《螺紋參數計算》PPT課件.ppt

第10章連接,內容10-1螺紋參數10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖（重點）10-3機械制造常用螺紋10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件10-5螺紋連接的預緊和防松（重點）10-6螺紋連接的強度計算（重點）10-7螺紋的材料和許用應力10-8提高螺栓連接強度的措施10-9螺旋傳動10-10滾動螺旋簡介10-11鍵連接和花鍵連接（重點）10-12銷聯結,常見的連接：由于使用、結構、制造、裝配、運輸等方面的原因，機器中很多零件需要彼此連接。,連接的類型：,本章介紹的內容,第10章連接,螺紋的形成：將一傾斜角為的直線繞在圓住體上便形成一條螺旋線。如用平面圖形三角形K沿螺旋線運動并使K平面始終通過圓柱體軸線，就得到三角形螺紋。,同樣取平面圖形K的形狀如右上角任一圖形，可得到矩形、梯形、鋸齒形、管螺紋等。,10-1螺紋參數,動畫,動畫,10-1螺紋參數,螺紋分類：一般分法：外螺紋、內螺紋；圓柱螺紋、圓錐螺紋；左旋螺紋、右旋螺紋。按牙型的不同分為：三角螺紋，普通螺紋：效率低，易自鎖，多用于連接。矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋：效率較高，主要用于螺旋傳動。管螺紋：主要用于管路的連接。根據螺旋線數目分：單線螺紋（n=1），雙線螺紋（n=2），用于連接；多線螺紋（n2），用于傳動。一般不超過4。,10-1螺紋參數,10-1螺紋參數,螺紋的主要參數大徑d是螺紋的公稱直徑，與外螺紋牙頂(或內螺紋牙底)相重合的假想圓柱體的直徑。小徑d1常用于強度計算，與外螺紋牙底(或內螺紋牙頂)相重合的假想圓柱體的直徑。中徑d2常用于幾何計算，一個假想圓柱體的直徑，該圓柱的母線上牙型溝槽和凸起寬度相等。螺距P相鄰兩螺紋牙在中徑線上對應點間的軸向距離。,線數n：螺紋的螺旋線數目。導程S：沿螺紋上同一條螺旋線轉一周所移動的軸向距離，S=nP。螺紋升角：中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角,如上圖。,牙型角a：在軸向截面內，螺紋牙型兩側邊的夾角。牙側角：在軸向截面內，螺紋牙型一側邊與螺紋軸線的垂線之間的夾角。,10-1螺紋參數,螺旋副的特點：螺旋副作為一種空間運動副，其接觸面為螺旋面；螺紋在旋緊或松開過程中，螺紋之間相對移動；當螺桿和螺母之間受到軸向力Fa時，擰動螺桿或螺母，螺旋面間將產生摩擦力。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,幾個補充概念：,機械效率：輸入功與輸出功之比。自鎖：當機構無論受多大的驅動力時都無法運動的現象?？偡戳Γ哼\動副中法向反力與摩擦力的合力，稱為運動副中的總反力。摩擦角：總反力與法向反力之間的夾角。其大小為：,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,矩形螺紋受力分析(牙側角=0),基本假設：載荷分布在中線上；單面產生摩擦力。力學模型：內外螺紋旋合形成的螺旋副，旋緊或松開時，在驅動力矩和軸向載荷作用下的相對運動，可簡化為作用在中徑上的水平推力推動滑塊沿中徑展開的斜面上的運動。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,擰緊力矩為：,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,1.擰緊螺母時相當于滑塊沿斜面上升,擰緊力為：,3.自鎖條件,yr,防松力矩為：,2.松開螺母時相當于滑塊沿斜面等速下滑,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,維持滑塊等速運動所需的平衡力（防松力）為：,式中f為當量摩擦系數，即,式中=arctanf，為當量摩擦角，為牙側角。,非矩形螺紋受力分析(0)如下圖所示，非矩形螺紋的法向力比矩形螺紋的大。若把法向力的增加看作摩擦系數的增加，則非矩形螺紋的摩擦阻力可寫為,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,1.擰緊螺母當滑塊沿非矩形螺紋等速上升時，可得水平推力：F=Fatg(+)相應的擰緊力矩,2.松開螺母當滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時，可得：F=Fatg(-)相應的防松力矩為,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,若螺紋升角小于當量摩擦角，則螺旋具有自鎖特性，如不施加驅動力矩，無論軸向驅動力Fa多大，都不能使螺旋副相對運動?？