机械设计基础联接.ppt

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1、第11章 联 接,111 概述,112 螺纹联接,113键联接、销连接及型面连接,114铆接、焊接、胶接简介,一、连接的分类,111 概述,根据连接工作原理分：,连接又可分为可拆连接和不可拆连接。,形锁合连接,摩擦锁合连接,材料锁合连接,关于过盈配合。,选择连接类型时，主要应考虑使用要求和经济要求。,而设计连接时，应尽可能将连接件与被连接件设计成等强度，使连接中的各零件能充分发挥其承载能力。,二、连接选择与设计原则,普通螺纹,管螺纹,112 螺纹连接,一、机械制造中的连接螺纹,普通螺纹：多用于紧固连接。,管螺纹：多用于密封连接。,三角形螺纹,普通螺纹=60,管螺纹=55或60,普通螺纹以大径d

2、为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。,粗牙螺纹应用最广,细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，,缺点：不耐磨易滑扣。,应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。,用螺纹密封的管螺纹,普通细牙螺纹,管螺纹,非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁=55）,用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁=55）,60圆锥管螺纹,公称直径-螺纹大径。强调与普通螺纹不同,非螺纹密封的管螺纹,表11-1 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm,标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3),M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5),1、螺纹联接的基本类型,

3、螺栓联接,基本类型,可承受横向载荷。,螺纹余留长度l1,铰制孔螺栓,孔与螺杆之间留有间隙,静载荷l1=(0.30.5)d;,变载荷l1=0.75d;,冲击载荷或弯曲载荷l1 d;,铰制孔用螺栓l1 0;,螺纹伸出长度a=(0.20.3)d;,螺栓轴线到边缘的距离e=d+(36)mm,用于经常拆装易磨损之处。,二、螺纹联接的基本类型及螺纹连接件,1、螺纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,螺钉联接,座端拧入深度H，当螺孔材料为：,双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。,钢或青铜 H=d;,铸铁 H=(1.251.5)d,铝合金 H=(1.52.5)d,螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P;,钻孔深度

4、 H2=H1+(0.51)d;,参数l1、e、a与螺栓相同,结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困难。,1、螺纹联接的基本类型,螺栓联接,基本类型,螺钉联接,双头螺柱联接,紧定螺钉联接,2、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺栓的结构形式,螺栓分A、B、C三级,铰制孔用螺栓,双头螺柱,2、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,2、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,末端结构,头部结构,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,2、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,用于经常拆装易磨损之处。,用于尺寸受限制之处。,国标罗列有六十余种不同结构的螺母,自攻螺钉,螺母也分A、B、C三级,其它螺

5、母：,其它螺母：,垫圈,平垫圈,薄平垫圈,螺母,螺钉、紧定螺钉,双头螺柱,2、螺纹紧固件,螺栓,螺纹紧固件,斜垫圈,弹簧垫圈,圆螺母用止动垫圈,作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。,垫圈分A、C两级,拧紧力矩T,一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。,设轴向预紧力为Fp,近似计算公式：适用于M10M60的粗牙螺纹,T 0.2 Fp d,三、螺纹联接的预紧,工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。,测力矩扳手,定力矩扳手,四、螺纹连接的计算,螺栓联

6、接的主要失效形式：,螺栓拉断,螺纹压溃或剪断,滑扣 因经常拆装,螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距P等。,（一）松螺栓联接 装配时不须要拧紧,强度条件：,式中:d1-螺纹小径，mm,力除以面积,1.受横向工作载荷的螺栓连接,螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力Fp导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。,Ks-防滑系数，常取Ks=1.11.3,预紧力Fp：,f-摩擦系数，对钢与铸铁，取:f=0.10.15,i-结合面数,z-工作螺栓数目,（二

7、）紧螺栓联接 装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。,若取 f=0.15,Ks=1.2,i=1,z=1 则：,Fp 8F,结构尺寸大,强度条件：,螺栓的小径d1：,改进措施：(1)采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用,(2)采用无间隙的铰制孔螺栓。,抗剪强度条件：,挤压强度条件：,ds为螺栓受剪面直径，为螺栓杆与被连接件孔壁间接触受压的最小长度。,2.受轴向工作载荷的螺栓连接,设流体压强为p，螺栓数目为z，则缸体周围每个螺栓的平均轴向工作载荷为：,特别注意，轴向载荷：,FQ Fp+F,加预紧力后螺栓受拉伸长b0,被联接件受压缩短C0,加载F后:,螺栓总伸长量增加为:,总

