东北大学机械设计电子教案第二章联接.ppt

第二章 联 接,东北大学国家工科机械基础课程教学基地,2-0概述,2-1螺纹联接,2-2螺纹联接类型和标准联接件,2-3螺纹联接的预紧和防松,目录,2-4螺纹联接的设计计算,2-5键联接,一、联接的作用,二、联接的分类,1、动联接：被联接零件可相对运动运动副,2、静联接：被联接零件无相对运动构件（1）可拆联接：螺纹、键、销、成型联接（2）不可拆联接：铆接、焊接、胶结（3）过盈配合：温差法装入可拆 压如法装入不可拆,2-0概述,2-1螺纹联接,一、螺纹联接的基础知识,1、螺旋线与螺纹,（1）定义：动点绕定轴匀速圆周运动，并沿轴线方向匀速 上升，动点轨迹为螺旋线。,一、螺纹联接的基础知识,（2）直观：直角三角形斜边与圆柱体表面的交线,2、螺纹分类,（1）螺纹位置：内、外螺纹（2）母体形状：圆柱、圆锥螺纹（3）牙型：三角形、矩形、梯形、矩齿形（4）旋向：左、右,2-1螺纹联接,大径d公称直径（查标准）小径d1计算直径（强度计算）中径d2几何直径（几何计算）螺距P相邻螺牙对应点间轴向距离导程S同一螺线相邻螺牙对应点间 轴向距离 S=nP（n-线数）升角螺旋线的切线与垂直于螺纹 轴线的平面间的夹角牙型角螺纹轴截面内，牙型两侧边的夹角牙型半角螺纹轴截面内，牙型侧边与横截面的夹角,3、普通螺纹的主要参数,一、螺纹联接的基础知识,2-1螺纹联接,二、螺纹副的受力、效率与自锁,二、螺纹副的受力、效率与自锁,1、拧紧螺母时的圆周力和力矩,2、拧紧螺母时的效率,3、自锁条件,2-1螺纹联接,三、常用螺纹的种类、特点和应用,三、常用螺纹的种类、特点和应用,1、联接螺纹：要求自锁三角形螺纹,（1）普通螺纹（=60）粗牙：常用的联接螺纹 细牙：用于薄壁件或密封处（2）管螺纹（=55）（英制）一般管路联接 圆柱：螺纹中线与管轴线平行 牙顶圆角，旋合后无隙，密封性好 圆锥：螺纹中线与管子轴线不平行，自密封性好,2-1螺纹联接,三、常用螺纹的种类、特点和应用,2、传动螺纹：要求效率高,（1）矩形螺纹（=0）效率高，牙根强度差，磨损难补偿（2）梯形螺纹（=30）效率较高，牙根强，对中好，磨损后用剖分螺母补偿间隙常用（3）矩齿形螺纹（工=3、非工=30）兼备矩形、梯形螺纹的优点，非工作面牙根圆角大，强度高,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,一、螺纹联接类型,1、螺栓联接被联件较薄、易做成通孔处，可经常拆卸。,（1）普通螺栓：被联件孔与螺栓杆有间隙，可传横向、轴向外载（2）铰制孔螺栓：被联件孔与螺栓杆过渡配合，只传横向外载,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,螺栓联接：两被联接零件较薄，可做成通孔场合,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,被联件之一较厚、不易做成通孔，不需经常拆卸处,2、螺钉联接,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,3、双头螺柱联接,被联件之一较厚、不易做成通孔，需经常拆卸处,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,3、紧定螺钉联接,：固定两零件相对位置，可传不大扭矩,平端紧定螺钉,锥端紧定螺钉,2-2螺纹联接的