紤]到極限情況，非矩形螺紋的自鎖條件可表示為為了防止螺母在軸向力作用下自動松開，用于連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,螺旋副的效率螺旋副的效率是有效功與輸入功之比。若按螺旋轉動一圈計算，輸入功為2T，此時升舉滑塊所作的有效功為FaS，故螺旋副的效率為,由上式可知，當量摩擦角一定時，效率只是螺紋升角的函數。效率曲線如圖10-6所示。令d/d=0，可得當=45/2時效率最高。,10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,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,動畫,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,除上述基本類型以外，還有其它特殊連接：如地腳螺栓、吊環(huán)螺釘等。,螺紋連接的基本類型,螺栓連接的基本類型,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,普通螺栓連接特點：孔與桿間有間隙、被連接件上無需切制螺紋、裝拆方便。適用場合：經常裝拆的一般場合。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,螺釘連接特點：孔與桿間有間隙、被連接件上需切制螺紋、裝拆方便。適用場合：被連接件之一較厚，且不常裝拆的場合。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,雙頭螺栓連接特點：孔與桿間有間隙、被連接件上需切制螺紋、裝拆方便。適用場合：用于被連接件之一較厚、經常裝拆的場合。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,緊定螺釘連接適用場合：多用于軸上零件的固定，傳遞較小的力。,其他連接地腳螺栓連接、吊環(huán)螺栓連接、T形槽螺栓連接,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,螺紋緊固件螺紋緊固件的種類繁多，有適應面廣、用量大的通用螺紋緊固件，還有適應某種需要、具有特殊結構的專用螺紋緊固件。通用螺紋緊固件已標準化。常用的有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母和墊圈等，這類零件的結構型式和尺寸都已標準化，設計時可根據有關標準選用。,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,10-4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件,動畫,10-5螺紋連接的預緊和防松,基本概念預緊：螺紋連接在裝配時通常都要擰緊，這種擰緊稱之為預緊。緊螺栓連接：裝配時預緊的螺栓連接。松螺栓連接：不預緊的螺栓連接。預緊的目的：增加連接的剛度、緊密性，以防止螺紋連接的松脫。擰緊螺母時要克服螺紋副的阻力矩和螺母支承面間的摩擦力矩。對于緊螺栓連接，在裝配時都要預緊，預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現縫隙或發(fā)生相對滑移。預緊后，螺栓受到的預緊力是通過擰緊力矩獲得的。因為預緊力的大小對螺紋連接的可靠性、強度和密封性均有很大的影響，因此對于重要的螺紋連接，應控制其預緊力。,擰緊力矩擰緊力矩T：是用以克服螺紋副相對轉動的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2，它與預緊力F0間的關系為：,式中：rf為支承面摩擦半徑，rf(dw+d0)/4，其中dw為螺母支承面的外徑，d0為螺栓孔直徑(如圖所示)。,圖10-15支承面摩擦阻力矩,10-5螺紋連接的預緊和防松,對于M10M68的粗牙螺紋,預緊F0值的確定：是由螺紋連接的要求來決定的。為了充分發(fā)揮緊固件的工作能力，保證預緊的可靠，擰緊后螺紋緊固件的預緊應力一般可達到材料屈服極限S的5070%，但不得超過S的80。對于一般連接用鋼螺栓，預緊力可參考下式確定：,10-5螺紋連接的預緊和防松,螺紋大徑,螺紋危險截面面積,對于受軸向工作載荷的重要連接和有特殊要求的螺栓，預緊力應根據其使用實踐確定，并在裝配圖標注出其預緊力和擰緊力矩，以便安裝時控制。預緊力QP的控制：測力矩板手測出預緊力矩。定力矩板手達到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑。測量預緊前后螺栓伸長量精度較高。,10-5螺紋連接的預緊和防松,螺紋連接的防松1、防松目的（原因）：連接用的三角形螺紋都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時不會自動松脫。但是在沖擊、振動和變載的作用下，預緊力可能在某一瞬間消失，連接仍有可能松脫。