项目四螺纹连接及设计.ppt

1,项目四 螺纹联接及设计,机械设计基础联接,任务：能根据客户给定的条件设计螺纹 1制定螺纹设计的设计方案。2合理选用材料。3采用估算法设计螺纹直径，并进行 强度校核。,2,能力目标：A2.能够运用技术资料（如国家标准、相关设计手册、图册），会选用标准零件；A3.能根据客户要求，用现代方法-CAD进行通用零件、专用机械零部件的设计；A4.能够对设计的通用零件进行强度校核计算；A5具备机械设备使用、维护管理和故障分析的能力；知识目标：K2.熟悉常用机构的工作原理、组成、分类、特点及应用场合；K3.掌握常用机构设计的基本方法；K4.理解有关机械设计计算的基本理论；K5.掌握机构的结构、运动特性、机械动力学的基础知识；K6.掌握通用零件的工作原理、特点、组成、分类及应用场合；其他素质：Q1.领悟并执行7S管理，使学生具备职业素养Q2.具有主动参与、积极进取、崇尚科学、实事求是的学习态度和思想意识Q3.具有的科学态度和辩证思维能力和创新精神Q4.培养良好的职业道德和正确的设计思维方式Q5.培养创新意识和解决实际问题的能力Q6.具有良好的团队合作精神与竞争意识,3,4-1 总 论,静联接,动联接运动副,机械设计基础联接,与动力源组合,零件,构件,机构,机器,静联接,动联接,(运动副),可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等,不可拆联接：铆接、焊接、胶接等,联接,4,一、螺纹的主要参数,1 螺纹形成螺旋线形成：倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线螺纹形成：平面图形沿螺旋线形成三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹螺旋线的数目(线数):单线、多线,机械设计基础联接,旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋问题：旋向判断？粗牙螺纹 一般联接细牙螺纹 d1大、强度大、自锁性好，常用于变载,联接,传动,5,螺纹旋向判断,旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋旋向判断:(1)轴线垂直放，右边高右旋 左边高左旋,机械设计基础联接,(2)右手旋，前进右旋 左手旋，前进左旋,6,2 主要参数,大径d、D：最大直径公称直径小径d1：外螺纹的危险剖面直径 强度直径中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等 计算直径螺距P：相邻两牙轴向距离导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S=nP,机械设计基础联接,升角y：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角牙型角a：螺纹两侧边的夹角,d1,D,d,7,用于联接 三角形螺纹：普通螺纹（紧固联接）管螺纹（紧密联接）用于传动 梯形螺纹 锯齿形螺纹,二、机械制造常用螺纹,8,普通螺纹 我国国家标准中，把牙型角60o的三角形米制螺纹称为普通螺纹。,粗牙螺纹和细牙螺纹 同一公称直径的螺纹可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。一般情况下的联接都应选择粗牙螺纹。,9,细牙螺纹的特点 小径大,螺距小,螺纹升角小,所以自锁性好,强度高,但不耐磨,易滑扣。它适用于薄壁零件、受动载荷的联接、微调机构及管道密封。,粗牙螺纹与细牙螺纹的区别：,10,管螺纹 用于需要密封气、液管道。管螺纹分类 非螺纹密封的管螺纹（55o）螺纹密封的管螺纹（55o）60o圆锥管螺纹（60o）,11,梯形螺纹 一般用于传动.55o。效率较低,但克服了矩形螺纹的缺点，应用广泛。锯齿形螺纹 一般用于传动.效率高,强度大,单向传动。矩形螺纹：实际中很少使用。,12,1.