螺纹联接键销焊接铆接课件(1)(精品 值得参考)_图文

第二篇
? 连接分类

连接

? 连接类型的选用 ? 连接设计应注意问题

第二篇

连接

? 连接分类

动连接 静连接 可拆连接
销花键螺 连键连纹 接连接连 接 接
本书提到 的连接皆 指静连接 ,除非特 别指出

不可拆连接 例 胶铆焊 接接接

第二篇

连接

? 连接类型的选用
? 依据:使用要求、加工条件、被连接件的材

料、形状、尺寸、经济性要求等 ? 常见连接的选用:
板件与板件连接:螺纹连接、焊接、铆接、胶接 杆件与杆件:螺纹连接或焊接 轴和轮毂:键连接、花键连接、过盈连接 轴和轴:联轴器、离合器 有时几种连接形式并用

? 连接设计应注意问题

强度、刚度、经济性、紧密性

第五章 螺纹连接和螺旋传动

? 螺纹 ? 螺纹连接的类型和标准连接件 ? 螺纹连接的预紧 ? 螺纹连接的防松 ? 螺纹连接的强度计算 ? 螺栓组连接的设计 ? 螺栓连接件的材料及许用应力 ? 提高螺纹连接强度的措施 ? 螺旋传动

§5-1

螺纹

? 螺纹的形成 ? 螺纹的类型及应用 ? 螺纹的主要参数

§5-1

? 螺纹的形成
a.螺旋线的形成

p=

单线螺纹

双线螺纹

§5-1
b.牙形的形成 一平面图形(如下图)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

o' o o

p

§5-1

? 螺纹的类型及应用
? 按牙形分:三角形、梯形、矩形、锯齿形螺纹
? 按回转体的内外表面分:内螺纹、外螺纹 ? 按螺旋线的绕行方向分:左旋螺纹、右旋螺纹

? 按用途分:连接螺纹、传动螺纹
? 按形成螺纹的螺旋线数分:单线螺纹、多线螺纹 ? 按母体形状分:圆柱螺纹、圆锥螺纹

? 按使用长度单位分:米制螺纹、英制螺纹

§5-1

30?

15? 3?

30?

矩形螺纹

三角形螺纹

梯形螺纹

锯齿形螺纹

潘存云教授研制 潘存云教授研制

§5-1
按回转体的内外表面分:内螺纹、外螺纹 内螺纹

外螺纹

§5-1
按螺纹旋向分:左旋螺纹、右旋螺纹

右旋螺纹

左旋螺纹

§5-1
按用途分:连接螺纹、传动螺纹

潘存云教授研制

连接螺纹 传动螺纹

§5-1
按形成螺纹的螺旋线数分:单线螺纹、多线螺纹

S
潘存云教授研制

S =P

S

P P

P

S = 2P

单线螺纹

双线螺纹

§5-1
按母体形状分:圆柱螺纹、圆锥螺纹

圆柱螺纹

圆锥螺纹

管螺纹

§5-1
? 螺纹的参数

β
大径d 小径d1 中径d2 线数n 螺距p 导程S S ? np 螺纹升角ψ 牙形角α 牙侧角β 接触高度h

α ψ

p

h
d1 d2 d

S np ? ? arctg ? arctg ?d2 ?d2

t1 t2

§5-1
? 常用螺纹类型
? 连接螺纹

普通螺纹:等边三角形。同一公称直径的普通螺纹有多种螺距, 其中螺距最大的称为粗牙螺纹,其余的统称为细牙螺纹。 粗牙 耐磨性好,自锁性好。应用最广,用于一般连接。 细牙 升角小、小径大、自锁性好、强度高,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

P

P

粗牙

d

细牙

d

细牙

d

§5-1 普通细牙螺纹 管螺纹 非螺纹密封管螺纹(圆柱管壁,α = 55 ° ) 用螺纹密封管螺纹(圆锥管壁,α = 55 ° ) 60 °圆锥管螺纹 55 ° 55 °

d

d2

d1

d

P

d2

d1

P

υ

2υ 非螺纹密封的管螺纹 用螺纹密封的管螺纹

§5-1
? 传动螺纹:矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹

梯形螺纹: β= 15? 锯齿形螺纹: β= 3?
30?

常用于传动。

3?

梯 形
? f ? ? ?V ? arctan ? cos? ? ? ? ?

锯齿形 tan? ?? tan?? ? ?V ?

30?

§5-1

? 说明:
螺纹尺寸大多已标准化,少量未标准化的
也已有推荐尺寸。对表5-1应从工艺性、工作时 的 自锁性、强度、适宜载荷类型、密封性、传 动效率等方面进行认真分析相互比较,掌握各自 的特点和应用范围。 所有的螺纹连接都不能保证螺杆和螺母之 间有较高的同心度或双头螺柱与被连接件之间有 较高的垂直度,一般不能用其满足某种定位要求。

§5-2

螺纹连接的类型 和标准连接件

?螺纹连接的类型 ?标准连接件
螺纹连接主要是由螺纹件,例如:螺栓、螺母、螺柱、螺钉等,与被连接件上的螺纹部分组成。螺纹连接件都是标准件。 它们的形状和尺寸在螺纹连接标准中都有规定。 螺纹连接的基本类型有四种:1、螺栓连接;2、双头螺栓连接;3、螺钉连接;4、紧定螺钉连接。两个变种(特殊 连接):地脚与吊环。

§5-2

? 类型
? 螺栓连接
? 普通螺栓连接

孔与螺杆之 间留有间隙

特点:对通孔加工精度 要求低,结构简 单,拆装方便, 主要承受纵向载 荷,并可承受一 定的横向载荷

§5-2
? 铰制孔用螺栓连接

特点:对通孔加工精度要求高,被连接件的位置可精 确固定,主要承受横向载荷

§5-2
? 双头螺柱连接

特点:拆装方便,主要用于不能采用螺栓连接的场合 d

§5-2
? 螺钉连接

特点:与双头螺柱连接相 似,但结构更简单, 不宜于经常拆装

§5-2
? 紧定螺钉

连接 特点:可固 定两零件 相对位置, 也可传递 不大的力 矩

§5-2
?其他:地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T型

槽螺栓连接等

吊环螺栓连接

T型槽螺栓连接

地脚螺栓连接

§5-2

? 标准连接件
? 常见种类

螺纹连接件的类型很多,在机械制造中常见 的螺纹连接件有: 六角头螺栓、双头螺柱、螺钉、紧定螺钉、 自攻螺钉、圆螺母、六角头螺母、垫圈、弹簧 垫圈等。 这类零件的结构形式和尺寸都已标准化;设 计时可根据有关标准选用。

螺 纹 紧 固 件

螺栓 螺栓的结构形式
L L0

d
六角头 L L0 d 小六角头

螺 纹 紧 固 件

螺栓 双头螺柱

L L1 L0 d L1 -----座端长度 L0 -----螺母端长度

螺 纹 紧 固 件
头部 结构

螺栓 双头螺柱 螺钉、紧定螺钉

紧定螺钉

末端 结构

螺 纹 紧 固 件

螺栓 双头螺柱 螺钉、紧定螺钉 专用螺纹连接 地脚螺栓

起吊螺钉

T 型螺栓

螺 纹 紧 固 件

螺栓 双头螺柱 螺钉、紧定螺钉 专用螺纹连接 螺母

六角螺母

六角扁螺母 六角厚螺母

圆螺母

其它螺母:

潘存云教授研制

其它螺母:

潘存云教授研制

二、螺纹紧固件

螺 纹 紧 固 件

螺栓 双头螺柱 螺钉、紧定螺钉 专用螺纹连接 螺母 垫圈

A型平垫圈

B型平垫圈

平垫圈

薄平垫圈

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。

弹簧垫圈

斜垫圈

圆螺母用止动垫圈

§5-2

? 标准连接件
? 国标中螺纹连接件的精度

A级——精度最高,用于配合精确、防止振动等重 要零件的连接 B级——精度低于A级,多用于受载较大且经常装 拆、调整或承受变载荷处 C级——精度最低,多用于一般连接

