第5章螺纹连接和螺旋传动.ppt

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2004年2月,第二级,第三级,第四级,第五级,天津工业大学专用作者：潘存云教授,*,第5章螺纹连接和螺旋传动,51螺纹,52螺纹连接的类型及标准连接件,53螺纹连接的预紧,55螺纹连接的强度计算,57螺栓的材料和许用应力,58提高螺栓连接强度的措施,59螺旋传动,54螺纹连接的防松,56螺栓组连接的设计,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、螺纹的形成,5,1螺纹,d,2,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。,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。,螺纹,天津工业大学专用作者：潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,螺纹的牙型,潘存云教授研制,矩形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,15,30,3,30,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,右旋螺纹,潘存云教授研制,左旋螺纹,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,外螺纹,内螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹,多线螺纹,外螺纹,内螺纹,连接螺纹,传动螺纹,螺旋传动,天津工业大学专用作者：潘存云教授,连接螺纹,传动螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,按螺纹的牙型分,螺纹的分类,按螺纹的旋向分,按螺旋线的根数分,按回转体的内外表面分,按螺旋的作用分,按母体形状分,矩形螺纹,三角形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,右旋螺纹,左旋螺纹,单线螺纹,多线螺纹,外螺纹,内螺纹,连接螺纹,传动螺纹,圆柱螺纹,圆锥螺纹,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,圆柱螺纹,圆锥螺纹,潘存云教授研制,潘存云教授研制,管螺纹,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,(3),中径,d,2,也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。,d,1,d,2,d,(1),大径,d,与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。,(2),小径,d,1,与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。,(4),螺距,P,相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。,(5),导程,S,(6),螺纹升角,中径d,2,圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角,(7),牙型角,轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。,tan,=,d,2,nP,牙侧角,d,2,S,S=nP,同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距,P,二、螺纹的主要几何参数,S,P,P,/2,P,/2,(8),接触高度,h,内外螺纹旋合后，接触面的径向高度。,h,天津工业大学专用作者：潘存云教授,普通螺纹以大径d为,公称直径,，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为,粗牙螺纹,，其余的统称为,细牙螺纹。,60,螺纹的精度等级:,A级,B级,C级,公差小，精度最高，用于配合精确，防振动等场合,受载较大且经常拆卸，调整或承受变载荷的连接,用于一般连接，最常用,粗牙螺纹应用最广。,细牙螺纹的优点：,升角小、小径大、自锁性好、强度高,缺点：,不耐磨，易滑扣。,应用：,薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。,P,d,粗牙,d,P,细牙,d,P,细牙,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,梯形,螺纹：,梯形,锯齿形,30,3,30,为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角,比三角形螺纹的要小得多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。,锯齿形螺纹:,常用于传动。,=,15,=,3,粗牙普通螺纹、细牙普通螺纹和梯形螺纹的基本尺寸见后续各表（或查阅相关机械设计手册）。,螺纹的基本尺寸：,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm,3 0.5 2.675 2.459,公称直径（大径）粗牙细牙,D,d,螺距,P,中径,D,2,d,2,小径,D,2,d,2,螺距,P,4 0.7 3.545 3.242,5 0.8 3.545 4.134,0.35,0.5,6 1 5.350 4.918,8 1.25 7.188 6.647,10 1.5 9.026 8.376 1.25,1 0.75,12 1.75 10.863 10.106 1.5,1.25 0.5,(14)2 12.701 11.835,1.5,1,16 2 14.701 13.835,(18)2.5 16.376 15.294,20 2.5 18.376 17.294,(20)2.5 20.376 19.294,24 3 22.052 20.752,(27)3 25.052 23.752,30 3.5 27.727 26.211,2,1.5,1,注：括号内的公称直径为第二系列,H,=0.866,P,d,2,=,d,-0.6495,P,d,1,=,d,-1.0825,P,D,1,、,d,1,内、外螺纹小径,D,2,、,d,2,内、外螺纹中径,D,、,d,内、外螺纹大径,P,螺距,标记示例：,M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M24,1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),P,P,/8,P,/8,P,/8,H,/4,D,d,D,2,d,2,D,1,d,1,P,/2,P,/4,30,60,90,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,细牙普通螺纹基本尺寸 mm,螺距,P,中径,D,2,、,d,2,小径,D,1,、,d,1,0.35,d,-1+0.773,d,-1+0.621,0.5,d,-1+0.675,d,-1+0.459,0.75,d,-1+0.513,d,-1+0.188,1,d,-1+0.35,d,-2+0.918,1.25,d,-1+0.188,d,-2+0.647,1.5,d,-1+0.026,d,-2+0.376,2,d,-2+0.701,d,-3+0.835,3,d,-2+0.052,d,-4+0.752,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,梯形螺纹基本尺寸 mm,标记示例：,Tr48,8,(梯形螺纹，直径48，螺距8),P,h,3,=,H,4,a,c,第1系列第2系列,D,2,d,2,D,1,螺距螺纹牙高牙顶间隙,公称直径,d,中径内螺纹小径,12 6.5 0.5 90、100 85、95,d,-6,d,-12,10 5.5 0.5 40、70、80 38、42、65,d,-5,d,-10,8 6.5 0.5 48、52 46、50,d,-4,d,-8,4 2.25 0.25 16、20 18,d,-2,d,-4,5 2.75 0.25 24、28 22、26,d,-2.5,d,-5,6 2.25 0.5 32、36 30、34,d,-3,d,-6,内螺纹,外螺纹,d,P,R,1,R,2,D,1,D,4,H,1,D,2,d,2,d,3,a,c,a,c,30,H,4,R,2,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,d,d,2,d,1,P,用螺纹密封的管,螺纹,普通细牙,螺纹,管,螺纹,非螺纹密封管,螺纹,（圆柱管壁,=55）,用螺纹密封管,螺纹,（圆锥管壁,=55）,60,圆锥管,螺纹,公称直径,管子的公称通径。,强调与普通螺纹不同,55,55,非螺纹密封的管,螺纹,d,d,2,d,1,P,2,天津工业大学专用作者：潘存云教授,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,螺栓连接,基本类型,e,a,a,l,1,l,1,可承受横向载荷。,螺纹余留长度,l,1,铰制孔用螺栓,静载荷,l,1,=(0.30.5),d,;,变载荷,l,1,=0.75,d,;,冲击载荷或弯曲载荷,l,1,d,;,铰制孔用螺栓,l,1,d,;,螺纹伸出长度,a,=(0.20.3),d,;,螺栓轴线到被连接件边缘的,距离,e,=,d,+(36)mm,用于经常拆装易磨损之处。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,d,潘存云教授研制,d,孔与螺杆之间留有间隙,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,一、,螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,螺钉连接,座端拧入深度,H,，当螺孔材料为：,a,e,e,双头螺柱连接,连接件厚，允许拆装。,钢或青铜,H,=,d,;,铸铁,H,=(1.251.5),d,铝合金,H,=(1.52.5),d,螺纹孔深度,H,1,=,H,+(22.5),P,;,钻孔深度,H,2,=,H,1,+(0.51),d,;,参数,l,1,、,e,、,a,与螺栓相同,l,1,l,1,H,H,H,1,H,1,H,2,H,2,结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。,5,2螺纹连接的类型及标准连接件,d,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,一、,螺纹连接的基本类型,螺栓连接,基本类型,螺钉连接,双头螺柱连接,紧定螺钉连接,紧定螺钉,5,2螺纹连接的类型及标准连接件,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,二、,螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺栓的结构形式,L,L,0,d,六角头,L,d,L,0,小六角头,天津工业大学专用作者：潘存云教授,d,L,0,L,1,L,L,1,座端长度,L,0,螺母端长度,二、,螺纹紧固件,螺纹紧固件,双头螺柱,螺栓,天津工业大学专用作者：潘存云教授,二、,螺纹紧固件,螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,二、,螺纹紧固件,螺纹紧固件,潘存云教授研制,地脚螺栓,潘存云教授研制,起吊螺钉,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,T 