机械设计(西北工业大学第八版)蜗杆传动修改螺纹联接

第二篇联接 联接 机械动联接 运动副 机械静联接 可拆卸联接 不可拆卸联接 螺纹联接 键 花键 销联接 无键联接 铆接 焊接 胶接 过盈联接 联接的基本类型 第五章螺纹联接和螺旋传动第六章键 花键 无键和销联接第七章铆接 焊接 胶接和过盈联接 第五章螺纹联接 1 了解联接的基本分类 2 掌握螺纹联接的主要类型 3 了解螺栓拧紧时联接中各零件的受力及螺栓的防松原理 装置和方法 4 提高螺栓联接强度的措施 5 掌握螺栓组联接的受力分析及单个螺栓联接的强度计算 基本要求 一 螺纹的形成 用于联接 用于传动 单线螺纹 多线螺纹 5 1螺纹 二 螺纹的分类 1 按牙形分 2 按螺旋的线数分 单线 多线 一般不超过4线 线数越多 导程越大 单线用于联接 多线用于传动 3 按旋向分 右旋 左旋 一般用右旋 4 内 外螺纹之分 二者旋合组成螺旋副 螺纹副 5 按母体的形状分 圆柱螺纹 圆锥螺纹 6 按采取标准制度的不同 公制 英制 注 除了矩形螺纹外 其它螺纹都已标准化了 设计时应按国家标准设计 三角形 锯齿形 矩形 梯形 机械制造常用螺纹 三角螺纹 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 圆螺纹 普通螺纹 管螺纹 粗牙螺纹 细牙螺纹 普通细牙 非螺纹密封 螺纹密封 圆锥管螺纹 用于传动 用于联接 常用螺纹的特点及应用 1 普通螺纹 是牙型角 60 的三角形米制螺纹 大径d为其公称直径 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 其余的均称为细牙螺纹 细牙螺纹因螺距小 升角小 因此自锁性好 强度高 但不耐磨 易滑扣 细牙螺纹用于薄壁零件以及受振动载荷的联接 微调机构中 2 管螺纹 公称直径为管子的公称通经 3 用于传动的螺纹 三 螺纹的基本参数 1 大径d 公称直径 8 螺纹升角 中径圆柱上 螺旋线切线与垂直螺纹轴线的平面间的夹角 tg nP d2 9 接触高度h 内外螺纹旋合后接触面的径向高度 2 小径d1 强度计算用 3 中径d2 分析效率时用 4 螺距P 相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离 5 导程S 同一螺旋线上相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离 S nP 6 牙形角 螺纹轴向截面内 螺纹牙型两侧边的夹角 7 牙形斜角 牙型侧边与垂直螺纹轴线的平面间的夹角 对于对称牙型 2 5 2螺纹联接的基本类型及螺纹标准件 一 螺纹联接的基本类型 1 螺栓联接 1 被联接件的孔不用加工螺纹 装拆方便 用于经常拆装的场合 2 只适用于被联接件都较薄的情况 1 普通螺栓联接 2 铰制孔螺栓联接 螺栓联接 螺钉联接 双头螺柱联接 紧定螺钉联接 2 双头螺柱联接 特点及应用 被联接件之一需加工螺纹孔 用于被联接件之一比较厚 需经常拆装的情况 3 螺钉联接 特点及应用 被联接件之一需加工螺纹孔 省去了螺母 结构简单 用于被联接件之一比较厚 不宜经常拆装的场合 4 紧定螺钉联接 用于固定两零件的相对位置 并传递不大的力或力矩 地脚螺栓 吊环螺栓 T形槽螺栓 其它常用的螺纹联接 二 螺纹紧固件 1 螺栓 螺栓的形状较多 用途也很广泛 如右图所示为各种不同形式的螺栓 螺栓联接也可以用于螺钉联接中 