《螺紋參數(shù)計(jì)算》PPT課件.ppt

第10章連接,內(nèi)容10-1螺紋參數(shù)10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖（重點(diǎn)）10-3機(jī)械制造常用螺紋10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松（重點(diǎn)）10-6螺紋連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）10-7螺紋的材料和許用應(yīng)力10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施10-9螺旋傳動10-10滾動螺旋簡介10-11鍵連接和花鍵連接（重點(diǎn)）10-12銷聯(lián)結(jié),常見的連接：由于使用、結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運(yùn)輸?shù)确矫娴脑?，機(jī)器中很多零件需要彼此連接。,連接的類型：,本章介紹的內(nèi)容,第10章連接,螺紋的形成：將一傾斜角為的直線繞在圓住體上便形成一條螺旋線。如用平面圖形三角形K沿螺旋線運(yùn)動并使K平面始終通過圓柱體軸線，就得到三角形螺紋。,同樣取平面圖形K的形狀如右上角任一圖形，可得到矩形、梯形、鋸齒形、管螺紋等。,10-1螺紋參數(shù),動畫,動畫,10-1螺紋參數(shù),螺紋分類：一般分法：外螺紋、內(nèi)螺紋；圓柱螺紋、圓錐螺紋；左旋螺紋、右旋螺紋。按牙型的不同分為：三角螺紋，普通螺紋：效率低，易自鎖，多用于連接。矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋：效率較高，主要用于螺旋傳動。管螺紋：主要用于管路的連接。根據(jù)螺旋線數(shù)目分：單線螺紋（n=1），雙線螺紋（n=2），用于連接；多線螺紋（n2），用于傳動。一般不超過4。,10-1螺紋參數(shù),10-1螺紋參數(shù),螺紋的主要參數(shù)大徑d是螺紋的公稱直徑，與外螺紋牙頂(或內(nèi)螺紋牙底)相重合的假想圓柱體的直徑。小徑d1常用于強(qiáng)度計(jì)算，與外螺紋牙底(或內(nèi)螺紋牙頂)相重合的假想圓柱體的直徑。中徑d2常用于幾何計(jì)算，一個假想圓柱體的直徑，該圓柱的母線上牙型溝槽和凸起寬度相等。螺距P相鄰兩螺紋牙在中徑線上對應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離。,線數(shù)n：螺紋的螺旋線數(shù)目。導(dǎo)程S：沿螺紋上同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動的軸向距離，S=nP。螺紋升角：中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角,如上圖。,牙型角a：在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。牙側(cè)角：在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型一側(cè)邊與螺紋軸線的垂線之間的夾角。,10-1螺紋參數(shù),螺旋副的特點(diǎn)：螺旋副作為一種空間運(yùn)動副，其接觸面為螺旋面；螺紋在旋緊或松開過程中，螺紋之間相對移動；當(dāng)螺桿和螺母之間受到軸向力Fa時，擰動螺桿或螺母，螺旋面間將產(chǎn)生摩擦力。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,幾個補(bǔ)充概念：,機(jī)械效率：輸入功與輸出功之比。自鎖：當(dāng)機(jī)構(gòu)無論受多大的驅(qū)動力時都無法運(yùn)動的現(xiàn)象。總反力：運(yùn)動副中法向反力與摩擦力的合力，稱為運(yùn)動副中的總反力。摩擦角：總反力與法向反力之間的夾角。其大小為：,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,矩形螺紋受力分析(牙側(cè)角=0),基本假設(shè)：載荷分布在中線上；單面產(chǎn)生摩擦力。力學(xué)模型：內(nèi)外螺紋旋合形成的螺旋副，旋緊或松開時，在驅(qū)動力矩和軸向載荷作用下的相對運(yùn)動，可簡化為作用在中徑上的水平推力推動滑塊沿中徑展開的斜面上的運(yùn)動。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,擰緊力矩為：,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,1.擰緊螺母時相當(dāng)于滑塊沿斜面上升,擰緊力為：,3.自鎖條件,yr,防松力矩為：,2.