机械设计基础10.

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1、10.1 螺纹联接 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 10.4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件 10.5 螺纹联接的预紧和防松 10.6 螺纹联接的强度计算 10.7 螺栓的材料和许用应力 10.8 提高螺栓联接强度的措施 10.11 键联接和花键联接 10.12 销联接,第10章 联 接,联接的分类 ：,动联接 静联接,10.1 螺纹联接,一、螺纹的形成 将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。取一平面图形，使它沿着螺旋线运动，同时保证平面图形运动时始终通过圆柱体的轴线，就得到螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,B,A,C,10.1 螺纹联接,螺

2、旋线 - 一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。,螺 纹 - 一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,螺纹,10.1 螺纹联接,二、螺纹的分类,10.1 螺纹联接,按螺纹的牙型分：,螺纹的分类,按螺纹的旋向分：,按螺旋线根数分：,按回转体的内外表面分：,按螺旋的作用分：,按母体的形状分：,矩形螺纹、三角形螺纹 梯形螺纹、锯齿形螺纹,右旋螺纹、左旋螺纹,单线螺纹、多线螺纹,外螺纹 内螺纹,联接螺纹、传动螺纹,圆柱螺纹、圆锥螺纹,螺纹的牙型,10.1 螺纹联接,左旋螺纹和右旋螺纹,左旋,右旋,10.1 螺纹联接,双线螺纹,单线螺纹

3、,S = 2P,S =P,一般: n 4,n线螺纹: S = n P,单线螺纹、多线螺纹,10.1 螺纹联接,单线螺纹和多线螺纹,螺纹副,10.1 螺纹联接,联接螺纹,传动螺纹,10.1 螺纹联接,圆柱螺纹,圆锥螺纹,管螺纹,10.1 螺纹联接,三、主要参数(以圆柱螺纹为例),10.1 螺纹联接,d - 螺纹大径 d1 - 螺纹小径 d2 - 螺纹中径 P - 螺距 n- 线数 S - 导程（S=nP） ( )- 螺纹升角 ， - 牙型角，牙侧角,一、矩形螺纹,1. 受力分析,10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,展开中径d2 圆柱面得一斜面.,F -水平推力,Fn -法向反力,Fa -轴向

4、载荷,F=f Fn -摩擦力,f -摩擦系数, -摩擦角,FR -总反力,FR,滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态,d2,作力多边形,得： F=Fatan(+ ),驱动力矩：,列出力平衡方程：,FRFa = +,FR =(1 + f ) Fn,Fa -为阻力，F为驱动力，摩擦力F沿斜面朝下。,当螺纹拧紧(滑块上升)时：,Fa -为驱动力，F成为阻力， 摩擦力F沿斜面朝上。,当螺纹拧松(滑块下滑)时：,FRFa = -,滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态,作力多边形可得：,F=Fatg(- ),驱动力矩：,列出力平衡方程：,若 ，则T为正值，其方向与螺 母运动方向相反，是阻力

5、；,若 ，则T为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。,提问：当时，若没有力矩T，螺母在Fa的作用下会运动吗？,不会！,-这种现象称为自锁。,10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,二、 非矩形螺纹 0,矩形螺纹忽略升角的影响时有：,Fn=Fa,当 0 时，摩擦力为：,摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为f ，的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。,称 为当量摩擦角,故称 f 为当量摩擦系数。,引入参数f 和 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。,滑块上升：,滑块下降：,非矩形螺旋的自锁条件：, 对于联接螺纹必须满足自

6、锁条件,10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：,当一定时，效率只是螺纹升角的函数，由此可以绘出效率曲线.,当一定时，效率曲线 有极大值在=45-/2 处。,对于传动螺旋，一般取：,对于联接螺纹，必须取：,升角过大, 制造困难，且效率增高也不明显。,= 5.7, ,螺旋转动一圈时，有效功为FaS, 输入功为2T。,f =tan =0.1,25,10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,普通螺纹,常用螺纹的特点及应用,管螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,10.3 机械制造常用螺纹,1. 螺栓连接,一、螺纹连接的基本类型,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧

7、固件,2. 螺钉联接,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,3. 双头螺柱联接,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,4. 紧定螺钉联接,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,二、螺纹紧固件,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,螺纹紧固件,垫圈,螺栓的结构形式,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,双头螺柱的结构形式,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺钉的结构形式,螺母的结构形式,10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件,垫圈的结构形式,一、螺纹连接的预紧,螺纹连

8、接的拧紧力矩T由两部分组成： 1)克服螺纹副相对转动的阻力矩T1; 2)螺母支承面上的摩擦阻力矩T2。,常用粗牙螺纹,10.5 螺纹连接的预紧和防松,10.5 螺纹连接的预紧和防松,测力矩扳手或定力矩扳手 控制拧紧圈数或螺母转角 测量预紧前后螺栓的伸长量或测量应变 借助液力拉伸螺栓或将螺栓加热使其伸长要求变形量。,T可由测力矩扳手测定!,二、螺栓连接的防松,原因：在冲击、振动或变载的情况下连接产生松脱。,本质：螺纹连接防松的根本问题在于要防止螺旋副 的相对运动。,常用的防松方法:,摩擦防松,机械防松,永久防松,弹簧垫圈,对顶螺母,尼龙圈锁紧螺母,开口销,带翅垫片,止动垫片,10.5 螺纹连接的

