机械设计基础第七章螺纹连接.ppt
,1、可拆卸连接：,拆开时不破坏连接件和被连接件。,例如：螺纹连接、键联结、销连接等,2、不可拆卸连接：,拆开时会破坏连接件或被连接件。,例如：焊接、铆接、粘接等。,常用连接方式,第七章 螺纹连接主要内容：1.螺纹连接的基本知识2.螺纹连接的预紧和防松3.单个螺栓连接的强度计算（重点）4.螺栓组连接的设计计算与实例分析（难点）5.提高螺栓连接强度的措施,2023/5/27,机械设计基础,3,2023/5/27,机械设计基础,4,7.1 螺纹联接的基本知识,一、螺纹的主要参数二、螺纹联接件主要类型,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,5,二、螺纹联接件主要类型,标准螺纹联接件1.螺栓普通螺栓 铰制孔螺栓2.双头螺栓3.螺钉联接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉,螺纹联接件通过组合形成螺纹联接,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,6,1.螺栓联接,螺纹连接,2023/5/27,机械设计基础,7,2.双头螺柱联接,工作原理：,螺栓受拉力，承受外载,应用：,被联接件较厚，且常拆卸处,螺纹连接,2023/5/27,机械设计基础,8,3.螺钉联接,工作原理：,螺栓受拉承受外载,应用：,一被联件较厚，但不常拆卸处,螺纹连接,2023/5/27,机械设计基础,9,4.紧定螺钉联接,工作原理：,靠拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一个零件的表面，或者顶入相应的凹坑中，将零件固定。,应用：,薄壁件联接,螺纹连接,2023/5/27,机械设计基础,10,螺纹联接件实物,2023/5/27,机械设计基础,11,7.2 螺纹连接的预紧和防松,2023/5/27,机械设计基础,12,1、预紧的作用：预紧可使连接在承受工作载荷之前就受到预紧力F0的作用，以防止连接受载后被连接件之间出现间隙或横向滑移。预紧也可以防松。,2、控制预紧力的目的：在于增加连接的可靠性、紧 密性和防松能力。预紧力过大，会使连接超载。预紧力不足，可能导致连接失效。重要的螺栓应控制预紧力。,一、螺纹连接的预紧,2023/5/27,机械设计基础,13,拧紧螺母时的力矩和预紧力,3、拧紧力矩和预紧力的计算,2023/5/27,机械设计基础,14,螺纹副摩擦力矩,螺母与被连件摩擦力矩,拧紧力矩,2023/5/27,机械设计基础,15,当钢制螺纹M10M68时，由螺纹几何关系和摩擦系数可得：,F0大小可以根据螺栓的受力情况和连接的工作要求决定，一般规定，拧紧后不超过螺纹连接件材料屈服强度的80。,2023/5/27,机械设计基础,16,定力矩扳手,测力矩扳手,机械设计基础联接,4、装配时控制预紧力的方法,2023/5/27,机械设计基础,17,定力矩扳手,2023/5/27,机械设计基础,18,二、螺纹连接的防松,（一）、摩擦防松,1、双螺母在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。结构简单、使用方便。可靠性不高。用于平稳、低速、重载。,2023/5/27,机械设计基础,19,2、弹簧垫圈 其反弹力使螺纹间保持一定压力，切口处的尖端也能阻止螺母转动脱落。不十分可靠，用于不太重要的连接。,2023/5/27,机械设计基础,20,3、锁紧螺母镶嵌弹性环或尼龙圈挤入螺纹中椭圆口螺母。,2023/5/27,机械设计基础,21,（二）、机械防松,1、开口销,2023/5/27,机械设计基础,22,2、止动垫圈,2023/5/27,机械设计基础,23,止动垫圈,2023/5/27,机械设计基础,24,3、串联钢丝,2023/5/27,机械设计基础,25,（三）、永久防松,焊接 冲点 涂胶,2023/5/27,机械设计基础,26,问题：为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,27,7.3、螺栓联接的计算,松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力,1 失效形式2 设计步骤3 松螺栓联接强度设计4 紧螺栓联接强度设计仅受预紧力的紧螺栓联接受横向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接受偏心载荷的紧螺栓联接,机械设计基础联接,螺栓组联接,2023/5/27,机械设计基础,28,1 失效形式,失效形式：1.螺栓杆拉断（普通螺栓）2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）3.经常装拆因磨损而发生滑扣,普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,29,2 设计步骤,一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓 单个螺栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）,试算法：先选定一个螺栓直径d 查计算d1。若d1与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,30,3 松螺栓联接强度设计,受载荷形式轴向拉伸(工作拉力F)失效形式螺栓拉断(静、疲劳)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件：ss 设计计算方法：校核式:,设计式:,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,31,4 紧螺栓联接强度设计,(1)仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式拧紧后:轴向拉伸(工作拉力F0)拧紧过程中:轴向拉伸F0、扭力T失效形式螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件：ss 设计计算方法：,校核式:,机械设计基础联接,拧紧力矩T剪应力,预紧拉力Fo拉应力,设计式:,2023/5/27,机械设计基础,32,(2).