机械设计基础第7章螺纹连接与螺旋传动891011教案综述Word下载.docx
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首先讨论单个螺栓连接的设计计算,然后分析螺栓组连接的设计计算,即求出螺栓组中受力最大的螺栓及结构设计。
第7章第1讲
知识点
教学手段
1.1)螺纹的类型
2)主要参数
3)应用
4)螺纹连接的基本类型
2.1)螺纹连接的预紧
2)螺纹连接的防松
模型
课件(螺纹的牙型、旋向、主要参数、线数、螺栓连接、扳手力矩、防松装置)
一、讲授时注意几点
1.7.1螺纹连接的基本知识
这节内容要注意三点:
(1)右、左旋螺纹判别必须绝对正确。
(2)螺距P和导程Ph的概念一定要搞清,Ph=n·
P
(3)螺栓连接可分为普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接两种,需了解这两种连接的特点与应用。
2.7.2螺纹连接的预紧与防松
了解防松装置的防松原理及常用类型,重点了解利用摩擦防松的方法和特点。
二、讲授程序设计
首先提出连接的分类,然后以雷锋同志的名言:
“起到一个小小的螺丝钉作用”为引导,说明螺栓的作用,引起学生的重视,增强求知欲望。
然后提出螺纹类型、主要参数、螺纹连接的基本类型、连接的预紧,防松,这些内容是螺栓连接设计的基础。
讲授教案编写如下所述。
第1讲教案
什么叫连接,就是将被连接件通过连接件将它们连接起来,再以日常生活中所遇到例子,说明什么叫连接,连接可分为可拆连接与不可拆连接两种,螺纹连接是利用螺纹零件构成的可拆连接。
雷锋同志有句名言“起到一个小小螺钉作用”,有着深奥的科学依据,充分说明了螺钉在人类社会中作用与地位。
7.1螺纹连接的基本知识
7.1.1螺纹的类型
放课件,对着课件(牙型)说明如下几点:
根据母体形状可分为……。
根据牙型可分为……。
根据螺旋线的旋向可分为左、右旋,一般为右旋,这时可以在黑板上徒手作图(图7—1),说明左右旋判定方法如何测定。
取一螺杆,轴线与人们平行,看到圆柱面上
螺纹,如螺纹上升方向为由左到右,则为右旋,
反之为左旋,也可用左右手定则来决定之。
根据螺线的数目,可分为……。
根据用途可分为……。
螺纹、螺栓均已标准化,标准代号为图
普通螺纹——Md×
P—精度等级。
梯形螺纹——Trd×
螺栓——Md×
L—GB×
×
—×
。
7.1.2螺纹的主要参数图7—1螺纹旋向的判定
放课件(主要参数),说明几个主要参数,重点讨论大径d,为标准值、螺距与导程关系,升角λ(在不同圆柱上展开,得出λ值也不同)。
7.1.3常用螺纹的特点及应用
可作一般介绍,但要突出一点:
连接用螺纹要求为普通螺纹,单线,λ角小,有自锁性。
传动用螺纹要求为梯形螺纹,多线,传动效率高,不自锁。
7.1.4螺纹连接的基本类型
有四种基本类型:
螺栓连接、双头螺栓连接、螺钉连接、紧定螺钉连接。
螺栓连接又可分为普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接,在讲授时最好能在黑板上徒手作出螺栓螺接图,说明其特点。
7.2螺纹连接的预紧与防松
7.2.1螺纹连接的预紧