8、拉力为：,被联接件压缩量减少为：,残余预紧力减少为：Fp,很显然:FpFp,+b0,C0-,被联接件放松了,必须使:Fp0,Fp的大小按连接的工作条件根据经验选定：,当载荷F无变化时:Fp=(0.20.6)F,当载荷F有变化时:Fp=(0.61)F,对特别重要的紧密连接:Fp=(1.51.8)F,FQ=F+Fp,1、螺栓材料的许用应力,五、设计螺栓连接的几个问题,受拉螺栓的许用应力：,s为螺栓材料的屈服极限；S为安全系数，紧螺栓连接，控制预紧力时，S=1.21.5，不控制预紧力时，见表11-4。,铰制孔螺栓连接的的许用应力：,许用切应力：,被连接件为钢时：,被连接件为铸铁时：,许用挤压应力(静

9、载荷)：,S为安全系数，静载荷时取2.5，变载荷时取3.55。,b为铸铁被连接件的强度极限,s为钢制被连接件的屈服极限,2、关于螺栓组连接的概念,3、螺纹联接的防松问题,联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。,防松的方法：摩擦防松，机械防松，永久止动等。,（1）利用附加摩擦力防松,弹簧垫圈,对顶螺母,防松的根本问题在于防止螺旋副的相对转动。,开口销与六角开槽螺母,串联钢丝,（2）

10、机械防松,圆螺母用止动垫圈,止动垫圈,（3）永久止动,涂粘合剂,4、提高螺栓连接强度的方法,主要通过提高螺栓的强度，特别是螺栓的疲劳强度。,支承面不平,（1）减小应力集中,A.增大过渡圆角,B.切制卸载槽,（2）避免或减小附加应力,采用凸台或沉孔结构,例11-1 计算圆柱形压力容器盖的螺栓连接。已知容器内流体压力p=3MPa（静载荷），容器内径D=200mm，螺栓数目z=12，容器与容器盖凸缘厚度均为18mm。拧紧螺母时不控制预紧力。,解：,1、确定单个螺栓的工作载荷F,2、确定螺栓的总拉伸载荷个FQ,3、求螺栓直径,考虑到压力容器的密封性要求，取残余预紧力Fp=1.6F，则,选取螺栓力学性能

11、为8.8级，则s=640MPa。由式 确定许用应力时需要找安全系数S，当不控制预紧力时，S与螺栓直径d有关，故需要用试算法。,由表11-4暂取S=3（假定d=16mm），则螺栓许用应力为：,计算螺栓小径为：,由表11-1查得d=16mm时，d1=13.835mm12.588mm，能满足强度要求且与原假定相符，故取M16的螺栓合适。,根据容器凸缘后度及螺母厚度，由表11-2选取螺栓公称长度l=60mm。,标记为：螺栓 M1660-8.8GB/T 5782-2000,113 键联接、销连接及型面连接,作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的轴向固定或移动。,一、键联接的类型,类

12、型：平键、半圆键、楔键、花键等。,1.平键联接,特点：定心好、装拆方便。,种类,普通平键,导向平键,普通平键结构,单圆头(C型),圆头(A型),方头(B型),用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。,用盘铣刀加工，轴的应力集中小。,用于轴端,普通平键应用最广。,导向平键,零件可以在轴上移动，构成动联接。,结构特点：长度较长，需用螺钉固定。,为便于装拆，制有起键螺孔。,表11-4 普通平键和键槽尺寸（GB/T1096-2003）,A型,B型,C型,标记实例：圆头普通平键(A型):键16100 GB/T 1096-2003,方头普通平键(B型):键B16100 GB/T 1096-2003,单圆

13、头普通平键(C型):键C16100 GB/T 1096-2003,2.半圆键联接,优点：定心好，装配方便。因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。,缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。,特别适用于锥形轴端的联接。,3.楔键联接和切向键联接,结构特点：键的上表面有1:100的斜度，轮毂槽的底面也有1:100的斜度。,缺点：定心精度不高。,应用：只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。,类型：普通楔键、钩头楔键。钩头是用来拆卸用的,在重型机械中常采用切向键-一对楔键组成。,装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成1201

14、30。,二、平键联接的尺寸选择和强度校核,键材料采用抗拉强度590 Mpa的碳素钢，常用45钢。,键的截面尺寸b、h查表选取，长度L参照轮毂长度从标准中选取。,键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。,挤压强度条件：,l=L-b,l=L,一般不会出现,1.键的材料及其尺寸选择,2.平键连接的失效和强度校核,若强度不足时，可适当增加键长或采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。,例11-2 一蜗轮与轴采用平键连接，蜗轮轮毂材料为HT250，轮毂宽度B=100mm。轮毂孔直径d=58mm、轴的材料为45钢。该连接传递转矩T=500Nm，工作时有轻微冲击。

