机械设计基础联结

1、.,第10章 联 结,.,.,大径d：公称直径。M20d=20mm 小径d1：螺纹的最小直径。 中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。 一般取：d2=(d+d1)/2, 螺距p, 线数n：n=1时用于联接；n1时用于传动； n，但为便于制造n4, 牙形角：螺纹牙两侧面夹角。,1、螺纹的主要参数,10-1螺纹参数,4,2、螺纹的类型,螺纹位置：内螺纹螺母；外螺纹螺钉。,螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。, 中径升角：, 导程s ：s=np,.,联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。,螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。,.,.,10-2 螺纹副的受力分析、效率和自锁,当滑块沿斜面

2、等速上升时，相当于拧紧螺母，驱动力为F： 相应驱动力矩,一、矩形螺纹,.,当滑块沿斜面等速下滑时，驱动力为F 相应驱动力矩 自锁条件:,.,二、非矩形螺纹,当滑块等速上升时：,当滑块等速下降时：,自锁条件：,.,上升效率：,下降效率：,.,10-3 机械制造常用螺纹,特点：螺纹的牙型角 =2=60,螺纹牙根部的强度较高，当量摩擦角 大，自锁性能好，用于联接。 按螺距的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹。,三角形螺纹(代号：M GB 192-81),.,细牙螺纹与粗牙螺纹的比较,粗牙：常用连接牙形 细牙：用于薄壁零件的连接、受动载荷零件的连接及微调装置的调节螺纹 优点：升角小，小径大，自锁性能更好，强度

3、高 缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。,细牙,细牙,粗牙,.,特点： =0，其传动效率高， 多用于传动。但对中性差， 牙根强度低，螺纹牙磨损 后间隙难以补偿。使传动 精度降低，故已被梯形螺 纹所代替。,矩形螺纹,.,梯形螺纹(代号：TGB 192-81),特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低，但工艺性好、牙根强度高、对中性好。在螺旋传动中有广泛应用,.,锯齿形螺纹(代号：S JB 923-66),特点：工作边牙侧角 = 3，非工作边牙侧角 = 30 它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动。,.,管联结螺纹,.,10-4 螺纹联接的基本类型和

4、螺纹紧固件,一、 螺纹联接的基本类型 1、 螺栓联接,.,.,2、螺钉联接,.,.,3、双头螺柱联接,.,.,4 、紧定螺钉联接,螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定 两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。,.,二、 螺纹紧固件,.,.,.,.,.,10-5 螺纹联接的预紧和防松,一、 螺纹联接的预紧,联接刚度 防松能力 紧密性,.,、预紧力过大，会使整个联接的结构尺寸增大；也会使联接在装配时因过载而断裂。 、预紧力不足，则又可能导致联接失效，重要的螺栓联接应控制预紧力。,.,拧紧螺母时，要克服螺纹副的摩擦力矩T1和螺母与支持面间的摩擦力矩T2，因此拧紧力矩 式中 fc 为螺母与

5、被联接件支承表面间的摩擦系数。,rf支承面摩擦半径：,取fc=0.15，对于M10-M68，可简化为：,.,严格控制预紧力时,dM12-M16,标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则： T=FL=15dF=0.2Fad Fa=75F 若F=200N，则Fa=15000N。 小于M12，则易拉断。,.,装配时控制预紧力的方法,.,.,冲击扳手,.,采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。,测量螺栓伸长量,.,二、 螺纹联接的防松,.,3、防松方法,a）摩擦防松,螺纹副中始终有不随联接载荷而变的压力，故存在摩擦力

6、矩防止相对转动。 压力可由纵向或横向压紧产生。,.,金属锁紧螺母 利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹,尼龙圈锁紧螺母 利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹,楔紧螺纹锁紧螺母 利用楔紧螺纹，使螺纹副纵横向压紧,a）摩擦防松,.,b）机械防松（直接锁住）,利用开口销使螺栓、螺母相互约束。,串联金属丝 利用金属丝使一组螺钉头部相互约束，有松动趋势时，金属丝更加拉紧。,止动垫片 垫片约束螺母，自身又约束在被联接件上,.,.,10-6螺栓联结的强度计算,受拉螺栓,受剪螺栓,仅受预紧力Fa,同时受预紧力Fa和工作载荷FE,一、受拉螺栓联接,对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性