螺纹连接一般说来必须要拧紧,其目的为增强连接的刚性、紧密性及提高防松能力,拧紧后被连接件受到压缩,螺栓受到拉伸,这拉力是在螺栓尚未受到工作载荷以前就有这拉力的作用,此力称为预紧力F0,课件(扳手力矩)演示一下,F0大小就决定了螺母的拧紧程度。
放课件(图7.10所示),预紧时,扳手力矩T必须克服螺纹付中的摩擦力T1和螺母与被连接件支承面间的摩擦力矩T2。
T=T1+T2(7.2)
作为连接用的螺纹,满足自锁条件,从理论上说,连接好后,是不会自行松脱的,实际上会松脱,其原因有二个,必须采用防松装置。
7.2.2螺纹连接的防松
解决防松问题的方法为防止螺纹副的相对转动的发生,防松方法按其工作原理可有四大类。
放课件(防松装置),表7.3所列,最后将现场所产生情况加以说明。
1)一般连接中,对F0大小无多大要求,只要按经验、以标准规格选用连接件,采用相应扳手大小,拧紧就行,决不能私自加长扳手长度来拧紧螺母。
2)对重要的连接、预紧力需控制的场合时,必须标注出预紧力F0值,用图7.11所示的测力矩扳手拧紧之。
第7章第2讲
1)受拉螺栓连接
2)受剪切螺栓连接
课件(轴向静载荷的紧螺栓连接)
一、讲课时注意几点
机器中主要是应用成组螺栓连接,但要讨论成组的问题,那么一定要先掌握单个螺栓连接的设计计算问题。
因此单个螺栓的直径计算是整个螺栓设计的基础。
连接承受载荷一般有两种形式:
轴向力或横向力,则其螺栓设计时计算准则也就不同。
经强度计算可确定出螺纹小径d1,然后按照标准选定螺纹的公称直径(大径)d等。
在讲课时有几个问题需加以深入理解。
1)深入理解强度计算公式中1.3倍的物理意义。
2)承受轴向静载荷的紧螺栓连接的载荷一变形关系要能看懂、掌握。
根据式(7.8)、式(7.11)能分析得出如何来正确地选用垫片。
3)剪切和挤压强度公式中各量如何来正确取值。
根据螺栓连接的工作情况、螺栓的受力可有两种情况:
1)受拉螺栓,组成普通螺栓连接。
2)受剪螺栓,组成铰制孔用螺栓连接
故本讲应分为这两部分内容来讲解,讲授教案编写如下所述。
第2讲教案
单个螺栓连接计算什么?
被连接件:
它由零件设计决定,不是本课所能解决的。
连接件计算:
对于螺栓,要计算出d,长度由结构来决定,螺栓结构型式由工作条件确定,其强度是没有问题的。
因此本讲是根据螺栓不同的工作情况,得出不同的失效形式与计算标准则,得到各种不同强度计算公式。
7.3单个螺栓连接的强度计算
7.3.1受拉螺栓连接
强度计算的对象为螺栓,从工程力学可知,只要找出螺栓上的危险截面就可进行强度计算,这种连接、螺栓上承受拉力,在静载荷下,主要失效形式为塑性变形与断裂。
为计算简化,危险截面取螺纹内径截面。
1.松螺栓连接
在装配时,不必拧紧,在承受工作载荷前,连接不受到力的作用,这种连接称为松螺栓连接,图7.12所示为起重吊钩,最好能在黑板上徒手作图,然后再加上工件载荷F,列出强度公式(7.3),得出设计公式为
≥
(7.4)
2.紧螺栓连接
它在工作前已预先拧紧,因此,这种连接能承受静载荷,又能承受变载荷。
(1)只受预紧力的紧螺栓连接
受载前,需预紧,预紧时螺栓危险截面上受到预紧力F0及螺纹副间摩擦力矩T1的联合作用,处于拉伸与扭转复合应力状态。
由于F0存在,产生拉伸变形和相应的拉应力σ;
