《机械设计基础》第五版第10章连接.ppt

第10章连接 概述 任何机械均由若干零件按一定方式相互连接而成 如果相连接的零件其相对位置在工作时按一定的规律进行变化 此种连接称动连接 如果相连接的零件在工作时其相对位置固定不变 此种连接称静连接 例如 静连接 动连接 运动副 与动力源组合 零件 构件 机构 机器 静连接 动连接 运动副 可拆连接 不可拆连接 连接 不损坏连接中的任一零件便可拆卸的连接 如螺纹连接 键连接 销连接等 至少必须损坏连接中的一个零件才能拆开的零件 如铆接 焊接 粘接等 连接分类 10 1螺纹参数 一 螺纹形成 螺旋线 一动点在一圆柱体的表面上 一边绕轴线等速旋转 同时沿轴向作等速移动的轨迹 螺纹 一平面图形沿螺旋线运动 运动时保持该图形通过圆柱体的轴线 就得到螺纹 螺纹 二 螺纹及其类型 外螺纹内螺纹 圆柱螺纹圆锥螺纹 圆锥螺纹 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 2 右手旋 前进 右旋左手旋 前进 左旋 判断 横截面有几个螺纹的出口线 就是几线的螺纹 红线是起始端头在后面 图示中没有画出来 三 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 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 螺纹的加工方法 车外螺纹 车内螺纹 磨削螺纹 滚压螺纹 攻螺纹 10 3机械制造常用螺纹 一 机械设备中的常用螺纹及牙型 1 三角形螺纹 2 管螺纹 1 普通螺纹 牙型为等边三角形 牙型角 60 分为粗牙和细牙两种 粗牙螺纹用于一般连接 细牙螺纹在相同公称直径时 螺距小 螺纹深度浅 导程和升角也小 自锁性能好 适合用于薄壁零件和微调装置 专用于管件连接的特殊细牙三角形螺纹 牙型角 55 特点 连接密封性好 2 矩形螺纹 3 梯形螺纹 4 锯齿螺纹 牙型多为正方形 牙型角 0 传动效率高 但精加工困难 磨损后轴向间隙不易补偿 牙型为梯形 牙型角 30 传动效率比矩形稍低 但制造工艺性好 牙根强度高 定心性好 牙侧角 两边不等 工作边为3 非工作边为30 综合了矩形螺纹的高效率和梯形螺纹牙根强度高的优点 适用于单向受载的传动螺旋 二 常用螺纹的立体图 应用 10 4螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 螺栓连接普通螺栓连接铰制孔螺栓连接双头螺柱连接螺钉连接紧定螺钉其它连接 地脚螺栓 吊环螺钉 螺纹连接类型主要根据受力 结构形式 装拆要求等进行选择 一 螺纹连接的基本类型 螺栓连接 普通螺栓连接特点 孔与杆间有间隙 被连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 铰制孔螺栓连接特点 孔与杆间无间隙 被连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 双头螺柱连接 特点 螺杆两端均有螺纹 装配时一端旋入被连接件 另一端配以螺母 被连接件之一为光孔 另一个为螺纹孔 适用场合 用于被连接件之一较厚 经常装拆的场合 螺钉连接 特点 被连接件之一为光孔 另一个为螺纹孔 只用螺钉 不用螺母 直接把螺钉拧进被连接件的螺纹孔中 装拆方便 适用场合 被连接件之一较厚 载荷较轻 且不常装拆的场合 紧定螺钉连接 适用场合 多用于轴上零件的固定 传递较小的力 锥端螺钉连接平端螺钉连接圆柱端螺钉连接 特点 利用拧入被连接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面 以固定零件的相对位置 其他连接 地脚螺栓连接 吊环螺栓连接 T形槽螺栓连接 二 螺纹紧固件 1 螺栓 常用的标准螺纹连接件有螺栓 螺钉 双头螺柱 螺母 垫圈和防松零件等 这些零件的结构形式和尺寸已经标准化 2 双头螺柱 3 螺钉 紧定螺钉 4 垫圈 5 特殊螺丝 螺母 新型螺丝和螺母 10 5螺纹连接的预紧与防松 一般螺纹连接在装配时都必须拧紧 预紧 这个预加的作用力 预紧力 