机械设计ppt课件第234次课第五章螺纹联接与螺旋传动.ppt

Engineers need to be continually reminded that nearly all engineering failures result from faulty judgments rather than faulty calculations,Threaded fasteners and Power screwsRiveted joints（销连接）Welded joints（焊接）Adhesive joints/bonded joints（胶/粘结）Other type of fasteners,*联接件设计-Fasteners,第五章 螺纹连接与螺旋传动,联接(Fastening),动联接(moving fastening),静联接(static fastening)：在机器中，把两个零(部)件联接起来使之没有相对运动的联接,5.1.1 螺纹的主要参数(Parameters),5.1 螺纹(Threads),螺纹联接构造简单,拆装方便,工作可靠,标准件，价廉且具有互换性,失效案例：发电机转子扫膛；Boeing飞机机翼根部螺纹连 接失效；高速台架螺钉被缩颈拉断,d螺纹大径(Major diameter,crest diameter)d1螺纹小径(Minor diameter,root diameter)d2 螺纹中径(Mean diameter)p 螺距(Thread pitch)n 线数(Thread number,double-,triple-threaded screws)s 导程(Lead)s=n p 螺纹升角(Lead angle)，牙型角(Thread angle)和牙侧角 旋向(directions,right-hand rule)牙顶(Crest)牙根(Root),5.1.2 螺纹副的受力关系、效率和自锁 Loads,efficiency and self-locking,圆周力：拧紧时(Circumferential Force),松开时,效率：拧紧时(Efficiency)？,松开时,-曲线？,5.1.3 常用螺纹的特点和应用,(1)三角形螺纹，Triangle threads 粗牙螺纹，Coarse-pitch threads 细牙螺纹，Fine-pitch threads 超细牙螺纹，Extra-fine-pitch threads(2)矩形螺纹，Square threads(3)梯形螺纹，Acme threads(4)锯齿型螺纹，(5)管螺纹，,(1)三角形螺纹，又称普通螺纹,特点：牙型角=2=60。因大，所以当量摩 擦系数大，自锁性好，主要用于联接,*细牙螺纹与粗牙螺纹,粗牙：常用,细牙：自锁性能更好。用于承受冲击、振动及变载 荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中 缺点是牙小，相同载荷下磨损快，易滑扣,(2)矩形螺纹,特点：牙形为正方形，=0，效率高，用于传 动,但常被梯形螺纹代替,改错,(3)梯形螺纹（注意标注方法）,特点：=2=30。比矩形螺纹效率略低，在螺旋传动中有广泛应用,(4)锯齿形螺纹),特点：工作边=3，非工作边=30 综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动,(5)圆柱管螺纹,特点：用于管件联接的，三角螺纹,=55，拧紧后 无径向间隙，密封好,（6）圆锥螺纹,特点：用于高温高压密封管路联接，三角螺纹,=55，1：16锥管，拧紧后无间隙，密封优,5.2 螺纹联接的基本类型与标准件联接,5.2.2 螺纹联接的基本类型及表示方法,1.螺栓联接(Bolt and nut,a bolted connections),a)普通螺栓连接 b)铰制孔螺栓连接,2.螺钉联接(Cap screws),拧入深度,3.双头螺柱联接(Stud),拧入深度,（4）紧定螺钉联接（Set screws）,5.2.2 标准螺纹联接件,紧定螺钉的头部和末端,5.2.3 螺纹联接零件常用材料和机械性能等级,常用材料：低碳钢，中碳钢，如Q215、Q235和10、15、35、45号钢高强度螺栓：变载荷、冲击、振动的重要联接 合金钢，如40Cr、15MnVB、30CrMnSi螺母材料：一般较相配合的螺栓的硬度低2040HBS,螺母与螺栓匹配（硬度和强度）,5.3 螺纹联接的预紧（Bolt preloaded),预紧可使联接在承受工作载荷之前就受到预紧力F的作用，以防止联接受载后被联接件之间出现间隙或横向滑移。预紧还可以防松,预紧力过大，会使联接超载；预紧力不足，则又可能导致联接松动失效 到底需要多大的预紧力？