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1、第10章 连 接 u内容 10 1 螺纹参数 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 重点 10 3 机械制造常用螺纹 10 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 10 5 螺纹连接的预紧和防松 重点 10 6 螺纹连接的强度计算 重点 10 7 螺纹的材料和许用应力 10 8 提高螺栓连接强度的措施 10 9 螺旋传动 10 10 滚动螺旋简介 10 11 键连接和花键连接 重点 10 12 销联结 常见的连接 由于使用 结构 制造 装配 运输 等方面的原因 机器中很多零件需要彼此连接 v连接的类型 螺纹连接 键连接 花键连接 销连接 弹性环连接等 焊接 铆接 粘接 连接 可拆连接 不可拆连接
2、 本章介绍的内容 第10章 连 接 1螺纹的形成 将一倾斜角为 的直线绕在圆住体上便形成一 条螺旋线 如用平面图形三角形K 沿螺旋线运动并使K平面始 终通过圆柱体轴线 就得到三角形螺纹 u同样取平面图形K的形状如右上角任一图形 可得到矩形 梯 形 锯齿形 管螺纹等 10 1 螺纹参数 动画 动画 10 1 螺纹参数 3螺纹分类 1 一般分法 外螺纹 内螺纹 圆柱螺纹 圆锥螺纹 左旋螺纹 右旋螺纹 2 按牙型的不同分为 三角螺纹 普通螺纹 效率低 易自锁 多用于连 接 矩形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 效率较高 主 要用于螺旋传动 3 管螺纹 主要用于管路的连接 4 根据螺旋线数目分 单线螺纹 n
3、 1 双线螺纹 n 2 用于连接 多线螺纹 n 2 用于传动 一 般不超过4 10 1 螺纹参数 10 1 螺纹参数 4螺纹的主要参数 1 大径d 是螺纹的公称直径 与外螺纹牙顶 或内螺纹牙底 相重合的假想圆柱体的直径 2 小径d1 常用于强度计算 与外螺纹牙底 或内螺纹牙顶 相 重合的假想圆柱体的直径 3 中径d2 常用于几何计算 一个假想圆柱体的直径 该圆 柱的母线上牙型沟槽和凸起宽 度相等 4 螺距P 相邻两螺纹牙在中 径线上对应点间的轴向距离 5 线数 n 螺纹的螺旋线数目 6 导程 S 沿螺纹上同一条螺旋线 转一周所移动的轴向距离 S nP 7 螺纹升角 中径d2圆柱上 螺 旋线的切
4、线与垂直于螺纹轴线的平 面的夹角 如上图 8 牙型角a 在轴向截面内 螺纹 牙型两侧边的夹角 9 牙侧角 在轴向截面内 螺纹 牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之 间的夹角 10 1 螺纹参数 1螺旋副的特点 1 螺旋副作为一种空间运动副 其接触面为螺旋面 2 螺纹在旋紧或松开过程中 螺纹之间相对移动 3 当螺杆和螺母之间受到轴向力Fa时 拧动螺杆或螺 母 螺旋面间将产生摩擦力 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 几个补充概念 1 机械效率 输入功与输出 功之比 2 自锁 当机构无论受多大的 驱动力时都无法运动的现象 3 总反力 运动副中法向反力 与摩擦力的合力 称为运动 副中的总反力 4 摩擦角
5、 总反力与法向反 力之间的夹角 其大小为 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 n n s n p v r FR F F Fa a y F Fa a d2 d d1 y 2矩形螺纹受力分析 牙侧角 0 u 基本假设 载荷分布在中线上 单面产生摩擦力 u 力学模型 内外螺纹旋合形成的螺旋副 旋紧或松开时 在 驱动力矩和轴向载荷作用下的相对运动 可简化为作用在中 径上的水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 n n s n p v r FR F F Fa a y u拧紧力矩为 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 1 拧紧螺母时相当于滑块沿斜面上升 n
6、拧紧力为 n n s n p v FR F F Fa a y F FR F Fa a 3 自锁条件 y r u防松力矩为 2 松开螺母时相当于滑块沿斜面等速下滑 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 u维持滑块等速运动所需的平衡力 防松力 为 F FR F Fa a n n s n p v FR F F Fa a y u式中f 为当量摩擦系数 即 u式中 arctanf 为当量摩擦角 为牙侧角 3非矩形螺纹受力分析 0 u如下图所示 非矩形螺纹的 法向力比矩形螺纹的大 u若把法向力的增加看作摩擦 系数的增加 则非矩形螺纹 的摩擦阻力可写为 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 1 拧紧螺母
