哈工大机械设计基础课件10联接

主要内容:

螺旋副的自锁条件及效率分析螺纹及螺纹联接基本类型螺纹联接的预紧和防松螺栓联接的受力分析及强度计算螺旋传动本章重点:

螺旋副的自锁条件及效率分析螺栓联接的受力分析及强度计算本章难点:

螺栓联接的受力分析及强度计算第十章联接键联接

P.151主要内容:

平键联接的分类及特点失效形式及强度计算花键联接的分类及特点本章重点平键联接的类型、尺寸选择及强度计算第十章联接(螺纹联接)

p.131

前言§10-1螺纹参数§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁§10-3机械制造常用螺纹及标准§10-4螺纹联接基本类型及螺纹联接件§10-5螺纹联接的预紧和防松§10-6螺栓联接的强度计算§10-7螺栓的材料和许用应力§10-8提高螺栓联接强度的措施§10-9

螺旋传动机械零件(制造单元)→构件(运动单元)→机构→机器静联接动联接零件联接前言:联接被联接件联接件联接机械静联接→可拆联接→螺纹、键、销分类不可拆联接→焊、粘、铆机械动联接→运动副螺内螺纹纹外螺纹螺旋副→螺纹联接(静联接→构件)螺旋传动(动联接→机构)§10-1螺纹参数

p.131(一)螺纹的形成：①顺时针旋进→右旋②以轴线为基准(外)→判断方法右旋左旋→判断方法旋向单头→联接多头→传动线数二．螺纹参数：n=1n=2n=3dd2d1=?ｄ(大径－标准直径);ｄ1(小径);ｄ2(中径);p(螺距)；ｎ(螺旋线数);Ｓ(导程);Ｓ＝np;α

（牙型角）;β(牙側角);φ（升角）(二)螺纹参数：P.132S(np)tgφ＝np／πｄ2

(10－1)30°梯形3°30°锯齿形矩形60°普通牙型:α=60°β＝30°α=30°β＝15°β工＝3°,β非＝30°α=0°β＝0°矩形非矩形牙α=60°型α=30°α=33°α=0°→→在轴向载荷下相对运动图(10－4,a)S(np)内螺纹外螺纹拧紧、加载、顶起重物相对运动→联接传动→螺旋副FFa→将螺旋线沿中径展开§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁p.132→滑块(重物)在斜面运动

分析:1.当匀速上升:

ρFaFFnFRFfφFaFFRφ+ρ图(10－4,b)FR与Fn夹角→摩擦角ρ:tgρ＝f＝Ff/Ｆn∴ＦR与Ｆa

夹角＝φ＋ρ→加载Ｆa(轴向力,自重,阻力)作用在螺旋副上的驱动力矩：(10-2b)∴Ｆ＝Ｆa·tg(φ

＋ρ)

(10－2a)→合反力FRV∵(滑块)合力＝０→法向反力Fn(⊥斜面)→施加水平推力Ｆ→摩擦阻力:f·Fn=Ff一．矩形螺纹

:(α=0○)→施加水平支持力Ｆ

(匀速下滑)当Ｆ＝０→

Ｆ＜０→自锁条件：滑块在斜面运动状态不变

作用力Ｆ与假设力的方向相反→推力Ｆ≤０→φ≤ρ(10-3b)ρFaFFnFRFfφFaFFRφ－ρ→无论Ｆa多大，滑块不会自动下滑→自锁2.当匀速下降

:图(10－4,c)→将ρ→ρ′

(当量摩擦角)tgρ′＝f/cos

β

=f′(10-4)(当量摩擦系数)

α(β)↑ρ′↑→

φ↑→匀速上升:Ｆ＝Ｆa·tg(φ＋ρ′)(10-5a)匀速下降:Ｆ＝Fa·tg(φ－ρ′)(10-6a)

(10-6b)(10-5b)自锁条件：φ≤ρ′(10-7)αβ要自锁好→α(β)

↑,φ↓(单头)自锁性↑自锁性↓二．非矩形螺纹(10-8)S要效率高→过大，制造困难/\ρ′－当量摩擦角,φ－升角η＝有效功／输入功

＝Ｆa·Ｓ／（Ｆπｄ2）＝Ｆa·πｄ2tgφ/[Ｆa·tg(φ＋ρ′)πｄ2]要自锁好→α↑φ↓(单);要效率高→α↓φ↑(多)→α↓,φ↑(多头)φ↑,ρ′↓φη三.效率:当匀速上升:联接(可靠)→→要自锁传动→效率高1.三角形／普通螺纹(M)

