機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)聯(lián)接課件

第十章聯(lián)接

(connection)§10—1螺紋(screwthread)如用一個(gè)三角形K沿螺旋線運(yùn)動(dòng)并使K平面始終通過圓柱體軸線YY-這樣就構(gòu)成了三角形螺紋。同樣改變平面圖形K，可得到矩形、梯形、鋸齒形、管螺紋一、螺紋的形成按牙型:三角形螺紋、管螺紋——聯(lián)接螺紋矩形、梯形、鋸齒形螺紋——傳動(dòng)螺紋按位置：內(nèi)螺紋——在圓柱孔的內(nèi)表面形成的螺紋外螺紋——在圓柱孔的外表面形成的螺紋三角形螺紋：粗牙螺紋——用于緊固件細(xì)牙螺紋——同樣的公稱直徑下，螺距最小，自鎖性好，適于薄壁細(xì)小零件和沖擊變載等根據(jù)螺旋線繞行方向：左旋——如圖右旋——常用根據(jù)螺旋線頭數(shù)：?jiǎn)晤^螺紋（n=1）——用于聯(lián)接雙頭螺紋（n=2）——如圖多線螺紋（n≥2）——用于傳動(dòng)二、螺紋的類型4）螺距P(pitch)——相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離5）導(dǎo)程S(lead)——同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上的對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離6）線數(shù)n(numberofline)——螺紋螺旋線數(shù)目，一般為便于制造n≤4螺距、導(dǎo)程、線數(shù)之間關(guān)系：L=nP

7）螺旋升角ψ(liftangle)——中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋線軸線的平面的夾角8）牙型角α(threadangle)——螺紋軸向平面內(nèi)螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角9）牙型斜角β——螺紋牙的側(cè)邊與螺紋軸線垂直平面的夾角螺旋副的自鎖條件為：螺旋副的傳動(dòng)效率為：克服軸向力Q勻速上升所需的圓周力：四、常用螺紋的種類、特點(diǎn)與應(yīng)用具體見表4-1b)精密螺栓聯(lián)接——裝配后無間隙，主要承受橫向載荷，也可作定位用，采用基孔制配合鉸制孔螺栓聯(lián)接2、雙頭螺柱聯(lián)接(stud)——螺桿兩端無釘頭，但均有螺紋，裝配時(shí)一端旋入被聯(lián)接件，另一端配以螺母。適于常拆卸而被聯(lián)接件之一較厚時(shí)。折裝時(shí)只需拆螺母，而不將雙頭螺栓從被聯(lián)接件中擰出。3、螺釘聯(lián)接(screw)——適于被聯(lián)接件之一較厚（上帶螺紋孔），不需經(jīng)常裝拆，一端有螺釘頭，不需螺母，適于受載較小情況特殊聯(lián)接：地腳螺栓聯(lián)接,吊環(huán)螺釘聯(lián)接4、緊定螺釘聯(lián)接——擰入后，利用桿末端頂住另一零件表面或旋入零件相應(yīng)的缺口中以固定零件的相對(duì)位置?？蓚鬟f不大的軸向力或扭矩。4）緊定螺釘錐端——適于零件表面硬度較低不常拆卸常合平端——接觸面積大、不傷零件表面，用于頂緊硬度較大的平面，適于經(jīng)常拆卸圓柱端——壓入軸上凹抗中，適于緊定空心軸上零件的位置輕材料和金屬薄板3）螺釘與螺栓區(qū)別——要求螺紋部分直徑較粗;要求全螺紋6）螺母(nut)六角螺母：標(biāo)準(zhǔn)，扁，厚5）自攻螺釘——由螺釘攻出螺紋圓螺母+止退墊圈——帶有缺口，應(yīng)用時(shí)帶翅墊圈內(nèi)舌嵌入軸槽中，外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊7）墊圈(washer)預(yù)緊目的——保持正常工作。如汽缸螺栓聯(lián)接，有緊密性要求，防漏氣，接觸面積要大，靠摩擦力工作，增大剛性等。增大剛性——增加聯(lián)接剛度、緊密性和提高防松能力預(yù)緊力QP——預(yù)先軸向作用力（拉力）預(yù)緊過緊——擰緊力QP過大，螺桿靜載荷增大、降低本身強(qiáng)度過松——擰緊力QP過小，工作不可靠扳手?jǐn)Q緊力矩——T=FH·L,擰緊時(shí)螺母：T=T1+T2T——擰緊力矩T1——螺紋摩擦阻力矩T2——螺母端環(huán)形面與被聯(lián)接件間的摩擦力矩FH—作用于手柄上的力，L——力臂

