机械设计第五章PPT课件

1、第五章 螺纹连接与螺旋传动基本概念：螺纹连接是利用螺纹零件构成的 连接。特 点：构造简单，拆装方便，工作可靠，标准件，应用广。第1页/共129页v螺纹的基本知识螺纹的基本知识外螺纹内螺纹左旋螺纹右旋螺纹多线螺纹单线螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹传动螺纹联接螺纹锯齿形螺纹梯形螺纹三角螺纹螺纹的分类螺纹的分类矩形螺纹联接螺纹为三角螺纹三角螺纹第2页/共129页d-螺纹大径d1 1- -螺纹小径d2-螺纹中径p-螺距n-线数S S-导程y y -螺纹升角 ，牙型角 -牙侧角旋向一、 螺纹的主要参数5.1 螺纹第3页/共129页螺纹的线数和旋向第4页/共129页二、螺纹副的受力关系、效率和自锁 圆周力：拧紧时松

2、开时效率：拧紧时松开时tan()tFFy tan()tFFytantan()yytan()tanyy第5页/共129页自锁条件式中: -当量摩擦角 f arctan-当量摩擦系数f cosff F-轴向力, Nf-摩擦系数y第6页/共129页2-1螺纹联接二、螺纹副的受力、效率与自锁二、螺纹副的受力、效率与自锁)tan(22)(22vtvtQddFTQtgF y y y y y ycosarctanfffvvvv 1 1、拧紧螺母时的圆周力和力矩2 2、拧紧螺母时的效率3 3、自锁条件)tan(tanv y yy y 第7页/共129页三 、常用螺纹的特点和应用对螺纹的要求： 足够的强度和良好

3、的工艺性联接螺纹：自锁管 螺 纹：紧密性、气密性传动螺纹：效率高调整螺纹：精度高起重螺纹：效率高、自锁性好螺纹的分类：按牙形：三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、管螺纹按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹第8页/共129页1 、普通螺纹(代号：M GB 192-81)特点：螺纹的牙型角 =2 =60 。因牙侧角 大，所以当量摩擦系数大，自锁性能好，主要用于连接。第9页/共129页细牙螺纹与粗 牙螺纹的比较粗牙：常用细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。细牙：自锁性能更好。常用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中。第10页/共129页2 、矩形螺纹特点：牙形为正方形，

4、 =0 ，所以效率高，用于传动, ,牙根强度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替。第11页/共129页3 、梯形螺纹(代号：T特点： =2 =30 。比矩形螺纹效率略低。 牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。 r GB 192-81)第12页/共129页4、 锯齿形螺纹(代号：S JB 923-66)特点：工作边 =3 ，非工作边 =30 ，便于加工。它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点, ,能承受较大的载荷, ,但只能用于单向传动。第13页/共129页5 、圆柱管螺纹 特点：用于管件连接的三角螺纹， =55 螺纹面间没有间隙，密封性好，适用于压强

5、在1.61.6MPaMPa以下的连接。第14页/共129页6、 圆锥螺纹特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上, =55 或60 螺纹面间没有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的连接。第15页/共129页7、 其它螺纹主要用于金属薄板的连接第16页/共129页螺纹联接件等级GB3103.1-82GB3103.1-82规定：螺纹联接件分A A、B B、C C三级A A级：精密配合，防振场合B B级：受载较大，常拆卸调整、变载场合C C级：一般联接第17页/共129页 普通螺栓连接 绞制孔螺栓连接普通螺栓连接 螺栓和孔壁有间隙，孔的加工精度低。绞制孔螺栓连接螺杆与孔用过渡配合，承受

6、轴向载荷孔需精制。可起定位作用。5.2 螺纹连接的基本类型与标准螺纹连接件一 、螺纹连接的基本类型1、 螺栓连接 第18页/共129页特点：被连接件不宜做成通孔。不宜经常拆卸。拧入深度：铜或青铜：H=d铸 铁：H=1.251.5d铝 合 金： H=1. 52.5d2、 螺钉连接第19页/共129页特点：被连接件不宜做成通孔又需要经常拆卸或用螺钉无法安装。拧入深度：铜或青铜：H=d铸 铁：H=1.251.5d铝 合 金： H=1. 52.5d3、双头螺柱连接 第20页/共129页4 、紧定螺钉连接旋入被连接件的螺纹孔中，顶住另一被连接件的表面或凹坑。固定两个零件或传递不大的力矩。第21页/共12

