《螺纹连接键联接》PPT课件.ppt

第9章 联 接,9-1 总 论 9-2 螺纹联接 9-3 键 联 接,基本要求: 了解螺纹联接的基本知识：类型、特性、标准、结构、应用场合及防松方法等 掌握螺栓联接强度计算方法 了解键联接的主要类型及应用特点 掌握平键联接强度校核计算方法,机械设计基础联接,9-1 总 论,静联接,动联接运动副,机械设计基础联接,与动力 源组合,零件,构件,机构,机器,静联接,动联接,(运动副),可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等,不可拆联接：铆接、焊接、胶接等,联接,9-2 螺纹联接,一、螺纹的主要参数 二、螺旋副力学特性 三、螺纹常用类型 四、螺纹联接件主要类型 五、螺纹联接防松装置 六、螺栓联接的计算 七、螺栓材料和许用应力,机械设计基础联接,一、螺纹的主要参数,1 螺纹形成 螺旋线形成：倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线 螺纹形成：平面图形沿螺旋线形成 三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹 螺旋线的数目(线数):单线、多线,机械设计基础联接,旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋 问题：旋向判断 ？ 粗牙螺纹 一般联接 细牙螺纹 d1大、强度大、自锁性好，常用于变载,联接,传动,螺纹旋向判断,旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋 旋向判断: (1)轴线垂直放，右边高右旋 左边高左旋,机械设计基础联接,(2)右手旋，前进右旋 左手旋，前进左旋,2 主要参数,大径d、D：最大直径公称直径 小径d1：外螺纹的危险剖面直径 强度直径 中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等 计算直径 螺距P：相邻两牙轴向距离 导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S = nP,机械设计基础联接,升角y ：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角 牙型角a ：螺纹两侧边的夹角,d1,D, d,二、螺旋副力学特性,螺旋副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面 螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动 当螺杆和螺母之间受到轴向力Q时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力 1 斜面摩擦 2 槽面摩擦 3 矩形螺纹 4 三角形螺纹 5 螺纹联接的拧紧力矩,机械设计基础联接,1 斜面摩擦,分析使滑块等速运动所需要的水平力 等速上升： 平衡条件： 驱动力： 等速下滑： 平衡条件： 维持力：,自锁条件： 当y r时，F 0，原工作阻力F反向作用，作为驱动力时，滑块才能移动 结论：当 y r 时，滑块自锁,机械设计基础联接,2 槽面摩擦,力分析： 摩擦力：,当量摩擦角：,思考: 与平面摩擦比较？ 结论：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力,机械设计基础联接,3 矩形螺纹,螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动 滑块沿斜面运动 假设：1)载荷分布在中线上; 2)单面产生摩擦力,螺旋升角,拧紧力,拧紧力矩,防松力,防松力矩,自锁条件,y r,效率,机械设计基础联接,4 三角形螺纹,反力 摩擦力 当量摩擦角,Q,机械设计基础联接,拧紧力 拧紧力矩,防松力 防松力矩,三角形螺纹（续）,效 率 自锁条件,Q,y rv,思考： 1. 矩形螺纹和三角螺纹哪一种效率高，宜用于传动？ 2. 矩形螺纹和三角螺纹哪一种易自锁，宜用于联接？,机械设计基础联接,5 螺纹联接的拧紧力矩,目的：防止松动提高可靠性、强度、紧密性 螺母拧紧时预紧力Fs,拧紧阻力矩 T 的大小： ？ 螺旋副间的摩擦力矩 T1 ： 螺母与支承面间摩擦力矩 T2 ：,机械设计基础联接,螺栓,预紧拉力F0,被联接件,预紧压力F0,施加在扳手上的力FT,T1,T2,控制拧紧力矩的扳手,定力矩扳手,测力矩扳手,机械设计基础联接,控制拧紧力臂,选择扳手长度,机械设计基础联接,三、螺纹常用类型,1. 三角形螺纹 (M) 普通螺纹:60，f 大，易自锁 粗牙:牙高, d1小, 大 细牙:牙浅, d1大, 小, 更易自锁 管螺纹:55，紧密 , 无径向间隙 2. 梯形螺纹 (Tr)：30、15 3. 锯齿形螺纹(S)：33、工3 4. 矩形螺纹 ：,联接螺纹：普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制) （小，单线，自锁好） 传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹（小、大，多线，效率高）,机械设计基础联接,四、螺纹联接件主要类型,1 标准螺纹联接件 螺栓 普通螺栓 铰制孔螺栓 双头螺栓 螺钉 联接螺钉 紧定螺钉、自攻螺钉 螺母：六角螺母、圆螺母 垫圈：平垫圈、斜垫圈,螺纹联接件通过组合形成螺纹联接,机械设计基础联接,2 螺纹联接的基本类型,螺栓联接 普通螺栓联接 铰制孔螺栓联接 双头螺栓联接 螺钉联接 螺钉联接 紧定螺钉、自攻螺钉联接 其它联接：地脚螺栓、吊环螺钉,螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择,机械设计基础联接,螺栓联接,普通螺栓联接 