需要根据工作载荷与连接要求定重要的螺栓应控制预紧力(控制方法介绍)拧紧力和预紧力关系 定力预紧 定力预紧+位置预紧,拧紧螺母时的力矩和预紧力,拧紧力矩,螺纹力矩,摩擦力矩,装配时控制预紧力的方法,气动定力矩扳手液压定力矩扳手电动定力矩扳手,5.4 螺纹联接的防松,防松目的和实质：防止螺纹副之间发生相对运动,理论上，螺纹连接是摩擦自锁的，不会松动。但实际上如果螺纹副之间正压力突然消失（原因：振动、冲击、交变温度、交变载荷），就会松动,5.4.1 摩擦防松,1.双螺母,图上改错/P57,2.弹簧垫圈,3.锁紧螺母,5.4.2 机械防松,(1)开口销与六角开槽螺母,(2)止动垫圈,（3）串联钢丝（方向很重要）,5.4.3 永久防松,新型一体化防松概念和方法 防松胶（眼镜防松、弹头防松）防松螺母（日本）,5.5 单个螺栓联接的强度计算(Strength),螺栓一般成组使用，怎么设计或者选择？1、将螺栓组受力分配到单个螺栓上 2、找出螺栓组中受力最大的螺栓 3、按照单个螺栓失效进行强度计算所以，先从单个螺栓强度计算开始：,计算什么？根据强度条件确定螺栓直径，选取合理的参数,失效形式：受拉螺栓，螺杆的疲劳断裂、塑性变形，位置 受剪螺栓，螺杆被剪断，螺杆和孔壁的贴合面被压溃,5.5.1 松螺栓联接（For loose bolt-and-nut assembly）,F:挂钩上的力,MPa,小径上的拉伸应力:Tension Stress:,许用应力:Allowable stress,5.5.2 紧螺栓联接(For tight bolt-and-nut assembly),1,2,1）螺杆与孔之间有间隙,3）螺栓受预紧力F和螺纹力矩T1,1、受横向工作载荷Fs的普通紧螺栓联接,2）被连接件之间的摩擦力 与横向载荷Fs平衡,4）预紧力F产生螺杆内部拉伸应力 螺纹力矩T1产生内部扭转剪切应力,对于常用的M10M68的普通螺栓:,由第四强度理论，螺栓的当量应力：,螺栓的强度条件为:,MPa,或者选取条件为:,，mm,T1/改错P59,如果摩擦力不足以承担横向工作载荷Fs：,还可以采用铰制孔螺栓连接,1）部分螺杆与孔之间无间隙,3）螺栓失效主要是螺杆被剪断，螺杆与孔接触面被压溃,2、受横向工作载荷Fs的铰制孔螺栓联接,2）依靠螺杆与螺孔挤压承受横向载荷Fs,4）强度条件：挤压应力和剪切应力小于许用值,螺栓抗剪面直径，mm,式中：,m 螺栓抗剪面数目,螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm，设计时应使,螺栓的许用剪切应力，MPa,螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa,3、受轴向工作载荷的紧螺栓联接,（1）受力分析,F:预紧力F:工作载荷F”:剩余预紧力F0:螺栓总拉力下标B-螺栓下标m-被连件,剩余预紧力F”值（与工作载荷F有关）：,对静载F:F”=(0.20.6)F对动载F:F”=(0.6 1.0)F有气密要求：F”=(1.5 1.8)FFo=F+Fb=F”+F 经过推导：,螺栓最后受力:,需要的预紧力:,(2)静强度计算限制绝对应力值,当工作载荷由0F之间变化时，按静强度设计尺寸后，还应进行疲劳强度计算（Fatigue strength）,(3)疲劳强度计算限制应力幅值,疲劳强度条件为限制应力幅值：,MPa,MPa,式中：,有效应力集中系数,螺纹制造工艺系数,尺寸系数,安全系数,螺栓材料的对称拉压疲劳极限,5.5.3 螺栓联接的许用应力,5.5.4 受轴向工作载荷的紧螺栓联接设计流程图,与载荷性质（静载、动载）、是否控制预紧力、螺栓材料有关，详见P64,根据工作性质确定剩余预紧力F”，计算螺栓总拉力Fo静强度计算确定螺栓直径d1疲劳强度计算a a（详见P64）,5.6 螺栓组联接设计,确定螺栓数目、布置形势、连接结构等，确保工作能力,联接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状,5.6.1 螺栓组联接得结构设计,2)螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,3)螺栓的排列应有合理的间距、边距,分布在同一圆周上的螺栓数目，应取4，6,8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线,5)避免螺栓承受偏心载荷,凸面和沉头座的应用,斜垫圈的应用,5.6.2 螺栓组连接的受力分析(将工作载荷分配到每一个螺栓上),1、受轴向载荷Q的螺栓组联接,2、受横向载荷R的螺栓组联接,（1）普通螺栓联接,式中：f接合面间摩擦系数 m接合面数 