螺纹连接设计.docx
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螺纹连接设计.docx
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螺纹连接设计
螺纹连接设计
习题与参考答案
一、复习思考题
1常用螺纹按牙型分为哪几种各有何特点各适用于什么场合
2拧紧螺母与松退螺母时的螺纹副效率如何计算哪些螺纹参数影响螺纹副的效率3螺纹联接有哪些基本类型各有何特点各适用于什么场合
4为什么螺纹联接常需要防松按防松原理,螺纹联接的防松方法可分为哪几类试举例说明。
5螺栓组联接受力分析的目的是什么在进行受力分析时,通常要做哪些假设条件
6有一刚性凸缘联轴器,用材料为Q235的普通螺栓联接以传递转矩T。
现欲提高其传递的转矩,但限于结构不能增加螺栓的直径和数目,试提出三种能提高该联轴器传递转矩的方法。
7提高螺栓联接强度的措施有哪些这些措施中哪些主要是针对静强度哪些主要是针对疲劳强度
8为了防止螺旋千斤顶发生失效,设计时应对螺杆和螺母进行哪些验算9对于受轴向变载荷作用的螺栓,可以采取哪些措施来减小螺栓的应力幅σa10为什么对于重要的螺栓联接要控制螺栓的预紧力F′控制预紧力的方法有哪几种
二、单项选择题
1当螺纹公称直径、牙型角、螺纹线数相同时,细牙螺纹的自锁性能比粗牙螺纹的自锁性能 。
A.好 B.差 C.相同 D.不一定2用于联接的螺纹牙型为三角形,这是因为三角形螺纹 。
A.牙根强度高,自锁性能好 B.传动效率高C.防振性能好 D.自锁性能差
3若螺纹的直径和螺旋副的摩擦系数一定,则拧紧螺母时的效率取决于螺纹的 。
A.螺距和牙型角 B.升角和头数 C.导程和牙形斜角 D.螺距和升角4对于联接用螺纹,主要要求联接可靠,自锁性能好,故常选用 。
A.升角小,单线三角形螺纹 B.升角大,双线三角形螺纹C.升角小,单线梯形螺纹 D.升角大,双线矩形螺纹5用于薄壁零件联接的螺纹,应采用 。
A.三角形细牙螺纹 B.梯形螺纹
C.锯齿形螺纹 D.多线的三角形粗牙螺纹
6当铰制孔用螺栓组联接承受横向载荷或旋转力矩时,该螺栓组中的螺栓 。
A.必受剪切力作用 B.必受拉力作用
C.同时受到剪切与拉伸 D.既可能受剪切,也可能受挤压作用
7计算紧螺栓联接的拉伸强度时,考虑到拉伸与扭转的复合作用,应将拉伸载荷增加到原来的 倍。
A. B. C. D.8采用普通螺栓联接的凸缘联轴器,在传递转矩时, 。
A.螺栓的横截面受剪切 B.螺栓与螺栓孔配合面受挤压
1
C.螺栓同时受剪切与挤压 D.螺栓受拉伸与扭转作用
9在下列四种具有相同公称直径和螺距,并采用相同配对材料的传动螺旋副中,传动效率最高的是 。
A.单线矩形螺旋副 B.单线梯形螺旋副C.双线矩形螺旋副 D.双线梯形螺旋副10在螺栓联接中,有时在一个螺栓上采用双螺母,其目的是 。
A.提高强度 B.提高刚度
C.防松 D.减小每圈螺纹牙上的受力11在同一螺栓组中,螺栓的材料、直径和长度均应相同,这是为了 。
A.受力均匀 B.便于装配. C.外形美观 D.降低成本
12螺栓的材料性能等级标成级,其数字代表 。
A.对螺栓材料的强度要求 B.对螺栓的制造精度要求C.对螺栓材料的刚度要求 D.对螺栓材料的耐腐蚀性要求13螺栓强度等级为级,则螺栓材料的最小屈服极限近似为 。
A.480MPa B.6MPa C.8MPa D.0.8MPa14不控制预紧力时,螺栓的安全系数选择与其直径有关,是因为 。
A.直径小,易过载 B.直径小,不易控制预紧力C.直径大,材料缺陷多 D.直径大,安全15对工作时仅受预紧力F′作用的紧螺栓联接,其强度校核公式为=的系数是考虑 。
A.可靠性系数B.安全系数
C.螺栓在拧紧时,同时受拉伸与扭转联合作用的影响D.过载系数
16紧螺栓联接在按拉伸强度计算时,应将拉伸载荷增加到原来的倍,这是考虑 的影响。
A.螺纹的应力集中 B.扭转切应力作用 C.安全因素 D.载荷变化与冲击
17预紧力为F的单个紧螺栓联接,受到轴向工作载荷F作用后,螺栓受到的总拉力F0 F+F
A.大于 B.等于 C.小于 D.大于或等于18一紧螺栓联接的螺栓受到轴向变载荷作用,已知Fmin=0,Fmax=F,螺栓的危险截面积为AC,螺栓的相对刚度为Kb,则该螺栓的应力幅为 。
A.
