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第五章螺纹连接与螺旋传动 本章学习要求 1 对于螺纹连接基本知识 应了解螺纹及螺纹连接件的类型 特性 标准 结构 应用场合及有关的防松方法等 以使在设计时能够正确地选用它们 2 对于螺栓连接设计及强度计算部分 应掌握其结构设计原则及强度计算的理论与方法 能够较为合理地设计出可靠的螺栓组连接 3 了解螺旋传动的设计过程 引言 5 0引言 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 机械零件之间的连接分为 被连接件之间相互完全固定 被连接件之间能产生一定的相对运动 例如 运动副 本课程介绍的连接主要是静连接 连接的类型 5 1螺纹 5 1螺纹 一 螺纹的主要参数 大径d 是螺纹的公称直径 小径d1 常用于强度计算 中径d2 常用于几何计算 螺距P 相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离 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 线数n 螺纹的螺旋线数目 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 螺纹的类型 螺纹升角y 螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角 螺纹 二 螺纹的类型 常用右旋 此外 还有管螺纹 主要用于管路的连接 效率低 易自锁 多用于连接 详细介绍 5 2螺纹连接 5 2螺纹连接 一 螺纹连接的基本类型 1 螺栓连接 1 普通螺栓连接特点 杆与通孔有间隙使用不受被连接件材料限制受力 杆受拉应力和扭转切应力力传递 时 被连接件不发生相对错动优点 通孔精度低 结构简单 装拆方便缺点 不能准确定位 螺纹连接 螺纹连接 2 铰制孔用螺栓连接特点 杆与通孔无间隙 采用基孔制过渡配合受力 杆受剪切力和挤压力优点 可准确定位缺点 通孔加工精度要求高 螺栓连接应用场合 被连接件不太厚 有通孔 且能从连接的两边进行装配 螺纹连接 2 双头螺柱连接 双头螺栓连接座端被旋入并拧紧在被连接件之一的螺纹孔中特点及应用场合 用于结构上不能采用螺栓连接的场合且需要经常拆装的场合 3 螺钉连接 特点与应用 螺钉连接不用螺母 结构简单紧凑 而且能有光整的外露表面 应用与双头螺柱连接相似 但不宜用于经常拆卸的连接 以免损坏被连接件的螺纹孔 螺纹连接 双头螺柱连接和螺钉连接的主要尺寸关系 螺纹连接 4 紧定螺钉连接 特点 利用拧入的螺钉末端顶住另一个零件的表面或顶入相应的凹坑中 以固定两个零件的相对位置 并可同时传递不大的力或扭矩 螺纹连接 6 特殊结构的连接 1 地脚螺栓连接 2 吊环螺钉连接 3 T形槽螺栓连接 二 标准螺纹连接件 螺纹连接 标准螺纹连接件精度 A级 公差小 精度最高 用于准确定位 装配要求高的场合B级 精度居中 用于受载较大 且需要调整 装拆的零件C级 精度较低 用于一般场合的标准螺纹连接件 注意 1 标准螺纹连接件的结构形式 尺寸 画法等均已标准化 设计时可查手册 2 自学表5 2 总结各标准连接件特点和应用 规定 拧紧后螺纹连接件在预紧力作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80 推荐 碳素钢螺栓合金钢螺栓 螺纹连接的拧紧 螺纹连接 三 螺纹连接的拧紧 大多数螺纹连接在装配时就已经拧紧 称之为预紧 预紧使连接中的零件所受的力称为预紧力 用F0表示 预紧的目的 增大连接的刚性 提高紧密性 防松 预紧力的控制 螺纹连接 控制预紧力的方法 通常 通过控制拧紧力矩M来控制预紧力 预紧力和预紧力矩之间的关系 注意 对于重要的连接 尽可能不采用直径过小 M12 的螺栓 可采用测力矩扳手或定力矩扳手控制拧紧力矩 对于重要的螺栓连接 也可以通过控制螺栓的伸长量来控制预紧力 纹连接的防松 螺纹连接 四 螺纹连接的防松 螺纹连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 或在温度变化较大的情况下 螺纹连接可能会产生松脱现象 防松的本质在于防止螺旋副相对转动 按工作原理的不同 防松方法分三类 详见表5 3 5 3螺栓组连接的设计 一 螺栓组连接设计步骤 1 进行螺栓组的结构设计 即确定螺栓的数目 布置形式 间距 边距等 2 对螺栓组进行受力分析 求出每一个螺栓所受的力 找出受力最大的螺栓及其所受的力 3 对找出的受力最大的螺栓进行强度计算 求出螺栓的最小直径d14 