《机械设计基础 第4版》 教案 第11章 连接

PAGE23-第11章连接基本要求：了解连接的类型和应用；了解螺纹连接的类型和应用；掌握螺旋副的受力分析、效率和自锁，螺纹连接的防松装置；掌握螺纹连接失效形式及强度计算；了解螺旋传动的受力情况及计算要点；了解轴毂连接的类型及应用。重点：螺旋副的受力分析、效率和自锁；螺纹连接失效形式及强度计算。难点：螺旋副的受力分析，效率和自锁；螺栓连接的计算。学时：课堂讲授：8学时。教学方法：多媒体结合板书。11.1连接概述一部机器通常都是由成百上千个零件所组成的，但这些零件并不是随意罗列在一起的，由于使用、结构、制造、装配、运输等原因，机器中有许多零件需要按照一定的要求和方式它们连接起来，而构成一个整体。零件的连接方式有多种：被连接件间相互固定、不能作相对运动的称为静连接；能按一定运动形式作相对运动的称为动连接。通常所谓的连接主要是指静连接。静连接的分类见表10-1。——螺纹连接——键连接——可拆的连接————销连接——弹性环连接连接————成形连接——夹紧连接——焊接——不可拆的连接————铆接——粘接——过盈配合在这些连接方式中尤其是以螺纹连接应用最为广泛，各种类型的机器设备中都有这种连接方式，如：自行车等。螺纹连接的主要特点：1)构造简单，形式繁多；2)连接可靠，具有良好的自锁性能；3)装拆方便；4）能够承受较大的载荷，如起重设备中的连接；5)容易制造：手工——板牙、丝锥；机械——车制、碾制、铣制、磨制；6）价格低廉，选用方便，标准件。11.2螺纹的主要参数11.2.1螺纹的形成如图11-1所示，将一倾斜角为ψ的直角三角形绕在直径为d2的圆柱体上，其三角形的斜边，便形成一条螺旋线任取一平面图形，使它沿着螺旋线运动，运动时保持此图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。图11-1螺纹的形成11.2.2螺纹的类型和分类1.按照平面图形的形状：螺纹分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等。2.按照螺旋线的旋向：螺纹分为左旋螺纹和右旋螺纹。机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求时，才采用左旋螺纹。3.按照螺旋线的数目：螺纹还分为单线螺纹和多线螺纹，为了制造方便，螺纹的线数一般不超过4。4.按功能：连接螺纹；传动螺纹，调节螺纹，阻塞螺纹等5.按标准：公制螺纹，英制螺纹6.螺纹有内螺纹和外螺纹之分，两者旋合组成螺旋副或称螺纹副。7.按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。11.2.3螺纹的基本参数以圆柱螺纹为例，大径——d、D中径——d2、D2小径——d1、D1线数——n螺距——P导程——SS＝nP螺纹升角——ψ牙型角——α牙型斜角——β（牙侧角）工作高度——H11.3螺旋副的受力分析、效率和自锁11.3.1矩形螺纹图11-2螺纹副受力简化螺旋副在力矩和轴向载荷作用下的相对运动，可看成作用在中径的水平力F推动滑块（重物）沿螺纹运动。如图11-2所示。1、当滑块沿斜面等速上升时：由力的平衡条件可知，FR、F和Fa三力组成力多边形，由图可得作用在螺旋副上的相应驱动力矩2.当滑块沿斜面等速下滑时轴向载荷Fa变为驱动力，而F变为维持滑块等速运动所需的平衡力，由力多边形可得作用在螺旋副上的相应力矩3.当滑块沿斜面等速下滑时求出的F值可为正，也可为负。1)当斜面倾角ψ大于摩擦角ρ时，滑块在重力作用下有向下加速的趋势。这时由式求出的平衡力F为正，方向如图所示。它阻止滑块加速以便保持等速下滑，故F是阻力（支持力）2)当斜面倾角ψ小于摩擦角时，滑块不能在重力作用下自行下滑，即处于自锁状态，这时由式求出的平衡力F为负，其方向与图相反（即F与运动方向成锐角）F为驱动力。