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1、被联接件的相互位置固定，工作时不能变化,如：蜗轮的齿圈与轮心,连接：joint,可拆连接,被联接件的相互位置工作时可按需要变化,如：变速箱中滑移齿轮与轴,不可拆连接,第10章 连接设计,分类：,10 连接设计,本章重点讨论可拆连接中的螺纹连接,结构简单，装拆方便，适用范围广,螺纹连接,键连接,销连接,周向固定或轴向滑移,定位或周向固定,10 连接设计,螺纹：thread,10-1 螺纹连接,10-1 螺纹连接,螺纹的形成原理和类型,牙型,三角形,矩 形,锯齿形,梯 形,普通螺纹,管 螺 纹,管路连接,一般连接,传递运动或传力,(效率高),牙顶较大圆角，旋合后无径向间隙，英制细牙螺纹,粗牙螺纹,
2、细牙螺纹,薄壁零件或微调装置,10-1 螺纹连接,螺纹的主要参数：,d (D)： 螺纹大径，公称直径,d1( D1)：螺纹小径,d2 ( D2)：螺纹中径,n：螺旋线数目,p：螺距,S：导程，S = np,：螺纹升角( 中径d2 圆周上),h：螺牙工作高度，接触面的径向高度,a：牙型角,连接螺纹 n =1, 危险截面计算直径,b：牙侧角,10-1 螺纹连接,螺纹旋向： 常用右旋，特殊要求时用左旋,粗牙螺纹,四种螺纹的牙侧角：,：同一d 下螺距 p 最大的螺纹,同一d 下螺距 p 小的螺纹,粗牙、细牙螺纹标记示例：,M12,细牙螺纹：,M121.5、 M121.25, 粗牙,细牙(要标出螺距),
3、，用于一般连接,，d1大、强度高、自锁性好,用于薄壁或微调机械中,10-1 螺纹连接,1、矩形螺纹 ( a =b = 0),分析两个工程实例：,用千斤顶提升重物时，如何计算手柄上的水平推力FT？,螺纹连接拧紧螺母,用千斤顶提升重物,拧紧螺母时，若忽略螺母与支撑面间的摩擦力矩，如何计算扳手的拧紧力矩T？,螺旋副,物理模型建立过程：,螺旋副的相对运动可近似看作,作用在中径的水平推力F 推动重物沿螺纹表面的匀速运动,在水平推力F 作用下，重物沿斜面的匀速运动,如果求出假想的水平驱动力F，则螺旋副间的力矩T 为：,10-1 螺纹连接,摩擦角：, = arctan f,f 为摩擦系数,F = Fatan
4、( +）,水平驱动力：,驱动力矩：,即为摩擦副间的阻力矩,当升角较大，重物要匀速下滑时：,重物要匀速上升时：,F = Fatan( -）,水平驱动力：,驱动力矩：,10-1 螺纹连接,重物下滑过程分析：,F = Fa tan(-）,当 时,滑块在重力作用下会加速下滑,要使其匀速下滑，还要施加少量的水平力F（F 0）,此时F 由驱动力变为阻力，而Fa由阻力变为驱动力,由于摩擦力过大，重物不能自行下滑，而在斜面上保持静止,要使其下滑需施加反向力， F 0，此时F 变为驱动力,此种现象称为“自锁”，自锁条件是： ,当 时,10-1 螺纹连接,输入功：,W1 = 2p T,W2 = Fa S,输出功：
5、,升角越大，效率越高,但一般不超过25为宜,效率：,重物上升时：,=,= Fa pd2tan,效 率：,如何提高螺旋副间的效率？,重物下降时：,10-1 螺纹连接,2、非矩形螺纹 ( b 0),先忽略螺纹升角,当量摩擦角：,法向力增加为：,摩擦力增加为：,引入当量摩擦系数,v = arctan fv,把力的增加看作是摩擦系数的增加,10-1 螺纹连接,把非矩形螺纹受力问题转化为矩形螺纹受力问题求解,用 fv f，用 rv r,则非矩形螺纹副受力、效率及自锁可表述为：,F = Fatan( rv ）, rv,提升重物时，作用在手柄上的驱动力矩为：,拧紧螺母时，扳手的拧紧力矩T又为多少？,10-1
