上海理工大學機械原理與機械零件螺紋聯(lián)接設(shè)計.ppt

第二篇聯(lián)接設(shè)計,第九章螺紋聯(lián)接設(shè)計,螺紋,螺紋副的受力分析/效率和自鎖,螺紋聯(lián)接的基本類型,螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松,螺紋聯(lián)接的強度計算,螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高螺栓聯(lián)接強度的措施,螺旋傳動(自學),91螺紋,一、螺紋的形成將一傾斜角為的直線繞于圓柱體上形成一螺旋線。取一平面圖形使它沿螺旋線運動(保持圖形通過圓柱體的軸線)。二、螺紋分類按平面圖形形狀分：三角形、梯形和鋸齒形。按螺旋旋向分：左旋、右旋(常用)。按螺紋位置分:內(nèi)螺紋、外螺紋按母線分:圓柱螺紋、圓錐螺紋按螺紋頭數(shù)(4)分:單線、多線,三、螺紋參數(shù)大徑d:公稱直徑。小徑d1:在強度計算時使用。中徑d2:母線上牙溝槽和牙厚相等的假想圓柱的直徑；是確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質(zhì)的直徑。d2(d+d1)/2,螺距P:相鄰兩牙中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離。導(dǎo)程S:同一螺旋線上相鄰兩牙中徑線上對應(yīng)兩點間的軸向距離。若螺旋線數(shù)為n，則SnP,升角:中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。,tg=,np,d2,牙型角：軸向截面內(nèi)螺紋牙型相鄰兩側(cè)邊的夾角。牙型斜：牙型側(cè)邊螺紋軸線的垂線間的夾角。對于對稱牙型/2(如三角螺紋),9-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖,一、矩形螺紋(=0)將矩形螺紋沿中徑展開可得一斜面。在軸向載荷Fa作用下螺旋副的相對運動，可看作推動滑塊沿此斜面(螺紋面)運動。當滑塊沿斜面等速上升時，驅(qū)動力F=Fatg(+)當滑塊沿斜面等速下滑時，驅(qū)動力F=Fatg(-)當量摩擦角=tg-1f驅(qū)動力矩T=Fd2/2,滑塊受力分析,二、非矩形螺紋(如三角、梯形和鋸形螺紋)受力分析：若略去的影響，在軸向力Fa作用下，非矩形螺紋的法向力大于矩形螺紋。將法向力的增加看作摩擦系數(shù)的增加。則非矩形螺紋的摩擦阻力可寫為：fFn=fFa/cos=(f/cos)Fa=fFa=tg-1f當滑塊沿非矩形螺紋等速上升時,驅(qū)動力F=Fatg(+)當滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時,驅(qū)動力F=Fatg(-)驅(qū)動力矩T=Fd2/2,螺旋副的效率：螺紋上升時的驅(qū)動力矩T是用來克服螺旋副的摩擦阻力和升起重物的。螺旋副的效率是有效功與輸入功之比。按螺旋轉(zhuǎn)動一圈計算，輸人功為2T，有效功為FaS，則螺旋副的效率為：一定時，=f()。取d/d=0,得=45-/2時,效率最高。一般25(過大制造困難,且對提高不顯著)。,螺旋副自鎖的條件：當滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時的驅(qū)動力F=Fatg(-)是用來維持滑塊等速下滑的支持力當時，無論Fa多大，滑塊不會自動下滑的現(xiàn)象,稱為螺旋副的自鎖。自鎖條件是:,93螺紋聯(lián)接的基本類型,普通螺紋,用于緊固聯(lián)接,牙型角60的三角形米制螺紋。大徑d為公稱直徑。同一公稱直徑有多種螺距，其中螺距最大的為粗牙螺紋(應(yīng)用最多)，其余為細牙螺紋。細牙螺紋升角小、小徑大，因而自鎖性能好、強度高。但不耐磨、易滑扣。適用于薄壁零件、受動載荷的聯(lián)接和微調(diào)機構(gòu)。