机械设计8课件CHP05讲解

1、第五章 螺纹联接与螺旋传动 5-1 螺纹 5-2 螺纹联接的类型与标准联接件 5-3 螺纹联接的预紧 5-6 螺纹联接组的设计 5-5 螺纹联接的强度计算 5-8 提高螺纹联接强度的措施 5-7 螺纹联接件的材料与许用应力 5-9 螺旋传动 5-4 螺纹联接的防松 螺纹的类型与特点1 螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。 螺纹 联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接； 传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。 螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。 一、螺纹的分类 螺纹的类型与特点2 二、普通螺纹的主要参数 大径d即螺纹的公称直径。 小径d1常用于联接的强度计算

2、。 中径d2常用于联接的几何计算。 螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的 轴向距离。 牙型角a螺纹轴向截面内，螺纹牙型两 侧边的夹角。 升角y螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线 的平面间的夹角。 线数n螺纹的螺旋线数目。 导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离，S=nP。 升角y的计算式为： 22 arctanarctan d nP d S y 螺纹 联接类型与标准件1 螺纹联接的类型与标准联接件 一、螺纹联接的基本类型 除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。 如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。 说明 联接类型与标准件2 螺纹联接的类型与标准联

3、接件 二、标准螺纹联接件 螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和 尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。 虚拟现实中的螺纹联接件 利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或 定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预 紧力。 纹联接的预紧 螺纹联接的预紧 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。 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。 注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。 预紧力限制 拧紧后螺

4、纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限ss的80%。 v 预紧力： v 预紧的目的： v 预紧力的确定原则： v 预紧力的控制： v 预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT 0 2 . 0详细推导 螺纹联接的防松 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 载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和 摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。 防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松 方法分为摩擦防松、机械防松等。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆 冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。 螺纹联接的强度计算1 螺纹联接的

5、强度计算 螺栓联接的强度计算主要与联接的装配 情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。 螺栓联接强度计算的目的是根据强度条 件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及 其他各部分尺寸均按标准选定。 一、松螺栓联接强度计算 二、紧螺栓联接强度计算 1仅受预紧力的紧螺栓联接 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 联接的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。对于受拉螺栓，其失效 形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。对于受剪螺栓，其失效 形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。 详细推导 65% 20%15% s s 4/ 2 1 d F 螺纹联接的强度计算

6、2 螺纹联接的强度计算 1仅受预紧力的紧螺栓联接 2 1 0 4 d F s预紧力引起的拉应力： s y 5 . 0 16 2 )tan( 3 1 2 v0 d d F螺牙间的摩擦力矩引 起的扭转剪应力： s s 2 1 0 ca 4 3 . 1 d F 强度条件： 当联接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0Ff（f=0.2），即 F05F ，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加， 可采用减载措施。说明 sss3 . 13 22 ca 根据第四强度理论， 螺栓在预紧状态下的 计算应力: F0 F0 F F 螺纹联接的强度计算3 螺纹联接的强度计算 2受轴向载荷的紧螺栓联接 F D

7、 D p 螺栓预紧力F0后，在工作拉力F 的作 用下，螺栓的总拉力F2 = ? FFF 12 s s 4/ 3 . 1 2 1 2 ca d F F CC C FF mb b 02 这时螺栓的总拉力为： 为使工作载荷作用后，联接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓 联接的预紧力F0为： F CC C FF mb m 10 静强度条件： 式中F1为残余预紧力，为保证联接的紧密 性，应使 F1 0，一般根据联接的性质确定F1的大小。 式中： mb b CC C 为螺栓的相对刚度，其取值范围为 01。 详细分析 疲劳强度校核 螺纹联接的强度计算4 螺纹联接的强度计算 3承受工作剪力的紧螺栓联接 这

8、种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间 无间隙，接触表面受挤压。在联接结合面处，螺栓杆则受剪切。 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为： 螺栓杆的剪切强度条件为： 式中：F螺栓所受的工作剪力，单位为N； d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm； Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时 应使Lmin1.25d0 P min0 P ss Ld F 2 0 4 d F F F d0 Lmin 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。 v为了便于加工制造和对