它说明在自锁条件下，必须施加驱动力F才能使滑块等速下滑。11.3.2非矩形螺纹非矩形螺纹是指牙侧角β≠0的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。由对比图11-3可知，图11-3矩形螺纹与非矩形螺纹受力比较若略去螺纹升角的影响，在轴向载荷Fa作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。若把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式中f’——为当量摩擦系数，即式中’——为当量摩擦角；β为牙侧角。因此，f改为f’、改为’，就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。1．当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平椎力相应的驱动力矩2.当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得可得相应的力矩为与矩形螺纹分析相同，若螺纹升角ψ小于当量摩擦角’，则螺旋具有自锁特性，如不施加驱动力矩，无论轴向驱动力Fa多大，都不能使螺旋副相对运动。考虑到极限情况，非矩形螺纹的自锁条件可表示为为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件。以上分析适用于各种螺旋传动和螺纹连接。归纳起来就是：当轴向载荷为阻力，阻止螺旋副相对运动时：相当于滑块沿斜面等速上升例如车床丝杆走刀时，切削力阻止刀架轴向移动；螺纹连接拧紧螺母时，材料变形的反弹力阻止螺母轴向移动；螺旋千斤顶举升重物时，重力阻止螺杆上升。当轴向载荷为驱动力，与螺旋副相对运动方向一致时：相当于滑块沿斜面等速下滑例如旋松螺母时，材料变形的反弹力与螺母移动方向一致；用螺旋千斤顶降落重物时，重力与下降方向一致。螺旋副的效率：是有效功与输人功之比。若按螺旋转动一圈计算，输人功为2πT，此时升举滑块（重物）所作的有效功为Fa·S，故螺旋副的效率为：由上式可知，当量摩擦角一定时，效率只是螺纹升角ψ的函数。11.4螺纹连接的类型、特点及应用11.4.1基本类型1、螺栓连接拧紧的螺栓连接称为紧连接，不拧紧的称为松连接。特点和应用：无需在被连接件上切制螺纹，使用不受被连接件材料的限制。构造简单，装拆方便，应用最广。用于通孔的场合。根据受力状况可分为：1）受拉螺栓连接：制造和装拆方便，应用广泛；2）铰制孔螺栓连接：螺栓受剪多用于板状件的连接，有时兼起定位作用。2、双头螺柱连接特点和应用：双头螺柱连接座端旋人并紧定在被连接件之一的螺纹孔中，用于被连接件之一较厚或受结构限制而不能用螺栓或希望连接结构较紧凑的场合。3、螺钉连接特点和应用：螺钉连接不用螺母，而且能有光整的外露表面，应用与双头螺柱连接相似，但不宜用于时常装拆的连接，以免损坏被连接件的螺纹孔。4、紧定螺钉连接特点和应用：旋入被连接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被连接件的表面或顶入相应的坑中，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。11.4.2螺纹紧固件标准件螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，其规格、型号均已系列化，可直接到五金商店购买。1．螺栓螺栓的头部形状很多，最常用的有六角头和小六角头两种。2．双头螺柱双头螺柱，旋入被连接件螺纹孔的一端称为座端，另一端为螺母端，其公称长度为L。