7、变形和螺杆的疲劳断裂。,.,一、松螺栓联接,.,MPa 或,mm,式中： d1螺纹小径 mm;见137 Fa螺纹承受的轴向工作载荷 N 螺纹材料的许用应力 MPa,强度条件：,整理，得设计公式：,.,二 、紧螺栓联接,此类螺栓联接中，螺栓除受预紧力Fa引起的拉应力作用外， 还受到螺纹副间摩擦力矩 T1 引起的剪切应力的作用。,螺栓的危险截面处于拉伸和扭转的复合应力状态，而螺栓通常是塑性的，因此按第四强度理论（最大变形能理论），螺栓联接的强度条件为：,对于M10M68的普通螺纹钢制螺栓，可取,.,或 式中：, 轴向力 N d1 螺纹小径 mm 螺纹材料的许用应力 MPa,上式说明紧螺栓联接可按纯

8、拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响。,.,1、受横向工作载荷的螺栓联结,F0预紧力 m结合面数目 f结合面摩擦系数 C可靠性系数，通常取C=1.11.3,若结合面的摩擦力足够大，则被联结面之间不会发生相对滑动，因此螺栓所需的轴向力（预紧力）应为,当取f=0.15、C=1.2、m=1，,.,.,铰制孔螺栓联接的强度计算,强度条件：,式中： F单个螺栓所受的横向载荷 N d0螺栓剪切面直径 mm 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm 螺栓材料的许用剪切应力MPa（见148页） p螺栓和孔壁材料中弱者的许用挤压应力 MPa,.,2、受预紧力F0和轴向工作载荷FE的紧螺栓联接,

9、.,变形受力过程：,.,各力定义,1、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力） 2、螺栓工作拉力Fa 总拉力 3、工作载荷FE（对螺栓联接施加的外载荷） 4、FR剩余预紧力。,思考：图C中， Fa =？ 图c中， Fa = FE + F0 ？,静力平衡条件： Fa = FE +FR,即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。,.,同理，考虑扭转作用，强度条件为：,校核式,mm 设计式,.,选择,有密封性要求时 一般联接，载荷稳定时 一般联接，载荷不稳定时 地脚螺栓联接,.,.,三、 螺栓组联接的结构设计（补充）,1 、联接接合面的设计,.,（一）螺栓的布置应使各螺栓的受力合

10、理 （1）对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合。 （2) 对于铰制孔螺栓联接的受剪螺栓，在平行于工作载荷方向上成排布置的螺栓数目不应超过8个，以免载荷分布不均。,2 、 螺栓的数目及布置,.,（3） 对于受弯矩或转矩的螺栓联接，应使螺栓尽量布置在靠近联接接合面的边缘上，以减少螺栓的受力。,.,（二）、 螺栓的布置应有合理的间距和边距，以保证联接的紧密性和装配时扳手所需活动空间,.,（三） 螺栓的数目及布置应便于螺栓孔的加工,分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4,6,8等偶数，以便于在圆周上钻孔时得分度和划线。,.,10-7 螺栓的材料及许用应力,材料,一般：碳钢,低碳钢：Q2

11、15 、 10,中碳钢：Q235 、 35 、 45,变载荷；合金钢,低碳钢：15Cr,特殊用途：防锈、防磁、导电耐高温,中碳钢：40Cr,.,许用应力,许用拉应力：,许用切应力：,许拥挤压应力：,钢：,铸铁：,查手册,安全系数 表10-6、10-7(148),.,.,1、机理,螺母受压，p,一、改善螺纹牙间受力分配,第一圈：p最大，受力最大 第810圈后几乎不受力,10-8提高螺栓联接强度的措施,., 采用加高螺母不能 提高联接强度。,.,二、减小附加弯曲应力,螺纹牙根,弯曲应力 ,断裂,螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。,引起附加弯曲应力因素：,.,措施：垫圈、凸台、沉孔等。,思考：

12、采用凸台、沉孔的目的？,三、减轻应力集中,收尾：退刀槽；,增大牙根处过渡圆角半径。,.,四、降低应力幅a,max 一定时：a疲劳强度,措施： 1）螺栓长度 2）光杆直径,3）采用柔性螺栓,.,措施：不宜采用刚度小的垫片。,五、改善制造工艺,1、加工方法：碾制较车制强度30%； 2、表面处理：喷丸、氮化等。,.,一、 螺旋传动的类型、特点与应用,2、传动形式： 1) 螺杆转动螺母移动 2) 螺母转动螺杆移动 3) 螺杆又转动又移动（螺母固定）用得多 4) 螺母又转动又移动（螺杆固定）用得少,10-9 螺旋传动,.,.,按用途分三类： 1）传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋 特点：低速、间歇工作，传

