第10章-连接

NorthwestA&FUniversity第十章连接《机械设计基础》第一节螺纹参数第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁（重点）第三节机械制造常用螺纹第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第五节螺纹连接的预紧和防松（重点）第六节螺纹连接的强度计算（重点）第七节螺纹的材料和许用应力第八节提高螺栓连接强度的措施第九节螺旋传动第十节滚动螺旋简介第十一节键连接和花键连接（重点）第十二节销联结NorthwestA&FUniversity常见的连接：由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。连接的类型：螺纹连接键连接、花键连接、销连接弹性环连接等焊接铆接粘接连接可拆连接不可拆连接本章介绍的内容第十章连接《机械设计基础》NorthwestA&FUniversity第一节螺纹参数第十章连接一、螺纹的形成：将一倾斜角为ψ的直线绕在圆住体上便形成一条螺旋线。如用平面图形三角形K沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线，就得到三角形螺纹。同样取平面图形K的形状如右上角任一图形，可得到矩形、梯形、锯齿形、管螺纹等。NorthwestA&FUniversity第一节螺纹参数第十章连接二、螺纹分类：1.一般分法：外螺纹、内螺纹；圆柱螺纹、圆锥螺纹；左旋螺纹、右旋螺纹。2.按牙型的不同分为：①三角螺纹，普通螺纹：效率低，易自锁，多用于连接。②矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹：效率较高，主要用于螺旋传动。3.管螺纹：主要用于管路的连接。4.根据螺旋线数目分：单线螺纹（n=1），双线螺纹（n=2），用于连接；多线螺纹（n≥2），用于传动。一般不超过4。NorthwestA&FUniversity第一节螺纹参数第十章连接NorthwestA&FUniversity第一节螺纹参数第十章连接三、螺纹的主要参数大径d：是螺纹的公称直径，与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。小径d1：常用于强度计算，与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。中径d2：常用于几何计算，一个假想圆柱体的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。螺距P：相邻两螺纹牙在中径线上对应点间的轴向距离。NorthwestA&FUniversity线数n：螺纹的螺旋线数目。导程S：沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。螺纹升角ψ：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。牙型角a：在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙侧角β：在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角。接触高度h：内外、螺纹旋合后接触面的径向高度。2nPtgψπd第一节螺纹参数第十章连接螺纹同一公称直径可以有好几种螺距，其中最大的称为粗牙螺纹，其余为细牙螺纹。我国螺纹已标准化，可查设计手册(或表10-1）NorthwestA&FUniversity第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接一、螺旋副的特点：1.螺旋副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面；2.螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动；3.当螺杆和螺母之间受到轴向力Fa时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力。NorthwestA&FUniversity几个补充概念：1.机械效率：输入功与输出功之比。2.自锁：当机构无论受多大的驱动力时都无法运动的现象。3.总反力：运动副中法向反力与摩擦力的合力，称为运动副中的总反力。4.摩擦角：总反力与法向反力之间的夹角。其大小为：arctanvfnn2ds=npvFRFFay第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversityFad2dd1y二、矩形螺纹受力分析(牙侧角β=0°)基本假设：载荷分布在中线上；单面产生摩擦力。力学模型：内外螺纹旋合形成的螺旋副，旋紧或松开时，在驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可简化为作用在中径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动。nn2ds=npvFRFFay第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity拧紧力矩为：22tg()22addTFFy1.拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升拧紧力为：a()FFtgynn2ds=npvFRFFayFFRFaρ+ψ第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity3.自锁条件y防松力矩为：2.松开螺母时相当于滑块沿斜面等速下滑atg()FFy22tg()22addTFFy0)(tgayFF维持滑块等速运动所需的平衡力（防松力）为：FFRFaΨ-ρnn2ds=npvFRFFay第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity总结1.当ψ＞ρ，F＞0在轴向力Fa的作用下，欲使螺母匀速而不加速下滑，必须在螺母上作用力F或力矩T，阻止其加速下滑。2.当ψ≤ρ，F≤0在轴向力Fa的作用下，于使螺母匀速下滑，必须外加驱动力F或力矩T。否则，无论Fa多大，螺母不会下降——自锁。第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity式中f′为当量摩擦系数，即aaaFfFffFcoscostan(104)cosff式中ρ′=arctanf′，为当量摩擦角，β为牙侧角。三、非矩形螺纹受力分析(β≠0°)如下图所示，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。若把法向力的增加看作摩擦系数的增加，则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity1.拧紧螺母当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平推力：F=Fatg(ψ+ρ′)相应的拧紧力矩2.