机械原理和机械零件联接设计分类和特点

1、机械原理和机械零件联接设计分类和特点联接静联接动联接可拆联接不可拆联接如: 螺纹、键(花键)、销等如: 铆、焊、粘和胶接等第九章 螺纹联接设计 螺纹螺纹副的受力分析/效率和自锁螺纹联接的基本类型螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的强度计算螺栓组的结构设计提高螺栓联接强度的措施螺旋传动( 自学)91 螺 纹一、螺纹的形成 将一倾斜角为的直线绕于圆柱体上形成一螺旋线。 取一平面图形使它沿螺旋线运动(保持图形通过圆柱体的轴线)。二、螺纹分类 按平面图形形状分： 三角形、梯形和锯齿形。 按螺旋旋向分： 左旋、右旋(常用)。 按螺纹位置分: 内螺纹、外螺纹 按母线分: 圆柱螺纹、圆锥螺纹 按螺纹头数(4)分:

2、 单线、多线三、螺纹参数 大径d : 公称直径。 小径 d1 : 在强度计算时使用。 中径d2: 母线上牙沟槽和牙厚相等的假想圆柱的直径； 是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。d2(d +d1)/2螺距P : 相邻两牙中径 线上对应两点间的轴 向距离。导程S: 同一螺旋线上相邻两牙中径线上对应两点间的轴向距离。 若螺旋线数为n，则 SnP升角: 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹 轴线的平面间的夹角。 tg = npd2牙型角：轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型斜：牙型侧边螺纹轴线的垂线间的夹角。 对于对称牙型 /2 (如三角螺纹)9-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 一、矩形螺纹

3、(=0) 将矩形螺纹沿中径展开可得一斜面。在轴向载荷Fa 作用下螺旋副的相对运动，可看作推动滑块沿此斜面(螺纹面) 运动。 当滑块沿斜面等速上升时，驱动力 F= Fa tg(+) 当滑块沿斜面等速下滑时，驱动力 F= Fa tg(-) 当量摩擦角=tg-1f 驱动力矩 T=Fd2/2: 螺纹升角Fa:轴向载荷Fn: 法向反力 fFn: 摩擦力 f : 摩擦系数F:中径处水平推力滑块受力分析 二、非矩形螺纹( 如三角、梯形和锯形螺纹) 受力分析： 若略去的影响，在轴向力Fa作用下，非矩形螺纹的法向力大于矩形螺纹。将法向力的增加看作摩擦系数的增加。则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为： fFn= fFa/

4、cos = (f/cos)Fa = f Fa =tg -1f 当滑块沿非矩形螺纹等速上升时, 驱动力F=Fatg(+) 当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时, 驱动力F=Fa tg(-) 驱动力矩 T=Fd2/2FaFaFa= FnFn=Fa/cos 螺旋副的效率： 螺纹上升时的驱动力矩T是用来克服螺旋副的摩擦阻力和升起重物的。螺旋副的效率是有效功与输入功之比。按螺旋转动一圈计算，输人功为2T ，有效功为FaS，则螺旋副的效率为： 一定时，=f()。取d/d=0, 得 = 45- /2时, 效率最高。 一般 25( 过大制造困难, 且对提高不显著)。 = = = tgtg(+)FaS2TFa d2 t

5、g2 Fatg(+) d2/2 螺旋副自锁的条件： 当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时的驱动力 F=Fatg(-) 是用来维持滑块等速下滑的支持力 当 时，无论Fa多大，滑块不会自动下滑的现象, 称为螺旋副的自锁。自锁条件是: 93 螺纹联接的基本类型 普通螺纹用于紧固联接牙型角60的三角形米制螺纹。大径d为公称直径。同一公称直径有多种螺距，其中螺距最大的为粗牙螺纹(应用最多) ，其余为细牙螺纹。细牙螺纹升角小、小径大，因而自锁性能好、强度高。但不耐磨、易滑扣。适用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。一、机械制造常用螺纹三角螺纹 管螺纹用于紧密联接英制螺纹，公称直径是管子的公称通径。55圆柱管螺纹

6、:55圆锥管螺纹60圆柱管螺纹普通细牙管螺纹用于水、煤气、润滑管路系统中。用于高精密密封处，不用填料、旋合迅速。梯形螺纹锯形螺纹 =3，效率比梯形螺纹高,但只能承受单方向轴向力。 =15，比矩形螺纹易切削用于传动 锯 梯 三小结：6种螺纹附表: 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸(摘自GB/T196-1981)公称直径(大径)粗 牙细 牙D、d螺距P中径D2、d2小径D1、d1螺距P340.50.72.6753.5452.4593.242 0.355680.811.254.4805.3507.1884.1344.9186.647 0.5101.59.0268.376 1.25, 1, 0.751

