螺纹连接受力分析.ppt

1、第二部分 联 接,1 螺纹参数,2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件,概 述,3 机械制造常用螺纹,5 螺纹联接的预紧和防松,6 螺纹联接的强度计算（简介）,7 螺纹的材料和许用应力（简介）,9 螺旋传动（大作业）,8 提高螺纹联接强度的措施（简介）,10 滚动螺旋简介（不讲）,11 键联接和花键联接,12 销联接（简介）,联接是指被联接件与联接件的组合。常见的机械联接有两类： 一是机械动联接，如运动副； 二是机械静联接，本章所学习内容是机械静联接问题。,联 接,不可拆联接,装拆方便，多次装拆无损于使用性能。如螺纹联接、键联接、销联接,在拆开联接时会损坏联接中的

2、零件或使用性能。如焊接、铆接、粘接,概 述,可拆联接,（永久性联接）,一、螺纹线、螺纹、螺纹副,二、螺纹分类,三、螺纹的主要几何参数,1 螺纹参数,一、螺纹线、螺纹、螺纹副,1、螺纹线：,将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。,2、螺纹：,平面始终通过圆柱体轴线就得到螺纹。若改变平面图形的形状，可得到三角形、梯形、锯齿形、矩形螺纹。,取一个平面图形沿螺旋线运动并使,3、螺纹副：,内外螺纹旋合组成螺旋副或称螺纹副。,二、螺纹分类,1、螺纹的牙型：,2、螺纹的旋向：,3、螺纹的线数（头数）：,4、母体形状：,6、按位置：,三角形、梯形、锯齿形；,左旋、右旋；,单线、等距排列多线；,圆柱螺

3、纹、圆锥螺纹；,内螺纹、外螺纹；,5、按作用：,联接螺纹、传动螺纹；,1、将螺纹轴线竖直放置，螺旋线自左向右逐渐升高的是右旋螺纹。反之也成立。 2、从端部沿轴线看去，当螺纹顺时针方向旋转为旋进时，此螺纹为右旋螺纹。,旋向判断方法：,双线螺纹,单线螺纹,三、螺纹的主要几何参数：,1）大径（外径）d（D） 与外（内）螺纹牙顶 （底）相重合的假想圆柱体直径，亦称公称直径。 2）小径（内径）d1 (D1) 与外螺纹牙底相重合的 假想圆柱体直径。 3）中径d2 假想圆柱面的直径，该圆柱的母线上 牙形沟槽和凸起宽度相。,4）螺 距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。 5）导程（S） 同

4、一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。 6）线数n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4。 螺距、导程、线数之间关系：S=nP,7）螺旋升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。 tg =nP/d2 8）牙型角轴向截平面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间夹角称为牙侧角（牙型斜角）。 对称牙侧角 /2,一、矩形螺纹,二、非矩形螺纹,2 螺旋副的受力分析、 效率和自锁,三、螺旋副效率,一、矩形螺纹（=0),1、螺纹受力分析,摩擦角：,滑块在水平面上，受到外力R（F+Fa）作用，同时还受到法向反力Fn与摩擦力Ff的作用，令法向反力与摩擦力的

5、总反力为Fr，则FR与Fn方向之间所夹的锐角被称为摩擦角。,tg= Ff /Fn； Ff = Fntg= Fnf f = tg称为摩擦系数。,（1）把螺旋副在力矩和轴向载荷作用下的运动，看 成作用在中径的水平力推动滑块沿螺纹运动。,（2）将矩形螺纹沿中径d2展开得一斜面。,图中为螺旋升角， Fa为轴向载荷， F为水平推力，Fn为法向反力， Ff为摩擦力， f为摩擦系数，为摩擦角，法向反力Fn与摩擦力Ff的总反力为Fr 。,F= Fa tg (+),（3）其受力状况可以理解为：,作用在滑块上F为一驱动力，轴向载荷 Fa为一阻力，总反力为Fr 。,若使滑块等速沿斜面上升，滑块所受三力平衡：,可得：