由此T1存在,产生扭转变形和相应的剪应力τ,根据第四强度理论可求出当量应力σe值为
σe=1.3σ
因此,螺栓螺纹部分的设计公式为
(7.6)
比较式(7.4)与式(7.6)可见出,F、F0为外载荷,[σ]为许用应力,对于不同工作情况下[σ]值是不同的。
二式中相差一个1.3倍。
也就是紧连接中计算应力比松连接中应力σ大1.3倍,所以我们可不必考虑应力合成问题,当作松连接来考虑,只要把计算中纯拉伸应力值加大1.3倍就可以了。
(2)受横向外载荷的紧螺栓连接
作徒手图7.13,说明一下工作情况,什么叫横向载荷,这种连接所受的外载荷FR的方向与螺栓的轴线相垂直的,称为横向载荷。
这种连接为普通螺栓连接,拧紧后,螺栓上受到预紧力F0为拉力。
被连接件就压紧。
现承受FR后,在接合面间会产生一种滑移趋势,那么在接合面间就产生一个摩擦力f·
F0,因此,要保持的连接的可靠、紧密性,则连接就不能产生滑移。
连接不滑移的条件为F0·
f≥FR
当f=0.15,Kf=1.1,可得出F0≥7FR。
这样螺栓和强度条件为
由此式可求出d1,查标准得出d,标注标准代号。
讨论:
1)从F0≥7FR式中,可看出一个问题,当承受一个FR横向载荷时,为保持连接不发生滑移,这时螺栓上所要承受的预紧力F0必须要大于≥7FR,这样使设计出螺栓尺寸很大,笨重,不经济。
因此,在现场,当承受横向载荷时,尽量不用普通螺栓连接,而采用图7.19结构型式。
2)如有几个接合面,则f·
F0·
m≥Kf·
FR
(3)承受轴向静载荷的紧螺栓连接
图7.14所示为气缸端盖螺栓组,缸内气压为p,每一螺栓上就承受了轴向工作载荷,那么端盖能密封住气压,而不漏气,这螺栓d1=?
播放课件(轴向静载荷的紧螺栓连接),观察图7.15a),b),c),d)工作情况,并讨论在轴向载荷作用下,螺栓上承受什么力。
在讨论前先作一个假定:
所有零件材料都服从于胡克定律,而零件上应力没有超过比例极限,也就是各零件中的力与变形成正比。
接下来最好能徒手作图7.15,先作图a),解释一下工作情况,再作b),……。
板书布置如图7—2所示。
图7—2说明:
图a,为开始拧紧的情况,即螺母恰好拧到与被连接件相接触,也就是连接中未受到力的作用,此时螺栓、螺母与被连接件均保持其原来尺寸,未变形。
图b,再将螺母继续拧紧,螺栓上受到预紧力F0及螺纹副中摩擦力矩T1,在F0作用下,螺栓要伸长,伸长量为δ1,δ1=F0/c1,c1为螺栓刚度,而被连接件受到压力,这压力必须与拉力相等,也为F0,这样被连接缩短量为δ2,δ2=F0/c2,c2为被连接件刚度。
图c,螺栓承受工作载荷F(拉力),则螺栓所受的拉力就要增加,由原来的F0变为总拉力FΣ,拉力增量为FΣ—F0,产生了附加拉伸变形量为Δδ1,总伸长量为δ1+Δδ1,载荷为FΣ。
被连接件就随之放松了,由原来F0→F0′,预紧力就减小了,成为F0′,这时被连接上的压力称为残余预紧力F0′,压力减量为F0—F0′,产生压缩减量为Δδ2,所以,这时总的压缩量为δ2+Δδ2,称为残余变形,与它相对应的压力为F0′,称为残余预紧力。
根据变形协调条件可得出
Δδ1=Δδ2
螺栓附加拉长了Δδ1,那么被连接件必须会放松了这些Δδ2。
这里也可问一下学生,如果工作载荷为压力,情况将会如何?