7、9页5、其它特殊结构的螺纹连接地脚螺栓吊环螺钉T型槽螺栓第22页/共129页二 、标准螺纹连接件各种螺栓第23页/共129页双头螺柱各种螺钉第24页/共129页各种螺钉紧定螺钉的头部和末端第25页/共129页各种螺母与垫片第26页/共129页三 、螺纹连接零件常用材料和机械性能等级1、常用材料：普通连接：低碳钢，中碳钢，如:Q215、Q235和10、15、35、45号钢。变载荷或有冲击、振动的重要连接：合金钢，如: 40 Cr、15MnVB、30CrMnSi。螺母材料一般较相配合的螺栓的硬度低2040HBS。第27页/共129页2、螺栓、螺钉、螺柱、螺母性能等级第28页/共129页5.3 螺纹

8、连接的预紧第29页/共129页1、预紧的作用：预紧可使连接在承受工作载荷之前就受到预紧力F的作用，以防止连接受载后被连接件之间出现间隙或横向滑移。预紧也可以防松。2、控制预紧力的目的：预紧力过大，会使连接超载。预紧力不足，可能导致连接失效。重要的螺栓应控制预紧力。第30页/共129页拧紧螺母时的力矩和预紧力3、拧紧力矩和预紧力的计算第31页/共129页21TTT2)tan(2v01dFTy202030300c231dDdDFfTdFkdFdDdDdfddTt0020203030cv232)tan(21y螺纹副摩擦力矩螺母与被连件摩擦力矩拧紧力矩第32页/共129页20203030cv232)t

9、an(21dDdDdfddktydFT02 . 0dTF2 . 00 当钢制螺纹M10M68时，由螺纹几何关系和摩擦系数可得：2 . 0tk故：拧紧力矩系数第33页/共129页4、装配时控制预紧力的方法测力矩扳手第34页/共129页定力矩扳手第35页/共129页5.4 螺纹连接的防松一 、摩擦防松1 、双螺母在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。结构简单、使用方便。可靠性不高。用于平稳、低速、重载。第36页/共129页2 、弹簧垫圈弹力保持一定压力切口尖端逆向。第37页/共129页3 、锁紧螺母镶嵌弹性环或尼龙圈挤入螺纹中椭圆口螺母。第38页/共129页二、 机械防松 1 、开口销与六角开槽螺

10、母第39页/共129页2 、止动垫圈第40页/共129页止动垫圈第41页/共129页3 、串联钢丝第42页/共129页三、 永久防松焊接 冲点 涂胶第43页/共129页受拉螺栓联接受拉螺栓联接主要失效形式：主要失效形式：精度低或时常装拆时：滑扣。精度低或时常装拆时：滑扣。静载：静载： 螺纹部分的塑性变形和断裂。螺纹部分的塑性变形和断裂。变载：变载：栓杆部分的疲劳断裂。栓杆部分的疲劳断裂。5.5 单个螺栓联接的强度计算设计计算内容与步骤：设计计算内容与步骤：1 1、结构设计：确定螺栓布置形式、数量、结构设计：确定螺栓布置形式、数量2 2、受力分析：确定螺栓组中受力最大螺栓和所受、受力分析：确定螺

11、栓组中受力最大螺栓和所受最大力最大力3 3、强度计算：按受力最大螺栓确定整组螺栓直径、强度计算：按受力最大螺栓确定整组螺栓直径第44页/共129页一 、松螺栓连接只能承受轴向静载只能承受轴向静载工作时不预紧；工作时不预紧；特点：特点：第45页/共129页421dFMPa41Fd mm7 . 12 . 1s强度条件 或许用应力MPa第46页/共129页二 、紧螺栓联接1 、受横向载荷的紧螺栓联接 （1） 普通螺栓联接靠接合面的摩擦力传递外力螺栓既受拉应力又受扭剪应力第47页/共129页2104dF12v210312v02)tan(4162)tan(dddFddFWTtyy对于常用的M10M68的

12、普通螺栓5 . 0拉应力剪应力第48页/共129页螺栓的当量应力（第四强度理论）3 . 1)5 . 0( 332222e螺栓的强度条件为：3 . 14210cadFMPa3 . 141Fd校核公式：设计公式：第49页/共129页当所需预紧力很大时，为了减小螺栓尺寸，采用套筒、键、销来承受横向载荷。第50页/共129页（2）铰制孔螺栓联接 螺栓杆的剪切强度条件为:420mdFs螺栓与孔壁的挤压强度条件为：psphdFmin0MPaMPa第51页/共129页0d螺栓抗剪面直径，mm式中m 螺栓抗剪面数目minh螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm，设计时应使0min25. 1dh螺栓的许用剪切应力，

13、MPap 螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa第52页/共129页复复 习习 一、螺纹连接零件常用材料和机械性能等级一、螺纹连接零件常用材料和机械性能等级 二、螺纹连接的预紧二、螺纹连接的预紧 1.预紧的作用预紧的作用 2.控制预紧力的目的：控制预紧力的目的： 3.拧紧力矩拧紧力矩dFkdFdDdDdfddTt0020203030cv232)tan(21y第53页/共129页 三、螺纹连接的防松：三、螺纹连接的防松： 方法：摩擦防松、机械防松、永久防松。方法：摩擦防松、机械防松、永久防松。 四、单个螺栓联接的强度计算四、单个螺栓联接的强度计算 1.1.松螺栓联接松螺栓联接 2.2.紧螺栓联接紧

14、螺栓联接 （1 1）受横向载荷的紧螺栓联接）受横向载荷的紧螺栓联接 1 1）普通螺栓联接）普通螺栓联接 2 2）铰制孔螺栓联接）铰制孔螺栓联接第54页/共129页例题：一受拉螺栓联接预紧时例题：一受拉螺栓联接预紧时, ,预紧力预紧力F=2000N,F=2000N,螺栓的直径螺栓的直径d d1 1为为8.3768.376mm, mm, 已知已知 MPa160问该螺栓会不会损坏问该螺栓会不会损坏? ? 203 . 14cdF第55页/共129页2 、受轴向工作载荷的紧螺栓联接汽缸盖的连接第56页/共129页 螺栓和被联接件都是弹性体，各零件受力属于静不定问题，螺栓总拉力螺栓和被联接件都是弹性体，各

15、零件受力属于静不定问题，螺栓总拉力应根据静力平衡条件和变形协调条件确定。应根据静力平衡条件和变形协调条件确定。静力平衡条件：12FFF21变形协调条件：第57页/共129页（1 1） 受力分析01111螺母未拧紧 ）螺母已拧紧已承受工作载荷0第58页/共129页螺栓受力：被联接件受力：FCCCFFmbb02FCCCFFmbm01螺栓总拉力F2：FFF12受工作载荷时210变形力bm第59页/共129页螺栓的相对刚度剩余预紧力FF2 . 01mbbCCCF1F1F1对紧固联接：对气密联接：被联接钢板间所用垫片mbbCCC第60页/共129页（2）静强度计算3 . 14212dFca3 . 142

16、1FdMPamm式中 紧螺栓联接的许用拉应力校核公式：设计公式：第61页/共129页（3）疲劳强度计算 对于受变载荷的螺栓联接，按静强度设计尺寸后，还需进行疲劳强度校核。图517 承受轴向变载荷的紧螺栓联接F1FFF0F2mbbCCCF第62页/共129页螺栓的最大应力计算安全系数：SKKSatcca)2)()(2minmin1yy式中：-螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，MPa。-试件的材料常数；-拉压疲劳综合影响系数；-安全系数。1tcyKS疲劳强度条件为ambbadFCCC221第63页/共129页受拉紧螺栓联接受拉紧螺栓联接外载外载横向载荷横向载荷轴向载荷轴向载荷螺栓只受预紧力螺栓只受预

17、紧力静载静载变载变载 螺栓受预紧力螺栓受预紧力和轴向工作载荷和轴向工作载荷螺栓受力螺栓受力只预紧只预紧第64页/共129页三、 螺栓联接的许用应力第65页/共129页螺栓许用剪应力及许用挤压应力第66页/共129页5.6 螺栓组联接设计(一)螺栓组联接的结构设计1 ）联接接合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状结构设计目的：结构设计目的：确定合理的接合面的几何形状及螺栓的布置形式，以求各螺栓受确定合理的接合面的几何形状及螺栓的布置形式，以求各螺栓受力均匀，且便于加工装配。力均匀，且便于加工装配。第67页/共129页2） 螺栓的布置应使各螺栓的受力合理第68页/共129页3 ）螺栓的排列应有