根据求出的最小直径d1 查国家手册来选取合适的螺栓的公称直径d及长度L 再据公称直径d查手册选与螺栓相配合的螺母和垫圈 螺栓组连接的设计 目的 合理的确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式 力求各螺栓和连接接合面间受力均匀 便于加工和装配 接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状 螺栓布置应使各螺栓的受力合理 螺栓的排列应有合理的间距 边距 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 避免螺栓承受附加的弯曲载荷 说明 说明 说明 二 螺栓组连接的结构设计 目的 求出螺栓组中受力最大的螺栓及其所受的力 以便进行螺栓连接的强度计算 一 承受轴向载荷时 仅能用普通螺栓连接 设平行于螺栓轴线且通过螺栓组形心 则各螺栓所受的工作载荷相等 则 注 如不通过螺栓组的形心 应向形心平移后再计算 螺栓组连接的基本受载类型有四种 螺栓组连接的受力分析与计算 螺栓组连接的受载类型 螺栓组连接的受载类型 螺栓组连接的基本受载类型 受横向载荷1 二 受横向载荷时 1 用普通螺栓连接 受拉螺栓 设螺栓仅受预紧作用 靠接合面间产生的摩擦力承受横向载荷 设各螺栓连接接合面摩擦力相等并集中在螺栓中心处 则 保证被连接件不相对滑动 须满足 则所需预紧力为 螺栓组连接受力分析与计算 受横向载荷2 2 用铰制孔用螺栓连接 受剪螺栓 通过螺栓组形心时 在前述假设下 各螺栓承受的横向力相等 则 螺栓组连接受力分析与计算 靠螺栓杆受剪切和螺栓杆与孔壁之间的挤压传递载荷 一般忽略拧紧产生的摩擦力 承受转矩T时1 三 承受转矩T时 1 用受拉螺栓 靠结合面上的摩擦力承受T 保证底板在T作用下不转动 须满足 式中 同上 螺栓组连接受力分析与计算 假设 各螺栓预紧程度相同 则各螺栓产生的摩擦力均相等 各摩擦力集中在螺栓中心处 并与螺栓中心与底板中心的连线垂直 承受转矩T时2 2 用受剪螺栓 螺栓组连接受力分析与计算 靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗转矩 联立两式求解 得最大工作剪力 即 据螺栓变形协调条件 螺栓所受工作横向力与螺栓轴线到螺栓组对称中心o的距离成正比 据前述假设 螺栓所受横向力与螺栓轴线到螺栓组对称中心o的连线垂直 据静力平衡方程 受翻转力矩M时1 螺栓组连接受力分析与计算 四 受倾翻力矩M时 仅能用普通螺栓连接 1 作用效果 在M作用下 底板有绕通过螺栓组形心的轴线O转动的趋势 3 据变形协调条件 各螺栓所受的工作拉力与其中心到翻转轴线的距离成正比 即 2 在前述假设条件下 由静力矩平衡条件 得 4 螺栓所受最大工作载荷 受翻转力矩M时2 为防止结合面受压最小处出现间隙 要求 5 为防止结合面受压最大处被压溃 要求 螺栓组连接受力分析与计算 注 实际中 螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷 利用静力学分析方法将复杂的受力状态简化为4种简单受力状态分析 一般 对普通螺栓连接可按 轴向载荷或 和 倾覆力矩确定螺栓的工作拉力 横向载荷或 和 转矩确定连接所需的预紧力 铰制孔用螺栓连接 按横向载荷或 和 转矩确定工作载荷 螺栓组连接受力分析与计算 实例 螺栓组连接受力分析与计算 例 如图所示的支架受F力 将F力分解并向螺栓组形心及结合面平移 得 设计中 采用普通螺栓连接 需要防止如下四种可能的失效形式 上沿开缝 下沿压溃 支架下滑 需要足够大的 螺栓拉断 需要足够大的螺栓直径 5 3单个螺栓连接的强度 5 4单个螺栓连接的强度计算 本节以螺栓连接为代表 讨论强度计算问题 其方法和结论也适用于其他形式的螺纹连接 螺栓连接强度计算的目的是 确定防止失效所需的螺栓直径 连接的强度计算内容 根据其可能的失效形式而定 螺纹连接的受载形式基本分为 采用受拉螺栓 可用受剪螺栓 也可用受拉螺栓 下面按螺栓类型和受载形式的不同 分别讨论其强度计算方法 一 受剪螺栓连接的强度计算 受剪螺栓的强度 2 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 1 螺栓杆的剪切强度条件为 式中 F 螺栓所受的工作剪力 N d0 螺栓剪切面的直径 mm i 螺栓受剪面数 螺栓材料的许用切应力 单个螺栓连接的强度计算 受拉螺栓的强度 单个螺栓连接的强度计算 二 受拉螺栓连接的强度计算 1 松螺栓连接的强度计算 工作中 松螺栓只受工作拉力F 设计准则 拉伸强度计算 