螺栓的材料和许用应力
螺栓的常用材料为Q215、Q235、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹连接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力学性能较高的合金钢。国家标准规定螺纹连接件按其力学性能进行分级（见表15.4）。表15.5列出了螺纹连接件常用材料的抗拉伸力学性能。螺纹连接的许用应力及安全系数见表15.6和表15.7。
不锈钢和碳钢螺栓在等级的划分与标识方法有区别 碳钢螺栓的等级分为3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，小数点前后的数字分别表示螺栓材料的公称抗拉强度和屈强比，例如：标记8.8级螺栓表示材料的抗拉强度达到800MPa,屈强比为0.8即其屈服强度达到800X0.8=640MPa；不锈钢螺栓的等级分为45、50、60、70、80，材料主要分奥氏体A1、A2、A4，马氏体和铁素体C1、C2、C4，其表示方法例如A2-70，“--”前后分别表示螺栓材料和强度等级。 螺栓的材料和许用应力(1)螺栓材料常用材料：Q215、Q235、25和45号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹联接件，可选用15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMrSi等机械性能较高的合金钢。 2)许用应力螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷) 、联接是否拧紧，预紧力是否需要控制以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。精确选定许用应力必须考虑上述各因素，设计时可参照表11-4选择。 表11-4 螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 (≤M16) 8.8 (＞M16) 9.8 10.9 12.9 螺栓螺钉、螺柱抗拉强度极限sb /MPa 公称300 400 500 600 800 800 900 1000 1200 min 330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220 屈服强度极限ss /MPa 公称180 240 320 300 400 480 640 640 720 900 1080 min 190 240 340 300 420 480 640 660 720 940 1100 布氏硬度HB min 90 109 113 134 140 181 232 248 269 312 365 推荐材料10 Q215 15 Q235 10 Q215 25 35 15 Q235 45 35 35 35 45 40Cr 15MnVB 30CrMnSi 15MnVB 相配合螺母性能级别4或5 4或5 4或5 5 5 6 8或9 8或9 9 10 12 推荐材料10 Q215 10 Q215 10 Q215 10 Q215 10 Q215 15 Q215 35 35 35 40Cr 15MnVB 30CrMnSi 15MnVB 注：9.8级仅适用于螺纹公称直径≤16mm 的螺栓、螺钉和螺柱。表11-5紧螺栓联接的许用应力及安全系数许用应力不控制预紧力时的安全系数控制预紧力时的安全系数S [s]=ss /S 直径材料M6～M16 M16～M30 M30～60 不分直径碳钢合金钢4～35～4 3～24～2.5 2～1.32.5 1.2～1.5 注：松螺栓联接时，取：[s]=ss/S，S=1.2～1.7。表11-6 许用剪切和挤压应力及安全系数许用应力及安全系数被联接件材料剪切挤压许用应力S 许用应力S 钢[t]=ss /S 2.5 [sp]=ss /S 1.25 铸铁[sp]=sb /S 2～2.5 d=A* 3 √N/n 3是开3次方d:轴直径cm N：输入功率Kw n：轴的转速r/min A: 系数45钢11.8~10.7 40Cr 10.7~9.8 302HQ （0Cr18Ni9Cu3）-主要用于自攻钉； SUS304（0Cr18Ni9 -也就是常说的A2，主要用于普通不锈钢螺栓、螺钉、垫圈、螺母的制造，强度等级一般螺栓为70； SUS 316（0Cr18Ni12Mo2）、SUS 316L（00Cr17Ni14Mo2）-也就是常说的A4主要用于高耐腐蚀性不锈钢螺栓、螺钉、垫圈、螺母的制造，强度等级一般螺栓为70，也可达到高强度等级80。 强度等级 ,A代表奥氏体，"2代表第2种材料(其实2就是指304),-70代表强度等级是700MPa. 常见的材料就是A2和A4,分别是304和316材质，但只要能保证力学性能,化学成分可已出入一些.常见的等级有A2-60(基本不用了) A2-70 A2-80(少见) ，A4-70 ，A4-80 ，A4-90(目前国内好象还生产不了)
