螺纹参数计算ppt.ppt

第10章连接 内容 10 1螺纹参数 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 重点 10 3机械制造常用螺纹 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 10 5螺纹连接的预紧和防松 重点 10 6螺纹连接的强度计算 重点 10 7螺纹的材料和许用应力 10 8提高螺栓连接强度的措施 10 9螺旋传动 10 10滚动螺旋简介 10 11键连接和花键连接 重点 10 12销联结 常见的连接 由于使用 结构 制造 装配 运输等方面的原因 机器中很多零件需要彼此连接 连接的类型 本章介绍的内容 第10章连接 螺纹的形成 将一倾斜角为 的直线绕在圆住体上便形成一条螺旋线 如用平面图形三角形K沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线 就得到三角形螺纹 同样取平面图形K的形状如右上角任一图形 可得到矩形 梯形 锯齿形 管螺纹等 10 1螺纹参数 动画 动画 10 1螺纹参数 螺纹分类 一般分法 外螺纹 内螺纹 圆柱螺纹 圆锥螺纹 左旋螺纹 右旋螺纹 按牙型的不同分为 三角螺纹 普通螺纹 效率低 易自锁 多用于连接 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 效率较高 主要用于螺旋传动 管螺纹 主要用于管路的连接 根据螺旋线数目分 单线螺纹 n 1 双线螺纹 n 2 用于连接 多线螺纹 n 2 用于传动 一般不超过4 10 1螺纹参数 10 1螺纹参数 螺纹的主要参数大径d 是螺纹的公称直径 与外螺纹牙顶 或内螺纹牙底 相重合的假想圆柱体的直径 小径d1 常用于强度计算 与外螺纹牙底 或内螺纹牙顶 相重合的假想圆柱体的直径 中径d2 常用于几何计算 一个假想圆柱体的直径 该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等 螺距P 相邻两螺纹牙在中径线上对应点间的轴向距离 线数n 螺纹的螺旋线数目 导程S 沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离 S nP 螺纹升角 中径d2圆柱上 螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角 如上图 牙型角a 在轴向截面内 螺纹牙型两侧边的夹角 牙侧角 在轴向截面内 螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角 10 1螺纹参数 螺旋副的特点 螺旋副作为一种空间运动副 其接触面为螺旋面 螺纹在旋紧或松开过程中 螺纹之间相对移动 当螺杆和螺母之间受到轴向力Fa时 拧动螺杆或螺母 螺旋面间将产生摩擦力 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 几个补充概念 机械效率 输入功与输出功之比 自锁 当机构无论受多大的驱动力时都无法运动的现象 总反力 运动副中法向反力与摩擦力的合力 称为运动副中的总反力 摩擦角 总反力与法向反力之间的夹角 其大小为 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 矩形螺纹受力分析 牙侧角 0 基本假设 载荷分布在中线上 单面产生摩擦力 力学模型 内外螺纹旋合形成的螺旋副 旋紧或松开时 在驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动 可简化为作用在中径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 拧紧力矩为 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 1 拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升 拧紧力为 3 自锁条件 y r 防松力矩为 2 松开螺母时相当于滑块沿斜面等速下滑 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 维持滑块等速运动所需的平衡力 防松力 为 式中f 为当量摩擦系数 即 式中 arctanf 为当量摩擦角 为牙侧角 非矩形螺纹受力分析 0 如下图所示 非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大 若把法向力的增加看作摩擦系数的增加 则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 1 拧紧螺母当滑块沿非矩形螺纹等速上升时 可得水平推力 F Fatg 