《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第五版第10章連接.ppt

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第10章連接 概述 任何機(jī)械均由若干零件按一定方式相互連接而成 如果相連接的零件其相對(duì)位置在工作時(shí)按一定的規(guī)律進(jìn)行變化 此種連接稱動(dòng)連接 如果相連接的零件在工作時(shí)其相對(duì)位置固定不變 此種連接稱靜連接 例如 靜連接 動(dòng)連接 運(yùn)動(dòng)副 與動(dòng)力源組合 零件 構(gòu)件 機(jī)構(gòu) 機(jī)器 靜連接 動(dòng)連接 運(yùn)動(dòng)副 可拆連接 不可拆連接 連接 不損壞連接中的任一零件便可拆卸的連接 如螺紋連接 鍵連接 銷連接等 至少必須損壞連接中的一個(gè)零件才能拆開的零件 如鉚接 焊接 粘接等 連接分類 10 1螺紋參數(shù) 一 螺紋形成 螺旋線 一動(dòng)點(diǎn)在一圓柱體的表面上 一邊繞軸線等速旋轉(zhuǎn) 同時(shí)沿軸向作等速移動(dòng)的軌跡 螺紋 一平面圖形沿螺旋線運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)時(shí)保持該圖形通過圓柱體的軸線 就得到螺紋 螺紋 二 螺紋及其類型 外螺紋內(nèi)螺紋 圓柱螺紋圓錐螺紋 圓錐螺紋 螺紋旋向判斷 旋向 螺旋線方向 常用右旋 特殊要求時(shí)用左旋旋向判斷 1 軸線垂直放 右邊高 右旋左邊高 左旋 2 右手旋 前進(jìn) 右旋左手旋 前進(jìn) 左旋 判斷 橫截面有幾個(gè)螺紋的出口線 就是幾線的螺紋 紅線是起始端頭在后面 圖示中沒有畫出來 三 主要參數(shù) 大徑d D 最大直徑 公稱直徑小徑d1 外螺紋的危險(xiǎn)剖面直徑 強(qiáng)度直徑中徑d2 D2 假想直徑 牙型溝槽寬與牙的寬度相等 計(jì)算直徑螺距P 相鄰兩牙軸向距離導(dǎo)程S 同一條螺紋線的相鄰兩牙間的軸向距離 S nP 升角y 螺紋與其軸線的垂直平面所成的夾角牙型角a 螺紋兩側(cè)邊的夾角 d1 D d 螺紋的加工方法 車外螺紋 車內(nèi)螺紋 磨削螺紋 滾壓螺紋 攻螺紋 10 3機(jī)械制造常用螺紋 一 機(jī)械設(shè)備中的常用螺紋及牙型 1 三角形螺紋 2 管螺紋 1 普通螺紋 牙型為等邊三角形 牙型角 60 分為粗牙和細(xì)牙兩種 粗牙螺紋用于一般連接 細(xì)牙螺紋在相同公稱直徑時(shí) 螺距小 螺紋深度淺 導(dǎo)程和升角也小 自鎖性能好 適合用于薄壁零件和微調(diào)裝置 專用于管件連接的特殊細(xì)牙三角形螺紋 牙型角 55 特點(diǎn) 連接密封性好 2 矩形螺紋 3 梯形螺紋 4 鋸齒螺紋 牙型多為正方形 牙型角 0 傳動(dòng)效率高 但精加工困難 磨損后軸向間隙不易補(bǔ)償 牙型為梯形 牙型角 30 傳動(dòng)效率比矩形稍低 但制造工藝性好 牙根強(qiáng)度高 定心性好 牙側(cè)角 兩邊不等 工作邊為3 非工作邊為30 綜合了矩形螺紋的高效率和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn) 適用于單向受載的傳動(dòng)螺旋 二 常用螺紋的立體圖 應(yīng)用 10 4螺紋連接的基本類型及螺紋緊固件 螺栓連接普通螺栓連接鉸制孔螺栓連接雙頭螺柱連接螺釘連接緊定螺釘其它連接 地腳螺栓 吊環(huán)螺釘 螺紋連接類型主要根據(jù)受力 結(jié)構(gòu)形式 裝拆要求等進(jìn)行選擇 一 