《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件-第9章

項(xiàng)目九連接設(shè)計(jì)任務(wù)一螺紋連接設(shè)計(jì)任務(wù)二螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)

任務(wù)三其他連接設(shè)計(jì)

知識(shí)目標(biāo)

(1)掌握螺紋的類型與參數(shù)。

(2)掌握常用螺紋的特點(diǎn)與應(yīng)用。

(3)掌握螺紋連接的基本類型和特點(diǎn)。

(4)掌握螺紋連接件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用。

能力目標(biāo)

能根據(jù)實(shí)際情況選用不同類型的螺紋連接。

任務(wù)一螺紋連接設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入圖9-1所示為鉸制孔用螺栓的連接。這種螺栓連接的特點(diǎn)是螺桿與被連接件的孔(鉸制孔)采用基孔制的過渡配合。螺母不必?cái)Q得很緊(預(yù)緊力可不考慮)。這種連接依靠螺桿部分承受剪切和擠壓來抵抗橫向外載荷R,因此,應(yīng)分別按擠壓及剪切強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。圖9-1鉸制孔用螺栓的連接

任務(wù)實(shí)施

一、螺紋連接的基礎(chǔ)知識(shí)

螺紋連接是應(yīng)用極為廣泛的一種可拆連接,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝拆方便,連接可靠。螺紋零件的用途有兩種:一種是把需要相對(duì)固定的零件用螺紋零件連接起來,稱為螺紋連接;另一種是利用螺紋把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng),稱為螺旋傳動(dòng)。雖然螺紋零件的用途不同,但它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)———都是利用具有螺紋的零件進(jìn)行工作的。

1.螺紋的形成和分類

1)螺紋的形成如圖9-2所示直角三角形的斜邊從起點(diǎn)A開始在圓柱體柱面上包繞,且一直角邊與圓柱體軸線平行,則斜邊在圓柱體柱面上就形成一條螺旋線,稱為單線螺紋。三角形的斜邊與底邊的夾角φ,稱為螺紋升角。如果在圓柱體起點(diǎn)位置A點(diǎn)的對(duì)稱點(diǎn)B點(diǎn)作為一新的起點(diǎn)位置,又會(huì)得到一條新的螺旋線,稱為雙線螺紋。同理,可得到更多線數(shù)的螺紋,稱為多線螺紋。從方便制造考慮,一般不采用四線以上的螺紋。單線螺紋主要用于連接,多線螺紋主要用于傳動(dòng)。圖9-2螺紋的形成

2)螺紋的分類．

(1)根據(jù)螺紋軸向剖面的形狀,常用的螺紋牙形有:三角形、矩形、梯形和鋸齒形等,如圖9-3所示。

(2)根據(jù)螺紋的用途,可分為連接螺紋和傳動(dòng)螺紋。

連接用的三角形螺紋有:普通螺紋、英制螺紋(圓柱形管螺紋和圓錐管螺紋)。

普通螺紋的牙形角為60°,分粗牙螺紋和細(xì)牙螺紋。一般連接多用粗牙螺紋,粗牙普通螺紋的基本尺寸見表9-1。圖9-3螺紋的牙型

(3)根據(jù)螺紋所處的表面,可分為外螺紋和內(nèi)螺紋。在圓柱體表面上形成的螺紋稱為外螺紋,如螺栓的螺紋;在圓柱孔內(nèi)壁上形成的螺紋稱為內(nèi)螺紋,如螺母的螺紋。

(4)根據(jù)螺旋線的繞行方向可分為左旋螺紋(如圖9-4(a)所示)和右旋螺紋(如圖9-4(b)所示)。圖9-4螺紋的旋向

2.螺紋的主要參數(shù)

現(xiàn)以圓柱螺紋為例介紹螺紋的主要參數(shù),如圖9-5所示。圖9-5螺紋的主要參數(shù)

(1)大徑d(D):螺紋的公稱尺寸,外螺紋牙頂、內(nèi)螺紋牙根處圓柱直徑。

(2)小徑d1(D1):螺紋的最小直徑、外螺紋牙根、內(nèi)螺紋牙頂處圓柱直徑。

(3)中徑d2(D2):軸向剖面內(nèi)牙厚等于牙間寬處的圓柱直徑。

(4)螺距p:相鄰兩螺紋牙對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離。

(5)牙形角a:軸向剖面內(nèi)螺紋牙兩側(cè)面的夾角。

(6)導(dǎo)程s:沿同一條螺旋線,相鄰兩螺紋牙對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的軸向距離。單線螺紋s=p,多線螺紋s=zp。

