机械设计--螺栓组连接的设计
机械设计基础课件06-04螺纹连接的结构设计
6.4 螺纹连接的结构设计
螺纹连接与螺旋传动
3. 螺栓排列应有合理的间距和体壁间的最 小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。
6.4 螺纹连接的结构设计
4. 对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距有要求。
螺纹连接与螺旋传动
6.4 螺纹连接的结构设计
螺纹连接与螺旋传动
5.分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4，6，8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。 同一螺栓组中螺栓的材料，直径和长度均应相同。
6.避免螺栓承受附加的弯曲载荷。对于在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或 沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。
6.4 螺纹连接的结构设计
螺纹连接与螺旋传动
螺栓组连接结构设计的主要目的，在于合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式， 力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。
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，从而保证接合面受力比较均匀。
机械设计螺纹连接设计
σPmin =σP − ∆σPmax
＞0
§5-6 螺纹联接的强度计算
1 螺纹联接的失效形式和设计准则 螺纹联接的失效形式和设计准则 2 松螺栓联接的强度计算 3 紧螺栓联接的强度计算
潘存云教授研制
1 螺纹联接的失效形式和设计准则 螺纹联接的失效形式和设计准则
受拉螺栓 轴向力作用下螺栓杆和螺纹部分发生 塑性变形或断裂
紧螺栓联接 强度计算
⑵受横向工作载荷的紧螺栓联接 受横向工作载荷的紧螺栓联接
⑶同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 同时受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接
3 紧螺栓联接的强度计算 仅受预紧力的紧 ⑴仅受预紧力的紧螺栓联接
拉伸应力（预紧力 拉伸应力（预紧力F0 ）
F0
σ =
F0 1 πd 4
2 1
扭转切应力（螺纹摩擦力矩 扭转切应力（螺纹摩擦力矩T1 ）
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ =
δ max
Fmax
假设底板为完全刚体
δ i ∝ ri
∴
F1 F2 Fz Fmax = = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ = = r1 r2 rz rmax
例：联轴器
r1 = r2 = ⋅⋅⋅ = rz = r T ∴F= zr
（3）受轴向载荷的螺栓组联接 ）
总轴向载荷的作用线与螺栓轴 线平行，且通过螺栓组的对称中心。 线平行，且通过螺栓组的对称中心。 可认为每个螺栓上所受轴向工作载 荷都相等。 荷都相等
②铰制孔用螺栓组联接
Fi
铰制孔用螺栓
ri
T
F2 F1
F1r1 + F2 r2 + L + Fz rz = T
z
∑Fr
i =1
i i
=T
9.6螺栓组连接的设计
螺栓组的定义
在工程上，单独利用一个螺栓来实现连接的情况并不多见， 基本上都是由几个螺栓按适当的规律排列起来，共同完成和实现 一个连接任务，称为螺栓组。
螺栓的合理布置的重要性
如何尽可能地使各个螺栓接近均匀地承担外载，是设计、 安装螺栓组的主要问题。合理布置同一组内的螺栓的位置起着关 键的作用。
受转矩的普通螺栓连接
3 预紧力公式
式中， ri为第i个螺栓的轴线到 螺栓组对称中心O的距离；f、z 和KS的含义同前。
受转矩的铰制孔用螺栓
1 结构
当采用铰制孔用螺栓连接时，靠螺栓杆的剪切和挤压来传 递转矩，各螺栓所受的横向工作剪力Fs垂直于其轴线到螺栓组 对称中心O的连线。
受转矩的铰制孔用螺栓
螺栓组连接的受力分析
螺栓组连接的受力分析的目的和假设
进行螺栓组连接受力分析的目的是根据连接的结构和受载 情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接 的强度计算。
为了简化计算，在分析螺栓组连接的受力时，假设所有螺 栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与 连接接合面的形心重合；受载后连接接合面仍保持为平面。
受转矩的螺栓组连接
受转矩的普通螺栓连接
1 结构
如图所示的螺栓组连接中，转矩T作用在连接结合面内，在转 矩T作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与结合面垂直的轴 线O-O转动。因此，每个螺栓连接处都受横向力的作用。
受转矩的普通螺栓连接
2 平衡条件
当采用普通螺栓时，靠连接螺栓预紧后在接合面上所产生的摩 擦力矩来传递转矩T。设各螺栓的预紧力均为F0，则各螺栓处产生 的摩擦力相等，其方向与各螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的连线 相垂直。因此，接合面上摩擦传力的平衡条件应为：
机械设计2-螺栓连接
[ ]= s/S = 320/2.5 =128 MPa
d1
1.3F0
1
5.2 40000 22.749mm
128
4
M30的d1=26.211mm，所以符合要求。
（2）受预紧力F0和轴向工作载荷F 的紧螺栓连接
变形受力过程：
松弛 状态
无变形 → F0 →
m
→ +F →
b
b+ Δ b
F0
1.3F2
1 4
d12
1.3 35000
26.2112
4
84.4MPa
( 4 ) 被连接件变形为0时，容器则漏气，由图可知
F2 = 45000N
§2-5 螺栓组连接的设计
1. 接合面几何形状力求简单（矩、圆、三角），且螺栓组的对称中心 与接合面形心重合，接合面受力均匀。
2. 螺栓组受力合理：螺栓布置应尽量远离对称中心，铰制孔螺栓组 ≯8个；同时承受轴向、横向载荷时，可用抗剪元件承受横向力。
F1
F0
Cm Cb Cm
F
1000 1 1000 500N 2
（2）要求F1>0
F0
Cm Cb Cm
F
0
F 2F 0 2000N
熟记公式，灵活应用
例：
某压力容器采用螺栓连接，已知“力-变形”线图。试求：
（1） 螺栓受到的预紧力F0的大小； （2） 为满足紧密性要求，取剩余预紧力为20000N，此时螺栓
F0 θb
θm
F Cb F Cb Cm
Δ
b
m
∆F
F F2
F1 变形
F0
F1
(1
Cb Cb Cm
)F
机械设计(1)
二、受剪螺栓联接的强度计算
采用铰制孔螺栓联接时，被联接件上的外载荷是靠螺栓杆的 剪切及螺栓杆与被联接件之间的挤压来传递，故联接只需较 小的F'，一般忽略不计。
h3
Fs
d0
Fs Fs
Fs Fs
h
h1 d0
h2
Fs
强度条件 F
1）螺栓杆的抗剪切条件： ）螺栓杆的抗剪切条件：
τ=
4 2）螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为： ）螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为：
σ=
F′ 1 πd12 4
F′ d2 tan( + ρv ) ψ 2 1 πd13 16
F'
T1
T1 τT = = WT
T3 T4
F'
一般情况
对于M10~M68普通螺栓，有如下统计规律： 普通螺栓，有如下统计规律： 对于 普通螺栓
tan ρ v = 0.17
d 2 = 1.1d1
tanψ = 0.05
Fs max =
Trmax
z
ri2 ∑
i =1
受轴向载荷Q的螺栓组联接
每个螺栓承受的工作载荷为： 每个螺栓承受的工作载荷为：
F Q
Q F= z
D p
螺纹联接
第五节 螺纹联接的强度计算
概述
普通螺栓联接在工作时，螺栓主要受轴向拉力，故又 称受拉螺栓联接。在静载荷作用下：螺栓的主要失效 形式为螺纹部分的塑性变形或断裂；在变载作用下， 螺栓的主要失效形式为疲劳断裂。 铰制孔用螺栓联接，其工作时，螺栓只承受横向载荷， 故又称受剪螺栓联接，其主要失效形式为螺栓剪断、 栓孔或孔壁压溃。
1）确定拧紧力矩
F'预紧力 预紧力 T拧紧力矩 拧紧力矩 T1螺纹阻力矩 T2螺母支承面摩擦力矩 T3螺钉头支承面摩擦力矩 T4夹持力矩
螺栓组连接的设计与受力分析
第十四章 第三节 螺栓组联接的设计与受力分析鼠标双击自动滚屏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。
螺栓组联接设计的顺序——选布局、定数目、力分析、设计尺寸一、结构设计原则1、布局要尽量对称分布，栓组中心与联接结合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀2、受剪螺栓组（铰制孔螺栓联接）时，不要在外载作用方向布置8个以上，螺栓要使其受力均匀，以免受力太不均匀，但弯扭作用螺栓组，要适当靠接缝边缘布局，否则受力太不均3、合理间距，适当边距，以利用扳手装拆4、避免偏心载荷作用a）被联接件支承面不平突起b）表面与孔不垂直c）钩头螺栓联接防偏载措施：a）凸合；b）凹坑（鱼眼坑）；c）斜垫片二、螺栓组联接受力分析目的：——求受力最大载荷的螺栓前提（假设）：①被联接件为刚性不变形，只有地基变形。
②各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同③受力后材料变形在弹性范围内④接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面1、受横向载荷的螺栓组联接特点：普通螺栓，铰制孔用螺栓皆可用，外载垂直于螺栓轴线普 通 螺 栓 ——受拉伸作用铰制孔螺栓——受横向载荷剪切、挤压作用。
单个螺栓所承受的横向载荷相等靠摩擦传力靠剪切传力2、受横向扭矩螺栓组联接❖靠底板间摩擦传力由静平衡条件∴联接件不产生相对滑动的条件为：则各个螺栓所需的预紧力为❖靠螺杆受剪切传力由底板平衡条件可知由变形协调条件可知，各个螺栓的变形量和受力大小与其中心到接合面形心的距离成正比则螺栓所受的最大工作剪力为：3、受轴向载荷螺栓组联接单个螺栓工作载荷为：F=P/ZP——轴向外载Z——螺栓个数四川机电职业技术学院机械工程系 四川省攀枝花市 （0812）6251577。
机械设计-第五章 螺纹连接
h min L
d0 Fs
Fs
2）依靠螺杆与螺孔挤压承受横向载荷Fs 3）螺栓失效主要是螺杆被剪断， 螺杆与孔接触面被压溃 4）强度条件：挤压应力和剪切应力小于许用值
46
螺栓杆的剪切强度条件为: τ =
4 Fs ≤ [τ ] ,MPa 2 π d0 m Fs 螺栓与孔壁的挤压强度条件为: σ p = d h ≤ [σ ] p ,MPa 0 min
螺栓的刚度 ：
力
Cb
力
被联接件的刚度：Cm
tanθb = Cb tanθm = Cm
力
b ΔF = C + C F b m
C
F
F′
o
θb
θm
则螺栓的总拉力
F ′ = F ′′ +
F0 = F ′ +
Cb F Cb + Cm
Cm F Cb + C m
或写成：
F ′′ = F ′ −
bδ
δb
变形
δm
变形
51
(2) 静强度计算——限制绝对应力值 静强度条件：
1.3 × 4 F0 σ= ≤ [σ ] 2 π d1
1.3 × 4 F0 d1 ≥ π [σ ]
，mm
,MPa
或者：
式中: [σ ] —紧螺栓连接的许用拉应力
52
(3) 疲劳强度计算——限制应力幅值
当工作载荷由0 F之间变化时，按静强度设计尺寸后，还 应进行疲劳强度计算
式中：
d0
—螺栓抗剪面直径，mm
m —螺栓抗剪面数目
hmin
[τ ]
—螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm， 设计时应使 hmin ≥ 1.25d 0 —螺栓的许用剪切应力，MPa
机械设计基础-5.6螺栓组联接的设计
第六节螺栓组联接的设计第五节讲的是单个螺栓联接中，螺栓的强度问题，主要是螺栓杆的强度。
其中载荷是单个螺栓受到的轴向力或横向力。
实际中，螺栓联接往往是成组使用，而成组使用的螺栓联接（螺栓组）中，各个螺栓的受力往往是不一样的。
这就需要进行受力分析。
主要任务是：分析找出其中受力最大的螺栓及其所受的工作载荷。
（即F），（最终按此最大载荷计算螺栓强度）。
螺纹联接设计包括结构设计和参数设计。
一、螺栓组联接的结构设计1、联接接合面的几何形状应与机器的结构形状相适应。
一般都设计成轴对称的简单几何形状(图所示)，便于加工制造，且使联接的接合面受力比较均匀。
2、螺栓的数目应取为易于分度的数目(如3、4、6、8、12等)，以利于划线钻孔。
同一组螺栓的材料直径和长度应尽量相同，以简化结构和便于装配。
3、应有合理的钉距、边距和足够的板手空间。
4、被联接件上的支承面应做成凸台或沉头座，以免引起偏心载荷而削弱螺栓的强度。
二、螺栓组联接的受力分析 注意：螺栓组设计中：⎪⎩⎪⎨⎧。
的个数应便于等分圆周例如：圆周上均布螺栓③各螺栓应均匀布置。
一样）。
样（②各螺栓的预紧力均一性能等级应均取一致。
①各螺栓的尺寸规格、‘F 分析中假设：⎪⎩⎪⎨⎧围之内③螺栓的变形在弹性范②各螺栓的刚度相同变形①被联接件是刚体，不 1、 受横向力的螺栓组当采用普通螺栓联接时（图a ），靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷；当采用铰制孔用螺栓联接（图b ），靠螺杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。
普通螺栓（受拉）按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷假设：各螺栓联接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心处，则根据板的平衡条件得： ∑⋅≥⋅⋅⋅F k Z i F f s 0 ⇒所需预紧力 Zi f F k F s ⋅⋅⋅≥∑式中：f ——接合面的摩擦系数，见教材。
i —－接合面的数目 Z —－螺栓数s k —－可靠性系数，考虑摩擦力不稳定性铰制孔用螺栓（受剪）靠螺栓受剪切和螺栓与孔壁相互挤压传递载荷。
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螺栓组连接的设计
各位评委老师：
上午好，今天我要进行说课的题目是《螺栓组连接的设计》。
首先我们来进行教材分析。
一、教材分析
本节课出自本节课出自高等教育出版社出版的《机械设计》第八版第二篇连接中的第五章的第5节。
本节贯穿了机械设计以后的整个教学，同时也是形成学生合理知识链的重要环节。
学好本节知识不仅能使学生认识螺栓组连接的结构设计和学会螺栓组连接的受力分析，并且为后续的机械设计课程设计打下扎实的理论基础。
二、教学目标
根据上述教材分析，考虑到学生已有的认知结构心理特征，结合《机械设计》教学大纲要求，制定如下的教学目标：
1、知识目标
（1）了解键连接的主要类型和应用特点；
（2）掌握平键连接的强度校核方法。
2、能力目标
（1）通过讲练结合，培养学生分析和解决问题的能力。
（2）通过本节课的教学使学生掌握键连接的设计方法。
（3）通过分组学习方式，培养学生与他人沟通交流，分工合作的能力。
3、情感目标
培养学生认真、细致的学习态度和从事工程技术工作认真、严谨的工作作风。
三、教学重点和难点
1、教学重点
在了解键连接的功能和平键连接的结构形式及应用后如何进行平键连接的强度校核。
2、教学难点
如何根据实际要求进行键连接的选择和平键连接的强度校核方法。
为了讲清本节的重点和难点，使学生能达到本节课设定的教学目标，接下来我谈谈本节课的教法和学法。