螺紋連接的基本類型 螺栓連接 普通螺栓連接特點(diǎn) 孔與桿間有間隙 被連接件上無需切制螺紋 裝拆方便適用場(chǎng)合 經(jīng)常裝拆的一般場(chǎng)合 鉸制孔螺栓連接特點(diǎn) 孔與桿間無間隙 被連接件上無需切制螺紋 裝拆方便適用場(chǎng)合 承受橫向載荷的場(chǎng)合 雙頭螺柱連接 特點(diǎn) 螺桿兩端均有螺紋 裝配時(shí)一端旋入被連接件 另一端配以螺母 被連接件之一為光孔 另一個(gè)為螺紋孔 適用場(chǎng)合 用于被連接件之一較厚 經(jīng)常裝拆的場(chǎng)合 螺釘連接 特點(diǎn) 被連接件之一為光孔 另一個(gè)為螺紋孔 只用螺釘 不用螺母 直接把螺釘擰進(jìn)被連接件的螺紋孔中 裝拆方便 適用場(chǎng)合 被連接件之一較厚 載荷較輕 且不常裝拆的場(chǎng)合 緊定螺釘連接 適用場(chǎng)合 多用于軸上零件的固定 傳遞較小的力 錐端螺釘連接平端螺釘連接圓柱端螺釘連接 特點(diǎn) 利用擰入被連接件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面 以固定零件的相對(duì)位置 其他連接 地腳螺栓連接 吊環(huán)螺栓連接 T形槽螺栓連接 二 螺紋緊固件 1 螺栓 常用的標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件有螺栓 螺釘 雙頭螺柱 螺母 墊圈和防松零件等 這些零件的結(jié)構(gòu)形式和尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 2 雙頭螺柱 3 螺釘 緊定螺釘 4 墊圈 5 特殊螺絲 螺母 新型螺絲和螺母 10 5螺紋連接的預(yù)緊與防松 一般螺紋連接在裝配時(shí)都必須擰緊 預(yù)緊 這個(gè)預(yù)加的作用力 預(yù)緊力 一 螺紋連接的預(yù)緊 1 預(yù)緊的目的 1 提高連接的緊密性2 防止連接松動(dòng)3 提高連接件強(qiáng)度 2 擰緊力矩的計(jì)算 擰緊力矩T是用以克服螺紋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 它與預(yù)緊力Fa間的關(guān)系為 對(duì)于M10 M68的粗牙螺紋 Fa值是由螺紋連接的要求來決定的 3 控制T的方法 一般情況憑經(jīng)驗(yàn) 擰緊即可 方法 定力矩扳手 測(cè)力矩扳手 沖擊扳手 二 螺紋連接的防松 螺紋連接件一般采用 單線粗牙的普通螺紋 能夠滿足自鎖條件 但為什么還要防松 能保證自鎖的條件是 靜載荷和工作溫度變化不大的場(chǎng)合 在沖擊 振動(dòng)或變載荷作用下 螺紋副間的摩擦力可能在瞬間減小或消失 這種現(xiàn)象多次重復(fù)后 會(huì)使連接松脫 防松的根本原理 防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) 摩擦防松 機(jī)械防松 破壞螺紋副的運(yùn)動(dòng)關(guān)系防松 3 防松的方法 摩擦防松 使螺紋接觸面間始終保持一定的壓力 始終有阻止螺旋副轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力矩 彈簧墊圈 對(duì)頂螺母 尼龍圈鎖緊螺母 機(jī)械防松 用機(jī)械裝置把螺母和螺栓連成一體 消除了它們之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性 開口銷 帶翅墊片 止動(dòng)墊片 其它 破壞螺紋副關(guān)系 沖點(diǎn)法 粘合法 焊點(diǎn)法 