机械零件的疲劳强设计PPT课件

1、第1页/共44页q螺纹螺纹q螺纹联接的类型拧紧与防松螺纹联接的类型拧紧与防松q单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算q螺栓组联接的受力分析螺栓组联接的受力分析q提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施q螺旋传动螺旋传动第2页/共44页第一节第一节 螺螺 纹纹一、螺纹形成原理及主要参数一、螺纹形成原理及主要参数螺旋线螺旋线将一将一倾斜角倾斜角为为直线绕在圆柱体直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。上便形成一条螺旋线。螺螺 纹纹沿着螺旋线做出具有相同剖面的沿着螺旋线做出具有相同剖面的连续凸起和沟槽就是螺纹。连续凸起和沟槽就是螺纹。外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹第3页/共44页主要参数主要参数1) 大径大径

2、d、D2) 小径小径d1、D13) 中径中径d2、D24) 牙型角牙型角5) 牙型斜角牙型斜角6) 高度高度h7) 螺距螺距P8) 导程（导程（s）Ph第4页/共44页10) 升角升角9) 线数线数n2arctandnp二、常用螺纹二、常用螺纹1.1.螺纹螺纹位置位置：内螺纹；外螺纹。：内螺纹；外螺纹。2.2.螺纹螺纹旋向旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考第5页/共44页3.3.螺纹螺纹线数线数：单线（联接）；多线（传动）：单线（联接）；多线（传动）4.4.螺纹螺纹牙形牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等：三角形、矩形、梯形、锯齿形等3033060三角形三角形梯

3、形梯形锯齿形锯齿形矩形矩形效率低、自锁性好效率低、自锁性好单线，用于联单线，用于联接接粗牙：一般情况下使用。粗牙：一般情况下使用。细牙：细牙：p p小，小， 小，牙浅，自锁性好，但不小，牙浅，自锁性好，但不耐磨耐磨，易滑扣。易滑扣。 效率高、自锁性效率高、自锁性差差双线或多线，常用于传动双线或多线，常用于传动第6页/共44页光孔，间隙，光孔，间隙，方便，不厚，方便，不厚，受拉受拉光孔，过渡，光孔，过渡，紧凑，不厚，紧凑，不厚，受剪受剪第二节第二节 螺纹联接的类型、拧紧和防松螺纹联接的类型、拧紧和防松1.1.螺栓联接螺栓联接普通螺栓联接普通螺栓联接铰制孔用铰制孔用第7页/共44页一光孔，一螺纹孔

4、一光孔，一螺纹孔一较厚，经常拆卸一较厚，经常拆卸一光孔，一螺纹孔一光孔，一螺纹孔一较厚，不经常拆卸一较厚，不经常拆卸2.2.螺柱联接螺柱联接3.3.螺钉联接螺钉联接第8页/共44页4 4、紧定螺钉联接、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，并两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩可传递不大的力或力矩。第9页/共44页二、性能等级1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、性能等级材料性能如：6.8Bmin/100=6Bmin=600MPa10(smin/Bmin)=8smin=480MPa或smi

5、n=(68)10=480MPa低碳钢或中碳钢2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。（自学）第10页/共44页二、螺栓联接的拧紧二、螺栓联接的拧紧1.1.预紧预紧目的目的联接刚度联接刚度防松能力防松能力紧密性紧密性螺母螺母支承面支承面间的摩擦阻力矩间的摩擦阻力矩T=TT=T1 1+T+T2 2螺纹副螺纹副间的摩擦力矩间的摩擦力矩第11页/共44页221dFTt)tan(vtFF螺纹副间有效圆周力螺纹副间有效圆周力2)tan(2dFvfrFT 2（rf支承面摩擦半径）支承面摩擦半径）dFkTTTt 21kt拧紧力矩系数，一般取拧紧力矩系数，一般取kt=0.2=0.20.2 75TFLF dFF重要的

