机械设计第五章2

,第六节螺纹连接的强度计算,螺纹连接的失效形式及设计准则螺纹连接强度计算的内容松连接的强度计算紧连接的强度计算普通螺栓连接铰制孔用螺栓连接,一、螺栓连接的失效形式和设计准则,1、受拉普通螺栓连接,螺栓承受轴向载荷，,失效形式：拉断、塑性变形,计算准则：保证螺栓杆螺纹部分的静强度或疲劳拉伸强度。,2、受剪铰制孔用螺栓连接,螺栓承受横向载荷。,剪断、压溃,保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度。,疲劳断裂发生在螺纹牙底截面,65%的疲劳裂纹发生在螺栓与螺母旋和的第一圈螺纹处。,15%的疲劳裂纹发生在螺栓头与光杆部分交接处。,20%的疲劳裂纹螺纹尾部倒角处。,二、单个螺栓连接的强度计算的内容,确定螺栓的受力根据连接的类型、连接的装配情况、载荷状态等条件。计算螺栓危险剖面的直径（螺纹小径d1）或校核相应的强度。螺栓的其他部分（螺纹牙、螺栓头、光杆）和螺母、垫圈的结构尺寸，都不需要进行强度计算，可根据螺栓螺纹的公称直径在标准中查得。,符号规定,三、松联接的强度计算,在装配时不需将螺母拧紧，在承受工作载荷之前联接不受力。因此联接所受的载荷即为螺栓所受的工作载荷F。拉应力强度计算：,例题1起重滑轮中的螺栓联接，已知最大起重量为F50KN，螺栓材料为35钢，性能等级为5.6级。确定螺纹的公称直径。解：,查手册：取,四、紧螺栓连接的强度计算,仅受预紧力的紧螺栓连接承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接承受工作剪力的紧螺栓连接,1、仅受预紧力的紧螺栓连接,普通螺栓连接承受横向载荷时，靠被连接件接合面间的摩擦力承受外载荷，此摩擦力由螺栓装配时的预紧力产生。,在装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩的作用下，螺栓除了受到预紧力引起的拉伸应力之外，还受螺纹摩擦力矩T1产生扭转切应力的作用。紧螺栓连接处于拉伸与扭转的复合应力状态。,1、仅受预紧力的紧螺栓连接,仅受预紧力？,对于M10M64普通螺纹的钢制螺栓适用,1、仅受预紧力的紧螺栓连接,预紧力引起的拉应力,扭紧力矩引起的切应力,紧螺栓连接中，螺栓承受拉伸和扭转的联合作用，利用第四强度理论，计算时考虑拉伸强度，并将拉伸应力增大30%来考虑扭转的影响。强度条件：,根据第四强度理论,1、仅受预紧力的紧螺栓连接,承受横向载荷的减载零件,连接强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算。,例2：凸缘联轴器的螺栓组连接。已知在D0150mm的圆周上均匀分布8个M12的普通螺栓，螺栓的性能级别为4.6级，材料为Q235钢。凸缘联轴器传递的扭矩T1000Nm,材料为钢。装配时要求控制预紧力。(f=0.3,Ks=1.2)校核该螺栓组连接的强度。,每个螺栓应有的预紧力：,2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,螺栓连接承受的轴向外载荷。,如：压力容器的螺栓联接,分析,工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷F；工作前、工作中载荷变化。工作原理：靠螺杆抗拉强度承受外载F。解决问题：保证安全可靠的工作，F0=？工作时螺栓总载荷，F2=？保证螺栓联接的紧密性，联接的剩余预紧力F1=？,未拧紧螺母,螺母拧紧,承受轴向工作载荷,螺栓变形分析,螺栓螺母松驰状态，螺栓与被联接件都不受力，没有变形。,螺栓拉长；被连接件压缩。,螺栓进一步拉长；被连接件的压缩变形略有恢复。