在高溫或溫度變化較大時，由于溫度變形差異等原因，也可能導致連接的松脫。螺栓連接一旦松脫，輕者會影響機器的正常運轉，重者會造成重大事故。因此，為了保證連接可靠，必須采取有效的防松措施。,10-5螺紋連接的預緊和防松,防松原理（防松的實質、根本問題）防止螺紋副的相對轉動。,防松方法螺紋連接防松的方法按工作原理可分為:摩擦防松：,彈簧墊圈,對頂螺母,尼龍圈鎖緊螺母,開口銷和槽形螺母,圓螺母用帶翅墊片,止動墊片,機械防松：,其它：破壞螺紋副關系（鉚沖、粘接、焊接），排除了螺母相對螺栓轉動的可能。,串聯金屬絲,自鎖螺母,10-5螺紋連接的預緊和防松,受拉螺栓的失效形式：螺栓桿的塑性變形或斷裂。其破壞部位及其出現的百分比見右圖。,受剪螺栓的失效形式：螺栓桿和孔壁間壓潰或螺栓桿被剪斷。,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,螺栓的受力,螺栓的失效形式,螺栓連接的設計方法根據約束強度條件確定螺栓(或螺釘、雙頭螺柱)的大徑。根據螺栓連接的受力情況，通過分析，確定其所屬類型，然后計算出受力最大螺栓的拉力或剪力，即可按強度條件計算出螺栓的小徑d1(或螺栓桿直徑d0)。由所計算出的d1或d0，根據標準即可查出相應的螺栓大徑d。由螺栓大徑d，根據標準，查出全部螺紋連接件的尺寸和相應的代號。完成設計。,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,松螺栓連接,當承受軸向工作載荷Fa(N)時，其強度條件為,設計公式：,計算出d1后，再按標準查選螺紋的公稱直徑。,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,分析,緊螺栓連接,拉應力,e當量應力,扭剪應力,第四強度理論,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,對于M10M68的普通螺紋，取d1、d2和的平均值，并取tg=f=0.15，得0.5。則當量應力e為,故螺栓螺紋部分的強度條件為,設計公式：,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,1.受橫向工作載荷F的螺栓強度,根據d1，按標準查選螺紋的公稱直徑。,受橫向工作載荷F的螺栓強度,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,可靠性系數C=1.11.3，m為接合面數目。,從上式可以計算，當摩擦系數f=0.15、可靠性系數C=1.2、結合面數目m=1時，F08F。即預緊力應為橫向工作載荷的8倍，所以螺栓連接靠摩擦力來承擔橫向載荷時，其尺寸是較大的。為了避免上述缺點，可用鍵、套筒或銷承擔橫向工作載荷，而螺栓僅起連接作用，如下圖。,（重點）,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,也可以采用螺桿與孔之間沒有間隙的鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷，這些減載裝置中的鍵、套筒、銷和鉸制孔用螺栓可按受剪切和受擠壓進行強度核算、許用切應力和許用擠壓應力P見表10-6。,鉸制孔用螺栓受力特點：螺栓受載前后不需預緊，橫向載荷靠螺栓桿與螺栓孔壁之間的相互擠壓傳遞。擠壓強度條件：,剪切強度條件：,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,如下圖所示的氣缸蓋上的連接即屬此種類型。設缸內流體壓強為p，螺栓數為z，則缸體周圍每個螺栓平均承受的軸向工作載荷為,雖然，這種螺栓是在受預緊力F0的基礎上，又受工作拉力FE。但是，螺栓的總拉力FaF0FE。為什么？,受軸向工作載荷的螺栓強度,下面分析受預緊力F0和工作拉力FE。作用時，螺栓的受力與變形關系。,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,動畫,工作載荷FE和殘余預緊力FR一起作用在螺栓上，所以螺栓的總拉伸載荷為：Fa=FE+FR,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,單個緊螺栓連接受力變形圖,螺栓剛度：kbF0/b（受力與變形之比）被連接件剛度：kcF0/c0受工作載荷后，螺栓及被連接件均產生變形，且滿足變形協調條件：b=c=Fb=kb，Fc=kc而FE=Fb+Fc=kb+kc,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,螺栓總拉力:,工件殘余預緊力:,螺栓的相對剛度：與螺栓及被連接件的材料、尺寸和結構有關，見下表。