螺纹联接的基本类型,螺栓联接普通螺栓联接铰制孔螺栓联接双头螺栓联接螺钉联接紧定螺钉其它联接：地脚螺栓、吊环螺钉,螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择,机械设计基础联接,四、螺纹联接件主要类型,13,螺栓联接,普通螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合,铰制孔螺栓联接特点：孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合,机械设计基础联接,14,双头螺栓、螺钉联接,双头螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合,螺钉联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：被联接件之一较厚，且不常装拆的场合,机械设计基础联接,15,紧定螺钉联接,适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力,锥端螺钉联接平端螺钉联接圆柱端螺钉联接,机械设计基础联接,16,其他联接,地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T形槽螺栓联接,机械设计基础联接,17,2.标准螺纹联接件螺栓普通螺栓 铰制孔螺栓双头螺栓螺钉联接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈,螺纹联接件通过组合形成螺纹联接,机械设计基础联接,18,1.螺栓联接,一、螺纹连接的类型,7.2螺纹联接预紧与防松,19,拧紧目的：提高螺栓联接刚性、紧密性、紧固性要求；以及防松,拧紧力矩和预紧力,预紧：安装时将螺母拧紧，使联接受到一定的预紧力。,螺纹间摩擦力矩,支承面处与螺母间摩擦力矩,拧紧力矩T,螺纹连接的预紧及其控制,螺纹连接,T2=fc F rf,所以：T=T1+T2=KFd,20,F/预紧力;d2螺纹中径;/当量摩擦角;,fc螺母与被联接件支承面间摩擦系数,无润滑时取fc0.15；rf支承面摩擦半径rf(D1+d0)/4；,式中,D1、d0螺母支承面的外径、内径。,螺纹连接,注意：对于重要的联接，尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,简化计算：对M10M68的粗牙普通螺纹 取 f/=tg/=0.15，fc0.15,得：T0.2Fd N.mm,21,控制拧紧力矩方法,1）拧紧程度通常由经验控制,螺纹连接,22,使用测力矩扳手 测力矩扳手原理：利用弹性件的变形量正比于拧紧力矩的原理，借助手柄上的指针指示刻度扳上拧紧力矩值,以控制F。,使用定力矩扳手 定力矩扳手原理：当拧紧力矩超过规定值时，弹簧压缩，卡盘与圆柱销之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘不再回转，拧紧力矩的大小可用螺钉调整弹簧压力来加以控制。,螺纹连接,23,1、螺纹联接多采用单线普通螺纹，一般都具有自锁性；2、在静载荷和工作环境温度变化不大的情况下不会自动松脱。但在振动、冲击、变载荷或温度变化很大时，3、联接就有可能松脱。为保证联接安全可靠，设计时必须考虑放松问题。,防松方法：摩擦防松 机械防松永久止动,螺纹连接的防松,螺纹连接,24,4.2螺纹联接预紧与防松,螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动螺纹联接防松的方法按工作原理可分为:1 摩擦防松2 机械防松3 其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）,机械设计基础联接,25,1 摩擦防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,弹簧垫圈防松、对顶螺母(双螺母)防松,机械设计基础联接,26,对顶螺母防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,对顶螺母防松,机械设计基础联接,27,2 机械防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,开口销、止动垫圈、串联钢丝防松,机械设计基础联接,螺栓,开槽螺母,开口销,装配图,28,止动垫圈防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,机械设计基础联接,29,串联钢丝防松,机械设计基础联接,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,30,3 其它：破坏螺纹副关系,焊接,铆冲,机械设计基础联接,31,一次性使用的方法,32,4.3 螺栓联接的强度计算,松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力,1 失效形式2 设计步骤3 松螺栓联接强度设计4 紧螺栓联接强度设计仅受预紧力的紧螺栓联接受横向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接受偏心载荷的紧螺栓联接,机械设计基础联接,螺栓组联接,33,1 失效形式,失效形式：1.