机械设计 机械系统连接零部件设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 机械系统连接零部件的设计,螺纹连接、轴毂连接、连轴器和离合器,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,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,：,不须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分才能拆开的联接。例如：铆接、焊接等。,过盈联接,第,4.1,章螺纹连接,4.1.1,螺纹,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,4.1.3,螺纹连接的放松,4.1.4,单个螺栓的强度计算,4.1.5,螺栓组设计,4.1.6,提高连接性能的设计,4.1.1,螺纹,圆柱螺旋的基本参数,d d,1,d,2,P S,g,a b,螺纹的类型,三角形、梯形、锯齿形、圆弧形和矩形,普通螺纹,管螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,锯齿形螺纹,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,螺纹联接的基本类型,1.,螺栓联接：,普通螺栓联接,，应用广泛；,铰制孔用螺栓联接,；,2.螺钉联接,：被联接件之一较厚；,3.,双头螺栓联接,：常拆卸；,4.,紧定螺钉,联接：传递较小载荷。,其它,：地脚螺栓联接；吊环螺栓联接；,T,型槽螺栓联接,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,1.,普通螺栓联接,普通螺栓连接,铰制孔用螺栓联接,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,2.,双头螺柱联接,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,3.,螺钉联接,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,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,3,、螺钉联接,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,4.,紧定螺钉联接 地脚螺栓 吊环螺栓,T,形槽螺栓联接,4.1.2,螺纹连接的 基本类型,方便装配,平正加工,4.1.3,螺纹连接的预紧与防松,螺纹连接的预紧,预紧的目的,提高连接的紧密性,防止连接松动,提高连接的紧密性,防止连接松动,4.1.3,螺纹连接的预紧与防松,螺纹连接的预紧,控制预紧力的方法,1.,控制应力、应变或伸长量,2.,控制拧紧力矩,3.,控制拧紧力臂,控制应力、应变或伸长量,控制拧紧力矩,控制拧紧力臂,拧紧力矩与预紧力的关系,:1,F,p,:,预紧力,d,2,:,螺纹中径,:,螺纹升角,r,v,:,螺纹当量摩擦角,r,v,=arctg(,/cos,),:,牙型半角,=,/2,F,P,F,P,F,拧紧力矩与预紧力的关系,:2,F,p,:,预紧力,D,0,:,支承面最大直径,d,0,:,支承面最小直径,:,支承面摩擦系数,拧紧力矩与预紧力的关系,d,2,0.9d;,=1,42,3,2,r,v,acrtg(1.155,);,0.,15,D,0,1.7d;d,0,1.1d,代入,整理：,4.1.3,螺纹连接的预紧与防松,螺纹连接的防松,防松的目的：,防止松动失效,防松的实质：,限制螺旋副的相对转动。,防松的方法,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,破坏螺纹副关系,摩擦防松,弹簧垫圈防松,4.1.3,螺纹连接的防松,摩擦防松,4.1.3,螺纹连接的防松,自锁螺母防松,4.1.3,螺纹连接的防松,摩擦防松,对顶螺母防松,4.1.3,螺纹连接的防松,机械防松,开口销,+,开槽螺母防松,机械防松,4.1.3,螺纹连接的防松,止动垫片防松,机械防松,4.1.3,螺纹连接的防松,串联钢丝防松,破坏螺纹副关系防松,4.1.3,螺纹连接的防松,4.1.4,单个螺栓连接的强度计算,单个普通螺栓的强度计算,1,、松螺栓联接的强度计算,2,、仅受预紧力作用的 