机械设计基础-连接.ppt

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1、,10-1 螺纹参数,10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,10-3 机械制造常用螺纹,10-6 螺纹连接的强度计算,10-8 提高螺纹连接强度的措施,10-7 螺拴的材料与许用应力,10-5 螺纹连接的预紧和防松,10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,第10章 连接,第 18 次课授课计划 机械设计基础 课程 环境本071-2 班级 09年 10月26日,联接,机械动联接（运动副）,机械静联接,可拆联接,不可拆联接,螺纹联接,键联接,销联接,铆钉联接,焊接,胶接,（固定联接）,型面联接,4-4 运动副中的摩擦分析,一、螺旋线的形成,螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。,101

2、 螺纹参数,二、螺纹的分类,螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。,联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；,传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。,螺纹按工作性质分为联接螺纹和传动螺纹。,螺纹按牙齿形状分为：,101 螺纹参数,二、螺纹的分类,螺纹的旋向分为左旋螺纹和右旋螺纹。,(3)中径d2,(1)大径d,(2) 小径 d1,(4) 螺距p,(5) 导程S,(6) 螺纹升角,(7)牙型角 ,牙侧角 ,S = np,三、螺纹的主要参数,101 螺纹参数,1、矩形螺纹,正行程拧紧螺母所需的驱动力矩为：,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,一、受力分析,斜面机构,2

3、、斜面机构受力分析,滑块沿斜面等速上升（正行程）,滑块1受力：,水平驱动力F,载荷Fa,反力FR,滑块在三力作用下等速上升，则有：,滑块沿斜面等速下降（反行程）,滑块1受力：,载荷Fa（此时为驱动力）,阻力F,滑块在三力作用下等速下降，则有：,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,1、矩形螺纹,正行程拧紧螺母所需的驱动力矩为：,反行程放松螺母所需的平衡力矩为：,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,3、 非矩形螺纹 0,非矩形螺纹：,f-当量摩擦系数,-当量摩擦角,正行程,反行程,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,二、螺纹副的自锁,时，T为阻力矩，阻止螺母加速松退； ,25 ,f v=ta

4、nv=0.1,定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：,螺旋转动一圈时，有效功为FaS , 输入功为2T。,102 螺旋副的受力分析、效率和自锁,103 机械制造常用螺纹,三角形螺纹,普通螺纹 = 60,管螺纹 = 55,普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。,粗牙螺纹应用最广,细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，,缺点：不耐磨易滑扣。,应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。,103 机械制造常用螺纹,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁 = 55）,用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁

5、= 55）,60圆锥管螺纹,公称直径-管子的公称通径。,非螺纹密封的管螺纹,103 机械制造常用螺纹,梯形螺纹：,锯齿形螺纹:,= 15,= 3,粗牙普通螺纹的基本尺寸见P135表10-1,螺纹的基本尺寸：,细牙普通螺纹的基本尺寸见P136表10-2,梯形螺纹的基本尺寸见P136表10-3,103 机械制造常用螺纹,表10-1 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸mm,标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),103 机械制造常用螺纹,表10-3 梯形螺纹基本尺寸 mm,标记示例：Tr48X8(梯形螺纹，直径48，螺距8),一、螺纹联

6、接的基本类型,104螺纹联接的类型及螺纹紧固件,4,一、螺纹联接的基本类型,1、螺栓联接：适用于两薄形零件联接,普通螺栓联接（受拉螺栓联接）,铰制孔用螺栓联接（受剪螺栓联接）,受拉螺栓,受剪螺栓,104螺纹联接的类型及螺纹紧固件,2.螺纹余留长度l1,普通螺栓联接（受拉螺栓）,结构：,1.dd,受力失效：,工艺：先钻后铰,特点：装拆不方便，主要承受横向载荷,104螺纹联接的类型与螺纹紧固件,2、双头螺柱联接,螺钉联接：不可经常装拆,工艺：,被联接件一件光孔，一件螺纹孔,受力失效：,特点：,双头螺柱：可经常装拆,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,适用于被联接件之一较厚，不宜制成通孔的场合。,3

7、、螺钉联接,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,4、紧定螺钉联接,用来固定两个零件的相对位置，受力较小。,工艺：一件加工螺纹孔，另一件配加工锥孔。,特点：靠摩擦力，是辅助定位，不经常装拆，轴毂轻载联接,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。,说明,二、标准螺纹联接件,螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。,虚拟现实中的螺纹联接件,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,螺纹联接件分为三个

