机械设计-联接(螺纹联接)

机械零件,(制造单元), 构件(运动单元) ,机构, 机器,静联接,动联接,零件,联接,前 言,第3章 联接(螺纹联接),前言3-1 螺纹参数3-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁3-3 机械制造常用螺纹及标准3-4 螺纹联接基本类型及螺纹联接件3-5 螺纹联接的预紧和防松3-6 螺栓联接的强度计算3-7 螺栓的材料和许用应力3-8 提高螺栓联接强度的措施3-9 螺旋传动,3-1 螺纹参数,一、螺纹的形成：,如用一个平面图形沿螺旋线运动，并使平面始终通过圆柱体轴线，这样就构成了螺纹。平面图形形状可为；三角形、矩形、梯形、锯齿形等。,按牙型: 矩形、三角形、梯形、锯齿形,二、螺纹的类型,潘存云教授研制,潘存云教授研制,三角形螺纹联接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹,根据螺旋线绕行方向：,螺旋线向右升高右旋,以轴线为基准(外),左旋如图 右旋常用,根据螺旋线头数：,判断方法,按位置：外螺纹在圆柱体的外表面形成的螺纹 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,按用途：联接螺纹 传动螺纹,联接螺纹,传动螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,联接螺纹传动螺纹,圆柱螺纹圆锥螺纹,1）外径(大径)d(D)与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径,三、螺纹的主要参数,2）内径(小径)d1(D1) 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径,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，d20.5(d+d1),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,6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：S=nP,7）螺纹升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角,8）牙型角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 牙侧角 螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角, =60 30, =30 15,工3,非30, =0 0,9)螺纹的工作高度h 表示内外螺纹沿径向的接触高度。,六种螺纹,在轴向载荷下相对运动,拧紧、加载、顶起重物,将螺旋线沿中径展开,10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,滑块(重物)在斜面运动,分析: 1.当匀速上升:,Fa,F,Fn,FR,Ff,Fa,F,FR, +,FR与Fn夹角摩擦角: tg f Ff /n R与a 夹角 ,加载a(轴向力,自重,阻力),作用在螺旋副上的驱动力矩：,atg( ),合反力FR,(滑块) 合力,法向反力Fn(斜面),施加水平推力,摩擦阻力: f Fn=Ff,一矩形螺纹 : ( =0),施加水平支持力 (匀速下滑),当,自锁条件：,滑块在斜面运动状态不变,作用力与假设力的方向相反推力, ,Fa,F,Fn,FR,Ff,Fa,F,FR, -,无论a多大，滑块不会自动下滑自锁,2. 当匀速下降 :,将 (当量摩擦角)tgf / cos = f (10-4) (当量摩擦系数), ( ) ,匀速上升: atg( ) (10-5a),匀速下降: Fatg( ) (10-6a),(10-6b),自锁条件： ,要自锁好 ( ) , (单头),自锁性,自锁性,二非矩形螺纹,三.效率:,螺母旋转一周所需的输入功为： ；此时螺母上升一个导程s，其有效功为： 。,因此螺旋副的效率为：,将效率公式绘制成曲线，如图所示。可见 当 时效率最高，但过大的升角使制造困难。并且由曲线图可以看出： 当 之后，效率的增加不明显，所以通常取不超过25。,螺旋副效率螺旋副自锁条件 由此可知：在其它条件相同的情况下，牙型角越大螺旋副的效率就越低，自锁性能就越好。所以三角螺纹多用于紧固联接（利用其自锁性），其它螺纹用于传动以提高传动效率。