松開螺母時相當(dāng)于滑塊沿斜面等速下滑,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,維持滑塊等速運(yùn)動所需的平衡力（防松力）為：,式中f為當(dāng)量摩擦系數(shù)，即,式中=arctanf，為當(dāng)量摩擦角，為牙側(cè)角。,非矩形螺紋受力分析(0)如下圖所示，非矩形螺紋的法向力比矩形螺紋的大。若把法向力的增加看作摩擦系數(shù)的增加，則非矩形螺紋的摩擦阻力可寫為,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,1.擰緊螺母當(dāng)滑塊沿非矩形螺紋等速上升時，可得水平推力：F=Fatg(+)相應(yīng)的擰緊力矩,2.松開螺母當(dāng)滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時，可得：F=Fatg(-)相應(yīng)的防松力矩為,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,若螺紋升角小于當(dāng)量摩擦角，則螺旋具有自鎖特性，如不施加驅(qū)動力矩，無論軸向驅(qū)動力Fa多大，都不能使螺旋副相對運(yùn)動?？紤]到極限情況，非矩形螺紋的自鎖條件可表示為為了防止螺母在軸向力作用下自動松開，用于連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,螺旋副的效率螺旋副的效率是有效功與輸入功之比。若按螺旋轉(zhuǎn)動一圈計(jì)算，輸入功為2T，此時升舉滑塊所作的有效功為FaS，故螺旋副的效率為,由上式可知，當(dāng)量摩擦角一定時，效率只是螺紋升角的函數(shù)。效率曲線如圖10-6所示。令d/d=0，可得當(dāng)=45/2時效率最高。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,10-3機(jī)械制造常用螺紋,動畫,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,除上述基本類型以外，還有其它特殊連接：如地腳螺栓、吊環(huán)螺釘?shù)取?螺紋連接的基本類型,螺栓連接的基本類型,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,普通螺栓連接特點(diǎn)：孔與桿間有間隙、被連接件上無需切制螺紋、裝拆方便。適用場合：經(jīng)常裝拆的一般場合。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,螺釘連接特點(diǎn)：孔與桿間有間隙、被連接件上需切制螺紋、裝拆方便。適用場合：被連接件之一較厚，且不常裝拆的場合。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,雙頭螺栓連接特點(diǎn)：孔與桿間有間隙、被連接件上需切制螺紋、裝拆方便。適用場合：用于被連接件之一較厚、經(jīng)常裝拆的場合。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,緊定螺釘連接適用場合：多用于軸上零件的固定，傳遞較小的力。,其他連接地腳螺栓連接、吊環(huán)螺栓連接、T形槽螺栓連接,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,螺紋緊固件螺紋緊固件的種類繁多，有適應(yīng)面廣、用量大的通用螺紋緊固件，還有適應(yīng)某種需要、具有特殊結(jié)構(gòu)的專用螺紋緊固件。通用螺紋緊固件已標(biāo)準(zhǔn)化。常用的有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母和墊圈等，這類零件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時可根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,動畫,10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松,基本概念預(yù)緊：螺紋連接在裝配時通常都要擰緊，這種擰緊稱之為預(yù)緊。緊螺栓連接：裝配時預(yù)緊的螺栓連接。松螺栓連接：不預(yù)緊的螺栓連接。預(yù)緊的目的：增加連接的剛度、緊密性，以防止螺紋連接的松脫。擰緊螺母時要克服螺紋副的阻力矩和螺母支承面間的摩擦力矩。對于緊螺栓連接，在裝配時都要預(yù)緊，預(yù)緊的目的在于增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移。預(yù)緊后，螺栓受到的預(yù)緊力是通過擰緊力矩獲得的。因?yàn)轭A(yù)緊力的大小對螺紋連接的可靠性、強(qiáng)度和密封性均有很大的影響，因此對于重要的螺紋連接，應(yīng)控制其預(yù)緊力。,擰緊力矩?cái)Q緊力矩T：是用以克服螺紋副相對轉(zhuǎn)動的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2，它與預(yù)緊力F0間的關(guān)系為：,式中：rf為支承面摩擦半徑，rf(dw+d0)/4，其中dw為螺母支承面的外徑，d0為螺栓孔直徑(如圖所示)。