松开螺母当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得：F=Fatg(ψ-ρ′)相应的防松力矩为22tg()22addTFFy22tg()22addTFFy第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity若螺纹升角ψ小于当量摩擦角ρ′，则螺旋具有自锁特性，如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力Fa多大，都不能使螺旋副相对运动。考虑到极限情况，非矩形螺纹的自锁条件可表示为ψ≤ρ′为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件。第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity四、螺旋副的效率螺旋副的效率是有效功与输入功之比。若按螺旋转动一圈计算，输入功为2πT，此时升举滑块所作的有效功为FaS，故螺旋副的效率为由上式可知，当量摩擦角ρ′一定时，效率只是螺纹升角ψ的函数。效率曲线如图10-6所示。令dη/dψ=0，可得当ψ=45°－ρ′/2时效率最高。22nPd22tg()2tgtg()tg()aaaFSFTFnPdyyyy第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity滑块沿斜面匀速上升（旋紧）滑块沿斜面匀速下滑（松开）水平推力驱动力矩效率自锁条件)'(ytgFFa)'(22ytgdFTa)'(yytgtg)'(ytgFFa)'(22ytgdFTa'y第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁第十章连接NorthwestA&FUniversity第三节机械制造常用螺纹第十章连接NorthwestA&FUniversity一．三角形普通螺纹基本尺寸见表10—1和表10—2，α=60°，分粗牙（最大螺距）和细牙，细牙自锁性能好，强度高（小径大），但不耐磨，易滑扣。二．英制管螺纹α=55°，螺距为每英寸多少扣，公称直径为管内孔直径，表示为Gd″，用于水、煤气、润滑等管路系统的紧密联接。三．梯形螺纹见表10—3，α=30°，主要用于传动，一般间隙较大，可储润滑油。表示为Trd×P（trapezoid—梯形，d—直径，P—螺距）。基本尺寸见表10-3。第三节机械制造常用螺纹第十章连接NorthwestA&FUniversity第三节机械制造常用螺纹第十章连接例10-1试计算粗牙普通螺纹M10和M30的螺纹升角，并说明在静载荷下这两种螺纹能否自锁(已知摩擦系数f=0.1～0.15)。解（1）螺纹升角由表10-1查得M10的螺矩P=1.5mm，中径d2=9.026mm；M30的P=3.5mm，d2=27.727mm。对于M10：对于M30：（2）自锁性能普通螺纹的牙侧角β=α/2=30°，按摩擦系数f=0.1计算，相应的当量摩擦角为：因为ψ＜ρ，故能自锁。事实上，单线普通螺纹的升角约在1.5°～3.5°之间，远小于当量摩擦角，因此在静载荷下都能保证自锁(见图10-6的紧固螺纹区)。NorthwestA&FUniversity第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接螺纹连接的基本类型螺栓连接双头螺栓连接螺钉连接紧定螺钉连接普通螺栓连接铰制孔螺栓连接NorthwestA&FUniversity一、螺栓连接的基本类型：第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接1、螺栓联接a)普通螺栓联接(受拉螺栓连接)：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)铰制孔用螺栓联接(受剪螺栓联接)：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dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)NorthwestA&FUniversity第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接NorthwestA&FUniversity2.螺钉连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上需切制螺纹、装拆方便。适用场合：被连接件之一较厚，且不常装拆的场合。第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接适用于被联接件之一较厚，不宜制成通孔的场合。NorthwestA&FUniversity3.双头螺栓连接螺杆两端无钉头，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。第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接dNorthwestA&FUniversity第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接NorthwestA&FUniversity4.紧定螺钉连接拧入后，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。第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接NorthwestA&FUniversity•其他连接地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T形槽螺栓连接第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接NorthwestA&FUniversity二、螺纹紧固件螺纹紧固件的种类繁多，有适应面广、用量大的通用螺纹紧固件，还有适应某种需要、具有特殊结构的专用螺纹紧固件。通用螺纹紧固件已标准化。常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等，这类零件的结构型式和尺寸都已标准化，设计时可根据有关标准选用。第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接NorthwestA&FUniversity第四节螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件第十章连接NorthwestA&FUniversity第五节螺纹连接的预紧和防松第十章连接一、基本概念1.预紧：螺纹连接在装配时通常都要拧紧，这种拧紧称之为预紧。2.紧螺栓连接：装配时预紧的螺栓连接。3.松螺栓连接：不预紧的螺栓连接。4.预紧的目的：增加连接的刚度、紧密性，以防螺纹连接的松脱。拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面间的摩擦力矩。预紧后，螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的。因为预紧