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1、第二篇 连 接,机械设计人员必须熟悉常用的连接方法及连接件的结构、类型、性能、适用场合,掌握它们的设计理论或选用方法。,连接对于机器的制造、安装、维修必不可少。,1.动连接,2.静连接, 可拆连接, 不可拆连接,提问:,有没有既是可拆连接又是不可拆连接的连接形式 ?,机械连接的分类:,如:各种运动副,-如: 螺纹、键、销连接等,-铆、焊、粘接等,(永久连接),-被连接的零件间可以有相对运动的连接,-被连接件之间不许产生相对运动的连接,(一)过盈连接的特点及应用,特点: 利用零件间的配合过盈来达到连接目的,过 盈 连 接 简 介,过盈连接 - 干涉配合连接或紧配合连接,(一)过盈连接的特点及应用
2、,特点: 利用零件间的配合过盈来达到连接目的,应用:主要用于轴与毂、轮圈与轮芯、滚动轴承与轴 或座孔的连接等。,曲轴过盈连接组件,过 盈 连 接 简 介,曲轴过盈连接组件,过 盈 连 接 简 介,(二)过盈连接的工作原理, 工作原理 轴与孔配合中,轴的实际尺寸大于孔,,轴的尺寸减去孔的尺寸-过盈量,当连接承受轴向力F或转矩T时,配合面上便产生摩擦阻力或摩擦阻力矩以抵抗和传递外载荷。,装配方法:,(二)过盈连接的工作原理,压入法,温差法,冷却被包容件(尺寸),加热包容件(尺寸),本篇重点掌握第五章和第六章,第五章 螺纹连接和螺旋传动,51 螺纹,52 螺纹连接的类型及标准连接件,53 螺纹连接的
3、预紧,55 螺纹连接的强度计算,57 螺纹连接件的材料及许用应力,58 提高螺纹连接强度的措施,54 螺纹连接的防松,56 螺栓组连接的设计,本章主要内容有: 螺纹连接的基本知识: 螺纹和螺纹连接件的类型、结构、特点,应用场合及选用原则,要特别注意普通螺栓连接与铰制孔用螺栓连接在传力、失效形式、结构及强度计算准则上的不同; 螺纹连接的强度计算,主要是紧螺栓连接的强度计算。要求掌握紧螺栓连接力与变形之间的关系、提高螺栓连接强度的措施; 螺纹连接的防松原理及防松装置; 螺栓组连接的受力分析、失效分析及强度计算方法; 本章的重点及难点: 受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连接强度计算,多种受力状态下螺栓
4、组连接的设计计算。,潘存云教授研制,外螺纹 内螺纹,(一)螺纹的类型和应用,5 -1 螺 纹,按螺纹的旋向分,右旋螺纹,左旋螺纹,请判断下列螺纹的旋向?,按螺旋线的数目分,单线螺纹 多线螺纹,双线螺纹,单线螺纹,连接螺纹,传动螺纹,潘存云教授研制,按螺纹作用分,连接螺纹 传动螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,-用于一般的连接和传动,-主要用于管道连接,按母体形状分,圆柱螺纹 圆锥螺纹,按螺纹的牙型分,按螺纹的牙型分,普通螺纹 管螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,用于传动,用于连接,常用螺纹的类型、特点和应用,见表 5 - 1,5 -1 螺 纹, 中径 d2, 小径 d1,(二)螺纹的主要参数,-在
5、标准中定为公称直径,-强度计算中常作为螺杆危险截面的 计算直径,三径, 导程(升距)S,(二)螺纹的主要参数,二距,n-螺纹的线数,单线螺纹: S = P,多线螺纹: S = nP, 牙型角 ,牙侧角 ,二角, 中径 d2, 小径 d1, 导程(升距)S,S = nP,(二)螺纹的主要参数(汇总), 牙型角 ,牙侧角 ,二角,三径,二距, 线数(头数)n -螺纹的螺旋线数目,单线螺纹 自锁性好 多用于连接;,多线螺纹 传动效率高 多用于传动。,为了便于制造,一般螺纹的线数 n4,复习:,螺旋副的自锁条件:,螺旋副的效率:,(二)螺纹的主要参数,自锁性能好,连接可靠,普通螺纹同一公称直径可以有多
6、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。,(一)基本常识,1. 螺纹连接-螺纹零件-可拆连接,2. 普通螺纹,5-2 螺纹连接的类型和标准连接件,缺点:不耐磨易滑扣。,应用:薄壁零件、受变载荷的连接和微调机构。, v,5-2 螺纹连接的类型及标准连接件,(二)螺纹连接的基本类型,1.螺栓连接,铰制孔用螺栓连接,孔与螺杆之间留有间隙,普通螺栓连接,受拉螺栓,受剪螺栓,1. 螺栓连接,3. 螺钉连接,2. 双头螺柱连接,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。,思考:这两种连接适用在什么场合?各有何特点?,双头螺柱是如何拧入、拧出的?,-不宜经常拆卸,-可经常拆
