机械设计——螺纹连接.pptx

1机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接3、按传载原理分 靠配合面间的摩擦力。靠连接零件几何形状的相互嵌合。利用附加材料分子间作用。靠摩擦力（力闭合）：非摩擦（形闭合）：材料锁合连接：如：过盈连接 如：平键 如：粘接、焊接2、按拆开时是否损坏零件分允许多次装拆无损于使用性能。必须破坏连接中的某一部分才能拆开。如：螺纹连接等 如：焊接等可拆连接：不可拆连接：第1页/共57页2机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接一、螺纹基本知识一、螺纹基本知识 1、螺纹的形成 假想将一个平面图形绕到一圆柱体上，则该平面图形在圆柱体表面上形成一条螺旋线。2 螺纹连接的基本知识螺纹连接的基本知识 螺纹螺纹 外外螺纹；内内螺纹 2、螺纹的类型 螺纹牙形牙形：矩形、三角形、梯形和锯齿形等。此平面图形的轮廓线在空间的轨迹第2页/共57页3机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接螺纹位置位置：内螺纹 螺母；外螺纹 螺钉。螺纹旋向旋向：左旋螺纹（图b），右旋螺纹（图a 常用）。螺纹线数线数：单线螺纹（图a）；多线螺纹（图b：双线螺纹；图c：三线螺纹等）。旋向判定旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高 则为左旋左旋，右边高则为右旋右旋。思考：思考：右旋右旋左旋左旋第3页/共57页4机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接1）直径 大径 d、小径 d1、中径 d2 大径 d：小径 d1：中径 d2：3、螺纹的主要参数 如图所示：螺纹的主要参数有：2）线数 n n=1 时用于连接、传动；n 1 时用于传动；n ，但为便于制造 n 4M 20 d =20 mm公称直径公称直径。螺纹的最小直径最小直径。齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。d2 (d+d1)/2第4页/共57页5机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 3）牙形角 螺纹牙两侧面夹角。4）螺距 p 螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。5）导程 S 螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所转动的轴向距离。S=n p 6）螺纹升角（）中线 d2 圆柱上螺旋线的切线与垂直于 螺纹轴线的平面间的夹角。或第5页/共57页6机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接二、螺旋副的受力分析、效率和自锁二、螺旋副的受力分析、效率和自锁 1、摩擦角和当量摩擦角 1）平面滑块的摩擦：根据静力平衡条件有：N=Q，Ff =F 可得：F=Ff =f F =f Q tan=Ff /N=f N/N =f 摩擦角=arctan f 2）楔形滑块的摩擦：由静力平衡条件得：Q=2N sin 即：N=Q/（2sin）而：F=2Ff =2 f N=（f/sin）Q tanv=fv =f/sin f 摩擦系数第6页/共57页7机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 当量摩擦角 v=arctan fv比较 f 与 fv 知：fv f，在其他条件相同时，槽面的摩擦力总是大于平面的摩擦力。图a）所示为具有矩形螺纹的螺母和螺杆组成的螺旋副。当在螺母上作用一转矩 T1，使螺母等速旋转并沿力Q 的反向移动时，其运动可视为如图b）所示的一滑块在水平力F 推动下沿螺纹等速上移。fv 当量摩擦系数2、矩形螺旋副的受力、效率和自锁第7页/共57页8机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 若将螺纹沿中径 d2 展开，则相当于图a）所示滑块沿螺纹等速上升。此时，螺母与螺杆的相对运动可看作滑块在斜面上的运动。所以可用滑块沿斜面移动时的受力分析替代螺旋副相对运动时的受力分析。因为是等速运动，故作用于滑块上的 R、F 和Q 三力保持平衡。由力多边形封闭图得：F=Q tan（+）克服螺纹中阻力所需的转矩为：第8页/共57页9机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接旋转螺母一周，输入的驱动功W1=2T1，有效功W2=Q S，故螺旋副的效率为：由上式知：，；当：=45-/2 时 max 但：制造困难 25 当滑块沿斜面等速下滑时（图b），作用于滑块上的 R、F 和 Q 三力仍应保持平衡，由力多边形封闭图得：F=Q tan（-）。由上式知：当 时，F 0，即需足够大的支持力才能使滑块处于平衡；当 时，如图c 示，F 0，这时要使滑块下滑，必须加一反方向的水平拉力，否则不论Q 力有多大，滑块都不会自行滑下。第9页/共57页10机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 在螺旋副中，这种不论轴向载荷Q 多大，螺母都不会在其作用下自行松退的现象称为螺旋副的自锁自锁。螺旋副的自锁条件自锁条件为：（）3、非矩形螺旋副的受力、效率和自锁 图示为非矩形螺纹的螺母和螺杆组成的螺旋副。其相对运动相当于楔形滑块沿楔形槽斜面移动。故非矩形螺纹的受力分析与矩形螺纹的受力分析过程一样。