强度条件为 式中 d1 螺纹小径 mm 螺栓的许用拉应力 Mpa 实例 受拉螺栓的失效形式主要是 静载 塑性变形或拉断 变载 疲劳断裂 90 仅受预紧力的螺栓连接 单个螺栓连接的强度计算 2 紧螺栓连接的强度计算 1 仅受预紧力F0的紧螺栓连接 这种连接在拧紧的瞬间最危险 此时 F0引起的拉应力 按第四强度理论计算当量应力 则 承受轴向载荷的紧螺栓连接 强度条件为 单个螺栓连接的强度计算 设计式为 2 承受轴向载荷的紧螺栓连接 如右图所示的气缸盖上的连接即属此种类型 虽然 这种螺栓是在受预紧力F0的基础上 又受工作拉力F 但是 螺栓的总拉力 为什么 承受轴向载荷的紧螺栓2 预紧时 受工作载荷后 F1 残余预紧力 螺栓的总拉力为 单个螺栓连接的强度计算 承受轴向载荷的紧螺栓3 可用载荷变形图分析各力之间的关系 螺栓总拉力表达式 单个螺栓连接的强度计算 受力变形动画 承受轴向载荷的紧螺栓4 单个螺栓连接的强度计算 为保证连接的紧密性 应使F1 0 通常根据工作拉力F的性质确定F1 见教材P83 设计中 根据F 计算总拉力 计算螺栓的强度 a 静强度计算 F不变化时 注 式中 1 3 考虑的是工作中可能的补充拧紧引起的切应力的影响 螺纹连接件的许用应力1 b 疲劳强度计算 F变化时 当工作拉力在0 F之间变化时 螺栓的总拉力在 之间变化 单个螺栓连接的强度计算 若不考虑摩擦力矩的扭转作用 则螺栓危险截面的 单个螺栓连接的强度计算 强度条件1 强度条件2 若螺栓工作应力点在OJGI区 则按疲劳强度建立强度条件 即 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限 MPa 表5 7 试件的材料常数 也即循环应力中平均应力的折算系数 拉压疲劳强度综合影响系数 许用安全系数 表5 10 单个螺栓连接的强度计算 若螺栓工作应力点在GIC区 则按静强度建立强度条件 即 三 螺纹连接件的材料 螺纹标准件的性能等级 国标规定 A B级产品的性能等级为8 8级C级产品的性能等级为4 6级或4 8级 选用时 螺母的性能等级应不低于与其相配的螺栓的性能等级 一般选两者性能等级相同 单个螺栓连接的强度计算 2 螺母性能等级用一个数字粗略表示螺母能承受的最小应力的1 100 共7级 表5 9 螺纹标准件的材料 普通垫圈材料 推荐采用Q235 15钢 35钢弹簧垫圈 用65Mn制造 并经热处理和表面处理 标准规定 8 8或8 8级以上的中碳钢 低碳或中碳合金钢需经淬火并回火处理 单个螺栓连接的强度计算 b 疲劳强度计算的许用应力幅 单个螺栓连接的强度计算 四 螺纹连接件的许用应力 a 静强度计算的许用应力 式中 S 安全系数 5 5提高螺栓强度的措施 5 5提高螺栓连接强度的措施 可从以下几个方面提高螺栓的强度 4 采用合理的制造工艺 2 减小螺栓的应力幅 3 减小附加弯曲应力 1 改善各螺纹牙受载不均的现象 工作中 螺栓受拉 螺母受压 从而产生螺距差 导致旋合的各圈螺纹牙受载不均 冷镦 碾压 氮化 喷丸等工艺均可提高螺栓的强度 螺旋传动1 螺旋传动 一 螺旋传动的类型和应用 传力螺旋传导螺旋调整螺旋 螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同 又可分为 说明 滑动螺旋滚动螺旋静压螺旋 说明 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的 它主要用于将回转运动转变为直线运动 同时传递动力 螺旋传动按其用途不同 可分为以下三种类型 螺旋传动按运动形式有 螺杆转动 螺母移动螺母固定 螺杆转动并移动 螺旋传动2 螺旋传动 二 滑动螺旋的结构和材料 1 滑动螺旋的结构 整体螺母 组合螺母 剖分螺母 螺母结构 滑动螺旋的结构主要是指螺杆 螺母的固定和支承的结构形式 螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系 螺杆支承结构 螺杆短而粗且垂直布置时 利用螺母本身做支承 螺杆细长且水平布置时 在螺杆两端或中间附加支承 以提高螺杆工作刚度 螺旋传动 螺杆旋向 常用右旋 特殊场合左旋 2 螺杆和螺母材料 螺旋传动3 螺旋传动 三 滑动螺旋传动的设计计算 主要失效形式 螺牙的磨损 设计准则 按抗磨损确定直径 选择螺距 校核螺杆 螺母强度等 另 受力较大的传力螺旋 校核危险截面及螺纹牙强度 精密的传导螺旋 校核螺杆刚度长径比很大的螺杆 校核稳定性高速长螺杆 校核其临界转速要求自锁的螺杆 校核其自锁性 螺旋传动3 螺旋传动 设计方法和步骤 1 耐磨性计算 滑动螺旋的耐磨性计算 主要是限制螺纹工作面上的压力 其强度