机械设计 10章螺纹连接

1、第十章第十章 联接联接( (螺纹联接螺纹联接) ) p.131p.131 前言前言10-1 螺纹螺纹参数参数10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁10-3 机械制造常用螺纹及标准机械制造常用螺纹及标准10-4 螺纹联接基本类型及螺纹联接件螺纹联接基本类型及螺纹联接件10-5 螺纹联接的螺纹联接的预紧和防松预紧和防松10-6 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算10-7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力10-8 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施10-9 螺旋传动螺旋传动机械零件机械零件(制造单元制造单元) 构件构件(运动单元运动单元) 机构机构 机

2、器机器静联接静联接动联接动联接 零件零件联接联接前前 言言:联接联接 被联接件被联接件 联接件联接件联接联接 机械机械静静联接联接 可拆联接可拆联接 螺纹、键、销螺纹、键、销分类分类 不可拆联接不可拆联接焊、粘、铆焊、粘、铆 机械机械动动联接联接运动副运动副 螺螺 内螺纹内螺纹 纹纹 外螺纹外螺纹螺旋副螺旋副连接螺纹连接螺纹(静联接静联接构件构件)传动螺纹传动螺纹(动联接动联接机构机构)10-1 螺纹螺纹参数参数 p.131(一一)螺纹的形成螺纹的形成：顺时针旋进右旋以轴线为基准(外)判断方法右旋常）左旋判断方法旋向单头联接多头传动线数二螺纹参数二螺纹参数：n=1n=2n=3dd2d1=?(大

3、径标准直径) ;1(小径) ;2(中径) ; p(螺距)；(螺旋线数) ; (导程) ; n p ; （牙型角） ; (牙側角) ;（升角）(二二)螺纹参数螺纹参数：P.1322dS (n p)tgn p2 (101) 30 梯形330 锯齿形矩形60 普通牙型: =60 30 =30 15工3,非30 =0 0在轴向载荷下相对运动在轴向载荷下相对运动图(104,a) 2dS (n p)内螺纹 外螺纹拧紧、加载拧紧、加载、顶起重物顶起重物相对运动联接传动螺旋副螺旋副FFa将螺旋线沿中径展开10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁p.132滑块滑块(重物重物)在斜面运动

4、在斜面运动 分析分析: 1.当匀速上升当匀速上升: FaFFnFRFfFaFFR+图(104,b)FR与Fn夹角摩擦角摩擦角: tg f Ff /n R与a 夹角加载加载a(轴向力,自重,阻力)作用在螺旋副上的驱动力矩：2)(222dtgFdFTa(10-2b)atg( ) (102a)合反力合反力FRV(滑块) 合力合力法向反力法向反力Fn(斜面)施加水平推力施加水平推力摩擦阻力摩擦阻力: f Fn=Ff一矩形螺纹一矩形螺纹 : ( =0 )施加水平支持力水平支持力 (匀速下滑) 当 自锁条件自锁条件：滑块在斜面运动状态不变 作用力与假设力的方向相反推力推力 2)(222dtgFdFTa(1

5、0-3b)FaFFnFRFfFaFFR)(tgFFa无论a多大，滑块不会自动下滑自锁自锁2. 当匀速下降当匀速下降 :图(104,c) 将将 (当量摩擦角当量摩擦角)tgf / cos = f (10-4) (当量摩擦系数) ( ) 匀速上升匀速上升: atg() (10-5a)匀速下降匀速下降: Fatg( ) (10-6a) 2)(222dtgFdFTa2)(222dtgFdFTa(10-6b)(10-5b)自锁条件自锁条件： (10-7)要自锁好要自锁好 ( ) , (单头)自锁性自锁性二非矩形螺纹二非矩形螺纹)(tgtg(10-8)2dS要效率高要效率高max2/45过大，制造困难25

6、max/当量摩擦角 , 升角有效功输入功有效功输入功 a（2） a2 tg /atg()2要自锁好要自锁好 (单) ;要效率高要效率高(多) , (多头) , 三三.效率效率:当匀速上升:2/45联接联接(可靠可靠) 要自锁传动传动效率高效率高1.三角形三角形普通螺纹普通螺纹(M) 螺纹螺纹 (联接) 管螺纹管螺纹 60、55紧密梯形螺纹梯形螺纹 Tr 30, 15锯齿形螺纹锯齿形螺纹S 工3,非30矩形螺纹矩形螺纹 小、 大 多线螺旋副 单线单线=1 多线多线60, =302.传动螺纹传动螺纹 效率高10-3 机械制造常用螺纹及标准机械制造常用螺纹及标准 p.134紧固联接(单线、大)(粗,

