5-4 5-4 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计 计算方法，则计算方法，则失效形式失效形式是设计计算依据和出发点。是设计计算依据和出发点。一、失效形式和原因Strength Calculation of a Bolted JointsStrength Calculation of a Bolted Joints根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓。对受拉螺栓，主要失效形式为螺纹部分的塑性变形或断裂；经常装拆时绘因磨损而发生滑扣，故其设计准则主要保证螺栓杆有足够的拉伸强度。对于受横向载荷的铰制孔螺栓，主要失效形式为螺杆被剪断，螺杆或孔壁被压溃，故其设计准则应保证螺栓杆和被联接件具有足够的剪切强度和挤压强度。受拉螺栓受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度受剪螺栓受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度 3、设计计算准则与思路5-4 5-4 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 一、失效形式和原因二、松螺栓连接(无预紧，只能 受静载荷)松螺栓连接装配时松螺栓连接装配时螺母不需拧螺母不需拧 紧紧，故在承受工作载荷之前螺栓，故在承受工作载荷之前螺栓 不受力。这种连接应用范围有限不受力。这种连接应用范围有限 ，主要用于拉杆、起重吊钩等连，主要用于拉杆、起重吊钩等连 接方面。接方面。螺栓所受拉力工作载荷=螺栓只承受工作拉力5-4 5-4 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 强度条件为：强度条件为：验算用验算用 设计用设计用 d d1 1螺杆危险截面直径（螺杆危险截面直径（mmmm）小径小径许用拉应力许用拉应力 N/mmN/mm2 2( (MPaMPa) s s材料屈服极限材料屈服极限MpaMpaS S 安全系数，安全系数， s s/S /S二、松螺栓连接 螺栓只承受工作拉力1、只受预紧力的螺栓连接三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接当普通螺栓联结当普通螺栓联结承受横向载承受横向载 荷荷时，由于预紧力的作用，将时，由于预紧力的作用，将在在 接合面间产生摩擦力来抵抗工作接合面间产生摩擦力来抵抗工作 载荷载荷（如图），这时螺栓仅承受（如图），这时螺栓仅承受 预紧力的作用，而且预紧力不受预紧力的作用，而且预紧力不受 工作载荷的影响，在联结承受工工作载荷的影响，在联结承受工 作载荷后仍保持不变。作载荷后仍保持不变。预紧力预紧力F F0 0的大小，根据接合面不产生滑移的大小，根据接合面不产生滑移 的条件确定的条件确定。 (1(1）假设为保证接合面不产生滑移所需要的）假设为保证接合面不产生滑移所需要的预紧力预紧力 为为F F0 0，则结合面间的摩擦力与横向外载荷平衡的条则结合面间的摩擦力与横向外载荷平衡的条 件是：件是：z.f.Fz.f.F0 0KFKF 或 或 F F0 0KFKFf f.m .m f f结合面的摩擦系数，结合面的摩擦系数，K K防滑系数，防滑系数，K K1.1-1.31.1-1.3F F 横向载荷横向载荷 zz接合面数目接合面数目如给如给F F定值，则根据上式可求出预紧力定值，则根据上式可求出预紧力F F0 01、只受预紧力的螺栓连接三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接1、只受预紧力的螺栓连接三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接（2 2）螺栓强度计算）螺栓强度计算螺栓除受预紧力的螺栓除受预紧力的拉伸而产生拉伸应力拉伸而产生拉伸应力外，还受拧紧螺纹外，还受拧紧螺纹 时，因螺纹摩擦力矩而产生的时，因螺纹摩擦力矩而产生的扭转切应力扭转切应力，使螺栓处于拉伸与，使螺栓处于拉伸与 扭转的复合应力状态下。因此在进行强度计算时，应综合考虑扭转的复合应力状态下。因此在进行强度计算时，应综合考虑 拉伸应力和扭转切应力的作用。拉伸应力和扭转切应力的作用。 螺栓危险截面的拉伸应力为:预紧螺栓时由螺纹力矩T产生 的扭转剪切应力：近似为近似为: :1、只受预紧力的螺栓连接三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接拉、扭联合作用时，按第四强度理论：当量拉应力：强度条件：设计式：（2 2）螺栓强度计算）螺栓强度计算1、只受预紧力的螺栓连接三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接2、受轴向工作载荷时：F0F0FFTF0F0F 2F1F1F 2螺栓所受的总拉力：F2 = F0+ F? 此时，连接中各零件的受力关系 属静不定问题未知力有两个：F2 总拉力F1 残余预紧力须根据静力平衡方程和变形协调条件求解三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接未承受工作载荷时：螺栓预紧时的受力分析承受工作载荷时：变形协调条件： 1 = 2 = 静力平衡条件： F 2 = F1 + F螺栓刚度: Cb = F0/ b =tgb 被连接件刚度: Cm = F0/ m =tgm相对刚度系数当Cm Cb时，相对刚度系数0， F 2 F0反之，当Cm Cb时，相对刚度 系数1， F 2 F0+F静强度条件：注意：对于普通螺栓连接，无论连接是受横向工作载荷 还是轴向工作载荷，螺栓本身总是受拉力作用。1）无特殊要求时 F1 =（0.20.6) F2）变载作用时 F1 =（0.61.0) F3）有紧密性要求时 F1 =（1.51.8) F2、受轴向工作载荷时：三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接紧螺栓联接在轴向力作用下应能保证被联接件的结合面不 出现缝隙，即参与预紧力应大于零F1 0 。