型螺栓,天津工业大学专用作者：潘存云教授,二、,螺纹紧固件,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有余种不同结构的螺母,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,螺栓,专用螺纹连接,六角螺母,六角扁螺母,六角厚螺母,潘存云教授研制,圆螺母,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,其它螺母：,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,其它螺母：,天津工业大学专用作者：潘存云教授,垫圈,平垫圈,薄平垫圈,A型平垫圈,B型平垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,二、,螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,作用：,增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。,专用螺纹连接,天津工业大学专用作者：潘存云教授,5,3螺纹连接的预紧,预紧力：,大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。,预紧的目的：,增强连接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对移动。,预紧力的确定原则：,拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限,s,s,的80%。,一、概述,一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，这时螺纹连接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹连接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹连接的可靠性，强度和密封均有很大影响。,碳素钢螺栓：,F,0,(0.6,0.7),s,A,1,合金钢螺栓：,F,0,(0.5,0.6),s,A,1,A,1,危险截面积，,A,1,d,2,1,/4,天津工业大学专用作者：潘存云教授,二、,拧紧力矩,T,1,克服螺纹副相对转动的阻力矩；,T,2,克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；,设预紧力为,F,0,或预紧力（不受轴向载荷）,f,c,摩擦因子。无润滑时取,f,c,=0.15,R,f,支撑面摩擦半径。,r,f,=(,d,w,+,d,0,)/4,简化公式,适用于M10M60的粗牙螺纹，,f=0.15,f,c,=0.15,T,0.2,F,0,d,F,a是由连接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧,可靠，应取：,总力矩,注意：,对于重要的连接，应尽可能采用大于,M12,的螺栓。,F,a,d,0,d,T,天津工业大学专用作者：潘存云教授,测力矩扳手,预紧力控制方法:,连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动。高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。,F,定力矩扳手,通常螺纹连接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。,(1)凭手感经验,(2),测力矩扳手,(3),定力矩扳手,(,4)测定伸长量,潘存云教授研制,L,S,L,M,L,S,天津工业大学专用作者：潘存云教授,尼龙圈锁紧螺母,连接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，连接仍有可能松动而失效。高温下的螺栓连接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松，即防止相对转动。,防松的方法,1.利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,5,3螺纹连接的防松,防松,防止螺旋副相对转动。,天津工业大学专用作者：潘存云教授,开口销与六,角开槽螺母,串联钢丝,2.采用专门防松元件防松,圆螺母用止动垫圈,潘存云教授研制,止动垫圈,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,冲点防松法,3.其它方法防松,11.5,P,用冲头冲2至3点,粘合法防松,涂粘合剂,天津工业大学专用作者：潘存云教授,5,5螺纹连接的强度计算,螺栓连接的主要失效形式,滑扣,因经常拆装,受拉螺栓,塑性变形,螺纹部分,疲劳断裂,受剪螺栓,剪断,压溃,螺杆和孔壁的贴合面,经常拆卸,轴向变载荷,断裂,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,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。所以，螺栓连接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,一、松螺栓连接强度计算,强度条件,式中,d,1,螺纹小径 mm，,许用应力,二、紧螺栓连接强度计算,F,a,F,a,力除以面积,设计公式,装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,2.