2011春第五章螺纹连接和螺旋传动.ppt
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1、第5章 螺纹连接 Screw joints,5-1 螺纹连接的基本知识 5-2 螺纹联接的预紧与防松 5-3 单个螺栓联接的强度计算 5-4 螺栓组联接的强度计算 5-5 螺纹连接件的材料和许用应力 5-6 提高螺纹连接强度的措施 5-7 螺旋传动,内容提要,教学目标与教学重点,1) 螺纹连接的基本类型及之间的区别; 2) 防松的必要性、基本原理和具体措施。 3) 既受预紧力又受工作载荷的受拉紧螺栓连接强度计算。 4) 螺栓组连接的设计。,1)熟悉螺纹连接的基本类型及其之间的区别; 2)了解螺纹连接拧紧的目的拧紧力矩的计算方法; 3)掌握螺纹连接防松的必要性以及防松的基本原理和措施; 4) 掌
2、握受剪螺栓连接强度计算方法; 5) 掌握受拉螺栓连接强度计算方法。 6) 掌握螺栓组受力分析的方法; 7) 掌握提高螺栓连接强度的几项措施。,教学目标,教学重点,5-1 螺纹连接的基本知识,连接类型 螺纹的类型和主要参数 螺纹连接的类型和应用,联接分类,一、连接类型 Types of the joints,Joints,Separable joints,Permanent joints,Screw joints,Key, spline and pin joints,Shaped joints,Interference fit joints,Riveted joints,Welded joint
3、s,Adhesive joints,Elastic ring joints,Shafthub joints,一、螺纹形成,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。,1 螺纹连接的基本知识,牙型角,三角形,梯形,锯齿形,加工方法:车制内外螺纹; 直径小用碾压法;内螺纹先用钻头钻出光孔,然后丝锥攻螺纹,螺纹,螺纹分类,螺纹有外螺纹与内螺纹之分,它们共同组成螺旋副。,螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。,螺纹的分类,1 按照螺纹的旋向 按螺旋线的旋向:左旋螺纹、右旋螺纹; 常用右
4、旋螺纹。,右旋,左旋,右旋,轴线垂直放置,螺旋线向左上升左旋 螺旋线向右上升右旋,2 按螺旋线的数目: (1)单线螺纹、 (2)等距排列的多线螺纹。 单线螺纹自锁性能好;多线螺纹传递效率高。,螺纹的分类,单线 双线 三线,3 按螺纹的牙齿形状,三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、 锯齿形螺纹和管螺纹,螺纹的分类,螺纹 加工,东华大学专用 作者: 孙志宏,潘存云教授研制,潘存云教授研制,螺纹的牙型,常用螺纹的 特点和应用,特点:螺纹的牙型角 =2=60,螺纹牙根部的强度较高,当量摩擦角 大,自锁性能好,用于联接。 按螺距的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹。,1、三角形螺纹(代号:M GB 192-81),
5、细牙螺纹与粗牙螺纹的比较,粗牙:常用连接牙形 细牙:用于薄壁零件的连接、受动载荷零件的连接及微调装置的调节螺纹 优点:升角小,小径大,自锁性能更好,强度高 缺点:牙小,相同载荷下磨损快,易脱扣。,细牙,细牙,粗牙,特点: =0,其传动效率高, 多用于传动。但对中性差, 牙根强度低,螺纹牙磨损 后间隙难以补偿。使传动 精度降低,故已被梯形螺 纹所代替。,2、矩形螺纹,3 梯形螺纹(代号:T GB 192-81),特点: =2=30。比矩形螺纹效率略低,但工艺性好、牙根强度高、对中性好。在螺旋传动中有广泛应用,4 、锯齿形螺纹(代号:S JB 923-66),特点:工作边牙侧角 = 3,非工作边牙
6、侧角 = 30 它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动。,联接螺纹:一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。,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,连接螺纹 传动螺纹,螺旋传动,螺纹联接基本参数,(1)大径d (外径):与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,螺纹的最大直径,标准中定为公称直径。,(2)小径d1(内径): 与外螺纹牙底(或内螺纹牙项)相重合的假想圆
