机械设计-第05章-周兴义

5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,1.螺纹的形成,5-1螺纹,（一）螺纹的类型和应用,圆柱上一条螺旋线一个平面图形沿螺旋线运动,2.螺纹的分类,5-1螺纹,2.1按螺旋线数单线：多用于连接多线：多用于传动,（一）螺纹的类型和应用,粗牙：一般情况下使用,细牙：自锁性好，但不耐磨，易滑扣,连接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹,2.螺纹的分类,5-1螺纹,2.2按螺纹牙型,（一）螺纹的类型和应用,管螺纹的公称直径：管子的公称内径（通径）,管螺纹：=55，用于流体传输,连接螺纹：三角形螺纹、管螺纹,2.螺纹的分类,5-1螺纹,2.3按螺纹用途,传动螺纹,矩形螺纹：效率高，强度差，对心性较差,梯形螺纹：效率较高，易切削，强度较好，对心性好,锯齿形螺纹：兼具效率与强度，单向承载,工作面3,（一）螺纹的类型和应用,方向判断,2.螺纹的分类,5-1螺纹,2.4按螺旋线方向右旋（常用）左旋,2.5按螺旋线位置内螺纹：圆柱孔内表面外螺纹：圆柱外表面,（一）螺纹的类型和应用,3.各种螺纹的特点对比,5-1螺纹,（一）螺纹的类型和应用,1.直径,5-1螺纹,大径d（公称直径）小径d1：常用于强度计算中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，一般取,（二）螺纹的主要参数,相邻牙型对应两点间的轴向距离,螺旋线数目n效率自锁性连接螺纹要求自锁性，一般单线为便于制造n4。,同一螺旋线上相邻牙型对应两点间的轴向距离,2.线数(n),5-1螺纹,（二）螺纹的主要参数,3.螺距(P),4.导程(S),S=nP,螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角,S效率自锁性,5.螺纹升角(),5-1螺纹,（二）螺纹的主要参数,6.牙形角(),螺纹牙两侧边的夹角对称牙形=2(：牙型侧角),内外螺纹旋合的接触高度,5-1螺纹,（二）螺纹的主要参数,7.工作高度(h),1.效率计算公式,5-1螺纹,（二）螺纹的效率与自锁条件,2.自锁条件,当量摩擦角,例1：一梯形螺纹的螺杆，d=20mm,，d1=15.5mm，d2=18mm，P=4mm，n=2，f=0.2，问：该螺纹是否满足自锁条件？,解：,满足自锁,5-1螺纹,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,1.螺栓,与螺母配合使用被连接件的通孔为光孔,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（一）螺纹连接的标准连接件,2.螺钉,单独使用一个被连接件的盲孔为螺纹孔,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（一）螺纹连接的标准连接件,3.双头螺柱,两端带螺纹A型：有退刀槽B型：无退刀槽,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（一）螺纹连接的标准连接件,4.螺母,与螺栓配合使用有的种类具有防松功能,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（一）螺纹连接的标准连接件,5.自攻螺钉,用螺钉攻出螺纹,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（一）螺纹连接的标准连接件,6.紧定螺钉,防止轴与轮毂间的相对运动承受载荷较小,椎端：适用于零件表面硬度低，不常拆卸的场合平端：适用于零件表面硬度大，经常拆卸的场合圆柱端：压入轴上凹坑中,7.垫圈,螺母或螺栓头部下方使零件受力更均匀有的具有防松功能,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（一）螺纹连接的标准连接件,1.螺栓连接,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（二）螺纹连接的类型,用于被连接件厚度不大，经常拆装的场合螺栓与孔之间留有一定间隙对孔的加工精度要求不高主要用来承受轴向载荷,1.1普通螺栓连接,1.螺栓连接,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（二）螺纹连接的类型,螺栓与孔之间不留间隙对孔的加工精度要求较高主要用来承受横向载荷同时起到定位作用,1.2铰制孔用螺栓连接,2.螺钉连接,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（二）螺纹连接的类型,用于被连接件较厚，不常装拆的场合盲孔为螺纹孔，通孔为光孔,3.双头螺柱连接,用于被连接件较厚，经常装拆的场合,4.紧定螺钉连接,5-2螺纹连接的类型及标准连接件,（二）螺纹连接的类型,用于定位可传递不大的力矩,5.