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1、第9章 联 接,9-1 总 论 9-2 螺纹联接 9-3 键 联 接,基本要求: 了解螺纹联接的基本知识:类型、特性、标准、结构、应用场合及防松方法等 掌握螺栓联接强度计算方法 了解键联接的主要类型及应用特点 掌握平键联接强度校核计算方法,机械设计基础联接,9-1 总 论,静联接,动联接运动副,机械设计基础联接,与动力 源组合,零件,构件,机构,机器,静联接,动联接,(运动副),可拆联接:螺纹联接、键联接、销联接等,不可拆联接:铆接、焊接、胶接等,联接,9-2 螺纹联接,一、螺纹的主要参数 二、螺旋副力学特性 三、螺纹常用类型 四、螺纹联接件主要类型 五、螺纹联接防松装置 六、螺栓联接的计算
2、七、螺栓材料和许用应力,机械设计基础联接,一、螺纹的主要参数,1 螺纹形成 螺旋线形成:倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线 螺纹形成:平面图形沿螺旋线形成 三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹 螺旋线的数目(线数):单线、多线,机械设计基础联接,旋向(螺旋线方向):常用右旋,特殊要求时用左旋 问题:旋向判断 ? 粗牙螺纹 一般联接 细牙螺纹 d1大、强度大、自锁性好,常用于变载,联接,传动,螺纹旋向判断,旋向(螺旋线方向):常用右旋,特殊要求时用左旋 旋向判断: (1)轴线垂直放,右边高右旋 左边高左旋,机械设计基础联接,(2)右手旋,前进右旋 左手旋,前进左旋,2 主要参数,大径d、D:最大直径
3、公称直径 小径d1:外螺纹的危险剖面直径 强度直径 中径d2、D2:假想直径,牙型沟槽宽与牙的宽度相等 计算直径 螺距P:相邻两牙轴向距离 导程S:同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离,S = nP,机械设计基础联接,升角y :螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角 牙型角a :螺纹两侧边的夹角,d1,D, d,二、螺旋副力学特性,螺旋副作为一种空间运动副,其接触面为螺旋面 螺纹在旋紧或松开过程中,螺纹之间相对移动 当螺杆和螺母之间受到轴向力Q时,拧动螺杆或螺母,螺旋面间将产生摩擦力 1 斜面摩擦 2 槽面摩擦 3 矩形螺纹 4 三角形螺纹 5 螺纹联接的拧紧力矩,机械设计基础联接,1 斜面摩擦,分析
4、使滑块等速运动所需要的水平力 等速上升: 平衡条件: 驱动力: 等速下滑: 平衡条件: 维持力:,自锁条件: 当y r时,F 0,原工作阻力F反向作用,作为驱动力时,滑块才能移动 结论:当 y r 时,滑块自锁,机械设计基础联接,2 槽面摩擦,力分析: 摩擦力:,当量摩擦角:,思考: 与平面摩擦比较? 结论:槽面的摩擦力大于平面的摩擦力,机械设计基础联接,3 矩形螺纹,螺旋副(螺母与螺杆)的相对运动 滑块沿斜面运动 假设:1)载荷分布在中线上; 2)单面产生摩擦力,螺旋升角,拧紧力,拧紧力矩,防松力,防松力矩,自锁条件,y r,效率,机械设计基础联接,4 三角形螺纹,反力 摩擦力 当量摩擦角,
5、Q,机械设计基础联接,拧紧力 拧紧力矩,防松力 防松力矩,三角形螺纹(续),效 率 自锁条件,Q,y rv,思考: 1. 矩形螺纹和三角螺纹哪一种效率高,宜用于传动? 2. 矩形螺纹和三角螺纹哪一种易自锁,宜用于联接?,机械设计基础联接,5 螺纹联接的拧紧力矩,目的:防止松动提高可靠性、强度、紧密性 螺母拧紧时预紧力Fs,拧紧阻力矩 T 的大小: ? 螺旋副间的摩擦力矩 T1 : 螺母与支承面间摩擦力矩 T2 :,机械设计基础联接,螺栓,预紧拉力F0,被联接件,预紧压力F0,施加在扳手上的力FT,T1,T2,控制拧紧力矩的扳手,定力矩扳手,测力矩扳手,机械设计基础联接,控制拧紧力臂,选择扳手长
6、度,机械设计基础联接,三、螺纹常用类型,1. 三角形螺纹 (M) 普通螺纹:60,f 大,易自锁 粗牙:牙高, d1小, 大 细牙:牙浅, d1大, 小, 更易自锁 管螺纹:55,紧密 , 无径向间隙 2. 梯形螺纹 (Tr):30、15 3. 锯齿形螺纹(S):33、工3 4. 矩形螺纹 :,联接螺纹:普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制) (小,单线,自锁好) 传动螺纹:矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹(小、大,多线,效率高),机械设计基础联接,四、螺纹联接件主要类型,1 标准螺纹联接件 螺栓 普通螺栓 铰制孔螺栓 双头螺栓 螺钉 联接螺钉 紧定螺钉、自攻螺钉 螺母:六角螺母、圆螺母 垫圈:平垫