3．螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉的头部有内六角头、十字槽头等多种形式，以适应不同的拧紧程度。紧定螺钉末端要顶住被连接件之一的表面或相应的凹坑，其末端具有平端、锥端、圆尖端等各种形状。4．螺母螺母的形状有六角形、圆形等。六角螺母有三种不同厚度，薄螺母用于尺寸受到限制的地方，厚螺母用于经常装拆易于磨损之处。圆螺母常用于轴上零件的轴向固定。5．垫圈垫圈的作用是增加被连接件的支承面积以减小接触处的压强（尤其当被连接件材料强度较差时）和避免拧紧螺母时擦伤被连接件的表面。普通垫圈呈环状，有防松作用的垫圈为弹性垫圈。普通用的螺纹紧固件，按制造精度分为粗制、精制两类。粗制的螺纹紧固件多用于建筑，国家标准规定螺纹紧固件按机械性能分级。——螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级11.5螺纹连接的预紧和预紧力矩11.5.1螺栓连接的拧紧对于大多数螺纹连接来说，螺纹连接在装配时都必须拧紧，将螺母拧紧（预紧）。预紧后产生的拉（压）力称为预紧力Fo预紧力的大小对螺纹连接的影响：拧紧连接能增强连接的刚性、紧密性和防松能力；对于受拉螺栓连接，还可提高螺栓的疲劳强度；对于受剪螺栓连接，有利于增大连接中的摩擦力。1、拧紧力矩（扳手力矩）拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩T1和螺母的承压面力矩T2，因此拧紧力矩T=T1＋T22、拧紧力矩的控制拧紧是连接的需要，但拧的过紧也是不适当的。如：用长度为直径15倍的扳手，在20公斤力的作用下，产生的拧紧力是1500kg。所以小直径的螺栓装配时应施加小的拧紧力矩，否则就容易将螺栓杆拉断。因此：对重要的有强度要求的螺栓连接，如无控制拧紧力矩的措施，不宜采用小于M12的螺栓。控制拧紧力矩方法：通常螺纹连接拧紧的程度是凭工人经验来决定的。为了能保证装配质量，重要的螺纹连接应按计算值控制拧紧力矩。例如：使用测力矩扳手或定力矩扳手，如图11-4所示。图11-4测力矩扳手和定力矩扳手11.5.2螺纹连接的防松在静载荷下，螺纹连接能满足的自锁条件为ψ＜ρ。螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防松作用。但在冲击、振动或变载荷下，或当温度变化大时，连接有可能松动，甚至松开，这就容易发生事故。所以在设计螺纹连接时，必须考虑防松问题。防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动。具体的防松装置或方法很多，就工作原理来看，可分为：1)利用摩擦防松；2)机械防松；3)破坏螺纹副。11.6螺纹连接的强度计算螺纹失效形式：静载荷作用下：螺栓的损坏多为螺纹部分的塑性变形和断裂。变载荷作用下：螺栓的损坏多为栓杆部分的疲劳断裂。螺纹的计算准则：对于受拉螺栓——σ≤[σ]对于受剪螺栓——τ≤[τ]；σP≤[σP]对于受复合应力作用的螺栓——σe≤[σe]11.6.1松螺栓连接在螺栓强度计算中，螺栓螺纹部分危险截面的面积要用计算直径dc计算，此直径可根据螺栓拉断截面状况归纳出的经验公式确定：dc＝d1－H/6式中dl-螺纹小径；H-螺纹牙形的三角形高度。作近似计算时dl≈dc。这种连接只能受静载荷。如图11-5示，螺栓在工作时只受拉力Fa11-5起重滑轮松螺栓连接不计被连接件自重时，则其螺纹部分的强度条件为：4Fa/（πd12）≤[σ]式中[σ]一松连接螺栓的许用拉应力。11.6.2紧螺栓连接1、受横向工作载荷的螺栓连接如图10-6所示。