1、金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 1 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期第 五 章 螺纹联接和螺旋传动 三 、 分析与思考 题 5 40 常用螺纹有哪几种类型？各用于什么场合？对联接螺纹和传动螺纹的要求有何不同？ 答：常用螺纹的类型和应用参看教科书 P60 表 5 1。： 对联接螺纹 的 要求 :联接可靠，当量摩擦系数大，自锁性能好。 对传动螺纹的要求 :当量摩擦系数系数小，传动效率高。 5 41 在螺栓联接中，不同的载荷类型要求不同的螺纹余留长度，这是为什么？ 答：螺纹的余留长度越长，则螺栓杆的刚度 Cb越低 ,这对提高螺栓联接的疲劳强度有利。因此，承受变载荷和冲击载荷的
2、螺栓联接，要求有较长的余留 长度。 5 42 联接螺纹都具有良好的自锁性，为什么有时还需要 防松 装置？试各举出两个 机 械防松和摩擦防松的 例 子。 答：在冲击、振动或变载荷的作用下， 螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬间消失，这种现象多次重复后，就会使联接松脱。在高温或温度变化较大的情况下，由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛，也会使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小，最终导致联接失效。 因此 螺纹联接需要防松 。 例： 开口销与六角开槽螺母、止动垫圈为 机械防松 ； 对顶螺母、弹簧垫圈为 摩擦防松 。 5 43 普通 螺栓联接 和 铰 制孔用螺栓联接 的主要失效 形式 各 是什么？计算
3、准则各是什么？ 答： 普 通螺栓联接 （受横向载荷） 的主要失效 形式 ： 接 合面滑移 螺栓 杆 被拉断 计算准则： 承载条件 螺杆的拉伸强度 铰制孔用螺栓联接 的主要失效 形式 ： 螺 杆被剪断 螺 杆与孔壁接触面被压溃（碎 ） 计算准则： 螺杆的剪切强度 螺 杆与孔壁接触面的挤压强度 5 44 计算普通螺栓联接时，为什么只考虑螺栓危险截面的拉伸强度，而不考虑螺栓头、螺母和螺纹牙的强度？ 答： 螺栓头、螺母和螺纹牙的结构尺寸是根据与螺杆的等强度条件及使用经验规定的，实践中很少发生失效，因此，通常不需进行 其 强度计算。 5 45 松螺栓联接和紧螺栓联接 的区别是什么？在计算中如何考虑这些区
4、别？ 答： 松螺栓联接，装配时螺母不需要拧紧。在承受载荷之前，螺栓不受力。 紧螺栓联接，装配时螺母需要拧紧。在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力 F0的拉伸而产生的拉应力外还受摩擦力矩 T1的扭转而产生的扭切应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态。 强度计算时，松螺栓联接只考虑工作载荷即可。 紧螺栓联接应综合考虑拉应力和 扭切应力的作用，计入扭切应力的影响，即螺栓 所受 的 轴向拉力乘 以 1.3。 5 46 普通紧螺栓联接所受到的轴向工作载荷或横向工作载荷 为脉动循环 时 ，螺栓上的总载荷各是什么循环？ 答：普通紧螺栓联接所受到的轴向工作载荷 为 脉 动 循环 时 ， 螺栓 上 的 总载 荷
5、为 Pm in0P Ld F 204 dF 210431dF.ifFKF S0金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 2 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期FCC CFF mb b 0 ， 即 同方向（不变号）的非对称循环变载荷， 0 r 1；所受到的横向工作载荷为脉动循环时，螺栓上的总载荷为预紧力， 即 大小不变的 静 载荷， r=1。 5 47 螺栓的 为 8.8 级 ，与它相配的螺母的性能等级应为多少？性能 等级 数字代号的 含义 是什么？ 答： 与之相配的螺母的性能等级应为 8 级或 9 级（ d 16 39mm）。 性能等级 8.8 ， 表示 小数点前的数字 8 代表材