≤[σ],式中
d12/4a(1Kb)FKF B.abAcAc2
C.
a(1Kb)FKbF D.a
2Ac2Ac19在受轴向变载荷作用的紧螺栓联接中,为提高螺栓的疲劳强度,可采取的措施是 。
A.增大螺栓刚度Kb,减小被联接件刚度Kc B.减小Kb,增大KcC.增大Kb和Kc D.减小Kb和Kc20若要提高受轴向变载荷作用的紧螺栓联接的疲劳强度,则可 。
A.在被联接件间加橡胶垫片 B.增大螺栓长度C.采用精制螺栓 D.加防松装置
21有一单个紧螺栓联接,要求被联接件接合面不分离,已知螺栓与被联接件的刚度相同,螺栓的预紧力为F,当对联接施加轴向载荷,使螺栓的轴向工作载荷F与预紧力F相等时,则 。
A.被联接件发生分离,联接失效 B.被联接件将发生分离,联接不可靠C.联接可靠,但不能再继续加载
D.联接可靠,只要螺栓强度足够,可继续加载,直到轴向工作载荷F接近但小于预紧力F的两倍。
22对于受轴向变载荷作用的紧螺栓联接,若轴向工作载荷F在0~1000N之间循环变化,则该联接螺栓所受拉应力的类型为 。
A.非对称循环应力 B.脉动循环变压力C.对称循环变应力 D.非稳定循环变应力
23对于紧螺栓联接,当螺栓的总拉力F0和残余预紧力F″不变,若将螺栓实心变成空心,则螺栓的应力幅a与预紧力F会发生变化, 。
a增大,F应适当减小 B.a增大,F应适当增大
C.a减小,F应适当减小 D.a减小,F应适当增大
A.
24在螺栓联接设计中,若被联接件为铸件,则有时在螺栓孔处制作沉头座孔或凸台,其目的是 。
A.避免螺栓受附加弯曲应力作用 B.便于安装
C.为安置防松装置 D.为避免螺栓受拉力过大
三、填空题
1三角形螺纹的牙型角α= ,适用于 ,而梯形螺纹的牙型角α= ,适用于 。
2螺旋副的自锁条件是 。
3常用螺纹的类型主要有 、 、 、 和 。
4传动用螺纹的牙型斜角比联接用螺纹的牙型斜角小,这主要是为了 。
5若螺纹的直径和螺旋副的摩擦系数一定,则拧紧螺母时的效率取决于螺纹的 和 。
3
6螺纹联接的拧紧力矩等于 和 之和。
7螺纹联接防松的实质是 。
8普通紧螺栓联接受横向载荷作用,则螺栓中受 应力和 应力作用。
9被联接件受横向载荷作用时,若采用普通螺栓联接,则螺栓受 载荷作用,可能发生的失效形式为 。
10有一单个紧螺栓联接,已知所受预紧力为F,轴向工作载荷为F,螺栓的相对刚度为Kb/,则螺栓所受的总拉力F0= ,而残余预紧力F″= 。
若螺栓的螺纹小径为d1,螺栓材料的许用拉伸应力为[σ],则其危险剖面的拉伸强度条件式为 。
11受轴向工作载荷F的紧螺栓联接,螺栓所受的总拉力F0等于 和 之和。
12对受轴向工作载荷作用的紧螺栓联接,当预紧力F′和轴向工作载荷F一定时,为减小螺栓所受的总拉力F0,通常采用的方法是减小 的刚度或增大 的刚度。
13采用凸台或沉头座孔作为螺栓头或螺母的支承面是为了 。
14在螺纹联接中采用悬置螺母或环槽螺母的目的是 。
15在螺栓联接中,当螺栓轴线与被联接件支承面不垂直时,螺栓中将产生附加 应力。