一 螺纹连接的预紧 1 预紧的目的 1 提高连接的紧密性2 防止连接松动3 提高连接件强度 2 拧紧力矩的计算 拧紧力矩T是用以克服螺纹副相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 它与预紧力Fa间的关系为 对于M10 M68的粗牙螺纹 Fa值是由螺纹连接的要求来决定的 3 控制T的方法 一般情况凭经验 拧紧即可 方法 定力矩扳手 测力矩扳手 冲击扳手 二 螺纹连接的防松 螺纹连接件一般采用 单线粗牙的普通螺纹 能够满足自锁条件 但为什么还要防松 能保证自锁的条件是 静载荷和工作温度变化不大的场合 在冲击 振动或变载荷作用下 螺纹副间的摩擦力可能在瞬间减小或消失 这种现象多次重复后 会使连接松脱 防松的根本原理 防止螺旋副相对转动 摩擦防松 机械防松 破坏螺纹副的运动关系防松 3 防松的方法 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 对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母 机械防松 用机械装置把螺母和螺栓连成一体 消除了它们之间相对转动的可能性 开口销 带翅垫片 止动垫片 其它 破坏螺纹副关系 冲点法 粘合法 焊点法 串连钢丝 10 6螺栓连接的强度计算 螺栓连接强度计算的目的 是根据强度条件确定螺栓直径 而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定 螺栓的分类 螺栓的主要失效形式 1 螺栓杆拉断 2 螺纹的压溃和剪断 3 经常装拆导致滑扣 工作时 螺栓受纯拉伸 工作载荷为Fa N 校核式 设计式 一 松螺栓连接的强度计算 特点 装配时 螺母不拧紧 强度条件 式中 d1 危险截面计算直径 许用拉应力 查手册 选螺栓 二 紧螺栓连接的强度计算 1 仅承受预紧力的紧螺栓连接 普通螺栓连接 受拉螺栓连接 特点 装配时 螺母需拧紧 螺栓受预紧力 预加锁紧力 F 和螺纹阻力矩T1的作用 特点 工作前拧紧 在拧紧力矩T作用下 复合应力状态 强度计算 要考虑到螺栓杆同时受拉应力和扭转剪应力的作用 螺栓是塑性材料 应按第四强度理论求拉扭合成当量应力 预紧力F 产生拉伸应力 螺纹摩擦力矩T1 产生剪应力 系数1 3的含义是 对于普通螺栓连接的标准螺栓来说 虽然同时受拉应力和扭转剪应力作用 但计算时可作为纯拉伸的情况处理 即只需将拉伸载荷加大30 以考虑扭转剪应力的影响 校核式 设计式 简化处理如下 对于M10 M64的钢制普通螺栓 d2 d1取统计平均值 arctan0 17 0 5 因此 当量应力为 其中 2 受横向载荷的紧螺栓连接 如图所示的螺栓连接 承受垂直于螺栓轴线的横向工作载荷F 图中螺栓与孔之间留有间隙 工作时 若结合面内的摩擦力足够大 则被连接件之间不会发生相对滑动 因此螺栓所需的轴向压紧力 即预紧力 应满足 式中 F0为预紧力 C为可靠性系数 通常取C 1 1 1 3 m为接合面数目 f为接合面摩擦系数 强度计算 校核式 讨论 当f 0 15 C 1 2 m 1时 F0 8F 即预紧力应为横向工作载荷的8倍 所以螺栓连接靠摩擦力来承担横向载荷时 其尺寸是较大的 为了避免上述缺点 可用键 套筒或销承担横向工作载荷时 而螺栓仅起连接作用 也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔用螺栓来承受横向载荷 这些减载装置中的键 套筒 销和铰制孔用螺栓可按受剪切和受挤压进行强度校核 3 受轴向载荷的紧螺栓连接 受载荷形式 拧紧过程中 轴向总拉伸Fa 扭力T工作时 再承受工作载荷FE此时 螺栓所受的总拉力 Fa F0 FE 须根据静力平衡方程和变形协调条件求解 受力和变形关系 预紧F0 受载F 螺栓 被连接件 拉力F0 伸长 b0 压力F0 压缩 c0 拉力Fa 伸长 b0 压力FR 压缩 c0 未预紧 未受力 无变形 未受力 无变形 变形协调条件 1 2 Fa E F0Fa E FR FR 残余预紧力 结论 当螺栓受到轴向外载荷FE的作用 