機械原理和機械零件聯(lián)接設計分類和特點

1、機械原理和機械零件聯(lián)接設計分類和特點聯(lián)接靜聯(lián)接動聯(lián)接可拆聯(lián)接不可拆聯(lián)接如: 螺紋、鍵(花鍵)、銷等如: 鉚、焊、粘和膠接等第九章 螺紋聯(lián)接設計 螺紋螺紋副的受力分析/效率和自鎖螺紋聯(lián)接的基本類型螺紋聯(lián)接的預緊和防松螺紋聯(lián)接的強度計算螺栓組的結構設計提高螺栓聯(lián)接強度的措施螺旋傳動( 自學)91 螺 紋一、螺紋的形成 將一傾斜角為的直線繞于圓柱體上形成一螺旋線。 取一平面圖形使它沿螺旋線運動(保持圖形通過圓柱體的軸線)。二、螺紋分類 按平面圖形形狀分： 三角形、梯形和鋸齒形。 按螺旋旋向分： 左旋、右旋(常用)。 按螺紋位置分: 內(nèi)螺紋、外螺紋 按母線分: 圓柱螺紋、圓錐螺紋 按螺紋頭數(shù)(4)分:

2、 單線、多線三、螺紋參數(shù) 大徑d : 公稱直徑。 小徑 d1 : 在強度計算時使用。 中徑d2: 母線上牙溝槽和牙厚相等的假想圓柱的直徑； 是確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質的直徑。d2(d +d1)/2螺距P : 相鄰兩牙中徑 線上對應兩點間的軸 向距離。導程S: 同一螺旋線上相鄰兩牙中徑線上對應兩點間的軸向距離。 若螺旋線數(shù)為n，則 SnP升角: 中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋 軸線的平面間的夾角。 tg = npd2牙型角：軸向截面內(nèi)螺紋牙型相鄰兩側邊的夾角。牙型斜：牙型側邊螺紋軸線的垂線間的夾角。 對于對稱牙型 /2 (如三角螺紋)9-2 螺旋副的受力分析、效率和自鎖 一、矩形螺紋

3、(=0) 將矩形螺紋沿中徑展開可得一斜面。在軸向載荷Fa 作用下螺旋副的相對運動，可看作推動滑塊沿此斜面(螺紋面) 運動。 當滑塊沿斜面等速上升時，驅動力 F= Fa tg(+) 當滑塊沿斜面等速下滑時，驅動力 F= Fa tg(-) 當量摩擦角=tg-1f 驅動力矩 T=Fd2/2: 螺紋升角Fa:軸向載荷Fn: 法向反力 fFn: 摩擦力 f : 摩擦系數(shù)F:中徑處水平推力滑塊受力分析 二、非矩形螺紋( 如三角、梯形和鋸形螺紋) 受力分析： 若略去的影響，在軸向力Fa作用下，非矩形螺紋的法向力大于矩形螺紋。將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： fFn= fFa/

4、cos = (f/cos)Fa = f Fa =tg -1f 當滑塊沿非矩形螺紋等速上升時, 驅動力F=Fatg(+) 當滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時, 驅動力F=Fa tg(-) 驅動力矩 T=Fd2/2FaFaFa= FnFn=Fa/cos 螺旋副的效率： 螺紋上升時的驅動力矩T是用來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與輸入功之比。按螺旋轉動一圈計算，輸人功為2T ，有效功為FaS，則螺旋副的效率為： 一定時，=f()。取d/d=0, 得 = 45- /2時, 效率最高。 一般 25( 過大制造困難, 且對提高不顯著)。 = = = tgtg(+)FaS2TFa d2 t

5、g2 Fatg(+) d2/2 螺旋副自鎖的條件： 當滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時的驅動力 F=Fatg(-) 是用來維持滑塊等速下滑的支持力 當 時，無論Fa多大，滑塊不會自動下滑的現(xiàn)象, 稱為螺旋副的自鎖。自鎖條件是: 93 螺紋聯(lián)接的基本類型 普通螺紋用于緊固聯(lián)接牙型角60的三角形米制螺紋。大徑d為公稱直徑。同一公稱直徑有多種螺距，其中螺距最大的為粗牙螺紋(應用最多) ，其余為細牙螺紋。細牙螺紋升角小、小徑大，因而自鎖性能好、強度高。但不耐磨、易滑扣。適用于薄壁零件、受動載荷的聯(lián)接和微調(diào)機構。一、機械制造常用螺紋三角螺紋 管螺紋用于緊密聯(lián)接英制螺紋，公稱直徑是管子的公稱通徑。55圓柱管螺紋