相应的拧紧力矩 2 松开螺母当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时 可得 F Fatg 相应的防松力矩为 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 若螺纹升角 小于当量摩擦角 则螺旋具有自锁特性 如不施加驱动力矩 无论轴向驱动力Fa多大 都不能使螺旋副相对运动 考虑到极限情况 非矩形螺纹的自锁条件可表示为 为了防止螺母在轴向力作用下自动松开 用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 螺旋副的效率螺旋副的效率是有效功与输入功之比 若按螺旋转动一圈计算 输入功为2 T 此时升举滑块所作的有效功为FaS 故螺旋副的效率为 由上式可知 当量摩擦角 一定时 效率只是螺纹升角 的函数 效率曲线如图10 6所示 令d d 0 可得当 45 2时效率最高 10 2螺旋副的受力分析 效率和自锁 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 动画 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 除上述基本类型以外 还有其它特殊连接 如地脚螺栓 吊环螺钉等 螺纹连接的基本类型 螺栓连接的基本类型 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 普通螺栓连接特点 孔与杆间有间隙 被连接件上无需切制螺纹 装拆方便 适用场合 经常装拆的一般场合 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 螺钉连接特点 孔与杆间有间隙 被连接件上需切制螺纹 装拆方便 适用场合 被连接件之一较厚 且不常装拆的场合 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 双头螺栓连接特点 孔与杆间有间隙 被连接件上需切制螺纹 装拆方便 适用场合 用于被连接件之一较厚 经常装拆的场合 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 紧定螺钉连接适用场合 多用于轴上零件的固定 传递较小的力 其他连接地脚螺栓连接 吊环螺栓连接 T形槽螺栓连接 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 螺纹紧固件螺纹紧固件的种类繁多 有适应面广 用量大的通用螺纹紧固件 还有适应某种需要 具有特殊结构的专用螺纹紧固件 通用螺纹紧固件已标准化 常用的有螺栓 双头螺柱 螺钉 紧定螺钉 螺母和垫圈等 这类零件的结构型式和尺寸都已标准化 设计时可根据有关标准选用 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 动画 10 5螺纹连接的预紧和防松 基本概念预紧 螺纹连接在装配时通常都要拧紧 这种拧紧称之为预紧 紧螺栓连接 装配时预紧的螺栓连接 松螺栓连接 不预紧的螺栓连接 预紧的目的 增加连接的刚度 紧密性 以防止螺纹连接的松脱 拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面间的摩擦力矩 对于紧螺栓连接 在装配时都要预紧 预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性 以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移 预紧后 螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的 因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性 强度和密封性均有很大的影响 因此对于重要的螺纹连接 应控制其预紧力 拧紧力矩拧紧力矩T 是用以克服螺纹副相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 它与预紧力F0间的关系为 式中 rf为支承面摩擦半径 rf dw d0 4 其中dw为螺母支承面的外径 d0为螺栓孔直径 如图所示 图10 15支承面摩擦阻力矩 10 5螺纹连接的预紧和防松 对于M10 M68的粗牙螺纹 预紧F0值的确定 是由螺纹连接的要求来决定的 为了充分发挥紧固件的工作能力 保证预紧的可靠 拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极限 S的50 70 但不得超过 S的80 对于一般连接用钢螺栓 预紧力可参考下式确定 10 5螺纹连接的预紧和防松 螺纹大径 螺纹危险截面面积 对于受轴向工作载荷的重要连接和有特殊要求的螺栓 