特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、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、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便 适用场合：承受横向载荷的场合,机械设计基础联接,双头螺栓、螺钉联接,双头螺栓联接 特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便 适用场合：用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合,螺钉联接 特点：孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便 适用场合：被联接件之一较厚，且不常装拆的场合,机械设计基础联接,紧定螺钉联接,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,机械设计基础联接,其他联接,地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、 T形槽螺栓联接,机械设计基础联接,五、螺纹联接防松装置,问题： 为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？ 静载荷：rv(自锁) + 预紧后摩擦力防止松动 动载荷：摩擦力减小、消失不可靠,螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动 螺纹联接防松的方法按工作原理可分为: 1 摩擦防松 2 机械防松 3 其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）,机械设计基础联接,1 摩擦防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,弹簧垫圈防松、自锁螺母防松、对顶螺母(双螺母)防松,机械设计基础联接,对顶螺母防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,对顶螺母防松,机械设计基础联接,2 机械防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,开口销、止动垫圈、串联钢丝防松,机械设计基础联接,螺栓,开槽螺母,开口销,装配图,止动垫圈防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,机械设计基础联接,串联钢丝防松,机械设计基础联接,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,3 其它：破坏螺纹副关系,焊接,铆冲,机械设计基础联接,六、螺栓联接的计算,松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力 紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力,1 失效形式 2 设计步骤 3 松螺栓联接强度设计 4 紧螺栓联接强度设计 仅受预紧力的紧螺栓联接 受横向载荷的紧螺栓联接 受轴向载荷的紧螺栓联接 受偏心载荷的紧螺栓联接,机械设计基础联接,螺栓组联接,1 失效形式,失效形式： 1. 螺栓杆拉断（普通螺栓） 2. 螺纹压溃和剪断（受剪螺栓） 3. 经常装拆因磨损而发生滑扣,普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂 受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切,机械设计基础联接,2 设计步骤,一般设计步骤： 螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓 单个螺栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）,试算法：先选定一个螺栓直径d 查计算d1。 若d1与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选,机械设计基础联接,3 松螺栓联接强度设计,受载荷形式轴向拉伸(工作拉力F) 失效形式螺栓拉断 (静、疲劳) 设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件： ss 设计计算方法： 校核式 :,设计式:,机械设计基础联接,4 紧螺栓联接强度设计,(1) 仅受预紧力的紧螺栓联接 受载荷形式拧紧后:轴向拉伸(工作拉力Fs) 拧紧过程中:轴向拉伸Fs 、扭力T 失效形式螺栓拉断 (拉、扭综合作用) 设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件： ss 设计计算方法：,校核式 :,机械设计基础联接,拧紧力矩T剪应力,预紧拉力FS拉应力,设计式:,(2) 受横向载荷的紧螺栓联接,受载荷形式工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力 FS作用 （拧紧过程中:轴向拉伸FS 、扭力T） 拧紧后: 预紧力 Fs 失效形式 相同否？,两种情况的工作原理不同！,机械设计基础联接,普通螺栓,铰制孔螺栓,受横向载荷的普通螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸Fs 、扭力T 失效形式螺栓拉断 (拉、扭综合作用) 设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件： ss 设计计算方法：,问题：预紧力Fs应满足的条件?