6、:55圓錐管螺紋60圓柱管螺紋普通細牙管螺紋用于水、煤氣、潤滑管路系統(tǒng)中。用于高精密密封處，不用填料、旋合迅速。梯形螺紋鋸形螺紋 =3，效率比梯形螺紋高,但只能承受單方向軸向力。 =15，比矩形螺紋易切削用于傳動 鋸 梯 三小結：6種螺紋附表: 直徑與螺距、粗牙普通螺紋基本尺寸(摘自GB/T196-1981)公稱直徑(大徑)粗 牙細 牙D、d螺距P中徑D2、d2小徑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: 括號內(nèi)的公稱直徑為第二系列。HP d2=dP d1=dPD、d-內(nèi)、外螺紋大徑D2、d2-內(nèi)、外螺紋中徑D1、d1-內(nèi)、外螺紋小徑 P-螺距標記示例: M24(粗牙普通螺紋,直徑24,螺距3) M241.5(細牙普通螺

8、紋,直徑24,螺距1.5)二、螺紋聯(lián)接的基本類型雙頭螺柱螺 栓螺 釘緊定螺釘普通螺栓鉸制孔螺栓螺紋緊固件六角頭螺栓雙頭螺栓六角螺母六角開槽螺母平墊圈圓螺母彈簧墊圈圓螺母用止動墊圈內(nèi)六角圓柱頭螺釘開槽圓柱頭螺釘平圓頭螺釘開槽沉頭螺釘緊定螺釘94 螺紋聯(lián)接的預緊和防松 對于重要的螺紋聯(lián)接, 應控制其預緊力。因預緊力的大小對螺紋聯(lián)接的可靠性、強度和密封有很大影響。一、擰緊力矩 螺紋副相對轉動的阻力矩螺母支承面上的摩擦阻力矩Fa d22T=T1+T2= tg(+)+fcFarfFa: 預緊力 d2: 螺紋中徑fc: 螺母與被聯(lián)接件支承 面間的摩擦系數(shù)。無 摩擦fc rf : 支承面摩擦半徑 rf =(

9、D0+d0)/4 D0 : 螺紋支承面的外徑 d0 : 螺栓孔直徑 對于M10M68的粗牙螺紋,若取f =0.15, fc=0.15, 則得： TFad (d: 螺紋公稱直徑) 擰緊力矩的控制： 小直徑螺栓裝配時應施加小擰緊力矩; 對重要的有強度要求的螺接聯(lián)接，不宜采用小于M12的螺栓。 通常: 擰緊程度憑人工經(jīng)驗決定; 重要聯(lián)接處: 小批量生產(chǎn)時用測力矩扳手和定力矩扳手、大量生產(chǎn)時用風扳機控制。測力矩扳手定力矩扳機二、螺紋聯(lián)接的防松 靜載荷下，三角螺紋緊固件可自鎖。在沖擊、振動和變載作用下，聯(lián)接須防松。 螺紋聯(lián)接防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉動。防松方法很多，常用方法如下。串聯(lián)鋼絲防松

10、彈簧墊圈防松95 螺紋聯(lián)接的強度計算 螺栓的主要失效形式有：(1) 螺栓桿拉斷(靜載受拉螺栓)；(2) 螺紋的壓潰和剪斷(鉸制孔螺栓)；(3) 經(jīng)常裝拆而滑扣(動載受拉螺栓) 。 螺栓設計遵循等強度原則, 其強度計算是:確定螺紋小徑d 1, 再按標準選定螺紋公稱直徑(大徑)d及螺距P。一、松螺栓聯(lián)接強度計算 松螺栓聯(lián)接時螺母不擰緊，在承受工作載荷前不受力。當承受工作載荷F 時，其強度條件為：螺紋小徑, mm許用拉應力，MPa Fd12/4= 例: 起重機吊鉤二、緊螺栓聯(lián)接強度計算1. 僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接 緊螺栓聯(lián)接時, 螺栓除受預緊力F0 外, 還要承受螺紋副相對轉動的阻力矩T1，因此其應