6、料的抗拉强度极限的 1/100(B /100， B=81 00MPa)， 小数点后的数字 8 代表材料的屈服极限 (s)与抗拉强度极限 (B)之比值 (屈强比 )的 10 倍（ 10s/B, s=8B/10=640 MPa）。 5 48 在什么情况下，螺栓联接的安全系数大小与螺栓的直径有关？ 试 说明其原因。 答： 在 不控制预紧力的情况下，螺栓联接的安全系数大小与螺栓的直径有关，直径越小，则安全 系数取得越大。 因为扳手的长度随螺栓直径 的 减小而线性减短，而螺栓的承载能力随螺栓直径 的 减小而平方 性 降低 。 因此，螺栓直径 越 细 越易过拧紧，造成螺栓 过 载 断裂。所以小直径的螺栓应
7、取较大的安全系数。 5 49 图示螺栓联接结构中，进行 预紧力 计算时，螺栓 的数目 z、接合面的数目 i 应取多少？ 答：螺栓的数目 z=4 接合面的数目 i=2 5 50 试用受力变形线图分析说明螺栓联接所受轴向 工作 载荷 F， 当预紧力 F0 一定时， 改变螺栓或被联接件的刚度，对螺栓联接的 静 强度和联接的紧密性有何影响？ 答： 如图示，减小 螺栓刚度 （ ） 或 增大被联接件的刚度（ ）， 螺栓 的 总拉力 F2 减小，螺栓联接的静强度提高；残余预紧力 F1 减小 ， 联接的紧密性下降。 增大螺栓刚度 或 减小被联接件的刚度 则相反。 5 51 紧螺栓联接所受轴向变载荷在 0 F
8、间变化， 在保证螺栓联接紧密性 要求和静强度要求的前提下，要提高螺栓联接的疲劳强度，应如何改变螺栓 或被联接件的刚度及预紧力 的 大小？试通过受力变形线图来说明。 F F题 5 49 图 题 5 50 图 0b m 变形 力 F yDF1yDF2yDF0yDb F yDF1yDm b F1 yD F yDb m题 5 51 图 b F y D F 1y D F2 y D F 0y D F F 0y D a) 改变螺栓的刚度 0b 0m m 变形 力 b) 改变被联接件的刚度 0b 0m b m 变形力 F y D F 1y D F2 y D F 0y D F F 0y D b F F 0y D
9、 F 0y D F F 0y D F 0y D m 金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 3 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期答： 在总拉力 F2、 残余预紧力 F1 不变时 , a)如图示， 减小螺栓 的 刚度（ ）， 增大预紧力 F0， 可减小 F，提高螺栓联接的疲劳强度 。 b)如图示， 增大被联接件的刚度（ ）， 增大预紧力 F0， 可减小 F，提高螺栓联接的疲劳强度。 5 52 为什么螺母的螺纹圈数不宜大于 10？通常采用哪些结构形式可 使 各圈螺纹牙的载荷分布趋于均匀？ 答： 当联接受载时，螺栓受拉伸，外螺纹的螺距增大；而螺母受压缩，内螺纹的螺距减小。螺距的变化差
10、以旋合的第一圈处为最大，以后各圈递减。旋合螺纹的 载荷分布为：第一圈上约 为总 载荷的 1/3， 以后各圈递减，第 8 10 圈以后的螺纹牙几乎不受力。 螺母的螺纹圈数过多也不能提高承载能力 。 为了使各圈螺 纹牙的载荷趋于均匀，可采用下述方法：悬置螺母；内斜螺母；环槽螺母。 5 53 受倾覆力矩的螺栓组联接应满足哪些不失效条件？ 答： 螺 杆 不被拉断； 结合面受压最大处不被压溃（碎）； 结合面受压最小处不离缝。 5 54 滑动螺旋的主要失效形式是什么？其基本尺寸（即螺杆直径及螺母高度）通常是根据什么条件确定的？ 答：滑动螺旋的主要失效形式是螺纹面的磨损。 其基本尺寸（即螺杆直径及螺母高度）
11、通常是根据耐磨性条件确定的。 四 、 设计 计算 题 5 55 一牵曳钩用 2 个 M10(d1=8. 376mm)的普通螺栓固定于机体上 。已知接合面间摩擦系数 f =0.15，防滑系数 Ks=1.2，螺栓材料强度级别为 4.6 级， 装配时控制预紧力。 试计算该螺栓组联接允许的最大 牵曳力 Fmax。 解： s=240MPa 查表 5 10， S=1.21.5 牵曳力 F题 5 55 图 m b M P a.S S 1 6 02 0 05121 2 4 0 由承载条件：由强度条件：N.N.KfzfFKFN.dFdF571 6 9 4212 1 1 8m a x571 6 9 4212 1
