《机械设计基础》教学课件第9章连接设计

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1、项目九 连接设计项目九 连接设计任务一任务一 螺纹连接设计螺纹连接设计任务二任务二 螺旋传动设计螺旋传动设计 任务三任务三 其他连接设计其他连接设计项目九 连接设计知识目标知识目标 (1)掌握螺纹的类型与参数。 (2)掌握常用螺纹的特点与应用。 (3)掌握螺纹连接的基本类型和特点。 (4)掌握螺纹连接件的结构特点和应用。 能力目标能力目标 能根据实际情况选用不同类型的螺纹连接。项目九 连接设计任务一任务一 螺纹连接设计螺纹连接设计任务导入任务导入图9-1所示为铰制孔用螺栓的连接。这种螺栓连接的特点是螺杆与被连接件的孔(铰 制孔)采用基孔制的过渡配合。螺母不必拧得很紧(预紧力可不考虑)。这种连接

2、依靠螺杆 部分承受剪切和挤压来抵抗横向外载荷 R,因此,应分别按挤压及剪切强度条件进行计 算。项目九 连接设计图9-1 铰制孔用螺栓的连接项目九 连接设计任务实施任务实施一、一、 螺纹连接的基础知识螺纹连接的基础知识 螺纹连接是应用极为广泛的一种可拆连接,其结构简单,装拆方便,连接可靠。螺纹 零件的用途有两种:一种是把需要相对固定的零件用螺纹零件连接起来,称为螺纹连接; 另一种是利用螺纹把回转运动转换为直线运动,称为螺旋传动。虽然螺纹零件的用途不 同,但它们有一个共同的特点都是利用具有螺纹的零件进行工作的。项目九 连接设计1.螺纹的形成和分类螺纹的形成和分类 1)螺纹的形成 如图9-2所示直角

3、三角形的斜边从起点A 开始在圆柱体柱面上包绕,且一直角边与 圆柱体轴线平行,则斜边在圆柱体柱面上就形成一条螺旋线,称为单线螺纹。三角形的斜 边与底边的夹角,称为螺纹升角。如果在圆柱体起点位置A 点的对称点B 点作为一新的 起点位置,又会得到一条新的螺旋线,称为双线螺纹。同理,可得到更多线数的螺纹,称为 多线螺纹。从方便制造考虑,一般不采用四线以上的螺纹。单线螺纹主要用于连接,多线 螺纹主要用于传动。项目九 连接设计图9-2 螺纹的形成项目九 连接设计2)螺纹的分类(1)根据螺纹轴向剖面的形状,常用的螺纹牙形有:三角形、矩形、梯形和锯齿形等, 如图9-3所示。 (2)根据螺纹的用途,可分为连接螺

4、纹和传动螺纹。 连接用的三角形螺纹有:普通螺纹、英制螺纹(圆柱形管螺纹和圆锥管螺纹)。普通螺纹的牙形角为60,分粗牙螺纹和细牙螺纹。一般连接多用粗牙螺纹,粗牙普 通螺纹的基本尺寸见表9-1。项目九 连接设计图 9-3 螺纹的牙型项目九 连接设计项目九 连接设计(3)根据螺纹所处的表面,可分为外螺纹和内螺纹。在圆柱体表面上形成的螺纹称为 外螺纹,如螺栓的螺纹;在圆柱孔内壁上形成的螺纹称为内螺纹,如螺母的螺纹。 (4)根据螺旋线的绕行方向可分为左旋螺纹(如图9-4 (a)所示)和右旋螺纹(如图 9-4(b)所示)。项目九 连接设计图 9-4 螺纹的旋向项目九 连接设计2.螺纹的主要参数螺纹的主要参

5、数 现以圆柱螺纹为例介绍螺纹的主要参数,如图9-5所示。图9-5 螺纹的主要参数项目九 连接设计(1)大径d(D):螺纹的公称尺寸,外螺纹牙顶、内螺纹牙根处圆柱直径。 (2)小径d1(D1):螺纹的最小直径、外螺纹牙根、内螺纹牙顶处圆柱直径。 (3)中径d2(D2):轴向剖面内牙厚等于牙间宽处的圆柱直径。 (4)螺距p:相邻两螺纹牙对应点间的轴向距离。 (5)牙形角a:轴向剖面内螺纹牙两侧面的夹角。 项目九 连接设计(6)导程s:沿同一条螺旋线,相邻两螺纹牙对应点间的轴向距离。单线螺纹s=p,多 线螺纹s=zp。(7)螺旋线数z:形成螺纹的螺旋线数目。 (8)螺旋升角:中径圆柱面上螺旋线的切线

6、与垂直于螺纹轴线平面间的夹角,它 满足(9)牙廓的工作高度h:螺栓和螺母的螺纹圈发生接触的牙廓高度,它是沿径向测量的,等于外螺纹外径和内螺纹内径之差的一半。项目九 连接设计二、二、 螺纹连接的类型及螺纹连接件螺纹连接的类型及螺纹连接件 1.螺纹连接的类型 螺纹连接的基本类型主要有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接四种 基本类型,见表9-2。项目九 连接设计项目九 连接设计项目九 连接设计项目九 连接设计1)螺栓连接 螺栓连接的结构特点是被连接件的预制孔为通孔,孔中不切制螺纹。螺栓连接按螺栓 受力情况可分为普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接。普通螺栓连接:螺栓与孔中有间隙,被 连接件通过螺

7、栓与螺母的旋合而连接在一起,工作载荷使螺栓受拉伸。铰制孔螺栓连接: 被连接件的预制孔孔壁光滑,尺寸精度高,孔与螺栓多采用基孔制过渡配合,工作载荷使 螺栓受剪切和挤压。 螺栓连接的优点是构造简单,装拆方便,成本低,使用时不受被连接件的材料限制, 应用广泛。项目九 连接设计2)双头螺柱连接 双头螺柱连接的结构特点是被连接件之一为盲孔,孔中切制螺纹。双头螺柱的两端均 有螺纹,螺柱的一端旋入有螺纹的盲孔中,另一端穿过另一被连接件的预制孔并用螺母旋 合实现连接。双头螺柱连接的优点是被连接件之一较厚,拆卸时只需旋下螺母,保护了盲 孔中的螺纹不至于过早失效,多用于需要经常拆装的连接。3)螺钉连接 螺钉连接省

8、去了螺母,螺钉直接旋入被连接件之一的螺纹孔中实现连接,用于不需要 经常拆卸的连接,结构比较简单。项目九 连接设计4)紧定螺钉连接 紧定螺钉连接将紧定螺钉旋入被连接件之一的螺纹孔中,其末端顶在另一被连接件的 表面的凹坑中,用以固定两零件之间的相对位置,实现轴与轴上零件的连接。这种螺纹连 接一般不传递力和力矩。 除了上述基本螺纹连接形式外,还有一些特殊结构的螺纹连接:专门用于将机座或机 架固定在地基上的地脚螺栓连接,装在机器或大型零、部件的顶盖或外壳上便于起吊用的 吊环螺栓连接,用于工装设备中的 T 形槽螺栓连接,见表9-3。项目九 连接设计项目九 连接设计2.螺纹连接件螺纹连接件 螺纹连接件的种

9、类很多,大多已标准化。常见的有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫 圈,可根据有关标准选用。 表9-4 列出了标准螺纹连接件的图例、结构特点及应用。项目九 连接设计项目九 连接设计项目九 连接设计项目九 连接设计项目九 连接设计三、三、 螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧与防松 1.螺纹连接的预紧 在使用螺纹连接进行装配时,多数情况下都要拧紧到一定程度,防止被连接件受工作 载荷以后,结合面产生缝隙和相对移动,以增强连接的可靠性、紧密性与防松能力,这个 过程称为预紧。 预紧使螺栓受轴向拉力,称为预紧力 Q0。预紧力的大小直接影响到螺栓连接的安 全性。项目九 连接设计为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧

10、的可靠性,螺栓的预紧力一般达到材料屈服 极限的50%70%。对于一般的连接,可凭据经验来控制预紧力Q0的大小。对于重要的连 接,可以按照要求的预紧力数值,使用测力矩扳手或定力矩扳手,如图9-6所示。测力矩 扳手,在拧紧螺栓时可以指示数值;定力矩扳手在达到需要的力矩后,即可自行打滑。项目九 连接设计图9-6 测力矩扳手和定力矩扳手项目九 连接设计对批量产品的装配,可使用电动扳手,利用电机的转矩控制拧紧力矩。连接螺栓在工作时所需的预紧力Q0产生的拧紧力矩T 由两部分组成:一部分用以克服螺纹中的阻力矩 T1,另一部分用以克服螺母支承面上的摩擦阻力矩 T2,即 T=T1 +T2。实际应用中对 M16M

11、64的粗牙普通螺纹,无润滑时可取式中:d 为螺栓直径,一般情况下凭经验拧紧。螺母预紧力难以准确控制,有时可能使螺 栓拧得过紧,甚至将螺栓拧断,故对于重要的连接不宜用小于 M12M16的螺拴。项目九 连接设计2.螺纹连接的防松螺纹连接的防松 连接螺栓用在静载荷和温度变化不大的工作场合。连接螺栓满足自锁条件时不会自动 松脱,但是在冲击、振动、变载荷或温度变化很大时,连接可能自动松脱,影响连接的牢固 性和紧密性,甚至造成严重事故。项目九 连接设计螺纹连接防松的根本问题在于要防止螺纹副的相对转动。防松的方法很多,按其工作 原理可分为三类: (1)摩擦防松。 (2)机械防松。 (3)其他防松。项目九 连

