《联接设计》PPT课件.ppt

被联接件的相互位置固定，工作时不能变化,如：蜗轮的齿圈与轮心,连接：joint,可拆连接,被联接件的相互位置工作时可按需要变化,如：变速箱中滑移齿轮与轴,不可拆连接,第10章 连接设计,分类：,10连接设计,本章重点讨论可拆连接中的螺纹连接,结构简单，装拆方便，适用范围广,螺纹连接,键连接,销连接,周向固定或轴向滑移,定位或周向固定,10连接设计,螺纹：thread,10-1螺纹连接,10-1螺纹连接,螺纹的形成原理和类型,牙型,三角形,矩 形,锯齿形,梯 形,普通螺纹,管 螺 纹,管路连接,一般连接,传递运动或传力,(效率高),牙顶较大圆角，旋合后无径向间隙，英制细牙螺纹,粗牙螺纹,细牙螺纹,薄壁零件或微调装置,10-1螺纹连接,螺纹的主要参数：,d(D)：螺纹大径，公称直径,d1(D1)：螺纹小径,d2(D2)：螺纹中径,n：螺旋线数目,p：螺距,S：导程，S=np,：螺纹升角(中径d2 圆周上),h：螺牙工作高度，接触面的径向高度,a：牙型角,连接螺纹 n=1,危险截面计算直径,b：牙侧角,10-1螺纹连接,螺纹旋向：常用右旋，特殊要求时用左旋,粗牙螺纹,四种螺纹的牙侧角：,：同一d 下螺距 p 最大的螺纹,同一d 下螺距 p 小的螺纹,粗牙、细牙螺纹标记示例：,M12,细牙螺纹：,M121.5、M121.25,粗牙,细牙(要标出螺距),，用于一般连接,，d1大、强度高、自锁性好,用于薄壁或微调机械中,10-1螺纹连接,1、矩形螺纹(a=b=0),分析两个工程实例：,用千斤顶提升重物时，如何计算手柄上的水平推力FT？,螺纹连接拧紧螺母,用千斤顶提升重物,拧紧螺母时，若忽略螺母与支撑面间的摩擦力矩，如何计算扳手的拧紧力矩T？,螺旋副,物理模型建立过程：,螺旋副的相对运动可近似看作,作用在中径的水平推力F 推动重物沿螺纹表面的匀速运动,在水平推力F 作用下，重物沿斜面的匀速运动,如果求出假想的水平驱动力F，则螺旋副间的力矩T 为：,10-1螺纹连接,摩擦角：,=arctan f,f 为摩擦系数,F=Fatan(+）,水平驱动力：,驱动力矩：,即为摩擦副间的阻力矩,当升角较大，重物要匀速下滑时：,重物要匀速上升时：,F=Fatan(-）,水平驱动力：,驱动力矩：,10-1螺纹连接,重物下滑过程分析：,F=Fa tan(-）,当 时,滑块在重力作用下会加速下滑,要使其匀速下滑，还要施加少量的水平力F（F 0）,此时F 由驱动力变为阻力，而Fa由阻力变为驱动力,由于摩擦力过大，重物不能自行下滑，而在斜面上保持静止,要使其下滑需施加反向力，F 0，此时F 变为驱动力,此种现象称为“自锁”，自锁条件是：,当 时,10-1螺纹连接,输入功：,W1=2p T,W2=Fa S,输出功：,升角越大，效率越高,但一般不超过25为宜,效率：,重物上升时：,=,=Fa pd2tan,效 率：,如何提高螺旋副间的效率？,重物下降时：,10-1螺纹连接,2、非矩形螺纹(b 0),先忽略螺纹升角,当量摩擦角：,法向力增加为：,摩擦力增加为：,引入当量摩擦系数,v=arctan fv,把力的增加看作是摩擦系数的增加,10-1螺纹连接,把非矩形螺纹受力问题转化为矩形螺纹受力问题求解,用 fv f，用 rv r,则非矩形螺纹副受力、效率及自锁可表述为：,F=Fatan(rv）,rv,提升重物时，作用在手柄上的驱动力矩为：,拧紧螺母时，扳手的拧紧力矩T又为多少？,10-1螺纹连接,螺旋千斤顶,不同场合螺旋副，自锁和效率要求不同,连接螺纹，必须具有自锁性,对于某些传力螺旋，要求自锁,对于传递运动的螺旋副，要求效率高，不需自锁,如：车床丝杠与刀架螺旋副,10-1螺纹连接,为什么连接用三角形螺纹，传动用非三角形螺纹？,例题1：,螺纹副自锁条件：,三角形螺纹的rv最大，自锁性最好，故在连接采用！