横向载荷的螺栓联接计算主要防止被联接件错动,特点：杆孔间有间隙，靠拧紧的正压力(F0)产生摩擦力来传递外载荷，保证联接可靠(不产生相对滑移)的条件为：F0fFR 即 F0fm=kfFR,1）普通螺栓联接：,FR 横向外载荷 m接缝界面数目、f为摩擦系数 Kf防滑系数（可靠性系数）Kf=1.11.3,2023/5/27,机械设计基础,33,分析：由上式可知，当FR=0.15,m=1,Kf=1.1则F0=7FR，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作极不可靠，因此应设法避免。,为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置：a)减载销 b)减载套筒 c)减载键,求出F0以后按右式进行强度计算,2023/5/27,机械设计基础,34,受横向载荷的铰制孔螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T(预紧力小，计算时可忽略)工作时：横向载荷F失效形式侧面压溃及螺栓剪切设计准则保证挤压、剪切强度强度条件：spsp、t t 设计计算方法：,挤压强度：剪切强度：,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,35,讨论：,普通螺栓受横向载荷F时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F预紧力Fs的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定,f=0.2时，FS=6F结论：横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒使用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,36,(3)、承受轴向静载荷的紧螺栓联接强度计算,2023/5/27,机械设计基础,37,工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷F 工作前、工作中载荷变化,工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F,解决问题：a)保证安全可靠的工作，F0=？b)工作时螺栓总载荷，F=？,分析：,图1，螺母未拧紧螺栓螺母松驰状态，螺栓与被连接件均不受力。,2023/5/27,机械设计基础,38,图，拧紧预紧状态 凸缘压m F0 栓杆拉b F0,图7.15b所示为螺栓被拧紧后，螺栓受预紧力F0，被联接件受预紧压力F0的作用而产生压缩变形l的情况。,2023/5/27,机械设计基础,39,图3，加载F后工作状态,图7.15c所示为螺栓受到轴向外载荷(因气缸内压力而引起的)F作用时的情况，螺栓被拉伸，变形增量为2，根据变形协调条件，2即等于被联接件压缩变形的减少量。此时被联接件受到的压缩力将减小为F/0，称为残余预紧力。显然，为了保证按联接件间密封可靠。,应使：,FFF0,此时螺栓所受的轴向总拉力F应为其所受的工作载荷F与残余预紧力F0之和。,2023/5/27,机械设计基础,40,2023/5/27,机械设计基础,41,2023/5/27,机械设计基础,42,2023/5/27,机械设计基础,43,五、螺栓材料和许用应力,材料：一般用途：低碳钢或中碳钢(3545及Q235Q275)重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi）国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：小数点前数字表示sB/100,小数点后数字表示10sS/sB如：5.8级：表示sB=500MPa，sS=400MPa许用应力：表7-1,机械设计基础联接,计算螺栓小径时采用试算法来选用,2023/5/27,机械设计基础,44,螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的受力分析与计算,7.4 螺栓组连接的设计,2023/5/27,机械设计基础,45,1、连接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状,2023/5/27,机械设计基础,46,2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,2023/5/27,机械设计基础,47,3、螺栓的排列应有合理的间距、边距,2023/5/27,机械设计基础,48,扳手空间,2023/5/27,机械设计基础,49,4、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,2023/5/27,机械设计基础,50,5、避免螺栓承受偏心载荷,产生偏心载荷的原因,2023/5/27,机械设计基础,51,斜垫圈的应用,凸面和沉头座的应用,避免偏载的结构,2023/5/27,机械设计基础,52,螺栓组联接的基本受载类型：,假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；被联接件为刚体；各零件的变形在弹性范围内。,螺栓组连接的受力分析与设计,螺栓组连接的设计,2023/5/27,机械设计基础,53,5-4 螺栓组联接受力分析,一、承受轴向载荷的螺栓组连接,如图所示为压力容器的螺栓组连接，所受轴向总载荷FQ通过螺栓组形心，螺栓组各螺栓所受的工作载荷 相等。,螺栓数目,注：如 FQ不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。,螺栓组连接的设计,轴向外载荷,受轴向载荷的螺栓组连接,2023/5/27,机械设计基础,54,受横向载荷1,二、承受横向载荷的螺栓组连接,.普通螺栓连接,螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受。,保证被联接件不相对滑动，须满足：,则所需预紧力为,螺栓组连接的设计,受横向载荷的螺栓组连接,2023/5/27,机械设计基础,55,受横向载荷2,.受铰制孔螺栓连接,各螺栓承受的横向力 相等。,分别进行剪切强度和挤压强度计算。,螺栓组连接的设计,三、承受转矩 T 的螺栓组连接,连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似,承受转矩的螺栓组连接,2023/5/27,机械设计基础,56,承受转矩 T 时1,.普通螺栓连接,靠结合面上的摩擦力承受T。,保证底板在 T 作用下不转动，须满足,螺栓组连接的设计,r1、r2、rz各螺栓中心与螺栓组形心间的距离。,2023/5/27,机械设计基础,57,承受转矩 T 时2,.