6、 螺纹连接,螺旋千斤顶,不同场合螺旋副，自锁和效率要求不同,连接螺纹，必须具有自锁性,对于某些传力螺旋，要求自锁,对于传递运动的螺旋副，要求效率高，不需自锁,如：车床丝杠与刀架螺旋副,10-1 螺纹连接,为什么连接用三角形螺纹，传动用非三角形螺纹？,例题1：,螺纹副自锁条件：,三角形螺纹的rv最大，自锁性最好，故在连接采用！,非三角形螺纹的rv均小于三角形螺纹，效率更高，更适合于传动!, rv,螺纹副效率：,10-1 螺纹连接,10-2 螺纹连接设计,被连接件不厚且有装配空间时用,螺栓连接,10-2 螺纹连接设计,普通孔螺栓连接,铰制孔螺栓连接,孔与螺栓杆间有空隙，加工精度低，简单方便,孔与螺
7、栓杆间基孔制配合，加工精度高,用在被连接件之一较厚，且经常装拆场合,双头螺柱连接,用在被连接件之一较厚，且不常装拆场合,螺钉连接,紧定螺钉连接,常用于固定轴上零件,10-2 螺纹连接设计,1、螺纹连接的预紧,预紧目的：,增强连接可靠性，使接合面具有足够的紧密性或承受横向工作载荷,如何控制F？,一般连接无需控制，拧紧程度由经验决定,重要连接，需控制拧紧力矩T 的大小,T = T1+T2,T1 螺纹副阻力矩,T2 螺母支承面摩擦阻力矩,对于M10M68的普通粗牙螺纹，取： fv= tanv0.15 fc 0.15,如：,风扳机,10-2 螺纹连接设计,2、螺纹连接的防松,冲头法、粘合法,摩擦防松,
8、机械防松,其它防松,弹簧垫圈,对顶螺母,锁紧螺母,开口销与槽形螺母,止动垫圈,串联金属丝,10-2 螺纹连接设计, 接合面形状应,常为正方形、矩形、圆形、三角形等,简单、轴对称,工程实际中，螺纹连接通常被成组使用,应合理确定接合面形状、螺栓数目、布置形式等, 布置在同一分布圆上的螺栓应取偶数，便于钻孔时分度画线,10-2 螺纹连接设计, 合理确定螺栓的间距和边距，保证足够的扳手空间, 合理布置螺栓，使其受载减小,受旋转或翻转力矩作用时，尽量将螺栓远离接合面对称轴布置,严格密封：t 2.5d ；一般： t (58)d ；无要求： t 10d,扳手空间尺寸查手册,10-2 螺纹连接设计, 同一螺栓
9、组，螺栓材料、尺寸应相同，以便减少零件规格、品种, 支承面应光洁、平整，并与轴线垂直，避免螺栓受附加弯矩作用,斜垫圈,10-2 螺纹连接设计,普通孔螺栓连接：,铰制孔螺栓连接：,螺栓杆在制有螺纹的部分被拉断,工作时螺栓主要承受轴向拉力,工作面被压溃或剪断,工作时主要承受横向载荷,以螺栓连接为例说明,双头螺柱连接、螺钉连接与螺栓连接类似,受拉螺栓连接,受剪螺栓连接,10-2 螺纹连接设计,螺栓连接的受载情况：,普通孔螺栓,铰制孔螺栓,松螺栓,紧螺栓,10-2 螺纹连接设计,1、松螺栓连接：,装配时不拧紧，无预紧力 F,螺栓所受拉力,工作载荷 F,=,危险截面的强度条件：,设计式：,计算危险截面面
10、积时用螺纹小径d1,根据计算所得的 d1 ，查标准确定螺栓的公称直径 d,查表10-5,10-2 螺纹连接设计,2、受横向载荷作用的普通孔螺栓连接：,装配时要拧紧，载荷作用前，螺栓已受预紧力 F,但在拧紧螺母过程中，螺栓受 F和 T1 的联合作用,应用第四强度理论把拉应力和扭剪应力合并成当量拉应力, 靠摩擦力承受R,此连接如何承受横向载荷的？,螺栓杆受横向剪切和挤压吗？, 只受拉力作用,拉、扭联合作用下的强度问题,单纯的拉伸强度问题,10-2 螺纹连接设计,T1 引起的扭剪应力：,对于M10M68的螺纹取平均近似值：0.5,F引起的拉应力：,10-2 螺纹连接设计,因此：,当量拉应力：,强度条
11、件：,上式中系数“1.3”的含义是什么？,10-2 螺纹连接设计,设计式：,普通螺栓联接承受横向载荷时，螺栓可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响,根据计算所得的 d1 ，查标准确定螺栓的公称直径 d,预紧力：,应使接合面摩擦力大于工作载荷 R,m ：接合面对数,即：,F,R,Kf,则：,：接合面摩擦系数(表10-2),例：当 m =1、= 0.15、 Kf = 1.2 时:,F 8 R,故用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸很大,m,10-2 螺纹连接设计,Kf：可靠性系数，1.11.3,应将总工作载荷 R 均匀分配到每个螺栓上,若连接有 z 个螺栓，且各螺栓