螺栓组受力分析与计算 一．螺栓组联接的设计 设计步骤： 1．螺栓组结构设计 2．螺栓受力分析 3．确定螺栓直径 4．校核螺栓组联接接合面的工作能力 5．校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后，螺栓的类型，长度，精度以及相应的螺母，垫圈等结构尺寸，可根据底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。 1. 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题： 1）联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联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。 2）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力（下图）。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。 接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置
3）螺栓排列应有合理的间距，边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和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。扳手空间的尺寸（下图）可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于下表所推荐的数值。 扳手空间尺寸 螺栓间距t0 注：表中d为螺纹公称直径。 4）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。 5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件，螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。对于在铸，锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时，应制成凸台或沉头座（下图1）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（下图2）等。
碳钢螺栓的等级分为3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，小数点前后的数字分别表示螺栓材料的公称抗拉强度和屈强比，例如：标记8.8级螺栓表示材料的抗拉强度达到800MPa,屈强比为0.8即其屈服强度达到800X0.8=640MPa； 不锈钢螺栓的等级分为45、50、60、70、80，材料主要分奥氏体 A1、A2、A4，马氏体和铁素体C1、C2、C4，其表示方法例如A2-70，“--”前后分别表示螺栓材料和强度等级。 螺栓的材料和许用应力 (1)螺栓材料 常用材料：Q215、Q235、25和45号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹联接件，可选用15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMrSi 等机械性能较高的合金钢。 (2)许用应力 螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷) 、联接是否拧紧，预紧力是否需要控制以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。精确选定许用应力必须考虑上述各因素，设计时可参照表11-4选择。表11-4 螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 (≤M16) 8.8 (＞M16) 9.8 10.9 12.9 螺栓、螺钉、螺柱抗拉强度极限 sb /MPa 公称300 400 500 600 800 800 900 1000 1200