,本节小结:,机械制造常用螺纹:,3.4 螺纹联接的类型及标准联接件,一螺纹联接基本类型,1、螺纹联接主要类型,(1)螺栓联接,a 普通螺栓联接,b 精密螺栓联接 (绞制孔螺栓）,潘存云教授研制,潘存云教授研制,(2)双头螺柱联接,(3) 螺钉联接,潘存云教授研制,特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接,(4)紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,5种联接,二螺纹联接件,2）双头螺柱两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽,1）螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小,4 )紧定螺钉,3) 螺钉 与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹,6）螺母,5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹,圆螺母+止退垫圈,六角螺母：标准，扁，厚,7）垫圈,吊环螺钉,平垫圈,弹簧垫圈,斜垫圈,标准螺纹联接件,3.5 螺纹联接的预紧和防松,1、预紧,预紧目的增强联接的紧密性、可靠性，防止受载后被联接件 之间出现间隙或发生相对滑移。 如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气。,螺纹联接：松联接在装配时不拧紧，只有受外载时才受到力的作用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力， 预紧力F0,一、螺纹联接的预紧,预紧过紧拧紧力过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力过小，工作不可靠,螺栓材料的屈服极限，单位为MPa; A1螺栓危险截面的面积，单位为mm2,对于一般联接用的钢制螺栓联接的预紧力F0，推荐按下列关系确定：,合金钢螺栓,碳素钢螺栓,，,式中：,a) 测量预紧前后螺栓伸长量精度较高,2预紧力控制方法,b) 通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力,测力矩扳手测出预紧力矩，如左图定力矩扳手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，右图,测力矩扳手,定力矩扳手,b) 通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力,拧紧力矩T0,拧紧力矩由两部分组成： 1) 螺纹副的摩擦力矩T1； 2) 螺母与支承面间的摩擦力矩T2。,T0 的大小: 拧紧时,联接件轴向拉力 被联接件轴向压力,012,螺纹阻力矩 T1,螺母支持面上的摩擦阻力矩T2,1F d2/2F0 tg( ) d2 /2,012,设轴向力为F0 或预紧力（不受轴向载荷）,fc摩擦系数;,d0螺栓孔直径；D0 螺母支撑面外径,T0T1T20.2F0d Nmm,简化公式：,适用于M10M68的粗牙螺纹， f=0.15,注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,例3-1 已知M12螺栓用碳素结构钢Q235制成，螺纹间的摩擦系数f0.10，螺母与支承面间的摩擦系数fc0.15，螺母支承面外径D016.6mm，螺栓孔直径d013mm，欲使螺母拧紧后螺杆的拉应力达到材料屈服限的50，求应施加的拧紧力矩，并验算其能否自锁。,解：,1. 求拧紧力矩T,查表得,螺杆总拉力(预紧力)Fa,拧紧力矩T,2. 求螺纹升角,由表查M12螺纹，P=1.75mm，d2=10.863mmm，d1=10.106mm,3. 求当量摩擦系数及当量摩擦角,，故具有自锁性。,消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。,2、防松原理,二、螺纹联接的防松,1、问题为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？ 静载荷：0。可按下面推荐值选用： =（0.20.6）F 一般联接，工作载荷稳定； =（0.61.0）F 一般载荷，工作载荷不稳定； =（1.51.8）F 要求由密封性的联接； F 地脚螺栓联接,从力变形关系图可以看出：,工作载荷被分为两部分：一部分作用在螺栓上，另一部分作用在被联接件上。,这两部分的分配关系，与螺栓、被联接件的刚度有关。,由式 可以看出，当 时，外载施加在螺栓上的载荷将很小。在其它条件不变的情况下， 将减小。所以，在一般联接件中采用较硬的金属垫片以减小螺栓直径。密封性要求较高时，采用软金属作垫片。, 1）要降低Fa，只有减少螺栓的相对刚度， 即kc kb 2）为保证联接的紧密性， 应保证FR0,a、静强度公式（Fa T1)：FE不变,设计式为：,b 疲劳强度公式：FE在0FE之间变化,则Fa在F0 Fa之间变化应力在min max之间变化,详见P46页,b 疲劳强度公式：FE在0FE之间变化,其数值可查手册,讨论：,当验算强度条件不满足时，应采取什么措施？