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1、联接,螺纹螺纹联接的类型和标准联接件 螺纹联接的预紧和防松 螺纹联接的强度计算螺栓组联接的设计提高螺纹联接强度的措施螺旋传动 键联接和花键联接 其它联接,联接的目的 便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率。学习目标 熟悉机器联接中常用的各种联接件的结构、类型、性能和应用场合，掌握设计理论和选用方法。,联接的分类,动联接：,静联接：,机器工作时，零部件之间可以有相对运动。例如：机械原理中，各种运动副之间的联接。,在机器工作中，不允许零部件之间存在相对运动的联接。,静联接,可拆联接：不需毁坏联接中的任何一个零件就可拆 开的联接。例如：螺纹联接、键联接。,不可拆联接：至少毁坏联接中的一部
2、分才能拆开 的联接。例如：铆接、焊接等。,过盈联接,1 螺纹,一、螺纹的类型和应用螺纹有外螺纹和内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。按其作用分为：联接螺纹：如普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹；传动螺纹：梯形螺纹、矩形螺纹、锯齿形螺纹。按使用单位制分为：英制螺纹：如管螺纹（螺距以每英寸牙数表示）；米制：其余均为米制。除矩形螺纹外，其余螺纹均已标准化。标准螺纹的基本尺寸，可查阅有关标准。常用螺纹的类型、特点和应用,二、螺纹的主要参数（1）大径d（公称直径）（2）小径d1（3）中径d2（4）线数n 单线螺纹 多线螺纹（5）牙型角（6）接触高度h 注：常用的联接螺纹要求自锁性，故多采用单线螺纹；传动螺纹要求传
3、动效率高，故采用双线或三线螺纹。为了便于制造，一般线数n4。,（7）螺距P（8）导程S 单线螺纹S=P；多线螺纹S=nP。（9）螺纹升角（10）螺纹旋向 左旋螺纹，右旋螺纹（常用）旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。,2 螺纹联接的类型和标准联接件,2.1 螺纹联接的基本类型 螺栓联接：普通螺栓联接 铰制孔用螺栓联接 双头螺栓联接 螺钉联接 紧定螺钉联接 其它：地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T型槽螺栓联接,螺纹紧固件大都为标准件，常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、螺母和垫圈等。1.普通螺栓联接特点：工作时受拉，无需在被联件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不
4、太厚的场合。,2.铰制孔用螺栓联接特点：工作时受剪，除起联接作用外，还起定位作用。,3.双头螺柱联接 特点：用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。,4.螺钉联接螺钉拧入深度H 钢或青铜 Hd 铸铁H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.5 2.5)d特点：用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。,5.紧定螺钉联接特点：螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。,地脚螺栓联接 吊环螺栓联接,T形槽螺栓联接,2.2 标准螺纹联接件2.3 螺纹紧固件的性能等级和材料螺纹联接件的常用材料 低碳钢Q215、10号钢：一般联接 中
5、碳钢Q235、35、45号钢：一般联接 低合金钢、合金钢如15Cr、40Cr30CrMnSi等：承受振 动、冲击、变载的重要联接垫片材料：普通垫片：Q215、15、35号钢；弹簧垫片：65Mn。（需热处理）螺栓的性能等级螺母的性能等级注：先选用性能等级，再选用推荐材料，一般采用4.6、4.8、5.6、5.8等几个级别。,3.1 螺纹联接的预紧（一）预紧的目的受载之前拧紧螺母预紧力F1.提高联接的紧密性2.防止联接松动3.提高联接件强度,3 螺纹联接的预紧和防松,防止联接松动,提高联接的紧密性,（二）控制预紧力的方法原因：T F 拉断、滑扣 T不能满足工作要求方法：1.控制应力或应变2.控制拧紧
