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机械设计第十一章 螺纹联接和螺旋传动第一节 螺纹 一、螺纹的形成和类型类型 n 按螺纹母体形状分:圆柱形(Column)螺纹、 圆锥形(Taper)螺纹。 n 按螺纹牙型分:三角形(V Thread)、矩形 (Square)、梯形(Acme)、锯齿形(Buttress)螺 纹。 n 按螺纹旋向分:右(Right)旋和左(Left)旋 n 按螺旋线的数目,可分为单线(single)、双线 (Double)、三线等。 n 根据螺纹在圆柱表面上的位置,分为:外(External)螺纹:在圆柱外表面上形成;内(Internal)螺纹:在内壁上形成。v内外螺纹两者旋合组成的运动副称为螺纹副 。按螺纹牙型分类SquareAcmeButtressV ThreadPipe Thread二、螺纹的主要参数n 直径(Diameter) 大径(Major dia.)d 小径(Minor dia.)d1 中径(Pitch dia.)d2 n 螺距(Pitch)P n 导程(Lead)S n 升角(Lead angle)y n 牙型角(Thread angle)a n 牙型斜角b n 螺纹工作高度(Working depth)h 三、常用螺纹的特点和应用v常用螺纹有联接螺纹和传动螺纹。联结 螺纹有普通螺纹、非螺纹密封的管螺纹 、用螺纹密封的管螺纹和米制锥螺纹等 ;传动螺纹有矩形螺纹、梯形螺纹、锯 齿形螺纹。常用螺纹Coarse ThreadFine Threadn 普通螺纹是一种三角形螺纹,a=60,有粗牙、细牙 之分 n 非螺纹密封的管螺纹,a=55 n 用螺纹密封的管螺纹,a=55 n 米制锥螺纹 n 矩形螺纹, a=0 n 梯形螺纹, a=30 n 锯齿形螺纹螺纹形状普通螺纹非螺纹密 封的管螺 纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿螺纹螺纹联接v第二节 螺纹联接的类型和标准联接件 一、螺纹联接的主要类型v螺栓联接v螺钉联接v双头螺柱联接v紧定螺钉联接1)螺栓联接v特点和应用:无须在被联接件上切制螺纹,使用不 受被联接件材料的限制。构造简单,装拆方便,应 用最广。用于可制通孔的场合。分为受拉螺栓联接 和受剪螺栓联接。2)双头螺柱联接v特点和应用:座端旋入并 紧定在被联接件之一的螺 纹孔中,用于受结构限制 而不能用螺栓或希望联接 结构较紧凑的场合。3)螺钉联接v特点和应用:不用螺母, 而且能有光整的外露表面 ,应用于与双头螺柱联接 相似,但不宜用于时常装 拆的联接,以免损坏被联 接件的螺纹孔。4)紧定螺钉联接Hex Socket Headless Setscrewv特点和应用:旋入被联 接件之一的螺纹孔中, 其末端顶住另一被联接 件的表面或顶入相应的 坑中,以固定两个零件 的相互位置,并可传递 不大的力或转矩。二、标准螺纹联接件v常用的标准螺纹联接件有螺栓、双头螺柱、 螺钉、螺母、垫圈。螺纹联接第三节 螺纹联接的预紧与防松 一、螺纹联接的预紧v各种机械中实际使用的螺纹联接,绝大 多数在装配时就已预先拧紧,使螺纹联 接受到较大的预紧力的作用。v其目的是使螺纹联接可靠地承受载荷, 获得所要求的紧密性、刚性或防松能力 。 1)确定拧紧力矩F预紧力 T拧紧力矩 T1螺纹阻力矩 T2螺母支承面摩擦力矩 T3螺钉头支承面摩擦力矩 T4夹持力矩v反映了拧紧力矩、螺纹力矩、预紧力之间的关系;v一个小的拧紧力可以产生很大的预紧力,可能导致 过载折断。2)控制预紧力的方法v测量螺栓的伸长量或控制应力或应变;v规定螺母拧紧圈数;v控制拧紧力矩。二、螺纹联接的防松v在静载荷作用下,联接用螺纹能满足自锁条件,且 螺母与支承面之间的摩擦力矩也有防松作用。因此 联接一般不会自动松脱。v但在变载荷、冲击振动及温度变化较大的情况下, 螺纹副间和支承面间的摩擦阻力可能瞬时消失,经 多次重复后,联接就可能松动,甚至松脱而造成事 故。v螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动 。凡是能满足这一要求的结构都能防松。v按防松原理分,可分为:摩擦防松、机械防松及永 久止动。1)摩擦防松v使螺纹副中有不随联接载荷而变化的压力,因而始终有摩 擦力矩防止相对转动。压力可由螺纹副纵向或横向压紧而 产生。2)机械元件防松比如: 开口销与槽形螺母 止动垫片 串联金属丝v利用便于更换的金属元件约束螺纹副。开口销与槽形螺母止动垫片串联金属丝机械防松实例3)永久止动焊接 铆冲v把螺纹幅转动变为非运动幅,从而排除相对运动的可能。螺纹联接 第四节 螺栓联接的结构设计一、螺栓组联接结构设计v设计时应考虑以下几个方面的因素:v ()联接结合面的几何形状通常都 设计成轴对称的简单几何形状。v ()受力矩作用的螺栓组,布置螺 栓应尽量远离对称轴v ()应使螺栓受力合理。v ()螺栓的排列应有合理的边距、 间距。