武汉理工大学机械设计课件第9章

第九章螺纹联接设计联接动联接——运动副静联接——螺纹、键、销（可拆），焊、铆、胶接（不可拆）第九章螺纹联接本章重点学习内容：1、螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。2、螺纹联接的受力分析及强度计算。（重点）3、螺纹联接的预紧和防松。4、提高螺栓联接强度的措施。螺纹联接是一种应用很广泛的可拆联接。它具有结构简单、工作可靠、装拆方便、能满足各种要求的特点。§9-1螺纹的类型及主要参数（1）大径d、D：（公称直径）（2）小径d1、D1：表示外、内螺纹的最小直径。（3）中径d2、D2：螺纹牙宽度和牙槽宽度相等处的假想圆柱的直径。（4）螺距P：相邻同侧螺纹牙间在中径对应点的轴向距离。（5）线数n：螺纹的螺旋线数目。（6）导程S：同一条螺旋线上相邻两螺纹牙间对应点的轴向距离。（7）升角λ：螺纹中径圆柱面上螺旋线的切线与端面的夹角。（8）牙型角α：轴向剖面螺纹牙两侧边夹角。（9）牙型斜角β：轴向剖面螺纹牙一侧和螺纹轴线垂直线的夹角一、主要参数螺纹的类型及主要参数二、螺纹的分类（按螺纹牙型分）：（1）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为60°。粗牙：用于一般联接。细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。（2）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为55°。（3）梯形螺纹。牙型角为30°，是应用最广泛的双向传动螺纹。(4）锯齿形螺纹。工作面牙型斜角β=3°，非工作面牙型斜角β=30°，是单向传动螺纹。（β=3°η↑β=30°根部强度↑）螺纹还分左、右旋，单、多线，公制、英制。我国除管螺纹外，都采用公（米）制，国际标准也采用公制。（5）矩形螺纹。牙型角0°，传动用螺纹。螺纹的类型及主要参数二、螺纹的分类（复习）按螺纹牙型分：（1）三角形螺纹（普通螺纹）。牙型角为60°。粗牙：用于一般联接。细牙：相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。（2）管螺纹。多用于有紧密性要求的管件联接。牙型角为55°，（3）梯形螺纹。牙型角为30°，是应用最广泛的双向传动螺纹。（4）锯齿形螺纹。工作面牙型斜角β=3°，非工作面牙型斜角β=30°，是单向传动螺纹。（β=3°η↑β=30°根部强度↑）（5）矩形螺纹。牙型角0°，传动用螺纹。螺纹还分左、右旋，单、多线，公制英制。我国除管螺纹外，都采用公（米）制，国际标准也采用公制。螺纹的类型及主要参数螺纹联接实例左右旋螺纹实例：1964年我国自行制造的第一艘万吨轮“跃进号”首航日本，途经韩国海域，由于航向偏离而触礁，使船底破开一个口子，海水涌入机舱。机舱内有紧急排水阀门，只要及时打开排水阀门，船还能得救。当时去打开阀门的三管轮，误将左旋螺纹当作了右旋螺纹，这样适得其反，非但没有打开阀门，反而越拧越紧，在这刻不容缓的紧急关头，失去了抢救的机会，使船沉没，在经济上、政治上造成了无法挽回的巨大损失。从这件事情上可以说明，同学们今后在处理问题时要冷静灵活。如果当时往右旋打不开阀门时就要考虑会不会是左旋螺纹？如果是这样，就会打开阀门，挽救了一条船，也避免了这样巨大的损失。一、矩形螺纹1.受力分析假定：①螺纹副的压力均匀分布在螺纹中径处，可简化为一点受力②相对运动与滑块和斜面间相似拧紧螺母，滑块沿斜面等速上升：Q——轴向载荷F——相当于旋转螺母时水平推动力N——法向反力。Ff——Ff=N·f摩擦力R——N和Ff的合力——R和N的夹角，称为摩擦角=arctgf§9-2螺纹副的受力分析、效率和自锁)()(222122tgtgtgQtgdQWWdλλ≈40°时,效率最高,但λ过大加工困难，λ常取不超过25°根据平衡条件作力封闭图有：F=Q·tg(λ+)转动螺纹所需的转矩为2)(2221dQtgdFT2.