螺栓组联接的受载类型.ppt

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1、第五章 螺纹联接与螺旋传动,5-1 螺纹,5-2 螺纹联接,5-3 单个螺栓联接的强度计算,5-6 螺旋传动,5-5 提高螺栓联接强度的措施,5-4 螺栓组联接受力分析与计算,5-0 引言,引言,5-0 引 言,由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此联接。机械零件之间的联接分为：,被联接件之间相互完全固定。,被联接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。,本课程介绍的联接主要是静联接。,联接的类型：,5-1 螺纹,5-1 螺纹,一、螺纹的主要参数,大径d 是螺纹的公称直径。,小径d1常用于强度计算。,中径d2常用于几何计算。,螺距P 相邻两螺纹牙上对应点 间的轴

2、向距离。,导程 S 沿螺纹上同一条螺旋线 转一周所移动的轴向距离，S=nP。,线数 n 螺纹的螺旋线数目。,牙型角a在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。,牙型斜角在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂 线之间的夹角。,螺纹的类型,螺纹升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。,螺纹,二、螺纹的类型,常用右旋,此外，还有 管螺纹：主要用于管路的联接。,效率低，易自锁，多用于联接。,详细介绍,1、矩形螺纹,正行程拧紧螺母所需的驱动力矩为：,螺旋副的受力分析、效率和自锁,一、受力分析,斜面机构,2、斜面机构受力分析,滑块沿斜面等速上升（正行程）,滑块1受力：,水平驱动力F,载荷G,反力F

3、R21,滑块在三力作用下等速上升，则有：,滑块沿斜面等速下降（反行程）,滑块1受力：,载荷G（此时为驱动力）,阻力F,滑块在三力作用下等速下降，则有：,螺旋副的受力分析、效率和自锁,1、矩形螺纹,正行程拧紧螺母所需的驱动力矩为：,反行程放松螺母所需的平衡力矩为：,螺旋副的受力分析、效率和自锁,一、受力分析,3、非矩形螺纹 0,矩形螺纹：,非矩形螺纹：,fV-当量摩擦系数,V-当量摩擦角,正行程,反行程,或,螺旋副的受力分析、效率和自锁,正行程,反行程,二、螺纹副的自锁,时，T为阻力矩，阻止螺母加速松退；时，T为驱动力矩，松动螺母所需外加的驱动力矩。,反行程自锁条件：,螺旋副的受力分析、效率和自

4、锁,正行程,反行程,二、螺纹副的自锁,反行程自锁条件：,螺旋副的受力分析、效率和自锁,温故知新,一、受力分析,三、螺纹副正行程的效率,定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：,当v一定时，在=45v/2 处效率曲线有极大值。,对于传动螺旋，一般取：,对于联接螺纹，必须取：,v,=5.7,v,25,f v=tanv=0.1,定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：,螺旋转动一圈时，有效功为Gl,输入功为2T。,螺旋副的受力分析、效率和自锁,5-2 螺纹联接,5-2 螺纹联接,一、螺纹联接的基本类型,螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺纹联接件。在机械制造中常用螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时

5、可以根据有关标准选用。,虚拟现实中的螺纹联接件,螺纹联接的拧紧,螺纹联接,二、螺纹联接的拧紧,大多数螺纹联接在装配时就已经拧紧，称之为预紧。预紧使联接中的零件所受的力称为预紧力，用 F表示。,预紧的目的：增大联接的刚性；提高紧密性；防松。,预紧力的控制：,通常，通过控制拧紧力矩 M 来控制预紧力。,预紧力和预紧力矩之间的关系：,注意：对于重要的联接，尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,可采用测力矩扳手或定力矩扳手控制拧紧力矩。对于重要的螺栓联接，也可以通过控制螺栓的伸长量来控制预紧力。,纹联接的防松,螺纹联接,三、螺纹联接的防松,螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变

