机械设计-第九版-螺纹连接

第二篇连接连接机械动连接运动副机械静连接可拆连接不可拆连接螺纹连接键、花键、销连接无键连接铆接焊接胶接过盈连接连接的基本类型第五章螺纹连接和螺旋传动第六章键、花键、无键和销连接第七章铆接、焊接、胶接和过盈连接基本要求：1.了解连接的基本分类；2.掌握螺纹连接的主要类型；3.了解螺栓拧紧时连接中各零件的受力及螺栓的防松原理、装置和方法；4.掌握单个螺栓的受力分析及强度计算；5.了解提高螺栓连接强度的措施；6.了解花键连接、销连接的基本概念；7.掌握平键的类型、结构特点、尺寸选择及强度计算。d2一.螺纹的形成用于连接用于传动单线螺纹Sd2多线螺纹§5–1螺纹第五章螺纹连接二.螺纹的基本参数：牙形角α：螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙形斜角：牙型侧边与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。对于对称牙型=α/2。螺纹升角ψ：中径圆柱上，螺旋线切线与垂直螺纹轴线的平面间的夹角。tanψ=nP/(d2)接触高度h：内外螺纹旋合后接触面的径向高度。大径d：（公称直径）小径d1：（强度计算用）中径d2：（分析效率时用）螺距P：相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离。导程S：同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离。S=nP三.螺纹的分类：1）按牙形分：2）按螺旋线数分：单线、多线（一般不超过4线），线数越多，导程越大。单线用于连接，多线用于传动。3）按旋向分：右旋、左旋。一般用右旋。4）按内、外螺纹分：二者旋合组成螺旋副(螺纹副)5）按母体的形状分：圆柱螺纹、圆锥螺纹6）按采取标准制度的不同：公制、英制注：除了矩形螺纹外，其它螺纹都已标准化，设计时应按国家标准选取。机械制造常用螺纹：常用螺纹（按牙形分）三角螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹圆螺纹普通螺纹管螺纹粗牙螺纹细牙螺纹非螺纹密封螺纹密封米制锥螺纹用于传动四.常用螺纹的特点及应用：1.普通螺纹：是牙型角=60º的三角形米制螺纹，大径d为其公称直径。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，其余的均称为细牙螺纹。细牙螺纹因螺距小，升角小，因此自锁性好、强度高，但不耐磨、易滑扣。细牙螺纹用于薄壁零件以及受振动载荷的连接、微调机构中。2.管螺纹：基准直径为管子的外螺纹大径，牙型角=55º（60º），旋合后无径向间隙。3.用于传动的螺纹：§5-2螺纹连接的类型和标准连接件（一）螺纹连接的基本类型1.螺栓连接：（1）普通螺栓连接（2）铰制孔用螺栓连接螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接、紧定螺钉连接。被连接件的孔不用加工螺纹，装拆方便，用于经常拆装的场合。2.双头螺柱连接：用于被连接件之一比较厚，需经常拆装的情况。3.螺钉连接：被连接件之一需加工螺纹孔，省去了螺母，结构简单，用于不宜经常拆装的场合。4.紧定螺钉连接：用于固定两零件的相对位置，并传递不大的力或力矩。地脚螺栓吊环螺栓T形槽螺栓其它连接形式（二）标准螺纹连接件1.螺栓螺栓的形状较多，用途也很广泛。如右图所示为各种不同形式的螺栓。螺栓连接也可以用于螺钉连接中。2.双头螺柱3.螺钉、紧定螺钉螺钉的头部和端部有多种形式，以适应不同场合的需要。4.螺母普通用的螺纹连接件，按制造精度分粗制、精制两类。前者多用于建筑、木结构及其它次要场合，精制的广泛用于机器设备中。5.垫圈螺纹连接件分三个精度等级：A、B、C（高→低），C级最常用。精度等级要配套使用。6.自攻螺钉§5-3螺纹连接的预紧一.螺纹连接的预紧在装配时，螺纹连接都必须预紧。对于重要的螺纹连接，还应控制其预紧力的大小。1.预紧力：2.