§5-3

螺纹连接的预紧

?什么是预紧 ?预紧的目的 ?确定预紧力大小的原则 ?控制预紧力大小的手段 ?拧紧力矩T和预紧力的关系 ?当量摩擦角、自锁、效率

§5-3

? 什么是预紧 ? 预紧的目的
指螺纹连接在承受工作载荷之前,因预先拧紧而受到力 的作用。该力即预紧力。其大小通过拧紧力矩来控制。
增强连接可靠性和紧密性,并可提高连接件的疲劳强度 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σs的80%。 碳素钢螺栓: F0≤(0.6~0.7) σs A1 合金钢螺栓: F0 ≤(0.5~0.6) σs A1 A1——危险截面面积

? 确定预紧力大小的原则

? 控制预紧力大小的手段
1)凭手感经验; 2)测力矩扳手、 3)定力矩扳手、 4)通过测量螺栓伸长量控制

§5-3

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。

§5-3 F

测力矩扳手

LS LM

定力矩扳手

§5-3

? 拧紧力矩T和预紧力的关系(推导)
FR F φv Fn v FH F0

φ

拧紧力矩T等于螺旋 副间的摩擦阻力矩 T1和螺母与被连接 件支承面间的摩擦 阻力矩T2之和。

F0

1 T1 ? F 0 d 2 tg( ? ? ? v ) 2 3 3 D0 ? d0 1 T2 ? f c F0 2 2 3 D0 ? d0
3 3 ? D0 ? d 0 ? 1 2 T ? F 0 ? d 2 tg( ? ? ? v ) ? fc 2 2 ? 2 3 D0 ? d 0 ? ?

§5-3 M10~M64粗牙普通螺纹的钢制螺栓,各参数 代入后有: T ? 0 . 2 F0 d
F ? f ? F0 cos ? ? F0 f cos ? ? f ? ? F0

? 当量摩擦角
F0

f?? f

cos ?
F0

? tg ? v

?
Fn Fn

F0

cos ?

? Fn

? 自锁
FH ? F0 tg(? ? ?v )
ψ >φv ψ <φv Fn

§5-3

φv
FH

ψ

滑块等速下滑, FH为阻力 FH 为驱动力,这时螺旋自锁

F0

§5-3

? 效率
F0 ? S tg ? ?? ? 2?T1 tg(? ? ? v )

§5-4 螺纹连接的防松
?为什么要防松 ?防松的根本问题 ?防松的方法

§5-4

? 为什么要防松 ? 防松的根本问题在于:防止螺旋副的相对转
动 ? 从工作原理分,防松方法有:
? 摩擦防松:对顶螺母,弹簧垫圈,自锁螺母

螺纹连接件一般采用单线普通螺纹。螺纹的升角(ψ=1°42′~3°2′)小于螺旋副的当量 摩擦角(φ=5°47’)。因此,螺纹连接一般都能满足自锁条件(ψ≤φ)。此外,拧紧后螺 母和螺栓头部等支承面处的摩擦也有防松作用,所以在静载荷和工作温度变化不大时,螺 纹连接不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下,或在高温或温度变化较大的情况 下,螺纹连接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失,这种现象重复多次后螺纹 连接就会出现松动或松脱。导致连接失效。螺纹连接一旦失效,将严重影响机器的正常工 作,甚至造成事故。因此,为保证连接安全可靠,设计时必须采取有效的防松措施。

? 机械防松:开口销与六角开槽螺母,止动垫圈,

带翅垫片,串联钢丝(用于螺栓组) ? 其他:铆冲防松,胶粘防松,尼龙环等

§5-4
? 摩擦防松:对顶螺母,弹簧垫圈,自锁螺母

利用附加摩擦力防松

弹簧垫圈

对顶螺母

尼龙圈锁紧螺母

§5-4
机械防松:开口销与六角开槽螺母,止 动垫圈,带翅垫片,串联钢丝(用于螺栓 组),采用专门的防松元件
?
潘存云教授研制

带 翅 垫 片 开口销与六 角开槽螺母

圆螺母用止动垫圈

带 翅 垫 片

止 动 垫 圈

串联钢丝

5-4
?其他:铆冲防松,胶粘防松,尼龙环等

§5-5 螺纹连接的强度计 算
?螺纹连接的载荷形式和失效形式 ?松螺栓连接 ?紧螺栓连接
受横向工作载荷的紧螺栓连接 受轴向工作载荷的紧螺栓连接

§5-5

? 螺纹联结的载荷形式和失效形式
? 螺纹连接形式多样,本节以螺栓连接为例。
? 螺栓连接通常是成组使用的,对整个螺栓组来说

所受载荷可能是轴向载荷、横向载荷、弯矩或扭 矩。但是,在螺栓强度计算时,要先对螺栓组进 行受力分析,确定单个螺栓的工作载荷,然后对 单个螺栓作强度计算或校核。 ? 无论螺栓组所受载荷为何种形式,对单个螺栓来 说,其载荷形式皆为横向力或轴向力。

§5-5
? 螺栓连接的失效形式
? 轴向力作用下螺栓杆和螺纹部分发生塑性变形或断裂

保证静力或疲劳拉伸强度 ? 受横向力: 铰制孔用螺栓接合部位发生压溃或螺栓杆被剪断 保证连接处的挤压强度和螺栓杆的剪切强度 普通螺栓 被连接件发生相对滑动 解决预紧力和摩擦力问题 ? 垫片、螺母、螺纹牙强度、螺栓杆、光杆部分失效

§5-5
?

螺栓连接的失效形式 塑性变形
螺纹部分

螺栓 连接 的主 要失 效形 式:

受拉螺栓 轴向载荷

疲劳断裂 铰制孔 用螺栓

保证静力或疲劳 拉伸强度

--轴向变载荷

剪断 压溃

受剪螺栓 横向载荷

保证结合处的挤压强度 和螺栓杆的剪切强度

螺杆和孔壁的贴合面

经常拆卸

普通螺栓 被连接件发生相对 滑动 解决预紧力和摩擦力问 滑扣 因经常拆装 题

其他失效形式:垫片、螺母、螺纹牙强度、螺栓杆、光杆部
分失效

§5-5

? 松螺栓连接
螺栓工作之前不需拧紧,不受力。 F 强度条件为:
? ?
1 ? d 12 4 ? ? ?

?

d1——一般为螺栓的小径 注意:螺栓的危险截面
设计式为:

d1 ?

? ??

4F

?
F

§5-5

? 紧螺栓连接
? 仅受预紧力的螺栓连接

F0

1.预紧力F0(拉伸应力)

? ?

F0 1 ?d 4
2 1

2.螺纹摩擦力矩T1(扭转切应力)

T1 ?? ? I

F0 tg(? ? ? v ) ? d 2

F0
2

T1

?d13

16

§5-5

M10~M64
3. 强度计算准则 ▼第四强度理论:螺栓的计算应力为

普通钢制螺 栓τ=0.5σ

? ca ?

?

2

? 3?

2

? 1 . 3? ?

1 .3 F0

?

? ??

?

4
设计式为:

d

2 1

d1 ?

4 ?1.3F0

? ?? ?

§5-5
受横向工作载荷 ? 当用普通螺栓连接时 预紧力F0(拉伸应力)+ 螺纹 摩擦力矩T1(扭转切应力) 强度计算准则(与仅受 预紧力的螺栓连接相同) ▼第四强度理论:螺栓的计 算应力为 :
?

F/2

F0

F

F/2
1.3F0 ? ?? ?

F0

T1

? ca ? ? ? 3? ? 1.3? ?
2 2

?

4

d12

§5-5

▼另外,因横向载荷是由预紧力在被连接件间产 生的摩擦力来抵抗的,所以还应满足:

F0 ? f ? n ? F
设计式

F F0 ? f ?n

d1 ?

4 ?1.3F0

? ?? ?

用上式决定的预紧力往往很大,计算出的螺栓尺 寸相应也很大,这时可采取其他措施承担横向力。 见下页

§5-5

§5-5

? 当用铰制孔用螺栓连接时

结合面处受剪切:

F ?? ? ?? ? F/2 2 1 ?d ? m 4 s
m—螺栓抗剪截面个数 螺栓与孔壁接触面受挤压:

F0 ds

抗剪 截面

F

F ?p ? ? ?p ds ? h

? ?

