机械设计-螺纹联接.ppt

第六章 螺纹联接设计,6.1螺纹类型和主要参数6.2螺纹连接和螺旋传动的主要类型6.3螺纹连接的性能等级、材料和精度6.4螺纹连接拧紧和防松6.5栓联接强度计算6.6螺栓组联接设计6.7提高螺栓连接强度的措施6.8螺旋传动设计,实例：,6.1螺纹类型和主要参数,螺纹的类型,螺纹位置：内螺纹螺母；外螺纹螺钉。,螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。,螺纹从尺寸单位上又分为米制和英制两种螺纹。我国在管螺纹上仍然采用英制，其它螺纹均为米制螺纹。常用的螺纹类型主要有普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹。前三种主要用于联接功用，后三种主要用于传动。除矩形螺纹外，都已实现标准化。,联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。,(1)大径d：公称直径。20d=20mm(2)小径d1：螺纹的最小直径。(3)中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计 算用。一般取：d2=(d+d1)/2,(5)螺距P：螺纹相邻两个牙型上对应点间轴向距离,(4)线数(头数)n：n=1时用于联接；n1时用于传动；n，但为便于制造n4,螺纹的主要参数,(7)中径升角：螺旋线切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角,(6)导程s：螺纹上任意点沿同一条螺旋线转一周所移动得轴向距离 s=np,(8)牙形角：螺纹牙两侧面夹角。,(9)接触高度h内外螺纹旋合后 的接触面的径向高度。,6.2螺纹连接和螺旋传动的主要类型,螺螺纹联接主要类型1、螺栓联接,4、紧定螺钉联接,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。,6.2.2 螺纹传动的主要类型 螺纹传动又称螺旋传动，主要用以变回转运动为直线运动，同时传递能量或力。根据螺纹副的摩擦情况，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。,a）螺杆转动 b）螺母转动 c）螺母固定 d）螺杆固定螺母移动 螺杆移动 杆转、移 螺母转、移图6.5 螺旋传动的几种方式,6.3 螺纹紧固件的性能等级和材料,螺纹联接的性能等级1)螺栓、螺柱、螺钉的性能等级-螺栓,螺柱,螺钉的性能等级分为十级（见GB 3098.182）3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9 点前数字为Bmin/100，点后数字为 10(Smin/Bmin)。例：性能等级8.8级 Bmin=800Mpa Smin=8*800/10=640Mpa,-螺母性能等级按螺母高度不同有两类（见GB 3098.282、86）螺母高度m0.8D-4 5 6 8 9 10 12 0.5Dm0.8D 04 05 数字为Bmin/100，D为螺母螺纹直径，“0”表示螺母的承载能力比后面数字低,螺纹联接的材料和精度1)螺栓、螺柱和螺钉材料螺栓、螺柱和螺钉的材料可按不同的性能等级选取：3.6低碳钢 4.66.8低碳钢或中碳钢8.8、9.8中碳钢或低碳合金钢10.9中碳钢、低碳或中碳合金钢12.9合金钢,2)螺母材料螺母材料为中碳钢，最高含碳量4、5、6三级为 0.5%，其余各级为 0.58%。螺母等级与螺栓、螺柱、螺钉等级之间的相配关系标准中也有规定，如 43.6、4.6、4.8，88.8等。,3)螺纹公差和精度根据标准（GB 19781）规定内螺纹-公差带为G和H两种外螺纹-公差带为 e、f、g、h四种标准中还规定了三种不同的精度，其选用原则为：精密A用于精密螺纹和要求配合变动小的场合中等B 一般用途；粗糙C用于对精度要求不高的场合。,6.4 螺纹联接的拧紧和防松,拧紧,联接刚度防松能力紧密性,1、拧紧力矩T=？,（rf支承面摩擦半径）,kt拧紧力矩系数，一般取kt=0.2,2、控制T的方法,一般情况凭经验，拧紧即可。,定力矩扳手,测力矩扳手,冲击扳手,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。,测量螺栓伸长量,6.4.2 螺纹联接的防松,3、防松的方法：防止螺旋副相对转动。