内蒙古工业大学机械设计课件第五章

第二篇连接§概述一、连接的目的：便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等。二、连接的分类：机械动连接：机器工作时，零部件之间可以有相对运动。例如：机械原理中，各种运动副之间的连接。机械静连接：在机器工作中，不允许零部件之间存在相对运动的连接。1、按连接的是否允许相对运动分2、根据工作原理分：形锁合连接：靠被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合，使其产生连接作用。如铰制孔用螺栓连接、平键连接。摩擦锁合连接：靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力阻止被连接件的相对运动、达到连接的目的。如受横行载荷的紧螺栓连接、过盈连接。材料锁合连接：在指在被连接件间涂敷附加材料，靠其分子间的分子力将零件连接在一起。如胶接、钎焊。三、选择连接的依据：不可拆连接：至少毁坏连接中的一部分才能拆开的连接。例如：铆接、焊接、胶接等。可拆连接：不需毁坏连接中的任一零件就可拆开的连接，故多次装拆无损于其使用性能。例如：螺纹连接、键连接、销连接等。3、根据是否具有可拆性分：使用要求和制造要求。第五章螺纹连接和螺旋传动螺纹连接：紧固作用：要求保证连接强度；紧密作用：要求连接的气密性。螺旋传动：传动作用，要求保证螺旋副的传动精度、效率和磨损寿命。§5-1螺纹一、螺纹的形成将一倾斜角为ψ的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。取一平面图形，使它沿着螺旋线运动，运动时保持此图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。d2Sπd2ψ螺纹的分类1、按平面图形的形状分：三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹等；2、按应用分：连接螺纹和传动螺纹；3、按几何参数分：公英制螺纹；4、按螺纹的旋向分：左旋螺纹和右旋螺纹；5、按螺旋线的数目分：单线螺纹和多线螺纹；6、按螺纹的位置分：内螺纹和外螺纹；7、按母体形状分：圆柱螺纹和圆锥螺纹。8、按螺距分：粗细牙螺纹；二、螺纹的基本参数大径d，小径d1，中径d2线数n，螺距P，导程S升角ψ，牙型角α、牙侧角β、接触高度h内螺纹外螺纹Pd1d2d60°内螺纹外螺纹Pd1d2d60°内螺纹外螺纹Pd1d2d60°内螺纹外螺纹Pd1d2d60°PnPSαβh2arctandnPψ§5-2螺纹连接的类型及标准连接件一、螺纹连接的基本类型1.螺栓连接：普通螺栓连接：应用广泛，两被连接件不太厚，便于从两边装配。铰制孔用螺栓连接：受横向载荷。普通螺栓连接铰制孔用螺栓连接2.双头螺栓连接：被连接件之一较厚，常拆卸。双头螺柱连接3.螺钉连接：不常拆卸。螺钉连接4.紧定螺钉连接5.其它类型：吊环螺钉T形槽螺栓地脚螺栓二、标准螺纹连接件螺栓：也应用于螺钉连接双头螺柱：螺钉、紧定螺钉：头部和尾部形状螺母：外形垫圈：形状和作用一、预紧的目的1.提高连接的可靠性和紧密性；2.防止连接松动。§5-3螺纹连接的预紧预紧：使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，称为预紧，所承受的力称为预紧力。二、控制预紧力的方法测力矩扳手定力矩扳手控制预紧力的方法：测力矩扳手、定力矩扳手、测量螺栓伸长量预紧要求：拧紧后螺纹连接件在预紧力的作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80％。一般连接推荐值：碳素钢：F0≤（0.6～0.7）σSA1合金钢：F0≤（0.5～0.6）σSA1测力矩扳手定力矩扳手应变片对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。21TTT三、拧紧力矩Td0)tan(2201vψdFT拧紧力矩螺旋副摩擦阻力矩螺母与支承面间摩擦阻力矩202030300231dDdDFfTc]32)tan([212020303020dDdDfdFTcvdFT02.0§5-4螺纹连接的防松一、螺纹连接松动的原因1、冲击、振动和变载荷作用的场合；2、高温或温度变化较大的场合。