串連鋼絲 10 6螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算的目的 是根據(jù)強(qiáng)度條件確定螺栓直徑 而螺栓和螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸均按標(biāo)準(zhǔn)選定 螺栓的分類 螺栓的主要失效形式 1 螺栓桿拉斷 2 螺紋的壓潰和剪斷 3 經(jīng)常裝拆導(dǎo)致滑扣 工作時(shí) 螺栓受純拉伸 工作載荷為Fa N 校核式 設(shè)計(jì)式 一 松螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 特點(diǎn) 裝配時(shí) 螺母不擰緊 強(qiáng)度條件 式中 d1 危險(xiǎn)截面計(jì)算直徑 許用拉應(yīng)力 查手冊(cè) 選螺栓 二 緊螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算 1 僅承受預(yù)緊力的緊螺栓連接 普通螺栓連接 受拉螺栓連接 特點(diǎn) 裝配時(shí) 螺母需擰緊 螺栓受預(yù)緊力 預(yù)加鎖緊力 F 和螺紋阻力矩T1的作用 特點(diǎn) 工作前擰緊 在擰緊力矩T作用下 復(fù)合應(yīng)力狀態(tài) 強(qiáng)度計(jì)算 要考慮到螺栓桿同時(shí)受拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的作用 螺栓是塑性材料 應(yīng)按第四強(qiáng)度理論求拉扭合成當(dāng)量應(yīng)力 預(yù)緊力F 產(chǎn)生拉伸應(yīng)力 螺紋摩擦力矩T1 產(chǎn)生剪應(yīng)力 系數(shù)1 3的含義是 對(duì)于普通螺栓連接的標(biāo)準(zhǔn)螺栓來說 雖然同時(shí)受拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力作用 但計(jì)算時(shí)可作為純拉伸的情況處理 即只需將拉伸載荷加大30 以考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的影響 校核式 設(shè)計(jì)式 簡化處理如下 對(duì)于M10 M64的鋼制普通螺栓 d2 d1取統(tǒng)計(jì)平均值 arctan0 17 0 5 因此 當(dāng)量應(yīng)力為 其中 2 受橫向載荷的緊螺栓連接 如圖所示的螺栓連接 承受垂直于螺栓軸線的橫向工作載荷F 圖中螺栓與孔之間留有間隙 工作時(shí) 若結(jié)合面內(nèi)的摩擦力足夠大 則被連接件之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng) 因此螺栓所需的軸向壓緊力 即預(yù)緊力 應(yīng)滿足 式中 F0為預(yù)緊力 C為可靠性系數(shù) 通常取C 1 1 1 3 m為接合面數(shù)目 f為接合面摩擦系數(shù) 強(qiáng)度計(jì)算 校核式 討論 當(dāng)f 0 15 C 1 2 m 1時(shí) F0 8F 即預(yù)緊力應(yīng)為橫向工作載荷的8倍 所以螺栓連接靠摩擦力來承擔(dān)橫向載荷時(shí) 其尺寸是較大的 為了避免上述缺點(diǎn) 可用鍵 套筒或銷承擔(dān)橫向工作載荷時(shí) 而螺栓僅起連接作用 也可以采用螺桿與孔之間沒有間隙的鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷 這些減載裝置中的鍵 套筒 