二、螺栓组联接受力分析螺栓组联接的受力分析目的:v根据联接的结构和载荷情况,求出联接 中受载最大的螺栓及其载荷,为螺栓强 度计算提供依据。受横向载荷R的螺栓组联接1)受拉螺栓联接 每个螺栓需要的预紧力为:2)受剪螺栓联接 每个螺栓受的横向工作剪力为:受旋转力矩T的螺栓组联接 1)受拉螺栓联接 每个螺栓需要的预紧力为:2)受剪螺栓联接 受载最大的螺栓承受的横向工作剪力为:受轴向载荷Q的螺栓组联接每个螺栓承受的工作载荷为:螺纹联接 第五节 螺纹联接的强度计算 概述v普通螺栓联接在工作时,螺栓主要受轴向拉力,故 又称受拉螺栓联接。在静载荷作用下:螺栓的主要 失效形式为螺纹部分的塑性变形或断裂;在变载作 用下,螺栓的主要失效形式为疲劳断裂。v铰制孔用螺栓联接,其工作时,螺栓只承受横向载 荷,故又称受剪螺栓联接,其主要失效形式为螺栓 剪断、栓孔或孔壁压溃。计算准则v对于受拉螺栓联接,保证螺栓的静力或 疲劳拉伸强度;v对于受剪螺栓联接,保证螺栓的剪切强 度或联接挤压强度。一、松螺栓联接的强度计算设计公式:v在承受外载荷之前,联接并不受 力(如起重吊钩用的螺栓联接) 。在承受工作载荷后,螺栓受拉 ,其强度条件为:2)紧螺栓联接的强度计算v紧螺栓联接装配时需将螺母拧紧 ,在承受工作载荷之前,中已受 到螺纹力矩T1和预紧力F的联合作 用。这是应用中较广泛的情况。v按外载荷及结构不同主要分为下 面两种情况: 只受预紧力的紧螺栓联接 受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 只受预紧力的紧螺栓联接v外载荷与螺栓轴线垂直。靠螺栓联 接预紧后在接合面之间产生的摩擦 力来承受和传递横向力。因而在施 加外载荷前后,螺栓所受拉力不变 ,均为预紧力F。v只受预紧力的紧联接螺栓的螺纹部 分除受预紧力F的拉伸作用外,一 般还受拧紧力矩T施加给螺栓的螺纹 力矩T1的扭转作用。正应力与扭应力一般情况对于M10M68普通螺栓,有如下统计规律: 故:当量应力用于钢制螺栓是塑性材料,根据第四强度理论,其当量应力为设计公式:强度条件为:小节对只承受预紧力作用的紧螺栓,虽然受拉伸和扭转的联合 作用,但在强度计算时,仍可按纯拉伸计算,这时只需将 所受的拉力增大30。 讨论靠摩擦力传递横向外载荷的普通螺栓联接,构造简单,装 配方便等优点。此时预紧力为横向外载荷的8倍,因而所的螺栓直径和联接 尺寸都较大,并且在变载作用下或有冲击时,f不稳定,因而 可靠性较差。 但分析若针对性措施 为避免上述缺点,必要时可采取各种减载装置,如减载 销、减载套筒、减载键等,他们靠挤压或剪切来传递一部 分横向外载荷,这样F可以减小,从而使螺栓联接的结 构尺寸减小。此外,还可改用铰制孔用螺栓联接。 受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接v这类螺栓联接拧紧后 ,螺栓受预紧力F的 作用,工作时还受到 轴向拉力F的作用。 螺栓所受的总拉力是 否为F+F?v由于螺栓和被联接件 都是弹性体,当应变 在弹性范围内时,联 接中各零件受力要由 静力平衡和变形协调 条件来确定。螺栓的工作过程公式的推导注意的问题v螺栓工作时被联接件间是不允许出现间隙的,因此 要求剩余预紧力F “大于零。强度条件与设计公式设计公式:v一般紧联接螺栓通常应在承受工作拉力F0之前拧紧。但为了安全,应考虑可能在总拉力F0作用下被补 充拧紧(应尽量避免)。v所以此时应以F0和由F0引起的螺纹力矩进行计算。 因而紧联接螺栓的强度条件为:受预紧力和变载荷的紧螺栓联接和 v由于影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅,因此 螺栓的疲劳强度应计算应力幅sa,但螺栓也可能在最大工 作拉力下被静力拉断,故其强度条件为:二、受剪螺栓联接的强度计算v采用铰制孔螺栓联接时,被联接件上的外载荷是靠螺栓杆 的剪切及螺栓杆与被联接件之间的挤压来传递,故联接只 需较小的F,一般忽略不计。强度条件1)螺栓杆的抗剪切条件: 2)螺栓杆与孔壁接触表面的挤压强度条件为: 三、螺栓联接的材料和许用应力v一般螺母材料的强度级别和硬度比相配螺栓材料稍 低,以防咬死和减小磨损。螺栓联接的许用应力对于松螺栓连接:对于紧螺栓连接:控制预紧力时S=1.21.5,不控制预紧力时S查表。v 第六节 螺旋传动v 螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺 旋副来实现传动要求的。它主要用于将 回转运动转变为直线运动,同时传递运 动和动力。v 螺旋传动的类型v螺旋传动按其用途不同,可分为以下三 种类型:v() 传力螺旋v() 传导螺旋v() 调整螺旋v螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同分 为:滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。
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