机械设计机械系统连接零部件设计PPT课件

1、第4.1章螺纹连接 4.1.1螺纹 4.1.2螺纹连接的 基本类型 4.1.3螺纹连接的放松 4.1.4单个螺栓的强度计算 4.1.5螺栓组设计 4.1.6提高连接性能的设计第1页/共99页4.1.1螺纹 圆柱螺旋的基本参数d d1 d2 P S g a b 螺纹的类型三角形、梯形、锯齿形、圆弧形和矩形 第2页/共99页管子55接头普通螺纹管螺纹矩形螺纹梯形螺纹外螺纹内螺纹30外螺纹内螺纹外螺纹内螺纹603 0 3 外 螺 纹内 螺 纹锯齿形螺纹第3页/共99页4.1.2螺纹连接的 基本类型 螺纹联接的基本类型1. 螺栓联接：普通螺栓联接，应用广泛； 铰制孔用螺栓联接；2.螺钉联接：被联接件之

2、一较厚；3. 双头螺栓联接：常拆卸；4. 紧定螺钉联接：传递较小载荷。其它：地脚螺栓联接；吊环螺栓联接； T型槽螺栓联接第4页/共99页 4.1.2螺纹连接的 基本类型1. 普通螺栓联接第5页/共99页普通螺栓连接普通螺栓连接第6页/共99页 铰制孔用螺栓联接4.1.2螺纹连接的 基本类型第7页/共99页 2.双头螺柱联接4.1.2螺纹连接的 基本类型第8页/共99页 3. 螺钉联接4.1.2螺纹连接的 基本类型第9页/共99页4.1.2螺纹连接的 基本类型第10页/共99页 螺钉拧入深度H: 钢或青铜 Hd 铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.5 2.5)d3、螺钉联接4.1.

3、2螺纹连接的 基本类型第11页/共99页 4. 紧定螺钉联接 地脚螺栓 吊环螺栓 T形槽螺栓联接4.1.2螺纹连接的 基本类型第12页/共99页第13页/共99页方便装配 平正加工第14页/共99页4.1.3螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧预紧的目的 提高连接的紧密性 防止连接松动第15页/共99页提高连接的紧密性第16页/共99页防止连接松动第17页/共99页4.1.3螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧控制预紧力的方法 1.控制应力、应变或伸长量 2.控制拧紧力矩 3.控制拧紧力臂第18页/共99页控制应力、应变或伸长量应变片第19页/共99页控制拧紧力矩定力矩扳手测力矩扳手第20页/共9

4、9页控制拧紧力臂控制拧紧力臂第21页/共99页拧紧力矩与预紧力的关系:1Fp :预紧力d2 :螺纹中径 :螺纹升角rv :螺纹当量摩擦角rv =arctg(/cos ):牙型半角=/2 )(221vptgFdT第22页/共99页FP)(vptgFFFPvvF第23页/共99页拧紧力矩与预紧力的关系:2Fp :预紧力D0 :支承面最大直径d0 :支承面最小直径 :支承面摩擦系数20203030231dDdDFTp第24页/共99页拧紧力矩与预紧力的关系d2 0.9d ; =14232rvacrtg(1.155);0.15D0 1.7d ;d0 1.1d代入,整理：20203030231)(2dD

5、dDFtgFdTpvpdFTp2 . 0第25页/共99页4.1.3 螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的防松 防松的目的：防止松动失效 防松的实质：限制螺旋副的相对转动。防松的方法 螺纹联接防松的方法按工作原理可分为 摩擦防松 机械防松 破坏螺纹副关系第26页/共99页摩擦防松弹簧垫圈防松4.1.3螺纹连接的防松第27页/共99页摩擦防松4.1.3螺纹连接的防松自锁螺母防松第28页/共99页4.1.3螺纹连接的防松摩擦防松对顶螺母防松第29页/共99页4.1.3螺纹连接的防松 机械防松开口销+开槽螺母防松螺栓装配图开槽螺母开口销第30页/共99页 机械防松4.1.3螺纹连接的防松止动垫片防松第31

6、页/共99页 机械防松4.1.3螺纹连接的防松串联钢丝防松正确错误第32页/共99页 破坏螺纹副关系防松4.1.3螺纹连接的防松第33页/共99页4.1.4单个螺栓连接的强度计算 单个普通螺栓的强度计算 1、松螺栓联接的强度计算 2、仅受预紧力作用的 紧螺栓联接的强度计算 3、受预紧力和工作拉力作用的紧螺栓联接的强度计算 4、 受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算 小结第34页/共99页螺栓的失效分析 失效分析 普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂 受剪螺栓主要为压溃和剪切 设计准则 对普通螺栓保证拉伸强度 对铰制孔螺栓保证挤压和剪切强度第35页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算1、松螺栓联接的强度

7、计算 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 第36页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算1、松螺栓联接的强度计算 设计计算方法： 校核公式螺栓材料及许用应力，查表4-6； 查手册，确定d 214dFss/第37页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 2.仅受预紧力的 紧联接螺栓的强度计算 拉应力 扭转剪应力 近似处理16)(2312dtgdFvP5 . 0421dFp对M14-M64钢制螺纹第38页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 2.仅受预紧力的 紧联接螺栓的强度计算应力合成：强度条件： 设计公式： 3 . 1)49. 0

