机械设计-第九版-螺纹连接

第二篇连接,连接,机械动连接,运动副,机械静连接,可拆连接,不可拆连接,螺纹连接,键、花键、销连接,无键连接,铆接,焊接,胶接,过盈连接,连接的基本类型,第五章螺纹连接和螺旋传动第六章键、花键、无键和销连接第七章铆接、焊接、胶接和过盈连接,基本要求：,1.了解连接的基本分类；2.掌握螺纹连接的主要类型；3.了解螺栓拧紧时连接中各零件的受力及螺栓的防松原理、装置和方法；4.掌握单个螺栓的受力分析及强度计算；5.了解提高螺栓连接强度的措施；6.了解花键连接、销连接的基本概念；7.掌握平键的类型、结构特点、尺寸选择及强度计算。,一.螺纹的形成,用于连接,用于传动,单线螺纹,多线螺纹,51螺纹,第五章螺纹连接,二.螺纹的基本参数：,牙形角：螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。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。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。tan=nP/(d2)接触高度h：内外螺纹旋合后接触面的径向高度。,大径d：（公称直径）,小径d1：（强度计算用）,中径d2：（分析效率时用）,螺距P：相邻两牙在中径线上对应点间的轴向距离。,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,三.螺纹的分类：,1）按牙形分：,2）按螺旋线数分：单线、多线（一般不超过4线），线数越多，导程越大。单线用于连接，多线用于传动。,3）按旋向分：右旋、左旋。一般用右旋。,4）按内、外螺纹分：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，设计时应按国家标准选取。,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,非螺纹密封,螺纹密封,米制锥螺纹,用于传动,四.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连接、微调机构中。,2.管螺纹：基准直径为管子的外螺纹大径，牙型角=55（60），旋合后无径向间隙。,3.用于传动的螺纹：,5-2螺纹连接的类型和标准连接件,（一）螺纹连接的基本类型,1.螺栓连接：,（1）普通螺栓连接,（2）铰制孔用螺栓连接,螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接、紧定螺钉连接。,被连接件的孔不用加工螺纹，装拆方便，用于经常拆装的场合。,2.双头螺柱连接：,用于被连接件之一比较厚，需经常拆装的情况。,3.螺钉连接：,被连接件之一需加工螺纹孔，省去了螺母，结构简单，用于不宜经常拆装的场合。,4.紧定螺钉连接：,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,其它连接形式,（二）标准螺纹连接件,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。螺栓连接也可以用于螺钉连接中。,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,普通用的螺纹连接件，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。,5.垫圈,螺纹连接件分三个精度等级：A、B、C（高低），C级最常用。精度等级要配套使用。,6.自攻螺钉,5-3螺纹连接的预紧,一.螺纹连接的预紧,在装配时，螺纹连接都必须预紧。对于重要的螺纹连接，还应控制其预紧力的大小。,1.预紧力：,2.拧紧的目的：,使连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，否则易过载拉断，因此，要保证所需预紧力大小又不使连接件过载。,1）增加连接的可靠性；2）增加连接的刚性；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。,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：,拧紧力矩:,T0.2F0dNmm,对于M10M64的普通螺纹，fc=0.15，f为螺旋副间的摩擦系数,无润滑时f=0.10.2，则：,标准扳手长度L15d,若拧紧力为F，则TFL，F075F，易使M12的螺栓过载拧断。,重要连接应尽可能使用M12的螺栓。,为使连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：碳素钢螺栓F0（0.60.7）SA1合金钢螺栓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。,4.控制预紧力的方法：,1）控制拧紧力矩；,b.定力矩板手；,2）测量螺栓的伸长量；,a.测力矩板手；,3）螺母转角法。,一般的单线三角形螺纹=14232，而v=6.510.5，满足自锁条件v。加之螺栓头、螺母和支撑面间的摩擦力起到防松作用。因此，在静载与常温下，螺纹连接不会松脱。,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，连接就可能松脱；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，最终导致连接失效。,1.防松的根本原理：防止螺旋副的相对转动。,2.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。,用于不可拆卸连接。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：,5-4螺纹连接的防松,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,止动垫片防松,串联钢丝防松,3）永久防松,5-5螺栓组连接的设计,（一）螺栓组连接的结构设计,1.被连接件应为轴对称简单形状；,2.根据载荷,合理布置螺栓位置：受力矩作用时应适当远离对称轴；避免偏心承载；,3.受横向力的螺栓组受力方向不超过8个；分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数；,4.同一螺栓组紧固件形状、尺寸、材料应尽量一致；,5.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；压力容器螺栓间距见P74表5-4。,注意：螺栓组和单个螺栓的失效有联系又有区别。,（二）螺栓组连接的受力分析,两种情况的工作原理不同！,普通螺栓连接,铰制孔用螺栓连接,1.