同济大学机械设计教案第二篇联接概述.docx

同济大学机械设计教案第二篇联接概述.docx

《同济大学机械设计教案第二篇联接概述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同济大学机械设计教案第二篇联接概述.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

同济大学机械设计教案第二篇联接概述

第二篇联接

一．联接的作用

构件机构需要联接---运动副

零件构件需要联接

二．分类

1.动联接：

两构件之间的联接，构成运动副。

2.静联接：

同一构件上零件之间的联接。

可拆联接例：

螺纹、键、花键、销等

静联接不可拆联接例：

铆接、焊接、胶接

过盈配合联接

3.联接类型的选用

第五章螺纹联接

第1节概述

一．

螺纹的形成

二．

螺纹的基本参数

1.大径d----例：

公称直径M16

2.小径d1

3.中径d2

4.螺距t

5.升角ψ

四．螺纹类型：

1.按旋向分：

左旋和右旋。

见形成

2.按配对分：

内螺纹和外螺纹。

3.按轴剖面形状分：

1）三角螺纹

a.粗牙螺纹

b.细牙螺纹

2）管螺纹

a.圆柱管螺纹

b.圆锥管螺纹

3）矩形螺纹

4）梯形螺纹

5）锯齿形螺纹

第2节螺纹联接的主要类型、材料

一．螺纹联接的基本类型

1.螺栓联接

1）受拉（普通）螺栓联接.

2）受剪（铰制孔）螺栓联接

2.双头螺柱联接

3.螺钉联接

4.紧定螺钉联接

二．螺纹紧固件的性能等级和材料

国标规定螺纹紧固件机械性能分级

1.螺栓、螺柱、螺钉的性能分为十级：

精度等级

3.6

4.6、4.8、5.6、

5.8、6.8

8.8、9.8

10.9

12.9

常用材料

低碳钢

低碳钢或

中碳钢

中碳钢或低碳合金钢

中碳钢或低碳合金钢

合金钢

2.机械强度与性能等级关系：

σBmin=100×点前数字σsmin=10×（点前数字×点后数字）

例：

3.6级螺栓：

σBmin=100×点前数字=100×3=300（Mpa）

σsmin=10×（点前数字×点后数字）=10×（3×6）=180（Mpa）

3.螺母性能等级：

根据螺母高度m不同，分为两类

螺母高

性能等级

m≥0.8D

4、5、6、8、9、10、12

0.5D≤m<0.8D

04、05

4.机械强度与性能等级关系：

σBmin=100×级别

例：

级别为6的螺母：

σBmin=100×级别=100×6=600（Mpa）

三．许用应力与安全系数

第3节单个螺栓联接的受力分析和强度计算

（螺纹联接的强度计算）

一．受拉螺栓联接

1.失效形式：

主要为螺栓断裂

2.设计准则：

保证螺栓静强度和疲劳强度。

3.受力分析与强度计算

1）受拉松螺栓联接力分析与强度计算

a）受力分析:

螺栓中受力F

b）强度计算

σ=F/A=4F/πd12≤[σ]校核式

d1=（4F/π[σ]）1/2设计式

一．螺栓联接的拧紧

1.拧紧的目的

1）增强联接的可靠性和紧密性。

例：

汽缸缸盖的拧紧

2）提高疲劳强度

2.拧紧力和预紧力矩的关系

3.拧紧力矩的控制

1）目的：

防止F'过大拧断螺栓

例：

对于标准扳手，L=15d，设拧紧时扳手力为F=200N.

则：

F'=T/0.2d=20015d/0.2d=15000N

如果螺栓小于M12可能被拧断。

2）方法

a）测力矩扳手、b）定力矩扳手、c）测量螺栓伸长量

螺纹联接的防松

1.防松的目的

ψ=1042'～302'<ρv,自锁，但在振动、冲击、变载荷作用下摩擦力会减小或消失，引起联接松脱，所以，必须防松。

2.防松的根本问题

防止螺旋副的相对转动

3.