9、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设计成轴对称的简单几何形状。 v螺栓布置应使各螺栓的受力合理。 v螺栓的排列应有合理的间距、边距。 v 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。 v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。 螺纹联接组的设计2 螺栓组联接的设计 1受横向载荷2受转矩3受轴向载荷4受倾覆力矩 受力分析的目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓

10、 及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。 受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同； 受载后联接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型： 二、螺栓组联接的受力分析 螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合； F F ri O O M T fF0 fF0 FF 螺纹联接组的设计3 （1）对于铰制孔用螺栓联接（图b），每个螺栓所受工作剪力为： （2）对于普通螺栓联接（图a） ，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦 力必须大于或等于横向载荷的要求，有： 式中：z为螺栓数目。 图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。 1受横向载荷的螺栓组联接 z F F FKzifF S0 fz

11、i FK F S 0 或 螺栓组联接的设计 Ks为防滑系数，设计中可取Ks =1.11.3。 F F FF b) a) 螺纹联接组的设计4 采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺 栓组受转矩时的受力情况是不同的。 2受转矩的螺栓组联接 TKfrFfrFfrF sz02010 TrF z i ii 1 采用普通螺栓，是靠联接预紧后在接合 面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。 采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和 螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。 i i r F r F max max Z i i r Tr F 1 2 max max z i i rf TK F 1 S 0 螺栓组联接的设计 螺纹联接组的

12、设计5 螺栓组联接的设计 3受轴向载荷的螺栓组联接 若作用在螺栓组上轴向总载荷F作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓 组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为： 通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧 力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。 z F F F2 = F1 + F 螺纹联接组的设计6 螺栓组联接的设计 4受倾覆力矩的螺栓组联接 倾覆力矩 M 作 用在联接接合面的 一个对称面内，底 板在承受倾覆力矩 之前，螺栓已拧紧 并承受预紧力F0。 作用在底板两 侧的合力矩与倾覆 力矩M平衡，即： 由此可以求出最大工作载荷： z i LFM 1 ii

13、Z i L ML F 1 2 i max max 螺纹联接组的设计7 螺栓组联接的设计 0 maxPP W M A zF ss 0 0 minP W M A zF s 螺栓的总拉力： max mb b 02 F CC C FF 为防止结合面受压最大处被压碎或 受压最小处出现间隙，要求： 底板受倾覆力矩后，在轴线 O-O 左侧，螺栓与地基的工作点分别移 至B1 和C1 ，两者作用在底板上的合力为F。 受倾覆力矩的底板螺栓组联接的受 力过程可用右图表示。 在轴线O-O 右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2 和C2 ，两者作用 在底板上的合力为 Fm 。 在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A

14、点。 提高螺纹联接强度的措施 提高螺纹联接强度的措施 以螺栓联接为例，螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高 螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。 影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓 强度。 改善螺纹牙上载荷 分布不均的现象 降低影响螺栓疲 劳强度的应力幅 减小应力集中 的影响 采用合理的制 造工艺 分析 分析分析 国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级 分为10级，螺母的性能等级分为 7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级 左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能 等级，如在压力容器中常采用8.8级

15、的螺栓。 螺纹联接件的材料与许用应力 螺纹联接件的材料与许用应力 一、螺纹联接件材料 常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高 时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。 性能等级 二、螺纹联接件的许用应力 1螺纹联接件的许用拉应力 2螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力 3螺纹联接件的安全系数说明 S s s s s S s P s P S s s （被联接件为钢） P B P S s s （被联接件为铸铁） 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 滚动螺旋

16、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。 固定螺钉调整螺钉调整楔快 螺杆的材料要有

17、足 够的强度和耐磨性。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： 22 p hHd FP hud F p 设计公式：令 2 d H 则得： 2 ph FP d 5 . 32 . 1一般值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。 式中: Ph5 . 0 30锯齿形螺纹 Ph75.0 矩形和梯形螺纹 螺纹工作高度 螺旋传动4 螺旋传动 2 1 2 2 1 22 ) 4 3 4 3 d T F d ca （ ss ss ca 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：10 P H u 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： v y 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： vv f f arctan cos arctan 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，