机械设计第10章螺纹连接件设计课件.ppt

1,由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。,一、连接的必要性,2,二、连接的主要类型,1. 按是否存在相对运动,被连接件之间相互完全固定。,被连接件之间能产生一定的相对运动,静连接,动连接,3,2. 按是否可拆（1）-定义,二、连接的主要类型,可拆连接：不需要破坏连接中的任一个零件就可以拆开的连接。,不可拆连接：至少要破坏连接中的某一个零件才可以拆开的连接。,4,2. 按是否可拆（2）-可拆连接,二、连接的主要类型,螺纹连接,键连接,等,5,2. 按是否可拆（3）-不可拆连接,二、连接的主要类型,焊接,粘接,铆接,6,2. 按是否可拆（4）-过盈连接,二、连接的主要类型,7,三、螺纹的形成,一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,8,1.大径d,四、螺纹的主要参数,与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径，是螺纹的公称直径。,9,2.小径d1,四、螺纹的主要参数,与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体直径，常作强度计算的危险截面。,10,3.中径d2,四、螺纹的主要参数,母线上牙型沟槽和凸起宽度相等的假想圆柱直径，确定螺纹几何参数和配合性质的直径。,11,4.螺距P,四、螺纹的主要参数,相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,12,5.线数n,四、螺纹的主要参数,螺旋线的数目。,13,6.导程S,四、螺纹的主要参数,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距，S=nP。,14,7.螺纹升角 ,四、螺纹的主要参数,中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。,15,8.牙型角,四、螺纹的主要参数,轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。,16,9.牙侧角,四、螺纹的主要参数,牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。,17,10.接触高度h,四、螺纹的主要参数,内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。,18,五、螺纹的类型,1.按螺纹的牙型分1/2,三角形,矩形,已经标准化，最常用的连接螺纹,未标准化，牙根应力集中较严重,19,五、螺纹的类型,1.按螺纹的牙型分2/2,梯形,锯齿形,已经标准化，最常用的传动螺纹,已经标准化，只能单侧传动重,20,2.按旋向分（1）-种类,左旋,右旋,五、螺纹的类型,不常用，需要在螺纹标注标注旋向,最常用，在螺纹标注中不标旋向的即为右旋,21,2.按旋向分（2）-旋向判断,五、螺纹的类型,22,2.按旋向分（3）-应用举例,五、螺纹的类型,23,3.按螺纹线的根数分,单线,多线,五、螺纹的类型,传动效率高，多用于传动,易于实现自锁，多用于连接紧固,24,4.按回转体的内外表面分,内螺纹,外螺纹,五、螺纹的类型,一起构成螺旋副,25,5.按母体的形状分,圆柱螺纹,圆锥螺纹,五、螺纹的类型,管螺纹,26,5.按螺旋的作用分,连接螺纹,传动螺纹,五、螺纹的类型,27,1.螺栓连接（1）-普通螺栓连接1/3,六、螺纹连接的主要类型,螺杆和孔之间有间隙，不能实现被连接件的准确定位,28,1.螺栓连接（1）-普通螺栓连接2/3,六、螺纹连接的主要类型,两个被连接件均适宜打通孔。,29,1.螺栓连接（1）-普通螺栓连接3/3,六、螺纹连接的主要类型,变载:l10.75d,静载:l1(0.3-0.5)d,冲击载荷或弯曲载荷： l1 d,通孔直径d01.1d,ed+（3-6）mm,a（0.2-0.3）d,30,1.螺栓连接（2）-铰制孔螺栓连接1/3,六、螺纹连接的主要类型,螺杆和孔是配合关系，可以实现被连接件的准确定位,31,1.螺栓连接（2）-铰制孔螺栓连接2/3,六、螺纹连接的主要类型,两个被连接件均适宜打通孔，要求两个被连接件准确定位或横向载荷大时。,32,1.螺栓连接（2）-铰制孔螺栓连接3/3,六、螺纹连接的主要类型,ed+（3-6）mm,铰制孔螺栓：l1d,a（0.2-0.3）d,33,2.螺钉连接（1）-感性认识,六、螺纹连接的主要类型,外露比较光滑,34,六、螺纹连接的主要类型,连接件太厚，被连接件不适宜打通孔，且连接不经常拆卸的场合。,2.螺钉连接（2）-使用场合,35,六、螺纹连接的主要类型,2.