受横向工作载荷的螺栓连接可采用普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接两种方式。图若采用普通螺栓连接：靠接合面间的摩擦力传力。11-6只受预紧力作用的紧螺栓连接2、受轴向工作载荷的紧螺栓连接如图11-7所示的缸体与缸盖，用Z个螺栓呈圆形布置连接，设缸体内的压强为p，缸体内直径为D，则图11-7受轴向工作载荷的紧螺栓连接受轴向工作载荷的螺栓连接中，螺栓实际承受的总拉伸载荷Fa，不等于预紧力F0与FE之和。如图11-8所示，这种连接拧紧后螺栓受预紧力F’，工作时还受到轴向工作载荷F的作用。图10-8拧紧后螺栓受预紧力1)螺栓尚未拧紧时，螺栓不受力；2)螺栓尚未拧紧，未受工作载荷时，螺栓受预紧力：；3)工作载荷F作用时，剩余预紧力为：；所以，总拉力：4)为了保证连接的紧密性，必须维持一定的剩余预紧力。根据强度理论，螺栓的强度条件：11.7设计螺纹连接时应注意的问题11.7.1影响螺栓连接强度的因素影响螺栓强度的因素很多，有材料、结构、尺寸参数、制造和装配工艺等。就其影响而言，涉及到螺纹牙受力分配、附加应力、应力集中、应力幅、材料、机械性能、制造工艺等方面。11.7.2提高螺栓连接强度的措施由于受拉螺栓的损坏多属于疲劳性质，所以提高螺栓连接强度的措施主要是从降低螺栓的负担（实际应力）和提高其能力（主要是抗疲劳破坏能力）这两方面着手降低螺栓总拉伸载荷的变化范围在工作载荷和剩余预紧力不变时，减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度：使螺栓拉力变化幅减小。减小螺栓刚度的措施有：1)适当增大螺栓的长度；2)部分减小栓杆直径或作成中空的结构一柔性螺栓。柔性螺栓受力时变形量大，吸收能量作用强，也适于承受冲击和振动；3)在螺母下面安装弹性元件（图11-9当工作载荷由被连接件传来时，由于弹性元件的较大变形，也能起到柔性螺栓的效果）增大被连接件的刚度的措施：不用刚度小的垫片。图11-9所示的紧密连接，就以用密封环为佳。图11-9提高螺栓连接强度的措施改善螺纹牙的受力分配由于螺母与螺栓受力后的螺距变化不同，即使是制造和装配精确的螺栓和螺母，传力时其旋合各圈螺纹牙的受力也不是均匀的。螺母与螺栓在旋合的第1圈处的受力为Fo的1/3，（这也是为什么在此处多发生疲劳断裂的原因）,参看图10-10所示可知图11-10受拉螺栓与受压螺母组合，其结果是:螺栓杆拉力自下而上由F递减为零，并通过螺纹牙传给了螺母；螺母体压力则自上而下由零递增为F。螺栓受拉，螺距增大；而螺母受压，螺距减小。由螺纹牙、栓杆和母体的变形协调条件可知，这种螺纹螺距变化差主要靠旋合各圈螺纹牙的变形来补偿。由图可知，从传力算起的第一圈螺纹变形最大，因而受力也最大，以后各圈递减。旋合圈数越多，受力不均匀程度也越显著，到第8～10圈以后，螺纹牙几乎不受力。因此，采用加高螺母以增加旋合圈数，对提高螺栓强度并没有多少作用。为了使螺纹牙受力比较均匀，可用下述措施：A.改进螺母结构如图11-11所示：l）悬置螺母：使母体和栓杆的变形一致，以减少螺距变化差，可提高螺栓疲劳强度达40％；2）内斜螺母：可减小原受力大的螺纹牙的刚度而把力分移到原受力小的牙上，可提高螺栓疲劳强度达20％3）环槽螺母：利用螺母下部受拉且富于弹性可提高螺栓疲劳强度达30％。这些结构特殊的螺母制造费工，只在重要的或大型的连接中使用。图11-11改进螺母结构措施B.改变螺母材料如图11-12所示，用软（塑性好）、弹性模量低的材料，例如钢螺栓配用有色金属螺母，则可改善螺纹牙受力分配，提高螺栓疲劳强度达40％。使用钢丝螺套：为增强铝、镁合金螺纹孔而研制出的钢丝螺套，由菱形截面钢丝绕成，类似螺旋弹簧图11-12改进螺母材料措施将螺套装于螺纹孔或螺母中，有减轻螺纹牙受力不均和冲击振动的作用，可提高螺钉或螺栓疲劳强度达30％。