8、精度等级，其代号为A、B、C。其中C级用于一般的螺纹联接。,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,104 螺纹联接的类型与螺纹紧固件,第 19 次课授课计划 机械设计基础 课程 环境本071-2 班级 09年 11月2日,预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。,增强联接的可靠性和紧密性；提高联接的刚度；提高螺栓在变载荷下的疲劳强度。,拧紧后螺纹联接件的预紧应力一般可达材料屈服极限ss的50% 70%。,预紧的目的：,预紧力的确定原则：,105 螺纹连接的

9、预紧和防松,碳素钢螺栓,合金钢螺栓,螺栓危险截面面积,一、 拧紧力矩,一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。,T1克服螺纹副相对转动的阻力矩；,T2克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；,设轴向力为Fa 或预紧力（不受轴向载荷）,fc摩擦系数。 无润滑时取： fc =0.15,rf支撑面摩擦半径。 rf =(dw+d0)/4,简化公式： 适用于M10M60的粗牙螺纹， f=0.15, fc=0.15,T 0.2 Fa d,预紧应力：,=(0.50.7) s,105 螺纹联接的预紧和防松,F

10、a是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧 可靠，应取：,通常螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。,总力矩：,一般标准扳手的长度L15d，若拧紧力为F，则T=FL。,而T0.2F0d,则：F075F,若F=200N，则F0 15000N,所以，对于直径小的螺栓，拧紧时很可能过载拉断。,预紧力和预紧力矩之间的关系：,注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,105 螺纹连接的预紧和防松,预紧力的控制：,测力矩扳手,力矩扳手定,测定螺栓伸长,测力矩扳手,定力矩扳手,105 螺纹连接的预紧和防松,螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动

11、松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。,105 螺纹连接的预紧和防松,1. 利用摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,防松的根本问题：在于防止螺旋副相对转动。,防松方法：摩擦防松、机械防松、铆冲防松、涂胶防松等。,破坏螺纹副关系,105 螺纹连接的预紧和防松,开口销与六角开槽螺母,2. 机械防松,105 螺纹连接的预紧和防松,圆螺母加止动垫片,105 螺纹连接的预紧和防松,止动垫片,105 螺纹连接的预紧和防松,串联钢丝,动画演示,105 螺纹连接的预紧和防松,涂粘合剂,3. 其他方法防松（破坏螺纹副关系

12、）,焊点法防松,0305,105 螺纹连接的预紧和防松,105 螺纹连接的预紧和防松,螺栓强度计算步骤：,松螺栓联接强度计算,紧螺栓联接强度计算,1承受横向工作载荷（螺栓仅受预紧力）,2承受轴向工作载荷（螺栓受预紧力和工作载荷）,联接的失效形式：,螺栓其它部分的结构尺寸是根据等强度条件和经验规定的，不需进行计算，可从标准中选定。,动画演示,106 螺纹连接的强度计算,受拉螺栓：螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂,受剪螺栓：螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃,仅承受轴向工作载荷（螺栓仅受工作载荷）,铰制孔螺栓联接强度计算,仅承横受向工作载荷（螺栓承受工作剪力）,螺栓强度计算：,经常装拆：因

13、磨损滑扣,解决的问题：,2、保证强度足够强度条件,1、保证承受工作载荷承载（工作）条件,讨论的前提：,工作载荷作用的位置通过螺纹的中心线或接合面上,106 螺纹连接的强度计算,一、松螺栓连接,强度条件为：,校核公式,设计公式,螺栓不预紧,联接承受轴向工作载荷F,称为受拉螺栓,特点：,螺栓仅受工作拉力F,查表按标准螺栓直径,106 螺纹连接的强度计算,由拉力Fa引起的拉应力：,螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力：,强度条件：,根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:,（对于M10M64的普通螺纹，取d1、d2和的平均值，并取：tgv =0.17 ）,二、紧螺栓连接,螺栓拧紧时，螺杆受到拉力F

14、a,计入扭切应力,5,106 螺纹连接的强度计算,1横向工作载荷,二、紧螺栓联接强度计算, 靠接合面产生的摩擦力承受横向载荷； 螺栓在加载前后受力不变； 螺栓仅受预紧力F0（受拉和扭切）。,特点：,简称为受拉螺栓,要解决的主要问题：,强度如何？,预紧力F0=?受载后不滑移,106 螺纹连接的强度计算,即： Fa =F0,工作时预紧力F0导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。,C 可靠性（防滑）系数，常取C =1.11.3,预紧力F0 ：,f摩擦系数,m-接合面数,若取 f =0.15, C =1.2, m=1, 则：,F0 8F, 结构尺寸大,承载（不滑移）条件：,强度条件：,106 螺纹