min 330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220 屈服强度极限 ss /MPa 公称180 240 320 300 400 480 640 640 720 900 1080 min 190 240 340 300 420 480 640 660 720 940 1100 布氏硬度HB min 90 109 113 134 140 181 232 248 269 312 365 推荐材料10 Q215 15 Q235 10 Q215 25 35 15 Q235 45 35 35 35 45 40Cr 15MnVB 30CrMnSi 15MnVB 相配合螺母性能级别4或5 4或5 4或5 5 5 6 8或9 8或9 9 10 12 推荐材料10 Q215 10 Q215 10 Q215 10 Q215 10 Q215 15 Q215 35 35 35 40Cr
目次 1 总则 1.1 范围 1.2 引用标准 2 计算方法 2.1 一般要求 2.2 计算步骤 附录A法兰螺栓紧固力矩的计算实例 附录B常用的法兰螺栓紧固力矩 1 总则 1.1 范围 1.1.1 本标准规定了法兰螺栓紧固力矩的计算方法。 1.1.2 本标准适用于设计压力不大于35 MPa、钢材的使用温度在允许范围之内的法兰螺栓紧固力矩的计算。 1.2 引用标准 使用本标准时。应使用下列标准最新版本。 GB 150 《钢制压力容器》。 GB/T 196 《普通螺纹基本尺寸（直径1～600 mm）》。
2 计算方法 2.1 一般要求 2.1.1 本标准考虑了流体静压力及垫片压紧力的作用，未考虑外力、外力矩的作用。 2.1.2 法兰螺栓紧固力矩是指为避免操作状态下法兰泄漏，在法兰安装时扭紧螺栓所需的扭力矩。该扭力矩在避免法兰泄漏的同时, 不致造成垫片损坏、法兰永久变形和螺栓屈服。由于理论计算模型不可能与实际情况完全吻合，因此本标准的法兰螺栓紧固力矩数值只作为施工中的参考，在操作状态仍需考虑进行热紧。 2.2 计算步骤 2.2.1 垫片基本密封宽度b 0 根据垫片型式及尺寸，按表2.2.1确定垫片基本密封宽度b 0（mm ）。 2.2.2 垫片有效密封宽度b 垫片有效密封宽度b （mm ）按以下规定计算： a) 当b 0≤6.4 mm 时，b ＝b 0； b) 当b 0＞6.4 mm 时，b ＝2.530b 。 2.2.3 垫片压紧力作用中心圆直径D G 2.2. 3.1 对于活套法兰，垫片压紧力作用中心圆直径D G （mm ）即为法兰与翻边接触面的平均直径。 2.2. 3.2 对于其他型式的法兰，按下述规定计算D G （mm ）： a) 当b 0≤6.4 mm 时，D G 等于垫片接触面的平均直径； b) 当b 0＞6.4 mm 时，D G 等于垫片接触面外直径减2b 。 2.2.4 操作状态下内压力引起的螺栓总轴向力按式（2.2.4）计算： （2.2.4） 式中： F ——操作状态下内压力引起的螺栓总轴向力，N ； P ——设计压力，MPa 。 2.2.5 操作状态下需要的最小垫片压紧力按式（2.2.5）计算： F P ＝2π?D G ?b ?m ?P （2.2.5） 式中： F P ——操作状态下需要的最小垫片压紧力，N ； m ——垫片系数，由表2.2.5查得。 表2.2.1 垫片基本密度宽度 P D F ??= 2 G 4 π
15.2.1 单个螺栓连接的强度计算 螺纹连接根据载荷性质不同，其失效形式也不同：受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的铰制孔用螺栓连接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，栓杆或被连接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或连接时常装拆，很可能发生滑扣现象。 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部 ，然后按照标准选定螺纹公称直分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d 1 径（大径）d，以及螺母和垫圈等连接零件的尺寸。 1. 受拉松螺栓连接强度计算 松螺栓连接装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前，除有关零件的自重（自重一般很小，强度计算时可略去。）外，连接并不受力。图15.3所示吊钩尾部的连接是其应用实例。当螺栓承受轴向工作载荷 F (N)时，其强度条件为 (15-6) （15-7） 或 ——螺纹小径，mm； 式中： d 1 [σ]——松连接螺栓的许用拉应力，Mpa。见表 15.6。 图15.3 2. 受 拉 紧 螺 栓 连 接 的 强 度 计 算 根
