第10章联接相关设计

被联接件的相互位置固定，工作时不能变化如：蜗轮的齿圈与轮心joint利用不同方式把机械零件联成一体的技术可拆连接静连接动连接被联接件的相互位置工作时可按需要变化如：变速箱中滑移齿轮与轴不可拆连接螺纹连接、键连接、销连接焊接、铆接、粘接第10章连接设计分类：§10本章重点讨论可拆连接中的螺纹连接结构简单，装拆方便，适用范围广螺纹连接键连接销连接周向固定或轴向滑移定位或周向固定§10连接设计螺纹：thread§10-1螺纹连接§10-1螺纹连接一螺纹的类型及主要参数螺纹的形成原理和类型牙型三角形矩形锯齿形梯形普通螺纹管螺纹管路连接一般连接传递运动或传力(效率高)牙顶较大圆角，旋合后无径向间隙，英制细牙螺纹粗牙螺纹细牙螺纹薄壁零件或微调装置§10-1螺纹连接螺纹的主要参数：d(D)：

螺纹大径，公称直径d1(D1)：螺纹小径d2(D2)：螺纹中径n：螺旋线数目p：螺距S：导程，S=npψ：螺纹升角(中径d2圆周上)h：螺牙工作高度，接触面的径向高度a：牙型角连接螺纹n=1—危险截面计算直径S=npλψψb：牙侧角§10-1螺纹连接螺纹旋向：常用右旋，特殊要求时用左旋粗牙螺纹b=0°b=3°b=15°b=30°四种螺纹的牙侧角：：同一d下螺距p最大的螺纹同一d下螺距p小的螺纹粗牙、细牙螺纹标记示例：M12细牙螺纹：M12×1.5、M12×1.25—

粗牙—细牙(要标出螺距)，用于一般连接，d1大、强度高、自锁性好用于薄壁或微调机械中§10-1螺纹连接二螺旋副的受力分析、效率和自锁1、矩形螺纹(a=b=0°)分析两个工程实例：用千斤顶提升重物时，如何计算手柄上的水平推力FT？螺纹连接拧紧螺母用千斤顶提升重物F′F′F′TF′拧紧螺母时，若忽略螺母与支撑面间的摩擦力矩，如何计算扳手的拧紧力矩T？螺旋副FaF物理模型建立过程：螺旋副的相对运动可近似看作——作用在中径的水平推力F推动重物沿螺纹表面的匀速运动——在水平推力F作用下，重物沿斜面的匀速运动如果求出假想的水平驱动力F，则螺旋副间的力矩T为：FaFpd2sψ

§10-1螺纹连接fNvψ

FaFNRψ

ρFRFaψ+ρ摩擦角：ρ=arctanff为摩擦系数F=Fatan(ψ

+ρ）水平驱动力：驱动力矩：—即为摩擦副间的阻力矩T=Fd22tan(ψ

+ρ)=Fad22当升角较大，重物要匀速下滑时：ψ

Rvρψ

FaNfNFFRFaψ-ρ

重物要匀速上升时：F=Fatan(ψ

-ρ）水平驱动力：驱动力矩：Ttan(ψ

-ρ)=Fad22§10-1螺纹连接重物下滑过程分析：F=Fa

tan(ψ-ρ）ψ

Rvρψ

FaNfNF当ψ

>ρ时滑块在重力作用下会加速下滑要使其匀速下滑，还要施加少量的水平力F（F>0）此时F由驱动力变为阻力，而Fa由阻力变为驱动力由于摩擦力过大，重物不能自行下滑，而在斜面上保持静止要使其下滑需施加反向力，F≤0，此时F变为驱动力此种现象称为“自锁”，自锁条件是：ψ

≤ρ当ψ

≤ρ时§10-1螺纹连接输入功：W1=2pTW2=FaS输出功：升角ψ越大，效率越高但ψ一般不超过25°为宜效率：重物上升时：=2ptan(ψ+ρ)Fad22η==Fapd2tanψtanψtan(ψ