,非三角形螺纹的rv均小于三角形螺纹，效率更高，更适合于传动!,rv,螺纹副效率：,10-1螺纹连接,10-2螺纹连接设计,被连接件不厚且有装配空间时用,螺栓连接,10-2螺纹连接设计,普通孔螺栓连接,铰制孔螺栓连接,孔与螺栓杆间有空隙，加工精度低，简单方便,孔与螺栓杆间基孔制配合，加工精度高,用在被连接件之一较厚，且经常装拆场合,双头螺柱连接,用在被连接件之一较厚，且不常装拆场合,螺钉连接,紧定螺钉连接,常用于固定轴上零件,10-2螺纹连接设计,1、螺纹连接的预紧,预紧目的：,增强连接可靠性，使接合面具有足够的紧密性或承受横向工作载荷,如何控制F？,一般连接无需控制，拧紧程度由经验决定,重要连接，需控制拧紧力矩T 的大小,T=T1+T2,T1 螺纹副阻力矩,T2 螺母支承面摩擦阻力矩,对于M10M68的普通粗牙螺纹，取：fv=tanv0.15 fc 0.15,如：,风扳机,10-2螺纹连接设计,2、螺纹连接的防松,冲头法、粘合法,摩擦防松,机械防松,其它防松,弹簧垫圈,对顶螺母,锁紧螺母,开口销与槽形螺母,止动垫圈,串联金属丝,10-2螺纹连接设计,接合面形状应,常为正方形、矩形、圆形、三角形等,简单、轴对称,工程实际中，螺纹连接通常被成组使用,应合理确定接合面形状、螺栓数目、布置形式等,布置在同一分布圆上的螺栓应取偶数，便于钻孔时分度画线,10-2螺纹连接设计,合理确定螺栓的间距和边距，保证足够的扳手空间,合理布置螺栓，使其受载减小,受旋转或翻转力矩作用时，尽量将螺栓远离接合面对称轴布置,严格密封：t 2.5d；一般：t(58)d；无要求：t 10d,扳手空间尺寸查手册,10-2螺纹连接设计,同一螺栓组，螺栓材料、尺寸应相同，以便减少零件规格、品种,支承面应光洁、平整，并与轴线垂直，避免螺栓受附加弯矩作用,斜垫圈,10-2螺纹连接设计,普通孔螺栓连接：,铰制孔螺栓连接：,螺栓杆在制有螺纹的部分被拉断,工作时螺栓主要承受轴向拉力,工作面被压溃或剪断,工作时主要承受横向载荷,以螺栓连接为例说明,双头螺柱连接、螺钉连接与螺栓连接类似,受拉螺栓连接,受剪螺栓连接,10-2螺纹连接设计,螺栓连接的受载情况：,普通孔螺栓,铰制孔螺栓,松螺栓,紧螺栓,10-2螺纹连接设计,1、松螺栓连接：,装配时不拧紧，无预紧力 F,螺栓所受拉力,工作载荷 F,=,危险截面的强度条件：,设计式：,计算危险截面面积时用螺纹小径d1,根据计算所得的 d1，查标准确定螺栓的公称直径 d,查表10-5,10-2螺纹连接设计,2、受横向载荷作用的普通孔螺栓连接：,装配时要拧紧，载荷作用前，螺栓已受预紧力 F,但在拧紧螺母过程中，螺栓受 F和 T1 的联合作用,应用第四强度理论把拉应力和扭剪应力合并成当量拉应力,靠摩擦力承受R,此连接如何承受横向载荷的？,螺栓杆受横向剪切和挤压吗？,只受拉力作用,拉、扭联合作用下的强度问题,单纯的拉伸强度问题,10-2螺纹连接设计,T1 引起的扭剪应力：,对于M10M68的螺纹取平均近似值：0.5,F引起的拉应力：,10-2螺纹连接设计,因此：,当量拉应力：,强度条件：,上式中系数“1.3”的含义是什么？,10-2螺纹连接设计,设计式：,普通螺栓联接承受横向载荷时，螺栓可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响,根据计算所得的 d1，查标准确定螺栓的公称直径 d,预紧力：,应使接合面摩擦力大于工作载荷 R,m：接合面对数,即：,F,R,Kf,则：,：接合面摩擦系数(表10-2),例：当 m=1、=0.15、Kf=1.2 时:,F 8 R,故用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸很大,m,10-2螺纹连接设计,Kf：可靠性系数，1.11.3,应将总工作载荷 R 均匀分配到每个螺栓上,若连接有 z 个螺栓，且各螺栓受载均匀,则摩擦力：,mF,R/z,Kf,则单个螺栓所受到的横向工作载荷等于,单个螺栓所需的预紧力,若各螺栓受载不均，则应找出受载最大的螺栓，对其进行强度计算,10-2螺纹连接设计,10-2螺纹连接设计,用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？