第四章螺纹联接.pptx
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1、 机械静联接机械静联接:可拆联接:不须毁坏联接中的任一零件就可拆开的联接,故多次装拆无损于其使用性能。如:螺纹联接、键联接。不可拆联接:至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接。常见的有铆钉联接、焊接、胶接等。可拆或不可拆的过盈联接,在机器中也常使用。第五章第五章 螺纹联接和螺旋传动螺纹联接和螺旋传动 螺纹联接和螺旋传动都是利用螺纹零件工作的。但两者的工作性质不同,在技术要求上也有差别。前者作为紧固件用,要求保证联接强度(有时还要求紧密性);后者则作为传动件用,要保证螺旋副的传动精度、效率和磨损寿命等。51 螺螺 纹纹(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;起联
2、接作用的螺纹称为联接螺纹;起传动作用的螺纹称为传动螺纹:螺纹又分为米制和英制(螺距以每英寸牙数表示)两类,我国除管螺纹保留英制外,都采用米制螺纹。常用螺纹的类型主要有普通螺纹、米制锥螺纹、管螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹。前三种主要用于联接,后三种主要用于传动。(二)螺纹的主要参数 1)大径大径d螺纹的最大直径,即与螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径,在标准中定为公称直径。2)小径小径d1螺纹的最小直径,即与螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径,在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。3)中径中径d2通过螺纹轴向截面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径,近似等于螺纹的平均直径,d
3、20.5(d+d1)。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。4)线数线数n螺纹的螺旋线数目。沿一根螺旋线形成的螺纹称为单线螺纹;沿两根以上的等距螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。常用的联接螺纹要求自锁性,故多用单线螺纹;传动螺纹要求传动效率高,故多用双线或三线螺纹。为了便于制造,一般用线数n4。5)螺距螺距P螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。6)导程导程S螺纹上任一点沿同一条螺旋线转周所移动的轴向距离。单线螺纹S=P;多线螺纹S=nP。7)螺纹升角螺纹升角螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。在螺纹的不同直径处,螺纹升角各不相同。通常按螺纹中径d2处计算,即 (51)8)牙型角牙型角螺
4、纹轴向截面内,螺纹牙型两侧边的夹角。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角称为牙侧角,对称牙型的牙侧角=/2。9)接触高度接触高度h内外螺纹旋合后的接触面的径向高度。各种管螺纹的主要几何参数可查阅有关标准,其尺寸代号都不是螺纹大径,而近似等于管子的内径。52 螺纹联接的类型和标准联接件螺纹联接的类型和标准联接件(一一)螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型1螺栓联接螺栓联接 这种联接的结构特点是被联接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙,通孔的加工精度要求低,结构简单,装拆方便,使用时不受被联接件材料的限制,因此应用极广。铰制孔用螺栓联接。孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合(H7m6、H7n6)。这种联接
5、能精确固定被联接件的相对位置,并能承受横向载荷,但孔的加工精度要求较高。2双头螺柱联接这种联接适用于结构上不能采用螺栓联接的场合,例如被联接件之一太厚不宜制成通孔,材料又比较软(例如用铝镁合金制造的壳体),且需要经常拆装时,往往采用双头螺柱联接。显然,拆卸这种联接时,不用拆下螺柱。3螺钉联接这种联接的特点是螺栓(或螺钉)直接拧入被联接件的螺纹孔中,不用螺母,在结构上比双头螺柱联接简单、紧凑。其用途和双头螺柱联接相似,但如经常拆装时,易使螺纹孔磨损,可能导致被联接件报废,故多用于受力不大,或不需要经常拆装的场合。4紧定螺钉联接 紧定螺钉联接是利用拧入零件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面(图5
6、4a)或顶人相应的凹坑中(图54b),以固定两个零件的相对位置,并可传递不大的力或转矩。螺钉除作为联接和紧定用外,还可用于调整零件位置,如机器、仪器的调节螺钉等。特殊结构的联接(二)标准螺纹联接件 螺纹联接件的类型很多,在机械制造中常见的螺纹联接件有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等。这类零件的结构型式和尺寸都已标准化,设计时可根据有关标准选用。它们的结构特点和应用示于表52。根据GBT 310311982的规定,螺纹联接件分为三个精度等级,其代号为A、B、C级。A级精度的公差小,精度最高,用于要求配合精确、防止振动等重要零件的联接;B级精度多用于受载较大且经常装拆、调整或承受变载荷的联接;C