11、力為:故緊螺栓聯(lián)接的強度條件為： 對于M10M68的螺紋，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，故按第四強度理論(最大形變能理論), 當量應力為ca為： d12. 受預緊力和軸向工作載荷的螺栓聯(lián)接 由于螺栓和被聯(lián)接件的變形, F2F0 + F , 應從分析螺栓聯(lián)接的受力和變形入手, 找出螺栓總拉力的大小。 螺栓擰緊但不受工作載荷時, 螺栓受拉力F0 , 伸長b 被聯(lián)接件受壓力F0 , 縮短m 當承受軸向載荷F時, 螺栓伸長量為b+, 受拉力F2。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件( 被聯(lián)接件壓縮變形減小量等于螺栓拉伸變形增加量), 被聯(lián)接件總壓縮量

12、為m-, 而被聯(lián)接件的壓縮量由F0減至F1 。F1稱為殘余預緊力。螺栓總拉力：F2=F +F1F1F1FFF2F2F0F0F0F0bcF1F1FFF2F2F0F0F0F0mb用線圖表示螺栓和被聯(lián)接件的受力變形關系CbCb+ Cm螺栓的相對剛度系數(shù)F2=F + F1若F 在0 F 間變化時，則F2在F0 F2間變化。 設計步驟 先求F，再根據(jù)聯(lián)接情況選擇F1，最后求F2 ,計算螺栓強度；當F和F0已知時，則先求F2，再檢驗F1是否合乎要求。 F1的確定 當F 不變時，可取 F1=(0.20.6)F 當F 變化時，可取 F1=(0.61.0)F 對有密封性要求的聯(lián)接， F1=(1.51.8)F 螺

13、栓聯(lián)接的強度條件為： 3. 受橫向載荷的螺栓聯(lián)接 螺栓受橫向工作載荷F 時，若接合面的摩擦力足夠大，則聯(lián)接件間不會發(fā)生相對滑動。因此螺栓所需的軸向力(即預緊力)應為：KSFmfF0 附: 當f=0.15, KS，m=1時，F(xiàn)0 8F。故靠摩擦力來承擔橫向載荷時，其尺寸較大。 F0：預緊力 KS: 可靠性系數(shù), 通常KS m: 接合面數(shù)目, 對鋼鐵被聯(lián)接件可取 f: 接合面摩擦系數(shù), 對鋼鐵f 附: 為避免上述缺點、可用： 鍵、套筒或銷承擔橫向工作載荷，螺栓來聯(lián)接。 鉸制孔用螺栓(螺桿與孔之間無間隙)。 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行強度核算。附: 螺紋聯(lián)接件的

14、材料與許用應力國標規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為7級，常用級左右的螺栓，重要或特殊要求中選用高性能等級，如壓力容器中常用級螺栓。一、螺紋聯(lián)接件材料常用螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。高強度時可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。選材時，應使螺母材料的強度級別低于螺栓材料、硬度稍低于螺栓，以減少磨損及避免咬死，并便于換螺母。二、螺紋聯(lián)接件的許用應力1. 螺紋聯(lián)接件的許用拉應力2. 螺紋聯(lián)接件的許用剪應力和許用擠壓應力3. 螺紋聯(lián)接件的安全系數(shù) (被聯(lián)接件為鋼) (被聯(lián)接件為鑄鐵)9-6 螺栓組的結構設計 目的：求出螺栓

15、組中各螺栓受力的大小，特別是其中受力最大的螺栓及其載荷。一、受橫向載荷F的螺栓組聯(lián)接1、受剪螺栓:2、受拉螺栓: fF0mz=KSF f: 接合面摩擦系數(shù) F0: 螺栓預緊力; m : 接合面數(shù); KS: 考慮摩擦傳力的可靠性系數(shù) F : 各螺栓所受的工作載荷 F: 橫向載荷; z : 螺栓數(shù)目二、受轉矩T的螺栓組聯(lián)接1. 普通螺栓(受拉) 根據(jù)螺栓變形協(xié)調(diào)條件，作用在各螺栓上的剪力及其剪切變形量與其中心到底板旋轉中心的距離成正比。 離底板旋轉中心的距離最遠的螺栓受力最大。 靠聯(lián)接預緊后在接合面間產(chǎn)生摩擦力矩抵抗T 靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓抵抗T2. 受剪螺栓(鉸制孔) (補充)三、受軸

