机械设计第二篇联接.ppt

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1、第二篇 联接,螺纹 螺纹联接的类型和标准联接件 螺纹联接的预紧和防松 螺纹联接的强度计算 螺栓组联接的设计 提高螺纹联接强度的措施 螺旋传动 键联接和花键联接 其它联接,联接的目的 便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率。 学习目标 熟悉机器联接中常用的各种联接件的结构、类型、性能和应用场合，掌握设计理论和选用方法。,联接的分类,动联接：,静联接：,机器工作时，零部件之间可以有相对 运动。例如：机械原理中，各种运动 副之间的联接。,在机器工作中，不允许零部件之间存 在相对运动的联接。,静联接,可拆联接：不需毁坏联接中的任何一个零件就可拆 开的联接。例如：螺纹联接、键联接。,不可拆联

2、接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开 的联接。例如：铆接、焊接等。,过盈联接,第五章 螺纹联接和螺旋传动,本章重点 螺纹联接基本类型 螺栓联接的受力分析及强度计算,螺纹及螺纹联接基本类型 螺纹联接的预紧和防松 螺栓联接的强度计算及许用应力 螺栓组联接的设计及受力分析 螺旋传动,主 要 内 容,本章难点 螺栓组联接的受力分析,1 螺纹,一、螺纹的类型和应用(62页表5-1） 螺纹有外螺纹和内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。 按其作用分为： 联接螺纹：如普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹； 传动螺纹：梯形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹。 按使用单位制分为： 英制螺纹：如管螺纹（螺距以每英寸牙数表示）； 米制：其

3、余均为米制.,二、螺纹的主要参数 （1）大径d（公称直径） （2）小径d1 （3）中径d2 （4）线数n 单线螺纹 多线螺纹 （5）牙型角 （6）接触高度h 注： 常用的联接螺纹要求自锁性，故多采用单线螺纹；传动螺纹要求传动效率高，故采用双线或三线螺纹。为了便于制造，一般线数n4。,（7）螺距P （8）导程S 单线螺纹S=P；多线螺纹S=nP。 （9）螺纹升角 （10）螺纹旋向 左旋螺纹，右旋螺纹（常用） 旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋， 右边高则为右旋。,2 螺纹联接的类型和标准联接件,一、螺纹联接的基本类型 螺栓联接：普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接(基孔制过度配合） 双头螺

4、栓联接 螺钉联接 紧定螺钉联接 其它：地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T型槽螺栓联接,螺纹紧固件大都为标准 件，常用的有螺栓双头 螺柱、螺钉、紧定螺钉、 螺母和垫圈等。 1.普通螺栓联接 特点：工作时受拉，无 需在被联件上加工螺纹 孔，装拆方便，用于两 被联件均不太厚的场合。,2.铰制孔用螺栓联接 特点：工作时受剪，除起联接作用外，还起定位作用。,3.双头螺柱联接 特点：用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。,4.螺钉联接 螺钉拧入深度H 钢或青铜 Hd 铸铁H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.5 2.5)d 特点：用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。,5.紧

5、定螺钉联接 特点：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，并可传递不大的力或力矩。,紧定螺钉联接主要用于轴与轮毂的联接，通过拧紧紧定螺钉可以实现轴与轮毂之间的轴向和周向定位，可以传递较小的扭矩和轴向力。,地脚螺栓联接 吊环螺栓联接,地脚螺栓联接用于机器的机座与地基的联接，地脚螺栓 不是标准零件。,T形槽螺栓联接,T形槽螺栓通常用于机床及其他工装设备上对被加工工件进行固定。 由于螺栓可在设备上T形沿槽移动，适应于不同尺寸工件固定。,二、 标准螺纹联接件（教材页）,一、螺纹联接的预紧 绝大部分螺纹联接需要在螺纹联接件承受工作载荷前将其拧紧 ，通过预紧使螺纹联接件受到的载荷称

