螺栓组联接的设计
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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。