12、1 8212150)286 7 7 8858 4 7 2(z286 7 7 8858 4 7 24311 6 0 )( 2 0 0763814343141 . 3SS0221021000 WMAZFm inP Pm a xP WMAZF 0 43121 2dF.金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 4 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期5 56 有一受预紧力 F0=1000N 和轴向工作载荷 F=1000N 作用的普通紧螺栓联接，已知 螺栓的刚度 C b 与 被联接件 的刚度 C m相等。试计算该螺栓联接所受的总拉力 F2 和 残余预紧 力 错误！链接无效。 。 在预紧力 F0
13、 不变的条件下，若保证被联接件不出现缝隙，该螺栓的最大轴向工作载荷Fmax为多少？ 解： 5 57 如图所示，一气缸盖与缸体凸缘采用普通螺栓联接。已知气缸中的压力 p 在 0 2MPa之间变化，气缸内径 D=500mm，螺栓分布直径 D0=650mm。 为保证气密性要求，残余预紧力 F 1=1.8 F， 螺栓间距 t 4.5 d (d 为螺栓的大径 )。螺栓材料的许用 拉伸应力 =120MPa，许用应力幅 a= 20MPa。选用铜皮石棉垫片，螺栓相对刚度 C b/（ C b+Cm） =0.8， 试 确定 螺栓 的数目和尺寸 。 解： 设取螺栓数目 Z=16 或 24 则单个螺栓所受的轴向工作载
14、荷 F 为： 单个螺栓所受的总拉力 F2 为： 所需的螺栓直径 d1： 查表 校核螺栓间距 t 题 5 57 图 2525D0DpNFCC CFFNFCC CFFmbmmbb5 0 01 0 0 0211 0 0 01 5 0 01 0 0 0211 0 0 00102残余预紧力 总拉力 NC CCFFFCC CFFFmmbmbm2 0 0 021 0 0 00:m a x0m a xm a x01被联接件不离缝时的N.ZDpFN.ZDpF171 6 3 5 424450014324252 4 5 3 11645001432422( 2 4 )22( 1 6 )N.F.FF.FFF N.F.F
15、F.FFF 674 5 7 9 1171 6 3 5 4828281 56 8 6 8 7252 4 5 3 18282811( 2 4 )2 12 ( 1 6 ) mm.F.dmm.F.ddF.1 3 8 5251 2 0674 5 7 9 13143147 8 8301 2 056 8 6 8 73143144312( 2 4 )12( 1 6 )1212mm.d.mm.ZDtmm.d.mm.ZDt1353054540485246501623654545625127166500( 2 4 )0( 1 6 )mm.mm.dM mm.mm.dM 3 8 51251122603 7 8 8307
16、063136 1 ( 2 4 )1 ( 1 6 ) 金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 5 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期校核应力幅 a： 确定螺栓的数目和尺寸 : 查表 5 58 如图 凸缘联轴器 （ GB/T5843 1986） 的型号为 YLD10， 允许传递的最大转矩T=630Nm， 两半联轴器采用 4个 M12的 铰 制孔用螺栓联接，螺栓规格为 M1260（ GB/T27 1988），螺栓的性能等级为 8.8 级，联轴器材料为 HT200,试校核其联接强度。 若改用普通螺栓联接，两半联轴器接合面间的摩擦系数 f =0.15， 防滑系数 Ks=1.2， 试计算螺栓