螺旋副的效率螺母旋转一周所需输入功W1=2T1螺母上升一个导程S，有效功（输出）W2=QS=Qd2tg传动效率为螺纹副的受力分析、效率和自锁故螺旋副自锁条件是：≤≤，，≤0，此时无论轴向力Q有多大，不能下滑，称为自锁。tgtgtgdQdQtgWW)()('2212F=Qtg(λ-)，输入W1=QS，输出W1=Fd2效率：滑块等速下降：3.螺旋副的自锁螺纹副的受力分析、效率和自锁在矩形螺纹的推导公式中用fv代f，v代，得相应公式。自锁条件是：≤v可以看出三角形螺纹自锁性能好，用于联接，梯形螺纹用于传动其它：Ff’=N’f=Qf/cos=Qfvfv=f/cos,v=arctgfv二、其它螺纹螺纹制的受力分析、效率和自锁矩形：Ff=Nf=Qf§9-3螺纹联接的基本类型及联接零件的标准1、螺栓联接被联接件上只钻有通孔，不需加工螺纹，通常用于被联接件不太厚和两边有足够装配空间场合。（2）铰制孔螺栓联接：螺栓与被联接件的孔间无间隙，孔加工精度要求高。用于承受横向载荷或要求精确固定被联接件相对位置场合。一、基本类型（1）普通螺栓联接：螺栓与被联接件的孔间留有间隙，故孔加工精度要求低。2、双头螺栓联接用于被联接件之一较厚不便穿孔的场合，可多次装拆，而不损坏被联接件。较薄的被联接件钻通孔，较厚的被联接件钻孔攻丝。螺纹联接的基本类型及联接零件的标准3、螺钉联接不用螺母，用于被联接件之一较厚且不宜多次装拆的场合。4、紧定螺钉联接用以固定两零件的相对位置，可传递不大的力和转矩。螺纹联接件如螺栓、双头螺柱及防松零件等大多已标准化一、螺纹联接的预紧大多数螺栓联接在装配时要拧紧螺母，这时螺栓联接受到预紧力F’的作用。预紧的目的是增加联接的可靠性，紧密性和防松能力。预紧力的大小是通过拧紧力矩来控制的。F′↑↑拧断螺栓F′↓↓易松动，故应通过控制拧紧力矩T来控制预紧力F′的大小T=T1+T2≈0.2F′dT1——为克服螺纹牙间相对转动阻力矩T2——为克服螺母与支承面相对转动阻力矩对于一般联接，可用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力。§9-4螺纹联接的预紧与防松二、螺纹联接防松三角形螺纹，升角λ=1.5°~3.5°，当量摩擦角ρv=5°~6°，故具有自锁性。但在冲击、振动或温度变化大及高温条件发生蠕变，联接可能自松，影响正常工作，甚至发生身故。因此要考虑防松装置。表9-2螺纹联接的预紧与防松防松的根本在于防止螺纹副的相对转动，按工作原理分三类：摩擦防松（利用摩擦）：使螺纹之间不因外载荷变化而失去压力，不十分可靠，多用于冲击、振动不剧烈的场合。机械防松（直接锁住）：利用各种止动零件。可靠、应用广。破坏螺纹副关系：冲点法和粘合法。用于不再被装拆场合。螺纹联接实例螺栓联接的防松实例：60年代初上海海运局的“和平45号”货轮，在一次航行中，柴油机的连杆螺栓脱落而被甩出，将附近钢板打穿，造成严重事故。事故原因是柴油机检修时，安装连杆的工人忘了在每个带槽螺母上插上开口销。因此螺栓的防松装置不能忽视，在工作中要重视每一个细节。§9-5单个螺栓联接的强度计算一、失效和设计准则1）普通螺栓可受轴向载荷或横向载荷，主要失效是受拉后螺纹部分的塑性变形或断裂，设计准则应保证联接有足够的拉伸强度。2）铰制孔螺栓主要承受横向载荷，主要失效是螺杆被剪断及螺杆或孔壁较弱者被压溃，设计准则应保证联接有足够的剪切强度和挤压强度。MPadF][2141二、受轴向载荷的螺栓联接（普通螺栓）1、松螺栓联接装配时不拧紧螺母，即承受工作载荷之前螺栓不受预紧力。如吊钩螺纹联接，当承受工作载荷下时，强度条件为：单个螺栓联接的强度计算2、紧螺栓联接1）只受预紧力紧螺栓联接装配时须将螺母拧紧，螺栓受有F′作用。F′产生拉应力，同时螺纹摩擦力矩T1产生扭剪应力τ，因此螺栓处于拉伸和扭转复合应力状态。