地脚螺柱连接,用于机座与地面的固定机座上为螺母,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,5-3螺纹连接的预紧,（一）预紧力,1.预紧与预紧力,大多数螺纹连接在承受工作载荷之前要拧紧（预紧）预紧后（工作前）螺纹连接件会受到预加轴向作用力F0（预紧力）目的：增强连接的可靠性和紧密型,2.预紧力的确定原则,不超过材料屈服极限的80%,5-3螺纹连接的预紧,（一）预紧力,3.控制预紧力的方法,普通扳手拧紧，经验控制测力矩扳手，定力矩扳手测量螺栓伸长量,T2螺母与支承面间的摩擦阻力矩,T=T1+T2,T1螺纹副间的摩擦力矩,5-3螺纹连接的预紧,（二）预紧力与预紧力矩的关系,1.预紧力矩的组成,2.螺纹副间的T1,5-3螺纹连接的预紧,（二）预紧力与预紧力矩的关系,3.螺母与支撑面间的T2,取F=200N，L=15d，代入可得F0=15000N,4.预紧力矩与拧紧力,对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,螺纹连接的自锁条件：v（静载下不会自行松脱）冲击、振动、变载、温度变化较大时，螺纹副间摩擦力减小或瞬时消失,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的原因与防松,1.螺纹连接松动的原因,根本问题：防止螺纹副相对转动方法：,1.防松,增大螺纹副中的压力增大螺旋副中的摩擦力防止螺旋副的相对转动,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,1.摩擦防松,增大螺纹副中的压力增大螺旋副中的摩擦力防止螺旋副的相对转动,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,1.摩擦防松,开口方向：斜向右下方,增大螺纹副中的压力增大螺旋副中的摩擦力防止螺旋副的相对转动,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,1.摩擦防松,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,2.机械防松,开口销与六角开槽螺母,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,2.机械防松,串联钢丝,螺纹松脱方向为钢丝的拉紧方向,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,2.机械防松,止动垫圈,5-4螺纹连接的防松,（一）松动的方法,3.其他防松,焊接防松,铆冲防松,涂粘合剂,拆卸后连接件不能重复使用！,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,螺栓组大多数机器的螺纹连接件都成组使用螺栓组连接最典型（分析方法对其他连接同样适用）,5-5螺纹组连接的设计,螺栓设计步骤结构设计：螺栓数目、布置方式受力分析：找出受力最大的螺栓强度计算：确定螺栓的直径,要求1.接合面形状与螺栓分布形式连接接合面通常设计成轴对称的简单形状（圆形、矩形等）螺栓组的对称中心与接合面形心重合（保证接合面受力均匀）,5-5螺纹组连接的设计,确定螺栓数目及布置形式,（一）螺栓组连接的结构设计,目的,2.螺栓的布置应使各螺栓的受力合理（1）对于铰制孔螺栓联接，不要在平行于工作载荷的方向上成排布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均,5-5螺纹组连接的设计,要求,（一）螺栓组连接的结构设计,2.螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,5-5螺纹组连接的设计,要求,（一）螺栓组连接的结构设计,（2）螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓位置靠近接合面的边缘，以减小螺栓的受力,2.螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,5-5螺纹组连接的设计,要求,（一）螺栓组连接的结构设计,（3）采用普通螺栓连接较大的横向载荷时，应采用销、套简、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及尺寸,3.螺栓的排列应有合理的间距、边距,5-5螺纹组连接的设计,要求,（一）螺栓组连接的结构设计,螺栓轴线间距离，以及螺栓轴线与机体壁间的距离，应根据扳手所需活动空间大小决定,5-5螺纹组连接的设计,要求,（一）螺栓组连接的结构设计,4.分布在同一圆周上的螺栓数目应取成偶数，以便于钻孔时的分度和画线5.同一螺栓组中所有螺栓的材料、直径和长度均应相同，以便于装配6、避免螺栓承受附加的弯曲载荷：凸台、沉孔、斜垫圈等,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,1.