第10章联接.ppt
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1、第10章 连 接,101 螺纹参数,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,103 机械制造常用螺纹,104 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件,105 螺纹联接的预紧和防松,106 螺纹联接的强度计算,107 螺栓的材料和许用应力,108 提高螺栓联接强度的措施,109 螺旋传动,1010 滚动螺旋简介,1011 键联接和花键联接,1012 销联接,第十章 连 接,在机械制造中,连接是指被连接件与连接件的组合。,被连接件有轴与轴上零件(齿轮、飞轮)、轮圈与轮心、箱体与箱盖、焊接零件中的钢板与型钢等。 连接件又称为紧固件,如螺栓、螺母、销、铆钉等。有些连接没有专门的紧固件,如过盈联接、焊接和粘接等。
2、,连接分可拆的和不可拆的。 可拆连接:允许多次装拆而无须损坏任何零件的连接(螺纹连接、键连接和销连接)。 不可拆连接:当拆开时必须至少要损坏连接中一个零件的连接(焊接、铆接、粘接)。,一、螺纹的形成,101 螺纹参数,螺旋线一动点在一圆柱体的表面上,一边绕轴线等速旋转,同时沿轴向作等速移动的轨迹。,螺纹一平面图形沿螺旋线运动,运动时保持该图形通过圆柱体的轴线,就得到螺纹。,螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,螺纹的牙型,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺
3、旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,设计:潘存云,设计:潘存云,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,一般: n 4,双线螺纹,单线螺纹,S = 2P,S =P,n线螺纹: S = n P,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹
4、,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,设计:潘存云,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,联接螺纹 传动螺纹,螺旋传动,联接螺纹,传动螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹 多线螺纹,外螺纹 内螺纹,联接螺纹 传动螺纹,圆柱螺纹 圆锥螺纹,圆柱螺纹,
5、圆锥螺纹,管螺纹,设计:潘存云,(3)中径d2 也是一个假想圆柱的直径,该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,(1)大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,(2) 小径 d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。,(4) 螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,(5) 导程S,(6) 螺纹升角 中径d2圆柱上,螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,(7)牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。,牙侧角 ,S = nP,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P,二、螺纹的主要几何参数,设
6、计:潘存云,tan =F/Fn,螺纹的拧松螺母在F和Fa的联合作用下,顺着Fa等速向下运动。,螺纹的拧紧螺母在F和Fa的联合作用下,逆着Fa等速向上运动。,一、矩形螺纹= 0,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,展开中径d2 圆柱面得一斜面.,螺旋副在轴向载荷Fa作用下相对运动,可看作在中径的水平力F推动滑块(重物)沿螺纹运动,F 水平推力,Fn 法向反力,Fa 轴向载荷,F=f Fn 摩擦力,f 摩擦系数,FR 总反力, =tan-1 f 摩擦角,=f Fn/Fn,=f,定角-由材料确定,设计:潘存云,设计:潘存云,FR,滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态,d2,作力多边形,得:
7、 F=Fatan(+ ),驱动力矩:,列出力平衡方程:,FRFa = +,FR =(1 + f ) Fn,Fa 阻力,F 驱动力,,当螺纹拧紧(滑块上升)时:,F 摩擦力, 沿斜面朝下。,设计:潘存云,设计:潘存云,当螺纹拧松(滑块下滑)时:,FRFa = -,滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态,作力多边形可得:,F=Fatan(- ),驱动力矩:,列出力平衡方程:,Fa 阻力,F 驱动力,,F 摩擦力, 沿斜面朝下。,若 ,则T为正值,其方向与螺 母运动方向相反,是阻力;,若 ,则T为负值,方向相反,其方向与预先假定的方向相反,而与螺母运动方向相同,成为放松螺母所需外加的驱动力矩。
