機械設(shè)計基礎(chǔ)(第10章)

1、第10章 連接第10章 連接內(nèi) 容教學(xué)重點螺紋連接的基本類型、螺紋連接件、螺栓連接的強度計算1 螺紋參數(shù)2 螺旋副的受力分析、效率和自鎖3 機械制造常用螺紋及標(biāo)準(zhǔn)4 螺紋連接基本類型及螺紋連接件5 螺紋連接的預(yù)緊和防松6 螺栓連接的強度計算11 鍵連接和花鍵連接第10章 連接1 螺紋參數(shù)d2如用一個平面圖形沿螺旋線運動，并使平面始終通過圓柱體軸線，這樣就構(gòu)成了螺紋。平面圖形形狀可為；三角形、矩形、梯形、鋸齒形等。一、螺紋的形成將一傾斜角為 的直線繞在圓柱上便形成一條螺旋線。第10章 連接按牙型: 矩形、三角形、梯形、鋸齒形二、螺紋的類型矩形螺紋矩形螺紋三角形螺紋三角形螺紋梯形螺紋梯形螺紋鋸齒形

2、螺紋鋸齒形螺紋1530330潘存云教授研制潘存云教授研制三角形螺紋連接螺紋 矩形、梯形、鋸齒形螺紋傳動螺紋第10章 連接根據(jù)螺旋線繞行方向： 螺旋線向右升高右旋以軸線為基準(zhǔn)(外)右旋左旋判斷方法旋向第10章 連接根據(jù)螺旋線頭數(shù)：為了制造方便，一般不超過4單頭連接多頭傳動線數(shù)第10章 連接按位置：外螺紋在圓柱體的外表面形成的螺紋 內(nèi)螺紋在圓柱孔的內(nèi)表面形成的螺紋 外螺紋外螺紋內(nèi)螺紋內(nèi)螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制兩者旋合螺旋副螺旋副第10章 連接按用途：連接螺紋用于連接 傳動螺紋用于傳動（螺旋傳動）連接螺紋傳動螺紋第10章 連接按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數(shù)分 按回轉(zhuǎn)體的

3、內(nèi)外表面分 按螺旋的作用分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內(nèi)螺紋連接螺紋傳動螺紋第10章 連接1）外徑(大徑)d(D)與外螺紋牙頂（內(nèi)螺紋牙底）相重合的假想圓柱面直徑，亦稱公稱直徑三、螺紋的主要參數(shù)（外螺紋用小寫字母，內(nèi)螺紋用大寫字母）2）內(nèi)徑(小徑)d1(D1) 與外螺紋牙底（內(nèi)螺紋牙頂）相重合的 假想圓柱面直徑第10章 連接4）螺 距 P 相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上對應(yīng)兩點間 的軸向距離5）導(dǎo)程（S）同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線 上對應(yīng)兩點間的軸向距離6）線 數(shù) n 螺紋螺旋線數(shù)目，一般為便于制造n4 螺距、導(dǎo)程、線數(shù)之間關(guān)系：S=nP

4、7）螺紋升角中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺旋 線軸線的平面的夾角2/tgnpd 3）中徑d2 在軸向剖面內(nèi)牙厚與牙間寬相等處的假想圓柱 面的直徑，d20.5(d+d1)第10章 連接8）牙型角 螺紋軸向平面內(nèi)螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角 牙側(cè)角 螺紋牙的側(cè)邊與螺紋軸線垂直平面的夾角30 梯形330 鋸齒形矩形60 普通 =60 30 =30 15工3,非30 =0 0第10章 連接在力矩和軸向載荷下，螺旋副的相對運動2dS (n p)FFa將螺旋線沿中徑展開可得一斜面， 為螺紋升角。2 螺旋副的受力分析、效率和自鎖在中徑的水平力推動滑塊(重物)在沿螺紋運動第10章 連接 分析分析: 1.當(dāng)勻速上升