类型与标准联接件,二、标准联接件,1、螺纹联接件均为标准件，设计中根据需要按工程尺寸选用,2、螺纹联接件等级GB3103.1-82规定：螺纹联接件分A、B、C三级A级：精密配合，防振场合B级：受载较大，常拆卸调整、变载场合C级：一般联接,2-3螺纹联接的预紧与防松,一、预紧工作前拧紧,1、目的：增加螺纹联接刚度、紧密性和防松能力,3、预紧力控制方法,（3）测螺栓伸长量,2、要求：装配时控制预紧力在规定范围内,（1）测力矩扳手,（2）定力矩扳手,一、预紧,2-3螺纹联接的预紧与防松,二、防松,1、目的：防止螺杆与螺母相对转动,3、防松方法,2、原因：设计条件下v，静载、恒温条件不会松脱 变载、振动、温差大引起螺牙间摩擦力瞬时消失松脱,（1）、摩擦防松利用辅助元件（结构）防止螺纹副间摩擦力消失,二、防松,2-3螺纹联接的预紧与防松,（2）、机械防松利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合,止动垫片,开口销与开槽螺母,二、防松,2-3螺纹联接的预紧与防松,（2）、机械防松利用防松元件约束螺纹副相对运动-冲击、变载场合,圆螺母止动垫片,二、防松,2-3螺纹联接的预紧与防松,（3）、破坏螺纹副防松防松可靠，冲击振动大、重要联接,冲点法：冲坏螺纹副端焊法：端部焊死粘结法：拧紧时涂胶,二、防松,2-4螺纹联接的设计计算,一、设计计算内容与步骤,1、结构设计：确定螺栓布置形式、数量2、受力分析：确定螺栓组中受力最大螺栓和所受最大力3、强度计算：按受力最大螺栓确定整组螺栓直径,一、设计计算步骤,二、受力分析与强度计算,（一）普通螺栓联接传递轴向外力,1、只受工作载荷作用的螺栓联接（工作前不预紧，例：起重吊钩）,2-4螺纹联接的设计计算,2、只受预紧力的螺栓联接（工作前预紧，工作中受力不变，例：普通设备盖板）,二、受力分析与强度计算,（1）受力分析,合成应力：,（2）失效形式：螺栓塑变或拉断,注：受拉、剪应力复合作用的螺栓，可按受纯拉伸处理,将拉应力加大30%计入剪应力的影响。,2-4螺纹联接的设计计算,3、受预紧力Qp和工作载荷F作用的螺栓联接（例：气缸螺栓）,（2）受力分析,二、受力分析与强度计算,2-4螺纹联接的设计计算,a.总载荷Q=?;残余预紧力Qp=？,由图得总载荷:,二、受力分析与强度计算,2-4螺纹联接的设计计算,b.F=？,由图知:,螺栓刚度:,被联接件刚度：,二、受力分析与强度计算,2-4螺纹联接的设计计算,讨论：,结论：为减小螺栓总载荷，被联接件刚度不宜太小；,（3）失效形式：a:被联件结合面出缝隙；b:螺栓塑变或被拉断,二、受力分析与强度计算,2-4螺纹联接的设计计算,（4）设计准则：,a:保证被联件结合面不出缝隙,二、受力分析与强度计算,2-4螺纹联接的设计计算,b:保证螺栓不拉断或塑变,I:F为静载荷（考虑工作时需要补充拧紧，应计入螺纹力矩的影响）,II:F为变载荷（按应力幅校核螺杆疲劳强度）,二、受力分析与强度计算,2-4螺纹联接的设计计算,（二）普通螺栓传递横向外力,（1）工作原理：结合面摩擦力平衡横向外力,二、受力分析与强度计算,（2）受力分析：螺栓受预紧拉力：QP 被联件受预紧压力：QP,（3）失效形式：（1）螺栓塑变、拉断（2）被联件相对滑移,（4）设计准则：,（1）螺栓不塑变、不拉断（只受预紧力）,（2）被联接件不相对滑移,注：普螺联接传横向力，螺栓受拉装拆放便，但所需螺栓直径大，冲击、振动时摩擦传力不可靠。