16螺纹联接防松,按其防松原理可分为 防松、 防松和 防松。
四、分析计算题
1有一受预紧力F和轴向工作载荷F=1000N作用的紧螺栓联接,已知预紧力F=1000N,螺栓的刚度Kb与被联接件的刚度Kc相等。
试计算该螺栓所受的总拉力F0和残余预紧力F″。
在预紧力F不变的条件下,若保证被联接件间不出现缝隙,该螺栓的最大轴向工作载荷Fmax为多少
2题2图所示为一圆盘锯,锯片直径D=500mm,用螺母将其夹紧在压板中间。
已知锯片外圆上的工作阻力Ft=400N,压板和锯片间的摩擦系数f=,压板的平均直径D0=150mm,可靠性系数C=,轴材料的许用拉伸应力[σ]=60MPa。
试计算轴端所需的螺纹直径。
3题3图所示为一支架与机座用4个普通螺栓联接,所受外载荷分别为横向载荷FR=
5000N,轴向载荷FQ=16000N。
已知螺栓的相对刚度系数Kb/=,接合面间摩擦系数,f=,可靠性系数C=,螺栓材料的机械性能级别为级,最小屈服极限σ安全系数[S]=2,试计算该螺栓小径d1的计算值。
min=640MPa,许用
题2图 题3图
4一牵曳钩用2个M10的普通螺栓固定于机体上,如题4图所示。
已知接合面间摩擦系数f=。
4
题4图
可靠性系数C=,螺栓材料强度级别为级,屈服极限σs=360MPa,许用安全系数[S]=3。
试计算该螺栓组联接允许的最大牵引力FRmax。
5题5图所示为一凸缘联轴器,用6个M10的铰制孔用螺栓联接,结构尺寸如图所示。
两半联轴器材料为HT200,其许用挤压应力为[σ]P1=100MPa,螺栓材料的许用切应力[τ]=92MPa,许用挤压应力[σ]P2=300MPa,许用拉伸应力[σ]=120MPa。
试计算该螺栓组联接允许传递的最大转矩Tmax。
若传递的最大转矩Tmax不变,改用普通螺栓联接,试计算螺栓小径dl的计算值。
6有一提升装置如题6图所示。
题5图 题6图
卷筒用6个M8的普通螺栓固联在蜗轮上,已知卷筒直径D=150mm,螺栓均布于直径D0=180mm的圆周上,接合面间摩擦系数f=,可靠性系数C=,螺栓材料的许用拉伸应力[σ]=120MPa,试求该螺栓组联接允许的最大提升载荷Wmax。
若已知Wmax=6000N,其他条件同,试确定螺栓直径。
五、结构题
1试画出普通螺栓联接结构图。
已知条件:
两被联接件是铸件,厚度各约为15mm和20mm;
采用M12普通螺栓;采用弹簧垫圈防松。
要求按1:
1的比例画出。
2试画出铰制孔用螺栓联接结构图。
已知条件:
两被联接件是厚度约为20mm的钢板;
采用M10铰制孔用螺栓。
要求按1:
1的比例画出。
例解
.1.一厚度δ=12mm的钢板用4个螺栓固联在厚度δ1=30mm的铸铁支架上,螺栓
的布置有、两种方案,如图所示。
已知:
螺栓材料为Q235,[σ]=95MPa、[τ]=96MPa,钢板[σ]P=320MPa,铸铁[σ]P1=180MPa,接合面间摩擦系数f=,可靠性系数Kf=,载荷FΣ=120XXN,尺
5
寸l=400mm,a=100mm。
试比较哪种螺栓布置方案合理?
按照螺栓布置合理方案,分别确定采用普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接时的螺栓直径。
解题分析:
本题是螺栓组联接受横向载荷和旋转力矩共同作用的典型例子。
解题时,首先要将作用于钢板上的外载荷FΣ向螺栓组联接的接合面形心简化,得出该螺栓组联接受横向载荷FΣ和旋转力矩T两种简单载荷作用的结论。
然后将这两种简单载荷分配给各个螺栓,找出受力最大的螺栓,并把该螺栓承受的横向载荷用矢量叠加原理求出合成载荷。
在外载荷与螺栓数目一定的条件下,对不同的螺栓布置方案,受力最大的螺栓所承受的载荷是不同的,显然使受力最大的螺栓承受较小的载荷是比较合理的螺栓布置方案。
若螺栓组采用铰制孔用螺栓连接,则靠螺栓光杆部分受剪切和配合面间受挤压来传递横向载荷,其设计准则是保证螺栓的剪切强度和联接的挤压强度,可按相应的强度条件式,计算受力最大螺栓危险剖面的直径。
若螺栓组采用普通螺栓连接,则靠拧紧螺母使被联接件接合面间产生足够的摩擦力来传递横向载荷。
在此情况下,应先按受力最大螺栓承受的横向载荷,求出螺栓所需的预紧力;然后用只受预紧力作用的紧螺栓联接受拉强度条件式计算螺栓危险剖面的直径d1;最后根据d1查标准选取螺栓直径d,并根据被联接件厚度、螺母及垫圈厚度确定螺栓的标准长度。
6
解题要点:
1.螺栓组联接受力分析将载荷简化
将载荷FΣ向螺栓组联接的接合面形心O点简化,得一横向载荷FΣ=120XXN和一旋转力矩T=FΣl=120XX×400=×106N·mm。
确定各个螺栓所受的横向载荷
在横向力FΣ作用下,各个螺栓所受的横向载荷Fs1大小相同,与FΣ同向。
Fs1=FΣ/4=120XX/4=3000N
而在旋转力矩T作用下,于各个螺栓中心至形心O点距离相等,所以各个螺栓所受的横向载荷FS2大小也相同,但方向垂直于螺栓中心与形心O的连线。
对于方案,各螺栓中心至形心O点的距离为
7
raa2a210021002
所以 10684874ra4
图解二可知,螺栓1和2所受两力的夹角a最小,故螺栓1和2所受横向载荷最大,即
2FsmaxaFs21Fs2a2Fs1Fs2acos
3000284872230008487cos4510820对于方案,各螺栓中心至形心O点的距离为rb=a=100mm所以 Fs2bN
106120XXN4rb4100图解二b可知,螺栓1所受横向载荷最大,即
FsmaxbFs1Fs2b3000120XX15000两种方案比较
N
在螺栓布置方案中,受力最大的螺栓1和2所受的总横向载荷Fsmaxa=10820N;而在螺栓布置方案中,受力最大的螺栓1所受的总横向载荷Fsmaxb=15000N。
可以看出,Fsmaxa 2.按螺栓布置方案确定螺栓直径采用铰制孔用螺栓联接 1)因为铰制孔用螺栓联接是靠螺栓光杆受剪切和配合面间受挤压来传递横向载荷,因此按剪切强度设计螺栓光杆部分的直径ds: ds4Fs410820 mm 96查GB27-88,取M12×60。 2)校核配合面挤压强度: 按图解三所示的配合面尺寸,有: 螺栓光杆与钢板孔间 8 PFs10820XX4dsh138MPaP320MPa 螺栓光杆与铸铁支架孔间 P1Fs10820ds11330=P1180MPa故配合面挤压强度足够。 采用普通螺栓联接 因为普通螺栓联接,是靠预紧螺栓在被联接件的接合面间产生的摩擦力来传递横向载荷,因此首先要求出螺栓所需的预紧力F′。 fFCFs,得 F1082086560 N根据强度条件式可得螺栓小径d1,即 d1******* mm 95查GB/T5780-20XX,取M45。 2.有一轴承托架用4个普通螺栓固联于钢立柱上,托架材料为HT150,许用挤压力[σ]P=60MPa,螺栓材料强度级别为级,许用安全系数[S]=3,接合面间摩擦系数f=,可靠性系数C=,螺栓相对刚度系数图所示。 