受横向载荷的螺栓组连接,单个螺栓受力,螺栓组受力,1）普通螺栓组连接,单个螺栓受力,螺栓组受力,2）铰制孔用螺栓连接,2.受转矩的螺栓组连接,（1）普通螺栓连接,（2）铰制孔用螺栓连接,变形量越大,则工作剪力越大,然后校核受力最大螺栓的挤压与剪切强度。,F0,3.受轴向载荷的螺栓组连接,单个螺栓的受力：预紧力F0,工作力,总拉力,4.受倾覆力矩的螺栓组连接,假定底板为刚体，倾覆力矩作用在螺栓组连接的形心,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,变形条件,螺栓所受的工作拉力与距离成正比,在翻转力矩作用下，接合面挤压应力分布图,受翻转力矩前，接合面挤压应力分布图,F0,底板受力分析,单个螺栓地基受力变形图,F1引起,F1m引起,螺栓与地基对底板的共同作用(左、右侧)下,最大工作载荷,验算接合面的强度计算,左侧不出现间隙：,右侧不压溃：,小结：1.在实际工作中，螺栓所受的工作载荷往往是以上四种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种简单的受力状况，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.为了保证螺栓连接的可靠性,还要考虑综合条件，如不出现间隙、不压溃等。,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；,5-6螺栓连接的强度计算,一.螺栓连接的失效形式：,受力分析时可分为：普通螺栓连接：松螺栓连接紧螺栓连接铰制孔用螺栓连接,螺纹连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，铰制孔螺栓连接的失效形式是：螺栓杆和孔壁的贴合上出现压溃或螺栓杆被剪断；,3.螺纹牙的磨损。,螺栓连接大多工作之前应预紧，称为紧螺栓连接,设计准则：,对受拉螺栓：保证螺栓的静力或疲劳强度。,二.螺栓连接的强度计算：,对受剪螺栓：保证螺栓的挤压强度和螺栓的剪切强度。,1.松螺栓连接的强度计算,按标准取d1,2.紧螺栓连接的强度计算,1）仅受预紧力的紧螺栓连接,这种螺栓在预紧力F0和螺旋副的摩擦力矩T1共同作用下。,对M10M64的普通钢制螺栓，取tanv0.17，tan0.05，d2/d1=1.041.08,得：,根据第四强度理论：,承受横向载荷作用的普通螺栓连接,不滑移条件：,当f=0.15,Ks=1.2,i=1时，F0=8F，螺栓的可能尺寸较大。,可用减载零件来承受横向力，此时螺栓只起连接作用，不承载，强度计算按减载零件计算。,拉伸强度条件,2）受轴向工作拉力的紧螺栓,图示汽缸盖螺栓在汽缸工作前先要拧紧，因此螺栓受到预紧力F0的作用，汽缸工作时，螺栓还要受到由汽缸内部工作压力引起的工作载荷F的作用。,F2=F0+F,螺母未拧紧,螺母已拧紧,承受工作载荷,预紧力变化：0F0F1（残余预紧力）,被连接件总压缩量,螺栓总伸长量：,螺栓总拉力：F2=F+F1,由于螺栓和被连接件都是弹性体，满足虎克定律，因此,被连接件总压缩量,螺栓总伸长量：,当螺栓工作拉力为F时，设螺栓总拉力为F2,螺栓总拉力：F2=F+F1,螺栓总拉力：,为了保证连接的紧密性，防止连接受载后结合面间产生缝隙，应使F10。推荐：,（2）对于一般连接，工作载荷稳定时，,（3）工作载荷不稳定时，,（4）对于地脚螺栓连接，,（1）对于有密封性要求的连接，,设计步骤：确定F-选取F1-计算总拉力F2-计算F0-强度计算,当工作拉力为：0F,则螺栓总拉力为：F0F2,受剪螺栓连接如图所示。可能失效形式有：螺栓杆剪断，螺栓杆和孔壁两者中的弱者被挤坏。,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。,挤压强度：,剪切强度计算：,3.承受工作剪力的紧螺栓连接,假设：,5-7螺纹连接件的材料及许用应力,连接件常用材料：碳素钢Q215、10、Q235、35、45等合金钢15Cr、40Cr、30CrMnSi等普通垫圈的材料Q235、15、35弹簧垫圈的材料65Mn,P86表5-8螺栓连接的性能等级。分为10级，小数点前为B/100，小数点后为10S/B。,P86表5-9螺母的性能等级。分为7级，数字表示min/100。,许用拉应力,许用切应力,许用挤压应力,钢,铸铁,5-8提高螺栓连接强度的措施,一.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。,二.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。,三.减小附加应力:偏心拉伸对螺栓十分不利。,四.采用强化措施：氮化、氰化、喷丸等处理。强化的本质是产生预压应力。经强化的螺栓耐腐性能都会下降。,当工作拉力为0F，则螺栓总拉力F2为：,五.降低应力幅：应力幅变化过大是疲劳断裂的根本原因。,应力幅为,保持F0和F不变,则可减小Cb或增大Cm。,-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，试设计该螺栓连接（确定螺柱直径、个数及分布圆直径D0）。,解：1、求螺栓总拉力,显然，F不变，螺栓直径大则数目Z小；反之Z大则螺栓直径小。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,螺栓工作拉力为：,取,螺栓总拉力为：,由强度条件得：,用4.6级的Q235螺栓，拧紧时控制预紧力，取S=1.5，于是（P86表5-8、P87表5-10）,2、求螺柱直径:,查手册，取M16即可（其d1=13.83512.066）。,3、确定螺栓分布圆直径D0：,暂定,临界许用值为(P73表5-5）,螺栓间距为：,因此，最终取分布圆直径D0=200mm,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连接，一般应确定必须的预紧力。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（P84)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个螺栓连接在砖墙上。已知砖墙为水泥砂浆缝,载荷Q=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，试设计该螺栓连接。,在倾覆力矩M和水平力RH作用下上侧螺栓不被拉断；在铅垂力RV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。,分析：支架正常工作的条件是：,解：1.螺栓受力分析,2.由不下滑条件确定螺栓予紧力：,设螺栓予紧力为F0，在螺栓轴向载荷FH/6作用上以后，底板与墙体间残余予紧力F1产生的摩擦力总和应大于RV，而力矩M不会影响下滑。即有：,取,载荷对螺栓组连接的作用可用RH、