螺纹

(联接)＼管螺纹→α＝60°、55°→紧密梯形螺纹Tr→α＝30°,β＝15°锯齿形螺纹S→β工＝3°,β非＝30°矩形螺纹

→α＝０°→α小、φ大→多线螺旋副ρ′↑→α↑φ↓→单线ｎ=1ρ′↓→α↓

φ↑→多线ｎ＞１→α＝60°,β=30°2.传动螺纹

→效率高§10-3机械制造常用螺纹及标准

p.134→紧固→联接(单线、α大)(粗,细)§10-4螺纹联接基本类型及螺纹联接件

p.137C1e普通螺栓图(10－9,a)铰制孔用螺栓联接图(10－9,b)一．螺纹联接基本类型d0螺栓联接

螺钉联接图(10－10,a)双头螺柱联接图(10－10,b)紧定螺钉联接图(10－11)螺栓－螺栓；螺钉；双头螺柱；紧定螺钉螺母－六角螺母；圆螺母；糟型螺母垫片－垫片；弹簧垫片；斜垫片；球形垫片二．螺纹联接件

p.138目的：→防止松动→提高可靠、强度、紧密性T0

的大小:拧紧时→

螺纹阻力矩

T1:(10-5b)

螺母支持面上的摩擦阻力矩T2T2＝fc·

Fa·rf(10-10)T0＝T1＋T2≈0.2Fad

N·mm(一)拧紧力矩T0→Ｔ0＝Ｔ1＋Ｔ2T0控制、不严格控制ＦS(少－测力矩板手；多－风板机)§10-5螺纹联接的预紧和防松P.139螺栓→轴向拉力

被联接件→轴向压力锁紧力ＦSＴ1＝Fd2/2＝Fatg(φ

＋ρ’)d2/2（二）螺纹联接的防松p.139螺旋副→联接(可靠)→拧紧＋自锁→防松？∵靠摩擦力自锁→不可靠

,∴→防松防松方法：→关键摩擦防松→阻止螺旋副相对转动机械防松不可拆防松弹簧垫片锁紧螺母对顶螺母→使螺纹接触面间始终保持一定的压力

(纵向、横向)→始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩。机械防松→利用便于更换的金属元件来约束螺旋副。不可拆防松→焊、铆冲、涂粘合剂槽形螺母和开口销圆螺母用带翅垫片止动垫片串联钢丝§10-7螺栓的材料和许用应力P.145S－安全系数→表10-6,7P.145σS－屈服极限→表9-1P.123许用应力:材料:2.铰制孔螺栓联接→联接受挤压,螺栓受剪切1)按剪切强度2)按挤压强度:许用应力与材料(钢、铸铁),应力(静、变)有关。表10-61.普通螺栓联接碳素钢:Q215,Q235力学性质优质碳素钢:10,35,45表9-1合金钢:15Cr,40Cr,30CrMnSiP.123§10-6螺栓联接的强度计算(静)

p.141联接要求:不松不滑←联接(紧)

不断不溃←螺栓→可靠,自锁→确定螺纹小径d1d0(一)螺栓联接的失效及设计准则(二)螺栓联接的强度计算螺栓普通螺栓联接→松联接联(主介绍)紧联接(联接受)

接型式铰制孔螺栓联接→横轴横→轴联接(紧)→螺栓→设计准则:螺栓杆拉溃螺纹牙的压溃和剪断螺纹牙磨损→滑扣→主要失效松、滑在联接不松滑的前提下,螺栓杆不破坏(一)螺栓联接的失效及设计准则失效形式松螺栓联接:(10-11)→装配时不预紧→螺栓不受力图10-16二.紧螺栓联接:d1:螺纹小径mm;[σ]:许用拉应力Mpa例10-3p.141(自学)→工作时受轴向载荷Fa(二)螺栓联接的强度计算(按受力形式)p.141FaFaFaFaFaFa→第四强度理论拉应力(Fa)→(10-12)强度条件:[装配拧紧后→联接可受横向(F)或轴向载荷(FE)]拉Fa扭T1→复合应力→考虑扭剪应力σe－当量应力当拧紧时螺栓→拉(Fa)(轴Fa)工件→压(Fa)扭剪应力→(T1)二.紧螺栓联接:

p.1421.受横向工作载荷F的螺栓强度(预紧)图10-18→可靠性系数CC=1.1～1.3不松不滑→预紧力F0(轴)足够大→Ff=F0·f·m≥C·F→Fa=F0≥C·F/m·f→不断不溃→定螺栓d1FFFFm=1F0F0F0F0F0F0螺栓联接要求→m=2当C=1.1～1.3,f=0.1～0.15,m=1→F0≥8F①普通螺栓联接受横向工作载荷→需预紧力大,

且可靠性差图10-19图10-20dF0≥C·F/m·f分析:②宜加减载措施→┌加键,套筒┐→挤压

└采用铰制孔螺栓联接┘剪切R解:每个联接受横向载荷F=R/2=2000N1.联接不松→求预紧力F02.螺栓不断→求d1取d=27mm,d1=23.752＞23.38→合适。S=6.5→合适:C=1.1～1.3,取C=1.2F0≥CF/f·m=1.2×2000/(0.15×1)=16000N:取35钢,不严格控制预紧力→σs=315Mpa,S=6.5,[σ]=σs/S=315/6.5=48.5MpaP.145手册p.126例1.用普通螺栓固定一牵引钩,已知R=4000N,(变载荷)f=0.15,试求螺栓直径。作业:10-5,P.157用铰制孔螺栓联接固定牵引钩(HT250),板厚h=10mm,已知R=4000N(变载荷),试求螺栓直径。解:每个联接受横向载荷F=R/2=2000N1.按剪切强度P.145手册p.1322.按挤压强度:[σP]

=σB/2.2×0.8=240/2.2×0.8=87.3Mpa(S=2.2)p.123Lmin=h=10mmR10d0→取l=25mm,l0=12mm取d=6mm,d0=7＞6.03mm[τ]=σS/4.5=315/4.5=70Mpal0Lmin例2.M6×25－合适轴向载荷平行螺栓轴心线，各螺栓平均受力螺栓间距l与p有关

(P.143倒2)→常见压力容器Z=2(3)×2n各螺栓受拉力为：F=F∑／Z2.受轴向载荷FE的螺栓强度(预紧后)p.143★：此时螺栓受预紧力F0后

→又受工作拉力FE?→常见(压力容器)Fa=F0＋FE;FR=F0－FE预→螺栓→拉F0紧工件→压F0FEFEδb0δC0ΔδΔδ×受轴向载荷FE→F0F0δb0F0F0δC0FEFEFEFEFaFaΔδ未预紧预紧受FEΔδFaFaFaFaF0F0F0F0F0F0F0F0FRFRFRFRFRFR→伸长δb0→缩短δC0→又伸长Δδ→压缩量减少Δδ变形协调条件：

Δδb=ΔδC

=Δδ

螺栓伸长:δb0＋Δδ工件压缩:δC0－Δδ螺栓拉力↑→总拉力Fa工件压力↓→残余预紧力FR①单个联接受力分析:图10-21螺载荷栓变形FE=△Fb+△FC=kb·△δ+kC·△δ;△δ=FE/(kb+kC)→0000预紧受轴向载荷FE△Fb(+)△δb(+)△FC(+)△δC(+)总载荷变形Fa=F0+△Fb工载荷件变形δb0+△δFR=F0－△FCδC0－△δ分析∵kb≠kC△δb=△δC=△δ∴δb0≠δC0→△Fb≠△FC螺栓强度σ≤[σ]渗漏FR＞0F0(+)δb0(+)F0(-)δC0(-)①单个联接受力分析:变形δ=F/k(刚度)未

预紧kb/(kb+kc)－相对刚度

查表10-5P.145螺栓总拉力:工件残余预紧力:(10-16)(10-17)ΔδΔFbΔFCFEFRFa力变形F0δC0δb0力变形F0δb0tg－1kb力变形F0δC0tg－1kCk=F/δ→刚度=载荷/变形②单个联接载荷与变形线图:

图10-23p.144④设计步骤:联接松弛→FR=0螺栓拉溃→σ＞[σ]失效形式:→FR＞0→P.144第12设计准则(1)求单个联接的工作载荷FE(2)定残余预紧力FR(按工作要求)P.144第12(3)求Fa→螺栓强度计算(定d)