5、當(dāng)勻速上升: FaFFnFRFfFaFFR +FR與Fn夾角摩擦角: tg f Ff /n R與a 夾角 a(軸向載荷,自重,阻力)作用在螺旋副上的驅(qū)動力矩：22()22addTFF tg(10-2b)atg( ) (102a)合反力FRV(滑塊) 合力法向反力Fn(斜面)施加水平推力（驅(qū)動力） 摩擦阻力: f Fn=Ff一矩形螺紋一矩形螺紋 : ( =0)第10章 連接水平力 ，保證滑塊勻速下滑當(dāng) 時,滑塊在重力作用下有加速運動的趨勢，為阻力。當(dāng) 時，作用力與假設(shè)力的方向相反，成為驅(qū)動力。自鎖條件： 22()22addTFF tg(10-3b)FaFFnFRFfFaFFR -()aFF tg

6、說明：無論a多大，滑塊不會自動下滑自鎖2. 當(dāng)勻速下降當(dāng)勻速下降 :軸向載荷a,變?yōu)轵?qū)動力作用在螺旋副上的相應(yīng)力矩：為了防止螺母在軸向力作用下自動松開，用于連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件第10章 連接二非矩形螺紋（牙側(cè)角 的三角形、梯形、鋸齒形螺紋）0coscosaaaFffFf F非矩形螺紋的摩擦阻力把摩擦阻力增加看做是摩擦系數(shù)的增加：= tancosff-當(dāng)量摩擦系數(shù)-當(dāng)量摩擦角第10章 連接勻速上升: atg( ) (10-5a)勻速下降: Fatg( ) (10-6a) 22()22addTFF tg22()22addTFF tg (10-6b)(10-5b)自鎖條件： (10-7)要

7、自鎖好 ( ) , (單頭)為了防止螺母在軸向力作用下自動松開，用于連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件為了防止螺母在軸向力作用下自動松開，用于連接的緊固螺紋必須滿足自鎖條件arctanarctancosff第10章 連接螺母旋轉(zhuǎn)一周所需的輸入功為： ；此時螺母上升一個導(dǎo)程S，其有效功為： 。TW21SFWa22221tantan2tan()2tan()2aaaF SFdWF dWT因此螺旋副的效率為：三.效率:由上式可知，當(dāng)量摩擦角 一定時，效率只是螺紋升角的函數(shù)。第10章 連接當(dāng) 時效率最高，但過大的升角使制造困難。并且由曲線圖可以看出： 當(dāng) 之后，效率的增加不明顯，所以通常取不超過25。400

8、dd將效率公式繪制成曲線，如圖所示。取=45 -2第10章 連接3 機械制造常用螺紋第10章 連接第10章 連接第10章 連接第10章 連接4 螺紋連接基本類型及螺紋緊固件1、螺紋連接主要類型(1)螺栓連接 a 普通螺栓連接 b 精密螺栓連接 (絞制孔螺栓）潘存云教授研制潘存云教授研制一螺紋連接基本類型第10章 連接(2)雙頭螺柱連接：(3) 螺釘連接潘存云教授研制多用于較厚的被連接件或結(jié)構(gòu)緊湊而采用盲孔的連接。直接旋入被連接件的螺紋孔中，省去螺母，結(jié)構(gòu)簡單。但不宜經(jīng)常裝拆，否則磨損而失效。第10章 連接特殊連接：地腳螺栓連接 , 吊環(huán)螺釘連接(4)緊定螺釘連接擰入后，利用桿末端頂住另一零件表