,2-4螺纹联接的设计计算,（三）普通螺栓传递扭矩,1、工作原理：摩擦传扭矩,二、受力分析与强度计算,2、受力分析：螺栓受预紧拉力：QP 被联件受预紧压力：QP,3、失效形式：（1）螺栓塑变、拉断（2）被联件相对滑移（转动）,4、设计准则：,（1）螺栓不塑变、不拉断（只受预紧力）,普螺传递力矩,2-4螺纹联接的设计计算,二、受力分析与强度计算,（2）被联接件不相对滑动（转动）,保证不滑动，单个螺栓所需预紧力,2-4螺纹联接的设计计算,（四）铰制孔螺栓传递横向外力,1、工作原理：杆孔挤压、螺杆受剪传递横向力,二、受力分析与强度计算,2、失效形式：（1）杆孔结合面压溃（2）螺杆剪断,3、设计准则：,（1）杆孔不压溃,铰制孔螺拴传递横向力,（2）螺杆不剪断,2-4螺纹联接的设计计算,（五）铰制孔螺栓传递扭矩,1、工作原理：杆孔挤压、螺杆受剪传递扭矩,二、受力分析与强度计算,2、失效形式：（1）杆孔结合面压溃（2）螺杆剪断,3、受力分析：,（1）距回转中心最远螺栓受力最大,（2）螺栓所受最大力,铰制孔螺拴传递扭矩,2-4螺纹联接的设计计算,4、设计准则：,二、受力分析与强度计算,（1）杆孔不压溃,（2）螺杆不剪断,2-4螺纹联接的设计计算,(六)普通螺栓组承受倾翻 力矩,二、受力分析与强度计算,1、基本假定（1）螺栓、地基为弹性体；（2）M作用在z-z平面内，机座在M作用下绕O-O转动（3）机座刚性较大，变形后与 基础的接触面仍为平面,2、受力分析,2-4螺纹联接的设计计算,2、受力分析,二、受力分析与强度计算,力平衡条件,(1)代入(2),变形协调条件,2-4螺纹联接的设计计算,左侧螺栓所受最大力：,二、受力分析与强度计算,右侧螺栓所受最小力：,3、失效形式（1）螺栓被拉断（2）机座与地基的接合面被压溃或出缝隙,2-4螺纹联接的设计计算,4、设计准则,二、受力分析与强度计算,（1）保证螺栓不塑变、不被拉断,（2）左侧不出缝隙,（3）右侧不被压溃,2-4螺纹联接的设计计算,三、螺纹联接件的材料性能与许用应力,三、螺纹联接件的材料性能与许用应力,1、螺纹联接件的材料与性能等级,（1）常用材料：碳 钢：Q215-A、Q235-A、35、45一般联接 合金钢：15Cr、20Cr、30CrMnSi等重要联接,（2）螺栓、螺母材料性能等级（表2-7）a、螺栓材料性能等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9,b、螺母的性能等级：4，5，6，8，9，10，12 螺母性能等级表示可与该螺母相配最高性能等级螺栓抗拉强度的1/100,2-4螺纹联接的设计计算,2、螺纹联接件得许用应力,三、螺纹联接件的材料性能与许用应力,（1）许用应力影响因素：载荷性质：静、变载荷 材料质量：性能等级 结构尺寸：尺寸系数 装配质量：载荷控制准确性,（2）许用应力安全系数,2-4螺纹联接的设计计算,(2)、许用应力与安全系数,三、螺纹联接件的材料性能与许用应力,2-4螺纹联接的设计计算,四、提高螺栓联接强度的措施,四、提高螺栓联接强度的措施,普通螺栓损坏情况统计如图,1、改善螺纹牙间的载荷分配,螺牙间变形不协调，导致牙间载荷分配不均,2-4螺纹联接的设计计算,（1）均载螺母,四、提高螺栓联接强度的措施,2-4螺纹联接的设计计算,（2）钢丝螺套,四、提高螺栓联接强度的措施,2、减小螺栓中应力幅,2-4螺纹联接的设计计算,降低螺栓刚度CL、提高被联接件刚度CF对螺栓应力幅影响分析,四、提高螺栓联接强度的措施,2-4螺纹联接的设计计算,降低螺栓刚度CL措施：,四、提高螺栓联接强度的措施,采用柔性螺栓：增加螺栓长度、减小螺栓光杆部分的直径（图2-35）、采用空心螺栓杆（图2-35）在螺母下安装弹性元件（图2-36）,2-4螺纹联接的设计计算,提高被联接件刚度CF措施：,四、提高螺栓联接强度的措施,采用刚度大的垫片 