机械设计基础联结.ppt

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1、第10章 联 结,大径d：公称直径。M20d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2,螺距p,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,10-1螺纹参数,4,2、螺纹的类型,螺纹位置：内螺纹螺母；外螺纹螺钉。,螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。,中径升角：,导程s：s=np,联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。,螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。,10-2 螺纹副的受力分析、效率和自锁,当滑块沿斜面等速上升时，相当于拧紧螺母，驱动力为F：相应

2、驱动力矩,一、矩形螺纹,当滑块沿斜面等速下滑时，驱动力为F相应驱动力矩自锁条件:,二、非矩形螺纹,当滑块等速上升时：,当滑块等速下降时：,自锁条件：,上升效率：,下降效率：,10-3 机械制造常用螺纹,特点：螺纹的牙型角=2=60,螺纹牙根部的强度较高，当量摩擦角 大，自锁性能好，用于联接。按螺距的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹。,三角形螺纹(代号：M GB 192-81),细牙螺纹与粗牙螺纹的比较,粗牙：常用连接牙形细牙：用于薄壁零件的连接、受动载荷零件的连接及微调装置的调节螺纹优点：升角小，小径大，自锁性能更好，强度高缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。,细牙,细牙,粗牙,特点：=0，其传动

3、效率高，多用于传动。但对中性差，牙根强度低，螺纹牙磨损后间隙难以补偿。使传动精度降低，故已被梯形螺纹所代替。,矩形螺纹,梯形螺纹(代号：TGB 192-81),特点：=2=30。比矩形螺纹效率略低，但工艺性好、牙根强度高、对中性好。在螺旋传动中有广泛应用,锯齿形螺纹(代号：S JB 923-66),特点：工作边牙侧角=3，非工作边牙侧角=30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。,管联结螺纹,10-4 螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件,一、螺纹联接的基本类型1、螺栓联接,2、螺钉联接,3、双头螺柱联接,4、紧定螺钉联接,螺钉末端顶住另一零件的表面

4、或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。,二、螺纹紧固件,10-5 螺纹联接的预紧和防松,一、螺纹联接的预紧,联接刚度防松能力紧密性,、预紧力过大，会使整个联接的结构尺寸增大；也会使联接在装配时因过载而断裂。、预紧力不足，则又可能导致联接失效，重要的螺栓联接应控制预紧力。,拧紧螺母时，要克服螺纹副的摩擦力矩T1和螺母与支持面间的摩擦力矩T2，因此拧紧力矩式中 fc 为螺母与被联接件支承表面间的摩擦系数。,rf支承面摩擦半径：,取fc=0.15，对于M10-M68，可简化为：,严格控制预紧力时,dM12-M16,标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：T=FL=15dF=

5、0.2Fad Fa=75F若F=200N，则Fa=15000N。小于M12，则易拉断。,装配时控制预紧力的方法,冲击扳手,采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。,测量螺栓伸长量,二、螺纹联接的防松,3、防松方法,a）摩擦防松,螺纹副中始终有不随联接载荷而变的压力，故存在摩擦力矩防止相对转动。压力可由纵向或横向压紧产生。,金属锁紧螺母 利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹,尼龙圈锁紧螺母 利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹,楔紧螺纹锁紧螺母 利用楔紧螺纹，使螺纹副纵横向压紧,a）摩擦防松,

6、b）机械防松（直接锁住）,利用开口销使螺栓、螺母相互约束。,串联金属丝 利用金属丝使一组螺钉头部相互约束，有松动趋势时，金属丝更加拉紧。,止动垫片 垫片约束螺母，自身又约束在被联接件上,10-6螺栓联结的强度计算,受拉螺栓,受剪螺栓,仅受预紧力Fa,同时受预紧力Fa和工作载荷FE,一、受拉螺栓联接,对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。,一、松螺栓联接,MPa 或,mm,式中：d1螺纹小径 mm;见137 Fa螺纹承受的轴向工作载荷 N 螺纹材料的许用应力 MPa,强度条件：,整理，得设计公式：,二、紧螺栓联接,此类螺栓联接中，螺栓除受预紧力Fa引起的拉应力作用外，

