第10章联接设计_机械设计(华中科技大学)
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zm
单个螺栓的预紧力
(3) 强度条件
Fv d12 /
4
4
(1.3F d12
'
)
[]
(MPa)
d1
4 (1.3F ') []
(mm)
dd12d
2.受轴向载荷的普通螺栓联接
(1) 螺栓和被联接件的受力与变形
拧紧 F ' 工作时 F
总拉力 F0 ？ F ' F
螺栓： 未受力、无变形 未拧紧
被联件：未受力、无变形
)
[]
(MPa)
d1
4 (1.3F0 ) []
(mm)
(4) 保证联接的紧密性
剩余预紧力F" 0
分析 若 C1 C2 预紧力为 F '
工作载荷 F ＝ 预紧力F ' 联接是否出现间隙 ？
剩余预紧力： F " F ' C2 F 0.5F ' 0 C1 C2 联接紧密
在满足强度条件时，最大工作载荷是多少？
可得
Ft F tg( v ) 旋紧
2.螺纹副的效率
螺母转一圈所做总功
有用功 ( 无摩擦时的功 讨论：
A1 )
T1 2
Ft
d2 2
A2
Fd2 2
tg
2
Fd2 2
tg( v ) 效率
tg tg( v )
(1) v
v
arc
tg
f cos
矩形螺纹 0 v arc tg f
锯齿形螺纹 30 v arc tg 1.001 f
梯形螺纹 150 v arc tg 1.035 f 三角形螺纹 300 v arc tg 1.155 f
矩形螺纹 其他牙形
NF fN fF
N F cos
fN
f cos
F
fvF
三角形螺纹效率低、用于联接 其余三种用于传动
将楔形面上的摩擦状况 转为平面上的摩擦状况
(2)
螺纹线数 n
减少 C1 增大 C2
总拉力变化幅度减小
采用空心螺栓 或加长螺栓
采用薄金属垫片、O形密封圈
避免用软垫片
总拉力
F0
F'
BD
F'
C1 C1 C2
F
(3) 强度条件
考虑在工作载荷下拧紧螺母 故 Fv 1.3F0 强度条件同受横向载荷的普通螺栓联接
单个螺栓所受总载荷
Fv d12 /
4
4 (1.3F0 d12
F" F ' C2 F 0
F 2F'
C1 C2
总拉力：
F0
F
'
C1 C1 C2
F
1.5F
'
强度条件计算：
4 (1.3F0 ) d12
[]
总拉力 F0 F" F
总拉力
F0
F'
C1 C1 C2
F
剩余预紧力 F" F ' C2 F C1 C2
3.受横向载荷的铰制孔螺栓联接
强度条件
3.胶接
胶粘剂
4.过盈配合联接
压入法： 过盈量或尺寸较小 包容件： 加温包容件或冷却被包容件
5.销联接
定位 用于
联接 圆柱销 圆锥销
液压拆卸
高压油涨大包容件内径
6.键联接
(1) 平键
键的剖面尺寸b、h 按轴直径 d 从标准中选取
键的长度 l 根据轮毂宽度确定
主要失效形式
设计准则
静联接 侧面压溃
动联接 工作面磨损
螺栓受力
受 T1 产生剪应力
螺栓预紧力 F ' 当量拉力 Fv 1.3F ' 加大30%考虑 T1 的影响
(2) 保证联接面不滑移的螺栓预紧力 F '
拧紧力矩 T1
预紧力F ' 联接面间摩擦力
F ' z m K f R
摩擦系数
可靠性系数
螺栓数 接合面数
K f 1.1 ~ 1.3
平衡横向力 R F' Kf R
3.螺纹的自锁条件
加工困难
tg np d2
多头螺纹用于传动
常用 n 2 ~ 3
力学模型：螺母等速下降 F 为驱动力 Ft F tg( v ) 松开 Ft 为阻力
当 v 时，Ft 0 自锁条件 v 要使螺母下降，必须改变 Ft 方向
否则螺母会在斜面任意位置停下
小块 A 受力
讨论： (1) 三角形螺纹 v 最大，自锁性好 用于联接
CD
F BD CD (C1 C2 )
F
C1 C2
螺栓相对刚度
总拉力
F0
F'
BD
F'
C1 C1 C2
F
被联件相对刚度
剩余预紧力 F " F ' CD F ' C2 F C1 C2
若工作拉力变化：0 ~ F
则总拉力：F ' ~ F ' C1 F C1 C2
在 F 和 F" 相同情况下
拧紧后 螺栓： 受 F ' 拉 伸长 1 工作前 被联件：受 F ' 压 缩短2
工作时
螺栓： 再加 F 总伸长(1 )