,一、機械制造常用螺紋,三角螺紋,管螺紋,用于緊密聯(lián)接,英制螺紋，公稱直徑是管子的公稱通徑。,55圓柱管螺紋:,55圓錐管螺紋,60圓柱管螺紋,普通細牙管螺紋,用于水、煤氣、潤滑管路系統(tǒng)中。,用于高精密密封處，不用填料、旋合迅速。,梯形螺紋,鋸形螺紋,=3，效率比梯形螺紋高,但只能承受單方向軸向力。,=15，比矩形螺紋易切削,用于傳動鋸梯三,小結(jié)：6種螺紋,附表:直徑與螺距、粗牙普通螺紋基本尺寸(摘自GB/T196-1981),注:括號內(nèi)的公稱直徑為第二系列。,H=0.866Pd2=d-0.6495Pd1=d-1.0825PD、d-內(nèi)、外螺紋大徑D2、d2-內(nèi)、外螺紋中徑D1、d1-內(nèi)、外螺紋小徑P-螺距標記示例:M24(粗牙普通螺紋,直徑24,螺距3)M241.5(細牙普通螺紋,直徑24,螺距1.5),二、螺紋聯(lián)接的基本類型,雙頭螺柱,螺栓,螺釘,緊定螺釘,普通螺栓,鉸制孔螺栓,螺紋緊固件,94螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松,對于重要的螺紋聯(lián)接,應(yīng)控制其預(yù)緊力。因預(yù)緊力的大小對螺紋聯(lián)接的可靠性、強度和密封有很大影響。一、擰緊力矩,Fa:預(yù)緊力d2:螺紋中徑fc:螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦系數(shù)。無摩擦fc=0.15rf:支承面摩擦半徑rf=(D0+d0)/4D0:螺紋支承面的外徑d0:螺栓孔直徑,對于M10M68的粗牙螺紋,若取f=0.15,fc=0.15,則得：T=0.2Fad(d:螺紋公稱直徑),擰緊力矩的控制：小直徑螺栓裝配時應(yīng)施加小擰緊力矩;對重要的有強度要求的螺接聯(lián)接，不宜采用小于M12的螺栓。通常:擰緊程度憑人工經(jīng)驗決定;重要聯(lián)接處:小批量生產(chǎn)時用測力矩扳手和定力矩扳手、大量生產(chǎn)時用風扳機控制。,測力矩扳手,定力矩扳機,二、螺紋聯(lián)接的防松靜載荷下，三角螺紋緊固件可自鎖。在沖擊、振動和變載作用下，聯(lián)接須防松。螺紋聯(lián)接防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。防松方法很多，常用方法如下。,95螺紋聯(lián)接的強度計算,螺栓的主要失效形式有：(1)螺栓桿拉斷(靜載受拉螺栓)；(2)螺紋的壓潰和剪斷(鉸制孔螺栓)；(3)經(jīng)常裝拆而滑扣(動載受拉螺栓)。螺栓設(shè)計遵循等強度原則,其強度計算是:確定螺紋小徑d1,再按標準選定螺紋公稱直徑(大徑)d及螺距P。一、松螺栓聯(lián)接強度計算松螺栓聯(lián)接時螺母不擰緊，在承受工作載荷前不受力。當承受工作載荷F時，其強度條件為：,例:起重機吊鉤,二、緊螺栓聯(lián)接強度計算1.僅受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接緊螺栓聯(lián)接時,螺栓除受預(yù)緊力F0外,還要承受螺紋副相對轉(zhuǎn)動的阻力矩T1，因此其應(yīng)力為:,故緊螺栓聯(lián)接的強度條件為：,對于M10M68的螺紋，取f=0.15,d1、d2和取平均值(d2/d1=1.041.08)，得：0.5由于螺栓是塑性材料，故按第四強度理論(最大形變能理論),當量應(yīng)力為ca為：,2.受預(yù)緊力和軸向工作載荷的螺栓聯(lián)接由于螺栓和被聯(lián)接件的變形,F2F0+F,應(yīng)從分析螺栓聯(lián)接的受力和變形入手,找出螺栓總拉力的大小。螺栓擰緊但不受工作載荷時,螺栓受拉力F0,伸長b被聯(lián)接件受壓力F0,縮短m,當承受軸向載荷F時,螺栓伸長量為b+,受拉力F2。