机械设计第5章.ppt

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1、第二篇 连 接,1）机器工作时，被连接的零件之间可以有相对运动（但不能分开）机械动连接（运动副）；,机械（机器）都是通过各种机械零件相互联系、连接而组成的；,机械的连接可分为两大类：,2）机器工作时，被连接的零件之间不允许产生相对运动机械静连接；,按照工作性质可分为三类： 型锁合连接 摩擦锁合连接 材料锁合连接,1）型锁合连接：通过被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合来达到连接目的。 例如，铰制孔螺栓连接，平键连接等。,2）摩擦锁合连接：通过被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力阻止被连接件的相对移动，以达到连接目的。 例如，在横向载荷作用下的紧螺栓连接，过盈配合连接等。 3）材料锁合连接：靠分

2、子间的分子力将零件连接在一起，例如胶接，焊接等。,按照可拆性(静连接),可拆（卸）连接,不可拆（卸）连接,机器连接类型的设计（选择）：,可拆连接：在需要拆卸时，不允许毁坏（有些甚至不允许损伤）连接中的任一零件就可拆开的连接； 常用可拆连接：螺纹、键、销接等,不可拆连接：在需要拆卸时，至少要毁坏连接中的某一部分才能拆开的连接（铆钉、焊接、胶接等）；,过盈配合联接：既可拆又不可拆；,使用要求,经济性,加工条件、材料、形状、尺寸,第五章 螺纹连接与螺旋传动,51 螺 纹,一、螺纹的形成、类型及应用,螺纹连接是静连接；螺旋传动为动连接,按牙型 三角形螺纹（粗牙、细牙） 管螺纹（三角形） 非密封 密封,

3、螺纹分类方法,矩形 梯形 主要用于传动螺纹 锯齿形,用于连接,锯齿形螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,内螺纹（在圆孔的内表面） 按位置 外螺纹（在圆柱的外表面） 右旋（常用） 按螺旋线绕行方向 左旋,单线（头）螺纹用于连接 根据螺旋线数目 双线螺纹 多线螺纹 用于传动,米制（我国常用） 按制式 英制,1）大径（外径）d与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直 径，制订标准时，称为“公称直径”； 2）小径（内径）d1 与螺纹牙底相重合的假想圆柱面直 径，强度计算时的危险截面； 3）中径d2 在轴向截面内凸起宽度（牙厚）与沟槽 （牙间宽）相等处的假想圆柱面直径， d20.5(d+d1),二、螺纹的主要参数,4）线数

4、 n 螺纹螺旋线数目； 5）螺距P相邻两牙对应点间的轴向距离； 6）导程S同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，即同 一条螺旋线上相邻两牙对应点间的轴向距离； 单线螺纹：S= P ；多线螺纹：S= n P,7）螺纹升角螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之 间夹角，一般按照中径处计算； 8）牙型角螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角； 9）牙侧角螺纹牙的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角 对称牙型时： =2 10）接触高度h内外螺纹旋合后的接触面的径向高度,52 螺纹连接的类型及标准连接件,一、螺纹连接基本类型,1、螺栓连接,被连接件为通孔（光孔），螺杆一端有螺栓头，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后

5、孔与杆间有间隙，主要承受拉伸载荷,孔的加工精度低，结构简单，装拆方便，应用很广。,1）普通螺栓连接,2）铰制孔螺栓连接,孔和螺栓杆采用基孔制过渡配合，装配后无间隙，主 要承受横向载荷，也可作定位用。,2、双头螺柱连接,螺杆无螺栓头，两端均有螺纹，装配时一端旋入被连接 件（一般为盲螺纹孔），另一端配以螺母。适于常拆卸 而被连接件之一较厚时。,一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小、被连接件 之一较厚（有螺纹孔），不需经常装拆。,3、螺钉连接,无螺钉头，一端开槽，不需螺母，拧入螺纹孔顶紧另 一零件表面（或凹坑），以固定两个零件的相对位置 并能传递一定的扭矩。,4、紧定螺钉连接,特殊连接：地脚螺栓 吊