7、21.7510.86310.106 1.5, 1.25, 1, 0.5(14)162212.70114.70111.83513.835 1.5, 1(18)20(22)24(27)302.52.52.5333.516.37618.37620.37633.05225.05227.72715.29417.29419.29420.75223.75226.211 2, 1.5, 1注: 括号内的公称直径为第二系列。HP d2=dP d1=dPD、d-内、外螺纹大径D2、d2-内、外螺纹中径D1、d1-内、外螺纹小径 P-螺距标记示例: M24(粗牙普通螺纹,直径24,螺距3) M241.5(细牙普通螺

8、纹,直径24,螺距1.5)二、螺纹联接的基本类型双头螺柱螺 栓螺 钉紧定螺钉普通螺栓铰制孔螺栓螺纹紧固件六角头螺栓双头螺栓六角螺母六角开槽螺母平垫圈圆螺母弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈内六角圆柱头螺钉开槽圆柱头螺钉平圆头螺钉开槽沉头螺钉紧定螺钉94 螺纹联接的预紧和防松 对于重要的螺纹联接, 应控制其预紧力。因预紧力的大小对螺纹联接的可靠性、强度和密封有很大影响。一、拧紧力矩 螺纹副相对转动的阻力矩螺母支承面上的摩擦阻力矩Fa d22T=T1+T2= tg(+)+fcFarfFa: 预紧力 d2: 螺纹中径fc: 螺母与被联接件支承 面间的摩擦系数。无 摩擦fc rf : 支承面摩擦半径 rf =(

9、D0+d0)/4 D0 : 螺纹支承面的外径 d0 : 螺栓孔直径 对于M10M68的粗牙螺纹,若取f =0.15, fc=0.15, 则得： TFad (d: 螺纹公称直径) 拧紧力矩的控制： 小直径螺栓装配时应施加小拧紧力矩; 对重要的有强度要求的螺接联接，不宜采用小于M12的螺栓。 通常: 拧紧程度凭人工经验决定; 重要联接处: 小批量生产时用测力矩扳手和定力矩扳手、大量生产时用风扳机控制。测力矩扳手定力矩扳机二、螺纹联接的防松 静载荷下，三角螺纹紧固件可自锁。在冲击、振动和变载作用下，联接须防松。 螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。防松方法很多，常用方法如下。串联钢丝防松

10、弹簧垫圈防松95 螺纹联接的强度计算 螺栓的主要失效形式有：(1) 螺栓杆拉断(静载受拉螺栓)；(2) 螺纹的压溃和剪断(铰制孔螺栓)；(3) 经常装拆而滑扣(动载受拉螺栓) 。 螺栓设计遵循等强度原则, 其强度计算是:确定螺纹小径d 1, 再按标准选定螺纹公称直径(大径)d及螺距P。一、松螺栓联接强度计算 松螺栓联接时螺母不拧紧，在承受工作载荷前不受力。当承受工作载荷F 时，其强度条件为：螺纹小径, mm许用拉应力，MPa Fd12/4= 例: 起重机吊钩二、紧螺栓联接强度计算1. 仅受预紧力的紧螺栓联接 紧螺栓联接时, 螺栓除受预紧力F0 外, 还要承受螺纹副相对转动的阻力矩T1，因此其应

11、力为:故紧螺栓联接的强度条件为： 对于M10M68的螺纹，取 f =0.15, d1、d2和取平均值(d2/d1=1.041.08)，得： 由于螺栓是塑性材料，故按第四强度理论(最大形变能理论), 当量应力为ca为： d12. 受预紧力和轴向工作载荷的螺栓联接 由于螺栓和被联接件的变形, F2F0 + F , 应从分析螺栓联接的受力和变形入手, 找出螺栓总拉力的大小。 螺栓拧紧但不受工作载荷时, 螺栓受拉力F0 , 伸长b 被联接件受压力F0 , 缩短m 当承受轴向载荷F时, 螺栓伸长量为b+, 受拉力F2。根据变形协调条件( 被联接件压缩变形减小量等于螺栓拉伸变形增加量), 被联接件总压缩量

