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当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 机械/模具设计 > 《机械设计》 课件 第五章_螺纹连接和螺旋传动
联接螺纹螺纹联接的类型和标准联接件螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的强度计算螺栓组联接的设计提高螺纹联接强度的措施螺旋传动键联接和花键联接其它联接联接的目的便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率。学习目标熟悉机器联接中常用的各种联接件的结构、类型、性能和应用场合,掌握设计理论和选用方法。联接的分类动联接:静联接:机器工作时,零部件之间可以有相对运动。例如:机械原理中,各种运动副之间的联接。在机器工作中,不允许零部件之间存在相对运动的联接。静联接可拆联接:不需毁坏联接中的任何一个零件就可拆开的联接。例如:螺纹联接、键联接。不可拆联接:至少毁坏联接中的一部分才能拆开的联接。例如:铆接、焊接等。过盈联接§1螺纹一、螺纹的类型和应用螺纹有外螺纹和内螺纹之分,它们共同组成螺旋副。按其作用分为:联接螺纹:如普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹;传动螺纹:梯形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹。按使用单位制分为:英制螺纹:如管螺纹(螺距以每英寸牙数表示);米制:其余均为米制。除矩形螺纹外,其余螺纹均已标准化。标准螺纹的基本尺寸,可查阅有关标准。常用螺纹的类型、特点和应用二、螺纹的主要参数(1)大径d(公称直径)(2)小径d1(3)中径d2(4)线数n单线螺纹多线螺纹(5)牙型角α(6)接触高度h注:常用的联接螺纹要求自锁性,故多采用单线螺纹;传动螺纹要求传动效率高,故采用双线或三线螺纹。为了便于制造,一般线数n≤4。(7)螺距P(8)导程S单线螺纹S=P;多线螺纹S=nP。(9)螺纹升角Ψ(10)螺纹旋向左旋螺纹,右旋螺纹(常用)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。2arctandnp§2螺纹联接的类型和标准联接件2.1螺纹联接的基本类型螺栓联接:普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接双头螺栓联接螺钉联接紧定螺钉联接其它:地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T型槽螺栓联接螺纹紧固件大都为标准件,常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等。1.普通螺栓联接特点:工作时受拉,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。2.铰制孔用螺栓联接特点:工作时受剪,除起联接作用外,还起定位作用。3.双头螺柱联接特点: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.螺钉联接螺钉拧入深度H钢或青铜H≈d铸铁H=(1.25∽1.5)d铝合金H=(1.5∽2.5)d特点:用于有一联接件较厚,且不需经常装拆的场合。5.紧定螺钉联接特点: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。地脚螺栓联接吊环螺栓联接T形槽螺栓联接2.2标准螺纹联接件2.3螺纹紧固件的性能等级和材料螺纹联接件的常用材料低碳钢Q215、10号钢:一般联接中碳钢Q235、35、45号钢:一般联接低合金钢、合金钢如15Cr、40Cr30CrMnSi等:承受振动、冲击、变载的重要联接垫片材料:普通垫片:Q215、15、35号钢;弹簧垫片:65Mn。(需热处理)螺栓的性能等级螺母的性能等级注:先选用性能等级,再选用推荐材料,一般采用4.6、4.8、5.6、5.8等几个级别。3.1螺纹联接的预紧(一)预紧的目的受载之前—拧紧螺母—预紧力F’1.提高联接的紧密性2.防止联接松动3.