7、圈、斜垫圈,螺纹联接件通过组合形成螺纹联接,机械设计基础联接,2 螺纹联接的基本类型,螺栓联接 普通螺栓联接 铰制孔螺栓联接 双头螺栓联接 螺钉联接 螺钉联接 紧定螺钉、自攻螺钉联接 其它联接:地脚螺栓、吊环螺钉,螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择,机械设计基础联接,螺栓联接,普通螺栓联接 特点:孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便 适用场合:经常装拆的一般场合,铰制孔螺栓联接 特点:孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便 适用场合:承受横向载荷的场合,机械设计基础联接,双头螺栓、螺钉联接,双头螺栓联接 特点:孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装
8、拆方便 适用场合:用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合,螺钉联接 特点:孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便 适用场合:被联接件之一较厚,且不常装拆的场合,机械设计基础联接,紧定螺钉联接,适用场合: 多用于轴上零件的固定,传递较小的力,锥端螺钉联接 平端螺钉联接 圆柱端螺钉联接,机械设计基础联接,其他联接,地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、 T形槽螺栓联接,机械设计基础联接,五、螺纹联接防松装置,问题: 为什么要防松?防松的原理?防松零件的装配方法? 静载荷:rv(自锁) + 预紧后摩擦力防止松动 动载荷:摩擦力减小、消失不可靠,螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动 螺纹联接防松的
9、方法按工作原理可分为: 1 摩擦防松 2 机械防松 3 其它:破坏螺纹副关系(铆冲、粘接、焊接),机械设计基础联接,1 摩擦防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力,始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,弹簧垫圈防松、自锁螺母防松、对顶螺母(双螺母)防松,机械设计基础联接,对顶螺母防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力,始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,对顶螺母防松,机械设计基础联接,2 机械防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体,消除了它们之间相对转动的可能性,开口销、止动垫圈、串联钢丝防松,机械设计基础联接,螺栓,开槽螺母,开口销,装配图,止动垫圈防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体,消除了它们之
10、间相对转动的可能性,机械设计基础联接,串联钢丝防松,机械设计基础联接,用机械装置把螺母和螺栓联成一体,消除了它们之间相对转动的可能性,3 其它:破坏螺纹副关系,焊接,铆冲,机械设计基础联接,六、螺栓联接的计算,松螺栓联接:无预紧力,只有工作拉力 紧螺栓联接:有预紧力,还有工作拉力,1 失效形式 2 设计步骤 3 松螺栓联接强度设计 4 紧螺栓联接强度设计 仅受预紧力的紧螺栓联接 受横向载荷的紧螺栓联接 受轴向载荷的紧螺栓联接 受偏心载荷的紧螺栓联接,机械设计基础联接,螺栓组联接,1 失效形式,失效形式: 1. 螺栓杆拉断(普通螺栓) 2. 螺纹压溃和剪断(受剪螺栓) 3. 经常装拆因磨损而发生
11、滑扣,普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂 受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切,机械设计基础联接,2 设计步骤,一般设计步骤: 螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓 单个螺栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸(直径、长度),试算法:先选定一个螺栓直径d 查计算d1。 若d1与d1(假定的小径)相近,则合用;否则再选,机械设计基础联接,3 松螺栓联接强度设计,受载荷形式轴向拉伸(工作拉力F) 失效形式螺栓拉断 (静、疲劳) 设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件: ss 设计计算方法: 校核式 :,设计式:,机械设计基础联接,4 紧螺栓联接强度设计,(1) 仅受预紧力的紧螺栓联接 受
