《机械设计》课程作业习题（部分含解答）连接设计

第一章连接设计思考题1、按螺纹牙型分类，螺纹可以分为哪几种？试说明各自的特点及主要用途？2、螺纹的主要参数有哪些？在设计中如何应用？3、螺纹的旋向如何判别？常见的螺纹是左旋还是右旋？4、常见的螺纹是单线还是多线？为什么？5、在公称直径相同的条件下粗牙螺纹与细牙螺纹相比哪一个自锁性强？那一个连接强度高？为什么？6、螺纹连接为什么要防松？防松的基本原理有哪些？常用的防松措施有哪些？7、螺纹连接的主要失效形式有哪些？其设计准则是什么？8、什么是松螺栓连接？什么是紧螺栓连接？其强度计算方法有何不同?9、螺栓组结构设计应考虑哪些间题？进行螺栓组受力分析的目的是什么？其强度计算方法有何特点？10、紧螺栓连接强度计算式中的1.3倍是什么含义？如果用铰制孔用螺栓来传递横向载荷，是否也要这样考虑？为什么？1.3F p≤[0]a=Ad二、分析与计算题1、已知螺栓的刚度Ci=100N/mm，被连接件的刚度C2=400N/mm若预紧Fp和轴向工作载荷F均为400N，试间：（1)、被连接件间有压紧作用吗？为什么？

1 第一章连接设计 一、 思考题 1、 按螺纹牙型分类，螺纹可以分为哪几种？试说明各自的特点及主要 用途？ 2、 螺纹的主要参数有哪些？在设计中如何应用？ 3、 螺纹的旋向如何判别？常见的螺纹是左旋还是右旋？ 4、 常见的螺纹是单线还是多线？为什么？ 5、 在 公 称直 径相 同 的条 件下 粗牙 螺纹 与 细牙 螺纹 相比 哪 一个 自锁 性 强？那一个连接强度高？为什么？ 6、 螺 纹 连接 为什 么 要防 松？ 防松 的基 本 原理 有哪 些？ 常 用的 防松 措 施有哪些？ 7、 螺纹连接的主要失效形式有哪些？其设计准则是什么？ 8、 什 么 是松 螺栓 连 接？ 什么 是紧 螺栓 连 接？ 其强 度计 算 方法 有何 不 同？ 9、 螺栓组结构设计应考虑哪些问题？进行螺栓组受力分析的目的是 什么？其强度计算方法有何特点？ 10、 紧螺栓连接强度计算式中的 1.3 倍是什么含义？如果用铰制孔用 螺栓来传递横向载荷，是否也要这样考虑？为什么？ 二、分析与计算题 1、已知螺栓的刚度 C1 =100 N/mm，被连接件的刚度 C2 =400 N/mm， 若预紧 Fp 和轴向工作载荷 F 均为 400N， 试问： （1）、被连接件间有压紧作用吗？为什么？ [ ] 4 1.3 2 1    =  d p F

（2）、以一定的比例画出受力一变形关系图，并标出Fp和Fp之值。2、有一受横向工作载荷作用的紧螺栓连接，采用单个M16的六角头螺栓（GB5782-2000）连接两块钢板，螺栓材料Q235，结合面间的摩擦因数为f=0.13，摩擦传力可靠性系数Kr=1.3，试求在一般紧情况下（不控制预紧力），连接所能承受的最大横向工作载荷之值？3、用同一把活扳手分别紧M8和M16两个螺栓连接，若活扳手工作长度为200mm，施加在扳手上的力为200N。试问：（1）、两螺栓所受的预紧力F，之值？（2）、试分析哪个螺栓在预紧时易被拧断？4、图1-1所示，为用四个普通螺栓连接的支架。被连接件总厚度为45mm螺栓材料为Q235，性能等级4.6级，结合面间的摩擦因数为f=0.15，载荷Q=1000N，试确定螺栓直径，并写出连接件的标记？1000图 1-1例解：从图示知本题属于受横向载荷作用的螺栓组连接。）受力分析（图1-2所示）将载荷向螺栓组型心简化得：①作用在型心的横向载荷QQ=1000N②绕型心O旋转的转矩TT=1000Q=1000×1000=1X106(Nmm)2