Fa=FR＋FE(4)结构设计③失效形式及设计计算:(2)定残余预紧力FR

P.144第12(1)求单个联接的工作载荷FE:∵有紧密要求,∴FR=1.5～1.8FE→取FR=1.8FE

(3)求Fa→螺栓强度计算(4)结构设计取45钢,σS=355Mpa(表9-1)→暂取S=3(不严格控制预紧力,静～)→[σ]=σS/S=118Mpap.145C1eD0D取Z=8例10-4:Fa=FE＋FR=2.8FE=11.3kN

一钢制液压油缸,油缸壁厚为10mm,油压p=1.6Mpa,D=160mm,试计算其上盖的螺栓联接和螺栓分布圆直径D0(p.143、P.145)解:取d=16mm,其d1=13.835mm＞12.6mm→合适取S=3(表10-7)(不严格控制预紧力)→合适作业:10-11P.158(油缸壁厚为18mm)D0=D+2C1+2×10=224mm(与书不同220)取C1min=22mm手册p.17螺栓间距L=π·D0/Z=π×224/8≈88mm＜7d=7×16=112mm(P.143页的脚注)→满足要求C1eD0D手册p.126(4)结构设计:(螺栓分布圆直径D0－图10-9aP.137)1.松螺栓联接:→装配时不预紧→联接不受力→工作时受轴向载荷Fa

2.紧螺栓联接→复合应力(拉、扭)1)受横向工作载荷F→不松不滑→

预紧力F0(轴)足够大

F0≥C·F/m·f不断不溃→定螺栓d1普通螺栓联接:

2)受轴向工作载荷FE:螺栓总拉力Fa:Fa=F0+Kb/(Kb+KC)·FE工件残余预紧力FR:FR=F0－KC/(Kb+KC)·FE＞0求FE→定FR→求Fa→

强度定d→结构设计已知F求d:求F0(不滑)→定d(强度)已知d求F:求F0(强度)→定F(不滑)小结：1.按剪切强度2.按挤压强度:2.许用应力与应力(静、变)有关;

[σP]与材料(钢、铸铁)有关。表10－6p.145→联接受挤压,螺栓受剪切注意：1.d0－光杆直径，d0＞dLmin－杆孔最小接触长度铰制孔螺栓联接§10-8提高螺栓联接强度的措施

P.146前言:螺栓联接强度螺栓┌静载荷→└变载荷→(一)降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围(二)改善螺纹牙间的载荷分布(三).减小应力集中(四)采用提高强度的工艺措施较少破坏疲劳破坏→截面小、且应力集中大→破坏位置图10-24→螺栓强度→措施┌螺栓└被联接件65％20％15％当FE由(0～FE)→→要使σa↓→kb/(kb+kC)↓→kb↓kC↑1)减小kb→2)增大kC→减小螺栓光杆直径,空心螺杆(图10-25)

不宜用软垫片图10-271.减小kb/(kb＋kC)→但FR减小→不利密封2.减小kb/(kb＋kC)＋增大F0→σa↓，FR不减小Fa由(F0～)变化(一)降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围→σa↓FR=F0－FE·kC/(kb＋kC)(二)改善螺纹牙间的载荷分布P.146现象:

螺纹牙间的载荷分布不均←螺栓螺母受力性质不同→1/3载荷集中在第一圈牙上→第8～10牙不受力→增厚螺母无效。

使受压螺母→受拉螺母图10-28→改善螺纹牙间的载荷分布65％破坏发生在螺母支承面处原因:措施:65％20％15％支承面平行→加工球形垫片凸台凹坑→鱼眼坑1.减小应力集中：2.减少联接附加弯曲应力┌增大过渡圆角└螺纹收尾→退刀槽(卸载槽)(三).减小应力集中:P.147(图10-29～图10-31)(四)采用提高强度的工艺措施:p.148第21.冷镦螺栓头部和滚压螺纹

①疲劳强度↑(应力集中↓,纤维未切断,冷作)②材料利用率↑,成本↓2.氰化,氮化,喷丸处理→疲劳强度↑TT§10-9螺旋传动:

P.148（要求高效率→梯形、锯齿形、矩形→多线）传递动力调整零件间相对位置螺旋副→传动实现

将回转运动→直线运动→传导→传力→调整按┌传导螺旋→传递运动为主,高的运动精度用│传力螺旋→传力为主,以小T→大的轴向力Fa途└调整螺旋→调整零件间相对位置→细牙M

按

┌滑动螺旋→η=0.3～0.4，简单，精度低摩擦│滚动螺旋→η＞0.9，复杂→高精度、高效性质└静压螺旋／1.降速比大2.可具自锁性

3.机械利益大Ｔ1＝Fatg(φ＋ρ′)d2/2

4.结构简单,传动平稳,噪音低,5.磨损大,η低一.类型:二．特点：小结:1.螺纹主要参数及分类，螺纹联接基本类型。2.螺旋副→联接(可靠)、传动(效率高)→参数、牙型的选择。自锁条件、效率计算及影响因素。3.螺纹联接的拧紧目的及防松方法。4.螺栓联接的强度计算(普通)5.提高螺栓联接强度的措施1.螺旋副的用途→自锁条件及影响因素2.螺纹联接基本类型联接(可靠)、传动(效率高)

效率计算及影响因素(α大、φ小→单线)螺纹牙型及选择(α小、φ大→多线)(M→联接;Tr、S、矩→传动)普通螺栓联接:铰制孔用螺栓联接3.联接要求(紧联接):联接螺栓紧联接松联接(联接受)→轴横,→轴→横4.螺栓联接强度计算的设计准则:→不松不滑→不断不溃在联接不松滑的前提下,螺栓杆不破坏5.紧联接与松联接（普）螺栓受力区别:扭?6.普通螺栓联接强度计算:松联接:紧联接:装配时:工作时:拧┌螺栓紧└工件→复合应力考虑扭剪应力1.31)不松不滑→预紧力F0横向F:轴向载荷FE:2)不断不溃→定螺栓d1F0≥C·F/m·f螺栓总拉力Fa;工件残余预紧力FR拧紧→后(普通)不预紧→不受力→受轴向载荷Fa(拉)

(压)＞0→拉Fa＋扭T1§10-11键联接和花键联接

(一)键联接分类介绍

(二)键的选择及平键的强度校核

(三)花键联接§10-12销联接键联接和花键联接

P.151§10-11键联接和花键联接

P.151（静联接）（动联接）（静联接）(静联接，单向轴向固定)(静联接,单向传递转矩)平键半圆键普通平键导向平键功用:分类:紧联接松联接楔键切向键主要实现零件在轴上的周向固定并传递转矩（静联接），还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接）。P.151倒10△失效形式△特点△成对使用(一)键联接分类介绍

：两侧面是工作面，靠键两侧面与键槽的挤压传递转矩。

1.静联接(普通平键)△工作原理△结构△分类与加工Ａ(圆头)：Ｂ(平头)：Ｃ(单圆头)：立铣刀,键定位好,轴应力集中大盘铣刀,轴向键无定位,应力集中小:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙。一.平键联接:p.151立铣刀加工,用于轴端△失效形式静联接:动联接:

结构简单,装折方便,对中性好,承载能力大,应用广泛。工作面挤溃，键剪断工作面磨损。

承载能力不够时采用,按180°布置。┌导向平键：滑移距离小,键固定于轴上。└滑键：键固定于轮毂上,滑移距离大。2.动联接△特点：△成对使用:二.半圆键:p.153键为半圆板,键两侧与键槽配合,键上端面与轮毂键槽底面有间隙,键在轴上键槽中能绕其圆心转动。同平键键剪断,工作面压溃。

便于安装,对中好,用于锥形轴端,但对轴削弱大→轻载联接。承载能力不够时用,沿同一母线布置。△结构:┌键：用圆钢切制或冲压后磨削└键槽:盘状铣刀加工△构造与加工:△失效形式:△特点:△成对使用:△工作原理:三.楔键:P.153工作面压溃

简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定;但楔紧产生偏心,对中性差,不适于高速及对中要求高的场合△结构:△工作原理:△失效形式:△构成与加工:△特点:1.键的上下面及键槽底面有1:100斜度2.键侧与键槽有间隙,上下面楔紧3.可实现单向轴向固定。(轴上键槽):圆头:立铣刀;先置键,后楔入轮毂平头、钩头楔键:盘铣刀