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機械設計 西北工業大學教學教案 CH05.ppt

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第五章 螺紋連接與螺旋傳動§5-1 螺紋§5-2 螺紋連接的基本類型和螺紋緊固件§5-4 螺紋連接的預緊和防松§5-5 螺拴連接的強度計算§5-7 提高螺紋連接強度的措施螺紋的類型與特點2一、普通螺紋的主要參數大徑d-即螺紋的公稱直徑。小徑d1-常用于連接的強度計算。中徑d2-常用于連接的幾何計算。螺距P-螺紋相鄰兩個牙型上對應點間的  軸向距離。牙型角a-螺紋軸向截面內,螺紋牙型兩 側邊的夾角。升角y-螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線 的平面間的夾角。線數n-螺紋的螺旋線數目。導程S-螺紋上任一點沿同一條螺旋線轉 一周所移動的軸向距離,S=nP。升角y的計算式為: 螺 紋螺紋有外螺紋與內螺紋之分,它們共同組成螺旋副。連接用螺紋的當量摩擦角較大,有利于實現可靠連接;傳動用螺紋的當量摩擦角較小,有利于提高傳動的效率。螺紋按工作性質分為連接用螺紋和傳動用螺紋。二、螺紋的分類 螺 紋螺紋的類型與特點1連接類型與標準件1螺紋連接的類型與標準連接件一、螺紋連接的基本類型 除上述連接的基本類型外,在機器中,還有一些特殊結構的螺紋連接。如:T型槽螺栓連接、吊環螺釘連接和地腳螺栓連接等。說明 連接類型與標準件2螺紋連接的類型與標準連接件二、標準螺紋連接件 螺紋連接的類型很多,在機械制造中常見的螺紋連接件的結構型式和尺寸都已經標準化,設計時可以根據有關標準選用。 虛擬現實中的螺紋連接件   利用控制擰緊力矩的方法來控制預緊力的大小。通??刹捎脺y力矩扳手或定力矩扳手,對于重要的螺栓連接,也可以采用測定螺栓伸長的方法來控制預緊力。紋連接的預緊螺紋連接的預緊 大多數螺紋連接在裝配時都需要擰緊,使之在承受工作載荷之前,預先受到力的作用,這個預加作用力稱為預緊力。 增強連接的可靠性和緊密性,以防止受載后被連接件間出現縫隙或發生相對移動。 注意:對于重要的連接,應盡可能不采用直徑過小(<M12)的螺栓。預緊力限制 擰緊后螺紋連接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限ss的80%。 預緊力: 預緊的目的: 預緊力的確定原則: 預緊力的控制: 預緊力和預緊力矩之間的關系:詳細推導 螺紋連接的防松螺紋連接的防松 螺紋連接一般都能滿足自鎖條件不會自動松脫。但在沖擊、振動或變載荷作用下,或在高溫或溫度變化較大的情況下,螺紋連接中的預緊力和摩擦力會逐漸減小或可能瞬時消失,導致連接失效?! 》浪傻母締栴}在于防止螺旋副相對轉動。按工作原理的不同,防松方法分為摩擦防松、機械防松等。此外還有一些特殊的防松方法,例如鉚沖防松、在旋合螺紋間涂膠防松等。 螺紋連接的強度計算1螺紋連接的強度計算 螺栓連接的強度計算主要與連接的裝配情況(預緊或不預緊)、外載荷的性質和材料性能等有關。 螺栓連接強度計算的目的是根據強度條件確定螺栓直徑,而螺栓和螺母的螺紋牙及其他各部分尺寸均按標準選定。一、松螺栓連接強度計算二、緊螺栓連接強度計算1.受橫向載荷的緊螺栓連接 2.受軸向載荷的緊螺栓連接3.承受工作剪力的緊螺栓連接(鉸制孔用螺栓) 連接的失效形式:主要是指螺紋連接件的失效。對于受拉螺栓,其失效形式主要是螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂。對于受剪螺栓,其失效形式可能是螺栓桿被剪斷或螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰。詳細推導 螺紋連接的強度計算2 螺紋連接的強度計算1.僅受預緊力的緊螺栓連接預緊力引起的拉應力:螺牙間的摩擦力矩引起的扭轉剪應力:強度條件:  當連接承受較大的橫向載荷F時,由于要求F0≥F/f(f=0.2),即F0≥5F ,因而需要大幅度地增加螺栓直徑。為減小螺栓直徑的增加,可采用減載措施。說明根據第四強度理論,螺栓在預緊狀態下的計算應力: 受橫向載荷螺栓連接螺紋連接的強度計算3螺紋連接的強度計算2.