2 双头螺柱 3 螺钉 紧定螺钉 螺钉的头部和端部有多种形式 以适应不同场合的需要 4 螺母 普通用的螺纹紧固件 按制造精度分粗制 精制两类 前者多用于建筑 木结构及其它次要场合 精制的广泛用于机器设备中 螺纹联接件分三个精度等级 A B C 高 底 C级最常用 精度等级要配套使用 5 垫圈 5 3螺纹联接的预紧 在装配时 螺纹联接都必须预紧 对于重要的螺纹联接 还应控制其预紧力的大小 1 预紧力 2 预紧的目的 1 增加联接的可靠性 2 增加联接的刚性 3 防松 4 受横向载荷作用时 增大摩擦力 防止相对滑动 5 增大疲劳强度 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 预紧力不能太大 太大易过载拉断 因此 预紧力要保证且又不使其过载 3 拧紧力矩 T T1 T2 1 螺旋副间的摩擦力矩T1 设F0为螺栓所受的预紧力 则 2 螺母与支撑面间的摩擦力矩 式中 fc为螺母与被联接件支撑面间的摩擦系数 无润滑时fc 0 15 拧紧力矩 拧紧力矩 T 0 2F0dN mm 为使联接有足够的预紧力又不使螺栓拧断 预紧力可按屈服极限取 碳素钢 F0 0 6 0 7 SA1合金钢 F0 0 5 0 6 SA1 对M12以下的螺栓 应注意控制预紧力 以防过载拉断 对于M10 M68的普通螺纹 fc 0 15 f为螺旋副的间的摩擦系数 无润滑时f 0 1 0 2 则 4 控制预紧力的方法 1 控制拧紧力矩 b 定力矩板手 2 测量螺栓的深长量 a 测力矩板手 3 螺母转角法 1 在冲击 振动 变载荷作用下 螺旋副间的摩擦阻力极不稳定 在某一瞬间会急剧减少以致消失 失去自锁能力 联接就可能松脱 2 螺栓在高温 温度变化较大的情况下工作 材料发生蠕变和应力松弛 也会使预紧力和摩擦力逐渐减少 最终导致联接失效 1 防松的根本原理 防止螺旋副的相对转动 3 防松的方法 摩擦防松 摩擦防松简单方便 不如以下两种方法可靠 机械防松 机械防松可靠 可和摩擦防松联合使用 用于不再拆卸联接 这种方法是将螺旋副变成非运动副 从而排除了相对运动的可能性 永久防松 2 防松的原因 5 4螺纹联接的防松 1 摩擦防松 弹簧垫圈防松 自锁螺母防松 对顶螺母防松 2 机械防松 开口销防松 止动垫片防松 串联钢丝防松 3 永久防松 1 在轴向载荷作用下 螺栓杆或螺纹部分发生塑性变形或拉断 5 5螺栓联接的强度计算 一 螺栓联接的失效形式 普通螺栓联接 松螺栓联接紧螺栓联接铰制孔用螺栓联接 螺纹联接的失效往往是由于螺栓的失效而引起 对单个螺栓来说受力的形式不外乎是轴向力或横向力 2 在横向载荷作用下 铰制孔螺栓联接的失效形式是 螺拴杆和孔壁的贴合上可能的压溃或螺栓杆被剪断 3 螺纹牙的磨损 螺栓联接大多工作之前应预紧 称为紧螺栓联接 二 设计准则 对受拉螺栓 保证螺栓的静力或疲劳强度 三 螺栓联接的强度计算 对受剪螺栓 保证螺栓的挤压强度和螺栓的剪切强度 1 松螺栓联接的强度计算 2 紧螺栓联接的强度计算 1 受横向工作载荷F的紧螺栓联接 仅受预紧力的紧螺栓联接 螺栓上的作用力 F0 T1 对于M10 M68的螺纹 d1 d2 取平均值 并取tg v f 0 15 得 F0 F f 当f 0 15 F0 8F 螺栓的尺寸可能较大 可用减载零件来承受横向力 此时螺栓只起联接作用 不承载 强度计算按减载零件计算 2 受轴向工作拉力F的紧螺栓联接 