铰制孔螺栓连接,各螺栓所受的工作剪力 与其中心到底板中心的距离 成正比。,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作剪力,即,螺栓组连接的设计,2023/5/27,机械设计基础,58,受翻转力矩M时1,四、承受倾翻力矩 M 的螺栓组连接,在 M 作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线 O 转动的趋势。,在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力 与其中心到翻转轴线的距离 成正比。,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作拉力,螺栓组连接的设计,2023/5/27,机械设计基础,59,受翻转力矩M时2,为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：,为防止结合面受压最大处被压溃，要求：,式中：A结合面的面积（mm2）,W结合面的抗弯截面模量（mm3）,许用挤压应力（Mpa）,实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。,螺栓组连接的设计,工作时承受外载荷FP,轴向载荷FV横向载荷FH 翻转力矩M,2023/5/27,机械设计基础,60,改善螺纹牙间的载荷分配减小螺纹的应力副减小附加弯曲应力,7.5 提高螺纹连接强度的措施,2023/5/27,机械设计基础,61,螺纹联接组的设计1,设计螺栓组连接时，通常是先进行结构设计，即确定结合面的形状、螺栓布置方式和数目，然后按螺栓组的结构和承载状况进行受力分析。,为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。,螺栓布置应使各螺栓的受力合理。,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4、6、8等偶数。,螺栓的排列应有合理的间距、边距。各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空。,改善螺纹牙间的载荷分配,提高螺纹连接强度的措施,2023/5/27,机械设计基础,62,5-5 提高螺栓强度的措施,工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋合的各圈螺纹牙受载不均。,提高螺栓连接强度的措施,改善螺纹牙间的载荷分配,螺栓受拉伸，其螺纹的螺距增大；螺母受压缩，其螺纹的螺距减小。,约有1/3的载荷集中作用在第一圈，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷,2023/5/27,机械设计基础,63,、悬置螺母螺杆与悬置螺母同时受拉力，使两者变形协调，可使旋合螺纹牙的载荷均匀分配。,提高螺栓连接强度的措施,、环槽螺母环槽螺母和螺栓在支承面处的变形性质相同（均受拉），从而改善了旋合圈螺纹的受载状况。,、内斜螺母,将螺母旋入端制成1015的内锥，使螺栓受力较大的螺纹圈之受力点外移，螺栓疲劳强度可提高约20%。,2023/5/27,机械设计基础,64,减小螺栓的应力幅,增加螺栓的长度,减小无螺纹部分螺杆的直径螺杆制成中空结构（柔性螺栓）在螺母下安装弹性元件,措施,提高螺栓连接强度的措施,减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度，都能使应力幅减小,2023/5/27,机械设计基础,65,采用合理的制造工艺。,减小附加弯曲应力,冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度。,提高螺栓连接强度的措施,球面垫圈,带环腰的螺栓,2023/5/27,机械设计基础,66,7-3 键联接,一、键联接的分类及结构二、键的强度校核三、花键联接,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,67,1 松联接,（1）平键联接结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩,失效形式:静联接：工作面挤溃，键剪断动联接：工作面磨损特点：结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛成对使用:承载能力不够时采用,按 180布置两个键。一对平键按1.5 个键计算,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,68,(2)半圆键联接,结构:工作原理:两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩构造与加工:键:用圆钢切制或冲压后磨削键槽:盘状铣刀加工,失效形式:键剪断,工作面压溃特点:便于安装,对中好,用于锥形轴端,但对轴削弱大成对使用:承载能力不够时用,沿同一母线布置,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,69,2 紧联接,楔键联接结构:键侧与键槽有间隙,上下面楔紧工作原理:上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩方头楔键、钩头楔键、圆头楔键,失效形式:工作面压溃特点:简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定楔紧产生偏心,对中性差,不适于高速及对中要求高的场合,机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,70,二、键的强度校核,1 键的选择键是标准零件：p109 表7-2材料多采用碳素钢键的类型选择根据使用要求和工作条件:转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性键的尺寸选择（同时确定配合类型）:工作要求 键的种类按轴径d选键的b、h选键长L(标准;短于轮毂宽度),机械设计基础联接,2023/5/27,机械设计基础,71,三、花键联接,特点：受力较均匀，应力集中小，承载能力大对中性好，导向性好，精度高需专门设备和工具,成本高结构:轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合,构成花键联接,机械设计基础联接,工作原理:键侧是工作面，靠键侧面与键槽挤压传递转矩,