9、面或旋入零件相應(yīng)的缺口中以固定零件的相對位置?？蓚鬟f不大的軸向力或扭矩。第10章 連接 2）雙頭螺柱兩端帶螺紋 A型有退刀槽 B型無退刀槽1）螺栓 普通螺栓 六角頭，小六角頭，標(biāo)準(zhǔn)六角頭，大六角頭, 內(nèi)六角 鉸制孔螺栓螺紋部分直徑較小二螺紋連接件第10章 連接4 )緊定螺釘 3) 螺釘： 與螺栓區(qū)別要求螺紋部分直徑較粗;頭部有內(nèi)六角頭、十字槽頭等多種形式。末端要頂住被連接件之一的表面或相應(yīng)的凹坑，其末端具有平端、錐段和圓尖端等各種形狀。第10章 連接6）螺母5）自攻螺釘由螺釘攻出螺紋圓螺母+止退墊圈六角螺母：標(biāo)準(zhǔn)，扁，厚 第10章 連接7）墊圈平墊圈彈簧墊圈根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，螺紋緊固件分為三個

10、精度等級，其代號為A、B、C。A級精度最高，用于要求配合精確，防止振動等重要零件的聯(lián)接；B級精度多用于受載較大且經(jīng)常裝拆或受變載荷的聯(lián)接；C級精度多用于一般的螺紋聯(lián)接。作用：增加被連接件的支承面積以減少接觸處的擠壓應(yīng)力 和避免擰緊螺母時擦傷被連接件表面。第10章 連接5 螺紋連接的預(yù)緊和防松1、預(yù)緊預(yù)緊目的增強連接的緊密性、可靠性，防止受載后被連接件 之間出現(xiàn)間隙或發(fā)生相對滑移。 如汽缸螺栓連接，有緊密性要求，防漏氣。螺紋連接：松連接在裝配時不擰緊，只有受外載時才受到力的作用 緊連接在裝配時需擰緊，即在承載時，已預(yù)先受力， 預(yù)緊力F0一、螺紋連接的預(yù)緊預(yù)緊過緊擰緊力過大，螺桿靜載荷增大、降低本

11、身強度 過松擰緊力過小，工作不可靠 第10章 連接a) 測量預(yù)緊前后螺栓伸長量精度較高2預(yù)緊力控制方法第10章 連接測力矩扳手測出預(yù)緊力矩，如左圖定力矩扳手達(dá)到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑，右圖測力矩扳手定力矩扳手b) 通過控制擰緊力矩來間接保證預(yù)緊力第10章 連接擰緊力矩T0擰緊力矩由兩部分組成： 1) 螺紋副的摩擦力矩T1； 2) 螺母與支承面間的摩擦力矩T2。 T0 的大小的大小: 擰緊時 連接件軸向拉力 被連接件軸向壓力012第10章 連接螺紋阻力矩螺紋阻力矩 T1螺母支持面上的摩擦阻力矩T2T2 fc Fa r f1F d2/2Fa tg( ) d2 /2dd0dwTF F

12、a a設(shè)軸向力為Fafc摩擦系數(shù);rf支撐面摩擦半徑; rf =(dw+d0)/4dw 螺母支撐面外徑T0T1T20.2Fad Nmm簡化公式：對于M10M68的粗牙螺紋， f=0.15, fc=0.15, 注意：對于重要的連接，應(yīng)盡可能不采用直徑過小(M12)的螺栓。第10章 連接 例10-1 已知M12螺栓用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235制成，螺紋間的摩擦系數(shù)f0.10，螺母與支承面間的摩擦系數(shù)fc0.15，螺母支承面外徑dw16.6mm，螺栓孔直徑d013mm，欲使螺母擰緊后螺桿的拉應(yīng)力達(dá)到材料屈服限的50，求應(yīng)施加的擰緊力矩，并驗算其能否自鎖。解：1. 求擰緊力矩T22110.1062359420

13、424 2sadFN查表得235MPas螺桿總拉力(預(yù)緊力)Fa擰緊力矩T2t()19.052acafdTFgf F rN m2. 求螺紋升角1.75arctan2.9410.863由表10-1查M12螺紋，P=1.75mm，d2=10.863mmm，d1=10.106mm3. 求當(dāng)量摩擦系數(shù)及當(dāng)量摩擦角0.10coscos300.115arctan6.59fff，故具有自鎖性。第10章 連接 消除（或限制）螺紋副之間的相對運動，或增大相對運動的難度。2、防松原理二、螺紋連接的防松1、問題 為什么要防松？防松的原理？防松零件的裝配方法？ 靜載荷： (自鎖) + 預(yù)緊后摩擦力防止松動 動載荷：預(yù)