由图知：F=Q tan（+v）克服螺纹中阻力所需的转矩为：第10页/共57页11机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接螺旋副的效率为：同样，支持滑块使之不沿斜面下滑所必需的水平推力F 为：F=Q tan（-v）螺旋副的自锁条件自锁条件为：（）v连接螺纹：，f（v）效率，自锁性单线传动螺纹：，f 效率 ，自锁性多线综上：自锁条件自锁条件：（）（v）第11页/共57页12机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接30 33060 三角形三角形 梯形梯形 锯齿形锯齿形 矩形矩形效率低、自锁性好效率高、自锁性差单线，用于连接双线或多线，常用于传动 连接螺纹连接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。粗牙：一般情况下使用。细牙：d 相同，p 小，小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。用于变载荷场合。第12页/共57页13机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接（注意各图的画法）1）螺栓连接 普通螺栓普通普通螺栓螺栓：无需在被联接件上加工螺 纹孔，装拆方便，用于两 被连接件均不太厚的场合 铰制孔螺栓铰制孔铰制孔螺栓螺栓：除起连接作用外，还起定位作用。三、螺纹连接的基本类型、材料和精度三、螺纹连接的基本类型、材料和精度 1、螺纹连接的基本类型受拉受拉受剪受剪 第13页/共57页14机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接3）双头螺柱连接 用于有一连接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。2）螺钉连接 用于有一连接件较厚，且不需经常装拆的场合。第14页/共57页15机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。4）紧定螺钉连接第15页/共57页16机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接2、性能等级、材料、精度 性能等级 材料性能1）螺栓、螺柱、螺钉等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、（p101）Bmin/100 6 Bmin 600 MPa10(Smin/Bmin)8 Smin 480 MPa或：Smin (68)10 480 MPa 低碳钢或中碳钢2）螺母：七个等级，与螺栓性能相配。螺纹公差和精度：精密、中等、粗糙。（p101 102，自学）如：6.8级：第16页/共57页17机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接受载之前预紧：连接刚度 防松能力 紧密性 拧紧螺母 预紧力 F目的：提高联接紧密性，防止松脱，提高刚度。2）预紧力：过小达不到联接要求（无紧密性等）；过大紧固件受损。四、螺纹连接的预紧和防松四、螺纹连接的预紧和防松 1、螺纹连接的预紧与预紧力 1）预紧：在承受载荷之前，装配时拧紧。合理的预紧力 F第17页/共57页18机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 T T1 T2 螺母支承面间的摩擦阻力矩螺纹副间的摩擦力矩3）分类 紧联接：受预紧力作用 松联接：只用于静载2、预紧力计算与控制1）计算模型 预紧力计算即拧紧螺母时的拧紧力矩 T T=F L （F-扳手手扳上施加力；L-扳手力臂长）拧紧力矩 T？以螺母分析：第18页/共57页19机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接（螺纹副间有效圆周力）（rf 支承面摩擦半径）kt 拧紧力矩系数，一般取 kt 0.2第19页/共57页20机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接T F 拉断、滑扣T 不能满足工作要求控制 T 的大小一般情况凭经验，拧紧即可。方法：测量螺栓伸长量：（大型螺栓连接）定力矩扳手测力矩扳手冲击扳手冲击扳手2）控制 T 的方法第20页/共57页连连 接接21机械设计基础机械设计基础 测量螺栓伸长量 采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用于大型的螺栓连接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。第21页/共57页22机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 3、防松 1）螺纹连接按自锁条件设计：v。静载下不会自行松脱。2）松动原因 冲击、振动、变载荷下、温度变化较大时 螺旋副摩擦力 Ff 减小或瞬时消失 松动 3）防松方法 防止螺旋副相对转动 按防松原理不同，分为三类：3）严格控制预紧力时 标准扳手长度 L 15 d，若拧紧力为 F，则：T F L 15 d F 0.2 F d F 75F 若 F 200 N，则 F 15000 N。小于M12，则易拉断。d M12 M16第22页/共57页23机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接对顶螺母 摩擦防松摩擦防松弹簧垫圈开口方向：斜向右下方弹性增压尖端抵住第23页/共57页24机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接开口销与槽形螺母 机械防松（直接锁住）机械防松（直接锁住）第24页/共57页25机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接正确正确不正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝第25页/共57页26机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 破坏螺纹副关系破坏螺纹副关系 不可拆连接胶接胶接冲点冲点焊住焊住第26页/共57页27机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接螺栓连接受拉螺栓受剪螺栓松连接：紧连接：不拧紧，无预紧力 F，仅受工作载荷 F需拧紧仅受预紧力 F同时受预紧力 F 和工作载荷 F 一、受拉螺栓连接一、受拉螺栓连接 对于受拉螺栓，由于制定标准尺寸时已采用了等强度条件，故其失效形式主要为：静载荷螺栓：螺纹部分的塑性变形和断裂。