河南科技大学精品课程机械设计基础.ppt

10 1螺纹参数 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 10 3机械制造常用螺纹 10 6螺纹联接的强度计算 10 8提高螺纹联接强度的措施 10 7螺拴的材料与许用应力 10 5螺纹联接的预紧和防松 10 4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件 第10章联接 联接 机械动联接 运动副 机械静联接 可拆联接 不可拆联接 螺纹联接 键联接 销联接 铆钉联接 焊接 胶接 固定联接 型面联接 4 4运动副中的摩擦分析 一 螺旋线的形成 螺纹有外螺纹与内螺纹之分 它们共同组成螺旋副 10 1螺纹参数 二 螺纹的分类 螺纹有外螺纹与内螺纹之分 它们共同组成螺旋副 联接用螺纹的当量摩擦角较大 有利于实现可靠联接 传动用螺纹的当量摩擦角较小 有利于提高传动的效率 螺纹按工作性质分为联接螺纹和传动螺纹 螺纹按牙齿形状分为 10 1螺纹参数 二 螺纹的分类 螺纹的旋向分为左旋螺纹和右旋螺纹 3 中径d2 1 大径d 2 小径d1 4 螺距p 5 导程l 6 螺纹升角 7 牙型角 牙侧角 l np 三 螺纹的主要参数 10 1螺纹参数 1 矩形螺纹 正行程拧紧螺母所需的驱动力矩为 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 一 受力分析 斜面机构 2 斜面机构受力分析 滑块沿斜面等速上升 正行程 滑块1受力 水平驱动力F 载荷G 反力FR21 滑块在三力作用下等速上升 则有 滑块沿斜面等速下降 反行程 滑块1受力 载荷G 此时为驱动力 阻力F 滑块在三力作用下等速下降 则有 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 1 矩形螺纹 正行程拧紧螺母所需的驱动力矩为 反行程放松螺母所需的平衡力矩为 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 一 受力分析 3 非矩形螺纹 0 矩形螺纹 非矩形螺纹 fV 当量摩擦系数 V 当量摩擦角 正行程 反行程 或 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 正行程 反行程 二 螺纹副的自锁 时 T 为阻力矩 阻止螺母加速松退 时 T 为驱动力矩 松动螺母所需外加的驱动力矩 反行程自锁条件 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 正行程 反行程 二 螺纹副的自锁 反行程自锁条件 螺旋副的受力分析 效率和自锁 温故知新 一 受力分析 三 螺纹副正行程的效率 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比 当 v一定时 在 45 v 2处效率曲线有极大值 对于传动螺旋 一般取 对于联接螺纹 必须取 v 5 7 v 25 fv tan v 0 1 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比 螺旋转动一圈时 有效功为Gl 输入功为2 T 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 10 3机械制造常用螺纹 三角形螺纹 普通螺纹 60 管螺纹 55 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 受动载荷的联接和微调机构 10 3机械制造常用螺纹 用螺纹密封的管螺纹 普通细牙螺纹 管螺纹 非螺纹密封管螺纹 圆柱管壁 55 用螺纹密封管螺纹 圆锥管壁 55 60 圆锥管螺纹 公称直径 管子的公称通径 非螺纹密封的管螺纹 10 3机械制造常用螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 15 3 粗牙普通螺纹的基本尺寸见P135表10 1 螺纹的基本尺寸 细牙普通螺纹的基本尺寸见P136表10 2 梯形螺纹的基本尺寸见P136表10 3 10 3机械制造常用螺纹 表10 1直径与螺距 粗牙普通螺纹基本尺寸mm 标记示例 M24 粗牙普通螺纹 直径24 螺距3 M24X1 