预紧力应根据其使用实践确定 并在装配图标注出其预紧力和拧紧力矩 以便安装时控制 预紧力QP的控制 测力矩板手 测出预紧力矩 定力矩板手 达到固定的拧紧力矩T时 弹簧受压将自动打滑 测量预紧前后螺栓伸长量 精度较高 10 5螺纹连接的预紧和防松 螺纹连接的防松1 防松目的 原因 连接用的三角形螺纹都具有自锁性 在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱 但是 在冲击 振动和变载的作用下 预紧力可能在某一瞬间消失 连接仍有可能松脱 在高温或温度变化较大时 由于温度变形差异等原因 也可能导致连接的松脱 螺栓连接一旦松脱 轻者会影响机器的正常运转 重者会造成重大事故 因此 为了保证连接可靠 必须采取有效的防松措施 10 5螺纹连接的预紧和防松 防松原理 防松的实质 根本问题 防止螺纹副的相对转动 防松方法螺纹连接防松的方法按工作原理可分为 摩擦防松 弹簧垫圈 对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母 开口销和槽形螺母 圆螺母用带翅垫片 止动垫片 机械防松 其它 破坏螺纹副关系 铆冲 粘接 焊接 排除了螺母相对螺栓转动的可能 串联金属丝 自锁螺母 10 5螺纹连接的预紧和防松 受拉螺栓的失效形式 螺栓杆的塑性变形或断裂 其破坏部位及其出现的百分比见右图 受剪螺栓的失效形式 螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断 10 6螺栓连接的强度计算 重点 螺栓的受力 螺栓的失效形式 螺栓连接的设计方法根据约束强度条件确定螺栓 或螺钉 双头螺柱 的大径 根据螺栓连接的受力情况 通过分析 确定其所属类型 然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力 即可按强度条件计算出螺栓的小径d1 或螺栓杆直径d0 由所计算出的d1或d0 根据标准即可查出相应的螺栓大径d 由螺栓大径d 根据标准 查出全部螺纹连接件的尺寸和相应的代号 完成设计 10 6螺栓连接的强度计算 重点 松螺栓连接 当承受轴向工作载荷Fa N 时 其强度条件为 设计公式 计算出d1后 再按标准查选螺纹的公称直径 10 6螺栓连接的强度计算 重点 分析 紧螺栓连接 拉应力 e 当量应力 扭剪应力 第四强度理论 10 6螺栓连接的强度计算 重点 2020 3 16 37 可编辑 对于M10 M68的普通螺纹 取d1 d2和 的平均值 并取tg f 0 15 得 0 5 则当量应力 e为 故螺栓螺纹部分的强度条件为 设计公式 10 6螺栓连接的强度计算 重点 1 受横向工作载荷F的螺栓强度 根据d1 按标准查选螺纹的公称直径 受横向工作载荷F的螺栓强度 10 6螺栓连接的强度计算 重点 可靠性系数C 1 1 1 3 m为接合面数目 从上式可以计算 当摩擦系数f 0 15 可靠性系数C 1 2 结合面数目m 1时 F0 8F 即预紧力应为横向工作载荷的8倍 所以螺栓连接靠摩擦力来承担横向载荷时 其尺寸是较大的 为了避免上述缺点 可用键 套筒或销承担横向工作载荷 而螺栓仅起连接作用 如下图 重点 10 6螺栓连接的强度计算 重点 也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔用螺栓来承受横向载荷 这些减载装置中的键 套筒 销和铰制孔用螺栓可按受剪切和受挤压进行强度核算 许用切应力 和许用挤压应力 P 见表10 6 铰制孔用螺栓受力特点 螺栓受载前后不需预紧 横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递 挤压强度条件 剪切强度条件 10 6螺栓连接的强度计算 重点 如下图所示的气缸盖上的连接即属此种类型 设缸内流体压强为p 螺栓数为z 则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为 虽然 这种螺栓是在受预紧力F0的基础上 又受工作拉力FE 但是 螺栓的总拉力Fa F0 FE 为什么 受轴向工作载荷的螺栓强度 下面分析受预紧力F0和工作拉力FE 作用时 螺栓的受力与变形关系 10 6螺栓连接的强度计算 重点 10 6螺栓连接的强度计算 重点 动画 工作载荷FE和残余预紧力FR一起作用在螺栓上 所以螺栓的总拉伸载荷为 Fa FE FR 10 6螺栓连接的强度计算 重点 单个紧螺栓连接受力变形图 螺栓刚度 kb F0 b 受力与变形之比 被连接件刚度 kc F0 c0受工作载荷后 螺栓及被连接件均产生变形 且满足变形协调条件 b c Fb kb Fc kc 而FE Fb Fc kb kc 10 6螺栓连接的强度计算 重点 螺栓总拉力 工件残余预紧力 螺栓的相对刚度 与螺栓及被连接件的材料 尺寸和结构有关 见下表 10 6螺栓连接的强度计算 重点 