Kf可靠性系数,(2)用绞制孔螺栓联接（螺栓的横向剪切载荷Fs）,3、受旋转力矩T的螺栓组联接,采用普通螺栓联接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T，所有螺栓预紧力F相等,式中:r1、r2、.rz各螺栓中心至螺栓 组形心O的距离 Kf可靠性系数 f接合面间摩擦系数,*以联轴器为例说明,（2）采用绞制孔螺栓联接时，忽略接合面摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和平衡,4、受倾覆力矩M的螺栓组联接,1）强度条件,2）保证接合面既不出缝隙也不被压溃,接合面右端不被压溃：,左端不出现缝隙：,由式5.39，5.41求得预紧力F，并取两者较大值,由式5.37求得工作拉力Fmax再求得作用在螺栓上的总拉力F0后最后求出所需螺栓直径,仔细阅读P71上的例题5.1,5.7 提高螺栓联接强度的措施,5.7.1 改善螺纹牙上载荷的分配,采用均载螺母：,内斜螺母,钢丝螺套均载：,5.7.2 提高疲劳强度的措施,在F不变的情况下，减小螺栓的刚度CB或增大被联结件的刚度Cm,1、减小应力幅,2、减小应力集中,5.8 螺旋传动(Power screw transmission),5.8.1 螺旋传动的类型和应用(Classification and its application)螺旋传动按其类型可分为：调整螺旋：如机床进给的微调螺旋;（位置）测量差动螺旋，如Taylor轮廓仪测 量螺旋；蒸汽阀门调节T头螺旋等 起重螺旋：如千斤顶，压力机，闸门提升等，（传力）要求自锁 传动螺旋：如机床丝杠(力和运动)，要求效率高,5.8.2 滑动螺旋的失效形式和材料,按其螺纹间摩擦性质的不同,可分为:滑动螺旋 滚动螺旋 静压螺旋,滑动螺旋多用梯形螺纹,重载起重螺旋也有用锯齿形螺纹,对效率要求高时可用矩形螺纹,滑动螺旋工作时载荷:螺杆承受轴向载荷F和螺纹力矩T1；螺杆和螺母的螺纹牙承受挤压、弯曲和剪切,滑动螺旋的失效形式有：螺母螺纹磨损、螺杆断裂、螺母螺纹牙根剪断和弯断 受压螺杆很长时还可能失稳（以千斤顶为例）,P76,5.8.3 滑动螺旋的设计计算,1、螺母耐磨性计算 限制螺纹工作表面被过度磨损，限制摩擦功fpV,通常f变化不大，V小，故限制p,假想螺纹牙可以展成一长条，轴向载荷F，螺母旋合高度H、螺距p，旋合圈数Z=H/p、旋合工作高度h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为 ps；,，MPa,若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，引入高径比系数,以消去H，经过换算得设计式：,，mm,耐磨性条件计算，螺纹牙接触面上的压强：,一定的螺纹，螺纹牙高度h与螺距p有固定的关系 对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p,则,对于锯齿形螺纹，h=0.75p,则,系数的值,可根据螺母结构选定 整体式螺母：磨损后间隙不能调整，取=1.22.5;剖分式螺母:=2.53.5;对于传动精度较高时：允许=4,由于旋合各圈受力不均,应使Z10,计算出d2后,应选为标准值,螺纹的其它参数 根据d2 按标准选取,设计中的参数选取,2、螺杆强度计算,传力螺旋，螺杆危险截面的强度条件为:,锯齿和矩形螺纹,梯形螺纹,P77,式中：d1-螺杆螺纹小径,mm-螺杆材料许用应力 F-螺杆所受轴向力,N T1-螺杆所受螺纹力矩,N.mm,P77,1)螺纹牙根部的剪切强度:,MPa,2）螺纹牙根部的弯曲强度:,3、螺母螺纹牙强度,式中:d-螺母螺纹大径，mm h-螺纹牙的工作高度，mm b-螺纹牙根部厚，mm b、-螺母材料的许用剪切应力 和许用弯曲应力，MPa,4、螺纹副自锁条件校核（传力螺纹）,5、起重螺杆的稳定性计算,受压螺杆的稳定性条件式为:,Fc-螺杆稳定的临界载荷,与螺杆材料及长径比(柔度)有关,当85 时:,对于淬火钢螺杆，校核公式如下：,当 85 时:,对于不淬火螺杆:,当 90 时:,当 90 时:,对于40的螺杆不用校核稳定性，不会失稳,式中:l-螺杆的最大工作长度,计算方法P79-螺杆长度系数，表5.11 I-螺杆危险截面的轴惯性矩 i-螺杆危险截面的惯性半径 E-螺杆材料的弹性模量,6、对螺旋千斤顶，还需要计算,1）底座大小，与底座承载面材料有关,2）手柄大小和长度 与用力大小、手柄材料有关 太长、太短？端头结构？,3）底座高度和螺杆长度的关系,4）托杯结构,第二次大作业：螺旋千斤顶A2,5.8.4 滚动螺旋传动简介,效率:滑动螺旋=0.30.4，滚动螺旋0.9 结构:滑动螺旋简单，滚动螺旋复杂 精度:滑动螺旋低，滚动螺旋高,组成：螺杆、螺母、换向器 工作原理：用途,