機械設(shè)計 10章螺紋連接

第十章聯(lián)接(螺紋聯(lián)接)

p.131

前言§10-1螺紋參數(shù)§10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖§10-3機械制造常用螺紋及標(biāo)準(zhǔn)§10-4螺紋聯(lián)接基本類型及螺紋聯(lián)接件§10-5螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松§10-6螺栓聯(lián)接的強度計算§10-7螺栓的材料和許用應(yīng)力§10-8提高螺栓聯(lián)接強度的措施§10-9

螺旋傳動機械零件(制造單元)→構(gòu)件(運動單元)→機構(gòu)→機器靜聯(lián)接動聯(lián)接零件聯(lián)接前言:聯(lián)接被聯(lián)接件聯(lián)接件聯(lián)接機械靜聯(lián)接→可拆聯(lián)接→螺紋、鍵、銷分類不可拆聯(lián)接→焊、粘、鉚機械動聯(lián)接→運動副螺內(nèi)螺紋紋外螺紋螺旋副→連接螺紋(靜聯(lián)接→構(gòu)件)傳動螺紋(動聯(lián)接→機構(gòu))§10-1螺紋參數(shù)

p.131(一)螺紋的形成：①順時針旋進→右旋②以軸線為基準(zhǔn)(外)→判斷方法右旋常）左旋→判斷方法旋向單頭→聯(lián)接多頭→傳動線數(shù)二．螺紋參數(shù)：n=1n=2n=3dd2d1=?ｄ(大徑－標(biāo)準(zhǔn)直徑);ｄ1(小徑);ｄ2(中徑);p(螺距)；ｎ(螺旋線數(shù));Ｓ(導(dǎo)程);Ｓ＝np;α（牙型角）;β(牙側(cè)角);φ（升角）(二)螺紋參數(shù)：P.132S(np)tgφ＝np／πｄ2

(10－1)30°梯形3°30°鋸齒形矩形60°普通牙型:α=60°β＝30°α=30°β＝15°β工＝3°,β非＝30°α=0°β＝0°→在軸向載荷下相對運動圖(10－4,a)S(np)內(nèi)螺紋外螺紋擰緊、加載、頂起重物相對運動→聯(lián)接傳動→螺旋副FFa→將螺旋線沿中徑展開§10-2螺旋副的受力分析、效率和自鎖p.132→滑塊(重物)在斜面運動分析:1.當(dāng)勻速上升:

ρFaFFnFRFfφFaFFRφ+ρ圖(10－4,b)FR與Fn夾角→摩擦角ρ:tgρ＝f＝Ff/Ｆn∴ＦR與Ｆa

夾角＝φ＋ρ→加載Ｆa(軸向力,自重,阻力)作用在螺旋副上的驅(qū)動力矩：(10-2b)∴Ｆ＝Ｆa·tg(φ＋ρ)

(10－2a)→合反力FRV∵(滑塊)合力＝０→法向反力Fn(⊥斜面)→施加水平推力Ｆ→摩擦阻力:f·Fn=Ff一．矩形螺紋:(α=0○)→施加水平支持力Ｆ(勻速下滑)當(dāng)Ｆ＝０→

Ｆ＜０→自鎖條件：滑塊在斜面運動狀態(tài)不變作用力Ｆ與假設(shè)力的方向相反→推力Ｆ≤０→φ≤ρ(10-3b)ρFaFFnFRFfφFaFFRφ－ρ→無論Ｆa多大，滑塊不會自動下滑→自鎖2.當(dāng)勻速下降:圖(10－4,c)→將ρ→ρ′

(當(dāng)量摩擦角)tgρ′＝f/cos

β

=f′(10-4)(當(dāng)量摩擦系數(shù))

α(β)↑ρ′↑→

φ↑→勻速上升:Ｆ＝Ｆa·tg(φ＋ρ′)(10-5a)勻速下降:Ｆ＝Fa·tg(φ－ρ′)(10-6a)

(10-6b)(10-5b)自鎖條件：φ≤ρ′(10-7)αβ要自鎖好→α(β)

↑,φ↓(單頭)自鎖性↑自鎖性↓二．非矩形螺紋(10-8)S要效率高→過大，制造困難/\ρ′－當(dāng)量摩擦角,φ－升角η＝有效功／輸入功

＝Ｆa·Ｓ／（Ｆπｄ2）＝Ｆa·πｄ2tgφ/[Ｆa·tg(φ＋ρ′)πｄ2]要自鎖好→α↑φ↓(單);要效率高→α↓φ↑(多)→α↓,φ↑(多頭)φ↑,ρ′↓φη三.效率:當(dāng)勻速上升:聯(lián)接(可靠)→→要自鎖傳動→效率高1.三角形／普通螺紋(M)螺紋(聯(lián)接)＼管螺紋→α＝60°、55°→緊密梯形螺紋Tr→α＝30°,β＝15°鋸齒形螺紋S→β工＝3°,β非＝30°矩形螺紋→α＝０°→α小、φ大→多線螺旋副ρ′↑→α↑φ↓→單線ｎ=1ρ′↓→α↓