,改进措施：,采用无间隙的铰制孔螺栓,采用键、套筒、销承担横向工作载荷R,而螺栓仅起连接作用,3、受横向载荷作用的铰制孔螺栓连接：,R直接作用在螺栓上,使螺栓杆受剪切和挤压,此类螺栓预紧力小，计算时忽略,强度条件：,d 0：螺栓杆受剪面直径,即为光杆直径,铰制孔用螺栓 d0 d,m：接合面对数,hmin：两方向相比，较小挤压高度,设计时，按上述公式分别计算出 d0，取大值,、p 查表 10-5、7,若是螺栓组连接，处理方法同前,10-2螺纹连接设计,4、受轴向载荷作用的普通孔螺栓连接：,须根据 静力平衡条件 和 变形协调条件 求解F0、F,螺栓所受的总拉力：,F0=F+F,?,F 剩余(或残余)预紧力,10-2螺纹连接设计,变形协调条件：,静力平衡条件：F0=F+F,12,未拧紧,1=2=,螺栓总拉力,剩余预紧力,轴向外载荷,10-2螺纹连接设计,螺栓,被连接件,螺栓刚度:C1=F/1,被连接件刚度:C2=F/2,10-2螺纹连接设计,Kc为螺栓相对刚度,10-2螺纹连接设计,为被联接件相对刚度,当 C2 C1 时，,当 C2 C1 时，,Kc 0,此时，F0F,此时，F0F+F,Kc 1,就提高螺栓的强度而言，Kc 越小越好,尽量降低螺栓刚度C1，提高被联接件刚度C2,10-2螺纹连接设计,Kc的推荐值查表10-3（见下表）,Kc与螺栓及被连接件的材料、结构尺寸和垫片有关！,受轴向拉伸载荷作用的螺栓强度条件：,设计式：,受轴向拉伸载荷作用的螺栓剩余预紧力应满足：,1）一般连接 F=（0.20.6)F,2）变载作用时 F=（0.61.0)F,3）有紧密性要求时 F=（1.51.8)F,10-2螺纹连接设计,螺母可能需补充拧紧，考虑扭剪应力的影响，故乘以系数1.3！,？,如果F 超过一定值，会出现F 0的情况,10-2螺纹连接设计,提高螺栓的强度主要措施：,降低螺栓刚度,A）柔性螺栓,B）弹性元件,10-2螺纹连接设计,增大被联接件刚度,A）金属垫片,B）密封环,10-2螺纹连接设计,减小应力集中,10-2螺纹连接设计,避免附加弯曲应力,强度计算归纳如下：,松螺栓：,所受拉力F 等于工作载荷,紧螺栓：,普通螺栓连接,承受横向载荷,承受轴向载荷,铰制孔螺栓连接,螺钉连接、双头螺柱连接的分析计算与普通螺栓连接相同,10-2螺纹连接设计,还应保证一定的残余预紧力！,1、螺纹紧固件的材料和强度级别：,一般连接：碳素钢，如：Q235、10、45,重要连接：合金钢，如：40Cr、15MnVB,常用材料：,性能等级,如：4.8级,b4100MPa,s4 810=320MPa,强度极限：,屈服极限：,10-2螺纹连接设计,螺纹联接件按机械性能分等级,即性能等级反映了螺栓的机械性能,常用材料和精度等级参见表10-5,2、许用用力：,许用拉应力由表10-5和表10-6决定,10-2螺纹连接设计,先由表10-5确定好螺栓的材料、性能等级，查出强度极限ss,表10-6,S 与 d 有关,控制预紧力时：S1.21.5,不控制预紧力时，S 查表 10-6,先估取 d，设计后再比较 d 是否与原假定值相符,许用剪切和挤压应力由表10-5和表10-7决定,两个半联轴器用六个普通螺栓连接，螺栓分布圆D直径为 250mm。联轴器传递的转矩T为1000N.m，接合面的摩擦系数为fc=0.16，试确定螺栓直径。,解：,1）此连接的工作载荷是转矩T，应将其转化成横向工作载荷，即：,2）螺栓均匀分布，每个螺栓所受横向工作载荷相等，即：,4）按单个螺栓进行强度计算，即：,3）螺栓预紧力为：,例题1：,10-2螺纹连接设计,5）许用应力的计算,螺栓材料取15钢，性能等级取为4.8级,6）计算螺栓小径：,则ss=320MPa,设装配时不控制预紧力，且设螺栓直径在M6M16之间,查表10-6得：安全系数S=43，取 S=3.5,故取M16的螺栓，其d1=13.835mm。