机械设计-联接课件

第十章第十章 连连 接接静联接静联接动联接动联接运动副运动副与动力与动力源组合源组合零件零件构件构件机构机构机器机器静联接静联接动联接动联接(运动副运动副)可拆联接：可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等螺纹联接、键联接、销联接等不可拆联接不可拆联接：铆接、焊接、胶接等：铆接、焊接、胶接等联联接接螺螺 纹纹 联联 接接10-1、螺纹参数10-2、螺旋副的受力分析、效率和自锁10-3、机械制造常用螺纹10-4、螺纹联接基本类型及螺纹紧固件10-5、螺纹联接的预紧和防松10-6、螺栓联接的强度计算10-7、螺栓的材料和许用应力10-8、提高螺纹连接强度的措施10-1、螺纹参数v螺旋线形成：螺旋线形成：倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线v螺旋线参数螺旋线参数:线数、旋向、螺距、升程、螺旋角线数、旋向、螺距、升程、螺旋角 d2SP v螺纹形成：螺纹形成：平面图形沿螺旋线形成的轨迹平面图形沿螺旋线形成的轨迹 三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹v螺纹旋向判断：螺纹旋向判断：(1)轴线垂直放轴线垂直放 右边高右边高右旋右旋 左左边高边高左旋左旋 (2)右手右手旋，前进旋，前进右旋右旋 左手左手旋，前进旋，前进左旋左旋螺纹旋向判定螺纹旋向判定螺纹线数判定螺纹线数判定螺纹主要参数：螺纹主要参数：v大径大径d：最大直径最大直径公称直径公称直径v小径小径d1：危险剖面直径危险剖面直径计算直径计算直径v中径中径d2：假想直径，牙型沟槽宽与牙假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等的宽度相等v螺距螺距P：相邻两牙轴向距离相邻两牙轴向距离v导程导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，的轴向距离，S=nPv升角升角y y：螺纹与其轴线的垂直面的夹角（按中径计算）螺纹与其轴线的垂直面的夹角（按中径计算）v牙型角牙型角a a：螺纹两侧边的夹角螺纹两侧边的夹角d1dd2斜面受力分析：斜面受力分析：分析使滑块等速运动所需要的水平力分析使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：等速上升：v平衡条件：平衡条件：v驱动力：驱动力：等速下滑：等速下滑：v平衡条件：平衡条件：v维持力：维持力：FQRy+r vQFNfNvFQ RRQFFNfNrRr10-2、螺旋副的受力分析、效率和自锁自锁条件：自锁条件：当当 时，时，F 0，原工作阻力原工作阻力F反向作用，作为驱动力时，反向作用，作为驱动力时，滑块才能移动滑块才能移动结论：结论：当当 时，滑块自锁时，滑块自锁 vRQFFNfNr一、一、矩形螺纹矩形螺纹F Fa ad2dd1 s=n pvrFRnnFF Fa a 拧紧力拧紧力拧紧力矩拧紧力矩防松力防松力防松力矩防松力矩自锁条件自锁条件 效率效率二、非矩形二、非矩形形形螺纹螺纹槽槽面摩擦：分析推动面摩擦：分析推动V型滑块所需的力型滑块所需的力fv当量摩擦系数当量摩擦系数：122Fv1FfQ比较平面摩擦：比较平面摩擦：QFvNFfQQN/2N/2QQNN 900-900-拧紧力拧紧力拧紧力矩拧紧力矩防松力防松力防松力矩防松力矩 效效 率率自锁条件自锁条件 v 当当 V不变时，不变时，与与的的关系如图。关系如图。取：取：得：得：=45-V 常取常取25左右。左右。太大会引起制造困难，太大会引起制造困难，且效率增高也不显著且效率增高也不显著。QQNN 900-900-当量摩擦角当量摩擦角?10-3、机械制造常用螺纹从压形划分：从压形划分：1.三角形螺纹三角形螺纹 (M)普通螺纹普通螺纹:60，f V大，易自锁大，易自锁 粗牙粗牙:牙高牙高,d1小小,大大 细牙细牙:牙浅牙浅,d1大大,小小,更易自锁更易自锁 管螺纹管螺纹:55，紧密紧密,无径向间隙无径向间隙2.梯形螺纹梯形螺纹(Tr)：30、153.锯齿形螺纹锯齿形螺纹(S)：33、工工34.矩形螺纹矩形螺纹 ：从使用划分：从使用划分：联接螺纹：联接螺纹：普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制英制)（小，单线，自锁好）小，单线，自锁好）传动螺纹：传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹（小、小、大，多线，效率高）大，多线，效率高）10-4、螺纹联接基本类型及螺纹紧固件一、一、标准螺纹联接件标准螺纹联接件螺栓：螺栓：普通螺栓普通螺栓 