拧紧的目的：使连接在承受工作载荷之前预先受到力的作用，这个力称为预紧力。预紧力不能太大，否则易过载拉断，因此，要保证所需预紧力大小又不使连接件过载。1）增加连接的可靠性；2）增加连接的刚性；3）防松；4）受横向载荷作用时，增大摩擦力，防止相对滑动；5）增大疲劳强度。3.拧紧力矩T=T1+T2001）螺旋副间的摩擦力矩T1：设F0为螺栓所受的预紧力，则：)tan(0vFF)tan(222021vdFdFT2）螺母与支撑面间的摩擦力矩：202030300231dDdDFfTc2020303002031tan2dDdDFfdFTcv拧紧力矩:T0.2F0dN·mm对于M10~M64的普通螺纹，fc=0.15，，f为螺旋副间的摩擦系数,无润滑时f=0.1~0.2，则：dDdddd1.1,1.1,9.0002fv155.1tan,23~2411标准扳手长度L＝15d,若拧紧力为F，则T＝FL，F0＝75F，易使＜M12的螺栓过载拧断。∴重要连接应尽可能使用≥M12的螺栓。为使连接有足够的预紧力又不使螺栓拧断，预紧力可按屈服极限取：碳素钢螺栓F0（0.60.7）SA1合金钢螺栓F0（0.50.6）SA1对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。测力矩扳手定力矩扳手4.控制预紧力的方法：1）控制拧紧力矩；b.定力矩板手；2）测量螺栓的伸长量；a.测力矩板手；3）螺母转角法。一般的单线三角形螺纹=1º42‘~3º2’，而v=6.5º~10.5º，满足自锁条件v。加之螺栓头、螺母和支撑面间的摩擦力起到防松作用。因此，在静载与常温下，螺纹连接不会松脱。在冲击、振动、变载荷作用下，螺旋副间的摩擦阻力极不稳定，在某一瞬间会急剧减少以致消失，失去自锁能力，连接就可能松脱；螺栓在高温、温度变化较大的情况下工作，材料发生蠕变和应力松弛，也会使预紧力和摩擦力逐渐减少，最终导致连接失效。1.防松的根本原理：防止螺旋副的相对转动。2.防松的方法：•摩擦防松：摩擦防松简单方便，不如以下两种方法可靠。•机械防松：机械防松可靠，可和摩擦防松联合使用。用于不可拆卸连接。这种方法是将螺旋副变成非运动副，从而排除了相对运动的可能性。•永久防松：§5-4螺纹连接的防松1）摩擦防松弹簧垫圈防松自锁螺母防松对顶螺母防松0F0F00FF0F0F螺栓装配图开槽螺母开口销2）机械防松止动垫片防松串联钢丝防松3）永久防松正确错误§5-5螺栓组连接的设计（一）螺栓组连接的结构设计1.被连接件应为轴对称简单形状；2.根据载荷,合理布置螺栓位置：受力矩作用时应适当远离对称轴；避免偏心承载；3.受横向力的螺栓组受力方向不超过8个；分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数；4.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致；5.布置螺栓应留有合理的间距、边距，方便装配。扳手空间尺寸，查标准；压力容器螺栓间距见P74表5-4。螺栓组连接设计计算的一般步骤：螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓；单个螺栓受力和失效分析单个螺栓强度计算；确定螺栓的尺寸（直径、长度）。注意：螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。（二）螺栓组连接的受力分析两种情况的工作原理不同！普通螺栓连接铰制孔用螺栓连接1.受横向载荷的螺栓组连接fziFKFFKzifFss00或受力平衡条件：单个螺栓受力0F3.11.15567s～－防滑系数，取－接合面数目；；表，－接合面间的摩擦系数KiPf螺栓组受力F1）普通螺栓组连接单个螺栓受力zFF螺栓组受力F2）铰制孔用螺栓连接2.受转矩的螺栓组连接TKfrFfrFfrFzs02010力矩平衡条件：)(210zsrrrfTKF（1）普通螺栓连接ir0fF0fFziisrfTK1iriFmaxFmaxr（2）铰制孔用螺栓连接TrFzi1ii力矩平衡：zirTrF12imaxmax受力最大螺栓：变形量越大,则工作剪力越大iirFrFmaxmaximaxmaxirrFF然后校核受力最大螺栓的挤压与剪切强度。