《螺纹联接设计》PPT课件

91螺纹,92螺旋副的受力分析、效率和自锁,93螺纹联接的基本类型,94螺纹联接的预紧和防松,95螺纹联接的强度计算,96螺栓组的结构设计,97提高螺栓联接强度的措施,98螺旋传动,99键联接和花键联接,910销联接,第九章螺纹联接设计,一、螺纹的形成,91螺纹,螺旋线-一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。,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，就得到螺纹。,螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,螺纹的牙型,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,一般:n4,双线螺纹,单线螺纹,S=2P,S=P,n线螺纹:S=nP,潘存云教授研制,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,联接螺纹传动螺纹,螺旋传动,联接螺纹,传动螺纹,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹多线螺纹,外螺纹内螺纹,联接螺纹传动螺纹,圆柱螺纹圆锥螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,三角形螺纹,普通螺纹=60,管螺纹=55,普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。,粗牙螺纹应用最广,细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，,缺点：不耐磨易滑扣。,应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。,二、机械制造常用螺纹,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁=55）,用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁=55）,60圆锥管螺纹,公称直径-管子的公称通径。强调与普通螺纹不同,非螺纹密封的管螺纹,梯形螺纹：,为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。,锯齿形螺纹:,=15,=3,粗牙普通螺纹的基本尺寸见P135表10-1后面有图,螺纹的基本尺寸：,细牙普通螺纹的基本尺寸见P136表10-2,梯形螺纹的基本尺寸见P136表10-3,表9-1直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸mm,标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),表9-3梯形螺纹基本尺寸mm,标记示例：Tr48X8(梯形螺纹，直径48，螺距8),潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁=55）,用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁=55）,60圆锥管螺纹,公称直径-管子的公称通径。强调与普通螺纹不同,非螺纹密封的管螺纹,(3)中径d2也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,(1)大径d与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,(2)小径d1与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。,(4)螺距P相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,(5)导程S,(6)螺纹升角中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,(7)牙型角轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。,牙侧角,S=nP,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P,三、螺纹的主要几何参数,tg=F/Fn,螺纹的拧松-螺母在F和Fa的联合作用下，顺着Fa等速向下运动。,螺纹的拧紧-螺母在F和Fa的联合作用下，逆着Fa等速向上运动。,一、矩形螺纹=0,92螺旋副的受力分析、效率和自锁,展开中径d2圆柱面得一斜面.,螺旋副在轴向载荷Fa作用下相对运动，可看作在中径的水平力F推动滑块(重物)沿螺纹运动,F-水平推力,Fn-法向反力,Fa-轴向载荷,F=fFn-摩擦力,f-摩擦系数,FR-总反力,=tg-1f-摩擦角,=fFn/Fn,=f,定角-由材料确定,FR,滑块在F、FR、Fa三力作用下处于平衡状态,d2,作力多边形,得：F=Fatg(+),驱动力矩：,列出力平衡方程：,FRFa=+,FR=(1+f)Fn,Fa-阻力，F-驱动力，,当螺纹拧紧(滑块上升)时：,F-摩擦力,沿斜面朝下。,当螺纹拧松(滑块下滑)时：,FRFa=-,滑块在F、FR、Fa三力作用下处于平衡状态,作力多边形可得：,F=Fatg(-),驱动力矩：,列出力平衡方程：,Fa-驱动力，F-阻力，,F-摩擦力,沿斜面朝上。,若，则T为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；,若，则T为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。,提问：当时，若没有力矩T，螺母在Fa的作用下会运动吗？,不会！,-这种现象称为自锁。,引入参数f和就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。,滑块上升：,滑块下降：,非矩形螺旋的自锁条件：,对于联接螺纹必须满足自锁条件,定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：,当一定时，效率只是螺纹升角的函数，由此可以绘出效率曲线.,当一定时，在=45-/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：,升角过大,制造困难，且效率增高也不明显。,=5.7,=(0.30.5)d;,变载荷l1=0.75d;,冲击载荷或弯曲载荷l1d;,铰制孔用螺栓l10;,螺纹伸出长度a=(0.20.3)d;,螺栓轴线到边缘的距离e=d+(36)mm,用于经常拆装易磨损之处。