铰制孔螺栓铰制孔螺栓双头螺栓双头螺栓螺钉：螺钉：联接螺钉联接螺钉紧定螺钉紧定螺钉自攻螺钉自攻螺钉螺母螺母：六角螺母六角螺母圆螺母圆螺母垫圈垫圈：平垫圈平垫圈弹簧垫片弹簧垫片斜垫圈斜垫圈止动垫圈止动垫圈螺纹联接件螺纹联接件通过组合形成通过组合形成螺纹联接螺纹联接二、螺纹联接的基本类型二、螺纹联接的基本类型普通螺栓联接普通螺栓联接特点：特点：孔与杆间有间隙、被联接件孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：适用场合：经常装拆的一般场合经常装拆的一般场合铰制孔螺栓联接铰制孔螺栓联接特点：特点：孔与杆间无间隙、被联接件孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：适用场合：承受横向载荷的场合承受横向载荷的场合1、螺栓联接螺栓联接2 2、双头螺栓联接、双头螺栓联接特点：特点：孔与杆间有间隙、被联接件孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：适用场合：用于被联接件之一较厚、用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合经常装拆的场合机械设计基础联接3 3、螺钉联接、螺钉联接特点：特点：孔与杆间无间隙、被联接件孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：适用场合：被联接件之一较厚，且被联接件之一较厚，且不常装拆的场合不常装拆的场合4 4、紧定螺钉联接、紧定螺钉联接适用场合：适用场合：v多用于轴上零件的固定，多用于轴上零件的固定，传递较小的力传递较小的力v锥端螺钉联接锥端螺钉联接v平端螺钉联接平端螺钉联接v圆柱端螺钉联接圆柱端螺钉联接5 5、其他联接、其他联接v地脚螺栓联接、地脚螺栓联接、吊环螺栓联接吊环螺栓联接、T形槽螺栓联接形槽螺栓联接一、一、拧紧拧紧力矩力矩拧紧力矩拧紧力矩 T：？v螺旋副间的摩擦力矩螺旋副间的摩擦力矩 T1 v螺母与支承面间摩擦力矩螺母与支承面间摩擦力矩 T2 v施加在扳手上的力施加在扳手上的力FTT1T210-5、螺纹联接的预紧和防松控制控制拧紧拧紧力矩力矩的的扳手扳手定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手测力矩扳手二、螺纹联接的防松为什么要防松为什么要防松:静载荷：静载荷：v(自锁自锁)+预紧后摩擦力预紧后摩擦力防止松动防止松动动载荷：摩擦力减小、消失动载荷：摩擦力减小、消失不可靠不可靠防松的实质防松的实质:限制螺旋副的相对转动限制螺旋副的相对转动分类分类(按工作原理分按工作原理分):摩擦防松摩擦防松机械防松机械防松其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）1、摩擦防松摩擦防松v使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻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止螺旋副转动的摩擦阻力矩 弹簧垫圈弹簧垫圈 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母对顶螺母防松对顶螺母防松2、机械机械防松防松v用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对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转动的可能性开口销开口销螺栓螺栓开槽螺母开槽螺母开口销开口销装配图装配图止动垫片、带翘垫片止动垫片、带翘垫片防松防松串联钢丝防松串联钢丝防松3、其它：、其它：v焊接焊接v铆冲铆冲v粘结粘结10-6、螺栓联接的强度计算松螺栓联接：松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力有预紧力，还有工作拉力螺栓组联接螺栓组联接失效形式：失效形式：1.螺栓杆拉断（普通螺栓主要失效形式）螺栓杆拉断（普通螺栓主要失效形式）2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓主要失效形式）螺纹压溃和剪断（受剪螺栓主要失效形式）3.经常装拆因磨损而发生滑扣经常装拆因磨损而发生滑扣一、一、松松螺栓联接螺栓联接受载形式受载形式轴向拉伸轴向拉伸(工作拉力工作拉力Fa)失效形式失效形式螺栓拉断螺栓拉断(静、疲劳静、疲劳)设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度强度条件：强度条件：设计计算方法：设计计算方法：校核式校核式:设计式设计式:FaFa二、二、紧紧螺栓联接强度设计螺栓联接强度设计1、受横向工作载荷的紧螺栓联接、受横向工作载荷的紧螺栓联接1）普通螺栓）普通螺栓受载形式受载形式预紧力预紧力 Fa、扭矩扭矩T失效形式失效形式螺栓拉断螺栓拉断(拉、扭综合作用拉、扭综合作用)设计准则设计准则保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度强度条件：强度条件：e FaFFTFaFa设计计算方法：设计计算方法：校核式校核式:预紧拉力预紧拉力F FS S拉应力拉应力，由第四强度理论：由第四强度理论：设计式设计式:拧紧力矩拧紧力矩T T剪应力剪应力，对，对M10到到M68：预紧力预紧力 Fa应为多大？