7、还受到螺纹副间摩擦力矩 T1 引起的剪切应力的作用。,螺栓的危险截面处于拉伸和扭转的复合应力状态，而螺栓通常是塑性的，因此按第四强度理论（最大变形能理论），螺栓联接的强度条件为：,对于M10M68的普通螺纹钢制螺栓，可取,或式中：,轴向力 N d1 螺纹小径 mm 螺纹材料的许用应力 MPa,上式说明紧螺栓联接可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响。,1、受横向工作载荷的螺栓联结,F0预紧力m结合面数目f结合面摩擦系数C可靠性系数，通常取C=1.11.3,若结合面的摩擦力足够大，则被联结面之间不会发生相对滑动，因此螺栓所需的轴向力（预紧力）应为,当取f=0.15、C

8、=1.2、m=1，,铰制孔螺栓联接的强度计算,强度条件：,式中：F单个螺栓所受的横向载荷 Nd0螺栓剪切面直径 mm螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度 mm螺栓材料的许用剪切应力MPa（见148页）p螺栓和孔壁材料中弱者的许用挤压应力 MPa,2、受预紧力F0和轴向工作载荷FE的紧螺栓联接,变形受力过程：,各力定义,1、预紧力F0（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Fa 总拉力3、工作载荷FE（对螺栓联接施加的外载荷）4、FR剩余预紧力。,思考：图C中，Fa=？图c中，Fa=FE+F0？,静力平衡条件：Fa=FE+FR,即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。,同理，

9、考虑扭转作用，强度条件为：,校核式,mm 设计式,选择,有密封性要求时 一般联接，载荷稳定时 一般联接，载荷不稳定时 地脚螺栓联接,三、螺栓组联接的结构设计（补充）,1、联接接合面的设计,（一）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理（1）对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合。（2)对于铰制孔螺栓联接的受剪螺栓，在平行于工作载荷方向上成排布置的螺栓数目不应超过8个，以免载荷分布不均。,2、螺栓的数目及布置,（3）对于受弯矩或转矩的螺栓联接，应使螺栓尽量布置在靠近联接接合面的边缘上，以减少螺栓的受力。,（二）、螺栓的布置应有合理的间距和边距，以保证联接的紧密性和装配时扳手所需活动空间,（

10、三）螺栓的数目及布置应便于螺栓孔的加工,分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4,6,8等偶数，以便于在圆周上钻孔时得分度和划线。,10-7 螺栓的材料及许用应力,材料,一般：碳钢,低碳钢：Q215、10,中碳钢：Q235、35、45,变载荷；合金钢,低碳钢：15Cr,特殊用途：防锈、防磁、导电耐高温,中碳钢：40Cr,许用应力,许用拉应力：,许用切应力：,许拥挤压应力：,钢：,铸铁：,查手册,安全系数 表10-6、10-7(148),1、机理,螺母受压，p,一、改善螺纹牙间受力分配,第一圈：p最大，受力最大第810圈后几乎不受力,10-8提高螺栓联接强度的措施,采用加高螺母不能 提高联接强度。,

11、二、减小附加弯曲应力,螺纹牙根,弯曲应力,断裂,螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。,引起附加弯曲应力因素：,措施：垫圈、凸台、沉孔等。,思考：采用凸台、沉孔的目的？,三、减轻应力集中,收尾：退刀槽；,增大牙根处过渡圆角半径。,四、降低应力幅a,max 一定时：a疲劳强度,措施：1）螺栓长度 2）光杆直径,3）采用柔性螺栓,措施：不宜采用刚度小的垫片。,五、改善制造工艺,1、加工方法：碾制较车制强度30%；2、表面处理：喷丸、氮化等。,一、螺旋传动的类型、特点与应用,2、传动形式：1)螺杆转动螺母移动 2)螺母转动螺杆移动 3)螺杆又转动又移动（螺母固定）用得多 4)螺母又转动又移动（螺杆

12、固定）用得少,10-9 螺旋传动,按用途分三类：1）传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋 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传递运动和动力 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。特点：是受力较小且不经常转动,3、螺旋传动类型,螺旋传动按摩擦副的性质分：,滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传 动平稳、工作可靠、易于自锁 缺点：磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（3040%）,传动精度低,2)滚动螺旋传动：摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若

