项目十一 连接

项目十一连接静连接动连接——运动副零件构件机构机器静连接动连接(运动副)可拆连接：螺纹连接、键连接、销连接等不可拆连接：铆接、焊接、胶接等连接任务一螺纹连接的认识

螺纹连接是利用带有螺纹零件的可拆连接，是机械连接中应用最广泛的连接方式。螺纹连接件是标准件。一、螺纹的形成1螺旋线的形成按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹15º锯齿形螺纹30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹右旋螺纹左旋螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹一般:n≤

4?双线螺纹单线螺纹PSS=2PPSPS=Pn线螺纹:S=nP按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹螺纹副外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹螺旋传动连接螺纹传动螺纹潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹二、螺纹参数（以圆柱螺纹为例）1．d—大径、螺纹的公称直径。2．d1—小径、螺纹的危险剖面直径。3．d2—中径、是确定螺纹的几何参数及配合性质的直径。

4．n—线数、

单线螺纹n=1，有自锁性，用于连接。

多线螺纹n≥2，效率高，用于传动。为便于加工，n≤4。5．P—螺距、螺纹相邻两牙在中径线上对应点之间的轴向距离。6．S—导程

螺纹上任一点沿螺旋线旋转一周所移动的轴向距离。单线螺纹:S=P多线螺纹：S=nP7．ψ—螺纹升角

螺旋线的切线与垂直螺纹轴线平面间的夹角。各直径处的ψ不同，ψ指螺纹中径处的升角。8．α—牙形角通过螺纹轴线的平面内螺纹牙两侧边的夹角。sπd1πd2

πdψ1．三角螺纹（1）普通螺纹

普通螺纹是公制螺纹，α＝60o，自锁性好，牙根厚，强度高，多用于连接。根据螺距大小可分为普通粗牙螺纹和普通细牙螺纹。1）粗牙螺纹：一般连接多采用粗牙螺纹。2）细牙螺纹：螺距小，自锁性好，强度高；但不耐磨，易滑扣，不宜经常装拆。多用于仪器中的调整螺旋，薄壁零件连接，受冲击及变载荷的连接。三、常用螺纹牙型、特点及应用（2）管螺纹

管螺纹是英制螺纹，其公称直径是管子的内径，α=55o或α=60o。按母体分有圆柱管螺纹和圆锥管螺纹，紧密性好，可防止泄漏，适用与管路连接。2．矩形螺纹

牙形角α=0o，传动效率高;但精加工比较困难，螺纹牙根部强度弱，对中性差，螺纹磨损后间隙无法补偿。在新标准中没有对其规定公差。

牙型为等腰梯形，牙型角

α＝30°。传动效率较矩形螺纹低，但牙根强度高，加工工艺性好，对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。4．锯齿形螺纹

牙型为不等腰梯形，牙型角α＝33°（承载面斜角3°，非承载面斜角30°）。传动效率高，牙根强度高，用于单向受力的螺旋传动3．梯形螺纹小结：连接螺纹:单线三角形螺纹。传动螺纹:多线矩形、梯形、锯齿形螺纹。19受拉螺栓连接（普通螺栓连接）受剪螺栓连接（铰制孔用螺栓连接）1）螺栓连接2）双头螺柱连接3）螺钉连接4）紧定螺钉连接

螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺纹连接件。在机械制造中常用螺纹连接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。四、螺纹连接的类型和应用1．螺栓连接（1）普通螺栓连接

被连接件的通孔与螺栓杆间具有间隙，使用时不受被连接件材料的限制，结构简单，装拆方便，故应用最为广泛。（2）铰制孔用螺栓连接

通孔和螺栓杆间采用基孔制过渡配合（H7/m6、H7/n6）,定位精确，利于承受较大的横向载荷。螺栓连接a)普通螺栓连接b)铰制孔用螺栓连接

特点：主要用于被连接件的厚度不大且可加工通孔的场合。2．双头螺柱连接

用于被连接件之一较厚，不宜制成通孔，需要经常拆卸的场合。3．螺钉连接

螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，省去螺母，结构简单、紧凑，其用途与双头螺柱相似。多用于受力不大，不需经常拆卸的场合。否则，易使螺纹孔磨损、易扣。