螺栓杆拉断（普通螺栓）2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）3.经常装拆因磨损而发生滑扣,普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切,机械设计基础联接,34,2 设计步骤,一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓 单个螺栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）,试算法：先选定一个螺栓直径d 查计算d1。若d1与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选,机械设计基础联接,35,3 松螺栓联接强度设计,受载荷形式轴向拉伸(工作拉力F)失效形式螺栓拉断(静、疲劳)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件：ss 设计计算方法：校核式:,设计式:,机械设计基础联接,36,例题已知：吊钩上的载荷Fa=25kN,材料为35钢,许用拉应力=60 N/mm2。确定螺纹,解:,查表得出：螺纹 M27 的d=27mm,d1=23.752mm，略大于所求的小径，合适。因此吊钩的螺纹可用 M27。,根据设计公式,37,4 紧螺栓联接强度设计,(1)仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式拧紧后:轴向拉伸(工作拉力Fs)拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T失效形式螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件：ss 设计计算方法：,校核式:,机械设计基础联接,拧紧力矩T剪应力,预紧拉力FS拉应力,设计式:,38,（2）受横向载荷的螺栓联接A 普通螺栓联接抵抗横向载荷的作用力 结合面内的摩擦力决定摩擦力的因素 螺栓的预紧力、接合面摩擦系数,39,mF0f CF F0 CF/mf其中 m：接合面 C：可靠性系数（C=1.1-1.3)f:摩擦系数（0.15-0.2）针对常用材料的计算当 f=0.15，C=1.2，m=1 时 F0 7F 只靠摩擦力来承担横向载荷时，要求予紧力相当大，螺栓尺寸也将较大，不可靠，所以我们应避免采用此机构。一般采用减载装置。加装键、销或套筒承担横向载荷。,40,减荷措施 减荷销 减荷套筒 减荷键,螺栓起联接作用，载荷由减荷销、套筒、键承担减荷销、套筒、键的计算 按剪切和挤压进行强度核算（材料力学）,41,(3)受轴向静载荷的紧螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T工作时，再承受工作载荷F此时，螺栓所受的总拉力:F0=FS+F?,机械设计基础联接,须根据静力平衡方程和变形协调条件求解,42,受力和变形关系,变形协调条件:l1=lb=l,机械设计基础联接,F0F+FSF0=F+FS,预紧FS,受载F,螺栓,被联接件,拉力FS，伸长l1,压力FS，压缩lb,拉力F0,伸长l1+l1,压力FS,压缩lb-lb,未预紧,未受力、无变形,未受力、无变形,43,一般要求 Fs=(0.2-1.8)F,紧螺栓联接对残余预紧力FR的要求:保证被联接件的接合面不出现缝隙。当F没有变化时，Fs(O.2-0.6)F；当F有变化时，Fs(0.6-1.0)F；有紧密性要求的联接(如压力容器)，Fs(1.5-1.8)F。,44,受轴向静载荷螺栓强度计算,螺栓受到的总拉力F0=F+FS则螺栓强度计算公式：,机械设计基础联接,校核式:,设计式:,45,（4）受剪螺栓连接,铰制孔用螺栓的计算 按剪切和挤压进行强度核算。,46,其中p、和S表7.8 减载装置的强度计算公式与铰制孔的螺栓其强度相同。,剪切强度,挤压强度,螺栓受剪切力和挤压力,47,螺栓组联接的基本受载类型：,假设：所有螺栓的刚度和预紧力均相同；被联接件为刚体；各零件的变形在弹性范围内。,4.4 螺栓组连接的受力分析与设计,48,5-4 螺栓组联接受力分析,一、承受轴向载荷的螺栓组连接,如图所示为压力容器的螺栓组连接，所受轴向总载荷FQ通过螺栓组形心，螺栓组各螺栓所受的工作载荷 相等。,螺栓数目,注：如 FQ不通过螺栓组的形心，应向形心平移后再计算。,螺栓组连接的设计,轴向外载荷,受轴向载荷的螺栓组连接,49,受横向载荷1,二、承受横向载荷的螺栓组连接,.