机械设计第5章螺纹联接和螺旋传动幻灯片.ppt

第二篇连接,机械设计人员必须熟悉常用的连接方法及连接件的结构、类型、性能、适用场合，掌握它们的设计理论或选用方法。,连接对于机器的制造、安装、维修必不可少。,1.动连接,2.静连接,可拆连接,不可拆连接,提问：,有没有既是可拆连接又是不可拆连接的连接形式？,机械连接的分类：,如:各种运动副,-如:螺纹、键、销连接等,-铆、焊、粘接等,（永久连接）,-被连接的零件间可以有相对运动的连接,-被连接件之间不许产生相对运动的连接,（一）过盈连接的特点及应用,特点：利用零件间的配合过盈来达到连接目的,过盈连接简介,过盈连接-干涉配合连接或紧配合连接,（一）过盈连接的特点及应用,特点：利用零件间的配合过盈来达到连接目的,应用：主要用于轴与毂、轮圈与轮芯、滚动轴承与轴或座孔的连接等。,曲轴过盈连接组件,过盈连接简介,曲轴过盈连接组件,过盈连接简介,（二）过盈连接的工作原理,工作原理轴与孔配合中，轴的实际尺寸大于孔，,轴的尺寸减去孔的尺寸-过盈量,当连接承受轴向力F或转矩T时，配合面上便产生摩擦阻力或摩擦阻力矩以抵抗和传递外载荷。,装配方法：,（二）过盈连接的工作原理,冷却被包容件（尺寸）,加热包容件（尺寸）,本篇重点掌握第五章和第六章,第五章螺纹连接和螺旋传动,51螺纹,52螺纹连接的类型及标准连接件,53螺纹连接的预紧,55螺纹连接的强度计算,57螺纹连接件的材料及许用应力,58提高螺纹连接强度的措施,54螺纹连接的防松,56螺栓组连接的设计,本章主要内容有：螺纹连接的基本知识：螺纹和螺纹连接件的类型、结构、特点，应用场合及选用原则，要特别注意普通螺栓连接与铰制孔用螺栓连接在传力、失效形式、结构及强度计算准则上的不同；螺纹连接的强度计算，主要是紧螺栓连接的强度计算。要求掌握紧螺栓连接力与变形之间的关系、提高螺栓连接强度的措施；螺纹连接的防松原理及防松装置；螺栓组的受力分析、失效分析及强度计算方法；本章的重点及难点：受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓连接强度计算，多种受力状态下螺栓组连接的设计计算。,潘存云教授研制,外螺纹内螺纹,（一）螺纹的类型和应用,5-1螺纹,按螺纹的旋向分,右旋螺纹,左旋螺纹,请判断下列螺纹的旋向？,按螺旋线的数目分,单线螺纹多线螺纹,双线螺纹,单线螺纹,连接螺纹,传动螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,按螺纹作用分,连接螺纹传动螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,-用于一般的连接和传动,-主要用于管道连接,按母体形状分,圆柱螺纹圆锥螺纹,按螺纹的牙型分,按螺纹的牙型分,普通螺纹管螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,用于传动,用于连接,常用螺纹的类型、特点和应用，见表5-1,5-1螺纹,中径d2,小径d1,（二）螺纹的主要参数,-在标准中定为公称直径,-强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径,三径,导程（升距）S,（二）螺纹的主要参数,二距,n-螺纹的线数,单线螺纹:S=P,多线螺纹:S=nP,牙型角,牙侧角,二角,中径d2,小径d1,导程（升距）S,S=nP,（二）螺纹的主要参数（汇总）,牙型角,牙侧角,二角,三径,二距,线数（头数）n-螺纹的螺旋线数目,单线螺纹自锁性好多用于连接；,多线螺纹传动效率高多用于传动。,为了便于制造，一般螺纹的线数n4,复习：,螺旋副的自锁条件：,螺旋副的效率：,（二）螺纹的主要参数,自锁性能好，连接可靠,普通螺纹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，其余的统称为细牙螺纹。,（一）基本常识,1.螺纹连接-螺纹零件-可拆连接,2.普通螺纹,5-2螺纹连接的类型和标准连接件,缺点：不耐磨易滑扣。,应用：薄壁零件、受变载荷的连接和微调机构。,v,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（二）螺纹连接的基本类型,1.螺栓连接,铰制孔用螺栓连接,孔与螺杆之间留有间隙,普通螺栓连接,受拉螺栓,受剪螺栓,1.螺栓连接,3.螺钉连接,2.双头螺柱连接,结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。,思考：这两种连接适用在什么场合？各有何特点？,双头螺柱是如何拧入、拧出的？,-不宜经常拆卸,-可经常拆装,（二）螺纹连接的基本类型,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,潘存云教授研制,4.紧定螺钉连接,1.螺栓连接,2.螺钉连接,3.