应为多大？被联接件不滑移被联接件不滑移界面摩擦力界面摩擦力F FFaFaFFTFaFaC可靠性系数可靠性系数C=1.1-1.3多板多螺栓时，预紧力多板多螺栓时，预紧力 Fs应为多大？应为多大？设螺栓数目为设螺栓数目为Nb,接合面数为接合面数为Ni讨论：讨论：v横向载荷过大时，不宜用普通横向载荷过大时，不宜用普通螺栓；螺栓；v必须采用普通螺栓时，应配合：必须采用普通螺栓时，应配合：减载销减载销键或减键或减载套筒载套筒FaFaFFT2）铰制孔螺栓）铰制孔螺栓v受载荷形式受载荷形式 拧紧过程中拧紧过程中:Fa、T(计算时可忽略计算时可忽略)工工 作作 时：时：横向载荷横向载荷Fv失效形式失效形式侧面压溃及螺栓剪切侧面压溃及螺栓剪切v设计准则设计准则保证挤压、剪切强度保证挤压、剪切强度v强度条件强度条件：p p、t t t t v设计计算方法：设计计算方法：挤压强度：挤压强度：剪切强度：剪切强度：2、受轴向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接受载荷形式受载荷形式拧紧过程中拧紧过程中:预紧力预紧力 F0、扭力扭力T工工 作作 时：时：再承受工作载荷再承受工作载荷FE 螺栓所受的总拉力螺栓所受的总拉力:Fa=F0+FE?TF0F0FEFEFaFaFEFEF0F0受力和变形关系受力和变形关系变形协调条件变形协调条件:1 1=b=Fa=FE+FR 1 b 1 bTF0F0FEFEFaFaF0F0FRFRFR残余预紧力：防止受载后接合面残余预紧力：防止受载后接合面产生缝隙产生缝隙 具体数值根据紧密性要求选取，具体数值根据紧密性要求选取，见见p147强度计算强度计算螺栓受到的总拉力螺栓受到的总拉力Fa=FE+FR校核式校核式:设计式设计式:10-7、螺栓的材料和许用应力材料：材料：一般用途：低碳钢或中碳钢一般用途：低碳钢或中碳钢(3545及及Q235Q275)重要联接：合金钢（重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi）性能等级：性能等级：国标国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：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：规则：小数点前数字表示小数点前数字表示 B/100,小数点后数字表示小数点后数字表示10 S/B 如：如：5.8级：表示级：表示 B=500MPa，S=400MPa 许用应力：许用应力：=s/S S安全系数安全系数控制预紧力：控制预紧力：表表10-6不控制预紧力：表不控制预紧力：表10-7螺栓直径螺栓直径6-1616-3030-606-1616-30碳素钢碳素钢4-33-210-6.56.5合金钢合金钢5-44-2.57.6-55载荷类型载荷类型静载荷静载荷变载荷变载荷材料材料表表10-7试算法：试算法：先选定一个螺栓直径先选定一个螺栓直径d 查查 计算计算d1。若若d1与与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选假定的小径）相近，则合用；否则再选1 1、减小螺栓的应力变化幅度、减小螺栓的应力变化幅度 为减少螺栓应力变化幅度：为减少螺栓应力变化幅度：（1 1）减小螺栓刚度）减小螺栓刚度a.a.柔性螺栓柔性螺栓b.b.弹性元件弹性元件10-8、提高螺纹连接强度的措施 （2 2）增大被联接件刚度）增大被联接件刚度a.a.金属垫片金属垫片b.b.密封环密封环2 2、改善螺纹牙间的载荷分配、改善螺纹牙间的载荷分配内斜螺母环槽螺母悬置螺母3 3、减小应力集中、减小应力集中4 4、避免附加弯曲应力、避免附加弯曲应力10-11键键 联联 接接一、键联接的类型二、平键连接的强度校核三、花键联接一、键联接的类型目的：目的：用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩；用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩；实现轴上零件的轴向固定实现轴上零件的轴向固定 实现轴上零件轴向移动它是标准件实现轴上零件轴向移动它是标准件分类：分类：键键联联接接松联接松联接紧联接紧联接楔键楔键平键平键半圆键半圆键普通平键普通平键导向平键导向平键花键花键 松联接松联接 1 1、平键、平键结构结构:安装：安装：静联接为过渡配合静联接为过渡配合,动联接间隙配合动联接间隙配合工作原理工作原理:两侧面是工作面两侧面是工作面失效形式失效形式:静联接：工作面挤溃，键剪断静联接：工作面挤溃，键剪断动联接：工作面磨损动联接：工作面磨损特点：特点：结构简单，装折方便，对中性好，结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛承载能力大，应用广泛 成对使用成对使用:承载能力不够时采用承载能力不够时采用,按按 180布布置两个键。一对平键按置两个键。