5 细牙普通螺纹 直径24 螺距1 5 10 3机械制造常用螺纹 表10 3梯形螺纹基本尺寸mm 标记示例 Tr48X8 梯形螺纹 直径48 螺距8 一 螺纹联接的基本类型 10 4螺纹联接的类型及螺纹紧固件 4 一 螺纹联接的基本类型 1 螺栓联接 适用于两薄形零件联接 普通螺栓联接 受拉螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 受剪螺栓联接 受拉螺栓 受剪螺栓 10 4螺纹联接的类型及螺纹紧固件 2 螺纹余留长度l1 普通螺栓联接 受拉螺栓 结构 1 d d0 受力失效 工艺 钻孔 特点 装拆方便 应用广泛 10 4螺纹联接的类型及螺纹紧固件 10 4螺纹联接的类型及螺纹紧固件 3 l1要尽可能小 l1 0 1 0 2 d 铰制孔螺栓联接 受剪螺栓 结构 1 螺栓杆与孔有配合关系 过渡或过盈配合 2 ds d0 d 受力失效 工艺 先钻后铰 特点 装拆不方便 主要承受横向载荷 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 2 双头螺柱联接 螺钉联接 不可经常装拆 工艺 被联接件一件光孔 一件螺纹孔 受力失效 特点 双头螺柱 可经常装拆 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 适用于被联接件之一较厚 不宜制成通孔的场合 3 螺钉联接 10 3螺纹联接的类型与标准联接件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 4 紧定螺钉联接 用来固定两个零件的相对位置 受力较小 工艺 一件加工螺纹孔 另一件配加工锥孔 特点 靠摩擦力 是辅助定位 不经常装拆 轴毂轻载联接 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 除上述联接的基本类型外 在机器中 还有一些特殊结构的螺纹联接 如 T型槽螺栓联接 吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等 说明 二 标准螺纹联接件 螺纹联接的类型很多 在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化 设计时可以根据有关标准选用 虚拟现实中的螺纹联接件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 螺纹联接件分为三个精度等级 其代号为A B C 其中C级用于一般的螺纹联接 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 10 4螺纹联接的类型与螺纹紧固件 一 预紧力 大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧 使之在承受工作载荷之前 预先受到力的作用 这个预加作用力称为预紧力 增强联接的可靠性和紧密性 提高联接的刚度 提高螺栓在变载荷下的疲劳强度 拧紧后螺纹联接件的预紧应力一般可达材料屈服极限ss的50 70 二 预紧的目的 三 预紧力的确定原则 10 5螺纹联接的预紧和防松 碳素钢螺栓 合金钢螺栓 螺栓危险截面面积 一般标准扳手的长度L 15d 若拧紧力为F 则T FL 而T 0 2F0d 则 F0 75F 若F 200N 则F0 15000N 所以 对于直径小的螺栓 拧紧时很可能过载拉断 四 预紧力和预紧力矩之间的关系 注意 对于重要的联接 应尽可能不采用直径过小 M12 的螺栓 10 5螺纹联接的预紧和防松 五 预紧力的控制 测力矩扳手 力矩扳手定 测定螺栓伸长 测力矩扳手 定力矩扳手 10 5螺纹联接的预紧和防松 螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱 但在冲击 振动或变载荷作用下 或在高温或温度变化较大的情况下 螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失 导致联接失效 10 5螺纹联接的预紧和防松 螺纹联接的类型 螺拴联接 普通螺拴联接 铰制孔用螺拴联接 螺钉联接 紧定螺钉联接 双头螺柱联接 螺纹联接的预紧 螺纹联接的防松 摩擦防松 机械防松 其它方法防松 破坏螺纹副关系 