提高联接件强度§3螺纹联接的预紧和防松防止联接松动提高联接的紧密性(二)控制预紧力的方法原因:T↑→F↑→拉断、滑扣T↓→不能满足工作要求方法:1.控制应力或应变2.控制拧紧力矩3.控制拧紧力臂4.测量螺栓伸长量控制应力或应变应变片控制拧紧力矩测力矩扳手定力矩扳手控制拧紧力臂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。(三)拧紧力矩与预紧力的关系以螺母分析:T=T1+T2T1螺母支承面间的摩擦阻力矩T2螺纹副间的摩擦力矩a)螺母所受转矩b)螺栓所受转矩c)螺栓转矩图T1T2T1TTTT434T3T1)(221vtgdFT20213031231dDdDFTcF′——预紧力;d2——螺纹中径;ψ——螺纹升角;ρv——当量摩擦角;μc——螺母与被联接件承压面间的摩擦系数;D1,d0——分别为承压面的外径和内径。拧紧力矩与预紧力的关系d2≈0.9d;y=1º42’=3º2’ρv≈acrtg(1.155f);f≈0.1-0.2μc≈0.15;D1≈1.5d;d0≈1.1d代入整理:注:不控制预紧力时,不宜采取M12以下的螺栓。20213031231)(2dDdDFtgdFTcvdFT2.03.2螺纹联接的防松1、螺纹联接按自锁条件设计ψ≤ρv。∴静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷下;温度变化较大时→螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失→松动3、螺纹联接防松的实质:在于限制螺旋副的相对转动。4、螺纹联接防松的方法按工作原理可分为①摩擦防松②机械防松③其它:破坏螺纹副关系(焊接、铆冲、粘接)摩擦防松:弹簧垫圈防松开口方向:斜向右下方弹性增压尖端抵住摩擦防松:自锁螺母防松摩擦防松:对顶螺母防松机械防松开口销开槽螺母防松螺栓装配图开槽螺母开口销开口销与槽形螺母机械防松:止动垫片防松机械防松:止动垫片防松机械防松:串联钢丝防松正确错误其它:破坏螺纹副关系防松§4螺纹联接的强度计算实质:根据联接的类型、联接的配合情况、载荷状况进行受力分析,找出螺栓组内受力最大的螺栓及其所受的力,然后按单个螺栓,按相应条件进行强度计算。方法:受力分析→确定失效形式→建立计算准则→建立强度计算公式。4.1受拉螺栓联接受力情况:轴向拉力失效形式:断裂静力断裂:静载荷,且严重过载。疲劳断裂:变载荷,多数属此,且疲劳断裂常发生在螺纹根部,即截面面积较小,并有缺口应力集中的部位,有时也发生在螺栓头与光杆的交接处。计算准则:抗拉强度准则,即。AF(1)受拉松螺栓联接松联接:联接在装配时不拧紧螺母,在承受工作载荷之前,螺栓不受力。(比较少见,拉杆、起重吊钩等的螺纹联接属此类。)校核公式设计公式214dF][41Fd(2)受拉紧螺栓联接紧联接:联接在装配时拧紧螺母,在承受工作载荷之前,螺栓有预紧力F'的作用。1.仅受预紧力F'作用的紧联接螺栓受力:拉力和扭转(由螺纹摩擦力矩T1引起)。螺栓危险截面的拉伸应力:螺栓危险截面的扭转切应力:214dF312162tanddFVT对于M10-68普通螺纹的钢制螺栓,一般可取τT≈0.5σ。由于螺栓材料是塑性的,根据第四强度理论,螺栓预紧状态下的计算应力校核公式设计公式3.1322Tca2143.1dFFd3.141说明(1)受F'作用的紧联接,按拉伸强度进行计算,但是应把F'加大30%,来考虑螺纹摩擦力矩(扭转)的影响。(2)靠摩擦力抵抗工作载荷的紧联接,其螺栓仅承受F'作用,且F'不受工作载荷的影响,由于摩擦力变化较大,此联接不宜用于载荷突然变化的场合(振动、冲击或变载荷)。(3)靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接,螺栓直径较大。因为F'≥FR/μS,若μS=0.2时,则F'≥5FR,结果必然使螺栓的结构尺寸增加。通常采用减载零件的紧螺栓联接,其强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算,而螺纹联接只是保证联接,不再承受工作载荷,因此预紧力不必很大,但这种联接增加了结构和工艺上的复杂性。(a)减载销(b)减载套筒(c)减载键(2)受拉紧螺栓联接2.