(7)螺旋線數(shù)z:形成螺紋的螺旋線數(shù)目。

(8)螺旋升角ψ:中徑圓柱面上螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線平面間的夾角,它滿足

(9)牙廓的工作高度h:螺栓和螺母的螺紋圈發(fā)生接觸的牙廓高度,它是沿徑向測(cè)量的,等于外螺紋外徑和內(nèi)螺紋內(nèi)徑之差的一半。

二、螺紋連接的類型及螺紋連接件

1.螺紋連接的類型螺紋連接的基本類型主要有螺栓連接、雙頭螺柱連接、螺釘連接和緊定螺釘連接四種基本類型,見表9-2。

1)螺栓連接

螺栓連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是被連接件的預(yù)制孔為通孔,孔中不切制螺紋。螺栓連接按螺栓受力情況可分為普通螺栓連接和鉸制孔螺栓連接。普通螺栓連接:螺栓與孔中有間隙,被連接件通過螺栓與螺母的旋合而連接在一起,工作載荷使螺栓受拉伸。鉸制孔螺栓連接:被連接件的預(yù)制孔孔壁光滑,尺寸精度高,孔與螺栓多采用基孔制過渡配合,工作載荷使螺栓受剪切和擠壓。

螺栓連接的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單,裝拆方便,成本低,使用時(shí)不受被連接件的材料限制,應(yīng)用廣泛。

2)雙頭螺柱連接

雙頭螺柱連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是被連接件之一為盲孔,孔中切制螺紋。雙頭螺柱的兩端均有螺紋,螺柱的一端旋入有螺紋的盲孔中,另一端穿過另一被連接件的預(yù)制孔并用螺母旋合實(shí)現(xiàn)連接。雙頭螺柱連接的優(yōu)點(diǎn)是被連接件之一較厚,拆卸時(shí)只需旋下螺母,保護(hù)了盲孔中的螺紋不至于過早失效,多用于需要經(jīng)常拆裝的連接。

3)螺釘連接

螺釘連接省去了螺母,螺釘直接旋入被連接件之一的螺紋孔中實(shí)現(xiàn)連接,用于不需要經(jīng)常拆卸的連接,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

4)緊定螺釘連接

緊定螺釘連接將緊定螺釘旋入被連接件之一的螺紋孔中,其末端頂在另一被連接件的表面的凹坑中,用以固定兩零件之間的相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)軸與軸上零件的連接。這種螺紋連接一般不傳遞力和力矩。

除了上述基本螺紋連接形式外,還有一些特殊結(jié)構(gòu)的螺紋連接:專門用于將機(jī)座或機(jī)架固定在地基上的地腳螺栓連接,裝在機(jī)器或大型零、部件的頂蓋或外殼上便于起吊用的吊環(huán)螺栓連接,用于工裝設(shè)備中的T形槽螺栓連接,見表9-3。

2.螺紋連接件

螺紋連接件的種類很多,大多已標(biāo)準(zhǔn)化。常見的有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、螺母和墊圈,可根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。

表9-4列出了標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件的圖例、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用。

三、螺紋連接的預(yù)緊與防松

1.螺紋連接的預(yù)緊在使用螺紋連接進(jìn)行裝配時(shí),多數(shù)情況下都要擰緊到一定程度,防止被連接件受工作載荷以后,結(jié)合面產(chǎn)生縫隙和相對(duì)移動(dòng),以增強(qiáng)連接的可靠性、緊密性與防松能力,這個(gè)過程稱為預(yù)緊。

預(yù)緊使螺栓受軸向拉力,稱為預(yù)緊力Q0。預(yù)緊力的大小直接影響到螺栓連接的安全性。

為了充分發(fā)揮螺栓的工作能力和保證預(yù)緊的可靠性,螺栓的預(yù)緊力一般達(dá)到材料屈服極限的50%~70%。對(duì)于一般的連接,可憑據(jù)經(jīng)驗(yàn)來控制預(yù)緊力Q0的大小。對(duì)于重要的連接,可以按照要求的預(yù)緊力數(shù)值,使用測(cè)力矩扳手或定力矩扳手,如圖9-6所示。測(cè)力矩扳手,在擰緊螺栓時(shí)可以指示數(shù)值;定力矩扳手在達(dá)到需要的力矩后,即可自行打滑。圖9-6測(cè)力矩扳手和定力矩扳手