6、为预紧力。 、预紧的目的 受载之前拧紧螺母预紧力F0 a.提高联接的紧密性 b.防止联接松动 c.提高联接件强度,3 螺纹联接的预紧,防止联接松动,很多螺纹联接是确定并保持两个或多个被联接件之间的相对位置， 拧紧后使被联接件之间产生压力，在机器工作时如果有切向力作用 于被联接件之间，则会在被联接件之间的界面上产生摩擦力，他会 阻碍被联接件之间的相对移动，实现联接的目的。,提高联接的紧密性,二、控制预紧力的方法 原因：T F 拉断、滑扣 T不能满足工作要求 方法： 1.控制应力或应变 2.控制拧紧力矩 3.控制拧紧力臂 4.测量螺栓伸长量,控制应力或应变,设备较复杂，成本也较高，应用较少，只在非

7、常重要的应用场合 及科学研究中使用,控制拧紧力矩,控制拧紧力臂,采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。,三、拧紧力矩与预紧力的关系 以螺母分析：T=T1+T2 T1螺母支承面间的摩擦阻力矩 T2螺纹副间的摩擦力矩,F0预紧力； d2螺纹中径； 螺纹升角； v当量摩擦角； c螺母与被联接件承压面间的摩擦系数； D1，d0分别为承压面的外径和内径。,拧紧力矩与预紧力的关系,d2 0.9d ; y=142=32 vacrtg(1.155f);f0.1-0.2 c0.15;D1 1.5d ;d0 1.1d 代入整理：

8、 注：不控制预紧力时，不宜采取M12以下的螺栓。, 螺纹联接的防松 一、螺纹联接按自锁条件设计 v。 静载下不会自行松脱。 二、松动原因 冲击、振动、变载荷下；温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失 松动 三、螺纹联接防松的实质： 在于限制螺旋副的相对转动。 四、螺纹联接防松的方法按工作原理可分为 摩擦防松 机械防松 其它：破坏螺纹副关系（焊接、铆冲、粘接）,摩擦防松：弹簧垫圈防松,开口方向： 斜向右下方,弹性增压 尖端抵住,弹簧垫圈防松方法是使用最广泛的一种防松方法， 这种方法结构简单，价格便宜，操作方便,摩擦防松：自锁螺母防松,螺母制成后上端开口，并收口，螺母拧紧后由于螺母上端的开口

9、 处涨开，产生弹性变形，抱紧外螺纹，是内外螺纹间的摩擦力更大.,摩擦防松：对顶螺母防松,机械防松 开口销 开槽螺母防松,开口销与槽形螺母,机械防松：止动垫片防松,机械防松：止动垫片防松,机械防松：串联钢丝防松,其它：破坏螺纹副关系防松,5-5 螺栓组联接的设计,设计内容及方法 1螺栓组联接的结构设计 确定结合面的几何形状及螺栓的布置方式和个数； 2根据联接受载情况，进行受力分析； 3根据螺栓受力进行螺栓强度计算。,一、 螺栓组联接的结构设计 1目的：合理解决联接结合面的几何形状，确定螺 栓布置方式及个数； 2螺栓组联接的结构设计应考虑的问题 被联接件形状应简单对称； 根据载荷的类型合理布置螺栓

10、位置；,布置螺栓应留有合理的间距； 扳手空间尺寸、压力容器的螺栓间距 同一圆周上的螺栓数量应为偶数，同组螺栓的直径、长度、材料应相同； 避免螺栓偏心承载。,结构上：凸台、沉头座、斜面垫圈、球面垫圈,二、螺栓组联接的受力分析 1目的：找出受力最大的螺栓为强度计算提供依据； 2假设： 被联接件为刚体，不会在载荷作用下变形，结合面保持为平面； 一组螺栓的直径、长度、材料和预紧力相同（即拉伸刚度、剪切刚度相同）； 螺栓组的对称中心与结合面的形心重合。,几种典型受力形式 1、受横向载荷F的螺栓组联接 (a)对于普通螺栓联接： 承受横向力时，靠联接预紧后，在结合面间产生的摩擦力 来抵抗横向载荷。根据联接不