φ↑→多線ｎ＞１→α＝60°,β=30°2.傳動螺紋→效率高§10-3機械制造常用螺紋及標(biāo)準(zhǔn)

p.134→緊固→聯(lián)接(單線、α大)(粗,細)§10-4螺紋聯(lián)接基本類型及螺紋聯(lián)接件

p.137C1e普通螺栓圖(10－9,a)鉸制孔用螺栓聯(lián)接圖(10－9,b)一．螺紋聯(lián)接基本類型d0螺栓聯(lián)接

螺釘聯(lián)接圖(10－10,a)雙頭螺柱聯(lián)接圖(10－10,b)緊定螺釘聯(lián)接圖(10－11)螺栓－螺栓；螺釘；雙頭螺柱；緊定螺釘螺母－六角螺母；圓螺母；糟型螺母墊片－墊片；彈簧墊片；斜墊片；球形墊片二．螺紋聯(lián)接件

p.138目的：→防止松動→提高可靠、強度、緊密性T0的大小:擰緊時→

螺紋阻力矩T1:(10-5b)

螺母支持面上的摩擦阻力矩T2T2＝fc·

Fa·rf(10-10)T0＝T1＋T2≈0.2Fad

N·mm(一)擰緊力矩T0→Ｔ0＝Ｔ1＋Ｔ2T0控制、不嚴(yán)格控制ＦS(少－測力矩板手；多－風(fēng)板機)§10-5螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松P.139螺栓→軸向拉力

被聯(lián)接件→軸向壓力鎖緊力ＦSＴ1＝Fd2/2＝Fatg(φ＋ρ’)d2/2（二）螺紋聯(lián)接的防松p.139螺旋副→聯(lián)接(可靠)→擰緊＋自鎖→防松？∵靠摩擦力自鎖→不可靠,∴→防松防松方法：→關(guān)鍵摩擦防松→阻止螺旋副相對轉(zhuǎn)動機械防松不可拆防松彈簧墊片鎖緊螺母對頂螺母→使螺紋接觸面間始終保持一定的壓力(縱向、橫向)→始終有阻止螺旋副轉(zhuǎn)動的摩擦阻力矩。機械防松→利用便于更換的金屬元件來約束螺旋副。不可拆防松→焊、鉚沖、涂粘合劑槽形螺母和開口銷圓螺母用帶翅墊片止動墊片例已知：碳素結(jié)構(gòu)鋼M12螺栓，屈服極限240MPa，螺紋間摩擦系數(shù)f=0.1，螺母與支撐面摩擦系數(shù)fc=0.15，dw=16.6mm,d0=13mm，若使擰緊后拉應(yīng)力達到屈服極限50%求：擰緊力矩；演算其能否自鎖？解：1）求當(dāng)量摩擦系數(shù)及當(dāng)量摩擦角2）求螺紋升角3）求螺桿總拉力Fa4）求擰緊力矩T§10-7螺栓的材料和許用應(yīng)力P.147S－安全系數(shù)→表10-6,7P.148σS－屈服極限→表9-1P.123許用應(yīng)力:材料:2.鉸制孔螺栓聯(lián)接→聯(lián)接受擠壓,螺栓受剪切1)按剪切強度2)按擠壓強度:許用應(yīng)力與材料(鋼、鑄鐵),應(yīng)力(靜、變)有關(guān)。表10-61.普通螺栓聯(lián)接低碳鋼和中碳鋼:力學(xué)性質(zhì)合金鋼:15Cr,40Cr,30CrMnSi表10-5§10-6螺栓聯(lián)接的強度計算(靜)

p.144聯(lián)接要求:不松不滑←聯(lián)接(緊)不斷不潰←螺栓→可靠,自鎖→確定螺紋小徑d1d0(一)螺栓聯(lián)接的失效及設(shè)計準(zhǔn)則(二)螺栓聯(lián)接的強度計算螺栓普通螺栓聯(lián)接→松聯(lián)接聯(lián)(主介紹)緊聯(lián)接(聯(lián)接受)接型式鉸制孔螺栓聯(lián)接→橫軸橫→軸聯(lián)接(緊)→螺栓→設(shè)計準(zhǔn)則:螺栓桿拉潰螺紋的壓潰和剪斷螺紋牙磨損→滑扣→主要失效松、滑在聯(lián)接不松滑的前提下,螺栓桿不破壞(一)螺栓聯(lián)接的失效及設(shè)計準(zhǔn)則失效形式松螺栓聯(lián)接:(10-11)→裝配時不預(yù)緊→螺栓不受力圖10-17二.緊螺栓聯(lián)接:d1:螺紋小徑mm;[σ]:許用拉應(yīng)力Mpa例10-3p.144(自學(xué))→工作時受軸向載荷Fa(二)螺栓聯(lián)接的強度計算(按受力形式)p.144FaFaFaFaFaFa→第四強度理論拉應(yīng)力(Fa)→(10-12)強度條件:[裝配擰緊后→聯(lián)接可受橫向(F)或軸向載荷(FE)]拉Fa扭T1→復(fù)合應(yīng)力→考慮扭剪應(yīng)力σe－當(dāng)量應(yīng)力當(dāng)擰緊時螺栓→拉(Fa)(軸Fa)工件→壓(Fa)扭剪應(yīng)力→(T1)二.緊螺栓聯(lián)接:

p.1421.受橫向工作載荷F的螺栓強度(預(yù)緊)圖10-18FFFFm=1F0F0F0F0F0F0m=2結(jié)合面間的摩擦力不足，在橫向載荷下出現(xiàn)相對滑動→失效當(dāng)C=1.1～1.3,f=0.1～0.15,m=1→F0≥8F①普通螺栓聯(lián)接受橫向工作載荷→需預(yù)緊力大,且可靠性差圖10-19圖10-20dF0≥C·F/m·f分析:②宜加減載措施→┌加鍵,套筒，銷┐→擠壓└采用鉸制孔螺栓聯(lián)接┘剪切1.按剪切強度2.按擠壓強度:2.許用應(yīng)力與應(yīng)力(靜、變)有關(guān);

[σP]與材料(鋼、鑄鐵)有關(guān)。表10－6p.148→聯(lián)接受擠壓,螺栓受剪切注意：1.d0－光桿直徑，d0＞dLmin－桿孔最小接觸長度鉸制孔螺栓聯(lián)接R解:每個聯(lián)接受橫向載荷F=R/2=2000N1.聯(lián)接不松→求預(yù)緊力F02.螺栓不斷→求d1取d=27mm,d1=23.752＞23.38→合適。S=6.5→合適:C=1.1～1.3,取C=1.2F0≥CF/f·m=1.2×2000/(0.15×1)=16000N:取35鋼,不嚴(yán)格控制預(yù)緊力→σs=315Mpa,S=6.5,[σ]=σs/S=315/6.5=48.5MpaP.145手冊p.126例1.用普通螺栓固定一牽引鉤,已知R=4000N,(變載荷)f=0.15,試求螺栓直徑。用鉸制孔螺栓聯(lián)接固定牽引鉤(HT250),板厚h=10mm,已知R=4000N(變載荷),試求螺栓直徑。解:每個聯(lián)接受橫向載荷F=R/2=2000N1.按剪切強度P.145手冊p.1372.按擠壓強度:[σP]

=σB/2.2×0.8=240/2.2×0.8=87.3Mpa(S=2.2)p.123Lmin=h=10mmR10d0→取l=25mm,l0=12mm取d=6mm,d0=7＞6.03mm[τ]=σS/4.5=315/4.5=70Mpal0Lmin例2.M6×25－合適軸向載荷平行螺栓軸心線，各螺栓平均受力螺栓間距l(xiāng)與p有關(guān)

(P.143倒2)→常見壓力容器Z=2(3)×2n各螺栓受拉力為：FE=F∑／Z2.受軸向載荷FE的螺栓強度(預(yù)緊后)p.143★：此時螺栓受預(yù)緊力F0后→又受工作拉力FE?→常見(壓力容器)Fa=F0＋FE;FR=F0－FE預(yù)→螺栓→拉F0緊工件→壓F0FEFEδb0δC0ΔδΔδ×受軸向載荷FE→F0F0δb0F0F0δC0FEFEFEFEFaFaΔδ未預(yù)緊預(yù)緊受FEΔδFaFaFaFaF0F0F0F0F0F0F0F0FRFRFRFRFRFR→伸長δb0→縮短δC0→又伸長Δδ→壓縮量減少Δδ變形協(xié)調(diào)條件：Δδb=ΔδC

=Δδ

螺栓伸長:δb0＋Δδ工件壓縮:δC0－Δδ螺栓拉力↑→總拉力Fa工件壓力↓→殘余預(yù)緊力FR①單個聯(lián)接受力分析:圖10-21ΔδΔFbΔFCFEFRFa力變形F0δC0δb0力變形F0δb0tg－1kb力變形F0δC0tg－1kCk=F/δ→剛度=載荷/變形②單個聯(lián)接載荷與變形線圖:

圖10-23p.144④設(shè)計步驟:聯(lián)接松弛→FR=0螺栓拉潰→σ＞[σ]失效形式:→FR＞0→P.147設(shè)計準(zhǔn)則(1)求單個聯(lián)接的工作載荷FE(2)定殘余預(yù)緊力FR(按工作要求)P.147第12(3)求Fa→螺栓強度計算(定d)