6、环螺钉 T型槽螺栓,二、螺纹标准连接件,1、螺栓 普通螺栓 铰制孔螺栓 六角头，小六角头，大六角头, 内六角； 按照精度分为：A、B、C三级，常用C级；,2、双头螺柱两端带螺纹,A型有退刀槽 B型无退刀槽,4、紧定螺钉 锥端、平端、圆柱端,3、螺钉 圆头、扁圆头、六角头、圆柱头、沉头等； 圆头、扁圆头、沉头使用螺丝刀； 圆柱头（内六角）内六角扳手；,6、螺母 六角螺母、标准、扁、厚,5、自攻螺钉由螺钉在被连接件上攻出螺纹,8、垫圈,7、圆螺母与止退垫圈 带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。,5 螺纹连接的预紧,一、预紧,预紧目的增强连接的可靠性和紧密性，

7、提高防松能力。,螺纹连接 松连接装配时不拧紧，加载时受力作用。 紧连接装配时拧紧。,两种情况：若预紧力过大，螺杆静载荷增大、降低强度； 预紧力过小，工作不可靠。,预紧力F0螺纹连接时，预加于被连接件上的力。,一般来说：预紧应力不得超过材料屈服极限的80%。,预紧力控制方法： 测力矩板手测出预紧力矩； 定力矩板手达到固定拧紧力矩时，弹簧受压自动打滑； 测量预紧前后螺栓伸长量。,扳手拧紧力矩计算方法：,其中，T1螺纹摩擦阻力矩；,这里，F手柄上的作用力； L力臂；,T2螺母环形端面与被连接件间面之间 的摩擦阻力矩；,式中， 螺母与支承面之间的摩擦系数； D0螺母环形端工作面（支承面）外径； d0-

8、螺栓孔径； 螺旋副的当量摩擦角；,K拧紧力矩系数；常用的M10M64粗牙普通钢制螺 栓， K=0.1 0.3,注意：按照以上各式计算出的预紧力不适应于直径小的螺栓（M12以下），容易在拧紧时过载拧断螺栓。,工作中，外载荷振动、变化、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，从而使螺纹连接松动，如经反复作用，螺纹连接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故。,防松原理： 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。,1、摩擦防松,双螺母,方法、措施：,54 螺纹连接的防松,弹簧垫圈,自锁螺母螺母一端做成非圆形收口或开缝后径面收口，

9、螺母拧紧后收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。,3）破坏螺旋副运动关系的防松 永久防松(端铆、冲点、点焊)；化学防松(粘合),开槽螺母 与开口销,螺母 与止动垫圈,串联钢丝,2、机械防松,55 螺栓组连接的设计,工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少； 螺栓组连接设计的顺序选布局、定数目、力分析、 计算尺寸；,一、螺栓组结构设计,1）布局要尽量对称分布，螺栓组中心与连接接合面形心重 合（有利于分度、划线、钻孔、受力均匀）；,2）受剪螺栓组（铰制孔螺栓）时，不要在外载作用方 向成排布置8个以上，以免受力不均；,受弯扭、转矩作用螺栓组，要适当靠近接合面的边 缘，减小螺栓的受力（图5-12）；,3

10、）螺栓排列有适当的间距、边距，留足扳手活动空间表5-4；,轴向和横向载荷同时作用时，设置销、套筒、键等来抗剪切作用，以减小螺栓组的预紧力及结构尺寸（图5-23）；,4）同一圆周上的螺栓数目，应取偶数；,5）避免偏心结构，附加弯曲载荷设置凸台、沉孔、 加斜面垫圈；,二、螺栓组连接的受力分析,求受力最大的螺栓或被连接件,必要的假设： 各螺栓材料、直径、长度、预紧力均相同； 接合面形心与螺栓组对称中心重合； 受力后接合面保持平面；,外载垂直于螺栓轴线并通过螺栓组的对称中心； 普通螺栓、铰制孔用螺栓皆可用，图5-16。,1、受横向载荷的螺栓组连接,近似认为：单个螺栓所承受的横向载荷相等；,1)铰制孔螺