7、细)10-4螺纹联接基本类型及螺纹联接件 p.137C1e普通螺栓 图(109,a)铰制孔用螺栓联接 图(109,b)一螺纹联接基本类型一螺纹联接基本类型d0螺栓联接 螺钉联接 图(1010,a)双头螺柱联接 图(1010,b)紧定螺钉联接 图(1011)螺栓 螺栓 ；螺钉 ；双头螺柱 ；紧定螺钉螺母 六角螺母 ；圆螺母 ；糟型螺母垫片 垫片 ；弹簧垫片 ；斜垫片 ；球形垫片二螺纹联接件二螺纹联接件 p.138目的目的：防止松动提高可靠、强度、紧密性T0 的大小的大小: 拧紧时 螺纹阻力矩螺纹阻力矩 T1 :(10-5b) 螺母支持面上的摩擦阻力矩螺母支持面上的摩擦阻力矩T2T2 fc Fa

8、r f (10-10)T0T1T20.2Fad Nmm(一)拧紧力矩T0012T0控制、不严格控制S(少测力矩板手；多风板机)10-5螺纹联接的预紧和防松 P.139螺栓螺栓轴向拉拉力 被联接件被联接件轴向压压力锁紧力锁紧力 S1F d2/2Fa tg( ) d2 /2（二）螺纹联接的防松 p.139螺旋副联接(可靠)拧紧 自锁防松？靠摩擦力自锁靠摩擦力自锁 不可靠不可靠 , 防松防松防松方法防松方法：关键摩擦防松摩擦防松阻止螺旋副相对转动阻止螺旋副相对转动机械防松机械防松不可拆防松不可拆防松弹簧垫片锁紧螺母对顶螺母使螺纹接触面间始终保持一定的压力 (纵向、横向)始终有阻止螺旋副转 动的摩擦阻

9、力矩。机械防松机械防松利用便于更换的金属元件来约束螺旋副。不可拆防松不可拆防松焊、铆冲、涂粘合剂槽形螺母和开口销圆螺母用带翅垫片止动垫片例 已知：碳素结构钢M12螺栓，屈服极限240MPa，螺纹间摩擦系数f=0.1，螺母与支撑面摩擦系数fc=0.15，dw=16.6mm, d0=13mm，若使拧紧后拉应力达到屈服极限50% 求：拧紧力矩；演算其能否自锁？ 解：1）求当量摩擦系数及当量摩擦角 2）求螺纹升角 3）求螺杆总拉力Fa 4）求拧紧力矩T10-7螺栓的材料和许用应力 P.147 SSS安全系数表10-6,7 P.148S屈服极限表9-1 P.123许用应力:材料:2.铰制孔螺栓联接铰制孔

10、螺栓联接联接受挤压,螺栓受剪切1)按剪切强度2)按挤压强度: 420dFPPLdFmin0许用应力与材料(钢、铸铁),应力(静、变)有关。表10-61.普通螺栓联接普通螺栓联接低碳钢和中碳钢: 力学性质合金钢: 15Cr, 40Cr, 30CrMnSi表10-510-6 螺栓联接的强度计算(静) p.144联接要求联接要求: 不松不滑联接(紧) 不断不溃螺栓 可靠, 自锁确定螺纹小径d1d0(一)螺栓联接的失效及设计准则(二)螺栓联接的强度计算螺栓 普通螺栓联接普通螺栓联接 松联接松联接 联 (主介绍) 紧联接紧联接(联接受) 接型式 铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接横横轴轴横横轴轴联接 (紧)螺

11、栓设计准则设计准则:螺栓杆拉溃 螺纹的压溃和剪断螺纹牙磨损滑扣主要失效主要失效松、滑在联接不松滑的前提下, 螺栓杆不破坏(一)螺栓联接的失效及设计准则失效失效形式形式 421dFa1松螺栓联接:(10-11)装配时不预紧螺栓不受力 图10-17二. 紧螺栓联接:d1:螺纹小径mm; :许用拉应力 Mpa例10-3 p.144(自学)工作时受轴向载荷轴向载荷Fa(二)螺栓联接的强度计算(按受力形式) p.144FaFaFaFaFaFa421dFa5 . 0162)(16312311ddtgFdTa第四强度理论拉应力(Fa)3 . 1322e 43 . 121dFae(10-12)强度条件: 装配