用密封环代替密封软垫片,2-4螺纹联接的设计计算,3、减小螺栓本身应力集中图2-38,四、提高螺栓联接强度的措施,a 加大圆角,b 卸荷槽,b 卸载过渡结构,2-4螺纹联接的设计计算,4、避免或减少附加应力,四、提高螺栓联接强度的措施,(保证螺母支撑面平整、螺栓孔正),图2-39 螺栓的附加应力,图2-40避免附加弯应力的措施,2-4螺纹联接的设计计算,5、采用合理制造工艺,四、提高螺栓联接强度的措施,冷墩头部、滚压螺纹有利于提高螺栓疲劳强度,2-5键联接,一、键联接作用,一、键联接的作用,轴及轴上零件的（如：齿轮、联轴器等）的周向、轴向定位，传递扭矩,二、平键联接,1、工作原理：键侧挤压、键剪切传扭矩2、平键类型：（1）普通平键：（静联接）周向定位,2-5键联接,（2）导向平键与滑键：,二、平键联接,(动联接)周向定位、零件轴向滑移,导向平键：键定轴上，滑移距离短,滑键：键定毂上，滑移距离长,3、键联接设计内容(1)选择类型：工作要求、转矩大小、对中要求(2)尺寸选择：按轴径d选键的截面尺寸bh(查标准)(3)键长选择：L=轮毂长-（510）mm（查标准）(4)强度校核：,2-5键联接,4、失效形式,二、平键联接,静联接：键及键槽侧面压溃动联接：工作面过度磨损,5、设计准则,6、标注方法,键(A）bL GB1096-79,2-5键联接,三、半圆键,三、半圆键,1、工作原理：键侧挤压、键剪切传扭矩2、特点：优点：键在槽中可摆动，适应轮毂槽底斜度 对中性好、装配方便、适应锥形轴端 缺点：键槽深，对轴削弱大3、应 用：轻载、锥形轴端联接,半圆键联接,2-5键联接,四、楔键,四、楔键,1、工作原理：键上表（毂槽底）面为1：100斜度斜面 键上、下表面工作，挤压楔紧、摩擦传扭2、特点：优点：轴上零件的轴向定位，承受较小轴向力 缺点：楔键破坏轴上零件对中性3、应用：对中精度要求不高、载荷平稳、低速场合,2-5键联接,五、切向键,五、切向键,1、工作原理：切向键由两个1：100斜度的楔键组成 组合后上、下平行表面工作，其中之一在轴截面内，工作面挤压、轴与轮毂间的摩擦传扭矩2、特点：优点：传递载荷大 缺点：切向键破坏轴上零件对中性3、应用：对中精度要求不高、载荷大的重型机械中，如：大型飞轮、矿用卷扬机卷筒等,2-5键联接,六、花键联接,六、花键联接,1、工作原理：（花键轴、花键孔组成）键侧工作、挤压传扭,花键孔 花键轴 花键联接,2、特点：承载能力高-多齿传力 对轴、毂削弱小-齿槽浅 对中性好、成本高（专用设备加工）,2-5键联接,3、类型：,六、花键联接,（1）矩形花键：键齿矩形、内径定心；定心表面热处理后磨削，定心精度高,（2）渐开线花键：齿形为渐开线，齿形定心；自动对中，齿形角30、40 两种；高强度、长寿命齿根圆角大，应力集中小；工艺性好滚齿加工、精度高 应用于载荷大、定心精度要求高、尺寸大的连接,2-5键联接,4、花键强度计算,六、花键联接,（1）静联接工作面压溃，校核挤压强度（2）动联接工作面磨损，按工作面压强进行条件计算,本章结束,