,圖10-15支承面摩擦阻力矩,10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松,對于M10M68的粗牙螺紋,預(yù)緊F0值的確定：是由螺紋連接的要求來決定的。為了充分發(fā)揮緊固件的工作能力，保證預(yù)緊的可靠，擰緊后螺紋緊固件的預(yù)緊應(yīng)力一般可達(dá)到材料屈服極限S的5070%，但不得超過S的80。對于一般連接用鋼螺栓，預(yù)緊力可參考下式確定：,10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松,螺紋大徑,螺紋危險(xiǎn)截面面積,對于受軸向工作載荷的重要連接和有特殊要求的螺栓，預(yù)緊力應(yīng)根據(jù)其使用實(shí)踐確定，并在裝配圖標(biāo)注出其預(yù)緊力和擰緊力矩，以便安裝時控制。預(yù)緊力QP的控制：測力矩板手測出預(yù)緊力矩。定力矩板手達(dá)到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑。測量預(yù)緊前后螺栓伸長量精度較高。,10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松,螺紋連接的防松1、防松目的（原因）：連接用的三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時不會自動松脫。但是在沖擊、振動和變載的作用下，預(yù)緊力可能在某一瞬間消失，連接仍有可能松脫。在高溫或溫度變化較大時，由于溫度變形差異等原因，也可能導(dǎo)致連接的松脫。螺栓連接一旦松脫，輕者會影響機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，重者會造成重大事故。因此，為了保證連接可靠，必須采取有效的防松措施。,10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松,防松原理（防松的實(shí)質(zhì)、根本問題）防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。,防松方法螺紋連接防松的方法按工作原理可分為:摩擦防松：,彈簧墊圈,對頂螺母,尼龍圈鎖緊螺母,開口銷和槽形螺母,圓螺母用帶翅墊片,止動墊片,機(jī)械防松：,其它：破壞螺紋副關(guān)系（鉚沖、粘接、焊接），排除了螺母相對螺栓轉(zhuǎn)動的可能。,串聯(lián)金屬絲,自鎖螺母,10-5螺紋連接的預(yù)緊和防松,受拉螺栓的失效形式：螺栓桿的塑性變形或斷裂。其破壞部位及其出現(xiàn)的百分比見右圖。,受剪螺栓的失效形式：螺栓桿和孔壁間壓潰或螺栓桿被剪斷。,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,螺栓的受力,螺栓的失效形式,螺栓連接的設(shè)計(jì)方法根據(jù)約束強(qiáng)度條件確定螺栓(或螺釘、雙頭螺柱)的大徑。根據(jù)螺栓連接的受力情況，通過分析，確定其所屬類型，然后計(jì)算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按強(qiáng)度條件計(jì)算出螺栓的小徑d1(或螺栓桿直徑d0)。由所計(jì)算出的d1或d0，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)即可查出相應(yīng)的螺栓大徑d。由螺栓大徑d，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，查出全部螺紋連接件的尺寸和相應(yīng)的代號。完成設(shè)計(jì)。,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,松螺栓連接,當(dāng)承受軸向工作載荷Fa(N)時，其強(qiáng)度條件為,設(shè)計(jì)公式：,計(jì)算出d1后，再按標(biāo)準(zhǔn)查選螺紋的公稱直徑。,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,分析,緊螺栓連接,拉應(yīng)力,e當(dāng)量應(yīng)力,扭剪應(yīng)力,第四強(qiáng)度理論,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,對于M10M68的普通螺紋，取d1、d2和的平均值，并取tg=f=0.15，得0.5。則當(dāng)量應(yīng)力e為,故螺栓螺紋部分的強(qiáng)度條件為,設(shè)計(jì)公式：,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,1.受橫向工作載荷F的螺栓強(qiáng)度,根據(jù)d1，按標(biāo)準(zhǔn)查選螺紋的公稱直徑。