8、,提问:当时,若没有力矩T,螺母在Fa的作用下会运动吗?,不会!,-这种现象称为自锁。,二、 非矩形螺纹 0,矩形螺纹忽略升角的影响时有:,Fn=Fa,当 0 时,摩擦力为:,摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为f 的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。,称 为当量摩擦角,故称 f 为当量摩擦系数。,引入参数f 和 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。,滑块上升:,滑块下降:,非矩形螺旋的自锁条件:, 对于联接螺纹必须满足自锁条件,设计:潘存云,定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比:,当一定时,效率只是螺纹升角的函数,由此可以绘出效率曲线.,当一定时,在=45-/2 处效率曲线
9、有极大值。,对于传动螺旋,一般取:,对于联接螺纹,必须取:,升角过大, 制造困难,且效率增高也不明显。,= 5.7, ,螺旋转动一圈时,有效功为FaS, 输入功为2T。,f =tan =0.1,25,103 机械制造常用螺纹,三角形螺纹,普通螺纹 = 60,管螺纹 = 55,普通螺纹以大径d为公称直径,同一公称直径可以有多种螺距,其中螺距最大的称为粗牙螺纹,其余的统称为细牙螺纹。,粗牙螺纹应用最广,细牙螺纹的优点:升角小、小径大、自锁性好、强度高,,缺点:不耐磨、易滑扣。,应用:薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹(圆柱管壁 = 55
10、),用螺纹密封管螺纹(圆锥管壁 = 55),60圆锥管螺纹,公称直径管子的公称通径。强调与普通螺纹不同,非螺纹密封的管螺纹,设计:潘存云,梯形螺纹:,为了减少摩擦和提高效率,这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时,梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙,应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高,但只适合单向传动。,锯齿形螺纹:,= 15,= 3,粗牙普通螺纹的基本尺寸见表10-1 后面有图,螺纹的基本尺寸:,细牙普通螺纹的基本尺寸见表10-2,梯形螺纹的基本尺寸见表10-3,表10-1 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm,标记示例: M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M2
11、4X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),设计:潘存云,表10-3 梯形螺纹基本尺寸 mm,标记示例:Tr48X8 (梯形螺纹,直径48,螺距8),设计:潘存云,设计:潘存云,一、 螺纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,可承受横向载荷。,螺纹余留长度l1,铰制孔螺栓,孔与螺杆之间留有间隙,静载荷l1=(0.30.5)d;,变载荷l1=0.75d;,冲击载荷或弯曲载荷l1 d;,铰制孔用螺栓l1 0;,螺纹伸出长度a=(0.20.3)d;,螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(36) mm,用于经常拆装易磨损之处。,104 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件,设计:潘存云,设计:潘存云,一、 螺
12、纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,螺钉联接,座端拧入深度H,当螺孔材料为:,双头螺柱联接 联接件厚,允许拆装。,104 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件,钢或青铜 H=d;,铸铁 H=(1.251.5)d,铝合金 H=(1.52.5)d,螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;,钻孔深度 H2=H1+(0.51)d;,参数l1 、e、a与螺栓相同,结构简单,省了螺母,不宜经常拆装,以免损坏螺孔而修复困难。,设计:潘存云,一、 螺纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,螺钉联接,双头螺柱联接,紧定螺钉联接,104 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件,二、螺纹紧固件(大都已标准化),螺栓,螺纹紧固件,螺
13、栓的结构形式,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有六十余种不同结构的螺母,其它螺母:,其它螺母:,垫圈,平垫圈,薄平垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,作用:增加支撑面积以减小压强,避免拧紧螺母擦伤表面、防松。,一、 拧紧力矩,一般螺纹连接在装配时都必须拧紧,这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接,应控制