双头螺柱连接,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（二）螺纹连接的基本类型,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,双头螺柱,螺栓,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,地脚螺栓,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,T型螺栓,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有六十余种不同结构的螺母,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,潘存云教授研制,其它螺母：,潘存云教授研制,其它螺母：,垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。,专用螺纹连接,5-3螺纹连接的预紧,预紧力F0：螺纹连接在承受工作载荷之前，预先受到的作用力,预紧的目的：增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。,预紧力的确定原则：,(一)概述,A1-危险截面积，A1d21/4,测力矩扳手,预紧力控制方法:,定力矩扳手,通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。,1)凭手感经验；,2)测力矩扳手；,3)定力矩扳手；,4)测定伸长量。,5-3螺纹连接的预紧,(二)拧紧力矩T的计算,5-3螺纹连接的预紧,装配时，F0的大小通过拧紧力矩T来控制。,拧紧力矩T愈大则预紧力F0也愈大，那么两者之间有何关系呢？,拧紧力矩：,标准扳手长度L15d，设：拧紧力为F，则T=FL,若：F=200N,则：F015000N,若用这个预紧力拧M12以下的钢制螺栓，则很可能因过载而被拧断。,对于重要的连接，不宜采用M12的螺栓。,（一）防松的目的,思考：连接螺纹一般具有自锁性，为何还要防松？,（二）防松的方法,具体方法有三种：,5-4螺纹连接的防松(自学),1、摩擦防松：双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母,2、机械防松：开口销、止动垫片、串连钢丝,3、永久防松：焊、粘、冲,具体内容见表5-3,防松的方法：,1.利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,5-4螺纹连接的防松,防松-防止螺旋副相对转动,开口销与六角开槽螺母,串连钢丝,2.采用专门防松元件防松,圆螺母用止动垫圈,潘存云教授研制,止动垫圈,3.其他方法防松,涂粘合剂,5-4螺纹连接的防松,设计步骤：,5-5螺栓组连接的设计,结构设计,对不重要的螺栓连接，可用类比法确定，不再进行强度校核。,（一）螺栓组连接的结构设计,基本原则：,设计目的：,确定接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和接合面受力均匀、便于加工装配。,5-5螺栓组连接的设计,2.螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,A)对铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；,合理,不合理!,B)当螺栓连接受弯矩或转矩作用时，应使螺栓的位置靠近接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,3.螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间,C)若同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用抗剪零件来承受横向载荷。,键,套筒,销,对压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距t0不大于表5-4所推荐的数值。,4.为便于在圆周上钻孔时的分度和画线，分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成:4、6、8等偶数。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。,5.避免螺栓承受附加的弯曲载荷,螺栓组的结构设计，还包括合理地选择螺栓组的防松装置。,(二)螺栓组连接的受力分析,目的：求出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。,假设：1）所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；2）螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；3）受载后连接接合面仍保持为平面。,5-5螺栓组连接的设计,典型的螺栓组受载情况：,1受横向载荷的螺栓组连接,铰制孔用螺栓连接,普通螺栓连接,Question：在横向载荷的作用下被连接件之间有何运动趋势？,载荷的特点：,载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。