湖南大学机械设计课件第5章

5-1第二篇联接第五章螺纹联接与螺纹传动（一）教学要求：1、掌握螺纹联接类型及防松方法，松、紧螺栓联接强度计算。2、掌握螺栓组设计方法，了解提高螺纹联接强度的常用措施和螺旋传动的设计。（二）教学的重点与难点1、螺纹联接类型及防松原理，紧螺栓联接的强度计算。2、螺栓组联接的设计与受力分析。（三）教学时数：6学时§5－1基本知识一、螺纹类型外螺纹内螺纹连接螺纹——起联接作用传动螺纹——起传动作用――例如丝杆、千斤顶。米制（公制）螺纹英制螺纹――已只用于管螺纹、锥管螺纹。三角形螺纹――主要用于联接矩形螺纹梯形螺纹主要用于传动锯齿形螺纹左旋右旋――常用单头螺纹多头螺纹粗牙螺纹细牙螺纹联接又称紧固，分联接两类。动静静联接又分为可拆联接——螺纹、键、销联接不可拆联接——焊、铆、粘接牙顶PP外螺纹按位置按功用按尺寸按牙型按旋向按头数按牙距5-2α2α2二、螺纹的主要参数大径d——公称直径中径d2——牙厚=牙槽宽处小径d1——强度计算用线（头）数n——有几根螺旋线螺距P——相邻两牙之间的轴向距离导程S——S=nP螺纹升角ψ——tgψ=——牙型角α与牙型半角——(现称牙侧角或牙型斜角β=——)（β=）三、常用螺纹1、普通螺纹——米制三角螺纹，α=60°，大径为公称直径（mm），分粗牙和细牙两类。应用广泛，多用于紧固联接。2、管螺纹——英制螺纹，α=55°，公称直径为管子的公称通径，用于紧密联接（锥管螺纹不用填料即可密封。常用于水、煤气、润滑系统等。3、矩形螺纹——α=0°，传动效率η最高，但加工较困难，未标准化，逐步被梯形螺纹取代。4、梯形螺纹——α=30°，等腰梯形，广泛用于传力和传导螺旋，η略低于矩形螺纹，但工艺性好，牙根强度高，对中性好，可调整间隙。5、锯齿形螺纹——工作面牙型斜角β=3°，非工作面β=30°，综合了矩形螺纹η高和梯形螺纹牙根强度高的特点，仅用于单向受力的传力螺旋。联接时常用单头传动时常用多头nPπd2圆柱管螺纹：圆锥管螺纹：5-3种类很多，应用最广；精度分为A、B、C三级，多用C级（A级精度最高，C级精度最低）；可为粗牙或细牙（A、B级）；杆部可以为局部螺纹或全螺纹。四、螺纹联接的基本类型1、螺栓联接——被联接件上开通孔（非螺孔）。螺栓与孔间有间隙。加工简单、成本低、应用最广。2、螺钉联接——不用螺母。一个被联接件上开通孔，另一个上开螺孔。螺栓可做螺钉用。不宜经常拆卸。3、双头螺柱联接——多用于被联接件较厚或为使结构紧凑而采用盲孔的联接。拆卸时只需拧下螺母而不必拧出螺柱。4、紧定螺钉联接——防止另一零件转动或移动，还可用于调整位置。不能受大力。此外，还有如下几种特殊用途的螺纹联接类型：五、标准螺纹联接件T型螺栓起吊螺栓地脚螺栓六角头螺栓5-4双头螺柱两端都制有螺纹，且两端螺纹可相同或不同，有A型、B型两种结构。可带退刀槽或制成腰杆，也可制成全螺纹的螺柱。螺柱的一端常用于旋入铸铁或有色金属的螺纹孔中，这一端一般厚度大、不便穿透，旋入后即不拆卸，另一端则用于安装螺母以固定其它零件。螺钉头部形状有圆头、扁圆头、六角头、内六角头、圆柱头和沉头等；起子槽有一字槽、十字槽、内六角孔等形式。十字槽螺钉头部强度高、对中性好，便于使用机动工具进行自动装配，内六角孔螺钉能承受较大的扳手力矩，联接强度高，可代替六角头螺栓，用于要求结构紧凑的地方。紧定螺钉自攻螺钉头部有圆头、平头、半沉头及沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等形式。末端形状有锥端和平端两种。多用于联接金属薄板、轻合金和塑料零件。在被联接件上可以不预先制出螺纹，而在联接时利用螺钉直接攻出螺纹，故而得名。螺钉材料一般用渗碳钢，热处理后硬度不低于45HRC。与同样大径的普通螺纹相比，自攻螺钉的螺距大而小径则稍小。已标准化。常用的紧定螺钉末端形状有锥端、平端和圆柱端。锥端用于被紧定件硬度低，不常拆卸的场合；平端常用于紧定硬度较高的平面或用于经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于紧定空心轴上的零件。