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实验一螺栓连接实验Ⅰ、单个螺栓连接实验一、实验目的现代各类机械中，广泛应用螺栓进行联接，如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态特性参数，是工程技术人员的一个重要课题。
本实验通过对螺栓的受力进行测试和分析，要求达到下述目的。
1、了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。
2、计算螺栓相对刚度，并绘制螺栓联接的受力变形图。
3、验证受轴向工作载荷时，预紧螺栓联接的变形规律，及对螺栓总拉力的影响。
4、通过螺栓的动载实验，改变螺栓联接的相对刚度，观察螺栓动应力幅值的变化，以验证提高螺栓联接强度的各项措施。
二、实验项目LZS螺栓联接综合实验台可进行下列实验项目：1、(空心)螺栓联接静、动态实验。
(空心螺栓+ 刚性垫片+ 无锥塞)2、改变螺栓刚度的联接静、动态实验。
(空心螺栓、实心螺栓)3 、改变垫片刚度的静、动态实验。
(刚性垫片、弹性垫片)4、改变被连接件刚度的静、动态实验。
(有锥塞、无锥塞)三、实验设备及仪器该实验需LZS螺栓联接综合实验台一台，CQYDJ一4静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器。
1、螺栓联接实验台的结构与工作原理。
如图1-1所示。
（1）螺栓部分包括M16空心螺栓、大螺母、组合垫片和M8小螺杆组成。
空心螺栓贴有测拉力和扭矩的两组应变片，分别测量螺栓在拧紧时，所受预紧拉力和扭矩。
空心螺栓的内孔中装有M8小螺杆，拧紧或松开其上的手柄杆，即可改变空心螺栓的实际受载面积，以达到改变联接件刚度的目的。
组合垫片设汁成刚性和弹性两用的结构，用以改变被联接件系统的刚度。
（2）被联接件部分由上板、下板和八角环、锥塞组成，八角环上贴有应变片，测量被连接件受力的大小，中部有锥形孔，插入或拨出锥塞即可改变八角环的受力，以改变被连接件系统的刚度（3）加载部分由蜗杆、蜗轮、挺杆和弹簧组成，挺杆上贴有应变片，用以测最所加工作载荷的人小，蜗杆一端与电机相联，另一端装有手轮，启动电机或转动手轮使挺杆上升或下降，以达到加载、卸载(改变工作载荷)的目的。
实验二螺栓组联接实验指导书一、实验目的1．测试螺栓组联接在翻转力矩作用下各螺栓所受的载荷；2．深化课程学习中对螺栓组联接受力分析的认识；3．初步掌握电阻应变仪的工作原理和使用方法。
二、实验设备及工具1．CQL-B多功能螺栓组联接综合实验台；2．CQYJ-12静态电阻应变仪一台；3.其它仪器工具：螺丝刀、扳手。
三、实验台结构及工作原理图1 多功能螺栓组联接实验台结构1．机座 2．测试螺栓 3．测试梁 4．托架 5．测试齿块 6．杠杆系统 7．砝码 8．齿板接线柱 9．螺栓1—5接线柱 10．螺栓6—10接线柱 11.垫片多功能螺栓组联接实验台结构如图l所示，被联接件机座1和托架4被双排共10个螺栓2联接，联接面间加入垫片11(硬橡胶板)，砝码7的重力通过双级杠杆加载系统6(1：75)增力作用到托架4上，托架受到翻转力矩的作用，螺栓组联接受横向载荷和倾覆力矩联合作用，各个螺栓所受轴向力不同，它们的轴向变形也就不同。
在各个螺栓上贴有电阻应变片，可在螺栓中段测试部位的任一侧贴一片，或在对称的两侧各贴一片，如图2所示。
各个螺栓的受力可通过贴在其上的电阻应变片的变形，用电阻应变仪测得。
实验台主要技术参数：1.联接螺栓中段直径Φ6.5mm，两端螺纹M10，螺栓材料40Gr，其弹性模量E=206GPa；2.加载杠杆比：1:75；3.托架悬臂长L=214mm；4.砝码：共3块（两块1Kg，一块0.5Kg）静态电阻应变仪的工作原理如图3所示，主要由：测量桥、桥压、滤波器、 A ／D 转换器、MCU 、键盘、显示屏组成。
测量方法：由DC2．5V 高精度稳定桥压供电，通过高精度放大器，把测量桥桥臂压差(µV 信号)放大，后经过数字滤波器，滤去杂波信号，通过24位A ／D 模数转换送入MCU(即CPU)处理，调零点方式采用计算机内部自动调零。
