机械设计基础螺纹连接.pptx
2023/3/251第1页/共70页2023/3/2527 7.1 1 螺纹联接的基本知识一、螺纹的主要参数二、螺纹联接件主要类型机械设计基础联接第2页/共70页2023/3/253二、螺纹联接件主要类型标准螺纹联接件1.1.螺栓普通螺栓 铰制孔螺栓2.2.双头螺栓3.3.螺钉联接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉螺纹联接件通过组合形成螺纹联接机械设计基础联接第3页/共70页2023/3/2541.螺栓联接螺纹连接第4页/共70页2023/3/2552.双头螺柱联接工作原理：螺栓受拉力，承受外载应用：被联接件较厚，且常拆卸处螺纹连接第5页/共70页2023/3/2563.螺钉联接工作原理：螺栓受拉承受外载应用：一被联件较厚，但不常拆卸处螺纹连接第6页/共70页2023/3/2574.紧定螺钉联接工作原理：靠拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一个零件的表面，或者顶入相应的凹坑中，将零件固定。应用：薄壁件联接螺纹连接第7页/共70页2023/3/258螺纹联接件实物第8页/共70页2023/3/2597.2 螺纹连接的预紧和防松第9页/共70页2023/3/25101、预紧的作用：预紧可使连接在承受工作载荷之前就受到预紧力F0的作用，以防止连接受载后被连接件之间出现间隙或横向滑移。预紧也可以防松。2、控制预紧力的目的：在于增加连接的可靠性、紧 密性和防松能力。预紧力过大，会使连接超载。预紧力不足，可能导致连接失效。重要的螺栓应控制预紧力。一、螺纹连接的预紧第10页/共70页2023/3/2511拧紧螺母时的力矩和预紧力3、拧紧力矩和预紧力的计算第11页/共70页2023/3/2512螺纹副摩擦力矩螺母与被连件摩擦力矩拧紧力矩第12页/共70页2023/3/2513 当钢制螺纹M10M68时，由螺纹几何关系和摩擦系数可得：F0大小可以根据螺栓的受力情况和连接的工作要求决定，一般规定，拧紧后不超过螺纹连接件材料屈服强度的80。第13页/共70页2023/3/2514定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手测力矩扳手机械设计基础联接4、装配时控制预紧力的方法第14页/共70页2023/3/2515定力矩扳手第15页/共70页2023/3/2516二、螺纹连接的防松（一）、摩擦防松1、双螺母在螺母和螺栓之间形成内力，保证摩擦力。结构简单、使用方便。可靠性不高。用于平稳、低速、重载。第16页/共70页2023/3/25172、弹簧垫圈 其反弹力使螺纹间保持一定压力，切口处的尖端也能阻止螺母转动脱落。不十分可靠，用于不太重要的连接。第17页/共70页2023/3/25183、锁紧螺母镶嵌弹性环或尼龙圈挤入螺纹中椭圆口螺母。第18页/共70页2023/3/2519（二）、机械防松 1、开口销第19页/共70页2023/3/25202、止动垫圈第20页/共70页2023/3/2521止动垫圈第21页/共70页2023/3/25223、串联钢丝第22页/共70页2023/3/2523（三）、永久防松焊接 冲点 涂胶第23页/共70页2023/3/2524问题：问题：为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？机械设计基础联接第24页/共70页2023/3/25257.37.3、螺栓联接的计算、螺栓联接的计算松螺栓联接：松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉无预紧力，只有工作拉力力紧螺栓联接：紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉有预紧力，还有工作拉力力1 失效形式失效形式2 设计步骤设计步骤3 松螺栓联接强度设计松螺栓联接强度设计4 紧螺栓联接强度设计紧螺栓联接强度设计仅受预紧力仅受预紧力的紧螺栓联接的紧螺栓联接受横向载荷受横向载荷的紧螺栓联接的紧螺栓联接受轴向载荷受轴向载荷的紧螺栓联接的紧螺栓联接受偏心载荷受偏心载荷的紧螺栓联接的紧螺栓联接机械设计基础联接螺栓组联接第25页/共70页2023/3/25261 失效形式失效形式失效形式：失效形式：1.螺栓杆拉断（普通螺栓）螺栓杆拉断（普通螺栓）2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）3.经常装拆因磨损而发生滑扣经常装拆因磨损而发生滑扣普通螺栓主要为普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂螺纹部分发生断裂受剪螺栓受剪螺栓(铰制孔螺栓铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切主要为压溃和剪切机械设计基础联接第26页/共70页2023/3/25272 设计步骤设计步骤一般设计步骤：一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓找出受力最大的螺栓 单个螺单个螺栓受力分析和失效分析栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算单个螺栓强度计算确定螺栓确定螺栓的尺寸（直径、长度）的尺寸（直径、长度）试算法：试算法：先选定一个螺栓直径先选定一个螺栓直径d 查查 计算计算d1。