12、载荷形式拧紧后:轴向拉伸(工作拉力Fs) 拧紧过程中:轴向拉伸Fs 、扭力T 失效形式螺栓拉断 (拉、扭综合作用) 设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件: ss 设计计算方法:,校核式 :,机械设计基础联接,拧紧力矩T剪应力,预紧拉力FS拉应力,设计式:,(2) 受横向载荷的紧螺栓联接,受载荷形式工作载荷作用之前,螺栓已受预紧力 FS作用 (拧紧过程中:轴向拉伸FS 、扭力T) 拧紧后: 预紧力 Fs 失效形式 相同否?,两种情况的工作原理不同!,机械设计基础联接,普通螺栓,铰制孔螺栓,受横向载荷的普通螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸Fs 、扭力T 失效形式螺栓拉断 (拉、扭综合作用)
13、设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件: ss 设计计算方法:,问题:预紧力Fs应满足的条件?与横向载荷F有何关系? 依据:被联接件不滑移界面摩擦力F 即:,机械设计基础联接,校核式 :,设计式:,讨论:f=0.2时,FS=?F,受横向载荷的铰制孔螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸Fs 、扭力T(预紧力小,计算时可忽略) 工作时:横向载荷F 失效形式侧面压溃及螺栓剪切 设计准则保证挤压、剪切强度 强度条件: spsp、t t 设计计算方法:,挤压强度: 剪切强度:,机械设计基础联接,讨论:,普通螺栓受横向载荷F时,为保证结合面不发生滑移,靠结合面的摩擦力抵抗F 预紧力Fs的大小,根据接合面不
14、发生滑移的条件确定,f=0.2时,FS=6F 结论: 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 必须采用普通螺栓时,应配合减载销、键或减载套筒使用 减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算,机械设计基础联接,(3) 受轴向载荷的紧螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中: 轴向拉伸Fs 、扭力T 工作时,再承受工作载荷F 此时,螺栓所受的总拉力: F0 = FS+F ?,机械设计基础联接,须根据静力平衡方程和变形协调条件求解,受力和变形关系,变形协调条件: l1= lb = l,机械设计基础联接,F0F+FS F0=F+FS,预紧FS,受载F,螺栓,被联接件,拉力FS,伸长l1,压力FS,压缩l
15、b,拉力F0, 伸长l1+ l1,压力FS, 压缩lb -lb,未预紧,未受力、无变形,未受力、无变形,受力变形线图,应变与力关系:,机械设计基础联接,FS:残余预紧力 防止受载后接合面产生缝隙 根据紧密性要求选取,见p203,受轴向载荷螺栓强度计算,螺栓受到的总拉力F0= F+ FS 则螺栓强度计算公式:,机械设计基础联接,校核式 :,设计式:,(4) 受偏心载荷的紧螺栓联接,螺栓受到的总拉力除工作时总拉力外,还附加偏心弯矩作用,螺栓总拉应力大很多 避免受偏心载荷 方法:避免使用钩头螺栓;加工凸台或凹台使支撑面平整,机械设计基础联接,七、螺栓材料和许用应力,材料: 一般用途:低碳钢或中碳钢
16、(3545及Q235Q275) 重要联接:合金钢( 40Cr、30CrMnTi ) 国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级: 3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9 规则:小数点前数字表示sB/100, 小数点后数字表示10sS/sB 如:5.8级:表示sB=500MPa ,sS=400MPa 许用应力:表9-5,机械设计基础联接,计算螺栓小径时采用试算法来选用,9-3 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,一、键联接的分类及结构,目的: 键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩(静联接),或实现轴上零件