机械设计基础(第10章)课件.ppt

1、第10章 连接第10章 连接内 容教学重点螺纹连接的基本类型、螺纹连接件、螺栓连接的强度计算1 螺纹参数2 螺旋副的受力分析、效率和自锁3 机械制造常用螺纹及标准4 螺纹连接基本类型及螺纹连接件5 螺纹连接的预紧和防松6 螺栓连接的强度计算11 键连接和花键连接第10章 连接1 螺纹参数d2如用一个平面图形沿螺旋线运动，并使平面始终通过圆柱体轴线，这样就构成了螺纹。平面图形形状可为；三角形、矩形、梯形、锯齿形等。一、螺纹的形成将一倾斜角为 的直线绕在圆柱上便形成一条螺旋线。第10章 连接按牙型:矩形、三角形、梯形、锯齿形二、螺纹的类型矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺

2、纹锯齿形螺纹1530330潘存云教授研制潘存云教授研制三角形螺纹连接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹第10章 连接根据螺旋线绕行方向：螺旋线向右升高右旋以轴线为基准(外)右旋左旋判断方法旋向第10章 连接根据螺旋线头数：为了制造方便，一般不超过4单头连接多头传动线数第10章 连接按位置：外螺纹在圆柱体的外表面形成的螺纹 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹 外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制两者旋合螺旋副螺旋副第10章 连接按用途：连接螺纹用于连接 传动螺纹用于传动（螺旋传动）连接螺纹传动螺纹第10章 连接按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分 按回转体的内外

3、表面分 按螺旋的作用分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹第10章 连接1）外径(大径)d(D)与外螺纹牙顶（内螺纹牙底）相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径三、螺纹的主要参数（外螺纹用小写字母，内螺纹用大写字母）2）内径(小径)d1(D1)与外螺纹牙底（内螺纹牙顶）相重合的 假想圆柱面直径第10章 连接4）螺 距 P 相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间 的轴向距离5）导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线 上对应两点间的轴向距离6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：S=nP7）螺

4、纹升角中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角2/tgnpd 3）中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱 面的直径，d20.5(d+d1)第10章 连接8）牙型角 螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 牙侧角 螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角30 梯形330 锯齿形矩形60 普通=60 30=30 15工3,非30=0 0第10章 连接在力矩和轴向载荷下，螺旋副的相对运动2dS(n p)FFa将螺旋线沿中径展开可得一斜面，为螺纹升角。2 螺旋副的受力分析、效率和自锁在中径的水平力推动滑块(重物)在沿螺纹运动第10章 连接 分析分析:1.当匀速上升当匀速上升:FaF

5、FnFRFfFaFFR+FR与Fn夹角摩擦角:tg f Ff /n R与a 夹角 a(轴向载荷,自重,阻力)作用在螺旋副上的驱动力矩：22()22addTFF tg(10-2b)atg()(102a)合反力FRV(滑块)合力法向反力Fn(斜面)施加水平推力（驱动力）摩擦阻力:f Fn=Ff一矩形螺纹一矩形螺纹:(=0)第10章 连接水平力，保证滑块匀速下滑当 时,滑块在重力作用下有加速运动的趋势，为阻力。当 时，作用力与假设力的方向相反，成为驱动力。自锁条件：22()22addTFF tg(10-3b)FaFFnFRFfFaFFR-()aFF tg说明：无论a多大，滑块不会自动下滑自锁2.当匀

6、速下降当匀速下降:轴向载荷a,变为驱动力作用在螺旋副上的相应力矩：为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件第10章 连接二非矩形螺纹（牙侧角 的三角形、梯形、锯齿形螺纹）0coscosaaaFffFf F非矩形螺纹的摩擦阻力把摩擦阻力增加看做是摩擦系数的增加：=tancosff-当量摩擦系数-当量摩擦角第10章 连接匀速上升:atg()(10-5a)匀速下降:Fatg()(10-6a)22()22addTFF tg22()22addTFF tg(10-6b)(10-5b)自锁条件：(10-7)要自锁好 (),(单头)为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧

7、固螺纹必须满足自锁条件为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件arctanarctancosff第10章 连接螺母旋转一周所需的输入功为：；此时螺母上升一个导程S，其有效功为：。TW21SFWa22221tantan2tan()2tan()2aaaF SFdWF dWT因此螺旋副的效率为：三.效率:由上式可知，当量摩擦角 一定时，效率只是螺纹升角的函数。第10章 连接当 时效率最高，但过大的升角使制造困难。并且由曲线图可以看出：当 之后，效率的增加不明显，所以通常取不超过25。400dd将效率公式绘制成曲线，如图所示。取=45-2第10章 连接3 机械制造常用螺纹

8、第10章 连接第10章 连接第10章 连接第10章 连接4 螺纹连接基本类型及螺纹紧固件1、螺纹连接主要类型(1)螺栓连接 a 普通螺栓连接 b 精密螺栓连接 (绞制孔螺栓）潘存云教授研制潘存云教授研制一螺纹连接基本类型第10章 连接(2)双头螺柱连接：(3)螺钉连接潘存云教授研制多用于较厚的被连接件或结构紧凑而采用盲孔的连接。直接旋入被连接件的螺纹孔中，省去螺母，结构简单。但不宜经常装拆，否则磨损而失效。第10章 连接特殊连接：地脚螺栓连接,吊环螺钉连接(4)紧定螺钉连接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。第10章 连接 2

9、）双头螺柱两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽1）螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头,内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小二螺纹连接件第10章 连接4)紧定螺钉 3)螺钉：与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;头部有内六角头、十字槽头等多种形式。末端要顶住被连接件之一的表面或相应的凹坑，其末端具有平端、锥段和圆尖端等各种形状。第10章 连接6）螺母5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹圆螺母+止退垫圈六角螺母：标准，扁，厚 第10章 连接7）垫圈平垫圈弹簧垫圈根据国家标准规定，螺纹紧固件分为三个精度等级，其代号为A、B、C。A级精度最高，用于要求配合精确，防止振动等重要零件的联接；B级精度多

10、用于受载较大且经常装拆或受变载荷的联接；C级精度多用于一般的螺纹联接。作用：增加被连接件的支承面积以减少接触处的挤压应力 和避免拧紧螺母时擦伤被连接件表面。第10章 连接5 螺纹连接的预紧和防松1、预紧预紧目的增强连接的紧密性、可靠性，防止受载后被连接件 之间出现间隙或发生相对滑移。如汽缸螺栓连接，有紧密性要求，防漏气。螺纹连接：松连接在装配时不拧紧，只有受外载时才受到力的作用 紧连接在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力F0一、螺纹连接的预紧预紧过紧拧紧力过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力过小，工作不可靠 第10章 连接a)测量预紧前后螺栓伸长量精度较高2预紧力控制方法第

11、10章 连接测力矩扳手测出预紧力矩，如左图定力矩扳手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，右图测力矩扳手定力矩扳手b)通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力第10章 连接拧紧力矩T0拧紧力矩由两部分组成：1)螺纹副的摩擦力矩T1；2)螺母与支承面间的摩擦力矩T2。T0 的大小的大小:拧紧时 连接件轴向拉力 被连接件轴向压力012第10章 连接螺纹阻力矩螺纹阻力矩 T1螺母支持面上的摩擦阻力矩T2T2 fc Fa r f1F d2/2Fa tg()d2/2dd0dwTF Fa a设轴向力为Fafc摩擦系数;rf支撑面摩擦半径;rf=(dw+d0)/4dw 螺母支撑面外径T0T1T20.2Fad

12、Nmm简化公式：对于M10M68的粗牙螺纹，f=0.15,fc=0.15,注意：对于重要的连接，应尽可能不采用直径过小(M12)的螺栓。第10章 连接 例10-1 已知M12螺栓用碳素结构钢Q235制成，螺纹间的摩擦系数f0.10，螺母与支承面间的摩擦系数fc0.15，螺母支承面外径dw16.6mm，螺栓孔直径d013mm，欲使螺母拧紧后螺杆的拉应力达到材料屈服限的50，求应施加的拧紧力矩，并验算其能否自锁。解：1.求拧紧力矩T22110.1062359420424 2sadFN查表得235MPas螺杆总拉力(预紧力)Fa拧紧力矩T2t()19.052acafdTFgf F rN m2.求螺纹