紧螺栓联接的强度计算,3,、受预紧力和工作拉力作用的紧螺栓联接的强度计算,4,、受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算,小结,螺栓的失效分析,失效分析,普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂,受剪螺栓主要为压溃和剪切,设计准则,对普通螺栓保证拉伸强度,对铰制孔螺栓保证挤压和剪切强度,4.1.4,单个螺栓的强度计算,1,、,松螺栓联接的强度计算,受载荷形式,:,轴向拉伸,(,工作拉力,F,）,失效形式,:,螺栓拉断（静、疲劳）,设计准则,:,保证螺栓拉伸强度,4.1.4,单个螺栓的强度计算,1,、,松螺栓联接的强度计算,设计计算方法：,校核公式,螺栓材料及许用应力,，查表,4-6,；,查手册，确定,d,4.1.4,单个螺栓的强度计算,2.,仅受预紧力的 紧联接螺栓的强度计算,拉应力,扭转剪应力,近似处理,对,M14-M64,钢制螺纹,4.1.4,单个螺栓的强度计算,2.,仅受预紧力的 紧联接螺栓的强度计算,应力合成：,强度条件：,设计公式：,表,4.,6,物理意义,4.1.4,单个螺栓的强度计算,3.,受轴向载荷,F,的紧螺栓联接强度计算,4.1.4,单个螺栓的强度计算,3.,受轴向载荷,F,的紧螺栓联接强度计算,分析受力和变形关系,F,0,=F+F,P,开始拧紧,拧紧后,受力和变形关系,受力变形线图（,P169,由图可得：,螺栓的刚度,被联接件的刚度,由图可得：,螺栓总拉力：,由图可得：,防止受载后接合面产生缝隙，残余预紧力可取：,紧密性 载荷不稳定 载荷稳定,1.51.8F 0.61.0F 0.20.6F,表,4-3,预紧力,用金属垫片或无垫片时取,0.20.3,用软垫片时取,0.70.9,单个螺栓的强度计算,受力变形线图（,P169,）,为降低螺栓的受力，提高承载能力应使螺栓的相对刚度 值尽量小些，取较硬的垫片,螺栓拉伸,强度条件,设计公式：,4.1.4,单个螺栓的强度计算,螺栓如受到变载荷：影响疲劳强度的主要因素为应力幅,4.1.4,单个螺栓的强度计算,螺栓如受,到变载荷,4.1.4,单个螺栓的强度计算,表,4-6,4.1.4,单个螺栓的强度计算,受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算,为保证接合面有足够的摩擦，螺栓必须先预紧,4.1.4,单个螺栓的强度计算,受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算,保证接合面不滑移，预紧力,为,m:,接合面数；,Kn:,可靠性系数取,1.11.3,，,为摩擦系数，材料为钢和铸铁时取,0.100.15,4,、,受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算,4.1.4,单个螺栓的强度计算,预紧力很小，强度计算,时可不考虑；,失效形式：侧面压溃及,螺栓剪切,4.1.4,单个螺栓的强度计算,受工作剪力的,铰制孔螺栓,联接的强度计算,螺栓与孔壁挤压面最小高度,min,m,为接合面数,单个螺栓强度计算小结,铰制孔螺栓强度计算,普通螺栓,强度计算,1.,松螺栓强度计算,2.,仅受预紧力的螺栓强度计算,3.受预紧力和工作载荷的螺栓强度计算,4.受剪螺栓的强度计算,4.1.4,单个螺栓的强度计算,螺纹联接的材料,螺纹联接的材料,满足强度和塑性要求,，,P172,表,4-5,螺纹联接件的常用材料：,低碳钢,Q215,（原,A2,）、,10,号钢；,-,一般联接,中碳钢,Q235,（原,A3,）、,35,、,45,号钢；,-,一般联接,低合金钢或合金钢,15Cr,、,40Cr,、,30CrMnTi,。,-,承受,冲击、振动载荷,垫片材料：普通垫片：,Q215,、,15,、,35,号钢；,弹簧垫片：,65Mn,。：（需热处理）,4.1.4,单个螺栓的强度计算,3.,表,4-5,螺栓、螺钉、螺柱和螺母材料的力学性能等级,P172,表中强度等级,6.8,表示材料的,4.,螺纹连接件的许用应力,P172,表,4-6,4.1.5,螺栓组设计,螺栓组的受力分析,螺栓组结构设计,螺栓组连接的受力分析,目的：找到受力最危险的螺栓,几点假设：,同组螺栓的材料、直径、预紧力相同,被连接件为刚体，受载后连接面仍为平面,螺栓组形心与连接接合面的形心重合,螺栓的变形在弹性范围内,x,z,y,Fz,Fx,Fy,o,Tz,My,3,个方向，,6,种载荷：,横向力：,F,x,F,Y,轴向力：,F,z,翻转力矩：,M,x,，,M,Y,转矩：,T,z,Mx,螺栓组连接的受力分析,螺栓组受力分析,螺栓组受力分析,将一个零件加以固定，其实质就是约束该零件在空间的六个自由度。