防松的方法

1）摩擦防松

b.对顶螺母防松

c.弹性垫片防松

d.金属锁紧螺母防松

e.尼龙圈锁紧螺母防松

2）机械防松

f.开口销与槽形螺母防松

g.止动垫片防松

h.串联钢丝绳防松

3）破坏螺旋副

i.点焊防松

j.冲点防松

k.胶接防松

2）受拉紧螺栓联接

a.仅受预紧力的紧螺栓联接

♦受力分析

拉力：

F'

拧紧力和预紧力矩的关系

T=T1+T2

式中：

T1=F'tg（ψ+ρυ）d2/2

T2=F'μ（D13-d03）/3（D12-d02）

代入得：

T=[tg（ψ+ρυ）d2/2d+2μ（D13-d03）/3d（D12-d02）]F'd]

对于M10～M68的螺栓，将尺寸代入，

并取μ=0.15

则：

T≈0.2F'd

♦强度计算

拉应力：

σ=4F'/πd12

扭转剪应力：

τ=T1/πd13/16

对于M10～M68的钢制螺栓，tg（ρϖ）≈0.17，λ≈2.80，

d2/d1=1.04～1.08

代入τ得：

τ≈0.5σ

等效应力：

σca=（σ2+3τ2）1/2≈1.3σ≤[σ]校核式

即：

4×1.3F'/πd12≤[σ]

d1≥（4×1.3F'/[σ]π）1/2设计式

结论：

仅受预紧力的螺栓联接可以按拉伸计算，

但须将拉应力放大30%.

b.

受预紧力和工作载荷的螺栓联接

♦受力分析

讨论：

剩余预紧力的确定

1.F''>0

2.对密封有要求F''=（1.5～1.8）F

3.一般联接、载荷平稳F''=（0.2～0.6）F

4.

载荷不平稳F''=（0.6～1.0）F

F0=F+F''

∆δ1=∆δ2（F0-F'）/c1=（F'-F''）/c2

解得：

F''=F'-（c2/（c1+c2））F已知F'、F求F''

F'=F''+（c2/（c1+c2））F已知F''、F求F'

F0=F'+（c1/（c1+c2））F已知F'、F求F0

F'=F0-（c1/（c1+c2））F已知F0、F求F'

c1/（c1+c2）称为螺栓相对刚度

♦强度计算

✧静强度计算

拉应力：

σ0=4F0/πd12

剪应力：

τ=0.5σ0

等效应力：

σca=4×1.3F0/πd12≤[σ]校核式

d1≥（4×1.3F0/π[σ]）1/2设计式

✧疲劳强度计算

工作载荷：

F=F1～F2

力幅：

Fa=（F02-F01）/2

=（c1/（c1+c2））（F2-F1）/2

疲劳强度：

σa=Fa/A≤[σ]

二．受剪螺栓联接

1.工作原理

2.失效形式

1）.螺杆剪切面被剪断

2）强度较弱的螺杆或孔被压溃

3.条件性强度计算

螺栓剪切强度：

4Fs/πd2m≤[τ]

挤压强度：

Fs/dhmin≤[σP]

