機(jī)械設(shè)計-課件第五章-螺栓連接和螺旋傳動

第9課第二篇連接本篇所應(yīng)掌握的內(nèi)容：常用的連接方法：螺栓連接、鍵連接、銷釘連接。有關(guān)連接的零件的結(jié)構(gòu)、類型、性能及使用場合。設(shè)計理論及選用方法。連接的分類兩零件的相對固定依靠各種結(jié)構(gòu)和工藝措施來保證，這種措施稱為連接。連接分為兩大類：靜連接：被連接件不允許產(chǎn)生相對運動的連接，稱為靜連接。靜連接又可分為：〔1〕、可拆連接：指可以無損傷地拆開被連接件。常見的有螺栓連接、鍵連接及銷連接等，其中前兩種應(yīng)用最廣泛。〔2〕、不可拆連接：是指至少必須毀壞連接中的某一局部才能拆開的連接。常見的有鉚釘連接、焊接、膠接等。動連接：指被連接的零、部件間可以有相對運動的連接。如變速器中滑移齒輪與花鍵軸的連接。本篇的重點：螺紋連接和鍵連接。而軸與軸連接，習(xí)慣上列入連軸器中。連接類型的選擇一般地來講，采用不可拆連接，多出于制造和經(jīng)濟(jì)上的原因；采用可拆連接，那么多出于結(jié)構(gòu)、安裝、運輸、維護(hù)等原因。具體選擇時，應(yīng)考慮：零件的加工條件，以及零件材料、形狀、尺寸。如板件與板件的連接，多用螺紋連接、焊接、鉚接或膠接；桿件與桿件的連接，多用螺紋連接或焊接；軸與輪轂的連接，多采用鍵、花鍵連接或過盈連接等。設(shè)計連接時，考慮的因素：強(qiáng)度：既要滿足連接的工作要求，又要保證連接零件本身的強(qiáng)度。影響連接強(qiáng)度的主要因素，一是特殊情況的過載；二是載荷集中，即載荷在各連接件上的分配情況；還有一個是應(yīng)力集中，即應(yīng)力在各連接件中的危險截面或工作面上分布不均。措施：〔1〕、從結(jié)構(gòu)、制造和裝配工藝上采取改善措施；〔如減少應(yīng)力集中、保證配合精度、對中良好〕；〔2〕、多個危險剖面中，由最薄弱的部位來決定其工作能力；〔3〕、使連接的強(qiáng)度接近和等于被連接件的強(qiáng)度。剛性經(jīng)濟(jì)性等第五章螺紋連接和螺旋傳動螺紋連接和螺旋傳動都是利用螺紋零件工作，但二者的工作性質(zhì)卻有所不同，技術(shù)要求也有差異。螺紋連接作為緊固件來用，要求保證連接強(qiáng)度；螺旋傳動作為傳動件來用，要求保證螺旋副的傳動精度和使用壽命?！?-1螺紋在機(jī)械制圖中，已對螺紋和螺紋連接件有過介紹。螺紋連接是一種應(yīng)用非常廣泛的可拆連接，其根本要素是螺紋。類型按結(jié)構(gòu)分，螺紋分為：內(nèi)螺紋，外螺紋。內(nèi)、外螺紋共同組成螺旋副。按所起作用分，螺紋又分為：連接螺紋，傳動螺紋。按螺距〔以每英寸牙數(shù)來表示〕來分，螺紋又分為：米制螺紋，英制螺紋〔在我國，管螺紋還保存英制〕。按國家標(biāo)準(zhǔn)，螺紋又有標(biāo)準(zhǔn)螺紋和非標(biāo)準(zhǔn)螺紋之分。按母體的形狀，螺紋又分為：圓柱螺紋，圓錐螺紋。按螺紋的旋向，螺紋有左旋和右旋之分。其中，右旋螺紋常用。(1)軸線垂直放，右邊高—右旋左邊高—左旋(2)右手旋，前進(jìn)—右旋左手旋，前進(jìn)—左旋按螺紋的牙型，螺紋又分為：三角形；矩形；梯形；鋸齒形；其他特殊形狀。按螺旋線的數(shù)目，可分為：單線、雙線、三線等。其中單線螺紋多用于連接，其它多用于傳動。常用的螺紋的類型，主要有：〔1〕、普通螺紋這種螺紋應(yīng)用廣泛，是米制三角形螺紋，牙型角α=60°，因其牙型斜角β==60°，較大，故當(dāng)量摩擦系數(shù)也較大，自鎖性能好，主要用于連接。普通螺紋有粗牙和細(xì)牙之分，一般用粗牙螺紋。當(dāng)公稱直徑相同時，粗牙與細(xì)牙螺紋相比，細(xì)牙的螺距較小，牙細(xì)，內(nèi)徑和中徑較大，升角較小。因此，自鎖性好，對螺紋零件的強(qiáng)度削弱也小，但它在磨損后容易滑絲。細(xì)牙螺紋用于薄壁和細(xì)小零件上或承受變載、沖擊、振動的連接中。〔2〕、管螺紋它是一種用于管件連接的緊密螺紋，最常用的是圓柱管螺紋。目前，通用的管螺紋是英制細(xì)牙三角形螺紋，牙型角α=55°。作用時，內(nèi)、外螺紋間無徑向間隙，連接緊密，其公稱直徑近似為管子內(nèi)徑。此外，還有圓錐管螺紋，這種螺紋可以不用填料而靠牙的變形來保證螺紋副的緊密性，通常用于高溫及高壓等緊密性要求高的場合。〔3〕、矩形螺紋其牙型多為正方形，牙型斜角，所以當(dāng)量摩擦較小，高。其缺點是：精制困難，內(nèi)、外螺紋對中性差，牙根強(qiáng)度較低，故常被梯形螺紋所代替?！?〕、梯形螺紋牙型角，傳動效率比矩形螺紋稍低，但工藝性好，牙根強(qiáng)度高，對中性好。這種螺紋在螺旋傳動中應(yīng)用比擬廣泛?！?〕、鋸齒形螺紋這種螺紋工作面的牙型斜角，非工作面的牙型斜角。它綜合了矩形螺紋傳動效率高和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的特點。它的對中性好，用于單向受力的傳力螺旋。主要參數(shù)以圓柱普通螺紋的外螺紋為例。見P61圖5-1所示。外徑〔或稱大徑〕；螺紋的最大直徑，即外螺紋牙頂圓柱的直徑，它是螺紋的公稱直徑。內(nèi)徑〔或稱小徑〕：指螺紋的最小直徑，即內(nèi)螺紋牙頂圓柱的直徑。在強(qiáng)度計算中，常作為螺桿危險截面的計算直徑。中徑：它是確定螺紋幾何參數(shù)和配合性質(zhì)的直徑，近似等于螺紋的平均直徑。線數(shù)：指螺紋螺旋線的數(shù)目。n=1，為單線螺旋；n=2，為多線螺紋；為了便于制造，一般。螺距：指相鄰兩螺紋牙平行側(cè)面間的軸向距離。導(dǎo)程：指同一螺紋上相鄰兩螺紋牙平行側(cè)面間的軸向距離。對單線螺紋，；對多線螺紋，。升角：指直徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。通常，按螺紋中徑出計算，即：牙型角：指軸向剖面內(nèi)，螺紋牙形兩側(cè)邊的夾角。牙型斜角〔或牙側(cè)角〕：指軸向剖面內(nèi)，螺紋牙形一側(cè)邊與徑向直線間的夾角。10、接觸高度：指內(nèi)、外螺紋旋合后的接觸面的徑向高度。11、螺旋副自鎖條件：，——當(dāng)量摩擦角12、螺旋副的傳動效率：。對于各種管螺紋的幾何參數(shù)，查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?！?-2螺紋連接的類型和標(biāo)準(zhǔn)連接件使用螺紋和螺紋連接件來實現(xiàn)的連接稱為螺紋連接。這類連接結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、工作可靠，因此在各個工業(yè)部門中都有應(yīng)用。下面來介紹有關(guān)螺紋連接的一些知識。類型、特點及應(yīng)用場合螺栓連接：〔1〕、結(jié)構(gòu)：①、普通螺栓連接〔其結(jié)構(gòu)一般有兩種，見P62圖5-2a〕〕此種連接使用廣泛。②、鉸制孔用螺栓連接〔見圖5-2b〕〕〔2〕、特點：無須在被連接件上切制螺紋，因此不受被連接件材料的限制，構(gòu)造簡單，裝拆方便；用于通孔，并能從連接的兩邊進(jìn)行裝配的場合。對普通螺栓連接，孔與螺栓桿多用的是基孔制過渡配合。如、等。能精確固定被連接件的相對位置，且能承受橫向載荷，但是孔的加工精度要求高。雙頭螺栓連接：其結(jié)構(gòu)見圖5-3a)。