受軸向載荷的緊螺栓連接 螺栓預緊力F0后,在工作拉力F 的作用下,螺栓的總拉力F2 = ?這時螺栓的總拉力為: 為使工作載荷作用后,連接結合面間有殘余預緊力F1存在,要求螺栓連接的預緊力F0為:靜強度條件:式中F1為殘余預緊力,為保證連接的緊密性,應使 F1 >0,一般根據連接的性質確定F1的大小。式中:為螺栓的相對剛度,其取值范圍為 0~1。詳細分析疲勞強度校核 螺紋連接的強度計算4螺紋連接的強度計算3.承受工作剪力的緊螺栓連接 這種連接是利用鉸制孔用螺栓抗剪切來承受載荷的。螺栓桿與孔壁之間無間隙,接觸表面受擠壓。在連接結合面處,螺栓桿則受剪切。螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為:螺栓桿的剪切強度條件為:式中:F-螺栓所受的工作剪力,單位為N;    d0-螺栓剪切面的直徑(可取螺栓孔直徑),單位為mm;    Lmin-螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度,單位為mm;設計時       應使Lmin≥1.25d0 螺紋連接組的設計1螺栓組連接的設計 在設計螺栓組連接時,關鍵是連接的結構設計。它是根據被連接件的結構和連接的用途,確定螺栓數目和分布形式。為了便于加工制造和對稱布置螺栓,保證連接結合面受力均勻,通常連 接結合面的幾何形狀都設計成軸對稱的簡單幾何形狀。螺栓布置應使各螺栓的受力合理。螺栓的排列應有合理的間距、邊距。 為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線,通常分布在同一圓周上的螺栓 數目取成4、6、8等偶數。避免螺栓承受附加的彎曲載荷。說明說明說明一、螺栓組連接的結構設計 各螺栓之間的距離大小既要保證連接的可靠性又要考慮裝拆方便,還應留有足夠的扳手空間。大多數機械中螺栓都是成組使用的。 螺紋連接組的設計2螺栓組連接的設計1.受橫向載荷2.受轉矩3.受軸向載荷4.受傾覆力矩 受力分析的目的:根據連接的結構和受載情況,求出受力最大的螺栓 及其所受的力,以便進行螺栓連接的強度計算。 受力分析時所作假設:所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力均相同; 受載后連接接合面仍保持為平面。 受力分析的類型:二、螺栓組連接的受力分析螺栓組的對稱中心與連接接合面的形心重合; 螺紋連接組的設計3 (2)對于鉸制孔用螺栓連接(圖b),每個螺栓所受工作剪力為: (1)對于普通螺栓連接(圖a) ,按預緊后接合面間所產生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷的要求,有: 式中:z為螺栓數目。 圖示為由四個螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組連接。受橫向載荷的螺栓連接或螺栓組連接的設計 Ks為防滑系數,設計中可取Ks =1.1~1.3。返回上一頁螺紋連接組的設計4 采用普通螺栓和鉸制孔用螺栓組成的螺栓組受轉矩時的受力情況是不同的。2.受轉矩的螺栓組連接 采用普通螺栓,是靠連接預緊后在接合面間產生的摩擦力矩來抵抗轉矩T。 采用鉸制孔用螺栓,是靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用來抵抗轉矩T。螺栓組連接的設計 螺紋連接組的設計5螺栓組連接的設計3.受軸向載荷的螺栓組連接 若作用在螺栓組上軸向總載荷FΣ作用線與螺栓軸線平行,并通過螺栓組的對稱中心,則各個螺栓受載相同,每個螺栓所受軸向工作載荷為: 通常,各個螺栓還承受預緊力F0的作用,當連接要有保證的殘余預緊力為F1時,每個螺栓所承受的總載荷F2為。F2 = F1 + F 螺紋連接組的設計6螺栓組連接的設計4.受傾覆力矩的螺栓組連接 傾覆力矩 M 作用在連接接合面的一個對稱面內,底板在承受傾覆力矩之前,螺栓已擰緊并承受預緊力F0。 作用在底板兩側的合力矩與傾覆力矩M平衡,即: 由此可以求出最大工作載荷: 螺紋連接組的設計7螺栓組連接的設計螺栓的總拉力: 為防止結合面受壓最大處被壓碎或受壓最小處出現間隙,要求: 底板受傾覆力矩后,在軸線 O-O 左側,螺栓與地基的工作點分別移至B1 和C1 ,兩者作用在底板上的合力為F。 