Fa=FR＋FE(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計③失效形式及設(shè)計計算:(2)定殘余預(yù)緊力FR

(1)求單個聯(lián)接的工作載荷FE:∵有緊密要求,∴FR=1.5～1.8FE→取FR=1.8FE

(3)求Fa→螺栓強度計算(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計取45鋼,σS=355Mpa(表9-1)→暫取S=3(不嚴(yán)格控制預(yù)緊力,靜～)→[σ]=σS/S=118MpaC1eD0D取Z=8例10-4:Fa=FE＋FR=2.8FE=11.3kN一鋼制液壓油缸,油缸壁厚為10mm,油壓p=1.6Mpa,D=160mm,試計算其上蓋的螺栓聯(lián)接和螺栓分布圓直徑D0解:取d=16mm,其d1=13.835mm＞12.6mm→合適取S=3(表10-7)(不嚴(yán)格控制預(yù)緊力)→合適D0=D+2e+2×10=218-224mm取D0=220mm螺栓間距L=π·D0/Z=π×220/8=86.4mm＜7d=7×16=112mm(P.146頁的腳注)→滿足要求C1eD0D表10-1(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計:(螺栓分布圓直徑D0－圖10-9aP.139)1.松螺栓聯(lián)接:→裝配時不預(yù)緊→聯(lián)接不受力→工作時受軸向載荷Fa

2.緊螺栓聯(lián)接→復(fù)合應(yīng)力(拉、扭)1)受橫向工作載荷F→不松不滑→預(yù)緊力F0(軸)足夠大F0≥C·F/m·f不斷不潰→定螺栓d1普通螺栓聯(lián)接:

2)受軸向工作載荷FE:螺栓總拉力Fa:Fa=FE+FR求FE→定FR→求Fa→強度定d→結(jié)構(gòu)設(shè)計已知F求d:求F0(不滑)→定d(強度)已知d求F:求F0(強度)→定F(不滑)小結(jié)：§10-8提高螺栓聯(lián)接強度的措施

P.146前言:螺栓聯(lián)接強度螺栓┌靜載荷→└變載荷→(一)降低螺栓總拉伸載荷Fa的變化范圍(二)改善螺紋牙間的載荷分布(三).減小應(yīng)力集中較少破壞疲勞破壞→截面小、且應(yīng)力集中大→破壞位置圖10-24→螺栓強度→措施┌螺栓└被聯(lián)接件65％20％15％當(dāng)FE由(0～FE)→→要使σa↓→kb/(kb+kC)↓→kb↓kC↑1)減小kb→2)增大kC→減小螺栓光桿直徑,空心螺桿(圖10-25)

不宜用軟墊片圖10-27減小kb/(kb＋kC)→但FR減小→不利密封Fa由(F0～)變化(一)降低螺栓總拉伸載荷Fa的變化范圍→σa↓(二)改善螺紋牙間的載荷分布現(xiàn)象:螺紋牙間的載荷分布不均←螺栓螺母受力性質(zhì)不同→1/3載荷集中在第一圈牙上→第8～10牙不受力→增厚螺母無效。使受壓螺母→受拉螺母圖10-28→改善螺紋牙間的載荷分布65％破壞發(fā)生在螺母支承面處原因:措施:65％20％15％支承面平行→加工球形墊片凸臺凹坑→魚眼坑1.減小應(yīng)力集中：2.減少聯(lián)接附加彎曲應(yīng)力┌增大過渡圓角└螺紋收尾→退刀槽(卸載槽)(三).減小應(yīng)力集中:TT§10-9螺旋傳動:

（要求高效率→梯形、鋸齒形、矩形→多線）傳遞動力調(diào)整零件間相對位置螺旋副→傳動實現(xiàn)

將回轉(zhuǎn)運動→直線運動→傳導(dǎo)→傳力→調(diào)整按┌傳導(dǎo)螺旋→傳遞運動為主,高的運動精度用│傳力螺旋→傳力為主,以小T→大的軸向力Fa途└調(diào)整螺旋→調(diào)整零件間相對位置→細牙M主要失效形式：螺紋磨損設(shè)計步驟：耐磨性條件計算出螺桿直徑和長度螺桿強度，穩(wěn)定性，螺紋牙強度校核一.類型:二．設(shè)計：小結(jié):1.螺紋主要參數(shù)及分類，螺紋聯(lián)接基本類型。2.螺旋副→聯(lián)接(可靠)、傳動(效率高)→參數(shù)、牙型的選擇。自鎖條件、效率計算及影響因素。3.螺紋聯(lián)接的擰緊目的及防松方法。4.螺栓聯(lián)接的強度計算(普通)5.提高螺