18、合理的间距、边距第69页/共129页扳手空间第70页/共129页4）分布在同一圆周上的螺栓数目，应 取4, 6, 8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线第71页/共129页5 ）避免螺栓承受偏心载荷产生偏心载荷的原因第72页/共129页斜垫圈的应用凸面和沉头座的应用避免偏载的结构第73页/共129页(二) 螺栓组联接的受力分析 假设：假设：1 1）螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合，受载后联接接合面仍保持为平）螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合，受载后联接接合面仍保持为平面。面。2 2）各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（材料、直径、长度）和预紧力都相同；）各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（材料、直

19、径、长度）和预紧力都相同；3 3）螺栓的应变在弹性范围内。）螺栓的应变在弹性范围内。 分析各螺栓受力，求出分析各螺栓受力，求出受载最大受载最大螺栓所受载荷，进而进行强度计算。螺栓所受载荷，进而进行强度计算。受力分析的目的：受力分析的目的：第74页/共129页1 、受轴向载荷的螺栓组联接zFF设定有z个螺栓则：单个螺栓受外力F第75页/共129页例：已知汽缸工作压力在0MPa0.5MPa之间变化，工作温度125度，汽缸内直径D2=1100mm，螺栓数目z=20, 试计算汽缸盖螺栓直径。8.0mbbCCC MPa75MPa4 .14a第76页/共129页计算螺栓受力：汽缸盖最大压力：NpDFQ47

20、5200422螺栓工作载荷:NzFFFFQ2376002maxmin残余预紧力：NFF356405 . 1max1螺栓最大拉力：NFFF594001maxmax2第77页/共129页螺栓直径： 21mm.3675594003 . 143 . 14max21Fd校核螺栓变载荷强度：预紧力：NFCCCFFmbb40390maxmax20螺栓拉力变化幅：NFFFa950520max2取螺栓直径为d=42mm,其d1=37.129mm第78页/共129页计算应力幅：MPadFa 78. 8421a校核螺栓变载荷强度：MPaaa14.14所选螺栓合适。第79页/共129页2 、受横向载荷的螺栓组联接（1

21、） 普通螺栓联接FKzfFs0ifziFKFs0式中： f 接合面间摩擦系数 i 接合面数 Ks 防滑系数 一般Ks =1.11.3FF第80页/共129页(2) 用绞制孔螺栓联接zFFFzF螺栓受力：剪切力FFF求得F后，再按式（5-21）与式（5-22）校核螺栓联接的挤压强度与剪切强度。第81页/共129页3、受转矩 T 的螺栓组联接(1) 采用普通螺栓联接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T。fF0fF0第82页/共129页式中: r1 、r2、. rz 各螺栓中心至螺栓 组形 心O的距离 Ks 可靠性系数 f 接合面间摩擦系数ziiszsszrfTKrrr

22、fTKFTKrfFrfFrfF121002010).(.第83页/共129页（2）采用绞制孔用螺栓联接时，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和来平衡。Fmax第84页/共129页ziizziizzzzrTrrrrTrFFFFFTrrrrFrrFFrFrFrFrFTrFrFrF12max2222118541max2222111maxmaxmaxmax22112211.).( .或Fmax第85页/共129页4、 受倾覆力矩M的螺栓组连接F0F2F2m第86页/共129页ziizzzzzLMLFLLLMLFFLFLFLFMLFLFLF12maxmax2222111

23、0122112211.第87页/共129页受倾覆力矩的螺栓组联接除要求螺栓强度足够外，还应保证接合面既不出缝隙也不被压馈。接合面右端应满足：ppppppWMAzF0maxmaxmaxMPaMPa F2F2m第88页/共129页左端应满足：000minmaxminWMAzFppppMPaMPa 由预紧力F0 0和工作拉力Fmax，求得作用在螺栓上的总拉力F2后，再求出所需螺栓直径。max02FCCCFFmbb 213 . 14FdF2F2m第89页/共129页5.8 提高螺栓联接强度的措施一 、改善螺纹牙上载荷的分配第90页/共129页均载螺母1第91页/共129页均载螺母2第92页/共129页

24、均载螺母3钢丝螺套第93页/共129页二、提高疲劳强度1 减小应力幅减小螺栓刚度螺母下加弹性元件、中空螺杆、减小螺杆直径F0F2F1F2第94页/共129页增大被联接件刚度去掉弹性密封垫、加密封环F2F0F2F1第95页/共129页2 减小应力集中第96页/共129页减小应力集中第97页/共129页3.采用合理的制造工艺方法第98页/共129页例1图示为一固定在钢制立柱上的铸铁托架。试求螺栓直径。KK220h280b1601502 . 0, 2 . 1,16. 0,235,50, 4,48000mbbsasCCCKfMpZNF已知：FF第99页/共129页KK220h280b160150 解：

