机械设计基础第 10章学习资料

第10章联接一.联接---被联接件与联接件的组合。二.分类:

不可拆联接---若不损坏组成零件就不能拆开的联接;

可拆联接-----允许多次装拆而无损于使用性能的联接。

10-1螺纹联接

潘存云教授研制一、螺纹的形成§10－1螺纹d2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

螺纹

一、螺纹的类型及应用

螺纹按牙型分类：三角形（普通螺纹）、管螺纹—联接螺纹矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹—传动螺纹三角形螺纹：粗牙螺纹—用于联接细牙螺纹—自锁性好，适于薄壁细小零件和冲击变载等螺纹按位置分类：内螺纹—在圆柱孔的内表面形成的螺纹外螺纹—在圆柱孔的外表面形成的螺纹根据螺旋线绕行方向分类：左旋、

右旋

根据螺旋线头数分类：单头螺纹（n=1）—用于联接双头螺纹（n=2）

多线螺纹（n≥2）—用于传动

螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制

3.螺纹的旋向:1)右旋(常用);2)左旋(特殊情况用)。

4.螺纹的线数:

1)单头;2)双头。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潘存云教授研制潘存云教授研制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潘存云教授研制潘存云教授研制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圆柱螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制管螺纹二.螺纹的主要参数1.大径d;2.小径d1(强度直径);3.中径d2(假想圆柱的直径);S=nP7.螺纹升角φ,定义在中径圆上;4.螺距P;5.导程S;6.线数n;8.牙型角α;9.牙型侧角β;

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。60˚螺纹的精度等级:A级B级C级公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合；受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的联接；用于一般联接，最常用。粗牙螺纹应用最广细牙螺纹的优点：升角小、小径大、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。Pd粗牙dP细牙dP细牙梯形螺纹：梯形锯齿形30º3º30º锯齿形螺纹:常用于传动。β=15ºβ=3º粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。螺纹的基本尺寸：潘存云教授研制dd2d1P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α=55˚）用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α=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dd2d1Pφ2φ螺旋副的受力分析,

效率和自锁Ⅰ.螺旋副的受力分析一.矩形螺旋副(=0o)r2TFFaΦ＋ρ表示置于螺杆螺纹上的螺母加在螺母上的载荷使螺母上升的外加力矩力矩T相当于加在螺母上的水平驱动力。表示矩形螺杆T=Fr2FRr2TFFa

ρFRr2TF

+ρFRFar2TFFa

+ρFRr2TFFa

+ρFR螺母沿螺纹上升相当于滑块在斜面上运动。r2TFFa

+ρFR2r2s

+ρFFaFRVAAφρ滑块A上升2r2s

+ρFFaFRVAAφ滑块A上升2r2s

+ρFFaFRVAAφF=Fatg(+ρ)φ+ρFRFFaT=F•d2/2=Fa•d22Tg(φ+ρ)----(10-2b)2r2s

-ρFFaFRVAA滑块A下降

φ下滑支持力主动力滑块A下降2r2s

-ρFFaVAAφF

=Fatan(-ρ)FRFRFFaφ-ρT=Fad22tg(φ–ρ)二.非矩形螺纹副(β0°)三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹

牙型斜角

用比较法，将三角形螺纹副受力分析简化并得结论。

1.受力分析Ff

=Fnf=Fa

fFf△=Fnf=

Facosβf=Fa

f´因为f

´

>f,所以Ff△>

Ff 当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，水平推力：F＝Fatg(φ+ρ‘)

驱动力矩：T＝Fa

d22Tg(φ+ρ´)当等速下滑时，可得水平推力：F＝Fatg(φ-ρ´)驱动力矩：T=Fa

d22tg(φ–ρ´)

Ⅱ.螺纹自锁条件1.自锁---在轴向力作用下,螺旋副不会自动松脱的现象。2.自锁条件由F=Fatg(φ–ρ´)

当φ

ρ´

时F=0---即不加支持力,在F的作用下,重物也不会沿斜面下滑。所以,自锁条件:φ

´需输入的功为

A1=2πT=2πd22Fatg(φ+ρ)升举重物所作的有效功为

A2=FaS=Faπd2tgφⅢ螺旋副的效率πd2S

φ所以ŋ=A2A1=Tgφ

Tg(φ+ρ´)当螺旋转动一圈1.公式2.分析图得知:1.当φ=45º-ρ´2时,2.考虑制造问题,一般φ>效率最高;25°

本节的小结1.

螺旋副受力分析所得通式:

2.