所受拉力不同，紧螺栓连接可分为只受预紧力、受预紧力和静工作拉力及受预紧力和变工作拉力三
。 ①只受预紧力的紧螺栓连接 右图为靠摩擦传递横向力F 的受拉螺栓连接，拧紧螺母后，这时
栓杆除受预紧力F`引起的拉应力σ=4 F` /π 2 d 1外，还受到螺纹力矩T1引起的扭转切应力：
对于螺栓 故螺栓 或 式 ② 受 预 紧 力 和 工 作 载 荷 的 紧 螺 栓 连 接 。 图 15 .5 所 示 压 力 容 器
机械设计基础课程教案 授课时间第14 周周第 28 节课次 2 授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验课□习题课□ 其他□ 课时 安排 2 授课题目：螺栓组连接 1.螺纹连接件的材料和许用应力 2.提高螺栓联接强度的措施 3.滑动螺旋传动简介螺纹联接的预紧和防松 主要教学方法与手段教学方法： 教学手段：多媒体教学，结合工程实际分组讨论 本课次教学目的、要求： 1.熟悉螺纹连接件的材料和许用应力 2.了解提高螺纹联接强度的常用措施和螺旋传动的设计 教学重点及难点： 重点：提高螺栓联接强度的措施。 难点：提高螺栓联接强度的措施。 教学基本内容及过程 一、螺纹连接件的材料和许用应力 1、螺纹连接件的材料 一般条件下，螺纹连接件的常用材料为低碳钢和中碳钢，如Q215、Q235、15、35和45钢，受冲击、振动和变载荷作用的螺纹连接件可采用合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnSi和15CrVB等；有腐蚀、防磁、导电、耐高温等特殊要求时采用1Cr13、2Cr!3、CrNi2等。螺纹连接件的常用材料的力学性能见表7－7。 2、螺纹连接的许用应力 螺纹连接的许用应力见表7－8。 二、提高螺栓联接强度的措施 1、改善螺纹牙间载荷分布不均状况 a) 悬置螺母——强度↑40%（母也受拉，与螺栓变形协调，使载荷分布均匀）
b) 环槽螺母——强度↑30%（螺母接近支承面处受拉） c) 内斜螺母——强度↑20%（接触圈减少，载荷上移） d) （b ）(c)结合螺母——强度↑40% e) 不同材料匹配——强度↑40% 2、降低螺栓应力幅（a ） 3、减小应力集中 螺纹牙根、收尾、螺栓头部与螺栓杆的过渡处等均可能产生应力集中。 1）加大过渡处圆角 2）改用退刀槽↑20~40%（螺纹收尾处） 3）卸载槽 4）卸载过渡结构。 4、采用合理的制造工艺 1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度↑30~40% 2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等。可提高疲劳强度 3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度↑70~100%，此法具有优质、高产、低消耗功能。 4）控制单个螺距误差和螺距累积误差。 三、 滑动螺旋传动简介 螺旋传动是利用由螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力的场合。 1、螺旋传动的类型 1）传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋。特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁 2）传导螺旋——机床进给汇杠—传递运动和动力，特点：速度高、连续工作、精度高 3）调整螺旋——机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。其特点是受力较小且不经常转动 按摩擦副的性质分： 1）滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁。