11、栓组连接螺杆承受剪切和挤压抵抗横向载荷,设横向总载荷为F；连接用螺栓总数目为z个；,每个螺栓工作载荷（剪力）为：,2)普通螺栓组连接预紧后产生的摩擦力抵抗横向载荷； 受力条件：应保证连接预紧后，接合面间产生的最大摩 擦力必须大于等于横向载荷。,式中，f摩擦系数（表5-5）； Ks防滑系数，一般取1.11.3; i接合面数；,2、受转矩的螺栓组连接 转矩T作用在连接接合面内，在T作用下，底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动（图5-17）。,1)普通螺栓预紧后在接合面间产生的摩擦力矩抵抗转矩；,矩形分布,上式， 各螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离；,2)铰制孔螺栓组,当被连接板（

12、底板）为刚体且受载后保持平面，则各螺栓剪切变形量与各r成正比，变形量越大，剪切力越大（变形协调条件）。,则有,由平衡条件,对按照圆均布的螺栓组（如联轴器），各个r相等；,普通螺栓,铰制孔螺栓,3、受轴向载荷的螺栓组连接（如图5-18）,单个螺栓轴向工作载荷为：,4、受倾覆力矩螺栓组连接,矩形分布，力矩M在铅直平面内，绕O-O回转； 设底板（上）刚性，下底板（地基）不动； 螺栓可能被拉断，地基被压溃；,倾覆力矩M作用前情况： 螺栓受预紧力F0而伸长，地基被压缩；,M作用后情况： O-O左侧的螺栓再伸长，地基被放松； 右侧螺栓被放松；地基再压缩；,螺栓与地基受力与变形情况如图5-20所示。,由平衡

13、条件：,由变形协调条件：,上式， 各螺栓轴线到底板轴线O-O的距离；,为保证地基接合面受压最大处不被压碎，则应,为保证地基接合面受压最小处不出现缝隙，则应,总结及说明： 、工程中受力情况往往很复杂，但只要合理简化，一般都可转化为以上四种典型受力状态，或它们的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可； 、计算公式是在对称分布情况下推导出来的，对不对称情况，要做适当简化后也可以用这些公式计算。,设计思路： 螺栓组结构设计（布局、数目） 螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式） 求单个

14、螺栓最大工作载荷（判断哪个最大） 按最大载荷的单个螺栓设计（求d1标准） 全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）。,56 螺纹连接的强度计算,1、失效形式和原因,受拉螺栓螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂 受剪螺栓螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或被剪断,b）失效原因：应力集中,a）失效形式,载荷：拉（压）、横、弯、扭 失效：静载荷，变载荷疲劳 工程中螺栓多数为疲劳失效,受拉螺栓：保证螺栓疲劳拉伸和静强度 受剪螺栓：保证螺栓的挤压和剪切强度,应力集中促使疲劳裂纹的发生和发展过程。,2、设计计算准则与思路,、松螺栓连接强度计算,例如拉杆、吊钩螺栓，螺母不需要拧紧，工作前无F0。当受到工作载荷F（拉力）时，

15、螺栓受到拉伸作用。,强度条件：,d1螺杆危险截面直径（mm）； 许用拉应力(MPa)；,二、紧螺栓连接,1、只承受预紧力F0的紧螺栓连接,受力情况：螺母要拧紧，在力矩T作用下，螺栓承受预紧力F0的拉伸作用以及螺纹摩擦力矩T1的扭剪作用。,应力情况：F0拉伸应力 T1扭剪切应力,复合应力状态,拉伸应力,扭剪切应力,按照第四强度理论：,即计算应力约为1.3倍的拉伸应力。 据此，强度条件为：,对于的普通钢制螺栓：,工作要求：当被连接件受到横向载荷（）作用时，施加的预紧力要保证被连接件在工作中不发生错动，条件为：,分析：取f=0.2则F05F； 这要加大螺栓直径； 在冲击、振动、变载下工作 极不可靠。

