学习情境9 螺纹连接与螺旋传动.doc

机械设计基础教案学习情境9 螺纹连接与螺旋传动主讲教师吴明清指导教师授课日期授课班级12模具学习情境任务11 螺纹组连接的结构设计与设计计算学时4能力目标掌握螺纹联接的基本知识，学会螺纹联接的设计方法，能进行单个螺纹联接的强度计算训练项目设计台式钻床中立柱的螺纹联接知识点螺纹联接的类型、螺纹联接的结构、提高螺纹联接强度的措施 、单个螺栓联接的强度计算 、螺栓组联接的结构设计 、螺纹联接的基本知识拓展教学重点与难点1、单个螺栓联接的强度计算2、螺栓组联接的结构设计教学方法任务驱动教学与典型案例讲解相结合教学准备课件，黑板，多媒体设备等。检测与评价职业能力(占70%)、职业素质(30%)； 评价成绩采用百分制。教案设计工作过程工作内容课前组织（5min）清点学生人数；检查授课环境；链接多媒体课件。任务导入（5min）用视频演示常用螺纹联接的形式及其特点。 提出学习任务：设计台式钻床中立柱的螺纹联接 学习任务：1.选出螺纹联接的标准件；2.完成设计说明书。 资讯（90min）2.1螺纹的种类和应用螺纹可以按照以下方法分类：1）根据螺纹在轴向剖面内的形状，分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹及锯齿形螺纹。2）根据螺纹旋线绕行的方向，分为右旋螺纹和左旋螺纹，如图10-2所示。机械制造中一般采用右旋螺纹，只在特殊需要时，才采用左旋螺纹。如煤气罐等危险设备使用的螺纹。3）根据螺旋线的数目，可分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹，如图10-2所示。沿一条螺旋线所形成的螺纹为单线螺纹，多用于联接；沿两条或两条以上在轴向等距分布的螺旋线所形成的螺纹为双线螺纹和多线螺纹，多用于传动。为了制造方便，一般不超过4线。图10-32.2螺纹的主要参数以圆柱普通螺纹为例，如图10-3所示，螺纹的主要参数如下：1)大径d 与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径，一般定义为螺纹的公称直径。在管螺纹中，其公称直径不是螺纹大径，而是近似等于管子内径。具体尺寸可以查阅有关国家标准。2)小径d1 与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中作危险剖面的计算直径。3)中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径。中径近似等于螺纹的平均直径，即d20.5(d+d1)。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。4)螺距P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。5)导程S 同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。如果螺纹线数为n，则S=nP。6)螺旋升角 在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线平面的夹角，即在中径圆柱面上螺旋线展开后与底面的夹角，如图10-1所示。 （10-1）7牙型角 在轴向平面内螺纹牙型两侧边之间的夹角。8牙型斜角 在轴向平面内螺纹牙型两侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角。对于对称牙型。2.3螺纹联接的基本类型按联接的结构特点，螺纹联接的主要类型有：螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接、紧定螺钉联接等。2.3.1螺栓联接及应用2.3.2双头螺柱联接及应用2.3.3螺钉联接及应用2.3.4紧定螺钉联接2.3.5其他螺纹联接及应用2.4螺纹联接的预紧螺纹联接分为松联接和紧联接，松联接是在装配时不拧紧，只在受到外载时才受到力的作用，比较少用。紧联接是在装配时需要拧紧，使联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F0。预紧的目的是增加联接的可靠性与紧密性，防止受载后被联接件间出现缝隙与相对滑移，保证正常工作。此外，适当提高预紧力，还能提高螺纹的疲劳强度。2.4.1螺纹联接的拧紧力矩T在预紧螺栓联接时，加在扳手上的力矩T必须克服螺旋副相对转动的摩擦阻力矩T和螺母与支撑面之间的摩擦阻力矩Tf。即： （10-15） （10-16） （10-17）式中：F0预紧力，N；螺纹升角；V当量摩擦角；d2螺纹中径，mm；fc螺母与被联接件之间的摩擦系数；rf支撑面间的摩擦半径，rf=（D1+d0）/4，mm。对于M10M68的粗牙普通螺纹，无润滑时，可取： （10-18）式中：d螺纹公称中径，mm。2.4.2拧紧力矩的控制方法预紧力F0的大小对普通螺栓的工作有很大影响，预紧力F0过大，会使联接超载，螺杆静载荷增大、降低螺杆本身强度；预紧力F0不足，螺纹联接不可靠，甚至导致联接失效。对于一般联接，可凭经验来控制预紧力F0的大小，但对于重要的联接就需要严格控制其预紧力。一般通过测力矩扳手（图10-12）和定力矩扳手（图10-13）控制力矩大小。较精确的方法是测量拧紧时螺栓的伸长变形量。2.4螺纹联接的防松计划与决策（5min）1.进行自愿分组。2.学习相关知识。3.明确工作思路。4.讨论任务实施注意事项。5.完成任务。6.检查评价。实施（30min）螺栓组联接结构设计的主要目的，在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接接合面间受力均匀，避免螺栓受各种附加载荷，便于加工和装配。为此，螺栓组结构设计时应综合考虑以下几方面的问题：1）联接接合面的几何形状应尽量简单，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，如圆形、环形、矩形、框形、三角形等，如图10-21所示。最好有两个对称轴，以使加工方便、计算容易。通常采用环形或条形接合面，以减少加工量和接合面不平的影响，同时增加联接的刚度。2)在布置螺栓时，应力求均匀对称、各螺栓受力合理。对于铰制孔用螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布不均。当螺栓联接承受弯矩或转矩载荷时，螺栓应尽量远离对称轴，靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力，增加联接的可靠性(图10-21)。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(图10-22)，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。3)螺栓的排列应有合理的间距、边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。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t。不得大于表10-3所推荐的数值。4)分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4、6、8、等偶数，以便在圆周上钻孔时分度和画线(图10-21(c)、(g)。同一螺栓组中的螺栓，不管其受力大小，其形状、尺寸、材料等应尽量一致，以便于加工和装配。5）避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外，还应在工艺上保证被联接件、螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座结构(图10-23)。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈(图10-24)等。螺纹联接的强度计算螺栓联接强度计算的目的，主要是根据联接的结构形式、材料性质和载荷状态等条件，分析螺栓的受力和失效形式，然后按相应的计算准则计算螺纹小径d1，再按照标准选定螺纹公称直径d和螺距P等。螺栓其余部分尺寸及螺母、垫圈等，一般都可根据公称直径d直接从标准中选定。本任务中立柱螺栓组受到切削力所形成的轴向力、立柱本身所受的重 力，以及切削时对立柱所形成的弯矩。计算时可按纯轴向力计算 然后对直径增大 20%，对弯矩所形成的弯曲应力进行修正。 1.每个螺栓所承受的载荷 Z为螺栓数目。 2.总的轴向力的计算残余预紧力F0取（0.20.6）F。考虑到螺栓扭转剪应力的作用，则螺栓危险截面的强度条件为：3.设计螺栓的直径 考虑到螺栓扭转剪应力的作用，则螺栓危险截面的强度条件为：检查与评价（15min）巡回指导检查，及时解答学生疑问。评价有教师评价与学生自评与互评相结合。评定形式比例评定内容评定标准得分自我评定20%1.学习工作态度 5分2.完成任务情况 5分3.出勤情况 5分4.独立工作能力 5分积极【5】；一般【3】；不积极【0】全部【5】；一半【3】；没有【1】全勤【5】；缺两次【3】；30%【0】强【5】；一般【3】；不强【1】小组评定30%1.学习工作责任意识 5分2.收集材料、调研能力 5分3.汇报、交流、沟通能力 10分4.团队协作精神 10分强【5】；一般【3】；不强【0】强【5】；一般【3】；不强【1】强【10】；一般【6】；不强【2】强【10】；一般【6】；不强【2】教师评定50%1.集体学习工作过程状态 10分2.计划制定、执行情况 10分3.任务完成情况 15分4.项目学习、实训报告 15分积极【10】；一般【6】；较差【2】好【10】；一般【6】；较差【2】好【15】；一般【10】；较差【5】【0】-【15】任务拓展（30min）计算图示圆柱形压力容器端盖的螺栓联接。己知容器内径D=200m，容器内流体的工作压力p=1.8MPa，螺栓数z=12，容器与容器端盖凸缘厚度均为18mm。拧紧螺母时不控制预紧力。解：1）确定每个螺栓所受的轴向工作载荷F（N）2）计算每个螺栓的总拉力FQ考虑到容器的紧密性要求，取残余预紧力F0=1.6F，则由式(10-25)计算螺栓的总拉力（N）3）确定螺栓的公称直径d螺栓材料选用35号钢，由表10-5查得s=320