防止螺旋副相对转动 温故知新 1 利用摩擦力防松 弹簧垫圈 对顶螺母 防松的根本问题 在于防止螺旋副相对转动 防松方法 摩擦防松 机械防松 铆冲防松 涂胶防松等 破坏螺纹副关系 10 5螺纹联接的预紧和防松 开口销与六角开槽螺母 2 机械防松 10 5螺纹联接的预紧和防松 圆螺母加止动垫片 10 5螺纹联接的预紧和防松 止动垫片 10 5螺纹联接的预紧和防松 串联钢丝 动画演示 10 5螺纹联接的预紧和防松 涂粘合剂 3 其他方法防松 破坏螺纹副关系 焊点法防松 0305 10 5螺纹联接的预紧和防松 10 5螺纹联接的预紧和防松 螺栓强度计算步骤 松螺栓联接强度计算 紧螺栓联接强度计算 1 承受横向工作载荷 螺栓仅受预紧力 2 承受轴向工作载荷 螺栓受预紧力和工作载荷 联接的失效形式 螺栓其它部分的结构尺寸是根据等强度条件和经验规定的 不需进行计算 可从标准中选定 动画演示 10 6螺纹联接的强度计算 受拉螺栓 螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂 受剪螺栓 螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃 仅承受轴向工作载荷 螺栓仅受工作载荷 铰制孔螺栓联接强度计算 仅承横受向工作载荷 螺栓承受工作剪力 螺栓强度计算 经常装拆 因磨损滑扣 螺栓强度计算步骤 松螺栓联接强度计算 紧螺栓联接强度计算 1 承受横向工作载荷 螺栓仅受预紧拉力 2 承受轴向工作载荷 螺栓受预紧拉力和工作拉力 联接的失效形式 动画演示 受拉螺栓 螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂 受剪螺栓 螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃 仅承受轴向工作载荷 螺栓仅受工作拉力 铰制孔螺栓联接强度计算 仅承横受向工作载荷 螺栓承受工作剪力 10 6螺纹联接的强度计算 解决的问题 2 保证强度足够 强度条件 1 保证承受工作载荷 承载 工作 条件 讨论的前提 工作载荷作用的位置通过螺纹的中心线或接合面上 10 6螺纹联接的强度计算 一 松螺栓联接强度计算 强度条件为 校核公式 设计公式 螺栓不预紧 联接承受轴向工作载荷F 称为受拉螺栓 特点 螺栓仅受工作拉力F 查表按标准螺栓直径 10 6螺纹联接的强度计算 由拉力Fa引起的拉应力 螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力 强度条件 根据第四强度理论 螺栓在预紧状态下的计算应力 对于M10 M64的普通螺纹 取d1 d2和 的平均值 并取 tg v 0 17 二 紧螺栓联接强度计算 螺栓拧紧时 螺杆受到拉力Fa 计入扭切应力 5 10 6螺纹联接的强度计算 1 横向工作载荷 二 紧螺栓联接强度计算 靠接合面产生的摩擦力承受横向载荷 螺栓在加载前后受力不变 螺栓仅受预紧力F0 受拉和扭切 特点 简称为受拉螺栓 要解决的主要问题 强度如何 预紧力F0 受载后不滑移 10 6螺纹联接的强度计算 即 Fa F0 工作时预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F C 可靠性 防滑 系数 常取C 1 1 1 3 预紧力F0 f 摩擦系数 m 接合面数 若取f 0 15 C 1 2 m 1 则 F0 8F 结构尺寸大 承载 不滑移 条件 强度条件 10 6螺纹联接的强度计算 改进措施 1 采用键 套筒 销承担横向工作载荷 2 采用无间隙的铰制孔螺栓 10 6螺纹联接的强度计算 铰制孔用螺栓联接 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 螺栓杆的剪切强度条件为 式中 F 螺栓所受的工作剪力 单位为N d0 螺栓剪切面的直径 可取螺栓孔直径 单位为mm Lmin 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 单位为mm 设计时应使Lmin 1 25d0 利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受横向工作载荷 螺栓杆与孔壁之间无间隙 接触表面受挤压 结合面处 螺栓杆则受剪切 受剪切和挤压 