若若d1与与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选（假定的小径）相近，则合用；否则再选机械设计基础联接第27页/共70页2023/3/25283 松螺栓联接强度设计松螺栓联接强度设计受载荷形式受载荷形式轴向拉伸轴向拉伸(工作拉力工作拉力F)失效形式失效形式螺栓拉断螺栓拉断(静、疲劳静、疲劳)设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度强度条件：强度条件：设计计算方法：设计计算方法：校核式校核式:设计式设计式:机械设计基础联接F第28页/共70页2023/3/25294 紧螺栓联接强度设计紧螺栓联接强度设计(1)仅受预紧力的紧螺栓联接仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式受载荷形式拧紧后拧紧后:轴向拉伸轴向拉伸(工作拉力工作拉力F0)拧紧过程中拧紧过程中:轴向拉伸轴向拉伸F0、扭力、扭力T失效形式失效形式螺栓拉断螺栓拉断(拉、扭综合作用拉、扭综合作用)设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度强度条件：强度条件：设计计算方法：设计计算方法：校核式校核式:机械设计基础联接TF0F0拧紧力矩T剪应力预紧拉力Fo拉应力v设计式:第29页/共70页2023/3/2530(2).横向载荷的螺栓联接计算主要防止被联接件错动 特点：杆孔间有间隙，靠拧紧的正压力(F0)产生摩擦力来传递外载荷，保证联接可靠(不产生相对滑移)的条件为：F0fFR 即 F0fm=kfFR1）普通螺栓联接：FR 横向外载荷 m接缝界面数目、f为摩擦系数 Kf防滑系数（可靠性系数）Kf=1.11.3 第30页/共70页2023/3/2531分析：由上式可知，当FR=0.15,m=1,Kf=1.1则F0=7FR，说明这种联接螺栓直径大，且在冲击振动变载下工作极不可靠，因此应设法避免。为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置：a)减载销 b)减载套筒 c)减载键求出F0以后按右式进行强度计算第31页/共70页2023/3/2532受横向载荷的铰制孔螺栓联接受横向载荷的铰制孔螺栓联接受载荷形式受载荷形式拧紧过程中拧紧过程中:轴向拉伸轴向拉伸Fs、扭力、扭力T(预紧力小，计算时可忽略预紧力小，计算时可忽略)工作时：工作时：横向载荷横向载荷F失效形式失效形式侧面压溃及螺栓剪切侧面压溃及螺栓剪切设计准则设计准则保证挤压、剪切强度保证挤压、剪切强度强度条件强度条件：p p、t t t t 设计计算方法：设计计算方法：挤压强度：挤压强度：剪切强度：剪切强度：机械设计基础联接第32页/共70页2023/3/2533讨论：讨论：普通螺栓受横向载荷普通螺栓受横向载荷F时，为保证结合时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F预紧力预紧力Fs的大小，根据接合面不发生滑的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定移的条件确定f=0.2时，时，FS=6F结论：结论：横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒减载销、键或减载套筒使使用用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算机械设计基础联接FSFsFFT第33页/共70页2023/3/2534(3)、承受轴向静载荷的紧螺栓联接强度计算第34页/共70页2023/3/2535工作特点：工作前拧紧，有F0；工作后加上工作载荷F 工作前、工作中载荷变化工作原理：靠螺杆抗拉强度传递外载F解决问题：a)保证安全可靠的工作，F0=？b)工作时螺栓总载荷，F=？分析：图1，螺母未拧紧螺栓螺母松驰状态，螺栓与被连接件均不受力。第35页/共70页2023/3/2536 图，拧紧预紧状态 凸缘压m F0 栓杆拉b F0 图7.15b所示为螺栓被拧紧后，螺栓受预紧力F0，被联接件受预紧压力F0的作用而产生压缩变形l的情况。第36页/共70页2023/3/2537 图3，加载F后工作状态图7.15c所示为螺栓受到轴向外载荷(因气缸内压力而引起的)F作用时的情况，螺栓被拉伸，变形增量为2，根据变形协调条件，2即等于被联接件压缩变形的减少量。此时被联接件受到的压缩力将减小为F/0，称为残余预紧力。显然，为了保证按联接件间密封可靠。应使：FFF0此时螺栓所受的轴向总拉力F应为其所受的工作载荷F与残余预紧力F0之和。