承,受,预紧力和工作拉力,的紧螺栓连接,3.,承受工作剪力的紧螺栓连接,装配时不须要拧紧,天津工业大学专用作者：潘存云教授,螺栓受轴向拉力,F,0,和摩擦力矩,T,1,的双重作用。,拉应力,1.仅承受预紧力的紧螺栓连接,扭转切应力,对于M10M64的普通钢制螺纹，可取：,Tan,f,=0.17，,d,2,/,d,1,=1.04,1.08,tan,0.5,得：,0.5,分母为抗剪截面系数,计算应力,由此可见，对于M10,M64普通螺纹的钢制紧螺栓连接，在拧紧时，虽然同时承受拉伸和扭转的联合作用，但在计算时，可以只考虑拉伸强度计算，并将预紧力增大30%来考虑扭转的影响。,强度条件,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,当承受横向工作载荷时，预紧力,F,0,导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷,F,。,C,可靠性系数，常取,C,=1.11.3,预紧力,F,0,f,摩擦系数，对钢与铸铁，取,f,=0.10.15,m,结合面数,上图,m,=1,下图,m,=2,若取,f,=0.15，,C,=1.2,m,=1,则,F,0,8,F,结构尺寸大,F,F,F,F/2,F/2,F,0,F,0,F,0,F,0,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,F/2,F/2,潘存云教授研制,D,2.受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,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,(2)采用无间隙的铰制孔用螺栓。,设流体压强为,p,，螺栓数目为,Z,，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为,p,D,2,/4,F,=,Z,p,F,F,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,预紧,状态,潘存云教授研制,特别注意，轴向载荷：,F,2,F,0,+,F,加预紧力后,螺栓受拉伸长,b,被连接件受压缩短,m,加载,F,后:,螺栓总伸长量增加为,总拉力为,被连接件压缩量减少为,残余预紧力减少为,F,1,很显然,F,1,F,0,被连接件放松了,+,b,m,-,F,0,F,0,受载,变形,松弛,状态,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,2,F,2,F,2,=,F,+,F,1,F,1,F,1,F,F,m,b,F,0,F,0,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,b,连接件变形,力,螺栓变形,力,F,b,F,m,螺栓变形,力,F,2,F,1,F,F,0,F,0,F,0,b,arctan,C,b,arctan,C,m,m,m,天津工业大学专用作者：潘存云教授,力,螺栓变形,arctan,C,b,潘存云教授研制,相对刚度系数,F=F,b,+F,m,=(,C,b,+C,m,),C,b,+C,m,C,b,F,2,=F,0,+F,C,b,+C,m,C,b,F,1,=F,0,F,1,-,F,1,=F,0,-,F,=F,0,-,C,m,F,2,=F,0,+,F,b,=F,0,+,C,b,C,b,+C,m,F,=,F,F,2,F,b,F,0,代入得：,表54螺栓的相对刚度系数,垫片类型金属垫片或无垫片皮革铜皮石棉橡胶,0.20.3 0.7 0.8 0.9,C,b,+C,m,C,b,F,m,F,1,天津工业大学专用作者：潘存云教授,静强度条件,重要场合的螺栓连接，还应进行疲劳强度校核。,设计公式,当工作拉力在0,F,之间变化时，,螺栓所受总拉力在,F,0,F,2,之间变化。,F,2,F,0,m,b,F,若不考虑摩擦力矩的影响，有,天津工业大学专用作者：潘存云教授,D,I,因为,min,=,const,应力工作点,M,落在,ODG I,区域内，,依据疲劳强度理论有,其中,-1tc,螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限。,疲劳极限,-1,-1tc,10 160220 120 150,Q215 170220 120160,35 220300 170220,45 250340 190250,40Cr 320440 240340,材料,材料特性系数,碳素钢,=0.10.2,合金钢,=0.30.3,min,-1e,-1,a,m,O,C,A,S,G,M,M,3,K,综合影响系数,S,安全系数,见下页,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,螺栓连接的安全系数,S,碳素钢 54 42.5 2.52 碳素钢 12.58.5 8.5 8.512.5,M6M16 M16M30 M30M60 M16M16 M16 M30 M30M60,不控制预紧力的计算,控制预紧力的计算,受载类型静载荷变载荷,松螺栓连接 1.21.7,合金钢 5.75 53.4 3.43 合金钢 106.8 6.8 6.810,1.2 1.5 1.2 1.5,(,S,a,=2.54),钢：,S,=2.5，,S,p,=1.25 钢：,S,=3.55，,S,p,=1.5,铸铁：,S,p,=2.02.5 铸铁：,S,p,=2.53,铰制孔用螺栓连接,受轴向及横向载荷的普通螺栓连接,紧螺栓连接,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,这种连接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在连接接合面处，螺栓杆则受剪切。