-按防松原理不同，分为三类：利用摩擦，直接锁住，破坏螺纹副,1、螺纹联接按自锁条件设计：v。静载下不会自行松脱。,2、松动原因,对顶螺母,a）利用摩擦防松,弹簧垫圈,开口方向：斜向右下方,串联金属丝,c）破坏螺纹副关系,胶接,6.5 螺栓联接的强度计算,受拉螺栓,受剪螺栓,仅受预紧力F,同时受预紧力F和工作载荷F,6.5.1 螺栓联接的失效形式,失效形式：受拉螺栓的失效形式静载主要是螺纹部分的塑性变形,变载螺杆的疲劳断裂。,在横向载荷作用下，当采用受剪螺栓(铰制孔用螺栓)时，失效的可能形式有：螺栓被剪断，螺栓杆或孔壁被压溃等。,6.5.2 受拉螺栓联接危险截面面积由计算直径dc确定：dc=d1-h/6，H0.866P；其中：d1、P分别为螺纹小径和螺距，H为螺纹牙形的三角形高度。,1.松螺栓联接强度计算,如：起重滑轮螺栓,仅受轴向工作拉力F失效：拉断,强度条件：,MPa 校核式,式中：dc危险截面计算直径,许用应力，=sSs，,查手册，选螺栓,1）靠摩擦传递横向力的受拉螺栓(只受预紧力F的紧联接),外载荷FR对螺栓为横向力靠摩擦力传递,a.FR作用下，板不滑移：FRFf，而FfF。,b.按F计算:F为螺栓轴向负荷拉应力,c.拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭产生T,2.受拉紧螺栓联接强度计算,d.危险截面上受复合应力（、T）作用 强度准则,螺栓为塑性材料第四强度理论。对单头米制三角形螺纹,1.3意义：只受预紧力的紧联接，其螺杆在拧紧时同时承受拉伸和扭转的联合作用，计算时按纯拉伸问题处理，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。,（2）同时受预紧力F和轴向工作载荷F的紧螺栓联接,变形受力过程：,无变形 F,螺栓刚度：c1,被联件刚度：c2,=F/c1 2=F/c2,变形受力过程：,+F,1+1,2-2,变形协调条件：1=2=,螺栓受力：F0=F+F，拉力增量F0-F，1=（F0-F）/c1,被联件受力：F，压力减量F-F，2=(F F”)/c2,在图中：,检查F大小,求总拉力,即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。,由于,上述过程还可通过力变形图表示,b）变形图合并,a）拧紧时的两种变形,c)受工作载荷,-受预紧力和工作载荷的紧联接,各力定义,1、预紧力F（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉 力和被联件上压力）2、螺栓工作拉力F0 总拉力3、工作载荷F（对螺栓联接施加的外载荷）4、F”剩余预紧力。,当F无变化，F”=(0.20.6)F；当F有变化，F”=(0.61)F；压力容器紧密联接，F”=(1.51.8)F,思考：图b中，F0=？图c中，F0=F+F？,静力平衡条件：F0=F+F”,即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。,讨论：,当F、F一定时，,为螺栓受力,若工作载荷为变载荷：,当工作载荷在F1F2变化时，螺栓总拉力在F01F02之间变化,变载荷下螺栓失效：Fa作用下的疲劳拉断,Fa拉力变幅：,应力幅：,即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。,受剪螺栓联接,1、破坏形式-螺栓剪断、栓杆或孔壁压溃,2、螺栓剪切强度条件,d杆抗剪面直径 m抗剪面数目许用剪应力,螺栓联接的设计过程例题6.1P95,6.6 螺栓组联接的受力分析,6.6.1 螺栓组联接的结构设计,1、结合面几何形状力求简单（矩、圆、三角），且螺栓组的对称中心与结合面形心重合，结合面受力均匀。,2、螺栓组受力合理：螺栓布置应尽量远离对称中心，铰制孔螺栓组6个；同时承受轴向、横向载荷时，可采用抗剪元件承受横向力，d。,3、分布在同一圆周上的z应取偶数（4、6、8），便于分度划线。4、避免附加弯曲载荷：凸台、沉孔、斜垫圈等。5、螺栓排列应有合理间距、边距、扳手空间。6、合理防松方法。,受轴向力FQ的 螺栓组联接,特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。