2 （2）、以一定的比例画出受力—变形关系图，并标出 Fp 和 Fp ′ 之值。 2、 有一受横向工作载荷作用的紧螺栓连接，采用单个 M16 的六角头 螺栓（GB5782-2000）连接两块钢板，螺栓材料 Q235，结合面间的摩擦因 数为 f=0.13，摩擦传力可靠性系数 Kf=1.3，试求在一般拧紧情况下（不控 制预紧力），连接所能承受的最大横向工作载荷之值？ 3、 用同一把活扳手分别拧紧 M8 和 M16 两个螺栓连接，若活扳手工 作长度为 200mm，施加在扳手上的力为 200N。 试问：（1）、两螺栓所受的预紧力 Fp 之值？ （2）、试分析哪个螺栓在预紧时易被拧断？ 4、图 1-1 所示，为用四个普通螺栓连接的支架。被连接件总厚度为 45mm 螺栓材料为 Q235，性能等级 4.6 级，结合面间的摩擦因数为 f=0.15，载荷 Q=1000N，试确定螺栓直径，并写出连接件的标记？ 图 1-1 例 解 ：从图示知本题属于受横向载荷作用的螺栓组连接。 一）受力分析（图 1-2 所示） 将载荷向螺栓组型心简化得： ①作用在型心 O 的横向载荷 Q Q=1000N ②绕型心 O 旋转的转矩 T T=1000Q=1000×1000 =1×106 （Nmm）

?由于Q使每个螺栓受横向载荷RoRQ=Q/4=1000/4=250NRo的方向与载荷Q作用方向相同?由于Q使每个螺栓受横向载荷RTRT的方向与各螺栓到型心O的连线垂直，且与扭矩T作用的方向一致。1×106RT=I.=884Nir4×200×/2RT图 1-2③将各螺栓的两个分力Ro和R进行合成，可得合力RI、R2、R.R4，其中R2、R3.为最大合力，根据余玄定理：Rmx=/R°o+R'T-2RTRocos1350=/2502+88422×250×884x(-0.707)=1075N二）螺栓直径的确定①根据Rmax确定预紧力Fp由平衡条件知：Fpmf=K/Rmax，由题意知m=1，若取Ky=1.3_K,Rm_13x1075=9317N则:F,=0.15mf②确定许用应力[]假设螺栓直径在Mi6~M30之间，查表9-6，按不控制预紧力取S=3.8公式:[o)=对于性能级别为4.6的螺栓，oB=400N/mm23

3 ③ 由于 Q 使每个螺栓受横向载荷 RQ RQ =Q/4=1000/4=250N RQ 的方向与载荷 Q 作用方向相同 ④ 由于 Q 使每个螺栓受横向载荷 RT RT 的方向与各螺栓到型心 O 的连线垂直，且与扭矩 T 作用的方向一 致。 ⑤ 将各螺栓的两个分力 RQ 和 RT 进行合成，可得合力 R1 、R2 、R3 、R4 ， 其中 R2 、 R3 、 为最大合力，根据余玄定理： =1075N 二）螺栓直径的确定 ①根据 Rmax 确定预紧力 Fp 由平衡条件知：Fpmf=Kf Rmax，由题意知 m=1， 若取 Kf =1.3 ②确定许用应力[σ] 假设螺栓直径在 M16 ~M30 之间，查表 9-6，按不控制预紧力取 S=3.8 884N 4 200 2 1 10 4r T R 6 T =    = = 0 T T Q 2 Q 2 R max = R + R − 2R R cos135 = 2502 + 8842 − 2  250  884 （− 0.707） N mf K R F f p 9317 0.15 max 1.3 1075 =  则： = =   2 B s 4.6 400N / mm S  =  公式： = 对于性能级别为 的螺栓， 图 1-2

