哈工大机械设计课件第三章

静连接:在机器中,把两个零(部)件连接起来使之没有相对运动的机械连接称为机械静连接,简称连接,1 连接指被连接件与连接件的组合,被连接件轴与轴上的零件，箱体与箱盖等 连接件又称紧固件，如螺栓、螺母，键、销釘等,机械制造中的“连接”常指“静连接”,连接的定义及分类,第三章 螺纹连接,螺纹连接是利用螺纹零件构成的连接,特 点：构造简单，拆装方便，工作可靠， 标准件，应用广,8.2节 螺旋传动是利用具有螺纹的零件来实现回转运动与直线运动之间的转换，同时也传递力和转矩,连接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠连接； 传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。,3.1 螺 纹,连接用螺纹,传动用螺纹,(螺纹按工作性质分),螺纹,3.1.2 螺纹的主要参数 除矩形螺纹外，其他螺纹的参数均已标准化。有米制和英制两种标准尺寸。在我国，除管螺纹保持英制外，其他都采用米制，国际上多数国家也采用米制，少数用英制。 要求：学会按标准选择，设计计算。 以普通圆柱外螺纹为例：一般有10个参数。,螺纹的形成,螺纹的类型与特点2,普通螺纹的主要参数,螺纹大径d即螺纹的公称直径。 螺纹小径d1常用于连接的强度计算。 中径d2常用于连接的几何关系计算。 螺距P螺纹相邻两个牙型在中径线上对应点间的 轴向距离。 线(头)数n螺纹的螺旋线数目。 一般 导程Ph同一条螺旋线上相邻两个牙型在中径线上对应点间的 轴向距离，Ph=nP。,旋向：螺旋线绕行的方向 右旋，左旋,牙型角-轴向剖面内螺纹牙型两侧边的夹角 牙侧角-螺纹牙型侧边与螺纹轴线的垂线的夹角,螺纹升角螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。,3.1.1 常用螺纹类型及特点,螺纹的分类： 按牙形：普通螺纹 、矩形螺纹、 梯形螺纹、 锯齿形螺纹、管螺纹 按母体形状：圆柱螺纹、圆锥螺纹,对螺纹的要求：足够的强度和良好的工艺性 连接螺纹：自锁 管 螺 纹：紧密性、气密性 传动螺纹：效率高 调整螺纹：精度高 起重螺纹：效率高、自锁性好,1 普通螺纹,特点：牙型为等边三角形，螺纹的牙型角=2=60。牙侧角大，,因为,所以,自锁条件,故自锁性好，主要用于连接,细牙螺纹与粗 牙螺纹的比较,粗牙：常用,同一公称直径的螺纹按螺距的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹,细牙：同样的d下：细牙的d1大，强度高 细牙的d2大，p小,小，自锁性能好,细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣,细牙的应用场合： 常用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中,2 、矩形螺纹,特点：牙形为正方形，=0，,f小,小,高,矩形螺纹：效率高，用于传动, 牙根强度弱，加工困难，磨损后不易补偿，常被梯形螺纹代替,非标准,3 、梯形螺纹,特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低。 牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。,4、 锯齿形螺纹,特点：工作边=3，非工作边=30，便于加工。 它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动,5 、圆柱管螺纹,特点：用于管件连接的三角螺纹，=55 以管子内径为公称直径,6、 圆锥螺纹,特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上,=55或60 螺纹面间没有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的连接,3.1.3 螺纹的公差和精度,管螺纹 工作状态下内、外螺纹间有一定的过盈量 气密性 丝杠螺距误差小，空行程小足够的位移精度 普通螺栓 可靠性，可旋入性,只介绍普通螺纹的有关公差精度方面的知识 1.普通螺纹的公差等级及精度 GB/T197-2003规定：公差等级有3，4，5，6，7，8，9共七级 精度有精密级，中等级和粗糙级共3种。