送显示屏显示测量数据，同时配有RS232通讯口，可以与计算机通讯。
εKEU BD4=∇ 式中： BDU∇ ——工作片平衡电压差；E ——电阻应变系数； ε——应变值。
LSC-II螺栓组及单螺栓联接综合实验台一、工程应用实例螺纹联接是机器中广泛采用的联接形式，常为可拆联接。
在机械设计中大量使用螺纹联接，例如流体传动中液压缸的法兰盘联接、汽车发动机中汽缸盖与缸体的联接等。
在日常生活中，螺栓组联接也有广泛应用，例如空调的室外机的托架等等。
二、实验问题的提出在螺栓承受变动外载荷时，粗螺栓的疲劳寿命比细长螺栓的寿命短，这是为什么呢？另一方面，在机器设计中可以通过哪些措施来提高螺栓的疲劳寿命，机械设计中介绍了三种措施：（1）提高被联接件的刚度；（2）减小螺栓的刚度；（3）提高螺栓联接的预紧力。
也可以同时采用上述三种措施。
第（1）（2）种措施将导致螺栓联接残余预紧力的减小，这对有密封要求的联接是必须考虑的；第（3）种措施会导致螺栓静强度的减弱。
上述结论正确吗？我们通过本实验来观察、分析螺栓的联接特性。
螺栓联接常成组使用。
在外界转矩或倾翻力矩载荷作用下，每只螺栓上承受的载荷一样吗？各螺栓上承受载荷间有什么关系呢？让我们用实验来研究这一问题。
三、实验目的现代各类机械工程中广泛应用螺栓组机构进行联接。
如何计算和测量螺栓受力情况及静、动态性能参数是工程技术人员面临的一个重要课题。
本实验通过对一螺栓组及单个螺栓的受力分析，要求达到下述目的：（一）螺栓组试验（1）了解托架螺栓组受翻转力矩引起的载荷对各螺栓拉力的分布情况。
（2）根据拉力分布情况确定托架底板旋转轴线的位置。
（3）将实验结果与螺栓组受力分布的理论计算结果相比较。
（二）单个螺栓静载试验了解受预紧轴向载荷螺栓联接中，零件相对刚度的变化对螺栓所受总拉力的影响。
（三）单个螺栓动载荷试验通过改变螺栓联接中零件的相对刚度，观察螺栓中动态应力幅值的变化。
2四、螺栓试验台结构及工作原理(一)螺栓组试验台结构与工作原理螺栓组试验台的结构如：图1所示。
图中1为托架，在实际使用中多为水平放置，为了避免由于自重产生力矩的影响，在本试验台上设计为垂直放置。
第七章 螺纹联接与传动（一）教学要求：掌握螺纹和螺纹联接的基本知识、螺栓组联接的结构设计原则和受力分析；掌握单个螺栓联接的强度计算理论和方法，以及螺纹联接的预紧与防松措施；熟练掌握提高螺纹联接强度的各种措施。
（二）重点难点：1、掌握单个螺栓联接的强度计算理论和方法2、掌握螺纹联接的预紧与防松措施（三）教学手段与方式：课堂讲授，实物模型、课件演示、课堂练习（四）建议学时：6（五）教学内容：由于使用、结构、制造、装配、运输等原因，机器中有相当多的零件需要彼此联接。
联接分为：⎩⎨⎧—运动副。
—形式做相互运动的动联接：能按一定运动运动。
相互固定，不能做相互静联接：被联接件之间本课程所讲“联接”通常主要是指“静联接”。
联接的类型：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧往失效。
结构是粘接的。
热时往—如飞机机翼的蜂窝状—粘接——焊接劳强度。
于提高疲就停止扩展，所以有利—裂纹遇到铆钉孔后，—铆接不可拆联接—介于两者之间—过盈联接轮毂联接）弹性环联接等（常用与用与轮毂联接）键、花键、销联接（常螺纹联接可拆联接可拆联接：是指联接拆开时，不破坏联接中的零件。
重新安装后，可以继续使用。
不可拆联接：是指拆开时，要破坏联接中的零件，不能继续使用的联接。
本章主要讨论螺纹联接的构造，计算和设计。
第一节 螺纹连接的基本知识一、 螺纹的主要参数 螺纹分为⎩⎨⎧内螺纹外螺纹 分为⎩⎨⎧圆锥螺纹圆柱螺纹等λ主要参数有：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧==22211 tg 10n .9nP S S .8P.7h .6.5.4d D .3d D.2d D .1d nP πλλ螺纹升角螺纹头数导程螺距—接触面的径向高度—工作高度牙型斜角β牙型角α。