双头螺柱连接、螺钉连接a)双头螺柱连接b)螺钉连接

4．紧定螺钉连接

多用于固定两个零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩，有平头和锥头两种。紧定螺钉连接5．其他连接形式地脚螺栓连接吊环螺钉连接

特殊螺栓连接a)T形槽螺栓连接b)膨胀螺栓连接螺纹连接件已标准化，设计时由标准选用。螺纹连接件通过组合形成螺纹连接

普通螺栓螺栓

铰制孔螺栓双头螺栓螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈、弹簧垫圈螺钉连接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉五、螺纹连接的预紧和防松（一）螺纹连接的预紧1.目的

通常螺纹连接在装配时须预先拧紧，以增强连接的可靠性、紧密性和刚度，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。2．拧紧力矩及预紧力

拧紧螺母时需克服螺纹间的摩擦阻力矩T1和螺母支撑面上的摩擦阻力矩T2。拧紧力矩：TT1T2

常用的钢制粗牙普通螺纹为M10~M68,在此范围内，当接触面间无润滑时，螺母与支撑面间的摩擦因数f=0.15。

F0预紧力,d螺纹公称直径

T=FnL=0.2F0d标准扳手长度L≈15d，Fn扳手作用力

对于重要的螺栓连接应选用大于M10的螺栓，避免预紧时发生意外过载拉断。TT1T2拧紧力矩

拧紧力矩的大小对螺纹连接的可靠性、强度和紧密性均有很大影响，过小起不到应有作用；过大可能拧断螺栓。因此，常用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力。

注意：对于重要的连接，尽可能不采用直径过小(＜M10)的螺栓。（二）螺纹连接的防松防松方法：分为摩擦防松、机械防松和永久性防松三类。1．摩擦防松

对顶螺母弹簧垫圈自锁螺母防松目的：防止螺纹副相对转动。2．机械防松

开口销与槽形螺母

止动垫圈3．永久性防松

冲点防松粘合防松4．串连钢丝六、螺纹连接的强度计算1．螺栓连接多是成组使用，按螺栓组中受载最大的螺栓进行强度计算。根据连接结构、材料性质和强度条件计算螺栓危险截面直径，再由标准确定公称直径。（一）螺栓强度计算特点2．螺栓的其他尺寸及与其配用的螺母、垫圈等均是按等强度设计的，都按螺栓的公称直径由标准查取。（二）螺栓连接的强度计算1.受拉螺栓连接失效形式：受轴向静载荷时：塑性变形、拉断

受轴向变载荷时：疲劳断裂

按螺栓的受力可分为受拉螺栓连接和受剪螺栓连接。普通螺栓工作时，主要受拉力；铰制孔用螺栓工作时主要受剪切力。（1）松螺栓连接

特点：安装时螺母不需拧紧（无预紧力），如不计自重，螺栓只受工作载荷。强度条件：螺纹小径： 许用应力：

滑轮架螺栓连接例1起重吊钩最大起重量F=50kN，吊钩材料为35钢。试确定吊钩尾部螺纹直径。

（2）紧螺栓连接①受横向载荷的紧螺栓连接

受力分析：安装时将螺母拧紧，螺栓受轴向预紧拉力，承受工作载荷前后螺栓受载情况不变，依靠压紧后在被连接件结合面上产生的摩擦力传递载荷。

连接尺寸大，不经济，需改进结构。受横向载荷的紧螺栓连接减载装置

靠摩擦力抵抗横向载荷的普通螺栓连接，要求施加较大的预紧力，为了克服上述缺点，可采用销、套筒或键等减载装置的连接。减载装置a)销b)套筒c)键（2）紧螺栓连接②仅受预紧力的紧螺栓连接强度条件：螺栓小径：