螺钉连接（3）-尺寸,钢或青铜：H=d,铸铁：H=(1.25-1.5)d,钻孔深度： H2=H1+(0.5-1)d,铝合金：H=(1.5-2.5)d,螺纹孔深度： H1=H+(2-2.5)P,36,3.双头螺柱连接（1）-感性认识,六、螺纹连接的主要类型,37,六、螺纹连接的主要类型,连接件太厚，被连接件不适宜打通孔，且连接经常拆卸的场合。,3.双头螺柱连接（2）-使用场合,38,六、螺纹连接的主要类型,3.双头螺柱连接（3）-尺寸,钢或青铜：H=d,铸铁：H=(1.25-1.5)d,钻孔深度： H2=H1+(0.5-1)d,铝合金：H=(1.5-2.5)d,螺纹孔深度： H1=H+(2-2.5)P,39,4.紧定螺钉连接（1）-感性认识,六、螺纹连接的主要类型,40,六、螺纹连接的主要类型,定位并传递不大的力或转矩的场合。,4. 紧定螺钉连接（2）-使用场合,41,七、螺栓的预紧,绝大多数螺纹连接在装配时需要拧紧，使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加的作用力称为预紧力。,1.预紧的定义,42,七、螺栓的预紧,（1）适当的预紧力可以增大连接的紧密性和可靠性；,2.预紧的必要性,（2）还能提高螺栓的疲劳强度。,43,七、螺栓的预紧,拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料屈服极限s的80%；,3.预紧力大小的确定（1）-原则,44,七、螺栓的预紧,3.预紧力大小的确定（2）-具体范围,碳素钢螺栓：F0(0.6-0.7)sA1合金钢螺栓：F0(0.5-0.6)sA1,A1 -危险截面积， A1 d21/4,45,七、螺栓的预紧,具体数值应该根据载荷性质、连接刚度等具体工作条件确定。,3.预紧力大小的确定（3）-具体数值,46,七、螺栓的预紧,4.预紧力大小的控制（1）-意义,（1）预紧力过大，会使整个连接的结构尺寸增大；也会使连接在装配时因过载而断裂。,（2）预紧力不足，则又可能导致连接失效，重要的螺栓连接应控制预紧力。,47,七、螺栓的预紧,4.预紧力大小的控制（2）-扳手,测力矩扳手或定力矩扳手，T0.2F0d,48,七、螺栓的预紧,4.预紧力大小的控制（3）-测量变形量,49,七、螺栓的预紧,4.预紧力大小的控制（4）-凭经验,50,八、螺纹连接的防松,1.防松的必要性,（2）高温下的螺栓连接（如高压锅），由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象；,（1）连接用三角形螺纹都具有自锁性，一般不会自动松脱，但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动而失效；,51,八、螺纹连接的防松,2.防松的本质,防止螺旋副在受载时发生相对转动。,52,八、螺纹连接的防松,3.防松的方式（1）-利用摩擦,弹簧垫圈,对顶螺母,自锁螺母,53,八、螺纹连接的防松,3.防松的方式（2）-机械防松1/3,开口销,54,八、螺纹连接的防松,3.防松的方式（2）-机械防松2/3,止动垫片,55,八、螺纹连接的防松,3.防松的方式（2）-机械防松3/3,串联钢丝,56,八、螺纹连接的防松,3.防松的方式（3）-永久防松1/3,冲点,57,八、螺纹连接的防松,粘接,3.防松的方式（3）-永久防松2/3,58,八、螺纹连接的防松,焊接,3.防松的方式（3）-永久防松3/3,59,九、螺栓的材料,（1）常用材料：Q215、35、45等碳素钢；,（2）冲击振动场合用：40Cr、30CrMnSi等合金钢；,（5）特殊用途(防磁、导电): 特殊钢、铜合金、铝合金等。,（3）普通垫圈：Q235、15、35；,（4）弹圈：65Mn；,60,九、螺纹连接件的许用应力,1.性能等级（1）-定义,（1）螺纹连接件是按其性能等级选用的，一定性能等级对应一定的强度极限；,（3）等级代号小数点前面数字=材料抗拉强度的百分之一（B/100）后面数字=10Xs/B。,（2）性能等级分为10级；,61,九、螺纹连接件的许用应力,1.性能等级（2）-螺栓的等级,62,九、螺纹连接件的许用应力,1.性能等级（3）-螺母的等级,63,九、螺纹连接件的许用应力,1.性能等级（4）-选用,（1）一般用途通常选用4.8级左右的螺栓；,（3）重要场合要选用高的性能等级（如在压力容器中常采用8.8级的螺栓）。,（2）在连接中，组成螺纹副的螺母的性能等级不能低于螺栓的性能等级；,64,九、螺纹连接件的许用应力,2.许用应力（1）-考虑的因素,螺纹连接件许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧连接)、材料、结构尺寸有关。,65,九、螺纹连接件的许用应力,2.许用应力（2）-公式,66,九、螺纹连接件的许用应力,2.