17、的直径，并确定其公称长度，写出螺栓标记。 解： s=640MPa 采用铰制孔用螺栓联接 铸铁的 B=200MPa 螺杆 d0=13mm 查表 5 10 钢： S=2.5 SP=1.25 =s/ S=640/2.5=256 MPa P=s /SP=640/1.25=512MPa 铸铁： SP=2.0 2.5 P= B/SP=200/2.0 2.5=100 80 MPa 单个螺栓所受的工作 剪力 F 为： 校核螺杆的剪切 强度 校核螺杆、 联轴器 的 挤压 强度 Lmin=38 22=16mm 改用普通螺栓联接 查表 5 10 按不控制预紧力， 设 d=16mm 取 S=4 =s /S=640/4
18、=160MPa 取 M20， d1=17.294mm14.165mm (或取第题 5 58 图 22 38 130 M P aM P a.d FCC CM P aM P a.d FCC Cambbaambba2013122 6 . 2 1 1 176 3 5 4120 . 82203183 1 . 6 7 0 176 3 5 4120 . 82221( 2 4 )221( 1 6 )或 或 mmlM mmlM 900324Z 901003616Z N.rTrFZi im a x 082 4 2 3101 3 04 6 3 02312 安全P0P 65111613 082 4 2 3 .Ld F
19、 m i n 安全 M P a.dF 2618134082 4 2 34 220 由强度条件：由承载条件：mm.F.ddFN.rfTKFZii1 6 5141 6 0621 9 3 8 431431441 . 3621 9 3 8 4101 3 0415026 3 0210121031S0金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 6 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期二系列 M18， d1=15.294mm14.165mm) 与假设基本相符，不必修改安全系数 S。 螺栓的长度 l22 2+m+S=44+18+5=67 取 l=7080mm 螺栓标记：螺栓 GB57882 86 M2
20、0 70(或 80) 5 59 如图所示 ， 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 Cb/ (Cb+Cm)=0.25， 接合面间摩擦系数f=0.15， Ks=1.2, 螺栓的性能等级为 8.8 级， 试确定螺栓的直径 及 预紧力 F0。 解： s=640MPa 查表 5 10， 按不控制预紧力， 设 d=16mm 取 S=4 =s /S=640/4=160MPa （ 按控制预紧力 取 S=1.21.5 =s/S=640/1.21.5=533.33426.67 MPa） 单个螺栓的 轴向工作载荷 F
21、在横向载荷 FR 作用下，支架不下滑 的条件 ： 单个 螺栓所受的总拉力 F2 确定螺栓的直径 取 M16， d1=13.835mm12.04mm 与假设相符。 （ 控制预紧力 时， 取 M8， d1=6.647mm6.593mm 或 M10， d1=8.376mm7.371mm） 5 60 如图所示 ， 方形盖板用四个螺钉与箱体联接，盖板中心 O 点的吊环受拉力题 5 59 图 RFQF 或 螺栓或 标记：螺栓， 取， 取， 若按控制预紧力，取8 0 )7 0 (M 1 2 86G B 5 8 8 28 0 )7 0 (M 1 0 86G B 5 8 8 28 . 6 7 41 0 610M
22、 1 27 5 8 673 7 68M 1 08 . 6 7 467 5 876 7 )4 2 633( 5 3 3621 9 3 8 4314314674 2 6335 3 351216 4 0S1 . 51 . 21101Smmmm.dmm.mmdmm.F.dM P a.NZFF Q 4 0 0 041 6 0 0 0 N.Zf FKFFKZfFRsRs100004150 50002111残余预紧力 NFFF 1 4 0 0 04 0 0 01 0 0 0 012 控制预紧力时 )7 . 3 7 16 . 5 9 3(04121 6 0 1 4 0 0 0314314 21 mmmm.F.
23、d NFFF 0 0 0314 0 0 00 . 2 5 )-(11 0 0 0 0)CC C-(1 mb b10 预紧力金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 7 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期F=10kN， 要求残余预紧力为工作拉力的 0.6 倍 ，螺钉的许用拉应力 =120MPa。 (1) 求 螺钉的总拉力 F2。 (2) 如因制造误差，吊环由 O 点移到 O 点 mmOO 25 ，求受力最大螺钉的总拉力 F2max及螺钉的直径 。 解： (1)螺钉的总拉力 F2 (2) 受力最大螺钉的总拉力 Fmax 因制造误差，吊环移位产生的力矩 在 M 作用下 ,左下角螺栓受加载
24、作用，受到的 载荷 ： 受力最大螺钉所受的工作载荷 Fmax 受力最大螺钉所受的总拉力 螺钉的直径 取 M10， d1=8.376mm7.792mm 5 61 如图所示 ， 有两块边板和一块承重板焊成的龙门起重机导轨托架。两块边板各用 4 个螺栓与立柱（工字钢）相联接，托架所承受的最 大载荷为 20000 N， 问： （ 1）此联接采用普通螺栓还是 铰 制孔用 螺栓为宜？ （ 2）若用 铰 制孔用螺栓， 已知螺栓材料为 45 号钢性能等级为 6.8 级， 试 确定螺栓的直径。 解： 每一边的载荷为 10000 N （ 1） 因载荷较大，若采用普通螺栓，则需要的预紧力很大， 螺栓的直径很大。所以
25、此联接采用铰制孔用螺栓为宜。 （ 2） s=480MPa 查表 5 10 钢： S=2.5 SP=1.25 =s/ S=480/2.5=192 MPa P=s /SP=480/1.25=384MPa 将力 F 向形心简化 题 5 61 图 F30150150 立柱 题 5 60 图 F200200 oo kN4410)160(12 .ZFFFN2 5 021 0 02 102502 3 rMF MN2 7 5 041 0 0 0 02 5 0 ZFFF Mm a xN4400275061)160( m a x2 .F.F m a x mm.F.d 7927120 4 4 0 0314314 2
26、 m a x1 NmM 2502510 金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 8 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期F=10000N T=FL =10000 300=3 106Nmm F 作用 在每个螺栓中心处的横向力为 FF T 作用 在每个螺栓中心处的横向力为 FT 由图可知，右边两个螺栓受力最大 按剪切强度计算直径， s=480MPa 查表 5 10 钢： S=2.5 SP=1.25 =s/ S=480/2.5=192 MPa P=s /SP=480/1.25=384MPa 取 M8 d0=9mm7.7335mm 按 挤压强度 计 算 只要 即满足强度要求。 5 62 铰
27、 制孔用螺栓组联接的三种方案如图所示。已知 L=300mm， a=60mm， 试求螺栓组联接的三种方案中，受力最大的螺栓所受的力 各 为多少？那个方案 较好 ？ N2 5 0 041 0 0 0 0F ZFFN.zrTrTrFzi im a xT 077 0 7 12754103 612 N.c o sFFFFF TFTFm a x 889 0 1 31 3 5222 FTTF maxFmaxF mm.Fd m a x 73347192 889013440 420dFm a x P0P m inm a xLdF mm.d FL m a xm i n 623 8 49 889 0 1 3P0 方
28、案二 FLa a 题 5 62 图 方案一 FLa a方案三 FLar1 2 3 123123aa金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 9 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期解： 将力 F 向形心简化： 横向载荷 F 旋转力矩 T=FL=300 F 方案一： 横向载荷 F 在每个螺栓中心处的横向力为 FF T 在每个螺栓中心处的横向力为 FT 如图示可知， 螺栓 3 受力最大 方案二： 横向载荷 F 在每个螺栓中心处的横向力为 FF T 在每个螺栓中心处的横向力为 FT 图示知 螺栓 1、 3 受力最大 方 案三： 横向载荷 F 在每个螺栓中心处的横向力为 FF T 在每个螺栓