,受橫向工作載荷F的螺栓強(qiáng)度,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,可靠性系數(shù)C=1.11.3，m為接合面數(shù)目。,從上式可以計(jì)算，當(dāng)摩擦系數(shù)f=0.15、可靠性系數(shù)C=1.2、結(jié)合面數(shù)目m=1時，F(xiàn)08F。即預(yù)緊力應(yīng)為橫向工作載荷的8倍，所以螺栓連接靠摩擦力來承擔(dān)橫向載荷時，其尺寸是較大的。為了避免上述缺點(diǎn)，可用鍵、套筒或銷承擔(dān)橫向工作載荷，而螺栓僅起連接作用，如下圖。,（重點(diǎn)）,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,也可以采用螺桿與孔之間沒有間隙的鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷，這些減載裝置中的鍵、套筒、銷和鉸制孔用螺栓可按受剪切和受擠壓進(jìn)行強(qiáng)度核算、許用切應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力P見表10-6。,鉸制孔用螺栓受力特點(diǎn)：螺栓受載前后不需預(yù)緊，橫向載荷靠螺栓桿與螺栓孔壁之間的相互擠壓傳遞。擠壓強(qiáng)度條件：,剪切強(qiáng)度條件：,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,如下圖所示的氣缸蓋上的連接即屬此種類型。設(shè)缸內(nèi)流體壓強(qiáng)為p，螺栓數(shù)為z，則缸體周圍每個螺栓平均承受的軸向工作載荷為,雖然，這種螺栓是在受預(yù)緊力F0的基礎(chǔ)上，又受工作拉力FE。但是，螺栓的總拉力FaF0FE。為什么？,受軸向工作載荷的螺栓強(qiáng)度,下面分析受預(yù)緊力F0和工作拉力FE。作用時，螺栓的受力與變形關(guān)系。,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,動畫,工作載荷FE和殘余預(yù)緊力FR一起作用在螺栓上，所以螺栓的總拉伸載荷為：Fa=FE+FR,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,單個緊螺栓連接受力變形圖,螺栓剛度：kbF0/b（受力與變形之比）被連接件剛度：kcF0/c0受工作載荷后，螺栓及被連接件均產(chǎn)生變形，且滿足變形協(xié)調(diào)條件：b=c=Fb=kb，F(xiàn)c=kc而FE=Fb+Fc=kb+kc,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,螺栓總拉力:,工件殘余預(yù)緊力:,螺栓的相對剛度：與螺栓及被連接件的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)，見下表。,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,設(shè)計(jì)步驟:,(1)求單個連接的工作載荷FE(2)按工作要求定殘余預(yù)緊力FR,(3)求Fa：Fa=FRFE(4)根據(jù)螺栓強(qiáng)度計(jì)算d1，查表確定d,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,注意：若軸向工作載荷FE在0FE間周期性變化，則螺栓所受總拉伸載荷應(yīng)在F0Fa間變化。受變載荷螺栓的粗略計(jì)算可按總拉伸載荷Fa進(jìn)行，其強(qiáng)度條件仍為式(10-12)，所不同的是許用應(yīng)力應(yīng)按表10-6和表10-7在變載荷項(xiàng)內(nèi)查取。,10-6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算（重點(diǎn)）,10-7螺栓的材料和許用應(yīng)力,螺栓的常用材料為Q215、Q235、10、35和45鋼，重要和特殊用途的螺紋連接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力學(xué)性能較高的合金鋼。這些材料的力學(xué)性能見表9-1。螺紋連接的許用應(yīng)力及安全系數(shù)見表10-6和表10-7。螺紋連接件的性能等級如下表。,10-7螺栓的材料和許用應(yīng)力,10-7螺栓的材料和許用應(yīng)力,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,螺栓的失效形式：受拉時為塑性變形、斷裂，受剪時為壓潰或剪斷。螺栓連接承受軸向變載荷時，其損壞形式多為螺栓桿部分的疲勞斷裂，通常都發(fā)生在應(yīng)力集中較嚴(yán)重之處，即螺栓頭部、螺紋收尾部和螺母支承平面所在處的螺紋。