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第5章_螺纹联接和螺旋传动.ppt

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螺纹 联接 螺旋 传动
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,第二篇 联接(connection),动联接(movable connection)——机器工作时,被联接零件之间可以有相对运动的联接。,可拆联接——不需要毁坏任何零件就可拆开的联接。,静联接(fixed joint)——机器工作时,被联接零件之间不允许有相对运动的连接。,运动副滑动轴承,螺纹联接焊接,不可拆联接——拆开时至少要破坏一个零件的联接。,考虑结构安装运输维护,螺纹联接键联接,焊接铆接,考虑制造经济性,2018/3/8,第五章 螺纹联接和螺旋传动,一、 螺纹(thread)1、螺纹的形成2、螺纹的类型① 按平面图形分,牙根强度 工艺性 适用场合三角形螺纹(triangular thread) 最大 好 联接,矩形螺纹(rectangle thread) 小 差 传动,梯形螺纹(trapezoidal thread) 较大 好 传动,锯齿形螺纹(sawtooth thread) 较大 好 传动,管螺纹(pipe thread) 联接,,,,,,2018/3/8,② 按螺线的绕行方向分左旋螺纹(left-hand thread)右旋螺纹(right-hand thread)③ 按螺纹线数分单线螺纹(single-thread)——用于联接双线螺纹(double-thread)——用于传动三线螺纹(triple-thread)——用于传动多线螺纹——用于传动,2018/3/8,3、主要参数,大径d——公称直径(nominal thread)小径d1——危险剖面直径,强度计算直径中径d2——轴线剖面上的假想直径线数n ——螺旋线数目螺距P(thread pitch)导程S(lead),S=nP,升角ψ(lead angle)牙型角?牙侧角?工作高度h,,2018/3/8,二、螺纹联接的基本类型,1、螺栓(bolt)联接 普通螺栓(general bolt)联接,铰制孔螺栓(reamer bolt)联接,2、双头螺柱(stud,double-end bolt)联接,2018/3/8,3、螺钉(screw)联接,4、紧定螺钉(setscrew)联接,5、特殊用螺钉联接 地脚螺钉(foundation bolt)联接,吊环螺钉(eye bolt)联接,2018/3/8,6、标准螺纹联接件 螺栓、螺柱、螺钉、紧定螺钉,自攻螺钉、螺母、垫圈,2018/3/8,三、螺纹联接的预紧和防松,(一)螺纹副受力分析1、矩形螺纹①? 物体沿斜面匀速上升,F =F0 tan(ψ+φ)螺母旋转一周的输入功为 A1 =F?d2=F0 tan(ψ+φ)?d2举升重物的有效功为 A2 =F0S=F0?d2 tanψ,2018/3/8,效率:,当ψ=45o-0.5φ 时,螺纹副的效率最高,②??物体沿斜面匀速下降,F= F0 tan(ψ-φ) 自锁条件为: F=F0 tan(ψ―φ)≤0 ? ψ≤ φ,2018/3/8,2、三角形螺纹,摩擦力:,力的关系 F= F0 tan(ψ?φv)效 率,自锁条件,2018/3/8,(二)螺纹联接的预紧,1、螺纹阻力矩,2、支承面阻力矩,3、拧紧力矩,增加可靠性紧密性,2018/3/8,4、控制预紧力的方法,①? 