,3级公差精度最高 6级公差为基本级 9级公差精度最低,2. 螺纹标记和螺纹副标记示例,3.1.4 螺纹副的受力关系、效率和自锁,圆周力F： 拧紧时,松开时,效率：拧紧时,松开时,式中:,f-摩擦系数,F -轴向力, N,-当量摩擦系数, -当量摩擦角,当不受外力作用时，螺纹副要松开,自锁：,自锁条件,3.2 螺纹连接的类型与标准连接件,3.2.1 螺纹连接的基本类型,螺栓连接,螺钉连接,双头螺柱连接,紧定螺钉连接,受拉螺栓连接(普通螺栓连接） 受剪螺栓连接（铰制孔螺栓连接）,1、螺栓连接,用螺栓穿过被连接件的光孔后拧紧螺母的连接。用于连接2个不太厚的零件。连接方式有两种。,a）普通螺栓连接。加工、装拆方便，应用十分广泛。 b）铰制孔螺栓连接。孔需精加工，螺栓也用铰制孔用螺栓，螺栓与孔采用过渡配合，主要承受横向载荷，兼起定位作用。,3、双头螺柱连接,当需要螺钉连接，又要经常拆卸或螺钉无法安装时用。,注意在结构上的特殊要求 一般情况下： 螺纹孔深度螺柱座端长度 安装时，螺柱座端全部拧入螺纹孔中，靠螺纹尾部横向压紧，紧定在螺纹孔中，拆时也不旋出螺柱。,螺纹孔深,4、紧定螺钉连接,b）顶入相应的坑槽中,a）顶住被连接件表面,固定相对位置 传递不大的力,常用来连接、固定2个零件相对位置的情况，有时也可以传递不大的力和力矩。 结构特点：被连接件之一有螺纹孔，另一个没有,900,除上述连接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹连接。如：T型槽螺栓连接、吊环螺钉连接和地脚螺栓连接等。,吊环螺钉,3.2.2 标准螺纹连接件,螺纹连接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。,紧定螺钉末端一般有较高硬度,典型头部结构,典型末端结构,顶入凹坑、可传递一定的力,软表面，不常调整,硬表面，常调整,其它标准螺纹连接件简介,其它标准螺纹连接件简介,其它标准螺纹连接件简介,英制木螺丝,碟形螺帽,轻钢结构用螺钉,鱼尾螺栓,3.2.3 螺纹连接零件常用材料和机械性能等级,1、常用材料： 普通连接： 低碳钢，中碳钢，如:Q215、Q235和10、15、35、45号钢 变载荷或有冲击、振动的重要连接： 合金钢，如: 40 Cr、15MnVB、30CrMnSi 螺母材料一般较相配合的螺栓的硬度低2040HBW,螺栓、螺钉、螺柱性能等级 （摘自GB30981982）（1988年确认）,注：1.性能等级的标记代号含义：“.”前的数字为公称抗拉强度极限b的1/100，“.” 后的数字为屈强比的10倍，即（s/b）10。 2.规定性能等级的螺栓、螺母在图纸上只注性能等级，不应标出材料牌号。,C级,A,B级,3、 螺母性能等级 摘自GB3098.21982）（1988年确认）,布置大作业1,3.3 螺纹连接的预紧与防松,大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。,增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。,预紧力：,预紧的目的：,预紧力过大，会使连接超载 预紧力不足，可能导致连接失效 重要的螺栓应控制预紧力,3.3.1 螺纹连接的拧紧力矩及其控制方法,拧紧螺母时的预紧力和力矩,螺纹副间摩擦力矩,螺母与支撑面间摩擦力矩,注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。,将常用的钢制M10M68普通螺栓的数据代入后平均可得：,利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或 定力矩扳手，对于重要的螺栓连接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预 紧力。,预紧力的控制：,螺纹联接的防松,3.3.2 螺纹连接的防松,螺纹连接一般都能满足自锁条件，不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致连接失效。