6、力矩3.控制拧紧力臂4.测量螺栓伸长量,控制应力或应变,控制拧紧力矩,控制拧紧力臂,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。,（三）拧紧力矩与预紧力的关系以螺母分析：T=T1+T2 T1螺母支承面间的摩擦阻力矩 T2螺纹副间的摩擦力矩,F预紧力；d2螺纹中径；螺纹升角；v当量摩擦角；c螺母与被联接件承压面间的摩擦系数；D1，d0分别为承压面的外径和内径。,拧紧力矩与预紧力的关系,d2 0.9d;y=142=32vc0.15;D1 1.5d;d0 1.1d代入整理：注：不控制预紧力时，不宜采取M12以下的螺栓。,
7、3.2 螺纹联接的防松1、螺纹联接按自锁条件设计 v。静载下不会自行松脱。2、松动原因 冲击、振动、变载荷下；温度变化较大时螺旋副摩擦 力Ff减小或瞬时消失 松动 3、螺纹联接防松的实质：在于限制螺旋副的相对转动。4、螺纹联接防松的方法按工作原理可分为 摩擦防松 机械防松 其它：破坏螺纹副关系（焊接、铆冲、粘接）,摩擦防松：弹簧垫圈防松,开口方向：斜向右下方,弹性增压 尖端抵住,摩擦防松：自锁螺母防松,摩擦防松：对顶螺母防松,机械防松开口销开槽螺母防松,开口销与槽形螺母,机械防松：止动垫片防松,机械防松：止动垫片防松,机械防松：串联钢丝防松,其它：破坏螺纹副关系防松,4 螺纹联接的强度计算,实
8、质：根据联接的类型、联接的配合情况、载荷状况进行受力分析，找出螺栓组内受力最大的螺栓及其所受的力，然后按单个螺栓，按相应条件进行强度计算。方法：受力分析确定失效形式建立计算准则建立强度计算公式。,4.1 受拉螺栓联接受力情况：轴向拉力失效形式：断裂 静力断裂：静载荷，且严重过载。疲劳断裂：变载荷，多数属此，且疲劳断裂常发生在螺纹根部，即截面面积较小，并有缺口应力集中的部位，有时也发生在螺栓头与光杆的交接处。计算准则：抗拉强度准则，即。,（1）受拉松螺栓联接 松联接：联接在装配时不拧紧螺母，在承受工作载荷之前，螺栓不受力。（比较少见，拉杆、起重吊钩等的螺纹联接属此类。）校核公式设计公式,（2）受
9、拉紧螺栓联接紧联接：联接在装配时拧紧螺母，在承受工作载荷之前，螺栓有预紧力F的作用。1仅受预紧力F作用的紧联接螺栓受力：拉力和扭转（由螺纹摩擦力矩T1引起）。螺栓危险截面的拉伸应力：螺栓危险截面的扭转切应力：,对于M10-68普通螺纹的钢制螺栓，一般可取T0.5。由于螺栓材料是塑性的，根据第四强度理论，螺栓预紧状态下的计算应力 校核公式 设计公式,说明（1）受F作用的紧联接，按拉伸强度进行计算，但是应把F 加大30%，来考虑螺纹摩擦力矩（扭转）的影响。（2）靠摩擦力抵抗工作载荷的紧联接，其螺栓仅承受F作 用，且F不受工作载荷的影响，由于摩擦力变化较大，此联接不宜用于载荷突然变化的场合（振动、冲
10、击或变 载荷）。（3）靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接，螺栓直径较大。因为FFR/S，若S=0.2时，则F5FR，结果必然使螺栓的结构尺寸增加。通常采用减载零件的紧螺栓联接，其强度按减载零件的剪切、挤压强度条件计算，而螺纹联接只是保证联接，不再承受工作载荷，因此预紧力不必很大，但这种联接增加了结构和工艺上的复杂性。,（a）减载销（b）减载套筒（c）减载键,（2）受拉紧螺栓联接2受F及轴向工作拉力F作用的紧联接,（1）工作要求：螺栓强度，联接紧密性；（2）受力和变形分析：F0=F+F,（a）开始拧紧（b）拧紧后（c）受工作载荷时（d）工作载荷过大时螺栓和被联接件的受力与变形图,（a）拧紧时（b）
11、两图合并（c）受工作载荷时螺栓和被联接件的受力变形线图,螺栓的总拉力F0=F+F为保证联接的紧密性，应使残余预紧力F0。对于有紧密性要求的联接：F=(1.51.8)F；一般联接，若无载荷变化，F=(0.20.6)F，工作载荷不稳定，F=(0.61.0)F；对于地脚螺栓FF。根据变形协调条件有,（3）强度计算 1）静强度：或 2）疲劳强度：对于受轴向变载荷的重要联接，除作静强度计算外，还应作疲劳强度校核。工作拉力：0F（变载荷），螺栓受力：FF0,方法设计时，一般可先按静载荷强度计算，初定螺栓直径，然后再校核其疲劳强度。由于影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅，故这里的螺栓疲劳强度的校核公式
12、为式中a螺栓的许用应力幅，MPa。,4.2 受剪螺栓联接铰制孔螺栓联接受力情况：横向力失效形式：螺栓杆被剪断，螺栓杆与孔壁的贴合面压溃。计算准则：保证联接的挤压强度准则，即 螺栓的剪切强度准则，即,强度计算 挤压强度准则 剪切强度准则式中 h为计算对象的受压高度。,4.3 许用应力=S/S，=S/S对于钢 对于铸铁式中 S、B为螺栓材料的屈服极限和强度极限，常用铸铁联接件的B：200250MPa。说明对于d1的试算（因为d1确定后，才能查表13.7确定S）初估d查表13.7确定S=S/Sd1查标准确定d（d应与初估d相符）。（但通常只要最后确定的d在初估d的同一范围内就行，如M6M16或M16
13、M30等）,5 螺栓组联接的设计,设计内容及方法1螺栓组联接的结构设计 确定结合面的几何形状及螺栓的布置方式和个数；2根据联接受载情况，进行受力分析；3根据螺栓受力进行螺栓强度计算。,5.1 螺栓组联接的结构设计1目的：合理解决联接结合面的几何形状，确定螺栓布置方式及个数；2螺栓组联接的结构设计应考虑的问题 被联接件形状应简单对称；根据载荷的类型合理布置螺栓位置；铰制孔用螺栓受力方向不超过8个；受弯矩或扭矩时应适当离开对称轴。,布置螺栓应留有合理的间距；扳手空间尺寸 压力容器的螺栓间距同一圆周上的螺栓数量应为偶数，同组螺栓的直径、长度、材料应相同；避免螺栓偏心承载。,结构上：凸台、沉头座、斜面
14、垫圈、球面垫圈,5.2 螺栓组联接的受力分析1目的：找出受力最大的螺栓及力为强度计算提供依据；2假设：被联接件为刚体，不会在载荷作用下变形，结合面保持为平面；一组螺栓的直径、长度、材料和预紧力相同（即拉伸刚度、剪切刚度相同）；螺栓组的对称中心与结合面的形心重合。几种典型受力形式,一、受轴向载荷FQ的螺栓组联接压力容器螺栓组联接，轴向载荷FQ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心。设螺栓数目为z，各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷F为 F=FQ/z,受轴向载荷的螺栓组联接图,二、受横向载荷FR的螺栓组联接1.对于普通螺栓联接：承受横向力时，靠联接预紧后，在结合面间产生的摩擦力来抵
15、抗横向载荷。根据联接不产生相对滑动，可确定螺栓的预紧力F。或 式中 F即为每个螺栓所受的轴向工作拉力；kf为防滑系数，kf=1.11.3；m为结合面数；z为螺栓数目。,2.铰制孔螺栓联接：承受横向载荷时，靠螺栓的挤压、剪切承受外载，每个螺栓所受的横向工作剪力为 FS=FR/z 式中 z为螺栓数目,三、受旋转力矩T的螺栓组联接（1）普通螺栓联接假定由F在结合面内产生的摩擦力为集中力，且该力与螺栓中心和该组螺栓中心的连线相垂直。根据各力对底板的静力平衡，可求得F，即,（2）采用铰制孔螺栓联接各螺栓所受横向工作剪力的方向与它的轴心和螺栓组对称中心O的连线（即力臂ri）相垂直。假设底板为刚体，受载后接
16、合面仍保持为平面，忽略联接中的预紧力和摩擦力。根据底板静力平衡条件得：根据变形协调条件：则受力最大的螺栓的工作剪力为：,例：如图钢板厚度=16mm 用 两个铰制孔用螺栓固定在机架上，F=5000N，其它尺寸如图。板和机架材料均为Q235。试：（1）分析铰制孔用螺栓的失效形式；（2）分析铰制孔用螺栓的受力（3）按强度设计铰制孔用螺栓的直径（4）若用普通螺栓，计算螺栓 的直径（S=0.2，kf=1.1）,解：1.铰制孔用螺栓的失效形式为剪切和挤压失效；,2.受力分析：将载荷F向形心O简化后，每个螺栓的受力,3.按剪切强度计算螺栓的直径,粗选d=10，d 0=11mm的 六角头铰制孔用螺栓，螺母d=