雙頭螺栓旋緊在被連接件之一的螺孔中，用于因結(jié)構(gòu)限制不能用螺栓連接的場合或希望結(jié)構(gòu)較為緊湊的場合。螺釘連接：其結(jié)構(gòu)見圖5-3b)。特點：不用螺母，重量較輕，螺釘直接擰入被連接件的螺紋孔中，結(jié)構(gòu)上比雙頭螺栓簡單，但如果經(jīng)常拆卸的話會使螺孔損壞，故多用于受力不大或不需經(jīng)常拆裝的場合。緊定螺釘連接：其結(jié)構(gòu)見P63圖5-4。特點：緊定螺釘旋入一零件的螺紋孔中，并且螺釘末端頂住另一零件的外表或頂入相應(yīng)的凹坑中，以固定兩零件的相對位置，并可傳遞不大的力或轉(zhuǎn)距。特殊結(jié)構(gòu)的連接：用地腳螺栓連接將機(jī)座或機(jī)架固定在地基上；裝在機(jī)器或大型零、部件頂蓋上或外殼上便于起吊用的吊環(huán)螺釘連接；再如用于工裝設(shè)備中的T型槽螺栓連接。標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接：在機(jī)械制造中常見的螺紋連接件：螺栓、雙頭螺栓、螺釘、螺母、墊圈等均以標(biāo)準(zhǔn)化，看P64～65。§5-3螺紋連接的預(yù)緊概述定義：在實用上，絕大多數(shù)螺紋連接在裝配時都必須擰緊，在承受工作載荷之前，使連接預(yù)先受到力的作用。這就是螺紋連接的預(yù)緊。而這個預(yù)緊作用力，就稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的：〔1〕、防止連接在工作中松動；〔2〕、確保連接在受到工作載荷后，仍能使被連接件的結(jié)合面具有足夠的緊密性，如氣缸、管路凸緣的連接等；〔3〕、在被連接件的接合面間產(chǎn)生正壓力，以便當(dāng)連接零件受到橫向載荷時，保持被連接件間不產(chǎn)生相對滑移；〔4〕、對受拉螺紋連接，可提高螺栓的疲勞強(qiáng)度；對受剪螺紋連接，有利于增大連接中的摩擦力。經(jīng)驗證明：適當(dāng)?shù)剡x用較大的預(yù)緊力對螺紋連接的可靠性及連接件的疲勞強(qiáng)度有利，尤其是對內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋、管路凸緣、齒輪箱、軸承蓋等這些緊密性要求較高的螺紋連接，預(yù)緊就更為重要。預(yù)緊力的推薦值：設(shè)計及裝配緊螺栓連接時，應(yīng)使其具有足夠的預(yù)緊力，以確保連接的可靠性。預(yù)緊力過小，將使接合面在外載荷作用下松動；但過大，又會使螺栓在裝配過程中或偶然過載情況下拉斷。因此，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工作需要，并在螺栓強(qiáng)度條件允許的前提下，選用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力。通常規(guī)定：擰緊后螺紋連接件的預(yù)緊應(yīng)力材料的屈服極限?！?〕、一般連接用的鋼制螺栓連接的預(yù)緊力：碳素鋼螺栓：預(yù)緊力；〔0.6～0.7〕；合金鋼螺栓：〔0.5～0.6〕；——螺栓危險截面的面積，〔2〕、對于重要或者有特殊要求的螺栓連接，應(yīng)根據(jù)載荷性質(zhì)、連接剛度等具體工作條件，確定適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，其值在圖上注明，裝配時嚴(yán)格控制。受變載荷的受靜載荷的。擰緊力矩與預(yù)緊力的關(guān)系：預(yù)緊力的大小，通過擰緊力矩來控制：由機(jī)械原理可知，擰緊力矩等于螺旋副間的摩擦阻矩和螺母環(huán)形端面與被連接件支承面的阻力矩之和，即：——擰緊力矩系數(shù)式中：——螺紋升角，當(dāng)是M10～M68的粗牙普通螺紋，～，——螺紋中徑，；——螺釘孔直徑，；——螺母支承面的外徑，；——螺紋的公稱直徑；——螺紋的當(dāng)量摩擦角，，無潤滑時，～0.2；——螺母〔或釘頭〕與被連接件的支承面的摩擦系數(shù)，對加工過的金屬外表無潤滑時，可取。對于標(biāo)準(zhǔn)螺紋件和常見的摩擦狀況，值常在0.1～0.3之間，一般可取=0.2，即；假設(shè)對一定直徑d的螺栓，當(dāng)，即可確定扳手的擰緊力矩。一般扳手長，而，那么，得，為擰緊力。例如，，那么，這個力很容易將M121.6級的鋼制螺栓擰斷，因此，對重要的連接，應(yīng)盡量不采用直徑小于12mm～16mm的螺栓，如果使用小直徑螺栓，必須嚴(yán)格控制擰緊力矩。第10課§5-4螺紋連接的防松螺紋連接的自動松脫：螺紋連接的自鎖：螺紋連接一般采用單線普通螺紋連接，通過對螺紋副中摩擦情況的研究，知道當(dāng)螺紋升角小于或等于螺紋副間的當(dāng)量摩擦角，即，螺紋副即具有自鎖能力。實驗證明，有潤滑的一般三角形螺紋副間的當(dāng)量摩擦角()。所以，用于連接的單頭粗牙或細(xì)牙三角形螺紋，為了保證自鎖，一般取螺紋升角≤，標(biāo)準(zhǔn)的螺紋連接件的升角那么取為～。此外，螺母、螺栓頭在擰緊后，與被連接件相接觸的外表間也有摩擦力存在，因而更增加了連接抵抗松脫的能力。自動松脫的條件根據(jù)前面的分析，似乎只要采用標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件的連接，就能保證自鎖而不松脫了。但看問題要從各個方面看：有自鎖性的連接，是因為螺紋副間保持有足夠阻止相對運動的摩擦阻力，這種摩擦阻力只有在靜載荷作用下才不會發(fā)生變化?！?〕、當(dāng)連接受到振動、沖擊和變載荷作用時，螺紋副之間和支承面之間的摩擦力可能瞬時消失，經(jīng)屢次重復(fù)后，連接可能松動甚至松開；〔2〕、在高溫或溫度變化大的情況下，螺栓和被連接件的材料會發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，會使連接中的預(yù)緊力和摩擦力逐漸減小，最終導(dǎo)致連接失效。危害：機(jī)器中連接的松脫，輕者會造成工作不正常，重者會引起嚴(yán)重事故。防松：防松的根本問題，在于防止螺母相對于螺桿轉(zhuǎn)動。防松方法從工作原理來看，防松的方法可分為靠摩擦力防松；機(jī)械方法防松；永久止動。靠摩擦力防松這種防松方法就是設(shè)法使螺紋副間，不管連接所受的載荷怎樣變化，總有一定的防止螺紋副相對轉(zhuǎn)動的摩擦阻力矩存在，也就是要保證在任何情況下，螺紋副間都存在著正壓力。這種正壓力可以通過使螺紋副沿軸向或橫向張緊來產(chǎn)生。具體方法舉例：〔1〕、雙螺母〔或?qū)斅菽浮撤浪煽碢68表5-3。在螺桿的伸出端連續(xù)擰上兩個螺母。由于兩個螺母對頂著擰緊，使兩個螺母相互受壓，而與螺母相旋合的那段螺桿那么受拉，所以可在旋合的螺紋牙支承面始終保持一個幾乎不變的正壓力，當(dāng)螺母有松退的趨勢時，就會產(chǎn)生足夠的摩擦阻力矩，從而到達(dá)防松目的。用雙螺母防松在載荷劇烈變化時，仍不十分可靠，而且螺桿增長，螺母又多用一倍，故結(jié)構(gòu)尺寸與重量都要增加，所以目前應(yīng)用漸少?！?〕、彈簧墊圈防松利用墊圈的彈性變形，使螺紋副軸向張緊，墊圈的斜口尖端的抵擋作用也有助于防松。注意：墊圈的開口方向——從左上往右下斜。這種墊圈使用方便，應(yīng)用普遍。但在沖擊、振動很大的情況下，防松效果并不十分可靠?！?〕、自鎖螺母防松自鎖螺母類型很多，書上只舉其一例。