9、预紧和防松,螺栓的失效形式： 1) 螺栓杆拉断； 2) 螺纹的压溃和剪断； 3) 磨损滑扣。,10.6 螺纹连接的强度计算,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。,螺栓联接的计算: 1) 主要是确定螺纹小径d1; 2) 然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,一、松螺栓连接,强度条件：,设计公式：,10.6 螺纹连接的强度计算,二、紧螺栓连接,螺栓所受应力由两部分组成： 1）螺杆承受轴向拉力Fa引起的拉应力； 2）螺纹力矩T1引起的扭切应力。,直径为1068mm的普通螺纹,当量应力：,10.6 螺纹连接的强度计算,螺栓

10、螺纹部分的强度条件,螺杆的设计公式,10.6 螺纹连接的强度计算,1. 受横向工作载荷的螺栓强度,10.6 螺纹连接的强度计算,10.6 螺纹连接的强度计算,改进措施： 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用,2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。,2. 受轴向工作载荷的螺栓强度,10.6 螺纹连接的强度计算,arctankc,10.6 螺纹连接的强度计算,一般连接，工作载荷稳定： FR = (0.20.6) FE 一般连接，工作载荷不稳定： FR = (0.61.0) FE 有紧密性要求的连接： FR = (1.51.8) FE,10.6 螺纹连接的强度计算,紧螺栓联接不离缝条件：

11、 残余预紧力FR大于零。,一、螺栓的材料,一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢， 如 Q215、Q235、15、35、45 等。,受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢， 如 15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB 等。,10.7 螺栓的材料和许用应力,公差等级：A、B、C，其中A级最高。,力学性能：10个等级， 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 小数点前，代表强度极限的1/100; 小数点后，代表屈服极限与强度极限比值 的10倍。,二、螺纹联接的许用应力,10.7 螺栓的材料和许用应力,约15%,约20%,约65%,10.8

12、提高螺栓连接强度的措施,承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：,疲劳断裂,容易断裂部位：,一、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围,减小螺栓刚度的方法,a. 柔性螺栓,b. 弹性元件,10.8 提高螺栓连接强度的措施,增大被联接件刚度的方法,a. 金属垫片,b. 密封环,10.8 提高螺栓连接强度的措施,二、改善螺纹牙间的载荷分配,内斜螺母,环槽螺母,悬置螺母,螺纹牙间载荷分配关系,10.8 提高螺栓连接强度的措施,三、减小应力集中,10.8 提高螺栓连接强度的措施,四、避免或减小附加应力,10.8 提高螺栓连接强度的措施,五、采用特殊制造工艺,冷镦头部、辗压螺纹,表面处理： 氰化、氮化也能提高疲劳强度。

13、,10.8 提高螺栓连接强度的措施,10.11 键联接和花键联接,作用：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。,类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。,1. 平键联接,特点：定心好、 装拆方便。,种类：,普通平键,导向平键,一、键联接的类型,10.11 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,普通平键应用最广。,10.11 键联接和花键联接,导向平键,零件可以在轴上移动，构成动联接。,结构特点：长度较长，需用螺钉固定。,为便于装拆，制有起键螺孔

14、。,平键的尺寸,10.11 键联接和花键联接,10.11 键联接和花键联接,2. 半圆键联接,优点：定心好，装配方便。,缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。,特别适用于锥形轴端的联接。,10.11 键联接和花键联接,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。,3. 楔键联接和切向键联接,10.11 键联接和花键联接,类型：普通楔键、钩头楔键。 钩头是用来拆卸用的,10.11 键联接和花键联接,在重型机械中常采用切向键-一对楔键组成。,装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产

15、生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成120130 。,键被剪断,二、平键连接的强度校核,10.11 键联接和花键联接,键的材料：B 370 Mpa的碳素钢，常用45钢。,键的选取：截面尺寸b、h查表选取； 长度L参照轮毂长度从标准中选取。,主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。,一般不会出现,磨损强度条件：,10.11 键联接和花键联接,挤压强度条件：,导向平键，计算依据是磨损，应限制压强,若强度不够时，可采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。,三、花键连接,结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。,10.11 键联接和花键联接,优 点：承载能力高、对轴的削弱程度小、定心 好、导向性好。,制造容易最常用,用于高强度联接,用于薄壁零件联接,作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。,类型：,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,不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。,带槽圆柱销,装配前、后,10.12 销联接,测力矩扳手,弹簧垫圈,对顶螺母,尼龙圈锁紧螺母,开口销,带翅垫片,止动垫片,冲点法,粘合法,焊点法