,3承受工作剪力的紧螺栓连接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为,螺栓杆的剪切强度条件为,F,螺栓所受的工作剪力，单位为N；,L,min,铰制孔用螺栓,F,F,d,0,设计时应使,L,min,1.25,d,0,d,0,螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；,L,min,螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm。,天津工业大学专用作者：潘存云教授,56,螺栓组连接的设计,在设计螺栓组连接时，关键是连接的结构设计。它是根据被连接件的结构和连接的用途，确定螺栓数目和分布形式。,为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接接合面的几何形状都设计成,一、螺栓组连接的结构设计,基本原则：,大多数机械中螺栓都是成组使用的。,轴对称的简单几何形状,圆形,圆环形,矩形,矩形框,三角形,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,螺栓布置应使各螺栓的受力合理,F,F,(1)对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；,潘存云教授研制,潘存云教授研制,合理,不合理,(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力。,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,d,h,D,螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间,(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗,剪零件来承受横向载荷。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,60,C,C,E,E,60,扳手空间的尺寸见有关标准。,A,B,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。,t,0,潘存云教授研制,螺栓间距,t,0,工作压力/MPa,7d 5d 4.5 4d 3.5 3d,t,0,/mm,1.6 1.6 4 410 1016 1620 2030,d,为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成,4、6、8等偶数。,同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,支承面倾斜,采用凸台或沉孔结构,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,支承面不平,保证被连接件，螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。对于在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈等。,避免螺栓承受附加的弯曲载荷,切削加工支承面,支承面倾斜,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,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其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。,受力分析时所作假设:,(1),所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；,(3),受载后连接接合面仍保持为平面。,受力分析的类型：,(2),螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；,受转矩,受横向载荷,受轴向载荷,受倾覆力矩,M,天津工业大学专用作者：潘存云教授,（1）,对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受工作剪力为,（2）,对于普通螺栓连接，按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有,式中,z,为螺栓数目。,图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。,1受横向载荷,的螺栓组连接,K,s,为防滑系数，设计中可取,K,s,=1.11.3。,潘存云教授研制,铰制孔螺栓,F,F,F,F,潘存云教授研制,普通螺栓,或,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,T,O,潘存云教授研制,O,采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。,2受转矩的螺栓组连接,采用普通螺栓，是靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩,T,。,采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩,T,。,T,r,max,F,max,r,1,f F,0,f F,0,r,2,r,i,F,i,假设底板受载仍为平面，则螺栓的剪切变形量与距离成正比，,F,=,Kr,i,剪切力与距离r的比值为常数,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,D,3受轴向载荷的螺栓组连接,若作用在螺栓组上轴向总载荷,F,作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为,通常，各个螺栓还承受预紧力,F,0,的作用，当连接要有保证的残余预紧力为,F,1,时，每个螺栓所承受的总载荷,F,2,为,F,2,=,F,1,+,F,p,F,F,F,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,4受倾覆力矩的螺栓组连接,倾覆力矩,M,作用在连接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已被拧紧并承受预紧力,F,0,且被拉伸，地基有均匀的压缩。