+ρ)=效率：tanψ=Spd2如何提高螺旋副间的效率？重物下降时：ηtan(ψ

–ρ)tanψ=§10-1螺纹连接2、非矩形螺纹(b

≠0°)先忽略螺纹升角ψ当量摩擦角：法向力增加为：摩擦力增加为：引入当量摩擦系数ρv=arctanfvfNvψ

FaFNRψ

ρ把力的增加看作是摩擦系数的增加N§10-1螺纹连接把非矩形螺纹受力问题转化为矩形螺纹受力问题求解用fv→f，用rv→r则非矩形螺纹副受力、效率及自锁可表述为：F=Fatan(ψ

±rv

）Ttan(ψ

±

rv)=Fad22ηtanψtan(ψ

+rv)=ηtan(ψ

–rv)tanψ=ψ

≤rv提升重物时，作用在手柄上的驱动力矩为：Ttan(ψ

+

rv)=F升d22拧紧螺母时，扳手的拧紧力矩T又为多少？§10-1螺纹连接螺旋千斤顶不同场合螺旋副，自锁和效率要求不同连接螺纹，必须具有自锁性对于某些传力螺旋，要求自锁对于传递运动的螺旋副，要求效率高，不需自锁如：车床丝杠与刀架螺旋副§10-1螺纹连接为什么连接用三角形螺纹，传动用非三角形螺纹？例题1：螺纹副自锁条件：三角形螺纹的rv最大，自锁性最好，故在连接采用！非三角形螺纹的rv均小于三角形螺纹，效率更高，更适合于传动!b=0°b=3°b=15°b=30°ψ

≤rv螺纹副效率：ηtanψtan(ψ

+rv)=§10-1螺纹连接§10-2螺纹连接设计一螺纹连接的基本类型被连接件不厚且有装配空间时用螺栓连接§10-2螺纹连接设计普通孔螺栓连接铰制孔螺栓连接孔与螺栓杆间有空隙，加工精度低，简单方便孔与螺栓杆间基孔制配合，加工精度高用在被连接件之一较厚，且经常装拆场合双头螺柱连接用在被连接件之一较厚，且不常装拆场合螺钉连接紧定螺钉连接常用于固定轴上零件§10-2螺纹连接设计二螺纹连接的预紧和防松1、螺纹连接的预紧TF′预紧目的：增强连接可靠性，使接合面具有足够的紧密性或承受横向工作载荷预紧力如何控制F′？一般连接无需控制，拧紧程度由经验决定重要连接，需控制拧紧力矩T的大小T=T1+T2T1—螺纹副阻力矩T2—螺母支承面摩擦阻力矩对于M10~M68的普通粗牙螺纹，取：

fv=tanρv≈0.15

fc≈0.15如：风扳机§10-2螺纹连接设计2、螺纹连接的防松冲头法、粘合法摩擦防松机械防松其它防松弹簧垫圈对顶螺母锁紧螺母开口销与槽形螺母止动垫圈串联金属丝§10-2螺纹连接设计①

接合面形状应常为正方形、矩形、圆形、三角形等简单、轴对称工程实际中，螺纹连接通常被成组使用应合理确定接合面形状、螺栓数目、布置形式等②

布置在同一分布圆上的螺栓应取偶数，便于钻孔时分度画线三螺纹连接的结构设计§10-2螺纹连接设计④

合理确定螺栓的间距和边距，保证足够的扳手空间③

合理布置螺栓，使其受载减小受旋转或翻转力矩作用时，尽量将螺栓远离接合面对称轴布置严格密封：t≈2.5d；一般：t≈(5～8)d；无要求：t≈10d扳手空间尺寸查手册Ttt§10-2螺纹连接设计⑤

同一螺栓组，螺栓材料、尺寸应相同，以便减少零件规格、品种⑥

支承面应光洁、平整，并与轴线垂直，避免螺栓受附加弯矩作用凸台

沉头座

（鱼眼坑）斜垫圈§10-2螺纹连接设计四螺纹连接的失效形式和设计准则普通孔螺栓连接：铰制孔螺栓连接：保证拉伸强度保证挤压强度和剪切强度螺栓杆在制有螺纹的部分被拉断工作时螺栓主要承受轴向拉力工作面被压溃或剪断工作时主要承受横向载荷以螺栓连接为例说明双头螺柱连接、螺钉连接与螺栓连接类似受拉螺栓连接受剪螺栓连接§10-2螺纹连接设计五螺栓连接的强度计算螺栓连接的受载情况：普通孔螺栓铰制孔螺栓用于轴向或横向工作载荷用于轴向工作载荷RRRRFF松螺栓紧螺栓用于横向工作载荷§10-2螺纹连接设计1、松螺栓连接：—装配时不拧紧，无预紧力F'螺栓所受拉力工作载荷F=危险截面的强度条件：设计式：计算危险截面面积时用螺纹小径d1