6、,拧紧时：,F= Fa tg ( -),松开时：,相当于使滑块等速沿斜面下滑，轴向载荷 Fa变为驱动力， F变为维持滑块等速运动所需的平衡力。,可得：,（1） -0， ， F 0,分析：,F= Fa tg ( -),（1） -0， ， F 0,分析：,说明滑块在重力作用下下滑，必须给以止动力，防止加速下滑。,说明滑块不能在重力作用下下滑。这一现象称为自锁现象。螺旋千斤顶就是利用这一原理工作的。,2、螺纹自锁：,二、非矩形螺纹（=0),三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹,1、螺纹受力分析：,唯一差别是：,法向力比矩形螺纹大。（忽略升角的影响）,这时螺纹的摩擦阻力为：,在Fa的作用下，法向反力比矩形

7、螺纹大为：,f 称为当量摩擦系数,称为当量摩擦角,这时把法向力的增加看成摩擦系数的增加。,为牙型斜角,用f 取代f，用取代，就可像矩形螺纹那样对 非矩形螺纹进行受力分析,上升：,F= Fa tg (+),下滑：,F= Fa tg (- ),2、螺纹自锁条件为：,三、螺旋副效率为：,螺旋副的效率问题是由于摩擦引起的：,上升：,在同样的载荷Fa，同样的牵引速度V，走过同样的距离S情况下：,F= Fa tg (),若不考虑摩擦时：,若考虑摩擦时：,F= Fa tg (+),没有摩擦时，需要的输入功,=FS= Fa S tg (),考虑摩擦时，需要的输入功,=FS= Fa Stg (+),理论上,实际

8、上,所以：,从上式可以看出：,当不变时， 与的关系如右图所示。,取：,可得：,当=45 - 时效率最高。,常取25左。 太大会引起制造困难，且效率增高也不显著。,一、三角形螺纹,二、梯形和锯齿形螺纹,3 机械制造常用螺纹,三、螺纹标注,四、例题1,三角形螺纹，主要有普通螺纹和管螺纹，前者多用于紧固联接和后者用于紧密联接。,三角形螺纹,1、普通螺纹,在我国的国家标准中，把牙型角=60的三角形米制螺纹称为普通螺纹，以大径d为公称直径。,（1）普通螺纹种类,因为同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的称为细牙螺纹。,一、三角形螺纹,（2）粗、细螺纹特点、适用范围,细牙螺纹

9、：,升角小，小径大，自锁性能好，强度高，但不耐磨损，易滑扣，用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构的调整。,粗牙螺纹：,应用最广。,粗牙螺纹,细牙螺纹,2、管螺纹,管螺纹种类：,管螺纹除普通细牙螺纹外，还有60、55的圆柱管螺纹和60、55的圆锥管螺纹。,管螺纹广泛用于水、汽、油管路联接中。,管螺纹公称直径是管子的公称通径。,二、梯形（双向）和锯齿形（单向）螺纹,梯形螺纹与锯齿形螺纹一般用于传动，效率高。它们的牙侧角比三角形螺纹小的多，可以减少摩擦和提高效率。,梯形螺纹牙侧角=15 效率比锯齿形螺纹低。,锯齿形螺纹牙侧角=3。 锯齿形螺纹只能用于承受单向轴向载荷。,M106g,三、螺纹标注,M

10、202LH5g6g40,M202LH6G5H40,Tr2012（P6）6g50,B2012（P6）5H,G1/2A,G1/2LH,Rc1/2,有粗牙普通螺纹M10和M68，请说明在静载荷下这两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f = 0.10.15）,例题1,1、首先求螺纹升角 。,解：,M10螺纹： M68螺纹：,由P135表10-1查得：,螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm； 螺距P=6mm， 中径d2=64.103mm。,M10螺纹升角：,M68螺纹升角：,2、求当量摩擦角 。,则当量摩擦角为：,普通螺纹牙型角=,60o,牙侧角 =,30o,摩擦系数f取为：,0.1,因为: 同理:,

11、10=3.03o ，所以能够自锁。,68=1.707o ，所以能够自锁。,一、螺纹联结基本类型,二、螺纹紧固件,4 螺纹联接的基本类 型及螺纹紧固件,一、螺纹联接的基本类型,a) 普通螺栓联接：,1、螺栓联接,被连接件通孔不带螺纹，被联接件不太厚， 装拆方便。螺杆带钉头，螺杆穿过通孔与螺母配合 使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消 失，结构简单，可多次装拆，应用较广。,b) 精密螺栓联接：,装配后无间隙，主要 承受垂直于螺栓轴线的横 向载荷，也可作定位用， 采用基孔制过渡配合铰制 孔螺栓联接,2、螺钉联接,螺钉直接旋入被连接的螺孔，结构比较简单，这种连接不宜经常装拆，以免被连件的螺纹孔

