机械设计基础第10章联接课件

1、机械设计基础机电工程学院河海大学第10章 联 接10-1 螺纹参数10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁10-3 机械制造常用螺纹10-4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件10-5 螺纹联接的预紧和防松10-6 螺纹联接的强度计算10-7 提高螺栓联接强度的措施10-8 键联接和花键联接10-9 销联接10-10 螺旋传动连接的概念一、螺纹的形成101 螺纹参数螺旋线：一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹:一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹d2按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面

2、分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹1530330按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹1、将螺纹轴线竖直放置，螺旋线自左向右逐渐升高的是右旋螺纹。反之也成立。2、从端部沿轴线看去，当螺纹顺时针方向旋转为旋进时，此螺纹为右旋螺纹。左旋右旋旋向判断方法：按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺

3、纹多线螺纹一般: n 4双线螺纹单线螺纹PSS = 2PPSPS =Pn线螺纹: S = n P双线螺纹单线螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹螺纹副外螺纹内螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹联接螺纹传动螺纹螺旋传动联接螺纹传动螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分 按回转体

4、的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹联接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹(3)中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。d1d2d(1)大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。(2)小径d1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。(4)螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。二、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2(5)导程S(6)螺纹升角 中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角(7)牙型角轴向截面内螺纹

5、牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。tg=d2 nP 牙侧角 d2SS = nP同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P二、螺纹的主要几何参数FnFRv一、矩形螺纹= 0 10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁展开中径d2 圆柱面得一斜面.Fd2S螺旋副在轴向载荷Fa作用下相对运动，可看作在中径的水平力F推动滑块(重物)沿螺纹运动 F -水平推力Fn -法向反力Fa -轴向载荷F=f Fn -摩擦力f -摩擦系数 -摩擦角d2FFaFF Fa螺纹的拧松-螺母在F和Fa的联合作用下，顺着Fa等速向下运动。螺纹的拧紧-螺母在F和Fa的联合作用下，逆着Fa等速向上运

6、动。FR -总反力vFnFRvFd2Sd2FFaF F Fa 作力多边形得 F=Fatg(+ ) 驱动力矩：FaFFR+ 列出力平衡方程：FR + Fa +F =0 FRFa = + FR =(1 + f ) Fn+Fa为阻力，F为驱动力，摩擦力F 斜向下当螺纹拧紧(滑块上升)时：FR = Fn +F - FFaFa为驱动力，F成为阻力，摩擦力F沿斜面朝上。 FRvFRFa当螺纹拧松(滑块下滑)时：FRFa = - 作力多边形可得： F=Fatg(- ) 驱动力矩：FnF- 列出力平衡方程：FR + Fa +F =0 F 若 ，则T为正值，其方向与螺 母运动方向相反，是阻力；若，则T为负值，方

7、向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。提问：当时，若没有力矩T，螺母在Fa的作用下会运动吗？这种现象称为自锁。Td2FaFFd2FaFFT螺母螺杆轴线轴线螺杆螺母FnFa二、非矩形螺纹 0 矩形螺纹忽略升角的影响时有：Fn=Fa当 0 时，摩擦力为：摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为f ，与矩形螺纹所产生的摩擦力相当。故称f 为当量摩擦系数。称为当量摩擦角FaFnFa引入参数f 和 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。 滑块上升： 滑块下降：非矩形螺旋的自锁条件： 对于联接螺纹必须满足自锁条件0 10 20 30 4

8、0 50 20406080100效率 % 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：当一定时，效率是螺纹升角的函数，由此可以绘出效率曲线.在=45-/2处效率曲线有极大值。对于传动螺旋，一般取：对于联接螺纹，必须取：升角过大, 制造困难，且效率增高也不明显。螺旋转动一圈时，有效功为FaS, 输入功为2T。f =tg =0.1自锁极限 25紧固螺纹区10-3 机械制造中的常用螺纹三角形螺纹普通螺纹 = 60管螺纹 = 55普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。其中粗牙螺纹应用最广60Pd粗牙dP细牙dP细牙细牙螺纹的优点：升角小、小

9、径大、自锁性好、强度高缺点：不耐磨易滑扣。应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。用螺纹密封的管螺纹普通细牙螺纹管螺纹非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁 = 55）用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁 = 55）60圆锥管螺纹公称直径：管子的公称通径。55 55 非螺纹密封的管螺纹dd2d1Pdd2d1P2梯形螺纹：梯 形锯齿形30330为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。锯齿形螺纹:常用于传动= 15= 3粗牙普通螺纹的基本尺寸见P136表10-1螺纹的基本尺寸：细牙普通

