机械设计基础-(第五版)讲义10[80P][3.19MB]

水平推力 : F Fa tg ( ' ) d2 驱动力矩 : T Fa tg ( ' ) 2
滑块下降：
F Fa tg ( ' ) d2 T Fa tg ( ' ) 2
ψ≤ρ’ 对于联接螺纹必须满足自锁条件
非矩形螺旋的自锁条件：
10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
五、采用特殊制造工艺 冷镦头部、辗压螺纹
疲劳强度提高30%
削 比车
表面处理：
氰化、氮化也能提高疲劳强度。
10.11 键联接和花键联接
一、键联接的类型 作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭 矩， 或实现零件的轴向固定或移动。 类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。 1. 平键联接
间隙
特点：定心好、
Fa 2d 2 tan 2 d1 d1 / 4
直径为10～68mm的普通螺纹
2 2
0.5
2 2
当量应力： e 3 30.5 1.3
10.6 螺纹连接的强度计算
螺栓螺纹部分的强度条件
1.3Fa 2 d1 / 4
10.7 螺栓的材料和许用应力
二、螺纹联接的许用应力
10.8 提高螺栓连接强度的措施
承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂 容易断裂部位：
约65%
约20%
约15%
10.8 提高螺栓连接强度的措施
一、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围
减小螺栓刚度的方法
a. 柔性螺栓
b. 弹性元件
10.8 提高螺栓连接强度的措施
2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。
F/2
F
F/2
10.6 螺纹连接的强度计算
2. 受轴向工作载荷的螺栓强度
Fa FE F0 FR FR FR FE FR F0 Fa
F0
F0
10.6 螺纹连接的强度计算
力 力
F0 arctankb δ1
F0 arctankc
螺栓变形
∆Fb F0
δ2
联接件变形
力
∆Fc FE F a
摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生 β 的摩擦力与摩擦系数为f ’ ，的矩 形螺纹所产生的摩擦力相当。 螺杆 Fn 故称 f ’ 为当量摩擦系数。 f f ' tg ' 称 ρ’ 为当量摩擦角 cos
Fa
螺母 α β Fa
10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
引入参数f ’和ρ’ 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进 行力的分析。 滑块上升：
4. 紧定螺钉联接
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
二、螺纹紧固件
螺 纹 紧 固 件 螺栓 双头螺柱 螺钉、紧定螺钉 螺母 垫圈
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
螺栓的结构形式
L L0
d
六角头 L L0 d 小六角头
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
双头螺柱的结构形式
L L1 L0
FR
δ1
∆δ δ2
螺栓变形
10.6 螺纹连接的强度计算
一般连接，工作载荷稳定： FR = (0.2～0.6) FE 一般连接，工作载荷不稳定： FR = (0.6～1.0) FE 有紧密性要求的连接： FR = (1.5～1.8) FE 紧螺栓联接不离缝条件： 残余预紧力FR大于零。
10.7 螺栓的材料和许用应力
常用螺纹的特点及应用
普通螺纹 管螺纹
矩形螺纹
梯形螺纹
锯齿形螺纹
。
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
一、螺纹连接的基本类型
1. 螺栓连接
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
2. 螺钉联接
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
3. 双头螺柱联接
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
装拆方便。
工作面
普通平键
种类： 导向平键
轴
10.11 键联接和花键联接
普通 方头(B型) 用盘铣刀加工，轴的应力集中小。 平键 盘铣刀 单圆头(C型) 用于轴端
A型 B型 C型
圆头(A型)
用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。
机械防松
• 开口销
永久防松
10.6 螺纹连接的强度计算
螺栓的失效形式：
1) 螺栓杆拉断； 2) 螺纹的压溃和剪断； 3) 磨损滑扣。
螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度 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。
螺栓联接的计算:
1) 主要是确定螺纹小径d1; 2) 然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。
S -- 导程（S=nP）
( )-- 螺纹升角
， -- 牙型角，牙侧角
10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
一、矩形螺纹
1. 受力分析
F
展开中径d2 圆柱面得一斜面.