压力容器内气压为р，气缸内径为D，作用在容器盖上的总工作载荷为FΣ＝pπD2/4，由连接凸缘的z个螺栓承受，每个螺栓所受轴向工作载荷为F＝pπD2/4z。受轴向载荷的螺栓连接a)螺母未拧紧b)螺母已拧紧c)已承受工作载荷螺栓所受的总拉力为：为了保证连接的紧密性，应使F’＞0。当工作载荷稳定时：F’＝（0.2～0.6）F当工作载荷不稳定时：F’＝（0.6~1.0）F有密封要求时：F’＝（1.5～1.8）F对地脚螺栓；F’＞F

其中F为工作载荷，F’为残余预紧力

螺栓的强度条件：螺栓受轴向载荷或横向载荷时—材料的屈服强度。S—安全系数：控制预紧力时，S=1.2~1.5；

不控制预紧力时，查表。式中1.3是考虑连接在补充拧紧时所受扭剪应力的影响。2受剪螺栓连接

铰制孔用螺栓连接，该连接所受预紧力很小，强度计算时可忽略不计。失效形式a.螺栓被剪断

b.螺栓或被连接件孔壁被压溃。单个螺栓剪切强度条件为铰制孔用螺栓连接单个螺栓挤压强度条件为

七、螺栓组连接的结构设计

螺栓组连接设计的大致步骤为：首先确定螺栓数目及布置形式，再确定螺栓连接的结构尺寸。设计的主要内容：结构设计和受力分析。注：在确定螺栓尺寸时，对不重要的连接，可采用类比法确定不再进行强度校核；但对于重要的连接，则需进行受力分析，找出受力最大的螺栓进行强度校核。43螺栓组的结构设计主要目的：合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。设计时应注意的问题集中在螺栓组连接接合面的结构设计和螺栓排列布置结构设计两个方面。

44螺栓布置结构设计要注意以下几点：

连接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，这样便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接接合面受力比较均匀。如圆形、环形、矩形、框形、三角形等。

45

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的方向上成排地布置8个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；

螺栓连接弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减少螺栓的受力；

同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。

46

螺栓的排列应有合理的间距、边距；

布置螺栓时，各螺栓轴线之间以及螺栓轴线与机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸（下图）应根据有关标准确定。

47对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。

48

分布在同一圆周上的螺栓数目应取成偶数，以便于分度和画线；同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同；49

结构设计上避免螺栓承受附加的弯曲载荷。

保证被连接件、螺母和螺栓头支承面平整，并与螺栓轴线相互垂直。在铸，锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台（图a）或沉头座（图b）。当支承面为倾斜表面时，应采用斜面垫圈（图c）等。

50（一）螺纹联接件的材料

国家标准(GB/T3098.1-2000和GB/T3098.2-2000)规定了螺纹联接按材料的力学性能分出的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级，螺母的性能等级分为七级（见下表）。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。选用时需注意所用螺母的性能等级应不低于与其相配螺栓的性能等级。

八、螺纹连接件的材料及许用应力51国家标准推荐的标准螺纹联接件常用材料：低碳钢（Q215、10钢）中碳钢（Q235、35钢、45钢）合金钢（15Cr、40Cr、30CrMnSi）

对用于特殊用途（防磁、导电）的螺纹联接件也有用特殊钢、铜合金或铝合金等。

普通垫圈的材料，推荐采用Q235、15钢、35钢，弹簧垫圈用65Mn制造，并经热处理和表面处理。5253（二）螺纹联接的许用应力由于载荷性质的不同，螺纹联接中可能存在着拉应力、切应力或挤压应力。相应的许用应力的确定应考虑螺纹联接件的性能等级、载荷性质、安全系数等因素。许用拉应力

