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主要内容,第10章 联 接,螺纹副的受力分析 螺栓的强度计算 螺纹联接的预紧和防松、提高强度措施 螺旋传动 键和销联接,本章重点,螺纹副的受力分析与螺栓的强度计算 螺纹联接的预紧和防松、提高强度措施 键联接的类型,概述,1 联接的定义 联接件与被联接件的组合。 2 联接分类 可拆联接：拆装中无须破坏或损坏联接中任何零件 的联接：如键联接、销联接、螺纹联接等。 不可拆联接：拆装时至少破坏或损坏联接中一个零件的 联接如：焊接、铆接和过盈配合联接等。 本章只讨论可拆联接。,联接件,被联接件,螺栓、螺柱、螺钉、螺母、销、键,轴、齿轮、飞轮、箱体与箱盖、钢板与型钢,10-1 螺纹联接的基本知识,1 螺纹的形成 螺旋线：一个倾斜角为的直线绕在圆柱 体上。 螺纹：用一个平面图形（三角形、矩形、梯形等）沿 螺旋线运动并使平面始终通过圆柱体轴线YY， 构成了螺纹。,一、螺纹的形成与类型,2 螺纹的类型,(1) 按牙型分： 三角形螺纹 管螺纹 矩形、梯形、锯齿形 螺纹,(2) 按位置分：,内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹 外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹,(4)按螺旋线头数分： 单头螺纹（n=1）用于联接 双头螺纹（n=2）如图 多线螺纹（n2）用于传动,二、螺纹的主要参数,1）外径(大径)d(D) 2）内径(小径)d1(D1) 3）中径d2 (D2) 4）螺 距 P 5）导程(S) 6）线 数 n,（以圆柱外螺纹为例）,7）螺旋升角 8）牙型角 9）牙侧角,10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,一、矩形螺纹(=0°),螺母的受力：轴向力Fa 水平推力F,滑块沿斜面上升。,2 滑块受力：将矩形螺纹沿中径展开,1,滑块沿斜面上升时：,由力的平衡条件： F=Fatg(+) 驱动力矩： T=F·d2/2= Fa·d2/2·tg(+),(2) 滑块沿斜面下滑时：,由力的平衡条件：F=Fatg(-) 驱动力矩：T=F·d2/2= Fa·d2/2·tg(-), 时， F0，重力使滑块加速，F为阻力,等速, 时， F0，重力不能使滑块下滑,此时，必须施加驱动力F才能使滑块等速下滑。,自锁,矩形螺纹自锁条件： ,二、非矩形螺纹(0°),设=0 矩形螺纹：Fn=Fa 非矩形螺纹：Fn=Fa/cos 摩擦阻力可写为：,当量摩擦系数,与矩形螺纹的区别：ff , ,滑块上升时： F=Fatg(+) T=F·d2/2= Fa·d2/2·tg(+),非矩形螺纹受力分析,滑块下滑时： F=Fatg(-) T=F·d2/2= Fa·d2/2·tg(-),非矩形螺纹自锁条件： ,三、螺纹副的效率,旋转一周：输入功：2T， 有效功：Fas,S=p= d2tg,令,=45°- /2效率最高,通常，25°,10-3 常用螺纹的种类、特点与应用,1 三角形螺纹 ：用于联接 (1)普通螺纹：= 60°,粗牙螺纹：螺距最大，应用最广 细牙螺纹：自锁性能好，强度高，不耐磨，易滑扣,(2)管螺纹,普通细牙螺纹： 非螺纹密封的管螺纹： = 55°，圆柱管壁，水、油管路 用螺纹密封的管螺纹： = 55°，圆锥管壁 60°圆锥管螺纹,2 梯形螺纹(=15°)与矩齿形螺纹(=3°),用于传动，摩擦小，效率高，便于贮存润滑油,用于承受单向轴向载荷的场合。,10-4 螺纹联接的类型及螺纹紧固件,一、螺纹联接主要类型,1、螺栓联接,a) 普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。,b) 精密螺栓联接装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接,2、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。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。,3、螺钉联接适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况,5 特殊联接： 地脚螺栓联接 吊环螺钉联接,4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,二、螺纹紧固件,2 双头螺柱两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽,1 螺栓,4 紧定螺钉,3 螺钉,5 螺母 六角螺母：标准，扁，厚,圆螺母+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧,7 垫圈,作用：增加被联接件的支承面积，减小接触处的压强， 防止螺母擦伤表面，并有防松作用。