F/2

F0

§5-5

? 受轴向工作载荷
? 受力分析

λm
F0 F0

λb

F0

F0

§5-5

λm
F0
F0

λb

F0 F1 F1

F0 F1

△λ △λ
F1

F

F

§5-5

被连接件总压缩量为: ? m ? ? ? 被连接件间挤压力为: F1( F1< F0) 螺栓总伸长量为: ? b ? ? ? 螺栓中总拉力为: F2(F2 > F1) F ? F ? F 2 1 根据力与变形协调关系,有: F0 ? F1 F2 ? F0 F1 ? F ? F0 ?? ? ? ? Cm Cb Cb
联立二式求解得: 0 ? F1 ? F Cm F Cb ? Cm

Cb 或:F2 ? F0 ? ?F ? F0 ? F Cb ? Cm 其中 Cb 定义为螺栓的相对刚度 Cb ? Cm

§5-5

? 力与变形关系线图

预紧后:
F0

力 Ob 螺栓 力


F0

λb

变形

λm

Om

被连接件

tg? b ? Cb
θb
λb

θm
λm

tg? m ? Cm
变形 Om

合并后 Ob

F0

§5-5

预紧且有工作载荷后: B A
F0 F

△F



那么:F0 ? F1 ? ?F ? ?F ? 由力与变形关系:

令:?F ? F2 ? F0

C
Ob

?? tg? b Cb ?F ? ? F ? ?F ?? tg? m Cm Cb ? ?F ? F C m ? Cb

θb
△λ

θm

Om λm

F1

λb

F2

变形 联立二式求解得: Cm F0 ? F1 ? F Cb ? Cm

Cb 或:F2 ? F0 ? ?F ? F0 ? F Cb ? Cm

§5-5

? 强度计算

这时即可套用前面预紧力作用下螺栓强度计算式, 考虑受载后补充拧紧,总载荷取总拉力F2的1.3倍

?

ca

?

1 .3 F 2

?

? ??

?

4

d 12

§5-5

? 强度校核计算
试选螺栓尺寸,确定d1 由机器要求确定工作载荷F 由工作性能要求确定工作状态 下连接的紧密性要求确定残余 预紧力F1
计算螺栓中的最大拉力F2 及危险截面最大应力σca

试选螺栓尺寸,确定d1 由螺栓材料性能计算螺栓 可承受最大拉力F2 确定螺栓预紧情况F0 由机器要求确定工作载荷F 计算螺栓连接中的残余预紧力F1 由工作性能要求确定工作状态 下连接的紧密性要求确定需要 的残余预紧力[F1]

NO

? ca ? ?? ?

NO YES

YES
细节结构设计

F1 ? ?F1 ?
细节结构设计

§5-5

? 强度计算

由强度计算公式推导出设计计算式:

设计式:

d1 ?

4 ? 1 .3 F 2

? ??

?

§5-5

? 疲劳强度计算

(画图表示载荷变化范围)

轴向工作载荷变化范围:0 ~ F 螺栓所受的总轴向拉力:F0 ~F2 螺栓中的应力变化范围: F 0
(忽略螺纹间摩擦力矩)
?

Cb 2F ? ? 应力幅: ? a 2 C ? C ?d 2 b m 1 那么,强度条件为: ? ? Cb ? 2F ? ?? ? a a Cb ? Cm ?d12
对重要零件,校核 疲劳安全系数:

?? max ? ? min ? ?

4

d

2 1



?
4

F

2

d

2 1

2? ?1tc ? ?K? ??? ?? min Sca ? ?S ?K? ??? ??2? max ?? min ?

§5-5 螺栓连接受力分析和强度分析总结

连接状态

受力特点

承载前螺栓不受力, 松螺栓连接 承载后螺栓受拉力 仅受预紧力作用的螺栓连接

?

?

计算式 F ? 2 1 4 ? d 1

设计式

?? ?

d

1

?
d1 ?

4 F

?

?? ?

1 .3 F 0 ? 2 1 4 ? d 1
1 .3 F

?? ?

4 ?1.3F0

? ?? ?

0 F 0 ? ? ?? ? 螺栓只受预紧力,靠 f ? n 1 ? d 2 普通 4 1 受 摩擦力抵抗外载时, 4 ? 1 . 3 F0 螺栓 d1 ? F0 ? f ? n ? F 横 应控制预紧力 ? ?? ? F 向 ? p ? ? ? p ? ? 紧 载 铰制 螺栓受预紧力,受工 d s ?h 取二式计算结果中较 螺 荷 孔用 作载荷的剪切和挤压 F ? ? ? ? ? 大的ds 选择螺栓 ? 栓 1 ? d 2 ? m 螺栓 作用 4 s 连 Cb F2 ? F0 ? F ? F1 ? F 接 4 ? 1 .3 F2 Cb ? Cm d1 ? 工作前受预紧 静强度 1 .3 F 2 ? ?? ? ? ca ? ? ? ? ? 1 ?d 2 力,工作后受 4 1 受轴向 残余预紧力及 Cb 2F 载荷 同上 ?a ? ? ? ?? a ? 2 工作载荷共同 疲劳强 C b ? C m ?d1 作用 2 ? ?1 tc ? ?K ? ? ? ? ?? min 度

F

S ca ?

?K ?

?? ?

??2? a ? ? min ?

? S

§5-5

螺栓连接受力分析和强度分析总结

在强度计算公式中所使用的载荷必须是计 入各种影响后螺栓承受的总的载荷:松 螺栓连接为工作载荷F;对只承受预紧力 的紧螺栓连接要考虑拧紧力矩的影响: 为预紧力F0的1.3倍;对同时承受轴向工 作载荷的紧螺栓连接,考虑受载后补充 拧紧,总载荷取总拉力F2的1.3倍。

§5-6 螺栓组连接的设计
?螺栓组连接的结构设计 ?螺栓组连接的受力分析 ?例题
螺栓组连接设计的大致步骤为:首先确定螺栓数目及布置形式,再确定螺栓连 接的结构尺寸。在确定螺栓尺寸时,对不重要的连接,可采用类比法确定不再进行强度 校核;但对于重要的连接,则需进行受力分析,找出受力最大的螺栓进行强度校核。 螺栓组连接设计的主要内容包括结构设计和受力分析。

? 螺栓组连接的结构设计
应解决的问题:螺栓连接结合面的几何形状、螺栓 的布置形式、螺栓的个数 结构设计的大原则: ? 结合面通常采用轴对称的简单几何形状 轴对称的简单几何形状。

§5-6

圆形

圆环形

矩形

矩形框

三角形

主要目的:合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式,力求各螺栓和连接接合面间受 连接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状,如圆形、环形、矩形、框形、三角 力均匀,便于加工和装配。 形等。这样不但便于加工制造,而且便于对称布置螺栓,使螺栓组的对称中心和连接接合面的形心 设计时应注意的问题集中在螺栓组连接接合面的结构设计和螺栓排列布置结构设计两个方面。 重合,从而保证连接接合面受力比较均匀。

§5-6

? 螺栓组连接的结构设计
结构设计的大原则: ? 螺栓布置应使各螺栓受力合理 F
潘存云教授研制

F 不合理!
潘存云教授研制 潘存云教授研制

合理

不合理!

§5-6

? 螺栓组连接的结构设计
结构设计的大原则: ? 螺栓排列应有合理间距和排距,保证扳手空间

E E
60 °

h
A

C
60°

d D

C
B

§5-6

? 螺栓组连接的结构设计
结构设计的大原则: ? 避免螺栓受附加弯曲载荷
支承面倾斜 切削加工支承面

支承面不平 采用凸台或沉孔结构 采用斜垫圈

§5-6

? 螺栓组连接的结构设计
结构设计的大原则: ? 布置在同一圆周上螺栓数目常为偶数 ? 同一组螺栓中螺栓直径、材料、精度等级尽量 相同 ? 根据工作条件合理选择防松装置

§5-6

? 螺栓组连接的受力分析
对螺栓组受力分析的目的和任务:根据 螺栓组结构及承载情况求出螺栓组中受力最大 的螺栓所在位置及其所受工作载荷的大小,以 便进行螺栓连接强度计算。 受力分析时所作假设: 螺栓组中各螺栓 直径、长度、材料均相同;预紧力都相等且在 结合面间产生的压力均匀分布;连接中各零件 的应力均在弹性极限范围内;受载后结合面仍 保持为平面;螺栓组对称中心与结合面的形心 重合;连接只受简单的单一载荷情况。

受力分析的类型:

受横向载荷







受轴向载荷

受倾覆力矩

79

一、受横向载荷FΣ的螺栓组联接 下图所示为一由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓 组联接。 横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直,并通过螺栓组 的对称中心。 当采用普通螺栓联接时,靠联接预紧后在接合面件 产生的摩擦力来抵抗横向载荷;当采用铰制孔用螺栓联 接时靠螺栓杆受剪切和联 接的挤压来抵抗横向载荷 F∑ 在计算时可以近似认 F∑ 为,在横向载荷FΣ的作用 下,各螺栓承担的载荷是 F∑ F∑ 均等的。
80

一、受横向载荷FΣ时 1)用受拉螺栓 当采用普通螺栓联接时,应保证联接预紧后,接合 面间所产生的最大摩擦力不应小于横向载荷。 若各螺栓所受的预紧力均为F0,螺栓数目为z,则其 平衡条件为: f F0 z i ≥ KsFΣ 或 则所需预紧力为: F0≥ KsFΣ /(f zi) 式中:f 为接合面的摩擦系 数(见教材P76页表5-5); F∑ i为接合面数; F∑ Ks为防滑系数(常取 取1.1~1.3) F∑ F∑
81

一、受横向载荷FΣ时

2)用受剪螺栓

当采用铰制孔用螺栓联接时,由于横向载荷通过 F∑ F 螺栓组形心,在前述假设下,各螺栓承受的横向力Fs ∑

注:a) 不通过螺栓组形心时, a) 向形心平移后再计算。 F∑b) 沿FΣ方向上的受剪螺栓个 数不宜过多。 F∑ 铰制孔用螺栓连接的挤压强度条件: ?? p ? ? d 0 ? hmin ? F? / z F ? ? F


F? 相等。 则: Fs ? z

F∑

F∑

螺栓杆剪切强度条件: ? d 02 ? ?? ? ? F? 4 z



82

二、受转矩T的螺栓组联接 如下图所示,转矩T作用在被联接件的联接结合面 内,在转矩T的作用下,底板将绕通过螺栓组对称中心O 且与结合面相垂直的轴线转动。 为防止底板转动,可采用普通螺栓联接,也可采用 铰制孔用螺栓联接。

83

二、受转矩T的螺栓组联接 当采用普通螺栓联接时,假设各螺栓的预紧力均为 F0,则各螺栓联接处产生 的fF0相等且集中作用在螺 栓中心处。 为阻止接合面发生相 对转动,各fF0应与相应螺 栓的轴线到螺栓组对称中 心O的连线(即力臂ri)相垂直。由底板上力矩平衡条 件得:
fF0 r1 ? fFr2 ? ??? ? fFrz ? fF0 ? ri ? K sT
i ?1 z

式中:f为摩擦系数;Ks为防滑系数(常取1.1~1.3);z为螺栓数目; ri为第i个螺栓轴线刀螺栓组对称中心O的距离。

K sT K sT ? z 各螺栓所需预紧力为: F0 ? f ? r1 ? r2 ? ??? ? rz ? f ? ri
i ?1

84

二、受转矩T的螺栓组联接 当采用铰制孔螺栓连接时,底板转矩T作用下,有 绕转动中心O转动的趋势,而各个螺栓联接处将受到横 向工作剪力Fsi。 取出底板作为研究对象, 假设:第i个螺栓在联接处所 受到的横向工作剪力Fsi集中作 用于第i个螺栓孔中心,并与 底板转动中心O之连线相垂直。由底板平衡条件得:

Fs1r1 ? Fs2 r2 ? ? ? Fsz rz ? ? Fsi ri ? T
i=1

z

显然,每个螺栓所受到的Fsi与其位置,即ri有关。根据
85

二、受转矩T的螺栓组联接 前面的假设,底板在转矩T作用下有绕转动中心O转动的 趋势。由于底板的刚度远远大于螺栓杆的剪切刚度,因 此可以将底板认为是刚性体。故,各个螺栓的剪切变形 量Δi将与螺栓中心置底板转动中心O之距离ri成正比,即 :Δi∝ ri。又由于每个螺栓的剪切刚度Fsi/Δi(=GA)相 同,故:Fsi= Δi GA∝ri ,即: Fsi= Cri 。将上式代入到 平衡方程
z

?F r ?T
si i i=1

z

中得:

Cri 2 ? T 或:C ? T ?
i ?1

ri 2 ?
i ?1

z

Fsi ? Cri ?

Tri ri 2 ?
i ?1 z

86

二、受转矩T的螺栓组联接

Fsi ? Cri ?

Tri ri 2 ?
i ?1 z

因此,距底板转动中心O越远的螺栓所受到的横向 工作剪力也就越大,即:

Fs max ?

Trmax

?r
i ?1

z

2

i

求得的最大横向工作剪力,按 铰制孔螺栓联接的剪切强度条件和挤压强度条件,可以 求得铰制孔螺栓的直径。

87

三、受轴向载荷FΣ的螺栓组联接
下图所示为一受FΣ的气缸盖螺栓组联接。 FΣ的作用 线与螺栓轴线平行,并通过螺栓组的对称中心。 计算时,认为螺栓平均受载,则每个螺栓联接处所 受的轴向工作载荷为:

F? F? z 应该指出的是,各螺栓 除承受轴向工作载荷F 外,还受有预紧力F0的 作用。因此,各螺栓在工作时所受的总拉力F2并不等于F Cb 与F0之和,而是应按: F2 ? F0 ? F Cb ? Cm 计算总拉力F2。 88

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接
下图为一受倾覆力矩M的底板螺栓组联接的示例。 倾覆力矩M作用在通过x-x轴并垂直于联接结合面的对 称平面内。

89

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接
底板承受倾覆力矩作用前,由于螺栓已拧紧,螺栓 承受预紧力F0,有均匀的伸长,地基在各螺栓的F0作用 下,有均匀的压缩;当底板受到倾覆力矩作用后,它绕

90

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接 轴线O-O倾转一个角度,假定底板仍保持平面。此时, 在轴线O-O左侧,地基压缩变形量被放松,螺栓被进一 步拉伸;在右侧,则螺栓拉力被放松,地基压缩变形量 被进一步增大。

91

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接
上述过程,可用单个螺栓一地基的受力变形图来表 示。为简便起见,地基与底板的互相作用力以作用在各 螺栓中心的集中力代表。如图所示,斜线ObA表示螺栓 的受力变形线,斜线OmA表示地基的受力变形线。在倾 覆力矩M作用以前,螺栓和地基的工作点都处于A点。底 板上受到的合力为 零。当底板上受到 外加的倾覆力矩M 后,在倾转轴线OO左侧,螺栓与地 基的工作点分别移 至B1与C1点。两者 作用到底板上的合 92

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接
力的大小等于螺栓 的工作载荷F,方 向向下。在O-O右 侧,螺栓与地基的 工作点分别移至B2 与C2点,两者作用 到底板上的合力等 于载荷Fm,其大小 等于工作载荷F, 但方向向上(注意右 侧螺栓的工作载荷 为零)。作用在O-O 两侧底板上的两个

93

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接
总合力,对O-O形 成一个力矩。这个 力矩应与外加的倾 覆力矩M平衡,即:

M ? ? Fi Li
i=1

z

因结合面仍为平面, 所以: Fi ? CLi

C?M
Fi ? MLi

L2 ? i
i=1 z

z

?L
i=1

2 i

94

四、受倾覆力矩M的螺栓组联接

Fi ? MLi
z

L2 ? i
i=1 2 i

z

于是螺栓所受的最大工作载荷为: Fmax ? MLmax 式中:z——总的螺栓个数; Li——各螺栓轴线到底 板轴线O-O的距离; Lmax——Li中最大的值 根据该最大轴向工作载荷 即可进行单个螺栓的强度计算。 由 Fmax 求出螺栓的总拉力 F2:

?L
i=1

Cb F2 ? F0 ? Fmax Cb ? Cm

95

§5-6

由下式设计或校核: ? ca ? ?

1.3F2 d12

? ?? ?