12、拧紧后联接可受横向横向(F)或轴向载荷轴向载荷(FE)拉拉Fa 扭扭T1 复合应力考虑扭剪应力e当量应力当拧紧时 螺栓拉拉(Fa) (轴Fa) 工件 压压(Fa)扭剪应力 (T1)二. 紧螺栓联接: p.1421.受横向工作载荷F的螺栓强度(预紧) 图10-18FFFFm=1F0F0F0F0F0F0m=2结合面间的摩擦力不足，在横向载荷下出现相对滑动失效mfCFFFa0当C=1.11.3 , f= 0.10.15 , m=1 F08F普通螺栓联接受横向工作载荷需预紧力大, 且可靠性差图10-19图10-20dF0CF/mf分析:宜加减载措施加键, 套筒，销 挤压 采用铰制孔螺栓联接 剪切1.按

13、剪切强度2.按挤压强度: 4/20dFPpldFmin02.许用应力与应力(静、变)有关; P与材料(钢、铸铁)有关。 表106 p.148联接受挤压,螺栓受剪切注意：注意：1.d0光杆直径，d0d Lmin杆孔最小接触长度铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接 mmFd38.235 .48160002 . 52 . 501R解解: 每个联接受横向载荷 F=R/2=2000N1.联接不松求预紧力F02.螺栓不断求d1取d=27mm, d1=23.75223.38 合适。 S=6.5 合适 :C=1.11.3, 取C=1.2 F0CF/fm=1.22000/(0.151)=16000N :取35钢, 不严

14、格控制预紧力s=315Mpa, S=6.5 , =s/S=315/6.5=48.5MpaP.145手册p.126例1.用普通螺栓固定一牵引钩, 已知R=4000N, (变载荷) f=0.15, 试求螺栓直径。用铰制孔螺栓联接固定牵引钩(HT250), 板厚h=10mm,已知R=4000N(变载荷), 试求螺栓直径。解解: 每个联接受横向载荷 F=R/2=2000N1.按剪切强度P.145 mmFd03. 6702000440手册p.1372.按挤压强度:PpldFmin0PPMpa6 .281072000 P = B/2.20.8=240/2.20.8=87.3Mpa (S=2.2) p.12

15、3Lmin=h=10mmR10d0 4/20dF 取 l=25mm, l0=12mm取d=6mm, d0=76.03mm= S/4.5=315/4.5=70Mpal0Lmin例2.M625合适轴向载荷平行螺栓轴心线，各螺栓平均受力轴向载荷平行螺栓轴心线，各螺栓平均受力pDF42lDZ0螺栓间距l与p有关 (P.143倒2)常见 压力 容器Z=2(3)2n各螺栓受拉力为：各螺栓受拉力为： FE= F Z2.受轴向载荷FE的螺栓强度(预紧后) p.143：此时螺栓受预紧力此时螺栓受预紧力F F0 0后后 又受工作拉力又受工作拉力F FE E?常见 (压力容器)Fa=F0FE ;FR=F0FE预预

16、螺栓拉 F0紧紧 工件压 F0FEFEb0C0 受轴向载荷受轴向载荷FEF0F0b0F0F0C0FEFEFEFEFaFa 未预紧未预紧预紧预紧受受FE FaFaFaFaF0F0F0F0F0F0F0F0FRFRFRFRFRFR伸长伸长b0缩短缩短C0又伸长 压缩量减少 变形协调条件：变形协调条件： b= C = 螺栓伸长: b0 工件压缩: C0 ERaFFF螺栓拉力总拉力总拉力 Fa工件压力残余预紧力残余预紧力FR单个联接受力分析单个联接受力分析:图图10-21 Fb FCFEFRFa力变形F0C0b0力变形F0b0tg1kb力变形F0C0tg1kCk = F / 刚度刚度= 载荷载荷 / 变

17、形变形单个联接载荷与变形线图单个联接载荷与变形线图: 图10-23 p.144设计步骤设计步骤: 联接松弛联接松弛FR = 0 螺栓拉溃螺栓拉溃失效形式: FR0 P.147设计准则(1)求单个联接的工作载荷FE(2)定残余预紧力FR(按工作要求) P.147第12(3)求Fa螺栓强度计算(定d) Fa = FR FE(4)结构设计 43 . 121dFae失效形式及设计计算失效形式及设计计算:KNZDpFE02. 4841606 . 14/22(2)定残余预紧力FR (1)求单个联接的工作载荷FE:有紧密要求 , FR=1.51.8 FE 取FR=1.8FE (3)求Fa螺栓强度计算(4)结