5-5§5-2螺纹联接的预紧与防松一、预紧一般在装配时均需预紧，以便联接可靠，紧密和防松。预紧力应适宜，有些时候要严格控制。规定：拧紧后预紧力不超过σS的80%，以便联接可靠，紧密和防松。碳素钢螺栓——预紧力F0≤（0.6~0.7）σSA1经验：合金钢螺栓——预紧力F0≤（0.5~0.6）σSA1公式见P67式5-6和式5-7测力矩扳手控制预紧力的方法：定力矩扳手——超出设定值即打滑六角螺母分标准螺母和薄螺母两种。薄螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合。螺母的制造精度和螺栓的相同，分A、B、C三级，分别与相同级别的螺栓配用。圆螺母圆螺母常与止动垫圈（还称止退垫片、带翅垫圈）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，即可防螺母松脱。常作为滚动轴承的轴向固定用。垫圈螺纹联接中，垫圈是不可缺少的附件，常置于螺母和被联接件之间，用以保护支承表面。平垫圈按加工精度不同，分A级和C级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普通和小四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上。危险截面面积5-6二、拧紧力矩拧紧力矩T=螺纹副之间的摩擦阻力矩T1+螺母支承面上的摩擦阻力矩T2T=T1+T2=F0tan（ψ+φv）+fCF0=KF0d注意：有几种公式三、防松方法联接用三角形螺纹都具有自锁性，静载时不会松动；但冲击、振动、变载情况下可能发生松动。为保险，需有防松措施d2213D13–d03D12–d02F0—预紧力（N）ψ—螺纹升角Φv—当量摩擦角fC—螺母与被联件支承面间的摩擦系数（无润滑时为0.1～0.2)K—拧紧力矩系数（可查表）d—公称直径（mm，d2≈0.9d）摩擦防松对顶螺母弹簧垫圈摩擦防松机械防松铆冲防松化学防松有几类方法5-7冲2~3点尼龙圈锁紧螺母自锁螺母螺母一端开缝后径向收口，螺母旋紧后，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。螺母中嵌有尼龙圈，螺母旋紧后尼龙圈内孔被胀大而箍紧螺栓。机械防松槽形螺母配开口销串联钢丝圆螺母配带翅垫片采用止动垫片单耳单耳单耳双耳铆冲防松化学防松焊接防松（永久）5-8§5-3螺纹联接的强度计算仅讨论螺栓，而且是单个螺栓。拉断螺栓的破坏形式有螺纹压溃和剪断经常拆卸导致滑扣一、松螺栓联接的强度计算螺母不需拧紧，如起重机吊钩尾部或：二、紧螺栓联接的强度计算1、只受预紧力的紧螺栓联接拉应力σ螺纹部分受的作用。扭转剪应力τ对M10~M64的螺栓，简化得：τ≈0.5σ按第四强度理论：σca=σ2+3τ2≈1.3σ≤[σ]故：可见：相当于将松螺栓的拉力增大0.3倍。增设减载零件（销、套筒、键等）可承担横向载荷2、承受预紧力和轴向工作拉力的紧螺栓联接应用最广，最重要。σ=F=Aπd12[σ]F4≥4Fπ[σ]d1σ=F0F0=Aπd1241.3F0πd124[σ]]1616πd13τ=T1T1=Wn=F0tag（ψ+φv）d22πd135-9既有F0又受工作拉力F时，螺栓所受总拉力F2并非两者之和，即：F2≠F0＋F应该是：F2＝F＋F1经过推导可得公式：其中：Cb——称螺栓刚度Cm——称被联接件刚度相对刚度的值可由实验确定：采用金属垫片（或无垫片）时——取0.2～0.3采用皮革垫片时——取0.7采用铜皮石棉垫片时——取0.8采用橡胶垫片时——取0.9得到F2值后即可进行强度计算。考虑到需补充拧紧，故将总拉力F2增加30%进行计算。故危险截面的拉伸强度条件为：或残余预紧力单个紧螺栓联接受力变形图F1＞0方可使接合无间隙。F2＝F0＋FCbCb＋CmCbCb＋Cm称螺栓的相对刚度（尽量小些为好）d14×1.3F2π[σ]σca=1.3F2πd124[σ]]5-103、承受工作剪力的紧螺栓联接此时一般应用铰制孔用螺栓（与孔壁无间隙）分别按挤压强度及剪切强度条件计算螺母不必拧得很紧（故预紧力可以略去不计）挤压强度条件为：剪切强度条件为：§5-4螺纹组联接的设计联接件结合面的结构、形状螺栓数目螺栓布置形式螺栓联接的结构尺寸一、螺栓组联接的结构设计1、结合面形状常为轴对称的简单形状，可使受力均匀及便于制造。