根据平衡条件可得出
FΣ=F0′+F(7.8)
螺栓的强度条件为
从此式可求出d1,查标准得出d,写出标准代号,接下来再讨论几点:
1)在一般情况下,螺栓上作用的总拉力不等于外载荷加上预紧力,而为F+F0′。
2)经推导,可得出下式
称为螺栓的相对刚度系数。
3)
值具体数值在教材中列出。
在连接中,选用何种性质的垫片,必须根据螺栓受载大小而定,否则会使螺栓强度不够而失效。
下面分为两种情况说明之。
(1)当c2>
>
c1时,即被连接件刚度很大,就是使用刚性垫片,或不用垫片。
这时kc→0,使螺栓上的总拉力FΣ→F0,而F0=F0′+F这就是我们在现场常见到的情况,为什么都采用刚性垫片的理论依据。
(2)当c2<
<
c1时,即为使用弹性垫片(如橡皮等),这里要提醒同学弹性垫片不是弹簧垫片,它也是刚性的,这时kc→1,螺栓上总拉力值FΣ=F0+F。
如果设计时,螺栓直径是按F0来计算的,当垫片选错后,原来该用刚性的,为了增加密封性,误想将垫片改为橡皮制的垫片,其结果反而使螺栓上承受的载荷(总拉力)大为增加,螺栓强度不够,会产生断裂等问题。
这里又要指出一点,弹簧垫片虽为刚性垫片,装配时必须压平,否则会造成不良后果,产生偏心载荷,影响螺栓强度。
7.3.2受剪切螺栓连接
徒手作一个图7.16为铰制孔用螺栓连接。
受横向载荷时,螺栓在连接接合面处受剪,并与被连接件孔壁互相挤压。
因此失效形式有两种:
剪断、拉杆或孔壁被挤压坏。
从而可得出剪切强度条件式(7.13),挤压强度条件式(7.14)。
这种连接、预紧力就可很小,只要不使螺栓掉下来就行了,一般不必进行螺纹的强度计算。
黑板板书
(示范)
注意:
板书中所注的文字,必须为边讲解,边注上。
图
(a)开始拧紧(b)拧紧后(c)受工作载荷F时(d)工作载荷过大时
未拧紧
无力的作用,各零件保持原来尺寸
拧紧
螺栓上受到F0及T1作用
螺栓(拉)F0→δ1
被连接件(压)F0→δ2
加载F
螺栓:
拉力↑,F0↑→FΣ
FΣ—F0=拉力增量
→相应伸长量Δδ1
总伸长量为δ1+Δδ1
载荷为FΣ
放松些
F0↓→F0′预紧力↓
压力减量为F0—F0′
→压缩变形减少量Δδ2
总压缩量为δ2—Δδ2
称为残余变形
F0′为残余预紧力
Δδ1=Δδ2
图7—2“螺栓的受力与变形”的板书布置(示范)
第7章第3讲
1)螺栓组连接的结构设计
2)螺栓组连接的受力分析
(1)受轴向载荷的螺栓组连接
(2)受倾翻力矩M的螺栓组连接
课件(结合面形状、气缸盖、螺栓连接、倾翻力矩M的螺栓连接)
一、讲授时注意几点
1)螺栓组连接的结构设计是一个十分重要的问题,而学生却是知识贫乏,难以设计出合理正确的结构,必须应用现有的实物,模型来讲解7.4.1节的结构设计的原则。
2)在受力分析时所作的假设、简化是必须的,如何应用,这是一个难点,学生必须掌握。
3)取底板为单元体时,必须掌握,这些力为作用在底板上的力,不能搞混了。
4)以经济角度考虑,螺栓组中螺栓大小、材料等均取一致的。
设计螺栓组连接时,首先要确定螺栓组连接的结构,即设计被连接件接合面的结构、形状,选定螺栓的数目和布置形式,确定螺栓连接的结构尺寸等。
然后对螺栓连接的二种基本载荷情况进行受力分析(教材中为四种基本载荷情况),找出受力最大的螺栓,并求出所承受的载荷,再应用单个螺栓连接的强度计算方法进行螺栓的设计与校核,最后介绍一个在现场如何进行设计的,故本讲应分为两部分来讲解,具体教案编写如下所述。
第3讲 教案
7.4螺栓组连接的结构设计和受力分析
7.4.1螺栓组连接的结构设计