许用应力（3）-屈服极限,67,九、螺纹连接件的许用应力,2.许用应力（4）-安全系数,68,十、螺纹连接的失效形式,1.受拉螺栓（1）-失效形式,15%,20%,65%,螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂,69,十、螺纹连接的失效形式,1.受拉螺栓（2）-设计准则,保证螺栓的疲劳拉伸强度和静强度,70,十、螺纹连接的失效形式,2.受剪螺栓（1）-失效形式,螺栓杆和被连接件中弱者的结合面被压溃或螺栓杆被剪断,71,十、螺纹连接的失效形式,2.受剪螺栓（2）-设计准则,保证挤压强度和螺栓杆（或被连接件）的剪切强度,72,十一、螺纹连接的强度计算,1.工作内容,（1）螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。,（2）螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,73,十一、螺纹连接的强度计算,2.受拉松螺栓（1）-模型,74,十一、螺纹连接的强度计算,2.受拉松螺栓（2）-公式,式中: d1-螺纹小径 mm ； Fa-轴向载荷 N； -许用应力 MPa；,校核公式,设计公式,75,十一、螺纹连接的强度计算,3.只受预紧力的紧螺栓（1）-模型,76,十一、螺纹连接的强度计算,3.只受预紧力的紧螺栓（2）-公式,式中: F0-预紧力 N；,校核公式,设计公式,考虑摩擦力矩T1产生的剪切应力，按第四强度理论将应力合成,77,十一、螺纹连接的强度计算,（1）当承受横向工作载荷时， 预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F；,（2）由于摩擦系数f的关系，预紧力F0很大。,3.只受预紧力的紧螺栓（3）-不足,78,十一、螺纹连接的强度计算,3.只受预紧力的紧螺栓（4）-改进1,采用键、套筒、销承担横向工作载荷。,79,十一、螺纹连接的强度计算,3.只受预紧力的紧螺栓（4）-改进2,采用铰制孔螺栓。,80,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（1）-模型,81,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（2）-受力分析,82,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（3）-计算公式,校核公式,设计公式,83,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（4）-总拉力公式1,螺栓总拉力F2：,为残余预紧力,84,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（5）-残余预紧力的确定,85,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（6）-总拉力公式2,螺栓总拉力F2：,相对刚度系数,86,十一、螺纹连接的强度计算,4.受预紧力和工作拉力的螺栓（7）-相对刚度系数,相对刚度系数：,87,十一、螺纹连接的强度计算,5.受工作剪力的螺栓（1）-模型,88,十一、螺纹连接的强度计算,5.受工作剪力的螺栓（2）-计算公式,挤压强度校核公式,剪切强度校核公式,89,十一、螺纹连接的强度计算,5.受工作剪力的螺栓（3）-参数,F螺栓所受的工作剪力；,d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径）；,Lmin螺杆与孔壁挤压面最小高度；,螺栓许用剪切应力；,螺栓或被连接件许用挤压应力；,90,十二、螺栓组连接的设计内容,（2）确定螺栓数目（强度计算）。,（1）设计螺栓组中螺栓的分布形式；,91,十二、螺栓组连接的结构设计,1. 简单对称,为了好加工制造和连接结合面受力均匀；通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。,92,2.受力合理1/2,铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。,十二、螺栓组连接的结构设计,93,3. 受力合理2/2,当连接弯距或转距时，应使螺栓位置适当靠近接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,十二、螺栓组连接的结构设计,94,3. 辅助抗剪,当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。,十二、螺栓组连接的结构设计,95,4. 保证扳手空间,螺栓的排列应有合理的间距、边距，具体数值可以查阅相关设计手册。,十二、螺栓组连接的结构设计,96,5. 