13、递轴向力大、自锁 2）传导螺旋机床进给丝杠传递运动和动力 特点：速度高、连续工作、精度高 3）调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。 特点：是受力较小且不经常转动,3、螺旋传动类型,螺旋传动按摩擦副的性质分：,滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传 动平稳、工作可靠、易于自锁 缺点 ：磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（3040%）,传动精度低,.,2) 滚动螺旋传动：摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种

14、.,特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。 缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。,.,3) 静压螺旋：液体摩擦，靠外部液压系统提供压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油腔，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开.,特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，无爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长。但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构。,.,二、 滑动螺旋的设计计算,1、结构与材料,千斤顶典型结构,2、耐磨性计算,滑动螺旋中磨

15、损是最主要的一种失效形式，它会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。 磨损的影响因素：工作面的比压，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态。 所以耐磨性计算主要限制螺纹工作面上比压P要求小于材料的许用比压。,3、自锁性验算,.,4、螺杆的强度计算,螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）F与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用 按弯扭复合强度条件计算第四强度理论,5、螺母的螺纹牙强度计算,由于螺母材料的强度通常低于螺杆材料的强度，因此螺纹牙的剪切和弯曲多发生在螺母上。,6、螺杆的稳定性计算,当螺杆较细长且受较大轴向压力时，可能会双向弯曲而失效，螺杆相当于细杆，螺杆所承受的轴向压力F小于其临

16、界压力Fcr。,.,1、普通平键,（2）承载能力：,一、平键联接,10-11 键、花键联接,.,.,动联接，键固定在轴上，毂可沿键移动。,（4）特点,静联接，周向固定，传递转矩T；不能承受轴向力及轴向固定。,移动距离大时，采用滑键。,2、导向平键,3、滑键,动联接，键固定在毂上，一起沿键槽移动。,.,二、平键的选择计算,1、选择,由轴径d,由轮毂宽,2、强度计算,工作面被压溃（通常为轮毂）（静联接） 工作面过度磨损（动联接） 键剪断（过载才发生）,类型尺寸： （bh）L,.,普通平键的主要尺寸,.,强度条件：,普通平键：,（压溃）,压强：,（耐磨）,3、强度的方法,若pp，可采用如下措施：,（

17、1）键长L，但Lmax=（1.61.8)d，否则承载不均。 （2）采用双键，按180布置，考虑承载不均，按1.5个计算。但对轴削弱大。,见表10-10,.,采用双键时，不能相隔180,应位于轴的同一母线上。,3、强度条件 主要失效：键剪断,2、布置,1、特性 1）键的摆动适应毂键槽的斜度； 2）侧面为工作面，传T，不能传轴向力； 3）特别适于锥形轴端； 4）对轴削弱大，用于轻载。,三、半圆键,.,四、斜键联接,键的一个工作面为斜面：斜度1:100,工作面：上下面，两侧面有间隙 靠摩擦和互压传载：T和单向轴向力 方便拆卸：钩头楔键,1、楔键,.,工作面：上、下两面 靠互压传载，有一个面必须与轴线

18、共面，双向T需用双键(120)。,2、切向键：两个单面斜楔构成,.,五、花键联接,1、组成：内花键、外花键,渐开线花键,.,3、定心方式：,矩形内径定心；,渐开线齿面定心；,其它定心方式,4、特性： （1）齿对称布置，受载均匀； （2）齿浅，应力集中； （3）承载； （4）定心好；,（5）可用于“动”、“静”； （6）渐开线较矩形根部， 承载， 定心精度高，宜用于 载荷大、尺寸大场合。,.,5、花键联结强度计算,.,失效形式 ： 静联接：工作面被压溃 动联接：工作面过度磨损 强度条件： 静联接： 动联接： 载荷分配不均系数k=0.70.8齿数多时取小值,.,对于矩形花键：,对于渐开线花键：,渐开线花键： =30, h=m =45, h=0.8m,.,开尾圆锥销在联接时的防松效果好，适用于有冲击、振动的场合的联接。,圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低定位精度和可靠性。,圆锥销具有1:50的锥度，安装方便，定位精度高。,10-12 销联接,.,端部带螺纹的圆锥销可用于盲孔或拆卸困难的场合；,槽销上有辗压或模锻出的三条纵向沟槽，将槽销打入销孔后，由于材料的弹性使销挤压在销孔中，不易松脱，因而能承受振动和变载荷。,销轴用于两零件的铰接处，构成铰链联接。销轴通常用于开口销锁定，工作可靠，装拆方便。,.,联接销：用于联接，可传