,10-5 螺纹联接的预紧和防松,一、预紧,螺纹联接：分松联接与紧联接 预紧目的：保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要求， 防漏气，接触面积要大，靠摩擦力工作，增大刚性等.,拧紧螺母时，加在扳手上的力矩T即,Fa：轴向力，无轴向载荷时为预 紧力； fc:螺母与支承面的摩擦系数， 无润滑时： fc=0.15,二、防松,1 防松目的: 外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。 2 防松原理: 防止螺纹副的相对转动。 3 防松方法和装置: 从工作原理分,利用摩擦（简单、方便、不可靠） 机械防松（止动零件） 破坏螺纹副,(1)摩擦防松,弹簧垫圈、双螺母、尼龙垫圈、自锁螺母等,自锁螺母螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧,(2)机械防松,(3)破坏螺纹副,(4) 化学防松粘合,端铆、冲点、点焊,10-6 螺纹联接的强度计算,针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。,1、失效形式和原因,受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂 受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断,b）失效原因：应力集中,a）失效形式:,多为疲劳失效,受拉螺栓：设计准则为保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度 受剪螺栓：设计准则为保证螺栓的挤压强度和剪切强度,应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程,2、设计计算准则与思路,、松螺栓联接,特点:无预紧力，只有工作拉力 如吊钩螺栓，工作前不拧紧，只有工作载荷Fa起拉伸作用,强度条件为：,d1螺杆危险截面直径（mm） 许用拉应力 N/mm2 (MPa),s材料屈服极限Mpa,(标准值),二、紧螺栓联接,特点:有预紧力，还有工作拉力,M10M64的普通螺纹：0.5,1只有预紧力紧螺栓联接,按第四强度理论:,Fa=F0,2 承受横向工作载荷的紧螺栓联接,杆孔间有间隙，靠拧紧的正压力产生摩擦力来传递外载荷，保证不产生相对滑移。螺栓所需的轴向力（预紧力）Fa为：,Fa预紧力；C可靠性系数，C=1. 31.4 m 接合面数；f 摩擦系数， f= 0. 10.15,强度条件验算公式：,设计公式：,4、承受轴向工作载荷的螺栓强度,总拉力Fa 0 +E= ？,(1)工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷FE 工作前、工作中载荷变化,(2)工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F,(3)解决问题： a) 保证安全可靠的工作，F0=？ b) 工作时螺栓总载荷， Fa=？,(4) 分析：,图见书上,Fa= FE+ FR,(5) 作图,为了更明确以简化计算（受力变形图） 设：材料变形在弹性极限内，力与变形成正比,从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：,Fa= FE+ FR,为保证受载后接合面联接的紧密性，应使FR0 当工作载荷F没有变化时，可取FR=（0.20.6）FE; 当F有变化时，FR（0.61.0）FE; 对于有紧密性要求的连接（如压力容器的螺栓连接）： FR（1.51.8）FE。,(6) FR要求,10-7 螺栓材料与许用应力计算,1、材料,螺母、螺栓强度级别：,1）根据机械性能，把栓母分级并以数字表示，即强度级别,2）所依据机械性能为抗拉强度极限Bmin和屈服极限Smin,选择对螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于2040HB）,注意,螺栓的常用材料：Q215，Q235，10，35，45钢 重要特殊用途的可用合金钢：15Cr、40Cr、30CrMnSi,2、许用应力,许用拉应力：,表10-6、10-7,10-8 提高螺栓联接强度的措施,一、降低Fa的变化范围,（1）kb: 减小光杆部分直径或采用空心螺杆，增加长度 （2） kc：采用金属薄垫片，O型密封圈,方法：kb 或 kc,二、改善螺纹牙间载荷分布,第一圈最大，以后各圈逐渐减小，8-10圈后基本不受载荷,办法：采用悬置螺母环槽螺母,三、减小应力集中的影响,（1） 加大过渡处圆角(图1) （2）改用退刀槽 （3）卸载槽，(图2) （4）卸载过渡结构。（图3）,四、采用合理的制造工艺,1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高3040% 2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度,10-9 螺旋传动,传递动力,调整零件间相对位置,实现,将回转运动直线运动,传导,传力,调整,一、螺旋传动的类型、特点与应用,2 按摩擦副的性质分,（1）滑动螺旋=0.30.4，简单，精度低 传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、易于自锁 （2）滚动螺旋具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续 装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体 沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内、外循环。 