4 为了防止接合面受压最大处被压溃,应校核受
载后地基接合面压应力的最大值不超过允许值, 以及受压最小处出现间隙,即最小值不小于零:

? P max ? ? P ? ?? P max ? ?? P ?
? P min ? ? P ? ?? P max ? 0

式中:

zF0 地基接合面在受载前由于预紧力而产生的挤压应力; ?P= 倾覆M在地基接合面上产生的附加挤 A Cm M 压应力的最大值。 ?? P max ? ? Cb ? Cm W
Cm — —地基的相对刚度 [σp]为地基接合面的许用挤压应 Cb ? Cm 力,可由P79页表5-6查出。

§5-6

总结:
螺栓组的设计包括两部分内容:a) . 正确进行结构设计, 通过受力分析找出受力最大的螺栓;b). 按照单个螺栓连 接的强度计算公式来设计这个受力最大的螺栓的尺寸, 其余螺栓则按同样尺寸选用。 设计时应正确解决的几个问题:a). 螺栓组的布置,一 般可参考现有设备由经验确定;也可先将总载荷分解, 再按各种载荷进行分配计算,在叠加,得到总载荷在各 螺栓中的分配情况;b). 确定螺栓的拧紧力矩;必要时 将这一结果标注到相应的图纸上;c). 确定螺栓直径 , 据此确定螺栓其他部分尺寸,并进行精确校核,疲劳强 度校核时应特别注意受力变形线图;d). 注意采取适当 措施提高螺栓连接强度。

螺栓组 受力 横向载 荷F∑ 轴向载 荷F∑

组中各螺栓受力状况 各螺栓所受横向工作 载荷相等 各螺栓所受轴向工作 载荷相等

受力最大螺 栓的受力

备注

F ?
F ?

转 各螺栓受相等预紧力 矩 T 铰制 及不相等横向工作载 螺栓 荷,受力最大的螺栓 距形心最远 倾覆力 矩M

z 普通 各螺栓仅受相等的预 F 0 ? f ? ? ri 螺栓 紧力 i ?1

f ? F0 ? z ? i ? KS ? F? 普通螺栓 F? ? 2 ? 铰制 4 d s ? ? ?? z ? F ? z 螺栓 ?? ?? d ? h P s min ? z ? F ? 松连接 以F代入强度计算 F? z 紧连接 F ? F ? Cb F 2 0 Cb ? Cm K ST

Trmax 直接以F 代入剪切和挤压 max Fmax ? z ? ri 强度计算;而预紧力仅起保
i ?1

证连接紧固作用

各螺栓所受轴向工作 MLmax 对受力最大螺栓进行强度计 载荷不相等,其中受 Fmax ? z 2 算而且应满足下式: ?0 ? Li ? P min ? ? P ? ?? P max >0 载荷最大的螺栓距螺 i ?1 栓组对称轴线最远 ? P max ? ? P ? ?? P max ? ?? P ?

实际使用中的螺栓组所受工作载荷可以是上述 四种受力状态的不同组合。分析时可先将复杂受力 状态分解为上述四种简单受力状态,再将其各自结 果向量叠加,便得到每个螺栓的总的工作载荷。 一般说,对普通螺栓可按轴向载荷或(和)倾 覆力矩确定工作拉力;按横向载荷或(和)转矩确 定连接所需的最小预紧力,然后求出螺栓的总拉力。 对于铰制孔用螺栓则按横向载荷或(和)转矩确定 螺栓的工作剪力,求得受力最大的螺栓及其受的剪 力后,再进行单个螺栓连接的强度计算。
99

对于复杂的受力状态,可以化简为上述四种简单受力 状态,再按力的叠加原理求出螺栓受力。求出受力最大螺 栓的力值后,即可进行单个螺栓连接强度计算。

受复合载荷的螺栓 组连接——

横向荷载+轴向载荷+翻转力矩

100

受复合载荷的螺栓 组连接——

横向载荷+ 旋转力矩
101

102

103

104

105

§5-7

螺纹连接件的材 料和许用应力

?螺纹连接件的材料 ?标准螺纹连接件的标记 ?螺纹连接件的许用应力

§5-7

? 螺纹连接件的材料
10#, 35 #, 45 #号钢 ? 变载、振动、冲击的连接,可用合金钢:40Cr, 30CrMnSi, 15MnVB等 ? 特殊用途:特种钢、铜合金、铝合金等 ? 螺母:应比相配合螺栓硬度低20~40HB。 ? 螺母:性能等级应不低于相配合螺栓的性能等级 ? 垫圈:普通垫圈用Q235、35号钢,弹簧垫圈用 65Mn且经热处理及表面处理
? 常用材料:Q235,

§5-7

? 标准螺纹连接件的标记
螺栓、螺钉、螺柱性能等级分十级,其标 记由两部分数字组成,之间用“ · ”分隔开。第 一部分数字(“ · ”前) :表示σB的1/100,即: σb/100;第二部分数字(“ · ”后):表示σs或 σ0.2与σB比值的10倍,即10 σs/ σB ,单位: MPa。 如:标记为6.8的大径为20的螺栓 σB =600MPa,σs =8 σB /10=480MPa 标记为:M20—6.8 螺母的性能等级分7级,由4—12表示,表 示螺母所能承受最小应力的1/100(σmin/100)

§5-7

螺纹连接件的许用应力 许用应力与载荷性质、装配情况、螺纹连接件 材料、结构尺寸等因素有关。
? 许用拉应力:

?? ? ?
?? ? ?

?s
S ?s
S?

? 许用切应力:
? 许用挤压应力:

?? p ? ? min ? ? S p

?

式中,σs为螺纹连接件的屈服极限,根据其性能等级确定; σlim为连接件与被连接件中较弱的极限应力,若均为钢 材,则取材料的屈服极限σs;若被连接件是铸件,则取其铸 件的强度极限σB。 S、Sτ、Sp为安全系数,参见下表。

110

§5-8 提高螺纹连接强度 的措施
?降低应力幅,提高螺栓疲劳强度 ?改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象 ?减小应力集中 ?采用合理的制造工艺方法

§5-8

? 降低应力幅,提高螺栓疲劳强度
由式 ? ? ?? max ? ? min ? ? a 2
Cb 2F 可知: ? 2 Cb ? Cm ?d1

减小螺栓刚度Cb或增大被连接件的刚度Cm都 可以减小应力幅,提高螺栓的疲劳性能。 但是, F1减小,连接的 m 紧密性受到了影响。★可在不影响静强度的 条件下增大预紧力,以保持连接紧密性。 下面从力和变形线图方面分析:
F1 ? F 0 ? C m Cb ? C F

§5-8

△F′

F2′

△F

F0

? b′

?b

F1′

Cb′

Cb

? b′

F1 ?b

?b

F2

§5-8

△F′

△F
F2′ F0 ?m F1′ ?m′ Cm′ Cm ?m′ F1 ?m F2

?b

§5-8
△F′

△F

? b′

F0′

F0

F0′

F0

Cb′

F1 Cb Cm′

?b

?m′

?m

F2

Cm

§5-8 宜采取措施:

采用柔性结构:加弹性元件、 或采用柔性螺栓。 2. 有密封要求时,采用金属薄垫片 3. 或者采用O形密封圈 d
d

?

0.8d

0.7d

§5-8

? 改善螺纹牙上载荷分布不均匀现象
采用均载螺母,如:悬置螺母、环槽螺母、内斜螺母或环槽 且内斜螺母、或用钢丝螺套均载。 Page88图5-35

环槽螺母 悬置螺母

10~15°

10~15?

内斜螺母 内斜与环槽螺母

§5-8

? 减小应力集中
在此,主要从螺栓结构上来说。 加大过度部位圆角、设置卸载槽、设置卸载过渡结构、 螺纹收尾处留退刀槽。另外,从设计、装配、制造上 设法避免附加应力的产生。

r

§5-8

? 减小应力集中
在此,主要从螺栓结构上来说。 1.加大过度部位圆角、设置卸载槽、设置卸载过渡结构、 螺纹收尾处留退刀槽。

r

§5-8

2.从设计、装配、制造上 设法避免附加应力的产生。

球面垫圈

腰环螺栓

切削加工支承面

被连接件变形太大

支承面不平

采用凸台或沉孔结构

§5-8

? 改善螺纹牙上载荷分布不均
匀现象
冷镦螺栓头部、滚压螺纹的螺栓比 切制螺纹疲劳性能好,另外,氮化、氰 化、喷丸处理可提高螺纹连接件的疲劳 强度。

§5-9 螺旋传动
?螺旋传动的类型和应用 ?滑动螺旋的结构和材料 ?滑动螺旋传动的设计计算 ?滚动螺旋传动、静压螺旋传动简介

§5-9

? 螺旋传动的类型和应用
输入输出特点:回转运动 直线运动 ? 螺杆螺母相对运动关系: 螺母移动、螺杆转动 螺母固定、螺杆转动并移动 ? 按用途的分类: 传力螺旋、传导螺旋、调整螺旋 ? 按螺旋副摩擦性质分类: 滑动螺旋、滚动螺旋、静压螺旋 ? 应用: 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)、工具(老虎 钳)、夹具、玩具、机器人及其他工业装备中。
?