8、(332222v43 . 121dFp43 . 11pFd 表4.6物理意义第39页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 3.受轴向载荷F的紧螺栓联接强度计算第40页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 3.受轴向载荷F的紧螺栓联接强度计算分析受力和变形关系F0 = F+ FP 第41页/共99页开始拧紧第42页/共99页拧紧后第43页/共99页受力和变形关系第44页/共99页（螺栓）力变形变形（垫片）1212第45页/共99页受力变形线图（P169（螺栓）力变形 变形（垫片）力1212（螺栓）力变形变形（垫片）1212第46页/共99页（螺栓）力变形 变形（垫片）力1212力（螺栓）11

9、22（垫片）力0第47页/共99页 力（螺栓）1122（垫片）力0222cpFtg111cpFtg由图可得：螺栓的刚度被联接件的刚度2121CCFFF11CF22CF21CCFF2111CCCFF2122CCCF第48页/共99页 FcccFFFcccFFPPP212211010FFFFFPP由图可得：螺栓总拉力： 21CCF力（螺栓）1122（垫片）力0第49页/共99页 FcccFFFcccFFPPP2122110由图可得：21CCF力（螺栓）1122（垫片）力0防止受载后接合面产生缝隙，残余预紧力可取： 紧密性 载荷不稳定 载荷稳定 1.51.8F 0.61.0F 0.20.6F表4-3

10、第50页/共99页预紧力用金属垫片或无垫片时取0.20.3用软垫片时取0.70.9212p)(PFFcccF4-4211为螺栓的相对刚度，表ccc单个螺栓的强度计算力（螺栓）1122（垫片）力0第51页/共99页受力变形线图（P169）为降低螺栓的受力，提高承载能力应使螺栓的相对刚度 值尽量小些，取较硬的垫片力（螺栓）1122（垫片）力0第52页/共99页 螺栓拉伸强度条件 设计公式： 43 . 1210dF3 . 1401Fd4.1.4单个螺栓的强度计算第53页/共99页 螺栓如受到变载荷：影响疲劳强度的主要因素为应力幅4.1.4单个螺栓的强度计算第54页/共99页 螺栓如受到变载荷4.1.

11、4单个螺栓的强度计算)15-4(4/2/ )(2210102minmax式dFFa)16-4()(22112211式dFFccca表4-6第55页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算 为保证接合面有足够的摩擦，螺栓必须先预紧FKmFnp第56页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算保证接合面不滑移，预紧力为 m:接合面数；Kn:可靠性系数取1.11.3， 为摩擦系数，材料为钢和铸铁时取0.100.15FKmFnpmFKFnp第57页/共99页 4、 受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算4.1.4单个螺栓的强度计算 预紧力很小，

12、强度计算 时可不考虑； 失效形式：侧面压溃及 螺栓剪切 第58页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 受工作剪力的铰制孔螺栓联接的强度计算螺栓与孔壁挤压面最小高度minm为接合面数ppdFmin0挤压强度条件：420dmF剪切强度条件：第59页/共99页单个螺栓强度计算小结铰制孔螺栓强度计算普通螺栓强度计算 1.松螺栓强度计算2.仅受预紧力的螺栓强度计算3.受预紧力和工作载荷的螺栓强度计算4.受剪螺栓的强度计算 214dF43 . 121dFp43 . 1210dFFcccFFP211043 . 121dFpppdFmin0420dmFzmFKFnp第60页/共99页4.1.4单个螺栓的强度

13、计算 螺纹联接的材料 螺纹联接的材料 满足强度和塑性要求，P172表4-5 螺纹联接件的常用材料： 低碳钢Q215（原A2）、10号钢；-一般联接 中碳钢Q235（原A3）、35、45号钢；-一般联接 低合金钢或合金钢15Cr、40Cr、30CrMnTi。-承受 冲击、振动载荷 垫片材料 ：普通垫片： Q215、 15、35号钢； 弹簧垫片：65Mn。：（需热处理）第61页/共99页4.1.4单个螺栓的强度计算 3.表4-5螺栓、螺钉、螺柱和螺母材料的力学性能等级P172表中强度等级 6.8表示材料的 4.螺纹连接件的许用应力P172表4-6MPa600bMPa804s第62页/共99页4.1

14、.5螺栓组设计 螺栓组的受力分析 螺栓组结构设计第63页/共99页螺栓组连接的受力分析 目的：找到受力最危险的螺栓 几点假设： 同组螺栓的材料、直径、预紧力相同 被连接件为刚体，受载后连接面仍为平面 螺栓组形心与连接接合面的形心重合 螺栓的变形在弹性范围内第64页/共99页xzyFzFxFyoTzMy3个方向，6种载荷：横向力：Fx FY轴向力： Fz翻转力矩：Mx，MY转矩：TzMx螺栓组连接的受力分析螺栓组受力分析螺栓组受力分析将一个零件加以固定，其实质就是约束该零件在空间的六个自由度。第65页/共99页4.1.5螺栓组设计 螺栓组的受力分析 1、受横向力的螺栓组联接 绞制孔螺栓 普通螺栓