11、产生相对滑动，可确定螺栓 的预紧力F0。 或 式中 ks为防滑系数，ks=1.11.3；i为结合面数；z为螺栓数目。,(b)铰制孔螺栓联接： 承受横向载荷时，靠螺栓的挤压、剪切承受外载，每个 螺栓所受的横向工作剪力为 Ft=F/z 式中 z为螺栓数目,2、受旋转力矩T的螺栓组联接 （a）普通螺栓联接 假定由F0在结合面内产生的摩擦力为集中力，且该力 与螺栓中心和该组螺栓中心的连线相垂直。 根据各力对底板的静力平衡，可求得F0，即,（b）采用铰制孔螺栓联接 各螺栓所受横向工作剪力的方向与它的轴心和螺栓组对称中心O的连线（即力臂ri）相垂直。假设底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面，忽略联接中的预

12、紧力和摩擦力。根据底板静力平衡条件得： 根据变形协调条件： 则受力最大的螺栓的工作剪力为：,3、受轴向载荷F的螺栓组联接 压力容器螺栓组联接，轴向载荷F作用线与螺栓轴线平 行，并通过螺栓组的对称中心。设螺栓数目为z，各螺栓 平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷F为 F=F/z,4、受翻转力矩M的螺栓组联接 假设M作用在通过x-x轴并垂直 于联接接合面的对称平面内。 力的分析： M未作用时，每个螺栓均受F0 作用（拉力），受M作用时， 左侧螺栓拉力加大，右侧减少。,单个螺栓地基的受力变形分为简便起见，地基与底板间的 分布力用各螺栓中心的集中力表 示。图中，斜线O1A表示螺栓的 受力变形线；斜线

13、O2A表示地 基的受力变形线。,力的计算：根据各力对底板的静力平衡 根据螺栓变形协调条件： 则 式中Fmax代表最大的工作载荷， 根据预紧力F0、最大工作载荷Fmax可确定受力最大的螺 栓的总拉力F，则可进行强度计算。,失效分析：紧螺栓受拉扭；底板左侧出现间隙； 底板右侧压溃。,强度计算,螺栓的强度： 右侧不压溃： 左侧不分离：,受复合载荷的螺栓组联接 横向载荷+轴向载荷,横向载荷+旋转力矩,计算时应求出受力最大螺栓的受力,5-6 螺纹联接的强度计算,方法：受力分析确定失效形式建立计算准则建立强度计算公式。,一、受拉螺栓联接 受力情况：轴向拉力 失效形式：断裂 静力断裂：静载荷，且严重过载。

14、疲劳断裂：变载荷，多数属此，且疲劳断裂常发生在 螺纹根部，即截面面积较小，并有缺口应力集中的部 位，有时也发生在螺栓头与光杆的交接处。 计算准则：抗拉强度准则，即 。,1、受拉松螺栓联接（不受预紧力） 松联接：联接在装配时不拧紧螺母，在承受工作载荷之前，螺栓不受力。（比较少见，拉杆、起重吊钩等的螺纹联接属此类。） 校核公式 设计公式,2、受拉紧螺栓联接 紧联接：联接在装配时拧紧螺母，在承受工作载荷之 前，螺栓有预紧力F0的作用。 （1）仅受预紧力F0作用的紧联接 螺栓受力：拉力和扭转（由螺纹摩擦力矩T1引起）。 螺栓危险截面的拉伸应力： 螺栓危险截面的扭转切应力：,对于M10-68普通螺纹的钢

15、制螺栓，一般可取T0.5。 由于螺栓材料是塑性的，根据第四强度理论，螺栓预紧状态下的计算应力 校核公式 设计公式,说 明 （1）受F0作用的紧联接，按拉伸强度进行计算，但是应把F0加大 30%，来考虑螺纹摩擦力矩（扭转）的影响。 （2）靠摩擦力抵抗工作载荷的紧联接，其螺栓仅承受F0作用，且 F0不受工作载荷的影响，由于摩擦力变化较大，此联接不宜用于载 荷突然变化的场合（振动、冲击或变载荷）。 （3）靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接，螺栓直径较大。因为 F0FR/f，若f=0.2时，则F05FR，结果必然使螺栓的结构尺寸增 加。 通常采用减载零件的紧螺栓联接，其强度按减载零件的剪切、挤压 强度条