13、干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种.,特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。,3)静压螺旋：液体摩擦，靠外部液压系统提供压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油腔，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开.,特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，无爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长。但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构。

14、,二、滑动螺旋的设计计算,1、结构与材料,千斤顶典型结构,2、耐磨性计算,滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式，它会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。磨损的影响因素：工作面的比压，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态。所以耐磨性计算主要限制螺纹工作面上比压P要求小于材料的许用比压。,3、自锁性验算,4、螺杆的强度计算,螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）F与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用 按弯扭复合强度条件计算第四强度理论,5、螺母的螺纹牙强度计算,由于螺母材料的强度通常低于螺杆材料的强度，因此螺纹牙的剪切和弯曲多发生在螺母上。,6、螺杆的稳定性计算,当螺杆较细长且受较大轴

15、向压力时，可能会双向弯曲而失效，螺杆相当于细杆，螺杆所承受的轴向压力F小于其临界压力Fcr。,1、普通平键,（2）承载能力：,一、平键联接,10-11 键、花键联接,动联接，键固定在轴上，毂可沿键移动。,（4）特点,静联接，周向固定，传递转矩T；不能承受轴向力及轴向固定。,移动距离大时，采用滑键。,2、导向平键,3、滑键,动联接，键固定在毂上，一起沿键槽移动。,二、平键的选择计算,1、选择,由轴径d,由轮毂宽,2、强度计算,工作面被压溃（通常为轮毂）（静联接）工作面过度磨损（动联接）键剪断（过载才发生）,类型尺寸：（bh）L,普通平键的主要尺寸,强度条件：,普通平键：,（压溃）,压强：,（耐磨

16、）,3、强度的方法,若pp，可采用如下措施：,（1）键长L，但Lmax=（1.61.8)d，否则承载不均。（2）采用双键，按180布置，考虑承载不均，按1.5个计算。但对轴削弱大。,见表10-10,采用双键时，不能相隔180,应位于轴的同一母线上。,3、强度条件 主要失效：键剪断,2、布置,1、特性 1）键的摆动适应毂键槽的斜度；2）侧面为工作面，传T，不能传轴向力；3）特别适于锥形轴端；4）对轴削弱大，用于轻载。,三、半圆键,四、斜键联接,键的一个工作面为斜面：斜度1:100,工作面：上下面，两侧面有间隙 靠摩擦和互压传载：T和单向轴向力 方便拆卸：钩头楔键,1、楔键,工作面：上、下两面靠互

17、压传载，有一个面必须与轴线共面，双向T需用双键(120)。,2、切向键：两个单面斜楔构成,五、花键联接,1、组成：内花键、外花键,渐开线花键,3、定心方式：,矩形内径定心；,渐开线齿面定心；,其它定心方式,4、特性：（1）齿对称布置，受载均匀；（2）齿浅，应力集中；（3）承载；（4）定心好；,（5）可用于“动”、“静”；（6）渐开线较矩形根部，承载，定心精度高，宜用于 载荷大、尺寸大场合。,5、花键联结强度计算,失效形式：静联接：工作面被压溃 动联接：工作面过度磨损 强度条件：静联接：动联接：载荷分配不均系数k=0.70.8齿数多时取小值,对于矩形花键：,对于渐开线花键：,渐开线花键：=30,

18、h=m=45,h=0.8m,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。,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。,圆锥销具有1:50的锥度，安装方便，定位精度高。,10-12 销联接,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。,销轴用于两零件的铰接处，构成铰链联接。销轴通常用于开口销锁定，工作可靠，装拆方便。,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,根据用途不同可分为：,10-13成形联接（补充）,成形联接：利用非圆截面的轴和相应的毂孔配合而构成的联结，又称为无键联接,二、特点 优点：传递转矩T大，对中性好，装拆方便，无应力集中 缺点：制造难，尤其是高精度时,1、圆柱面过盈联接,承载能力取决于,10-14过盈联结（补充）,2、圆锥面过盈联接轴端,工作原理：靠配合面间的压力产生的摩擦力传递转矩或轴向力特 点：结构简单、同轴性好、对轴削弱小、承载能力好、耐冲击性能好 配合面精度要求高、不便于装拆,10-15弹性环联结,工作原理：利用内外套筒胀紧后的摩擦力矩传递转矩,