机械设计课件螺纹联接设计教学课件

q联接概述联接概述q螺纹联接概述螺纹联接概述q螺纹联接的拧紧与防松螺纹联接的拧紧与防松q单个螺栓的受力分析单个螺栓的受力分析 与强度与强度计算计算q螺纹组受力分析与讨论螺纹组受力分析与讨论q提高螺纹联接强度的措施提高螺纹联接强度的措施1 1 螺纹联接螺纹联接联接分类联接分类按按拆开时是否损坏零件拆开时是否损坏零件分分可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。不可拆联接：如焊接、铆接等。不可拆联接：如焊接、铆接等。二、螺纹基本知识二、螺纹基本知识 直径大径d：公称直径。M20d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：牙厚=牙间宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2 螺距p：相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离。线数n：n=1时用于联接；n1时用于传动；n，但为便于制造n4 牙形角：螺纹牙两侧面夹角。1、螺纹的主要参数 中径升角：2arctandnp 导程s：同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。牙侧角:螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角。s=np 2、螺纹的类型右旋左旋螺纹位置：内螺纹螺母；外螺纹螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考：螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等3033060三角形梯形锯齿形矩形螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。0 RtFFFF Ft tF FF FR RF Ft t=F F tgtg(+)+)+nffFF arctgfttt0 tF tt3.3.vtgff cos/，2.2.自锁自锁例例1 1 已知：一普通螺栓，已知：一普通螺栓，d=20mmd=20mm，d d2 2=18.736mm=18.736mm，d d1 1=17.294mm=17.294mm，P=2.5mmP=2.5mm，n=2n=2，=60=60，f=0.14f=0.14。求：求：s s？举升重物的效率？举升重物的效率？有无自锁性？有无自锁性？解：解：S=npS=np=2=2*2.5=5mm2.5=5mm95.4376.185.222 arcdnparctg18.930cos14.0cos arctgfarctgv 4.34)18.995.4(95.4)(tgtgtgtgv%v 有自锁性有自锁性例例2:2:试证明有自锁性的螺旋传动，其效率恒小于试证明有自锁性的螺旋传动，其效率恒小于50%50%。%5022)(tgtgtgtgvv 自锁：自锁：解：解：v2)(2 vtgtg)(121vtgtg （四）、影响效率和自锁性能的几何因素（四）、影响效率和自锁性能的几何因素1.线数线数越多，螺距越大，升角越大越多，螺距越大，升角越大，效率越高，效率越高。)tan(tanv 3.在螺旋传动中，应采用多线、大螺距的螺纹，以提高在螺旋传动中，应采用多线、大螺距的螺纹，以提高传动效率。传动效率。4.在螺纹联接中，应采用单线、小螺距的螺纹，以提高在螺纹联接中，应采用单线、小螺距的螺纹，以提高自锁性能。自锁性能。2.升角越大，自锁性能越差升角越大，自锁性能越差。2tandnp 自锁自锁5.牙型斜角越大，则当量摩擦角越大，效率越低，自锁性牙型斜角越大，则当量摩擦角越大，效率越低，自锁性能越好，所以在螺旋传动中，为了提高效率，采用牙型斜能越好，所以在螺旋传动中，为了提高效率，采用牙型斜角小的螺纹，如矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。角小的螺纹，如矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。6.在螺纹联接中，为了提高自锁性能，应采用牙型斜角大在螺纹联接中，为了提高自锁性能，应采用牙型斜角大的螺纹，如三角形螺纹。的螺纹，如三角形螺纹。vtgff cos/)tan(tanv 自锁自锁 联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等3033060三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。粗牙：一般情况下使用。d d相同，相同，p p小，小，小，自锁性好，小，自锁性好，d d1 1大，强大，强度高，但不耐磨，易滑扣。度高，但不耐磨，易滑扣。用于变用于变载荷场合。载荷场合。细牙：细牙：一、查出下列一、查出下列螺栓的螺距、螺栓的螺距、大径、中径及大径、中径及小径：小径：M10、M101、M12、M121.5、标记：标记：M24 M24 粗牙普通螺纹粗牙普通螺纹 d=24 P=3d=24 P=3 M24 M24*1.5 1.5 细牙普通螺纹细牙普通螺纹 d=24 P=1.5d=24 P=1.5 标记：标记：Tr48Tr48*8 8 梯形螺纹梯形螺纹 d=48 P=8d=48 P=8二、矩形螺纹二、矩形螺纹 ，效率高，制造困难，牙效率高，制造困难，牙 根强度弱。根强度弱。螺栓连接螺栓连接双头螺柱连接双头螺柱连接螺钉连接螺钉连接紧定螺钉连接紧定螺钉连接螺栓连接 普通螺栓连接普通螺栓连接 螺栓杆与被连接件孔壁之间有间隙。通孔加工精度低，螺栓杆与被连接件孔壁之间有间隙。通孔加工精度低，成本低，应用最广。成本低，应用最广。铰制孔用螺栓连接铰制孔用螺栓连接 螺栓杆与被连接件孔壁之间无间隙。孔和螺栓杆多螺栓杆与被连接件孔壁之间无间隙。孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合采用基孔制过渡配合(H7(H7 m6m6、H7H7n6)n6)，能精确定位，能，能精确定位，能承受横向载荷，被连接件需钻孔、铰孔，成本高。承受横向载荷，被连接件需钻孔、铰孔，成本高。双头螺柱连接双头螺柱连接 螺杆两端无钉头，但均有螺螺杆两端无钉头，但均有螺纹，被连接件之一为光孔、纹，被连接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。装配时一另一个为螺纹孔。装配时一端旋入被联接件，另一端配端旋入被联接件，另一端配以螺母。适用于常拆卸而被以螺母。适用于常拆卸而被联接件之一较厚的场合。联接件之一较厚的场合。螺钉连接螺钉连接 被连接件之一为光孔、被连接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。另一个为螺纹孔。适用适用于载荷较轻，且不经常装于载荷较轻，且不经常装拆的场合。拆的场合。紧定螺钉连接 利用拧入被连接件利用拧入被连接件螺纹孔中的螺钉末端顶住螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面，以固定另一零件的表面，以固定零件的相对位置，可传递零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩。不大的力或扭矩。1 1 螺纹联接设计螺纹联接设计一、一、螺纹联接的设计任务螺纹联接的设计任务1、结构设计、结构设计2、参数设计：确定螺纹联接件的尺寸、参数设计：确定螺纹联接件的尺寸（d）螺纹联接的类型螺纹联接的类型螺栓的分布螺栓的分布 （1 1）一般都将接合面设计成对称）一般都将接合面设计成对称的简单几何形状。的简单几何形状。二、螺纹联接的结构设计二、螺纹联接的结构设计目的：合理确定螺栓组的布置形式目的：合理确定螺栓组的布置形式 及接合面的几何形状；及接合面的几何形状；（2 2）螺栓的数目，应取为）螺栓的数目，应取为3 3、4 4、6 6、8 8等易于等分的数目，等易于等分的数目，以便于加工。以便于加工。（3 3）同一组螺栓均采用同样的材料和规格尺寸）同一组螺栓均采用同样的材料和规格尺寸.（4 4）螺栓布置要有合理的距离。在布置螺栓时，）螺栓布置要有合理的距离。在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁之间、螺栓相互之间的距离，螺栓中心线与机体壁之间、螺栓相互之间的距离，要根据扳手活动所需的空间大小来决定。要根据扳手活动所需的空间大小来决定。扳手空间扳手空间F0F0F0F01121031088432dededFdeFF由偏心产生的弯曲应力为：（5 5）避免承受附加弯曲应力。可采用斜垫圈、）避免承受附加弯曲应力。可采用斜垫圈、凸台、沉孔凸台、沉孔。（6 6）要有可靠的防松装置）要有可靠的防松装置1、螺纹联接按自锁条件设计：v。静载下不会自行松脱。2、松动原因冲击、振动、变载荷下温度变化较大时螺旋副摩擦力Ff减小或瞬时消失松动下螺母上螺母螺栓对顶螺母3、防松方法防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：a）摩擦防松自锁螺母弹簧垫圈弹性增压尖端抵住开口销与槽形螺母b）机械防松（直接锁住）开口方向：斜向右下方正确正确不正确不正确注意注意金属丝穿入方向金属丝穿入方向串联金属丝串联金属丝c）破坏螺纹副关系不可拆联接冲点冲点 粘合粘合 焊接焊接性能等级性能等级1、螺栓等：十个性能等级，如：3.6、4.6、4.8、性能等级材料性能如：6.8Bmin/100=6Bmin=600MPa10(smin/Bmin)=8smin=480MPa或smin=(68)10=480MPa低碳钢或中碳钢2、螺母：七个等级，与螺栓性能相配。四、四、螺纹联接的参数设计螺纹联接的参数设计螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接：不拧紧，无预紧力F，仅受工作载荷F紧联接：需拧紧仅受预紧力F同时受预紧力F和工作载荷F1 1、松联接、松联接如：起重滑轮螺栓仅受轴向工作拉力F强度条件：4/21 dFMPa 校核式式中：d1危险截面小径许用应力，=sSs，见表10-5，10-6。41 Fd mm 设计式查手册，选螺栓FRFRb)用受剪螺栓联接Fs/2Fs/2Fs/2FsFs/2FsFR/2FR/22、受剪螺栓假定每个螺栓受载相同，则工作条件：RsFFzzFFRS/剪切计算挤压计算1)失效形式：剪断、接触表面压溃。2)螺栓剪切强度条件4/2dmFsd杆抗剪面直径m抗剪面数目许用剪应力3)挤压强度条件psphdFh对象受压高度；p许用挤压应力，表10-5，10-7；FRFRb)用受剪螺栓联接Fs/2Fs/2Fs/2FsFs/2FsFR/2FR/23 3、靠被联接件接合面间的摩擦力承受外载荷的螺栓联接、靠被联接件接合面间的摩擦力承受外载荷的螺栓联接FRFRa)用受拉螺栓联接FFFFFFFR/2FR/2工作条件：RfsFkzmF zmFkFsRf式中：s 结合面的摩擦系数；z 螺栓个数；m 结合面数目，图中m=2；kf可靠系数（防滑系数）kf=1.11.3；FkzmFfs 若用铰制孔用螺栓联接，若用铰制孔用螺栓联接，Fs=FFs=Fa.按F计算：F为螺栓轴向负荷拉应力4/21dF b.拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭产生T4/)tan(216/2/)tan(21123121dFddddFWTvvTT 对钢制M10M68螺栓：T0.5。c.危险截面上受复合应力（、T）作用强度准则螺栓为塑性材料第四强度理论3.1322 Tv校核式即：4/3.121 dFv1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。3.141 Fd mm 设计式例题10-1：195Dmm已知：一凸缘联轴器，8根螺栓，螺栓中心直径。联轴器传递扭矩T=1.1KN m求：螺栓直径解：8RFF 总总摩擦力F总：2TFD总由于承受横向载荷，是紧螺栓连接由于承受横向载荷，是紧螺栓连接kNFmFkFRsRf463.82.0*12.1 材料用材料用Q235Q235钢，钢，S S=240MPa=240MPa，S=3S=3mmdM835.13161，取mmFd3.13324010463.83.143.1431 3 3、受旋转力矩、受旋转力矩T T的螺栓组联接的螺栓组联接特点：在转矩T作用下，底板有绕螺栓组形心轴线O-O旋转的趋势。横向力普通螺栓铰制孔用螺栓摩擦力承载，各螺栓处产生相等的摩擦力Fs（1）普通螺栓联接工作条件：TkrFrFrFfzsss21ziisfzsfrTkrrrTkF121)(4/3.121 dFv（2）受剪螺栓联接 靠剪切和挤压承载，各螺栓在T作用下受横向力Fs。问题：Fs1=Fs2=Fsz？即Fsi与ri成正比：zszssrFrFrF2211或isisrFrFmaxmax工作条件：Fs1r1+Fs2r2+Fszrz=T变形协调条件：底板视为刚体，ri剪切变形量 FsimaxmaxrrFFissi代入工作条件中：ziizsrTrrrrTrF12max22221maxmax4/2maxmax dFs例 一钢板采用三个铰制孔螺栓联接,下列三个方案哪个最好?F3F3F3FL L2aFL L2aFmax=F3=FL2aF3+F3F3F3FL L2aFL L2aFmax=F1=F3=222231323aLFaFLFF3F3F3FL L3aFl l3aFL L3aFmax=F2=222313)60cos3()60sin303(aLaLFaFLFLF比较：方案一：Fmax=FL2aF3+方案二：Fmax=22313aLF方案三：Fmax=2313aLaLF差谁好？22313aLF2313aLaLF由：a534L=结论：1）当La534时，方案三最好。2）当Ld受剪选M3045号钢，6.8级 Mpa1925.2480 横向载荷，用铰制孔用螺栓。A A、基本假定、基本假定1、各螺栓刚度相同；2、各螺栓F相同；3、变形在弹性范围内；4 靠螺栓自身拉伸变形承受载荷的紧螺栓联接靠螺栓自身拉伸变形承受载荷的紧螺栓联接pFzpDzFF)4(2装配时，螺母需拧紧，螺栓受F和T1作用;加载后，F F0 0=FF+F F？螺栓总拉力：工作拉力工作拉力F F：a、未拧状态b、拧紧状态Fc、工作状态FB、变形受力过程：无变形 F 12+F 1+12-2变形协调条件：1=2=各力定义1、预紧力F（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、螺栓工作拉力F0 总拉力3、工作载荷F（对螺栓联接施加的外载荷）4、F”剩余预紧力。静力平衡条件：F0=F+F”即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。上述过程还可通过力变形图表示1 12 2变形变形力力力力 1 1 2 21 12 2变形变形力力螺栓刚度：111/tan Fc 222/tan Fc 被联件刚度：在合并图中：1101cFFFcFF 22cFF FcccFF 212FcccFFFF 2110求总拉力即：螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷。由于21两图合并1 12 21 12 2变形变形力力讨论：1、211ccc螺栓相对刚度系数当F、F一定时，2110cccF 为螺栓受力211ccc应使（0，1）C1减小使用空心螺栓；减小螺栓直径；C2加大，在被联接件接合面间加装刚性大的垫片(P128.表10-3）同理，考虑扭转作用，强度条件为：校核式4/3.1210 dFv3.1401 Fd mm 设计式2、0 F：不出现缝隙。(由FcccFF 212验算)(F按P128.表10-4选取）4 4、受翻转力矩、受翻转力矩MM（倾覆力矩）（倾覆力矩）的螺栓组联接的螺栓组联接特点：在M作用下，底板有绕螺栓组形心轴翻转的趋势。作用M前：各螺栓受相同F作用M后：左侧：F拉(不均匀)，右侧：F压(不均匀)ssoo工作条件：MrFrFrFzz2211变形协调条件：maxmax2211rFrFrFrFzzziizrrMrrrrMF12max22221maxmax其它条件：左侧不出现缝隙FcccFFFF 21104/3.1210 dFv右侧边缘不压溃0min WMAFZp maxPpWMAFZ 【p】：接合面材料的许用挤压应力例1、图示底板用8个普通螺栓与支架相连，受外力Q作用，Q作用于 包含X轴并垂直于底板接缝面，试计算此螺栓组联接。