機械設計 10章螺紋連接

第十章聯(lián)接(螺紋聯(lián)接)

p.131

前言§10-1螺紋參數(shù)§10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖§10-3機械制造常用螺紋及標準§10-4螺紋聯(lián)接基本類型及螺紋聯(lián)接件§10-5螺紋聯(lián)接的預緊和防松§10-6螺栓聯(lián)接的強度計算§10-7螺栓的材料和許用應力§10-8提高螺栓聯(lián)接強度的措施§10-9

螺旋傳動機械零件(制造單元)→構件(運動單元)→機構→機器靜聯(lián)接動聯(lián)接零件聯(lián)接前言:聯(lián)接被聯(lián)接件聯(lián)接件聯(lián)接機械靜聯(lián)接→可拆聯(lián)接→螺紋、鍵、銷分類不可拆聯(lián)接→焊、粘、鉚機械動聯(lián)接→運動副螺內(nèi)螺紋紋外螺紋螺旋副→連接螺紋(靜聯(lián)接→構件)傳動螺紋(動聯(lián)接→機構)§10-1螺紋參數(shù)

p.131(一)螺紋的形成：①順時針旋進→右旋②以軸線為基準(外)→判斷方法右旋常）左旋→判斷方法旋向單頭→聯(lián)接多頭→傳動線數(shù)二．螺紋參數(shù)：n=1n=2n=3dd2d1=?ｄ(大徑－標準直徑);ｄ1(小徑);ｄ2(中徑);p(螺距)；ｎ(螺旋線數(shù));Ｓ(導程);Ｓ＝np;α（牙型角）;β(牙側角);φ（升角）(二)螺紋參數(shù)：P.132S(np)tgφ＝np／πｄ2

(10－1)30°梯形3°30°鋸齒形矩形60°普通牙型:α=60°β＝30°α=30°β＝15°β工＝3°,β非＝30°α=0°β＝0°→在軸向載荷下相對運動圖(10－4,a)S(np)內(nèi)螺紋外螺紋擰緊、加載、頂起重物相對運動→聯(lián)接傳動→螺旋副FFa→將螺旋線沿中徑展開§10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖p.132→滑塊(重物)在斜面運動分析:1.當勻速上升:

ρFaFFnFRFfφFaFFRφ+ρ圖(10－4,b)FR與Fn夾角→摩擦角ρ:tgρ＝f＝Ff/Ｆn∴ＦR與Ｆa

夾角＝φ＋ρ→加載Ｆa(軸向力,自重,阻力)作用在螺旋副上的驅動力矩：(10-2b)∴Ｆ＝Ｆa·tg(φ＋ρ)

(10－2a)→合反力FRV∵(滑塊)合力＝０→法向反力Fn(⊥斜面)→施加水平推力Ｆ→摩擦阻力:f·Fn=Ff一．矩形螺紋:(α=0○)→施加水平支持力Ｆ(勻速下滑)當Ｆ＝０→

Ｆ＜０→自鎖條件：滑塊在斜面運動狀態(tài)不變作用力Ｆ與假設力的方向相反→推力Ｆ≤０→φ≤ρ(10-3b)ρFaFFnFRFfφFaFFRφ－ρ→無論Ｆa多大，滑塊不會自動下滑→自鎖2.當勻速下降:圖(10－4,c)→將ρ→ρ′

(當量摩擦角)tgρ′＝f/cos

β

=f′(10-4)(當量摩擦系數(shù))

α(β)↑ρ′↑→

φ↑→勻速上升:Ｆ＝Ｆa·tg(φ＋ρ′)(10-5a)勻速下降:Ｆ＝Fa·tg(φ－ρ′)(10-6a)

(10-6b)(10-5b)自鎖條件：φ≤ρ′(10-7)αβ要自鎖好→α(β)

↑,φ↓(單頭)自鎖性↑自鎖性↓二．非矩形螺紋(10-8)S要效率高→過大，制造困難/\ρ′－當量摩擦角,φ－升角η＝有效功／輸入功

＝Ｆa·Ｓ／（Ｆπｄ2）＝Ｆa·πｄ2tgφ/[Ｆa·tg(φ＋ρ′)πｄ2]要自鎖好→α↑φ↓(單);要效率高→α↓φ↑(多)→α↓,φ↑(多頭)φ↑,ρ′↓φη三.效率:當勻速上升:聯(lián)接(可靠)→→要自鎖傳動→效率高1.三角形／普通螺紋(M)螺紋(聯(lián)接)＼管螺紋→α＝60°、55°→緊密梯形螺紋Tr→α＝30°,β＝15°鋸齒形螺紋S→β工＝3°,β非＝30°矩形螺紋→α＝０°→α小、φ大→多線螺旋副ρ′↑→α↑φ↓→單線ｎ=1ρ′↓→α↓