由于螺栓和被联接件都是弹性体 满足虎克定律 b m 螺栓上的总拉力 F2 F0 F 螺栓上的作用力 预紧后 受外载F前 F0 T1 受外载F后 F0 T1 F 预紧前 螺栓不受力 返回 F2 F2 F2 F2 为了保证联接的紧密性 防止联接受载后结合面间产生缝隙 应使F1 0 推荐 2 对于一般联接 工作载荷稳定时 3 工作载荷不稳定时 4 对于地脚螺栓联接 1 对于有紧密性要求的联接 失效形式有 1 螺栓杆剪断 2 螺栓杆和孔壁两者中的弱者被压溃 a 螺栓杆孔壁表面间的压力分布均匀 b 因F0很小 忽略了F0与T1的影响 3 承受工作剪力的紧螺栓联接 假设 挤压强度 剪切强度计算 4 受轴向变载荷F的紧螺栓联接 除了进行静强度计算外 还要精确校核疲劳强度 F 0 FF2 F0 F2 min max 式中 1tc 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限 5 6螺栓组联接的设计 一 螺栓组联接的结构设计 1 被联接件结合面形状应简单对称 便于加工 便于螺栓对称布置 使螺栓组的对称中心与结合面形心重合 2 螺栓的布置应使螺栓受力合理 受横向力的螺栓组受力方向不超过8个 受力矩作用时应适当远离对称轴 3 布置螺栓应留有合理的间距 边距 方便装配扳手空间尺寸 查标准压力容器螺栓间距 P77表5 5 4 分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数 5 避免螺栓偏心承载 而产生附加弯曲载荷 6 同一螺栓组紧固件形状 尺寸 材料应尽量一致 二 螺栓组联接的受力分析 两种情况的工作原理不同 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 1 承受横向载荷作用的螺栓组联接 为了简化计算 假设 1 所有螺栓的材料 直径 长度和预紧力均相同 2 螺栓组的几何中心与联接结合面的形心重合 3 受载后联接结合面仍保持为平面 单个螺栓受力 螺栓组受力 1 普通螺栓组联接 单个螺栓受力 螺栓组受力 剪切强度计算 挤压强度 2 铰制孔用螺栓联接 2 受转矩的螺栓组联接 1 普通螺栓联接 2 铰制孔用螺栓联接 变形量越大 则工作剪力越大 剪切强度计算 挤压强度 F0 3 受轴向载荷的螺栓组联接 单个螺栓的受力 预紧力F0工作力F 对于有紧密性要求的联接 4 受翻转力矩的螺栓组联接 假定 1 底板为刚体 2 翻转力矩作用在螺栓组联接的形心 3 受载后绕O O转动仍保持平面 在M的作用下 左侧 螺栓拉力增大 右侧 螺栓拉力减小而地面压力增大 失效分析 1 螺栓拉断 2 底板左侧出现间隙 3 底板右侧压溃 螺栓所受的工作拉力与距离成正比 螺栓所受的工作拉力 受翻转力矩前 接合面挤压应力分布图 F0 底板受力分析 在翻转力矩作用下 接合面挤压应力分布图 验算接合面的强度 左侧不出现间隙 右侧不压溃 许用挤压应力 P82表5 7 小结 1 在实际工作中 螺栓所受的工作载荷往往是以上四中简单形式的不同组合 但不论受力多复杂 都可以将复杂状态简化成以上四中简单的受力状况 先分别求螺栓的工作载荷 然后向量迭加 就可求出螺栓所受的总工作载荷 横向荷载 轴向载荷 翻转力矩 横向载荷 旋转力矩 2 虽然前面讲了螺栓的四种不同外载 横向 转矩 轴向 倾覆力矩 但对单个螺栓而言 受力只有两种 拉力 剪力 3 为了保证落栓联接的可靠性 还要考虑综合条件 不出现间隙 