,(二)螺栓组连接的受力分析,1受横向载荷的螺栓组连接,A若采用铰制孔用螺栓连接,每个螺栓所受工作剪力为：,工作原理:依靠螺栓杆受剪切和受挤压来抵抗横向载荷F,1受横向载荷的螺栓组连接,B若采用普通螺栓连接,工作原理:靠螺栓预紧后在接合面上产生摩擦力来抵抗外载荷F,A若采用铰制孔用螺栓连接,B若采用普通螺栓连接,工作原理:靠螺栓预紧后在接合面上产生摩擦力来抵抗外载荷F。,预紧后接合面间所产生的最大摩擦力横向载荷：,本题：i=2,预紧后接合面间所产生的最大摩擦力横向载荷：,进一步分析：,当f=0.2，KS=1.2，Z=1，i=1时，,F06F,1受横向载荷的螺栓组连接,5-5螺栓组连接的设计,采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。,2受转矩的螺栓组连接,在转矩T作用下，被连接件底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动，,1受横向载荷的螺栓组连接,(二)螺栓组连接的受力分析,5-5螺栓组连接的设计,2受转矩的螺栓组连接,潘存云教授研制,A.采用普通螺栓,-靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,2受转矩的螺栓组连接,根据作用在底板上的力矩平衡条件：,2受转矩的螺栓组连接,B.采用铰制孔用螺栓,-靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,各螺栓的剪切变形量与其轴线到对称中心O的距离成正比。,（亦螺栓离O越远，变形量越大，所受的工作剪力也越大）,2受转矩的螺栓组连接,B.采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,据作用在底板上的力矩平衡条件：,联立求解得：,受力最大螺栓所受的工作剪力,可见，距旋转中心O点最远的螺栓承受的工作剪力最大。,图示凸缘连轴器，是承受转矩的螺栓组连接的典型部件。,2受转矩的螺栓组连接,铰制孔用螺栓,注意：对承受转矩的螺栓组连接,若采用普通螺栓，则要确定的是：,预紧力F0,若采用铰制孔用螺栓，则要确定的是：,工作剪力Fmax,2受转矩的螺栓组连接,1受横向载荷的螺栓组连接,5-6螺栓组连接的设计,(二)螺栓组连接的受力分析,3受轴向载荷的螺栓组连接,轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心。,2受转矩的螺栓组连接,1受横向载荷的螺栓组连接,(二)螺栓组连接的受力分析,载荷特点：,因螺栓均匀分布，则各个螺栓受载相同。,每个螺栓所受轴向工作载荷：,5-5螺栓组连接的设计,总拉力：,此时，被连接件有分离的趋势。一般多用普通螺栓连接。,3受轴向载荷的螺栓组连接,注意：,各螺栓除承受轴向载荷F之外，还受有预紧力F0的作用,(二)螺栓组连接的受力分析,4受倾覆力矩的螺栓组连接,载荷特点：倾覆力矩M作用在连接接合面的一个对称平面内。,4受倾覆力矩的螺栓组连接,为阻止底板翻转，作用在底板两侧的作用力，对0-0轴形成一个力矩，这个力矩应与外加的M相平衡。,（即：左侧螺栓以及右侧支承面对0-0轴线的反力矩应与M相平衡）,底板的平衡条件为：,根据螺栓的拉伸变形量与其轴线到00轴之距成正比：,受力最大的螺栓所受的工作拉力,显然，距OO轴线最左侧的两个螺栓受力最大。,？,受M作用的螺栓组连接，除要保证螺栓有足够的强度外，还需对接合面的情况进行验算。,为防止受压最小处出现间隙，要求：,为防止受压最大处被压碎，要求：,-（5-20）,-（5-21）,5、对受力复杂的螺栓组连接,将复杂受力状态分解成四种简单受力状态；,实际螺栓组所受的工作载荷往往是以上四种基本受力状态的不同组合。,3受轴向载荷的螺栓组连接,2受转矩的螺栓组连接,1受横向载荷的螺栓组连接,(二)螺栓组连接的受力分析,4受倾覆力矩的螺栓组连接,作法：,按各种简单受力状态单独计算；,将螺栓受力向量迭加求出总的工作载荷。,示例2：,T=Qa,示例3：,首先将P向0点简化，可以得到一个横向力和一个转矩。,在P作用下每个螺栓受到什么力作用？方向、大小如何？,在T作用下每个螺栓受到什么力作用？方向、大小如何？,将P和T作用下螺栓所受的力进行合成，结果如何？,图示为铰制孔用螺栓组连接的两种方案，试分析哪个方案较好？,5、对受力复杂的螺栓组连接,将复杂受力状态分解成四种简单受力状态；,作法：,按各种状态单独计算；,将螺栓受力向量迭加可求出总的工作载荷。,注意：,对普通螺栓：,对铰制孔用螺栓：,按横向载荷或转矩,横、转,5-6螺纹连接的强度计算,螺栓连接的强度计算是针对螺栓组中受力最大的螺栓而进行的。,螺栓连接的强度计算，一是按强度条件去确定螺栓的直径；另外，也可对选定了直径的螺栓去校核其强度。,螺栓连接的强度计算：,5-6螺纹连接的强度计算,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,潘存云教授研制,（一）松螺栓连接强度计算,强度条件：,式中:d1-螺纹小径mm，许用应力,（二）紧螺栓连接强度计算,设计公式：,装配时需拧紧螺母，静载荷、变载荷均可承受，在工程上应用最广。