,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,設計步驟:,(1)求單個連接的工作載荷FE(2)按工作要求定殘余預緊力FR,(3)求Fa：Fa=FRFE(4)根據螺栓強度計算d1，查表確定d,結構設計,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,注意：若軸向工作載荷FE在0FE間周期性變化，則螺栓所受總拉伸載荷應在F0Fa間變化。受變載荷螺栓的粗略計算可按總拉伸載荷Fa進行，其強度條件仍為式(10-12)，所不同的是許用應力應按表10-6和表10-7在變載荷項內查取。,10-6螺栓連接的強度計算（重點）,10-7螺栓的材料和許用應力,螺栓的常用材料為Q215、Q235、10、35和45鋼，重要和特殊用途的螺紋連接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等力學性能較高的合金鋼。這些材料的力學性能見表9-1。螺紋連接的許用應力及安全系數見表10-6和表10-7。螺紋連接件的性能等級如下表。,10-7螺栓的材料和許用應力,10-7螺栓的材料和許用應力,10-8提高螺栓連接強度的措施,螺栓的失效形式：受拉時為塑性變形、斷裂，受剪時為壓潰或剪斷。螺栓連接承受軸向變載荷時，其損壞形式多為螺栓桿部分的疲勞斷裂，通常都發(fā)生在應力集中較嚴重之處，即螺栓頭部、螺紋收尾部和螺母支承平面所在處的螺紋。螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度，提高螺栓強度有以下幾種措施：,一、降低螺栓總拉伸載荷Fa的變化范圍螺栓所受的軸向工作載荷FE在0FE間變化時，拉伸總拉伸載荷Fa的變化范圍為F0,螺栓剛度kb和被連接件剛度kc對Fa變化范圍的影響如圖所示。,10-8提高螺栓連接強度的措施,動畫,a.柔性螺栓,b.彈性元件,由此可見，受變載荷作用的螺栓，其應力也在一定的幅度內變動，減小螺栓剛度或增大被連接件剛度等皆可以使螺栓的應力變化幅度減小。1.減小螺栓剛度的方法,10-8提高螺栓連接強度的措施,2.增大被連接件剛度的方法,a.金屬墊片,b.密封環(huán),10-8提高螺栓連接強度的措施,二、改善螺紋牙間的載荷分配軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的，旋合圈數越多，載荷分布不均的程度也越顯著。所以，采用圈數多的厚螺母，并不能提高連接強度。（動畫）,導致旋合螺紋牙各圈受力不均的原因是螺桿受拉變長而螺母受壓變短。,10-8提高螺栓連接強度的措施,改善螺紋牙載荷分布的措施是采用均載螺母。,10-8提高螺栓連接強度的措施,三、減小應力集中,10-8提高螺栓連接強度的措施,四、避免附加彎曲應力,由于設計、制造或安裝上的疏忽，有可能使螺栓受到附加彎曲應力，這對螺栓疲勞強度助影響很大，應設法避免。利用凸臺、沉頭座或斜墊圈等結構，可避免附加彎曲應力。見書P151圖10-29,另外，在制造工藝上采取冷鐓頭部和輾壓螺紋的螺栓，其疲勞強度比車制螺栓約高30，氰化、氮化等表面硬化處理也能提高疲勞強度。,10-8提高螺栓連接強度的措施,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵和花鍵連接是最常用的軸轂連接方式，屬于可拆連接。鍵主要用來實現軸和軸上零件之間的周向固定以傳遞轉矩。有些類型的鍵還可實現軸上零件的軸向固定或軸向移動。一、鍵連接的類型鍵連接的類型有：,鍵都是標準件，其尺寸和鍵槽尺寸都有國家標準。,鍵連接1,1平鍵連接,平鍵的兩側面是工作面，上表面與輪轂上的鍵槽底面之間留有間隙?？挎I與鍵槽側面的相互擠壓來傳遞轉矩。特點：結構簡單，裝拆方便，對中性好。,用于靜連接，應用極為廣泛。,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接2,2半圓鍵連接,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接3,3楔鍵連接,楔鍵的上、下面為工作面，鍵的上表面及輪轂鍵槽底面均有1:100的斜度。工作時，鍵的上下面分別與輪轂和軸的鍵槽底面相互壓緊。,特點：結構簡單，裝拆方便，能承受單向的軸向力。但對中性很差。常用于低速、輕載和對中性要求不高的場合。,10-11鍵連接和花鍵連接,由兩個斜度為1:100的楔鍵組成。一個切向鍵只能傳遞一個方向的轉矩，傳遞雙向轉矩時，須用互成120130角的兩個鍵。特點：承載能力很大，但對中性差。常用于對中精度要求不高的重型機械中。,鍵連接4,4切向鍵,二、平鍵的選擇和強度校核,1鍵的尺寸選擇,導向平鍵的長度根據輪轂寬度及滑動距離確定。,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接,普通平鍵連接（靜連接）工作時的主要失效形式為組成連接的鍵、軸和輪轂中強度較弱材料表面的壓潰，極個別情況下也會出現鍵被剪斷的現象。通常只須按工作面上的擠壓強度進行計算。,鍵被剪斷,2平鍵連接的強度校核,10-11鍵連接和花鍵連接,鍵連接5,靜連接的擠壓強度條件為:,動連接的