15、试确定此键连接的类型和尺寸。,解：,1、选键的类型和确定键的尺寸,选A型普通平键，键的材料为45钢。查表11-5，由d=58mm及B=100mm，确定键的尺寸为：键宽b=16mm，键高h=10mm，键长L=90mm。,2、校核键连接的强度,轮毂材料为铸铁，由表11-6查得许用挤压bs=5060MPa；A型平键工作长度l=L-b=74mm。得,可知该键连接强度足够。,所选A型平键标记为：键1690 GB/T 1096-2003,三、花键联接,结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。,优点：承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、导向性好。,类型：矩形花键、键开线花键、三角形花键。,制造容易最常

16、用,用于高强度联接,用于薄壁零件联接,矩形花键采用小径定心,渐开线花键采用齿形定心,花键尺寸按轴径由标准选定。,四、销连接,作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。,类型,圆柱销,圆锥销,-经多次拆装后，定位精度会降低；,有1:50的锥度，可反复多次拆装。,拆装方便用于盲孔,螺母锁紧抗冲击,不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。,带槽圆柱销,装配前、后,销的常用材料而35、45钢,五、型面连接,结构特点：利用非圆截面的柱面体或锥面体的轴与相同连廓的轮毂孔配合来传递转矩的可拆连接。,优点：装拆方便，对中性好。,缺点：加工比较困难，精度难保证。,114 铆接、焊接、胶接简介,

17、一、铆接,铆接是将铆钉穿过被联接件的预制孔中经铆合而成的联接方式。其联接部分称为铆缝。不可拆的连接。,潘存云教授研制,铆钉有空心的和实心的两大类，且大部分都以标准化。在设计铆接结构时应优先选用已标准化的铆钉。,铆钉的结构：,热铆接-直径 d12mm 的钢制铆钉；,铆接工艺分冷铆和热铆：,冷铆接-直径 d 12mm 的钢制铆钉、塑性较好的有色金属及其合金制成的铆钉。,特点：,因此，在承受严重冲击和振动载荷的金属结构的联接中，如桥梁、建筑、造船、重型机械及飞机制造等工业部门中得到应用。,工艺过程比较容易控制，质量稳定;,工艺设备简单;,铆接结构抗振、耐冲击，联接牢固可靠。,抽心铆钉：,与焊接或胶接

18、相比，铆接工艺耗费工时较多，应力集中严重，强度被削弱，工作劳动强度大，铆缝紧密性差等缺点。,广泛应用于家电、家具制作、建筑装潢的方面。,潘存云教授研制,焊接是利用局部加热(或加压)的方法使被联接件接头处的材料熔融联接成一体。,二、焊接,与铆接相比较，焊接结构重量轻，节约金属材料，施工方便，生产率高，易实现自动化，且焊接结构的成本低，应用很广。,在机械制造中最常用的是电弧焊。电弧焊是利用焊条与焊件间产生电弧热将金属加热并熔化的焊接方法。,分类：,熔化焊,压力焊,钎焊,-电弧焊、气焊、电渣焊。,-电阻焊、摩擦焊、爆炸焊。,-锡焊、铜焊。,利用电焊机的低压电流，通过点焊条与被焊件之间形成的电路，在两

19、极间引起电弧，融化被焊部分的金属和焊条，使熔融的金属混合并填充解缝面而形成焊缝。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,电弧焊缝的基本形式,焊缝-焊接件经焊接后形成的结合部分。,电弧焊常见的焊缝形式：,角焊缝-两被焊件不在同一平面内；,对接焊缝-两被焊件在同一平面内；,正接角焊缝,搭接角焊缝,榫头式,对接角焊缝,卷边焊缝,塞焊缝,在机械制造中，最常用的被焊件材料是低碳钢和低合金钢(如Q215、Q235、15、20、16Mn等)。焊条的材料最好与被焊件的材料相同。,焊接件常用材料,三、胶接,胶接是用胶粘剂直接把被联接件联接

20、在一起且具有一定强度且不可拆卸的联接，利用胶粘剂凝固后出现的粘附力来传递载荷。,潘存云教授研制,蒙皮与型材胶接,潘存云教授研制,蜂窝结构填料,在机械制造中常用的结构胶粘剂有如下两种：环氧树脂胶粘剂；酚醛树脂胶粘剂。,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,胶接接头的受力状况,扯离,实践表明，胶接接头的抗剪切及抗拉伸能力强，抗剥离和扯离能力弱。设计接头时应尽可能使接头承受剪切或拉伸载荷。,胶接件的缺陷有时不易发现。,有良好的密封性、绝缘性和防腐性。,胶接的特点,与铆接、焊接相比，胶接的主要优点：,主要缺点：,联接件的材料范围宽广；,联接后的重量轻，材料的利用率高；,成本低；,在全部胶接面上应力集中小，故耐疲劳性能好；,抗剥离、抗弯曲及抗冲击振动性能差；,耐老化及耐介质(如酸、碱等)性能差；,胶粘剂对温度变化敏感，影响胶接强度；,