13、升角1.75arctan2.9410.863由表10-1查M12螺纹，P=1.75mm，d2=10.863mmm，d1=10.106mm3.求当量摩擦系数及当量摩擦角0.10coscos300.115arctan6.59fff，故具有自锁性。第10章 连接 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。2、防松原理二、螺纹连接的防松1、问题 为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？静载荷：(自锁)+预紧后摩擦力防止松动 动载荷：预紧力、摩擦力减小、消失不可靠第10章 连接 3、防松办法及措施 1)摩擦防松 弹簧垫圈、对顶螺母、尼龙圈锁紧螺母、自锁螺母等 常用的防松方法按工作原

14、理可分为有三种：摩擦防松、机械防松和永久防松。机械防松和摩擦防松称为可拆卸防松，而永久防松称为不可拆卸防松。弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母第10章 连接自锁螺母第10章 连接 用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除它们之间相对转动的可能性。开槽螺母与开口销、止动垫圈、串联钢丝螺栓开槽螺母开口销装配图2)机械防松第10章 连接止动垫片防松第10章 连接圆螺母用止动垫圈第10章 连接11.5P用冲头冲23点冲点防松法粘合法防松涂粘合剂3)永久防松：端铆、冲点、点焊、粘合 第10章 连接6 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算确定螺纹小径d1松螺栓连接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓连接：有预紧力，还有

15、工作拉力螺栓连接螺栓杆拉断 螺纹牙的压溃和剪断螺纹牙磨损滑扣主要失效形式：由于螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的，采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算然后按照标准选定螺纹的公称直径及螺距。第10章 连接 受载荷形式轴向拉伸(工作拉力Fa)失效形式螺栓拉断 设计准则保证螺栓拉伸强度 强度条件：设计计算方法：校核式:1)松螺栓连接:d1:螺纹小径mm;:许用拉应力 MpaFaFaFaFa 设计式:214aaFFAd 14 aFd FaFa起重吊钩起重吊钩第10章 连接2)紧螺栓连接强度设计对于M10M68的普通螺纹，取d1/d2和的平均值，并取：tg=f=0.

16、15 得得：0.5 在拉、扭联合作用时，根据材料力学第四强度理论3.1322e当量应力3.1322e第10章 连接 43.121dFae强度条件:装配拧紧后连接可受横向横向(F)或轴向载荷轴向载荷(FE)第10章 连接第10章 连接 43.121dFae强度条件:第10章 连接d)为简化结构，还可以采用铰制孔用螺栓连接。因为螺栓杆与孔壁之间没有间隙，当承受横向载荷时，接触表面受挤压，在连接接合面处，螺栓杆则承受剪切。因此应该对螺栓杆与孔壁配合面的挤压强度和钉杆横剖面的抗剪切强度进行验算。第10章 连接pDF42lDZ0螺栓间距l与p有关 常见 压力 容器各螺栓受拉力为：F=FZ3.受轴向载荷F

17、E的螺栓强度(预紧后)：此时螺栓受预紧力F0后 又受工作拉力FE螺栓所受的总拉力:Fa=F0+FE?第10章 连接3.受轴向载荷FE的螺栓强度(预紧后)螺栓所受的总拉力:Fa=F0+FE?第10章 连接单个连接受力分析:松弛状态松弛状态预紧状态预紧状态受载变形受载变形紧螺栓连接为保证被 连接件的接合面不出现缝隙，残余预紧力应大于零。第10章 连接螺栓刚度螺栓刚度00bbFk 被连接件被连接件刚度刚度00ccFk ERaFFF载荷与变形的关系：载荷与变形的关系：当轴向工作载荷 在 范围内变化EF0EF螺栓所受总拉伸载荷应 在 范围内变化0aFF第10章 连接ERaFFF第10章 连接螺栓的相对刚