在作用,M,后，接触面绕,0-0,线转动一个角度，左边的地基被放松，而螺栓被进一步拉伸；右边的螺栓被放松，而地基被进一步压缩。,单个螺栓拉力产生的力矩为,F,1,F,0,F,0,p,(,F,0,引起),F,2m,p2,(,F,1m,引起),p1,(,F,1,引起),L,i,L,max,O,O,x,x,O,M,M,M,i,=F,i,L,i,假设底板受载仍为平面，则螺栓受力与螺栓中心到螺栓组排列中心的距离成正比。,螺栓承受的载荷与距离成正比,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,F,1m,强调是基座上的压力,F,m,F,2m,F,1,F,F,2,C,2,单个螺栓的受力分析,O,m,力,变形,O,b,作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩,M,平衡，即,未加倾覆力矩时，工作点在,A,。,M,i,=0,施加倾覆力矩M时，,左边的螺栓，工作点移至,B,1,和,C,1,右边的螺栓，工作点移至,B,2,和,C,2,左边螺栓总拉力增加，,右边螺栓总拉力减小。,F,2,F,2m,C,1,B,2,B,1,求得最大工作载荷,A,F,0,天津工业大学专用作者：潘存云教授,螺栓的总拉力,为防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求,连接接合面材料的许用挤压应力,材料钢铸铁混凝土砖(水泥浆缝)木材,p,(,MPa,)0.8,S,(0.40.5),B,2.03.0 1.52.0 2.04.0,直接引用前面的结论,天津工业大学专用作者：潘存云教授,5,7螺栓的材料和许用应力,一、螺纹连接件,材料,螺栓、螺柱、螺钉常用材料：,Q215、Q235、35、45等碳素钢；,特殊用途(防磁、导电):,特殊钢、铜合金、铝合金等。,螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级。,3.6 4.6 4.8 5.6 58 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9,作为标准零件，螺纹连接件是按其性能等级选用的。对于一定性能等级的螺纹连接件应具备一定的强度极限。,冲击振动场合用：,15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢。,普通垫圈：,Q235、15、35,弹簧垫圈：,65Mn,天津工业大学专用作者：潘存云教授,选用原则：,一般用途：通常选用4.8级左右的螺栓，,重要场合：要选用高的性能等级，,如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。,螺母的性能等级分为 7级。,4 5 6 8 9 10 12,天津工业大学专用作者：潘存云教授,二、螺纹连接件的许用应力,螺纹连接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷)、装配情况(松、紧连接)、材料、结构尺寸有关。,许用拉应力,许用切应力和挤压应力,被连接件为钢,被连接件为铸铁,S,S,p,安全系数，其取值详见下页表。,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,螺栓连接的安全系数,S,碳素钢 54 42.5 2.52 碳素钢 12.58.5 8.5 8.512.5,M6M16 M16M30 M30M60 M16M16 M16 M30 M30M60,不控制预紧力的计算,控制预紧力的计算,受载类型静载荷变载荷,松螺栓连接 1.21.7,合金钢 5.75 53.4 3.43 合金钢 106.8 6.8 6.810,1.2 1.5 1.2 1.5,(S,a,=2.54),钢：,S,=2.5，,S,p,=1.25 钢：,S,=3.55，,S,p,=1.5,铸铁：,S,p,=2.02.5 铸铁：,S,p,=2.53,铰制孔用螺栓连接,受轴向及横向载荷的普通螺栓连接,紧螺栓连接,天津工业大学专用作者：潘存云教授,5,8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：,一、,降低螺栓总拉伸载荷,F,2,的变化范围,轴向工作载荷,F,的变化范围,0,F,C,b,+C,m,C,b,F,0,F,0,+F,总拉伸载荷的,F,2,变化范围,C,b,或,C,m,F,2,变化范围,F,提高螺栓连接强度的措施有哪些呢？,以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。,65%,20%,15%,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,F,0,m,b,措施一：,降低螺栓刚度（,C,b,C,b,b,C,m,m,m,）,措施三：,综合措施（,C,b,C,m,F,0,F,0,）,F,F,F,1,F,2,F,2,F,F,m,F,1,b,F,0,m,虽然,F,=,F,F,F,强调残余预紧力减小,但有,F,F,强调残余预紧力减小,F,=,F,F,=,F，F,1,=,F,1,F,F,2,F,3,F,4,F,5,10圈以后，螺母牙几乎不承受载荷。,螺栓杆,F,潘存云教授研制,螺栓杆,F,螺母体,均载螺母均载原理,螺母和螺杆均为拉伸变形，有助于减小两者螺距变化，使受载均匀。