對(duì)批量產(chǎn)品的裝配,可使用電動(dòng)扳手,利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制擰緊力矩。連接螺栓在工作時(shí)所需的預(yù)緊力Q0產(chǎn)生的擰緊力矩T由兩部分組成:一部分用以克服螺紋中的阻力矩T1,另一部分用以克服螺母支承面上的摩擦阻力矩T2,即T=T1

+T2。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)M16~M64的粗牙普通螺紋,無(wú)潤(rùn)滑時(shí)可取

式中:d為螺栓直徑,一般情況下憑經(jīng)驗(yàn)擰緊。螺母預(yù)緊力難以準(zhǔn)確控制,有時(shí)可能使螺栓擰得過緊,甚至將螺栓擰斷,故對(duì)于重要的連接不宜用小于M12~M16的螺拴。

2.螺紋連接的防松

連接螺栓用在靜載荷和溫度變化不大的工作場(chǎng)合。連接螺栓滿足自鎖條件時(shí)不會(huì)自動(dòng)松脫,但是在沖擊、振動(dòng)、變載荷或溫度變化很大時(shí),連接可能自動(dòng)松脫,影響連接的牢固性和緊密性,甚至造成嚴(yán)重事故。

螺紋連接防松的根本問題在于要防止螺紋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。防松的方法很多,按其工作原理可分為三類:

(1)摩擦防松。

(2)機(jī)械防松。

(3)其他防松。

四、螺栓組連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器設(shè)備中螺栓常常成組使用,因此,必須根據(jù)其用途和被連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺栓組。螺栓組連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的在于合理地確定連接結(jié)合面的幾何形狀和螺栓的布置形式,基本原則是:力求使各螺栓或連接結(jié)合面間受力均勻,便于加工和裝配。為此,進(jìn)行螺栓組連接設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下幾個(gè)方面的問題。

1.連接結(jié)合面的設(shè)計(jì)

連接結(jié)合面的形狀和機(jī)器的結(jié)構(gòu)形狀相適應(yīng),一般將結(jié)合面形狀設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單幾何形狀,螺栓組的對(duì)稱中心和結(jié)合面的形心重合,使結(jié)合面受力均勻,如圖9-7所示。圖9-7結(jié)合面的形狀設(shè)計(jì)

2.螺栓的數(shù)目及布置

(1)螺栓布置時(shí)應(yīng)使各螺栓的受力合理。對(duì)于配合螺栓連接,不要在平行于工作載荷方向上成排地布置八個(gè)以上的螺栓,以免載荷分布過度不均勻。當(dāng)螺栓組連接承受扭矩T時(shí),應(yīng)保證螺栓組的對(duì)稱中心和結(jié)合面形心重合;當(dāng)螺栓連接承受彎矩M時(shí),應(yīng)保證螺栓組的對(duì)稱軸與結(jié)合面中性軸重合,如圖9-8所示。同時(shí)要求各個(gè)螺栓盡可能離形心和中性軸遠(yuǎn)一些。這樣可以充分和均衡地發(fā)揮各個(gè)螺栓的承受能力。圖9-8結(jié)合面受彎矩或扭矩時(shí)螺栓的布置

(2)螺栓的布置應(yīng)有合理的間距和邊距,以便保證連接的緊密性和裝配時(shí)所需的扳手操作空間,如圖9-9所示。圖9-9-扳手空間尺寸

(3)分布在同一圓周上的螺栓數(shù)盡量取偶數(shù)(如2、4、6、8、12等),以方便分度和劃線。同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長(zhǎng)度應(yīng)盡量相同。

3.采用減載裝置,減小螺栓的受力

當(dāng)螺栓組同時(shí)承受較大的載荷(尤其是橫向載荷)時(shí),可以采用減載銷、減載套筒、減載鍵等卸荷裝置(見圖9-10)來分擔(dān)工作載荷,而螺栓僅起連接作用。這樣不僅預(yù)緊力小,而且結(jié)構(gòu)緊湊。圖9-10減載裝置

五、單個(gè)螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算

螺栓連接在應(yīng)用時(shí)常采用多個(gè)螺栓成組使用。根據(jù)對(duì)螺栓組的受力分析,可求出螺栓組中受力最大的螺栓,從而使整個(gè)螺栓組的強(qiáng)度計(jì)算簡(jiǎn)化成受力最大的單個(gè)螺栓強(qiáng)度的計(jì)算。