第37页/共70页2023/3/2538第38页/共70页2023/3/2539第39页/共70页2023/3/2540第40页/共70页2023/3/2541五、螺栓材料和许用应力五、螺栓材料和许用应力材料：材料：一般用途：一般用途：低碳钢或中碳钢低碳钢或中碳钢(3545及及Q235Q275)重要联接：重要联接：合金钢（合金钢（40Cr、30CrMnTi）国标国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：规则：小数点前数字表示小数点前数字表示 B/100,小数点后数字表示小数点后数字表示10 S/B如：如：5.8级：表示级：表示 B=500MPa，S=400MPa许用应力：许用应力：表表7-1机械设计基础联接计算螺栓小径时采用试算法来选用计算螺栓小径时采用试算法来选用第41页/共70页2023/3/2542螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的受力分析与计算7.4 螺栓组连接的设计 第42页/共70页2023/3/25431、连接结合面的几何形状常设计成轴对称的简单几何形状第43页/共70页2023/3/25442、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理第44页/共70页2023/3/25453、螺栓的排列应有合理的间距、边距第45页/共70页2023/3/2546扳手空间第46页/共70页2023/3/25474、分布在同一圆周上的螺栓数目，应 取4,6,8等偶数，以便钻孔时在圆周上分度和画线第47页/共70页2023/3/25485、避免螺栓承受偏心载荷产生偏心载荷的原因第48页/共70页2023/3/2549斜垫圈的应用凸面和沉头座的应用避免偏载的结构第49页/共70页2023/3/2550螺栓组联接的基本受载类型：2受横向载荷FSFS4受倾覆力矩OM3受转矩riOT1受轴向载荷FFS假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；被联接件为刚体；各零件的变形在弹性范围内。螺栓组连接的受力分析与设计螺栓组连接的设计第50页/共70页2023/3/2551 5-4 螺 栓 组 联 接 受 力 分 析一、承受轴向载荷的螺栓组连接 如图所示为压力容器的螺栓组连接，所受轴向总载荷FQ通过螺栓组形心，螺栓组各螺栓所受的工作载荷 相等。螺栓数目注：如 FQ不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。螺栓组连接的设计轴向外载荷受轴向载荷的螺栓组连接 第51页/共70页2023/3/2552受 横 向 载 荷 1二、承受横向载荷的螺栓组连接.普通螺栓连接 螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受 。保证被联接件不相对滑动，须满足：则所需预紧力为式中：K可靠性系数 结合面的摩擦因数m结合面数螺栓组连接的设计受横向载荷的螺栓组连接 第52页/共70页2023/3/2553受 横 向 载 荷 2.受铰制孔螺栓连接各螺栓承受的横向力 相等。分别进行剪切强度和挤压强度计算。螺栓组连接的设计三、承受转矩 T 的螺栓组连接连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似 承受转矩的螺栓组连接 第53页/共70页2023/3/2554承 受 转 矩 T 时 1.普通螺栓连接 靠结合面上的摩擦力承受T。保证底板在 T 作用下不转动，须满足则所需预紧力螺栓组连接的设计r1、r2、rz各螺栓中心与螺栓组形心间的距离。第54页/共70页2023/3/2555承 受 转 矩 T 时 2.铰制孔螺栓连接各螺栓所受的工作剪力 与其中心到底板中心的距离 成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作剪力即螺栓组连接的设计第55页/共70页2023/3/2556受 翻 转 力 矩 M 时 1四、承受倾翻力矩 M 的螺栓组连接 在 M 作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线 O 转动的趋势。在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力 与其中心到翻转轴线的距离 成正比。底板的静力平衡方程为联立两式求解，得最大工作拉力螺栓组连接的设计第56页/共70页2023/3/2557受 翻 转 力 矩 M 时 2为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：为防止结合面受压最大处被压溃，要求：式中：A结合面的面积（mm2）W结合面的抗弯截面模量（mm3）许用挤压应力（Mpa）实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。螺栓组连接的设计 工作时承受外载荷FP 轴向载荷FV横向载荷FH 翻转力矩M第57页/共70页2023/3/2558改善螺纹牙间的载荷分配减小螺纹的应力副减小附加弯曲应力7.5 提高螺纹连接强度的措施 第58页/共70页2023/3/2559螺 纹 联 接 组 的 设 计 1设计螺栓组连接时，通常是先进行结构设计，即确定结合面的形状、螺栓布置方式和数目，然后按螺栓组的结构和承载状况进行受力分析。l为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。l螺栓布置应使各螺栓的受力合理。l 为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。l螺栓的排列应有合理的间距、边距。