,螺栓还受F F0,工作条件：F”0,F0=FQ/z,FQ,受横向力FR的螺栓组联接受拉螺栓联接时 受剪螺栓联接时,（1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。,（2）承载方式：,受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）,（3）受力分析,a、受拉螺栓,工作条件：,式中：s 结合面的摩擦系数；z 螺栓个数；m 结合面数目，图中m=2；kf可靠系数（防滑系数），kf=1.11.5；,b、受剪螺栓,假定每个螺栓受载相同，则,工作条件：,6.6.4 受旋转力矩T的螺栓组联接,特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。,#受旋转力矩T的螺栓组联接,-受拉螺栓联接时,摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力,（1）受拉螺栓联接,工作条件：,(2)受剪螺栓联接时,（2）受剪螺栓联接,靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用下受横向力Fs。,问题：Fs1=Fs2=Fsz？,工作条件：Fs1r1+Fs2r2+Fszrz=T,受剪螺栓联接的受力,即Fsi与ri成正比：,或,变形协调条件：底板视为刚体，ri,剪切变形量,Fsi,代入工作条件中：,受翻转力矩M的螺栓组联接,4、受翻转力矩M（倾覆力矩）的螺栓组联接,特点：在M作用下，底板有 绕螺栓组形心轴翻转的趋势。,作用M后：左侧：F拉(不均匀)，右侧：F压(不均匀)F,工作条件：,变形协调条件：,讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？,远离对称中心,RiFmax,6.7 提高螺栓联接强度的措施,-影响螺栓强度的因素：材料、结构、尺寸、制造、装配等方面，具体在牙受力分布、附加应力、应力集中、应力幅、材料、机械性能、制造工艺,6.7.1 降低应力幅a,max 一定时：a疲劳强度,措施：1）螺栓长度 2）光杆直径,3）采用柔性螺栓,6.7.2 均匀螺纹牙受力分配,（1）机理,螺母受压，p,一、改善螺纹牙间受力分配,第一圈：p最大，受力最大第810圈后几乎不受力,采用加高螺母不能 提高联接强度。,a)悬置螺母 b)环槽螺母 c)内斜螺母,6.7.3 减小附加应力和应力集中,螺纹牙根,弯曲应力,断裂,螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。,引起附加弯曲应力因素：,措施：垫圈、凸台、沉孔等。,思考：采用凸台、沉孔的目的？,减轻应力集中,收尾：退刀槽；,增大牙根处过渡圆角半径。,6.7.4 选择恰当的预紧力如果螺栓和被联接件的刚度不变，螺栓受载方式不变，只恰当地增大预紧力，能提高螺栓的疲劳强度。,6.8 螺旋传动设计,6.8.1.滑动螺旋传动设计螺杆材料-足够的强度和良好的耐磨性螺母材料-足够的强度,较小的摩擦系数和好的耐磨性齿型-梯形矩形锯齿形失效形式-螺纹磨损牙折断失稳等,d,d,t1,1.螺纹副耐磨性计算 F/(d2hz)=Fp/(d2hH)p2.螺纹牙强度计算=F/(dt1z)=3Fh/(dt12z)b3.螺杆强度计算,4.螺杆稳定性计算,螺栓联接总结,一、螺栓组计算,螺栓组受力分析,F=FQ/z,受拉,受剪,受拉,受剪,受拉螺栓,受变载：,紧联接,受F和F,a影响疲劳强度,简答题：6-12选择题：6-9，6-10，6-14，6-15,复习思考题1、什么叫可拆及不可拆联接？常用联接有哪些种？2、螺纹联接的主要类型有哪些？3、螺栓联接拧紧有何作用？如何对螺栓拧紧过程进行力分析及计算？4、螺纹防松的方法有哪几种？其原理如何？5、静载荷及变载荷作用下螺栓的损坏形式如何？常发生于什么部位？6、受拉松螺栓及紧螺栓联接的强度计算条件是什么？7、螺栓与被连接件间的变形协调关系如何绘制？何谓相对刚度系数？它与那些因素有关？,8、受剪螺栓的强度条件是什么？9、螺栓组联接受力分析的任务是什么？通常作什么假设？10、受轴向力、横向力、翻转力矩、旋转力矩作用的螺栓组受力如何计算？11、如何螺纹牙受力分布？12、附加弯曲应力对螺栓有何危害？如何改善？13、螺纹应力集中一般发生于什么部位？如何改善？14、螺旋传动分为哪几种？,SEMINAR TOPIC,螺纹联接有何优缺点？为什么广泛使用且被作成标准件推广？试构想一种能够与螺纹联接相媲美的新的联接件。,