二、螺纹连接防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。三、防松的方法按工作原理可分为三类：（p71表5-3）1、摩擦防松2、机械防松3、不可拆卸防松（铆冲；粘接；焊接）1、摩擦防松自锁螺母防松弹簧垫圈防松对顶螺母防松2、机械防松螺栓装配图开槽螺母开口销止动垫片防松止动垫片防松串联钢丝防松正确错误3.不可拆卸防松焊接铆冲§5-5螺栓组连接的设计工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少。因此，必须研究螺栓组设计和受力分析。它是单个螺栓计算基础和前提条件。螺栓组连接设计的步骤——选布局、定数目、力分析、设计尺寸（一）螺栓组连接的结构设计目的：在于合理地确定连接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各个螺栓和连接结合面间受力均匀，便于加工和装配。1、接合面的几何形状设计成轴对称的简单几何形状布局要尽量对称分布，螺栓组中心与连接结合面形心重合（有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀。2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷方向上成排地布置8个以上螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷。FF3、螺栓的排列应有合理的间距、边距。适当边距，有利于扳手装拆4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4、6、8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和划线。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。5、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。（二）螺栓组连接的受力分析受力分析的目的：根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及所受的力，以便进行强度计算。几点假设：A、所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；B、螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；C、受载后连接的接合面仍保持平面。1、受横向载荷的螺栓组连接特点：普通螺栓、铰制孔用螺栓皆可用，外载荷垂直于螺栓轴线、防滑普通螺栓——受拉伸作用铰制孔螺栓——受横向载荷剪切、挤压作用。单个螺栓所承受的横向载荷相等zFFz－螺栓的数目铰制孔用螺栓，工作剪力F：普通螺栓：FKzifFs0或fziFKFs0f－接合面的摩擦系数，见表5-5；i－接合面数；Ks－防滑系数，Ks=1.1～1.3；2、受转矩的螺栓组连接（1）圆形接合面：单个螺栓所受横向载荷rzTF（2）矩形接合面a)普通螺栓连接由静平衡条件：0TTKrfFrfFrfFSz02010ziiSzSrfTKrrrfTKF1210)(则各个螺栓所需的预紧力为：∴连接件不产生相对滑动的条件为：0fF0fFb)铰制孔用螺栓连接由变形协调条件可知，各个螺栓的变形量和受力大小与其中心到接合面形心的距离成正比zzrFrFrF2211由假设——板为刚体不变形，工作后仍保持平面，则剪应变与半径成正比。在材料弹性范围内，应力与应变成正比iiiirrFFrFrFmaxmaxmaxmax由静平衡条件：0TTrrFrrFrrFrrFTrFrFrFzizzz12maxmax2maxmax22maxmax21maxmax2211ziirrTF12maxmax3、受轴向载荷螺栓组连接单个螺栓工作载荷为：F=FΣ/zFΣ——轴向总载荷z——螺栓数目FΣ4、受倾覆力矩的螺栓组连接特点：M在通过x-x轴并垂直连接接合面的对称平面内。在铅直平面内，绕O-O回转，只能用普通螺栓。