机械设计课件螺纹联接设计教学课件.ppt

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1、螺纹联接,联接概述螺纹联接概述螺纹联接的拧紧与防松单个螺栓的受力分析 与强度计算螺纹组受力分析与讨论提高螺纹联接强度的措施,1 螺纹联接,联接分类,一、螺纹的形成 将一倾斜角为的直线绕于圆柱体上形成一螺旋线。取一平面图形使它沿螺旋线运动(保持图形通过圆柱体的轴线)。,二、螺纹基本知识,大径d：公称直径。M20d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：牙厚=牙间宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2,螺距p：相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离。,线数n：n=1时用于联接；n1时用于传动；n，但为便于制造n4,牙形角：螺纹牙两侧面夹角。,1、螺纹的主要参数,中径

2、升角：,导程s：同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。,牙侧角:螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角。对于对称牙型/2(如三角螺纹),s=np,2、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）。,螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。,(一）、矩形螺纹(=0)1.等速上升,Ft,F,FR,Ft=F tg(+),三、螺旋副的受力分析、效率和自锁,+,t,t,t,2.等速下滑,Ft:是用来维持滑块等速下滑的支持力,t,t,Ft=F tg(-),3.螺旋副自锁的条件：,，F 0,当 时，无论F多大，滑块不会自动下滑的现象，称为螺旋副的

3、自锁。自锁条件是：,Ft=F tg(-),(二)、非矩形螺纹(如三角、梯形和锯形螺纹)1.受力分析：摩擦阻力：fFn=fF/cos=(f/cos)F=f Fa 等速上升,Ft=Ftg(+v)等速下滑,Ft=F tg(-v),F,F,F=Fn,Fn=F/cos,f:当量摩檫系数v：当量摩檫角,，,2.自锁 v,（三）、螺旋副的效率：螺旋副的效率是有效功与输入功之比。v一定时，=f()。取d/d=0,得=45-v/2时,效率最高。一般 25(过大制造困难,且对提高不显著)。,驱动力矩 T=Ftd2/2=Ftg(+v)d2/2,例1 已知：一普通螺栓，d=20mm，d2=18.736mm，d1=17

4、.294mm，P=2.5mm，n=2，=60，f=0.14。求：s？举升重物的效率？有无自锁性？解：,S=np=2*2.5=5mm,%,有自锁性,例2:试证明有自锁性的螺旋传动，其效率恒小于50%。,自锁：,解：,（四）、影响效率和自锁性能的几何因素,1.线数越多，螺距越大，升角越大，效率越高。,3.在螺旋传动中，应采用多线、大螺距的螺纹，以提高传动效率。4.在螺纹联接中，应采用单线、小螺距的螺纹，以提高自锁性能。,2.升角越大，自锁性能越差。,自锁v,5.牙型斜角越大，则当量摩擦角越大，效率越低，自锁性能越好，所以在螺旋传动中，为了提高效率，采用牙型斜角小的螺纹，如矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形

5、螺纹。6.在螺纹联接中，为了提高自锁性能，应采用牙型斜角大的螺纹，如三角形螺纹。,自锁 v,（五）机械制造常用螺纹一、三角螺纹,普通螺纹,用于紧固联接,牙型角60的三角形米制螺纹。大径d为公称直径。,粗牙：一般情况下使用。,d相同，p小，小，自锁性好，d1大，强度高，但不耐磨，易滑扣。用于变载荷场合。,细牙：,课堂练习,一、查出下列螺栓的螺距、大径、中径及小径：M10、M101、M12、M121.5、,管螺纹,用于紧密联接,英制螺纹，公称直径是管子的孔径。,55圆柱管螺纹:,55圆锥管螺纹,60圆锥管螺纹,普通细牙管螺纹,用于水、煤气、润滑管路系统中。,用于高精密密封处，不用填料、旋合迅速。,

6、标记：M24 粗牙普通螺纹 d=24 P=3 M24*1.5 细牙普通螺纹 d=24 P=1.5,三、梯形螺纹,四、锯齿形螺纹,=3，效率比梯形螺纹高，但只能承受单方向轴向力。,=15，比矩形螺纹易切削,用于传动 三角,标记：Tr48*8 梯形螺纹 d=48 P=8,二、矩形螺纹=0，效率高，制造困难，牙 根强度弱。,四、螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,一、螺纹连接的基本类型,螺栓连接双头螺柱连接螺钉连接紧定螺钉连接,螺栓连接,普通螺栓连接 螺栓杆与被连接件孔壁之间有间隙。通孔加工精度低，成本低，应用最广。,铰制孔用螺栓连接 螺栓杆与被连接件孔壁之间无间隙。孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合(H7