16、向載荷F的螺栓組聯(lián)接 若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為： 通常，各個螺栓還承受預緊力F0的作用，當聯(lián)接要有保證的殘余預緊力為F1時，每個螺栓所承受的總載荷F2為: F2 = F1 + F F: 軸向力; z : 螺栓數(shù)目四、受翻轉力矩M的螺栓組聯(lián)接 因螺栓拉伸剛度相同,由變形協(xié)調(diào)條件，各螺栓拉伸變形量與其中心至翻轉中心軸線的距離成正比 傾覆力矩 M 作用在聯(lián)接接合面的一個對稱面內(nèi), 底板在承受傾覆力矩之前, 螺栓已擰緊并承受預緊力F0。 作用在底板兩側的合力矩與傾覆力矩M平衡，即： 離翻轉軸線最遠的受拉應力

17、的螺栓最危險max 為防止結合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：螺栓的總拉力：左端邊緣處最小擠壓應力大于等于零限制右端邊緣處的最大擠壓應力,保證右半邊結合面不被壓潰_97 提高螺栓聯(lián)接強度的措施 螺栓聯(lián)接的強度主要取決于螺栓的強度。螺栓承受軸向變載荷時，其失效形式為：螺桿疲勞斷裂，常發(fā)生在螺栓頭、尾部和螺紋支承平面處。影響螺栓強度的因素和提高強度的措施有：改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象降低影響螺栓疲勞強度的應力幅減小應力集中的影響采用合理的制造工藝一、減小應力幅 若F ：0 F，則F2：F0 F0 + F Cb /(Cb+ Cm) 減小F2變化范圍, 對防止螺栓的疲勞損壞十分有利。

18、故可減小Cb或增大Cm 。 具體措施：減小螺栓光桿部分直徑或采用空心螺桿、增加螺栓長度、采用軟墊片等方法減小Cb 。二、螺紋牙載荷分配 采用普通螺母時，軸向載荷隨旋合螺紋圈數(shù)增多遞減(第一圍受載最大，以后各圈遞減)。到第810 圈后，螺紋幾乎不受載。故采用厚螺母不能提高聯(lián)接強度。 具體措施：用懸置(受拉)螺母，環(huán)槽螺母等。三、減小應力集中 具體措施：增大過渡圓角、切制卸荷槽使螺栓截面變化均勻、減小應力集中。 四、采用合理的制造工藝方法 設計、制造或安裝時的疏忽可能使螺栓受到附加彎曲應力。 具體措施：用凸臺或沉頭座等結構并切削。 除上述方法外，還有冷墩頭部或輾壓螺紋；氰化、氮化等表面硬化處理。

19、螺旋傳動利用螺桿和螺母組成的螺旋副實現(xiàn)傳動。主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，并傳遞動力。一、螺旋傳動的種類 按用途分為: 傳力螺旋/傳導螺旋/調(diào)整螺旋 按螺旋副摩擦性質分為： 滑動螺旋 / 滾動螺旋 / 靜壓螺旋 螺旋機構在機床的進給機構、起重設備、鍛壓機械、測量儀器、工具、夾具、玩具及其他工業(yè)裝備中有著廣泛的應用。 常見運動形式：螺桿轉動，螺母移動或螺母固定，螺桿轉動并移動。98 螺旋傳動二、螺旋傳動的設計計算(略)作 業(yè)P162：題9-7習題講解P162：題9-5 、 9-6復習與練習一、填空1、聯(lián)接有可拆和不可拆兩種,可拆聯(lián)接有 聯(lián)接、 聯(lián)接和 聯(lián)接等。不可拆聯(lián)接有 、 等。2、螺紋按