根据计算所得的d1，查标准确定螺栓的公称直径d查表10-5§10-2螺纹连接设计2、受横向载荷作用的普通孔螺栓连接：装配时要拧紧，载荷作用前，螺栓已受预紧力F′但在拧紧螺母过程中，螺栓受F′和T1的联合作用应用第四强度理论把拉应力和扭剪应力合并成当量拉应力—

靠摩擦力承受R此连接如何承受横向载荷的？螺栓杆受横向剪切和挤压吗？—

只受拉力作用拉、扭联合作用下的强度问题单纯的拉伸强度问题RF′F′F′F′RμF'μF'T1T§10-2螺纹连接设计

T1引起的扭剪应力：对于M10～M68的螺纹取平均近似值：0.5

F′引起的拉应力：§10-2螺纹连接设计因此：当量拉应力：强度条件：上式中系数“1.3”的含义是什么？§10-2螺纹连接设计设计式：普通螺栓联接承受横向载荷时，螺栓可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响根据计算所得的d1，查标准确定螺栓的公称直径d预紧力：应使接合面摩擦力大于工作载荷Rm

：接合面对数即：μF′RKf≥则：μ：接合面摩擦系数(表10-2)例：当m=1、μ=0.15、

Kf=1.2时:F′≥8R故用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸很大RF′F′F′F′RμF'μF'm§10-2螺纹连接设计Kf：可靠性系数，1.1~1.3应将总工作载荷R均匀分配到每个螺栓上若连接有z

个螺栓，且各螺栓受载均匀则摩擦力：mμF′R/zKf≥则单个螺栓所受到的横向工作载荷等于单个螺栓所需的预紧力若各螺栓受载不均，则应找出受载最大的螺栓，对其进行强度计算§10-2螺纹连接设计§10-2螺纹连接设计用普通螺栓连接承受横向载荷时，螺栓的尺寸较大，怎么办？RR/2R/2改进措施：②

采用无间隙的铰制孔螺栓①

采用键、套筒、销承担横向工作载荷R

而螺栓仅起连接作用3、受横向载荷作用的铰制孔螺栓连接：R直接作用在螺栓上使螺栓杆受剪切和挤压此类螺栓预紧力小，计算时忽略强度条件：d0

：螺栓杆受剪面直径,即为光杆直径铰制孔用螺栓d0

＞dm

：接合面对数hmin：两方向相比，较小挤压高度设计时，按上述公式分别计算出d0

，取大值[τ]、[σp]查表10-5、7若是螺栓组连接，处理方法同前§10-2螺纹连接设计4、受轴向载荷作用的普通孔螺栓连接：F′F′须根据静力平衡条件

和变形协调条件

求解F0、F″

TF0F0FF″F″F′F′F螺栓所受的总拉力：F0=F′+F?×F″—剩余(或残余)预紧力§10-2螺纹连接设计δ2δ1△δ1△δ2T变形协调条件：静力平衡条件：

F0=F″+Fδ1≠δ2FF″F0未拧紧F′F′F′F′F0F0FFF″F″△δ1=△δ2=△δ螺栓总拉力剩余预紧力轴向外载荷§10-2螺纹连接设计变形力力力变形δ1δ2δ1δ2△δF′F′F0FF″θ1θ2螺栓被连接件F′螺栓刚度:C1=F'/δ1