7、级精度多用于一般的螺纹联接。常用的标准螺纹联接件(螺栓、螺钉),通常选用C级精度。53 螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧,使联接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,预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性,以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移。经验证明:适当选用较大的预紧力对螺纹联接的可靠性以及联接件的疲劳强度都是有利的(详见58),特别对于像气缸盖、管路凸缘、齿轮箱、轴承盖等紧密性要求较高的螺纹联接,预紧更为重要。但过大的预紧力会导致整个联接的结构尺寸增大,也会使联接件在装配或偶然过载时被拉断。为了保证联接所需要的预紧力,又不使
8、螺纹联接件过载,对重要的螺纹联接,在装配时要控制预紧力。通常规定,拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限s的80。对于一般联接用的钢制螺栓联接的预紧力F0,推荐按下列关系确定:碳素钢螺栓 F0(0.60.7)s A 1 碳素钢螺栓 F0(0.50.6)s A 1 式中:s螺栓材料的屈服极限;A1螺栓危险截面的面积,A1d12/4。预紧力的具体数值应根据载荷性质、联接刚度等具体工作条件确定。受变载荷的螺栓联接的预紧力应比受静载荷的要大些。控制预紧力的方法 预紧力和拧紧力矩之间的关系 预紧力和拧紧力矩之间的关系 拧紧力矩T(T=FL)的作用,使螺栓和被联接件之间产生预紧力Fo。拧紧力矩
9、T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母环形端面与被联接件(或垫圈)支承面间的摩擦阻力矩T2之和,即 T=T1+T2 (53)螺旋副间的摩擦力矩为 (5-4)螺母与支承面间的摩擦力矩为 (5-5)将式(54)、(55)代人式(53),得 (5-6)对于MIOM64粗牙普通螺纹的钢制螺栓,螺纹升角;螺纹中径d2=0.9d;螺旋副的当量摩擦角(f为摩擦系数,无润滑时f=0.10.2);螺栓孔直径do1.1d;螺母环形支承面的外径D015d;螺母与支承面间的摩擦系数f=0.15。将上述各参数代人式(56)整理后可得 T0.2F0d (57)对于一定公称直径d的螺栓,当所要求的预紧力Fo已知时,即可按式(
10、57)确定扳手的拧紧力矩了。般标准扳手的长度上L15d,若拧紧力为F,则T=FL。由式(57)可得:Fo75F。假定Fo=200N,则F0=15 000N。如果用这个预紧力拧紧M12以下的钢制螺栓,就很可能过载拧断,应严格控制其拧紧力矩。采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力的方法,操作简便,但准确性较差(因拧紧力矩受摩擦系数波动的影响较大),也不适用于大型的螺栓联接。为此,可采用测定螺栓伸长量的方法来控制预紧力(图511)。所需的伸长量可根据预紧力的规定值计算。54 螺纹联接的防松螺纹联接的防松螺纹联接件一般采用单线普通螺纹:螺纹升角()小于螺旋副的当量摩擦角()。因此,联接螺纹都能满足自锁条
11、件()。此外,拧紧以后螺母和螺栓头部等支承面上的摩擦力也有防松作用,所以在静载荷和工作温度变化不大时,螺纹联接不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷的作用下,螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬时消失。这种现象多次重复后,就会使联接松脱。在高温或温度变化较大的情况下,由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛,也会使联接中的预紧力和摩擦力逐渐减小,最终将导致联接失效。为了防止联接松脱,保证联接安全可靠,设计时必须采取有效的防松措施。防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时防松的根本问题在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。发生相对转动。防松的方法,按其工作原理可分为摩擦防松、机械防松以及铆冲防摩擦防松、
12、机械防松以及铆冲防松。松。一般说,摩擦防松简单、方便,但没有机械防松可靠。对于重要的联接,特别是在机器内部的不易检查的联接,应采用机械防松。摩擦防松摩擦防松机械防松机械防松特殊的防松方法:在旋合螺纹间涂以液体胶粘剂或在螺母末端镶嵌尼龙环等。采用铆冲方法防松。螺母拧紧后把螺栓末端伸出部分铆死,或利用冲头在螺栓末端与螺母的旋合缝处打冲,利用冲点防松。这种防松方法可靠,但拆卸后联接件不能重复使用。55 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算 螺纹联接包括螺栓联接、双头螺柱联接和螺钉联接等类型。以螺栓联接力代表讨论螺纹联接的强度计算方法。其方法对双头螺柱联接和螺钉联接也同样适用。当两零件用螺栓进行联接时
13、,常常同时使用若干个螺栓,称为螺栓组螺栓组。在开始进行强度计算前,先要进行螺栓组的受力分析,找出其中受力最大的螺栓及其所受的力,作为进行强度计算的依据。对构成整个联接的螺栓组而言,所受的载荷可能包括轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等。对其中每一个具体的螺栓而言,其受载的形式不外乎是受轴向力或受横向力。在轴向力(包括预紧力)的作用下,螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形或断裂;而在横向力的作用下,当采用铰制孔用螺栓时,螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或螺栓杆被剪断等。根据统计分析,在静载荷下螺栓联接是很少发生破坏的,只有在严重过载的情况下才会发生。就破坏性质而言,约有90的螺栓属于疲劳破坏。而且疲劳