若螺套材料为不锈钢，并具有较高的硬度和较低的表面粗糙度值，则还能提高抗微动磨损和腐蚀的能力。螺套装人螺纹孔中后，即将安装柄根缺口折断。锁紧型螺套还有防止旋入的螺钉松脱的作用，因此，钢丝螺套也是一种防松零件。11.7.3减小附加应力主要指附加弯曲应力。螺纹牙根对弯曲很敏感，在相当大的拉应力下，弯曲应力对螺栓断裂起关键作用。几种产生弯曲应力的原因见图10-13。图11-13螺栓减小附加应力措施1.螺栓受偏心载荷：钩头螺栓引起的弯曲应力是很大的{如σb＝32F·e／（πdc3）=（8e/dc）（4F）/（πdc2），如e＝dc，则σb＝8σ}，应尽量少用。2．减小附加应力措施几种减小或避免弯曲应力的结构措施见图11-14。图11-14几种减小或避免弯曲应力的结构措施在工艺上要求螺纹孔轴线与连接中各承压面垂直。可用各种方法使栓杆在拧紧时不受螺纹力矩，如图11-15所示的螺栓，装配时用扳手在其末端加一相反力矩。图11-15栓杆在拧紧时不受力矩11.7.4减轻应力集中在螺纹的牙根和收尾、螺栓头部与栓杆交接处，都有应力集中，是产生断裂的危险部位；特别是在旋合螺纹的牙根处，由于栓杆拉伸，牙受弯剪，而且受力不均，情况更为严重。适当加大牙根圆角半径以减轻应力集中，可提高螺栓疲劳强度达20％～40％；在螺纹收尾处用退刀槽、在螺母承压面以内的栓杆有余留螺纹等，都有良好效果。航空、航天器螺栓采用新发展的MJ螺纹，其主要结构特点就是牙根圆角半径增大。高强度钢螺栓对应力集中敏感，但由于可用更大的预紧力拧紧和更高的极限强度，结果还是有利的。11.8螺旋传动螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。螺旋传动类型：1按用途分：（1）传力螺旋——举重器、千斤顶、加压螺旋。特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁。（2）传导螺旋——机床进给丝杠—传递运动和动力。特点：速度高、连续工作、精度高。（3）调整螺旋——机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。特点：是受力较小且不经常转动。2螺旋传动按摩擦副的性质分：（1）滑动螺旋构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁（2）滚动螺旋传动摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种。（3）静压螺旋液体摩擦，靠外部液压系统提高压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开。11.9轴毂连接零件与轴之间不仅需要轴向固定，而且需要周向固定(轴毂连接)，以传递转矩。常用的轴毂连接有键连接、过盈配合连接、销连接等，键连接应用最广。11.9.1键连接的常见类型和应用1.平键连接平键是矩形截面的连接件，置于轴和轴上零件毂孔的键槽内，以侧面为工作面，工作时靠键和键槽的互相挤压传递转矩。按工作情况平键可分为普通平键和导向平键。普通平键两端可制成圆头(A型)、平头(B型)或半圆头(C型)。导向平键两端可制成圆头(A型)、平头(B型)。导向平键除实现周向固定外，还允许轴上零件有轴向移动，构成动连接。圆头键连接时，轴上键槽用端铣刀加工；采用方头键连接，轴上键槽用盘铣刀加工；半圆头键常用于轴端。这种平键用于轴上零件与轴之间没有相对运动的静连接。图11-16平键连接2．半圆键连接半圆键用于静连接，也以侧面作工作面(图11-17)。这种连接的优点是工艺性较好，缺点是轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大，主要用于轻载或位