15、连接的强度计算,改进措施： 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。,2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。,106 螺纹连接的强度计算,铰制孔用螺栓连接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：,螺栓杆的剪切强度条件为：,式中：F螺栓所受的工作剪力，单位为N；d0螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使Lmin1.25d0,利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受横向工作载荷；螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。；结合面处，螺栓杆则受剪切（受剪切和挤压）。,特点：,承受横向工作载荷,简称为受剪螺栓,106 螺纹连接的强度计算,2. 轴向工作载荷,设缸

16、盖上的压强为p，螺栓数目为z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：,以气缸盖为例：,靠结合面产生的压缩变形保证缸体内的密封性；螺栓在加载前后受力变化；螺栓既预紧力又受工作载荷（受拉和扭切）。,特点：,简称为受拉螺栓,动画演示,106 螺纹连接的强度计算,要解决的主要问题：,螺栓受到的总载荷Fa=? 强度如何？,预紧力F0=?受载后不漏气（紧密性）,假设：螺纹各联接件为完全弹性体 略去螺栓头部、尾部变形,106 螺纹连接的强度计算,加预紧力F0后,加载F后,螺栓总伸长量增加为： b0 ,被联接件压缩量减少为： C0 ,预紧力减小为：FR,螺栓受到的总拉力为： Fa,螺栓受拉伸长b0,被联接件受压缩短

17、C0,螺母未拧紧,螺母已拧紧,已承受工作载荷, 残余预紧力,=,106 螺纹连接的强度计算,FR+FE,根据受载情况，求出螺栓的工作载荷FE根据螺栓工作要求，确定残余预紧力FR；F无变化时，FR=(0.20.6)FEF有变化时，FR=(0.61)FE有密封要求时，FR=(1.51.8)FE强度计算,设计步骤：,静载荷下螺栓的强度计算,106 螺纹连接的强度计算,螺栓类别,普通螺栓（受拉螺栓）,单个螺栓受力,强度条件,松螺栓,轴向载荷,紧螺栓联接,横向载荷,F0-预紧力,轴向载荷,总拉力,铰制孔螺栓（受剪螺栓）,横向载荷,螺栓连接强度计算小结,7,工作载荷,螺栓受力,Fa=F,总拉力,剪切、挤压

18、力,第 20 次课授课计划 机械设计基础 课程 环境本071-2 班级 09年 11月5日,一、螺纹联接件材料,107 螺拴的材料与许用应力,常用材料为：Q215、Q235、10、35、45钢,对于重要和特殊用途的材料：15Cr、40Cr、30CrMnSi等力学性能较高的合金钢,二、螺纹联接件的许用应力,表106、107,螺栓组：所有螺栓的材料、尺寸、拧紧程度完全一样,螺栓组设计的任务：,1、合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和螺栓接合面间受力均匀，便于加工和装配结构设计,2、找出螺栓组中螺栓所受的载荷 受力分析,螺栓组联接的设计,1、为了便于加工制造和对称布置螺栓，保

19、证联接结合面受力均匀，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，例如圆形、环形、矩形等。,2、螺栓布置应使各螺栓的受力合理。,一、螺栓组联接的结构设计,螺栓组联接的设计,对于铰制孔螺栓，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置8个以上螺栓，以免载荷分布过于不均。,螺栓组联接的设计,合理,不合理,当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。,如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷。,3、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。,螺栓组联接的设计,4、螺栓的

20、排列应有合理的间距、边距。,扳手空间的尺寸可查阅有关标准。,对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，螺栓的间距t0不得大于推荐数值。,表55 螺栓间距t0,以螺栓联接为例，螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。,影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。,改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,减小应力集中的影响,采用合理的制造工艺,分析,分析,分析,108 提高螺纹联接强度的措施,108提高螺纹联接强度的措施,一、降低螺栓总拉伸载荷 Fa 的变化范围,受轴向载荷时,当kckb时，,即工作载荷作用后

21、，螺栓受的总拉力增加很少；,Fa F0 ，,当kcF2F3F4F5,F=F1+F2+F3+F4+F5,加厚螺母不能提高联接强度。,108提高螺纹联接强度的措施,均载措施：,悬置螺母,螺拴、母变形性质相同,108提高螺纹联接强度的措施,三、减小应力集中,增大过渡圆角,卸载槽,卸载过渡结构,108提高螺纹联接强度的措施,四、避免或减小附加弯曲应力,108提高螺纹联接强度的措施,凸台,沉头座,斜面垫圈,108提高螺纹联接强度的措施,凸台,沉头座,斜面垫圈,108提高螺纹联接强度的措施,功能：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩， 或实现零件的轴向固定或移动。,一、键联接的功能、分类、结构形式及应