受F'及轴向工作拉力F作用的紧联接(1)工作要求:螺栓强度,联接紧密性;(2)受力和变形分析:F0===F'+F(a)开始拧紧(b)拧紧后(c)受工作载荷时(d)工作载荷过大时螺栓和被联接件的受力与变形图(a)拧紧时(b)两图合并(c)受工作载荷时螺栓和被联接件的受力变形线图工作情况螺栓被联接件受力变形受力变形未拧紧无无无无拧紧螺母F'(拉)δ1(伸长)F'(压)δ2(压缩)工作拉力F作用F'→F0δ1→δ1+Δδ1Fδ2-Δδ1螺栓的总拉力F0=F+F为保证联接的紧密性,应使残余预紧力F0。对于有紧密性要求的联接:F=(1.5~1.8)F;一般联接,若无载荷变化,F=(0.2~0.6)F,工作载荷不稳定,F=(0.6~1.0)F;对于地脚螺栓F≥F。根据变形协调条件有FCCCFF2110(3)强度计算1)静强度:或2)疲劳强度:对于受轴向变载荷的重要联接,除作静强度计算外,还应作疲劳强度校核。工作拉力:0~F(变载荷),螺栓受力:F'~F021043.1dFca013.14FdFCCCFF2110方法设计时,一般可先按静载荷强度计算,初定螺栓直径,然后再校核其疲劳强度。由于影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅,故这里的螺栓疲劳强度的校核公式为式中[σa]—螺栓的许用应力幅,MPa。aadFCCC21211minmax224.2受剪螺栓联接铰制孔螺栓联接受力情况:横向力失效形式:螺栓杆被剪断,螺栓杆与孔壁的贴合面压溃。计算准则:保证联接的挤压强度准则,即螺栓的剪切强度准则,即PP强度计算挤压强度准则剪切强度准则式中h为计算对象的受压高度。PSPhdF0204dFs4.3许用应力[σ]=σS/S,[τ]=σS/Sτ对于钢对于铸铁式中σS、σB为螺栓材料的屈服极限和强度极限,常用铸铁联接件的σB:200~250MPa。说明对于d1的试算(因为d1确定后,才能查表13.7确定S)初估d→查表13.7→确定S→[σ]=σS/S→d1→查标准确定d(d应与初估d相符)。(但通常只要最后确定的d在初估d的同一范围内就行,如M6~M16或M16~M30等)PSPSPBPS§5螺栓组联接的设计设计内容及方法1.螺栓组联接的结构设计确定结合面的几何形状及螺栓的布置方式和个数;2.根据联接受载情况,进行受力分析;3.根据螺栓受力进行螺栓强度计算。5.1螺栓组联接的结构设计1.目的:合理解决联接结合面的几何形状,确定螺栓布置方式及个数;2.螺栓组联接的结构设计应考虑的问题①被联接件形状应简单对称;②根据载荷的类型合理布置螺栓位置;铰制孔用螺栓受力方向不超过8个;受弯矩或扭矩时应适当离开对称轴。③布置螺栓应留有合理的间距;扳手空间尺寸压力容器的螺栓间距④同一圆周上的螺栓数量应为偶数,同组螺栓的直径、长度、材料应相同;⑤避免螺栓偏心承载。结构上:凸台、沉头座、斜面垫圈、球面垫圈5.2螺栓组联接的受力分析1.目的:找出受力最大的螺栓及力为强度计算提供依据;2.假设:①被联接件为刚体,不会在载荷作用下变形,结合面保持为平面;②一组螺栓的直径、长度、材料和预紧力相同(即拉伸刚度、剪切刚度相同);③螺栓组的对称中心与结合面的形心重合。几种典型受力形式一、受轴向载荷FQ的螺栓组联接压力容器螺栓组联接,轴向载荷FQ作用线与螺栓轴线平行,并通过螺栓组的对称中心。设螺栓数目为z,各螺栓平均受载,则每个螺栓所受的轴向工作载荷F为F=FQ/z受轴向载荷的螺栓组联接图二、受横向载荷FR的螺栓组联接1.对于普通螺栓联接:承受横向力时,靠联接预紧后,在结合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷。根据联接不产生相对滑动,可确定螺栓的预紧力F'。或式中F'即为每个螺栓所受的轴向工作拉力;kf为防滑系数,kf=1.1~1.3;m为结合面数;z为螺栓数目。RfsFkzmFmzFkFsRf2.铰制孔螺栓联接:承受横向载荷时,靠螺栓的挤压、剪切承受外载,每个螺栓所受的横向工作剪力为FS=FR/z式中z为螺栓数目三、受旋转力矩T的螺栓组联接(1)普通螺栓联接假定由F'在结合面内产生的摩擦力为集中力,且该力与螺栓中心和该组螺栓中心的连线相垂直。根据各力对底板的静力平衡,可求得F',即TkrFrFrFfzsss21ziisfzsfrTkrrrTkF1
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