,设计步骤:,联接松弛FR = 0 螺栓拉断,失效形式:, FR0,设计准则,(1)求单个联接的工作载荷FE(2)定残余预紧力FR(按工作要求)(3)求Fa螺栓强度计算(定d) Fa = FR FE(4)结构设计,失效形式及设计计算:,1.松螺栓联接: 装配时不预紧联接不受力工作时受轴向载荷Fa,2.紧螺栓联接复合应力(拉、扭),1)受横向工作载荷F不松不滑 预紧力 F0(轴)足够大 F0CF/mf不断不溃定螺栓d1,普通螺栓联接:,2)受轴向工作载荷FE:螺栓总拉力Fa: Fa=F0+Kb/(Kb+KC) FE工件残余预紧力FR: FR=F0KC/(Kb+KC) FE0,求FE 定FR 求Fa 强度定d 结构设计,已知F求d: 求F0 (不滑) 定d (强度),已知d求F: 求F0 (强度) 定F (不滑),小结：,1.按剪切强度,2.按挤压强度:,2.许用应力与应力(静、变)有关; P与材料(钢、铸铁)有关,联接受挤压,螺栓受剪切,注意：1.d0光杆直径，d0d Lmin杆孔最小接触长度,铰制孔螺栓联接,1、螺栓组的结构设计,3.6.2 螺纹联接的设计计算,2）螺栓的布置：同一螺栓组的螺栓布置应力求对称、分布均匀，保证被联接件接合面上受力均匀。,螺栓组的中心与结合面的形心重合,1）合理选择结合面： 联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状。,在布置螺栓时，不要在平行于外力的方向成排地布 置8个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均。,应该注意：,螺栓联接受弯矩或转矩时，应使螺栓远离中心线。,螺栓联接若同时承受横向载荷和轴向载荷时，应采用减载装置。,3）螺栓排列应有合理的钉距、边距 在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁、螺栓之间的距离，要依据扳手所需的活动空间大小和联接的紧密封性要求来决 定。,最小扳手空间尺寸可查阅有关手册，也可以根据经验确定。,一般来讲，螺栓中心线到机体外壁的距离为： mm （其中D为螺栓六角头大径）,螺栓之间的距离一般按照经验公式选择： （用于一般联接及压力的压力容器） （用于密封性要求高及压力场合） （用于无密封要求的场合）,4）螺栓数目 分布在同一圆周上的螺栓数应取为3、4、6、8、12等易于分度的数目,5）避免螺栓承受偏心载荷,防偏载措施：a）凸台；b）凹坑（鱼眼坑）；c）斜垫片,(c),2、螺栓组受力分析,受力分析时所作假设：被联接件为刚性不变形，只有地基变形。各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同受力后材料变形在弹性范围内接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面,目的根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。,1受横向载荷,2受转矩,3受轴向载荷,4受倾覆力矩,受力分析的类型：,单个螺栓工作载荷为：,1）受轴向载荷的螺栓组联接,p压强z螺栓个数,通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为FR时，每个螺栓所承受的总载荷Fa为。,Fa = FR + F0,2）受横向载荷的螺栓组联接普 通 螺 栓 受拉伸作用铰制孔螺栓受横向载荷剪切、挤压作用。,a. 普通螺栓联接：预紧力在接合面所产生的摩擦力必须足以阻止被联接件间的相对滑移。,则不产生相对滑移的条件：,则,f 接合面间的摩擦系数 m接合面数目 C防滑系数（可靠性系数） C=1.11.3 z 螺栓的数目,注意：,单个螺栓受的是预紧力，是拉力，但联接受的是横向载荷。,螺栓预紧后，无论有无外载，螺栓所受的力不变，始终为预紧力。,b. 铰制孔螺栓联接：,则单个螺栓所受的横向载荷：,3) 受转矩T的螺栓组联接,a、普通螺栓联接,由力矩平衡条件,则各个螺栓所需的预紧力为,联接件不产生相对滑动的条件为：,z螺栓数目ri 螺栓的向径C防滑系数,靠结合面上各螺栓产生的摩擦力对形心的力矩之和平衡外力矩,b、铰制孔螺栓联接,由力矩平衡条件,靠螺栓所受的剪力对形心的力矩之和平衡T,（变形协调条件）,普通螺栓联接铰制孔螺栓联接,凸缘联轴器,圆形结合面,相等,分析：M作用前：各螺栓受预紧力F0 M作用后：一侧螺栓拉力增大， 一侧螺栓拉力减少,平衡条件：,螺栓的受力,4）受倾覆（纵向）力矩螺栓组联接,受力最大的螺栓所受工作载荷为,Li螺栓轴线到底板轴线oo的距离,被联接件和底板,右侧不压溃条件：max=p+ pmax p,左侧不开缝的条件 ： min=p - pmax 0,小结：,设计思路：螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求d1标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）,如：48 表示：B=400Mpa ，s=320Mpa,3.7 螺纹联接件的材料及许用应力,螺栓级别:（十级）,带点数字表示 ， 点前数字为,点后数字为,螺母级别: （七级）,注意：选择时螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于2040HB）,材料:,一般螺栓,重要的螺栓,因为不控制的紧螺栓联接，易过载，设计时应取较大的完全系数。