变载荷螺栓：螺杆的疲劳断裂。3 单个螺栓连接的受力分析和强度计算单个螺栓连接的受力分析和强度计算 螺栓组 螺栓数目和布置 外载荷及结构 找出最危险螺栓 按单个螺栓连接的计算方法计算第27页/共57页28机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接仅受轴向工作拉力 F 失效：拉断强度条件：校核式校核式式中：dc 危险截面计算直径，mm；dc d1 H/6，H 0.866 p；其中：d1、p 分别为螺纹小径和螺距。许用应力，N/mm2 ，s/Ss ，见表6.3（P110）。如：起重滑轮螺栓F 1、松连接（只受静载荷）工作时无需拧紧，外载荷F 平行于螺栓轴线第28页/共57页29机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 设计式设计式 螺栓为标准件标准件 查标准查标准，选螺栓选螺栓第29页/共57页30机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接2、紧连接（工作时需拧紧）1）只受预紧力F 的紧连接 外载荷FR：对螺栓为横向力；靠摩擦力传递A.FR 作用下，板不滑移：FR Ff，而 Ff F；B.按F 计算：F 为螺栓轴向负荷 拉应力对钢制M10 M68 螺栓：将v=1030，d2/d1=1.041.08 等 带入，得：T 0.5。C.拧紧过程中，在 T1 作用下螺栓受扭 产生 T第30页/共57页31机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接D.危险截面上受复合应力（、T）作用 强度准则 螺栓为塑性材料 第四强度理论（螺纹部分不发生塑性形变）。式中：s/Ss（见P110，表6.3）即：“1.3”意义：紧连接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。设计式设计式其中：重要概念l 系数“1.3”物理意义：（重点掌握）校核式校核式第31页/共57页32机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接2）受预紧力F 和轴向工作载荷F 的紧螺栓连接（可受变载荷）特点：工作载荷F（外载荷）：轴向 联接中预应力F（因紧联接）F0 F+F？构成超静定受力关系 如何求解超静定问题？“变形相容条件（变形协调条件）建立变形几何方程 受力变形过程：第32页/共57页33机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接变形协调条件：1 2 （即：伸长增量缩短减量）各力定义：A.预紧力 F（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）B.螺栓工作拉力 F0 总拉力C.工作载荷 F（对螺栓连接施加的外载荷）D.F”剩余预紧力。（P108）无变形 F 1 2 F 1 12 2预紧后，不受工作载荷：F0？预紧后，承受工作载荷：F0？思考思考：F0 F F0 F F”由静力平衡条件：第33页/共57页34机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接受预紧力F 和轴向工作载荷F 的紧螺栓连接：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。上述过程还可通过力力 变形图变形图表示合并为第34页/共57页35机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接螺栓刚度螺栓刚度：被联件刚度被联件刚度：在合并图中：检查检查F”的大小的大小 求总拉力求总拉力即：螺栓总拉力等于预紧力螺栓总拉力等于预紧力 加上部分工作载荷部分工作载荷。由于两图合并第35页/共57页36机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接讨论讨论：A.螺栓相对刚度系数当 F、F 一定时，为螺栓受力 选择不同垫片 应使 B.：不出现缝隙。(由验算）（P108）同理，考虑扭转作用，强度条件为：校核式校核式 设计式设计式第36页/共57页37机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接若工作载荷为变载荷：当工作载荷在F1 F2 变化时，螺栓总拉力在F01 F02 之间变化变载荷下螺栓失效：Fa 作用下的疲劳拉断 拉力变幅 应力幅：螺栓许用应力幅（P110）表6.3即：变载荷下螺栓，应力幅越小，疲劳强度越高。第37页/共57页38机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接二、受剪螺栓连接二、受剪螺栓连接1、失效形式：剪断剪断、接触表面压溃压溃。2、螺栓剪切强度条件：3、挤压强度条件：d 杆抗剪面直径m 抗剪面数目 许用剪应力 h 对象受压高度；p 许用挤压应力，表6.4，取弱者计算第38页/共57页39机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接一、思路一、思路 根据：连接结构形式、外载荷类型、螺栓的数目及布置等 分析螺栓受力 找出受载荷最大的螺栓 按单个螺栓连接的计算方法进行设计计算二、基本假定二、基本假定 1、各螺栓尺寸规格相同；2、各螺栓刚度相同；3、各螺栓的预紧力 F 相同；4、变形在弹性范围内；5、被联件为刚体。4 螺栓组连接的受力分析与讨论螺栓组连接的受力分析与讨论第39页/共57页40机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 p三、四种典型受载情况时的受力分析三、四种典型受载情况时的受力分析 1、受轴向载荷的螺栓组连接特点特点：载荷与螺栓轴线平行，并通过螺栓组对称中心。