机械设计第5章-螺纹.ppt

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1、1,第二篇 联接,机器从组成上划分为五个部分：,机械部分,被联接件之间不能作相对运动,被联接件之间具有确定的相对运动,2,第五章 螺纹联接,51、螺纹,52、螺纹联接的类型及标准联接件,53、螺纹联接的预紧,55、螺纹联接的强度计算,57、螺栓的材料和许用应力,58、提高螺栓联接强度的措施,54、螺纹联接的防松,56、螺栓组联接的设计,通过本章学习： 掌握螺纹及螺纹联接的基本知识； 掌握螺纹联接的强度计算,3,第五章 螺纹联接,51、螺 纹,1、螺旋线,:直角三角形绕在圆柱体上，其斜边形成螺旋线。,性质:,旋向 右旋、左旋,线数 单头、多头,升程 S,螺距 t,升角 ,2、螺纹,：一平面图形沿

2、螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线。,4,第五章 螺纹联接,（一）螺纹的类型与应用,1、分类,按螺纹牙型分,按生长表面分,按作用分,按母体形状分,外螺纹 内螺纹,联接螺纹 传动螺纹,圆柱螺纹 圆锥螺纹,普通螺纹（三角形） 管螺纹 梯形螺纹 矩形螺纹 锯齿形螺纹,联接,传动,5,第五章 螺纹联接,2、特点,联接螺纹,普通螺纹 管螺纹,等腰三角形，牙型角=60,外螺纹根部允许较大圆角， 防应力集中,同一公称直径有多种螺距， 螺距最大的称粗牙螺纹，其 余统称细牙螺纹。,细牙：自锁性好、强度高；不耐磨易滑扣,薄壁件、受动载的联接、微调机构,有径向间隙,非螺纹密封管螺纹,用螺纹密封管螺纹,等腰

3、三角形，牙型角=55,螺纹分布在1：16锥面上,等腰三角形，牙型角=55,无径向间隙,普通螺纹,6,第五章 螺纹联接,传动螺纹,矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹,正方形，牙型角=0,传动效率最高,牙根强度弱,磨损后间隙不能补偿,等腰梯形，牙型角=30,传动效率较矩形螺纹略低,牙根强度高,对中性好,不等腰梯形，工作面牙侧角3，非工作面30,大径处无间隙，便于对中,兼有梯形螺纹牙根强度高、 矩形螺纹效率高的特点,很少使用,最常使用,只在单向受力的螺旋 传动中使用,7,第五章 螺纹联接,(3) 中径d2,(1) 大径d（公称直径）,(2) 小径 d1（计算直径）,(4) 螺距P,(5) 导程S,S=

4、nP,(8)接触高度 h 。,（二）螺纹的主要参数,(6) 螺纹升角,(7)牙型角 、牙侧角 ,8,第五章 螺纹联接,5 2 螺纹连接的类型与标准连接件,（一 ）螺纹连接的基本类型,1、 螺栓连接,普通螺栓联接 特点： 孔与杆间有间隙、装拆方便 适用场合： 经常装拆的一般场合,铰制孔螺栓联接 特点： 孔与杆间无间隙、装拆方便 适用场合： 承受横向载荷的场合,9,第五章 螺纹联接,2、双头螺栓联接 特点： 孔与杆间有间隙、装拆方便 适用场合： 被联接件之一较厚、经常装拆的场合,3、螺钉联接 特点： 孔与杆间有间隙、装拆方便 适用场合： 被联接件之一较厚，不常装拆的场合,10,第五章 螺纹联接,适

5、用场合： 多用于轴上零件的固定，传递较小的力, 锥端螺钉联接 平端螺钉联接 圆柱端螺钉联接,4 、紧定螺钉连接,11,第五章 螺纹联接,5、其它特殊结构的螺纹连接,地脚螺栓,吊环螺钉,T型槽螺栓,12,第五章 螺纹联接,（二 ）标准螺纹连接件,精度等级:,A级,B级,C级,精度最高，用于配合精确，防振动等场合；,受载较大且经常拆卸，调整或承变载荷的联接；,用于一般联接，最常用。,1、六角头螺栓, 种类最多、应用最广； 一段或全螺纹； 粗或细牙,2、双头螺柱, 两端螺纹了相同或不同； 螺柱部分可制成退刀槽或腰杆、或全螺纹；,13,第五章 螺纹联接,3、螺钉,头部形状,槽形状, 十字头对中性好，便