设计步骤 1 求单个连接的工作载荷FE 2 按工作要求定残余预紧力FR 3 求Fa Fa FR FE 4 根据螺栓强度计算d1 查表确定d 结构设计 10 6螺栓连接的强度计算 重点 注意 若轴向工作载荷FE在0 FE间周期性变化 则螺栓所受总拉伸载荷应在F0 Fa间变化 受变载荷螺栓的粗略计算可按总拉伸载荷Fa进行 其强度条件仍为式 10 12 所不同的是许用应力应按表10 6和表10 7在变载荷项内查取 10 6螺栓连接的强度计算 重点 10 7螺栓的材料和许用应力 螺栓的常用材料为Q215 Q235 10 35和45钢 重要和特殊用途的螺纹连接件可采用15Cr 40Cr 30CrMnSi等力学性能较高的合金钢 这些材料的力学性能见表9 1 螺纹连接的许用应力及安全系数见表10 6和表10 7 螺纹连接件的性能等级如下表 10 7螺栓的材料和许用应力 10 7螺栓的材料和许用应力 10 8提高螺栓连接强度的措施 螺栓的失效形式 受拉时为塑性变形 断裂 受剪时为压溃或剪断 螺栓连接承受轴向变载荷时 其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂 通常都发生在应力集中较严重之处 即螺栓头部 螺纹收尾部和螺母支承平面所在处的螺纹 螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度 提高螺栓强度有以下几种措施 一 降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围螺栓所受的轴向工作载荷FE在0 FE间变化时 拉伸总拉伸载荷Fa的变化范围为F0 螺栓刚度kb和被连接件刚度kc对Fa变化范围的影响如图所示 10 8提高螺栓连接强度的措施 动画 a 柔性螺栓 b 弹性元件 由此可见 受变载荷作用的螺栓 其应力也在一定的幅度内变动 减小螺栓刚度或增大被连接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小 1 减小螺栓刚度的方法 10 8提高螺栓连接强度的措施 2 增大被连接件刚度的方法 a 金属垫片 b 密封环 10 8提高螺栓连接强度的措施 二 改善螺纹牙间的载荷分配轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的 旋合圈数越多 载荷分布不均的程度也越显著 所以 采用圈数多的厚螺母 并不能提高连接强度 动画 导致旋合螺纹牙各圈受力不均的原因是螺杆受拉变长而螺母受压变短 10 8提高螺栓连接强度的措施 改善螺纹牙载荷分布的措施是采用均载螺母 10 8提高螺栓连接强度的措施 三 减小应力集中 10 8提高螺栓连接强度的措施 四 避免附加弯曲应力 由于设计 制造或安装上的疏忽 有可能使螺栓受到附加弯曲应力 这对螺栓疲劳强度助影响很大 应设法避免 利用凸台 沉头座或斜垫圈等结构 可避免附加弯曲应力 见书P151图10 29 另外 在制造工艺上采取冷镦头部和辗压螺纹的螺栓 其疲劳强度比车制螺栓约高30 氰化 氮化等表面硬化处理也能提高疲劳强度 10 8提高螺栓连接强度的措施 10 11键连接和花键连接 键和花键连接是最常用的轴毂连接方式 属于可拆连接 键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩 有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动 一 键连接的类型键连接的类型有 键都是标准件 其尺寸和键槽尺寸都有国家标准 键连接1 1 平键连接 平键的两侧面是工作面 上表面与轮毂上的键槽底面之间留有间隙 靠键与键槽侧面的相互挤压来传递转矩 特点 结构简单 装拆方便 对中性好 用于静连接 应用极为广泛 10 11键连接和花键连接 键连接2 2 半圆键连接 10 11键连接和花键连接 键连接3 3 楔键连接 楔键的上 下面为工作面 键的上表面及轮毂键槽底面均有1 100的斜度 工作时 键的上下面分别与轮毂和轴的键槽底面相互压紧 特点 结构简单 装拆方便 能承受单向的轴向力 但对中性很差 常用于低速 轻载和对中性要求不高的场合 10 11键连接和花键连接 由两个斜度为1 100的楔键组成 一个切向键只能传递一个方向的转矩 传递双向转矩时 须用互成120 130 角的两个键 特点 承载能力很大 但对中性差 常用于对中精度要求不高的重型机械中 键连接4 4 切向键 二 平键的选择和强度校核 1 键的尺寸选择 导向平键的长度根据轮毂宽度及滑动距离确定 10 11键连接和花键连接 键连接 普通平键连接 静连接 工作时的主要失效形式为组成连接的键 轴和轮毂中强度较弱材料表面的压溃 极个别情况下也会出现键被剪断的现象 通常只须按工作面上的挤压强度进行计算 键被剪断 2 平键连接的强度校核 10 11键连接和花键连接 键连接5 静连接的挤压强度条件为