14、緊力、摩擦力減小、消失不可靠第10章 連接 3、防松辦法及措施 1) 摩擦防松 彈簧墊圈、對頂螺母、尼龍圈鎖緊螺母、自鎖螺母等 常用的防松方法按工作原理可分為有三種：摩擦防松、機械防松和永久防松。機械防松和摩擦防松稱為可拆卸防松，而永久防松稱為不可拆卸防松。彈簧墊圈對頂螺母尼龍圈鎖緊螺母第10章 連接自鎖螺母第10章 連接 用機械裝置把螺母和螺栓聯(lián)成一體，消除它們之間相對轉(zhuǎn)動的可能性。 開槽螺母與開口銷、止動墊圈、串聯(lián)鋼絲螺栓開槽螺母開口銷裝配圖2)機械防松第10章 連接止動墊片防松第10章 連接圓螺母用止動墊圈第10章 連接11.5P用沖頭沖23點沖點防松法粘合法防松涂粘合劑3) 永久防松：

15、端鉚、沖點、點焊、粘合 第10章 連接6 螺栓連接的強度計算螺栓連接的強度計算確定螺紋小徑d1松螺栓連接：無預(yù)緊力，只有工作拉力緊螺栓連接：有預(yù)緊力，還有工作拉力螺栓連接螺栓桿拉斷 螺紋牙的壓潰和剪斷螺紋牙磨損滑扣主要失效形式：由于螺栓和螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸是根據(jù)等強度原則及使用經(jīng)驗規(guī)定的，采用標(biāo)準(zhǔn)件時，這些部分都不需要進(jìn)行強度計算然后按照標(biāo)準(zhǔn)選定螺紋的公稱直徑及螺距。第10章 連接 受載荷形式軸向拉伸(工作拉力Fa) 失效形式螺栓拉斷 設(shè)計準(zhǔn)則保證螺栓拉伸強度 強度條件： 設(shè)計計算方法： 校核式 :1)松螺栓連接:d1:螺紋小徑mm; :許用拉應(yīng)力 MpaFaFaFaFa 設(shè)計式:

16、214aaFFAd 14 aFd FaFa起重吊鉤起重吊鉤第10章 連接2)緊螺栓連接強度設(shè)計對于M10M68的普通螺紋，取d1/d2和的平均值，并取：tg= f=0.15 得得： 0.5 在拉、扭聯(lián)合作用時，根據(jù)材料力學(xué)第四強度理論3 . 1322e當(dāng)量應(yīng)力3 . 1322e第10章 連接 43 . 121dFae強度條件: 裝配擰緊后連接可受橫向橫向(F)或軸向載荷軸向載荷(FE)第10章 連接第10章 連接 43 . 121dFae強度條件:第10章 連接d)為簡化結(jié)構(gòu)，還可以采用鉸制孔用螺栓連接。因為螺栓桿與孔壁之間沒有間隙，當(dāng)承受橫向載荷時，接觸表面受擠壓，在連接接合面處，螺栓桿則承

17、受剪切。 因此應(yīng)該對螺栓桿與孔壁配合面的擠壓強度和釘桿橫剖面的抗剪切強度進(jìn)行驗算。 第10章 連接pDF42lDZ0螺栓間距l(xiāng)與p有關(guān) 常見 壓力 容器各螺栓受拉力為： F= FZ3.受軸向載荷FE的螺栓強度(預(yù)緊后)：此時螺栓受預(yù)緊力F0后 又受工作拉力FE螺栓所受的總拉力: Fa = F0+FE ?第10章 連接3.受軸向載荷FE的螺栓強度(預(yù)緊后)螺栓所受的總拉力: Fa = F0+FE ?第10章 連接單個連接受力分析:松弛狀態(tài)松弛狀態(tài)預(yù)緊狀態(tài)預(yù)緊狀態(tài)受載變形受載變形緊螺栓連接為保證被 連接件的接合面不出現(xiàn)縫隙，殘余預(yù)緊力應(yīng)大于零。第10章 連接螺栓剛度螺栓剛度00bbFk 被連接件被

