高职《机械设计基础》螺纹连接与螺旋传动-、教案

****职业技术学院教案第10次课教学课型：理论课√实验课□习题课□实践课□技能课□其它□主要教学内容7.1螺纹连接的基本知识7.2螺纹连接的预紧与防松重点、难点1.螺纹及螺纹联接及其零件的结构和类型2.螺纹连接的预紧和防松教学目的要求：1.了解螺纹联接的基本类型以及其间的区别；2.掌握螺纹联接、预紧和防松措施教学方法和教学手段：多媒体讲授讨论、思考题、作业：1.常用螺纹的种类有哪些？各用于什么场合？2.螺纹的导程和螺距有何区别？3.螺纹连接的基本形式有哪几种？参考资料：多媒体材料，网络资料讲稿内容备注7.1螺纹联接1.螺纹的分类螺纹主要尺寸的不同，其性能、用途也不同。常用的螺纹牙型有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和矩形螺纹（其中除矩形螺纹外都已经标准化）。2.螺纹的主要几何尺寸在机械制图中，我们已经接触过螺纹和螺纹联接件。现在我们就以图7-1来说明螺纹的主要几何参数，该图是GB192-81标准化的螺纹牙型图。（1）大径d（D）：螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。（2）中径2d（2D）：通过螺纹轴向剖面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，是确定螺纹几何参数的直径。（3）小径1d（1D）：即螺纹的最小直径，在强度计算中常作为危险剖面的计算直径。（4）螺距p：螺纹相邻两牙在中径上对应两点的轴向距离。（5）线数n：螺纹的螺旋线数量，也称螺纹头数。（6）导程s：同一螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。对于单线螺纹s=p；对于多线螺纹s=np。（7）升角：中径2d圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。（8）牙型角：螺纹牙型两侧边的夹角。图7-1（9）螺纹的工作高度h：表示内外螺纹沿径向的接触高度。对于这些几何参数值的规定，国际上和国内都已经标准化。规定的值不同，就会形成不同的螺纹，需要时可以查阅相关的手册和国家标准。3.常用螺纹的特点和应用1）三角形螺纹（普通螺纹）牙型角为60º，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。2）管螺纹多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55º，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。3）梯形螺纹牙型角为30º，是应用最为广泛的传动螺纹。4）锯齿型螺纹两侧牙型角分别为3º和30º，3º的一侧用来承受载荷，可得到较高效率；30º一侧用来增加牙根强度。适用于单向受载的传动螺纹。5）矩形螺纹牙型角为0º，适于作传动螺纹。以上5种常见螺纹牙型如图7-2所示。另外，螺纹可以根据需要制成左旋或右旋（通常螺纹为右旋）。图7-2图7-3沿螺纹轴线方向看，螺旋线自下而上向右倾斜为右旋（如图a），向左倾斜为左旋（如图b）。左旋螺纹的标准紧固件通常制有左旋标记。按制订的螺纹标准不同，现在常见的有米制和英制两大类。我国除管螺纹外，一般采用米制。要注意：在实际工作中，特别是从事维修行业时要注意一些进口机器中螺纹的单位制。凡是牙型、大径和螺距符合国家标准的螺纹都称为标准螺纹。除机械制造中常用的标准螺纹外，还有适用于某些特殊行业的专用螺纹标准，在需要的时候可以查阅有关的设计手册。虽说螺纹并不陌生，但为了从理论的高度来理解和研究螺纹联接，接下来我们就需要对螺纹联接的基本类型和螺纹常用紧固件进行了解。4.螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件螺纹紧固件如图所示为典型的螺纹联接方式之一。从图中可以看出，联接必须存在至少两个被联接件。同时具有螺栓、垫片、螺母等零件组成了一个联接。那么，螺纹紧固件的种类到底有那些呢？联接实际上是和人类的发展紧密相连的。随着工业化进程的发展，随着专业化分工的出现，为了提高零件的互换性，标准化势在必行。