机械设计第5章-螺纹.ppt

1,第二篇 联接,机器从组成上划分为五个部分：,机械部分,被联接件之间不能作相对运动,被联接件之间具有确定的相对运动,2,第五章 螺纹联接,51、螺纹,52、螺纹联接的类型及标准联接件,53、螺纹联接的预紧,55、螺纹联接的强度计算,57、螺栓的材料和许用应力,58、提高螺栓联接强度的措施,54、螺纹联接的防松,56、螺栓组联接的设计,通过本章学习：掌握螺纹及螺纹联接的基本知识；掌握螺纹联接的强度计算,3,第五章 螺纹联接,51、螺 纹,1、螺旋线,:直角三角形绕在圆柱体上，其斜边形成螺旋线。,性质:,旋向 右旋、左旋,线数 单头、多头,升程 S,螺距 t,升角,2、螺纹,：一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线。,4,第五章 螺纹联接,（一）螺纹的类型与应用,1、分类,按螺纹牙型分,按生长表面分,按作用分,按母体形状分,外螺纹内螺纹,联接螺纹传动螺纹,圆柱螺纹圆锥螺纹,普通螺纹（三角形）管螺纹梯形螺纹矩形螺纹锯齿形螺纹,联接,传动,5,第五章 螺纹联接,2、特点,联接螺纹,普通螺纹管螺纹,等腰三角形，牙型角=60,外螺纹根部允许较大圆角，防应力集中,同一公称直径有多种螺距，螺距最大的称粗牙螺纹，其 余统称细牙螺纹。,细牙：自锁性好、强度高；不耐磨易滑扣,薄壁件、受动载的联接、微调机构,有径向间隙,非螺纹密封管螺纹,用螺纹密封管螺纹,等腰三角形，牙型角=55,螺纹分布在1：16锥面上,等腰三角形，牙型角=55,无径向间隙,普通螺纹,6,第五章 螺纹联接,传动螺纹,矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,正方形，牙型角=0,传动效率最高,牙根强度弱,磨损后间隙不能补偿,等腰梯形，牙型角=30,传动效率较矩形螺纹略低,牙根强度高,对中性好,不等腰梯形，工作面牙侧角3，非工作面30,大径处无间隙，便于对中,兼有梯形螺纹牙根强度高、矩形螺纹效率高的特点,很少使用,最常使用,只在单向受力的螺旋 传动中使用,7,第五章 螺纹联接,(3)中径d2,(1)大径d（公称直径）,(2)小径 d1（计算直径）,(4)螺距P,(5)导程S,S=nP,(8)接触高度 h。,（二）螺纹的主要参数,(6)螺纹升角,(7)牙型角、牙侧角,8,第五章 螺纹联接,5 2 螺纹连接的类型与标准连接件,（一）螺纹连接的基本类型,1、螺栓连接,普通螺栓联接 特点：孔与杆间有间隙、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合,铰制孔螺栓联接特点：孔与杆间无间隙、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合,9,第五章 螺纹联接,2、双头螺栓联接 特点：孔与杆间有间隙、装拆方便 适用场合：被联接件之一较厚、经常装拆的场合,3、螺钉联接 特点：孔与杆间有间隙、装拆方便 适用场合：被联接件之一较厚，不常装拆的场合,10,第五章 螺纹联接,适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力,锥端螺钉联接 平端螺钉联接 圆柱端螺钉联接,4、紧定螺钉连接,11,第五章 螺纹联接,5、其它特殊结构的螺纹连接,地脚螺栓,吊环螺钉,T型槽螺栓,12,第五章 螺纹联接,（二）标准螺纹连接件,精度等级:,A级,B级,C级,精度最高，用于配合精确，防振动等场合；,受载较大且经常拆卸，调整或承变载荷的联接；,用于一般联接，最常用。