18、度系数 kb/(kb+kc)与螺栓及被连接件的材料、尺寸和结构有关。0baEbckFFFkk 43.121dFae强度条件:第10章 连接功用功用:主要实现零件在轴上的周向固定并传递转矩（静连接），还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动连接）。一、键连接的类型与构造 主要类型：平键、半圆键、楔键、切向键11 键联接和花键联接第10章 连接1、平键（普通平键和导向平键）普通平键特点：用于静连接，即轴与轮毂间无相对轴向移动。键的两侧面是工作面，靠键与键槽的侧面挤压来传递扭矩；平键连接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定作用。普通平键按端部形状不同分为A型（圆头）、B型（平头）、C型（

19、半圆头）三种型式。第10章 连接 圆 头 A型（常用，轴槽用指状铣刀加工）键顶上面与毂不接触有间隙 方 头 B型（轴槽用盘型铣刀加工）轴的应力集中小半圆头C型（轴槽用端铣刀加工）用于轴端与轮毂连接 第10章 连接导向平键较长，用螺钉固定轴上。起键螺孔便于装拆。用于动连接，即轴与轮毂之间有相对轴向移动的连接 导向键键不动，轴上零件轴向移动，构成动连接。如变速箱的滑移此轮。第10章 连接平键连接结构:键两侧与键槽相配合(静连接为过渡配合,动连接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩失效形式:静连接：工作面挤溃，键剪断动连接：工作面磨损特点：结构简单，

20、装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛成对使用:承载能力不够时采用,按 180布置两个键。一对平键按1.5 个键计算第10章 连接轴槽用与半圆键形状相同的铣刀加工，键能在槽中绕几何中心摆动，适应毂槽底面。键的侧面为工作面，工作时靠其侧面的挤压来传递扭矩。特点：工艺性好，装配方便，适用于锥形轴与轮毂的连接，但轴槽对轴的强度削弱较大，只适宜轻载连接。2.半圆键第10章 连接 适用于低速轻载、精度要求不高。产生偏心，对中性较差。不宜高速和精度要求高的连接。变载下易松动。结构:工作原理:特点:1.键的上面及轮毂键槽底面有1:100 斜度。2.键侧与键槽有间隙,上下面楔紧，为工作面。3.可实现单向轴向

21、固定。把楔键打入轴和毂槽内时，其工作面产生很大的预紧力，靠上下面挤紧的摩擦力传递转矩,上下面为工作面。钩头时为了拆键用的。3.楔键第10章 连接:1.一对楔键组成,上下窄面为工作面 2.只能单向传递转矩两对切向键(120130分布)双向传递:结构承载力大重型机械特点:工作原理：靠工作面与轴及轮毂相挤压来传递扭矩 4.切向键切向键连接切向键连接（单向传动）（单向传动）（双向传动）（双向传动）工作面工作面第10章 连接普通平键连接应用举例普通平键连接应用举例第10章 连接ptphdlThlF42/Mpa (10-27)phdlTp4压溃挤压强度磨损压强1.静连接2.动连接T转矩Nmm，键的工作长度

22、mml pp,(按强度弱者)查表10-10圆头:l=Lb平头:l =L单圆头:l=Lb/2二.平键的强度校核 失效形式:静连接：工作面挤溃 动连接：工作面磨损第10章 连接轴和轮毂的周向均布多个键齿三、花键连接键侧是工作面，靠键侧面与键槽挤压传递转矩。1结构:2工作原理：由轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合构成花键连接,可视为平键在数量上的发展。3特点4失效形式:对中、导向性好。各键齿承载均匀，承载力大,键槽浅，对轴损伤较小。加工要用专用设备，成本高。静连接:齿面压溃。动连接:工作面磨损。第10章 连接键侧是工作面，靠键侧面与键槽挤压传递转矩。1结构:2工作原理：3特点4失效形式:对中、导向性好。各键齿承载均匀，承载力大,键槽浅，对轴损伤较小。加工要用专用设备，成本高。静连接:齿面压溃。动连接:工作面磨损。由轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合构成花键连接,可视为平键在数量上的发展。