12、为m-, 而被联接件的压缩量由F0减至F1 。F1称为残余预紧力。螺栓总拉力：F2=F +F1F1F1FFF2F2F0F0F0F0bcF1F1FFF2F2F0F0F0F0mb用线图表示螺栓和被联接件的受力变形关系CbCb+ Cm螺栓的相对刚度系数F2=F + F1若F 在0 F 间变化时，则F2在F0 F2间变化。 设计步骤 先求F，再根据联接情况选择F1，最后求F2 ,计算螺栓强度；当F和F0已知时，则先求F2，再检验F1是否合乎要求。 F1的确定 当F 不变时，可取 F1=(0.20.6)F 当F 变化时，可取 F1=(0.61.0)F 对有密封性要求的联接， F1=(1.51.8)F 螺

13、栓联接的强度条件为： 3. 受横向载荷的螺栓联接 螺栓受横向工作载荷F 时，若接合面的摩擦力足够大，则联接件间不会发生相对滑动。因此螺栓所需的轴向力(即预紧力)应为：KSFmfF0 附: 当f=0.15, KS，m=1时，F0 8F。故靠摩擦力来承担横向载荷时，其尺寸较大。 F0：预紧力 KS: 可靠性系数, 通常KS m: 接合面数目, 对钢铁被联接件可取 f: 接合面摩擦系数, 对钢铁f 附: 为避免上述缺点、可用： 键、套筒或销承担横向工作载荷，螺栓来联接。 铰制孔用螺栓(螺杆与孔之间无间隙)。 这些减载装置中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓可按受剪切和受挤压进行强度核算。附: 螺纹联接件的

14、材料与许用应力国标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，常用级左右的螺栓，重要或特殊要求中选用高性能等级，如压力容器中常用级螺栓。一、螺纹联接件材料常用螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。高强度时可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。选材时，应使螺母材料的强度级别低于螺栓材料、硬度稍低于螺栓，以减少磨损及避免咬死，并便于换螺母。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 (被联接件为钢) (被联接件为铸铁)9-6 螺栓组的结构设计 目的：求出螺栓

15、组中各螺栓受力的大小，特别是其中受力最大的螺栓及其载荷。一、受横向载荷F的螺栓组联接1、受剪螺栓:2、受拉螺栓: fF0mz=KSF f: 接合面摩擦系数 F0: 螺栓预紧力; m : 接合面数; KS: 考虑摩擦传力的可靠性系数 F : 各螺栓所受的工作载荷 F: 横向载荷; z : 螺栓数目二、受转矩T的螺栓组联接1. 普通螺栓(受拉) 根据螺栓变形协调条件，作用在各螺栓上的剪力及其剪切变形量与其中心到底板旋转中心的距离成正比。 离底板旋转中心的距离最远的螺栓受力最大。 靠联接预紧后在接合面间产生摩擦力矩抵抗T 靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压抵抗T2. 受剪螺栓(铰制孔) (补充)三、受轴

16、向载荷F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: F2 = F1 + F F: 轴向力; z : 螺栓数目四、受翻转力矩M的螺栓组联接 因螺栓拉伸刚度相同,由变形协调条件，各螺栓拉伸变形量与其中心至翻转中心轴线的距离成正比 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： 离翻转轴线最远的受拉应力

17、的螺栓最危险max 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：螺栓的总拉力：左端边缘处最小挤压应力大于等于零限制右端边缘处的最大挤压应力,保证右半边结合面不被压溃_97 提高螺栓联接强度的措施 螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度。螺栓承受轴向变载荷时，其失效形式为：螺杆疲劳断裂，常发生在螺栓头、尾部和螺纹支承平面处。影响螺栓强度的因素和提高强度的措施有：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一、减小应力幅 若F ：0 F，则F2：F0 F0 + F Cb /(Cb+ Cm) 减小F2变化范围, 对防止螺栓的疲劳损坏十分有利。

18、故可减小Cb或增大Cm 。 具体措施：减小螺栓光杆部分直径或采用空心螺杆、增加螺栓长度、采用软垫片等方法减小Cb 。二、螺纹牙载荷分配 采用普通螺母时，轴向载荷随旋合螺纹圈数增多递减(第一围受载最大，以后各圈递减)。到第810 圈后，螺纹几乎不受载。故采用厚螺母不能提高联接强度。 具体措施：用悬置(受拉)螺母，环槽螺母等。三、减小应力集中 具体措施：增大过渡圆角、切制卸荷槽使螺栓截面变化均匀、减小应力集中。 四、采用合理的制造工艺方法 设计、制造或安装时的疏忽可能使螺栓受到附加弯曲应力。 具体措施：用凸台或沉头座等结构并切削。 除上述方法外，还有冷墩头部或辗压螺纹；氰化、氮化等表面硬化处理。