7、柱体的直径。,螺纹的最小直径,在强度计算中作为螺栓危险剖面的计算直径。,(3)中径d2:假想圆,该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,确定螺纹几何参数和配合性质的直径。几何计算用。 一般取:d2=(d+d1)/2,(4)线数n :螺纹的螺旋线数目。n=1时用于联接;n1时用于传动;n,但为便于制造n4 (5)螺距p :相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。 (6)导程s :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离。 s = np,(7)螺纹升角 :中圆柱上,螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。,(8)牙型角 :轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。,双线螺纹的螺距和导程,
8、螺纹的精度等级:,A级,B级,C级,公差小,精度最高,用于配合精确,防振动等场合,受载较大且经常拆卸,调整或承受变载荷的连接,用于一般连接,最常用,螺纹紧固件按机械性能分为十级: 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9,点前数字为 ,点后数字为,例如3.6 表示抗拉强度 屈服极限,根据螺栓、螺柱和螺钉的材料: 3.6低碳钢 4.66.8低碳钢或中碳钢 8.8、9.8中碳钢或低碳合金钢 10.9中碳钢、低碳或中碳合金钢 12.9合金钢,螺母 性能等级: m0.8D 4 5 6 8 9 10 12,螺纹联接的材料和精度,螺纹联接的基本类型和标准螺纹联接件
9、,螺纹链接的类型,1螺栓联接 (1)普通螺栓联接(受拉) (2)铰制孔螺栓联接(受剪) 2 双头螺柱联接 3螺钉联接 4紧定螺钉联接,螺栓联接:用于被联接件不太厚、装拆方便的场合。,普通螺栓联接 (受拉螺栓联接) 螺栓和孔壁有间隙孔的加工精度低 铰制孔螺栓联接(受剪螺栓联接) 螺杆与孔用过渡配合,承受轴向载荷孔需精制。螺栓受剪切、挤压;用于横向载荷大的连接 可起定位作用,1、螺栓联接,铰制孔用螺栓,孔与螺杆之间留有间隙,普通螺栓联接,双头螺柱联接: 螺杆两端无钉头,但均有螺纹,装配时一端旋入被联接件,另一端配以螺母。适于被联接件之一较厚、不便加工通孔,但需经常拆卸的场合或用螺钉无法安装。 折装
10、时只需拆螺母,而不将双头螺栓从被联接件中拧出。,2、双头螺柱联接,拧入深度: 铜或青铜:H=d 铸 铁:H=1.251.5d 铝 合 金: H=1. 52.5d,螺钉联接:多用于受力不太大,被联接件不宜做成通孔,又不需要经常拆装的场合。,3、螺钉联接,拧入深度: 铜或青铜:H=d 铸 铁:H=1.251.5d 铝 合 金: H=1. 52.5d,紧定螺钉联接 旋入被联接件的螺纹孔中,顶住另一被联接件的表面或凹坑。 固定两个零件或传递不大的力矩。,4 、紧定螺钉联接,潘存云教授研制,紧定螺钉连接,其它:地脚螺栓 吊环螺栓 T形槽螺栓,双头螺柱联接,螺栓联接 比例画法,螺钉画法,画法改错,螺钉错误
11、画法,标准螺纹联接件,标准螺纹联接件-双头螺柱,A型-有退刀槽 B型-没有退刀槽 两端螺纹可相同或不同,螺柱可带退刀槽或制成腰杆,也可制成全螺纹。,双头螺柱,标准螺纹联接件-螺钉,螺钉,头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等形式。,标准螺纹联接件-紧定螺钉,紧定螺钉,锥端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合;平端接触面积大,不伤零件表面,常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合;圆柱端压入轴上的凹坑中,适用于坚定空心轴上的零件位置。,标准螺纹联接件,自攻螺钉,头部形状有圆头、平头、半沉头及沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等形式。末端