10、螺纹的基本尺寸见P136表10-2梯形螺纹的基本尺寸见P136表10-3表10-1 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm3 0.5 2.675 2.459 公称直径（大径） 粗 牙 细 牙 D d 螺距P 中径 D2 d2 小径 D2 d2 螺距P 4 0.7 3.545 3.242 5 0.8 3.545 4.1340.350.56 1 5.350 4.918 8 1.25 7.188 6.647 10 1.5 9.026 8.376 1.25, 1 0.75 12 1.75 10.863 10.106 1.5, 1.25 0.5 (14) 2 12.701 11.835 1.5, 116

11、 2 14.701 13.835 (18) 2.5 16.376 15.294 20 2.5 18.376 17.294 (20) 2.5 20.376 19.294 24 3 22.052 20.752 (27) 3 25.052 23.752 30 3.5 27.727 26.211 2, 1.5, 1注：括号内的公称直径为第二系列 H=0.866P d2=d-0.6495P d1=d-1.0825PD1、d1-内、外螺纹小径 D2、d2-内、外螺纹中径 D、d -内、外螺纹大径 P-螺距 标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3) M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.

12、5) PP/8H/8HH/4D dD2 d2 D1 d1 P/2P/430 60 90 表10-2 细牙普通螺纹基本尺寸 mm螺距P 中径D2、d2 小径D1、d10.35 d-1+0.773 d-1+0.621 0.5 d-1+0.675 d-1+0.459 0.75 d-1+0.513 d-1+0.188 1 d-1+0.35 d-2+0.918 1.25 d-1+0.188 d-2+0.647 1.5 d-1+0.026 d-2+0.376 2 d-2+0.701 d-3+0.835 3 d-2+0.052 d-4+0.752 表10-3 梯形螺纹基本尺寸 mm标记示例：Tr48X8(梯

13、形螺纹，直径48，螺距8)P h3=H4 ac 第1系列 第2系列 D2 d2 D1 螺距 螺纹牙高 牙顶间隙 公称直径d 中 径 内螺纹小径 12 6.5 0.5 90、100 85、95 d-6 d-12 10 5.5 0.5 40、70、80 38、42、65 d-5 d-10 8 6.5 0.5 48、52 46、50 d-4 d-8 4 2.25 0.25 16、20 18 d-2 d-4 5 2.75 0.25 24、28 22、26 d-2.5 d-5 6 2.25 0.5 32、36 30、34 d-3 d-6 内螺纹外螺纹dPR1R2D1D4H1D2 d2d3acac30 H

14、4R2有粗牙普通螺纹M10和M68，请说明在静载荷下这两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f = 0.10.15）例题11、首先求螺纹升角 。解：M10螺纹：M68螺纹：由P135表10-1查得：螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm；螺距P=6mm， 中径d2=64.103mm。M10螺纹升角：M68螺纹升角：2、求当量摩擦角 。则当量摩擦角为：普通螺纹牙型角=60o牙侧角 =30o摩擦系数f取为：0.1因为:同理:10=3.03o ，所以能够自锁。68=1.707o=(0.30.5)d;变载荷l1=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷l1 d;铰制孔用螺栓l1 0;螺纹伸出长度a=(0.20.3

15、)d; 螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(36) mm用于经常拆装易磨损之处。dd10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件一、螺纹联接的基本类型螺栓联接基本类型螺钉联接座端拧入深度H，当螺孔材料为：aee双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。钢或青铜 H=d;铸铁 H=(1.251.5)d铝合金 H=(1.52.5)d螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;钻孔深度 H2=H1+(0.51)d;参数l1、e、a与螺栓相同 l1l1HHH1H1H2H2结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。d一、螺纹联接的基本类型螺栓联接基本类型螺钉联接双头螺柱联接紧定螺钉联接紧定螺钉特殊联接：地脚螺

16、栓联接 , 吊环螺钉联接二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件LL0d六角头LdL0小六角头螺栓的结构形式双头螺柱dL0L1LL1 -座端长度L0 -螺母端长度二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件螺钉、紧定螺钉双头螺柱二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件末端结构头部结构螺母六角螺母六角扁螺母六角厚螺母圆螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件用于经常拆装易磨损之处。用于尺寸受限制之处。国标罗列有六十余种不同结构的螺母其它螺母：其它螺母：垫圈平垫圈薄平垫圈A型平垫圈B型平垫圈螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面