例题已知汽缸工作压力p=0～0.5Mpa，工作温度<1250C，

汽缸内径D2=1100mm，螺栓数目z=20，采用铜皮石棉垫。

试计

算汽缸盖螺栓直径。

解

一．力分析

1.汽缸盖受气体最大压力：

FQ=p·πD22/4=0.5×3.14×11002/4=475200（N）

2.单个螺栓工作载荷：

F1=0

F2=FQ/z=475200/20=23760（N）

3.剩余预紧力：

F''=1.5F2=1.5×23760=35640（N）

4.螺栓最大拉力

F02=F2+F''=23760+35640=59400（N）

5.预紧力

F'=F02-c1/（c1+c2）F=59400-0.8×23760

=40390（N）

6.螺栓拉力变化幅度：

Fa=（F02-F'）/2=（59400-40390）/2=9505（N）

二．计算螺栓疲劳强度

1.螺栓直径：

初取M42，查手册d=42mm，d1=37.129mm，d2=39.07mm

（取标准，也可先按静强度计算d，再校核疲劳强度）

2.螺栓截面积

A=πd12/4=3.14×37.1292/4=1082.17mm2

3.螺栓应力幅：

σa=Fa/A=9505/1082.17=8.78（Mpa）

4.选材：

35钢，螺栓强度级别5.6级。

σB=500Mpa

σs=300Mpa

5.螺栓材料疲劳极限

σ-1=0.41σB=0.41×500=205Mpa

6.螺栓极限应力幅

ε=0.62

km=1

ku=1

kσ=3.45

σalim=εkmkuσ-1/kσ=0.62⋅1⋅1⋅205/3.45=36.84（Mpa）

7.螺栓许用应力幅

[sa]=3

[σa]=σalim/[sa]=36.84/3=12.28（Mpa）

8.校核

σa=8.78（Mpa）<[σa]=12.28（Mpa）

满足疲劳强度

三．计算静强度

1.拉应力

σ=F02/πd12/4=59400/（3.14⋅37.1292/4）=54.88（Mpa）

2.许用应力：

[ss]=2.5

[σ]=σs/[ss]=300/2.5=120（Mpa）

3.等效应力：

σca=1.3σ=1.354.88=71.344（Mpa）

4.强度校核：

σca=71.344<[σ]=120（Mpa）

满足静强度

结果：

M42，Z=20

第4节螺栓组联接的受力分析

一．本节任务

通常螺栓都是成组使用的，对螺栓组设计要解决螺栓的数目、布置、

被联接件结合面设计、螺栓尺寸。

二．螺栓组联接的结构设计

目的：

合理的确定联接的结合面形状、螺栓数目、使结合面和螺栓受

力均匀、并便于加工和装配。

1.结合面几何形状设计：

通常为对称的简单形状。

例

2.使各螺栓受力合理

3.螺栓排列有合理的间距和边距

4.同一组螺栓尽量用相同的材料、直径、长度

5.同一圆周上的螺栓数应为4、6、8、12等，便于划线。

三．螺栓组联接受力分析

目的：

找出受力最大的螺栓并计算所受力的大小、性质，以便强度计算。

假设：

1>.各螺栓预紧力相同。

2>.各螺栓材料、直径、长度相同。

3>.螺栓组中心和结合面中心重合。

4>.受载后结合面仍为平面。

1.受轴向力FQ的螺栓组联接

每个螺栓受工作载荷：

F=FQ/z（F0=F+F''）

2.

受横向载荷的螺栓组联接受力分析

1）受拉螺栓联接

a）力分析

力平衡：

μsF'mz=kfFR

预紧力：

F'=kfFR/μsmz

式中：

kf-----可靠性系数

μs----摩擦系数

b）强度计算

σca=4×1.3F'/πd12≤[σ]