,1.仅承受预紧力F0的紧螺栓连接,此时的连接靠F0在接合面产生摩擦力来抵抗横向载荷或转矩，在螺栓的轴线方向没有工作载荷。,（二）紧螺栓连接强度计算,在拧紧力矩作用下，,螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下,由F0产生的拉应力：,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,由T1产生的扭转切应力：,代入M10M64的螺纹参数，得到：0.5,计算应力：,强度条件：,对于紧螺栓连接，在计算时，可只按单纯拉伸强度计算，但需将所受拉力（预紧力）增大30%来考虑扭转的影响。,结论：,在拧紧时虽同时承受拉伸和扭转的连合作用，,强度条件：,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,（二）紧螺栓连接强度计算,5-6螺纹连接的强度计算,仅受预紧力作用的紧螺栓连接，其工作原理是利用预紧力的作用，在接合面产生的摩擦力来抵抗工作载荷。,普通螺栓连接承受横向载荷或转矩时，螺栓仅受预紧力的作用,-受横向载荷（普）,-受转矩的（普）,预紧力的大小，可根据连接的受力状态，由公式确定：,预紧力F0：,若取f=0.2，Ks=1.2,i=1,则：,F06F,结构尺寸大,靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓连接，,b.采用无间隙的铰制孔用螺栓。,这时，其连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算，而螺栓只是保证连接，不再承受工作载荷，因此预紧力不必很大。,5-6螺纹连接的强度计算,2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸盖上每个螺栓所受的轴向工作载荷为：,（二）紧螺栓连接强度计算,前面分析过，当预紧后螺栓若再承受轴向工作载荷或倾覆力矩的作用，则螺栓内部的拉力会进一步增加，,5-6螺纹连接的强度计算,螺栓伸长量为:b,被连接件压缩量为：m,注意：虽然螺栓所受拉力等于被连接件所受压力，但由于两者的刚度不同，所以它们的变形量也不同。,螺栓的伸长量：,被连接件的压缩量：,已承受工作载荷,被连接件压缩量减少为：m=m-,已承受工作载荷,总拉力：F2=F+F1,被连接件的压缩力减少为：F1,很显然:F10,F1的选取原则如下：,有密封性要求时：F1=（1.51.8）F,螺栓所受的总拉力：,F2=F+F1,设螺栓的刚度为Cb，被连接件的刚度为Cm则：,F-F,显见：F0=F1+（FF）,b,m,b,m,F2,Ob,Om,由图中的几何关系可得：,见教材p84页。其大小与螺栓和被连接件的结构尺寸、材料以及垫片等因素有关。数值在01之间。,螺栓的相对刚度,F0=F1+（FF）,在承受轴向工作拉力的螺栓连接中，采用橡胶垫片和采用铁垫片哪一个对连接有利？为什么？,Question：,-(5-31),-(5-32),螺栓所受的总拉力：,-（5-29）,-（5-32）,承受轴向工作载荷的紧螺栓连接，其设计步骤如下：,强度条件式：,（校核式）,或：,（设计式）,承受F0和F共同作用的紧螺栓连接，其强度公式与仅承受F0作用时的公式形式相同，区别在于一个是F2，一个是F0。而F2的求法略微复杂。,结论：,以上是对静载荷作用下进行的计算，对于受轴向变载荷的重要连接，除要作静强度计算外，还应对螺栓的疲劳强度作精确校核。,工作拉力F在0F之间变化,螺栓总拉力F2在F0F2之间变化,应力幅：,由图可见，无论工作载荷F如何变化，螺栓的最小应力min是不变的，所以可按式（3-24）（即min=C的情况）进行校核。,螺栓最大应力计算安全系数为：,式中的参数说明见教材P75。,3、承受工作剪力的紧螺栓连接,思考：这种螺栓连接受到哪些力的作用？应当按什么强度条件进行计算？,杆与孔壁的挤压强度条件：,螺栓或被连接件的许用挤压应力，查表57,螺栓杆的剪切强度条件：,剪切面数,螺栓材料的许用切应力，查表510,习题课（一）,复习内容：,1、受力分析,（1）外载荷为横向载荷时，可以用（）或（）螺栓来进行连接。,普通,铰制孔用,螺栓预紧后在接合面上产生的摩擦力,求出螺栓所受的预紧力F0,螺杆受剪切和挤压,螺杆所受的工作剪力,前者靠（）来抵抗外载荷，,其受力分析的目的是（）。,后者靠（）来抵抗外载荷，,其受力分析的目的是求出（）。,对于普通螺栓：,对铰制孔用螺栓：,（2）受扭矩作用的螺栓组连接，其受力分析的结果与受横向载荷时相同，只是在求螺栓的受力大小时，所用的公式复杂些。,（3）受轴向载荷的螺栓连接,若螺栓不预紧，则每个螺栓所受的工作载荷F为：,若螺栓预紧，则每个螺栓所受的最大载荷（含预紧力和工作载荷）不等于：,（4）受翻转力矩的螺栓连接，其受力分析的目的是求出在M作用下，哪个螺栓所受的工作载荷最大，进而求出螺栓中的总拉力F2,2、强度计算,强度计算是针对单个螺栓而言的，这个螺栓是螺栓组中受力最大的一个。,（1）松螺栓连接按纯拉伸强度计算,（2）紧螺栓连接要考