各螺栓组平均受载：F FQ/z螺栓还受 F F0 工作条件：F”0第40页/共57页41机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接2、受横向载荷的螺栓组连接1）特点：横向载荷作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组对称中心。力闭合：形闭合：2）承载方式：受拉螺栓（由F 在结合面产生的摩擦力承载）受剪螺栓（靠杆的剪切与挤压承载）第41页/共57页42机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接3）受力分析A.受拉螺栓 按仅受F 的紧连接计算。工作条件：式中：s 结合面的摩擦系数；z 螺栓个数；m 结合面数目，图中 m 2；kf 可靠系数（防滑系数），kf 1.1 1.5；第42页/共57页43机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接B.受剪螺栓 假定每个螺栓受载相同，则：工作条件：剪切计算：挤压计算：（d 是螺栓杆的配合直径）hmin：螺栓与孔壁间最小受压高度，建议 hmin 1.25 d第43页/共57页44机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接横向力：1）受拉螺栓 连接摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力（S F）。工作条件：3、受旋转力矩 T 的螺栓组连接 特点特点：在转矩 T 作用下，底板有绕螺栓组形心轴线 o o 旋转的趋势。受拉螺栓受剪螺栓（ri：螺栓中心与螺栓组 形心之间的距离）第44页/共57页45机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 2）受剪螺栓连接靠 剪切和挤压承载，各螺栓在 T 作用下受横向力 Fs。问题：Fs1 Fs2 Fsz？（超静定问题）工作条件：Fs1 r1 Fs2 r2 Fsz rz T 变形协调条件：底板视为刚体，ri 剪切变形量 Fsi 即：Fsi 与 ri 成正比：或：第45页/共57页46机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接代入工作条件中：4、受翻转力矩 M（倾覆力矩）的 螺栓组连接特点特点：在 M 作用下，底板有绕 螺栓组形心轴翻转的趋势。作用 M 前：作用 M 后：各螺栓受相同 F 左侧：F 拉右侧：F 压 F第46页/共57页47机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接工作条件：变形协调条件：其它条件：附加校核讨论讨论：设计时，如何布置螺栓更合理？远离对称中心Ri Fmax 实际应用可转化为上述四种状态的不同组合：分别计算 迭加横向载荷和旋转力矩 F 轴向载荷和翻转力矩 F 强度计算左侧不出现缝隙右侧边缘不压溃第47页/共57页48机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接1、机理工作时，螺栓受拉，p 螺母受压，p 两者产生螺距差一、改善螺纹牙间受力分配一、改善螺纹牙间受力分配第一圈：p 最大，受力最大；第 8 10 圈后几乎不受力各圈受载不均5 提高螺纹连接强度的措施提高螺纹连接强度的措施第48页/共57页49机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 采用加高螺母不能 提高连接强度。2、办法 采用受拉螺母（变形一致）减小螺栓、螺母螺距变化差第49页/共57页50机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接二、减小附加弯曲应力二、减小附加弯曲应力螺纹牙根 弯曲应力断裂螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。引起附加弯曲应力因素：第50页/共57页51机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考思考：采用凸台、沉孔的目的？三、减轻应力集中三、减轻应力集中收尾：退刀槽；增大牙根处过渡圆角半径。第51页/共57页52机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接四、降低应力幅四、降低应力幅 amax 一定时：a 疲劳强度 当 F、F”不变时：c1 或 c2。措施：1）螺栓长度 2）光杆直径 3）采用柔性螺栓1、降低螺栓刚度 c1 1 1第52页/共57页53机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接措施措施：不宜采用刚度小的垫片。五、改善制造工艺五、改善制造工艺1、加工方法：碾制较车制强度30%；2、表面处理：喷丸、氮化等。2、提高被联件刚度 c2 2 2第53页/共57页54机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接一、结合面几何形状力求简单（矩、圆、三角、正方形），且螺栓组的对称中心与结合面形心重合，结合面受力均匀；便于加工，提高刚度。6 螺栓组结构设计要点螺栓组结构设计要点第54页/共57页55机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接 二、螺栓组受力均匀、合理：螺栓布置应尽量远离对称中心；三、分布在同一圆周上的 z 应取偶数（4、6、8、），便于分度 划线；四、螺栓排列应有合理间距、边距、扳手空间；五、合理防松方法；第55页/共57页56机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接六、避免附加弯曲载荷：凸台、沉孔、斜垫圈等。第56页/共57页57机械设计机械设计螺纹连接螺纹连接感谢您的观看。感谢您的观看。第57页/共57页