Fa ----轴向载荷 Fn ----法向反力 f ----摩擦系数 ρ ----摩擦角
F ----水平推力 F’=f Fn ----摩擦力 FR ----总反力
螺旋转动一圈时，有效功为FaS, 输入功为2πT。 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：
当ρ’一定时，效率 只是螺纹升角的函 数，由此可以绘出 效率曲线.
tan Fa S Fa S 2 T Fa tan( ) d 2 tan( )
f ’ =tanρ’ =0.1 自锁极限 紧固螺纹区
10.6 螺纹连接的强度计算
一、松螺栓连接
强度条件：
Fa Fa [ ] 2 A d1 4
设计公式：
d1
4 Fa [ ]
10.6 螺纹连接的强度计算
二、紧螺栓连接
螺栓所受应力由两部分组成：
1）螺杆承受轴向拉力Fa引起的拉应力；
2）螺纹力矩T1引起的扭切应力。
Fa 2 d1 / 4
当ρ’一定时，效率曲线 效率 100 η。 % 80 有极大值在ψ=45˚-ρ’/2 处
对于传动螺旋，一般取： ρ’ <ψ ≤25˚
升角过大, 制造困难，且效率增高也不明显。
60 40 20
对于联接螺纹，必须取：
ψ≤ρ’ = 5.7˚
0˚ 10˚ 20˚ 30˚ 40˚ 50˚
10.3 机械制造常用螺纹
10.1 螺纹联接
动联接
联接的分类 ：
静联接
10.1 螺纹联接
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，同时保证 平面图形运动时始终通过圆柱体的轴线，就得到螺纹
三角形螺纹
C A B
梯形螺纹
锯齿形螺纹
10.1 螺纹联接
螺旋线 ---- 一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴 线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。
Fa
FR
v
Fn ρ F’
d2 v F Fa S
F
πd2
当螺纹拧紧(滑块上升)时：
滑块在F、FR 、Fa三力作用 下处于平衡状态
Fa ---为阻力，F为驱动力，摩擦力F’ 沿斜面朝下。 ∠FRFa = ψ+ρ FR ψ+ρ FR = Fn +F’ Fa FR =(1 + f ) Fn F 列出力平衡方程： Fn FR + Fa +F =0 v FR ρ ψ 作力多边形 得： F=Fatan(ψ+ρ ) 驱动力矩：
一、螺栓的材料
一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢， 如 Q215、Q235、15、35、45 等。 受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢， 如 15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB 等。
公差等级：A、B、C，其中A级最高。 力学性能：10个等级， 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 小数点前，代表强度极限的1/100; 小数点后，代表屈服极限与强度极限比值 的10倍。
P P
S =P
S P
S
S = 2P
单线螺纹
双线螺纹
10.1 螺纹联接
内螺纹
螺纹副
外螺纹
10.1 螺纹联接
联接螺纹 传动螺纹
10.1 螺纹联接
圆柱螺纹
圆锥螺纹
管螺纹
10.1 螺纹联接
三、主要参数(以圆柱螺纹为例)
d -- 螺纹大径 d1 -- 螺纹小径
d2 -- 螺纹中径 n-- 线数
nP S arctan P -- 螺距 arctan d 2 d 2
提问：当ψ≤ρ时，若没有力矩T，螺 母在Fa的作用下会运动吗？
F
F
d2
Fa
T
F
不会！ --这种现象称为自锁。
二、 非矩形螺纹β≠ 0º
矩形螺纹忽略升角的影响时有： Fn=Fa 当β≠ 0º时，摩擦力为：
轴 线
Fa
螺母
f Fa F ' f Fn cos f 'Fa
螺杆 Fn 轴 线
d
L1 ----- 座端长度 L0 ----- 螺母端长度
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
螺钉的结构形式
头部 结构
末端 结构
10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
螺母的结构形式
六角螺母
六角扁螺母 六角厚螺母
圆螺母
垫圈的结构形式
A型平垫圈
B型平垫圈
10.5 螺纹连接的预紧和防松
一、螺纹连接的预紧
T可由测力矩扳手测定!