控制预紧力时可取较小的安全系数。,2、 螺纹联接件的许用应力,S、S、Sp安全系数 见表311查表时紧螺栓联接要试算,解: 每个联接受横向载荷 F=R/2=2000N,1.联接不松求预紧力F0,2.螺栓不断求d1,取d=27mm, d1=23.75223.7 合适。 S=8.5 合适,:C=1.11.3, 取C=1.2 F0CF/fm=1.22000/(0.151)=16000N,:性能等级取5.8级, 不严格控制预紧力s=400Mpa, S=8.5 , =s/S=400/8.5= 47.05Mpa,例1.,用普通螺栓固定一牵引钩, 已知R=4000N (变载荷),f=0.15, 试求螺栓直径。,用铰制孔螺栓联接固定牵引钩(HT250), 板厚h=10mm,已知R=4000N(变载荷), 试求螺栓直径。,解: 每个联接受横向载荷 F=R/2=2000N,1.按剪切强度,2.按挤压强度:, P = b/SP=400/1.5=266Mpa,Lmin=h=10mm,取 l=25mm, l0=12mm,取d=6mm, d0=75.99mm,4.8级 = S/4.5=320/4.5=71Mpa,例2.,M625合适,一钢制液压油缸, 油缸壁厚为10mm, 油压p=1.6 Mpa , D=160mm, 试计算其上盖的螺栓联接和螺栓分布圆直径D0解:,(2)定残余预紧力FR,(1)求单个联接的工作载荷FE:,有紧密要求 , FR=1.51.8 FE 取FR=1.8FE,(3)求Fa螺栓强度计算,(4)结构设计,取4.8级, S=320Mpa 暂取S=3(不严格控制预紧力,静) =S/S = 106.7 Mpa,C1,e,D0,D,取Z=8,例3:,Fa = FEFR = 2.8 FE = 11.3kN,取d=16mm, 其d1=13.835mm13.2mm 合适取S=3 (不严格控制预紧力) 合适,D0=D+2d+(36)+210=218224mm,螺栓间距L=D0/Z=224/8 88mm 7d=716=112mm满足要求,(4)结构设计:,(螺栓分布圆直径D0,例4：图示为某受轴向工作载荷的紧螺栓联接预紧时的受力-变形图。1）当工作载荷为FE2000N时，求螺栓所受总拉力Fa及被联接件间残余预紧力FR，并在图上表示出来；2）若被联接件间不出现缝隙，最大工作载荷 是多少？ (05038),例5：用三个普通螺栓将钢板A固定在钢板B上。图中尺寸L450mm，a=80mm。钢板间摩擦系数=0.16，联接的可靠系数C=1.3，螺纹小径d1=16.376mm，螺栓的许用拉应力=140MPa。画出螺栓受力图，求能承受的最大力F为多少。,（05054),例6：用三个普通螺栓将钢板A固定在钢板B上。图中尺寸L400mm，a=70mm。钢板间摩擦系数=0.10，联接的可靠系数（防滑系数）C=1.3，螺纹小径d1=16.376mm，螺栓的许用拉应力=100MPa。求能承受的最大载荷F为多少。,（05058),例7：设计图中的普通螺栓联接的螺栓直径。可靠性系数C=1.3，被联接件间摩擦系数 ，螺栓许用拉伸应力 。(05029),例8：用4个M12普通螺钉把板1固定在零件3上，零件1与3之间有摩擦片2，各零件之间摩擦系数=0.13，螺钉强度级别为5.6级， ，安全系数S=4.5；防滑系数(可靠性系数) ；大径 d=12mm，中径 d2=10.863mm ，小径d1=10.106mm；螺钉拧紧后靠摩擦力承受载荷F，求允许的F的最大值。（05041),例9：图示方形盖板用4个螺钉与箱体联接，吊环作用10kN的力，吊环因制造误差，中心O与螺栓组形心O偏离 ，求受力最大的螺栓所受的工作拉力。(05032),3-8 提高螺栓联接强度的措施,前言:螺栓联接强度,螺栓静载荷 变载荷,较少破坏,疲劳破坏,破坏位置,螺栓强度措施,螺栓被联接件,疲劳断裂,当FE由(0FE),要使akb/(kb+kC) kbkC,1)减小kb2)增大kC,减小螺栓光杆直径, 空心螺杆,不宜用软垫片,1.减小kb/(kbkC),但FR减小不利密封,Fa由(F0 )变化,(一)降低螺栓总拉伸载荷Fa 的变化范围a,FR=F0FEkC/(kbkC),(二)改善螺纹牙间的载荷分布,现象:,螺纹牙间的载荷分布不均螺栓螺母受力性质不同1/3载荷 集中在第一圈牙上第810牙不受