螺栓直径在假设范围内,10-2螺纹连接设计,螺纹联接组的设计2,受横向载荷,受转矩,受轴向载荷,受倾覆力矩（弯矩）,目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算,假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同,受载后联接接合面仍保持为平面,承载的类型：,1、螺栓组联接的受力分析,螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合,即承载的主要类型：,横向载荷,轴向载荷,转矩,弯矩,实际受载可分解为基本承载或是基本承载的组合！,10-2螺纹连接设计,螺栓组实际承载时，应进行受力分析，找出受载最大的螺栓！,螺纹联接组的设计4,2、受转矩的螺栓组联接,采用普通螺栓：靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T,设每个螺栓的预紧力相同，均为F,则预紧力为：,ri为螺栓轴线到螺栓组对称中心的距离,强度校核：,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,各螺栓的剪切变形量与 r 成正比,(螺栓变形协调条件),3、受倾覆力矩的螺栓组联接,在承受M之前，螺栓已拧紧并承受相同的预紧力F 作用,可以求出最大工作载荷：,求结合面应力,预紧力F产生的挤压应力：,翻转弯矩M产生的挤压应力：,保证结合面不压溃,保证结合面不出现间隙,螺栓的强度校核,由和确定预紧力F,最危险螺栓的总载荷F0 为：,例2：一铸铁托架用四个普通螺栓固定在钢柱上，P4800N，接合面摩擦系数0.16，求螺栓直径(装配时控制预紧力).,横向载荷 P 和 翻转力矩 M,螺栓组的受力转换成两种类型：,M P150,(1)受力分析,将力向接合面平移，,在横向载荷 P 作用下托架可能滑移,M 又可转化成轴向工作载荷：,F M/(z L)M/(4140)1286N,(2)求所需预紧力 F,上面两个螺栓受载最大,接合面的摩擦力必须满足：,m zF Kf P,10-2螺纹连接设计,则每个螺栓所需的预紧力：,上面两螺栓受载最大，单个螺栓的总拉力为,(3)求螺栓直径,选螺栓材料为Q235、性能级别 4.6，,查表10-5得s240MPa，查表10-6得 S1.5（装配时控制预紧力，S1.21.5）,许用拉应力：,查表10-3 0.20.3,所需螺栓小径：,查螺纹标准，选用 M12 普通螺纹，其小径 d110.106mm 9.85mm,10-2螺纹连接设计,被连接件均为金属材料，一般不会被压溃,(4)校核接合面的工作能力,故只需校核接合面上端是否会出现缝隙,要求：,故接合面上端不会出现缝隙,也可根据剩余预紧力估算：,10-2螺纹连接设计,r2,r1,1、首先将 P 向中心平移,2、单个螺栓的受载分析,由 P 产生的横向载荷：,由 T 产生的横向载荷：,合力,哪种方案更合理？,例3：比较两种螺栓布置方案。,转化成横向工作载荷与旋转力矩的组合,3、方案比较,因 Rmax1 Rmax2，故方案一较合理,10-2螺纹连接设计,10-3螺旋传动,10-3螺旋传动,螺旋传动：,利用螺纹副传递运动和动力的一种传动型式,将旋转运动变为直线运动，同时传递动力,一、螺旋传动的分类,1、根据螺杆和螺母的相对运动关系，常用运动形式有三种：,螺杆转动,螺母移动,螺母不动,螺杆转动并移动,螺母转动,螺杆移动,2、按用途不同，分三种类型,10-3螺旋传动,传力螺旋,以传递动力为主，以较小的转矩产生较大的轴向推力,如螺旋千斤顶、螺旋压力机等,一般间歇性工作，每次工作时间短，速度低，且通常要求自锁,传导螺旋,以传递运动