被连接件刚度:C2=F'/δ2§10-2螺纹连接设计

—

Kc为螺栓相对刚度§10-2螺纹连接设计

—

为被联接件相对刚度当C2>>C1

时，

当C2<<C1

时，

Kc≈0此时，F0≈F'此时，F0≈F'+FKc≈1就提高螺栓的强度而言，Kc

越小越好尽量降低螺栓刚度C1，提高被联接件刚度C2

§10-2螺纹连接设计Kc的推荐值查表10-3（见下表）被联接件为钢时所用垫片类型Kc（C1/C1+C2）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0.9Kc与螺栓及被连接件的材料、结构尺寸和垫片有关！受轴向拉伸载荷作用的螺栓强度条件：设计式：受轴向拉伸载荷作用的螺栓剩余预紧力应满足：1）一般连接F″=（0.2~0.6)F2）变载作用时F″=（0.6~1.0)F3）有紧密性要求时F″=（1.5~1.8)F§10-2螺纹连接设计螺母可能需补充拧紧，考虑扭剪应力的影响，故乘以系数1.3！？如果F超过一定值，会出现F’’≤0的情况§10-2螺纹连接设计提高螺栓的强度主要措施：◆降低螺栓刚度A）柔性螺栓B）弹性元件§10-2螺纹连接设计◆增大被联接件刚度A）金属垫片B）密封环§10-2螺纹连接设计◆减小应力集中§10-2螺纹连接设计◆避免附加弯曲应力强度计算归纳如下：松螺栓：所受拉力F等于工作载荷紧螺栓：普通螺栓连接—

承受横向载荷承受轴向载荷铰制孔螺栓连接—

螺钉连接、双头螺柱连接的分析计算与普通螺栓连接相同§10-2螺纹连接设计还应保证一定的残余预紧力！六螺栓连接的材料和许用应力1、螺纹紧固件的材料和强度级别：一般连接：碳素钢，如：Q235、10、45重要连接：合金钢，如：40Cr、15MnVB常用材料：性能等级如：4.8级σb＝4×100MPaσs＝4

×8×10=320MPa强度极限：屈服极限：§10-2螺纹连接设计螺纹联接件按机械性能分等级即性能等级反映了螺栓的机械性能常用材料和精度等级参见表10-52、许用用力：许用拉应力由表10-5和表10-6决定§10-2螺纹连接设计先由表10-5确定好螺栓的材料、性能等级，查出强度极限ss

表10-6—

S与d有关控制预紧力时：S＝1.2～1.5不控制预紧力时，S查表10-6材料静载荷变载荷M6～M16M16～M30M30～60M6～M16M16～M30碳钢4～33～22～1.310～6.56.5合金钢5～44～2.52.57.5～55先估取d，设计后再比较d是否与原假定值相符许用剪切和挤压应力由表10-5和表10-7决定两个半联轴器用六个普通螺栓连接，螺栓分布圆D直径为250mm。联轴器传递的转矩T为1000N.m，接合面的摩擦系数为fc=0.16

，试确定螺栓直径。解：1）此连接的工作载荷是转矩T，应将其转化成横向工作载荷，即：2）螺栓均匀分布，每个螺栓所受横向工作载荷相等，即：4）按单个螺栓进行强度计算，即：3）螺栓预紧力为：例题1：§10-2螺纹连接设计5）许用应力的计算螺栓材料取15钢，性能等级取为4.8级6）计算螺栓小径：则ss=320MPa设装配时不控制预紧力，且设螺栓直径在M6~M16之间查表10-6得：安全系数S=4~3，取S=3.5故取M16的螺栓，其d1=13.835mm。螺栓直径在假设范围内§10-2螺纹连接设计螺纹联接组的设计2受横向载荷受转矩受轴向载荷受倾覆力矩（弯矩）目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同受载后联接接合面仍保持为平面承载的类型：1、螺栓组联接的受力分析螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合

六螺栓组连接的强度计算即承载的主要类型：横向载荷轴向载荷转矩弯矩RRFFMT实际受载可分解为基本承载或是基本承载的组合！§10-2螺纹连接设计螺栓组实际承载时，应进行受力分析，找出受载最大的螺栓！螺纹联接组的设计42、受转矩的螺栓组联接采用普通螺栓：靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T

设每个螺栓的预紧力相同，均为F’

则预紧力为：ri为螺栓轴线到螺栓组对称中心的距离强度校核：采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T

各螺栓的剪切变形量与r成正比(螺栓变形协调条件)3、受倾覆力矩的螺栓组联接在承受M之前，螺栓已拧紧并承受相同的预紧力F’

作用①可以求出最大工作载荷：M螺栓变形协调条件：拉伸变形量与距离L成正比②求结合面应力预紧力F’产生的挤压应力：翻转弯矩M产生的挤压应力：M③保证结合面不压溃④保证结合面不出现间隙⑤螺栓的强度校核—