一对平键按1.5 个键计算个键计算分类：分类：普通平键普通平键(圆头圆头)型：型：立铣刀，键定位好，轴应力集中大立铣刀，键定位好，轴应力集中大(平头平头)型：型：盘铣刀，轴向键无定位，应力集中小盘铣刀，轴向键无定位，应力集中小(单圆头单圆头)型：型：立铣刀加工，用于轴端立铣刀加工，用于轴端 导向平键导向平键键固定于轴上键固定于轴上,滑移距离小滑移距离小起键螺孔起键螺孔固定螺钉固定螺钉潘存云教授研制起键螺孔起键螺孔固定螺钉固定螺钉2、半圆键联接、半圆键联接结构结构:工作原理工作原理:两侧面是工作两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩。面，侧面挤压传递转矩。失效形式失效形式:键剪断键剪断,工作面压溃工作面压溃特点特点:便于安装便于安装,对中好对中好,用于锥形轴端用于锥形轴端,但对轴削弱大但对轴削弱大成对使用成对使用:承载能力不够时用承载能力不够时用,沿同一母沿同一母线布置线布置紧联接紧联接 1、楔键楔键联接联接结构结构:安装：安装：键侧与键槽有间隙键侧与键槽有间隙,上下面楔紧上下面楔紧工作原理工作原理:上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩分类：分类：方头楔键、钩头楔键、圆头楔键方头楔键、钩头楔键、圆头楔键失效形式失效形式:工作面压溃工作面压溃特点特点:简单简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定且可实现轮毂在轴上单向轴向固定 楔紧产生偏心楔紧产生偏心,不适于高速及对中要求高的场合不适于高速及对中要求高的场合二、平键连接的强度校核1、平键的选择、平键的选择 材料：材料：多采用碳素钢多采用碳素钢 尺寸：尺寸：平键是标准零件，表平键是标准零件，表10-9按按d选选b、h；选键长选键长L(短于轮毂宽度短于轮毂宽度)2、键的强度校核键的强度校核静联接静联接:压溃压溃挤压强度挤压强度圆头圆头:ls=L-b平头平头:ls=L单圆头单圆头:ls=L-b/2 p 查表查表10-10 一般不会发生键的剪断，故一般不作剪断强度校核一般不会发生键的剪断，故一般不作剪断强度校核Lls动联接动联接:磨损磨损压强压强p 查表查表10-10三、花键联接结构特点：结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。组成：组成：外花键、内花键。外花键、内花键。潘存云教授研制潘存云教授研制1)1)均匀受力；均匀受力；优点：优点：2)2)对轴的削弱程度小对轴的削弱程度小;3)3)载能力高载能力高;4)4)轴上零件与轴的对中性好；轴上零件与轴的对中性好；5)5)导向性好导向性好;6)6)可用磨削方法提高加工精度及联接质量。可用磨削方法提高加工精度及联接质量。缺点：缺点：齿根仍有应力集中、需专用设备制造，成本高。齿根仍有应力集中、需专用设备制造，成本高。应用：应用：定心精度要求高、载荷大、或经常滑移的联接。定心精度要求高、载荷大、或经常滑移的联接。类型类型-制造容易，应用最广。制造容易，应用最广。-用于高强度联接。用于高强度联接。-用于薄壁零件联接。用于薄壁零件联接。矩形花键矩形花键 键开线花键键开线花键 三角形花键三角形花键 静联接：静联接：动联接：动联接：花键联接强度条件：花键联接强度条件：p MPa MPaKZh lrmTp=p=T p MPaMPa KZh lrmK载荷不均匀系数载荷不均匀系数Z齿数齿数h、l键高及接触长度键高及接触长度rm 平均半径平均半径664 销联接销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。按用途分按用途分类类型型定位销定位销联接销联接销按形状分按形状分664 销联接销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。按用途分按用途分类类型型定位销定位销安全销安全销联接销联接销按形状分按形状分664 销联接销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。按用途分按用途分类类型型定位销定位销安全销安全销联接销联接销按形状分按形状分圆柱销圆柱销664 销联接销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。按用途分按用途分类类型型定位销定位销安全销安全销联接销联接销按形状分按形状分圆柱销圆柱销圆锥销圆锥销664 销联接销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。按用途分按用途分类类型型定位销定位销安全销安全销联接销联接销按形状分按形状分圆柱销圆柱销圆锥销圆锥销槽销槽销664 销联接销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。按用途分按用途分类类型型定位销定位销安全销安全销联接销联接销按形状分按形状分圆柱销圆柱销圆锥销圆锥销槽销槽销销轴销轴销的销的材料：材料：3535、4545号钢。号钢。