6、于自动装配； 内六角头能承受较大扭矩，用于要求结构紧凑场合；,14,第五章 螺纹联接,4、紧定螺钉,锥端：适用于紧定处硬度较低或不常拆 卸的场合；,平端：不伤紧定表面，适用于紧定处硬度较大及常拆卸场合；,圆柱端：适用于空心轴上的零件定位。,5、自攻螺钉, 被连接件不需事先共处螺纹 材料为渗碳钢，热处理后硬度45HRC；,15,第五章 螺纹联接,5、六角螺母,分标准螺母和薄螺母 薄螺母用于受剪螺栓或轴向尺寸受限处,精度等级与螺栓相同，与相同精度螺栓配用,6、圆螺母,与止动垫片配用,7、垫片,精度等级分A、C,同一螺纹直径的垫 片分特大、大、普 通、小四种规格,16,第五章 螺纹联接,53、螺纹联

7、接的预紧,预紧力：,预紧的目的：,预紧力的大小：,碳素钢螺栓：,F0(0.6 0.7)s A1,合金钢螺栓：,F0 (0.5 0.6)s A1,螺栓危险截面积,大多数螺纹联接在承受工作载荷之前需拧紧，使之预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力F0。,预紧力过大，会使连接超载； 预紧力不足，会使连接失效（出现缝隙或相对移动） 重要的螺栓应控制预紧力。,螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料屈服极限ss的80%。,17,第五章 螺纹联接,拧紧力矩的计算：,螺旋副的摩擦力矩:,螺母与支承面的摩擦力矩:,拧紧力矩:,简化:对M10 M64粗牙螺纹，螺母与钢表面的摩擦系数fc=0.15,则,18,第五章

8、 螺纹联接,拧紧力矩的控制：, 测力扳手 定力矩扳手, 测长法,准确性差,19,第五章 螺纹联接,54、螺纹联接的防松,螺栓为什么会松动？,防松方法：,摩擦防松 机械防松 破坏螺旋副运动关系防松,阻止螺旋副相对转动，或增加其难度。,靠摩擦力自锁不可靠，在冲击、震动、变载下会松退。,20,第五章 螺纹联接,双螺母 在螺母和螺栓之间形成附加的内力,1、摩擦防松,特点： 结构简单、使用方便 可靠性不高 用于平稳、低速、重载。, 弹簧垫圈 弹力保持一定压力 切口尖端逆向。,特点： 结构简单、使用方便 放松效果差 用于不重要联接。,锁紧螺母 非圆形收口或开槽后径向收口。,特点： 结构简单、使用方便 放松

9、可靠 用于多次拆卸较重要联接处。,21,第五章 螺纹联接,开口销与六角开槽螺母,2、机械防松,特点： 结构简单、使用方便 放松可靠 适用于有较大冲击、振动的高速机械中。, 止动垫片,特点： 结构简单、使用方便 放松可靠,串联钢丝,特点： 防松可靠 装拆不便 用于螺栓组防松。,22,第五章 螺纹联接,冲点,3、破坏螺旋副防松,特点： 放松可靠 拆卸后不能再使用, 黏合,冲1-1.5倍螺距深 中心在小径处 冲3-4处 冲点可在端或侧面,23,第五章 螺纹联接,55、螺栓组联接的设计,（1）保证联接结合面受力均匀 （2）便于加工、装配 （3）螺栓受力合理,一、螺栓组联接的结构设计,基本原则,大多数机

10、械中螺栓都是成组使用的,1）接合面采用轴对称的简单几何形状, 螺栓的数目及布置, 螺栓的尺寸,24,第五章 螺纹联接,2）合理布置螺栓位置,用绞制孔螺栓时： 避免在平行外载方向上成排布置8个以上螺栓,螺栓承受弯矩或转矩时： 避免螺栓向接合面形心布置,螺栓承受较大横向载荷时： 避免直接用普通螺栓联接,25,第五章 螺纹联接, 对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接， 螺栓的间距不大于表5-4推荐值。,3）螺栓排列应有合理的间距、边距, 螺栓轴线之间、螺栓轴线与机体壁之间距， 按扳手空间确定。,26,第五章 螺纹联接,4)为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一 圆周上的螺栓数目取成:

11、4、6、8等偶数。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。,5)避免螺栓承受偏心载荷, 产生偏心载荷的原因, 解决方案,27,第五章 螺纹联接,二、螺栓组联接的受力分析, 目的：, 假设：,（3) 受载后联接接合面仍保持为平面。, 受力分析的类型：,（2）螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；,找到螺栓组中受力最大的螺栓及所受的力，以进行强度计算（确定其尺寸）。,（1) 所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,转矩,横向载荷,轴向载荷,倾覆力矩,28,第五章 螺纹联接,（1）铰制孔螺栓联接,根据预紧后接合面的摩擦力必须大于等于横向载荷,1受横向载荷的螺栓组联接,每根螺栓受的剪切力F

12、均为：,（2）普通螺栓联接,设每根螺栓受的预紧力均为F0：,F0,对接合面是压力 对螺栓是拉力,防滑系数：1.1 1.3,螺栓总数,接合面数,29,第五章 螺纹联接,2受转矩的螺栓组联接,假设：,（1）铰制孔螺栓, 底板受载仍为平面 螺栓的剪切变形量与r成正比 各螺栓剪切刚度相同,故剪切力与r成正比：,螺栓组中的最大剪切力Fmax为：,30,第五章 螺纹联接,2受转矩的螺栓组联接,（2）普通螺栓,则每根螺栓的预紧力F0为：,设每根螺栓受的预紧力均为F0,31,第五章 螺纹联接,3受轴向载荷的螺栓组联接,则：,螺栓预紧力,每根螺栓的工作载荷,F2=F0+F, 拧紧螺栓，施加预紧力, 内部产生压力

13、，施加工作载荷,实际上是总的外载荷分配到每个螺栓处的等效载荷。,讨论：,（1）工作载荷F的实质？,（2）工作载荷是否作用在螺栓上的全部载荷（称总拉力F2） ？,显然不是。那F2是多少？,下面研究单个螺栓的受力变形过程。,32,由联接的变形协调条件 m= b= ,第五章 螺纹联接,（1）螺母未拧紧,（2） 螺母已拧紧,（3）已承受工作载荷,残余预紧力,故：F2= F+ F1,Cb螺栓刚度,Cm被联接件刚度,33,第五章 螺纹联接,螺栓相对刚度：金属垫片0.2-0.3，皮革0.7，铜皮石墨0.8，橡胶0.9,残余预紧力：防止接合面受载后产生缝隙。 有密封要求联接：F1=(1.5-1.8)F 一般联

14、接：F1=(0.2-0.6)F（F稳定） F1 =(0.6-1.0)F （F不稳定） 地脚螺栓：F1F,34,第五章 螺纹联接, 前面研究了螺栓预紧后，受向上的轴向工作载荷时的力与变形情况。, 现研究螺栓预紧后，受向下的轴向工作载荷时的力与变形情况。,35,第五章 螺纹联接,4. 受倾覆力矩的螺栓组联接,假设,底板为刚体 各螺栓刚度相同,工作载荷及分布,（1）求工作载荷,36,第五章 螺纹联接,（2）螺栓与地基的力与变形图,右边,左边,37,第五章 螺纹联接,（3）地基应力分布及校核,(防止结合面出现间隙),(防止结合面被压碎),其中：,38,第五章 螺纹联接,56、螺纹联接的强度计算,单个螺

15、栓的强度计算,：塑性变形或断裂,：压溃或剪断（绞制孔螺栓）,经常装拆因磨损而发生滑扣,失效 形式,上一节，通过受力分析，可获得螺栓组中受力最大的 单个螺栓的受力状态及大小,失效原因,过载（10%）,疲劳（90%）,疲劳断裂部位：截面积较小、应力集中部位,计算最小直径,39,第五章 螺纹联接,（一）松螺栓联接的强度计算,松螺栓联接：螺母不拧紧，承载之前螺栓不受力,失效形式：螺栓拉断 (静、疲劳),（设计公式）,设计准则：保证螺栓拉伸强度,（验算公式）,40,第五章 螺纹联接,（二）紧螺栓联接强度计算,1. 仅受预紧力的紧螺栓联接,螺栓预紧时：,即工作载荷施加前后，螺栓预紧力不改变。,受扭矩T 受

