第5章 螺纹联接和螺旋传动.doc

教 案授课时间2007年 10 月 18 日 星期 四 第 1、2 节2007年 10 月 22日 星期 一 第 1、2 节2007年 10月 25日 星期 四 第 1、2 节授课内容概要5-1 螺纹5-2 螺纹联接的类型和标准联接件5-3 螺纹联接的预紧5-4 螺纹联接的防松5-5 螺纹联接的强度计算5-6 螺纹组联接的设计5-7 螺纹联接的材料及许用应力5-8 提高螺纹联接强度的措施5-9 螺旋传动目的要求1、 掌握螺纹和螺纹联接的基本知识，单个螺栓联接的强度计算理论与方法；2、 了解各种螺纹联接标准件的常用材料及强度级别，预紧的目的，滑动螺旋传动设计计算的基本知识； 3、 理解防松的目的和防松的原理，控制预紧力的方法，扳手拧紧力矩和由此产生的预紧力的关系，各种防松装置及其应用，提高螺纹联接强度的各种措施，螺栓组联接的四种典型受力状态(轴向力、横向力、旋转力矩和倾覆力矩)下的受力分析，螺栓组联接的结构设计原理。 重点1、 螺纹联接的类型；2、 单个螺栓联接的强度计算；3、 螺栓组受力分析及强度计算；4、 提高螺纹联接强度的结构和工艺措施。难点1、 单个螺栓联接的强度计算；2、 螺栓组受力分析及强度计算；作业布置选择与填空：5-15分析与思考：5-8，9，1017设计计算：5-2124结构设计与分析：5-26习题5-4、5、7、8、9、10本章（节）参考书1 吴宗泽机械设计(第一版)高等教育出版社，2001年7月2 邱宣怀机械设计(第四版)高等教育出版社，1997年7月3 彭文生机械设计(第二版)华中科技大学出版社，2000年3月4 李育锡主编，机械设计作业集（1）（2）(第二版) 北京：高等教育出版社，20015 彭文生、黄华梁主编，机械设计教学指南(第一版)北京：高等教育出版社，20036 吴宗泽，黄纯颖主编，机械设计习题集(第三版) 北京：高等教育出版社，20027 濮良贵、纪名刚主编，机械设计学习指南(第四版)北京：高等教育出版社，20018 周开勤机械零件手册(第四版)高等教育出版社，1994年教学方法课堂讲授和多媒体演示主要教具多媒体、机械设计教具备注授 课 过 程 及 内 容备 注第五章 螺纹联接和螺旋传动51 螺纹（一） 螺纹的类型和应用 （重点内容）结合表51图，讲解常用螺纹类型、特点和应用；适当补充介绍一下自攻螺钉。（二） 螺纹的主要参数大径螺纹的最大直径，公称尺寸小径螺纹的最小直径，强度计算时作为危险截面的计算直径中径假想的平均直径，确定螺纹几何参数和配合性质的直径螺纹线数螺纹的螺旋线数目螺纹旋向左旋、右旋螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离；导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP；螺纹升角按螺纹中径d 2处计算；牙型角螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角；（新）接触高度h内外螺纹旋合后的接触面的径向高度。（新）52 螺纹联接的类型和标准联接件 （以自学为主）重点提示：普通螺栓（受拉螺栓） 结构、受力状况不同 铰制孔螺栓（受剪螺栓） 设计计算也将不同53螺纹联接的预紧 （以自学为主）预紧目的：防止联接松弛，失效！螺栓拧紧后，螺栓受拉，受预紧力F0 。预紧力F0不能过大，螺栓会拉断，应控制拧紧力矩T 。碳钢螺栓：合金钢螺栓： 拧紧力矩T = T1 + T2 T1：螺旋副摩擦力矩； T2：螺母与支撑面间摩擦力矩； ，T=FL，F 为拧紧力200N， L=15d， 15000N，这个预紧力拧M12螺栓，可能会拧断。重要联接不能用小螺栓，应大于M12。螺栓预紧后，其应力状态为拉扭联合作用。54螺纹联接的防松 p68 （以自学为主）防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为：摩擦防松：机械防松。（结合图简单讲解常用的摩擦放松和机械放松方法）55 螺纹联接的强度计算 （重点内容）（一）螺纹联接的失效形式和设计准则 联接的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。受拉螺栓主要失效形式：螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。受剪螺栓主要失效形式：螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。设计准则：受拉螺栓 受剪螺栓 ；螺纹联接的设计过程 : 根据联接的功能和结构要求-螺栓组设计-受力分析-受力最大的单个螺栓强度计算-按标准选择螺栓、螺母、垫圈及防松装置。（二）松螺栓联接强度计算松螺栓联接，螺母不拧紧，无预紧力。螺栓只受轴向工作拉力。 -校核公式（58） -设计公式（59）（三） 紧螺栓联接强度计算 （重点内容）1 仅承受预紧力F0（仅受横向载荷）的紧螺栓联接 图513螺栓受力：预紧力（拉伸力）F0 拉应力；拧紧力矩T 扭应力 由第四强度理论 强度计算公式 ，螺栓预紧后，其应力状态为拉扭联合作用。注意：紧螺栓联接时，如用普通螺栓，则螺栓中不仅受拉应力，还因拧紧时螺栓杆受扭而产生扭转切应力。按第四强度理论计算复合应力，应用中可按承受拉力1.3F0进行抗拉强度计算。 -校核公式 （514） 由于普通螺栓是靠拧紧后产生的摩擦力承受横向载荷，拧紧力须很大，而且摩擦因数不稳定，联接不可靠。 措施一：如图514采用减载零件 措施二：如图518采用铰制孔螺栓 P762 承受预紧力 F0 和工作拉力 F 的紧螺栓联接图515 解释拧紧、加载过程中，螺栓及被联接零件的受力变形状况图516 要求掌握弹性联接图的画法、各参量的物理意义、导出关系：螺栓刚度 Cb = ， 被联接件刚度Cm = ，由图，F2 = F1 + F ， F2 = F0 + F， F=tgb， F F= tgm， ， 螺栓的总拉力F2为： ，螺栓的残余预紧力F1为： 为螺栓的相对刚度，垫片越软，刚度Cm越小，相对刚度越大。采用橡胶垫片相对刚度为0.9，金属垫片为0.2。螺栓的相对刚度小，螺栓受力降低，提高螺栓联接的承载能力。强度计算公式： ，螺栓应力状态为拉扭联合作用。联接设计：a. 根据载荷计算工作拉力F； b. 根据联接要求选取残余预紧力F1；c. 计算螺栓总拉力F2=F+F1；d. 强度计算。对变载荷，当工作拉力在 0F 之间变化时，螺栓的总拉力将在F0F2之间变化，如图517， 由： ， ； 则应力幅为：对于承受轴向变载荷的重要螺栓，还应作疲劳强度校核。 保持不变。，与的区别3 承受工作剪力（横向载荷）的紧螺栓联接此乃受剪螺栓（即铰制孔螺栓），螺栓杆与孔壁间无间隙，螺栓杆受剪切和挤压作用。失效形式为剪断和压溃。按挤压和剪切强度条件计算挤压强度条件： （521）剪切强度条件： （522）56 螺栓组联接的设计 （重点内容）（一） 螺栓组联接的结构设计 （结合图例讲解）1 联接的接合面通常设计成轴对称的简单几何形状。2 螺栓的布置应使各螺栓受力合理。即应使普通螺栓受拉力，铰制孔螺栓受剪力；各螺栓受力尽可能小且均匀。3 螺栓的排列应有合理的间距、边距。4 分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4、6、8等偶数。5 同一螺栓组中的螺栓，其直径、长度、材料等应用相同的标准、规格。6 避免螺栓承受附加的弯曲载荷。7 合理选择螺栓组的防松装置。（二） 螺栓组联接的受力分析目的：找出螺栓组中受力最大的螺栓，并计算其值，尔后对其进行强度计算1 受横向载荷 F 的螺栓组联接注意：此时，可用铰制孔螺栓靠螺栓杆受剪和挤压抵抗横向载荷也可用普通螺栓靠拧紧形成的接合面间的摩擦力抵抗横向载荷。 (故：二者的强度条件不同，计算方法也不同。前者的承载能力远高于后者。）应用铰制孔螺栓时，见图522 b ,每个螺栓的工作载荷为 （认为z个螺栓均匀分担横向总载荷F ）: (5-23)然后，按式521、522 校核螺栓杆部的挤压强度和剪切强度。应用普通螺栓时，见图522 a ,应保证联接预紧后，接合面间所产生的最大摩擦力大于或等于横向总载荷 ： 或 (5-24)2 受转矩 T 的螺栓组联接本质上，各螺栓仍是承受横向载荷，同样可以采用两种螺栓。应用普通螺栓时，见图523 a ,应保证联接预紧后，每个螺栓所产生的摩擦力矩之总和大于或等于螺栓组的转矩T ： (5-25)应用铰制孔螺栓时，见图523 b ,因每个螺栓距回转中心距离不等而使受力不等，若假定底板为刚体，则各螺栓的受力大小Fi与其向径的大小ri成正比,即， 变形协调条件 (5-26)再引入 力矩平衡条件 (5-27)联立解式526 、527 得受力最大的螺栓的工作剪力为 (5-28)3 受轴向载荷F的螺栓组联接最典型的是液压缸、气压缸的缸体缸盖螺栓组联接。此时，认为作用在缸盖上的总载荷F平均分配给各螺栓，各螺栓所受的工作载荷为： (5-29)4 受倾覆力矩M的螺栓组联接见图525。未受载前，螺栓组已拧紧，受力情况如图525 b；加载后，受力情况如图525 c,变形也是弹性联接变形，只是左右两侧的变形方法相反而已。弹性联接图见图526力矩平衡条件 M Fi Li (5-30)变变形协调条件 Fi F max Li / L max 联立解上两式，得螺栓最大的工作载荷 F max M L max/ Li2 (5-31)同时，应满足： 不压溃条件 (5-36) 不离缝条件 (5-37)57 螺纹联接件的材料及许用应力 P83 解释表58、59、51058 提高螺纹联接强度的措施 （重点内容）P85必需强调：计算的强度不等于实际的强度。影响螺栓强度的因素很多，大多数影响因素都未在计算中考虑，如旋合的各圈螺纹牙的载荷分配、应力变化的幅度、应力集中的程度、有没有附加应力、材料的力学性能及制造工艺等，而且目前大多还无法进行定量计算。因此，了解和分析影响螺栓强度的因素，灵活掌握在实践中总结和应用的典型结构、技术措施、工艺方法及各种经验尤为重要（对其他零件也如此）。