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1、第5章 螺纹联接及螺旋传动,5.1 螺纹,5.2 螺纹联接的基本类型和标准联接件,5.3 螺纹联接的预紧防松,5.6 螺纹组联接的设计,5.4 单个螺纹联接的强度计算,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.5 螺纹联接件的材料及许用应力,5.8 螺旋传动,结束放映,第5章 螺纹联接及螺旋传动, 螺纹的形成展开为三角形, 螺纹的主要参数,大径d( D )(公称直径) 小径d1 (D1)(计算直径) 中径d2(D2) 螺距P 线数n 导程s(s=nP) 螺纹升角 牙型角,p,5.1 螺 纹,螺纹的类型,三角形螺纹 (用于联接) 矩形螺纹 梯形螺纹 (用于传动) 锯齿形螺纹,普通螺纹 管螺纹,粗牙 细
2、牙,圆柱管螺纹 圆锥管螺纹,轴线垂直放置,螺旋线向左上升左旋 螺旋线向右上升右旋,左旋 右旋,按线数分,单线 双(多)线,按牙形分,按旋向分,问题:常用螺栓的螺纹是?,单线、粗牙、右旋的普通螺纹,右旋,左旋,右旋,机械制造中常用螺纹种类及标准,螺纹联接的主要类型与结构,普通螺栓联接(受拉螺栓联接),铰制孔用螺栓联接(受剪螺栓联接),双头螺柱联接,螺钉联接,紧定螺钉联接,0,5.2 螺纹联接的基本类型和标准联接件,5.3.1 螺纹联接的预紧,拧紧力矩:,式中: M1螺纹副摩擦阻力矩; M2螺母与支承面间的摩擦力矩;,对于重要的螺纹联接必须控制其预紧力,为什么?,对于M10M64的钢制粗牙普通螺纹
3、,将其有关参数的统计平均值代入公式,而一般标准扳手的长度为 L15d ,Kt=0.2;,则:,若:F=200N,则:F=,15000N,拧紧的目的?,增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。,F,(5-4),(5-5),5.3 螺纹联接的预紧和防松,预紧力的控制 推荐:,螺栓材料的屈服极限,控制预紧力的方法,5.3.2 螺纹联接的防松,防止螺旋副相对转动,摩擦防松,机械防松,粘合 冲点,弹簧垫圈 对顶螺母,开口销 止动垫圈,破坏螺纹副的运动关系防松,螺纹联接件一般采用:,问:能否自锁?,显然能,但为什么还要防松?,能保证自锁的条件是:静载荷和工作温度变化不大的场合。 在冲击、振动或变载荷作用下,螺
4、纹副间的摩擦力可能在瞬间减小或消失。 这种现象多次重复后,会使联接松脱。,单线粗牙的普通螺纹: 螺纹升角=14232 螺旋副的当量摩擦角 =6.510.5,摩擦防松,摩擦防松,机械防松,机械防松,破坏螺纹副的运动关系防松,5.4 单个螺栓联接的强度计算,强度计算的目的:,确定或验算螺栓危险截面的尺寸(直径),其它部分的尺寸以及螺母、垫圈的尺寸,是根据等强度条件确定的,通常不需进行强度计算。,受拉螺栓,受剪螺栓,工作时,螺栓受纯拉伸,工作载荷为 F(N)。, 校核式, 设计计算式,1. 松螺栓联接的强度计算,特点:,装配时,螺母不拧紧;,强度计算:,放映,5.4.1 普通螺栓联接的强度计算,1)
5、只受预紧力的紧螺栓联接 普通螺栓联接(受拉螺栓联接),2.紧螺栓联接的强度计算,特点:装配时,螺母需拧紧,螺栓受预紧力(预加锁紧力)F和螺纹阻力矩M1的作用。,特点:所加载荷为横向工作载荷FS (载荷方向螺栓轴线),加载后,螺栓受力不发生变化,而靠预紧力产生的摩擦力抵抗外载荷。,强度计算:要考虑到螺栓杆同时受拉应力和扭转剪应力的作用。,螺栓是塑性材料,应按第四强度理论求拉扭合成当量应力:,系数 1.3的含义是 对于普通螺栓联接的标准螺栓来说,虽然同时受拉应力和扭转剪应力作用,但计算时可作为纯拉伸的情况处理,即只需将拉伸载荷加大30%以考虑扭转剪应力的影响。, 校核式, 设计式, 0.5 ,因此