§5-9

调整螺旋

调整螺旋

§5-9

千斤顶

机床 丝杠

压力机

§5-9

? 滑动螺旋的结构和材料
? 结构

指螺母、螺杆的固定和支承结构
短而粗且垂直时,可用螺母支承 细而长且水平时,可两端支承或中间加辅 助支承 剖分式、整体式、组合式 矩形、梯形螺纹可双向传动,锯齿形螺纹可单 向传动,旋向有左旋、右旋之分,线数有单 线、多线之分

螺杆

螺母 螺纹

? 材料要求

强度、耐磨性好、工艺性好 螺母: 青铜 螺杆:碳素结构钢、合金钢

§5-9

整体式螺母

固定螺钉

调整螺钉 调整楔快

潘存云教授研制

组合螺母

剖分螺母

§5-9

? 滑动螺旋传动的设计计算
承受载荷: 转矩、轴向力 主要失效形式: 螺纹牙的磨损 设计准则:按抗磨损确定直径,选择螺距; 校核螺杆、螺母强度等。 ? 耐磨性计算 ? 螺杆强度计算 ? 螺母螺纹牙强度 ? 螺母外径和凸缘强度计算 ? 螺杆的压杆稳定性计算
★通常要根据螺旋传动的类型、材料、结构、工作条件分析主要 失效形式,选择对应的设计准则进行计算(一般先由耐磨性条件,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 可能发生的其他失效一一校核 ,不必对以上各项逐项校核

§5-9

耐磨性计算 目的:限制螺纹工作面上的压强 p,由此 推导出设计式(中径d2)确定螺纹几何参数,必要时进 行自锁性能判断 螺纹中径的计算公式: 梯形螺纹: 锯齿形螺纹: F Fa d2 ≥ 0.8 mm d2 ≥ 0.65 mm φ [p] φ [p]
?

1.2~2.5 整体式螺母 υ= 2.5~3.5 剖分式螺母 一般取:u≤10 υ值越大,螺母越厚,螺纹工作圈数越多。 验算:
u ? H ? 10 P

若不满足要求,则增大螺距。

对有自锁性要求的螺旋传动,应校核自锁条件: f ?v ? arctan ? arctan f v ? ? ?v cos ?

§5-9

? 螺杆强度计算

第四强度理论 扭转,危险截面计算应力:
?

:轴向受压和
2

?

ca

?

2

? 3?

2

? 4F ? ? T ? ? ? 2 ? ? 3? 2 ? ?d ? ? ? d / 16 ? ? [? ] MPa ? ? 1 ? ? 1 ?

2

式中,F为螺杆所受的轴向压力(或拉力),T为螺杆所受的 d 扭矩: T ? F tan(? ? ? ) 2
v

2

螺杆的强度条件: 对碳素钢,

? ca ? [? ]
MPa

[σ ]=50~80

§5-9

? 螺母螺纹牙强度
其危险截面 a – a 的

螺纹牙发生剪切和弯曲破坏

剪切强度条件:

F ?? ? [? ] , ?Dbu
弯曲强度条件:

πD
a

F/u

?b ?

6 Fl ? [? b ] 2 ?Db u

a

πD2

§5-9

螺母外径和凸缘强度计算 1)考虑螺旋副摩擦力矩的作用,螺母悬 置部分危险截面b—b的拉伸强度条件:
?

b

F

b

??

?

(1.2 ~ 1.3) F 4 ( D32 ? D2 )

? [? ]

其中: ] ? 0.83[? ]b [?

D D3

2)凸缘与底座接触表面挤压强度条件:
?
p

?

?
4

F ( D 42 ? D 32 )

? [? p ]

其中:? p ] ? (1 .5 ~ 1 .7 )[? b] [

D4 D3

3)凸缘根部弯曲强度条件:
?b ?
M F ( D4 ? D3 ) / 4 1.5 F ( D4 ? D3 ) ? ? ? [? b ] 2 2 W ?D3 a / 6 ?D3 a

a
H

§5-9

? 螺杆的压杆稳定性计算

对于长径比较大的受压螺杆,需要校核压 杆的稳定性,要求螺杆的工作压力F要小于临 界载荷Fcr

Fcr Ssc ? ? Ss F

§5-9

?滚动螺旋传动、静压螺旋传动简介
? 滚动螺旋传动
? 特点:传动效率高,启动力矩小,传动灵敏平稳,

工作寿命长。但制造工艺较复杂,特别是长螺杆 热处理及磨削质量难以保证,刚性和抗振性能较 差。 内循环 总循环式 或 ? 分类:滚珠螺旋 外循环

分循环式

滚子螺旋
? 静压螺旋传动

自转滚子式 行星滚子式

圆柱滚子 圆锥滚子

? 特点:传动摩擦小,传动效率高,传动的刚性和

抗振性好。

§5-9

组成:螺杆、螺母、滚珠 滑动摩擦 滚动摩擦 类型:外循环、内循环

在螺旋和螺母之间设有封闭的循环滚道, 其间充以滚珠,这样就使螺旋面的滑动 摩擦成为滚动摩擦。

返回通道

返回通道

反向器(返回通道) 返回通道
不离开螺旋表面,每 圈有一个反向器

内循环 外循环

螺旋

? 应用实例:飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降、

数控机床、机器人。

第六章 键、花键、无键 连接、销连接
?键连接 ?花键连接 ?无键连接 ?销连接

§6-1键连接

? 键连接
? 功能:实现轴与轮毂的周向固定传递转矩,还可

实现轴向固定和轴向滑动的导向。 ? 分类、结构、应用
普通平键: 圆头、平头、单圆头 平键 薄型平键 导向平键 半圆键 楔键 切向键 滑键
按用途分,平键可分为普通平键、导向键和滑 键三类,其中普通平键应用最为广泛,用于静 连接,如图11-25a所示。导向键和滑键用于动 连接。 薄型平键与普通平键的主要区别在于,薄型 平键的高度约为普通平键的60%~70%,结构 型式相同,但传递转矩的能力较低。薄型平 键主要用于薄壁结构、空心轴以及一些径向 尺寸受限制的场合。

键 连 接

§6-1键连接

按端部形状分,普通平键可分为圆头(A型)、方头(B型)和单圆头(C型)三 种,平键工作时,靠其两侧面传递扭矩,键的上表面和轮毂键槽底之间 留有间隙。这种键定心性较好,装拆方便。但这种键不能实现轴上零件 的轴向固定。

普通 平键 结构

圆头(A型) 用指状铣刀加工,固定良好,轴槽应力集中大。 平头(B型) 用盘铣刀加工,轴的应力集中小。 单圆头(C型) 用于轴端 盘铣刀 B型 C型

A型

普通平键应用最广。

导向平键连接用于动连接。传动零件可在轴上作轴向移动(如变速箱中的滑移 齿轮)。导向键用螺钉固定在轴上,而轮毂可沿导向键移动,常用于轮毂移动 §6-1键连接 距离不大的场合。

导向平键

结构特点:长度较长,需用螺钉固定。为便于装 拆,制有起键螺孔。零件可以在轴上移动,构成 动连接。 滑移距离较大时,平键过长,制造困难,故可采用滑键。 固定螺钉 潘存云教授研制

起键螺孔

双勾头滑键也连接用于动连接。滑键利用两端钩头固定在轮毂上,并与轮毂一同沿轴上的键槽移 动,这样,当轮毂移动距离较大时,就可避免使用很长的导向键。

§6-1键连接

双勾头滑键

结构特点:两端有勾头,键固定在轮毂上, 键短,槽长。

潘存云教授研制

§6-1键连接

单圆勾头滑键

结构特点:单圆勾头,嵌入轮毂中。

潘存云教授研制

半圆键与普通平键相同,靠两侧面工作,用于静连接。轴上键槽用尺寸与半圆键相同的盘形铣刀铣出, 因而半圆键能在槽中绕其几何中心摆动以适应轮毂键槽底面的斜度。半圆键连接的优点是工艺性好,