當(dāng)螺栓的材料確定以后,螺栓強(qiáng)度的計(jì)算實(shí)質(zhì)上是確定螺栓的直徑或核算其危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度。螺母、墊圈不必進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,可直接按公稱尺寸選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)件。

1.松螺栓連接

松螺栓連接在承受工作載荷前不擰緊,只在承受工作載荷時(shí)螺栓才受到拉力的作用,如圖9-11所示的起重吊鉤上的螺紋連接。

這種連接的強(qiáng)度計(jì)算只要保證螺栓的危險(xiǎn)剖面上的工作應(yīng)力不超過螺栓材料的許用應(yīng)力就可以了。

設(shè)螺栓工作時(shí)的最大軸向載荷為F,螺栓的危險(xiǎn)剖面直徑一般為螺紋牙根處直徑d1,其強(qiáng)度條件為

式中:d1為螺紋的小徑,單位為mm;[σ]為松螺栓連接的許用拉應(yīng)力,單位MPa,[σ]=σs/S,S為安全系數(shù)(見表9-7)。

由上式可得設(shè)計(jì)公式為

計(jì)算出d1后,可從螺紋尺寸表確定螺紋的公稱尺寸d。

2.受橫向外載荷的緊螺栓連接

1)采用普通螺栓連接

圖9-12所示為普通螺栓連接,被連接件承受垂直于軸線的橫向載荷R。因螺栓桿與螺栓孔之間有間隙,故螺栓桿不直接承受橫向載荷R,而是先擰緊螺栓,使被連接零件表面產(chǎn)生壓力Q0,從而使被連接件結(jié)合面間產(chǎn)生的摩擦力來承受橫向載荷。如摩擦力之總和大于或等于橫向載荷R,則被連接件之間不會(huì)相互滑移,故可達(dá)到連接的目的。圖9-12普通螺栓連接

由于預(yù)緊力的存在,被連接件結(jié)合面在橫向外載荷R的作用下產(chǎn)生摩擦力Q0f,工作時(shí)應(yīng)滿足

2)采用鉸制孔用螺栓連接

圖9-13所示為鉸制孔用螺栓的連接。這種螺栓連接的特點(diǎn)是螺桿與被連接件的孔(鉸制孔)采用基孔制的過渡配合。螺母不必?cái)Q得很緊(預(yù)緊力可不考慮)。這種連接依靠螺桿部分承受剪切和擠壓來抵抗橫向外載荷R,因此,應(yīng)分別按擠壓及剪切強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。圖9-13鉸制孔用螺栓連接

其強(qiáng)度條件為

式中:R為橫向外載荷(N);z為螺栓的數(shù)目;H為擠壓面長(zhǎng)度(mm),圖9-13中H1與H2取較小值;N為剪切面數(shù);d0為螺栓與孔配合處直徑(mm);[τ]為螺栓的許用剪應(yīng)力(MPa),見表9-7;[σp]為螺栓與孔壁的許用擠壓應(yīng)力(MPa),見表9-9。

3.受軸向外載荷的緊螺栓連接

圖9-14所示為汽缸蓋與缸體的螺栓連接,工作載荷方向與螺栓軸線方向一致。當(dāng)工作載荷作用時(shí),汽缸蓋與汽缸體的結(jié)合面上必須保持一定程度的壓緊,連接中的各個(gè)螺栓受力程度相同,則每個(gè)螺栓的平均軸向工作載荷為

式中:p為汽缸內(nèi)氣壓;D為缸徑;z為螺栓數(shù)。圖9-14汽缸蓋與缸體的螺栓連接

圖9-15(a)所示為未擰緊螺母;圖9-15(b)所示為已擰緊螺母,預(yù)緊力Q0的作用使螺栓伸長(zhǎng)δ1,被連接件受預(yù)緊力Q0的作用被壓縮δ2;圖9-15(c)所示為承受工作載荷Qw

以后螺栓又伸長(zhǎng)了Δδ,而被連接件的壓縮量也減少了Δδ。圖9-15單個(gè)螺栓連接的受力變形圖

圖9-16所示為螺栓和被連接件的受力和變形關(guān)系圖,圖中直線OA為螺栓的受力變形關(guān)系線,O1B為被連接件的受力變形關(guān)系線。圖9-16螺栓和被連接件的受力變形圖

當(dāng)工作載荷QW加上以后螺栓的伸長(zhǎng)量變?yōu)棣?+Δδ,被連接件的壓縮量變?yōu)棣?-Δδ時(shí),直線O1B上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)為Q'0,即被連接件所受殘余預(yù)緊力Q'0,直線OA上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)為Q,即螺栓所受拉力Q。

