联接 机械设计.ppt

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,51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:,T0.2F0dNmm,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（0.60.7）SA1合金钢：F0（0.50.6）SA1,对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。,对于M10M68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=0.10.2，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tgv=f=0.15,得：,F0F/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：F2F0+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F10。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：0FF2：F0F2：minmax,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：3.612.9,二、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FH作用下,上侧螺栓不被拉断；在铅垂力FV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FH、横向力FV及倾覆力矩M的联合作用来代替，其中：,1、由FH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FV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