影响联接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。（一）降低影响螺栓疲劳强度的应力幅（）由前知，有两种办法，或同时使用效果最佳1、降低螺栓刚性作图法分析即（1）条件：、F、不变，、Q减小，（2）获得：，抗疲劳强度提高（3）措施：用竖心杆、细长杆、柔性螺栓联接等。被联接件刚性2、增大凸缘刚性：即螺栓联接耐疲劳强度1）条件：、F不变，、Q，2）使得：，提高螺栓联接耐疲劳强度3）措施：采用高硬度垫片、或直接拧在铸铁 被联接件表面上，有密封性要求时采用图4-31b形式3、同时使用Cb,Cm:增大凸缘刚性、减小，螺栓刚性，且适当增加即同时m(Cm), b(Cb),则F，a,使螺栓联接耐疲劳强度大大提高条件：Q、QP、F不变，QP，使得：，增大了螺栓联接抗耐劳强度措施：提高被联接件刚性Cm，降低螺栓刚性Cb,同时QP2QP2理想方法。（二）改善螺纹牙上载荷分布不均的现象工作中螺栓牙要抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈（螺距P）依次递减，旋合螺纹间的载荷分布按茹可夫斯基试验证明采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高联接的强度。办法：降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾a) 悬置螺母强度40%（母也受拉，与螺栓变形协调，使载荷分布均匀）b) 环槽螺母强度30%（螺母接近支承面处受拉）c) 内斜螺母强度20%（接触圈减少，载荷上移）d) （b）(c)结合螺母强度40%e) 不同材料匹配强度40%（三）减小应力集中的影响螺纹牙根、收尾、螺栓头部与螺栓杆的过渡处等均可能产生应力集中。1）加大过渡处圆角， 2）改用退刀槽2040%3）卸载槽， 4）卸载过渡结构。（四）采用合理的制造工艺方法1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度3040%2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等。可提高疲劳强度3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度70100%，此法具有优质、高产、低消耗功能。4）控制单个螺距误差和螺距累积误差。59 螺旋传动（一）螺旋传动的类型和应用1、应用 回转 直线 传递运动、动力 不自锁时2、传动形式：a) 螺杆转螺母移 b) 螺杆又转又移（螺平固定）用得多c) 螺母转螺杆移 d) 螺母又转又移（螺杆固定）用得少3、螺旋传动类型按用途分三类：1）传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋。特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁2）传导螺旋机床进给汇杠传递运动和动力，特点：速度高、连续工作、精度高3）调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。其特点是受力较小且不经常转动螺旋传动按摩擦副的性质分：滑动螺旋、滚动螺旋传动、静压螺旋（二）滑动螺旋的结构和材料1、结构结构：千斤顶典型结构 支承结构：a)螺杆长径比小时，直接用螺母支承千斤顶b)螺杆长径比大时，且水平布置，在两端与中间附加支承，以提高螺杆刚工，如机床丝杠。螺母结构 整体式结构简单，但磨损后精度较差， 部分式磨损后可补偿间隙、精度较高， 组合式适合于双向传动，可提高传动精度，消除空回误差齿形 矩形 梯形锯凿形 常用2、螺杆和螺母的材料注意：要求强度耐磨性，配对后f小，加工性好螺杆硬度高于螺母（三）滑动螺旋传动的设计计算1、耐磨性计算（设计）滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式，它会引起传动精度下降，空间大，并使强度磨损的影响因素：工作面的比压（主要因素），螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态等耐磨性计算主要限制螺纹工作面上比压P要求小于材料的许用比压。为什么？当V相同时，P大，磨损量大润滑油不被挤出的条件，形成油膜润滑耐磨性条件： （Mpa） 垂直于Q方面的接触投影面积（单圈螺纹）式中：h工作高 梯形，矩形h=0.5P 锯齿形 h=0.75P P螺距 u螺纹工作圈数，u=H/P, H螺母厚度 一般u10,以免载荷不均令H=d2 代入得设计公式： mm 取标准d 式中 螺母厚度系数 整体螺母 =1.22.5 剖分式螺母 =2.53.5 高精度螺母 =4P材料许用比压，表4-16，注意小时P值可适当提高（此时载荷分布均匀）自锁性验算对有自锁性要求的螺旋副如起重螺旋，火炮高低机等。自锁