7、装,(二)螺纹连接的基本类型,5-2 螺纹连接的类型及标准连接件,潘存云教授研制,4. 紧定螺钉连接,1. 螺栓连接,2. 螺钉连接,3. 双头螺柱连接,5-2 螺纹连接的类型及标准连接件,(二)螺纹连接的基本类型,5-2 螺纹连接的类型及标准连接件,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,双头螺柱,螺栓,5-2 螺纹连接的类型及标准连接件,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,地脚螺栓,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,T 型螺栓,二、螺纹紧固件,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,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,潘存云教授
8、研制,其它螺母:,潘存云教授研制,其它螺母:,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,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。,专用螺纹连接,5-3 螺纹连接的预紧, 预紧力F0 :螺纹连接在承受工作载荷之前,预先受 到的作用力, 预紧的目的:增强连接的可靠性和紧密性,以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。, 预紧力的确定原则:,(一) 概述,A1 -危险截面积, A1 d21/4,测力矩扳手, 预紧力控制方法:,定力矩扳手,通常螺纹连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。,1)凭手感经验;,2)测力矩扳手;
9、,3)定力矩扳手;,4)测定伸长量。,5-3 螺纹连接的预紧,(二) 拧紧力矩T的计算,5-3 螺纹连接的预紧,装配时,F0的大小通过拧紧力矩T来控制。,拧紧力矩 T 愈大则预紧力 F0 也愈大,那么两者之间有何关系呢?,拧紧力矩:,标准扳手长度 L15 d, 设:拧紧力为F ,则 T = FL,若: F = 200N,则: F0 15000 N,若用这个预紧力拧M12以下的钢制螺栓,则很可能因过载而被拧断。,对于重要的连接,不宜采用 M12 的螺栓。,(一)防松的目的,思考:连接螺纹一般具有自锁性,为何还要防松?,(二)防松的方法,具体方法有三种:, 5-4 螺纹连接的防松 (自学),1、摩
10、擦防松:双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母,2、机械防松:开口销、止动垫片、串连钢丝,3、永久防松:焊、粘、冲,具体内容见表 5 - 3,防松的方法:,1. 利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,5-4 螺纹连接的防松,防松-防止螺旋副相对转动,开口销与六 角开槽螺母,串连钢丝,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,5-4 螺纹连接的防松,设计步骤:,5-5 螺栓组连接的设计,结构设计,对不重要的螺栓连接,可用类比法确定,不再进行强度校核。,(一)螺栓组连接的结构设计, 基本原则:, 设计目的:,确定接合面的几何形状和螺栓的布置形式,力
11、求各螺栓和接合面受力均匀、便于加工装配。,5-5 螺栓组连接的设计,2. 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,A) 对铰制孔用螺栓连接,不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓,以免载荷分布过于不均;,合理,不合理!,B) 当螺栓连接受弯矩或转矩作用时,应使螺栓的位置靠近接合面的边缘,以减少螺栓的受力。,3. 螺栓的排列应有合理的间距、边距,以保证扳手空间,C) 若同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时,应采用抗剪零 件来承受横向载荷。,键,套筒,销,对压力容器等紧密性要求较高的重要连接,螺栓的间距 t0 不大于表5-4所推荐的数值。,4. 为便于在圆周上钻孔时的分度和画线,分布在同一圆周上
12、的螺栓数目,应取成: 4、6、8 等偶数。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。,5. 避免螺栓承受附加的弯曲载荷,螺栓组的结构设计,还包括合理地选择螺栓组的防松装置。,(二) 螺栓组连接的受力分析, 目的: 求出受力最大的螺栓及其所受的力,以便进行螺栓连接的强度计算。, 假设: 1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同; 2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合; 3)受载后连接接合面仍保持为平面。,5-5 螺栓组连接的设计, 典型的螺栓组受载情况:,1受横向载荷的螺栓组连接,铰制孔用螺栓连接,普通螺栓连接,载荷的特点:,载荷作用线与螺栓轴线垂直,并通过螺栓组的对称中心。,(二
13、) 螺栓组连接的受力分析,1受横向载荷的螺栓组连接,A 若采用铰制孔用螺栓连接,每个螺栓所受工作剪力为:,工作原理: 依靠螺栓杆受剪切和受挤压来抵抗横向载荷F,1受横向载荷的螺栓组连接,B 若采用普通螺栓连接,工作原理: 靠连接预紧后在接合面上产生摩擦力来抵抗外载荷F,A 若采用铰制孔用螺栓连接,B 若采用普通螺栓连接,工作原理: 靠螺栓预紧后在接合面上产生摩擦力来抵抗外载荷F。,预紧后接合面间所产生的最大摩擦力横向载荷:,本题:i =2,预紧后接合面间所产生的最大摩擦力横向载荷:,进一步分析:,当 f = 0.2,KS =1.2 , Z=1,i =1 时,,F0 6F,1受横向载荷的螺栓组连
14、接,5-5 螺栓组连接的设计,2受转矩的螺栓组连接,在转矩T作用下,被连接件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,,1受横向载荷的螺栓组连接,(二) 螺栓组连接的受力分析,5-5 螺栓组连接的设计,2受转矩的螺栓组连接,潘存云教授研制,A. 采用普通螺栓,-靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,2受转矩的螺栓组连接,根据作用在底板上的力矩平衡条件:,2受转矩的螺栓组连接,B. 采用铰制孔用螺栓,-靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,各螺栓的剪切变形量与其轴线到对称中心O的距离成正比。,(亦螺栓离O越远,变形量越大,所受的工作剪力也越大),2受转矩的
15、螺栓组连接,B. 采用铰制孔用螺栓,是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,据作用在底板上的力矩平衡条件:,联立求解得:,受力最大螺栓所受的工作剪力,可见,距旋转中心O点最远的螺栓承受的工作剪力最大。,图示凸缘连轴器,是承受转矩的螺栓组连接的典型部件。,2受转矩的螺栓组连接,铰制孔用螺栓,注意:对承受转矩的螺栓组连接,若采用普通螺栓,则要确定的是:,预紧力F0,若采用铰制孔用螺栓,则要确定的是:,工作剪力Fmax,2受转矩的螺栓组连接,1受横向载荷的螺栓组连接,5-6 螺栓组连接的设计,(二) 螺栓组连接的受力分析,3受轴向载荷的螺栓组连接,轴向总载荷F 作用线与螺栓轴线平行,并通
16、过螺栓组的对称中心。,2受转矩的螺栓组连接,1受横向载荷的螺栓组连接,(二) 螺栓组连接的受力分析,载荷特点:,因螺栓均匀分布,则各个螺栓受载相同。,每个螺栓所受轴向工作载荷:,5-5 螺栓组连接的设计,总拉力:,此种载荷状态下,一般多用普通螺栓连接。,3受轴向载荷的螺栓组连接,注意:,各螺栓除承受轴向载荷F之外,还受有预紧力F0的作用,(二) 螺栓组连接的受力分析,4受倾覆力矩的螺栓组连接,p1( F1引起),载荷特点:倾覆力矩 M 作用在连接接合面的一个对称平面内。,p2( F1m引起),p ( F 0引起),4受倾覆力矩的螺栓组连接,为阻止底板翻转,作用在底板两侧的作用力,对0-0轴形成
17、一个力矩,这个力矩应与外加的M相平衡。,(即:左侧螺栓以及右侧支承面对0-0轴线的反力矩应与M相平衡),底板的平衡条件为:,根据螺栓的拉伸变形量与其轴线到00轴之距成正比:,受力最大的螺栓所受的工作拉力,显然,距OO轴线最左侧的两个螺栓受力最大。,?,受M作用的螺栓组连接,除要保证螺栓有足够的强度外,还需对接合面的情况进行验算。,为防止受压最小处出现间隙,要求 :,为防止受压最大处被压碎,要求:,-(5-20),-(5-21),5、对受力复杂的螺栓组连接, 将复杂受力状态分解成四种简单受力状态;,3受轴向载荷的螺栓组连接,2受转矩的螺栓组连接,1受横向载荷的螺栓组连接,(二) 螺栓组连接的受力
18、分析,4受倾覆力矩的螺栓组连接,作法:, 按各种简单受力状态单独计算;, 将螺栓受力向量迭加求出总的工作载荷。,示例1:,示例2:,T= Q a,示例3:,首先将P向0点简化,可以得到一个横向力和一个转矩。, 在P 作用下每个螺栓受到什么力作用?方向、大小如何?, 在T 作用下每个螺栓受到什么力作用?方向、大小如何?, 将P和T作用下螺栓所受的力进行合成,结果如何?,图示为铰制孔用螺栓组连接的两种方案,试分析哪个方案较好?,5、对受力复杂的螺栓组连接, 将复杂受力状态分解成四种简单受力状态;,作法:, 按各种状态单独计算;, 将螺栓受力向量迭加可求出总的工作载荷。,注意:,对普通螺栓:,对铰制
19、孔用螺栓:,按横向载荷或转矩,横、转,5-6 螺纹连接的强度计算,螺栓连接的主要失效形式:,受拉螺栓,受剪螺栓,螺栓连接的强度计算是针对螺栓组中受力最大的螺栓而进行的。,螺栓连接的强度计算,一是按强度条件去确定螺栓的直径;另外,也可对选定了直径的螺栓去校核其强度。,螺栓连接的强度计算:,5-6 螺纹连接的强度计算,潘存云教授研制,(一)松螺栓连接强度计算,强度条件:,式中: d1-螺纹小径 mm , 许用应力,(二)紧螺栓连接强度计算,设计公式:,装配时需拧紧螺母,静载荷、变载荷均可承受,在工程上应用最广。,1. 仅承受预紧力F0的紧螺栓连接,(二)紧螺栓连接强度计算,在拧紧力矩作用下,,螺栓
20、处于拉伸与扭转的复合应力状态下,由F0产生的拉应力:,1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接,由T1产生的扭转切应力:,代入M 10 M 64 的螺纹参数,得到: 0.5 ,计算应力:,对于紧螺栓连接,在计算时,可只按单纯拉伸强度计算,但需将所受拉力(预紧力)增大30%来考虑扭转的影响。,结论:,普通螺栓连接承受横向载荷或转矩时,螺栓仅受预紧力的作用,-受横向载荷(普),-受转矩的(普),强度条件:,1. 仅承受预紧力的紧螺栓连接,(二)紧螺栓连接强度计算,5-6 螺纹连接的强度计算,预紧力F0 :,若取 f =0.2, Ks=1.2, i =1, 则:,F0 6F, 结构尺寸大,靠摩擦力抵抗工作载荷
21、的紧螺栓连接,,b. 采用无间隙的铰制孔用螺栓。,这时,其连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算,而螺栓只是保证连接,不再承受工作载荷,因此预紧力不必很大。,5-6 螺纹连接的强度计算,2. 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,设流体压强为p,螺栓数目为Z,则缸盖上每个螺栓所受的轴向工作载荷为:,(二)紧螺栓连接强度计算,5-6 螺纹连接的强度计算,螺栓伸长量为: b,被连接件压缩量为:m,螺栓的伸长量:,被连接件的压缩量:,已承受工作载荷,被连接件压缩量减少为: m =m -,已承受工作载荷,总拉力: F2=F+F1,被连接件的压缩力减少为: F1,很显然: F1 F0 被连接件放松了,-
22、残余预紧力,螺栓和被连接件的受力与变形情况表:,显然,在承受F后 :,F2 = F1 + F F0 + F,为了保证连接的紧密性,防止连接受载后接合面出现缝隙,应使:F1 0,F1 的选取原则如下:,有密封性要求时: F1 =(1.51.8)F,螺栓所受的总拉力:,F2= F+ F1,设螺栓的刚度为Cb,被连接件的刚度为Cm则:,F- F,显见:F0 = F1 + (FF),b,m,b,m,F2,Ob,Om,由图中的几何关系可得:,见教材p84页。其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料以及垫片等因素有关。数值在01之间。,螺栓的相对刚度, F0 = F1 + (FF),在承受轴向工作拉力的螺栓
23、连接中,采用橡胶垫片和采用铁垫片哪一个对连接有利?为什么?,Question:,-(5-31),-(5-32),螺栓所受的总拉力:,-(5-29),-(5-32),承受轴向工作载荷的紧螺栓连接,其设计步骤如下:,强度条件式:,(校核式),或:,(设计式),承受F0和F共同作用的紧螺栓连接,其强度公式与仅承受F0作用时的公式形式相同,区别在于一个是F2,一个是F0。而F2的求法略微复杂。,结论:,对于受轴向变载荷的重要连接,除要作静强度计算外,还应对螺栓的疲劳强度作精确校核。,工作拉力F在 0F 之间变化,螺栓总拉力F2在 F0F2 之间变化,应力幅:,由图可见,无论工作载荷 F 如何变化,螺栓
24、的最小应力min是不变的,所以可按(3-24) 进行校核。,螺栓最大应力计算安全系数为:,式中的参数说明见教材 P75。,3、承受工作剪力的紧螺栓连接,杆与孔壁的挤压强度条件:,见式(5-39),螺栓杆的剪切强度条件:,剪切面数,见式(5-38),习题课(一),复习内容:,1、受力分析,(1)外载荷为横向载荷时,可以用( )或( ) 螺栓来进行连接。,普通,铰制孔用,螺栓预紧后在接合面上产生的摩擦力,求出螺栓所受的预紧力F0,螺杆受剪切和挤压,螺杆所受的工作剪力,前者靠( )来抵抗外载荷,,其受力分析的目的是( )。,后者靠( )来抵抗外载荷,,其受力分析的目的是求出( )。,对于普通螺栓:,
25、对铰制孔用螺栓:,(2)受扭矩作用的螺栓组连接, 其受力分析的结果与受横向载荷时相同,只是在求螺栓的受力大小时,所用的公式复杂些。,(3)受轴向载荷的螺栓连接,若螺栓不预紧,则每个螺栓所受的工作载荷 F 为:,若螺栓预紧,则每个螺栓所受的最大载荷(含预紧力和工作载荷)不等于:,(4)受翻转力矩的螺栓连接, 其受力分析的目的是求出在M作用下,哪个螺栓所受的工作载荷最大,进而求出螺栓中的总拉力F2,2、强度计算,强度计算是针对单个螺栓而言的,这个螺栓是螺栓组中受力最大的一个。,(1)松螺栓连接按纯拉伸强度计算,(2)紧螺栓连接要考虑拧紧力矩的影响,A)当螺栓仅承受F0作用时:,B)当螺栓承受F0后
26、又承受 轴向工作载荷时:,本 章 作 业,习题55补充以下内容: 若采用铰制孔用螺栓,许用剪应力=28MPa, 则螺栓的直径为多大?,习题: 55、56、 58、 59,58 提高螺栓连接强度的措施,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F2的变化范围,轴向工作载荷F的变化范围: 0 F,总拉伸载荷的F2变化范围:,Cb 或 Cm , F2变化范围F ,提高螺栓连接强度的措施有哪些呢?,以螺栓连接为例,螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度,因此,提高螺栓的强度,将大大提高连接系统的可靠性。,65%,20%,15%,调整螺旋,调整螺旋,应用: 机床的进
27、给机构、起重设备(千斤顶) 、锻压机械(压力机)、测量仪器(千分尺)、工具(老虎钳)、夹具、玩具、机器人及其他工业装备中。,二、滑动螺旋的结构和材料,滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。,1、结构,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,按螺纹的作用分,按母体形状分,矩形螺纹 普通螺纹 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,连接螺纹 传动螺纹,圆柱螺纹 圆锥螺纹,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),M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),梯形螺纹基本尺寸 mm,标记示例:Tr48X8 (梯形螺纹,直径48,螺距8),2受转矩的螺栓组连接,A. 采用普通螺栓,是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,B. 采用铰制孔用螺栓,是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,根据螺栓的变形协调条件:,各螺栓的剪切变形量与螺栓轴线到螺栓组对称中心的距离O成正比。,(亦螺栓离底板中心越远,变形量越大,所受的工作剪应力也越大),
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