iiirFF03.受轴向载荷的螺栓组连接单个螺栓的受力：预紧力F0zFF工作力总拉力0FF4.受倾覆力矩的螺栓组连接假定底板为刚体，倾覆力矩作用在螺栓组连接的形心,受载后绕O-O转动仍保持平面在M的作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减小而地面压力增大失效分析：1.螺栓拉断；2.底板左侧出现间隙；3.底板右侧压溃。螺栓所受的工作拉力iLmaxLmaxFiFmaxmaxZZLFLFLFLF2211变形条件imaxmaxiLLFF螺栓所受的工作拉力与距离成正比2FmF2在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图F0底板受力分析1B1C2F1FF2C2BmF1mF2mF单个螺栓—地基受力变形图F1引起F1m引起zLFM1iii力矩平衡：螺栓与地基对底板的共同作用(左、右侧)下zLLMF1i2imaxmax受力最大螺栓：maxF最大工作载荷验算接合面的强度计算0maxminppp左侧不出现间隙：pmaxppp][max右侧不压溃：AzFp0mbmmaxpCCCWMWM00minWMAzFpppWMAzF][0max小结：1.在实际工作中，螺栓所受的工作载荷往往是以上四种简单形式的不同组合，但不论受力多复杂，都可以将复杂状态简化成以上四种简单的受力状况，先分别求螺栓的工作载荷，然后向量迭加，就可求出螺栓所受的总载荷；横向荷载+轴向载荷+翻转力矩横向载荷+旋转力矩2.虽然前面讲了螺栓的四种不同外载（横向、转矩、轴向、倾覆力矩），但对单个螺栓而言，受力只有两种：拉力、剪力；3.为了保证螺栓连接的可靠性,还要考虑综合条件，如不出现间隙、不压溃等。1.在轴向载荷作用下，螺栓杆或螺纹部分发生塑性变形或拉断；§5-6螺栓连接的强度计算一.螺栓连接的失效形式：受力分析时可分为：普通螺栓连接：松螺栓连接紧螺栓连接铰制孔用螺栓连接仅受预紧力作用的螺栓受预紧力和工作载荷作用的螺栓螺纹连接的失效往往是由于螺栓的失效而引起。对单个螺栓来说，受力的形式不外乎是轴向力或横向力。2.在横向载荷作用下，铰制孔螺栓连接的失效形式是：螺栓杆和孔壁的贴合上出现压溃或螺栓杆被剪断；3.螺纹牙的磨损。螺栓连接大多工作之前应预紧，称为紧螺栓连接设计准则：对受拉螺栓：保证螺栓的静力或疲劳强度。二.螺栓连接的强度计算：对受剪螺栓：保证螺栓的挤压强度和螺栓的剪切强度。1.松螺栓连接的强度计算MPa][421dFmm][4F1d)mm(1d按标准取d1F2.紧螺栓连接的强度计算1）仅受预紧力的紧螺栓连接这种螺栓在预紧力F0和螺旋副的摩擦力矩T1共同作用下。2104dF拉应力4/tan216/2/tan210123120dFddddFvv剪应力对M10～M64的普通钢制螺栓，取tanv≈0.17，tanΨ≈0.05，d2/d1=1.04～1.085.0得：3.15.0332222caMPa4/3.1210dFca强度条件根据第四强度理论：0F0F0F0F•承受横向载荷作用的普通螺栓连接不滑移条件：ifFKFs0当f=0.15,Ks=1.2,i=1时，F0=8F，螺栓的可能尺寸较大。FKifFs0可用减载零件来承受横向力，此时螺栓只起连接作用，不承载，强度计算按减载零件计算。1012103.144/3.1dFddFca或拉伸强度条件2）受轴向工作拉力的紧螺栓图示汽缸盖螺栓在汽缸工作前先要拧紧，因此螺栓受到预紧力F0的作用，汽缸工作时，螺栓还要受到由汽缸内部工作压力引起的工作载荷F的作用。F2=F0+Fmbb+‘mFF螺母未拧紧螺母已拧紧承受工作载荷预紧力变化：0—F0—F1（残余预紧力）被连接件总压缩量mm螺栓总伸长量：b螺栓总拉力：F2=F+F1bbbFCtan0mmmFCtan0由于螺栓和被连接件都是弹性体，满足虎克定律，因此θbF0mF0bθm被连接件变形Om螺栓力变形ObθbF0b力变形ObF2F1FFmb