与横向载荷F有何关系？ 依据：被联接件不滑移界面摩擦力F 即：,机械设计基础联接,校核式 :,设计式:,讨论：f=0.2时，FS=?F,受横向载荷的铰制孔螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸Fs 、扭力T(预紧力小，计算时可忽略) 工作时：横向载荷F 失效形式侧面压溃及螺栓剪切 设计准则保证挤压、剪切强度 强度条件： spsp、t t 设计计算方法：,挤压强度： 剪切强度：,机械设计基础联接,讨论：,普通螺栓受横向载荷F时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F 预紧力Fs的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定,f=0.2时，FS=6F 结论： 横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓 宜采用铰制孔螺栓 必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒使用 减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算,机械设计基础联接,(3) 受轴向载荷的紧螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中: 轴向拉伸Fs 、扭力T 工作时，再承受工作载荷F 此时，螺栓所受的总拉力: F0 = FS+F ?,机械设计基础联接,须根据静力平衡方程和变形协调条件求解,受力和变形关系,变形协调条件: l1= lb = l,机械设计基础联接,F0F+FS F0=F+FS,预紧FS,受载F,螺栓,被联接件,拉力FS，伸长l1,压力FS，压缩lb,拉力F0, 伸长l1+ l1,压力FS, 压缩lb -lb,未预紧,未受力、无变形,未受力、无变形,受力变形线图,应变与力关系:,机械设计基础联接,FS：残余预紧力 防止受载后接合面产生缝隙 根据紧密性要求选取，见p203,受轴向载荷螺栓强度计算,螺栓受到的总拉力F0= F+ FS 则螺栓强度计算公式：,机械设计基础联接,校核式 :,设计式:,(4) 受偏心载荷的紧螺栓联接,螺栓受到的总拉力除工作时总拉力外，还附加偏心弯矩作用，螺栓总拉应力大很多 避免受偏心载荷 方法：避免使用钩头螺栓；加工凸台或凹台使支撑面平整,机械设计基础联接,七、螺栓材料和许用应力,材料： 一般用途：低碳钢或中碳钢 (3545及Q235Q275) 重要联接：合金钢（ 40Cr、30CrMnTi ） 国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级： 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9 规则：小数点前数字表示sB/100, 小数点后数字表示10sS/sB 如：5.8级：表示sB=500MPa ，sS=400MPa 许用应力：表9-5,机械设计基础联接,计算螺栓小径时采用试算法来选用,9-3 键联接,一、键联接的分类及结构 二、键的强度校核 三、花键联接,机械设计基础联接,一、键联接的分类及结构,目的： 键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩（静联接），或实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接 ） 它是标准件 分类：,机械设计基础联接,键联接,松联接,紧联接楔键（静联接，单向轴向固定）,平键,半圆键 （静联接）,普通平键 （静联接）,导向平键 （动联接）,花键,1 松联接,（1）平键联接 结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合, 动联接为间隙配合), 上端面与轮毂键槽底面有间隙 工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩,失效形式: 静联接：工作面挤溃，键剪断 动联接：工作面磨损 特点：结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛 成对使用: 承载能力不够时采用, 按 180布置两个键。一对平键按1.5 个键计算,机械设计基础联接,平键分类,普通平键 (圆头)型：立铣刀，键定位好，轴应力集中大 (平头)型：盘铣刀，轴向键无定位，应力集中小 (单圆头)型：立铣刀加工，用于轴端,导向平键 键固定于轴上, 滑移距离小,机械设计基础联接,(2) 半圆键联接,结构: 工作原理: 两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩 构造与加工: 键: 用圆钢切制或冲压后磨削 键槽: 盘状铣刀加工,失效形式: 键剪断, 工作面压溃 特点: 便于安装, 对中好, 用于锥形轴端, 但对轴削弱大 成对使用: 承载能力不够时用, 沿同一母线布置,机械设计基础联接,2 紧联接,楔键联接 结构: 键侧与键槽有间隙 , 上下面楔紧 工作原理: 上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩 方头楔键、钩头楔键、圆头楔键,失效形式: 工作面压溃 特点: 简单, 且可实现轮毂在轴上单向轴向固定 楔紧产生偏心, 对中性差, 不适于高速及对中要求高的场合,机械设计基础联接,二、键的强度校核,1 键的选择 键是标准零件 材料多采用碳素钢 键的类型选择根据使用要求和工作条件: 转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性