7、 u当滑块沿非矩形螺纹等速上升时 可得水平推力 F Fatg u相应的拧紧力矩 2 松开螺母 u当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时 可得 F Fatg 相应的防松力矩为 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 n若螺纹升角 小于当量摩擦角 则螺旋具有自 锁特性 如不施加驱动力矩 无论轴向驱动力 Fa多大 都不能使螺旋副相对运动 n考虑到极限情况 非矩形螺纹的自锁条件可表 示为 n为了防止螺母在轴向力作用下自动松开 用于 连接的紧固螺纹必须满足自锁条件 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 4螺旋副的效率 n螺旋副的效率是有效功与输入功之比 若按螺旋转动一圈 计算 输入功为2 T 此时升举滑块所作的
8、有效功为FaS 故螺旋副的效率为 n由上式可知 当量摩擦角 一定 时 效率只是螺纹升角 的函数 效率曲线如图10 6所示 令 d d 0 可得当 45 2时 效率最高 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 10 2 螺旋副的受力分析 效率和自锁 滑块沿斜面匀速上升 旋紧 滑块沿斜面匀速下滑 松开 水平推力 驱动力矩 效率 自锁条件 10 3 机械制造常用螺纹 动画 10 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 n除上述基本类型以外 还有其它特殊连接 如地脚螺 栓 吊环螺钉等 螺纹连接的基本类型 螺栓连接 双头螺栓连接 螺钉连接 紧定螺钉连接 普通螺栓连接 铰制孔螺栓连接 1螺栓连接的基本类型 1
9、0 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 1 普通螺栓连接 n特点 孔与杆间有 间隙 被连接件上 无需切制螺纹 装 拆方便 n适用场合 经常装 拆的一般场合 10 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 2 螺钉连接 n特点 孔与杆间有 间隙 被连接件上 需切制螺纹 装拆 方便 n适用场合 被连接 件之一较厚 且不 常装拆的场合 10 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 3 双头螺栓连接 n特点 孔与杆间有 间隙 被连接件上 需切制螺纹 装拆 方便 n适用场合 用于被 连接件之一较厚 经常装拆的场合 10 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 4 紧定螺钉连 接 n适用场合 多 用于轴上零件 的固定
10、传递 较小的力 n其他连接 u地脚螺栓连接 吊环螺栓连接 T形槽螺栓连接 10 4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 2螺纹紧固件 u螺纹紧固件的种类繁多 有适应面广 用 量大的通用螺纹紧固件 还有适应某种需 要 具有特殊结构的专用螺纹紧固件 u通用螺纹紧固件已标准化 常用的有螺栓 双头螺柱 螺钉 紧定螺钉 螺母和垫 圈等 这类零件的结构型式和尺寸都已标 准化 设计时可根据有关标准选用 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 动画 10 5 螺纹连接的预紧和防松 1基本概念 1 预紧 螺纹连接在装配时通常都要拧紧 这种拧紧称之为 预紧 2 紧螺栓连接
11、装配时预紧的螺栓连接 3 松螺栓连接 不预紧的螺栓连接 4 预紧的目的 增加连接的刚度 紧密性 以防止螺纹连接 的松脱 拧紧螺母时要克服螺纹副的阻力矩和螺母支承面 间的摩擦力矩 n对于紧螺栓连接 在装配时都要预紧 预紧的目的在于增强 连接的可靠性和紧密性 以防止受载后被连接件间出现缝隙或 发生相对滑移 n预紧后 螺栓受到的预紧力是通过拧紧力矩获得的 因为预紧 力的大小对螺纹连接的可靠性 强度和密封性均有很大的影响 因此对于重要的螺纹连接 应控制其预紧力 2拧紧力矩 1 拧紧力矩T 是用以克服螺纹副相 对转动的阻力矩T1和螺母支承面上 的摩擦阻力矩T2 它与预紧力F0间 的关系为 u式中 rf为