29、中心处的横向力为 FT 螺栓 2 受力最大 由上述计算可知， 方 案三 螺栓 的 Fmax 较 小，所以该方案 较好。 5 63 如图所示 ， 支座用 4 个普通螺栓固定在基座上，结构尺寸如图示 ，静载荷 F=6KN， 接合面间摩擦系数 f=0.6， Ks=1.2, 螺栓的性能 等级为 6.8 级 ； 已知螺栓的相对刚度 Cb/ (Cb+Cm)=0.2。试计算此联接所需的螺栓直径和每个螺栓的预紧力。 解 :s=480MPa 查表 5 10 按不控制预紧力， 设 d=12mm 取 S=4.4 =s/S=480/4.4=109.09MPa 查表 5 7 设基座 为 混凝土 （或其他材料） P=MP
30、a 1、 螺栓受力分析 将 F 向接合面形心简化 横 向力 轴 向力 倾覆力矩 M= Fx l=5196.15 200=1039230Nmm 20030F100250O30O支座 3F FZFF 356033 0 0312321FFaTrTrFzi im a xT 、F.FaTrTrFzi im a xT 526023 0 021231 、 02TF3F FZFF 3F FZFF F.FFFFFF Tm a x 832617253F 1FFFTFTF23maxFmaxFF.FFFFF TFm a x 522253 2222 F F FTFTF1 2 3maxFF.FaTrTrFzi im a
31、xT 526023 0 021231 、02FF.c o sFFFFF TFTFm a x 9611 5 022 1FFFmaxFTFTFTF123N.c o sFF 15519623600030x Ns i nFF 300021600030y 金陵科技学院 机械 设计 作业集 - 10 - 班 级 成 绩姓 名 任课教师学 号 批改日期 单个螺栓 轴向 工作载荷分析 在 Fy 作用下： :在 M 作用下： 左侧的两个螺栓受的轴向力最大 2、 确定单个螺栓的预紧力 F0 按在 Fx作用 下 不滑移确定 F0 ，要求 ： 按 接合面 左侧 不离缝确定 F0 ，要求： Pmin0 按不压溃确定 F
32、0 ，要求： Pmax P 综合、预紧力取 F0=6370N 3、确定螺栓直径 螺栓的总 拉 力 取 M16 d1=13.835mm10.3876mm （或 M14 d1=11.835mm10.3876mm） 大于 假设 的直径， S 不必修 改 。 五 、 结构设计与分析 题 5 64 试指出下列图中的错误结构，并画出正确结构图。 (a) 螺钉联接 (b) 双头螺柱联接 (c) 铰制孔用螺栓联接 NZFF yFy 7 5 043 0 0 0 N.s i ns i nZ MrMrFzi im a xm a xM 392 9 3 9452502 1 0 3 9 2 3 045225012 N.F
33、FF m a xMFy 393 6 8 9392 9 3 9750m a x xs FKZfF 1xsFymb m FK)FCC CF(fZ 0N. .FCC CfZ FKF Fymb mxs 0 7 53 1 9 87 5 0. 2 )0-(1460 155 1 9 6210 WMAZFm inP 1 00 WM)FCC CF(AZ Fymb mN. .ZAWMFCC CF Fymb m 636 3 6 841 9 63 4 9 6 5 9 2 57 7 6 3 6481 0 3 9 2 3 07 5 00 . 2 )-(10 222 57 7 6 3 6)21 0 0()23 3 0( mm.A 343 1963 4 9 6 5 9 2)330100(-132330 mm.W PFymb mm a xP WMFCC CFAZWMAZF )-( 01 N. .FCC CZAWMZAF Fymb mP 755 3 0 5 87 5 00 . 2 )-(141 9 63 4 9 6 5 9 2 57 7 6 3 61 0 3 9 2 3 04 57 7 6 3 6030 N.FCC CFF m a xmb b 8 7 87 1 0 7393 6 8 9206 3 7 002 mm.F.d 387610314 21