测力矩板手,② 定力矩板手,③ 测定螺栓伸长量,2018/3/8,(三)螺纹联接的防松,1、摩擦防松(prevent loosening by friction) 双螺母(double nut),弹簧垫圈(spring washer),自锁螺母(self-locking nut),2018/3/8,2、机械防松,开口销(spring cotter)与六角开槽螺母(notch nut),止动垫圈(stop washer),串联金属丝(in series wire),2018/3/8,3、永久防松(破坏螺纹副),冲点、焊接(jointing)、粘合(conglutination),四、单个螺栓联接的强度计算,1、失效形式及计算准则①?受拉螺栓 断裂(过载断裂、疲劳断裂)、螺纹滑扣;,计算准则:保证螺栓的静力拉伸强度。,占65%,占20%,占15%,2018/3/8,② 受剪螺栓 螺杆和通孔孔壁被压溃和螺杆被剪断; 计算准则:保证螺栓的挤压强度和剪切强度。,2018/3/8,2、松螺栓联接的强度计算,拉伸强度条件为:,式中:d1 ——危险剖面直径,mm [?]——许用应力,Mpa [?]=? S/S,2018/3/8,3、紧螺栓联接的强度计算,拉伸应力为:,扭剪应力:,普通钢制螺栓,tanφv=0.17 d2/d1=1.04~1.08,tanψ=0.05代入计算得 ? ≈0.5?,2018/3/8,1) 受横向载荷的紧螺栓联接,螺杆的强度条件为:,减载键、减载环,2018/3/8,挤压强度:,剪切强度:,2)铰制孔用螺栓联接的强度,剪切强度:,挤压强度:,2018/3/8,3)受轴向载荷的紧螺栓联接,螺杆的总受力 F2=F0+F ?,残余预紧力(residual pretightening force),2018/3/8,相对刚度尽可能取小些,推荐值为:金属垫片(或无垫片)0.2~0.3,皮革垫片0.7,铜皮石棉垫片0.8,橡胶垫片0.9。,2018/3/8,拉伸强度:,①??保证联接的紧密性,应使F1>0 有紧密性要求的:F1=(1.5~1.8)F 一般联接,载荷稳定:F1=(0.2~0.6)F 一般联接,载荷不稳定:F1=(0.6~1.0)F? 地脚螺栓:F1≥F,设计式:,说明,2018/3/8,②?对变载重要联接,应作疲劳强度校核,σ-1tc—螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限;,ψσ—试件的材料常数,碳素钢ψσ=0.1~0.2,合金钢ψσ=0.2~0.3;Kσ—拉压疲劳强度综合影响系数,kσ—有效应力集中系数εσ—尺寸系数S —安全系数,2018/3/8,4)受偏心载荷的紧螺栓联接,,2018/3/8,避免偏载的措施:①? 铸造出凸台;,③? 斜面用斜垫圈;,④? 采用球面垫圈。,②? 加工沉头座;,2018/3/8,五、螺栓组联接的设计,1、螺栓组的结构设计①? 轴对称的简单几何形状,2018/3/8,a、铰制孔螺栓,在载荷方向不要成排布置8个以上的螺栓。b、受弯矩或扭矩时,螺栓应布置在结合面的边缘上,使受力小。,c、同时受轴向、横向载荷时,用减载键、销、套筒等。,②??螺栓的受力合理,2018/3/8,③ 螺栓间有合理的间距、边距;,④ 同一圆周上的螺栓数目尽量取偶数,同一螺栓组中各螺栓的材料、直径、长度应一致;⑤ 避免螺栓受偏心载荷。,2018/3/8,2、螺栓组受力分析目的:找出受力最大的螺拴及所受力的大小假设:螺栓的材料、直径、长度、预紧力相同; 螺栓组的对称中心与接合面形心重合; 受载后结合面仍保持为平面。,2018/3/8,(1)受横向载荷的螺栓组联接,FΣ /z =F,f —接合面摩擦系数;i —接合面数目;z —螺栓数目;KS—防滑系数,KS=1.1~1.3。,,F0 f z i ≥FΣKS,2018/3/8,(2)受转矩的螺栓组联接,① 普通螺栓联接,不滑移条件,ri—第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心的距离。