被连接件则要产生回弹变形 预紧力F0要减小至FR 在受轴向工作载荷的螺栓连接中 螺栓实际承受的总拉伸载荷为 连接不出现缝隙 应满足FR 0 注意 有紧密性要求的连接 取FR 1 5 1 8 F 对不太重要的连接 若外载荷稳定 取FR 0 2 0 6 F 若外载荷有变动 取FR 0 6 1 0 F 强度计算 校核式 设计式 三 受剪螺栓连接 特点 孔和杆之间无间隙 多用配合尺寸 能精确定位 但加工精度要求高 加横向载荷F后 靠挤压和剪切承担载荷 主要失效形式为 压溃 剪断 强度计算 挤压强度条件 剪切强度条件 10 7螺栓的材料和许用应力 材料 一般用途 低碳钢或中碳钢 35 45及Q235 Q275 重要连接 合金钢 40Cr 30CrMnTi 国标 GB T3098 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10 6 10 8提高螺栓连接强度的措施 螺栓连接承受轴向变载荷时 其损坏形式多为螺栓杆部分的疲劳断裂 通常都发生在应力集中较严重之处 即螺栓头部 螺纹收尾部和螺母支承平面所在处的螺纹 影响连接强度的因素很多 如材料 结构 尺寸 工艺 螺纹牙间 载荷分布 应力幅度 机械性能等 1 减少螺栓应力幅 当螺栓所受轴向工作载荷变化时 将引起螺栓的总拉力和应力变化 螺栓的最大应力一定时 应力幅越小 疲劳强度越高 在工作载荷和剩余预紧力不变的情况下 减小螺栓刚度或增大被连接件的刚度都能达到减小应力幅的目的 工程上减小螺栓刚度的具体措施 采用细长杆螺栓 使用空心螺栓 利用弹性元件 工程上增大被连接件刚度的方法 被连结件本身的刚度是较大的 但被连结件的接合面因需要密封而采用软垫片时将降低其刚度 若采用金属薄垫片或采用O形密封圈作为密封元件 则仍可保持被连结件原来的刚度 2 改善螺纹牙间载荷分布不均匀状况 工作中螺栓牙抗拉伸长 螺母牙受压缩短 伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大 应变最大 应力最大 其余各圈依次递减 办法 降低螺母刚性 易变形 增加协调性 以缓和矛盾 悬置螺母 环槽螺母 内斜螺母 组合螺母 环槽与内斜组合等 具体改善措施 3 减小应力集中 螺纹的牙根 螺栓头部与栓杆交接处 都有应力集中 是产生断裂的危险部位 其中螺纹牙根的应力集中对螺栓的疲劳强度影响很大 工程上具体措施 增大螺纹牙根的圆角半径 卸载过渡结构 切制卸载槽 4 避免或减小附加应力 由于设计 制造或安装上的疏忽 有可能使螺栓受到附加弯曲应力 这对螺栓疲劳强度的影响很大 应设法避免 工程上具体措施 采用凸台或沉头座等结构 经切削加工后可获得平整的支承面 5 采用合理的制造工艺方法 1 用挤压法 滚压法 制造螺栓 疲劳强度提高30 40 2 冷作硬化 表层有残余应力 压 氰化 氮化 喷丸等可提高疲劳强度3 热处理后再进行滚压螺纹 效果更佳 强度提高70 100 此法具有优质 高产 低消耗功能 1 螺旋传动的组成与功用 组成 螺旋传动是由螺杆与螺母构成的 功用 将回转运动转变为直线运动 运动形式 10 9螺旋传动 2二 螺旋传动的类型与特点 按照螺纹副的摩擦性质分类 滑动螺旋传动 滚动螺旋传动 静压螺旋传动 按照螺旋传动的用途分类 传力螺旋 传导螺旋 调整螺旋 优点 结构简单 制造方便 传动平稳 噪声小 可获得很大的减速比 从而能够承受较大的轴向载荷 并可实现自锁 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 主要用来传递动力的螺旋传动 主要用来传递运动的螺旋传动 主要用于调整 固定零件位置的螺旋传动 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 返回通道 螺旋传动应用 螺旋启闭机 10 11键连接和花键连接 小结 1 掌握常用螺纹的类型 特点 和主要参数 2 掌握螺纹连接的预紧和防松 3 掌握螺栓的失效形式单个螺栓连接的受力分析和强度计算 4 了解螺纹连接件的材料和许用应力 5 掌握提高螺纹连接强度的措施 6 了解螺旋传动 7 掌握键连接和花键连接