18、构设计取45钢, S=355Mpa (表9-1) 暂取S=3(不严格控制预紧力,静) =S/S = 118 Mpa C1eD0D取取Z=8例10-4:Fa = FEFR = 2.8 FE = 11.3kN 一钢制液压油缸, 油缸壁厚为10mm, 油压p=1.6 Mpa , D=160mm, 试计算其上盖的螺栓联接和螺栓分布圆直径D0 解:取d=16mm, 其d1=13.835mm12.6mm 合适取S=3 (表10-7) (不严格控制预紧力) 合适 mmFda6 .12118113003 . 143 . 141D0=D+2e+210=218-224mm取D0=220mm螺栓间距L=D0/Z=2

19、20/8 =86.4mm 7d=716=112mm (P.146页的脚注) 满足要求C1eD0D表10-1(4)结构设计:(螺栓分布圆直径D0图10-9a P.139)1.松螺栓联接松螺栓联接: 装配时不预紧联接不受力工作时受轴向载荷Fa 421dFa2.紧螺栓联接紧螺栓联接复合应力(拉、扭) 43 . 121dFae1)受横向工作载荷受横向工作载荷F不松不滑 预紧力 F0(轴)足够大 F0CF/mf不断不溃定螺栓d1 43 . 1210dFe普通螺栓联接普通螺栓联接: : 2)受轴向工作载荷受轴向工作载荷FE:螺栓总拉力Fa: Fa=FE+FR 43 . 121dFae求FE 定FR 求Fa

20、 强度定d 结构设计已知F求d: 求F0 (不滑) 定d (强度)已知d求F: 求F0 (强度) 定F (不滑) 小结：小结：10-8提高螺栓联接强度的措施 P.146前言前言:螺栓联接强度螺栓静载荷 变载荷(一)降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围(二)改善螺纹牙间的载荷分布(三). 减小应力集中较少破坏疲劳破坏截面小、且应力集中大破坏位置 图10-24螺栓强度措施螺栓被联接件652015AFkkkECbba)(2当FE由(0FE)要使akb/(kb+kC) kbkC1)减小减小kb2)增大增大kC减小螺栓光杆直径, 空心螺杆(图10-25) 不宜用软垫片图10-27减小减小kb/(kbkC)但

21、FR减小不利密封ECbbFkkkF0Fa由(F0 )变化(一)降低螺栓总拉伸载荷Fa 的变化范围a(二)改善螺纹牙间的载荷分布 现象现象: 螺纹牙间的载荷分布不均螺栓螺母受力性 质不同1/3载荷集中在第一圈牙上第810牙 不受力增厚螺母无效。 使受压螺母受拉螺母 图10-28改善螺纹牙间的载荷分布65破坏发生在螺母支承面处原因原因:措施措施:652015支承面平行加工 球形垫片凸台凹坑鱼眼坑1.减小应力集中：减小应力集中：2.减少联接附加减少联接附加 弯曲应力弯曲应力增大过渡圆角螺纹收尾退刀槽(卸载槽) (三). 减小应力集中:TT10-9 螺旋传动: （要求高效率梯形、锯齿形、矩形多线）传递

22、动力调整零件间相对位置螺旋副传动 实现 将回转运动直线运动传导传力调整按按传导螺旋传递运动为主, 高的运动精度用用传力螺旋传力为主, 以小T大的轴向力Fa途途调整螺旋调整零件间相对位置细牙M 主要失效形式：螺纹磨损设计步骤：耐磨性条件计算出螺杆直径和长度 螺杆强度，稳定性，螺纹牙强度校核一一. 类型类型:二设计二设计：小结:1.螺纹主要参数及分类，螺纹联接基本类型。2.螺旋副联接(可靠)、传动(效率高) 参数、牙 型的选择。自锁条件、效率计算及影响因素。3.螺纹联接的拧紧目的及防松方法。方法。4.螺栓联接的强度计算(普通)5.提高螺栓联接强度的措施 1.螺旋副的用途自锁条件及影响因素2.螺纹联接基本类型联接(可靠可靠)、传动(效率高效率高) 效率计算及影响因素(大、大、小小单线单线)螺纹牙型及选择(小、小、 大大 多线多线)(M 联接联接;Tr、