试设计此螺栓组联接。 Kb,载荷F=6000N,尺寸如 KbKc9 解题分析: 本题是螺栓组联接受横向载荷、轴向载荷和倾覆力矩共同作用的典型例子,解题时首先要将作用于托架上的载荷F分解成水平方向和铅垂方向的两个分力,并向螺栓组联接的接合面形心O点处简化,得出该螺栓组联接受横向载荷、轴向载荷和倾覆力矩三种简单载荷作用的结论。 然后分析该螺栓组联接分别在这三种简单载荷作用下可能发生的失效,即: ①在横向载荷的作用下,托架产生下滑;②在轴向载荷和倾覆力矩的作用下,接合面上部发生分离;③在倾覆力矩和轴向载荷的作用下,托架下部或立柱被压溃;④受力最大的螺栓被拉断。 上述失效分析可知,为防止分离和下滑的发生,应保证有足够的预紧力;而为避免托架或立柱被压溃,又要求把预紧力控制在一定范围。 因此,预紧力的确定不能仅考虑在横向载荷作用下接合面不产生相对滑移这一条件,还应考虑接合面上部不分离和托架下部或立柱不被压溃的条件。 同时,要特别注意此时在接合面间产生足够大的摩擦力来平衡横向载荷的不是预紧力F′,而是剩余预紧力F″。 螺栓所受的轴向工作载荷是螺栓组连接所受的轴向载荷和倾覆力矩来确定的。 显然,对上边两个螺栓来说,螺栓组联接所受的轴向载荷和倾覆力矩所产生的轴向工作载荷方向相同,矢量叠加后数值最大,是受力最大的螺栓。 最后就以受力最大螺栓的轴向工作载荷和预紧力确定螺栓所受的总拉力F0,根据螺栓的总拉力F0计算螺栓的直径尺寸,以满足螺栓的强度。 解题要点: 1.螺栓组受力分析如图所示,载荷F可分解为 横向载荷FyFcos306000cos305196 N 10 轴向载荷FxFsin306000cos303000 N把Fx、Fy向螺栓组联接的接合面形心O点处简化,得到倾覆力矩 MFx180Fy420 (30001805196420)106 N·mm 显然,该螺栓组联接受横向载荷Fy、轴向载荷Fx和倾覆力矩M三种简单载荷的共同作用。 确定受力最大螺栓的轴向工作载荷Fmax。 在轴向载荷Fx作用下,每个螺栓受到的轴向工作载荷为 F3000FPx750 N 44而在倾覆力矩M作用下,上部螺栓进一步受到拉伸,每个螺栓受到的轴向工作载荷为 Fm106210l320 N24210i142i显然,上部螺栓受力最大,其轴向工作载荷为 FmaxFPFm75032403990 N确定螺栓的预紧力F′ 1)托架不下滑条件计算预紧力F′。 该螺栓组联接预紧后,受轴向载荷Fx作用时,其接合面间压力为剩余预紧力F″,而受倾覆力矩M作用时,其接合面上部压紧力减小,下部压紧力增大,故M对接合面间压紧力的影响可以不考虑。 因此,托架不下滑的条件式为 4fFCFy Kb而 FFFmF1KKFp bcKb1有 4fFKKFpCFy bc所以 FCFyKb1FP4fKKbc11 将已知数值代入上式,可得 F5196 (1)75010992N 4)接合面不分离条件计算预紧力F′ pminZFKbFxKbM110AKbKcAKbKcW1KbM可得 F1FxWA2KKbc式中A——接合面面积,A=280×=61600mm2;W——接合面抗弯截面模量,即 3280500228036W110 mm 6500Z——螺栓数目,Z=4。 其他参数同前。 将已知数值代入上式,可得 106F (1)30006160064087 N103)托架下部不被压溃条件计算预紧力F′。 PminZFKbFxKbM11PAKbKcAKbKcW1ZKbMA1FAPxKKWbc可得F式中,P为托架材料的许用挤压应力,P=60MPa。 其他参数同前。 将已知数值入上式,可得 1106F6061600 (1)3000616006410=921113 N 综合以上三方面计算,取F′=11000N。 