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第6章螺纹连接,6.1螺纹副的主要参数与受力特征,6.2单个螺纹连接的设计,6.3螺栓组连接的设计,6.4螺旋传动,联接在机械中许多零、部件间以一定的方式组合成一个整体,这就构成了联接。常用的机械联接有两大类：动联接动联接动联接在机器工作时，被联接的诸零、部件之间可以有相对位置的变化，如:各种运动副静联接在机器工作时，被联接的诸零、部件之间的相对位置是固定不变的，不允许有相对运动,可拆连接,不可拆连接,-如:螺纹、键、销连接等,-铆、焊、粘接等,（永久连接）,联接目的:便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率。,潘存云教授研制,外螺纹内螺纹,螺纹联接的设计螺纹联接是利用螺纹零件构成的可拆联接，它的主要功能是把若干个零件联接在一起。属于可拆联结，结构简单、拆装方便、适用范围广,螺纹的形成,6.1螺纹副的主要参数和受力特征1、螺纹的种类及主要参数（1）种类：按螺旋方向：左旋、右旋,按螺纹的线数：单线、双线、多线，一般不超过4线按位置：内螺纹（如螺母）、外螺纹（如螺钉）按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹,双线螺纹,单线螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,按牙型：三角形螺纹常用于联接矩形螺纹用于传动梯形螺纹常用于螺旋传动锯齿形螺纹常用于单向传动管螺纹常用于紧密连接,按螺纹的牙型分,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,中径d2,小径d1,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,二距,n-螺纹的线数,单线螺纹:S=P,多线螺纹:S=nP,牙形角,牙形斜角（牙侧角）,二角,-中径圆柱上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角,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,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。,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,三角形螺纹：=2=600,自锁性好，用于联接粗牙：一般常用细牙：自锁性好，易滑扣，适用于薄壁小零件或载荷小矩形螺纹：=00,效率高，用于传动，常被梯形代替梯形螺纹：=2=300,易于制造，对中性好，常用于螺旋传动锯齿形螺纹：=30,效率高，易加工，承载大，单向传动管螺纹：用于紧密联接，=550,管子内径为公称直径圆锥管螺纹：=550和=660，锥度为1：16，用于高温高压系统的管件联接,2、螺纹副的受力关系、效率和自锁,矩形螺纹的受力分析:F-轴向载荷Ft-中径处的水平推力-螺纹升角-摩擦角Fn-法向支反力,（1）矩形螺纹矩形螺纹牙型斜角,拧紧螺纹时，既滑块等速上升时：,Ft,设计：潘存云,R,F-阻力，Ft-驱动力,Fn-摩擦力,沿斜面朝下,由平衡条件得：Ft=Ftan(+),驱动力矩：,螺纹放松时，即滑块等速下滑时：由平衡条件，得：Ft=Ftan(-),F-驱动力，Ft-支持力,Fn-摩擦力,沿斜面朝上,驱动力矩：,Fn=F/cos,（2）非矩形螺纹摩擦阻力可写为：F/cos=F/cos=eF拧紧时：Ft=Ftan(+e)松开时：Ft=Ftan(-e),传动效率：螺母旋转一周做的总功:螺母旋转一周做的有用功:,拧紧时(Ft主动)：=tan/tan(+e)松开时(F主动)：=tan(-e)/tan,若e，则T为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；,若e，则T为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。,自锁条件：e,放松时：,6.2单个螺纹联接的设计,1、螺纹紧固件和材料,螺栓双头螺柱螺钉紧定螺钉螺母/垫片,螺栓的结构形式,双头螺柱,末端结构,头部结构,螺钉、紧定螺钉,螺母,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,垫圈,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。