12、支承面摩擦半径 rf dw d0 4 其中dw为螺母支承 面的外径 d0为螺栓孔直径 如图所示 图10 15 支承面摩擦阻力矩 10 5 螺纹连接的预紧和防松 u对于M10 M68的粗牙螺纹 2 预紧F0值的确定 是由螺纹连接的要求来决定的 3 为了充分发挥紧固件的工作能力 保证预紧的可靠 拧紧后螺纹紧固件的预紧应力一般可达到材料屈服极 限 S的50 70 但不得超过 S的80 对于一般 连接用钢螺栓 预紧力可参考下式确定 10 5 螺纹连接的预紧和防松 螺纹大径 螺纹危险 截面面积 n对于受轴向工作载荷的重要连接和有特殊要求的 螺栓 预紧力应根据其使用实践确定 并在装配 图标注出其预紧力和拧
13、紧力矩 以便安装时控制 3 预紧力QP的控制 u测力矩板手 测出预紧力矩 u定力矩板手 达到固定的拧紧力矩T时 弹 簧受压将自动打滑 u测量预紧前后螺栓伸长量 精度较高 10 5 螺纹连接的预紧和防松 3螺纹连接的防松 1 防松目的 原因 u连接用的三角形螺纹都具有自锁性 在静载荷和工 作温度变化不大时不会自动松脱 u但是 在冲击 振动和变载的作用下 预紧力可能 在某一瞬间消失 连接仍有可能松脱 在高温或 温度变化较大时 由于温度变形差异等原因 也可 能导致连接的松脱 u螺栓连接一旦松脱 轻者会影响机器的正常运转 重者会造成重大事故 因此 为了保证连接可靠 必须采取有效的防松措施 10 5 螺
14、纹连接的预紧和防松 2 防松原理 防松的实质 根本问题 u防止螺纹副的相对转动 3 防松方法 u螺纹连接防松的方法按工作原理可分为 摩擦防松 详细介绍 弹簧垫圈 对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母 开口销和槽形螺母 圆螺母用带翅垫片 止动垫片 机械防松 其它 u破坏螺纹副关系 铆冲 粘接 焊接 排除了螺母相 对螺栓转动的可能 串联金属丝 自锁螺母 10 5 螺纹连接的预紧和防松 n受拉螺栓的失效形式 螺 栓杆的塑性变形或断裂 其破坏部位及其出现的百 分比见右图 n受剪螺栓的失效形式 螺 栓杆和孔壁间压溃或螺栓 杆被剪断 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 普通螺栓连接 受拉螺栓 铰制孔螺栓连接 受剪螺栓
15、 轴向拉力 剪切力 u螺栓连接 松螺栓连接 紧螺栓连接 1螺栓的受力 2螺栓的失效形式 3螺栓连接的设计方法 1 根据约束强度条件确定螺栓 或螺钉 双头螺柱 的大径 根据螺栓连接的受力情况 通过分析 确定其所属类 型 然后计算出受力最大螺栓的拉力或剪力 即可按 强度条件计算出螺栓的小径d1 或螺栓杆直径d0 由所 计算出的d1或d0 根据标准即可查出相应的螺栓大径d 2 由螺栓大径d 根据标准 查出全部螺纹连接件的尺寸 和相应的代号 3 完成设计 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 4松螺栓连接 n当承受轴向工作载 荷Fa N 时 其强度 条件为 设计公式 计算出d1后 再按标准查选螺纹的公称
16、直径 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 Fa Fa 分析 5紧螺栓连接 工件 受压 Fa 当拧紧时 螺栓 受拉 Fa 拉力Fa 扭矩T1 复合应力 拉应力 e 当量应力 扭剪应力 第四强度理论 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 n对于M10 M68的普通螺纹 取d1 d2和 的平均值 并 取tg f 0 15 得 0 5 则当量应力 e为 n故螺栓螺纹部分的强度条件为 考虑扭剪应力 设计公式 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 1 受横向工作载荷F的螺栓强度 根据d1 按标准查选螺纹的公称直径 受 横 向 工 作 载 荷 F 的 螺 栓 强 度 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 u 可靠性系数 C 1 1 1 3 um为接合面数目 n从上式可以计算 当摩擦系数f 0 15 可靠性 系数C 1 2 结合面数目m 1时 F0 8F 即预 紧力应为横向工作载荷的8倍 所以螺栓连接靠 摩擦力来承担横向载荷时 其尺寸是较大的 n为了避免上述缺点 可用键 套筒或销承担横 向工作载荷 而螺栓仅起连接作用 如下图 重点 10 6 螺栓连接的强度计算 重点 n也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔