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件(被聯(lián)接件壓縮變形減小量等于螺栓拉伸變形增加量),被聯(lián)接件總壓縮量為m-,而被聯(lián)接件的壓縮量由F0減至F1。F1稱為殘余預(yù)緊力。,螺栓總拉力：F2=F+F1,用線圖表示螺栓和被聯(lián)接件的受力變形關(guān)系,F2=F+F1,若F在0F間變化時，則F2在F0F2間變化。,設(shè)計步驟先求F，再根據(jù)聯(lián)接情況選擇F1，最后求F2,計算螺栓強度；當F和F0已知時，則先求F2，再檢驗F1是否合乎要求。F1的確定當F不變時，可取F1=(0.20.6)F當F變化時，可取F1=(0.61.0)F對有密封性要求的聯(lián)接，F(xiàn)1=(1.51.8)F螺栓聯(lián)接的強度條件為：,3.受橫向載荷的螺栓聯(lián)接螺栓受橫向工作載荷F時，若接合面的摩擦力足夠大，則聯(lián)接件間不會發(fā)生相對滑動。因此螺栓所需的軸向力(即預(yù)緊力)應(yīng)為：,附:當f=0.15,KS=1.2，m=1時，F(xiàn)08F。故靠摩擦力來承擔橫向載荷時，其尺寸較大。,F0：預(yù)緊力KS:可靠性系數(shù),通常KS1.11.3m:接合面數(shù)目,對鋼鐵被聯(lián)接件可取f:接合面摩擦系數(shù),對鋼鐵f=0.10.15,附:為避免上述缺點、可用：鍵、套筒或銷承擔橫向工作載荷，螺栓來聯(lián)接。鉸制孔用螺栓(螺桿與孔之間無間隙)。這些減載裝置中的鍵、套筒、銷和鉸制孔用螺栓可按受剪切和受擠壓進行強度核算。,附:螺紋聯(lián)接件的材料與許用應(yīng)力,國標規(guī)定了螺紋聯(lián)接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃壏譃?0級，螺母的性能等級分為7級，常用4.8級左右的螺栓，重要或特殊要求中選用高性能等級，如壓力容器中常用8.8級螺栓。,一、螺紋聯(lián)接件材料,常用螺紋聯(lián)接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。高強度時可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。選材時，應(yīng)使螺母材料的強度級別低于螺栓材料、硬度稍低于螺栓，以減少磨損及避免咬死，并便于換螺母。,二、螺紋聯(lián)接件的許用應(yīng)力,1.螺紋聯(lián)接件的許用拉應(yīng)力,2.螺紋聯(lián)接件的許用剪應(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力,3.螺紋聯(lián)接件的安全系數(shù),(被聯(lián)接件為鋼),(被聯(lián)接件為鑄鐵),9-6螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計,目的：求出螺栓組中各螺栓受力的大小，特別是其中受力最大的螺栓及其載荷。,一、受橫向載荷F的螺栓組聯(lián)接1、受剪螺栓:2、受拉螺栓:fF0mz=KSF,f:接合面摩擦系數(shù)F0:螺栓預(yù)緊力;m:接合面數(shù);KS:考慮摩擦傳力的可靠性系數(shù),F:各螺栓所受的工作載荷F:橫向載荷;z:螺栓數(shù)目,二、受轉(zhuǎn)矩T的螺栓組聯(lián)接1.普通螺栓(受拉),根據(jù)螺栓變形協(xié)調(diào)條件，作用在各螺栓上的剪力及其剪切變形量與其中心到底板旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比。,離底板旋轉(zhuǎn)中心的距離最遠的螺栓受力最大。,靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生摩擦力矩抵抗T,靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓抵抗T,2.