一般K=0.1~0.3——擰緊力矩系數(shù)由于直徑過小的螺栓，容易在擰緊時(shí)過載拉斷，所以對(duì)于重要的聯(lián)接不宜小于M10~M14預(yù)緊力QP的控制：測(cè)力矩板手——測(cè)出預(yù)緊力矩，如左圖定力矩板手——達(dá)到固定的擰緊力矩T時(shí)，彈簧受壓將自動(dòng)打滑，如右圖測(cè)量預(yù)緊前后螺栓伸長(zhǎng)量——精度較高彈簧墊圈自鎖螺母——螺母一端做成非圓形收口或開峰后徑面收口，螺母擰緊后收口漲開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊2）機(jī)械防松：開槽螺母與開口銷，圓螺母與止動(dòng)墊圈，彈簧墊片，軸用帶翅墊片，止動(dòng)墊片，串聯(lián)鋼絲等3）永久防松：端鉚、沖點(diǎn)、點(diǎn)焊4）化學(xué)防松——粘合

開槽螺母與開口銷圓螺母與止動(dòng)墊圈串聯(lián)鋼絲§10—４單個(gè)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算針對(duì)不同零件的不同失效形式，分別擬定其設(shè)計(jì)計(jì)算方法，則失效形式是設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。1、失效形式和原因

受拉螺栓——螺栓桿和螺紋可能發(fā)生塑性變形或斷裂受剪螺栓——螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或被剪斷b）失效原因：應(yīng)力集中

a）失效形式

工程中螺栓聯(lián)接多數(shù)為疲勞失效

受拉螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的疲勞拉伸強(qiáng)度和靜強(qiáng)度受剪螺栓：設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為保證螺栓的擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度

應(yīng)力集中促使疲勞裂紋的發(fā)生和發(fā)展過程2、設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則與思路二、緊螺栓聯(lián)接——工作前有預(yù)緊力QP工作前擰緊，在擰緊力矩T作用下：預(yù)緊力QP→產(chǎn)生拉伸應(yīng)力σ螺紋摩擦力矩T1→產(chǎn)生剪應(yīng)力τ

復(fù)合應(yīng)力狀態(tài):接第四強(qiáng)度理論：∴強(qiáng)度條件為：

式中：QP——預(yù)緊力（N）

T1——螺紋摩擦力矩，起扭剪作用，又稱螺紋扭矩，N.mm1.3——系數(shù)將外載荷提高30%，以考慮螺紋力矩對(duì)螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的影響，這樣把拉扭的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)化為純拉伸來處理，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算手續(xù)，故又稱簡(jiǎn)化計(jì)算法2、鉸制孔螺栓聯(lián)接——防滑動(dòng)特點(diǎn)：螺桿與孔間緊密配合，無間隙，由光桿直接承受擠壓和剪切來傳遞外載荷R進(jìn)行工作螺栓的剪切強(qiáng)度條件為：螺栓與孔壁接觸表面的擠壓強(qiáng)度條件為：R——橫向載荷（N）d0——螺桿或孔的直徑（mm）Lmin——被聯(lián)接件中受擠壓孔壁的最小長(zhǎng)度（mm），如圖所示[τ]——螺栓許用剪應(yīng)力，MPa，，——螺栓或被聯(lián)接件中較弱者的許用擠壓應(yīng)力，MPa鉸制孔螺栓能承受較大的橫向載荷，但被加工件孔壁加工精度較高，成本較高2、軸向載荷緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算①工作特點(diǎn)：工作前擰緊，有QP；工作后加上工作載荷F工作前、工作中載荷變化②工作原理：靠螺桿抗拉強(qiáng)度傳遞外載F③解決問題：a)保證安全可靠的工作，QP=？b)工作時(shí)螺栓總載荷，Q=？④分析：

圖1，螺母未擰緊螺栓螺母松馳狀態(tài)