许用切应力

许用挤压应力

式中：σs为螺纹联接件的屈服极限，根据其性能等级确定；

σlim为联接件与被联接件中较弱的极限应力，若均为钢材，则取材料的屈服极限σs；若被联接件是铸件，则取其铸件的强度极限σB。

S、Sτ、Sp为安全系数，参见下表。

54九、螺栓组连接的受力分析1.基本假定①被联接件为刚性不变形②各螺栓材料、尺寸、拧紧力均相同③受力后材料变形在弹性范围内④接合面形心与螺栓组形心重合，受力后其接缝面仍保持平面2.四种典型受载情况联接结构形式、外载荷类型—→螺栓受力—→找出受载最大螺栓—→按单个螺栓联接的计算方法计算①受横向载荷②受轴向载荷③受转矩④受倾覆力矩（1）受轴向载荷螺栓组联接

单个螺栓工作载荷为：

F=P/Z

P——轴向外载

Z——螺栓个数

例2:下图所示液压油缸盖选用6个M16螺栓,若已知其危险剖面直径dc=14mm,螺栓材料许用拉应力[]=110MPa,油缸径D=150mm,油缸压力P=2MPa,F0=11000N,进行下面的计算:1.求螺栓工作载荷、总拉力、被联接件残余预紧力；2.校核该螺栓强度是否足够?压力容器残余预紧力F’=（1.5-1.8）F（2）受横向载荷的螺栓组联接特点：普通螺栓，铰制孔用螺栓皆可用，外载垂直于螺栓轴线、防滑普通螺栓——预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷铰制孔螺栓——每个螺栓所受工作剪力相等铰制孔螺栓FRFRFRFR普通螺栓例3:板A用4个普通螺钉固定在机座B上，已知板与机座间摩擦系数=0.15，防滑系数（可靠性系数）=1.2，螺钉许用应，按强度计算该螺钉联接中螺钉所需的最小直径。60引言

由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此连接。机械零件之间的连接分为：被连接件之间相互完全固定。被连接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。静连接：动连接：本课程介绍的连接主要是静连接。连接的类型：螺纹连接键连接、花键连接、销连接弹性环连接等铆接焊接粘接连接可拆连接不可拆连接过盈连接（介于两者之间）

键和花键连接是最常用的轴毂连接方式，属于可拆连接。主要用于轴和轮毂之间的周向固定，并传递转矩。

销连接也常用于轴毂连接，此外，还常用来确定零件之间的相对位置（定位销），或用作安全保护装置（安全销）。§6-1键连接1一、键连接的类型、结构及特点松连接紧连接键连接平键半圆键斜键切向键

键都是标准件，其尺寸和键槽尺寸都有国家标准。任务二键连接的认识§6-1键连接1

平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底面之间留有间隙。靠键与键槽侧面的相互挤压来传递转矩（不承受轴向力，不能起到轴向固定作用）。1．平键连接特点：结构简单，装拆方便，对中性好。A型平键的轴槽用端铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴上槽引起的应力集中较大；B型平键的轴槽用盘铣刀加工，轴的应力集中较小；C型常用于轴端与毂类零件连接，与A型平键一样，其圆头部分的侧面与键槽并不接触，未能充分利用。普通平键（静连接）

普通平键按构造分，有圆头（Ａ型）、平头（Ｂ型）以及单圆头（Ｃ型）三种，其结构形式如下图所式：

应用最广，也适用于高精度、高速或承受变载、冲击的场合。薄型平键（静连接）

薄型平键分为圆头、平头、单圆头三种薄型平键的高度约为普通平键的60%~70%，结构型式相同，但传递转矩的能力较低，主要用于薄壁结构、空心轴以及一些径向尺寸受限制的场合。导向平键（动连接）

当被连接的毂类零件在工作中必须在轴上作轴向移动时，则可采用导向平键。导向平键是一种较长的平键。特点：键用螺钉固定在轴上，键与轮毂键槽为间隙配合，轴上零件能做轴向移动。为了拆卸键的方便，设有起键螺钉孔，以便拧入螺钉使键退出键槽。