,4.1.5,螺栓组设计,螺栓组的受力分析,1,、受横向力的螺栓组联接,绞制孔螺栓,普通螺栓,2,、受扭矩的螺栓组联接,普通螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,3,、受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接,4,、受翻转力矩的螺栓组联接,螺栓组连接的受力分析,1,、受横向力的螺栓组联接,普通螺栓联接,为保证接合面有足够的摩擦，螺栓必须先预紧,m:,接合面数；,Kn:,可靠性系数取,1.11.3,，,u,为摩擦系数，材料为钢和铸铁时取,0.100.15,保证接合面不滑移，预紧力,为,螺栓组连接的受力分析,1,、受横向力的螺栓组联接,铰制孔用螺栓联接,2,、受扭矩的螺栓组联接,普通螺栓联接,铰制孔用螺栓联接,螺栓组连接的受力分析,螺栓组连接受力分析,2,、受扭矩的螺栓组联接,普通螺栓联接,由接合面的摩擦力距平衡,接合面不发生滑移，单个螺栓的预紧力为,螺栓组连接的受力分析,2,、受扭矩的螺栓组联接,铰制孔用螺栓联接,忽略预紧和摩擦的作用，,转矩,T,由螺栓受的剪切载荷对形心的力矩平衡，变形量越大则工作剪力越大,螺栓组连接受力分析,2,、,受扭矩螺栓组联接,铰制孔用螺栓联接,变形协调条件,螺栓组连接的受力分析,3,、,受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接,既受预紧力，又受工作拉力后螺栓的总载荷计算，见单个螺栓的强度计算,螺栓组连接受力分析,4,、受翻转力矩的螺栓组联接,假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载后，绕,O,O,转动仍保持平面,螺栓组连接受力分析,受翻转力矩的螺栓组联接,螺栓组平衡条件：,变形协调条件：,失效分析,紧螺栓受拉扭；,底板左侧出现间隙；,底板右侧压溃。,右侧不压溃,左侧不分离：,x,z,y,Fz,Fx,Fy,o,Tz,My,3,个方向，,6,种载荷：,横向力：,F,x,F,Y,轴向力：,F,z,翻转力矩：,M,x,，,M,Y,转矩：,T,z,Mx,螺栓组连接的受力分析,螺栓组受力分析,受复合载荷的螺栓组联接,横向载荷,+,轴向载荷,+,翻转力矩,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,例题：已知,P=260N,结合面摩擦系数,f=0.15,确定螺栓的材料和直径,解：将力向结合面的形心中心简化,每个螺栓的受力，分析最危险螺栓的受力,螺栓的预紧力,选螺栓材料为,Q235,安全系数取,3,则,选,M10,螺栓，,d1=8.376mm,例：如图钢板厚度 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（,f=0.2,，,K,n,=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,=4.1mm,的 六角头铰制孔用螺栓，螺母,d=10,，,H=8,。根据机架，板厚及螺母,H,选用,l=100,（,l,3,=82,，,l,2,=18,）,选用两个,100,GB27-88,六角头铰制孔用螺栓。,按挤压强度校核,式中由结构确定,.,4.,改用普通螺栓,每个螺栓的预紧力,选用两个,M30,（,d,1,=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,。,其中,螺栓组受力分析的方法,将作用力向形心转化,-,得到力、力矩,分析每个螺栓的受力,找出受力最大的危险螺栓,对危险螺栓进行强度校核,螺栓组联接的强度计算,螺栓组连接的结构设计,螺栓的布局,满足连接的可靠性、紧密性要求，同一组螺栓的尺寸、材料均应相同；,螺栓的布置应使螺栓的受力合理；,螺栓的排列应有合理的间距、边距；,分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数，以便于加工；,连接结构空间合理,拧入深度,扳手空间,合理选择防松装置等,避免螺栓承受附加载荷，如偏载等；,4.1.6,螺栓组连接的结构设计,螺栓的布置应使螺栓的受力合理,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,螺栓组连接的结构设计,螺栓组连接的结构设计,1,螺栓的排列应有合理的间距、边距,压力容器的螺栓间距,扳手空间,结构上：凸台；沉头座；,斜面垫圈；球面垫圈,避免螺栓偏心承载,螺纹联接设计要解决的主要问题,确定螺纹联接的形式,-,选择螺栓类型,螺栓联接的结构设计,确定螺栓数目及布置方式,螺纹联接的主要尺寸,确定材料,防松方法,强度校核,本章总结,总结,强度校核,注意区分几个重要的概念：,外载荷（作用于整个联接结构上）、预紧力、剩余预紧力、螺栓的受力等。,复杂,的外载荷分解成简单外载荷,力与力矩,各简单外载荷作用下的螺栓受力分析，找到危险螺栓和受力的大小,螺栓的强度计算，求尺寸,