特点： 0.9 ，起动力矩小，传动灵活平稳，高精度、高效同 步性好，正逆运动效率相同，可实现逆传动。 缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。,应用： 飞机机翼控、起落架控制、数控机床 汽车、拖拉机转向机构,（3）静压螺旋,液体摩擦，靠外部液压系统提高压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油腔，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开 。,特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，无爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长。但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构,二、滑动螺旋的设计计算,失效形式：螺纹磨损 原因：工作面的比压，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态,1 耐磨性计算,限制螺纹工作面上压强p,耐磨性条件：,设计公式： 梯形螺纹：h=0.5P 矩形螺纹：h=0.75P,令=H/d2,z=H/P,mm,的取值：（1）整体式螺母： =1.22.5 （2）剖分式螺母： =2.53.5,2、自锁性验算,3、螺杆的强度计算,按第四强度理论 ，危险断面的当量应力e:,受力：轴向力Fa 扭矩T ,4、螺杆的稳定性计算 失稳原因：轴向力引起 影响因素：材料、柔度,l: 最大工作长度 ：长度系数 i:惯性半径,（1）100时，临界载荷Fc为：,欧拉公式,（2）40370MPa的碳素钢：,对于B470MPa的优质碳素钢：,N,N,（3） 40时，不必进行稳定性校核。,稳定性校核条件：Fa Fc/S (S=2.5 4),5、螺母的螺纹牙强度计算,防止螺纹牙根部剪断，剪切强度条件为：,MPa,梯形螺纹：b=0.65P 矩形螺纹：b-=0.74P,铸铁：=40 MPa 青铜螺母： 30 40 MPa,10-10 键联接和花键联接,功用：用来实现轴和轮毂零件之间的周向固定，传递扭矩， 也可实现轴向固定和轴向移动。,一、 键联接的类型,1 平键联接,特点：两侧面是工作面，上表面与轮毂槽底之间留 有间隙,对中性好。 （1）普通平键：圆头(A型),方头(B型),单圆头(C型) （2）导向平键 （3）滑键,2 半圆键联接,特点：两侧面是工作面，上表面与轮毂槽底之间留 有间隙,对中性好。 轴上的键槽较深对强度削弱较大，常用于轻载联接或辅助联接。,3 楔键连接和切向键联接,特点：上下面是工作面，靠摩擦力传递转矩，只能承受单向轴向力。 常用于定心精度不高、载荷平稳、低速联接。,楔键：普通楔键 钩头楔键,切向键联接,由一对楔键组成的装配时，将两键楔紧。,二、 键的选择和平键联接的强度校核,1键的选择：采用抗拉强度极限sB 600 Mpa的碳钢 制造，通常用45钢。 类型选择：根据键连接的结构、使用特性及工作 条件来选择。 尺寸选择： 剖面尺寸b×h按轴的直径d由标准中选定。 长度L一般按轮毂宽度定，要求键长比轮 毂略短510 mm，且符合长度系列值。,2强度校核,失效形式：工作面的压溃和磨损,挤压强度条件：,三、 花键联接,1. 花键连接类型及特点 平键在数量上的扩展，轴和轮毂孔周向均布多个凸齿和凹槽所构成的连接称为花键连接。 特点：齿的侧面是工作面，承载能力高，对轴的削弱 程度小，具有定心精度高和导向性能好等优点。 类型：矩形花键：容易加工，应用广泛 渐开线花键：自动定心作用,2. 花键联接强度计算,花键联接可以做成静联接，也可以做成动联接。,静联接：失效形式为齿面压溃；强度条件为： T=Kzhlrmp,动联接：失效形式为工作面磨损，强度条件为： T=Kzhlrmp,矩形花键：h=(D-d)/2-2C, rm=(D+d)/4,10-11 销联接,1 功用 用来固定零件之间的相对位置，起定位作用， 用于轴与轮毂的连接，传递不大的载荷， 作为安全装置中的过载剪断元件。,2 类型,圆柱销：多次装拆后，紧固性及精度降低 圆锥销：有150的锥度，装拆方便，多次装拆对连接 的紧固性及定位精度影响较小，应用广泛。,3 材料,35、45钢,4 其它形式,（1）大端具有外螺纹的圆锥销，可用于盲孔； （2）小端带外螺纹的圆锥销，可用螺母锁紧； （3）带槽的圆柱销，称为槽销，用弹簧钢滚压或模锻而成。 （4）开尾圆锥销：冲击时防松 （5）弹性圆柱销 （6）开口销,本章小结,螺纹联接的类型与螺纹紧固件 螺纹副的受力分析 螺栓的强度计算 松螺栓联接 只受预紧力 紧螺栓联接 受横向工作载荷 受受预紧力和轴向工作载荷 螺纹联接的预紧和防松、提高强度措施 螺旋传动 键和销联接,