7、 m6、H7n6)，能精确定位，能承受横向载荷，被连接件需钻孔、铰孔，成本高。,双头螺柱连接,螺杆两端无钉头，但均有螺纹，被连接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适用于常拆卸而被联接件之一较厚的场合。,螺钉连接 被连接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。适用于载荷较轻，且不经常装拆的场合。,紧定螺钉连接,利用拧入被连接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面，以固定零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩。,1 螺纹联接设计,一、螺纹联接的设计任务,1、结构设计,2、参数设计：确定螺纹联接件的尺寸（d）,螺纹联接的类型,螺栓的分布,（1）一般都将接合面设计成对称的简单几

8、何形状。,二、螺纹联接的结构设计,目的：合理确定螺栓组的布置形式 及接合面的几何形状；,（2）螺栓的数目，应取为3、4、6、8等易于等分的数目，以便于加工。,（3）同一组螺栓均采用同样的材料和规格尺寸.（4）螺栓布置要有合理的距离。在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁之间、螺栓相互之间的距离，要根据扳手活动所需的空间大小来决定。,扳手空间,（5）避免承受附加弯曲应力。可采用斜垫圈、凸台、沉孔。,（6）要有可靠的防松装置,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,冲击、振动、变载荷下,温度变化较大时,对顶螺母,3、防松方法,防止螺旋副相对转动。,按防松原理不同，分为三类：,

9、a）摩擦防松,自锁螺母,弹簧垫圈,开口方向：斜向右下方,正确,不正确,注意金属丝穿入方向,串联金属丝,c）破坏螺纹副关系,冲点 粘合,焊接,三、螺栓的材料和许用应力,螺栓的常用材料为低碳钢或中碳钢Q215、Q235、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹连接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力学性能较高的合金钢。这些材料的力学性能见P251表10-5。螺纹联接的许用应力及安全系数见表10-6和表10-7。选材时，应使螺母材料的强度不低于螺栓材料的强度，不至于发生螺母脱扣。,性能等级,1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、,或smin=(68)10=480MPa,2

10、、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。,四、螺纹联接的参数设计,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,1、松联接,如：起重滑轮螺栓,仅受轴向工作拉力F,强度条件：,MPa 校核式,式中：d1危险截面小径,许用应力，=sSs，见表10-5，10-6。,查手册，选螺栓,2、受剪螺栓,假定每个螺栓受载相同，则,工作条件：,1)失效形式：,剪断、接触表面压溃。,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,3)挤压强度条件,h对象受压高度；p许用挤压应力，表10-5，10-7；,3、靠被联接件接合面间的摩擦力承受外载荷的螺栓联接,工作条件：,式中：s 结合面的摩擦系数

11、；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=1.11.3；,当s=0.15,kf=1.2，m=1,z=1时，F=8F。,故靠摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸较大。,若用铰制孔用螺栓联接，Fs=F,a.按F计算：F为螺栓轴向负荷拉应力,b.拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭产生T,对钢制M10M68螺栓：T0.5。,c.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,1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。,例题10-1：,由于承受横向载荷，是紧螺栓连接,材料用Q235钢，S=240MPa，S=3,3、受旋转力矩T的螺栓组联接

12、,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。,摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力,（1）普通螺栓联接,工作条件：,（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？,即Fsi与ri成正比：,或,工作条件：Fs1r1+Fs2r2+Fszrz=T,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：,例 一钢板采用三个铰制孔螺栓联接,下列三个方案哪个最好?,Fmax=F1=F3=,Fmax=F2=,比较：,差,由：,结论：,例、设计图示螺纹联接，螺栓材料为45号钢，性能等级为6.8级：问:1.受拉螺栓?2.受

13、剪螺栓?(P265 10-4),R=Q/2=10000 N,Q,T=R300=3000000 N.mm,R使各螺栓受到横向工作载荷FSR：,FSR=R/4=2500（N）,T也使各螺栓受到横向工作载荷FST，方向与形心连线垂直。,受载最大的螺栓：,二）设计计算,受拉螺栓,由预紧力F产生的摩擦力来传递外载荷FS。,受剪螺栓,45号钢，6.8级,螺栓直径：,横向载荷由螺栓杆与被联件的挤压与剪切传递。,受载最大螺栓的横向载荷为：FS=9014（N）,螺栓直径：,比较,d受拉d受剪,选M30,45号钢，6.8级,横向载荷，用铰制孔用螺栓。,A、基本假定,1、各螺栓刚度相同；2、各螺栓F相同；3、变形在