17、、防松。一、拧紧力矩T1 :克服螺纹副相对转动的阻力矩；T2:克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；设轴向力为Fa 或预紧力（不受轴向载荷） Fc:摩擦系数。 无润滑时取： fc =0.15rf支撑面摩擦半径。 rf =(dw+d0)/4dd0dwT简化公式：T 0.2 Fad预紧应力：=(0.50.7) s10-5 螺纹联接的预紧和防松Fa适用于M10M60的粗牙螺纹 f=0.15, fc=0.15, Fa是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：总力矩：测力矩扳手工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。二、螺纹联接的防松1.利用附加摩擦力防松尼龙圈锁紧螺母F弹

18、簧垫圈对顶螺母定力矩扳手开口销与六角开槽螺母串联钢丝2. 采用专门防松元件防松圆螺母用止动垫圈止动垫圈3. 其他方法防松11.5P用冲头冲23点冲点防松法粘合法防松涂粘合剂10-6 螺栓联接的强度计算主要失效形式螺栓拉断螺纹压溃或剪断滑扣一、松螺栓联接强度条件：式中:d1-螺纹小径， mmFaFa螺栓所受拉力 =工作载荷 工作时不需要将螺母拧紧。如吊钩螺栓.例题如下图所示，起重吊钩的起吊重量是25kN，吊钩材料为35钢，许用应力为60MPa，求吊钩尾部螺纹直径。根据：有解：查出的d1比根据强度计算求得的d1值略大，强度合适。故吊钩尾部螺纹可采用M27。由P135表10-1查得：d=27mm时，

19、d1=23.752mmd1=23.033mm二、紧螺栓联接拉应力： 螺栓在工作前拧紧，受到预紧力Fa和螺纹摩擦力矩T1的作用。预紧力F0产生拉伸应力：螺纹摩擦力矩T1 产生剪应力切应力：对于M10M68的普通螺纹，取d1、d2和的平均值，并取： tg = f =0.15 得： 0.5 强度条件：根据第四强度理论，计算当时应力：1. 受横向工作载荷的螺栓强度螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力Fa导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。C-可靠性系数，常取C=1.11.3预紧力Fa ： f-摩擦系数，对钢与铸铁，取: f =0.10.15m-结合面数 上图m=1,下图m=2若取 f =0.15，

20、C=1.2, m=1, 则：Fa 8F结构尺寸大FFFF/2F/2FaFaFaFaFF/2F/2改进措施： 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。绞制孔螺栓受横向载荷的螺栓破坏形式受剪切破坏受挤压破坏 螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷F进行工作FFd0铰制孔螺栓联接强度螺栓的剪切强度条件为：m 螺栓剪切面数 螺栓许用剪应力，MPam特点：螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为： 铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高FFd0 F 横向载荷（N） d0 螺栓剪切面直径（mm） 螺栓杆与被联接件孔壁间接触受压

21、的最小轴向长度（mm）2.受轴向工作载荷的螺栓强度设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：p D2/4FE =ZpFEFED特别注意，轴向载荷：松弛状态Fa F0+FE预紧状态C0b0F0F0受载变形FRFRFEFEF0F0加预紧力后螺栓受拉伸长b0被联接件受压缩短C0加载FE后螺栓总伸长量增加为: 总拉力为：被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为： FR FaFaFa=FE+FR很显然: FRF2F3F4F5螺栓杆FF螺栓杆螺母体假设螺母为刚体，则螺纹牙变形与普通螺木相同。但实际上螺母也是弹性体，受载也被拉长，变形螺纹牙产生回弹，从而减小两者螺距变化，使受载均匀。10

22、圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。支承面不平三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽r四、避免或减小附加应力采用凸台或沉孔结构切削加工支承面被联接件变形太大五、采用特殊制造工艺冷镦头部、辗压螺纹疲劳强度提高30% 比车削 表面处理： 氰化、氮化也能提高疲劳强度。10-8 键联接和花键联接作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的轴向固定或移动。一、键联接的类型类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。1. 平键联接工作面特点：定心好、装拆方便。种类普通平键导向平键间隙轴普通平键结构单圆头(C型)圆头(A型)方头(B型)用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。用盘铣刀加工，轴的应