（=30）解：解：（一）受力分析（一）受力分析QQHQH=QcosQVQV=QsinHMHQHH=QcosMH=H300VMVQVV=QsinMV=V400H=4330N，V=2500N，M=MH-MV=299000N mm1、受力最大螺栓轴向载荷a、FV=V/z=2500/8=312.5N（每个螺栓受V作用相同）b、M作用，离形心越远受力越大NMrrMFiiM299)100200(420022812maxmaxc、最大工作载荷NFFFMV5.611maxmax2、确定螺栓的预紧力a）保证结合面不滑移HkzFfs 又：zVcccFF 212)(1212VcccHkzFsf=5662.5N8.0212ccc取：kf =1.3s=0.13b、左侧不出现间隙：0212 WMAFzWMAzVcccFzp 螺栓拧紧并承受轴向载荷H后，剩余预紧力在结合面产生的挤压应力。翻转力矩对挤压应力的影响06.03.06.2993.06.0)825008.0(82 Fp NF623 C、接合面右侧不压溃：PpWMAFz 铸铁：p=60Mpa600000006.03.06.2993.06.0)825008.0(82 Fp NF1349876 NF5.5662 螺栓总拉力)2.0(8.5784211max2110cccNFcccFF3、螺栓直径：)(23.103.1401mmFd 选Q215，性能等级为4.8级。)(4.915.3320Mpa 选M12一、螺旋传动的组成与功用组成：螺杆与螺母功用：将回转运动转变为直线运动二、螺旋传动的类型和特点1、螺旋传动按用途，可分为以下三种类型:1）传动螺旋 用途：传递动力，以小转矩产生 大轴向力，要求自锁 特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁 2）传导螺旋机床进给丝杠 用途：传递运动，要求有较高精度 特点：速度高、连续工作、精度高3）调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。用途：调整和固定零件间的相互位置 特点：是受力较小且不经常转动2、按传动形式分：a)螺杆转螺母移 b)螺杆又转又移（螺母固定）用得多 c)螺母转螺杆移 螺杆螺杆螺母（旋转）螺母（旋转）3、按照螺纹副的摩擦性质分类1）滑动螺旋传动2）滚动螺旋传动3)静压螺旋传动优点：结构简单、制造方便、传动平稳、噪声小，自锁。缺点：磨损大、效率低。优点：摩擦损失比滑动螺旋小，故而效率高；缺点：滚动体需要返回通道，体积大，制造成本高。优点：传动摩擦损失和磨损都很小，效率很高；缺点：需要有一套油路装置，结构复杂。螺旋面间注入静压油，为液体摩擦状态。螺旋面间装有滚动体的螺旋传动，为滚动摩擦状态.螺杆与螺母直接接触，彼此间为滑动摩擦状态.反向器反向器螺旋传动3三、滑动螺旋传动的设计计算主要失效形式:螺纹牙的磨损，螺杆断裂，螺纹牙根剪断或弯断 设计准则：按抗磨损确定直径，选择螺距校核螺杆、螺母强度等。设计方法和步骤：1耐磨性计算 滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力，其强度条件：22phHdFPhzdFp 设计公式：令2dH则得：2phFPd5.32.1一般值越大，螺母越厚，螺纹工作圈数越多。式中:Ph5.030锯齿形螺纹Ph75.0矩形和梯形螺纹螺纹工作高度 z螺旋传动423122122)2.03)4(3dTdFca（ca 依据计算出的螺纹中径，按螺纹标准选择合适的直径和螺距。验算：10 PHz若不满足要求，则增大螺距。对有自锁性要求的螺旋传动，应校核自锁条件：2螺杆的强度计算 对于受力比较大的螺杆，需根据第四强度理论求出危险截面的计算应力：螺杆的强度条件：vvffarctancosarctan 式中，F为螺杆所受的轴向压力（或拉力），T为螺杆所受的扭矩，v DbzF6b2b zDbFl3螺母螺牙的强度计算螺牙上的平均压力为：F/z其危险截面 a a 的剪切强度条件和弯曲强度条件分别为：F/u D D2aa z22DDl 圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，经多次装拆会降低定位精度和可靠性。一、销的基本型式一、销的基本型式 圆锥销具有1:50的锥度，安装方便，定位精度高。开尾圆锥销在联接时的防松效果好，适用于有冲击、振动的场合的联接。端部带螺纹的圆锥销可用于盲孔或拆卸困难的场合；槽销上有辗压或模锻出的三条纵向沟槽，将槽销打入销孔后，由于材料的弹性使销挤压在销孔中，不易松脱，因而能承受振动和变载荷。联接销：用于联接，可传递不大的载荷安全销：安全装置中的过载剪断元件定位销：确定相对位置根据用途不同可分为：