12 2.计算螺栓的总拉力F0 这是受预紧力F′作用后又受轴向工作载荷F作用的紧螺栓联接,故螺栓的总拉力为 F0FCbF11000399011798N CbCm3.确定螺栓直径 d14 式中: 为螺栓材料的许用拉伸应力,题给条件知s/S=360/3=120MPa。 所以 d1411798mm 120查GB/T5780-20XX,取M16。 说明: 该题也可先按托架不下滑条件确定预紧力F′,然后校核托架上部不分离和托架下部不压溃。 3.有一气缸盖与缸体凸缘采用普通螺栓联接,如图所示。 已知气缸中的压力P在0~2MPa之间变化,气缸内径D=500mm,螺栓分布圆直径D0=650mm。 为保证气密性要求,残余预紧力F,螺栓间距t。 螺栓材料的许用拉伸应力=120MPa,许用应力幅a20MPa。 选用铜皮石棉垫片,螺栓相对刚度系数Kb/(KbKc),试设计此螺栓组联接。 解题分析: 本题是典型的仅受轴向载荷作用的螺栓组联接。 但是,螺栓所受载荷是变化的,因此应先按静强度计算螺栓直径,然后校核其疲劳强度。 此外,为保证联接的气密性,不仅要保证足够大的残余预紧力,而且要选择适当的螺栓数目,保证螺栓间距不致过大。 解题要点: 1.初选螺栓数目Z 因为螺栓分布圆直径较大,为保证螺栓间距不致过大,所以应选用较多的螺栓,初 13 取Z=24。 2.计算螺栓的轴向工作载荷F螺栓组联接的最大轴向载荷FQ: F= D24p500242105N 螺栓的最大轴向工作载荷F: 10516 NF=Z24FQ3.计算螺栓的总拉力F0 F0FFF=45815N 4.计算螺栓直径 d14445815mm= 120查GB/T5780-20XX,取M30。 5.校核螺栓疲劳强度 aKb2F22a20MPa KbKcd1故螺栓满足疲劳强度。 6.校核螺栓间距实际螺栓间距为 tD0Z6502430135mm 故螺栓间距满足联接的气密性要求。 4.起重卷筒与大齿轮用8个普通螺栓联接在一起,如图所示。 已知卷筒直径D=4000mm,螺栓分布圆直径D0=500mm,接合面间摩擦系数f=,可靠性系数C=,起重钢索拉力FQ=50000N,螺栓材料的许用拉伸应力=100MPa。 试设计该螺栓组的螺栓直径。 解题分析: 本题是典型的仅受转矩作用的螺栓组联接。 于本题是采用普通螺栓联接,是靠接合面间的摩擦力矩来平衡外载荷——转矩,因此本题的关键是计算出螺栓 14 所需要的预紧力F′。 而本题中的螺栓仅受预紧力F′作用,故可按预紧力F′来确定螺栓的直径。 解题要点: 1.计算转矩T TFQd4005000010722N·mm 2.计算螺栓所需要的预紧力F′ ZfF得 FD0CT22CTZfD0将已知数值代入上式,可得 2CT2107F50000N·mm ZfD085003.确定螺栓直径 d1413F450000mm 100查GB/T5780-20XX,取M36。 讨论: 此题也可改为校核计算题,已知螺栓直径,校核其强度。 其解题步骤仍然是需先求F′,然后验算ca。 d12/4此题也可改为计算起重钢索拉力FQ。 已知螺栓直径,计算该螺栓所能承受的预紧力F′,然后按接合面摩擦力矩与作用于螺栓组联接上的转矩相平衡的条件,求出拉力FQ,即 15 ZfFD0dCFQ22得 FQ ZfFD0CD5.下图所示两种夹紧螺栓联接,图a用一个螺栓联接,图b用两个螺栓联接。 已知图a与图b中: 载荷FQ=2000N,轴径d=60mm,载荷FQ至轴径中心距离L=200mm,螺栓中心至轴径中心距离l=50mm。 轴与毂配合面之间的摩擦系数f=,可靠性系数C=,螺栓材料的许用
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