,加厚螺母,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,1015,悬置螺母,环槽螺母,内斜螺母,1015,内斜与环槽螺母,均载原理相同,螺母也受拉,内斜螺母因力的作用点外移可使载荷较大的头几圈螺纹牙容易变形，使载荷上移而改善载荷分布不均。,均载,元件,悬置螺母,环槽螺母,内斜螺母,内斜螺与环槽螺母,都是改变螺母旋合部分的变形性质，使之和螺栓变形性质相同，均为拉伸变形，从而使螺纹牙上载荷分布趋于均匀；,钢丝螺套,加工复杂，仅限于用在重要场合或大型连接。,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,采用凸台或沉孔结构,潘存云教授研制,潘存云教授研制,三、减小应力集中,1.增大过渡圆角,2.切制卸载槽,r,四、避免或减小附加应力,3.卸载过渡结构,要从结构、制造与装配精度采取措施。,潘存云教授研制,支承面不平,切削加工支承面,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,五、采用特殊制造工艺,冷镦头部、辗压螺纹,疲劳强度提高30%,比车削,表面处理：,氰化、氮化也能,提高疲劳强度。,球面垫圈,采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺栓的装配精度。,潘存云教授研制,腰环螺栓,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,一、螺旋传动的类型和应用,调整螺旋,静压螺旋,类,型,运动形式有,5,9螺旋传动,螺母固定，螺杆转动并移动,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。,作用：回转运动直线运动，同时传递动力。,螺杆转动，螺母移动,刀架,按用,途分,传力螺旋,传导螺旋,滑动螺旋,滚动螺旋,按摩擦,性质分,传递动力,传递运动,要求精度高,调整相对位置,应用实例为车床刀架溜板,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,调整螺旋,调整螺旋,天津工业大学专用作者：潘存云教授,机床的进给机构,潘存云教授研制,应用实例:,机床的进给机构、起重设备（千斤顶）、锻压机械(,压力机,)、测量仪器（千分尺）、夹具、玩具、机器人及其他工业装备中。,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,应用实例,起重设备（千斤顶）,锻压机械(,压力机,),潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,应用实例,工件夹紧装置(锯床),潘存云教授研制,潘存云教授研制,天津工业大学专用作者：潘存云教授,应用实例,潘存云教授研制,钳工虎钳,潘存云教授研制,千分尺,天津工业大学专用作者：潘存云教授,整体螺母,组合螺母,剖分螺母,螺母结构,潘存云教授研制,组合螺母,潘存云教授研制,调整楔快,固定螺钉,调整螺钉,二、滑动螺旋的结构和材料,滑动螺旋的结构主要是指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系。,1.结构,潘存云教授研制,剖分螺母,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,螺旋副材料要求：,足够的强度、耐磨性、摩擦因子小,2.滑动螺旋的材料,螺杆材料:,Q257、45、50,钢，或,T12、40Cr、65Mn,螺母材料:,ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.,螺杆-螺母材料滑动速度 m/min 许用压力/MPa 摩擦因子,低速 18,25,3 11,18,6,12,7,10,15,1,2,淬火钢青铜,钢青铜,钢铸铁,钢,钢,6,12,10,13 0.060.08,2.4,13,18,6,12,4,7,低速 7.5,13,0.11,0.17,0.08,0.1,0.12,0.15,滑动螺旋副材料的许用压力p及摩擦因子,天津工业大学专用作者：潘存云教授,潘存云教授研制,三、滑动螺旋传动的设计计算,承受载荷:,转矩、轴向力,设计准则：,按耐磨损确定直径，选择螺距,校核螺杆、螺母强度等。,主要失效形式:,螺牙的磨损,滑动螺旋副材料的许用应力,许用应力/MPa,螺旋副材料,螺杆钢,/(35),螺母,青铜,4060 3040,铸铁,4555 40,钢,(0.10.2),0.6,b,注：1),s,为材料的屈服极限；,2)载荷稳定时，许用应力取大值。,天津工业大学专用作者：潘存云教授,对螺旋传动的要求:,强度足够,耐磨,摩擦因子小.,螺杆材料:,Q257、45、50,钢，或,T12、40Cr、65Mn,螺母材料:,ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、,ZCuAl10Fe3。,失效形式:,磨损,通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度，再参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其它失效一一校核。,耐磨性计算,校核公式：,影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹接触处的压强。,p=,p,d,2,hz,F,a,F,a,为轴向力；,z,为参加接触的螺纹圈数；,d,2,为螺纹中径；,h,为螺纹的工作高度；,p,为许用压强。,速度v4,精密螺杆或水平安装,螺杆的稳定性条件为,螺杆长度系数，由下表确定。,I 为螺杆危险截面的惯性矩,l,(2)当螺杆一端以螺母支承时，,l,取从螺母中部到另一支点上的距离。,l

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