6×0,_6×400=240N1010[0]- 0 - 240 = 63.16N38③定螺栓直径4x1.3F,4×1.3×931715.63mm元×63.16查设计手册[2]知：M20的粗牙普通螺纹，其公称直径为20，内径di=17.294>15.63mm符合强度要求，M20在假设范围之内，安全系数S选值合理。为统起见，四个螺栓均采用M20的粗牙普通螺栓连接。三）定连接件标记查设计手册[2]，按GB93-2000取弹簧垫圈高度为5mm。查设计手册[2]，按GB170-2000取螺母高度为18mm。螺母端伸出长度=0.2×d=0.2×20=4mm计算螺栓所需长度=20+25+5+18+4=72mm查设计手册[2]取螺栓长度L=75mm。采用连接件的标记如下：螺栓BG5782-2000—M20X75螺母BG6170-2000—M20BG93-2000—20弹簧垫圈5、一受轴向外载荷F=1000N的紧螺栓连接，螺栓的刚度为C1，被连接件的刚度为C2，且C2=8Ci；预紧力Fp=1000N。试求螺栓中的总拉力和被连接件中的剩余预紧力。6、图1-3所示的连接用4个M12普通螺钉把板1固定在零件3上，零件1与3之间有摩擦片2，各零件之间摩擦系数F=0.13，螺钉强度级别为5.6级，s=300MPa，安全系数S=4.5：防滑系数(可靠性系数)K,=13；大径d=12mm，中径d,=10.863mm，小径d,=10.106mm；螺钉拧紧后靠摩擦力承受载荷F，求允许F的最大值。4

4 ③定螺栓直径 查设计 手册[2]知 ：M2 0 的 粗牙 普通螺 纹， 其公 称直 径为 20，内径 d1=17.294>15.63mm 符合强度要求，M20 在假设范围之内，安全系数 S 选值合理。为统一 起见，四个螺栓均采用 M20 的粗牙普通螺栓连接。 三）定连接件标记 查设计手册[2]，按 GB93-2000 取弹簧垫圈高度为 5mm。 查设计手册[2]，按 GB170-2000 取螺母高度为 18mm。 螺母端伸出长度=0.2×d=0.2×20=4mm 计算螺栓所需长度=20+25+5+18+4=72mm 查设计手册[2]取螺栓长度 L=75mm。 采用连接件的标记如下： 螺栓 BG5782-2000—M20×75 螺母 BG6170-2000—M20 弹簧垫圈 BG93-2000—20 5、一受轴向外载荷 F＝1000 N 的紧螺栓连接，螺栓的刚度为 C1，被连 接件的刚度为 C2，且 C2＝8C1；预紧力 FP＝1000 N。试求螺栓中的总拉 力和被连接件中的剩余预紧力。 6、图 1-3 所示的连接用 4 个 M12 普通螺钉把板 1 固定在零件 3 上，零 件 1 与 3 之间有摩擦片 2，各零件之间摩擦系数 f=0.13，螺钉强度级别为 5.6 级，  S = 300MPa ，安全系数 S=4.5；防滑系数(可靠性系数) Kf = 1.3 ； 大径 d = 12mm ，中径 d 2= 10.863mm ，小径 d1 = 10.106mm ；螺钉拧紧后靠 摩擦力承受载荷 F，求允许 F 的最大值。 N B s 240 10 6 400 10 6 =  =  =     63.16N 3.8 240 S s = =   =   mm F d p 15.63 63.16 4 1.3 4 1.3 9317 1     =     

图1-37、图1-4所示，用三个M16的普通螺栓将钢板A固定在钢板B上。L=400mm，a=70mm。钢板间摩擦系数f=0.12，连接的可靠性系数K=1.3，螺栓的许用拉应力[o]=120MPa。求此连接能承受的最大载荷F为多少。LBP1TD图 1-48、图1-5所示，为一压力容器，容器体和容器盖用螺栓组连接，容器内长期稳定工作压强P=1.2MPa，D=500mm，Do=640mm，为保证气密性要求，螺栓间距L<7d，取Fp=1.5F，螺栓材料用35号钢，性能等级为5.6，试设计此螺栓连接（螺栓个数和螺栓直径）。提示：用粗牙螺纹，不控制预紧力，先任选一个螺栓个数，再按静强度计算螺栓直径，验算螺栓间距。5