16、件计算，而螺纹联接只是保证联接，不再承受工作载荷，因 此预紧力不必很大，但这种联接增加了结构和工艺上的复杂性。,（a）减载销 （b）减载套筒 （c）减载键,(2) 受F0及轴向工作拉力F作用的紧联接,A、工作要求：螺栓强度，联接紧密性； B、受力和变形分析：,（a）开始拧紧 （b）拧紧后 （c）受工作载荷时（d）工作载荷过大时 螺栓和被联接件的受力与变形图,（a）拧紧时 （b）两图合并 （c）受工作载荷时 螺栓和被联接件的受力变形线图,螺栓的总拉力F2=F1+F F1：残余预紧力 为保证联接的紧密性，应使F10。 对于有紧密性要求的联接：F1=(1.51.8)F； 一般联接，若无载荷变化， F

17、1=(0.20.6)F ， 工作载荷不稳定， F1=(0.61.0)F ； 对于地脚螺栓F1F 。 根据变形协调条件有,C、强度计算 1）静强度： 或 2）疲劳强度：对于受轴向变载荷的重要联接，除作静强度计算外，还应作疲劳强度校核。 工作拉力：0F（变载荷），螺栓受力：F0F2,设计时，一般可先按静载荷强度计算，初定螺栓直 径，然后再校核其疲劳强度。 由于影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅， 故这里的螺栓疲劳强度的校核公式为 式中a螺栓的许用应力幅。,二、受剪螺栓联接（铰制孔螺栓联接） 受力情况：横向力 失效形式：螺栓杆被剪断，螺栓杆与孔壁的贴合面压溃。 计算准则：保证联接的挤压强度准则

18、，即 螺栓的剪切强度准则，即,强度计算 挤压强度准则 剪切强度准则 式中 Lmin为计算对象的受压高度。,预紧力F0,ks为防滑系数,i为结合面数,z为螺栓数目。,横向、轴向载荷F（FR、FQ、FH、FV）,残余预紧力F1,螺栓的总拉力F2（F、F总、F合）,符 号 总 结,例：如图钢板厚度=16mm 用两个铰制孔用螺栓固定在机架上，F=5000N，其它尺寸如图。板和机架材料均为Q235。 试：（1）分析铰制孔用螺栓的失效形式 ； （2）分析铰制孔用螺栓的受力 （3）按强度设计铰制孔用螺栓的直径 （4）若用普通螺栓，计算螺栓的直径（f=0.2，s=2.5 kf=1.1）,解：1.铰制孔用螺栓的

19、失效形式 为剪切和挤压失效 ；,2.受力分析：将载荷F向形心O简化后，每个螺栓的受力,3.按剪切强度计算螺栓的直径,4.改用普通螺栓,每个螺栓的预紧力,选用两个M30（d1=26.21）的六角螺栓。 小结：受复合载荷螺栓，其合力按向量相加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多。,螺纹联接件材料的力学性能螺栓、螺钉、螺柱的性能等 级共十级见表58和表59,一 螺纹联接件的材料,57 螺纹联接件的材料及许用应力,二 螺纹联接件的许用应力,S、S、Sp安全系数 见表510,5-8 提高螺纹联接强度的措施,螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度。影响螺栓强 度的因素（着重考虑受轴向变载荷的紧螺栓联接） 1应力

20、变化幅 2螺纹牙的载荷分配 3应力集中 4附加应力 5制造工艺,1、降低应力幅 由式 可知： 当F0、F一定时，若使Cb或Cm，则F2a疲劳强度提高，静强度高；但是，F1联接紧密性降低； 若使Cb ，Cm ，同时适当使F0，可保证F1达到预定数值，这对改善联接的可靠性和紧密性是有利的。,(a)减小螺栓的刚度 （b)增大被联接件刚度 减小螺栓应力幅的措施,减小螺栓的刚度：腰状杆螺栓和空心螺栓 增加被联接件的刚度：汽缸采用密封环密封,2、改善螺纹牙受力分配 当联接受载时，螺栓受拉，螺距增大；而螺母受压，螺距减小。采用圈数过多的加高螺母，并不能提高联接强度。,(a)旋合螺纹的变形示意图 （b）螺纹牙