测量预紧前后螺栓的伸长量或测量应变
借助液力拉伸螺栓或将螺栓加热使其伸长要 求变形量。
10.5 螺纹连接的预紧和防松
二、螺栓连接的防松
原因：在冲击、振动或变载的情况下连接产生松脱。 本质：螺纹连接防松的根本问题在于要防止螺旋副 的相对运动。 常用的防松方法:
摩擦防松
• 弹簧垫圈 • 对顶螺母 • 带翅垫片 • 尼龙圈锁紧螺母 • 止动垫片
螺杆的设计公式
1.3Fa d1 / 4
10.6 螺纹连接的强度计算
1. 受横向工作载荷的螺栓强度
CF 1) Fa mf
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F 2) 2 d0 m 4
F p p d 0
10.6 螺纹连接的强度计算
改进措施：
1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用
增大被联接件刚度的方法
a. 金属垫片
b. 密封环
10.8 提高螺栓连接强度的措施
二、改善螺纹牙间的载荷分配
悬置螺母
内斜螺母
环槽螺母
螺纹牙间载荷分配关系
10.8 提高螺栓连接强度的措施
三、减小应力集中
10.8 提高螺栓连接强度的措施
四、避免或减小附加应力
10.8 提高螺栓连接强度的措施
外螺纹 内螺纹
螺纹副
按螺旋的作用分： 联接螺纹、传动螺纹 按母体的形状分： 圆柱螺纹、圆锥螺纹
10.1 螺纹联接
螺纹的牙型
30º 15º 3º 30º
矩形螺纹
三角形螺纹
梯形螺纹
锯齿形螺纹
10.1 螺纹联接
左旋螺纹和右旋螺纹
左旋
右旋
10.1 螺纹联接
单线螺纹、多线螺纹
n线螺纹: S = n P 一般: n ≤ 4
螺纹连接的拧紧力矩T由两部分组成：
1)克服螺纹副相对转动的阻力矩T1;
2)螺母支承面上的摩擦阻力矩T2。
Fa d 2 T T1 T2 tan f c Fa r f 2
常用粗牙螺纹 T
0.2Fa d
10.5 螺纹连接的预紧和防松
测力矩扳手或定力矩扳手 控制拧紧圈数或螺母转角
螺 纹 ---- 一平面图形沿螺旋线运动，运动时保 持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。 d
2
螺纹
10.1 螺纹联接
二、螺纹的分类
按螺纹的牙型分： 矩形螺纹、三角形螺纹
梯形螺纹、锯齿形螺纹
按螺纹的旋向分： 右旋螺纹、左旋螺纹 螺 纹 的 分 类 按螺旋线根数分： 单线螺纹、多线螺纹
按回转体的内外表面分：
第10章 联 接
§10.1 螺纹联接 §10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
§10.3 机械制造常用螺纹
§10.4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件
§10.5 螺纹联接的预紧和防松
§10.6 螺纹联接的强度计算 §10.7 螺栓的材料和许用应力 §10.8 提高螺栓联接强度的措施 §10.11 键联接和花键联接 §10.12 销联接
ψ F’ F Fa S
F
d2 Fa
d2 d2 T F Fa tan( ) 2 2
πd2
F
当螺纹拧松(滑块下滑)时：
F、F 、F 三力作 Fa ---为驱动力，F成为阻力， 滑块在 用下处于平衡状态 摩擦力F’沿斜面朝上。 FR ∠FRFa = ψ-ρ
R a
列出力平衡方程：
FR + Fa +F =0 作力多边形可得： F=Fatg(ψ-ρ ) 驱动力矩：
Fn ψ
ρ
v ψ
ψ -ρ
Fa
F
F’
d2 FR
Fa
F
ψ-ρ
Fa
F
d2 d2 T F Fa tg ( ) 2 2
F
10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁
d2 T Fa tan( ) 2 若ψ>ρ ，则T为正值，其方向与螺 母运动方向相反，是阻力； 若 ψ≤ρ ， 则 T 为负值，方向相反，其 F 方向与预先假定的方向相反，而与螺母 运动方向相同，成为放松螺母所需外加 T 的驱动力矩。