6、载荷作用下，或在温度变化较大的情况下，螺纹联接可能会产生松脱现象。,防松的本质在于防止螺旋副相对转动。,按工作原理的不同，防松方法分三类：,（详见表53）,5-3 单个螺栓联接的强度,5-3 单个螺栓联接的强度计算,本节以螺栓联接为代表，讨论强度计算问题，其方法和结论也适用于其他形式的螺纹联接。,螺栓联接强度计算的目的是：确定防止失效所需的螺栓直径。,联接的强度计算内容，根据其可能的失效形式而定。,螺纹联接的受载形式基本分为：,采用受拉螺栓,可用受剪螺栓，也可用受拉螺栓。,下面按螺栓类型和受载形式的不同，分别讨论其强度计算方法。,一、受剪螺栓联接的强度计算,受剪螺栓的强度,2）螺栓杆与孔壁的挤

7、压强度条件为：,1）螺栓杆的剪切强度条件为：,式中：Fs螺栓所受的工作剪力（N）；ds螺栓剪切面的直径（mm）；m螺栓受剪面数；螺栓的许用切应力，见表59。,单个螺栓联接的强度计算,式中：h计算对象（即 最小者）的挤压面高度（mm）；计算对象的许用挤压应力（Mpa)，见表59。,受拉螺栓的强度,单个螺栓联接的强度计算,二、受拉螺栓联接的强度计算,1.松螺栓联接的强度计算,工作中，松螺栓只受工作拉力 F。,强度条件为：,式中：d1螺纹小径（mm）；螺栓的许用拉应力（Mpa)。,实例,仅受预紧力的螺栓联接,单个螺栓联接的强度计算,2.紧螺栓联接的强度计算,1）仅受预紧力 F的紧螺栓联接,这种联接在

8、拧紧的瞬间最危险，此时：,F引起的拉应力：,按第四强度理论计算当量应力，则,承受轴向载荷的紧螺栓联接,强度条件为：,单个螺栓联接的强度计算,设计式为：,2）承受轴向载荷的紧螺栓联接,如右图所示的气缸盖上的联接即属此种类型。,虽然，这种螺栓是在受预紧力F的基础上，又受工作拉力F。但是，螺栓的总拉力,。为什么？,承受轴向载荷的紧螺栓2,预紧时,受工作载荷后,F剩余预紧力,螺栓的总拉力为,单个螺栓联接的强度计算,承受轴向载荷的紧螺栓3,可用载荷变形图分析各力之间的关系。,则螺栓的总拉力,或写成：,受力变形动画,单个螺栓联接的强度计算,承受轴向载荷的紧螺栓4,单个螺栓联接的强度计算,为保证联接的紧密性

9、，应使 F 0。通常根据工作拉力 F 的性质确定F。（见教材P88）,a)静强度计算（F 不变化时）,注：式中“1.3”考虑的是工作中可能的补充拧紧引起的切应力的影响。,螺纹联接件的许用应力1,b)疲劳强度计算（F变化时）,当工作拉力在 0F 之间变化时，螺栓的总拉力在 之间变化。则螺栓的应力幅,强度条件,单个螺栓联接的强度计算,三、螺纹联接件的许用应力,螺栓、螺钉、螺柱性能等级示例：，,（见表55）,a)静强度计算的许用拉应力,式中：S安全系数。,螺纹联接件的许用应力2,b)疲劳强度计算的许用应力幅,c)受剪螺栓联接的许用应力，见表59。,单个螺栓联接的强度计算,5-4 螺栓组联接受力分析,

10、目的：求出螺栓组中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。,5-4 螺栓组联接受力分析与计算,一、承受轴向载荷 时,当 通过螺栓组形心时，各螺栓所受的工作载荷 相等。,则,注：如 不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。,螺栓组联接的基本受载类型有四种：,螺栓组联接的受载类型,螺栓组联接的受载类型,螺栓组联接的基本受载类型：,受横向载荷1,二、受横向载荷 时,1）用受拉螺栓,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