16、,解决办法：加减载销、减载套筒、减载键,、承受工作剪力（铰制孔）紧螺栓连接,连接情况： 螺拴与孔紧配合，无间隙； 螺杆承受挤压和剪切；,式中，d0螺杆或孔的直径（mm）； Lmin 挤压孔壁的最小高度（mm）； 螺栓或孔壁材料的许用挤压应力（MPa）； 材料许用剪应力（MPa）；,螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度：,螺栓的剪切强度条件为：,、在预紧力和轴向工作拉力作用下的紧螺栓连接,）工作状态：拧紧螺母，有F0； 工作中加上工作载荷F；,）变形分析 当未拧紧螺母时，螺栓与螺母 均处于松驰状态，不受力，不变形 。 图5-24a,当拧紧螺母后： 螺栓受F0作用而被拉长b； 被连接件受F0作用被压缩m

17、,图5-24b,当螺栓再受到外载荷的作用后： 螺栓再被拉长； 总伸长量（b + ）；,图5-24c,连接件被放松，原压缩量m要减小m 。,根据变形协调条件： 螺栓伸长增加量 = 被连接件压缩变形减小量m, 总压缩量,3)载荷变化分析,螺栓的总拉力等于工作拉力与残余预紧力之和 F2 = F1,被连接件受到的压缩力由F0减到F1 F1残余预紧力,对残余预紧力的要求： 为保证受载后接合面连接的紧密性，应使,有密封要求时，F1 =（1.51.8）F； 一般连接 载荷稳定时，F1 =（0.20.6）F； 载荷不稳定F1=（0.61.0）F； 地脚螺栓连接，F1F；,受力与变形关系图仅预紧力作用时：,螺栓

18、,被连接件,受力与变形关系图预紧力+工作拉力时：,由图知：,螺栓的刚度：,连接件刚度：,螺栓的相对刚度,令,）分析与讨论 为降低螺栓的受力，以提高连接的承载能力， 应使Kc尽量小 。,这是最理想的情况。,若被连接件的刚度大，螺栓的刚度小，即,若螺栓的刚度很大，被连接件的刚度很小，即,这是最坏的情况 。,解决办法： a) 采用刚度小的螺栓（例如空心、加长、细颈） b) 加垫片（金属、皮革、铜皮、石棉、橡胶等）,）计算方法与步骤,第一步，受载分析，求F,第二步，根据工作要求，取F1 ；由F2 =F1 + F，求F2,第三步，补充拧紧并考虑扭转切应力，将F2 增加30%,第四步，强度计算（静拉伸强度

19、）：,一、常用材料,根据机械性能，把螺栓、螺柱、螺钉分级并以数字表示（如表5-8）。,例如.6 3表示材料的抗拉强度极限为300MPa; 6表示屈服极限与抗拉强度极限比值的10倍为0.6,小数点前的数字表示,小数点后的数字表示,螺母等级分级（如表5-9）,注意：所选螺母的级别应不低于相配螺栓的级别。,数字表示螺母承受最小应力的1/100,57 螺纹连接件的材料及许用应力,二、许用应力,许用拉应力：,许用切应力：,许用挤压应力：,以上各式中的安全系数见表5-10。,58 提高螺纹连接强度的措施,影响连接强度的因素很多：如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙型、载荷分布、应力幅、机械性能等。,一、改善螺