,f F0,f F0,2018/3/8,② 铰制孔螺栓组联接,F1,Fmax,,2018/3/8,(3)受轴向载荷的螺栓组联接,假设:底板是刚性 底板绕O—O翻转 螺杆和地基按各自的刚度拉伸和压缩。,F=FΣ /z,(4)受倾覆力矩的螺纹组联接,F1,Fmax,2018/3/8,①?计算受力最大螺栓的受力,最大外载荷:,,螺栓总拉力:,2018/3/8,② 考虑地基强度,受外载前地基的挤压应力:,M引起的最大应力:,近似取,左边不出现缝隙,右边地基不被压溃,[σp]—地基材料的许用挤压应力,2018/3/8,六、螺纹联接件的材料及许用应力,1、螺纹联接件的材料,常用材料:Q215、Q235,10、35、45等;冲击振动大的场合:40Cr、30CrMnSi等;特殊场合:1Cr13、CrNi2、H62等。国家标准规定: 螺纹联接件按材料的力学性能分等级: 螺栓、螺柱、螺钉从3.6~12.9分十个等级;,3.6的含义:抗拉强度σB:300MPa屈服强度σS :180MPa,螺母从4~12分七个等级。,标记的含义:保证最小应力的1/100,选用时:螺母的性能等级不低于螺栓的性能等级,2018/3/8,2、许用应力,螺纹联接件的许用拉应力:[σ]= σs/S螺纹联接件的许用剪应力:[τ]= σs/Sτ螺纹联接件的许用挤压应力: 钢: [σp] = σs/Sp 铸铁: [σp] = σB/Spσs、σB—联接件材料的屈服极限、强度极限;S、 Sτ 、Sp—安全系数。,2018/3/8,七、提高螺拴联接强度的措施,① 减少螺栓刚度Cb,1、降低应力幅,用腰状螺杆、空心螺杆,螺母下安装弹性元件,2018/3/8,②??增大被联接件刚度Cm,不用垫片,或用刚性较大垫片,③?减少螺栓刚度Cb、增大被联接件刚度Cm和增大预紧力并用。,2018/3/8,2、改善螺纹牙上载荷分布不均现象,螺栓和螺母的刚度和变形性质不同,造成螺纹牙上各圈的受力不均,第一圈螺纹牙承受约l/3的载荷,以后各圈依次递减,第8圈以后的螺纹几乎不受载。,2018/3/8,①??用受拉螺母悬置螺母,②?内斜螺母,环槽螺母,③ 内斜、环槽共用螺母,④??用钢丝螺套,2018/3/8,3、减小应力集中,增大过渡圆角、增加卸载槽、卸载过渡结构,采用球面垫圈,采用腰环结构,2018/3/8,4、采用合理的制造工艺,采用冷墩螺纹头部;滚压螺纹;冷作硬化表面。,2018/3/8,八、螺旋传动(helical drive),1、分类①? 按用途分传力螺旋(screw of transmission power),传导螺旋(screw of transmission motion),传递动力为主间歇工作速度不高需要自锁,调整螺旋(adjusting screw),传递运动为主连续工作速度较高传动精度和效率要高,调整、固定零件位置不经常转动,2018/3/8,②??按摩擦性质分,滑动螺旋(sliding screw),滚动螺旋(rolling screw),结构简单易于自锁摩擦阻力大传动效率低传动精度低,静压螺旋(pressure screw),结构复杂摩擦阻力小传动效率高,结构复杂摩擦阻力小传动效率高需供油系统,2018/3/8,2、滑动螺旋的结构和材料,①? 结构运动转变方式有:螺杆转动,螺母移动,机床进给丝杆,起重螺旋,螺母转动,螺杆移动螺母固定,螺杆转动及移动,螺杆固定,螺母转动及移动,2018/3/8,螺母结构,整体螺母——结构简单,但由磨损产生的轴向间隙不能补偿,只是用于精度要求较低的螺旋。组合螺母——结构复杂,但可以定期地调整,以消除轴向间隙,避免反向转动时的空行程。,剖分式螺母——结构复杂,但可以补偿旋合螺纹的磨损。滑动螺旋的螺纹类型有矩形、梯形和锯齿形。,,2018/3/8,②?