普通螺栓连接,螺栓预紧后在被联接件的接触面上产生正压力，靠由此产生的摩擦力承受。,保证被联接件不相对滑动，须满足：,则所需预紧力为,螺栓组连接的设计,受横向载荷的螺栓组连接,50,受横向载荷2,.受铰制孔螺栓连接,各螺栓承受的横向力 相等。,分别进行剪切强度和挤压强度计算。,螺栓组连接的设计,三、承受转矩 T 的螺栓组连接,连接受载后有绕螺栓组形心转动的趋势，螺栓受力情况与承受横向工作载荷的螺栓连接类似,承受转矩的螺栓组连接,51,承受转矩 T 时1,.普通螺栓连接,靠结合面上的摩擦力承受T。,螺栓组连接的设计,r1、r2、rz各螺栓中心与螺栓组形心间的距离。,52,承受转矩 T 时2,.铰制孔螺栓连接,各螺栓所受的工作剪力 与其中心到底板中心的距离 成正比。,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作剪力,即,螺栓组连接的设计,53,受翻转力矩M时1,四、承受倾翻力矩 M 的螺栓组连接,在 M 作用下，底板有绕通过螺栓组形心的轴线 O 转动的趋势。,在前述假设下，各螺栓所受的工作拉力 与其中心到翻转轴线的距离 成正比。,底板的静力平衡方程为,联立两式求解，得最大工作拉力,螺栓组连接的设计,54,受翻转力矩M时2,为防止结合面受压最小处出现间隙，要求：,为防止结合面受压最大处被压溃，要求：,式中：A结合面的面积（mm2）,W结合面的抗弯截面模量（mm3）,许用挤压应力（Mpa）,实际中，螺栓组往往同时承受两种或两种以上的载荷。,螺栓组连接的设计,工作时承受外载荷FP,轴向载荷FV横向载荷FH 翻转力矩M,55,4.5螺栓材料和许用应力,材料：一般用途：低碳钢或中碳钢(3545及Q235Q275)重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi）国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：小数点前数字表示sB/100,小数点后数字表示10sS/sB如：5.8级：表示sB=500MPa，sS=400MPa许用应力：表7-1,机械设计基础联接,计算螺栓小径时采用试算法来选用,56,已知：一钢制液压油缸，油缸壁厚t为10mm，油压P=1.6MPa，D=160mm，计算螺栓联接和螺栓分布圆直径。解：1 计算工作载荷FE，取螺栓Z=8。,57,2 求总拉力 Fa=FE+FR=FE+1.8FE=2.8FE=2.84.02=11.3kN3 求螺栓直径 s=355MPa(选取45号钢)S=3(装配时不要求严格控制预紧力)=s/S=355/3=118MPa 计算出螺栓小径,查附表7-1(P108)M=16，再查表7.9(P96)，S=3是正确的.,58,由P143注释可知，当p1.6MPa时,要求l7d，可知取的D0和Z是合适的.,4 确定螺栓的分布圆直径:从P137图10-9可得螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(3-6)=19-22 螺栓的分布圆直径 D0=D+2t+2e=160+210+2(19-22)=218-224 取D0=220mm螺栓间距,59,4.6 提高螺栓联接强度的措施 降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围；改善螺纹牙间的载荷分布；减少应力集中；避免或减少附加应力；采用塑性加工工艺。,60,一、降低螺栓总拉伸载荷Fa措施1 从减少螺栓的刚度的角度 减小螺栓光杆部分直径；采用空心螺杆；增加螺栓的长度。2 从增大被联接件的刚度的角度 密封时采用金属薄垫片；采用O形密封圈。,61,二 改善螺纹牙间的载荷分布 采用普通螺母时，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的。第一圈受载最大；以后各圈递减；到第8-10圈以后，螺纹几乎不受载荷。,错误：采用圈数多的厚螺母提高联接强度,62,改善螺纹牙间的载荷不均匀分布的措施 采用悬置(受拉)螺母（螺母锥形悬置段与螺栓杆为一起变形）采用环槽螺母,63,三 减少应力集中 增大过渡处园角；切制卸载槽。,64,四 避免或减少附加应力 不平整的表面；被联接件刚度不足；偏心钩头螺栓。,65,措施：支承面加工凸台、沉孔；采用斜垫片；加垫块或套筒。,66,五 采用塑性加工工艺 采用冷镦头部和辗压螺纹；采用表面硬化处理（如碳化、氮化和氰化）。,67,4.7 螺旋传动 螺旋传动主要是把螺旋运动改变成为直线运动。