机械设计基础联结

第10章联结联接分类静联接：固定，无相对运动。如螺纹联接、普通平键联接。动联接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。1、按运动关系分靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈联接。非摩擦（形闭合）：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。材料锁合联接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。2、按传载原理分可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。不可拆联接：如焊接、铆接等。3、按拆开时是否损坏零件分①直径大径d：公称直径。M20→d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2④螺距p②线数n：n=1时用于联接；n＞1时用于传动；n↑→η↑，但为便于制造n≤4③牙形角α：螺纹牙两侧面夹角。1、螺纹的主要参数10-1螺纹参数42、螺纹的类型右旋左旋螺纹位置：内螺纹——螺母；外螺纹——螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考：⑥中径升角ψ：2arctandnp⑤导程s：s=np联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，ψ小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。∴联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。10-2螺纹副的受力分析、效率和自锁当滑块沿斜面等速上升时，相当于拧紧螺母，驱动力为F：相应驱动力矩tanaFFtan2222dFdFTa一、矩形螺纹当滑块沿斜面等速下滑时，驱动力为F相应驱动力矩自锁条件:tanaFFtan2222dFdFTa二、非矩形螺纹—当量摩擦角为当量摩擦系数：''cos'''coscostgfffFafFaffFa2/)'()'(2tgFdTtgFFaa当滑块等速上升时：2/)'()'(2tgFdTtgFFaa当滑块等速下降时：)cos/('''farctgarctgf自锁条件：)'(tgtgtgtg)'(上升效率：下降效率：10-3机械制造常用螺纹特点：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。三角形螺纹(代号：MGB192-81)'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：α=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。矩形螺纹梯形螺纹(代号：TGB192-81)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锯齿形螺纹(代号：SJB923-66)特点：工作边牙侧角=3，非工作边牙侧角=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。管联结螺纹10-4螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件一、螺纹联接的基本类型1、螺栓联接1、螺栓联接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不太厚的场合。受剪——铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起联接作用外，还起定位作用。2、螺钉联接用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。3、双头螺柱联接用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。4、紧定螺钉联接螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。二、螺纹紧固件10-5螺纹联接的预紧和防松一、螺纹联接的预紧预紧↑联接刚度↑防松能力↑紧密性受载之前拧紧螺母预紧力Fa１、预紧力过大，会使整个联接的结构尺寸增大；也会使联接在装配时因过载而断裂。２、预紧力不足，则又可能导致联接失效，重要的螺栓联接应控制预紧力。拧紧螺母时，要克服螺纹副的摩擦力矩T1和螺母与支持面间的摩擦力矩T2，因此拧紧力矩式中fc为螺母与被联接件支承表面间的摩擦系数。facarFftgdFTTT)'(222140ddrwfrf——支承面摩擦半径：dFTTTa2.021取fc=0.15，对于M10-M68，可简化为：严格控制预紧力时d≮M12-M16标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：T=FL=15dF=0.2Fad→Fa=75F若F=200N，则Fa=15000N。→小于M12，则易拉断。装配时控制预紧力的方法冲击扳手采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。测量螺栓伸长量1、螺纹联接按自锁条件设计≤ρv，静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失松动二、螺纹联接的防松3、防松方法——防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：a）摩擦防松螺纹副中始终有不随联接载荷而变的压力，故存在摩擦力矩防止相对转动。压力可由纵向或横向压紧产生。开口方向：斜向右下方弹性增压尖端抵住金属锁紧螺母利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹尼龙圈锁紧螺母利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹楔紧螺纹锁紧螺母利用楔紧螺纹，使螺纹副纵横向压紧a）摩擦防松b）机械防松（直接锁住）利用开口销使螺栓、螺母相互约束。串联金属丝利用金属丝使一组螺钉头部相互约束，有松动趋势时，金属丝更加拉紧。