12、接设计四、四、 螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计 机器设备中螺栓常常成组使用,因此,必须根据其用途和被连接件的结构设计螺栓 组。螺栓组连接结构设计的主要目的在于合理地确定连接结合面的几何形状和螺栓的布置 形式,基本原则是:力求使各螺栓或连接结合面间受力均匀,便于加工和装配。为此,进行 螺栓组连接设计时应综合考虑以下几个方面的问题。项目九 连接设计1.连接结合面的设计连接结合面的设计 连接结合面的形状和机器的结构形状相适应,一般将结合面形状设计成轴对称的简单 几何形状,螺栓组的对称中心和结合面的形心重合,使结合面受力均匀,如图9-7所示。项目九 连接设计图9-7 结合面的形状设计项目九

13、连接设计2.螺栓的数目及布置螺栓的数目及布置 (1)螺栓布置时应使各螺栓的受力合理。 对 于配合螺栓连接,不要在平行于工作载荷方向上 成排地布置八个以上的螺栓,以免载荷分布过度 不均匀。当螺栓组连接承受扭矩T 时,应保证螺 栓组的对称中心和结合面形心重合;当螺栓连接 承受弯矩 M 时,应保证螺栓组的对称轴与结合 面中性轴重合,如图9-8所示。同时要求各个螺 栓尽可能离形心和中性轴远一些。这样可以充分 和均衡地发挥各个螺栓的承受能力。项目九 连接设计图 9-8 结合面受弯矩或扭矩时螺栓的布置项目九 连接设计(2)螺栓的布置应有合理的间距和边距,以 便保证连接的紧密性和装配时所需的扳手操作空 间,

14、如图9-9所示。图9-9-扳手空间尺寸项目九 连接设计(3)分布在同一圆周上的螺栓数尽量取偶数 (如2、4、6、8、12等),以方便分度和划线。同一 螺栓组中螺栓的材料、直径和长度应尽量相同。项目九 连接设计3.采用减载装置采用减载装置,减小螺栓的受力减小螺栓的受力 当螺栓组同时承受较大的载荷(尤其是横向载荷)时,可以采用减载销、减载套筒、减 载键等卸荷装置(见图9-10)来分担工作载荷,而螺栓仅起连接作用。这样不仅预紧力小, 而且结构紧凑。项目九 连接设计图9-10 减载装置项目九 连接设计五、五、 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算 螺栓连接在应用时常采用多个螺栓成组使用。根据对

15、螺栓组的受力分析,可求出螺栓 组中受力最大的螺栓,从而使整个螺栓组的强度计算简化成受力最大的单个螺栓强度的 计算。当螺栓的材料确定以后,螺栓强度的计算实质上是确定螺栓的直径或核算其危险截面 的强度。螺母、垫圈不必进行强度计算,可直接按公称尺寸选择合适的标准件。项目九 连接设计1.松螺栓连接松螺栓连接 松螺栓连接在承受工作载荷前不拧紧,只在承受工作 载荷时螺栓才受到拉力的作用,如图9-11所示的起重吊钩 上的螺纹连接。这种连接的强度计算只要保证螺栓的危险剖面上的工 作应力不超过螺栓材料的许用应力就可以了。项目九 连接设计项目九 连接设计设螺栓工作时的最大轴向载荷为 F,螺栓的危险剖面 直径一般为

16、螺纹牙根处直径d1,其强度条件为式中:d1为螺纹的小径,单位为 mm;为松螺栓连接的许用拉应力,单位 MPa,=s/ S,S 为安全系数(见表9-7)。项目九 连接设计由上式可得设计公式为计算出d1后,可从螺纹尺寸表确定螺纹的公称尺寸d。项目九 连接设计2.受横向外载荷的紧螺栓连接受横向外载荷的紧螺栓连接 1)采用普通螺栓连接 图9-12所示为普通螺栓连接,被连接件承受 垂直于轴线的横向载荷 R。因螺栓杆与螺栓孔之 间有间隙,故螺栓杆不直接承受横向载荷R,而是 先拧紧螺栓,使被连接零件表面产生压力 Q0,从 而使被连接件结合面间产生的摩擦力来承受横向 载荷。如摩擦力之总和大于或等于横向载荷R,则 被连接件之间不会相互滑移,故可达到连接的目 的。项目九 连接设计图9-12 普通螺栓连接项目九 连接设计由于预紧力的存在,被连接件结合面在横向外载荷R 的作用下产生摩擦力Q0f,工作时应满足项目九 连接设计项目九 连接设计2)采用铰制孔用螺栓连接 图9-13所示为铰制孔用螺栓的连接。这种螺栓连接的特点是螺杆与被连接件的孔 (铰制孔)采用基孔制的过渡配合。螺母不必拧得很紧(预紧力可不考虑)。这种