四、教法
我们知道机械设计制造类专业是为了培养学生实际动手，解决现实生产中实际问题的能力。
因此，在教学过程中，不仅要使学生“知其然”，还要使学生“知其所以然”。
我们在以师生既为主体，又为客体的原则下，展现获取理论知识，解决实际问题的思维过程。
考虑到大二的学生对专业知识的认知，我主要采取讲授法和互动法相结合，培养学生将课堂教学和自己主动认知学习结合起来的能力，引导学生全面地观察身边的事物，养成严谨细致、一丝不苟的科学态度。
当然教师自身也是非常重要的教学资源。
教师应该通过课堂教学感染和鼓励学生的运用，充分调动学生参与课堂教学互动的积极性，激发学生对解决实际问题的渴望，并且要培养学生理论联系实际的能力，从而达到最佳的教学效果。
基于本节的内容特点，我主要采用以下的教学方法：
直观演示法：利用多媒体课件的手段进行直观的演示，激发学生学习兴趣，活跃课堂气氛，促进学生对知识的掌握。
案例分析法：以具体的工程案例引导学生对实际问题解决的能力。
集体讨论法：针对教师提出的问题，组织学生进行集体和分组讨论，促使学生解决实际问题的能力，培养学生的团结协作的精神。
由于本节内容与工业生产联系比较紧密，学生能通过生活中的实例进行直接的观察，在教师的指导下进行讨论，然后归纳总结，自己得出结论。
这样有利于调动学生的学习积极性，发挥学生的主体作用，让学生对本节知识的认知更深刻、更清晰。
五、学法
我们常说：“现代的文盲不是不识字的人，而是没有掌握学习方法的人”，因而在教学中我要特别重视学法的指导。
让学生从机械式的学答向学问转变，从学会向会学转变，成为真正的学习的主人。
为了更好地完成本堂课的教学任务，学生应该根据教师的教法，相应地采用下列几种学习方法：
1、主动学习法：举出例子，提出问题，让学生在获得感性认识的同时，教师层层深入，启发学生积极思维，主动探索知识，培养学生思维想象的综合能力。
2、反馈补救法：在练习中，注意观察学生对学习的反馈情况，以实现“培优扶差，满足不同。
”
六、教学过程
在这节课的教学过程中，我注意突出重点，做到条理清晰、紧凑合理。
注重课堂的互动、交流和反馈，最大限度的调动学生学习的主动性和积极性。
本节课在多媒体教室进行，所需教具是投影仪、黑板等。
我将本节课分为三个部分。
1、引入新课（5~10分钟）：由上节课学过的知识和本节教材开头的内容设置导入新课。
新课导入的作用是：一是概括旧知识，引出新知识，温故知新，使学生能够将新旧知识联系起来。
二是使学生明确本节课要讲授的内容，以激发学生求知的欲望，这是教学中非常重要的一个环节。
2、讲授新课（60~70分钟）：在讲授新课的过程中，我突出教材的重点，明了地分析教材的难点。
还根据教材的特点，学生的实际、教师的特长，以及教学设备的情况，我选择了多媒体的教学手段。
这些教学手段的运用可以使抽象的知识具体化，枯燥的知识生动化，乏味的知识兴趣华。
还重视教材中的疑问，适当对题目进行引申，使它的作用更加突出，有利于学生对知识的串联、积累、加工，从而达到举一反三的效果。
教学过程：认识螺纹组连接——了解螺纹组连接的结构设计——重点讲解螺纹组连接的受力分析。
3、课堂小结，强化认识（5~10分钟）：把本节知识纳入学生已有的知识系统之中，加强知识之间的内在联系，并上升到一定理论高度，使学生对本节内容更深刻的理解。
另外，提出一些思考性、启发性的问题，承上启下，为今后的教学打下基础。
七、板书设计
教师应该注重直观的、系统的板书设计，并及时地体现教材中的知识点，以便于学生能够理解掌握。
我的板书设计是：
一、螺栓组连接的结构设计
5点设计时应考虑的问题
二、螺栓组连接的受力分析强
1、受力分析的目的
2、受横向载荷的螺栓组连接
3、受转矩的螺栓组连接
4、受轴向载荷的螺栓组连接
5、受倾翻力矩的螺栓组连接
八、教学反思
1、实践性应用知识是学生学习的最大动力，激发学生最大的学习兴趣。
2、体验和参与是学生理解机械专业知识与掌握机械技能的最有效手段。
3、理论联系实际一体化的教学模式使学生机械专业能力的提高成为可能。
说课完毕，谢谢各位评委老师！。