23、力集中小。用于轴端普通平键应用最广。A型B型C型盘铣刀 起键螺孔导向平键固定螺钉零件可以在轴上移动，构成动联接。结构特点：长度较长，需用螺钉固定。为便于装拆，制有起键螺孔。起键螺孔固定螺钉表10-4 普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79） A型B型C型bhR=b/2C 45或r1LLLbhbtd-tbt1d+t1标记实例： 圆头普通平键(A型): 键16100 GB1096-79 方头普通平键(B型): 键B16100 GB1096-79单圆头普通平键(C型) : 键C16100 GB1096-79dd b h C或r L t t1 半径r 续表10-9键的尺寸键 槽轴的

24、直径自 68 2 2 620 1.2 1810 3 3 0.160.25 636 1.8 1.4 0.080.16 1012 4 4 845 2.5 1.81217 5 5 1056 3.0 2.31722 6 6 0.250.4 1470 3.5 2.8 0.160.252230 8 7 1890 4.0 3.33038 10 8 22110 5.0 3.33844 12 8 28140 5.0 3.34450 14 9 0.40.6 36160 5.5 3.8 0.250.45058 16 10 45180 6.5 4.35865 18 11 50200 7.0 4.46575 20 12

25、 56220 7.5 4.97585 22 14 63250 9.0 5.40.60.8 0.40.62. 半圆键联接优点：定心好，装配方便。因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。特别适用于锥形轴端的联接。工作面3. 楔键联接和切向键联接结构特点：键的上表面有1:100的斜度， 轮毂槽的底面也有1:100的斜度。缺点：定心精度不高。应用：只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。安装时用力打入工作面dd类型：普通楔键、钩头楔键。钩头是用来拆卸用的拆卸空间斜度1：100120 130 在重型机械中常采用切向键-一对楔键组成。装配时将两楔键楔紧，键

26、的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成120130 。窄面工作面bA型d二、平键联接的强度校核键的材料：B 370 Mpa的碳素钢，常用45钢。键的截面尺寸b、h查表选取，长度L参照轮毂长度从标准中选取。键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。Lbh/2挤压强度条件：p =SFt(d/2)(h/2)lT=p MPa d h l4T=l=L-bl=LbB型ldp d h l4Tp=对于导向平键联接，计算依据是磨损，应限制压强：钢 125150 100120 6090表12-5 键联接的许用压强许用值 轮毂材料静载荷 轻微冲击 冲 击载 荷 性 质

27、铸铁 7080 5060 3045钢 50 40 30p p 若强度不时，可采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。三、花键联接结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。优点：承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、 导向性好。类型：矩形花键、键开线花键、三角形花键。制造容易最常用用于高强度联接用于薄壁零件联接静联接、动联接均可。一般只验算挤压强度和耐磨性。设各齿压力的合力作用在平均半径rm处，取不均匀系数K=0.70.8，则花键联接所能传递的扭矩为：静联接： T = Kzhlrmp 动联接： T = Kzhl rmp l为接触长度；h为齿面工作高度；h

28、=(D d)/2 2CD/2d/2hrmrm=(D+d)/4C为齿顶倒圆半径；花键材料： B 600 Mpa的碳素钢制造，大多进行热处理。CCFtI 3550 4070 表10-6 花键联接的许用挤压应力p 和许用压强p 联接工作方式齿面未经热处理 齿面经热处理 p 或p II 60100 100140III 80120 120200动联接p (不在载荷下移动)静联接p 工作条件动联接p (在载荷下移动)I 1520 2535II 2030 3060III 2540 4070I - 310II - 315III - 1020注：I-很差； II-中等； III-良好。10-9 销联接作用：固定

29、零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。类型圆柱销圆锥销-经多次拆装后，定位精度会降低；有1:50的锥度，可反复多次拆装。拆装方便用于盲孔螺母锁紧抗冲击不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。带槽圆柱销装配前、后 10-10 螺旋传动作用: 将回转运动转变为直线移动.分类:传力螺旋传导螺旋调整螺旋传递动力, 千斤顶, 压力机压力机传递运动,要求精度高.进给机构.调整相对位置.千斤顶调整螺旋调整螺旋对螺旋传动的要求: 强度足够, 耐磨, 摩擦系数小.螺杆材料: Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65Mn螺母材料: ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、 ZCuAl10Fe3.失效形式: 磨损一、耐磨性计算校核公式：p = p MPa d2 hzFaFa为轴向力； z为参加接触的螺纹圈数； d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；p为许用压强。速度v