为主，有时也需承受较大轴向载荷,如：车床丝杠,一般在较长时间内连续工作，速度较高，且要求较高精度,调整螺旋,由两个螺旋副组成的使活动的螺母与螺杆产生差动,工作原理：,10-3螺旋传动,螺旋副1：,螺旋副2：,若同为右旋螺纹，当螺杆顺时针方向转一圈时：,螺杆带动活动螺母相对机架向左移动导程S1,与此同时活动螺母相对于螺杆向右移动导程S2,活动螺母相对于机架实际移动距离为：S1-S2,S1-S20时，实际移动方向与螺杆移动方向相同;,固定螺母（机架）与螺杆,活动螺母与螺杆,S1-S20时，实际移动方向与螺杆移动方向相反；,S1-S2=0时，实际没有移动。,作用：,用以调整并固定零部件之间的相对位置,差动螺旋机构,镗刀杆调整,可实现微调，要求自锁,10-3螺旋传动,10-3螺旋传动,3、按螺旋副摩擦性质不同,滑动螺旋和滚动螺旋,滑动螺旋：结构简单，便于制造，易于自锁，但摩擦阻力大，传动效率低（一般为3040%）,滚动螺旋：结构复杂，成本高，但摩擦阻力小，传动效率高（一般为90%以上）,增力效果明显,二、螺旋传动的特点,10-3螺旋传动,较小的水平力（或力矩）作用，可以产生很大的轴向力,F=Fatan(l+）,若,效率低,可采用滚动螺旋以提高效率,三、滑动螺旋传动的设计计算,失效形式：,螺纹磨损、螺杆或螺牙断裂、失稳,计算内容：,耐磨性计算 主要是螺母磨损(铜材)；,螺杆和螺牙强度计算 针对传力螺旋；,自锁性校核 有些螺旋传动要求自锁；,稳定性计算 受压的细长螺杆。,1、耐磨性计算,螺牙工作面压强越大、相对滑动速度越大，越易磨损,计算准则：限制压强 p,校核式：,轴向载荷,承压面积,据滑动速度查表108,10-3螺旋传动,则设计式：,设计时，H 待定。令 H=d2，,【说明】,剖分螺母=2.53.5,系数的选取,整体螺母=1.21.5,工作高度 h,梯形或矩形螺纹 h=0.5 t,锯齿形螺纹 h=0.75 t,设计步骤,确定螺母高度 H,螺纹工作圈数：,计算 d2,查标准定 d、t,以免受载不均,10-3螺旋传动,2、螺杆的强度计算,螺杆同时受较大的轴向力 F 及转矩 T 作用,根据第四强度理论，当量应力：,5080MPa,3、螺牙的强度计算,螺母的螺牙强度较低，常发生剪切和弯曲破坏,假想将螺母的一圈螺牙展开，,成宽度为D 的悬臂梁,牙根处最危险，强度条件为：,剪切强度条件：,10-3螺旋传动,弯曲强度条件：,牙根厚度 b：,矩形螺纹 b0.5 t；,梯形螺纹 b0.65 t；,锯齿形螺纹 b0.75 t,弯曲力臂 l：l(D-D2)/2 mm,4、自锁性校核计算,主要针对传力螺旋或调整螺旋,自锁条件同螺纹连接：,5、螺杆的稳定性计算,受压的长螺杆，防止侧弯,临界轴向压力,安全系数,10-3螺旋传动,本 章 小 结,一、各种螺纹的应用场合,三角螺纹效率低、自锁性好，用于连接；,其余螺纹效率高，用于传动。,二、螺纹副的受力分析及效率,将螺母抽象成沿斜面滑移的滑块；,自锁条件：v,三、螺栓连接的类型及所受工作载荷,普通螺栓和铰制孔用螺栓；横向和轴向工作载荷,普通螺栓连接：可承受横向工作载荷（利用摩擦力）和轴向工作载荷；,铰制孔用螺栓连接：只承受横向工作载荷。,四、普通螺栓连接的强度计算,强度条件：,不管是横向还是轴向工作载荷，普通螺栓总是受拉，,五、铰制孔用螺栓连接的强度计算,挤压和剪切，注意最小挤压高度的确定。,关键是确定所受拉力。注意F 和F0 的求解方法。,六、注意事项,先分清螺栓类型和工作载荷类型；若是均匀受载的螺栓组连接，单个螺栓的载荷等于总载荷除以螺栓数；,也适用于双头螺柱连接和螺钉连接,若螺栓组受载不均匀，则需对螺栓组进行受力分析，找出受载最大的螺栓及其所受载荷，然后按单个螺栓的强度条件进行计算。,作 业,104,105,说明：第(2)问“铰制孔螺栓”改为“普通螺栓”，,摩擦系数=0.15，装配时控制预紧力。,说明：装配时也控制预紧力；,螺栓材料自定。,10联接设计,