25、 螺栓组受力 在在 的作用下，螺栓组承受以的作用下，螺栓组承受以下载荷：下载荷： 轴向力： sin FFh横向力： cos FFv 翻转力矩：翻转力矩： 150160vhFFMFFF第100页/共129页2）在翻转力矩作用下，上面两个螺栓受载最大且相同22max1404140MFF 总轴向工作载荷： maxFFFavshmbmFKFCCCzFf)(01）轴向力 作用下各螺栓所受拉力相同zFFhahF3）在横向载荷 作用下，底板不滑移。vF第101页/共129页hmbmvsFCCCfFKzF104）螺栓所受的总拉力 确定螺栓直径（选螺栓的材料、定性能等 级） 由强度条件 2123 . 14dF

26、求d1,选参数d=12mm,d1=10.106mm。 FCCCFFmbb02第102页/共129页校核螺栓组联接接合面的工作能力1）联接接合面的挤压应力不超过许用值WMFCCCzFAhbmmp)(10max2）联接接合面上应保持一定的残余预紧力0)(10inWMFCCCzFAhbmmpm校核螺栓所需的预紧力是否合适10)7 . 06 . 0(AFs第103页/共129页5.8 螺旋传动一 、螺旋传动的类型和应用螺旋传动按其类型可分为： 调整螺旋：如机床进给的微调螺旋 传力螺旋：如千斤顶 传动螺旋：如机床丝杠第104页/共129页螺旋传动按其螺纹间摩擦性质的不同,可分为: 滑动螺旋：滑动摩擦，结

27、构简单，加工方便，应用最广。 滚动螺旋：滚动摩擦 静压螺旋：液体摩擦滑动螺旋牙形：多用梯形螺纹,重载起重螺旋也有用锯齿形螺纹, 对效率要求高时可用矩形螺纹。第105页/共129页螺旋传动的应用第106页/共129页螺旋传动的应用立式加工中心第107页/共129页二维数控台原理图螺旋传动的应用第108页/共129页二维数控台螺旋传动的应用第109页/共129页滚珠丝杠螺旋传动的应用第110页/共129页螺旋千斤顶螺旋传动的应用第111页/共129页螺旋受力：滑动螺旋工作时，螺杆承受轴向载荷和转矩；螺杆和螺母的螺纹牙承受挤压、弯曲和剪切。滑动螺旋的失效形式有：螺纹磨损，螺杆断裂，螺纹牙根剪断和弯断

28、，受压螺杆很长时还可能失稳。二 、滑动螺旋的失效形式和材料第112页/共129页螺杆的材料：要求有足够的强度，常用35、45号钢;需经热处理以达到高硬度的重要螺杆，则常用合金钢，如65Mn、40Cr、T12、20CrMnTi等。螺母材料：除要有足够的强度外，还要求在与螺杆配合时摩擦系数小和耐磨。常用材料有铸造青铜，如ZCuSn10Pb1, ZCuSn5Pb5Zn5第113页/共129页螺母材料选用：重载低速使用强度较高的铸造青铜ZCuAl10Fe3或铸造黄铜ZCuZn25Al6Fe3Mn3 。低速不重要的螺旋传动也可用耐磨铸铁或灰铸铁。三、滑动螺旋的设计计算1 、耐磨性计算 耐磨性计算主要是限

29、制螺纹工作表面的压强，以防止过度磨损。第114页/共129页假想螺纹牙可以展成一长条，设螺旋的轴向载荷为F，螺母旋合高度为H、螺距为p，螺纹旋合圈数为Z=H/p、螺纹工作高度为h、承压面积为A，螺纹工作面上的压强为 ps。则螺纹的耐磨性条件为：22phHdFphZdFAFpsMPa若按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数2dHy以消去H第115页/共129页2phFpdymm对于矩形和梯形螺纹，h=0.5p, 则8 . 02pFdy对于锯齿形螺纹，h=0.75p, 则65. 02pFdy第116页/共129页系数y y的值：可根据螺母结构选定，整体式螺母，磨损后间隙不能调整，取y y=1.22.5;剖分式螺母:y y=2.53.5