§6-1键连接

装配方便,缺点是键槽较深,对轴削弱较大,一般只用于轻载场合。

半圆键连接 优点:定心好,装配方便。 缺点:对轴的削弱较大,只适用于轻 载连接。 特别适用于锥形轴端的连接。

工作面

§6-1键连接

楔键连接 结构特点:键的上表面有1:100的斜度,轮毂 槽的底面也有1:100的斜度。 缺点:定心精度不高。 应用:只能应用于定心精度不高,载荷 平稳和低速的连接。 安装时用 力打入 工作面

楔键连接的上下两面为工作面,分别与轮毂和轴上的键槽的底面贴合。 键的上表面和轮毂的键槽底面各有1:100的斜度。装配打紧后,键楔紧 在轴毂之间,工作时主要靠键上下表面与轴毂间的摩擦力来传递转矩。 这种键连接还能实现轴上零件的轴向固定并承受单向的轴向力。由于楔 键连接装配后容易产生轴上零件的偏心或倾斜,因此多用于对中要求不 严、不受冲击或变载的低速轴的轴毂连接。

普 通 楔 键 勾 头 楔 键

§6-1键连接

切向键连接

切向键由两个具有1:100斜度的楔键组成,装配时,一对楔键分别从毂的两端打入,使其两斜 面相互贴合,上下相互平行的两面构成切向键的工作面;装配后,其中工作面通过轴心线所在 的平面,这样,工作时,工作面上的挤压力将沿轴的切线方向作用,从而能最大限度地传递转 矩。

在重型机械中常采用切向键----一对楔键组成。
窄面 工作面 d 斜度1:100

装配时将两楔键楔紧,键的窄面是工作面,所产生的压力沿切向方向 分布,当双向传递扭矩时,需要两对切向键分布成120~130° 。
单个切向键只能传递一个方向的扭矩,若要传递双向扭矩,则须用两个切向键,相隔90~135°布置。由于切向键的键 槽对轴的强度削弱较大,常用于轴径大于100mm、对中性要求不高而载荷较大的重型机械中。

§6

?

键的选择及强度计算
? 选择 键的类型选择:考虑键连接的结构特点、使用要求、工作

条件

键的尺寸选择:1)标准规格:由轴的直径确定键的截面尺 寸,键长应等于或略短于轮毂长度L=1.5~2d,且应符合标准系 列值。导向平键考虑轮毂长度及滑动距离。2)强度要求 ? 键连接的强度计算 平键:工作面压溃 按工作面的挤压应力校核 导向平键(滑键):工作面的过渡磨损,按工作面 的压强 进行条件性校核计算 半圆键:工作面压溃,挤压应力计算
若强度不时,可采用双键连接。考虑到载荷分布的不均匀性,校核强度 时按1.5个键计算。 双键布置规则:平键: 按180°布置; 半圆键:同一条母线上; 楔键: 夹角成120 ° ~130 °

如所示,当平键连接用于传 递扭矩时,键的侧面受挤压,截 面a-a受剪切,可能的失效形式是 较弱零件(通常为轮毂)工作面的压 溃(对于静连接)或磨损(对于动连 接)和键的剪断。对于实际采用的 材料和按标准选用的键连接尺寸 来说,工作表面的压溃或磨损是 主要的失效形式。 因此,对于平键连接的强度计算,通常可只进行挤压应力(对于静连接) 或压强(对于动连接)的校核计算。 假设工作面上的作用力沿键的长度和高度均匀分布,则平键连接的 强度条件为: 静连接: 动连接:

l为平键的接触长度(mm);对A型平键,l=L-b;B型平键,l=L;C型平 键,l=L-b/2;b为键的宽度; k为键与轮毂的接触高度,一般k 0.5h ,h为平键的高度;
如果计算结果为强度不足,则可采用双键按180°布置。考虑载荷 分布的不均匀性,双键连接的强度按1.5个键计算。 147

表6-1 普通平键和键槽尺寸(GB1095-79、GB1096-79) b b b t

A型
h

C× 45?或r1

d-t

B型

C型

R=b/2

b L
L L 标记实例: 圆头普通平键(A型): 键16×100 GB1096-79 方头普通平键(B型): 键B16×100 GB1096-79 单圆头普通平键(C型) : 键C16×100 GB1096-79

d+t1

d
h

t1

轴的直径 d b h

键的尺寸 C或r 0.16~0.25 L t t1

续表6-1 键 槽
半径r 0.08~0.16

自 6~8 〉8~10 〉10~12 〉12~17 〉17~22 〉22~30 〉30~38 〉38~44 〉44~50 〉50~58 〉58~65

2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 8 7 10 8 12 8 14 9 16 10 18 11

0.25~0.4

0.4~0.6

6~20 6~36 8~45 10~56 14~70 18~90 22~110 28~140 36~160 45~180 50~200

1.2 1.8 2.5 3.0 3.5 4.0 5.0 5.0 5.5 6.5 7.0

1 1.4 1.8 2.3 2.8 3.3 3.3 3.3 3.8 4.3 4.4
4.9 5.4

0.16~0.25

0.25~0.4

〉65~75 20 12 〉75~85 22 14

0.6~0.8

56~220 7.5 63~250 9.0

0.4~0.6

§6

? 花键连接
? 类型、特点及应用
? 与平键相比特点:①轴上零件与轴的对中性好,定心

精度高;②均匀受力;③承载能力大;④导向性好; ⑤对轴与轮毂的削弱小;⑥可用磨削方法提高加工精 度及连接质量。⑦可用于动连接或静连接 ? 缺点:齿根仍有应力集中、需专用设备制造,成本高。

§6

? 类型及应用

花键连接由带有多个键齿的轴和毂孔组成,齿侧面为工作面,可用于静连 接或动连接。它比键连接有更高的承载能力,较好的定心性和导向性;对 轴的削弱也较小,适用于载荷较大或变载及定心要求较高的静连接、动连 接。花键为标准件,根据齿形不同花键可分为矩形花键、渐开线花键,如 所示

矩形花键:以小径定心,定心精度高, 定心稳定性好,轻系列用于静连接或轻载情况,中系列 用于中等载荷情况。制造容易,应用最广。 渐开线花键:齿形定心,有自动定心作用,有利于均载。 用于高强度连接。 三角形花键:用于薄壁零件连接。

矩形花键按其齿的尺寸和数目不同,分为轻、中、重三种系列,分别适用于轻载、中载、重载的连接。根据连接的定心方式不 同,可分为外径定心、内径定心和侧面定心三种。前两种定心精度高,适于对中要求高的连接;后者定心精度不高,但有利于 压力在各齿侧接触面上均匀分布,适于传递较大的转矩。 渐开线花键的齿廓为渐开线。其定心方式可分为外径定心和齿廓定心两种。与矩形花键相比,渐开线花键的齿根较厚,应力集 中较小,连接强度高。齿廓定心时,因齿面受载后齿面上有径向分力,故它有一定的自动定心能力,一般优先选用齿廓定心方 式。必须注意,加工花键孔的拉刀制造成本较高,故渐开线花键常用于载荷较大,定心精度要求高以及尺寸较大的连接。

§6

? 花键连接强度计算

失效形式:工作面被压溃(静连接); 工作面过渡磨损(动连接)

计算准则:一般只验算挤压强度和耐磨性。
计算步骤:①首先有连接的结构特点、使用要求、工作要求 确定花键的类型和尺寸。 ②再按工作面压溃(静连接),工作面过度磨损 (动连接)进行强度校核

§6

? 无键连接
? 型面连接

轴与轮毂为一对表面光滑的非圆截面 锥或柱体的外表面与内表面的配合。

型面连接的特点: 1)装拆方便,对中性好; 2)连接面上没有应力键槽和尖角,减少了应力集中; 3)可传递较大的扭矩; 4)切削加工有难度,不易保证配合精度。 但随着成型工艺的发展,促进了型面连接的应用。