作为各个行业都不可或缺的重要部分：联接，特别是螺纹联接、螺纹紧固件的类型、规格标准化显得更具重要性。就目前来讲，螺纹紧固件的品种很多，但是从结构等方面来说，常用的有以下几种。（1）螺栓螺栓是工程上、日常生活中应用最为普遍、广泛的紧固件之一，其形状如图7-4所示。螺栓的头部有各种不同形状，但是我们最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小图8-12图7-4图7-3六角头。一般情况下我们使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。（2）双头螺栓如图所示。双头螺栓的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。其安装方式是一端旋入被联接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。（3）螺钉螺钉的头部有各种形状，如图7-5所示。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名，如：半圆头螺钉、圆柱头螺钉、沉头螺钉和内六角圆柱螺钉等等。螺钉的承载力一般较小。但是注意：在许多情况下，螺栓也可以用作螺钉。（4）紧定螺钉常用紧定螺钉如图7-6所示。紧定螺钉主要用于小载荷的情况下。例如，以传递圆周力为主的情况下，防止传动零件的轴向串动等。可以看出：紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。（5）螺母螺母是和螺栓相配套的标准零件，其外形有：六角形、圆形、方形及其它特殊的形状。如图7-7所示。其厚度有厚的、标准的和扁的，其中以标准的应用最广。图7-7图7-6图7-5（6）垫圈垫圈也是标准件，品种也最多，如图7-8所示。但是，应用最多、最常见的有平垫和弹簧垫两种。平垫的目的主要是为了增加支承面积，同时对支承面起保护作用。弹簧垫主要是用于防止螺母和其它紧固件的自动松脱。所以凡是有振动的地方又未采取其它防松措施时，原则上都应该加装弹簧垫。除了以上两类垫圈外，还有一些特殊的垫圈，如方斜垫圈、止动垫圈等等。在需要的时候可查阅设计手册。在选用标准件紧固件时，我们应该视具体情况，对连接结构进行分析比较后合理选择。另外，我们需要注意：螺纹紧固件一般分精制和粗制两种，在机械工业中主要选择使用精制螺纹。5．螺纹联接的基本类型根据所用紧固件和联接方式的不同，螺纹联接可以分为四种基本类型。1）螺栓联接如图7-9所示的螺栓连接。其主要特点是被联接件上制有通孔，孔与螺栓杆之间可以留有间隙（普通螺栓连接），也可以将螺栓杆上的没有螺纹部分作成与孔的过渡配合联接形式。普通螺栓联接：由于孔和杆之间留有间隙，可以补偿各孔之间的位置误差，且加工简单，装拆方便，所以得到广泛的应用。通孔的大小不能随意，应该根据装配精度查机械设计手册确定。铰制孔螺栓联接：多采用基孔制过渡配合，如H7/m6，H7/n6等，螺杆与通孔加工精度高。由于孔与杆之间是过渡配合，具有定位作用，可以承受横向载荷，但是加工成本高。在选择螺栓时，需要考虑联接的结构尺寸进行。7-9图7-82）双头螺栓联接如图7-10所示。从图上可以看出，其主要特点为一个被联接件上制有螺纹孔，其它被联接件上则有通孔。这种联接主要用于被联接件较厚或受到空间位置尺寸限制，而又需要经常拆卸的情况下使用。这种联接拆卸时，只需要把螺母拧下即可，而螺柱留在原位，以免因多次拆卸使内螺纹损坏（磨损失效）。其螺柱的拧入深度的取值与被联接件的材料、螺柱的直径有关。3）螺钉联接如图7-11所示，为以典型的工程螺钉联接形式，其特点是：在一个被联接件上加工有螺纹孔，装配时螺钉直接拧入螺纹孔中，不需要螺母。这种联接主要用在空间位置受到限制，而且联接不需要经常拆卸的地方。比较上面三种联接方式可以看出，一般情况使用螺栓联接，在空间位置尺寸受到限制时，可以使用双头螺栓联接，也可以使用螺钉联接，其选择取决于拆卸的频繁程度。4）紧定螺钉联接如图7-12所示，这种联接主要用来固定被联接件的相对位置的。如图中，主要传递扭矩，为了防止轴向串动加设紧定螺钉。当然，也可以传递较图7-10图7-12图7-11小的力或扭矩。7.2螺纹联接的预紧与防松7.2.1螺纹联接的预紧在日常生活中，我们大多数同学都应该拧过螺栓。