特点 承受横向工作载荷 简称为受剪螺栓 10 6螺纹联接的强度计算 松螺栓联接强度计算 紧螺栓联接强度计算 承受横向工作载荷 螺栓仅受预紧力 螺纹联接的强度计算 仅承受轴向工作载荷 螺栓仅受工作拉力 铰制孔螺栓联接强度计算 仅承横受向工作载荷 螺栓受工作剪力和挤压力 温故知新 2 轴向工作载荷 设缸盖上的压强为p 螺栓数目为z 则缸体周围每个螺栓的平均载荷为 以气缸盖为例 靠结合面产生的压缩变形保证缸体内的密封性 螺栓在加载前后受力变化 螺栓既预紧力又受工作载荷 受拉和扭切 特点 简称为受拉螺栓 动画演示 10 6螺纹联接的强度计算 要解决的主要问题 螺栓受到的总载荷Fa 强度如何 预紧力F0 受载后不漏气 紧密性 假设 螺纹各联接件为完全弹性体 略去螺栓头部 尾部变形 10 6螺纹联接的强度计算 加预紧力F0后 加载F后 螺栓总伸长量增加为 b0 被联接件压缩量减少为 C0 预紧力减小为 FR 螺栓受到的总拉力为 Fa 螺栓受拉伸长 b0 被联接件受压缩短 C0 螺母未拧紧 螺母已拧紧 已承受工作载荷 残余预紧力 10 6螺纹联接的强度计算 FR FE 螺栓的刚度 被联接件的刚度 10 6螺纹联接的强度计算 称为螺栓的相对刚度 10 6螺纹联接的强度计算 Fc 螺栓受到的总载荷Fa 预紧力F0 受载后不漏气 紧密性 强度条件 承载条件 10 6螺纹联接的强度计算 根据受载情况 求出螺栓的工作载荷FE根据螺栓工作要求 确定残余预紧力FR F无变化时 FR 0 2 0 6 FEF有变化时 FR 0 6 1 FE有密封要求时 FR 1 5 1 8 FE强度计算 设计步骤 静载荷下螺栓的强度计算 10 6螺纹联接的强度计算 螺栓类别 普通螺栓 受拉螺栓 单个螺栓受力 强度条件 松螺栓 轴向载荷 紧螺栓联接 横向载荷 F0 预紧力 轴向载荷 总拉力 铰制孔螺栓 受剪螺栓 横向载荷 螺栓联接强度计算小结 7 工作载荷 螺栓受力 Fa F 总拉力 剪切 挤压力 一 螺纹联接件材料 10 7螺拴的材料与许用应力 常用材料为 Q215 Q235 10 35 45钢 对于重要和特殊用途的材料 15Cr 40Cr 30CrMnSi等力学性能较高的合金钢 二 螺纹联接件的许用应力 表10 6 10 7 螺栓组 所有螺栓的材料 尺寸 拧紧程度完全一样 螺栓组设计的任务 1 合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式 力求各螺栓和螺栓接合面间受力均匀 便于加工和装配 结构设计 2 找出螺栓组中螺栓所受的载荷 受力分析 螺栓组联接的设计 1 为了便于加工制造和对称布置螺栓 保证联接结合面受力均匀 通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状 例如圆形 环形 矩形等 2 螺栓布置应使各螺栓的受力合理 一 螺栓组联接的结构设计 螺栓组联接的设计 对于铰制孔螺栓 不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置8个以上螺栓 以免载荷分布过于不均 螺栓组联接的设计 合理 不合理 当螺栓联接承受弯矩或转矩时 应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘 以减小螺栓的受力 如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷 应采用销 套筒 键等抗剪零件来承受横向载荷 3 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线 通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4 6 8等偶数 螺栓组联接的设计 4 螺栓的排列应有合理的间距 边距 扳手空间的尺寸可查阅有关标准 对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接 螺栓的间距t0不得大于推荐数值 表5 5螺栓间距t0 以螺栓联接为例 螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度 因此 提高螺栓的强度 将大大提高联接系统的可靠性 影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面 