20、照螺紋線的數(shù)目,可分為單線螺紋和 螺 紋，其中 螺紋常用于聯(lián)接。螺紋按其平面圖 形的形狀，可分為 形、 形和 形 等等。按其螺旋的旋向，可分為 和 。 常用的旋向是 。1/143、螺紋聯(lián)接的基本類型有 聯(lián)接， 聯(lián) 接， 聯(lián)接以及 聯(lián)接等四種。當 被聯(lián)接件之一厚度較大，并需經(jīng)常拆卸時, 可采用 聯(lián)接；而不需經(jīng)常拆卸的可采用 聯(lián)接。4、螺紋的升角隨線數(shù)減小而 ，隨中徑增加而 。當升角當量摩擦角時，將發(fā)生 現(xiàn) 象。螺旋副的自鎖條件為 ，矩形螺紋牙形斜角 為 ，不易自鎖，故 性能好，常用作 螺 紋；普通三角螺紋常用 旋，公稱直徑為 徑， 牙型角= ，故 性能好，常用作 使用。2/145、螺紋聯(lián)接中，

21、螺紋和 螺紋主要用于 ，其中 形螺紋只適用于承受單向軸向 載荷。6、普通螺紋的公稱直徑是螺紋的 ，計算時其危 險截面直徑為 徑；管螺紋的公稱直徑上管子 的 ，其螺紋的牙型通常為 型。圓錐管螺紋 的優(yōu)點是 比圓柱管螺紋高。與粗牙螺紋相比， 在公稱直徑相同時，三角形細牙螺紋的螺距 ， 小徑 ，升角 ；故它的 性能好， 強度高。3/147、在螺栓聯(lián)接中，在裝配時一般都需在擰緊時加上 預緊力，其作用是提高螺紋聯(lián)接的 ， ， 。在重要的螺紋聯(lián)接中，擰緊力矩的測定 較方便的方法是使用 扳手，較精確的方法是 測量擰緊時螺栓的 量。8、螺栓聯(lián)接中,普通螺栓聯(lián)接通過在聯(lián)接上加 力, 從而在接合面上產(chǎn)生 力來承受

22、外加橫向載荷 的, 普通螺栓聯(lián)接所能產(chǎn)生的摩擦力大小主要取決 于 、 及 。依靠摩擦力來承受外 加橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的缺點是 和 等。 為避免上述缺點，常用的措施是通過 、 或 銷承受橫向工作載荷，而螺栓僅起聯(lián)接作用。4/149、采用鉸制孔用螺栓時，其特點是螺栓桿與孔壁之 間沒有 ，而是通過兩者之間的 來進行聯(lián) 接，在工作時，它通過螺栓光桿部分受 ，螺栓 桿與孔壁間受 來承受外加橫向載荷。10、螺桿傳動的功率損耗主要有： 損耗、 摩 擦損耗、 損 耗等。螺紋的防松方法按原理可 分為 防松、 防松和 防松等。11、螺栓的主要失效形式有：螺栓桿 、螺紋 、 及經(jīng)常拆裝時 。在受有軸向變載 荷的緊

23、螺栓聯(lián)接中，通過 螺栓的剛度或 被 聯(lián)接件的剛度，來提高螺栓的疲勞強度，但由此會 使聯(lián)接中的 減小，從而降低聯(lián)接的 ； 為了減小螺栓剛度，可 螺栓光桿部分的直徑， 或 采用 螺栓，也可以 螺栓長度。5/15二、計算題1、兩塊平板用兩只鉸制孔用螺栓聯(lián)接，板受P力作用, 已知P=2000N，a=100mm，求：a) 每個螺栓所受的剪切力。b) 計算螺栓光桿部分的直徑d0 (螺栓許用剪切應力 =40N/mm2 ) 6 2、圖示液壓缸的內(nèi)徑D=200mm，缸蓋與缸體之間用10個M20的螺栓（內(nèi)徑d1mm）聯(lián)接，要求接觸面間殘余預緊力F1F（F為工作載荷），相對剛性系數(shù)Cb/(Cb+Cm)=0.2, 螺栓許用拉應力=110N/mm2，試計算油缸所能承受的最大油壓p和單個螺栓所需要的預緊力F0 。 (F2= F0 + F Cb/(Cb+Cm) 7 3、如圖示方形蓋板用四個