根据个人的经验知道：当利用螺栓联接时，需要将螺母拧紧，为什么呢？下面我们就从科学的理论与方法来探讨研究这方面的问题。我们根据日常的生活经验和前面学过的材料力学有关知识知道，任何材料在受到外力作用时，都会产生或多或少的形变，螺栓也不例外。当联接螺栓承受外在拉力时，将会伸长。如果我们在初始时仅将螺母拧上使各个接合面贴合，那么在受到外力作用时，接合面之间将会产生间隙。所以为了防止这种情况的出现，我们都知道在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成联接的所有零件都产生一定的弹性变形（螺栓伸长、被联接件压缩），从而可以有效地保证联接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为预紧力。显然，预紧的目的就是：增强联接的紧密性、可靠性，防止受载后被联接件之间出现间隙或发生相对滑移。经验证明：选用适当较大的的预紧力，对螺栓联接的可靠性及螺栓的疲劳强度都是有利的。但过大的预紧力会使紧固件在装配或偶尔过载时断裂。因此，对于重要的螺栓联接，在装配时需要控制预紧力。对于一般联接用的钢制螺栓，其联接预紧力pQ不超过其材料屈服极限s的80%。可以按下面的推荐的关系式确定：碳素钢螺栓：1)7.0~6.0(AQsp合金钢螺栓：1)6.0~5.0(AQsp式中：A1——为螺栓的危险剖面面积。预紧力的具体数值应该根据载荷性质、联接刚度（后面要讲）等具体的工作条件来确定。对于重要的螺栓联接，应在图纸上作为技术条件注明预紧力矩，以便在装配时保证。1．预紧力控制方法图7-13图7-14在装配时，预紧力是借助于测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图7-13、7-14所示，通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。预紧力矩有两部分组成：1）螺纹副的摩擦力矩T1；2）螺母和钉头与支承面间的摩擦力矩T2。预紧力矩的计算公式为：20203030231)tan(21dDdDQfQdTpcvp其中：pQ——预紧力——螺纹升角v——螺旋副的当量摩擦角00,dD——支承面环形带的外径、内径2d——螺纹中径cf——支承面间的摩擦系数对于d为10～64mm的常用粗牙普通钢制螺栓，上式可近似简化为：dQTp2.0对于只靠经验而不加严格控制预紧力的重要螺栓,例如压力容器、输气、输油管道等联接螺栓，不宜采用小于M12～M16的紧固件。2．预紧应力预紧应力的计算应综合考虑pQ产生的拉应力和摩擦力矩产生的剪应力T，故对采用塑性钢材制造的普通紧固件，应该采用第四强度理论来计算其ca。3.1322Tca（5.0T）因为214dQAQpp，所以：2143.1dQpca也即：可以将预紧力增加30%，以考虑扭转剪应力的影响。****职业技术学院教案第11次课教学课型：理论课√实验课□习题课□实践课□技能课□其它□主要教学内容7.2螺纹联接的预紧和防松7.3螺栓组联接设计7.4螺栓联接的强度计算7.5提高螺栓强度的措施重点、难点1．防松的必要性、基本原理和具体措施2.提高螺栓联接强度的措施教学目的要求：1．了解螺纹联接拧紧的目的2．了解螺纹联接防松的必要性以及防松的基本原理3.掌握提高螺栓联接强度的措施教学方法和教学手段：多媒体讲授讨论、思考题、作业：1.为什么螺纹连接通常要采用防松措施？常用的放松方法和装置有哪些？2.常见螺纹失效有哪几种形式？失效发生的部位通常在何处？参考资料：多媒体材料，网络资料讲稿内容备注7.2螺纹连接的预紧与防松7.2.2螺纹联接的防松机械中联接的失效（松脱），轻者会造成工作不正常，重者要引起严重事故。因此，螺纹联接的防松是工程工作中必须考虑的问题之一。一般来说，联接螺纹具有一定的自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱。但是，由于联接的工作条件是千变万化、各不相同的具体实际场合，都不可避免地存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小的现象；同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次的作用下，就会造成