是理想直径。
—其上牙厚＝牙间宽度—）（或中经—作为危险截面的直径—）（或小经—作为公称直径—）（或大经二、 常用的螺纹 按用途不同分为⎩⎨⎧高传动螺纹：要求效率好联接螺纹；要求自锁性η按牙型不同分为：注：目前：除了矩形螺纹尚无标准以外，其它三种均已标准化。
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。 图1 凸台与沉头座的应用 图2 斜面垫圈的应用 2. 螺栓组联接的受力分析 1)．受横向载荷的螺栓组联接 2)．受转矩的螺栓组联接 3).受轴向载荷的螺栓组联接 4)．受倾覆力矩的螺栓组联接
进行螺栓组联接受力分析的目的是，根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。
为了简化计算，在分析螺栓组联接的受力时，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联接接合面的形心重合；受载后联接接合面仍保持为平面。下面针对几种典型的受载情况，分别加以讨论。
1)．受横向载荷的螺栓组联接 回首部
图所示为一由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓联接时（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时（图b），靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。
虽然两者的传力方式不同，但计算时可近似地认为，在横向总载荷F∑的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。因此，对于铰制孔用螺栓联接，每个螺栓所受的横向工作剪力为
（5-23） 式中z为螺栓联接数目。 对于普通螺栓联接，应保证联接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。 假设各螺栓所需要的预紧力均为Qp，螺栓数目为z，则其平衡条件为 或 （5-24）
图:受横向载荷的螺栓组联接 式中： f——接合面间的摩擦系数，见下表； i——接合面数（图中，i=2）； Ks——防滑系数，Ks=1.1～1.3。
由式（5-24）求得预紧力Qp，然后按式（5-14）校核螺栓的强度。 联接接合面间的摩擦系数 被联接件 接合面的表面状态 摩擦系数f 钢或铸铁零件 干燥的加工表面 0．10-0.16 有油的加工表面 0．06-0．10
钢结构 轧制表面，钢丝刷清理浮锈 0．30-0．35
涂富锌漆 0．35-0．40 喷砂处理 0．45-0．55 钢铁对砖料，混凝土或木干燥表面 0．40-0．45 材 2)．受转矩的螺栓组联接 回首部
如下图所示，转矩T作用在联接接合面内，在转拒T的作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动。为了防止底板转动，可以采用普通螺栓联接，也可以采用铰制孔用螺栓联接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。
图： 受转矩的螺栓组联接 采用普通螺栓时，靠联接领紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为Qp，则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。为阻止接合面发生相对转动，各摩擦力应与各该螺栓的轴线到
由上式可得各螺栓所需的预紧力为
【5－25】 式中：f——接合面的摩擦系数，见表； ri——第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；
z ——螺栓数目；