对应拉力F0 被联件：总压缩量 (2 )
联接面间受压F "
螺栓所受总拉力F0 = 工作拉力F + 剩余预紧力F”
(2) 各力的关系式
螺栓刚度
C1
F' 1
BD
被联件刚度
C2
F' 2
螺杆承受剪力 FS
拧紧力矩 T1 和预紧力F ' 可忽略
z FS R
螺栓数
单个螺杆所受剪力
杆受剪：
4FS
d
2 0
m
[]
受剪面数
螺杆直径
杆与壁受挤压：
P
wenku.baidu.com
FS d0h
[P ]
杆与壁材料较差者
受挤压的最小轴向长度
四、螺栓组联接的设计
1.螺栓组联接的结构设计
第十章 联接设计
一、联接的类型
联接
1.铆接
不可拆联接 ( 铆接、焊接…) 可拆联接 ( 销联接、键联接、螺纹联接…)
铆钉 被联接件
2.焊接
(1) 熔焊 电弧熔
电焊条与被焊接件形成电路 电焊机低压电流熔融金属填充接缝
电渣焊 大厚度的焊件 激光焊接 薄板焊接
(2) 钎焊
钎料熔化填充到被联接件的间隙内
焊接加热温度低、对被联接件影响小
挤压应力
P
2T / d lh / 2
4T dlh
[P ]
比压
p 4T [ p] dlh
(2) 花键 主要失效与平键相同
7.螺纹联接
(1) 螺栓联接
(2) 双头螺栓联接
被联接件上 无需切制螺纹 装拆方便
被联接件之一 较厚 且经常装拆
(3) 螺釘联接
(4) 紧定螺釘联接
被联接件之一 较厚 且不常装拆
用于固定两零 件相对位置 传递不大转矩
二、螺纹副的受力分析
1.螺纹副的受力
拧紧螺母 T1 螺栓上产生轴向力 F
螺纹副 力学模型
施加 T1 螺母承受F 等速上升
将F 集中于小块A 螺旋沿中径 d2 展开
小块A受力： 圆周力Ft
轴向力F v arc tg fv
摩擦力 fv N 正压力 N
反作用力R F
(2) 由 tg np 知 细牙螺纹螺距 p 小，升角 小
d2
易满足自锁条件
自锁性较粗牙好
三、单个螺栓联接的强度计算
螺栓受载情况
受横向载荷的普通螺栓联接 受轴向载荷的普通螺栓联接 受横向载荷的铰制孔螺栓联接
失效形式
拉断 挤压 剪切
1.受横向载荷的普通螺栓联接
(1) 螺栓的当量拉力 拧紧力矩 T1 受 F ' 产生拉应力
单个螺栓的预紧力
(3) 强度条件
Fv d12 /
4
4
(1.3F d12
'
)
[]
(MPa)
d1
4 (1.3F ') []
(mm)
dd12d
2.受轴向载荷的普通螺栓联接
(1) 螺栓和被联接件的受力与变形
拧紧 F ' 工作时 F
总拉力 F0 ？ F ' F
螺栓： 未受力、无变形 未拧紧
被联件：未受力、无变形
)
[]
(MPa)
d1
4 (1.3F0 ) []
(mm)
(4) 保证联接的紧密性
剩余预紧力F" 0
分析 若 C1 C2 预紧力为 F '
工作载荷 F ＝ 预紧力F ' 联接是否出现间隙 ？
剩余预紧力： F " F ' C2 F 0.5F ' 0 C1 C2 联接紧密
在满足强度条件时，最大工作载荷是多少？
可得
Ft F tg( v ) 旋紧
2.螺纹副的效率
螺母转一圈所做总功
有用功 ( 无摩擦时的功 讨论：
A1 )
T1 2
Ft
d2 2
A2
Fd2 2
tg
2
Fd2 2
tg( v ) 效率
tg tg( v )
(1) v
v
arc
tg
f cos
矩形螺纹 0 v arc tg f
锯齿形螺纹 30 v arc tg 1.001 f
梯形螺纹 150 v arc tg 1.035 f 三角形螺纹 300 v arc tg 1.155 f
矩形螺纹 其他牙形
NF fN fF
N F cos
fN
f cos
F
fvF
三角形螺纹效率低、用于联接 其余三种用于传动
将楔形面上的摩擦状况 转为平面上的摩擦状况
(2)
螺纹线数 n
减少 C1 增大 C2
总拉力变化幅度减小
采用空心螺栓 或加长螺栓
采用薄金属垫片、O形密封圈
避免用软垫片
总拉力
F0
F'
BD
F'
C1 C1 C2
F
(3) 强度条件
考虑在工作载荷下拧紧螺母 故 Fv 1.3F0 强度条件同受横向载荷的普通螺栓联接
单个螺栓所受总载荷
Fv d12 /
4
4 (1.3F0 d12
F" F ' C2 F 0
F 2F'
C1 C2