圖２，擰緊—預(yù)緊狀態(tài)凸緣—壓—λm—QP栓桿—拉—λb

→QP

圖3，加載F后→工作狀態(tài)栓桿—繼續(xù)拉—凸緣—放松———?dú)堄囝A(yù)緊力

——總載⑤作圖，為了更明確以簡(jiǎn)化計(jì)算（受力變形圖）設(shè)：材料變形在彈性極限內(nèi)，力與變形成正比

單個(gè)緊螺栓聯(lián)接受力變形圖左圖——擰緊螺母時(shí),螺栓與被聯(lián)接件的力與變形右圖——將上兩圖合并，并施加工作載荷F從圖線可看出，螺栓受工作載荷F時(shí)，螺栓總載荷：

變形協(xié)調(diào)條件：

凸緣→壓力減量

變形縮小Δλm

栓桿→拉力增量

變形縮小Δλb

變形協(xié)調(diào)條件——

∴由圖可知，螺栓剛度：

被聯(lián)接件剛度：

——稱螺栓相對(duì)于聯(lián)接的剛度，稱螺栓的相對(duì)剛度

ΔF——部分工作載荷

對(duì)殘余預(yù)緊力的要求，為保證受載后接合面聯(lián)接的緊密性應(yīng)使QP′的取法:

QP′=（1.5~1.8）F——有密封要求一般聯(lián)接QP′=（0.2~0.6）F載荷穩(wěn)定QP′=（0.6~1.0）F載荷不穩(wěn)定

QP′>F地腳螺栓聯(lián)接

討論：

１）最不利的情況

２）最理想的情況

３）不允許的情況——有縫隙存在，漏氣

４）降低螺栓受力的措施：

a)必須采用剛度小螺栓（空心、加長(zhǎng)、細(xì)頸）b)加硬墊片或直接擰在凸緣上均可提高強(qiáng)度

５）為聯(lián)接緊密、不漏氣，要求

6）計(jì)算時(shí)可根據(jù)已知條件選擇其一進(jìn)行計(jì)算a）軸向靜力緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算

靜力F不變，Q為靜力，但考慮補(bǔ)充擰緊——防斷

強(qiáng)度條件驗(yàn)算公式：

設(shè)計(jì)公式：

b）軸向變載荷緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算

分析：當(dāng)工作載荷，由0→F螺栓總載，由Qp→Q→QP

部分載荷，由0→ΔF→03、當(dāng)驗(yàn)算不滿足時(shí)→措施：b)最好改善結(jié)構(gòu)、降低應(yīng)力集中。包括：工藝、結(jié)構(gòu)、制造、Cm↑Cb↓，適當(dāng)提高QP等綜合措施a)三、螺栓材料與許用應(yīng)力計(jì)算

1、材料

螺母、螺栓強(qiáng)度級(jí)別：

1）根據(jù)機(jī)械性能，把栓母分級(jí)并以數(shù)字表示，此乃強(qiáng)度級(jí)別

2）所依據(jù)機(jī)械性能為抗拉強(qiáng)度極限σBmin和屈服極限σSmin

螺栓級(jí)別:

帶點(diǎn)數(shù)字表示，點(diǎn)前數(shù)字為點(diǎn)后數(shù)字為螺母級(jí)別:

注意：選擇對(duì)螺母的強(qiáng)度級(jí)別應(yīng)低于螺栓材料的強(qiáng)度級(jí)別，螺母的硬度稍低于螺栓的硬度（均低于20~40HB）2、許用應(yīng)力

許用拉應(yīng)力：

已知：不控制QP的緊螺栓聯(lián)接，易過載。∴設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取較大的完全系數(shù)。控制預(yù)緊力時(shí)可取較小的安全系數(shù)n?！唢@然n，[σ]與d有關(guān)?！嘣O(shè)計(jì)時(shí)，先假設(shè)d，進(jìn)行試算，選取一安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與估計(jì)直徑相比較，如在原先估計(jì)直徑所屬范圍內(nèi)即可，否則需重新進(jìn)行估算?！囁惴ā?0—5螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)與受力分析工程中螺栓皆成組使用，單個(gè)使用極少。因此，必須研究栓組設(shè)計(jì)和受力分析。它是單個(gè)螺栓計(jì)算基礎(chǔ)和前提條件。螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)的順序——選布局、定數(shù)目、力分析、設(shè)計(jì)尺寸