由此可見

因此,受軸向外載荷的緊螺栓連接的設(shè)計(jì)公式為

六、螺紋連接件的材料及許用應(yīng)力

螺紋連接件的常用材料為低碳鋼和中碳鋼,如Q215、Q235、35和45鋼等。對(duì)于承受沖擊、振動(dòng)和變載荷的螺紋連接件,可采用合金鋼,如15Cr、20Cr、40Cr、30CrMnSi等;對(duì)有特殊使用要求的(防蝕/耐高溫/導(dǎo)電),可采用特種鋼及合金材料。螺紋連接件的常用材料及力學(xué)性能見表9-6。

螺栓連接的許用應(yīng)力[σ]見表9-7。緊螺栓連接的安全系數(shù)S見表9-8。

【例9-1】如圖9-17所示為一凸緣聯(lián)軸器,用8個(gè)普通螺栓連接,螺栓均布在D1=195mm的直徑上,需要聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩T=1.1kN·m,試確定螺栓的直徑d。圖9-17凸緣聯(lián)軸器螺栓組連接

七、提高螺栓連接強(qiáng)度的措施

螺栓連接主要取決于螺栓的強(qiáng)度。螺栓的失效形式多為螺桿部分的疲勞斷裂,通常發(fā)生在應(yīng)力集中較嚴(yán)重部位,即螺栓頭螺桿的根部、螺桿上螺紋牙的根部、螺母支承平面螺桿螺紋部位。下面介紹一些常用的提高普通螺栓強(qiáng)度的措施。

1.改善螺紋牙間載荷分配不均勻現(xiàn)象

由于螺母與螺栓受力后,變形不一樣,因此螺紋牙的受力也是不均勻的。從螺母支承面算起,第一圈受載最大,以后各圈遞減。旋合圈數(shù)越多,螺紋牙間載荷分配不均現(xiàn)象越嚴(yán)重,第8圈以后的螺紋基本不受力。因此采用螺紋圈數(shù)多的厚螺母并不能提高連接的強(qiáng)度。

為了使螺紋牙間的受力比較均勻,可采用以下方法:

(1)懸置螺母。如圖9-18(a)所示,螺母的旋合部分全部受拉,其變形性質(zhì)與螺栓相同,從而可以減少兩者的螺距變化差,使螺紋牙上的載荷分布趨于均勻。

(2)環(huán)槽螺母。如圖9-18(b)所示,這種結(jié)構(gòu)可使螺母內(nèi)緣下端(螺栓旋入端)局部受拉,其作用和懸置螺母相似,但載荷均布的效果不及懸置螺母。

(3)內(nèi)斜螺母。如圖9-18(c)所示,螺母支承端受力大的幾圈螺紋處制成10°~15°的斜角,使螺栓螺紋牙的受力面由上而下逐漸轉(zhuǎn)移。這樣,可使各圈螺紋牙的受力趨于均勻。

(4)兼有環(huán)槽螺母和內(nèi)斜螺母作用的螺母結(jié)構(gòu),如圖9-18(d)所示。圖9-18均載螺母結(jié)構(gòu)

2.減小螺栓的應(yīng)力變化幅度

螺栓應(yīng)力變化的幅度直接影響其疲勞強(qiáng)度,應(yīng)力變化幅度越小,疲勞強(qiáng)度越高。增加被連接件的剛度或減小螺栓的剛度均可以使應(yīng)力變化幅度減小。

為了減小螺栓的剛度,可適當(dāng)增加螺栓的長(zhǎng)度,或采用腰桿狀螺栓(見圖9-19(a))和空心螺栓(見圖9-19(b)),也可在連接螺母下安裝彈性元件,適當(dāng)降低螺栓剛度(見圖9-20)。圖9-19-腰桿狀螺栓和空心螺栓圖9-20螺母下安裝彈性元件

為了增大被連接件的剛度,可以適當(dāng)增大被連接件部位的尺寸,甚至不用墊片或采用剛度較大的金屬墊片。對(duì)具有密封性要求的汽缸螺栓連接,采用較軟件的汽缸墊片并不合適,采用剛度較大的金屬墊片或密封環(huán)較好(見圖9-21)。圖9-21汽缸蓋密封方案

3.減小應(yīng)力集中

在連接螺栓上通常發(fā)生應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位,從結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)。例如,適當(dāng)增加螺紋牙根圓角半徑、螺栓頭與螺桿結(jié)合部位圓角半徑、螺桿上螺紋牙的根部加工退刀槽等,可減小應(yīng)力集中,提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