12、形状有锥端和平端两种。,标准螺纹联接件,六角螺母,根据厚度分为标准螺母和薄型螺母两种。制造精度分为A、B、C三级,分别与相同级别的螺柱配合使用。,标准螺纹联接件,圆螺母与止动垫圈,圆螺母常与止动垫圈配用,装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内,而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内,螺母即被锁紧。,二、标准螺纹联接件,垫圈,斜垫圈只用于倾斜的支承面上。,螺纹联接的 预紧和防松,三、螺纹联接的预紧和防松 螺栓连接按装配时是否预先拧紧(预紧),可分为松螺栓联接和紧螺栓联接。松螺栓联接装配时不拧紧,螺栓只有在承受工作载荷时才受到力的作用; 绝大多数螺纹连接在安装时都必须拧紧,称为预紧。其目的是为了增强连接的刚性,增
13、加紧密性和提高防松能力。对于受轴向拉力的螺栓连接,还可以提高螺栓的疲劳强度;对于受横向载荷的普通螺栓连接,有利于增大连接中接合面间的摩擦力。 紧螺栓联接在承受工作载荷之前就受到了拧紧力的作用,称其为预紧力。,三、螺纹联接的预紧和防松,1螺纹联接的预紧 拧紧的目的,1.提高联接的紧密性 2.防止联接松动 3.提高联接件强度,预紧力的控制:,测力矩扳手,定力矩扳手,测力矩扳手,螺纹联接的预紧,定力矩扳手,螺旋副的拧紧力矩,注意:对于重要的联接,应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,预紧力和预紧力矩之间的关系:,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
14、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:,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,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。,一 、利用摩擦防松 (保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩),1 、对顶螺母,在螺母和螺栓之间形成内力,保证摩擦力。 结构简单、使用方便 可靠性不高 用于平稳、低速、重载,2 、弹簧垫圈,弹力保持一定压力 切口尖端逆向,3 、锁紧螺母,镶嵌弹性环
15、或尼龙圈挤入螺纹中 椭圆口螺母,2、机械防松,开口销与开槽六角螺母,止动垫圈,串联钢丝,(在联接中加入其它机械元件) 开口销、止动垫圈,串联铁丝等。 适用于冲击振动载荷,重要场合使用,成本高。,机械防松,止动垫片防松,机械防松,止动垫片防松,机械防松,串联钢丝防松,机械防松,焊接 铆冲,不可拆卸防松,3、永久防松,粘、铆、焊等。,东华大学专用 作者: 孙志宏,永久防松,涂粘合剂,四、螺纹副的受力分析、效率和自锁,四、螺纹副的受力分析、效率和自锁,拧紧螺母时,可看作推动重物沿螺纹表面运动。将螺纹沿中径处展开,滑块代表螺母,螺母和螺杆间的运动可视为滑块在斜面上运动。,根据力的平衡条件可得: 旋紧螺
16、母时作用在螺纹中径上的水平推力(圆周力):,转动螺纹需要的转矩为:,若 ,说明此时无论轴向载荷有多大,滑块(即螺母)都不能沿斜面运动,这种现象称为自锁,滑块沿斜面等速下降时,摩擦力向上,螺旋副的效率,若为三角螺纹,则F=(f/cos)Q,为当量摩擦角, 为实际摩擦系数, 为螺旋副所受的轴向力。,1.当f相同,三角形螺纹升角 小、当量摩擦系数 大,自锁性 好,主要用于联接;螺纹牙型角度多为60,55度三角形 2.要提高传动效率,应适当提高 降低,拧紧螺母时的受力分析,当螺母旋转一周时,输入功为:,升举重物所作的输出功(有效功)为:,摩擦角反映了接触表面的摩擦系数,与载荷无关。,螺旋副的效率(Ef
17、ficiency),由上式可知:当摩擦角一定时,效率只是升角的函数。,螺旋副的效率图,旋松螺母时的受力分析,螺旋副的自锁(Self-locking),当y=r时,F=0 即去掉支持力F ,滑块仍能保持平衡。 当yr时,F0 即要使滑块沿斜面等速下滑,必须加一反方向的水平推力F。否则,无论Q有多大,滑块也不会自行下滑。 这种现象称为螺旋副的自锁。 螺旋副的自锁条件为: yr,2)非矩形螺旋副的受力分析,由于非矩形螺纹的牙型斜角b不等于零,所以在同样的轴向载荷Q作用下:,在相同的压力作用下,非平面摩擦力大于平面摩擦力。,有关公式,力的关系:,驱动力矩:,效率:,自锁条件:,结论,五、常用螺纹,Co