不压溃等 5 7螺纹联接件的材料和许用应力 一 常用材料 碳素钢 Q215 Q235 10 35 45等合金钢 15Cr 40Cr 30CrMnSi等特殊用途 防蚀 防磁 导电 耐高温 特种钢 如不锈钢 铜合金 铝合金等 P83表5 8 9螺栓联接的性能等级 3 6 12 9 二 许用应力 安全系数见表5 10 5 8提高螺栓联接强度的措施 一 降低影响螺栓疲劳强度的应力幅 应力变化幅度过大是疲劳断裂的根本原因 F0和F保持不变 二 改善螺纹牙的受力不均 变形不谐调是螺纹牙受力不均的根本原因 三 减少应力集中 对螺纹来讲 形状突变是产生应力集中的主要原因 四 减小附加应力 偏心拉伸对螺栓十分不利 五 采用合理的制造工艺方法 1 冷墩头部 滚压螺纹2 氮化 氰化 喷丸等处理 例题 例1 一钢制液压缸有关尺寸如图示 油压P 3N mm2 为保证密封性要求 螺栓间距L不得大于4 5倍螺栓公称直径 试设计该双头螺柱联接 确定螺柱直径 个数及分布圆直径D0 解 1 求螺柱总拉力 显然 F 不变 螺柱直径大则数目Z小 反之Z大则螺柱直径小 因此Z取值不同本题可有多解 考虑到油缸是压力容器 有紧密性要求 故Z应适当大些 另外 数目Z最好是偶数 而且要便于分度 综上 取Z 12 螺柱工作拉力为 取 螺柱总拉力为 由强度条件得 用4 6级的Q235螺柱 拧紧时控制予紧力 取S 1 5 于是 P83表5 8 P84表5 10 2 求螺柱直径 查手册 取M16可矣 其d1 13 835 计算值12 07 3 确定螺栓分布圆直径D0 暂定 而临界许用值为 因此 最终取分布圆直径 于是螺栓间距为 注 根据题意 本题确定Z 12 d 16 D0 200mm后就算解毕 但对于有密封性要求的螺栓联接 一般应确定必须的予紧力 现确定如下 由结构示意图知 缸盖与缸体间无软垫片 查手册或教材可得相对刚度为 于是预紧力为 最终取预紧力为 例2 图示支架用6个螺栓联接在砖墙上 已知砖墙为水泥砂浆缝 载荷F 10KN 螺栓材料Q235 强度级别4 6级 支架底板与砖墙间摩擦系数f 0 3 底板材料为ZG270 500 试设计该螺栓联接 分析 支架正常工作的条件是 在倾覆力矩M和水平力F H作用下 上侧螺栓不被拉断 在铅垂力F V作用下底板不下滑 底板上侧与砖墙不能有间隙 底板下侧或砖墙不能被压溃 考虑到便于安装和制造 采用普通受拉螺栓为好 解 根据力的分解和简化原理 载荷对螺栓组联接的作用可用轴向力F H 横向力F V及倾覆力矩M的联合作用来代替 其中 1 由F H引起的每个螺栓的工作拉力 2 由力矩M引起的受力最大螺栓的工作拉力 4 在F V作用下 由不下滑条件确定螺栓予紧力 3 受力最大螺栓的总工作拉力为 5 由下侧不被压溃 上侧不出现间隙条件确定预紧力 底板接触面积A 500 300 300 6 104mm2底板抗弯截面模量W 300 5002 3002 6 8 106mm3 取 由下侧不被压溃条件得 由上侧不出现间隙的条件可得 可知 满足工作要求的预紧力范围为 最终取 6 根据螺栓不被拉断的强度条件确定螺栓直径d 3 受力最大螺栓的总拉力为 根据题意 螺栓的屈服极限 为确保安全 装配时应控制予紧力 取安全系数 于是 由强度条件有 查手册取M12即可 其d1 10 106 计算值9 388 注如拧紧力不加控制 由着工人尽可能地拧紧 为避免螺栓拧断 应适当增大螺栓直径 计算表明 在这种情况下 至少应采用M12的螺栓 思考