受傾覆力矩的底板螺栓組連接的受力過程可用右圖表示。 在軸線O-O 右側,螺栓與地基的工作點分別移至B2 和C2 ,兩者作用在底板上的合力為 Fm 。在傾覆力矩作用前,螺栓和地基的工作點都處于A點。 提高螺紋連接強度的措施提高螺紋連接強度的措施  以螺栓連接為例,螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度,因此,提高螺栓的強度,將大大提高連接系統的可靠性?! ∮绊懧菟◤姸鹊囊蛩刂饕幸韵聨讉€方面,或從以下幾個方面提高螺栓強度。改善螺紋牙上載荷分布不均的現象降低影響螺栓疲勞強度的應力幅減小應力集中的影響采用合理的制造工藝 分析分析分析  國家標準規定了螺紋連接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘的性能等級分為10級,螺母的性能等級分為 7級。在一般用途的設計中,通常選用4.8級左右的螺栓,在重要的或有特殊要求設計中的螺紋連接件,要選用高的性能等級,如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。螺紋連接件的材料與許用應力螺紋連接件的材料與許用應力一、螺紋連接件材料  常用的螺紋連接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當強度要求高時,還可采用合金鋼,如15Cr、40Cr等。性能等級二、螺紋連接件的許用應力1.螺紋連接件的許用拉應力2.螺紋連接件的許用剪應力和許用擠壓應力3.螺紋連接件的安全系數說明(被連接件為鋼)(被連接件為鑄鐵) 螺旋傳動1螺旋傳動一、螺旋傳動的類型和應用傳力螺旋 傳導螺旋 調整螺旋螺旋傳動按其螺旋副摩擦性質的不同,又可分為:說明滑動螺旋 滾動螺旋 靜壓螺旋說明 螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現傳動的。它主要用于將回轉運動轉變為直線運動,同時傳遞動力。螺旋傳動按其用途不同,可分為以下三種類型: 螺旋機構在機床的進給機構、起重設備、鍛壓機械、測量儀器、工具、夾具、玩具及其他工業裝備中有著廣泛的應用。 螺旋傳動常見的運動形式有:螺桿轉動,螺母移動或螺母固定,螺桿轉動并移動。 螺旋傳動2螺旋傳動二、滑動螺旋的結構和材料1.滑動螺旋的結構整體螺母組合螺母剖分螺母螺母結構: 滑動螺旋的結構主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結構形式。螺旋傳動的工作剛度與精度等和支承結構有直接關系。 螺桿的材料要有足夠的強度和耐磨性。螺母的材料除了要有足夠的強度外,還要求在與螺桿材料相配合時摩擦系數小和耐磨。2.滑動螺旋的材料說明 螺旋傳動3螺旋傳動三、滑動螺旋傳動的設計計算主要失效形式: 螺牙的磨損 設計準則:按抗磨損確定直徑,選擇螺距;        校核螺桿、螺母強度等。設計方法和步驟:1.耐磨性計算 滑動螺旋的耐磨性計算,主要是限制螺紋工作面上的壓力,其強度條件:設計公式:令則得:一般值越大,螺母越厚,螺紋工作圈數越多。。式中:30o鋸齒形螺紋矩形和梯形螺紋螺紋工作高度 螺旋傳動4螺旋傳動 依據計算出的螺紋中徑,按螺紋標準選擇合適的直徑和螺距。驗算:若不滿足要求,則增大螺距。對有自鎖性要求的螺旋傳動,應校核自鎖條件:2.螺桿的強度計算 對于受力比較大的螺桿,需根據第四強度理論求出危險截面的計算應力:螺桿的強度條件:式中,F為螺桿所受的軸向壓力(或拉力),T為螺桿所受的扭矩, 螺旋傳動5螺旋傳動3.螺母螺牙的強度計算螺牙上的平均壓力為:F/u4.螺母外徑與凸緣的強度計算5.螺桿的穩定性計算詳細說明詳細說明 對于支撐螺母,需要校核螺母本體的強度。 對于長徑比較大的受壓螺桿,需要校核壓桿的穩定性,要求螺桿的工作壓力F要小于臨界載荷Fcr傳力螺旋傳導螺旋精密螺桿或水平安裝其危險截面 a – a 的剪切強度條件和彎曲強度條件分別為:
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