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、螺纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,螺钉联接,座端拧入深度H，当螺孔材料为：,双头螺柱联接联接件厚，允许拆装。,钢或青铜H=d;,铸铁H=(1.251.5)d,铝合金H=(1.52.5)d,螺纹孔深度H1=H+(22.5)P;,钻孔深度H2=H1+(0.51)d;,参数l1、e、a与螺栓相同,结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。,93螺纹联接的基本类型,潘存云教授研制,一、螺纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,螺钉联接,双头螺柱联接,紧定螺钉联接,93螺纹联接的基本类型,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺栓的结构形式,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,双头螺柱,螺栓,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,潘存云教授研制,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹联接,T型螺栓,二、螺纹紧固件,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有六十余种不同结构的螺母,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹联接,潘存云教授研制,其它螺母：,其它螺母：,其它螺母：,垫圈,平垫圈,薄平垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。,93螺纹联接的预紧和防松,预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。,预紧的目的：增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。,预紧力的确定原则：拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%。,一、螺纹联接的预紧,一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。,碳素钢螺栓：,Qp(0.60.7)sA1,合金钢螺栓：,Qp(0.50.6)sA1,A1-危险截面积，A1d21/4,拧紧力矩,T1克服螺纹副相对转动的阻力矩；,T2克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；,设轴向力为Fa或预紧力（不受轴向载荷）,fc摩擦系数。无润滑时取：fc=0.15,rf支撑面摩擦半径。rf=(dw+d0)/4,简化公式：适用于M10M60的粗牙螺纹，f=0.15,fc=0.15,T0.2Fad,Fa是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，应取：,总力矩：,注意：对于重要的联接，应尽可能采用M12的螺栓。,潘存云教授研制,测力矩扳手,预紧力控制方法:,联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。,定力矩扳手,通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。,1)凭手感经验；,2)测力矩扳手；,3)定力矩扳手；,4)测定伸长量。,潘存云教授研制,联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松，即防止相对转动。,防松的方法：,1.利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,二、螺纹联接的防松,防松-防止螺旋副相对转动。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,开口销与六角开槽螺母,串联钢丝,2.采用专门防松元件防松,圆螺母用止动垫圈,潘存云教授研制,止动垫圈,3.其他方法防松,涂粘合剂,95螺纹联接的强度计算,螺栓联接的主要失效形式：,滑扣因经常拆装,受拉螺栓,塑性变形螺纹部分,疲劳断裂,受剪螺栓,剪断,压溃螺杆和孔壁的贴合面,经常拆卸,断裂,-轴向变载荷,潘存云教授研制,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,一、松螺栓联接强度计算,强度条件：,式中:d1-螺纹小径mm，许用应力,二、紧螺栓联接强度计算,力除以面积,设计公式：,装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。,1.仅承受预紧力的紧螺栓强度,2.受轴向载荷的紧螺栓联接,3.承受工作剪力的紧螺栓联接,装配时不须要拧紧,螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。,拉应力：,1.仅承受预紧力的紧螺栓强度,扭转切应力：,对于M10M64的普通钢制螺纹，可取：tgf=0.17，d2/d1=1.04-1.08,tg0.5,得：0.5,分母为抗剪截面系数,计算应力：,由此可见，对于M10M64普通螺纹的钢制紧螺栓联接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。,强度条件：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当承受横向工作载荷时，预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。,C-可靠性系数，常取C=1.11.3,预紧力F0：,f-摩擦系数，对钢与铸铁，取:f=0.10.15,m-结合面数上图m=1,下图m=2,若取f=0.15，C=1.2,m=1,则：,F08F,结构尺寸大,潘存云教授研制,2.受轴向工作载荷的螺栓强度,改进措施：a.采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用,b.采用无间隙的铰制孔螺栓。,设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：,潘存云教授研制,潘存云教授研制,特别注意，轴向载荷：,F2F0+F,加预紧力后螺栓受拉伸长b0,被联接件受压缩短m0,加载F后:,螺栓总伸长量增加为:,总拉力为：,被联接件压缩量减少为：,残余预紧力减少为：F1,很显然:F1F2F3F4F5,10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。