2）受剪螺栓联接

a）力分析

由力平衡：

zFs=FR

有：

Fs=FR/Z

b）强度计算（略）

3.受旋转力矩的螺栓组联接

1）受拉螺栓联接

μsF'r1+…+μsF'ri+…+μsF'rz=kfT

F'=kfT/μs（ri）

2）

受剪螺栓联接

a）力矩平衡

Fs1r1+…+Fsiri+…+Fszrz=T

b）由变形协调条件：

Fs1/r1=…=Fsi/ri=…=Fsz/rz=Fsmax/rmax

代入得：

Fsmax=Trmax/ri2

Fsi=（Fsmax/rmax）ri

4.受翻转力矩的螺栓组联接

a）力矩平衡

F1r1+…+Firi+…+Fzrz=M

b）变形协调条件

F1/r1=…=Fi/ri=…=Fz/rz=Fmax/rmax

解得：

Fmax=Mrmax/ri2

5.受复杂力系的螺栓组联接

方法：

将力系向结合面形心分解成轴向、横向、旋转、反转等简单力系。

例题：

已知P=4800N，

结合面尺寸如图，

设计螺栓组联接。

解：

1.结构设计略

2.螺栓受力分析

1）将力向形心简化

轴向力

P1=Psinα=4800×sin500=3677（N）

横向力

P2=Pcosα=4800×cos500=3085（N）

翻转力矩

M=P1×160+P2×150=3677×160+3085×150=1051070（N）

2）在P1作用下各螺栓所受工作拉力

F1=P1/z=3677/4=919（N）

3）在M作用下上边螺栓受力

Fmax=Mrmax/ri2=1051070×140/（4×1402）=1877（N）

4）在P2作用下结合面不滑移条件求拧紧力

s[zF'-c2/（c1+c2）p1]=kfP2

μs=0.16，kf=1.2

取：

c1/（c1+c2）=0.2则：

c2/（c1+c2）=1-c1/（c1+c2）=0.8

F'=[kfP2/μs+c2/（c1+c2）p1]/z

=[1.2×3085/0.16+0.8×3677]/4=6520（N）

5）螺栓受总拉力

工作拉力：

F=F1+Fmax=919+1877=2796（N）

总拉力：

F0=F'+（c1/（c1+c2））F=6520+0.2×2796=7079（N）

3.确定螺栓直径

1）许用应力

选材：

A3；螺栓强度级别：

4.6；

许用应力：

σs=240MPa，[s]=1.5，

[σ]=σs/[s]=240/1.5=160（MPa）

2）螺栓直径

d1≥（4×1.3F0/[σ]π）1/2

=（4×1.3×7079/160×3.14）1/2=8.6（mm）

查手册：

d=10mm时，

d1=8.376mm

d=12mm时，

d1=10.107mm>d1min满足强度

4.校核被联接件结合面的工作能力

1）校核下端挤压

σpmax=（zF'-c2/（c1+c2）P1）/A+M/W

=（4×6520-0.8×6377）/（150×（340-220））

+1051070/2107059=1.78（Mpa）

由许用挤压安全系数：

[sp]=2.5

由手册：

sB=250Mpa

[σp]=σB/[sp]=250/2.5=100Mpa

σpmax<<[σp]安全

2）校核上端缝隙

σpmax=（zF'-c2/（c1+c2）P1）/A-M/W

=（4×6520-0.8×6377）/（150×（340-220））-1051070/2107059

=0.72（Mpa）>0

不会出现缝隙

第5节提高螺栓联接强度的措施

一．均匀螺纹牙受力分配

螺纹牙受力不均原因：

一般的螺栓联接，由于螺杆受拉，螺距变大；螺母受压，螺距变小。

措施：

使螺母受拉。

二．减小附加应力

例：

螺栓受附加应力

措施：

三．

减小应力集中

退刀槽

四．降低应力幅

增大被联接件刚度、降低螺栓刚度、适当增大预紧力。

降低螺栓刚度措施：

增长螺栓长度、减小螺栓直径或作成空心螺栓。

五．改善制造工艺

第6节螺旋传动

一．作用

将转动变为移动，传递运动和动力。

例：

二．分类

按摩擦分：

1.滑动螺旋：

结构简单、加工方便、

易自锁；效率底、磨损快。

2.

滚动摩擦：

3.静压螺旋：

效率高、结构复杂、成本高。

三．滑动螺旋传动设计

1.选材

螺杆：

受力复杂，用优质碳钢及合金钢。

螺母：

铜合金、铸铁等

2.失效形式

1）螺纹磨损

2）螺杆或螺纹断裂

3）自锁

4）压杆稳定性

3.设计计算

1）

螺旋副耐磨性计算

条件性计算

F/πd2hz<[p]

用螺母高H'和

螺距表示得

校核式：

p---螺距，

[p]---许用比压

对矩形和梯形螺纹h=0.5p；锯齿形螺纹，h=0.75p

取H'/d2=Φ，整理得

设计式：

2）螺纹牙强度（螺母材料强度低，故按螺母校核）

a）剪切强度

b）弯曲强度

3）螺杆强度

4）自锁性校核

ψ<ρv

5）

压杆稳定性

371/2

第六章小结

螺

纹

联

接

螺纹概述

螺纹类型、应用

1.摩擦防松

2.机械防松

3.破坏螺旋副

螺纹联接的类型

预紧、防松问题

设计计算

单个螺栓联接强度计算

受拉松螺栓联接

1.只受预紧力

2.受预紧力和工作载荷

受拉紧螺栓联接

受剪螺栓联接

螺栓组

设计

受轴向载荷

受拉螺栓联接

受横向载荷

受拉/受剪螺栓联接

受旋转载荷

受翻转载荷

受拉螺栓联接

受复杂力系

受拉/受剪螺栓联接

提高螺栓联接强度措施：

1.c1、c2、F'

2.受拉螺母

3.附加载荷

C:

\work\wincode\data\思考题\螺纹联接思考题.doc思考题

1.三角形螺纹有何特点？

主要用途？

2.螺纹联接有哪几种类型？

受拉螺栓和受剪螺栓联接有何不同？

它们的画法有何不同？

载荷是怎样传递的？

3.双头螺柱和螺钉联接哪一种不宜用在经常装拆的场合？

4.强度级别为5.8的螺栓，σB=?

，σS=?

5.防松的根本问题是什么？

有哪些防松措施？

6.弹簧垫片开口旋向是左旋还是右旋？

串联钢丝防松时，金属丝的方向如何？

7.松螺栓联接如何进行强度计算？

8.只受拧紧力的紧螺栓联接的等效应力与拉应力有何关系？

9.既受拧紧力又受工作载荷的紧螺栓联接F'、F''、F、F0之间的关系？

什么是螺栓的相对刚度系数？

10.受拉螺栓联接的失效形式是什么？

受剪螺栓联接呢？

11.导出受轴向力、横向力、旋转力矩、翻转力矩的螺栓联接中受力

最大的螺栓所受最大力。

12.

受拉螺栓既受拧紧力又受工作载荷时，如果工作载荷在0～F之间变化，在图上标出螺栓最大变形量δ1max、受工作载荷F后变形量增量∆δ1；标出被联接件最大变形量δ2max、受工作载荷F后变形量增量∆δ2；标出拧紧力F'、

最小总拉力F0min、最大总拉力F0max、力变化幅Fa、剩余拧紧力F''。

13.改变螺栓的相对刚度和拧紧力是如何提高疲劳强度的？

14.受拉紧螺栓联接，螺杆受拉应力σ=50Mpa，许用应力[σ]=60Mpa，

372/2

该螺杆是否满足强度条件？