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、布局要盡量對(duì)稱分布，栓組中心與聯(lián)接結(jié)合面形心重合（有利于分度、劃線、鉆孔），以受力均勻2、受剪螺栓組（鉸制孔螺栓聯(lián)接）時(shí)，不要在外載作用方向布置8個(gè)以上，螺栓要使其受力均勻，以免受力太不均勻，但彎扭作用螺栓組，要適當(dāng)靠接縫邊緣布局，否則受力太不均3、合理間距，適當(dāng)邊距，以利用扳手裝拆4、避免偏心載荷作用a）被聯(lián)接件支承面不平突起b）表面與孔不垂直c）鉤頭螺栓聯(lián)接防偏載措施：a）凸合；b）凹坑（魚眼坑）；c）斜墊片

二、螺栓組受力分析

目的——求受力最大載荷的螺栓前提（假設(shè)）：①被聯(lián)接件為剛性不變形，只有地基變形。②各螺栓材料、尺寸、擰緊力均相同③受力后材料變形在彈性范圍內(nèi)④接合面形心與螺栓組形心重合，受力后其接縫面仍保持平面1、受軸向載荷螺栓組聯(lián)接

單個(gè)螺栓工作載荷為：F=P/Z

P——軸向外載Z——螺栓個(gè)數(shù)

2、受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接特點(diǎn)：普通螺栓，鉸制孔用螺栓皆可用，外載垂直于螺栓軸線、防滑普通螺栓——受拉伸作用鉸制孔螺栓——受橫向載荷剪切、擠壓作用。單個(gè)螺栓所承受的橫向載荷相等R=RL/Z3、受橫向扭矩螺栓組聯(lián)接

（1）圓形接合面：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓所受橫向載荷（2）矩形接合面

a)普通螺栓聯(lián)接

由靜平衡條件則各個(gè)螺栓所需的預(yù)緊力為∴聯(lián)接件不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的條件為：b)鉸制孔螺栓聯(lián)接組

由變形協(xié)調(diào)條件可知，各個(gè)螺栓的變形量和受力大小與其中心到接合面形心的距離成正比由假設(shè)——板為剛體不變形，工作后仍保持平面，則剪應(yīng)變與半徑成正比。在材料彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比

由靜平衡條件4、受傾覆（縱向）力矩螺栓組聯(lián)接

特點(diǎn)：M在鉛直平面內(nèi)，繞O-O回轉(zhuǎn)，只能用普通螺栓，取板為受力對(duì)象，由靜平衡條件

設(shè)單個(gè)螺栓工作載荷為Fi

①螺栓桿不拉斷的條件

設(shè)計(jì)公式

驗(yàn)算公式

②右側(cè)不壓潰條件（被聯(lián)接件）

QP作用下接合面的擠壓應(yīng)力

M作用下接合面的擠壓應(yīng)力

③左側(cè)不開縫的條件

④若受有橫向載荷PH，板不滑動(dòng)條件為：

——被聯(lián)接件相對(duì)剛度

實(shí)際使用中螺栓組聯(lián)接所受的載荷是以上四種簡(jiǎn)單受力狀態(tài)的不同組合。計(jì)算時(shí)只要分別計(jì)算出螺栓組在這些簡(jiǎn)單受力狀態(tài)下每個(gè)螺栓的工作載荷，然后按向量疊加起來，便得到每個(gè)螺栓的總工作載荷，再對(duì)受力最大的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算即可說明：①工程中受力情況很復(fù)雜，但均可轉(zhuǎn)化為四種典型情況進(jìn)行解決。②計(jì)算公式在對(duì)稱分布情況下推導(dǎo)，但不對(duì)稱也可以用③取轉(zhuǎn)軸不同，公式計(jì)算精度不同。

總設(shè)計(jì)思路：螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（布局、數(shù)目）→螺栓組受力分析（載荷類型、狀態(tài)、形式）→求單個(gè)螺栓的最大工作載荷（判斷哪個(gè)最大）→按最大載荷的單個(gè)螺栓設(shè)計(jì)（求d1—標(biāo)準(zhǔn)）→全組采用同樣尺寸螺栓（互換的目的）