受力分析与强度计算的步骤,2.1受横向载荷的螺栓组连接,摩擦力平衡横向载荷保证接合面不产生滑移,（1）采用普通螺栓连接,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,2.1受横向载荷的螺栓组连接,（2）采用铰制孔用螺栓连接,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,螺栓杆剪切和挤压平衡外载荷假定每个螺栓受载相同,2.2受扭转力矩的螺栓组连接,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,（1）采用普通螺栓连接,摩擦力平衡横向载荷保证接合面不产生滑移,2.2受扭转力矩的螺栓组连接,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,（2）采用铰制孔用螺栓连接,螺栓杆剪切和挤压平衡外载荷,例题1、图示凸缘联轴器，用六个普通螺栓将两半联轴器相连，被联轴的转速n=960r/min，传递的功率P=1.5kW，联轴器接合面间摩擦系数f=0.2，防滑系数Ks=1.2，试计算需加在每个螺栓上的预紧力大小。,解：1）联轴器所传递转矩,2）螺栓所承受的预紧力F0,5-5螺纹组连接的设计,总拉力：F2F+F0,2.3受轴向载荷的螺栓组连接（只可普通螺栓）,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,螺栓受到的作用力,预紧力：F0,轴向工作载荷：F=F/z,：预紧力：轴向工作载荷：工作后所受总拉力,2.3受轴向载荷的螺栓组连接（只可普通螺栓）,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,螺栓受与被连接件的受力-变形分析,：预紧力：轴向工作载荷：工作后所受总拉力,无变形（不受力）,未拧紧,拧紧,工作,被连接件,5-5螺纹组连接的设计,：预紧力：轴向工作载荷：残余预紧力：工作后所受总拉力,5-5螺纹组连接的设计,2.3受轴向载荷的螺栓组连接（只可普通螺栓）,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,螺栓受与被连接件的受力-变形分析,：预紧力：轴向工作载荷：残余预紧力：工作后所受总拉力,1、螺栓承受的总拉力F2F0+F2、F0及F一定时，F2取决于Cb/(Cb+Cm)Cb（Cm）螺栓受力F2取刚度小的螺栓，刚度大的被连接件3、为防止出现缝隙，残余预紧力应大于0一般：F1=(0.21)F有密封要求的F1=(1.51.8)F,例题2：一紧螺栓连接，已知，加工作载荷F后，螺栓又伸长1mm，此时螺栓受到轴向总载荷F2=5000kN，求螺栓的预紧力F0、工作载荷F、残余预紧力F1大小？,解：受轴向工作载荷的紧螺栓连接预紧时的受力-变形图,5-5螺纹组连接的设计,2.4受倾覆力矩的螺栓组连接（只可普通螺栓）,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,单个螺栓受轴向工作载荷,5-5螺纹组连接的设计,2.4受倾覆力矩的螺栓组连接（只可普通螺栓）,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,受力分析,5-5螺纹组连接的设计,2.4受倾覆力矩的螺栓组连接（只可普通螺栓）,（二）螺栓组连接的受力分析,2.四种典型受载情况的受力分析,附加校核条件（针对底座）,1.右侧不被压溃：预紧力产生压力+力矩产生压力,2.左侧与地面不出现缝隙：预紧力产生压力-力矩产生压力,螺栓组实际受载可能是复合状态，但可分解成上述四种基本状态按力的叠加原理求出螺栓受力，对受力最大的螺栓进行强度计算,1）受横向载荷（普通螺栓或铰制孔螺栓）,2）受扭转力矩（普通螺栓或铰制孔螺栓）,3）受轴向载荷（普通螺栓联接）,4）受倾覆力矩（普通螺栓联接）,5-5螺纹组连接的设计,（二）螺栓组连接的受力分析,3.螺栓组受力分析小结,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,2.1失效形式螺栓杆和孔壁的贴合面上出压溃螺栓杆被剪断。2.2设计准则保证螺栓的挤压强度和剪切强度,5-6螺栓连接的强度计算,（一）螺栓的失效形式,1.受拉螺栓,1.1失效形式螺纹部分塑性变形螺杆的疲劳断裂,1.2设计准则保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度,2.受剪螺栓,仅受轴向工作拉力F失效：拉断,强度条件：,mm设计,查手册，选螺栓,校核,5-6螺栓连接的强度计算,（二）松螺栓连接的强度计算,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,1.1螺栓在拧紧状态下受到的应力,预紧力引起的拉应力：,螺纹牙间摩擦力矩引起的扭转剪应力：,5-6螺栓连接的强度计算,（三）紧螺栓连接的强度计算,根据第四强度理论：,校核式,mm设计式,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,1.2螺栓在拧紧状态下受到的强度条件,5-6螺栓连接的强度计算,（三）紧螺栓连接的强度计算,普通螺栓连接受横向工作载荷！,计算螺栓的工作载荷F根据工作要求确定残余预紧力F1计算螺栓工作时的总拉力F2强度计算,2.