φ↑→多線ｎ＞１→α＝60°,β=30°2.傳動螺紋→效率高§10-3機械制造常用螺紋及標準

p.134→緊固→聯(lián)接(單線、α大)(粗,細)§10-4螺紋聯(lián)接基本類型及螺紋聯(lián)接件

p.137C1e普通螺栓圖(10－9,a)鉸制孔用螺栓聯(lián)接圖(10－9,b)一．螺紋聯(lián)接基本類型d0螺栓聯(lián)接

螺釘聯(lián)接圖(10－10,a)雙頭螺柱聯(lián)接圖(10－10,b)緊定螺釘聯(lián)接圖(10－11)螺栓－螺栓；螺釘；雙頭螺柱；緊定螺釘螺母－六角螺母；圓螺母；糟型螺母墊片－墊片；彈簧墊片；斜墊片；球形墊片二．螺紋聯(lián)接件

p.138目的：→防止松動→提高可靠、強度、緊密性T0的大小:擰緊時→

螺紋阻力矩T1:(10-5b)

螺母支持面上的摩擦阻力矩T2T2＝fc·

Fa·rf(10-10)T0＝T1＋T2≈0.2Fad

N·mm(一)擰緊力矩T0→Ｔ0＝Ｔ1＋Ｔ2T0控制、不嚴格控制ＦS(少－測力矩板手；多－風板機)§10-5螺紋聯(lián)接的預緊和防松P.139螺栓→軸向拉力

被聯(lián)接件→軸向壓力鎖緊力ＦSＴ1＝Fd2/2＝Fatg(φ＋ρ’)d2/2（二）螺紋聯(lián)接的防松p.139螺旋副→聯(lián)接(可靠)→擰緊＋自鎖→防松？∵靠摩擦力自鎖→不可靠,∴→防松防松方法：→關鍵摩擦防松→阻止螺旋副相對轉動機械防松不可拆防松彈簧墊片鎖緊螺母對頂螺母→使螺紋接觸面間始終保持一定的壓力(縱向、橫向)→始終有阻止螺旋副轉動的摩擦阻力矩。機械防松→利用便于更換的金屬元件來約束螺旋副。不可拆防松→焊、鉚沖、涂粘合劑槽形螺母和開口銷圓螺母用帶翅墊片止動墊片例已知：碳素結構鋼M12螺栓，屈服極限240MPa，螺紋間摩擦系數(shù)f=0.1，螺母與支撐面摩擦系數(shù)fc=0.15，dw=16.6mm,d0=13mm，若使擰緊后拉應力達到屈服極限50%求：擰緊力矩；演算其能否自鎖？解：1）求當量摩擦系數(shù)及當量摩擦角2）求螺紋升角3）求螺桿總拉力Fa4）求擰緊力矩T§10-7螺栓的材料和許用應力P.147S－安全系數(shù)→表10-6,7P.148σS－屈服極限→表9-1P.123許用應力:材料:2.鉸制孔螺栓聯(lián)接→聯(lián)接受擠壓,螺栓受剪切1)按剪切強度2)按擠壓強度:許用應力與材料(鋼、鑄鐵),應力(靜、變)有關。表10-61.普通螺栓聯(lián)接低碳鋼和中碳鋼:力學性質(zhì)合金鋼:15Cr,40Cr,30CrMnSi表10-5§10-6螺栓聯(lián)接的強度計算(靜)

p.144聯(lián)接要求:不松不滑←聯(lián)接(緊)不斷不潰←螺栓→可靠,自鎖→確定螺紋小徑d1d0(一)螺栓聯(lián)接的失效及設計準則(二)螺栓聯(lián)接的強度計算螺栓普通螺栓聯(lián)接→松聯(lián)接聯(lián)(主介紹)緊聯(lián)接(聯(lián)接受)接型式鉸制孔螺栓聯(lián)接→橫軸橫→軸聯(lián)接(緊)→螺栓→設計準則:螺栓桿拉潰螺紋的壓潰和剪斷螺紋牙磨損→滑扣→主要失效松、滑在聯(lián)接不松滑的前提下,螺栓桿不破壞(一)螺栓聯(lián)接的失效及設計準則失效形式松螺栓聯(lián)接:(10-11)→裝配時不預緊→螺栓不受力圖10-17二.緊螺栓聯(lián)接:d1:螺紋小徑mm;[σ]:許用拉應力Mpa例10-3p.144(自學)→工作時受軸向載荷Fa(二)螺栓聯(lián)接的強度計算(按受力形式)p.144FaFaFaFaFaFa→第四強度理論拉應力(Fa)→(10-12)強度條件:[裝配擰緊后→聯(lián)接可受橫向(F)或軸向載荷(FE)]拉Fa扭T1→復合應力→考慮扭剪應力σe－當量應力當擰緊時螺栓→拉(Fa)(軸Fa)工件→壓(Fa)扭剪應力→(T1)二.緊螺栓聯(lián)接:

p.1421.受橫向工作載荷F的螺栓強度(預緊)圖10-18FFFFm=1F0F0F0F0F0F0m=2結合面間的摩擦力不足，在橫向載荷下出現(xiàn)相對滑動→失效當C=1.1～1.3,f=0.1～0.15,m=1→F0≥8F①普通螺栓聯(lián)接受橫向工作載荷→需預緊力大,且可靠性差圖10-19圖10-20dF0≥C·F/m·f分析:②宜加減載措施→┌加鍵,套筒，銷┐→擠壓└采用鉸制孔螺栓聯(lián)接┘剪切1.按剪切強度2.按擠壓強度:2.許用應力與應力(靜、變)有關;

[σP]與材料(鋼、鑄鐵)有關。表10－6p.148→聯(lián)接受擠壓,螺栓受剪切注意：1.d0－光桿直徑，d0＞dLmin－桿孔最小接觸長度鉸制孔螺栓聯(lián)接R解:每個聯(lián)接受橫向載荷F=R/2=2000N1.聯(lián)接不松→求預緊力F02.螺栓不斷→求d1取d=27mm,d1=23.752＞23.38→合適。S=6.5→合適:C=1.1～1.3,取C=1.2F0≥CF/f·m=1.2×2000/(0.15×1)=16000N:取35鋼,不嚴格控制預緊力→σs=315Mpa,S=6.5,[σ]=σs/S=315/6.5=48.5MpaP.145手冊p.126例1.用普通螺栓固定一牽引鉤,已知R=4000N,(變載荷)f=0.15,試求螺栓直徑。用鉸制孔螺栓聯(lián)接固定牽引鉤(HT250),板厚h=10mm,已知R=4000N(變載荷),試求螺栓直徑。解:每個聯(lián)接受橫向載荷F=R/2=2000N1.按剪切強度P.145手冊p.1372.按擠壓強度:[σP]

=σB/2.2×0.8=240/2.2×0.8=87.3Mpa(S=2.2)p.123Lmin=h=10mmR10d0→取l=25mm,l0=12mm取d=6mm,d0=7＞6.03mm[τ]=σS/4.5=315/4.5=70Mpal0Lmin例2.M6×25－合適軸向載荷平行螺栓軸心線，各螺栓平均受力螺栓間距l(xiāng)與p有關

(P.143倒2)→常見壓力容器Z=2(3)×2n各螺栓受拉力為：FE=F∑／Z2.受軸向載荷FE的螺栓強度(預緊后)p.143★：此時螺栓受預緊力F0后→又受工作拉力FE?→常見(壓力容器)Fa=F0＋FE;FR=F0－FE預→螺栓→拉F0緊工件→壓F0FEFEδb0δC0ΔδΔδ×受軸向載荷FE→F0F0δb0F0F0δC0FEFEFEFEFaFaΔδ未預緊預緊受FEΔδFaFaFaFaF0F0F0F0F0F0F0F0FRFRFRFRFRFR→伸長δb0→縮短δC0→又伸長Δδ→壓縮量減少Δδ變形協(xié)調(diào)條件：Δδb=ΔδC

=Δδ

螺栓伸長:δb0＋Δδ工件壓縮:δC0－Δδ螺栓拉力↑→總拉力Fa工件壓力↓→殘余預緊力FR①單個聯(lián)接受力分析:圖10-21ΔδΔFbΔFCFEFRFa力變形F0δC0δb0力變形F0δb0tg－1kb力變形F0δC0tg－1kCk=F/δ→剛度=載荷/變形②單個聯(lián)接載荷與變形線圖:

圖10-23p.144④設計步驟:聯(lián)接松弛→FR=0螺栓拉潰→σ＞[σ]失效形式:→FR＞0→P.147設計準則(1)求單個聯(lián)接的工作載荷FE(2)定殘余預緊力FR(按工作要求)P.147第12(3)求Fa→螺栓強度計算(定d)