,按工作原理,摩擦防松（保持摩擦力矩，阻止相对转动） 机械防松（用机械办法约束螺旋副 ） 永久防松（将螺母与螺栓焊死、铆死和胶住）,防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动,一 摩擦防松,1 双螺母,2 弹簧垫圈,3 、锁紧螺母 1）拧紧螺母时，利用嵌在螺母内的弹性环或尼龙圈挤入旋合螺纹中防松 2）螺母椭圆口的弹性变形箍紧螺杆,二 机械防松,三 永久防松,3.4 螺栓组连接的设计,在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。,3.4.1 螺栓组连接的结构设计,各螺栓之间的距离大小既要保证连接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。,大多数机械中螺栓都是成组使用的。,为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。,为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。,螺栓布置应使各螺栓的受力合理。,螺栓的排列应有合理的间距、边距。,产生偏心载荷的原因,受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。,受力分析时所作假设：,1 被连接件是刚体 2 各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（即螺栓的材料、直径、长度）及预紧力均相同 3 螺栓的应变在弹性范围内,3.4.2 螺栓组连接的受力分析,1受横向载荷,2受转矩,3受轴向载荷,4受倾覆力矩,受力分析的类型：,1 、受轴向载荷FQ的螺栓组连接,FQ,2 、受横向载荷FR的螺栓组连接,（1） 普通螺栓连接,式中：f接合面间摩擦系数 m接合面数 Kf考虑摩擦系数不稳定及靠摩擦传力有时不可靠而引入的可靠性系数 一般Kf =1.11.3,FR,FR,(2) 用绞制孔螺栓连接,FR,FR,3、受旋转力矩T的螺栓组连接,(1) 采用普通螺栓连接时，靠预紧后在接合面上各螺栓处摩擦力对形心的力矩之和平衡外加力矩T,式中: r1 、r2、. rz 各螺栓中心至螺栓 组形心O的距离 Kf可靠性系数 f接合面间摩擦系数,（2）采用绞制孔用螺栓连接时，忽略接合面上的摩擦力，外加力矩T靠螺栓所受剪力对底板旋转中心的力矩之和来平衡,根据螺栓变形协调条件,4、 受倾覆力矩M的螺栓组连接,受倾覆力矩的螺栓组联接除要求螺栓强度足够外，还应保证接合面既不出缝隙也不被压馈,接合面右端应满足：,接合面左端应满足：,由上面的2个公式分别求得预紧力F，并取其中较大值,求出工作拉力Fmax，算出作用在螺栓上的总拉力F0后，再求出所需螺栓直径,螺纹联接的强度计算1,3.5 单个螺纹连接的强度计算,螺栓连接的强度计算主要与连接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。,强度计算的目的： 确定螺栓直径 螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。,单个螺栓需要考虑强度的部位有：螺纹根部剪切、弯曲， 螺杆截面拉伸、扭转等,螺纹部分与螺杆保持等强度，因此可以只计算螺杆,3.5.1 松螺栓连接,3.5.2 紧螺栓连接的强度计算,受横向载荷的紧螺栓连接,受轴向载荷的紧螺栓连接,1 、受横向载荷的紧螺栓连接,（1） 普通螺栓连接,对于常用的M10M68的普通螺栓,螺栓的当量应力（第四强度理论）,螺栓的强度条件为：,设计公式,校核公式,公式表明： 1）螺栓的拉应力 增加了30%，相当于考虑了剪应力。 2）公式只适用于单头普通螺纹，1.3必须乘在拧紧时所 产生的轴向力上，对于矩形螺纹乘1.2，梯形螺纹乘1.25。,（2）铰制孔螺栓连接,螺栓杆的剪切强度条件为:,螺栓与孔壁的挤压强度条件为：,MPa,MPa,螺栓抗剪面直径，mm,式中,m 螺栓抗剪面数目,螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm，设计时应使,螺栓的许用剪切应力，MPa,螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，MPa,2受轴向载荷的紧螺栓连接,螺栓预紧力F后，在工作拉力F 的作用下，螺栓的总拉力F0 = ?,（1）受力分析,力与变形关系演