由③和④确定预紧力F’最危险螺栓的总载荷F0为：钢柱托架例2：一铸铁托架用四个普通螺栓固定在钢柱上，P＝4800N，接合面摩擦系数μ＝0.16，求螺栓直径(装配时控制预紧力).PP2F2F横向载荷P和翻转力矩M螺栓组的受力转换成两种类型：M＝P×150M(1)受力分析将力向接合面平移，在横向载荷P作用下托架可能滑移M又可转化成轴向工作载荷：F＝M/(zL)

＝M/(4×140)＝1286N(2)求所需预紧力F'上面两个螺栓受载最大接合面的摩擦力必须满足：

mzμF'≥KfP

§10-2螺纹连接设计PFΣ2F2FM则每个螺栓所需的预紧力：上面两螺栓受载最大，单个螺栓的总拉力为(3)求螺栓直径选螺栓材料为Q235、性能级别4.6，查表10-5得σs＝240MPa，查表10-6得S＝1.5（装配时控制预紧力，S＝1.2~1.5）许用拉应力：查表10-30.2~0.3所需螺栓小径：查螺纹标准，选用M12普通螺纹，其小径d1＝10.106mm>9.85mm§10-2螺纹连接设计PFΣ2F2FM被连接件均为金属材料，一般不会被压溃(4)校核接合面的工作能力故只需校核接合面上端是否会出现缝隙要求：150340220接合面尺寸故接合面上端不会出现缝隙也可根据剩余预紧力估算：§10-2螺纹连接设计r2r11、首先将P向中心平移2、单个螺栓的受载分析由P产生的横向载荷：由T产生的横向载荷：合力哪种方案更合理？例3：比较两种螺栓布置方案。转化成横向工作载荷与旋转力矩的组合3、方案比较因Rmax1

＜Rmax2

，故方案一较合理TPTP受载最大受载最大RPRPRPRPRT1RT1RT1RT1Rmax1RPRPRPRPRT2RT2RT2RT2Rmax2α§10-2螺纹连接设计§10-3螺旋传动§10-3螺旋传动螺旋传动：利用螺纹副传递运动和动力的一种传动型式将旋转运动变为直线运动，同时传递动力一、螺旋传动的分类1、根据螺杆和螺母的相对运动关系，常用运动形式有三种：螺杆转动,螺母移动螺母不动,螺杆转动并移动螺母转动,螺杆移动2、按用途不同，分三种类型§10-3螺旋传动◆

传力螺旋以传递动力为主，以较小的转矩产生较大的轴向推力如螺旋千斤顶、螺旋压力机等一般间歇性工作，每次工作时间短，速度低，且通常要求自锁◆

传导螺旋以传递运动为主，有时也需承受较大轴向载荷如：车床丝杠一般在较长时间内连续工作，速度较高，且要求较高精度◆

调整螺旋由两个螺旋副组成的使活动的螺母与螺杆产生差动工作原理：§10-3螺旋传动螺旋副1：螺旋副2：若同为右旋螺纹，当螺杆顺时针方向转一圈时：螺杆带动活动螺母相对机架向左移动导程S1

与此同时活动螺母相对于螺杆向右移动导程S2

活动螺母相对于机架实际移动距离为：S1-S2

S1-S2>0时，实际移动方向与螺杆移动方向相同;

固定螺母（机架）与螺杆活动螺母与螺杆S1-S2>0时，实际移动方向与螺杆移动方向相反；S1-S2=0时，实际没有移动。作用：

用以调整并固定零部件之间的相对位置差动螺旋机构镗刀杆调整可实现微调，要求自锁§10-3螺旋传动§10-3螺旋传动3、按螺旋副摩擦性质不同滑动螺旋和滚动螺旋滑动螺旋：结构简单，便于制造，易于自锁，但摩擦阻力大，传动效率低（一般为30~40%）滚动螺旋：结构复杂，成本高，但摩擦阻力小，传动效率高（一般为90%以上）◆

增力效果明显二、螺旋传动的特点§10-3螺旋传动FaF较小的水平力（或力矩）作用，可以产生很大的轴向力F=Fatan(l

+ρ）若◆

效率低可采用滚动螺旋以提高效率三、滑动螺旋传动的设计计算失效形式：螺纹磨损、螺杆