11、组联接受力分析与计算,受横向载荷2,2）用受剪螺栓,通过螺栓组形心时，在前述假设下，各螺栓承受的横向力 相等。则,注：a)不通过螺栓组形心时，向形心平移后再计算。,b)沿 方向上的受剪螺栓个数不宜过多。,螺栓组联接受力分析与计算,承受转矩 T 时1,三、承受转矩 T 时,1）用受拉螺栓,靠结合面上的摩擦力承受T。,式中：、见教材 P94。,螺栓组联接受力分析与计算,承受转矩 T 时2,2）用受剪螺栓,螺栓组联接受力分析与计算,在前述假设下，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,受翻转力矩M时1,螺栓组联接受力分析与计算

12、,四、受倾翻力矩 M 时,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。,即,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作拉力,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：,螺栓组联接受力分析与计算,注：实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。,实例,螺栓组联接受力分析与计算,例：如图所示的支架受 F 力。,将 F 力分解并向螺栓组形心及结合面平移，得：,设计中，需要防止如下四种可能的失效形式：,上沿开缝；,下沿压溃,支架下滑；需要足够大的。,螺栓

13、拉断；需要足够大的螺栓直径。,5-5 提高螺栓强度的措施,5-5 提高螺栓联接强度的措施,可从以下几个方面提高螺栓的强度。,4）采用合理的制造工艺。,2）减小螺栓的应力幅。,3）减小附加弯曲应力。,1）改善各螺纹牙受载不均的现象。,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。见图534。,（）,冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度。,螺纹联接组的设计1,螺栓组联接的设计,在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。,为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都

14、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。,螺栓的排列应有合理的间距、边距。,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。,避免螺栓承受附加的弯曲载荷。,说明,说明,说明,一、螺栓组联接的结构设计,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间。,大多数机械中螺栓都是成组使用的。,螺纹联接设计实例1,如图所示，已知水平力PH=20 kN，普通螺栓的数目Z=10，螺栓的相对刚度系数KC=CL/(CL+CF)=0.7，结合面间的摩擦系数fc=0.2，可靠性系数Kn=1.2，螺栓材料许用拉应力=100 N

15、/mm2，其余尺寸如图所示。1)求保证联接不滑移所需的预紧力Qp；2)受载最大的螺栓的总拉力Q;3)求螺栓最小直径d1。,1：,2：,3：,螺纹联接设计实例1,有一受预紧力F0和轴向工作载荷作用的紧螺栓连接，已知预紧力F01000 N，螺栓的刚度Cb与连接件的刚度Cm相等，轴向工作载荷F=1000N，试计算该螺栓所受的总拉力F2，剩余预紧力F1，在预紧力F0不变的条件下，若保证被连接件间不出现缝隙，该螺栓的最大轴向工作载荷Fmax为多少?,1：,2：,3：,螺旋传动1,螺旋传动,一、螺旋传动的类型和应用,传力螺旋传导螺旋 调整螺旋,螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：,说明,滑动螺旋

16、滚动螺旋 静压螺旋,说明,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。,螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型:,螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。,螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动，螺母移动或螺母固定，螺杆转动并移动。,螺旋传动2,螺旋传动,二、滑动螺旋的结构和材料,1滑动螺旋的结构,整体螺母,组合螺母,剖分螺母,螺母结构:,滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。,螺杆的材料要有足够的强度和耐磨性。

17、螺母的材料除了要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料相配合时摩擦系数小和耐磨。,2滑动螺旋的材料,说明,螺旋传动3,螺旋传动,三、滑动螺旋传动的设计计算,主要失效形式:螺牙的磨损,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：,螺旋传动4,螺旋传动,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，,螺旋传动5,螺旋传动,3螺母螺牙的强度计算,螺牙上的平均压力为：F/u,4螺母外径与凸缘的强度计算,5螺杆的稳定性计算,详细说明,详细说明,对于支撑螺母，需要校核螺母本体的强度。,对于长径比较大的受压螺杆，需要校核压杆的稳定性，要求螺杆的工作压力F要小于临界载荷Fcr,其危险截面 a a 的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为：,