Ff△>Ff ?机械制造常用螺纹不同牙型螺纹特点用途三角形Ff大,自锁性好,η低。

联接矩形Ff

较小,η较高。

传动梯形强度好于矩形螺纹。传动,应用广。

锯齿形综合矩形和梯形的优点。多用于单向传动§10－2螺纹联接的类型及标准联接件一、

螺纹联接的基本类型螺栓联接基本类型eaal1l1铰制孔螺栓孔与螺杆之间留有间隙潘存云教授研制潘存云教授研制dd潘存云教授研制一、

螺纹联接的基本类型螺栓联接基本类型螺钉联接aee双头螺柱联接l1l1HHH1H1H2H2d§10－2螺纹联接的类型及标准联接件潘存云教授研制一、

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§10－2螺纹联接的类型及标准联接件潘存云教授研制潘存云教授研制二、螺纹紧固件螺栓螺纹紧固件螺栓的结构形式LL0d六角头LdL0小六角头dL0L1LL1-----座端长度L0-----螺母端长度二、螺纹紧固件螺纹紧固件双头螺柱螺栓二、螺纹紧固件螺纹紧固件末端结构头部结构螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓潘存云教授研制二、螺纹紧固件螺纹紧固件潘存云教授研制地脚螺栓潘存云教授研制起吊螺钉螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹联接T型螺栓六角螺母六角扁螺母六角厚螺母圆螺母二、螺纹紧固件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螺母螺钉、紧定螺钉双头螺柱螺栓专用螺纹联接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、防松。专用螺纹联接10-3螺纹联接的预紧和防松一.螺纹联接的预紧1.螺纹联接在装配时必须拧紧;2.拧紧力矩T螺母支承面上的摩擦力矩螺旋副的阻力矩T=T1+T2支承面螺母支承面上的摩擦力矩螺旋副的阻力矩T=T1+T2T测力矩扳手定力矩扳手潘存云教授研制联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松，即防止相对转动。防松的方法：1.利用附加摩擦力防松尼龙圈锁紧螺母弹簧垫圈对顶螺母§10－4螺纹联接的防松防松----防止螺旋副相对转动。潘存云教授研制潘存云教授研制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潘存云教授研制止动垫圈3.其他方法防松1~1.5P用冲头冲2~3点冲点防松法粘合法防松涂粘合剂§10－5螺纹联接的强度计算螺栓联接的主要失效形式：滑扣

因经常拆装受拉螺栓塑性变形螺纹部分疲劳断裂受剪螺栓剪断压溃螺杆和孔壁的贴合面经常拆卸断裂--轴向变载荷潘存云教授研制螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。

一、松螺栓联接强度计算强度条件：式中:d1----螺纹小径mm，[σ]—许用应力二、紧螺栓联接强度计算FaFa力除以面积设计公式：装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。1.仅承受预紧力的紧螺栓强度2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接3.承受工作剪力的紧螺栓联接装配时不须要拧紧螺栓受轴向拉力F0和摩擦力矩T1的双重作用。拉应力：1.仅承受预紧力的紧螺栓强度扭转切应力：对于M10~M64的普通钢制螺纹，可取：

tgρ’≈f’=0.17，d2/d1=1.04-1.08,tgΨ≈0.5得：

τ≈0.5σ分母为抗剪截面系数计算应力：由此可见，对于M10—M64普通螺纹的钢制紧螺栓联接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。强度条件：潘存云教授研制潘存云教授研制当承受横向工作载荷时，预紧力F0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=1.1~1.3预紧力F0

：

f---摩擦系数，对钢与铸铁，取:

f=0.1~0.15m---结合面数上图m=1,下图m=2若取f=0.15，C=1.2,m=1,

则：F0

≥8F→结构尺寸大FFFF/2F/2F0F0F0F0潘存云教授研制潘存云教授研制FF/2F/22.受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接改进措施：

a.采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用b.采用无间隙的铰制孔螺栓。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·πD2/4F

=ZpFFD潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制受载变形特别注意，轴向载荷：F2≠F0+F加预紧力后→螺栓受拉伸长λb→被联接件受压缩短λm加载F

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：F1

很显然:F1<F0被联接件放松了

∆λ+λbλm-∆λ潘存云教授研制松弛状态预紧状态λbF0F0λmFFF0F0FFFFF2F2F2=F+F1∆λF1F1∆λ

潘存云教授研制潘存云教授研制λb∆λ联接件变形力螺栓变形力∆Fb∆Fm螺栓变形力F2F1FF0F0λmF0λbλmarctgCbarctgCm潘存云教授研制力螺栓变形arctgCb----相对刚度系数F=∆Fb+∆Fm=(Cb+Cm)∆δCb+CmCbF2=F0+FCb+CmCbF1=F0