螺旋传动的分类 传力螺旋、传导螺旋、调整螺旋,68,1 传力螺旋 以传递动力为主，要求用较小的力矩转动螺杆(或螺母)而使螺母(或螺杆)产生轴向运动和较大的轴向力。典型应用 如起重和加压设备。,69,2 传导螺族 以传递运动为主，要求有很高的运动精度。典型应用 机床刀架或工作台的进给机构。,70,3 调整螺旋 调整并固定零件或部件之间的相对位置。典型应用 调整带传动的初拉力。,71,螺杆和螺母的材料 螺杆 一般可用Q275、45、50；重要的用T12、40Cr、65Mn，要热处理；螺母 铸造锡青铜ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb1Zn5；重载低速用高强度铸铝青铜ZCuAl10Fe3；低速轻载可用铸铁。,72,螺旋传动的失效形式 主要是螺杆螺纹磨损。还可能有螺杆在拉压塑性变形、螺杆失稳、螺纹牙剪断。螺旋传动的设计过程 1 设计螺杆的直径和螺母高度(耐磨性计算)2 螺杆强度校核 3 螺杆的稳定性校核 4 螺纹牙强度校核,73,1 耐磨性计算 通常限制压强p。,校核公式,引入系数,设计公式,梯形螺纹,锯齿形螺纹,74,2 螺杆强度校核 受拉、受扭要根据第四强度理论校核,75,3 螺杆的稳定性校核根据柔度计算临界载荷,其中：l 螺杆的最大工作长度，长度系数，I 螺杆危险截面惯性半径,100时,40100时,470MPa的优质碳素钢,370MPa的碳素钢,40时，不要进行稳定性校核,76,校核公式,四、螺纹牙强度校核,校核公式,77,4.8 键联接,一、键联接的分类及结构二、键的强度校核三、花键联接,机械设计基础联接,78,一、键联接的分类及结构,目的：键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩（静联接），或实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接）它是标准件分类：,机械设计基础联接,键联接,松联接,紧联接楔键（静联接，单向轴向固定）,平键,半圆键（静联接）,普通平键（静联接）,导向平键（动联接）,花键,79,1 松联接,（1）平键联接结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩,失效形式:静联接：工作面挤溃，键剪断动联接：工作面磨损特点：结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛成对使用:承载能力不够时采用,按 180布置两个键。一对平键按1.5 个键计算,机械设计基础联接,80,平键分类,普通平键(圆头)型：立铣刀，键定位好，轴应力集中大(平头)型：盘铣刀，轴向键无定位，应力集中小(单圆头)型：立铣刀加工，用于轴端,导向平键键固定于轴上,滑移距离小,机械设计基础联接,81,(2)半圆键联接,结构:工作原理:两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩构造与加工:键:用圆钢切制或冲压后磨削键槽:盘状铣刀加工,失效形式:键剪断,工作面压溃特点:便于安装,对中好,用于锥形轴端,但对轴削弱大成对使用:承载能力不够时用,沿同一母线布置,机械设计基础联接,82,2 紧联接,楔键联接结构:键侧与键槽有间隙,上下面楔紧工作原理:上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩方头楔键、钩头楔键、圆头楔键,失效形式:工作面压溃特点:简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定楔紧产生偏心,对中性差,不适于高速及对中要求高的场合,机械设计基础联接,83,二、键的强度校核,1 键的选择键是标准零件：p109 表7-2材料多采用碳素钢键的类型选择根据使用要求和工作条件:转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性键的尺寸选择（同时确定配合类型）:工作要求 键的种类按轴径d选键的b、h选键长L(标准;短于轮毂宽度),机械设计基础联接,84,2 键的强度校核,静联接:压溃挤压强度,键被剪断剪切强度,机械设计基础联接,圆头:ls=L-b平头:ls=L单圆头:ls=L-b/2,sp 查表7-3一般不会发生键的剪断，故一般不作剪断强度校核,85,三、花键联接,特点：受力较均匀，应力集中小，承载能力大对中性好，导向性好，精度高需专门设备和工具,成本高结构:轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合,构成花键联接,机械设计基础联接,工作原理:键侧是工作面，靠键侧面与键槽挤压传递转矩,