6、联接重要的联接，不宜采用小于，不宜采用小于M12M16mm的螺栓。的螺栓。第12页/共44页2 2、控制、控制T的方法的方法一般情况凭一般情况凭经验经验，拧紧即可。，拧紧即可。方法：方法：测量螺栓伸长量测量螺栓伸长量：大型螺栓联接大型螺栓联接定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳测力矩扳手手冲击扳手冲击扳手第13页/共44页测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，不适用与大型螺栓联接。不适用与大型螺栓联接。测量螺栓伸长量测量螺栓伸长量第14页/共44页三、螺栓联接的防松三、螺栓联接的防松1.1.螺纹联接按自锁条件设计螺纹联接按自锁条件设计： v v。

7、静载下不会自行松脱。静载下不会自行松脱。2.2.松动原因松动原因冲击、振动、变载荷下冲击、振动、变载荷下温度变化较大时温度变化较大时3.3.防松方法防松方法防止螺旋副相对转动防止螺旋副相对转动防松原理防松原理摩擦防松摩擦防松机械防松机械防松永久防松永久防松第15页/共44页下螺母上螺母螺栓对顶螺母对顶螺母弹簧垫圈弹簧垫圈1 1）摩擦防松）摩擦防松第16页/共44页开口销与槽形螺母开口销与槽形螺母2 2）机械防松（直接锁住）机械防松（直接锁住）第17页/共44页第18页/共44页正确不正确注意注意金属丝穿入方向金属丝穿入方向串联金属丝串联金属丝第19页/共44页3 3）破坏螺纹副关系破坏螺纹副关

8、系不可拆联接不可拆联接胶接胶接冲点冲点焊焊住住第20页/共44页第三节第三节 单个螺栓联接的强度计算单个螺栓联接的强度计算一、受拉螺栓联接一、受拉螺栓联接失效形式主要是螺纹部分的塑性失效形式主要是螺纹部分的塑性变形、断裂和螺杆的疲劳断裂。变形、断裂和螺杆的疲劳断裂。65%20%15%1.1.松螺栓联接松螺栓联接仅受轴向工作拉力仅受轴向工作拉力F失效：拉断失效：拉断第21页/共44页强度条件：强度条件：21 /4FdMPa 校核式校核式许用应力， = = s sS S 。14 Fd mm 设计式设计式2.2.紧螺栓联接紧螺栓联接（1 1）只受预紧力F FF F拉应力21/4FdT T1 1产生

9、T T21232111tan()/22tan()/16/4vTvTFdTdFWddd第22页/共44页对钢制对钢制M10M68mm螺栓：螺栓：强度条件强度条件：tan0.17tan0.0521/1.031.05dd 0.5T2231.3 eT校核式校核式211.3 /4eFd紧联接时，将拉应力增大紧联接时，将拉应力增大30%以考虑以考虑拧紧力矩拧紧力矩的影响。的影响。14 1.3 Fd mm 设计式设计式第23页/共44页（2 2）受预紧力F F 和轴向工作载荷F F 的紧螺栓联接a a、未拧状态b b、拧紧状态F Fc c、工作状态F F无变形无变形 F F 1 12 2 + +F F 1

10、1+ +1 12 2-2 2变形协调条件变形协调条件1 1= = 2 2 =第24页/共44页螺栓刚度螺栓刚度111/tanFc222/tanFc被联件刚度被联件刚度1101cFFFcFF 22cFF FcccFF 212FcccFFFF 2110 螺栓总拉力等于预紧力螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。加上部分工作载荷。1 12 21 12 2变变形形力力第25页/共44页讨论：讨论：1 1、112ccKcc 螺栓相对刚度系数螺栓相对刚度系数当当F、F一定时，一定时，2110cccF为为螺栓受力螺栓受力选择不同垫片211ccc应使2 2、0 F：不出现缝隙。同时考虑扭转作用，强度条件为：校

11、核式4/3 . 120ccdF3 . 140Fdcmm 设计式第26页/共44页F1o时间o工作载荷变化2力F变形螺栓拉力变化c1+c2c1Fc2c1+c2F2F1F2F12F02-F01F01F02若工作载荷为变载荷：当工作载荷在F1F2变化时，螺栓总拉力在F01F02之间变化变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断Fa拉力变幅：21112010222CCCFFFFFa)(2211212acaCCCdFF应力幅：螺栓许用应力幅（P110）表6.3即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。第27页/共44页hhFR12d21剪断破坏挤压破坏被连接件FRa)受剪螺栓联接b)螺栓被挤压二、受剪螺栓