§6

? 无键连接
? 胀紧连接

指轴与轮毂间安装胀紧连接套(内外 锥面套筒),在轴向力的作用下胀紧轴与轮毂的静 连接

胀套连接的优点:
定心好、装拆方便,引起的应力集中 较小,承载能力较高,并且有安全保 护作用。

缺点: 由于轴与毂孔之间要安装胀套,有 时应用受结构尺寸的限制。

§6

1) Z1型胀套

一个胀紧套

两个胀紧套

2) Z2型胀套

§6

? 销连接
? 按作用分类

定位销 连接销 安全销 ? 按形状分类 圆柱销 圆锥销 槽销 ? 强度计算 定位销 一般不做强度计算,其直径由结构 定,保证销在每一被连接件中长度为销直径的1~ 2倍。 连接销 其类型游工作要求定,尺寸游结构 特点按经验或规范确定,校核剪切、挤压强度。 安全销 其直径应按过载剪断条件确定

§6

? 销连接
作用:固定零件之间的相对位置,并可传递不大的载荷。 定位销 按用途分 类 型 按形状分

定位销:用来固定零件之间的相对位置, 它是组合加工和装配时的重要辅助零件。 通常不受载荷或只受很小的载荷,故不 作强度校核计算,其直径按结构确定, 数目一般不少于2个。

§6

? 销连接
按用途分
类 型 按形状分

定位销
连接销

连接销:用来实现两零件之间的连接, 可用来传递不大的载荷。其类型可根据 工作要求选定,其尺寸可根据连接的结 构特点按经验或规范确定。必要时再按 剪切和挤压强度条件进行校核计算。

§6

? 销连接
按用途分
类 型 按形状分

定位销
连接销

安全销

安全销:作为安全装置中的过载剪切元 件。安全销在过载时被剪断,因此,销 的直径应按剪切条件确定。为了确保安 全销被剪断而不提前发生挤压破坏,通 常可在安全销上加一个销套。

§6

? 销连接
按用途分
类 型 按形状分

定位销
连接销

安全销
圆柱销

特点:为过盈配合,经多次拆装后, 定位精度会降低;有u8、m6、h8、 h11四种直径偏差可供选择,以满足 不同要求。

§6

? 销连接
按用途分
类 型 按形状分 特点: 有1:50的锥度, 可反复多次拆 装。

定位销
连接销

安全销
圆柱销 圆锥销

拆装 方便 用于 盲孔

螺母锁紧 抗冲击

§6

? 销连接
按用途分
类 型 按形状分

定位销
连接销

安全销
圆柱销 圆锥销 槽销

不易松动, 能承受振动 和变载荷,不 铰孔,可多 次装拆。

§6

? 销连接
按用途分
类 型 按形状分

定位销
连接销

安全销
圆柱销 圆锥销 槽销 开口销

销轴用于两零件 铰接处,构成铰链 连接。 销的材料:35、45号钢。

销轴

§6

? 销连接
? 强度计算

定位销 一般不做强度计算,其直径由结构 定,保证销在每一被连接件中长度为销直径的1~ 2倍。 连接销 其类型由工作要求定,尺寸由结构 特点按经验或规范确定,校核剪切、挤压强度。 安全销 其直径应按过载剪断条件确定

第七章 铆接、焊接、胶接和过盈连接

? 铆接
铆接基本元件:铆钉、被连接板件(2或3件)、辅助盖 板,连接部分称铆接缝。 ? 铆缝种类、特性、应用 结构形式:搭接缝、单盖板对接缝、双盖板对接缝 铆钉排数:单排、双排、多排 性能:强固铆缝(强度要求)、强密铆缝(强度及紧密性 要求)、紧密铆缝(紧密性要求) ? 铆钉类型 GB863.1-86~GB876-86
?

? 受力、破坏形式、设计计算

设计:铆缝类型、铆钉规格、结构设计,受力分 析略,注意“等强度设计”概念

搭接缝
单盖板对接缝

双盖板对接缝

第七章

? 焊接
焊接是利用局部加热(或加压)的 方法使被连接件接头处的材料熔 融连接成一体。
? 焊接方法分类:

焊枪、焊条 工件1 工件2

搭铁

接焊接 发电机

分类:

熔化焊 压力焊

--电弧焊、气焊、电渣焊。 --电阻焊、摩擦焊、爆炸焊。 --锡焊、铜焊。





第七章

? 焊接
?

电弧焊常用焊缝形式:对接焊缝、角焊缝

正接角焊缝
双面式 封 底 焊 缝 单面式

搭接角焊缝
榫头式

对接角焊缝

V型焊缝 卷边焊缝 塞焊缝

第七章

? 焊接
受力及强度计算说明 通过对被焊接件的工作情况分析,找出焊接缝部位的 受力情况及主要破坏形式,然后对焊缝进行强度计 算、校核或设计焊缝的尺寸及焊接部位的结构形式。
?

第七章

? 焊接
? 焊接件的工艺及设计注意要点
? 1.焊缝应按被焊件厚度制成相应坡口,或进行

70? 5~40 20~50

20~50

≤5

坡口型式及适 用的焊件厚度:

一般的侧棱、修边工艺。在焊接前,应对坡口进 行清洗整理; 0~15

35~45?

2~3

2~4 12~40

70? ≥50

2~4

2~3

第七章

? 焊接
? 焊接件的工艺及设计注意要点

2.在足够强度条件下,焊缝的长度应按实际结构的 情况尽可能地取得短些或分段进行焊接,并应避 免焊缝交叉; 3.在焊接工艺上采取措施,使构件在冷却时能有微 小自由移动的可能; 4.焊缝在焊后应经热处理(如退火),消除残余应 力; 5.在焊接厚度不同的对接板件时,应使对接部位厚 度一致,以利于焊缝金属均匀熔化; 6.设计焊接件时,注意恰当选择母体材料和焊条;

第七章

? 焊接
? 焊接件的工艺及设计注意要点

7.合理布置焊缝及长度; 8.对于那些有强度要求的重要焊缝,必须按照有关 行业的强度规范进行焊缝尺寸校核,明确工艺要求 和技术条件,并在焊后仔细进行质量检验。

第七章

? 焊接
? 焊接在机器零件中的应用

由于焊接具有强度高、工艺简单、因连接而增加的 质量小等特点,焊接技术的应用日益广泛。 在技术革新、单件生产、新产品试制等情况下,采 用焊接制造箱体、机架等,一般比较经济。 随着焊接技术的发展,许多零件已改变了它们的传 统制造方法。一向是铸造出的机座、机壳、大齿轮 等零件,已有很大一部分改用了焊接。

第七章

? 过盈连接
即两被连接件之间用过盈连接 ? 承载原理:配合面上的径向压力产生摩擦力或摩擦力矩 抵抗和传递外载(承受轴向力或传递转矩) ? 装配方法:压入法、胀缩法(温差法、热装法) ? 设计和强度计算: 一. 已知载荷,求最小过盈量 二. 已知选定的过盈配合量,求最大承载量 另外,采用热装时,应计算加热和冷却的温度;冷 装或拆卸时计算所需 的压入、压出力大小;精密零件 要估算装配后的零件尺寸的变化量

讨论 ?试找出下列螺纹连接结构设计中的错误 之处:

?找出下列螺纹连接结构设计中的错误:

?查手册确定下列螺栓连接的主要尺寸
? 已知d1=19.328,采用六角头螺栓(GB5782-

86)连接两块厚各为30mm的钢板,弹簧垫 圈(GB93-87)防松 ? M24双头螺柱(GB898-88)连接厚40mm的 钢板和非常厚的铸铁件 ? M8沉头螺钉(GB68-85)连接厚15mm的钢 板和非常厚的钢制零件

?设每个螺栓直径为d,
长度为l,预紧力为F0, 试问:1)螺栓组中每个 螺栓所受的载荷;2)在 强度足够以及d, F0 , Cm一定时,为提高螺栓 组连接的工作可靠性, 螺栓用细长些好,还是 粗短些好?3)若外力F 水平向右,情况如何?

D

L

F

?如图所示高压容器螺纹连接的三种方案,
已知容器中压力为16MPa,螺纹直径为 d=10mm,螺栓中心圆直径为 D=155mm,比较那种方案更合理。

?已知一减速箱中齿轮传动轴的直径为
45mm,试选择轴与轴上齿轮连接用键的 尺寸,齿轮轮毂长度为70mm.

?结构改错

?如图,两种凸轮上加工的键槽的位置中
哪一个较好:

?如图所示两个键槽,一个切到了轴肩,
另一个没有,哪个好:


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