14、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(约占其中的85),有时也发生在螺栓头与光杆的交接处(约占其中的15)。对于受拉螺栓,其主要破坏形式是螺栓杆螺纹部分发生断裂,因而其设计准则是保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度;对于受剪螺栓,其主要破坏形式是螺栓杆和孔壁的贴合面上出现压溃或螺栓杆被剪断,其设计准则是保证联接的挤压强度和螺栓的剪切强度,其中联接的挤压强度对联接的可靠性起决定性作用。螺栓联接的强度计算,1、根据联接的类型、联接的装配情况(预紧或不预紧)、载荷状态等条件,确定螺栓的受力;2、按相应的强度条件计算螺栓危险截面的直径(螺纹小径)或校核其强度。螺栓的其它部分(螺纹牙、螺栓
15、头、光杆)和螺母、垫圈的结构尺寸,是根据等强度条件及使用经验规定的,通常都不需要进行强度计算,可按螺栓螺纹的公称直径由标准中选定。(一)松螺栓联接强度计算 松螺栓联接装配时,螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前,螺栓不受力。起重吊钩的螺纹联接 拉伸强度条件为(5-8)(5-9)式中:F作拉力,单位为N;d1螺栓危险截面的直径,单位为mm;螺栓材料的许用拉应力,单位为MPa。(二)紧螺栓联接强度计算 1仅承受预紧力的紧螺栓联接 紧螺栓联接装配时,螺母需要拧紧,在拧紧力矩作用下,螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外,还受螺纹摩擦力矩Tl见式(54)的扭转而产生扭转切应力,使螺栓处于拉伸与扭转的复
16、合应力状态下。因此,进行仅承受预紧力的紧螺栓强度计算时,应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力为螺栓危险截面的扭转切应力为 对于M10M64普通螺纹的钢制螺栓,可取,d2/d1=1.041.08,tan0.05,由此可得:0.5 (512)由于螺栓材料是塑性的,故可根据第四强度理论,求出螺栓预紧状态下的计算应力为 (513)由此可见,对于M10M64普通螺纹的钢制紧螺栓联接,在拧紧时虽是同时承受拉伸和扭转的联合作用,但在计算时可以只按拉伸强度计算并将所受的拉力(预紧力)30%来考虑扭转的影响。当普通螺栓联接承受横向载荷时,由于预紧力的作用,将在按合画间产生摩擦力来抵抗工作
17、载荷(图513)。这时,螺栓仅承受预紧力的作用,而且预紧力不受工作载荷的影响,在联接承受工作载荷后仍保持不变。预紧力F0的大小,根据接合面不产生滑移的条件确定。螺栓危险截面的拉伸强度条件根据式(510)及(513)可写为 (514)使联接接合面不滑移的预紧力F0F/f,若f=02,则F。5F,会使螺栓的结构尺寸增加。此外,在振动、冲击或变载荷下,由于摩擦系数f的变动,将使联接的可靠性降低,有可能出现松脱。为了避免上述缺陷,可以考虑用各种减载零件来承担横向:工作载荷(图514),这种具有减载零件的紧螺栓联接,其联接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,
18、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。2承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 这种受力形式在紧螺栓联接中比较常见,也是最重要的一种。这种紧螺栓联接承受轴向拉伸工作载荷后,由于螺栓和被联接件的弹性变形,螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析,螺栓的总拉力除和预紧力F0,工作拉力F有关外,还受到螺栓刚度Cb及被联接件刚度Cm等因素的影响。因此,应从分析螺栓联接的受力和变形的关系入手,找出螺栓总拉力的大小。联接受载后,由于预紧力的变化,螺栓的总拉力F2并不等于预紧力F0与工作拉力F之和,而等于残余预紧力Fl与工作拉力F之和。如图5-16c所示,当联接承受工作载荷F
19、时,螺栓的总拉力为F2,相应的总伸长量为b+;被联接件的压缩力等于残余预紧力F1,相应的总压缩量为m=m-;由图可见螺栓的总拉力F2等于残余预紧力F1与工作拉力F之和,即 F2=F1+F (5-15)为了保证联接的紧密性,以防止联接受载后接合面间产生缝隙,应使F10。推荐采用的F1为:对于有密封性要求的联接,F1=(1.51.8)F;对于般联接,工作载荷稳定时,F1=(0.20.6)F;工作载荷不稳定时,F1=(0.61.0)F;对于地脚螺栓联接,F1F。螺栓的预紧力F0与残余预紧力F1、总拉力F2的关系,可由图5-16中的几何关系推出。由图5-16可得:式中Cb、Cm分别表示螺栓和被联接件的
20、刚度,均为定值。F0=F1+(F-F)(a)按图中的几何关系得 (b)将式(b)代人式(a)得螺栓的预紧力为F2=F0+F螺栓的总拉力为 (5-18)上式中 称为螺栓的相对刚度,其大小与螺栓和被联接件的结构尺寸、材料以及垫片、工作载荷的作用位置等因素有关,其值在01之间变动。若被联接件的刚度很大,而螺栓的刚度很小(如细长的或中空螺栓),则螺栓的相对刚度趋于零。此时,工作载荷作用后,使螺栓所受的总拉力增加很少。反过来,当螺栓的相对刚度较大时,则工作载荷作用后,将使螺栓所受的总拉力有较大的增加。为了降低螺栓受力,提高螺栓的承载能力,应使 值尽量小些。值可通过计算或实验确定。一般设计时,可根据垫片材
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