19、螺旋传动利用螺杆和螺母组成的螺旋副实现传动。主要用于将回转运动转变为直线运动，并传递动力。一、螺旋传动的种类 按用途分为: 传力螺旋/传导螺旋/调整螺旋 按螺旋副摩擦性质分为： 滑动螺旋 / 滚动螺旋 / 静压螺旋 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。 常见运动形式：螺杆转动，螺母移动或螺母固定，螺杆转动并移动。98 螺旋传动二、螺旋传动的设计计算(略)作 业P162：题9-7习题讲解P162：题9-5 、 9-6复习与练习一、填空1、联接有可拆和不可拆两种,可拆联接有 联接、 联接和 联接等。不可拆联接有 、 等。2、螺纹按

20、照螺纹线的数目,可分为单线螺纹和 螺 纹，其中 螺纹常用于联接。螺纹按其平面图 形的形状，可分为 形、 形和 形 等等。按其螺旋的旋向，可分为 和 。 常用的旋向是 。1/143、螺纹联接的基本类型有 联接， 联 接， 联接以及 联接等四种。当 被联接件之一厚度较大，并需经常拆卸时, 可采用 联接；而不需经常拆卸的可采用 联接。4、螺纹的升角随线数减小而 ，随中径增加而 。当升角当量摩擦角时，将发生 现 象。螺旋副的自锁条件为 ，矩形螺纹牙形斜角 为 ，不易自锁，故 性能好，常用作 螺 纹；普通三角螺纹常用 旋，公称直径为 径， 牙型角= ，故 性能好，常用作 使用。2/145、螺纹联接中，

21、螺纹和 螺纹主要用于 ，其中 形螺纹只适用于承受单向轴向 载荷。6、普通螺纹的公称直径是螺纹的 ，计算时其危 险截面直径为 径；管螺纹的公称直径上管子 的 ，其螺纹的牙型通常为 型。圆锥管螺纹 的优点是 比圆柱管螺纹高。与粗牙螺纹相比， 在公称直径相同时，三角形细牙螺纹的螺距 ， 小径 ，升角 ；故它的 性能好， 强度高。3/147、在螺栓联接中，在装配时一般都需在拧紧时加上 预紧力，其作用是提高螺纹联接的 ， ， 。在重要的螺纹联接中，拧紧力矩的测定 较方便的方法是使用 扳手，较精确的方法是 测量拧紧时螺栓的 量。8、螺栓联接中,普通螺栓联接通过在联接上加 力, 从而在接合面上产生 力来承受

22、外加横向载荷 的, 普通螺栓联接所能产生的摩擦力大小主要取决 于 、 及 。依靠摩擦力来承受外 加横向载荷的紧螺栓联接的缺点是 和 等。 为避免上述缺点，常用的措施是通过 、 或 销承受横向工作载荷，而螺栓仅起联接作用。4/149、采用铰制孔用螺栓时，其特点是螺栓杆与孔壁之 间没有 ，而是通过两者之间的 来进行联 接，在工作时，它通过螺栓光杆部分受 ，螺栓 杆与孔壁间受 来承受外加横向载荷。10、螺杆传动的功率损耗主要有： 损耗、 摩 擦损耗、 损 耗等。螺纹的防松方法按原理可 分为 防松、 防松和 防松等。11、螺栓的主要失效形式有：螺栓杆 、螺纹 、 及经常拆装时 。在受有轴向变载 荷的紧

23、螺栓联接中，通过 螺栓的刚度或 被 联接件的刚度，来提高螺栓的疲劳强度，但由此会 使联接中的 减小，从而降低联接的 ； 为了减小螺栓刚度，可 螺栓光杆部分的直径， 或 采用 螺栓，也可以 螺栓长度。5/15二、计算题1、两块平板用两只铰制孔用螺栓联接，板受P力作用, 已知P=2000N，a=100mm，求：a) 每个螺栓所受的剪切力。b) 计算螺栓光杆部分的直径d0 (螺栓许用剪切应力 =40N/mm2 ) 6 2、图示液压缸的内径D=200mm，缸盖与缸体之间用10个M20的螺栓（内径d1mm）联接，要求接触面间残余预紧力F1F（F为工作载荷），相对刚性系数Cb/(Cb+Cm)=0.2, 螺栓许用拉应力=110N/mm2，试计算油缸所能承受的最大油压p和单个螺栓所需要的预紧力F0 。 (F2= F0 + F Cb/(Cb+Cm) 7 3、如图示方形盖板用四个