16、拉力F0,剪应力,拉应力,第四强度理论,M10-M64: 0.5,前已求出,41,第五章 螺纹联接,2. 受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,F2= F1+ F,前已求出,如前：螺栓预紧时,假设F2也由拧 紧螺母产生, 静强度计算,42,第五章 螺纹联接, 疲劳强度计算,工作载荷F是交变载荷：0 F,螺栓载荷也F2是交变载荷：F0 F2,应力幅值,详见p85,43,第五章 螺纹联接,3. 受工作剪力的紧螺栓联接,受载情况：拧紧过程中预紧力小，只 考虑横向工作载荷F。,失效形式：侧面压溃及螺杆剪切,螺杆的剪切强度条件:,螺栓与孔壁的挤压强度条件：,螺栓或孔壁材料两者 较小的许用挤压应力,44,第五章

17、 螺纹联接,57、螺栓的材料和许用应力,（一）螺纹联接件材料,螺母螺栓：,特殊用途(防磁、导电): 特殊钢、铜合金、铝合金等。, 性能等级：,15Cr、40Cr、 30CrMnSi等合金钢（冲击振动场合）,垫 圈：,Q215、Q235、35、45等碳素钢（一般场合）,Q235、15、 35（普通）； 65Mn（弹簧垫圈）,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级：,B/100,10s/ B,螺母的性能等级分为 7级:,粗略表示min/ 100, 材料：,45,第五章 螺纹联接,（二）螺纹联接件的许用应力,螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧联接)、材料、结构尺寸有关。,许

18、用拉应力：,许用剪应力：,（被联接件为钢）,（被联接件为铸铁）,S、S,、 Sp-安全系数，其取值见表5-10,许用挤压应力：,46,第五章 螺纹联接,N,47,第五章 螺纹联接,5-8 提高螺栓连接强度的措施,（一）降低螺栓受到的交变应力幅,措施1：降低螺栓刚度,48,第五章 螺纹联接,措施2：提高被连接件刚度,49,第五章 螺纹联接,（二）改善螺纹牙载荷不均现象,由于螺栓和螺母刚度及变形性质不同，各圈螺纹牙受力不同,厚螺母不能提高刚度,50,第五章 螺纹联接,（三）减少应力集中的影响,（四）采用合理的制造工艺方法,采用冷镦螺栓头部、滚压螺纹段的工艺，及氮化、喷丸等处理工艺。, 冷作硬化,

19、金属流线走向合理,冷镦滚压工艺可提高疲劳强度30%-40%，热处理后滚压70%-100%。,51,第五章 螺纹联接,题520： 两根梁用8个4.6级普通螺栓与两块钢板相联接，F=28KN，f=0.2，控制预紧力，确定螺栓直径。,分析：, 受力状态：, F0确定：由摩擦力大于F定；, d0确定：由强度条件,解:设每根螺栓预紧力F0,4.6级：s=240 MPa,表5-10：S=1.3,= s/S=240/1.3=184.6 MPa,查表：用M16螺栓,螺栓组的受力分析一节，属受横向力的螺栓组联接；,在强度计算一节，属仅受预紧力的紧螺栓联接；,52,第五章 螺纹联接,分析：, 受力状态：,螺栓组的

20、受力分析一节，属受转矩的螺栓组联接；,在强度计算一节，属仅受预紧力的紧螺栓联接；,解:设每根螺栓预紧力F0,4.6级：s=240 MPa,表5-10：S=1.3,= s/S=240/1.3=184.6 MPa,查表：用M14螺栓,53,第五章 螺纹联接,分析：, 受力状态：,螺栓组的受力分析一节，属受转矩的螺栓组联接；,在强度计算一节，属受剪力的紧螺栓联接；,解:查表：d0=13; 推荐Lmin1.25d0，取Lmin=17,螺栓8.8级： s=640 MPa, S=2.5, Sp=1.25 HT200： B=200 MPa, Sp=2.5,每根螺栓受剪切力F,强度足够,54,第五章 螺纹联接,表5-4：要求t07d 设计成功,分析：, 受力状态：,螺栓组的受力分析中，属受轴向载荷的螺栓组联接；,在强度计算中，属受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接；, F2确定：F2= F1 +F,解: 初定Z=8, 本题的设计包含两层含义,55,THE END,