螺栓受力（变载荷）计算 说明：按照《机械设计》（第四版）计算 1 螺栓受力计算 螺栓的工作载荷N z F F Q 10254 10410,0F 21=?=== 剩余预紧力 N N F F 5.153710255.15.12"=?== 螺栓最大拉力 "202F F F +==1025+1537.5=2562.5N 相对刚度系数(金属之间) c=0.2～0.3 预紧力 202'25.0F F F -==1,875-0.25×750=1,687.5N 螺栓拉力变化幅度 N F F F a 75.8432 05.687,12102=-=-= 2 计算螺栓应力幅 螺栓直径 d=16 螺栓几何尺寸 =1d 10.106 =2d 10.863 p=1.75, H=0.866p=1.5155mm 螺栓危险截面面积 2221c 2541mm .76)6 H 106.10(4)6H d (4A =-=-=ππ 螺栓应力幅 065MPa .112541 .7675.843A F c a a ===σ 3 确定许用应力 螺栓性能等级8.8级 640M P a ,800M P a s b ==σσ 螺栓疲劳极限 256MPa 32.0b 1==-σσ （ 8.8级螺栓取0.4～0.45，保守计算取0.32） 极限应力幅度 24M P a .742568 .46.1187.0k k k 1u m alim =???==-σεσσ ε为尺寸系数 d=12，取0.87；m k 螺纹制造工艺系数，车制m k =1； u k 螺纹牙受力不均系数，受拉u k =1.5～1.6； σk 螺纹应力集中系数，8.8级螺栓取4.8
ASME规范规范材料材料性能许用应力 ASME锅炉压力容器规范每三年改版一次，2004版规范在去年的8月已经公布。笔者对照上一版本（含增补），在《ASME在中国》2004 期上撰文《关于2004年版ASME规范第II卷的A篇和D篇的翻译及与2001年版差异的说明》，向读者介绍了第II卷的A篇《铁基材料》新版本的总体变动情况，本文将从6个方面具体介绍第II卷的D篇《材料性能》。 笔者在翻译2004版第II卷的D篇的过程中，与2001年版相比，发现第II卷的D篇在各卷册中变动最大。 通常了解规范各卷内容变更的方法是查阅卷前的“变更一览表”，而第II卷D篇新改版不提供“变更一览表”，只有在后2年发布规范“增补”时才能见到。尽管第II卷D篇每次增补变动量也不小，但总体上仅仅是页数的变化、各应力表格中钢种的增有减，以及对个别钢材的应力值的调整。而2004版D篇的变动已经远远超出这种程度，本人认为，造成2004版第II卷D篇发生很大变动的主要原因有以下几点： 1) 2001版的II卷D篇出了2种单位制的版本，即美国习惯单位版本和公制单位版本。在公制单位版本中，无论是规格尺寸或厚度、长度尺寸，还有最大许用应力值S和设计应力强度值Sm、各个温度下材料的抗拉强度和屈服强度值，以及对于材料的物理性能数据，都采用公制单位（SI单位）。首先，温度值不再使用华氏温度℉，而改变为摄氏温度℃；应力值或强度值不再使用psi或ksi，而改用MPa。因此，在2004版第II卷D篇的名称上还特地示出为：“PART-D ---- PROPERTIES（Metric）”。在长达近百年的ASME 规范的出版历程中，出版使用国际单位（SI）制的材料性能数据还是首次。 2) 2004年版第II卷的D篇第一次针对规范第XII卷《运输罐的建造和连续使用规则》，给出了在设计锅炉及压力容器中所须引用到的规范规定材料的最大许用应力值S以及在规范产品上使用这些材料的过程中需要引用的“注解”。这是由于从2004版开始，第XII卷从原来由美国交通部管理转由ASME管理。 3) 在D篇三个分篇中的第一分篇和第二分篇之前，都新增加了一份“前言”。在新增加的“前言”中不仅概述了分篇中的内容组成，还对如何应用作了提示。 4) 对规范本文之后附加的附录，按“强制性”和“非强制性”进行区分。强制性附录按阿拉伯数字排列，而非强制性附录按英文字母排列。2001版原有的附录6在2004版中改为非强制性附录A。在附录7《材料的多重性标志》之后，新增加了附录9《公式中使用的标准单位》。 5) 新增加了非强制性附录－B，《在应力表格和在力学性能和物理性能表格中查找材料》。 6)新增加了非强制性附录－C，《在锅炉及压力容器规范中使用美国习惯单位和国际单位制的导则》，对于“单位换算”上的规则作出了明确的说明。 此外还将在设计锅炉及压力容器的过程中，所须引用到的规范规定材料的最大许用应力值S和设计应力强度值Sm，材料的各种物理特性数据以及受外压或压缩载荷作用下确定部件壳体厚度用的线算图都收在第II卷的D篇中，这些都是锅炉及压力容器设计的重要依据。下面针对上述6个方面的变动作进一步的说明： 一、关于由原英制单位改用公制单位（SI单位）的说明： 这里，以近年来在锅炉及压力容器的设计中广泛应用的、公称成分为“9Cr-1Mo-V”的SA-213 T91的无缝管子为例加以说明。 在2001版的D篇中第一分篇的应力表－“表1A”中，对于该材料在不同温度下的许用应力值，读者可从2001版D篇的中译本第38页到41页的第30行查知。按华氏温度从900℉至1200℉的温度区间、并以ksi为单位所给出的许用应力值，如下：