–F

1-F1=F0-∆F=F0

-Cm∆δF2=F0

+∆Fb=F0

+Cb

∆δCb+CmF∆λ=FF2∆FbF0∆λ代入得：表5-4螺栓的相对刚度系数垫片类型金属垫片或无垫片皮革铜皮石棉橡胶0.2~0.30.70.80.9Cb+CmCb∆FmF1静强度条件：重要场合的螺栓联接，还应进行疲劳强度校核。设计公式：当工作拉力在0~F之间变化时，螺栓所受总拉力在F0

~F2之间变化。F2

F0

θm

θbF若不考虑摩擦力矩的影响，有：DI∵σmin=const,应力工作点M落在ODGI区域内，依据疲劳强度理论有：其中σ-1tc----螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。疲劳极限σ-1

σ-1tc10160~220120~150Q215170~220120~16035220~300170~22045250~340190~25040Cr320~440240~340材料ψσ

----材料特性系数碳素钢：ψσ

=0.1~0.2合金钢：ψσ

=0.3~0.3σminMσ-1eσ-1σaσmOCAσSGMM’3Kσ

----综合影响系数S

----安全系数见下页3．承受工作剪力的紧螺栓联接这种联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。在联接结合面处，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：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；Lmin铰制孔螺栓FFd0设计时应使:Lmin≥1.25d0d0－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；§10－8提高螺栓联接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂容易断裂部位：一、降低螺栓总拉伸载荷F2的变化范围轴向工作载荷F的变化范围:0~FCb+CmCbF0~F0+F总拉伸载荷的F2变化范围:

Cb

↓

或

Cm↑→F2变化范围∆F↓提高螺栓联接强度的措施有哪些呢？

以螺栓联接为例，螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。65%20%15%潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制F0

θm

θb措施一：降低螺栓刚度（

C’b<

Cb,θ’b

<θb

）措施二：提高被联接件刚度（C’m>Cm,θ’m

>θm

）

措施三：综合措施（

C’b<

Cb,C’m>Cm,F’0>F0

）∆FFF1

F2

F’2F’

∆F

θ’m

F’1θ’bF’0θm

虽然F’=F∆F’<∆F强调残余预紧力减小但有∆F’<∆F强调残余预紧力减小F’=FF’=F，F’1

=F1∆F’<∆F前两种措施会导致残余预紧力减小，使密封性能降低。为保证可靠工作，可适当增大预紧力。F’2F’∆F’F’1

θ’b

F0

θm

θb∆FFF1

F2

F’F’1∆F’F0

θb∆FFF1

F2

θm

潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制d0.8d0.7dd采用柔性结构：加弹性元件、或采用柔性螺栓。2.有密封要求时，采用金属薄垫片3.或者采用O形密封圈宜采取措施:因密封采用软垫片将降低被联接件的刚度，这时可采用潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制二、改善螺纹牙间的载荷分布措施:采用均载螺母。加厚螺母不能提高联接强度。普通螺母螺栓杆螺母体螺栓杆螺母体螺栓杆FaF5/2F4/2F3/2F2/2F1/2F5/2F4/2F3/2F2/2F1/2螺母体螺栓杆FF=F1+F2+F3+F4+F5F1>F2>F3>F4>F510圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。螺栓杆F螺栓杆F螺母体均载螺母均载原理

螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。加厚螺母潘存云教授研制10~15˚悬置螺母环槽螺母内斜螺母10~15˚内斜与环槽螺母均载原理相同

螺母也受拉内斜螺母因力的作用点外移可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。均载元件悬置螺母环槽螺母内斜螺母内斜螺与环槽螺母都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同，均为拉伸变形，从而使螺纹牙上载荷分布趋于均匀；钢丝螺套

加工复杂，仅限于用在重要场合或大型联接。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制支承面不平三、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潘存云教授研制被联接件变形太大3.卸载过渡结构要从结构、制造与装配精度采取措施。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制五、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。球面垫圈采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。腰环螺栓10-11键联接和花键联接一.键联接的作用及类型1.作用:键可实现轴与轴上零件之间的周向固定以传递转矩。

也可实现轴向固定或轴向移动。2.类型1)平键联接：定心性好，装拆方便。(1)普通平键联接(2)导向平键联接

普通平键联接应用举例潘存云教授研制工作面间隙轴潘存云教授研制普通平键结构单圆头(C型)圆头(A型)平头(B型)用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力