21、受力分配,为改善螺纹牙受力，可采用悬置螺母结构、内斜螺母和环槽螺母。这些结构特殊的螺母，由于制造费工，只有在重要或大型的联接中才使用。,（a）悬置螺母 （b）内斜螺母 （c）环槽螺母 使螺纹牙受力分配较均匀的螺母结构图,3、减轻应力集中 圆角和卸载结构,4、避免或减小附加弯曲应力,（a）承压面倾斜（b）被联接件变形太大 引起附加应力的原因,(a)采用球面垫圈（b）采用斜垫圈（c）采用凸台（d）采用沉头座（e）采用环腰 使栓杆减免弯曲应力的措施,5、采用合理的制造工艺 冷镦螺栓头部和滚压螺纹 氮化；氰化；喷丸等处理,5-9 螺旋传动(自学) （一）螺旋传动的类型和应用 螺杆转动，螺母移动：机床进

22、给机构； 螺母固定，螺杆转动并移动：千斤顶。,（一）螺旋传动的类型和应用 按用途可分为,镗刀差动螺旋微调结构,.,调整螺旋,正、反螺旋快速调整结构,（一）螺旋传动的类型和应用 按螺旋副的摩擦可分为,（二）滑动螺旋的结构和材料 螺杆和螺母除具有足够的强度外，还要有较高的耐磨性和良好的工艺性。 螺杆：Q235，45，40Cr 螺母：ZCu10P1，ZCuAl9Fe4Ni4Mn2 （三）滑动螺旋传动的设计计算,第六章 键、花键、无键联接和销联接,本章重点 平键联接的类型尺寸选择及强度计算,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,主 要 内 容,6-1 键联接,一、键联接的功能

23、、类型及应用 定义：用键作为联接件，把轴和轴上零件的轮毂联接起来。 作用：传递转矩，实现轴上零件的周向固定，有时可实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。 类型：平键联接、半圆键联接、楔键联接、切向键联接,1、平键联接：分为普通平键联接、导向平键 （a）普通平键联接 特点：1）工作原理：以键两侧作工作面，依靠工作 面上的挤压传递转矩； 2）键的顶部与槽的底部有间隙，因此对中性较好； 3）结构简单，装拆方便； 4）轴上零件不能沿轴线滑移，因此为静联接。,类型：圆头键（A型）：轴上键槽端部的应力集中大， 键固定较好，能传递较大力； 平头键（B型）：应力集中小，键在键槽中固定较差，常用在轴的中部或端

24、部，对于尺寸大的键，宜用紧定螺钉固定在轴上； 单圆头键（C型）：常用在端部。,（b）导向平键 特点：具有普通平键特点外， 1）轴上零件可作轴向移动，键起导向作用，动联接； 2）键较普通平键长，键必须用螺钉固定在键槽中； 3）有A、B两种型式。,2、 半圆键联接 特点：1）工作面为键的侧面，依靠键与键槽侧面的挤压传递转矩； 2）自动调整； 3）键槽对轴的削弱较大。 用途：1）主要用于锥 形轴端联接； 2）轻载联接。,3、楔键联接 特点：1）键顶部和底部作工作面，依靠楔紧产生的摩擦力传递转矩； 2）安装后，孔的中心与轴的中心有偏心，对中性不好。 用途：用在轻载、对中性要求不高的联接。 类型：普通楔