偶数,便于在圆周上钻孔时的分度和画线，同一圆周上的螺栓数目取成: 4、6等偶数；同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。,十二、螺栓组连接的结构设计,97,6. 避免附加应力,当连接弯距或转距时，应使螺栓位置适当靠近接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,十二、螺栓组连接的结构设计,98,7. 防松,为了提高连接的可靠性和紧密度，要采用必要的防松措施。,十二、螺栓组连接的结构设计,99,十三、螺栓组连接的计算,1.普通螺栓受横向载荷（1）-模型,靠正压力产生的摩擦力承受,100,十三、螺栓组连接的计算,1.普通螺栓受横向载荷（2）-计算公式,101,十三、螺栓组连接的计算,1.普通螺栓受横向载荷（3）-参数,式中：f-接合面摩擦系数； i - 接合面数； z -螺栓数目； ks 防滑系数，一般取1.1-1.3； F横向载荷。,102,十三、螺栓组连接的计算,1.普通螺栓受横向载荷（4）-参数,103,十三、螺栓组连接的计算,2.铰制孔螺栓受横向载荷（1）-模型,采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来承受外载荷。,104,十三、螺栓组连接的计算,2.铰制孔螺栓受横向载荷（2）-计算公式,假设螺栓平分外载荷,105,十三、螺栓组连接的计算,3.普通螺栓受轴向载荷（1）-模型,106,十三、螺栓组连接的计算,3.普通螺栓受轴向载荷（2）-公式,不是总拉力,107,十三、螺栓组连接的计算,3.普通螺栓受轴向载荷（3）-补充,当外载荷通过螺栓组形心时，各螺栓所受的工作载荷相等；,当外载荷不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。,108,十三、螺栓组连接的计算,4.普通螺栓受转矩（1）-模型,采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。,109,十三、螺栓组连接的计算,4.普通螺栓受转矩（2）-假设,（1）正压力产生的摩擦力集中作用在螺栓中心处；,（2）正压力产生的摩擦力方向垂直于螺栓中心和螺栓组对称中心的连线。,110,十三、螺栓组连接的计算,4.普通螺栓受转矩（3）-计算公式,111,十三、螺栓组连接的计算,5.铰制孔螺栓受转矩（1）-模型,采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。,112,十三、螺栓组连接的计算,5.铰制孔螺栓受转矩（2）-假设,（1）螺栓受力大小与其中心到螺栓组对称中心的距离成正比；,（2）螺栓受力方向垂直于螺栓中心和螺栓组对称中心的连线。,113,十三、螺栓组连接的计算,5.铰制孔螺栓受转矩（3）-计算公式,114,十四、提高螺栓连接强度的措施,1.降低螺栓的应力幅（1）-分析,（1）对于受轴向载荷的紧螺栓来讲，其同时承受预紧力和轴向载荷；,（2）轴向总拉力的变化范围为：F2-F0 ；,115,1.降低螺栓的应力幅（2）-结论,减小连接螺栓的刚度Cb或增加连接件的刚度Cm ，可以降低应力幅,十四、提高螺栓连接强度的措施,116,1.降低螺栓的应力幅（3）-措施1/2,（1）增加连接件的刚度Cm,金属垫片,O型密封圈,十四、提高螺栓连接强度的措施,117,1.降低螺栓的应力幅（3）-措施2/2,（2）减小连接螺栓的刚度Cb,弹性元件,柔性螺栓,十四、提高螺栓连接强度的措施,118,2.改善螺纹牙上载荷分布不均的现象（1）-分析,试验证明：约有1/3的载荷集中在第1圈上，以后各圈递减，第8圈外基本不承受载荷。,十四、提高螺栓连接强度的措施,119,2.改善螺纹牙上载荷分布不均的现象（2）-结论,（1）加厚螺母不能改善载荷在螺纹牙上分布不均的现象。,（2）采用均载螺母。,十四、提高螺栓连接强度的措施,120,悬置螺母,2.改善螺纹牙上载荷分布不均的现象（3）-措施,环槽螺母,内斜螺母,内斜与环槽螺母,十四、提高螺栓连接强度的措施,121,3.减小应力集中（1）-分析,螺栓上的螺纹（特别是螺纹收尾处）、螺栓上截面突变部位，都产生应力集中。,十四、提高螺栓连接强度的措施,122,3.减小应力集中（2）-措施,过渡圆角,卸载槽,十四、提高螺栓连接强度的措施,123,4.减小附加应力的影响（1）-分析,（2）可以从结构、制造与装配精度采取措施，减小附加应力。,（1）附加应力主要是由于支承面不平、被连接件变形太大和螺栓装配精度低引起的；,十四、提高螺栓连接强度的措施,124,4.采用合适的工艺,（1）冷镦头部、辗压螺纹，比车削螺纹的疲劳强度提高30%；,（2）表面处理（氰化、氮化、喷丸等）也能提高螺纹的疲劳强度。,十四、提高螺栓连接强度的措施,125,结束,