6、,计算应力为:,其中:,简化处理如下:对于M10M64的钢制普通螺栓 、 d2 /d1取统计平均值、 =arctan0.17,典型实例:压力容器缸盖上的螺栓联接,2)承受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联接,特点:装配时,螺母需拧紧,螺栓受F和T1作用; 加载后, 螺栓总拉力:,F0 = F+F,?,工作拉力F:,F0F+F,受力变形分析:,螺栓,被联接件,无力无变形,无力无变形,受力F变形1,受力F变形2,变形1 受力F+F”,变形2 受力 F”,因此,工作状态下螺栓所受总拉力为:,2,1,受力变形关系图 (图5-11),受力变形关系图 (图5-11),若C1和C2 分别表示螺栓与被联接件的刚度
7、,则由图可得:,F0 = F+ F,F0 =F F,称为螺栓的相对刚度系数,与螺栓和被联接件的材料、结构等有关。当螺栓与被联接件均为钢制时,一般仅决定于垫片的材料:金属垫片=0.20.3;皮革垫片=0.7;铜皮垫片=0.8;橡胶垫片=0.9。,有紧密性要求的联接,取 F” =( 1.51.8 ) F 对不太重要的联接:若外载荷稳定,取F”=(0.20.6)F 若外载荷有变动,取F”=(0.61.0)F 对地脚螺栓,取 F” F,设计与计算,联接不出现缝隙,应满足 F” 0,螺栓的强度条件:, 校核式, 设计计算式,受轴向变载荷的紧螺栓联接,当螺栓的轴向工作载荷为F1时,则螺栓的总拉力为F01
8、,,受轴向变载荷的紧螺栓联接,当螺栓的轴向工作载荷为F2时,则螺栓的总拉力为F02 .,受轴向变载荷的紧螺栓联接,当螺栓的轴向工作载荷:在F1F2之间变化时, 螺栓的总拉力:在F01F02之间变化。,螺栓的疲劳强度条件:,螺栓的拉力变幅:,5.4.2 铰制孔用螺栓联接的强度计算,特点: 孔和杆之间无间隙,多用配合尺寸,能精确定位,但加工精度要求高。 加横向载荷F后,靠挤压和剪切承担载荷。 主要失效形式为:压溃、剪断。,强度计算: 挤压强度条件: 剪切强度条件:,Fs,Fs,Fs,Fs,5.5 螺纹联接件的材料及许用应力,一般:Q235、Q275、35钢、45钢 特殊用途:15Cr、40Cr,螺
9、栓的材料:,5.5.1 螺纹联接件的材料及性能等级,5.5 螺纹联接件的材料及许用应力,5.5.1 螺纹联接件的材料及性能等级,5.5 螺纹联接件的材料及许用应力,5.5.2 螺纹联接件的许用应力,5.5 螺纹联接件的材料及许用应力,5.5.2 螺纹联接件的许用应力,大多数机械中螺栓(或螺钉、螺柱)都是成组使用的;螺栓组联接设计的-般顺序是: 1) 先进行结构设计,即确定接合面的形状、螺栓数目及其布置方式; 2)按螺栓组所受载荷进行受力分析和计算,找出受力最大的螺栓,求出其所受力的大小和方向; 3)按单个螺栓进行强度计算,确定螺栓尺寸;采用同一标准尺寸;设计时通常先估计d 查许用应力 设计计算
10、求出 d1取d判断是否与假设接近,否则须重新设d查许用应力再进行计算,直至符合所设的d。 4)最后选用联接附件和防松装置。,5.6 螺栓组联接的设计,力求对称布置,使螺栓组的形心与联接接合面的形心重合,以使接合面受力均匀。,(2)分布在同一圆周上的螺栓数应为、等易于分度的数目,以利划线钻孔。,5.6 螺栓组联接的设计,5.6.1 螺栓组的结构设计,接合面的形状力求简单。,例如:受横向力的螺栓组联接,采用铰制孔用螺栓联接时,沿受力方向布置的螺栓个数不宜超过68个以免各螺栓受力严重不均。,(3)尽量使螺栓受力合理、均匀,并尽量减小螺栓的受力,如受力矩作用的螺栓组,螺栓应尽量远离对称轴。,5.6.1