用途：用于轴上零件轴向移动量不大的场合，如变速箱中的滑移齿轮。

滑键（动连接）

当零件需滑移的距离较大时，因所需导向平键的长度过大，制造困难，故宜采用滑键。

特点：滑键固定在轮毂上，轴上零件带键在轴上的键槽中作轴向移动。

应用：用于轴上零件轴向移动量较大的场合。

特点：工艺性较好，装配方便；但轴上槽较深对轴的强度削弱较大。用途：一般用于轻载静连接，适用于轴的锥形端部与轮毂的连接。

2．半圆键连接（轻载静连接）

轴上键槽用尺寸与半圆键相同的半圆键槽铣刀铣出，因而键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度。半圆键工作时，靠侧面来传递转矩。763．楔键连接特点：键的上下两面是工作面。键的上表面和毂槽的底面各有1：100的斜度，装配时需打入，靠楔紧作用传递转矩；能轴向固定零件和传递单方向的轴向力。但使轴上零件与轴的配合产生偏心与偏斜。用途：用于精度要求不高、转速较低时传递较大的、双向的或有振动的转矩。有钩头的用于不能从另一端将键打出的场合。钩头供拆卸用，应注意加保护罩。

774．切向键连接特点：由两个斜度为1：100的楔键组成。其上下两面（窄面）为工作面，其中之一面在通过轴心线的平面内。工作面上的压力沿轴的切线方向作用，能传递很大的转矩。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120°～130°角的两个键。应用：用于载荷很大，对中要求不严的场合。由于键槽对轴削弱较大，常用于直径大于100mm的轴上。如大型带轮及飞轮，矿用大型绞车的卷筒及齿轮等与轴的连接。花键连接1

花键连接由具有纵向键齿的外花键（花键轴）和内花键（花键孔）组成。键齿侧面是工作面。

可用于静连接，也可用于动连接。（1）花键连接的特点5．花键连接因为在轴上与毂孔上直接而均匀地制出较多的齿与槽，故连接受力较为均匀；因槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少；齿数较多，总接触面积较大，因而可承受较大的载荷；轴上零件与轴的对中性好，这对高速及精密机器很重要；导向性好，这对动连接很重要；可用磨削的方法提高加工精度及连接质量；制造工艺较复杂，有时需要专门设备，成本较高。83适用场合定心精度要求高、传递转矩大或经常滑移的连接。特点：矩形花键连接渐开线花键连接2.矩形花键：键齿形状简单，加工方便，可通过磨削获得高精度。轻系列—承载能力较小，多用于静连接或轻载连接。中系列—用于中等载荷连接。定心方式：小径定心定心精度高定心稳定性好可用磨削方法消除热处理引起的变形应用广泛：如航空发动机、汽车、燃气轮机、机床、工程机械、拖拉机、农业机械及一般机械传动装置等等。

3.渐开线花键强度高，承载能力大，寿命长；工艺性好，加工精度高；有自动定心作用。压力角＝30°压力角＝45°（三角形花键）渐开线花键：齿数多，模数小。多用于轴与薄壁零件之间的连接。定心方式：齿形定心

用于载荷较大，定心精度要求较高以及尺寸较大的连接，如航空发动机、燃气轮机、汽车等。压力角45°的花键多用于轻载、小直径和薄型零件的连接。

(α=30°)

(α=45°)二、键的选择和键连接强度计算

1键的选择

键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。

键的类型：应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格的强度要求来选定。键的主要尺寸：截面尺寸（一般以键宽b×键高h表示）与长度L。

键的截面尺寸b×h按轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定,即键长等于或略小于轮毂的长度；而导向平键的长度则按零件所需滑动的距离而定。重要的键连接在选出键的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。

普通平键和普通楔键的主要尺寸见下表，所选定的键长应符合标准规定的长度系列。

2键连接强度计算（常采用45钢）对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接，其主要失效是工作面被压溃，而一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向键连接和滑键连接，其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。

假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为：导向平键连接和滑键连接的强度条件为：式中：T－传递的转矩（T=F×d），单位为N·m；

k－键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，h为键的高