,螺栓的总拉力=剩余预紧力+工作载荷,承受工作载荷之前,承受工作载荷之后,单个螺栓联接受力变形线图,螺栓联接拧紧后，未承受工作载荷,单个螺栓连接受力变形线图,力,变形,承受工作载荷后：,螺栓的伸长增量,被连接件的压缩恢复量,为使连接不失效：,剩余预紧力,螺栓总拉力,螺栓总拉力计算公式的推导,螺栓总拉力计算公式的推导,剩余预紧力,螺栓总拉力,螺栓的相对刚度,讨论,最不利的情况,最理想的情况,螺栓的相对刚度参考值,为保证联接的紧密性，防止联接受载后接合面间产生缝隙，应使F10。有密封性要求的联接，F1(1.51.8)F对于一般联接，工作载荷稳定时:F1=(0.20.6)F；工作载荷不稳定时，F1(0.61)F。,设计时常用的方法：根据螺栓联接的受载情况，求出螺栓的工作拉力F，根据联接的工作要求选取F1值，再计算螺栓的总拉力。,受轴向变载荷螺栓的疲劳强度计算,力,变形,时间,时间,螺栓中总拉力的变化,螺栓工作拉力的变化,工作拉力在0F之间变化，螺栓所受的总拉力将在F0F2之间变化。,螺栓危险截面的最大、最小拉应力按下式计算：,螺栓危险截面的应力幅：,螺栓疲劳强度验算公式：,疲劳强度安全系数为,3、承受工作剪力的紧螺栓联接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：,螺栓杆与剪切强度条件：,课堂练习题,受横向载荷作用的普通螺栓连接的工作原理是。连接接合面摩擦力平衡外载荷螺栓受剪平衡外载荷螺栓受挤压平衡外载荷螺栓的预紧力平衡外载荷,对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，除了考虑它的静强度之外，还应根据螺栓的来验算它的疲劳强度。,A最大工作应力B最小工作应力C平均工作应力D应力幅,变形,力,一螺纹连接的螺栓受力与变形关系如图所示，若保证剩余预紧力是预紧力的1/2，则该螺纹连接能承受的最大轴向工作载荷为。螺栓能够承受的最大总拉力为。,第七节螺纹连接件的材料及许用应力,1、螺纹联接件的材料与性能等级,（1）常用材料：一般联接：碳钢：Q215-A、Q235-A、35、45重要联接：合金钢：15Cr、20Cr、30CrMnSi等,（2）螺栓、螺母材料性能等级,若将螺栓的材料性能等级标成6.8级，数字6.8代表。,A对螺栓材料的强度要求B对螺栓制造精度的要求C对螺栓材料刚度的要求D对螺栓材料的耐腐蚀性要求,A,螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100,2、螺纹联接件的许用应力,例3,将一块矩形钢板固定在一个槽钢上。已知钢板悬臂端受载荷P16kN，假定被联接件强度足够，有关尺寸如图所示。分析如果采用4个M16的铰制孔用螺栓，性能级别为4.6，如图布置，能否满足强度要求？,解：1.受力分析,第八节提高螺纹联接强度的措施,提高螺纹联接强度的措施,改善螺纹牙间的载荷分布减小应力集中的影响避免产生附加的弯曲应力采用合理的制造工艺方法降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,一、改善螺纹牙间的载荷分布,螺纹旋合后，各圈螺纹牙上的受力不同。工作中螺栓螺距抗拉伸长，螺母螺距受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减。采用圈数过多的加厚螺母，并不能改善载荷在螺纹牙间的分布，不能提高联接的强度。,解决办法,悬置螺母内斜螺母环槽螺母内斜环槽螺母,1.悬置螺母,将螺母转变为受拉螺母。工作时螺栓杆和螺母均受拉，螺距变化差减小。可以提高螺栓的疲劳强度达40%。,2.内斜螺母,将螺母上的螺纹制成沿螺母高度内斜状。使载荷上移，把力转移到原来受力小的螺纹牙上。可以提高疲劳强度20%。,3.环槽螺母,在螺母下端开设环槽，与悬置螺母原理相同，使螺母工作时下端受拉且富有弹性。提高疲劳强度30%。,4.内斜与环槽螺母,兼有环槽螺母和内斜螺母的作用。