% 液压油缸螺栓连接选用计算 % M文件中的表16-10和表16-11见参考文献[1]：郭仁生，魏宣燕等. 机械设计基础[M].北京：清华大学出版社，2011第3版 % 已知条件：最大油压（最小油压为0）、油缸内径、螺栓数目、剩余预紧力系数 pm=1;D=500;z=12;Cy=1.6; % 1-按照静载荷强度条件计算螺栓直径 Fm=pi*D^2*pm/4; fprintf(' 液压油缸最大压力Fm = %3.4f N \n',Fm); F1=0;F2=Fm/z; fprintf(' 螺栓最小工作载荷F1 = %3.4f N \n',F1); fprintf(' 螺栓最大工作载荷F2 = %3.4f N \n',F2); Qp=Cy*F2;Q=F2+Qp; fprintf(' 螺栓剩余预紧力Qp = %3.4f N \n',Qp); fprintf(' 螺栓总轴向载荷Q = %3.4f N \n',Q); sigma_s=input(' 表16-10：选择螺栓材料的屈服极限（MPa）sigma_s = '); sigma_b=input(' 表16-10：选择螺栓材料的强度极限（MPa）sigma_b = '); S=input(' 表16-11：选择控制预紧力时的安全系数S = '); sigma_p=sigma_s/S; fprintf(' 螺栓的许用应力sigma_p = %3.4f MPa \n',sigma_p); dj=sqrt(5.2*Q/(pi*sigma_p)); disp(' 按照静载荷强度条件计算螺栓小径(mm)：'),dj d=input(' 选择螺栓公称直径（mm）： d = '); d1=input(' 对应螺栓小径（mm）：d1 = '); P=input(' 对应螺栓螺距（mm）：P = '); 计算结果： 液压油缸最大压力Fm = 196349.5408 N 螺栓最小工作载荷F1 = 0.0000 N 螺栓最大工作载荷F2 = 16362.4617 N 螺栓剩余预紧力Qp = 26179.9388 N 螺栓总轴向载荷Q = 42542.4005 N 表16-10：选择螺栓材料的屈服极限（MPa）sigma_s = 600 表16-10：选择螺栓材料的强度极限（MPa）sigma_b = 400 表16-11：选择控制预紧力时的安全系数S = 2 螺栓的许用应力sigma_p = 300.0000 MPa 按照静载荷强度条件计算螺栓小径(mm)： dj = 15.3206 选择螺栓公称直径（mm）： d = 18 对应螺栓小径（mm）：d1 = 15.835 对应螺栓螺距（mm）：P = 2 % 2-按照变载荷计算螺栓应力幅 Kc=input(' 螺栓连接相对刚度系数Kc = ');
依照机械设计手册中的“螺纹拧紧力矩计算”和“单个螺栓的强度计算”公式，可得： 1.螺栓的拧紧力矩： k T =()2 02 3 030202131 21d D d D f F d tg F T T w w c v --???+?+??=+ρφ 0F ()2 2 3 3 2236d D d D f d tg T w w c v k --??+?+?= ρφ F 0： 单个螺栓的拉紧力（KN ）； T k ： 螺栓的拧紧力矩规定值（Nm ）； υ： 螺纹升角 ρ v ：螺旋副当量摩擦角：ρv =arctgf v 。 其中f v ： 螺旋副当量摩擦系数，取f v =0.17； d 1： 螺纹小径（mm ）； d 2： 螺纹中径（mm ）； f c ： 螺栓工作面摩擦系数，取f c =0.15~0.20； D w ：螺栓头摩擦面外径（mm ）； d 0： 螺栓通孔直径（mm.）； T 1 ：螺旋副螺纹阻力矩（Nm ）， ()2012 1 d tg F T v ?+??= ρφ T 2： 螺栓头与其接触面的摩擦力矩（Nm ），2 2 3 03 0231 d D d D f F T w w c --???= 2.螺栓螺纹部分的拉应力：2 10 4d F πσ = 3.螺栓的螺纹部分剪应力：()3 12 03 11816d d tg F d T v πρφπτ?+== 4.对一般的钢制螺栓，其强度条件为：[]στσσ≤+=2213 5.螺栓安全系数: n 1=[σ]/σl [σ]： 螺栓的极限许用应力，[σ]=σS / n （n 安全系数取1.25） 6.螺栓组能传递的摩擦力矩：n c m K f z r F T ???=