20、纹牙间载荷分布不均状况,旋合螺纹间的载荷分布如图所示。工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应力、应变亦最大，其余各圈依次递减。 采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。,悬置螺母 环槽螺母 c)内斜螺母 d)环槽内斜 e)钢丝套圈,二、降低螺栓应力幅,1、降低螺栓刚性,2、增大连接件的刚度,3、降低螺栓刚性 、增大连接件刚度与预紧力并用,具体措施：增加螺栓长度； 端头螺纹光杆（腰状杆）螺栓； 空心螺栓； 弹性垫圈（弹性元件）,具体措施：不用垫圈、刚度好的垫圈； 金属垫圈代替软质垫圈； 密封环代替垫圈；,三、减小应力集中的影响,1、加大过渡处

21、圆角半径； 2、卸载槽； 3、卸载过渡结构； 4、改用退刀槽。,四、合理的制造工艺,1、切削法、冷镦法、滚压法； 2、冷作硬化、氰化、氮化、喷丸、热处理后滚压螺纹； 、控制单个螺距误差和螺距累积误差。,例题:已知总载荷4800，50， h=340，b=150，试设计该螺栓组连接。,解：1、结构设计（图示） 这里，z=4，对称布置。,2、力分析(分解) 1）轴向力Fh=Fsin=3677N 2）横向力Fv=Fcos=3085N 3）倾覆力矩 M=16Fh+15Fv=105107N.cm,3、求螺栓承受的载荷 1)Fh的作用下,各螺栓承受的工作拉力,Fa= Fh/z=3677N/4=919N 2)

22、在M作用下,上部两个螺栓受到加载拉伸作用,下部受到减载作用,所以上部两螺栓受力较大:,则,上部两螺栓的轴向工作载荷为:,4、求所需要的预紧力F0 在横向力Fv的作用下,接合面不产生滑移(向下)的条件为:,查表5-6,f=0.16; 取螺栓相对刚度为0.2,则地基相对刚度为0.8; 取防滑系数Ks=1.2; 代入计算得: F0=6520N,5、计算上部各螺栓所承受的总拉力F2,螺栓(材料Q235,性能等级4.6); 查表5-8,s=240MPa;查表5-10,S=1.5; 则,= s/S=160MPa;,6、确定螺栓直径(选螺栓）,查国标（GB196-81） 选用M12的普通粗牙螺栓（螺纹d1=

23、10.106mm）,7、相关校核,1）接合面（下部）不被压碎的条件:,查表5-7,p=0.5 B=125MPa1.84MPa(安全)。,）接合面（上部）不开缝（间隙）的条件:,）预紧力是否过大（10）,满足要求，不会拧断螺栓。,8、结构设计（螺栓长度、精度、螺母、垫圈等）,59 螺旋传动,一、螺旋传动的类型、特点与应用,利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动。 主要用于将回转运动变为直线运动，亦可反之。,按照相对运动关系： 、螺杆转螺母移机床进给丝杠； 、螺杆又转又移（螺母固定）压力机； 、螺母转螺杆移； 、螺母又转又移（螺杆固定）。,按照用途： 、传力（力放大器）起重机； 、传导（导向、运动为

24、主）机床进给机构； 、调整（微调机构）；,按照摩擦性质： 、滑动螺旋； 、滚动螺旋； 、静压螺旋（流体摩擦）；,二、螺旋起重器,三、设计计算要点,受力情况：拉压与转矩,失效形式：,传力螺旋强度,要求自锁螺旋自锁性,精密传导螺旋刚度,细长螺杆稳定性,高速长螺杆临界转速（横向振动）,相对滑动耐磨性,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。,本章总结及要点： 1、常用连接方法及用途； 2、螺纹的分类及主要参数计算公式； 3、螺纹连接的类型； 4、螺纹连接常用标准件及用途； 5、螺纹连接预紧、防松的目的及方法；,6、螺栓组连接结构设计要点； 7、螺栓组连接的受力分析方法； 8、螺栓连接强度计算方法； 9、提高螺纹连接强度的措施； 10、螺旋传动的类型及用途。,作业：P101-102 T5-4、6、T5-7、T5-,