17、10，H=8。根据机架，板厚及螺母H选用l=100（l3=82，l2=2）,选用两个M10100 GB27-88六角头铰制孔用螺栓。,按挤压强度校核,4.改用普通螺栓,每个螺栓的预紧力,选用两个M30（d1=26.21）的六角螺栓。小结：受复合载荷螺栓，其合力按向量相加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多。,四、受翻转力矩M的螺栓组联接假设M作用在通过x-x轴并垂直于联接接合面的对称平面内。力的分析：M未作用时，每个螺栓均受F作用（拉力），受M作用时，左侧螺栓拉力加大，右侧减少。,单个螺栓地基的受力变形分析：为简便起见，地基与底板间的分布力用各螺栓中心的集中力表示。图中，斜线O1A表示螺栓的受力
18、变形线；斜线O2A表示地基的受力变形线。,力的计算：根据各力对底板的静力平衡 根据螺栓变形协调条件：则式中Fmax代表最大的工作载荷，根据预紧力F、最大工作载荷Fmax可确定受力最大的螺栓的总拉力F0，则可进行强度计算。,失效分析：紧螺栓受拉扭；底板左侧出现间隙；底板右 侧压溃。,强度计算,螺栓的强度：右侧不压溃：左侧不分离：,小 结1）普通螺栓联接 轴向力F可根据轴向载荷和倾覆力矩确定，预紧力F可根据横向载荷和转矩确定，螺栓的总拉力 2）铰制孔螺栓联接 根据横向载荷和转矩确定螺栓的工作剪力。求得受力最大的螺栓及所受的剪力后，再进行单个螺栓联接的强度计算。,x,z,y,Fz,Fx,Fy,o,T
19、z,Mx,My,螺栓组受力分析 3个方向，6种载荷：横向力：Fx、Fy 轴向力：Fz 翻转力矩：Mx、My 转矩：Tz,受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+轴向载荷,受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+旋转力矩,受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力,6 提高螺纹联接强度的措施,螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度。影响螺栓强度的因素（着重考虑受轴向变载荷的紧螺栓联接）1应力变化幅 2螺纹牙的载荷分配 3应力集中 4附加应力 5制造工艺提高强度的措施,1、改善螺纹牙受力分配当联接受载时，螺栓受拉，螺距增大；而螺母受压，螺距减小。采用圈数过多的加高螺母，并不能提高联接强度。,(a)旋合螺纹的
20、变形示意图（b）螺纹牙受力分配螺纹牙的受力,为改善螺纹牙受力，可采用悬置螺母结构、内斜螺母和环槽螺母。这些结构特殊的螺母，由于制造费工，只有在重要或大型的联接中才使用。,（a）悬置螺母（b）内斜螺母（c）环槽螺母使螺纹牙受力分配较均匀的螺母结构图,2、降低应力幅 由式 可知：当F、F一定时，若使C1或C2，则F0a疲劳强度提高，静强度高；但是，F联接紧密性降低；若使C1，C2，同时适当使F，可保证F达到预定数值，这对改善联接的可靠性和紧密性是有利的。,(a)减小螺栓的刚度（b)增大被联接件刚度减小螺栓应力幅的措施,减小螺栓的刚度：腰状杆螺栓和空心螺栓增加被联接件的刚度：汽缸采用密封环密封,3、
21、减轻应力集中 圆角和卸载结构,4、避免或减小附加弯曲应力,（a）承压面倾斜（b）被联接件变形太大引起附加应力的原因,(a)采用球面垫圈（b）采用斜垫圈（c）采用凸台（d）采用沉头座（e）采用环腰使栓杆减免弯曲应力的措施,5、采用合理的制造工艺 冷镦螺栓头部和滚压螺纹 氮化；氰化；喷丸等处理,（一）螺旋传动的类型和应用 按用途可分为,镗刀差动螺旋微调结构,.,调整螺旋,正、反螺旋快速调整结构,（一）螺旋传动的类型和应用 按螺旋副的摩擦可分为,（二）滑动螺旋的结构和材料螺杆和螺母除具有足够的强度外，还要有较高的耐磨性和良好的工艺性。螺杆：Q235，45，40Cr 螺母：ZCu10P1，ZCuAl9Fe4Ni4Mn2（三）滑动螺旋传动的设计计算,