承受预紧力和轴向工作载荷,2.1工作载荷为静载荷,5-6螺栓连接的强度计算,（三）紧螺栓连接的强度计算,螺栓的最大拉应力：,螺栓的最小拉应力：,按照min=C应力变化规律进行强度计算！,工作载荷变化范围（脉动）：0-F螺栓总拉力变化范围：F0-F2,2.承受预紧力和轴向工作载荷,2.2工作载荷为变载荷,5-6螺栓连接的强度计算,（三）紧螺栓连接的强度计算,失效形式：螺杆被剪断或螺杆或孔壁被压溃,剪切强度条件：,挤压强度条件：,Lmin=minL1，L2,5-6螺栓连接的强度计算,（四）承受工作剪力的紧螺纹连接,例题3、图示塔接板，用4个普通螺栓连接，每个螺栓危险剖面面积为225mm2，作用在联连板上的横向外力F=18000N，接合面间的摩擦系数f=0.15，防滑系数KS=1.2，求螺栓承受的工作应力。,解：1）求每个螺栓施加的预紧力,2）求螺栓工作应力,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,一般场合：4.8级螺栓重要场合：8.8级螺栓,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级3.64.64.85.66.88.89.810.912.9,小数点前的数字100为B,小数点及后面的数字Bmin为S,4.6级:B=400MPas=4000.6=240MPa,常用材料：低碳钢、中碳钢、合金钢,1.螺栓,5-7螺栓连接的材料及许用应力,（一）材料与性能等级,螺母的性能等级分为七级：456891012,数字100代表螺母能承受的最小应力min,2.螺母,2螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力,3螺纹联接件的安全系数见表5-10,（被联接件为钢）,（被联接件为铸铁）,5-7螺栓连接的材料及许用应力,（二）许用应力及安全系数,1.螺纹连接件的许用拉应力,5-1螺纹5-2螺纹连接的类型与标准连接件5-3螺纹连接的预紧5-4螺纹连接的防松5-5螺栓组连接的设计（重点）5-6螺栓连接的强度计算（重点）5-7螺纹连接件的材料及许用应力5-8提高螺纹连接强度的措施5-9螺旋传动,第五章螺纹连接与螺旋传动,预紧力与工作载荷不变时，减小应力幅实际就是减小螺栓总拉力,5-8提高螺栓连接强度的措施,1.降低影响螺栓连接的应力幅,（一）提高螺栓连接强度的措施,1.减小螺栓刚度2.增大被连接件刚度,5-8提高螺栓连接强度的措施,1.降低影响螺栓连接的应力幅,（一）提高螺栓连接强度的措施,2.1减小连接件（螺栓）的刚度,措施：1）螺栓长度2）光杆直径,3）采用腰状螺栓、空心螺栓,4）螺母下方布置弹性元件,2.2增加被连接件的刚度,1）采用刚度较大的金属垫片2）采用密封环,2、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,5-8提高螺栓连接强度的措施,（一）提高螺栓连接强度的措施,载荷在螺母螺纹牙上分布并不均匀增大螺母厚度不能改善连接强度,措施：1）悬置螺母2）环槽螺母3）内斜螺母4）环槽螺母与内斜螺母,3减小应力集中的影响,5-8提高螺栓连接强度的措施,（一）提高螺栓连接强度的措施,措施：1）加大圆角2）卸载槽3）卸载过渡结构,3减小应力集中的影响,5-8提高螺栓连接强度的措施,（一）提高螺栓连接强度的措施,措施：1）加大圆角2）卸载槽3）卸载过渡结构,4避免或减小附加载荷,5-8提高螺栓连接强度的措施,（一）提高螺栓连接强度的措施,引起附加弯曲应力,避免附加弯曲应力,例4如图所示用两个M10（小径d1=8.376mm，中径d2=9.026mm）螺钉固定一牵引钩。若螺钉材料为Q235钢，屈服极限s=240MPa，安全系数取S=1.6,考虑摩擦传力的可靠性系数（防滑系数）KS=1.2，接合面摩擦系数f=0.2，求其允许的牵引力FR。,解：许用拉应力,螺钉数z2，接合面数m=1，根椐不发生滑移条件,强度条件为,例题5、图示凸缘联轴器，用六个普通螺栓将两半联轴器相连，被联轴的转速n=960r/min，传递的功率P=1.5kW，联轴器接合面间摩擦系数f=0.2，防滑系数Ks=1.2，螺栓材料屈服极限s=320Mpa，安全系数S=1.5，计算螺栓直径。,解：1）联轴器所传递转矩,2）螺栓所承受的预紧力F0,3）求许用应力,4）求螺栓直径,例题6、气缸盖连接结构如图所示，气缸内径D=250mm，为保证气密性要求采用12个M18的螺栓，螺纹内径15.294mm、中径16.376mm，许用拉应力=120MPa，取剩余预紧力为工作拉力的1.5倍，求气缸所能承受的最大压强。,解：1.单个螺栓所能承受的总的拉力,2.单个螺栓所承受的工作力,3.气缸盖所承受的总的拉力,4.气缸所能承受的最大压强。,例题7、板A用4个普通螺钉固定在机座B上，已知板与机座间摩擦系数f=0.14，螺钉许用拉应力=120MPa，FQ=2.5kN，要求能产生的摩擦力比工作负载大25%，试螺钉小径。,解：,F1,力矩作用：,力作用：,根据不发生滑移条件：,Z=1，m=1,d1=22.2mm,作业5-5（补充条件：=100MPa，=1