4.避免或減小附加彎曲應(yīng)力

由于螺母支承面歪斜、裝配不良、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理等原因,都會(huì)使連接螺栓承受偏心載荷。螺栓桿除受拉伸外,還要受附加彎曲應(yīng)力,這對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度的影響很大。對(duì)此,采用斜墊圈(見圖9-22(a))、球面墊圈(見圖9-22(b)),在結(jié)合面不太平整的連接件表面采用凸臺(tái)(見圖9-22(c))或沉孔(見圖9-22(d))等結(jié)構(gòu),均可減小附加彎曲應(yīng)力的影響。圖9-22避免或減小附加彎曲應(yīng)力的措施

5.改進(jìn)螺栓的制造工藝

在螺栓的制造工藝上采取冷鐓螺栓頭部、碾壓螺紋的方法,其疲勞強(qiáng)度比車削螺紋提高30%。另外,氰化、氮化等表面硬化處理也能提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

任務(wù)二螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入說明圖9-23內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)原理。圖9-23內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋

任務(wù)實(shí)施

一、螺旋傳動(dòng)的類型及應(yīng)用

螺旋傳動(dòng)利用螺桿和螺母組成的螺旋副,將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),可用于傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

1.按用途分類

螺旋傳動(dòng)按使用要求的不同可分為三類:

(1)傳力螺旋:以傳遞動(dòng)力為主,要求以較小的轉(zhuǎn)矩獲得較大的軸向力,廣泛應(yīng)用于各種起重或加壓裝置中,如圖9-24(a)所示。

(2)傳導(dǎo)螺旋:以傳遞運(yùn)動(dòng)為主,要求傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)精度高,常用于機(jī)床刀架或工作臺(tái)的移動(dòng)控制,如圖9-24(b)所示。

(3)調(diào)整螺旋:用來調(diào)整并固定零件或部件之間的相對(duì)位置,如機(jī)床、儀器和測(cè)量裝置中微調(diào)機(jī)構(gòu)的螺旋傳動(dòng),如圖9-24(c)所示圖9-24螺旋傳動(dòng)的類型示意圖

2.按螺桿與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式分類

螺桿與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式有下面四種(如圖9-25所示):

(1)螺母固定不動(dòng),螺桿旋轉(zhuǎn)并往復(fù)移動(dòng),如千斤頂。

(2)螺桿固定旋轉(zhuǎn),螺母作直線往復(fù)移動(dòng),如機(jī)床絲杠。

(3)螺桿固定不動(dòng),螺母旋轉(zhuǎn)并沿直線運(yùn)動(dòng),這類應(yīng)用較少。

(4)螺母固定旋轉(zhuǎn),螺桿作直線運(yùn)動(dòng),這類應(yīng)用較少。圖9-25螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式

3.按摩擦性質(zhì)分類

螺旋傳動(dòng)根據(jù)螺紋之間的摩擦性質(zhì)不同,可以分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋。滑動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,被廣泛應(yīng)用。

二、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)簡(jiǎn)介

滑動(dòng)螺旋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由螺母與螺桿組成,由于螺母和螺桿的嚙合是連續(xù)的,所以工作平穩(wěn)無(wú)噪音。因?yàn)閲Ш蠒r(shí)接觸面積大,故承載能力強(qiáng)。當(dāng)選擇合適的參數(shù)時(shí)還可以使傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)自鎖(即反向鎖止),尤其對(duì)起重機(jī)以及調(diào)整裝置有很重要的意義。

滑動(dòng)螺旋磨損后螺旋副產(chǎn)生間隙,運(yùn)動(dòng)精度受到直接影響。靜壓螺旋屬滑動(dòng)螺旋,是滑動(dòng)螺旋的升級(jí)版,其工作原理是在螺母與螺桿的螺紋牙之間注入壓力油,利用油壓來平衡外載荷,隔開螺母和螺桿螺紋牙的接觸面。靜壓螺旋傳動(dòng)摩擦損失小,壽命長(zhǎng),效率高(可達(dá)0.99),傳動(dòng)精度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且需要附加供油系統(tǒng)。

