一接缝面间的摩擦系数；m一一结μum合面数目：K一一防滑系数（可靠性系数）K=1.1~13工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下：预紧力F0一产生拉伸应力复合应力状态S,螺纹摩擦力矩T1→产生剪应力TF.拉应力G=r2F,tg(y+9)T2d..F扭转应力：=tg(y+o)1W.and16对于M10~M68的钢制昔通螺纹，P,=arctgu，=arctg0.15将平均值代入，得t0.5g则按第四强度理论：0，=o+3t，1.301.3含义将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续。1.3F强度条件验算公式：o,=s[oa]t1/4元d1.3×4F设计公式为：d2[0]P用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？①采用键、套筒、销承担横向工作载荷，而螺栓仅起连接作用②采用无间隙的铰制孔螺栓

起重机上的吊钩 2、普通紧螺栓联接——工作前有预紧力 2.1横向载荷的紧螺栓联接计算——主要防止被联接件错动 FR为横向载荷，特点：杆孔间有间隙，靠拧紧后正压力由预紧力产生摩擦力来传递外载荷，设所须的预紧力为F0，保证联接可靠（不产生相对滑移） 的条件为： 工作前拧紧，在拧紧力矩T作用下： 螺纹摩擦力矩T1→产生剪应力τ 1.3含义——将外载荷提高30%，以考虑螺纹力矩对螺栓联接强度的影响，这样把拉扭的复合应力状态简化为纯拉伸来处理，大大简化了计算手续。 用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？ ① 采用键、套筒、销承担横向工作载荷，而螺栓仅起连接作用 ② 采用无间隙的铰制孔螺栓 预紧力F0→产生拉伸应力σ 复合应力状态

R/2BR2.2受轴向载荷的紧螺栓联接强度计算特点：加载前有预紧力F0、轴向工作载荷F只适于普通螺栓一防断，受F0与F联合作用，如下图中的汽缸盖螺栓F-工作特点：工作前拧紧，有FO；螺栓受力与变形被联接件受力与力关系变形关系变形变形T合并后的螺栓与被联按件的受力与变形关系预紧预紧前?预系演示变形Flash动画显示预紧后力和变形的关系工作后加上工作载荷F，工作前、工作中载荷变化，求工作时总载荷F=？

2.2 受轴向载荷的紧螺栓联接强度计算 特点：加载前有预紧力F0、轴向工作载荷F 只适于普通螺栓——防断，受F0与F联合作用，如下图中的汽缸盖螺栓。 工作特点：工作前拧紧，有F0； Flash动画显示预紧后力和变形的关系 工作后加上工作载荷F，工作前、工作中载荷变化，求工作时总载荷FΣ=？

1.正常加载：被联接件间能保证可靠的密过。2超常加载：被联接件间密封F不可靠甚至出现间隙。变形FE受我时坏栓的轴预紧前预紧受载向拉力：F=Fo+F区正常加装超常加款Flash动画演示力与变形的情况螺栓刚度：C1，被连接件刚度：C2螺栓初始变形量：0=FO/C1，加载后变成：+02=F2被连接件初始变形量：01=F0/C2，加载后变成：01-52=F0'如图所示：力FAFFoFAF,FoT162变形d61△F)=Fr-Fo=F+Fo'-Fo,AF2=Fo-Fo'F+F?F-F-F?C推出：，这样F=F+AF=F+CC,C+C2或者F,=F+F-剩余预紧力Fo'-1.3F≤[0]强度条件验算公式：,=(MPa)4[1.3×4F设计公式：d≥（mm）→(公称直径）*f[0]如果轴向载荷为变载荷，还要对螺栓的疲劳强度进行校核。校核公式为：/nd1cc.2FL≤[o,] MPatJC+C,ndC,+C43.铰制孔螺栓连接FR直接作用在螺栓上，使螺栓杆受剪切和挤压。此类螺栓预紧力小，计算时忽略。强度条件：F[t] MPamrd/4Fr≤[o,] MPa-adshmnm：接合面数目dS：螺栓杆受剪面直径，即为光杆直径hmin：较小挤压高度

Flash动画演示力与变形的情况 螺栓刚度: C1 ，被连接件刚度: C2 螺栓初始变形量: δ = F0/C1 ，加载后变成： δ +δ2=FΣ 被连接件初始变形量: δ1 = F0/C2 ，加载后变成：δ1 –δ2=F0' 如图所示： 如果轴向载荷为变载荷，还要对螺栓的疲劳强度进行校核。 校核公式为： 3. 铰制孔螺栓连接 FR直接作用在螺栓上，使螺栓杆受剪切和挤压。此类螺栓预紧力小，计算时忽略。 强度条件： m ：接合面数目 d S ：螺栓杆受剪面直径, 即为光杆直径 hmin：较小挤压高度

-FRFE设计时，按上述公式分别计算出dS，取大值。小结：1、普通松螺栓联接的强度计算；2、受横向载荷的普通紧螺栓联接的受力分析与强度计算；受轴向载荷的普通紧螺栓联接的受力分析与强度计算；3、铰制孔螺栓连接的强度计算。4、作业：1、起重机卷筒与大齿轮用8个普通螺栓连接在一起，已知卷筒直径D=400mm，螺栓分布圆直径D0=500mm，结合面间摩擦系数f=0.12，可靠系数K=1.2，起重钢索拉力Q=50000N，螺栓材料的许用拉伸应力[o]=100MPa，试设计该螺旋组的螺栓直径。2、如图，滑动轴承由四个螺栓与机座相联，每个螺栓预紧力800N，轴承刚度是螺栓的2倍，轴承受的径向载荷Q=4000N，问：（1）每个螺栓受的总载荷是多少？（2）螺栓小径至少多少？（[g]=120N/mm2)0米崇

设计时，按上述公式分别计算出 dS ，取大值。 小结： 1、 普通松螺栓联接的强度计算； 2、 受横向载荷的普通紧螺栓联接的受力分析与强度计算； 3、 受轴向载荷的普通紧螺栓联接的受力分析与强度计算； 4、 铰制孔螺栓连接的强度计算。 作业： 1、起重机卷筒与大齿轮用8个普通螺栓连接在一起，已知卷筒直径D=400mm，螺栓分布圆直径D0=500mm，结合面间摩擦系数f=0.12，可靠系数 K=1.2，起重钢索拉力Q=50000N，螺栓材料的许用拉伸应力[σ]=100MPa，试设计该螺旋组的螺栓直径。 2、如图，滑动轴承由四个螺栓与机座相联，每个螺栓预紧力800N，轴承刚度是螺栓的2倍，轴承受的径向载荷Q=4000N，问：（1）每个螺栓受的总载 荷是多少？（2）螺栓小径至少多少？（[σ]=120N/mm2)