受剪螺栓(鉸制孔)(補充),三、受軸向載荷F的螺栓組聯(lián)接若作用在螺栓組上軸向總載荷F作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心，則各個螺栓受載相同，每個螺栓所受軸向工作載荷為：,通常，各個螺栓還承受預(yù)緊力F0的作用，當聯(lián)接要有保證的殘余預(yù)緊力為F1時，每個螺栓所承受的總載荷F2為:F2=F1+F,F:軸向力;z:螺栓數(shù)目,四、受翻轉(zhuǎn)力矩M的螺栓組聯(lián)接,因螺栓拉伸剛度相同,由變形協(xié)調(diào)條件，各螺栓拉伸變形量與其中心至翻轉(zhuǎn)中心軸線的距離成正比,傾覆力矩M作用在聯(lián)接接合面的一個對稱面內(nèi),底板在承受傾覆力矩之前,螺栓已擰緊并承受預(yù)緊力F0。,作用在底板兩側(cè)的合力矩與傾覆力矩M平衡，即：,離翻轉(zhuǎn)軸線最遠的受拉應(yīng)力的螺栓最危險,為防止結(jié)合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現(xiàn)間隙，要求：,螺栓的總拉力：,左端邊緣處最小擠壓應(yīng)力大于等于零,限制右端邊緣處的最大擠壓應(yīng)力,保證右半邊結(jié)合面不被壓潰,_,97提高螺栓聯(lián)接強度的措施,螺栓聯(lián)接的強度主要取決于螺栓的強度。螺栓承受軸向變載荷時，其失效形式為：螺桿疲勞斷裂，常發(fā)生在螺栓頭、尾部和螺紋支承平面處。影響螺栓強度的因素和提高強度的措施有：,改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象,降低影響螺栓疲勞強度的應(yīng)力幅,減小應(yīng)力集中的影響,采用合理的制造工藝,一、減小應(yīng)力幅若F：0F，則F2：F0F0+FCb/(Cb+Cm)減小F2變化范圍,對防止螺栓的疲勞損壞十分有利。故可減小Cb或增大Cm。具體措施：減小螺栓光桿部分直徑或采用空心螺桿、增加螺栓長度、采用軟墊片等方法減小Cb。,二、螺紋牙載荷分配采用普通螺母時，軸向載荷隨旋合螺紋圈數(shù)增多遞減(第一圍受載最大，以后各圈遞減)。到第810圈后，螺紋幾乎不受載。故采用厚螺母不能提高聯(lián)接強度。具體措施：用懸置(受拉)螺母，環(huán)槽螺母等。,三、減小應(yīng)力集中具體措施：增大過渡圓角、切制卸荷槽使螺栓截面變化均勻、減小應(yīng)力集中。,四、采用合理的制造工藝方法設(shè)計、制造或安裝時的疏忽可能使螺栓受到附加彎曲應(yīng)力。具體措施：用凸臺或沉頭座等結(jié)構(gòu)并切削。除上述方法外，還有冷墩頭部或輾壓螺紋；氰化、氮化等表面硬化處理。,螺旋傳動利用螺桿和螺母組成的螺旋副實現(xiàn)傳動。主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并傳遞動力。,一、螺旋傳動的種類按用途分為:傳力螺旋/傳導(dǎo)螺旋/調(diào)整螺旋按螺旋副摩擦性質(zhì)分為：滑動螺旋/滾動螺旋/靜壓螺旋,螺旋機構(gòu)在機床的進給機構(gòu)、起重設(shè)備、鍛壓機械、測量儀器、工具、夾具、玩具及其他工業(yè)裝備中有著廣泛的應(yīng)用。,常見運動形式：螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動或螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動。,98螺旋傳動,二、螺旋傳動的設(shè)計計算(略),作業(yè),P162：題9-7,習題講解,P162：題9-5、9-6,復(fù)習與練習,一、填空1、聯(lián)接有可拆和不可拆兩種,可拆聯(lián)接有聯(lián)接、聯(lián)接和聯(lián)接等。不可拆聯(lián)接有、等。2、螺紋按照螺紋線的數(shù)目,可分為單線螺紋和螺紋，其中螺紋常用于聯(lián)接。