12、联接1、失效形式：剪断、接触表面压溃。2、螺栓剪切强度条件4/2dmFsd杆抗剪面直径m抗剪面数目许用剪应力3、挤压强度条件psphdFh对象受压高度；p许用挤压应力，表6.4，取弱者计算；第28页/共44页5 5 螺栓组联接的受力分析一、思路联接结构形式、外载荷类型螺栓受力找出受载最大螺栓按单个螺栓联接的计算方法计算二、基本假定1、各螺栓刚度相同；2、各螺栓F相同；3、变形在弹性范围内；4、被联件为刚体；三、四种典型受载情况时 的受力分析1、受轴向载荷的螺栓组联接第29页/共44页特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。各螺栓组平均受载：F=FQ/z螺栓还受F F0 3 . 1420

13、CdF工作条件：F”02、受横向载荷的螺栓组联接FRFRa)用受拉螺栓联接FFFFFFFR/2FR/2第30页/共44页（1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。（2）承载方式：形闭合：受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）力闭合：受拉螺栓（由F在结合面产生的摩擦力承载）（3）受力分析a 、受拉螺栓工作条件：RfsFkzmF zmFkFsRf按仅受F的紧联接计算。式中：s 结合面的摩擦系数； z 螺栓个数； m 结合面数目，图中m=2； kf可靠系数（防滑系数）， kf=1.11.5；第31页/共44页FRFRb)用受剪螺栓联接Fs/2Fs/2Fs/2FsFs/2FsFR/2F

14、R/2b、受剪螺栓假定每个螺栓受载相同，则工作条件：RsFFzzFFRS/剪切计算挤压计算第32页/共44页3、受旋转力矩T的螺栓组联接特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。横向力受拉螺栓受剪螺栓摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力Fs（1）受拉螺栓联接工作条件：TkrFrFrFfzsss21ziisfzsfrTkrrrTkF121)(第33页/共44页（2）受剪螺栓联接 靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用下受横向力Fs。问题：Fs1= Fs2= = Fsz ？即Fsi与ri成正比：zszssrFrFrF2211或isisrFrFmaxmax工作条件： Fs1r1+ Fs

15、2r2+ + Fszrz= T变形协调条件：底板视为刚体，ri剪切变形量Fsi第34页/共44页maxmaxrrFFissi代入工作条件中：ziizsrTrrrrTrF12max22221maxmax4、受翻转力矩M（倾覆力矩） 的螺栓组联接特点：在M作用下，底板有绕螺栓组形心轴翻转的趋势。作用M前：各螺栓受相同F作用M后：左侧：F拉(不均匀)， 右侧：F压(不均匀) F第35页/共44页工作条件：MrFrFrFzz2211变形协调条件：maxmax2211rFrFrFrFzzziizrrMrrrrMF12max22221maxmax其它条件：附加校核讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？远离对称

16、中心RiFmax实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算 迭加横向载荷和旋转力矩F轴向载荷和翻转力矩F0F强度计算左侧不出现缝隙右侧边缘不压溃第36页/共44页6 6 提高螺纹联接强度的措施1、机理工作时，螺栓受拉，p螺母受压，p两者产生螺距差一、改善螺纹牙间受力分配第一圈：p最大，受力最大第810圈后几乎不受力各圈受载不均第37页/共44页 采用加高螺母不能 提高联接强度。2、办法采用受拉螺母（变形一致） 减小螺栓螺母螺距变化差第38页/共44页二、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：a)螺栓受偏心载荷eFb)被联接件刚度不够第39页/共44页a)采用球面垫圈抗弯力偶e)采用环腰d)采用沉头座b)采用斜垫圈c)采用凸台措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考：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。第40页/共44页四、降低应力幅 a amax 一定时：a疲劳强度当F、F”不变时： c1 或 c2。措施： 1）螺栓长度 2）光杆直径 3）采用柔