机械设计PPT第五章

1、第五章 螺纹连接与螺旋传动5-1 螺纹5-2 螺纹连接的类型与标准连接件5-3 螺纹连接的预紧5-5 螺纹组连接的设计5-6 螺纹连接的强度计算5-8 提高螺纹连接强度的措施5-7 螺纹连接件的材料与许用应力5-9 螺旋传动5-4 螺纹连接的防松螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。连接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠连接。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连接用螺纹和传动用螺纹。一、螺纹的分类 螺纹螺纹的类型与特点1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 常用于连接的强度计算。中径d2 常用于连接的几何计算。螺

2、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Ph 螺纹上任一点沿同一条螺旋线转 一周所移动的轴向距离， Ph =nP。升角y的计算式为：22dnPdParctan=arctan=h 螺纹连接类型与标准件1螺纹连接的类型与标准连接件一、螺纹连接的基本类型 除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹连接。如：T形槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。说明 连接类型与标准件2螺纹连接的类型与标准连接件二、标准螺纹连接件 螺纹连接的类型很多，在机械制

3、造中常见的螺纹连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。 虚拟现实中的螺纹连接件 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，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。纹连接的预紧螺纹连接的预紧 大多数螺纹连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。 增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。 注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。预紧力限制 拧紧后螺纹连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

4、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：dFT02 . 0详细推导 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 螺纹连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，螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致连接失效。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。 螺纹连接组的设计1螺栓组连接的设计 在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式

5、。v为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接接合面受力均匀，通常连接接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、螺栓组连接的结构设计 各螺栓之间的距离大小既要保证连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。 螺纹连接组的设计2螺栓组连接的设计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：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓 及

6、其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。 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； 受载后连接接合面仍保持为平面。 受力分析的类型：二、螺栓组连接的受力分析螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合； FFriOOMTfF0fF0FF螺纹连接组的设计3 （1）对于铰制孔用螺栓连接（图b），每个螺栓所受工作剪力为： （2）对于普通螺栓连接（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连接。1受横向载荷的螺栓组连接zFFFKzifFS0fziFKFS0或螺栓组连接的设计 KS为防滑系

7、数，设计中可取KS =1.11.3。FFFFb)a)螺纹连接组的设计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受转矩的螺栓组连接TKfrFfrFfrFsz02010 TrFziii1 采用普通螺栓，是靠连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。iirFrFmaxmaxZiirTrF12maxmaxziirfTKF1S0螺栓组连接的设计 螺纹连接组的设计5螺栓组连接的设计3受轴向载荷的螺栓组连接 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

8、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，当连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：zFFF2 = F1 + F 螺纹连接组的设计6螺栓组连接的设计4受倾覆力矩的螺栓组连接倾覆力矩 M 作用在连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，这时地基受压。 当底板受到倾覆力矩作用后：在轴线O-O左侧，地基被放松，螺栓被进一步拉伸；在轴线O-O右侧，螺栓被放松，地基被进一步压缩。 螺纹连接组的设计7螺栓组连接的设计 底板受倾覆力矩后，在轴线 OO 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

9、。 受倾覆力矩的底板螺栓组连接的受力过程可用右图表示。 在轴线OO 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点A 。 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：ziiiLFM1ZiiLMLF12maxmax螺栓的总拉力：maxmbb02FCCCFF螺纹连接组的设计8螺栓组连接的设计0PmaxPzFMAWss00minPWMAzFs 为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，应该满足以下要求： 式中， sP为连接接合面材料的许用挤压应力。常用接合面材料的许用挤压应力值可查下表。

10、 材料钢铸铁混凝土砖(水泥浆缝)木材sPMPa0.8sS(0.40.5)sB2.03.01.52.02.04.0螺纹连接的强度计算1螺纹连接的强度计算 螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。 螺栓连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、松螺栓连接强度计算二、紧螺栓连接强度计算1仅受预紧力的紧螺栓连接 2受轴向载荷的紧螺栓连接3承受工作剪力的紧螺栓连接 连接的失效形式：主要是指螺纹连接件的失效。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

11、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% 21/4Fdss 螺纹连接的强度计算2 螺纹连接的强度计算1仅受预紧力的紧螺栓连接0214Fds预紧力引起的拉应力：20v31tan()20.516dFdys螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力： 0ca211.34Fdss强度条件：当连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 . 1322ca根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:F0F0FF 螺纹连接的强度计算3螺纹连接的强度计算2受轴向载荷的紧螺栓连接FD

12、Dp 螺栓受预紧力F0后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的总拉力F2 = ?FFF12 2ca211.3/4FdssFCCCFFmbb02这时螺栓的总拉力为： 为使工作载荷作用后，连接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓连接的预紧力F0为：FCCCFFmbm10静强度条件：式中，F1为残余预紧力，为保证连接的紧密性，应使 F1 0，一般根据连接的性质确定F1的大小。式中：mbbCCC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 螺纹连接的强度计算4螺纹连接的强度计算3承受工作剪力的紧螺栓连接 这种连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

13、连接结合面处，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。Pmin0PssLdF 204FdFFd0Lmin 提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。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

14、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连接件的性能等级。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连接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺纹连接件的材料与许用应力螺纹连接件的材料与许用应力一、螺纹连接件材料常用的螺纹连接件材料为Q215、Q235、35、45等碳钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。性能等级二、螺纹连接件的许用应力1螺纹连接件的许用拉应力2螺纹连接件的许用切应力和许用挤压应力3螺纹连接件的安全系数说明SSsssSSP

15、SPSss（被连接件为钢）PBPSss（被连接件为铸铁） 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 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

16、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：22phHdFPhudFp设计公式：令2dH则得：2phFPd5 . 32 . 1一般值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。式中:Ph5 . 030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2122122ca)4343dTFd（sscass 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：10PHu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：vy2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：vvffarctancosarctan式中，F为