18、arse Thread,Fine Thread,普通螺纹是一种三角形螺纹,a=60,有粗牙、细牙之分 管螺纹, a=55 矩形螺纹, a=0 梯形螺纹, a=30 锯齿形螺纹,单个螺栓联接的受力分析和强度计算,4 单个螺栓联接的受力分析和强度计算,受拉螺栓,受剪螺栓,仅受预紧力F,同时受预紧力F和工作载荷F,对单个螺栓连接而言,其受力的形式为受轴向载荷(外载荷沿螺栓轴线方向)和横向载荷(外载荷垂直于螺栓轴线方向)两种。普通螺栓在轴向静拉力(包括预紧力)的作用下,其主要实效形式是螺栓杆或螺纹部分的塑性变形和过载断裂;而在变载荷作用下,其实效形式多为螺栓杆部的疲劳断裂,常发生在螺纹根部及有应力集中
19、的部位。 因此,普通螺栓连接的设计准则是保证螺栓有足够的拉伸强度。 铰制孔用螺栓主要承受横向剪切力,其可能的实效形式是螺栓杆被剪断、螺栓杆或被连接件孔壁被压溃。其设计准则是保证连接有足够的挤压强度和螺栓的剪切强度。,5 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) 危险截面面积由计算直径dc确定: dc=d1-H/6,H0.866p; 其中:d1、p分别为螺纹小径和螺距。,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,一、 受剪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
20、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:,承受工作剪力的紧螺栓联接,特点:利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷F,螺杆与孔间紧密配合,无间隙,由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷F进行工作,螺栓的剪切强度条件为:,螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为:,铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷,但被加工件孔壁加工精度较高,成本较高。,第三节 单个螺栓联接的强度计算,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:,二、 受拉螺栓联接的强
21、度计算,5-8a,(1)仅承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F(载荷方向螺栓轴线),加载后,螺栓受力不发生变化,而靠预紧力产生的接合面摩擦力传递外力。,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,
22、 设计式,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, 0.5 ,因此,当量应力为:,其中:,设计公式,当f = 0.2 , i=1, 则F05F,说明这种联接螺栓直径大,且在冲击振动变载下工作极不可靠,F0 F / f,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用螺栓。,承受横向载荷的普通螺栓联接,其结构尺寸将大大增加,为避免这种缺陷,可采取如下措施:,典型实例:压力容器缸盖上的螺栓联接,(2)承受预紧力和轴向静载荷的紧螺栓联接,特点:装配时,螺母需拧紧,螺栓受F和M1作用; 加载后
23、, 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b,受力F变形m,变形b 受力F+F”,变形m 受力 F”,因此,工作状态下螺栓所受总拉力为:,m,b,受力变形关系图 (图5-12),若Cb 和Cm 分别表示螺栓与被联接件的刚度,则由图可得:,F0 = F + F,F0 =F F,F0 = F+KcF F = F+(1- Kc)F F= F -(1-Kc)F,其中: Kc 螺栓与被联接件的相对刚度,与联接的材料、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Kc =0.20.3;皮革垫
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- 2011 第五 螺纹 连接 螺旋 传动
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