螺栓連接的強(qiáng)度主要取決于螺栓的強(qiáng)度，提高螺栓強(qiáng)度有以下幾種措施：,一、降低螺栓總拉伸載荷Fa的變化范圍螺栓所受的軸向工作載荷FE在0FE間變化時，拉伸總拉伸載荷Fa的變化范圍為F0,螺栓剛度kb和被連接件剛度kc對Fa變化范圍的影響如圖所示。,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,動畫,a.柔性螺栓,b.彈性元件,由此可見，受變載荷作用的螺栓，其應(yīng)力也在一定的幅度內(nèi)變動，減小螺栓剛度或增大被連接件剛度等皆可以使螺栓的應(yīng)力變化幅度減小。1.減小螺栓剛度的方法,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,2.增大被連接件剛度的方法,a.金屬墊片,b.密封環(huán),10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,二、改善螺紋牙間的載荷分配軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，旋合圈數(shù)越多，載荷分布不均的程度也越顯著。所以，采用圈數(shù)多的厚螺母，并不能提高連接強(qiáng)度。（動畫）,導(dǎo)致旋合螺紋牙各圈受力不均的原因是螺桿受拉變長而螺母受壓變短。,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,改善螺紋牙載荷分布的措施是采用均載螺母。,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,三、減小應(yīng)力集中,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,四、避免附加彎曲應(yīng)力,由于設(shè)計(jì)、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應(yīng)力，這對螺栓疲勞強(qiáng)度助影響很大，應(yīng)設(shè)法避免。利用凸臺、沉頭座或斜墊圈等結(jié)構(gòu)，可避免附加彎曲應(yīng)力。見書P151圖10-29,另外，在制造工藝上采取冷鐓頭部和輾壓螺紋的螺栓，其疲勞強(qiáng)度比車制螺栓約高30，氰化、氮化等表面硬化處理也能提高疲勞強(qiáng)度。,10-8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵和花鍵連接是最常用的軸轂連接方式，屬于可拆連接。鍵主要用來實(shí)現(xiàn)軸和軸上零件之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩。有些類型的鍵還可實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向移動。一、鍵連接的類型鍵連接的類型有：,鍵都是標(biāo)準(zhǔn)件，其尺寸和鍵槽尺寸都有國家標(biāo)準(zhǔn)。,鍵連接1,1平鍵連接,平鍵的兩側(cè)面是工作面，上表面與輪轂上的鍵槽底面之間留有間隙?？挎I與鍵槽側(cè)面的相互擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，對中性好。,用于靜連接，應(yīng)用極為廣泛。,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接2,2半圓鍵連接,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接3,3楔鍵連接,楔鍵的上、下面為工作面，鍵的上表面及輪轂鍵槽底面均有1:100的斜度。工作時，鍵的上下面分別與輪轂和軸的鍵槽底面相互壓緊。,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，能承受單向的軸向力。但對中性很差。常用于低速、輕載和對中性要求不高的場合。,10-11鍵連接和花鍵連接,由兩個斜度為1:100的楔鍵組成。一個切向鍵只能傳遞一個方向的轉(zhuǎn)矩，傳遞雙向轉(zhuǎn)矩時，須用互成120130角的兩個鍵。特點(diǎn)：承載能力很大，但對中性差。常用于對中精度要求不高的重型機(jī)械中。,鍵連接4,4切向鍵,二、平鍵的選擇和強(qiáng)度校核,1鍵的尺寸選擇,導(dǎo)向平鍵的長度根據(jù)輪轂寬度及滑動距離確定。,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接,普通平鍵連接（靜連接）工作時的主要失效形式為組成連接的鍵、軸和輪轂中強(qiáng)度較弱材料表面的壓潰，極個別情況下也會出現(xiàn)鍵被剪斷的現(xiàn)象。通常只須按工作面上的擠壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。,鍵被剪斷,2平鍵連接的強(qiáng)度校核,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接5,靜連接的擠壓強(qiáng)度條件為:,動連接的