12、磨损而修复困难。,3、双头螺柱联接,多用于较厚的被连接件或为了结构紧凑而采用盲孔的连接。允许多次装拆，而不会损坏被连接零件。其中一被连接件需要切制螺纹螺杆，螺柱两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。拆装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。,4、紧定螺钉联接,常用来固定两零件的相对位置，并可用来传递不大的力和力矩。,二、螺纹紧固件,1、螺栓 2、双头螺柱 3、螺钉、紧定螺钉 4、螺母 5、垫圈 垫圈作用：增加被连接件的支撑面积以减少接触处的压强和避免拧紧螺母时擦伤被连接件的表面。,平垫圈 弹簧垫圈 圆螺母用止动垫圈 圆螺母,六角头螺栓,双头螺柱,六角螺母,六角

13、开槽螺母,内六角圆柱头螺钉,开槽圆柱头螺钉,开槽沉头螺钉,紧定螺钉,一、拧紧力矩,二、螺纹连接的防松,5 螺纹联接的预紧和防松,三、例题2,一、拧紧力矩,T = T1+T2 =,一般情况下，螺纹联接都需要拧紧，对重要的螺纹，必须控制预紧力的大小，以保证工作的可靠性。,拧紧力矩T主要包括： 螺纹副相对转动的阻力矩T1; 螺母支承面上的摩擦阻力矩T2。,对于M10M68的普通粗牙螺纹：取 f =tg =0.15 ， fc=0.15 则上式简化为：,T=0.2 Fa d (N.mm),式中，d为螺纹公称直径； Fa Fa为预紧力。Fa由螺纹联接的要求决定。一般是取螺栓材料屈服极限的50%70%。 重

14、要的螺纹（大于M12M16)应采用有效的措施控制预紧力。,测力矩板手,二、螺纹联接的防松,螺纹防松是防止螺纹副的相对转动。常用的方法见表10-3。,实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失，摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故,1、防松目的,消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。,2、防松原理,3、防松办法及措施,1）利用附加摩擦力防松,2）采用专门防松元件防松：,槽形螺母与开口销,圆螺母用带翅垫片,止动垫片,3）其他方法防松：,已知梯形螺纹

15、Fa=30KN,n=1,d=36mm, P=6mm, f=0.08, fc=0.1, rf=20mm 求：1.能否自锁， 2.举起重物的驱动力矩 3.起重例题器的总效率。,例题2,解：,一、松螺栓联接,二、紧螺栓联接连接松,6 螺栓联接的强度计算,螺栓的强度计算就是确定小径d1。,1.螺栓杆拉断；2.螺纹的压溃和剪断；3.磨损后的滑扣,螺栓的主要失效形式有：,一、松螺栓联接,工作时不需要将螺母拧紧。如吊钩螺栓.,螺栓所受拉力,工作载荷,=,松螺栓联接强度条件：,其中： 许用拉应力,MPa d1螺纹小径,例题3,例题3,如下图所示，起重吊钩的起吊重量是25kN，吊钩材料为35钢，许用应力为60M

16、Pa，求吊钩尾部螺纹直径。,根据：,有,解：,查出的d1比根据强度计算求得的d1值略大，强度合适。故吊钩尾部螺纹可采用M27。,由P135表10-1查得：,d=27mm时，d1=23.752mm,d1=23.033mm,二、紧螺栓联接,螺栓在工作前拧紧，便受到预紧力F0（等于Fa）和螺纹摩擦力矩T1的作用。,预紧力F0,产生拉伸应力：,螺纹摩擦力矩T1,产生剪应力,拉、扭联合作用时，根据材料力学的第四强度理论，其当量应力为：, 螺栓螺纹部分的强度条件为：,拧紧,1、受横向工作载荷的螺栓强度,杆孔间有间隙，为保证联接可靠即被连接件之间不产生相对滑移，应满足的条件为：,使接合面摩擦力大于工作载荷F