F0F0F2mF2σp1σp2σpB1AC1C2B2ObOm变形力F1FF2FmF2mF0F1m底板左侧合力：底板右侧合力：12FFFmmmFFF21mFFF的合力和Fm的合力对O-O的力矩作用，与M平衡MLFLFLFZZ2211maxmaxmaxmax11LLFFLFLFLFiiiiziiLMLF12maxmax取底板为受力对象，设单个螺栓工作载荷为Fi，由静平衡条件：F0F0F2mF2σp1σp2σp受力最大螺栓的总载荷：max02FCCCFFmbb受倾覆力矩的螺栓组连接正常工作条件F0F0F2mF2σp1σp2σp正常工作条件：防止受压最大处被压碎及受压最小处出现间隙。][ppmaxppmax0pmaxppminAzF0pmbmCCCWMpmax地基的相对刚度，取极限值1WMpmax][p0pmaxWMAzF00pminWMAzF连接接合面许用挤压应力，见表5-7总设计思路：实际使用中螺栓组连接所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可螺栓组结构设计（布局、数目）→螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）→求单个螺栓的最大工作载荷（判断哪个最大）→按最大载荷的单个螺栓设计（求d1—标准）→全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）。受复合载荷的螺栓组连接横向荷载+轴向载荷+翻转力矩横向载荷+旋转力矩受复合载荷的螺栓组连接§5-6螺纹连接的强度计算单个螺栓的受载情况轴向载荷F轴向载荷F横向载荷F横向载荷F横向载荷F横向载荷F螺栓的装配及承载情况仅受预紧力作用的螺栓紧螺栓松螺栓连接紧螺栓连接铰制孔用螺栓连接受轴向载荷螺栓连接受横向载荷螺栓连接普通螺栓连接只能承受轴向载荷螺栓的装配情况受预紧力和工作载荷作用的螺栓主要承受横向载荷螺栓连接的失效形式及计算准则1、失效形式A、螺栓杆和螺纹部分塑性变形或断裂；B、螺栓杆压溃或剪断。2、计算准则A、受拉螺栓：保证螺栓的静强度或拉伸疲劳强度；B、受剪螺栓：保证螺栓的挤压强度和剪切强度。SSSlim][PP][（一）松螺栓连接强度计算如吊钩螺栓，工作前不拧紧，只有工作载荷F起拉伸作用。强度条件为：][421dF][41Fd—验算公式—设计公式F——工作拉力（N）d1——螺纹小径（mm）[σ]——许用拉应力N/mm2(MPa)F（二）紧螺栓连接强度计算紧螺栓连接——工作前有预紧力F0工作前拧紧，存在拧紧力矩T1的作用预紧力F0→产生拉伸应力σ螺纹摩擦力矩T1→产生剪应力τ复合应力状态:21041dFvvvTdddFddFWTtantan1tantan24161)tan(21221031201按第四强度理论，计算应力：3.1322ca5.0取tan≈0.17，≈1.04～1.08，tanψ≈0.05v12dd1、仅承受预紧力的紧螺栓连接FF∴强度条件为：][43.1210dFca承受横向工作载荷FF0F0FfF0若f=0.2，则：FF50c.减载键为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置：a.减载销b.减载套筒2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接F0λmλbΔλF1F1F0F0F0F2F2FFΔλ螺栓连接拧紧前螺栓连接拧紧，承受工作载荷F螺栓连接拧紧，在承受工作载荷前承受轴向工作载荷的紧螺栓工作分析b螺栓总变形量被连接件总变形量mF1称为残余预紧力λbF0θbF0λmθmF0力变形λbθbθmλmΔλFF1F2单个紧螺栓受力与变形关系仅承受预紧力F0时：螺栓受力变形被连接接件受力变形承受工作载荷F后：紧螺栓连接需保证被连接件的接合面不出现缝隙，残余预紧力F10。密封性连接，F1＝（1.5～1.8）F；一般性连接：F无变化，F1＝（0.2～0.6）F；F有变化，FR＝（0.6～1.0）F；地脚螺栓连接，F1≥F。F2=F1+F力变形Ob变形力OmΔλF0力变形λbθbθmλmFF1F2紧螺栓连接各力与连接刚度之间的关系总载荷F2：预紧力F0：FCCCFFCCCFFmbmmbb110)1(螺栓的相对刚度ΔFbbbCFtan0mmmCFtan0mbmbCCFFFtantanFCCCFmbbFFF02FCCCFFmbb02mbbCCC或)(10FFFF螺栓工作的总载荷：F2=F1+F