22、用,分类：平键、半圆键、楔键、切向键等。,1. 平键联接,特点：结构简单、定心好、装拆方便。,种类：,普通平键,导向平键,滑键,1011 键联接和花键联接,普通平键,单圆头(C型),圆头(A型),方头(B型),用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。,用盘铣刀加工，轴的应力集中小。,用于轴端，便于安装。,普通平键应用最广。,A型,B型,C型,1011 键联接和花键联接,盘状铣刀铣键槽,指状铣刀铣键槽,1011 键联接和花键联接,导向平键,结构特点：长度较长，用螺钉固定轴上。,为便于装拆，制有起键螺孔。,零件可以在轴上移动，构成动联接。,应用：用于轴上零件移动量不大的场合，如变速箱中的滑移齿轮

23、。,1011 键联接和花键联接,导向平键,1011 键联接和花键联接,A型,B型,C型,标记实例： 圆头普通平键(A型): 键16100 GB1096-79,圆头普通平键(B型): 键B16100 GB1096-79,单圆头普通平键(C型) : 键C16100 GB1096-79,普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79）,普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79）,2. 半圆键,键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动， 以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用于锥形轴端与轮毂的联接。对轴的削弱较大，只适用于轻载联接。,1011 键联接和花

24、键联接,3. 楔键联接和切向键联接,结构特点：键的上表面有1:100的斜度， 轮毂槽的底面也有1:100的斜度。,缺点：定心精度不高。,应用：只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。,1011 键联接和花键联接,类型：普通楔键、钩头楔键。,在重型机械中常采用切向键-一对楔键组成。,1011 键联接和花键联接,1011 键联接和花键联接,二、键的选择和强度校核,1键的尺寸选择,bh根据轴径d由标准中查得，键的长度参考轮毂的长度确定，一般应略短于轮毂长，并符合标准中规定的尺寸系列。,平键的尺寸主要是键的截面尺寸bh及键长L。,2平键联接的失效和强度校核,对于普通平键联接（静联接），其主要失

25、效形式是工作面的压溃，有时也会出现键的剪断，但一般只作联接的挤压强度校核。,对于导向平键联接和滑键联接，其主要失效形式是工作面的过度磨损，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。,1011 键联接和花键联接,键被剪断,1011 键联接和花键联接,设键侧面的作用力沿键的工作长度和高度均匀分布，则普通平键的强度条件为:,导向平键和滑键联接的强度条件为：,式中：,sp、p为许用应力与许用压力,d,d,1011 键联接和花键联接,(3)采用两个楔键，应相隔 90-120布置。,如果强度不够，可采用双键，布置时应注意：,(1)采用两个平键，应相隔180布置，校核时按1.5个键计算。,(2)采用两个

26、半圆键，应布置在轴的同一母线上。,键的长度一般不宜超过（1.6 1.8)d。,1011 键联接和花键联接,结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。,优点：,三、花键联接的类型、特点和应用,键分布均匀，各齿受力均匀；,因槽较浅，齿根处应力集中较小；,齿数较多，总接触面积大，承载能力强；,轴和轴上零件对中性好；,导向性好；,缺点：,齿根仍有应力集中，加工成本较高。,1011 键联接和花键联接,类型：矩形花键、渐开线花键,矩形花键,渐开线花键,=30,=45,详细说明,定心方式,1011 键联接和花键联接,1011 键联接和花键联接,失效形式：工作面压溃（静联接）、磨损（动联接）,四、花键联接强

27、度计算,强度计算时，假定载荷在键的工作面上均匀分布，且压力的合力F作用在平均直径dm处，并引入载荷分配不均匀系数y，则花键联接的强度校核式为：,静联接：,动联接：,上两式中:,sp、p为花键联接的许用挤压应力和许用压力,键的工作高度为：,矩形花键,1011 键联接和花键联接,根据销的用途不同，一般有：,销联接主要用于确定零件之间的相互位置，并可传递不大的载荷。也可用于轴和轮毂或其他零件的联接。,详细说明,联接销：用于联接，可传递不大的载荷。,定位销：确定相对位置。,安全销：安全装置中的过载剪断元件。,1012 销联接,根据销的结构形式有：圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等。,详细说明,销的材料为35、45钢（开口销为低碳钢），许用应力t=80MPa，许用挤压应力sp与键联接的挤压应力相同。,1012 销联接,圆柱销,圆锥销,-经多次拆装后，定位精度会降低；,-有1:50的锥度，可反复多次拆装。,拆装方便用于盲孔,螺母锁紧抗冲击,1012 销联接,槽销,将槽销打入销孔后，由于材料的弹性是销挤紧在销孔中，不宜松脱，因而能承受变载荷。,安装槽销的孔不需要铰制，加工方便，可多次装拆。,1012 销联接,内螺纹,外螺纹,螺纹联接,螺纹联接的画法,0309,