三、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)簡(jiǎn)介

滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)是在螺母和螺桿之間的螺紋滾道內(nèi)充填有滾珠,滾道為封閉循環(huán)式。當(dāng)螺母和螺桿相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),滾珠沿滾道滾動(dòng)。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)以滾動(dòng)摩擦代替了滑動(dòng)摩擦,摩擦阻力小,效率提高到0.90以上,調(diào)試中還可以利用預(yù)緊消除螺母和螺桿之間的軸向間隙使傳動(dòng)精度和軸向剛度得到提高。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)可逆性,為了防止機(jī)構(gòu)逆轉(zhuǎn),需有防逆裝置。由于滾珠與滾道為點(diǎn)接觸,因此其承受載荷和抗沖擊的能力差,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造較困難,成本也高。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)主要應(yīng)用在對(duì)傳動(dòng)精度和效率要求高的重要傳動(dòng)中,例如,飛機(jī)起落架和機(jī)翼的控制機(jī)構(gòu)、精密機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)按滾珠循環(huán)方式分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩類。

內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋如圖9-26所示,鋼珠在整個(gè)循環(huán)過程中始終不脫離螺旋表面。內(nèi)循環(huán)螺母上開有側(cè)孔,孔內(nèi)鑲有反向器用于將相鄰兩螺紋滾道連通起來,鋼珠越過螺紋頂部進(jìn)入相鄰滾道,形成一個(gè)循環(huán)回路。因此,一個(gè)循環(huán)回路里只有一圈鋼珠,設(shè)有一個(gè)反向器。一個(gè)螺母常配2~4個(gè)反向器。圖9-26內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋

外循環(huán)滾動(dòng)螺旋如圖9-27所示,鋼珠在回路過程中離開螺旋表面,稱為外循環(huán)。外循環(huán)螺母前后各設(shè)一個(gè)反向器,但為了縮短回路滾道的長(zhǎng)度,也可在一個(gè)螺母中分為兩個(gè)或三個(gè)回路。圖9-27外循環(huán)滾動(dòng)螺旋

任務(wù)三其他連接設(shè)計(jì)圖9-28切向鍵連接

任務(wù)導(dǎo)入說明圖9-28切向鍵連接的工作特點(diǎn)。

任務(wù)實(shí)施

一、鍵連接

1.鍵連接的類型

鏈連接的主要類型有平鍵、半圓鍵、楔鍵、切向鍵等。鍵是標(biāo)準(zhǔn)件,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝拆方便,工作可靠。

1)平鍵連接

平鍵的兩側(cè)面是工作面,上表面與輪轂上的鍵槽底部之間留有間隙,鍵的上、下表面為非工作面。工作時(shí)靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞扭矩。使用時(shí)不能實(shí)現(xiàn)軸向固定。根據(jù)用途,平鍵又可分為普通平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵。圖9-29-平鍵連接

普通平鍵與輪轂上鍵槽的配合較緊,屬靜連接;

導(dǎo)向平鍵和滑鍵與輪轂的鍵槽配合較松,屬動(dòng)連接。

普通平鍵按其端部結(jié)構(gòu)形狀的不同分為圓頭普通平鍵(A型)、方頭普通平鍵(B型)和單圓頭普通平鍵(C型)。

圓頭平鍵用于指狀銑刀加工的軸槽,鍵在槽中固定良好,但軸上槽引起的應(yīng)力集中較大;方頭平鍵用于盤形銑刀加工的軸槽,軸的應(yīng)力集中較小,多用螺釘固定;單圓頭平鍵常用于軸端。

導(dǎo)向平鍵和滑鍵都應(yīng)用于軸上零件軸向移動(dòng)的場(chǎng)合。

導(dǎo)向平鍵使用時(shí),用螺釘固定在軸上的鍵槽中,軸上零件沿鍵作軸向移動(dòng)?；I使用時(shí),通常固定在輪轂上,軸上零件和鍵一起在軸上的鍵槽中作軸向移動(dòng)。

當(dāng)軸向移動(dòng)距離較大時(shí),導(dǎo)向平鍵的長(zhǎng)度過大,制造困難,宜選用滑鍵。圖9-30滑鍵連接

2)半圓鍵連接

在半圓鍵連接中,軸上的鍵槽是用尺寸相同的半圓鍵槽銑刀銑出的,因而鍵在槽中能繞其幾何中心擺動(dòng)以適應(yīng)輪轂鍵槽的斜度。半圓鍵工作時(shí),也是靠鍵的側(cè)面來傳遞轉(zhuǎn)矩的,如圖9-31所示。