18、連接件剛度剛度00ccFk ERaFFF載荷與變形的關(guān)系：載荷與變形的關(guān)系：當(dāng)軸向工作載荷 在 范圍內(nèi)變化EF0EF螺栓所受總拉伸載荷應(yīng) 在 范圍內(nèi)變化0aFF第10章 連接ERaFFF第10章 連接螺栓的相對剛度系數(shù) kb/(kb+kc)與螺栓及被連接件的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。0baEbckFFFkk 43 . 121dFae強度條件:第10章 連接功用功用: 主要實現(xiàn)零件在軸上的周向固定并傳遞轉(zhuǎn)矩（靜連接），還可實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向移動（動連接 ）。一、鍵連接的類型與構(gòu)造 主要類型：平鍵、半圓鍵、楔鍵、切向鍵11 鍵聯(lián)接和花鍵聯(lián)接第10章 連接1、平鍵（普通平鍵和導(dǎo)向平鍵）普通平鍵

19、特點：用于靜連接，即軸與輪轂間無相對軸向移動。鍵的兩側(cè)面是工作面，靠鍵與鍵槽的側(cè)面擠壓來傳遞扭矩；平鍵連接不能承受軸向力，因而對軸上的零件不能起到軸向固定作用。 普通平鍵按端部形狀不同分為A型（圓頭）、B型（平頭）、C型（半圓頭）三種型式。第10章 連接 圓 頭 A型（常用，軸槽用指狀銑刀加工）鍵頂上面與轂不接觸有間隙 方 頭 B型（軸槽用盤型銑刀加工）軸的應(yīng)力集中小半圓頭C型（軸槽用端銑刀加工）用于軸端與輪轂連接 第10章 連接導(dǎo)向平鍵較長，用螺釘固定軸上。起鍵螺孔便于裝拆。用于動連接，即軸與輪轂之間有相對軸向移動的連接 導(dǎo)向鍵鍵不動，軸上零件軸向移動，構(gòu)成動連接。如變速箱的滑移此輪。第10

20、章 連接平鍵連接結(jié)構(gòu):鍵兩側(cè)與鍵槽相配合(靜連接為過渡配合, 動連接為間隙配合), 上端面與輪轂鍵槽底面有間隙工作原理:兩側(cè)面是工作面，靠兩側(cè)面擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩失效形式:靜連接：工作面擠潰，鍵剪斷動連接：工作面磨損特點：結(jié)構(gòu)簡單，裝折方便，對中性好，承載能力大，應(yīng)用廣泛成對使用: 承載能力不夠時采用, 按 180布置兩個鍵。一對平鍵按1.5 個鍵計算第10章 連接軸槽用與半圓鍵形狀相同的銑刀加工，鍵能在槽中繞幾何中心擺動，適應(yīng)轂槽底面。鍵的側(cè)面為工作面，工作時靠其側(cè)面的擠壓來傳遞扭矩。 特點：工藝性好，裝配方便，適用于錐形軸與輪轂的連接，但軸槽對軸的強度削弱較大，只適宜輕載連接。2. 半圓鍵第10章 連接 適用于低速輕載、精度要求不高。產(chǎn)生偏心，對中性較差。不宜高速和精度要求高的連接。變載下易松動。結(jié)構(gòu):工作原理:特點:1.鍵的上面及輪轂鍵槽底面有1:100 斜度。2.鍵側(cè)與鍵槽有間隙 , 上下面楔緊，為工作面。3.可實現(xiàn)單向軸向固定。 把楔鍵打入軸和轂槽內(nèi)時，其工作面產(chǎn)生很大的預(yù)緊力，靠上下面擠緊的摩擦力傳