Ks ——防滑系数，同前。 由上式求得预紧力Qp，然后按式（5－14）校核螺栓的强度。 采用铰制孔用螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，各螺栓所受的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的连线（即力臂
r。）相垂直（图b）。为了求得各螺栓的工作剪力的大小，计算时假定底板为
刚体，受载后接合面仍保持为平面。则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远，螺栓的剪切变形量越大。如果各螺栓的剪切刚度相同，则螺栓的剪切变形量越大时，其所受的工作
剪力也越大。如图b所示，用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离；Fi、Fmax。分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，则得
【5－26】 根据作用在底板上的力矩平衡的条件得
即 . 【5－27】 联解式（5－26）及（5－27），可求得受力最大的螺栓的工作剪力为 【5－28】 图所示的凸缘联轴器，是承受转矩的螺栓组联接的典型部件。各螺栓的受力根据 r1＝r2＝…＝rz的关系以及螺栓联接的类型，分别代人式（5－25）或（5－28）
即可求得。
3).受轴向载荷的螺栓组联接 回首部
下图为一受轴向总载荷F的汽缸盖螺栓组联接。F的作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心O。计算时，认为各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷为
图：受轴向载荷的螺栓组联接 4)．受倾覆力矩的螺栓组联接 回首部
下图a为一受倾覆力矩的底板螺栓组联接。倾覆力矩M作用在通过x－x轴并垂直于联接接合面的对称平面内。底板承受倾覆力矩前，由于螺栓已拧紧，螺栓受预紧力Qp，有均匀的伸长；地基在各螺栓的Qp作用下．有均匀的压缩，如图b所示。当底板受到倾覆力矩作用后，它绕轴线O—O倾转一个角度，假定仍保持为平面。此时，在轴线O－O左侧，地基被放松，螺栓被进一步拉伸，在右侧，螺栓被放松，地基被进一步压缩。底板的受力情况如图c所示。
图:受倾覆力矩的螺栓组联接
联接接合面材料的许用挤压应力[σ]p,可查下表。 表:联接接合面材料的许用挤压应力[σ]p 注： l）σs为材料屈服权限，MPa; σB为材料强度极限,MPa。 2）当联接接合面的材料不同时，应按强度较弱者选取。 3）联接承受载荷时，[σ]p应取表中较大值；承受变载荷时，则应取较小值 计算受倾覆力矩的螺栓组的强度时，首先由预紧力Qp、最大工作载荷Fmax确定受力最大的螺栓的总拉力Q,由式（5－18）得
【5－38】 然后接式（5－19）进行强度计算。 确定螺栓直径 回首部 首先选择螺栓材料，确定其性能等级，查出其材料的屈服极限，并查出安全系数，计算出螺栓材料的许用应力[σ]= σs/S。
根据以下公式计算螺纹小径d1：
最后按螺纹标准，选用螺纹公称直径。 螺纹联接件的材料 适合制造螺纹联接件的材料品种很多，常用材料有低碳钢Q215、10号钢和中碳钢Q235、35、45号钢。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用低合金钢、合金钢，如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。对于特殊用途（如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等）的螺纹联接件，可采用特种钢或铜合金、铝合金等。 表：螺栓的性能等级（摘自 GB 3098.1-82） 注:规定性能等级的螺栓、螺母在图纸中只标出性能等级，不应标出材料牌号。 表:螺母的性能等级（摘自GB 3098.2-82）
4.校核螺栓组联接接合面的工作能力，是根据实际情况，对螺栓进行强度校核。
5.校核螺栓所需的预紧力。采用公式为： 碳素钢螺栓 合金钢螺栓
式中：
s——螺栓材料的屈服极限；
A1——螺栓危险截面的面积。
