第11章 连接-分析

第11章连接连接是指被连接件与连接件的组合。被连接件：轴与齿轮，轮圈与轮心，箱体与箱盖等。连接件：又称紧固件。如螺栓、螺母、键、销、铆钉等。有些连接使用紧固件，有些则不使用。按拆开情况分类1.不可拆连接：若不损坏组成零件就不能拆开的连接。如铆接、焊接、粘结。2.可拆连接：允许多次装拆而无损于使用性能的连接。如键连接、销连接、螺纹连接。11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用d2一、螺纹的形成1.螺旋线的形成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。11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用d22.螺纹的形成取一平面图形，使其一边与圆柱体的母线贴合，沿着螺旋线运动，运动时保持该图形平面始终位于圆柱体的轴线平面内，该平面图形在空间所形成的轨迹就是相应的螺纹。11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用1.按牙型分类：矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用2.按螺纹的旋向分1)右旋(常用);2)左旋(特殊情况用)。3.按螺旋线的根数分单线螺纹（n=1）多用于连接多线螺纹（n≥2）用于传动11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用4.按回转体的内外表面分内螺纹：在回转体的内表面形成的螺纹。外螺纹：在回转体的外表面形成的螺纹。两者旋合组成螺纹副或称螺旋副。5.按螺旋的作用分连接螺纹：起连接作用的螺纹。包括普通螺纹，管螺纹。传动螺纹：起传动作用的螺纹。包括矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹。11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用连接螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制传动螺纹11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用6.按母体形状分圆柱螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹11.1螺纹11.1.1螺纹类型与应用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圆柱螺纹圆锥螺纹11.1螺纹11.1.2螺纹的主要参数1.大径d：螺纹的最大直径。在标准中定为公称直径。2.小径d1：螺纹的最小直径。也是外螺纹的危险剖面的直径(强度直径)。3.中径d2：轴向剖面内牙厚等于牙宽的圆柱直径，一般取d2≈（d1+d）/24.螺距P：相邻两牙平行侧面间的轴向距离。5.导程S：同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。S=nPn为螺旋线数。11.1螺纹11.1.2螺纹的主要参数6.螺纹升角ψ:在中径d2圆柱上,螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。7.牙型角α：轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙侧角β：轴向截面内螺纹牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。对于对称牙型：β=α/22πdnP2πdStanψ11.2螺纹副受力分析、效率与自锁11.2.1矩形螺纹1、受力分析r2TFFaψ＋ρ表示置于螺杆螺纹上的螺母加在螺母上的载荷使螺母上升的外加力矩力矩T相当于加在螺母上的水平驱动力。表示矩形螺杆T=Fr2FRr2TFFaψρFRr2TFψ+ρFRFar2TFFaψ+ρFRr2TFFaψ+ρFR螺母沿螺纹上升相当于滑块在斜面上运动。r2TFFaψ+ρFR2r2sψ+ρFFaFRAψρ滑块A上升2r2sψ+ρFFaFRAψ滑块A上升2r2sψ+ρFFaFRAφF=Fatan(ψ+ρ)ψ+ρFRFFaT=F•d2/2=Fa•(d2/2)•tan(ψ+ρ)2r2sψ-ρFFaFRA滑块A下降ψ下滑支持力主动力滑块A下降2r2sψ-ρFFaAψF=Fatan(ψ-ρ)FRFRFFaψ-ρT=Fa•(d2/2)•tan(ψ-ρ)11.2螺纹副受力分析、效率与自锁11.2.1矩形螺纹2.螺旋副的效率当螺旋副转动一圈需输入的功为W1=F•πd2=Fatan(ψ+ρ)•πd2升举重物所作的有效功为W2=FaS=Faπd2tgψ螺旋副的效率为ψρ)tan(ψtanψ1W2Wη11.2螺纹副受力分析、效率与自锁11.2.1矩形螺纹令由于过大的升角加工困难，且效率增加也不显著，故一般取ψ≤25°。时，效率最高。2ρ45ψ可得0,dψdη11.2螺纹副受力分析、效率与自锁11.2.1矩形螺纹3.自锁条件自锁：在轴向力作用下,螺旋副不会自动松脱的现象。自锁条件：当重物沿斜面等速下降时，摩擦力向上，这时F不是推力，而是阻力。由F=Fatg(ψ–ρ)当ψ≤ρ时，F≤0，即不加支持力F,重物在轴向力Fa的作用下，也不会自动滑下。即螺旋副具有自锁作用。所以,自锁条件是：ψ≤11.2螺纹副受力分析、效率与自锁11.2.2非矩形螺纹β0°，包括三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹等。略去升角的影响，非矩形螺纹的摩擦力为f•Fa/cosβ=f´Fa式中f´称为当量摩擦系数。f´=f/cosβ=tanρ´ρ´称为当量摩擦角。只要将f改为f´，ρ改为ρ´，就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行分析。1.受力分析F＝Fatan(ψ+ρ´)2.效率3.自锁条件:ψ≤ρ´)ρtan(ψtanψη11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件机械制造常用螺纹一、连接用螺纹要求自锁性好。三角形螺纹当量摩擦系数f´较大，自锁性较好，连接用螺纹多使用三角形螺纹。三角形螺纹主要有普通螺纹和管螺纹。普通螺纹多用于紧固连接。管螺纹用于各种管道的紧密连接。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件机械制造常用螺纹1.普通螺纹牙型角α=60°，牙侧角β=30°。普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。粗牙螺纹应用最广。细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高。缺点：不耐磨、易滑扣。应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。Pd粗牙dP细牙dP细牙60˚11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件机械制造常用螺纹55˚非螺纹密封的管螺纹dd2d1P2.