各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空。改善螺纹牙间的载荷分配提高螺纹连接强度的措施第59页/共70页2023/3/2560 5-5 提 高 螺 栓 强度 的 措 施 工作中，螺栓受拉，螺母受压，从而产生螺距差，导致旋合的各圈螺纹牙受载不均。提高螺栓连接强度的措施改善螺纹牙间的载荷分配螺栓受拉伸，其螺纹的螺距增大；螺母受压缩，其螺纹的螺距减小。约有1/3的载荷集中作用在第一圈，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷 第60页/共70页2023/3/2561、悬置螺母螺杆与悬置螺母同时受拉力，使两者变形协调，可使旋合螺纹牙的载荷均匀分配。提高螺栓连接强度的措施、环槽螺母环槽螺母和螺栓在支承面处的变形性质相同（均受拉），从而改善了旋合圈螺纹的受载状况。、内斜螺母将螺母旋入端制成1015的内锥，使螺栓受力较大的螺纹圈之受力点外移，螺栓疲劳强度可提高约20%。第61页/共70页2023/3/2562减小螺栓的应力幅增加螺栓的长度减小无螺纹部分螺杆的直径螺杆制成中空结构（柔性螺栓）在螺母下安装弹性元件 措施提高螺栓连接强度的措施减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度，都能使应力幅减小 第62页/共70页2023/3/2563采用合理的制造工艺。减小附加弯曲应力冷镦、碾压、氮化、喷丸等工艺均可提高螺栓的强度。提高螺栓连接强度的措施球面垫圈带环腰的螺栓 第63页/共70页2023/3/25647-3 键联接键联接一、键联接的分类及结构二、键的强度校核三、花键联接机械设计基础联接第64页/共70页2023/3/25651 松联接松联接（1）平键联接）平键联接结构结构:键两侧与键槽相配合键两侧与键槽相配合(静联接为过静联接为过渡配合渡配合,动联接为间隙配合动联接为间隙配合),上端面与上端面与轮毂键槽底面有间隙轮毂键槽底面有间隙工作原理工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩压传递转矩失效形式失效形式:静联接：工作面挤溃，键剪断静联接：工作面挤溃，键剪断动联接：工作面磨损动联接：工作面磨损特点：特点：结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛成对使用成对使用:承载能力不够时采用承载能力不够时采用,按按 180布置两个键。一对平键按布置两个键。一对平键按1.5 个键计个键计算算机械设计基础联接第65页/共70页2023/3/2566(2)半圆键联接半圆键联接结构结构:工作原理工作原理:两侧面是工作面，侧面两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩挤压传递转矩构造与加工构造与加工:键键:用圆钢切制或冲压用圆钢切制或冲压后磨削后磨削键槽键槽:盘状铣刀加工盘状铣刀加工失效形式失效形式:键剪断键剪断,工作面压溃工作面压溃特点特点:便于安装便于安装,对中好对中好,用于锥形轴用于锥形轴端端,但对轴削弱大但对轴削弱大成对使用成对使用:承载能力不够时用承载能力不够时用,沿同一沿同一母线布置母线布置机械设计基础联接第66页/共70页2023/3/25672 紧联接紧联接楔键楔键联接联接结构结构:键侧与键槽有间隙键侧与键槽有间隙,上下面楔紧上下面楔紧工作原理工作原理:上下面为工作面，靠摩擦力上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩传递转矩方头楔键、方头楔键、钩头楔键、钩头楔键、圆头楔键圆头楔键失效形式失效形式:工作面压溃工作面压溃特点特点:简单简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定且可实现轮毂在轴上单向轴向固定楔紧产生偏心楔紧产生偏心,对中性差对中性差,不适于高速及对中要求高的场不适于高速及对中要求高的场合合机械设计基础联接第67页/共70页2023/3/2568二、键的强度校核二、键的强度校核1 键的选择键的选择键是标准零件：键是标准零件：p109 表表7-2材料多采用碳素钢材料多采用碳素钢键的类型选择键的类型选择根据使用要求和工作条件根据使用要求和工作条件:转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性键的尺寸选择键的尺寸选择（同时确定配合类型）（同时确定配合类型）:工作要求工作要求 键的种类键的种类按轴径按轴径d选键的选键的b、h选键长选键长L(标准标准;短于轮毂宽度短于轮毂宽度)机械设计基础联接第68页/共70页2023/3/2569三、花键联接三、花键联接特特点：点：受力较均匀，应力集受力较均匀，应力集中小，承载能力大中小，承载能力大对中性好，导向性好，对中性好，导向性好，精度高精度高需专门设备和工具需专门设备和工具,成本高成本高结构结构:轴及轮毂孔周向均布轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合的多个键齿互相配合,构成花键联接构成花键联接机械设计基础联接工作原理工作原理:键侧是工作面，键侧是工作面，靠键侧面与键槽靠键侧面与键槽挤压传递转矩挤压传递转矩第69页/共70页2023/3/25机械设计基础70感谢您的观看！第70页/共70页