17、,摩擦力：,f Fa,F,C,特点：,m 接合面数目 f 摩擦系数 （0.10.15） C 可靠性系数（1.11.3） F0 预紧力,m,螺栓预紧力为：,分析：当f=0.15,C=1.2,m=1时,F0 8F，这说明螺栓联接靠摩擦力来承担横向载荷时,其直径尺寸较大。为了减小直径，简化结构，提高联接承载能力,可以采用以下减载装置:,c)减载销,a)减载键,b)减载套筒,d)采用铰制孔用螺栓联接,这些减载装置中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓 可按受剪切和受挤压进行强度计算。,螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷F进行工作,补充：铰制孔螺栓联接强度,螺栓的剪切强度条件为：,

18、m 螺栓剪切面数 螺栓许用剪应力，MPa,特点：,螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：,铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高,F 横向载荷（N） d0 螺栓剪切面直径（mm） 螺栓杆与被联接件孔壁间 接触受压的最小轴向长度（mm）,2、受轴向工作载荷的紧螺栓强度：,工作特点：,工作前拧紧，有预紧力F0 工作后加上工作载荷FE 工作前、工作中螺栓所受总载荷发生变化,下面以气缸为例进行分析：,右图所示的缸体中， 设流体压强为p，螺栓 数为z，则缸体周围每 个螺栓平均承受的轴 向工作载荷为：,在受轴向工作载荷的螺栓中，螺栓实际承受的总拉伸载荷Fa并不等于预紧力F0与轴

19、向工作载荷FE之和。,1、如右图所示，当螺母未拧紧时，螺栓螺母松驰状态.,、拧紧预紧状态,凸缘F0 压c0,栓杆F0 拉b0,载荷与变形的关系,螺栓载荷与变形,被连接件载荷与变形,螺栓杆受力变形图,被联接件受力变形图,螺栓杆,凸缘,3、加载FE后工作状态,l,凸缘,变形缩小,拉力增加,变形增加,继续拉长,压力减小,加载,合成受力变形图,从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：,FR残余预紧力,为保证联接的紧密性（即结合面不出现间隙）：,残余预紧力FR必须大于零； 对FE没有变化时， FR =(0.20.6) FE; 对FE有变化时， FR =(0.61.0) FE; 对重要的有紧密性要求

20、的联接，FR =(1.51.8) FE;,在一般计算中，先根据联接的工作要求定出FR , 再计算Fa=FE+FR , 最后带入强度计算式：,若轴向工作载荷FE在0 FE间周期性变化，则 螺栓所受总拉伸载荷应在F0 Fa间变化。,受变载荷螺栓的计算也按总拉伸载荷Fa进行， 带入强度计算式，不同的是许用应力应按表106 和107选取。,螺栓刚度和被联接件刚度对螺栓受力的影响：,变形,力,FR,FE, c0,D,螺栓刚度 Kb=F0 / b0,被联接件刚度Kc=F0 / c0,又因为：,称为螺栓的相对刚度系数。,螺栓的相对刚度系数与螺栓及被联接件的材料、尺寸和结构有关，其值在01变化，可按表10-5

21、查取。,式中：,一、螺栓的常用材料（P145 ）,7 螺栓的材料和许用应力,二、螺栓联接的许用应力,三、紧螺栓联接的安全系数系数,一般用途：碳素钢； 重要联接：合金钢,许用应力：见表10-6,安全系数：见表10-7,螺栓联接承受轴向变载荷时，螺栓的损坏多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常发生在应力集中较严重的地方，如：螺栓头部、螺纹收尾部和螺母支撑平面所在处的螺纹。,8 提高螺栓联接强度的措施,下面说明影响螺栓强度的因素和提高强度的措施。,一、降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围,减小螺栓刚度kb ；,增大被联接件刚度kc ；,措施：,二、改善螺纹牙间的载荷分布,三、避免或减少应力集中,四、避免或减少附

22、加应力,引起附加应力的原因：,避免附加应力的措施：,一、键联接的类型：（P151 ）,11 键联接和花键联接,二、平键联接的强度校核,三、花键联接,一、键联接的类型：,键联接是可拆联结。,键种类：,键作用：,1、平键联接,（1）主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩； （2）有些键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动；,是标准件，分为平键、半圆键、楔键和切向键,平键:,分为普通平键和导向平键两种。,特点:,定心性较好、装拆方便，应用最广。,2、半圆键联接,3、楔键联接和切向键联接,普通平键的端部有A型（圆头）、 B型（方头）和C型（单圆头）三种。,轴上键槽用指形铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。,用盘形铣刀加工，轴的应力集中