Fa=FR＋FE(4)結構設計③失效形式及設計計算:(2)定殘余預緊力FR

(1)求單個聯(lián)接的工作載荷FE:∵有緊密要求,∴FR=1.5～1.8FE→取FR=1.8FE

(3)求Fa→螺栓強度計算(4)結構設計取45鋼,σS=355Mpa(表9-1)→暫取S=3(不嚴格控制預緊力,靜～)→[σ]=σS/S=118MpaC1eD0D取Z=8例10-4:Fa=FE＋FR=2.8FE=11.3kN一鋼制液壓油缸,油缸壁厚為10mm,油壓p=1.6Mpa,D=160mm,試計算其上蓋的螺栓聯(lián)接和螺栓分布圓直徑D0解:取d=16mm,其d1=13.835mm＞12.6mm→合適取S=3(表10-7)(不嚴格控制預緊力)→合適D0=D+2e+2×10=218-224mm取D0=220mm螺栓間距L=π·D0/Z=π×220/8=86.4mm＜7d=7×16=112mm(P.146頁的腳注)→滿足要求C1eD0D表10-1(4)結構設計:(螺栓分布圓直徑D0－圖10-9aP.139)1.松螺栓聯(lián)接:→裝配時不預緊→聯(lián)接不受力→工作時受軸向載荷Fa

2.緊螺栓聯(lián)接→復合應力(拉、扭)1)受橫向工作載荷F→不松不滑→預緊力F0(軸)足夠大F0≥C·F/m·f不斷不潰→定螺栓d1普通螺栓聯(lián)接:

2)受軸向工作載荷FE:螺栓總拉力Fa:Fa=FE+FR求FE→定FR→求Fa→強度定d→結構設計已知F求d:求F0(不滑)→定d(強度)已知d求F:求F0(強度)→定F(不滑)小結：§10-8提高螺栓聯(lián)接強度的措施

P.146前言:螺栓聯(lián)接強度螺栓┌靜載荷→└變載荷→(一)降低螺栓總拉伸載荷Fa的變化范圍(二)改善螺紋牙間的載荷分布(三).減小應力集中較少破壞疲勞破壞→截面小、且應力集中大→破壞位置圖10-24→螺栓強度→措施┌螺栓└被聯(lián)接件65％20％15％當FE由(0～FE)→→要使σa↓→kb/(kb+kC)↓→kb↓kC↑1)減小kb→2)增大kC→減小螺栓光桿直徑,空心螺桿(圖10-25)

不宜用軟墊片圖10-27減小kb/(kb＋kC)→但FR減小→不利密封Fa由(F0～)變化(一)降低螺栓總拉伸載荷Fa的變化范圍→σa↓(二)改善螺紋牙間的載荷分布現(xiàn)象:螺紋牙間的載荷分布不均←螺栓螺母受力性質(zhì)不同→1/3載荷集中在第一圈牙上→第8～10牙不受力→增厚螺母無效。使受壓螺母→受拉螺母圖10-28→改善螺紋牙間的載荷分布65％破壞發(fā)生在螺母支承面處原因:措施:65％20％15％支承面平行→加工球形墊片凸臺凹坑→魚眼坑1.減小應力集中：2.減少聯(lián)接附加彎曲應力┌增大過渡圓角└螺紋收尾→退刀槽(卸載槽)(三).減小應力集中:TT§10-9螺旋傳動:

（要求高效率→梯形、鋸齒形、矩形→多線）傳遞動力調(diào)整零件間相對位置螺旋副→傳動實現(xiàn)

將回轉運動→直線運動→傳導→傳力→調(diào)整按┌傳導螺旋→傳遞運動為主,高的運動精度用│傳力螺旋→傳力為主,以小T→大的軸向力Fa途└調(diào)整螺旋→調(diào)整零件間相對位置→細牙M主要失效形式：螺紋磨損設計步驟：耐磨性條件計算出螺桿直徑和長度螺桿強度，穩(wěn)定性，螺紋牙強度校核一.類型:二．設計：小結:1.螺紋主要參數(shù)及分類，螺紋聯(lián)接基本類型。2.螺旋副→聯(lián)接(可靠)、傳動(效率高)→參數(shù)、牙型的選擇。自鎖條件、效率計算及影響因素。3.螺紋聯(lián)接的擰緊目的及防松方法。4.螺栓聯(lián)接的強度計算(普通)5.提高螺