,1、六角头螺栓,种类最多、应用最广；一段或全螺纹；粗或细牙,2、双头螺柱,两端螺纹了相同或不同；螺柱部分可制成退刀槽或腰杆、或全螺纹；,13,第五章 螺纹联接,3、螺钉,头部形状,槽形状,十字头对中性好，便于自动装配；内六角头能承受较大扭矩，用于要求结构紧凑场合；,14,第五章 螺纹联接,4、紧定螺钉,锥端：适用于紧定处硬度较低或不常拆 卸的场合；,平端：不伤紧定表面，适用于紧定处硬度较大及常拆卸场合；,圆柱端：适用于空心轴上的零件定位。,5、自攻螺钉,被连接件不需事先共处螺纹 材料为渗碳钢，热处理后硬度45HRC；,15,第五章 螺纹联接,5、六角螺母,分标准螺母和薄螺母 薄螺母用于受剪螺栓或轴向尺寸受限处,精度等级与螺栓相同，与相同精度螺栓配用,6、圆螺母,与止动垫片配用,7、垫片,精度等级分A、C,同一螺纹直径的垫 片分特大、大、普 通、小四种规格,16,第五章 螺纹联接,53、螺纹联接的预紧,预紧力：,预紧的目的：,预紧力的大小：,碳素钢螺栓：,F0(0.6 0.7)s A1,合金钢螺栓：,F0(0.5 0.6)s A1,螺栓危险截面积,大多数螺纹联接在承受工作载荷之前需拧紧，使之预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力F0。,预紧力过大，会使连接超载；预紧力不足，会使连接失效（出现缝隙或相对移动）重要的螺栓应控制预紧力。,螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料屈服极限ss的80%。,17,第五章 螺纹联接,拧紧力矩的计算：,螺旋副的摩擦力矩:,螺母与支承面的摩擦力矩:,拧紧力矩:,简化:对M10 M64粗牙螺纹，螺母与钢表面的摩擦系数fc=0.15,则,18,第五章 螺纹联接,拧紧力矩的控制：,测力扳手 定力矩扳手,测长法,准确性差,19,第五章 螺纹联接,54、螺纹联接的防松,螺栓为什么会松动？,防松方法：,摩擦防松机械防松破坏螺旋副运动关系防松,阻止螺旋副相对转动，或增加其难度。,靠摩擦力自锁不可靠，在冲击、震动、变载下会松退。,20,第五章 螺纹联接,双螺母 在螺母和螺栓之间形成附加的内力,1、摩擦防松,特点：结构简单、使用方便可靠性不高用于平稳、低速、重载。,弹簧垫圈 弹力保持一定压力 切口尖端逆向。,特点：结构简单、使用方便放松效果差用于不重要联接。,锁紧螺母 非圆形收口或开槽后径向收口。,特点：结构简单、使用方便放松可靠用于多次拆卸较重要联接处。,21,第五章 螺纹联接,开口销与六角开槽螺母,2、机械防松,特点：结构简单、使用方便放松可靠适用于有较大冲击、振动的高速机械中。,止动垫片,特点：结构简单、使用方便放松可靠,串联钢丝,特点：防松可靠 装拆不便用于螺栓组防松。,22,第五章 螺纹联接,冲点,3、破坏螺旋副防松,特点：放松可靠拆卸后不能再使用,黏合,冲1-1.5倍螺距深中心在小径处冲3-4处冲点可在端或侧面,23,第五章 螺纹联接,55、螺栓组联接的设计,（1）保证联接结合面受力均匀（2）便于加工、装配（3）螺栓受力合理,一、螺栓组联接的结构设计,基本原则,大多数机械中螺栓都是成组使用的,1）接合面采用轴对称的简单几何形状,螺栓的数目及布置,螺栓的尺寸,24,第五章 螺纹联接,2）合理布置螺栓位置,用绞制孔螺栓时：避免在平行外载方向上成排布置8个以上螺栓,螺栓承受弯矩或转矩时：避免螺栓向接合面形心布置,螺栓承受较大横向载荷时：避免直接用普通螺栓联接,25,第五章 螺纹联接,对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距不大于表5-4推荐值。,3）螺栓排列应有合理的间距、边距,螺栓轴线之间、螺栓轴线与机体壁之间距，按扳手空间确定。,26,第五章 螺纹联接,4)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。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。