25、键（圆头、平头和单圆头）、钩头楔键。,二、平键的尺寸选择和强度计算 键为标准件，其设计为选择性设计，包括类型选择和尺寸选择。 1键联接的类型选择 根据联接的工作和使用要求，结合各类键联接的特点选择键的类型（传递转矩要求、对中性要求、轴上零件是否要求滑移、轴上零件位置要求，是否要求承受轴向力），一般优先选用普通平键的A型键，再考虑C型键 。,2键尺寸的选择 包括截面尺寸（键的宽度b、高度h）和长度L。 根据轴的直径，从标准中选择确定b和h；根据轴上零件的轮毂宽度B来初定键的长度，再标准化。 键的标记示例：键（B或C）2090 GB1096-79（b*L）,3平键联接的强度校核 1）受力情况 挤压

26、力：Nd/2=T 2）失效形式及计算准则 普通平键联接（静联接）：工作面压溃，按挤压强度准则计算，即Pp； 导向平键（动联接）：键工作面的过度磨损，按耐磨性准则计算，即pp 3）建立计算公式（假定载荷在键的工作面上均匀分布）,对静联接 对动联接 式中 T为传递的转矩；k为键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，h为键的高度；l为键的工作长度，圆头平键（A型）：l=L-b，平头平键（B型）l=L，半圆头平键（C型）l=L-b/2；p、p为许用挤压应力和许用比压，应按键、轴、轮毂三者中性能最弱的材料选择。,说明：若进行强度校核后，发现强度不够，可采取如下措施： 增加键的个数，但是考虑到载荷分布的不均

27、匀性，两键联接的强度只按1.5个键计算，即 两个平键最好布置在沿周向相隔180度，两个半圆键应布置在轴的同一条母线上。,6-2 花键联接,花键联接是平键联接在数目上的发展，由外花键和内花键组成的联接，适用于动、静联接。 一、特点、应用及分类 特点：齿多，且每个齿受力均匀，承载能力强； 键槽浅，齿根处应力集中小，对轴、毂的强度削弱小；导向性好，可适应轴上零件的滑移； 对中性好；加工复杂，成本较高。 应用：传递载荷大，对中性要求较高的动、静联接。,分类：按齿形分 1.矩形花键联接 轻系列：用于静联接或轻载联接 中系列：用于中等载荷的联接。 定心方式：小径定心（外花键和内花键的小径为配合面，大径处有

28、间隙），定心精度高，稳定性好。,2. 渐开线花键联接 特点：齿廓为渐开线，加工方便，齿的根部强度高，应力集中小，承载能力高，对中性好，适用重载或轴径较大的联接。 定心方式：齿形定心，内、外花键的齿顶和齿根处有间隙。 渐开线花键分度圆压力角有30（应用较广）和45（齿钝而短，适用于载荷较小和直径较小的静联接。,二、 花键联接的强度计算 其设计为选择性设计，包括类型选择和尺寸选择，然后进行强度校核。 1类型选择 2尺寸选择 根据轴径D，按标准确定zxDxdxb（齿宽），同时确定定心方式。 3强度校核计算 受力：与平键受力相同 失效形式：压溃（静联接），磨损（动联接） 计算准则：挤压强度准则Pp；

29、耐磨性准则pp 。,强度计算公式 假定：工作面上受力均匀，且各个齿受力均匀； 挤压力N作用在平均直径处dm。 静联接： 动联接：,一、无键联接 凡是不用键或花键的轴毂联接，统称为无键联接。 1、型面联接 型面联接装拆方便，能保证良好的对中性；联接面上没有键槽及尖角，减少了应力集中，故可传递较大的转矩。,6-3其它联接,2、弹性环联接 弹性环联接（亦称胀紧联接）是利用轴、毂孔和锥形弹性环之间接触面上产生的摩擦力来传递转矩和轴向力的。,3、圆锥面过盈联接轴端 液压装卸法：装、卸时注入高压油（过盈量大、重载） 螺纹联接:毂微量移动（过盈小、轻载）,二、销 联 接,开尾圆锥销在联接时的防松效果好，适用于有冲击、振动的场合的联接。,圆锥销具有1:50的锥度，安装方便，定位精度高。,圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低定位精度和可靠性。,定位销:确定相对位置,安全销:安全装置中的过载剪断元件,联接销：用于联接，可传递不大的载荷,