銷和鉸制孔用螺栓可按受剪切和受擠壓進(jìn)行強(qiáng)度校核 3 受軸向載荷的緊螺栓連接 受載荷形式 擰緊過程中 軸向總拉伸Fa 扭力T工作時(shí) 再承受工作載荷FE此時(shí) 螺栓所受的總拉力 Fa F0 FE 須根據(jù)靜力平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件求解 受力和變形關(guān)系 預(yù)緊F0 受載F 螺栓 被連接件 拉力F0 伸長 b0 壓力F0 壓縮 c0 拉力Fa 伸長 b0 壓力FR 壓縮 c0 未預(yù)緊 未受力 無變形 未受力 無變形 變形協(xié)調(diào)條件 1 2 Fa E F0Fa E FR FR 殘余預(yù)緊力 結(jié)論 當(dāng)螺栓受到軸向外載荷FE的作用 被連接件則要產(chǎn)生回彈變形 預(yù)緊力F0要減小至FR 在受軸向工作載荷的螺栓連接中 螺栓實(shí)際承受的總拉伸載荷為 連接不出現(xiàn)縫隙 應(yīng)滿足FR 0 注意 有緊密性要求的連接 取FR 1 5 1 8 F 對(duì)不太重要的連接 若外載荷穩(wěn)定 取FR 0 2 0 6 F 若外載荷有變動(dòng) 取FR 0 6 1 0 F 強(qiáng)度計(jì)算 校核式 設(shè)計(jì)式 三 受剪螺栓連接 特點(diǎn) 孔和桿之間無間隙 多用配合尺寸 能精確定位 但加工精度要求高 加橫向載荷F后 靠擠壓和剪切承擔(dān)載荷 主要失效形式為 壓潰 剪斷 強(qiáng)度計(jì)算 擠壓強(qiáng)度條件 剪切強(qiáng)度條件 10 7螺栓的材料和許用應(yīng)力 材料 一般用途 低碳鋼或中碳鋼 35 45及Q235 Q275 重要連接 合金鋼 40Cr 30CrMnTi 國標(biāo) GB T3098 1 2000 規(guī)定螺栓按材料的力學(xué)性能分出十個(gè)等級(jí) 3 6 4 6 4 8 5 6 5 8 6 8 8 8 9 8 10 9 12 9規(guī)則 小數(shù)點(diǎn)前數(shù)字表示sB 100 小數(shù)點(diǎn)后數(shù)字表示10sS sB如 5 8級(jí) 表示sB 500MPa sS 400MPa許用應(yīng)力 表10 6 10 8提高螺栓連接強(qiáng)度的措施 螺栓連接承受軸向變載荷時(shí) 其損壞形式多為螺栓桿部分的疲勞斷裂 通常都發(fā)生在應(yīng)力集中較嚴(yán)重之處 即螺栓頭部 螺紋收尾部和螺母支承平面所在處的螺紋 影響連接強(qiáng)度的因素很多 如材料 結(jié)構(gòu) 尺寸 工藝 螺紋牙間 載荷分布 應(yīng)力幅度 機(jī)械性能等 1 減少螺栓應(yīng)力幅 當(dāng)螺栓所受軸向工作載荷變化時(shí) 將引起螺栓的總拉力和應(yīng)力變化 螺栓的最大應(yīng)力一定時(shí) 應(yīng)力幅越小 疲勞強(qiáng)度越高 在工作載荷和剩余預(yù)緊力不變的情況下 減小螺栓剛度或增大被連接件的剛度都能達(dá)到減小應(yīng)力幅的目的 工程上減小螺栓剛度的具體措施 采用細(xì)長桿螺栓 使用空心螺栓 利用彈性元件 工程上增大被連接件剛度的方法 被連結(jié)件本身的剛度是較大的 但被連結(jié)件的接合面因需要密封而采用軟墊片時(shí)將降低其剛度 若采用金屬薄墊片或采用O形密封圈作為密封元件 則仍可保持被連結(jié)件原來的剛度 2 改善螺紋牙間載荷分布不均勻狀況 工作中螺栓牙抗拉伸長 螺母牙受壓縮短 伸與縮的螺距變化差以緊靠支承面處第一圈為最大 應(yīng)變最大 應(yīng)力最大 其余各圈依次遞減 辦法 降低螺母剛性 