总拉力：
F0
F
'
C1 C1 C2
F
1.5F
'
强度条件计算：
4 (1.3F0 ) d12
[]
总拉力 F0 F" F
总拉力
F0
F'
C1 C1 C2
F
剩余预紧力 F" F ' C2 F C1 C2
3.受横向载荷的铰制孔螺栓联接
强度条件
3.胶接
胶粘剂
4.过盈配合联接
压入法： 过盈量或尺寸较小 包容件： 加温包容件或冷却被包容件
5.销联接
定位 用于
联接 圆柱销 圆锥销
液压拆卸
高压油涨大包容件内径
6.键联接
(1) 平键
键的剖面尺寸b、h 按轴直径 d 从标准中选取
键的长度 l 根据轮毂宽度确定
主要失效形式
设计准则
静联接 侧面压溃
动联接 工作面磨损
螺栓受力
受 T1 产生剪应力
螺栓预紧力 F ' 当量拉力 Fv 1.3F ' 加大30%考虑 T1 的影响
(2) 保证联接面不滑移的螺栓预紧力 F '
拧紧力矩 T1
预紧力F ' 联接面间摩擦力
F ' z m K f R
摩擦系数
可靠性系数
螺栓数 接合面数
K f 1.1 ~ 1.3
平衡横向力 R F' Kf R
3.螺纹的自锁条件
加工困难
tg np d2
多头螺纹用于传动
常用 n 2 ~ 3
力学模型：螺母等速下降 F 为驱动力 Ft F tg( v ) 松开 Ft 为阻力
当 v 时，Ft 0 自锁条件 v 要使螺母下降，必须改变 Ft 方向
否则螺母会在斜面任意位置停下
小块 A 受力
讨论： (1) 三角形螺纹 v 最大，自锁性好 用于联接
CD
F BD CD (C1 C2 )
F
C1 C2
螺栓相对刚度
总拉力
F0
F'
BD
F'
C1 C1 C2
F
被联件相对刚度
剩余预紧力 F " F ' CD F ' C2 F C1 C2
若工作拉力变化：0 ~ F
则总拉力：F ' ~ F ' C1 F C1 C2
在 F 和 F" 相同情况下
拧紧后 螺栓： 受 F ' 拉 伸长 1 工作前 被联件：受 F ' 压 缩短2
工作时
螺栓： 再加 F 总伸长(1 )
对应拉力F0 被联件：总压缩量 (2 )
联接面间受压F "
螺栓所受总拉力F0 = 工作拉力F + 剩余预紧力F”
(2) 各力的关系式
螺栓刚度
C1
F' 1
BD
被联件刚度
C2
F' 2
螺杆承受剪力 FS
拧紧力矩 T1 和预紧力F ' 可忽略
z FS R
螺栓数
单个螺杆所受剪力
杆受剪：
4FS
d
2 0
m
[]
受剪面数
螺杆直径
杆与壁受挤压：
P
wenku.baidu.com
FS d0h
[P ]
杆与壁材料较差者
受挤压的最小轴向长度
四、螺栓组联接的设计
1.螺栓组联接的结构设计
第十章 联接设计
一、联接的类型
联接
1.铆接
不可拆联接 ( 铆接、焊接…) 可拆联接 ( 销联接、键联接、螺纹联接…)
铆钉 被联接件
2.焊接
(1) 熔焊 电弧熔
电焊条与被焊接件形成电路 电焊机低压电流熔融金属填充接缝
电渣焊 大厚度的焊件 激光焊接 薄板焊接
(2) 钎焊
钎料熔化填充到被联接件的间隙内
焊接加热温度低、对被联接件影响小
挤压应力
P
2T / d lh / 2
4T dlh
[P ]
比压
p 4T [ p] dlh
(2) 花键 主要失效与平键相同
7.螺纹联接
(1) 螺栓联接
(2) 双头螺栓联接
被联接件上 无需切制螺纹 装拆方便
被联接件之一 较厚 且经常装拆
(3) 螺釘联接
(4) 紧定螺釘联接
被联接件之一 较厚 且不常装拆
用于固定两零 件相对位置 传递不大转矩
二、螺纹副的受力分析
1.螺纹副的受力
拧紧螺母 T1 螺栓上产生轴向力 F
螺纹副 力学模型
施加 T1 螺母承受F 等速上升
将F 集中于小块A 螺旋沿中径 d2 展开
小块A受力： 圆周力Ft
轴向力F v arc tg fv
摩擦力 fv N 正压力 N
反作用力R F
(2) 由 tg np 知 细牙螺纹螺距 p 小，升角 小
d2
易满足自锁条件
自锁性较粗牙好
三、单个螺栓联接的强度计算
螺栓受载情况
受横向载荷的普通螺栓联接 受轴向载荷的普通螺栓联接 受横向载荷的铰制孔螺栓联接
失效形式
拉断 挤压 剪切
1.受横向载荷的普通螺栓联接
(1) 螺栓的当量拉力 拧紧力矩 T1 受 F ' 产生拉应力