4/21'dF5.016/2)(16/312'311ddtgFdT由第四强度理论3.1)5.0(332222单个螺栓联接的强度计算强度条件]['3.12141dF（2）受预紧力和轴向载荷单个螺栓联接的强度计算螺栓实际承受的总拉伸载荷F0由预紧力Ｆ′和工作拉力F组成，但并不等于两者之和，即F0≠F′+F。各力关系由静力平衡条件和变形协调条件来分析a）没有预紧b）螺栓受预紧力Ｆ′，被联接件压缩c0，螺栓伸长b0c）受轴向工作载荷F后，螺栓变形伸长量由δbo增至δbo+Δδ1对应总拉伸载荷F0，被联接件变形压缩量由c0回缩至c0-Δδ2对应残余预紧力F″动画演示静力平衡条件Fo=F+F″)(11bcbccbbbbbbbFFKKFKKKFKFtgF各种不同的情况有不同的残余预紧力要求(p186)单个螺栓联接的强度计算变形协调条件螺栓的Δδ1=被联接件的Δδ2动画演示FKKKFcbbbFkkkFFFFcbbc)1('''''][3.121410dF''''FFFKKKFFFFcbbbo单个螺栓联接的强度计算为保持所要求的残余预紧力，须加的预紧力为:为保持结合面紧密,要求的残余预紧力F″0强度校核式：例1：气缸盖用8个普通螺栓与缸体相联，如盖与螺栓的刚度恰好相等，每个螺栓的预紧力为5000N，进气后的剩余预紧力为2400N，问每个螺栓所受总载荷为多少？此时每个螺栓的工作载荷为多少？若要求不漏气，进气的最大总压力为多少？NNFNF80000,5200,76000总压力答案是：][4/20dmFR][poRpzdFm——螺栓剪切面的数目；do——剪切面的直径——轴向最小的接触长度；z——联结螺栓数[p]——螺栓或孔壁的许用挤压应力，取小者。单个螺栓联接的强度计算三、受横向载荷的螺栓联接受载后，螺杆受到剪切，孔壁和杆接触面受到挤压强度条件为：1、铰制孔螺栓联接zfmCFFCFzmfFRR''即]['3.12141dF求出F’后代入强度条件：单个螺栓联接的强度计算2、普通螺栓联接由于螺栓与孔之间留有间隙，故是由F′产生的摩擦力来平衡外载荷。为使被联接件之间不发生相对滑动，所需的F′为：C——可靠性系数，常取C=1.2~1.3m——接合面数f——摩擦系数z——联结螺栓数减载装置，见图9-17§9-6螺栓组的结构设计（阅读）§9-7提高螺栓联接强度的措施1、降低螺栓的应力幅受轴向变载荷的螺栓联接，在最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高，联接越可靠。可降低螺栓刚度Kb或增大被联接件刚度Kc来降低应力幅（图9-21，22）。2、改善螺纹牙间偏载情况螺纹牙间载荷分布情况见图。采用悬置螺母和环槽螺母可改善螺纹牙间的偏载现象。3、减小应力集中4、避免螺栓承受偏心载荷5、采用合理制造工艺螺栓失效实例：美国“挑战号”航天飞机在1986年2月的一次试飞中，升空32s后在空中发生爆炸，使第一位女宇航员遇难，成为震惊世界的惨案。根据美国航天局NASA报告，失事原因为密封圈的失效和密封装置上联接燃料缸的螺栓失效，造成燃料泄漏燃烧，而发生爆炸。仅仅是一个小小的螺栓失效，就造成如此巨大的惨案，这说明螺栓的强度计算是非常重要的。螺纹联接实例本章英语单词螺纹thread三角螺纹triangularthread矩形螺纹squarethread梯形螺纹trapezoidal锯齿形螺纹buttressthread管螺纹pipethread螺栓bolt双头螺柱stud(doubleendbolt)螺钉screw紧定螺钉setscrew螺母nut垫圈washer弹性垫圈springwasher本章小结内容归纳本章小结重点学习内容1.螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。2.螺纹联接的受力分析和强度计算。3.螺纹联接的预紧和防松。4.提高螺栓联接强度的措施。螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹联接的预紧与防松螺纹牙受力状态悬置螺母和环槽螺母减小应力集中避免承受偏心载荷