螺紋按其平面圖形的形狀，可分為形、形和形等等。按其螺旋的旋向，可分為和。常用的旋向是。,1/14,3、螺紋聯(lián)接的基本類型有聯(lián)接，聯(lián)接，聯(lián)接以及聯(lián)接等四種。當被聯(lián)接件之一厚度較大，并需經(jīng)常拆卸時,可采用聯(lián)接；而不需經(jīng)常拆卸的可采用聯(lián)接。4、螺紋的升角隨線數(shù)減小而，隨中徑增加而。當升角當量摩擦角時，將發(fā)生現(xiàn)象。螺旋副的自鎖條件為，矩形螺紋牙形斜角為，不易自鎖，故性能好，常用作螺紋；普通三角螺紋常用旋，公稱直徑為徑，牙型角=，故性能好，常用作使用。,2/14,5、螺紋聯(lián)接中，螺紋和螺紋主要用于，其中形螺紋只適用于承受單向軸向載荷。6、普通螺紋的公稱直徑是螺紋的，計算時其危險截面直徑為徑；管螺紋的公稱直徑上管子的，其螺紋的牙型通常為型。圓錐管螺紋的優(yōu)點是比圓柱管螺紋高。與粗牙螺紋相比，在公稱直徑相同時，三角形細牙螺紋的螺距，小徑，升角；故它的性能好，強度高。,3/14,7、在螺栓聯(lián)接中，在裝配時一般都需在擰緊時加上預(yù)緊力，其作用是提高螺紋聯(lián)接的，。在重要的螺紋聯(lián)接中，擰緊力矩的測定較方便的方法是使用扳手，較精確的方法是測量擰緊時螺栓的量。8、螺栓聯(lián)接中,普通螺栓聯(lián)接通過在聯(lián)接上加力,從而在接合面上產(chǎn)生力來承受外加橫向載荷的,普通螺栓聯(lián)接所能產(chǎn)生的摩擦力大小主要取決于、及。依靠摩擦力來承受外加橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接的缺點是和等。為避免上述缺點，常用的措施是通過、或銷承受橫向工作載荷，而螺栓僅起聯(lián)接作用。,4/14,9、采用鉸制孔用螺栓時，其特點是螺栓桿與孔壁之間沒有，而是通過兩者之間的來進行聯(lián)接，在工作時，它通過螺栓光桿部分受，螺栓桿與孔壁間受來承受外加橫向載荷。10、螺桿傳動的功率損耗主要有：損耗、摩擦損耗、損耗等。螺紋的防松方法按原理可分為防松、防松和防松等。11、螺栓的主要失效形式有：螺栓桿、螺紋、及經(jīng)常拆裝時。在受有軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中，通過螺栓的剛度或被聯(lián)接件的剛度，來提高螺栓的疲勞強度，但由此會使聯(lián)接中的減小，從而降低聯(lián)接的；為了減小螺栓剛度，可螺栓光桿部分的直徑，或采用螺栓，也可以螺栓長度。,5/15,二、計算題1、兩塊平板用兩只鉸制孔用螺栓聯(lián)接，板受P力作用,已知P=2000N，a=100mm，求：a)每個螺栓所受的剪切力。b)計算螺栓光桿部分的直徑d0(螺栓許用剪切應(yīng)力=40N/mm2),6,2、圖示液壓缸的內(nèi)徑D=200mm，缸蓋與缸體之間用10個M20的螺栓（內(nèi)徑d1=17.294mm）聯(lián)接，要求接觸面間殘余預(yù)緊力F1=1.6F（F為工作載荷），相對剛性系數(shù)Cb/(Cb+Cm)=0.2,螺栓許用拉應(yīng)力=110N/mm2，試計算油缸所能承受的最大油壓p和單個螺栓所需要的預(yù)緊力F0。(F2=F0+FCb/(Cb+Cm),7,3、如圖示方形蓋板用四個螺釘與箱體聯(lián)接，蓋板中心O點的吊環(huán)受拉力Qe=20000N，(1)如螺釘?shù)臍堄囝A(yù)緊力Qr為螺釘所受軸向工作載荷的0.6倍時，求螺釘所受的總拉力Q；(2)如因制造誤差,吊環(huán)由O點移到O點,OO=5mm，此時哪個螺釘受力最大？其總拉力等于多少？,8,4、已知緊螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力F0和軸向工作載荷F都為1500，試計算螺栓剛度Cb與被聯(lián)接件剛度Cm相等，和Cb=Cm/2兩種情況下，螺栓總拉