這種螺母上部帶槽的局部有少許收口，所以螺孔的中徑稍小于螺桿中徑。當(dāng)螺桿擰入螺母時，收口脹開，利用收口彈力壓緊螺紋。用機(jī)械方法防松這種防松的原理是利用便于更換而又價廉的制動元件限制螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。這種方法可靠，形式也多。如開口銷，槽形螺母、止動墊圈、串連鋼絲等，串連鋼絲使用時，注意鋼絲穿入方向與擰緊方向。永久止動永久止動是在螺栓連接裝好后，利用沖頭在螺栓端部或與螺母的旋合縫處打沖的方法防松，甚至還有用焊死旋合縫的方法來防松。這種方法顯然是可靠的而又簡單的。但因連接以變成不可拆連接，所以，只有在裝配后不再拆開的情況下才能使用。此外，還有粘合法防松。在螺紋旋合外表涂以液體密封膠〔比方厭氧性粘合劑〕，擰緊螺母，當(dāng)粘合劑硬化后，螺紋副及緊密粘合，防松效果良好?！?-5螺栓組連接的設(shè)計絕大多數(shù)情況下，螺紋連接件都成組使用，其中以螺栓組連接最具有典型性。設(shè)計準(zhǔn)那么根據(jù)連接用途和被連接件的結(jié)構(gòu)，來選定螺栓數(shù)目和布置形式；根據(jù)連接的工作載荷，來分析各螺栓的受力情況；如果各螺栓受力不均，按受力最大的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計算，確定螺紋連接的結(jié)構(gòu)尺寸。對于重要的連接，根據(jù)強(qiáng)度條件校核；對一般的螺栓連接，用類比法確定螺紋連接的結(jié)構(gòu)尺寸。結(jié)構(gòu)設(shè)計目的：結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的，在于：合理確定連接結(jié)合面的幾何形狀；螺栓的布置形式，力求各螺栓和連接結(jié)合面受力均勻，便于加工和裝配。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的問題：〔1〕、接合面形狀應(yīng)與機(jī)器結(jié)構(gòu)形狀相適應(yīng)。通常設(shè)計成軸對稱的簡單幾何形狀。這樣，螺栓組對稱中心與結(jié)合面形心重合，保證接合面受力均勻?！?〕、螺栓布置，應(yīng)使各螺栓的受力合理。①、鉸制孔用螺栓連接，不能在平行于工作載荷的方向上，成排布置八個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均勻；②、螺栓連接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時，螺栓位置應(yīng)適當(dāng)靠近連接結(jié)合面的邊緣，以減小螺栓的受力；③、當(dāng)同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，應(yīng)采用銷、鍵、套筒來承受橫向載荷，以減小預(yù)緊力和結(jié)構(gòu)尺寸?！?〕、螺栓排列應(yīng)有合理的間距、邊距：螺栓軸線間的距離及螺栓軸線與機(jī)體壁間的最小距離，根據(jù)扳手所需活動空間大小而定；對壓力容器等緊密性要求較高的重要連接，螺栓間距按標(biāo)準(zhǔn)布置?！?〕、分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成4、6、8等偶數(shù)。這樣，在圓周上鉆孔、劃線時方便，同組螺栓采用同材料、直徑和長度應(yīng)相同。〔5〕、防止螺栓偏心受載：除了要在結(jié)構(gòu)上設(shè)法保證載荷不偏心外，在工藝上還保證被連接件、螺母和螺栓頭部的支承面平整，并且與螺栓軸線相垂直。在鑄件、鍛件等粗糙外表上安螺栓時，應(yīng)制出凸臺或沉頭座；當(dāng)支撐面為斜傾外表時，應(yīng)采用斜面墊圈等?！?〕、合理考慮防松裝置。螺栓組連接的受力分析目的：進(jìn)行螺栓組連接受力分析的目的，是根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出螺栓的受力，以便進(jìn)行螺栓連接的強(qiáng)度計算。所求得螺栓的受力：或者為所求得預(yù)緊力；或者為應(yīng)傳遞的工作拉力或剪力。假設(shè)條件：為了簡化計算，在分析螺栓組連接的受力時，先假定：〔1〕、所有螺栓的材料、直徑、長度和預(yù)緊力均相同；〔2〕、螺栓組的對稱中心與連接結(jié)合面的形心重合；〔3〕、受載后，連接結(jié)合面仍保持為平面，即結(jié)合板是剛性的。下面，針對幾種典型的受載情況，分別加以討論。受力分析〔1〕、受軸向載荷的螺栓組連接。見掛圖一，一受軸向總載荷載作用的汽缸蓋螺栓組連接。此載荷的作用線與螺栓軸線平行，且通過螺栓組對稱中心，即結(jié)合面的形心。所有幾個螺栓在氣缸蓋上均勻布置。計算時，認(rèn)為各螺栓平均受載，那么每個螺栓所受的軸向工作載荷為：在此，需要注意的是：各螺栓除了承受軸向工作載荷外，還受預(yù)緊力的作用。各螺栓在工作時的總拉力，并不等于預(yù)緊力與工作載荷之和，即：，而是：其中：—螺栓的相對剛度。此公式有關(guān)推導(dǎo)，將在后面第六節(jié)有關(guān)“緊螺栓連接強(qiáng)度計算”講述。〔2〕、連接受橫向載荷看書上78頁圖5-22，一n個螺栓組成的螺栓組連接承受橫向載荷。載荷的作用線與螺栓軸線相垂直，且通過螺栓組對稱中心。此連接，可以用裝配后的螺栓桿與釘孔壁間有間隙的普通螺栓連接，也可以用螺栓桿與釘孔壁間無間隙的鉸制孔用螺栓連接。假設(shè)每個螺栓連接出需要傳遞的載荷相等。①、采用鉸制孔用螺栓連接時：靠螺桿受剪切與擠壓來承當(dāng)橫向載荷，忽略摩擦力的影響。那么每個螺栓連接承受的工作載荷為：，——螺栓數(shù)目②、采用普通螺栓連接時：橫向載荷，靠連接預(yù)緊后，在被連接件間接合面產(chǎn)生的摩擦力來平衡。要保證連接預(yù)緊后，接合面產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。即其平衡條件為：式中：——每個螺栓所需的預(yù)緊力：——被連接件接合面間的摩擦系數(shù)；——接合面數(shù)；在例圖中，i=2?！阑禂?shù)，其值～，個別情況下，達(dá)1.5。求出預(yù)緊力后，再校核其危險剖面的拉伸強(qiáng)度?！?〕、受扭矩作用的螺栓組連接看P79圖5-23，扭矩作用于接合面內(nèi)。在扭矩的作用下，底板將繞通過螺栓組對稱中心，并與結(jié)合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動。①、連接類型：為防止底板轉(zhuǎn)動，可以采用普通螺栓連接；也可以采用鉸制孔用螺栓連接。②、分析計算：ⅰ、采用普通螺栓連接時：與受橫向載荷的連接一樣，連接所受的工作扭矩是借接合面間所產(chǎn)生的摩擦阻力矩來平衡的。因各螺栓均受同樣的預(yù)緊力，計算時可以為在各螺栓處所產(chǎn)生的臨界摩擦阻力都一樣。設(shè)此摩擦力集中作用在螺栓中心處，其方向與力臂〔即各螺栓軸線到螺栓組對稱中心的連線〕相垂直，阻止接合面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。由力矩平衡條件，得：即：那么，得各螺栓所需預(yù)緊力為：式中：——接合面摩擦系數(shù)：——第i個螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；——防滑系數(shù)；——螺栓數(shù)目。