15、 2、受扭矩的螺栓组联接 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 3、受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接 4、受翻转力矩的螺栓组联接第66页/共99页螺栓组连接的受力分析 1、受横向力的螺栓组联接 普通螺栓联接为保证接合面有足够的摩擦，螺栓必须先预紧 m:接合面数；Kn:可靠性系数取1.11.3， u为摩擦系数，材料为钢和铸铁时取0.100.15保证接合面不滑移，预紧力为FKzmFnpzmFKFnp第67页/共99页螺栓组连接的受力分析1、受横向力的螺栓组联接 铰制孔用螺栓联接zFF第68页/共99页 2、受扭矩的螺栓组联接 普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接螺栓组连接的受力分析第69页/共99页螺栓组连接受

16、力分析 2、受扭矩的螺栓组联接 普通螺栓联接由接合面的摩擦力距平衡TKrFrFrFnippp 21力矩平衡条件：接合面不发生滑移，单个螺栓的预紧力为 ziininprTKrrrTKF121)(第70页/共99页螺栓组连接的受力分析 2、受扭矩的螺栓组联接 铰制孔用螺栓联接忽略预紧和摩擦的作用，转矩T由螺栓受的剪切载荷对形心的力矩平衡，变形量越大则工作剪力越大第71页/共99页螺栓组连接受力分析 2、受扭矩螺栓组联接 铰制孔用螺栓联接 变形协调条件 ziiiirrFrFrFT12maxmax11力矩平衡： ziiirTrrrrTrF12max22221maxmax受力最大螺栓：iirrFFmax

17、maxmaxmaxrFrFii第72页/共99页螺栓组连接的受力分析 3、受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接zFF既受预紧力，又受工作拉力后螺栓的总载荷计算，见单个螺栓的强度计算第73页/共99页螺栓组连接受力分析4、受翻转力矩的螺栓组联接假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载后，绕OO转动仍保持平面第74页/共99页第75页/共99页第76页/共99页第77页/共99页螺栓组连接受力分析 受翻转力矩的螺栓组联接螺栓组平衡条件：变形协调条件：iiLFLFLFM.2211maxmaxLFLFii ziiiLMLLLLTLF12max22221maxmax受力最大螺栓：第78页/共99页失

18、效分析 紧螺栓受拉扭； 底板左侧出现间隙； 底板右侧压溃。 右侧不压溃 左侧不分离： pppWMAzFmax0minWMAzFpp第79页/共99页xzyFzFxFyoTzMy3个方向，6种载荷：横向力：Fx FY轴向力： Fz翻转力矩：Mx，MY转矩：TzMx螺栓组连接的受力分析螺栓组受力分析第80页/共99页受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+轴向载荷+翻转力矩第81页/共99页受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+旋转力矩第82页/共99页受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力第83页/共99页例题：已知P=260N,结合面摩擦系数f=0.15确定螺栓的材料和直径mmNPT.103

19、. 15005解：将力向结合面的形心中心简化每个螺栓的受力，分析最危险螺栓的受力NRQQRFNPQNrTR41045cos26542604361904103 . 14225最大合力第84页/共99页 螺栓的预紧力NfKFQ328015. 04102 . 10238. 83 . 148032401PsFdMPas选螺栓材料为Q235,安全系数取3则选M10螺栓，d1=8.376mmNfFKFP328015. 04102 . 1f第85页/共99页 例：如图钢板厚度 用 两个铰制孔用螺栓固定在机架上，F=5000N，其它尺寸如图。板和机架材料均为Q235。 试：（1）分析铰制孔用螺栓的失效形式 ；

20、 （2）分析铰制孔用螺栓的受力 （3）按强度设计铰制孔用螺栓的直径 （4）若用普通螺栓，计算螺栓 的直径（f=0.2，Kn=1.1）,mm16NmmTNF6105 . 1;5000NFNaTFNFFTF7906750025007500.2500222 4/20dF mmFdMPaSs24.1096790644965 . 22400解：1.铰制孔用螺栓的失效形式为剪切和挤压失效 ； 2.受力分析：将载荷F向形心O简化后，每个螺栓的受力 3.按剪切强度计算螺栓的直径，第86页/共99页第87页/共99页 . 粗选d=10，d 0=4.1mm的 六角头铰制孔用螺栓，螺母d=10，H=8。根据机架，板厚及螺母H选用l=100（l3=82， l2=18）选用两个 100 GB27-88六角头铰制孔用螺栓。 MPadFMPaSpsp9.591211790619225.1240min010M 按挤压强度校核式中由结构确定mm127018100min第88页/共99页 .NfFKFfp434832 . 079061 . 1 MPaSmmFdsP12022405 .24120434833 . 143 . 141 4.改用普通螺栓 每个螺栓的预紧力 选用两个M30（d1=26.21）的六角螺栓。 小结：受复合载荷