半圓鍵連接工藝性好,裝配方便,但軸上槽較深,對(duì)軸的強(qiáng)度削弱大,一般用于輕載靜連接中,適用于錐形軸端的連接。圖9-31半圓鍵連接

3)楔鍵連接

楔鍵連接會(huì)使軸上零件與軸的配合產(chǎn)生偏心,故適用于精度要求不高和轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合。常用的有普通楔鍵和鉤頭楔鍵,如圖9-32所示。圖9-32楔鍵連接

4)切向鍵連接

切向鍵由一對(duì)普通楔鍵組成,裝配時(shí)將兩鍵楔緊,窄面為工作面,其中與軸槽接觸的窄面過軸線,工作壓力沿軸的切向作用,能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩。一對(duì)切向鍵只能傳遞單向轉(zhuǎn)矩,傳遞雙向轉(zhuǎn)矩時(shí),需用兩對(duì)切向鍵,互成120°~135°分布,如圖9-33所示。

切向鍵對(duì)中性較差,鍵槽對(duì)軸的削弱大,適用于載荷很大、對(duì)中性要求不高的場(chǎng)合,如重型機(jī)械和礦山機(jī)械。圖9-33切向鍵連接

2.鍵連接的組合安裝和選擇

1)鍵的組合安裝平鍵與半圓鍵安裝時(shí)為松連接,楔鍵和切向鍵為緊連接。單鍵強(qiáng)度不足時(shí)可采用以下措施:

(1)若結(jié)構(gòu)允許,可適當(dāng)增加轂寬和鍵長(zhǎng)以提高連接承載能力。

(2)若結(jié)構(gòu)受限制時(shí),可使用雙鍵組合安裝連接。

①平鍵要求雙鍵安裝時(shí),通常使兩鍵相隔180°布置;

②半圓鍵要求雙鍵安裝時(shí),通常使兩鍵布置在同一母線上;

③楔鍵要求雙鍵安裝時(shí),通常使兩鍵相隔90°~120°布置;

④切向鍵雙鍵安裝時(shí),通常使兩鍵相隔120°~135°布置。

2)普通平鍵的選擇

鍵一般采用抗拉強(qiáng)度不低于590MPa的鋼材料,常用45鋼。

平鍵的尺寸主要是鍵的截面尺寸b×h和鍵長(zhǎng)L。

b×h根據(jù)軸徑d由標(biāo)準(zhǔn)中查得,鍵的長(zhǎng)度參考輪轂的長(zhǎng)度確定,一般應(yīng)略短于輪轂長(zhǎng),并符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的尺寸系列

3.花鍵連接

花鍵是由外花鍵和內(nèi)花鍵組成的。工作時(shí),利用內(nèi)花鍵和外花鍵的相互擠壓傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。

花鍵的齒側(cè)為工作面,其承載能力高,定心性和導(dǎo)向性好,對(duì)軸的強(qiáng)度削弱小,多適用于傳遞中等或較大載荷的固定連接或滑動(dòng)連接。

花鍵已標(biāo)準(zhǔn)化。按齒形的不同,花鍵可分為矩形花鍵和漸開線花鍵,如圖9-34所示。圖9-34花鍵連接

矩形花鍵安裝時(shí),靠?jī)?nèi)外花鍵的小徑定心。漸開線花鍵安裝時(shí),靠?jī)?nèi)外花鍵的齒側(cè)定心。

花鍵連接的承載能力高,定心性和導(dǎo)向性好,對(duì)軸的削弱小,但加工花鍵需專門的設(shè)備和刀具,成本高。

花鍵適用于載荷大和定心精度要求高的靜連接、動(dòng)連接及大批量生產(chǎn),如汽車、飛機(jī)、拖拉機(jī)、機(jī)床等。

二、聯(lián)軸器

聯(lián)軸器用來連接兩軸或軸與回轉(zhuǎn)件,使它們一起旋轉(zhuǎn)并傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器連接的兩根軸,只有在機(jī)器停車后,經(jīng)過拆卸才能把它們分離。

聯(lián)軸器所連接的兩軸,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格對(duì)中,但由于制造及安裝的誤差、承載后的變形和溫度的影響,會(huì)導(dǎo)致兩軸產(chǎn)生某種形式的相對(duì)位移,如圖9-35所示。圖9-35聯(lián)軸器連接誤差形式

選擇聯(lián)軸器時(shí),首先應(yīng)熟悉各類聯(lián)軸器的特性,明確兩軸的連接要求,再參照同類機(jī)器的使用經(jīng)驗(yàn),合理地選擇聯(lián)軸器的類型。