5 图 1-3 7、图 1-4 所示，用三个 M16 的普通螺栓将钢板 A 固定在钢板 B 上。L ＝400mm，a=70mm。钢板间摩擦系数 f=0.12，连接的可靠性系数 Kf=1.3， 螺栓的许用拉应力[]=120MPa。求此连接能承受的最大载荷 F 为多少。 图 1-4 8、图 1-5 所示，为一压力容器，容器体和容器盖用螺栓组连接，容器 内长期稳定工作压强 P=1.2MPa，D=500mm，D0=640mm，为保证气密性要 求，螺栓间距 L<7d ，取 FP ′ =1.5F，螺栓材料用 35 号钢，性能等级为 5.6， 试设计此螺栓连接（螺栓个数和螺栓直径）。 提示：用粗牙螺纹，不控制预紧力，先任选一个螺栓个数，再按静强 度计算螺栓直径，验算螺栓间距

图1-59、图1-6所示油缸油压p=3MPa，缸径D=160mm，螺栓数量z=8，螺栓材料许用应力[0]=150MPa,取剩余预紧力为工作拉力的1.5倍，试计算螺栓直径。图-(10、如图1-7所示的夹紧连接柄承受静载荷FQ=720N，螺栓个数≥=2，连接柄长度L=250mm，轴直径d，=60mm，夹紧接合面摩擦系数f=0.15,螺栓材料为4.6级、Q235钢、G。=240MPa，拧紧时不严格控制预紧力，取安全系数（S）=4,试求螺栓所需最小直径（或计算直径）。图 1-7

6 图 1-5 9、图 1-6 所示油缸油压 p = 3MPa ，缸径 D=160 mm，螺栓数量 z=8， 螺栓材料许用应力   = 150MPa ,取剩余预紧力为工作拉力的 1.5 倍，试计 算螺栓直径。 图 1-6 10、如图 1-7 所示的夹紧连接柄承受静载荷 F Q＝720N，螺栓个数 z＝2， 连接柄长度 L＝250mm，轴直径 dB = 60mm ，夹紧接合面摩擦系数 f＝0.15， 螺栓材料为 4.6 级、Q235 钢、  S = 240MPa ，拧紧时不严格控制预紧力， 取安全系数〔S〕=4,试求螺栓所需最小直径（或计算直径）。 图 1-7

三、结构设计1、查手册确定下列螺纹连接的主要尺寸，并按1：1比例画出连接结构图。（1）、用M16的六角头螺栓（GB5782-2000）连接两块厚度各为30的钢板，两块钢板上钻通孔Φ17.5，沉头座孔深1mm，试选用合适的防松措施并写出螺栓和螺母的标记？（2）、用M12的六角头螺栓（GB5782-2000），将厚12mm的铸铁盖板紧固在很厚的铸铁机体上，构成螺钉连接的结构，中等装配精度，盖板和机体间采用厚度为1mm的垫片，采用弹簧垫圈防松，试标出螺栓和弹簧垫圈的标记？（3）用M10的铰制孔用螺栓连接两块厚度各为30的钢板，试画出正确的结构图并写出螺栓和螺母的标记2、试找出图1-8中螺纹连接结构设计中的错误，并画出正确的结构b)双头螺柱a)螺钉连接c)螺栓连接图1-8

7 三、结构设计 1、查手册确定下列螺纹连接的主要尺寸，并按 1：1 比例画出连接结 构图。 （1）、用 M16 的六角头螺栓（GB5782-2000）连接两块厚度各为 30 的钢板，两块钢板上钻通孔ф17.5，沉头座孔深 1mm，试选用合适的防松 措施并写出螺栓和螺母的标记？ （2）、用 M12 的六角头螺栓（GB5782-2000），将厚 12mm 的铸铁盖 板紧固在很厚的铸铁机体上，构成螺钉连接的结构，中等装配精度，盖板 和机体间采用厚度为 1mm 的垫片，采用弹簧垫圈防松，试标出螺栓和弹簧 垫圈的标记？ （3）用 M10 的铰制孔用螺栓连接两块厚度各为 30 的钢板，试画出 正确的结构图并写出螺栓和螺母的标记。 2、试找出图 1-8 中螺纹连接结构设计中的错误，并画出正确的结构 图。 a)螺钉连接 b)双头螺柱 c)螺栓连接 图 1-8