,5)避免螺栓承受偏心载荷,产生偏心载荷的原因,解决方案,27,第五章 螺纹联接,二、螺栓组联接的受力分析,目的：,假设：,（3)受载后联接接合面仍保持为平面。,受力分析的类型：,（2）螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；,找到螺栓组中受力最大的螺栓及所受的力，以进行强度计算（确定其尺寸）。,（1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,转矩,横向载荷,轴向载荷,倾覆力矩,28,第五章 螺纹联接,（1）铰制孔螺栓联接,根据预紧后接合面的摩擦力必须大于等于横向载荷,1受横向载荷的螺栓组联接,每根螺栓受的剪切力F均为：,（2）普通螺栓联接,设每根螺栓受的预紧力均为F0：,F0,对接合面是压力对螺栓是拉力,防滑系数：1.1 1.3,螺栓总数,接合面数,29,第五章 螺纹联接,2受转矩的螺栓组联接,假设：,（1）铰制孔螺栓,底板受载仍为平面 螺栓的剪切变形量与r成正比 各螺栓剪切刚度相同,故剪切力与r成正比：,螺栓组中的最大剪切力Fmax为：,30,第五章 螺纹联接,2受转矩的螺栓组联接,（2）普通螺栓,则每根螺栓的预紧力F0为：,设每根螺栓受的预紧力均为F0,31,第五章 螺纹联接,3受轴向载荷的螺栓组联接,则：,螺栓预紧力,每根螺栓的工作载荷,F2=F0+F,拧紧螺栓，施加预紧力,内部产生压力，施加工作载荷,实际上是总的外载荷分配到每个螺栓处的等效载荷。,讨论：,（1）工作载荷F的实质？,（2）工作载荷是否作用在螺栓上的全部载荷（称总拉力F2）？,显然不是。那F2是多少？,下面研究单个螺栓的受力变形过程。,32,由联接的变形协调条件 m=b=,第五章 螺纹联接,（1）螺母未拧紧,（2）螺母已拧紧,（3）已承受工作载荷,残余预紧力,故：F2=F+F1,Cb螺栓刚度,Cm被联接件刚度,33,第五章 螺纹联接,螺栓相对刚度：金属垫片，皮革0.7，铜皮石墨0.8，橡胶0.9,残余预紧力：防止接合面受载后产生缝隙。有密封要求联接：F1=(1.5-1.8)F一般联接：F1=(0.2-0.6)F（F稳定）F1=(0.6-1.0)F（F不稳定）地脚螺栓：F1F,34,第五章 螺纹联接,前面研究了螺栓预紧后，受向上的轴向工作载荷时的力与变形情况。,现研究螺栓预紧后，受向下的轴向工作载荷时的力与变形情况。,35,第五章 螺纹联接,4.受倾覆力矩的螺栓组联接,假设,底板为刚体 各螺栓刚度相同,工作载荷及分布,（1）求工作载荷,36,第五章 螺纹联接,（2）螺栓与地基的力与变形图,右边,左边,37,第五章 螺纹联接,（3）地基应力分布及校核,(防止结合面出现间隙),(防止结合面被压碎),其中：,38,第五章 螺纹联接,56、螺纹联接的强度计算,单个螺栓的强度计算,：塑性变形或断裂,：压溃或剪断（绞制孔螺栓）,经常装拆因磨损而发生滑扣,失效形式,上一节，通过受力分析，可获得螺栓组中受力最大的单个螺栓的受力状态及大小,失效原因,过载（10%）,疲劳（90%）,疲劳断裂部位：截面积较小、应力集中部位,计算最小直径,39,第五章 螺纹联接,（一）松螺栓联接的强度计算,松螺栓联接：螺母不拧紧，承载之前螺栓不受力,失效形式：螺栓拉断(静、疲劳),（设计公式）,设计准则：保证螺栓拉伸强度,（验算公式）,40,第五章 螺纹联接,（二）紧螺栓联接强度计算,1.仅受预紧力的紧螺栓联接,螺栓预紧时：,即工作载荷施加前后，螺栓预紧力不改变。,受扭矩T受拉力F0,剪应力,拉应力,第四强度理论,M10-M64:0.5,前已求出,41,第五章 螺纹联接,2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接,F2=F1+F,前已求出,如前：螺栓预紧时,假设F2也由拧紧螺母产生,静强度计算,42,第五章 螺纹联接,疲劳强度计算,工作载荷F是交变载荷：0 F,螺栓载荷也F2是交变载荷：F0 F2,应力幅值,详见p85,43,第五章 螺纹联接,3.