或从以下几个方面提高螺栓强度 改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 降低影响螺栓疲劳强度的应力幅 减小应力集中的影响 采用合理的制造工艺 分析 分析 分析 10 6提高螺纹联接强度的措施 10 8提高螺纹联接强度的措施 一 降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围 受轴向载荷时 当kc kb时 即工作载荷作用后 螺栓受的总拉力增加很少 Fa F0 当kc kb时 Fa FE F0 即工作载荷作用后 螺栓受的总拉力增加很多 为减小螺栓的总载荷 应使 1 采用柔性结构 2 有密封要求时 采用金属薄垫片 或者采用O形密封圈 宜采取措施 10 8提高螺纹联接强度的措施 二 改善螺纹牙上载荷分布不均的现象 F1 F2 F3 F4 F5 F F1 F2 F3 F4 F5 加厚螺母不能提高联接强度 10 8提高螺纹联接强度的措施 均载措施 悬置螺母 螺拴 母变形性质相同 10 8提高螺纹联接强度的措施 三 减小应力集中 增大过渡圆角 卸载槽 卸载过渡结构 10 8提高螺纹联接强度的措施 四 避免或减小附加弯曲应力 10 8提高螺纹联接强度的措施 凸台 沉头座 斜面垫圈 10 8提高螺纹联接强度的措施 凸台 沉头座 斜面垫圈 10 8提高螺纹联接强度的措施 功能 用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩 或实现零件的轴向固定或移动 一 键联接的功能 分类 结构形式及应用 分类 平键 半圆键 楔键 切向键等 1 平键联接 特点 结构简单 定心好 装拆方便 种类 普通平键 导向平键 滑键 10 11键联接和花键联接 普通平键 单圆头 C型 圆头 A型 方头 B型 用指状铣刀加工 固定良好 轴槽应力集中大 用盘铣刀加工 轴的应力集中小 用于轴端 便于安装 普通平键应用最广 A型 B型 C型 10 11键联接和花键联接 盘状铣刀铣键槽 指状铣刀铣键槽 10 11键联接和花键联接 导向平键 结构特点 长度较长 用螺钉固定轴上 为便于装拆 制有起键螺孔 零件可以在轴上移动 构成动联接 应用 用于轴上零件移动量不大的场合 如变速箱中的滑移齿轮 10 11键联接和花键联接 导向平键 10 11键联接和花键联接 A型 B型 C型 标记实例 圆头普通平键 A型 键16 100GB1096 79 圆头普通平键 B型 键B16 100GB1096 79 单圆头普通平键 C型 键C16 100GB1096 79 普通平键和键槽尺寸 GB1095 79 GB1096 79 普通平键和键槽尺寸 GB1095 79 GB1096 79 2 半圆键 键呈半圆形 其侧面为工作面 键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动 以适应轮毂上键槽的斜度 安装方便 常用于锥形轴端与轮毂的联接 对轴的削弱较大 只适用于轻载联接 10 11键联接和花键联接 3 楔键联接和切向键联接 结构特点 键的上表面有1 100的斜度 轮毂槽的底面也有1 100的斜度 缺点 定心精度不高 应用 只能应用于定心精度不高 载荷平稳和低速的联接 10 11键联接和花键联接 类型 普通楔键 钩头楔键 在重型机械中常采用切向键 一对楔键组成 10 11键联接和花键联接 10 11键联接和花键联接 二 键的选择和强度校核 1 键的尺寸选择 b h根据轴径d由标准中查得 键的长度参考轮毂的长度确定 一般应略短于轮毂长 并符合标准中规定的尺寸系列 平键的尺寸主要是键的截面尺寸b h及键长L 2 平键联接的失效和强度校核 对于普通平键联接 静联接 其主要失效形式是工作面的压溃 有时也会出现键的剪断 但一般只作联接的挤压强度校核 对于导向平键联接和滑键联接 其主要失效形式是工作面的过度磨损 通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算 10 11键联接和花键联接 键被剪断 10 11键联接和花键联接 设键侧面的作用力沿键的工作长度和高度均匀分布 则普通平键的强度条件为 导向平键和滑键联接的强度条件为 式中 sp p 为许用应力与许用压力 d d 10 11键联接和花键联接 3 采用两个楔键 应相隔90 12