1、第二篇 连 接,概 述,一、连接的目的：便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等。,二、连接的分类：,机械动连接：机器工作时，零部件之间可以有相对运动。例如：机械原理中，各种运动副之间的连接。,机械静连接：在机器工作中，不允许零部件之间存在相对运动的连接。,1、按连接的是否允许相对运动分,2、根据工作原理分：,形锁合连接：靠被连接件或附加固定零件的形状互相嵌合，使其产生连接作用。如铰制孔用螺栓连接、平键连接。,摩擦锁合连接：靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力阻止被连接件的相对运动、达到连接的目的。如受横行载荷的紧螺栓连接、过盈连接。,材料锁合连接：在指在被连接件间涂敷附加材料，
2、靠其分子间的分子力将零件连接在一起。如胶接、钎焊。,三、选择连接的依据：,不可拆连接：至少毁坏连接中的一部分才能拆开的连接。例如：铆接、焊接、胶接等。,可拆连接：不需毁坏连接中的任一零件就可拆开的连接，故多次装拆无损于其使用性能。例如：螺纹连接、键连接、销连接等。,3、根据是否具有可拆性分：,使用要求和制造要求。,第五章 螺纹连接和螺旋传动,螺纹连接： 紧固作用：要求保证连接强度； 紧密作用：要求连接的气密性。,螺旋传动： 传动作用，要求保证螺旋副的传动精度、效率和磨损寿命。,5-1 螺 纹,一、螺纹的形成 将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。取一平面图形，使它沿着螺旋线运动，运动
3、时保持此图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。,螺纹的分类,1、按平面图形的形状分：三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹等；2、按应用分：连接螺纹和传动螺纹；3、按几何参数分：公英制螺纹；4、按螺纹的旋向分：左旋螺纹和右旋螺纹；5、按螺旋线的数目分：单线螺纹和多线螺纹；6、按螺纹的位置分：内螺纹和外螺纹；7、按母体形状分：圆柱螺纹和圆锥螺纹。8、按螺距分：粗细牙螺纹；,二、螺纹的基本参数,大径d，小径d1，中径d2 线数n，螺距P，导程S 升角 ， 牙型角、牙侧角、接触高度h,h,5-2 螺纹连接的类型及标准连接件,一、螺纹连接的基本类型1. 螺栓连接： 普通螺栓连接：应用广泛，两被连接件不
4、太厚，便于从两边装配。 铰制孔用螺栓连接：受横向载荷。,普通螺栓连接,铰制孔用螺栓连接,2. 双头螺栓连接：被连接件之一较厚，常拆卸。,双头螺柱连接,3. 螺钉连接：不常拆卸。,螺钉连接,4.紧定螺钉连接,5.其它类型：,吊环螺钉,T形槽螺栓,地脚螺栓,二、标准螺纹连接件 螺栓：也应用于螺钉连接 双头螺柱： 螺钉、紧定螺钉：头部和尾部形状 螺母：外形 垫圈 ：形状和作用,一、预紧的目的1.提高连接的可靠性和紧密性；2.防止连接松动。,5-3 螺纹连接的预紧,预紧：使连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，称为预紧，所承受的力称为预紧力。,二、控制预紧力的方法,控制预紧力的方法：测力矩扳手、定
5、力矩扳手、测量螺栓伸长量,预紧要求：拧紧后螺纹连接件在预紧力的作用下产生的预紧应力不得超过其材料屈服极限的80。一般连接推荐值： 碳素钢：F0（0.60.7）SA1 合金钢：F0（0.50.6）SA1,对M12以下的螺栓，应注意控制预紧力，以防过载拉断。,三、拧紧力矩T,拧紧力矩,螺旋副摩擦阻力矩,螺母与支承面间摩擦阻力矩,5-4 螺纹连接的防松,一、螺纹连接松动的原因 1、冲击、振动和变载荷作用的场合； 2、高温或温度变化较大的场合。,二、螺纹连接防松的根本问题 在于防止螺旋副在受载时发生相对转动。,三、防松的方法 按工作原理可分为三类：（p71表5-3） 1、摩擦防松 2、机械防松 3、不
6、可拆卸防松（铆冲；粘接；焊接）,1、摩擦防松,自锁螺母防松,弹簧垫圈防松,对顶螺母防松,2、机械防松,止动垫片防松,止动垫片防松,串联钢丝防松,3.不可拆卸防松,焊接,铆冲,5-5 螺栓组连接的设计,工程中螺栓皆成组使用，单个使用极少。因此，必须研究螺栓组设计和受力分析。它是单个螺栓计算基础和前提条件。 螺栓组连接设计的步骤选布局、定数目、力分析、设计尺寸,（一）螺栓组连接的结构设计,目的：在于合理地确定连接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各个螺栓和连接结合面间受力均匀，便于加工和装配。,1、接合面的几何形状设计成轴对称的简单几何形状,布局要尽量对称分布，螺栓组中心与连接结合面形心重合（
7、有利于分度、划线、钻孔），以受力均匀。,2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷方向上成排地布置8个以上螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷。,3、螺栓的排列应有合理的间距、边距。 适当边距，有利于扳手装拆,4、分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4、6、8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和划线。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。,5、避免螺栓承受附加的弯曲载荷。,（二）螺栓组连接的受力分析,受力分析
8、的目的：,根据连接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及所受的力，以便进行强度计算。,几点假设：,A、所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；B、螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；C、受载后连接的接合面仍保持平面。,1、受横向载荷的螺栓组连接,特点：普通螺栓、铰制孔用螺栓皆可用，外载荷垂直于螺栓轴线、防滑普 通 螺 栓 受拉伸作用铰制孔螺栓受横向载荷剪切、挤压作用。单个螺栓所承受的横向载荷相等,z螺栓的数目,铰制孔用螺栓，工作剪力F ：,普通螺栓：,或,f接合面的摩擦系数，见表5-5；i接合面数；Ks防滑系数，Ks=1.11.3；,2、受转矩的螺栓组连接,（1）圆形接合面：单个螺栓所受
9、横向载荷,（2）矩形接合面,a)普通螺栓连接,由静平衡条件：,则各个螺栓所需的预紧力为：,连接件不产生相对滑动的条件为：,b)铰制孔用螺栓连接,由变形协调条件可知，各个螺栓的变形量和受力大小与其中心到接合面形心的距离成正比,由假设板为刚体不变形，工作后仍保持平面，则剪应变与半径成正比。在材料弹性范围内，应力与应变成正比,由静平衡条件：,3、受轴向载荷螺栓组连接,单个螺栓工作载荷为： F = F /z F轴向总载荷 z螺栓数目,F,4、受倾覆力矩的螺栓组连接,特点：M在通过x-x轴并垂直连接接合面的对称平面内。在铅直平面内，绕O-O回转，只能用普通螺栓。,底板左侧合力：,底板右侧合力：,F 的合
10、力和Fm的合力对O-O的力矩作用，与M平衡,取底板为受力对象，设单个螺栓工作载荷为Fi ，由静平衡条件：,受力最大螺栓的总载荷：,受倾覆力矩的螺栓组连接正常工作条件,正常工作条件：防止受压最大处被压碎及受压最小处出现间隙。,地基的相对刚度，取极限值1,连接接合面许用挤压应力，见表5-7,总设计思路：,实际使用中螺栓组连接所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合。计算时只要分别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷，然后按向量叠加起来，便得到每个螺栓的总工作载荷，再对受力最大的螺栓进行强度计算即可,螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形式）求单个螺栓的最大工
11、作载荷（判断哪个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求d1标准）全组采用同样尺寸螺栓（互换的目的）。,受复合载荷的螺栓组连接,横向荷载+轴向载荷+翻转力矩,横向载荷+旋转力矩,受复合载荷的螺栓组连接,5-6 螺纹连接的强度计算,单个螺栓的受载情况,螺栓的装配及承载情况,仅受预紧力作用的螺栓,紧螺栓,松螺栓连 接,紧螺栓连 接,铰制孔用螺栓连接,受轴向载荷螺栓连接,受横向载荷螺栓连接,普通螺栓连接,只能承受轴向载荷,螺栓的装配情况,受预紧力和工作载荷作用的螺栓,主要承受横向载荷,螺栓连接的失效形式及计算准则,1、失效形式A、螺栓杆和螺纹部分塑性变形或断裂；B、螺栓杆压溃或剪断。,2、计算准则A、受拉
12、螺栓：保证螺栓的静强度或拉伸疲劳强度；B、受剪螺栓：保证螺栓的挤压强度和剪切强度。,（一）松螺栓连接强度计算,如吊钩螺栓，工作前不拧紧，只有工作载荷F 起拉伸作用。,强度条件为：,验算公式,设计公式,F 工作拉力（N）d1 螺纹小径（mm）许用拉应力 N/mm2 (MPa),（二）紧螺栓连接强度计算,紧螺栓连接工作前有预紧力F0,工作前拧紧，存在拧紧力矩T1的作用,预紧力F0 产生拉伸应力,螺纹摩擦力矩T1产生剪应力,复合应力状态:,按第四强度理论，计算应力：,取tan 0.17， 1.041.08，tan0.05,1、仅承受预紧力的紧螺栓连接, 强度条件为：,承受横向工作载荷F,若f =0.
13、2，则：,c.减载键,为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力可采用如下减载装置：,a.减载销,b.减载套筒,2、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接,螺栓连接拧紧前,螺栓连接拧紧，承受工作载荷F,螺栓连接拧紧，在承受工作载荷前,承受轴向工作载荷的紧螺栓工作分析,螺栓总变形量,被连接件总变形量,F1称为残余预紧力,单个紧螺栓受力与变形关系,仅承受预紧力F0时：,螺栓受力变形,被连接接件受力变形,承受工作载荷F后：,紧螺栓连接需保证被连接件的接合面不出现缝隙，残余预紧力F10。,密封性连接， F1（1.51.8）F；一般性连接： F无变化，F1（0.20.6） F；F有变化，FR（0.61.0
14、） F ；地脚螺栓连接，F1F。,F2=F1+F,紧螺栓连接各力与连接刚度之间的关系,总载荷F2：,预紧力F0：,螺栓的相对刚度,或,螺栓工作的总载荷：F2=F1+F,根据螺栓受载情况求出工作载荷F,承受轴向载荷的紧螺栓计算过程,强度条件：,计算总拉伸载荷F2,根据工作要求选取残余预紧力F1,或：,承受轴向变载荷的紧螺栓强度计算,-1tc 螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限，MPa；试件的材料常数；K拉压疲劳极限综合影响系数；S 安全系数,常数,3、承受工作剪力的紧螺栓连接,螺栓杆与孔壁的挤压强度条件：,螺栓杆的剪切强度条件：,F螺栓所受的工作剪力，单位为N；d0螺栓剪切面的直径，单位为mm；Lm
15、in螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm； Lmin1.25d0p螺栓或孔壁材料的许用挤压应力，单位为MPa；螺栓材料的许用切应力，单位为MPa。,5-7 螺纹连接件的材料及许用应力,一、螺纹连接件的材料,二、螺纹连接件的许用应力,1、许用拉应力,2、许用切应力及许用挤压应力,5-8 提高螺纹连接强度的措施,（一）降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,工作载荷在F在0 F 间变化，螺栓总拉伸载荷F2的变化范围为F0 ,减小螺栓相对刚性,减小Cb及增大Cm,1、减小螺栓刚度Cb,A.减小螺栓光杆部分直径；B.采用空心螺杆；C.增加螺栓的长度。,2、增大被连接件的刚度Cm,A.采用金属垫片；B.采用O
16、形密封圈。,（二）改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,环槽螺母,内斜螺母,（三）减小应力集中的影响,避免或减小产生附加弯曲应力,结构上：凸台、沉头座、斜面垫圈、球面垫圈,（四）采用合理的制造工艺方法,1.用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高3040% 2.冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度3.热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70100 %，此法具有优质、高产、低消耗功能,5-9 螺旋传动,特点： 1.传动比大，能得到较大的轴向推力； 2.精度高，能准确地调整直线运动的距离和位置； 3.易实现自锁； 4.效率较低，适于中小功率传动。,一、螺旋传动的应用和类
17、型,1、应用,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变为直线运动或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。,常用的传动形式： a)螺杆转动螺母移动（机床的进给机构） b)螺杆既转动又移动（螺母固定）用得多 （螺旋起重器或螺旋压力机） c) 螺母转动螺杆移动 d) 螺母既转动又移动（螺杆固定）用得少,2、螺旋传动类型,A、按用途分三类： 1）传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋 特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁 2）传导螺旋机床进给丝杠，传递运动和动力 特点：速度高、连续工作、精度高 3）调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。 特点：受力较小且不经
18、常转动,B、螺旋传动按螺旋副的摩擦性质分：,优点：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁；,1）滑动螺旋：,缺点：磨损快、寿命短，摩擦损耗大，传动效率低（3040%）传动精度低。,2）滚动螺旋传动摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。,优点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。,3）静压螺旋液体摩擦，
19、靠外部液压系统提高压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油缸，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开。,特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，无爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长。但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构。,二、滑动螺旋的结构和设计,1、滑动螺旋的结构,主要指螺杆、螺母的固定和支承的结构形式。,螺母的结构形式：整体螺母：结构简单，但磨损后的轴向间隙不能补偿；组合螺母：可以消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损；剖分螺母：结构复杂。,2、螺杆和螺母的材料,螺杆材料要求：足够的强度和耐磨性。,螺母材料要求：足够的强度，与螺杆材料配合时摩擦系
20、数小。,1、耐磨性计算,滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式，它会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。 磨损的影响因素：工作面的压力，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态。 耐磨性计算主要限制螺纹工作面上压力 p要求小于材料的许用压力 p。,三、滑动螺旋的设计计算,耐磨性条件：,设计公式：,u螺纹的工作圈数，u=H/P,令：,矩形和梯形螺纹：,30锯齿形螺纹：,值参见p97p值见表5-12,自锁性验算,2、螺杆的强度计算,螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）F与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用。 按弯扭复合强度条件计算第四强度理论,3、螺母的螺纹牙强度计算,由于螺母材料的强度通
21、常低于螺杆材料的强度，因此螺纹牙受剪和弯曲均在螺母上。将螺母一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力F/u作用在中径d2的圆周上。,螺纹牙根部危险剖面的弯曲强度条件为：,剖面 -的剪切强度条件为：,4、螺杆的稳定性计算,当螺杆较细长且受较大轴向压力时，可能会侧向弯曲而丧失稳定性。螺杆所承受的轴向力F小于其临界载荷Fca。,Sca螺杆稳定性的计算安全系数；Ss螺杆稳定性安全系数；Fca螺杆的临界载荷；,作 业,P101：5-4、5-5、5-6、5-8、5-9,5-11（大作业）要求：1、完成计算说明书一份；2、完成A2图纸一份。参考资料：1、机械设计教材；2、机械设计课程设计图册。,铰制孔用螺栓连接,键与轴,锯齿形螺纹,三角形螺纹,矩形螺纹,梯形螺纹,螺纹的线数和旋向,松螺栓连接,轴向载荷F,轴向载荷F,横向载荷F,横向载荷F,