求出預(yù)緊力后，在按式，來校核強(qiáng)度。采用鉸制孔用螺栓連接仍與受橫向載荷時一樣，連接承受工作扭矩時，各螺栓受剪切和擠壓作用，且各螺栓所受工作剪力與力臂〔即該螺栓的中心線到螺栓組對稱中心點O的距離〕相垂直。由力矩平衡條件，得：即：因底板是剛性的，接合面受載后仍保持為平面，那么，各螺栓的剪切變形量與力臂成正比。因各螺栓的材料、直徑、長度均相同，所以各螺栓的剪切剛度相同，因此，各螺栓所受的工作剪力也與力臂成正比。即：，得：代入，得：那么，得：式中：——受力最大螺栓的工作剪力；——受力最大螺栓軸線到螺栓組對稱中心的距離；——第i個螺栓所受的橫向工作剪力；——第i個螺栓軸線到螺栓組對稱中心的距離。〔4〕、連接受傾覆力矩①、首先來看什么是傾覆力矩。看圖四,一受傾覆力矩的底板螺栓組連接。所謂傾覆力矩，它是使：ⅰ、作用在通過軸，并垂直于連接接合面的對稱平面內(nèi)；ⅱ、使底板有繞螺栓組對稱中心傾轉(zhuǎn)趨勢。這樣的力矩就叫傾覆力矩。②、假定條件：在前面，已經(jīng)假定:底板是剛性的，傾轉(zhuǎn)時不變形，仍保持為平面；所有螺栓的材料、直徑及長度相同，即拉伸剛度相同。在此，我們再假設(shè)：與底板相連的被連接件——地基及螺栓是彈性體，有一定的彈性。③、分析：ⅰ、底板在承載前，由于螺栓組的擰緊，螺栓受預(yù)緊力作用。地基是均勻壓縮的，而各螺栓均勻伸長；ⅱ、底板承受傾覆力矩后，繞著軸線順時針傾轉(zhuǎn)一個角度，但底板仍保持為平面。那么，在軸線的左側(cè)：地基被放松，而螺栓被進(jìn)一步拉長，即左邊螺栓受到工作拉力的作用；在軸線O-O右側(cè)：地基被進(jìn)一步壓縮，而螺栓被放松，即右邊螺栓的預(yù)緊力將減小。對底板而言，軸線左側(cè)螺栓對底板的壓力增大，右側(cè)地基對底板的反力以同為了阻止底板傾轉(zhuǎn)，必須使軸線左側(cè)各螺栓和右側(cè)地基支承面作用在底板上對于軸線的反力矩之和=傾覆力矩。樣大小增大。這些拉伸與壓縮的變形量均與螺栓軸線到軸線的距離成正比。即：注意：翻轉(zhuǎn)軸線上的那幾個螺栓〔圖中的第3、第8螺栓〕不受工作拉力，預(yù)緊力也不減小。由于各螺栓拉伸剛度相同，所以各螺栓的工作拉力也與離軸線的距離成正比，即：代入上式，得：，得：在例圖中，距底板翻轉(zhuǎn)軸線距離最遠(yuǎn)的左邊兩個螺栓1、10受工作拉力最大，所受的工作拉力為：此外，各螺栓還受到預(yù)緊力的影響。④、討論：對于受傾覆力矩M作用的螺栓組連接，除了要求出受力最大的螺栓所受的總拉力，對單個螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計算外，還要通盤考慮接合面的問題，往往要對它進(jìn)行驗算。受力最大的螺栓所受的總拉力為：強(qiáng)度計算公式：式中：——最大工作載荷；——預(yù)緊力；——螺栓的相對剛度；——螺紋小徑，即螺桿危險截面的計算直徑。以例圖所示的受力情況為例，還應(yīng)該校核接合面最右端邊緣出的抗擠壓強(qiáng)度〔因為此處擠壓應(yīng)力最大〕；以及校核接合面最左端邊緣處的剩余擠壓應(yīng)力是否足夠〔如果無密封要求，該處的最小擠壓應(yīng)力只需，也就是連接在受傾覆力矩作用時，接合面不致出現(xiàn)縫隙即可〕。假設(shè)不考慮預(yù)緊力的變化，那么：eq\o\ac(○,ⅰ)、結(jié)合面最右端的最大擠壓應(yīng)力及強(qiáng)度條件為：令，代表地基接合面在受載前因預(yù)緊力而產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力；令△，代表因加載而在地基接合面上產(chǎn)生的附加擠壓應(yīng)力的最大值。那么有：△eq\o\ac(○,ⅱ)、結(jié)合面最左端的最小擠壓應(yīng)力及保證結(jié)合面不別離的條件為：=△式中：——每個螺栓所受的預(yù)緊力；——連接的螺栓數(shù)目；——接合面的有效面積；——接合面的有效抗彎截面系數(shù)；——接合面的許用擠壓應(yīng)力，Mpa。計算接合面的面積A和抗彎截面系數(shù)時，銷孔削弱面積與接合面相比很小，所以一般可忽略不計?！?〕、組合受力情況實際連接中，螺栓組所受的工作載荷常常是以上四中簡單狀態(tài)的不同組合。此時，應(yīng)根據(jù)具體情況作具體分析。一般而論，可按軸向載荷及傾覆力矩來決定螺栓上的工作載荷，按橫向載荷與扭矩來決定作用于連接的預(yù)緊力，然后決定作用于螺栓的總載荷。第11課§5-6單個螺栓連接的強(qiáng)度計算根據(jù)螺栓組連接的受力分析，可求出一組螺栓中受力最大的螺栓的工作載荷。所以整組螺栓的強(qiáng)度計算可歸結(jié)為對此受力最大的螺栓進(jìn)行強(qiáng)度計算。而螺栓的受力不外乎軸向力及橫向力兩種，因此，單個螺栓的強(qiáng)度計算就按此兩種情況進(jìn)行分析和計算。在對螺栓連接進(jìn)行強(qiáng)度計算時，螺母及墊圈不必另作強(qiáng)度計算，只需按所得出的螺栓公稱直徑選擇它們的標(biāo)準(zhǔn)件即可。失效形式受拉螺栓在軸向拉力〔包括預(yù)緊力〕作用下，靜載荷作用下多為螺紋局部的塑性變形和斷裂；變載荷作用下，失效多為螺栓的疲勞斷裂，被毀的地方都是截面有劇烈變化因而有應(yīng)力集中之處。受剪螺栓在橫向剪力作用下，失效形式為：螺栓桿剪斷；螺栓桿與孔壁中弱者被壓壞。據(jù)統(tǒng)計分析，在嚴(yán)重過載或變載荷情況下，在從螺母支承面算起第一或第二圈螺紋處，被毀壞的約占65%；在光桿與螺紋局部交接處被毀壞的約占20%；在螺栓頭與螺桿交接處被毀壞的約占15%；如果螺紋精度低或連接經(jīng)常裝拆，還可能發(fā)生滑扣失效。設(shè)計準(zhǔn)那么1、受拉螺栓的設(shè)計準(zhǔn)那么，是保證螺栓的靜力拉伸強(qiáng)度；或疲勞拉伸強(qiáng)度。2、受剪螺栓的設(shè)計準(zhǔn)那么，是保證連接的擠壓強(qiáng)度；和螺栓的剪切強(qiáng)度。強(qiáng)度計算根據(jù)連接的類型，連接的裝配情況〔是預(yù)緊還是不預(yù)緊〕。載荷狀態(tài)等條件，來確定螺栓的受力；然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計算螺栓的危險剖面的直徑〔即螺紋內(nèi)徑〕或校核其強(qiáng)度。松螺栓連接強(qiáng)度計算〔1〕、定義：所謂松螺栓連接，即裝配時，螺母不需要擰緊，也就是說承載前，連接件并不受力。如起重吊鉤尾部的螺紋連接，為使吊鉤能繞其軸線靈活轉(zhuǎn)動，所以不應(yīng)擰緊?！?〕、強(qiáng)度計算：以起重吊鉤為例。當(dāng)連接承受載荷為，即螺栓所受的工作拉力為，螺栓的危險剖面為螺紋牙根圓的橫截面，那么危險剖面的面積：，——為螺紋的小徑，?！嗥淅鞆?qiáng)度條件為：——校核式那么：——設(shè)計式式中：——螺栓材料的許用拉應(yīng)力，；對鋼制螺栓，?！菟ú牧系那O限；——平安系數(shù)。緊螺栓連接強(qiáng)度計算〔1〕、定義：裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩的作用下，螺栓受預(yù)緊力的拉伸產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力；在螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)作用下，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。即螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，這樣的螺栓連接叫緊螺栓連接。〔2〕、強(qiáng)度計算：①、預(yù)緊力作用下，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，那么②、在扭轉(zhuǎn)力矩作用下，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。我們知道，螺旋副間的摩擦力矩式中：——螺紋中徑；——螺紋升角；——當(dāng)量摩擦角。由材料力學(xué)，可知：，——抗扭截面模量；對于圓截面：∴，因為螺紋內(nèi)徑為危險截面，∴對M10-M16的普通螺紋的鋼制螺栓和螺母，?。?；～；代入上式，得：～∵螺栓材料是塑性的，受拉伸和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的計算應(yīng)力為：∴緊螺栓雖然受拉伸和扭轉(zhuǎn)的連合作用，但在強(qiáng)度計算時，仍可按純拉伸計算，這時需要將所受的拉力增大30%，以考慮扭轉(zhuǎn)的影響。故螺栓危險截面的拉伸強(qiáng)度條件的校核式為：那么：——設(shè)計式〔3〕、根據(jù)受力形式，緊螺栓的強(qiáng)度計算：①、承受軸向靜載荷的單個螺栓強(qiáng)度計算前面已提到，在軸向靜載荷作用下，螺栓的破壞主要是螺桿被拉斷或產(chǎn)生過度的塑性變形。其設(shè)計準(zhǔn)那么是保證螺栓的靜力拉伸強(qiáng)度。ⅰ、為了確定計算時的載荷大小，先研究螺栓在工作前后的載荷變化情況。看P72圖5-15。圖a所示為螺母恰好擰到與被連接件剛好接觸的情況。這時，螺栓連接中尚未受到力的作用，螺栓、螺母及被連接件均無變形。圖b所示，將螺母擰緊，螺栓連接受到預(yù)緊力作用，螺栓桿還受到螺紋副中的擰緊力矩的扭轉(zhuǎn)作用。此時，螺栓桿伸長了，被連接件壓縮了。因螺栓連接中的應(yīng)力通常在所用材料的比例極限以內(nèi)，所以螺桿及被連接件的受力與變形可用一直線線圖表示。見P73圖5-16a)，b)。圖中縱坐標(biāo)代表力，橫坐標(biāo)代表變形。拉伸變形由坐標(biāo)原點向右量起，壓縮變形由坐標(biāo)原點向左量起。力與變形的比值為：式中：——分別表示在螺栓桿及被連接件產(chǎn)生單位變形時所需的力，即螺栓桿及被連接件的剛度；——變形線圖與橫坐標(biāo)軸的夾角。因變形線圖為直線，故，與皆為定值。將圖a)，b)合并成圖c)。在圖5-15中圖c)中，螺栓連接承受工作載荷時，螺桿所受的拉力增加，所以，螺桿繼續(xù)伸長，伸長增量為，總伸長量，與此總伸長量相應(yīng)的總拉力為，與伸長增量相應(yīng)的拉力增量為。當(dāng)螺桿伸長時，原來受壓縮的被連接件就被放松，壓縮量由原來的減少到，被連接件所受的壓力就由減少到?！獮槭Ｓ囝A(yù)緊力；——被連接件的剩余變形量。由圖中可看出，作用在螺桿上的總拉伸載荷不是工作載荷與預(yù)緊力之和，而是與剩余預(yù)緊力之和，也是預(yù)緊力與拉力增量之和。即：ⅱ、剩余預(yù)緊力確實定緊螺栓連接在工作時，不允許在接合面產(chǎn)生縫隙，即，并且通常保持在規(guī)定的大小。A)、對一般的緊固連接，工作拉力F無變化時，～；工作拉力F有變化時，～；B〕、對一些重要的螺栓連接，或有密封要求的連接，應(yīng)取～；C)、對一些不大重要的螺栓連接，如吊環(huán)螺釘?shù)?，可?。籇)、對于地腳螺栓連接，。由圖5-16c)，可得：或：代入中，得：即：同理，還得：——螺栓相對剛度，其值在0～1變化。假設(shè)，下降，那么，那么，與之間差距很??；反之，，上升,那么。提高螺栓承載能力，應(yīng)使盡量減小，使預(yù)緊力和總拉力下降。ⅲ、螺桿中的拉應(yīng)力：，——螺紋內(nèi)徑。擰緊螺母時，螺桿因受螺紋副中的擰緊力矩的作用而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力：故按第四強(qiáng)度理論，得螺桿的計算應(yīng)力及強(qiáng)度條件為：對于一般承受靜載荷或近似于靜載荷的螺栓連接，常采用簡化計算方法，把根號內(nèi)的式子略去，將總拉力增加30%以考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的影響，所以螺栓危險截面的拉伸強(qiáng)度條件為：——校核式——設(shè)計式②、承受軸向變載荷的單個螺栓連接的強(qiáng)度計算承受軸向變載荷時，螺栓連接的主要破環(huán)形式是：螺桿的疲勞斷裂。設(shè)計時，通常是先按最大載荷作靜載強(qiáng)度估算，并參考其計算結(jié)果適當(dāng)估取所需的標(biāo)準(zhǔn)螺栓直徑，然后校核其疲勞強(qiáng)度。承受軸向變載荷的單個螺栓連接，螺桿的受力情況見P74圖5-17所示。當(dāng)循環(huán)的工作變載荷時，螺桿所受的載荷為預(yù)緊力；當(dāng)工作變載荷載～之間變化且為拉力時，螺桿所受的總拉力在～之間變化；如工作載荷為壓力時，那么此載荷將全部由被連接件承受，此時螺桿中的載荷雖將有所降低，但因被連接件的承壓面積很大，即壓縮變形很小，所以可認(rèn)為螺桿中的載荷仍保持為。因此，螺桿中的應(yīng)力變化規(guī)律屬于的情況。螺栓危險剖面的應(yīng)力為：；。應(yīng)力幅：按第三章中的情況，求出極限應(yīng)力。在P27圖3-8中，如螺栓的工作應(yīng)力點在內(nèi)，極限應(yīng)力在線上，那么螺栓的最大應(yīng)力計算平安系數(shù)及強(qiáng)度條件為：——材料特性；——彎曲疲勞極限綜合影響系數(shù)；——材料對稱循環(huán)彎曲疲勞極限。螺栓應(yīng)力幅計算平安系數(shù)為：——最大應(yīng)力的平安系數(shù)，～；——應(yīng)力幅的平安系數(shù)，～4。③、承受橫向靜載荷的單個螺栓連接的強(qiáng)度計算受橫向載荷作用的螺栓連接，其強(qiáng)度計算方法與所用螺栓的類型有關(guān)。ⅰ、用普通螺栓連接。這種螺栓連接，螺桿與孔壁間有間隙。橫向工作載荷并不作用在螺桿上，而是靠接縫面間所產(chǎn)生的摩擦阻力來平衡。此時，螺栓僅受預(yù)緊力及螺紋副中的擰緊力矩的作用。在橫向工作載荷作用下，保證連接緊固即被連接件不滑移的條件為：或螺桿的強(qiáng)度計算為：式中：——接合面數(shù)，對圖中的普通螺栓連接，i=1；——接合面間的摩擦系數(shù)。對于枯燥的鑄鐵對鑄鐵、鑄鐵對鋼、鋼對鋼的加工外表，～0.2；對鑄鐵對磚料或鑄鐵對木料的加工外表，～0.5。假設(shè)取，那么。即：用普通螺栓連接時，螺桿所受的拉力〔也就是預(yù)緊力〕須為工作載荷下的五倍，大大增加了螺栓連接的結(jié)構(gòu)尺寸，并且靠摩擦力來承載也不十分可靠，當(dāng)所受載荷為變載荷時，更是如此。為了防止這些缺乏，可以采用減載銷、減載套筒或減載鍵來承當(dāng)橫向工作載荷，螺栓僅起連接作用。這樣，所需的預(yù)緊力減小，不但結(jié)構(gòu)緊湊，工作也更可靠。ⅱ、用鉸制孔用螺栓連接見P76圖5-18所示。這種連接中，；螺桿與釘孔緊配合。特點：a)、當(dāng)連接承受橫向載荷F時，螺桿與孔壁相接觸的外表受擠壓；b)、位于接縫等處的螺桿橫剖面受剪切。強(qiáng)度計算準(zhǔn)那么：螺桿按抗剪強(qiáng)度計算；螺桿與孔壁的接觸面按抵抗擠壓強(qiáng)度計算。這種連接所受的預(yù)緊力很小，做強(qiáng)度計算時可忽略不計。螺桿的抗剪強(qiáng)度條較為：螺桿與孔壁接觸面的抗擠壓強(qiáng)度條件為：式中：——螺桿或釘孔的直徑；——被連接件中受擠壓的孔壁的最小長度，設(shè)計時應(yīng)使；——螺栓的許用剪切應(yīng)用，靜載時取～；——螺栓連接的許用擠壓應(yīng)力，按連接中抗擠壓能力最弱的材料計算。④、承受橫向變載荷的單個螺栓強(qiáng)度的強(qiáng)度計算對于承受橫向變載荷的單個螺栓強(qiáng)度，一般可用近似計算：按及進(jìn)行計算，但應(yīng)將承受橫向靜載的螺栓連接的及除以1.25～1.5。但對重要螺栓連接，應(yīng)按第三章機(jī)械零件的強(qiáng)度的理論，結(jié)合螺桿中的應(yīng)力變化情況，進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，這是，只需將取代各公式中的即可。螺紋連接件的材料及許用應(yīng)力材料〔1〕、對一般連接，常用材料有：，10號鋼及中碳鋼35號鋼，45號鋼；〔2〕、對承受沖擊、振動或變載荷的螺紋連接，可采用低合金鋼及合金鋼，如〔30鉻錳硅〕、〔15鐳釩硼〕；〔3〕、對特殊用途〔如防銹、防磁、導(dǎo)電、高溫〕的螺紋連接件，可采用特種鋼如，等或銅合金、鋁合金等，并經(jīng)外表處理，如氧化、磷化、鍍鎘等。2、國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，螺紋連接件按材料的機(jī)械性能分級，看書上P83表5-8，5-9；性能等級數(shù)字表示的意義及螺紋連接件的許用應(yīng)力，這局部內(nèi)容自學(xué)。第12課§5-7提高螺栓連接強(qiáng)度的措施在絕大多數(shù)情況下，螺栓連接的強(qiáng)度主要取決于螺栓的強(qiáng)度。因此，深入研究影響螺栓強(qiáng)度的因素，從而采取提高螺栓強(qiáng)度的相應(yīng)措施，對提高連接的承載能力就有著重要的意義。影響螺栓強(qiáng)度的因素很多，有結(jié)構(gòu)上的、制造上的、裝配上的和材料上的因素等，就其影響來說，涉及到：螺紋牙的載荷分配；應(yīng)力變化的幅度；應(yīng)力集中；附加應(yīng)力；材料的機(jī)械性能等幾個方面。下面就按這幾個方面分析各種因素對螺栓強(qiáng)度的影響和提高強(qiáng)度的相應(yīng)措施。這些措施是根據(jù)提高承載能力和降低負(fù)擔(dān)兩個途徑提出的。降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的變應(yīng)力因素由公式的推導(dǎo)過程和承受軸向變載荷的螺栓連接的受力與變形的關(guān)系可知，改變連接的某個或幾個有關(guān)參數(shù)，就可在其他條件不變的情況下相對地或絕對地提高連接的強(qiáng)度。研究證明，可以采取的措施有以下幾種：增大預(yù)緊力見下列圖示，由于預(yù)緊力由原來的增大到，這時，雖然載荷的變動范圍的大小沒有變化，但螺桿所承受的最小載荷〉原來的，或遠(yuǎn)遠(yuǎn)，使螺桿中的應(yīng)力變化特性相對地趨近于靜應(yīng)力，因而改善了螺栓的抗疲勞強(qiáng)度。但由于最大載荷由原來的增大到了，所以降低了螺栓的靜力強(qiáng)度。降低螺栓的剛度見P86圖5-27a〕所示，在工作載荷0～與預(yù)緊力及被連接件的剛度不變的情況下，螺栓的剛度由原來的降低到，載荷的變化范圍由降到，即減小了變應(yīng)力，最大載荷由降至，因而改善了螺栓的抗疲勞性能和靜力強(qiáng)度。但這時的剩余預(yù)緊力也要隨之減小，因而降低了連接的可靠性和接縫的緊密性。增大被連接件的剛度由公式，可看出，當(dāng)，保持不變時，在給定后，增大，也能得到與降低同樣的效果，即降低了最大載荷和載荷變化的范圍，但是也降低了剩余預(yù)緊力。由上可知，無論采取上述那種措施，雖然可獲得減小載荷變化范圍，也就是降低了應(yīng)力幅度的效果，但都將帶來一定的不利因素。因此，在實踐中盡可能結(jié)合具體情況權(quán)衡得失，最好三種措施協(xié)調(diào)同時使用，其結(jié)果如圖5-27c)所示。為了減小螺栓的剛度，可適當(dāng)?shù)卦龃舐菟ǖ拈L度，或者采用如圖5-28所示的柔性螺栓；也可以在螺母下面裝上彈性元件，見圖5-29所示，當(dāng)總載荷作用時，由于彈性元件變形很大，而使被連接零件得到較大舒展，其效果與用柔性螺栓時相似。為了增大被連接件剛性，除了從結(jié)構(gòu)上想法外，還可以采用剛性較大的墊片。對于需要保持緊密性的連接，為了增大被連接件的剛性，以提高抗疲勞強(qiáng)度，采用較軟的汽缸墊片并不適宜，采用密封環(huán)比擬好，見圖5-30。由以上分析還可以看出，受變載荷的螺栓連接應(yīng)擰緊到相當(dāng)大的預(yù)緊力，且還需要防治預(yù)緊力的減退，以保證預(yù)緊力的穩(wěn)定。預(yù)緊力的大小，可以通過裝配時測量螺栓的深長，測量螺母的轉(zhuǎn)角，或用測力矩扳手等來控制：而預(yù)緊力的穩(wěn)定性，可以通過減少連接中的接縫數(shù)目，提高連接中各個接觸面的加工精度，采用防松裝置，定期檢查預(yù)緊程度等來保證。改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象不管螺栓連接的具體結(jié)構(gòu)如何，軸向總載荷都是通過螺紋牙面相接觸來傳遞的。1、原因承載時，由于螺桿局部和螺母的受力狀況不同，螺桿受拉，螺距要增大；螺母受壓，螺距要減小。見P86圖5-31，在旋合段，螺桿拉力自下而上由遞減為零，并通過螺紋牙傳遞給螺母；螺母母體壓力那么自上而下由零遞增為，所以各圈螺紋牙上的受力不均勻。因二者是旋合貼緊的，由變形協(xié)調(diào)條件知，這種螺距差主要靠旋合各圈螺紋牙的彎剪等變形來補(bǔ)償。由圖可看出，螺距變化差也就是牙的變形，以在傳力的第一圈處為最大，所以牙的受力也以這一圈最大，以后各圈遞減。一般說來，旋合圈數(shù)越多，受力不均程度也就越顯著，但是到第8～10圈以后，螺紋牙幾乎不受力。所以，采用厚螺母來增加旋合圈數(shù)，實際上，提高不了多少連接強(qiáng)度。因此，改善載荷分布不均的措施，原那么上都是減小螺栓與螺母二者承載時螺距的變化差。2、采取措施：〔1〕、盡可能地將螺母設(shè)計成也是受拉伸的，以便使螺栓與螺母二者的螺距變化相一致，從而使載荷分布均勻化。如圖5-33b)，d)，兩種結(jié)構(gòu)都可使螺母內(nèi)緣在螺栓旋入端〔即圖中的下端〕承受拉伸；a)為懸置螺母，此結(jié)構(gòu)可使螺母的懸合局部全受拉，從而使載荷分布較為均勻。〔2〕、減小受力大的牙的受力面如圖5-33c)所示，在螺母的螺栓旋入端的幾圈螺紋處制出倒角，使螺栓螺紋牙的支承面或受力部位由上而下逐漸外移，這樣就使螺栓下面的螺紋牙在載荷作用下易于變形，載荷便容易向上傳遞，從而使之分布〔3〕、采用鋼絲螺套，見圖5-34因其本身具有一定的彈性，可以起到均載，減振的作用。防止螺紋連接產(chǎn)生附加應(yīng)力附加應(yīng)力主要是指由于制造和裝配的誤差，或由于不正確的設(shè)計而在螺栓中產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力。為了減小或消除附加彎曲應(yīng)力，要從結(jié)構(gòu)、制造、裝配等方面采取措施。例如規(guī)定螺母、螺栓頭部和被連接件等的支承面的加工要求，以及螺紋的精度等級；采用球面墊圈或斜墊圈；采用腰環(huán)螺栓連接，見P88圖5-36，5-37所示，以及提高裝配精度等。減小應(yīng)力集中影響螺桿上的螺紋〔特別是螺紋的收尾〕螺栓頭到螺桿的過渡處和螺栓的剖面變化處等，都要產(chǎn)生應(yīng)力集中。為了減小應(yīng)力集中的程度，可以采用較大的過渡圓角半徑和減載結(jié)構(gòu)〔如在螺栓頭到螺桿的過渡處切制減載槽，或?qū)⒙菁y收尾改為退刀槽等〕；另外，以輾壓螺紋代替切制螺紋，也能減小應(yīng)力集中。但是，一些特殊結(jié)構(gòu)的采用將會使生產(chǎn)本錢增高。因此，對于一般用途的連接，不要隨便采用減載槽一類的結(jié)構(gòu)。采用合理的制造工藝，以提高螺栓的抗疲勞功能實踐證明，螺栓的疲勞強(qiáng)度隨直徑的增大而降低，如和的螺栓的疲勞極限之比約為2.5：1.5：1。從強(qiáng)度觀點來說，對于受軸向變載荷的連接，用數(shù)目較多的細(xì)長螺栓，要比用具有同樣總橫剖面面積，但數(shù)目少而短粗的螺栓更有利。此外，在工藝上采用氮化、氰化、噴丸等處理，都是提高螺栓抗疲勞性能的有效方法。但在采用時，也應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)問題一并考慮，以免浪費。第13課§5-8螺旋傳動一、類型及應(yīng)用作用：螺旋傳動由螺桿〔也稱絲杠〕和螺母組成，主要用來把旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，也可將直線運動變換為旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)變時傳遞能量、力或運動，或調(diào)整零件相對位置，有時還兼有幾種作用。運動形式：〔1〕、螺桿回轉(zhuǎn),螺母作直線運動，如機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)；〔2〕、螺母回轉(zhuǎn)，螺桿作直線運動；〔3〕、螺母固定，螺桿回轉(zhuǎn)并作直線運動，如螺旋起重機(jī)；〔4〕、螺桿固定，螺母回轉(zhuǎn)并作直線運動。其中，第〔1〕種和第〔3〕種較為常見。類型：〔1〕、按用途，螺旋傳動可分為：①、傳力螺旋：以傳遞動力為主，要求以較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力，來克服阻力。如千斤頂?shù)穆菪?，螺旋壓力機(jī)的螺旋。②、傳導(dǎo)螺旋：以傳遞運動為主，有時承受較大的軸向載荷。傳導(dǎo)螺旋工作連續(xù)且時間長，速度高，要求具有較高的傳動精度。如機(jī)床絲杠的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，見P90圖5-40a)③、調(diào)整螺旋：以調(diào)整零件的相對位置為主，不經(jīng)常傳動，一般空載下調(diào)整，如車床的尾座螺旋。〔2〕、按結(jié)構(gòu)，螺旋傳動可分為：①、滑動螺旋滑動螺旋的螺旋副常采用梯形螺紋、鋸齒形螺紋或三角形螺紋。這種螺旋結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易于自鎖，但傳動效率低〔一般為30%～40%〕，磨損快。②、滾動螺旋當(dāng)螺桿〔或螺母〕回轉(zhuǎn)時，鋼球沿螺旋滾道滾動并帶動螺母〔或螺桿〕作直線運動。這種螺旋傳動的特點是摩擦阻力小、傳動效率高、運動靈敏度高、磨損小、精度易于保持，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、本錢高。③、靜壓螺旋此種傳動是螺紋副中注入壓力油而形成油膜，因而螺母與螺桿的螺紋工作外表被油膜分開。特點是:摩擦阻力小、起動功率小、傳動效率高、工作壽命長；但螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求高的供油系統(tǒng)。下面，我們具體介紹滑動螺旋傳動的有關(guān)內(nèi)容。，二、滑動螺旋的結(jié)構(gòu)與材料1、結(jié)構(gòu)主要是指螺桿、螺母的固定和支承的結(jié)構(gòu)形式。〔1〕、螺桿：當(dāng)螺桿短、粗且垂直布置時，可以螺母為支撐；當(dāng)螺桿細(xì)長且水平布置時，在螺桿兩端或中間附加支承；當(dāng)螺桿軸向尺寸較大時，可采用對接組合結(jié)構(gòu)代替整體結(jié)構(gòu)。〔2〕、螺母的結(jié)構(gòu)有整體螺母的結(jié)構(gòu)簡單，但由磨損而產(chǎn)生的軸向間隙不能補(bǔ)償，所以只適合在精度較低的螺旋中使用；組合螺母和剖分螺母經(jīng)常用于雙向傳動的傳導(dǎo)螺旋中。2、材料：〔1〕、螺桿：材料要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，以及良好的加工性。高精度機(jī)床的絲杠多項選擇用碳素工具鋼或制造；一般不經(jīng)熱處理的螺桿，多用及鋼制造；要經(jīng)熱處理后到達(dá)很高硬度的絲杠，例如螺紋磨床的進(jìn)給絲杠，當(dāng)硬度為50～56時，采用鉻錳合金鋼如〔20鉻錳鈦〕；硬度為35～45時，采用60鋼。〔2〕、螺母：材料要有足夠的強(qiáng)度，還要在與螺桿材料配合時摩擦系數(shù)小和耐磨。通常用鑄錫青銅如等及鋁合金等。三、滑動螺旋傳動的設(shè)計計算1、失效形式：機(jī)械中常用的滑動螺旋工作時，其主要受力形式是在承受扭矩的同時，還受拉或受壓，且螺桿與螺母間有較大的相對滑動。這些力會使螺紋變形及工作外表磨損，所以，螺紋磨損是其主要失效形式。對受力較大的傳力螺旋，失效形式多為：塑性變形或斷裂。2、設(shè)計準(zhǔn)那么：〔1〕、滑動螺旋的根本尺寸〔即螺桿的直徑與螺母的高度〕，由耐磨性要求決定；〔2〕、傳力較大時，應(yīng)校核螺桿螺紋局部或其他危險部位及螺母或螺桿螺紋牙的強(qiáng)度；〔3〕、要求螺桿有自鎖時，應(yīng)校驗螺紋副的自鎖條件；〔4〕、要求運動精確時，應(yīng)校驗螺桿的剛度，其直徑往往由剛度要求決定；〔5〕、對于長徑比很大的螺桿，除進(jìn)行耐磨性計算外，還應(yīng)該校核其穩(wěn)定性；〔6〕、對于高速的長螺桿，應(yīng)檢驗其臨界轉(zhuǎn)速。在進(jìn)行計算時，應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇不同的計算準(zhǔn)那么，不必逐項全面計算。對于有些無多大要求的螺旋，那么可根據(jù)經(jīng)驗或參照同類機(jī)械而直接選用。下面分別介紹各項計算的根本方法。3、耐磨性計算：滑動螺旋傳動的耐磨性計算，主要是校核螺紋在軸向力作用下，螺紋工作面上的壓強(qiáng)是否超過材料的許用壓強(qiáng)。如果超過，螺紋將很快地磨損而喪失工作精度。設(shè)作用于螺紋的總軸向力為，而承受這個軸向力的總面積為，螺母高度為，螺紋工作高度為，螺紋中徑為，螺紋螺距為，螺紋工作圈數(shù)為，那么螺紋工作面上的耐磨性條件為：——校核式——螺紋工作高度。矩形、梯形螺紋的，鋸齒形螺紋的。為設(shè)計計算方便，令，故可得：，對矩形、梯形螺紋，那么：；對鋸齒形螺紋，那么：。值一般取1.2～4。愈大，螺紋圈數(shù)愈多，載荷分布愈不均勻。對于整體螺母，磨損后間隙不能調(diào)整時，取小值，宜取=1.2～2.5；對于剖分螺母，間隙能夠調(diào)整，可取較大值，可取=2.5～3.5；傳動精度較高、要求壽命較長時，允許取=4。根據(jù)公式求出了的值，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的公稱直徑和螺距?？紤]到螺紋各圈載荷分布不均勻，螺紋的旋合圈數(shù)不宜超過10，即。4、螺桿的強(qiáng)度計算受力很大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計算。一般螺桿常常是既受軸向拉力或壓力，又受扭矩，所以，螺桿的危險剖面既有拉伸應(yīng)力，又有剪切力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，得螺桿螺紋局部的強(qiáng)度校核式為：式中：——螺桿螺紋段危險截面面積，；——螺桿螺紋小徑，；——螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)，，；——螺桿所受的扭矩，；——螺桿材料的許用應(yīng)力，Mpa。5、自鎖性校核式中：——螺紋升角；——摩擦系數(shù)，見P93表5-12；——螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)。6、螺母螺紋牙的強(qiáng)度計算由于螺母的材料強(qiáng)度一般比螺桿的低，所以螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母，故通常只須計算螺母螺紋牙的強(qiáng)度。見P94圖5-44，將一圈螺紋牙沿螺紋大徑展開，并假定軸向載荷通過螺紋工作高度的中點?？梢园阉醋魇菍挒榈膽冶哿?，那么危險剖面上的剪切強(qiáng)度條件為：危險剖面上的彎曲強(qiáng)度條件為：式中：——螺母螺紋大徑，mm；——螺紋牙根部寬度，mm?！菁y材料的許用剪切應(yīng)力，，見P94表5-13；——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，，見表5-13。注意：當(dāng)螺桿與螺母材料相同時，因為螺桿小徑<螺母螺紋大徑D，即螺桿的危險剖面面積小，故只需校核螺桿螺紋牙強(qiáng)度。因此，這時將上述公式中的改為。7、螺桿的穩(wěn)定性計算對長徑比大的受壓螺桿，可能出現(xiàn)失穩(wěn)，所以需演算其穩(wěn)定性。根據(jù)材料力學(xué)，壓桿穩(wěn)定性校核公式：式中：——螺桿穩(wěn)定性的計算平安性系數(shù)；——螺桿穩(wěn)定性平安系數(shù)?！輻U的臨界載荷，。螺桿的長細(xì)比：，——螺桿工作長度；——螺桿的長度系數(shù)；——螺桿螺紋局部內(nèi)徑。對淬火鋼螺桿：①、時，；式中：——螺桿的危險截面慣性矩，，；——材料的抗壓彈性模數(shù)，對鋼：；②、時，。對未淬火鋼螺桿：①、當(dāng)時，；②、當(dāng)時，一般不需進(jìn)行穩(wěn)定性校核。以下內(nèi)容：滾動螺旋傳動及靜壓螺旋傳動自學(xué)。第14課例題：設(shè)計一臺5噸螺旋起重機(jī)，最大起重高度為350。解：1、選螺紋類型起重機(jī)為5噸起重量，起傳動作用，牙根強(qiáng)度要高一些。由P60表5-1，選用梯形螺紋，螺母選擇整體式，單線螺旋。2、選材料螺桿選中碳鋼；螺母選鑄錫青銅。3、設(shè)計計算：〔1〕、耐磨性計算：公式為：，∵螺母用整體式的，1.2～2.5，我們選用1.6；又因選用的是梯形螺紋，那么；按P93表5-12，取許用應(yīng)力〔按低速滑動，取中間值〕那么：，mm。按GB784-65,取，螺距；那么螺桿尺寸為：大徑；小徑；螺母尺寸為：大徑；小徑。〔2〕、自鎖性計算：因為是梯形螺紋，，由表5-12，選摩擦系數(shù)〔取中間值〕。所以，那么：∴：滿足自鎖。〔3〕、強(qiáng)度計算：扭矩；承壓面積；那么，強(qiáng)度條件為：查P83表5-8，得鋼，屈服極限為那么：∴，強(qiáng)度適宜。〔4〕、螺紋牙強(qiáng)度計算對梯形螺紋，；有效圈數(shù)：那么：；；查P94表5-13，得～，～60MPa那么：∴螺紋牙強(qiáng)度適宜?！?〕、穩(wěn)定性計算：因螺旋起重器在結(jié)構(gòu)上一端固定，一端自由，查P96表5-14，得：螺桿長度系數(shù)。而慣性半徑，工作長度?！嘁蚵輻U用的是鋼。故。那么：∵∴故穩(wěn)定性適宜。習(xí)題課§5-1螺紋§5-2螺紋連接類型及標(biāo)準(zhǔn)連接件§5-3螺紋連接的預(yù)緊§5-4螺紋連接的防松§5-5螺栓組連接的設(shè)計§5-6單個螺栓連接的強(qiáng)度計算§5-7提高螺栓連接強(qiáng)度措施§5-8螺旋傳動一、小結(jié)1、本章主要內(nèi)容：〔1〕、螺栓組連接的設(shè)計：包括螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計、受力分析；單個螺栓的預(yù)緊及強(qiáng)度計算；提高連接強(qiáng)度的措施?！?〕、螺旋傳動：主要講述滑動螺旋。2、重點：單個螺栓連接的強(qiáng)度計算，尤其是軸向拉伸載荷。3、難點：承受傾覆力矩的底板螺栓組連接設(shè)計。4、特點：螺紋連接與螺旋傳動在設(shè)計要求上有很大差異，但內(nèi)容上有一定的連系。5、要求：〔1〕、了解螺紋、螺紋連接件的類型、特性、標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場合、防松等，在設(shè)計時能正確選用；〔2〕、掌握螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計原那么，強(qiáng)度計算理論和方法，能合理地設(shè)計出可靠的螺栓組連接；〔3〕、掌握螺旋傳動的主要零件的設(shè)計計算方法。6、考前須知：〔1〕、§5-1～§5-4，都為表達(dá)性內(nèi)容，是根本知識，應(yīng)結(jié)合《設(shè)計手冊》，認(rèn)真對待；〔2〕、螺紋與螺紋連接件大都標(biāo)準(zhǔn)化，可根據(jù)不同情況進(jìn)行選用，不需自行設(shè)計。在個別情況下，根據(jù)特殊需要自行設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件；〔3〕、設(shè)計時，除正確進(jìn)行螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計外，要通過受力分析，找出受力最大的螺栓，然后按單個螺栓連接的強(qiáng)度計算公式來設(shè)計這個受力最大的螺栓尺寸，其它的螺栓就按此選用；〔4〕、設(shè)計緊螺栓連接組合的螺栓組連接時，應(yīng)正確解決：①、布置問題：個數(shù)、分