当工作载荷F稳定时 ，取变变载荷强度计算载荷强度计算螺栓杆与孔壁之间螺栓杆与孔壁之间无无 间隙间隙，接触表面受挤压，接触表面受挤压 ；在连接接合面处，螺；在连接接合面处，螺 栓杆则受剪切。因此，栓杆则受剪切。因此， 应分别按挤压及剪切强应分别按挤压及剪切强 度条件计算。度条件计算。按照剪切强度条件：挤压强度条件为： L Lminmin螺栓杆与孔壁接触表面的最小长度螺栓杆与孔壁接触表面的最小长度设计时，按上述公式分别计算出d 0 ， 取大值三、紧螺栓连接三、紧螺栓连接 、螺栓承受剪切力(采用铰制孔用螺栓)例例1 1、图示为一圆盘锯，锯片直径、图示为一圆盘锯，锯片直径D=500mmD=500mm，用螺母将其夹紧在用螺母将其夹紧在 压板中间。已知锯片外圆上的工作阻力压板中间。已知锯片外圆上的工作阻力F Ft t=400N=400N，压板和锯片间压板和锯片间 的摩擦系数的摩擦系数f=0.15f=0.15，压板的平均直径压板的平均直径D D0 0=150mm=150mm，可靠系数可靠系数 Ks=1.2Ks=1.2，轴材料的许用拉伸应力轴材料的许用拉伸应力=60Mpa=60Mpa。试。试计算轴端所需计算轴端所需 的螺纹直径。的螺纹直径。查查GB-196-81GB-196-81，取，取M16M16（d d1 1=13.835mm12.130mm=13.835mm12.130mm）例2、有一受预紧力F0和轴向工作载荷F=1000N作用的紧螺栓连 接，已知预紧力F0=1000N，螺栓的刚度Cb与被连接件的刚度Cm相 等。试计算该螺栓所受的总拉力F2和剩余预紧力F1。在预紧力 不变的条件下，若保证被连接件间不出现缝隙，该螺栓的最大 轴向工作载荷Fmax为多少？例例3 3：在图示的汽缸盖连接中，已知：汽缸中的压力在：在图示的汽缸盖连接中，已知：汽缸中的压力在0 0 1.5MPa1.5MPa 间变化，汽缸内径间变化，汽缸内径D=250mmD=250mm，螺栓分布圆直径螺栓分布圆直径D D0 0=346mm=346mm，凸缘与垫凸缘与垫 片厚度之和为片厚度之和为50mm50mm。为保证气密性要求，螺栓间距不得大于为保证气密性要求，螺栓间距不得大于 120mm120mm。试选择材料，并确定螺栓数目和尺寸试选择材料，并确定螺栓数目和尺寸解：解：1 1）确定螺栓数目）确定螺栓数目Z Z取螺栓间距为取螺栓间距为t=100mmt=100mm，则则2 2）选择螺栓材料）选择螺栓材料选定螺栓机械性能强度等级为选定螺栓机械性能强度等级为6.86.8级，材料为级，材料为4545钢钢 ，则，则 B B=600MPa=600MPa， S S=480MPa=480MPa3 3）计算单个螺栓载荷）计算单个螺栓载荷 A A、汽缸盖最大载荷：汽缸盖最大载荷：B B、螺栓工作载荷：螺栓工作载荷：C C、残余预紧力：残余预紧力：D D、螺栓最大拉力：螺栓最大拉力：E E、许用拉应力：许用拉应力：4 4）计算并确定螺栓尺寸）计算并确定螺栓尺寸按按题目要求，经查螺栓标准，确定螺栓尺寸为：题目要求，经查螺栓标准，确定螺栓尺寸为：M16X70M16X70的的螺栓，小径螺栓，小径d d1 1=13.835mm=13.835mm，中径中径d d2 2=14.701=14.701，螺距螺距P=2mmP=2mm5 5）校核螺栓的疲劳强度）校核螺栓的疲劳强度A A、相对刚度：选铜皮石棉垫片，相对刚度：选铜皮石棉垫片，B B、预紧力：预紧力：C C、螺栓拉力变化副：螺栓拉力变化副：D D、危险截面面积：危险截面面积：E E、螺栓应力副：螺栓应力副：F F、疲劳极限：疲劳极限：G G、许用应力副：许用应力副：H H、疲劳强度校核：疲劳强度校核：5-5 5-5 螺栓组连接设计与受力分析螺栓组连接设计与受力分析 工程中螺栓皆成组使用，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。螺栓组连接设计的顺序：w选布局w定数目w力分析w设计尺寸5-5 5-5 螺栓组连接设计与受力分析螺栓组连接设计与受力分析 一、结构设计原则 1、连接接合面的几何形 状通常都设计成轴对称 的简单几何形状，如圆 形、环形、矩形、框形 、三角形等。这样不但 便于加工制造，而且便 于对称布置螺栓，使螺 栓组的对称中心和连接 接合面的形心重合，从 而保证连接接合面受力 比较均匀。 2 2、螺栓的布置应使各螺栓的、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理受力合理1 1）当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位）当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力5-55-5螺栓组连接设计与受力分析螺栓组连接设计与受力分析 一、结构设计原则 2 2）对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成）对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成 排地布置排地布置8 8个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；3 3）当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零）当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零 件来承受横向载荷。件来承受横向载荷。2 2、螺栓的布置应使各螺栓的、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理受力合理5-55-5螺栓组连接设计与受力分析螺栓组连接设计与受力分析 一、结构设计原则 3 3、螺栓的排列应有、螺栓的排列应有合理的间距、边距合理的间距、边距布置螺栓时，各螺栓轴线之间以及螺栓轴线与机体壁间的布置螺栓时，各螺栓轴线之间以及螺栓轴线与机体壁间的 最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。5-55-5螺栓组连接设计与受力分析螺栓组连接设计与受力分析 一、结构设计原则 4 4、分布在同一圆周的螺栓数目、分布在同一圆周的螺栓