12、受载均匀,则摩擦力：,mF,R/z,Kf,则单个螺栓所受到的横向工作载荷等于,单个螺栓所需的预紧力,若各螺栓受载不均，则应找出受载最大的螺栓，对其进行强度计算,10-2 螺纹连接设计,10-2 螺纹连接设计,用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？,改进措施：, 采用无间隙的铰制孔螺栓, 采用键、套筒、销承担横向工作载荷R,而螺栓仅起连接作用,3、受横向载荷作用的铰制孔螺栓连接：,R直接作用在螺栓上,使螺栓杆受剪切和挤压,此类螺栓预紧力小，计算时忽略,强度条件：,d 0 ：螺栓杆受剪面直径,即为光杆直径,铰制孔用螺栓 d0 d,m ：接合面对数,hmin：两方向相比，较小挤压高度
13、,设计时，按上述公式分别计算出 d0 ，取大值,、p 查表 10-5、7,若是螺栓组连接，处理方法同前,10-2 螺纹连接设计,4、受轴向载荷作用的普通孔螺栓连接：,须根据 静力平衡条件 和 变形协调条件 求解F0、 F,螺栓所受的总拉力：,F0 = F+ F,?,F 剩余(或残余)预紧力,10-2 螺纹连接设计,变形协调条件：,静力平衡条件： F0 = F + F,12,未拧紧,1 = 2 = ,螺栓总拉力,剩余预紧力,轴向外载荷,10-2 螺纹连接设计,螺栓,被连接件,螺栓刚度: C1 = F/1,被连接件刚度: C2 = F/2,10-2 螺纹连接设计, Kc为螺栓相对刚度,10-2 螺
14、纹连接设计, 为被联接件相对刚度,当 C2 C1 时，,当 C2 C1 时，,Kc 0,此时，F0F,此时，F0F + F,Kc 1,就提高螺栓的强度而言，Kc 越小越好,尽量降低螺栓刚度C1，提高被联接件刚度C2,10-2 螺纹连接设计,Kc的推荐值查表10-3（见下表）,Kc与螺栓及被连接件的材料、结构尺寸和垫片有关！,受轴向拉伸载荷作用的螺栓强度条件：,设计式：,受轴向拉伸载荷作用的螺栓剩余预紧力应满足：,1）一般连接 F =（0.20.6) F,2）变载作用时 F =（0.61.0) F,3）有紧密性要求时 F=（1.51.8) F,10-2 螺纹连接设计,螺母可能需补充拧紧，考虑扭剪
15、应力的影响，故乘以系数1.3！,？,如果F 超过一定值，会出现F 0的情况,10-2 螺纹连接设计,提高螺栓的强度主要措施：, 降低螺栓刚度,A）柔性螺栓,B）弹性元件,10-2 螺纹连接设计, 增大被联接件刚度,A）金属垫片,B）密封环,10-2 螺纹连接设计, 减小应力集中,10-2 螺纹连接设计, 避免附加弯曲应力,强度计算归纳如下：,松螺栓：,所受拉力F 等于工作载荷,紧螺栓：,普通螺栓连接 ,承受横向载荷,承受轴向载荷,铰制孔螺栓连接 ,螺钉连接、双头螺柱连接的 分析计算与普通螺栓连接相同,10-2 螺纹连接设计,还应保证一定的残余预紧力！,1、螺纹紧固件的材料和强度级别：,一般连接：碳素钢，如：Q235、10、45,重要连接：合金钢，如：40Cr、15MnVB,常用材料：,性能等级,如：4.8级,b4100MPa,s4 810 = 320MPa,强度极限：,屈服极限：,10-2 螺纹连接设计,螺纹联接件按机械性能分等级,即性能等级反映了螺栓的机械性能,常用材料和精度等级参见表10-5,2、许用用力：,许用拉应力由表10-5和表10-6决定,10-2 螺纹连接设计,先由表10-5确定好螺栓的材料、性能等级，查出强度极限ss,表10-6,