11、 螺栓组的结构设计,5.6 螺栓组联接的设计,(4)螺栓排列应有合理的边距、间距,以保证装拆时的扳手空间,5.6 螺栓组联接的设计,1螺栓组受力分析的目的,2 受力分析中的几个假设条件,3 . 螺栓组受力分析,2)受旋转矩T,3)受轴向载荷F,1)受横向载荷F,4)受翻转力距M,)螺栓组中各螺栓的材料、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; )假定底板为刚体,受载后联接接合面仍旧保持为平面。,主要是要找出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受力的大小,为螺栓联接的强度计算提供依据。,5.6.2 螺栓组联接的受力分析,1、受横向载荷F的螺栓组联接,1)采用普通螺栓联接,假
12、设螺栓组中的每个螺栓的预紧力F都相同,并且由此而引起的摩擦力均集中作用在螺栓的中心处。则由接合面不滑移条件,有,z,F,m,K,2)采用铰制孔用螺栓联接,于是,有,假设载荷在每个螺栓上都是均匀分配的,则:,K可靠系数,K=1.11.3,接合面数,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,图5-14,2.受旋转力矩T 的螺栓组联接,1)采用普通螺栓联接,仍旧假设每个螺栓的预紧力均相同,并且由此而引起的摩擦力均集中作用在螺栓的中心处,各摩擦力垂直于各自的向径。则由接合面不滑移条件,有,T,K,由此可得,(5-28),在T 的作用下,底板有绕螺栓组对称中心O旋转的趋势。,2.受旋转力矩
13、T 的螺栓组联接,2)采用铰制孔用螺栓联接,解此静不定方程要点: 假定底板为刚体,受载后接合面仍保持为平面,即变形全由螺栓承担。 螺栓组受后,刚性底座协调了各螺栓的变形量i,即,由力的平衡:,于是有:,即:,假定各螺栓的材料、直径、长度均相同, 它们的剪切刚度也相同,剪切刚度,2.受旋转力矩T 的螺栓组联接,2)采用铰制孔用螺栓联接,螺栓的受力大小Fsi与其到回转中心的距离ri成正比,即,由力的平衡:,于是得,(5-31),即:,3、承受轴向载荷F的螺栓组联接,假设载荷在每个螺栓上均匀分配,则工作拉力F:,需注意: 螺栓个数参考螺栓间距t0确定。 分布在同一圆周上的螺栓的数目,应取成4、6、8
14、等偶数,以便于在圆周上钻孔时分度和画线。,F,表5-10,4、承受翻转力距M 的螺栓组联接,为了阻止翻转,底板上作用有Fi阻力矩以对抗M ; o-o轴线的左侧阻力矩由螺栓引起;o-o轴线的右侧由地基引起;由力的平衡条件可得:,解此静不定方程要点: 假定底板为刚体,受载后接合面仍保持为平面,即变形由螺栓和基座承担。 螺栓组受M 后,刚性底座协调了各螺栓的变形量,即每个螺栓的变形量是与其到对称轴的距离称正比。同理可知:变形愈大,受力也愈大。,螺栓先拧紧,拧紧后螺栓受预紧力(产生拉伸变形),基座被压缩(产生压缩变形),在M 作用下,o-o轴线左侧的螺栓承受工作拉力(螺栓被进一步拉伸), o-o轴线右
15、侧的基座承受工作压力(螺栓被放松,预紧力减小),4、承受翻转力距M 的螺栓组联接,于是: 受力最大的螺栓所承受的载荷为:,接合面受压一侧不被压溃的条件,接合面受拉一侧不出缝隙的条件,螺栓的受力大小Fi与其到对称轴线的距离Li成正比,即,(5-33),(5-34),(5-35),几点分析结论, 实际应用中,螺栓组所受的工作载荷常常是以上四种简单受力状态的不同组合,都可利用静力分析方法将复杂的受力状态简化为上述四种简单受力状态;, 一般情况下,对于普通螺栓可按轴向载荷与弯矩确定螺栓的工作拉力;按横向载荷与扭矩确定螺栓的预紧力;尔后确定螺栓的总拉力。, 铰制孔用螺栓应根据横向载荷和转矩确定螺栓的工作