螺纹的配合公差与材料及许用应力 第一章螺纹 一、螺纹是一种在固体外表面或内表面的截面上，有均匀螺旋线凸起的形状。根据其结构特点和用途可分为三大类： （一）、普通螺纹：牙形为三角形，用于连接或紧固零件。普通螺纹按螺距分为粗牙和细牙螺纹两种，细牙螺纹的连接强度较高。（（二）、传动螺纹：牙形有梯形、矩形、锯形及三角形等。 （三）、密封螺纹：用于密封连接，主要是管用螺纹、锥螺纹与锥管螺纹。 二、螺纹配合等级： 螺纹配合是旋合螺纹之间松或紧的大小，配合的等级是作用在内外螺纹上偏差和公差的规定组合。（一）、对统一英制螺纹，外螺纹有三种螺纹等级：1A、2A和3A级，内螺纹有三种等级：1B、2B和3B 级，全部都是间隙配合。等级数字越高，配合越紧。在英制螺纹中，偏差仅规定1A和2A级，3A级的偏差为零，而且1A和2A级的等级偏差是相等的。 等级数目越大公差越小，如图所示： 1、1A和1B级，非常松的公差等级，其适用于内外螺纹的允差配合。 2、2A和2B级，是英制系列机械紧固件规定最通用的螺纹公差等级。 3、3A和3B级，旋合形成最紧的配合，适用于公差紧的紧固件，用于安全性的关键设计。 4、对外螺纹来说，1A和2A级有一个配合公差，3A级没有。1A级公差比2A级公差大50%，比3A级大75%，对内螺纹来说，2B级公差比2A公差大30%。1B级比2B级大50%，比3B级大75%。 （二）、公制螺纹，外螺纹有三种螺纹等级：4h、6h和6g，内螺纹有三种螺纹等级：5H、6 H、7H。（日标螺纹精度等级分为I、II、III三级，通常状况下为II级）在公制螺纹中，H和h的基本偏差为零。G的基本偏差为正值，e、f和g的基本偏差为负值。如图所示：
表 A.1 钢管材料许用应力 单位为 MPa 产品形式 规定的室温拉伸强度 金 属 温 度 牌号或级别 MPa ℃ 及标准号 管壁厚度 Rm R eL 或 R p0.2 20 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 mm 无缝管 20Ga 15MoG 12CrMoG 15CrMoG 12Cr2MoG GB 5310 12Cr1MoVG 10Cr9Mo1VNbN t ≤75 10Cr9Mo1VNbN t>75 07Cr19Ni10 07Cr18Ni11Nb GB 3087 10 t ≤16 t>16 410 ～550 245 137 125 123 120 118 115 113 111 109 106 102 100 97 95 92 89 87 83 78 450 ～600 270 150 116 115 114 113 112 111 110 109 108 107 106 106 105 105 104 104 103 102 410 ～560 205 137 114 112 110 108 106 104 102 101 100 99 98 96 95 94 93 92 91 90 440 ～640 295 147 147 147 146 145 144 143 141 140 138 136 135 132 132 131 129 128 127 126 450 ～600 280 150 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 123 470 ～640 255 157 156 155 154 153 152 151 149 148 146 144 143 141 140 138 137 135 133 132 585 ～830 415 168 166 165 165 164 164 164 163 163 162 161 161 159 157 156 154 153 150 148 585 ～830 415 168 166 165 165 164 164 164 163 163 162 161 161 159 157 156 154 153 150 148 ≥515 205 137 113 111 110 109 108 107 106 105 105 104 103 102 101 100 100 99 98 98 ≥520 205 137 131 130 129 128 126 125 124 123 122 122 121 120 119 119 118 118 117 117 335 ～475 205 112 104 101 98 96 93 91 89 87 85 83 80 78 76 75 73 70 68 66 195