,二、减小应力集中的影响,在螺纹牙根、螺纹尾部、螺栓头部与螺栓杆交接处，都有应力集中，是影响螺栓疲劳强度的主要原因之一。在螺纹头部与螺栓杆交接处采取以下措施：加大过渡处圆角改用退刀槽卸载槽卸载过渡结构,三、避免产生附加的弯曲应力,由于设计、制造或安装上的疏忽，有可能使螺栓受到附加弯曲应力），这对螺栓疲劳强度的影响很大，应设法避免。,在铸件或锻件等未加工表面上安装螺栓时，常采用凸台或沉头座等结构，经切削加工后可获得平整的支承面.,4.采用合理的制造工艺方法,制造工艺对螺栓的疲劳强度有很大影响。对于高强度钢制螺栓，更为显著。采用辗制螺纹时，由于冷作硬化的作用，表层有残余压应力，金属流线合理，螺栓疲劳强度比车削的高。碳氮共渗、氮化、喷丸处理都能提高螺栓疲劳强度。,工作拉力在0F之间变化，螺栓所受的总拉力将在F0F2之间变化。,5.降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,在保持预紧力F0不变的条件下，减小螺栓刚度Cb和增大被联接件刚度Cm都可以达到降低应力幅的目的。,减小螺栓刚度的措施：适当增大螺栓的长度；部分减小栓杆直径或做成中空的结构；在螺母下面安装弹性元件；,增大被联接件刚度的措施：可以不用垫片或采用刚度较大的垫片；对于需要保持紧密性的联接，从增大被联接件刚度的角度来看，不宜采用较软的气缸垫片。可以采用密封环。,第九节螺旋传动,Powerscrewsaredesignedtoconvertrotarymotiontolinearmotionandtoexertthenecessaryforcerequiredtomoveamachineelementalongadesiredpath.,本节内容,螺旋传动的类型和应用滑动螺旋简介滚动螺旋简介静压螺旋传动,一、螺旋传动的类型和应用,利用内、外螺纹组成螺旋副实现传动要求,用于将回转运动转换为直线运动，同时传递运动和动力。,1.功能,调整螺旋,静压螺旋,类型,运动形式有：,按用途分,传力螺旋,传导螺旋,滑动螺旋,滚动螺旋,按摩擦性质分,传递动力,传递运动,要求精度高,调整相对位置,2.类型,螺杆转动，螺母移动,螺母固定，螺杆转动并移动,螺杆转动螺母移动,螺母转动螺杆移动,螺杆转、移动螺母固定,螺母转、移动螺杆固定,螺旋传动的运动形式,Screwusedtotransmitpower传力螺旋,运动形式：螺母固定，螺杆转动并移动,它以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向推力。一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁。,千斤顶,Screwusedtotransmitmotion传导螺旋,丝杠,运动形式：螺杆转动，螺母移动,特点：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度。一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高,用以调整并固定零件或部件之间的相对位置。一般不在工作载荷作用下转动，要求能自锁，有时也要求有很高的精度,调整螺旋,调整螺旋,虎钳,带传动张紧装置,二、滑动螺旋简介,优点：结构简单、便于制造、易于自锁。,缺点：摩擦阻力大，传动效率低、磨损快、传动精度低。,螺母与螺杆之间为滑动摩擦,滑动螺旋传动常用螺纹,梯形螺纹ACMEthread,滑动螺旋传动常用螺纹,矩形螺纹Squarethread,整体螺母,组合螺母,滑动螺旋传动螺母结构,组合螺母,用螺母定期调节螺纹副,用弹簧定期调节螺纹副,三、滚动螺旋简介,优点：摩擦阻力小、传动效率高。,缺点：结构复杂。,1.滚珠螺旋,外循环,内循环,2.圆锥滚子螺旋,为了降低螺旋传动的摩擦，提高传动效率，并增强螺旋传动的刚性和抗振性能，可以将静压原