材料,a、螺杆低速轻载:不经热处理的Q235、Q275、45;较高速重载:热处理的40Cr、65Mn、20CrMnTi;精密传导:热处理的9Mn2V、CrWMn、38CrMoAl。b、螺母一般传动:ZQSn10—l、ZQSn6—6—3重载低速:ZQAl9—4、ZHAl66—6—3—2重载调整:35、球墨铸铁低速轻载:耐磨铸铁大尺寸:钢或铸铁做外套,内孔浇铸青铜高速:钢或铸铁做外套,内孔浇铸巴氏合金。,2018/3/8,3、螺旋传动的设计计算,①?失效形式及校核内容主要失效形式:磨损校核:受力较大的传力螺旋:校核螺杆危险剖面及螺纹牙的强度;精密的传导螺旋:校核螺杆的刚度;长径比很大的螺杆:校核其稳定性;高速长螺杆:校核其临界转速;要求自锁的螺杆:校核其自锁性。,2018/3/8,②??耐磨性计算,工作面上的压力p:,A——螺纹承压面积( mm2);,,,,,,,d2——螺纹中径(mm);,h——螺纹工作高度(mm);,u——螺纹工作圈数,u=H/P H——螺母高度( mm ),P——螺距( mm );,F——轴向力(N);,2018/3/8,令 φ=H/d2,则 H=φd2,代入整理后得,矩形和梯形螺纹,h=0.5P,则,30o的锯齿形螺纹,h=0.75P,则,φ:整体螺母:φ=1.2~2.5; 剖分螺母,兼作支承螺母:φ=2.5~3.5; 传动精度高、载荷大、寿命长:φ=4。螺纹工作圈数不易超过10圈。,2018/3/8,③? 自锁条件,④? 螺杆的强度计算,式中:,F——轴向压力(N);A——危险剖面面积(mm2);WT——抗扭截面模量(mm3);T——扭矩(N·mm);[σ]——螺杆材料的许用应力(MPa)。,2018/3/8,⑤? 螺母螺纹牙的强度计算,剪切强度:,弯曲强度:,式中:b——牙根部的厚度(mm),,矩形螺纹b=0.5P,梯形螺纹b=0.65P,锯齿形螺纹b=0.75P;,l——弯曲力臂(mm) ,,,,2018/3/8,⑥??螺母外径与凸缘强度计算,a、b—b剖面拉伸应力,b、凸缘与底座接触表面挤压强度,考虑摩擦力,,螺母许用拉伸应力(Mpa),[σ]=0.83[σb],c、凸缘根部的弯曲强度,许用挤压应力(Mpa),[σp]=(1.5~1.7)[σb],2018/3/8,⑦??螺杆的稳定性验算,稳定条件:SSC=Fcr/F≥SS SSC——稳定性计算安全系数 SS ——稳定性安全系数,Fcr——螺杆临界压力 按λS=μl/i选用不同的公式:,传力:SS=3.5~5.0传导:SS=2.5~4.0精密或水平:SS>4,λs≥100,拉压弹性模数E=2.06×105 (Mpa),螺杆危险剖面的惯性矩(mm 4),2018/3/8,λs<100,且σB≥480 Mpa的优质碳钢,λs<100,且σB≥380 Mpa的普通碳钢,λs<40时,不必进行稳定性校核。,,2018/3/8,在λS=μl/i公式中: μ——螺杆长度系数,查表; l ——螺杆工作长度(mm) ,,i——螺杆危险剖面的惯性半径(mm),两端支承,取支点间的距离,一端螺母支承,支点取螺母中点;,2018/3/8,↑Ssc,稳定条件:SSC=Fcr/F≥SS,不满足此条件怎么办?,↑Fcr,,,增大螺杆小径d1,2018/3/8,九、螺纹的公差配合与检测,1、螺纹的公差原则影响螺纹互换性的主要因素是螺距误差、牙型半角误差和中径偏差。螺距误差体现为多个螺距的螺距累计误差。对联接螺纹,主要保证可旋合性和一定的联接强度,应采用包容原则来处理,即标准中只规定中径公差,而螺距误差和半角误差都由中径公差来综合控制。螺纹的大径和小径,主要是旋合时不发生干涉,标准对外螺纹大径和内螺纹小径规定了较大的公差值,对外螺纹小径和内螺纹大径没有规定公差值,只规定了保证旋合时不会发生干涉。,
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