第一讲 一、教学目标 (一）能力目标 掌握螺纹联接的主要类型及应用场合 (二)知识目标 1.熟悉螺纹的类型、主要参数、特点及应用 2.螺纹联接的预紧和防松方法 二、教学内容 1.螺纹联接的基本知识 2.螺纹联接的预紧和防松 三、教学的重点与难点 (一）重点 螺纹联接的主要类型及应用场合。 (二)难点 各种螺纹连接的画法、螺纹联接的防松。 四、教学方法与手段 多媒体教学，结合机械制图、联系工程实际。 7.1 螺纹连接的基本知识 联接：在机器中，将两个或两个以上的零件联成一体的结构。 机械动连接：机器工作时，被联接零件间有相对运动的联接。 机械静连接：机器工作时，被联接零件间没有相对运动的联接。机械静连接又分为可拆联接和不可拆联接。 可拆联接：不须毁坏联接中的任何一个零件就可以拆开的联接。如键联接、螺栓联接等。不可拆联接：至少必须毁坏联接中的某一部分才可以拆开的联接。如铆钉连接、焊接、过盈配合联接、粘结等。 7.1.1 螺纹的类型 螺纹有外螺纹和内螺纹之分，共同组成螺纹副使用。起联接作用的螺纹称为联接螺纹，起传动作用的螺纹称为传动螺纹。按螺纹的旋向可分为左旋及右旋，常用的为右旋螺纹。螺
纹的螺旋线数分单线、双线及多线，联接螺纹一般用单线。螺纹又分为米制和英制两类，我国除管螺纹外，一般都采用米制螺纹。 常用螺纹的类型主要有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。前两种主要用于联接，后三种主要用于传动。 7.1.2 螺纹的主要参数 如图，螺纹的主要参数有 大径d——螺纹的最大直径，规定它为公称直径。 小径d l——螺纹的最小直径。 中径d2——螺纹牙的厚度与牙间宽度相等处的圆柱直径。 螺距p——相邻两牙对应点间的轴向距离。 导程s——同一条螺旋线上的相邻两牙对应点间的轴向距离。对于单线螺纹，s=p；对 p。 于螺纹线数为n的多线螺纹，s=n 升角λ——在螺纹中径的圆柱面上，螺纹的切线与其轴线的垂直平面间的夹角。 牙型角 ——在轴向截面内，螺纹牙形两侧边的夹角。 7.1.3 常用螺纹的特点及应用 螺纹按其牙型角可分为三角螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹。三角螺纹主要用于联接；矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动。用于联接的三角螺纹又有普通螺纹、英制螺纹以及用于管路系统联接的圆柱螺纹，即管螺纹。在各种螺纹中，除矩形螺纹外，均已标准化。
螺栓的材料和许用应力 六、螺栓的材料和许用应力 (1)螺栓材料 常用材料：Q215、Q235、25和45号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹联接件，可选用15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMrSi等机械性能较高的合金钢。 (2)许用应力 螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷) 、联接是否拧紧，预紧力是否需要控制以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。精确选定许用应力必须考虑上述各因素，设计时可参照表11-4选择。 表11-4 螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级 注：9.8级仅适用于螺纹公称直径≤16mm 的螺栓、螺钉和螺柱。 表11-5紧螺栓联接的许用应力及安全系数 注：松螺栓联接时，取：[σ]=σs/S，S=1.2～1.7。
表11-6 许用剪切和挤压应力及安全系数 例11-1 如例图11-1所示，一铸铁吊架用两个螺栓固紧在混凝土梁上。吊架所承受的静载荷为P=6000 N，吊架底面尺寸及其它有关尺寸如图所示。试求受力最大的螺栓所受的拉力。 解：该螺栓联接属受轴向载荷的普通螺栓联接(受拉螺栓联接)，螺栓受拉力 和螺纹间的摩擦力矩的作用。若将增加30%以考虑的影响，则可认为螺栓所受的当量拉力为 ＝1.3 1、计算受力最大的螺栓所受的轴向工作载荷： F＝P/2+PL/500 ＝6000/2+6000×350/500=7200N 2、预紧力F'的大小应能满足下面两个条件： 受弯矩M=PL作用后，联接的右端不出现间隙； 受弯矩M=PL作用后，联接的左端不被压溃。 为了满足第一个条件，应使：在接合面上，由预紧力F'产生的压应力应比与由拉力P产生的拉应力与由弯矩M产生的弯曲应力之和要大。即 由此可求得F'≥13500 N。 并校核是否满足联接的左端不被压溃的条件(一般可以满足，这里略去这一校核) 3、确定螺栓的相对刚度由表11-2，查得相对刚度为