止动垫片垫片约束螺母，自身又约束在被联接件上10-6螺栓联结的强度计算螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接：不拧紧，无预紧力Fa，仅受工作载荷FE紧联接：需拧紧仅受预紧力Fa同时受预紧力Fa和工作载荷FE一、受拉螺栓联接对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。65%20%15%一、松螺栓联接MPa或mm421adFaFd41式中：d1—螺纹小径mm;见137Fa—螺纹承受的轴向工作载荷N[σ]—螺纹材料的许用应力MPa强度条件：整理，得设计公式：二、紧螺栓联接此类螺栓联接中，螺栓除受预紧力Fa引起的拉应力σ作用外，还受到螺纹副间摩擦力矩T1引起的剪切应力τ的作用。213.143.1dFae螺栓的危险截面处于拉伸和扭转的复合应力状态，而螺栓通常是塑性的，因此按第四强度理论（最大变形能理论），螺栓联接的强度条件为：][322e对于M10～M68的普通螺纹钢制螺栓，可取5.0][/3.141aFd或式中：——轴向力Nd1——螺纹小径mm[σ]——螺纹材料的许用应力MPaaF上式说明紧螺栓联接可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响。1、受横向工作载荷的螺栓联结F0—预紧力m—结合面数目f—结合面摩擦系数C—可靠性系数，通常取C=1.1～1.3若结合面的摩擦力足够大，则被联结面之间不会发生相对滑动，因此螺栓所需的轴向力（预紧力）应为当取f=0.15、C=1.2、m=1，FF80mfCFFFa0铰制孔螺栓联接的强度计算强度条件：式中：F—单个螺栓所受的横向载荷Nd0—螺栓剪切面直径mmδ—螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度mm[τ]——螺栓材料的许用剪切应力MPa（见148页）[σp]——螺栓和孔壁材料中弱者的许用挤压应力MPa][][4020ppdFdmF2、受预紧力F0和轴向工作载荷FE的紧螺栓联接zpDFE42变形受力过程：无变形—→F0—→δb0δc0—→+FE—→δb0+Δδ1δc0-Δδ2变形协调条件：Δδ1=Δδ2=Δδ各力定义1、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、螺栓工作拉力Fa—→总拉力3、工作载荷FE（对螺栓联接施加的外载荷）4、FR剩余预紧力。思考：图C中，Fa=？图c中，Fa=FE+F0？静力平衡条件：Fa=FE+FR即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。同理，考虑扭转作用，强度条件为：——校核式][4/3.121dFac][3.141aFdmm——设计式选择RF有密封性要求时一般联接，载荷稳定时一般联接，载荷不稳定时地脚螺栓联接ERFF)8.1~5.1(ERFF)6.0~2.0(ERFF)0.1~6.0(ERFF三、螺栓组联接的结构设计（补充）1、联接接合面的设计（一）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理（1）对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合。（2)对于铰制孔螺栓联接的受剪螺栓，在平行于工作载荷方向上成排布置的螺栓数目不应超过8个，以免载荷分布不均。2、螺栓的数目及布置（3）对于受弯矩或转矩的螺栓联接，应使螺栓尽量布置在靠近联接接合面的边缘上，以减少螺栓的受力。（二）、螺栓的布置应有合理的间距和边距，以保证联接的紧密性和装配时扳手所需活动空间（三）螺栓的数目及布置应便于螺栓孔的加工分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4,6,8等偶数，以便于在圆周上钻孔时得分度和划线。10-7螺栓的材料及许用应力材料一般：碳钢低碳钢：Q215、10中碳钢：Q235、35、45变载荷；合金钢低碳钢：15Cr特殊用途：防锈、防磁、导电耐高温中碳钢：40Cr许用应力许用拉应力：许用切应力：SsSs许拥挤压应力：钢：铸铁：pspSpBpsBSpSS查手册安全系数表10-6、10-7(148))1、机理工作时，螺栓受拉，p↑螺母受压，p↓两者产生螺距差一、改善螺纹牙间受力分配第一圈：Δp最大，受力最大第8~10圈后几乎不受力各圈受载不均10-8提高螺栓联接强度的措施∴采用加高螺母不能提高联接强度。2、办法采用受拉螺母（变形一致）——减小螺栓螺母螺距变化差二、减小附加弯曲应力螺纹牙根弯曲应力——————→断裂螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。引起附加弯曲应力因素：a)螺栓受偏心载荷eFb)被联接件刚度不够a)采用球面垫圈抗弯力偶e)采用环腰d)采用沉头座b)采用斜垫圈c)采用凸台措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考：采用凸台、沉孔的目的？三、减轻应力集中收尾：退刀槽；增大牙根处过渡圆角半径。四、降低应力幅σaσmax一定时：σa↓—→疲劳强度↑当F、F”不变时：↓c1或↑c2。措施：1）↑螺栓长度2）↓光杆直径3）采用柔性螺栓1、降低螺栓刚度c111‘a)用密封垫片b)用密封环密封垫片密封环措施：不宜采用刚度小的垫片。五、改善制造工艺1、加工方法：碾制较车制强度↑30%；2、表面处理：喷丸、氮化等。2、提高被联件刚度c222‘一、螺旋传动的类型、特点与应用1、应用螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。2、传动形式：1)螺杆转动螺母移动2)螺母转动螺杆移动3)螺杆又转动又移动（螺母固定）——用得多4)螺母又转动又移动（螺杆固定）——用得少10-9螺旋传动按用途分三类：1）传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁2）传导螺旋——机床进给丝杠—传递运动和动力特点：速度高、连续工作、精度高3）调整螺旋——机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。特点：是受力较小且不经常转动3、螺旋传动类型螺旋传动按摩擦副的性质分：1)滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁缺点：磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（30~40%）,传动精度低2)滚动螺旋传动：摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