应用实物、模型进行结构设计教学,放课件(结合形状)。
结构设计原则:
在确定接合面形状与螺栓的布置时,要使得各个螺栓受力较为均匀,便于制造与装配。
教材中介绍了结构设计的五个原则。
7.4.2螺栓组连接的受力分析
为了简化受力分析,必须作如下5个假说。
1)在载荷作用时,接合处仍然保持着平面接触。
2)组内各螺栓及接合面作对称分布,具有共同的对称轴线。
3)各螺栓的材料及直径、长度均相同,预紧力相同。
4)被连接件为刚体,也就是变形发生在连接件上。
5)螺栓的应变没有超出弹性范围。
1.受轴向载荷的螺栓组连接
放课件(气缸盖),如图7.26所示为气缸盖螺栓连接,气缸中有压强为p,压力的合力必然为它的作用线平行于螺栓组轴线,并通过螺栓的对称中心。
各螺栓为平均受载,则各个螺栓所受的轴向工作载荷为F,是拉力。
为螺栓组螺栓数目
螺栓的总拉力为FΣ,FΣ=F0,F0=F0′+F,F0′值可查教材得出。
螺栓的直径就可从此式中求出,d1→d,标准代号。
2.受倾翻力矩M的螺栓组连接
放课件,并徒手作一图7.27,为普通螺栓连接,用实物结合图形作一螺栓连接的工作情况说明。
在M作用下,左边处螺栓承受拉力增加,接合处压力减少,右边处螺栓承受拉力减少,而接合处压力增大。
作用着一个M,M作用在通过x—y
线,并⊥于底板接合面的对称平面内。
承受载荷前,螺栓组必须预紧,预紧力为F0
M作用下,则底板有绕对称轴线O-O向右翻
转的趋势,根据假说1)与4),接合面还是保持
一平面,底板为刚体,这个翻转的趋势就会造成右
侧螺栓又受到拉力,使左侧螺栓接合面上所承受的图
压缩力减小;
右侧螺栓接合面处压缩就会进一步减
小,螺栓承受的轴向拉力相应地会减小,放松些。
根据假说3)、4)各螺栓的刚度相同、变形
发生在螺栓上,所以在M作用下,各螺栓的拉伸变形
量与其中心线至螺栓组对称轴线的距离成正比。
根据
假说5)就可得出螺栓所受的轴向工作载荷F也是与图7.27受翻转力矩的螺栓组
其中心线至螺栓组对称轴线O-O的距离成正比。
采用红色粉笔,在图7.27上加上F1、F2…这些力为作用在螺栓上的力。
得出式(7.17)。
①
根据作用与反作用定律,可求出螺栓作用在底板上的力,为F1′、F2′……。
那么作用在底板上外力为M、F1′、F2′ 、……。
取底板的力矩平衡条件可得出
②
根据
,联立①②式可得出
作用在螺栓上最大轴向工作载荷Fmax值为
求出Fmax后,就可求出作用在螺栓上总拉力FΣ
FΣ=F0+kcFmax
其他螺栓的受力大小不必求了。
根据假说3)取相同值。
分析到此,是否螺栓组设计已结束,不对,还有,这螺栓组连接除了螺栓要满足强度要求以外,还要保证左侧的接合面不应出现缝隙,右侧的接合面不发生压溃现象。
图7-3所示为作用于底板上压强。
校核:
左侧接合面不出现缝隙,即压强>
图
右侧接合面不发生压溃破坏,即
式中 W为接合面的抗弯截面系数;
A为有
效接触面积(扣去螺孔的面积);
z为螺栓数;
[σp] 图7-3作用于底板上压强
为允许挤压应力,表7.6查出。
最后说明几句:
教材中介绍四种典型螺栓组受载情况,讲课中只介绍两种,它们具有代表性,实际结构中可能不是典型情况,设法简化为等效的四种典型载荷的某种组合来研究。
7.4.3螺栓组连接设计
现场如何来进行螺栓组连设计,可告诉大家,一般不进行螺栓计算,选用就可。
对于成熟或不太重要的连接,可采用类比法来设计,即只对连接作结构设计,而对螺栓大小只作选用不进行设计计算。
对于重要的连接,才进行螺栓组连接的设计计算。
第7章 第4讲
1.1)常用材料