受工作剪力的紧螺栓联接,受载情况：拧紧过程中预紧力小，只考虑横向工作载荷F。,失效形式：侧面压溃及螺杆剪切,螺杆的剪切强度条件:,螺栓与孔壁的挤压强度条件：,螺栓或孔壁材料两者较小的许用挤压应力,44,第五章 螺纹联接,57、螺栓的材料和许用应力,（一）螺纹联接件材料,螺母螺栓：,特殊用途(防磁、导电):特殊钢、铜合金、铝合金等。,性能等级：,15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢（冲击振动场合）,垫 圈：,Q215、Q235、35、45等碳素钢（一般场合）,Q235、15、35（普通）；65Mn（弹簧垫圈）,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级：,B/100,10s/B,螺母的性能等级分为 7级:,粗略表示min/100,材料：,45,第五章 螺纹联接,（二）螺纹联接件的许用应力,螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧联接)、材料、结构尺寸有关。,许用拉应力：,许用剪应力：,（被联接件为钢）,（被联接件为铸铁）,S、S,、Sp-安全系数，其取值见表5-10,许用挤压应力：,46,第五章 螺纹联接,47,第五章 螺纹联接,5-8 提高螺栓连接强度的措施,（一）降低螺栓受到的交变应力幅,措施1：降低螺栓刚度,48,第五章 螺纹联接,措施2：提高被连接件刚度,49,第五章 螺纹联接,（二）改善螺纹牙载荷不均现象,由于螺栓和螺母刚度及变形性质不同，各圈螺纹牙受力不同,厚螺母不能提高刚度,50,第五章 螺纹联接,（三）减少应力集中的影响,（四）采用合理的制造工艺方法,采用冷镦螺栓头部、滚压螺纹段的工艺，及氮化、喷丸等处理工艺。,冷作硬化,金属流线走向合理,冷镦滚压工艺可提高疲劳强度30%-40%，热处理后滚压70%-100%。,51,第五章 螺纹联接,题520：两根梁用8个4.6级普通螺栓与两块钢板相联接，F=28KN，f=0.2，控制预紧力，确定螺栓直径。,分析：,受力状态：,F0确定：由摩擦力大于F定；,d0确定：由强度条件,解:设每根螺栓预紧力F0,4.6级：s=240 MPa,表5-10：S=1.3,=s/S=240/1.3=184.6 MPa,查表：用M16螺栓,螺栓组的受力分析一节，属受横向力的螺栓组联接；,在强度计算一节，属仅受预紧力的紧螺栓联接；,52,第五章 螺纹联接,分析：,受力状态：,螺栓组的受力分析一节，属受转矩的螺栓组联接；,在强度计算一节，属仅受预紧力的紧螺栓联接；,解:设每根螺栓预紧力F0,4.6级：s=240 MPa,表5-10：S=1.3,=s/S=240/1.3=184.6 MPa,查表：用M14螺栓,53,第五章 螺纹联接,分析：,受力状态：,螺栓组的受力分析一节，属受转矩的螺栓组联接；,在强度计算一节，属受剪力的紧螺栓联接；,解:查表：d0=13;推荐Lmin1.25d0，取Lmin=17,螺栓8.8级：s=640 MPa,S=2.5,Sp=1.25HT200：B=200 MPa,Sp=2.5,每根螺栓受剪切力F,强度足够,54,第五章 螺纹联接,表5-4：要求t07d设计成功,分析：,受力状态：,螺栓组的受力分析中，属受轴向载荷的螺栓组联接；,在强度计算中，属受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接；,F2确定：F2=F1+F,解:初定Z=8,本题的设计包含两层含义,55,THE END,