管螺纹普通细牙螺纹用于薄壁管件的连接。非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁α=55˚）螺纹面间没有间隙，密封性好，适用于压强在1.6MPa以下的连接，多用于水、煤气、润滑管路系统。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件机械制造常用螺纹dd2d1P用螺纹密封的管螺纹55˚φ2φ用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α=55˚）螺纹分布在锥度为1：16（φ=1°47′24″）的圆锥管壁上。螺纹旋合后，利用本身的变形就可以保证连接的紧密性，不需要任何填料，密封简单。用于高温高压系统及润滑系统。60˚圆锥管螺纹螺纹分布在锥度为1：16的圆锥管壁上。用于气体或液体管路系统依靠螺纹密封的连接螺纹（水、煤气管道除外）。管螺纹的公称直径是管子的公称通径。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件机械制造常用螺纹二、传动用螺纹要求效率较高。1.梯形螺纹β=15º。工艺性好，牙根强度高。用剖分螺母时，可调整间隙。应用较广。2.锯齿形螺纹工作面β=3º，非工作面β=30º，效率较高，牙根强度高。用于单向受力的传力螺纹。梯形30º锯齿形30º3º11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件机械制造常用螺纹螺纹的精度等级A级公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合；B级用于受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接；C级用于一般连接，最常用。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.1螺纹连接的基本类型连接用的螺纹绝大多数是单线三角形螺纹，升角ψ=1.5-5°。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.1螺纹连接的基本类型螺栓连接是利用一端有头另一端有螺纹的螺栓穿过被连接件的孔并旋上螺母，将被连接件连在一起。这种连接无需在被连接件上切制螺纹，构造简单，装拆方便，成本较低，使用时不受被连接材料的限制，应用较广。主要用于被连接件不太厚并能从连接两边进行装配的场合。铰制孔用螺栓，螺栓杆与孔壁之间没有间隙。这种螺栓能精确固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷。eaal1l1铰制孔螺栓潘存云教授研制潘存云教授研制dd1.螺栓连接11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.1螺纹连接的基本类型螺钉连接不用螺母，而是直接把螺钉的螺纹部分拧进被连接件之一的螺纹孔中实现连接。主要用于被连接件之一太厚或结构上受限制不能采用螺栓连接，且不需经常拆装的场合。2.螺钉连接11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.1螺纹连接的基本类型潘存云教授研制3.双头螺柱连接d双头螺柱的两端均有螺纹。连接时，其一端的螺纹紧固在被连接件之一的螺纹孔中，另一端则穿过另一被连接件的孔并用螺母拧紧，从而将被连接件连在一起。拆却时，只需旋下螺母，螺柱仍留在螺纹孔中，故螺纹孔不易损坏。主要用于被连接件之一太厚而又需经常拆装或结构上受限制不能采用螺栓连接的场合。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.1螺纹连接的基本类型潘存云教授研制紧定螺钉连接是把紧定螺钉旋入一被连接件的螺纹孔中，其末端顶住另一被连接件的表面或进入该零件上相应的凹坑中，以固定两零件的相对位置。这种连接多用于轴与轴上零件的连接，可以传递不大的力或扭矩。紧定螺钉4.紧定螺钉连接11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.2螺纹紧固件螺纹紧固件的品种很多，在机械制造中常见的有螺栓、螺钉、双头螺柱、螺母、垫圈等。这些零件的结构和尺寸都已标准化，是一种商品性零件。它们的公称尺寸为大径d。设计时，可根据d的大小在相应的标准或设计手册中查出其它尺寸。11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件潘存云教授研制潘存云教授研制螺栓螺纹紧固件螺栓的结构形式LL0d六角头LdL0小六角头11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.2螺纹紧固件dL0L1LL1-----座端长度L0-----螺母端长度二、螺纹紧固件螺纹紧固件双头螺柱螺栓11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.2螺纹紧固件螺纹紧固件末端结构头部结构螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.2螺纹紧固件潘存云教授研制螺纹紧固件潘存云教授研制地脚螺栓潘存云教授研制起吊螺钉螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接T型螺栓11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.2螺纹紧固件六角螺母六角扁螺母六角厚螺母圆螺母螺纹紧固件螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹连接11.3螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件11.3.2螺纹紧固件垫圈平垫圈薄平垫圈A型平垫圈B型平垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓螺纹紧固件斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面，防松。专用螺纹连接11.4螺纹连接的预紧与防松11.4.1螺纹连接的预紧按螺纹连接装配时是否拧紧，分为紧连接和松连接。松连接只在承受外载荷时螺栓才受到力的作用。大多数螺纹连接在装配时必须拧紧螺母，此时螺栓所受的轴向拉力叫预紧力。这种连接叫紧螺栓连接。1.预紧的目的提高连接刚度、紧密性和防松能力。受拉螺栓连接，可提高疲劳强度；受剪螺栓连接，可增大摩擦力。11.4螺纹连接的预紧与防松11.4.1螺纹连接的预紧2.预紧力的确定预紧力F0的值由螺纹连接的要求决定。为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的50-70%。11.4螺纹连接的预紧与防松11.4.1螺纹连接的预紧3.拧紧力矩T=T1+T2式中T1——螺母支承面上的摩擦阻力矩。T2——螺旋副相对转动的阻力矩。对于M10-M68的粗牙螺纹，可取T=0.2F0dNmm式中d——螺纹公称直径，mm；F0——预紧力，Ｎ。11.4螺纹连接的预紧与防松11.4.1螺纹连接的预紧４.控制拧紧力矩