14、其预紧力,因为预紧力的大小对螺纹联接的可靠性,强度和密封均有很大影响。,T1 克服螺纹副相对转动的阻力矩;,T2 克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩;,设轴向力为Fa 或预紧力(不受轴向载荷),fc 摩擦系数。 无润滑时取: fc =0.15,rf 支撑面摩擦半径。 rf =(dw+d0)/4,简化公式: 适用于M10M60的粗牙螺纹, f=0.15, fc=0.15,T 0.2 Fa d,预紧应力:,=(0.50.7) s,105 螺纹连接的预紧和防松,Fa是由联接要求决定的,为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠,应取:,通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的,重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。
15、,总力矩:,设计:潘存云,测力矩扳手,工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。,二、 螺纹连接的防松,连接用三角形螺纹都具有自锁性,在静载荷和工作温度变化不大时,不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下,预紧力可能在某一瞬时消失,连接仍有可能松动。高温下的螺栓联接,由于温度变形差异等,也可能发生松脱现象(如高压锅),因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。,防松的方法,1. 利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,定力矩扳手,设计:潘存云,开口销与六 角开槽螺母,串联钢丝,2. 采用专门防松元件防松,圆螺母用止动垫圈,潘存云教授研制,止动垫圈,3. 其他方法防松,涂粘合剂,106
16、 螺栓联接的强度计算,螺栓联接的主要失效形式:,螺栓杆拉断,螺纹压溃或剪断,滑扣 因经常拆装,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时,这些部分都不需要进行强度计算。所以,螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1,然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,一、松螺栓联接 装配时不须要拧紧,强度条件:,式中:d1 螺纹小径, mm,二、紧螺栓联接 装配时须要拧紧,在工作状态下可能还 需要补充拧紧。,螺栓受轴向拉力Fa和摩擦力矩T的双重作用。,拉应力:,力除以面积,切应力:,对于M10M68的普通螺纹,取d1、d2和的平均值, 并取: tan = f =0.15
17、,得: 0.5 ,当量应力:,强度条件:,分母为抗剪 截面系数,第四强度理论,设计:潘存云,设计:潘存云,1. 受横向工作载荷的螺栓强度,螺栓与孔之间有间隙,工作时预紧力Fa导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。,C 可靠性系数,常取C=1.11.3,预紧力Fa :,f 摩擦系数,对钢与铸铁,取: f =0.10.15,m 结合面数 上图m=1,下图m=2,若取 f =0.15, C=1.2, m=1, 则:,Fa 8F,结构尺寸大,设计:潘存云,设计:潘存云,设计:潘存云,改进措施: 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用,2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。,强度条件:,挤
18、压强度条件,剪切强度条件,取F和F/2的作用 长度两者的小值,设计:潘存云,设计:潘存云,2. 受轴向工作载荷的螺栓强度,设流体压强为p,螺栓数目为Z,则缸体周围每个螺栓的平均载荷为:,设计:潘存云,设计:潘存云,设计:潘存云,特别注意,轴向载荷:,Fa F0+FE,加预紧力后螺栓受拉伸长b0,被联接件受压缩短C0,加载 FE 后:,螺栓总伸长量增加为:,总拉力为:,被联接件压缩量减少为:,残余预紧力减少为: FR,很显然: FRF0 被联接件放松了, + b0,C0 - ,设计:潘存云,设计:潘存云,FE= Fb +Fc,=(kb +kc ) ,FR= F0- FE,= F0 - kc ,F
19、 a= F0 + Fb,= F0 + kb ,代入得:,107 螺栓的材料和许用应力,一般螺栓,Q215 Q235 10 35 45,重要螺栓,15Cr 40Cr 30Cr MnSi,低碳钢和中碳钢,合金钢,螺纹联接件材料,国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级,螺母的性能等级分为 7级。在一般用途的设计中,通常选用4.8级左右的螺栓,在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件,要选用高的性能等级,如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。,108 提高螺栓联接强度的措施,承受轴向变载荷时,螺栓的损坏形式:,疲劳断裂,容易断裂部位:,一、降低螺栓总拉伸载荷的Fa变化范围
20、,轴向工作载荷FE的变化范围: 0 FE,总拉伸载荷的Fa变化范围:,kb 或 kc , Fa变化范围,提高螺栓联接 强度的措施,螺母支承面,螺纹收尾处,螺栓头部,设计:潘存云,设计:潘存云,1. 采用柔性结构,2. 有密封要求时,采用金属薄垫片,3. 或者采用O形密封圈,宜采取措施:,因密封采用软垫片将降低被联接件的刚度,这时可采用,设计:潘存云,设计:潘存云,设计:潘存云,二、改善螺纹牙间的载荷分布,措施: 采用悬置(均载)螺母。,加厚螺母不能提高联接强度。,F=F1+F2+F3+F4+F5,F1F2F3F4F5,螺母体,假设螺母为刚体,则螺纹牙变形与普通螺木相同。但实际上螺母也是弹性体,
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