14、弹性范围内；,4 靠螺栓自身拉伸变形承受载荷的紧螺栓联接,特点：装配时，螺母需拧紧，螺栓受F和T1作用;加载后，,F0=F+F,？,螺栓总拉力：,工作拉力F：,B、变形受力过程：,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。,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。,上述过程还可通过力变形图表示,螺栓刚度：,被联件刚度：,在合并图中：,求总拉力,即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。,讨论：,当F、F一定时，,为螺栓受力,（0，1）,C1减小使

15、用空心螺栓；减小螺栓直径；,C2加大，在被联接件接合面间加装刚性大的垫片,(P128.表10-3）,同理，考虑扭转作用，强度条件为：,校核式,(F按P128.表10-4选取）,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),s,s,o,o,工作条件：,变形协调条件：,其它条件：,左侧不出现缝隙,右侧边缘不压溃,【p】：接合面材料的许用挤压应力,例1、图示底板用8个普通螺栓与支架相连，受外力Q作用，Q作用于 包含X轴并垂直于底板接缝面，试计算此螺栓组联接。,（=30）,解：（一）受力分析,1、受力

16、最大螺栓轴向载荷,a、FV=V/z=2500/8=312.5N（每个螺栓受V作用相同）,b、M作用，离形心越远受力越大,c、最大工作载荷,2、确定螺栓的预紧力,a）保证结合面不滑移,又：,=5662.5N,b、左侧不出现间隙：,C、接合面右侧不压溃：,铸铁：p=60Mpa,螺栓总拉力,3、螺栓直径：,选Q215，性能等级为4.8级。,选M12,3 螺旋传动,一、螺旋传动的组成与功用,组成：螺杆与螺母,功用：将回转运动转变为直线运动,二、螺旋传动的类型和特点,1、螺旋传动按用途，可分为以下三种类型:,1）传动螺旋 用途：传递动力，以小转矩产生 大轴向力，要求自锁 特点：低速、间歇工作，传递轴向力

17、大、自锁,2）传导螺旋机床进给丝杠 用途：传递运动，要求有较高精度 特点：速度高、连续工作、精度高,3）调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。用途：调整和固定零件间的相互位置 特点：是受力较小且不经常转动,2、按传动形式分：a)螺杆转螺母移 b)螺杆又转又移（螺母固定）用得多 c)螺母转螺杆移,3、按照螺纹副的摩擦性质分类,1）滑动螺旋传动,2）滚动螺旋传动,3)静压螺旋传动,优点：结构简单、制造方便、传动平稳、噪声小，自锁。缺点：磨损大、效率低。,优点：摩擦损失比滑动螺旋小，故而效率高；缺点：滚动体需要返回通道，体积大，制造成本高。,优点：传动摩擦损失和磨损都很小，效率很高；缺点：需要有

18、一套油路装置，结构复杂。,螺旋面间注入静压油，为液体摩擦状态。,螺旋面间装有滚动体的螺旋传动，为滚动摩擦状态.,螺杆与螺母直接接触，彼此间为滑动摩擦状态.,螺旋传动3,三、滑动螺旋传动的设计计算,主要失效形式:螺纹牙的磨损，螺杆断裂，螺纹牙根剪断或弯断,设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。,设计方法和步骤：,1耐磨性计算,滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件：,设计公式：令,则得：,z,螺旋传动4,依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。,验算：,若不满足要求，则增大螺距。,对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：,2螺杆的强度计

19、算,对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力：,螺杆的强度条件：,式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩，,T=Ftg(+v)d2/2,3螺母螺牙的强度计算,螺牙上的平均压力为：F/z,其危险截面 a a 的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为：,z,圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低定位精度和可靠性。,4销联接,一、销的基本型式,圆锥销具有1:50的锥度，安装方便，定位精度高。,开尾圆锥销在联接时的防松效果好，适用于有冲击、振动的场合的联接。,端部带螺纹的圆锥销可用于盲孔或拆卸困难的场合；,槽销上有辗压或模锻出的三条纵向沟槽，将槽销打入销孔后，由于材料的弹性使销挤压在销孔中，不易松脱，因而能承受振动和变载荷。,联接销：用于联接，可传递不大的载荷,安全销：安全装置中的过载剪断元件,根据用途不同可分为：,