16、剪力。, 不管螺栓组的载荷状态如何复杂,就螺栓组中单个螺栓而言,其受力只有两种情况:轴向力;横向力。,例题1,采用铰制孔用螺栓联接。 1.先将力向螺栓组形心平移,例题1,平移后,如下图:,例题1,例题1,(5-31),例题1,例5-3:设计图示的支架底板螺栓组联接。支架材料为HT200,立柱为钢,外载荷F=2000N。,M1,例5-3:设计图示的支架底板螺栓组联接。支架材料为HT200,立柱为钢,外载荷F=2000N。,M2,例5-3:设计图示的支架底板螺栓组联接。支架材料为HT200,立柱为钢,外载荷F=2000N。,M,轴向载荷 FH 轴向工作拉力F1 横向载荷 FV 底板不滑移条件F 翻
17、转力矩 M 轴向工作拉力Fmax,5.7.1 减小螺栓的应力幅,降低螺栓的刚度,提高被联接件的刚度,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.7.1 减小螺栓的应力幅,降低螺栓的刚度(预紧力不变),提高被联接件的刚度(预紧力不变),具体措施:使用空心螺栓;减小螺栓直径;在螺母下面假装弹性元件可达相同效果,具体措施:合理设计联接的结构;避免在被联接件接合面上使用刚性小的垫片;在被联接件接合面间加装刚性大的垫片,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.7.2 改善螺纹牙上载荷分布不均现象,载荷分配不均现象及其产生的原因,改善措施,悬挂螺母;环槽螺母;内斜螺母;组合螺母(环槽与
18、内斜组合等)。,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.7.3 减小应力集中:,应力集中主要发生在螺栓的截面尺寸变化的部位。 采取的措施: 加工退刀槽和卸载槽; 增大过渡圆角; 采取碾压、喷丸等强化措施。,凸台,鱼眼坑,5.7.4 避免螺栓承受附加的弯曲应力,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.7 提高螺纹联接强度的措施,5.7.5 采用合理的制造工艺,采用的工艺方法有: 1)冷镦螺栓头部; 2)滚压螺纹等。,图5-28 冷镦、滚压加工的金属流线,组成:螺旋传动是由螺杆与螺母构成的,功用:将回转运动转变为直线运动,运动形式,5.8 螺旋传动,5.8.1 螺旋传动的类型和应用,螺旋传动的类型与特点,
19、按照螺纹副的摩擦性质分类,滑动螺旋传动,滚动螺旋传动,静压螺旋传动,按照螺旋传动的用途分类,传力螺旋,传导螺旋,调整螺旋,优点:结构简单、制造方便、传动平稳、噪声小,可获得很大的减速比,从而能够承受较大的轴向载荷,并可实现自锁。 缺点:磨损大、效率低。,优点:摩擦损失比滑动螺旋小,故而效率高; 缺点:滚动体需要返回通道,体积大,制造成本高。,优点:传动摩擦损失和磨损都很小,效率很高; 缺点:需要有一套油路装置,结构复杂。,主要用来传递动力的螺旋传动.,主要用来传递运动的螺旋传动.,主要用于调整、固定零件位置的螺旋传动.,螺旋面间注入静压油,为液体摩擦状态。,螺旋面间装有滚动体的螺旋传动,为滚动摩擦状态.,螺杆与螺母直接接触,彼此间为滑动摩擦状态.,返回通道,滚动螺旋传动的特点,滑动螺旋传动常用螺纹种类及其特点,滑动螺旋传动常用螺纹种类,梯形螺纹,牙形为矩形,无通用标准。其特点为:当量摩擦系数小,效率高,但加工较难,牙根强度较弱,磨损后间隙不能调整。,牙形为梯形,已经标准化。特点是当量摩擦系数较矩形螺纹高,效率低。但加工容易、牙根强度高、对中性好、间隙可以调整。,牙形为非等腰梯形,效率与矩形螺纹相近,有梯形螺纹的牙根强度高、对中性好;但只适用于单向载荷。,
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