,按机械性能等级分十级：3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9点前是Bmin/100,点后是10Smin/Bmin制造精度分：精密极（4-6级）：用于精密联接和配合变动小的场合中等级（7级）：一般用途粗糙级（78级）：精度要求不高的场合螺栓常用材料：中碳刚、低碳刚：如A2,A3,10,35,45合金刚：重要场合，如15Cr,40Cr,30CrMnSi螺母常用中碳刚,2、螺纹联接的基本类型和画法螺纹联接的基本类型螺栓联接:,a)普通螺栓联接:被联接件的孔中不切制螺纹，装拆方便，应用最广,可承受横向和纵向载荷,孔与螺杆之间留有间隙,普通螺栓连接,b)铰制孔螺栓联接:适合承受横向载荷螺栓杆与孔壁之间没有间隙，适合于承受横向载荷。,双头螺柱联接,结构紧凑，适用于较厚的被联接件（盲孔的连接）避免多次拆装损坏被联接件的螺纹孔,螺钉联接结构简单；不宜多次拆装，适于盲孔的连接。,紧定螺钉联接,固定两零件间的相对位置传递不大的力或力矩,潘存云教授研制,（2）螺纹连接的画法中要注意的问题：剖切通过标准件时均不剖两零件接触画一条线，否则不论间隙大小画两条线旋合部分按外螺纹画：外粗里细内螺纹部分：里粗外细螺纹底孔不应大于螺纹内径，深度大于螺纹深度，夹角1200，装配图中倒角和退刀槽可省略,试找出题图中螺纹连接结构中的错误，并就图改正。已知被连接件材料均为Q235，连接件均为标准件。,a)普通螺栓连接,b)螺钉连接,c)双头螺柱连接,d)紧定螺钉连接,3、螺纹联接的主要失效形式和设计准则,螺栓的主要失效形式：螺栓联接的松动螺栓杆拉断螺纹被压溃剪断因磨损而发生滑扣,螺纹牙及各部分的尺寸是根据等强度原则和使用经验确定的，计算只需确定小径，然后选取大径和螺距，其它尺寸不必计算,4、螺栓联接的拧紧和放松螺栓联接的拧紧紧联接：在装配时拧紧预紧力F：紧联接螺栓在工作前所受到的轴向力拧紧时所需力矩T：克服螺纹副的螺纹力矩T1和螺母与支承面的摩擦力矩T2,对于不同直径，若取e=tane=0.15，=0.15，可简化：T0.2Fd,1)凭手感经验；,2)测力矩扳手；,3)定力矩扳手；,4)测定伸长量。,操作简单,但准确性较差,预紧力控制方法:,测力矩扳手,定力矩扳手,达到固定的拧紧力矩时，卡盘不转动,(2)螺栓联接的放松,防松：三角螺纹具有自锁性，但是在冲击、振动和变载荷以及温度变化的条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，从而联接发生松脱防松的根本问题：防止螺纹副的相对转动,具体方法有三种：,2）机械防松：开口销、止动垫片、串连钢丝,3）永久防松：焊、粘、冲,1）摩擦防松：双螺母、弹簧垫圈、自锁螺母,防松的方法：,1）利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,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,开口销与槽形螺母,3）其他方法防松,涂粘合剂,5.松螺栓联接强度计算松联接：只有外载荷的拉力，没有预紧力强度条件：计算应力许用应力,s-材料的屈服极限S安全系数，未淬火钢取1.2，淬火钢取1.6。,受横向工作载荷的紧螺栓联接强度计算（1）普通螺栓联接,不受外载之前：螺栓受力：预紧力、螺纹力矩受外载之后：应力仍为拉、剪应力,拉应力=4F/（d12）螺纹力矩：,剪应力：=16T1/(d13)对于M10M68的螺纹取d1,d2,的平均值，且,可得：,普通受拉螺栓的强度条件为：（即校核式）,设计式为：,按第四强度理论，当量应力为：,s-材料的屈服极限SS安全系数，见表6-2,(2)铰制孔螺栓联接：,剪切强度条件：,挤压强度条件：,FR螺栓所受建立d螺栓抗剪面直径hmin被连接件中受挤压孔壁的最小长度m螺栓抗剪面数量螺栓许用剪应力，Mpa。,受轴向工作载荷的紧螺栓联接强度计算（1）螺栓总拉力F0的计算预紧力为F，工作载荷为F当应变在弹性范围之内时，各零件的受力可根据力平衡和变形协调条件求出。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,1,2,特别注意，轴向载荷：,F0F+F,加预紧力后螺栓受拉伸长1,被联接件受压缩短2,加载FE后:,螺栓总伸长量增加为:,总拉力为：,被联接件压缩量减少为：,残余预紧力减少为：F,很显然:F0可参考：静载荷F=(0.20.6)F变载荷F=(0.61.0)F压力容器的紧密联接F=(1.51.8)F且保证剩余预紧力大于压力容器的工作压力,（2）静强度计算强度条件：,（3）疲劳强度计算,当工作载荷在F1和F2之间变化时，螺栓拉力将在F01和F02之间，螺栓的拉力变幅为：,疲劳强度条件为：,提高螺栓联接强度的措施,设计：潘存云,设计：潘存云,（1）改善螺纹牙间的载荷分布,措施:采用悬置(均载)螺母。,加厚螺母不能提高联接强度。,F=F1+F2+F3+F4+F5,F1F2F3F4F5,螺母体,假设螺母为刚体，则螺纹牙变形与普通螺木相同。但实际上螺母也是弹性体，受载也被拉长，变形螺纹牙产生回弹，从而减小两者螺距变化，使受载均匀。,10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。,（2）避免附加应力,设计：潘存云,设计：潘存云,支承面不平,采用凸台或沉孔结构,(a)采用球面垫圈（b）采用斜垫圈（c）采用凸台（d）采用沉头座（e）采用环腰使栓杆减免弯曲应力的措施,（3）减小应力集中,1.增大过渡圆角,2.切制卸载槽,（4）减小螺栓应力幅,可减少螺栓的总拉力因此,可减少螺栓刚度或增大被连接件刚度具体措施:1）增大螺杆长度,减少部分螺杆直径,中空螺杆，柔性螺栓;,2）在需要密封的情况下,采用刚度大的垫片3）若是紧密连接,可采用密封环结构.,（5）选择恰当的预紧力并保持不减退,（6）采用合理的制造工艺,o,F,压缩变形,压缩变形,o,冷镦头部、辗压螺纹,表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。,6.3螺栓组联接的计算,螺栓组联接设计的一般次序是：首先进行结构设计，即确定接合面的形状，螺栓的布置方式，联接的结构型式及螺栓的数目，然后按其所受的外载荷（力、力矩）分析螺栓组中的各个螺栓受力，以便找出其中受力最大的螺栓，再按单个螺栓进行强度计算。并根据强度计算来决定螺栓直径。,螺栓组一般是由几个同样的螺栓(或螺钉、螺柱)组成的。,大多数情况下,螺纹联接都是成组使用的。由于联接的结构形式及外载荷情况不同，螺栓的受力也不同。,螺栓组结构设计：确定螺栓的布置方式和数目时，应使受力合理，力求各螺栓受力较小且均匀，利于加工和装配的等。应按以下几方面考虑：1、从加工角度，联接接合面的几何形状应尽量简单。螺栓组的形心与联接接合面的形心最好相重合，最好有两个对称轴，可使加工方便，计算也比较容易。通常采用环状或条状结合面，可以减少加工量和接合面不平的影响，同时增加了联接刚度。,2、受力矩时螺栓应尽量远离对称轴布置，以减少螺栓受力,增加联接的可靠性;同一圆周上螺栓的数目应偶数，可便于划线和分度。3、力求螺栓受力合理，对于受横向载荷的普通螺栓组,沿受力方向布置螺栓不宜超过68个,。4、装配时，对于紧螺栓应使每个螺栓的预紧程度一样，使预紧力在接合面产生均匀压力，因此相邻螺栓的中心间距t一般应小于10dt10d（d螺栓公称直径）对于有紧密性要求的联接，可查手册。确定t值时必须考虑扳手空间。,1、各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度及预紧力都相同2、联接件和被联接件中的应力均在弹性极限内3、预紧力在接合面间产生的压力是均布的1、受轴向力FQ的螺栓组联接载荷通过螺栓组形心，各螺栓所受的载荷为：F=FQ/z,假设,2、受横向力FR的螺栓组联接载荷通过螺栓组形心,1)普通紧螺栓联接靠摩擦传递载荷，只承受预紧力,s为摩擦因数，kf为可靠性系数,（2）铰制孔用螺栓联接靠剪切和挤压来传递载荷假设每个螺栓所受载荷均为Fs，则,再进行铰制孔螺栓的计算和选择.,3、受旋转力矩T的螺栓组联接（1）普通螺栓联接,r1,r2,，rz为各螺栓中心至螺栓组形心的距离,（2）铰制孔用螺栓联接,根据螺栓的协调变形条件，即各螺栓的剪切变形量与螺栓中心至螺栓组形心的距离成正比，得：,若忽略预紧力和摩擦力，得：,受翻转力矩M的螺栓组联接,根据螺栓的协调变形条件，得：,联立以上各式，得：,机座左半边螺栓的紧固力增大，右半边的反抗压力同样大小增大，根据机座的静力平衡条件，得：,5.受任意载荷的螺栓组联接,实际上，螺栓组所受载荷往往是上述四种情况的不同组合，分析步骤如下：1）将载荷简化到螺栓组的几何形心2）按四种典型的螺栓组连接受力分析方法，求出各简化载荷下螺栓的受力，并将其叠加。3）求出受力最大的螺栓及其载荷4）进行螺栓的强度计算。,x,z,y,Fz,Fx,Fy,o,Tz,Mx,My,螺栓组受力分析3个方向，6种载荷：横向力：Fx、Fy轴向力：Fz翻转力矩：Mx、My转矩：Tz,受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+轴向载荷,受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+旋转力矩,受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力,见p209例题，作业:6-28、6-33,6.4螺旋传动用途：回转运动和直线运动的转换传递力和力矩调整零件的相互位置一、螺旋传动的应用和分类按螺杆与螺母的相对运动方式，螺旋传动可以有以下四种基本运动方式：,螺母固定不动，螺杆转动并做往复直线运动这种结构占据空间固定螺母为固定支撑，结构简单，但大。常用于螺旋压力机，螺旋千斤顶等。,(2)螺杆转动，螺母做往复直线运动这种结构占据空间小，适合于长行程螺杆。螺杆两端的轴承和螺母防转机构较复杂。车床丝杠、刀架移动机构多采用这种运动形式。,防转机构,(3)螺母旋转并做往复直线运动由于螺杆固定不动,因而二端支撑结构较简单,但精度不高。如有些钻床工作台采用了这种运动形式。,(4)螺母转动，螺杆做往复直线运动螺