2、螺栓布置应使各螺栓受力合理。受弯、扭时——螺栓位置应靠边缘：勿在平行于工作载荷的方向上排列8个以上的螺栓（防受力不匀）。若同时承受较大的横向载荷，可采用下列装置可以承担一部分横向载荷。3、螺栓间排列应有合理的间距、边距（扳手空间等）。Fσjy=d0L[σjy]τ=F[τ]]πd024内容5-114、圆周上的各螺栓数目应取为4、6、8等偶数，以便分度与画线。4、圆周上的各螺栓数目应取为4、6、8等偶数，以便分度与画线。5、同一组联接中的各螺栓直径、长度和材料均应相同。6、避免受偏心载荷——如难免，可考虑用凸台、沉孔、斜面垫圈等。螺栓装拆方便实例5-12S、Sτ、Sp为安全系数，可查表二、螺栓组联接的受力分析1、受横向载荷的螺栓组联接2、受转矩的螺栓组联接3、受轴向载荷的螺栓组联接4、受倾覆力矩的螺栓组联接§5-5螺纹联接件的材料及许用应力一、螺栓联接件所用材料螺栓常用材料——Q215、Q235、10、35和45钢。防腐、防磁、导电、耐高温——可用1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9Ti；黄铜H62、H62防磁、HPb62；铝合金2B11（原LY8）、2A10（原LY10）等。螺栓、螺柱、螺钉按材料的性能分十级：3.6~12.9国标规定螺母性能等级分为七级：4~12二、许用应力拉应力：切应力：对钢：挤压应力：对铸铁：σb10010σS10σbσ=σS10Sτ=σS10Sτ[σjy]＝σS10Sp[σjy]＝σb10Sp略，见书应不低于相配螺栓的性能等级σmin1005-13§5-6提高螺栓联接强度的措施螺栓的主要损坏形式为螺栓杆部分的疲劳断裂螺栓头部常发生在应力集中较严重处螺纹收尾部螺母支承平面所在处螺纹牙间的载荷分配应力变化幅度应力集中附加应力一、减少应力幅↓螺栓刚度Cb，↑被联接件的刚度Cm→都可以↓F2的变化范围，这对防止疲劳损坏十分有利。空心螺栓↓螺栓刚度Cb的方法腰状螺栓螺母下装弹性元件被联接件间加软垫片将↓Cm→故可用金属垫片或O型密封圈，以保持被联接件原有的刚度值。二、改善螺牙间的载荷分配螺母支承面上第1圈所受的力为总载荷的1/3以上；第8圈后几乎不受力！为使各螺牙受力均匀，可用下列方法：总拉力影响螺栓强度的因素主要有5-14这些螺母构造特殊、使制造工艺复杂、成本高、故只用于重要联接。使螺牙均载的方法还可采用钢丝螺套：主要用于旋入轻合金螺纹孔中；旋入后将安装柄根在缺口处折断，再旋上螺栓；因有一定弹性，故可起均载作用，且能减振；故可显著提高螺纹联接件的疲劳强度。三、↓应力集中措施有——增大过渡圆角、切卸载槽、收尾处加工出退刀槽……。四、避免或减少附加应力设计、制造或安装上的疏忽，可能造成附加弯曲应力：五、采取特殊的加工方法——如冷镦头部、滚压（辗压）螺纹→可↓疲劳强度30%悬置螺母环槽螺母内斜螺母环槽内斜螺母使螺母和螺栓均受拉，↓两者的刚度差，使变形趋于协调。作用和悬置螺母类似，但效果稍差。受力大的地方内斜10~15°的角度，使各齿受力平衡一些。兼有环槽螺母和内斜螺母的特点。措施球面垫圈腰环螺栓5-15此外，采用氰化、氮化、喷丸等处理也可↑疲劳强度§5-7螺旋传动一、传动的类型：螺杆转动、螺母移动1．按传动的运动形式分为两种螺母固定、螺杆转动并移动传力螺旋——传递动力为主，如起重、加压装置2．按用途分为三类传动（导）螺旋——传递运动为主，如刀架进给机构调整螺旋——不常转动，常空载下调整冷镦滚压后的金属流线热处理后再滚压，疲劳强度可提高70~100%冷镦和滚压工艺可降低应力集中，不切断金属纤维，金属流线走向合理，有冷作硬化效果，表层有残余压应力，还有材料利用率高、生产效率高、制造成本低等优点例机床进给机构螺旋起重器（千斤顶）原理图实物图螺旋千分尺5-16摩擦阻力小，传动效率高（η=0.9以上），但结构复杂。结构简单、易于自锁、便于制造，但摩擦阻力大，传动效率低（η=0.3~0.4)，