2)许用应力
2.提高螺栓连接强度的措施
3.1)螺旋传动的类型
2)结构及材料
3.1)分类、特点、应用
2)代号
课件(凸台与沉头座、斜面垫圈、改善螺栓牙间载荷分布、柔性螺栓、螺旋传动、千斤顶、滚动螺旋)
1)在讲授7.5节时要突出试算法的概念。
在查表7.8、表7.9时会发现,当螺栓直径大小未知时,S值难以选取,所以必须要先假定所用螺栓的直径,查得S值,然后计算[σ],并计算出螺栓直径。
若计算结果与原来假定不符,必须重新假定直径,再作计算,当计算误差小于试算值的5%时,则认为假定合适,这种方法称为试算法,是工程中常用的一种设计方法。
2)其余各节只作一般了解,应用课件播放,可以自学解决。
按教材中章节顺序进行一般性讲授,看一下课件,简单地作一说明。
自学,故教案也可以简单编写,在此不作论述。
第7章第5讲
课堂讨论题目:
螺栓连接的受力分析
支座底板螺栓组连接如图所示。
外力FR作用在包含x轴且垂直于底板的接合面平面内,试分析底板螺栓组连接的受力情况,并判断哪个螺栓受力最大?
保证连接安全工作的必要条件有哪些?
讨论题7.1图底板螺栓组连接
讨论目的:
以受力分析为重点,也就是学生们如何应用已学过的力学知识(如材料力学等),结合本章所学的知识去解决实际工程问题,使得学生初步体会到工程问题的复杂性,增加对本课程的求知欲,为以后学习打下一定基础。
讨论方法:
(1)预先布置题目,每位学生必须课前作好发言准备。
在讨论前,老师必须做一检查。
(2)由老师作为主持人,学生们各自阐述解题的思路与方法。
(3)老师抓住所发现的问题,尤其是力的平移、连接失效形式等进行重点讨论,设法做到各抒己见,引成争鸣局面,活跃学术气氛。
(4)老师总结。
(5)课后应将此题作为习题完成之。
(6)本次讨论需2节课。
第8章带传动
1)了解带传动的类型、工作原理、特点及应用。
2)了解普通V带、窄V带和带轮的结构及标准
3)掌握带传动工作能力分析基本理论。
(1)带传动受力分析
(2)带传动应力分析
(3)带传动的弹性滑动与打滑
4)掌握V带传动的设计方法及步骤。
(1)带传动的失效形式。
(2)带传动的设计计算准则。
(3)V带传动的设计方法、步骤及主要参数的选择。
5)了解带传动的张紧方法及装置。
6)了解同步带传动的结构和特点、标准。
1)V带传动的失效形式和设计准则;
2)V带传动的参数选择及设计计算。
带传动的工作情况分析
1、带传动的工作原理
2、V带和带轮结构
3、带传动的工作能力分析
4、V带传动的设计
5、带传动的张紧、安装与维护
6、同步带传动
带传动是依靠中间挠性件(柔韧体)和带轮间的摩擦力来传递动力和运动的。
因此,带必须要紧套在带轮上,在工作时,其间才可能产生摩擦力和松、紧边的拉力差。
由于带是柔韧体,它本身有不可避免的弹性变形,必然会在带轮上产生弹性滑动,从而可得出带传动的主要失效形式及带传动的设计准则。
提出V带传动设计步骤及主要参数的选择。
最后设立了“V带传动的张紧、安装与维护”这一节。
同时,对窄带、同步带传动作了概念性介绍。
第8章第1讲
1、1)带传动的类型
2)带传动的特点与应用
3)带传动的形式
2、1)V带的结构和尺寸标准
2)V带轮的结构
3、1)受力分析
(1)工作原理
(2)力分析
2)应力分析
3)弹性滑动和传动比
课件(类型、结构、截面尺寸、结构类型、工作原理、应力变化、弹性滑动)
1.8.1概述
(1)带传动是一种摩擦传动,由于
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