易變形 增加協(xié)調(diào)性 以緩和矛盾 懸置螺母 環(huán)槽螺母 內(nèi)斜螺母 組合螺母 環(huán)槽與內(nèi)斜組合等 具體改善措施 3 減小應(yīng)力集中 螺紋的牙根 螺栓頭部與栓桿交接處 都有應(yīng)力集中 是產(chǎn)生斷裂的危險(xiǎn)部位 其中螺紋牙根的應(yīng)力集中對(duì)螺栓的疲勞強(qiáng)度影響很大 工程上具體措施 增大螺紋牙根的圓角半徑 卸載過渡結(jié)構(gòu) 切制卸載槽 4 避免或減小附加應(yīng)力 由于設(shè)計(jì) 制造或安裝上的疏忽 有可能使螺栓受到附加彎曲應(yīng)力 這對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響很大 應(yīng)設(shè)法避免 工程上具體措施 采用凸臺(tái)或沉頭座等結(jié)構(gòu) 經(jīng)切削加工后可獲得平整的支承面 5 采用合理的制造工藝方法 1 用擠壓法 滾壓法 制造螺栓 疲勞強(qiáng)度提高30 40 2 冷作硬化 表層有殘余應(yīng)力 壓 氰化 氮化 噴丸等可提高疲勞強(qiáng)度3 熱處理后再進(jìn)行滾壓螺紋 效果更佳 強(qiáng)度提高70 100 此法具有優(yōu)質(zhì) 高產(chǎn) 低消耗功能 1 螺旋傳動(dòng)的組成與功用 組成 螺旋傳動(dòng)是由螺桿與螺母構(gòu)成的 功用 將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)形式 10 9螺旋傳動(dòng) 2二 螺旋傳動(dòng)的類型與特點(diǎn) 按照螺紋副的摩擦性質(zhì)分類 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng) 滾動(dòng)螺旋傳動(dòng) 靜壓螺旋傳動(dòng) 按照螺旋傳動(dòng)的用途分類 傳力螺旋 傳導(dǎo)螺旋 調(diào)整螺旋 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 制造方便 傳動(dòng)平穩(wěn) 噪聲小 可獲得很大的減速比 從而能夠承受較大的軸向載荷 并可實(shí)現(xiàn)自鎖 缺點(diǎn) 磨損大 效率低 優(yōu)點(diǎn) 摩擦損失比滑動(dòng)螺旋小 故而效率高 缺點(diǎn) 滾動(dòng)體需要返回通道 體積大 制造成本高 優(yōu)點(diǎn) 傳動(dòng)摩擦損失和磨損都很小 效率很高 缺點(diǎn) 需要有一套油路裝置 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 主要用來傳遞動(dòng)力的螺旋傳動(dòng) 主要用來傳遞運(yùn)動(dòng)的螺旋傳動(dòng) 主要用于調(diào)整 固定零件位置的螺旋傳動(dòng) 螺旋面間注入靜壓油 為液體摩擦狀態(tài) 螺旋面間裝有滾動(dòng)體的螺旋傳動(dòng) 為滾動(dòng)摩擦狀態(tài) 螺桿與螺母直接接觸 彼此間為滑動(dòng)摩擦狀態(tài) 返回通道 螺旋傳動(dòng)應(yīng)用 螺旋啟閉機(jī) 10 11鍵連接和花鍵連接 小結(jié) 1 掌握常用螺紋的類型 特點(diǎn) 和主要參數(shù) 2 掌握螺紋連接的預(yù)緊和防松 3 掌握螺栓的失效形式單個(gè)螺栓連接的受力分析和強(qiáng)度計(jì)算 4 了解螺紋連接件的材料和許用應(yīng)力 5 掌握提高螺紋連接強(qiáng)度的措施 6 了解螺旋傳動(dòng) 7 掌握鍵連接和花鍵連接