,螺母体,均载螺母均载原理,螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。,潘存云教授研制,均载原理相同螺母也受拉,内斜螺母因力的作用点外移可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。,均载元件,悬置螺母,环槽螺母,内斜螺母,内斜螺与环槽螺母,都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同，均为拉伸变形，从而使螺纹牙上载荷分布趋于均匀；,钢丝螺套,加工复杂，仅限于用在重要场合或大型联接。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,支承面不平,三、减小应力集中,1.增大过渡圆角,2.切制卸载槽,四、避免或减小附加应力,采用凸台或沉孔结构,3.卸载过渡结构,要从结构、制造与装配精度采取措施。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,五、采用特殊制造工艺,冷镦头部、辗压螺纹,表面处理：氰化、氮化也能提高疲劳强度。,球面垫圈,采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。,一、螺旋传动的类型和应用,调整螺旋,静压螺旋,类型,运动形式有：,98螺旋传动,螺母固定，螺杆转动并移动,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。,螺杆转动，螺母移动,按用途分,传力螺旋,传导螺旋,滑动螺旋,滚动螺旋,按摩擦性质分,传递动力,传递运动,要求精度高,调整相对位置,调整螺旋,调整螺旋,对螺旋传动的要求:强度足够,耐磨,摩擦系数小.,螺杆材料:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn,螺母材料:ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.,失效形式:磨损通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度，再参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其他失效一一校核。,一、耐磨性计算,校核公式：,影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹接触处的压强。,Fa为轴向力；z为参加接触的螺纹圈数；d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；p为许用压强。,令=H/d2,H为螺母高度,又z=H/P,h=0.5P-梯形螺纹的工作高度h=0.75P-锯齿形螺纹的工作高度。,代入上式得螺纹中径的计算公式：,锯齿形螺纹：,梯形螺纹:,=,1.22.5整体式螺母,2.53.5剖分式螺母,一般取：z10,求得螺纹中径后，应按标准选取相应的公称直径d和螺距P,为了设计方便,二、螺杆强度校核,螺杆在轴向力和扭矩的作用下，产生拉或压应力及扭切应力。,强度校核条件：,为螺杆的许用应力，,d1为螺纹小径；,对碳素钢,=5080MPa,三、螺杆的稳定性校核,细长螺杆受较大轴向压力时，可能失稳，其临界载荷Fc与材料、螺杆长细比=l/i有关。系数含义随后解释,（1）当100时：临界载荷为：,i螺杆危险截面的惯性半径，若危险截面面积A=d12/4,l为螺杆的最大工作长度；,为长度系数，=,2-一端固定，一端自由；,1-两端铰支；,0.75-一端固定，一端铰支；,E为螺杆的弹性模量,对于钢E=2.06105MPa,I-为危险截面惯性距:I=d14/64,（2）当40100时：,对B370Mpa的碳素钢，取:,对B470Mpa的优质碳素钢（如35、40号钢），取:,（3）当40时，不必进行稳定性校核。,稳定性校核的条件：,为稳定性校核的安全系数，取：S=2.54,当不满足条件时，应增大螺纹小径d1。,四、螺纹牙强度的校核,防止沿螺母螺纹牙根部剪断的校核公式为：,b为螺纹牙根部的宽度，b=,0.65P-梯形螺纹;,若对螺杆螺纹牙根部进行校核时，有：,40MPa-铸铁螺母;,=,0.74P-锯齿形螺纹。,3040MPa-青铜螺母。,在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道，其间充以滚珠，这样就使螺旋面的滑动摩擦成为滚动摩擦。,四、滚动螺旋简介,组成：螺杆、螺母、滚珠,返回通道,类型：外循环、内循环,不离开螺旋表面，每圈有一个反向器,优点：1)摩擦损失小、效率在90%以上；,缺点：1)结构复杂、制造困难；,应用实例：飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、数控机床、机器人。,2)磨损很小，传动精度高；,2)有些机构为防止逆转需要另加自锁机构。,潘存云教授研制,99键联接和花键联接,作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的轴向固定或移动。,一、键联接的类型,类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。,1.平键联接,特点：定心好、装拆方便。,种类,普通平键,导向平键,普通平键结构,单圆头(C型),圆头(A型),方头(B型),用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。,用盘铣刀加工，轴的应力集中小。,用于轴端,普通平键应用最广。,导向平键,零件可以在轴上移动，构成动联接。滑移距离较大时，平键过长，制造困难，故可采用滑键。,结构特点：长度较长，需用螺钉固定。,为便于装拆，制有起键螺孔。,表9-7普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79）,A型,B型,C型,标记实例：圆头普通平键(A型):键16100GB1096-79,方头普通平键(B型):键B16100GB1096-79,单圆头普通平键(C型):键C16100GB1096-79,设计：潘存云,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,2.半圆键联接,优点：定心好，装配方便。因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面