§10—6提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施影響聯(lián)接強(qiáng)度的因素很多，如材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、螺紋牙間、載荷分布、應(yīng)力幅度、機(jī)械性能，而螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度又主要取決于螺栓的強(qiáng)度。

一、改善螺紋牙間載荷分布不均狀況

工作中螺栓牙抗拉伸長(zhǎng)，螺母牙受壓縮短，伸與縮的螺距變化差以緊靠支承面處第一圈為最大，應(yīng)變最大，應(yīng)力最大，其余各圈依次遞減，旋合螺紋間的載荷分布如圖所示。所以采用圈數(shù)過多的加厚螺母，并不能提高聯(lián)接的強(qiáng)度。

辦法：降低剛性，易變形、增加協(xié)調(diào)性，以緩和矛盾

a)懸置螺母b)環(huán)槽螺母c)內(nèi)斜螺母d)環(huán)槽內(nèi)斜二、降低螺栓應(yīng)力幅

1、降低螺栓剛性

抗疲勞強(qiáng)度得到提高，可用豎心桿、細(xì)長(zhǎng)桿、柔性螺栓聯(lián)接

2、增大凸緣剛性

提高了螺栓聯(lián)接疲勞強(qiáng)度，采用高硬度墊片或直接擰在鑄鐵

3、同時(shí)使用Cb↓,Cm↑同時(shí)適當(dāng)增加QP提高被聯(lián)接件剛性Cm降低螺栓剛性Cb,同時(shí)QP2>QP2——理想方法

三、減小應(yīng)力集中的影響1）加大過渡處圓角(圖1)2）改用退刀槽3）卸載槽，(圖2)4）卸載過渡結(jié)構(gòu)。（圖3）

四、采用合理的制造工藝

1）用擠壓法（滾壓法）制造螺栓，疲勞強(qiáng)度提高30~40%2）冷作硬化，表層有殘余應(yīng)力（壓）、氰化、氮化、噴丸等可提高疲勞強(qiáng)度3）熱處理后再進(jìn)行滾壓螺紋，效果更佳，強(qiáng)度提高70~100%，此法具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗功能4）控制單個(gè)螺距誤差和螺距累積誤差§10—7螺旋傳動(dòng)一、螺旋傳動(dòng)的類型、特點(diǎn)與應(yīng)用

1、應(yīng)用

螺旋傳動(dòng)是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力。

2、傳動(dòng)形式：a)螺桿轉(zhuǎn)螺母移b)螺桿又轉(zhuǎn)又移（螺平固定）——用得多c)螺母轉(zhuǎn)螺桿移d)螺母又轉(zhuǎn)又移（螺桿固定）——用得少

按用途分三類：1）傳力螺旋——舉重器、千斤頂、加壓螺旋特點(diǎn)：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自鎖2）傳導(dǎo)螺旋——機(jī)床進(jìn)給匯杠—傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特點(diǎn)：速度高、連續(xù)工作、精度高3）調(diào)整螺旋——機(jī)床、儀器及測(cè)試裝置中的微調(diào)螺旋。特點(diǎn)：是受力較小且不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)

3、螺旋傳動(dòng)類型螺旋傳動(dòng)按摩擦副的性質(zhì)分：

1、滑動(dòng)螺旋：構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大，承載能力高，加工方便、傳動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠、易于自鎖缺點(diǎn)：磨損快、壽命短，低速時(shí)有爬行現(xiàn)象（滑移），摩擦損耗大，傳動(dòng)效率低（30~40%）傳動(dòng)精度低2、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)——摩擦性質(zhì)為滾動(dòng)摩擦。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)是在具有圓弧形螺旋槽的螺桿和螺母之間連續(xù)裝填若干滾動(dòng)體（多用鋼球），當(dāng)傳動(dòng)工作時(shí)，滾動(dòng)體沿螺紋滾道滾動(dòng)并形成循環(huán)。按循環(huán)方式有：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種

特點(diǎn)：傳動(dòng)效率高（可達(dá)90%），起動(dòng)力矩小，傳動(dòng)靈活平穩(wěn)，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆運(yùn)動(dòng)效率相同，可實(shí)現(xiàn)逆?zhèn)鲃?dòng)。