安工大机械设计基础-7联接

第7章联接7-1

总论7-2

螺纹联接7-3

键联接基本要求:了解螺纹联接的基本知识：类型、特性、标准、结构、应用场合及防松方法等掌握螺栓联接强度计算方法了解键联接的主要类型及应用特点掌握平键联接强度校核计算方法机械设计基础——联接7-1

总论静联接动联接——运动副机械设计基础——联接可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等不可拆联接：铆接、焊接、胶接等联接7-2螺纹联接一、螺纹的主要参数二、螺旋副力学特性三、螺纹常用类型四、螺纹联接件主要类型五、螺纹联接防松装置六、螺栓联接的计算七、螺栓材料和许用应力机械设计基础——联接一、螺纹的主要参数1螺纹形成螺旋线形成：倾斜线绕在圆柱体上形成的曲线机械设计基础——联接旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋问题：旋向判断

？粗牙螺纹——一般联接细牙螺纹——d1大、强度大、自锁性好，常用于变载d2SP联接传动

螺纹形成：平面图形沿螺旋线形成三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹螺旋线的数目(线数):单线、多线螺纹旋向判断旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋旋向判断:(1)轴线垂直放，右边高—右旋左边高—左旋机械设计基础——联接(2)右手旋，前进—右旋左手旋，前进—左旋d2

2主要参数大径d、D：最大直径—公称直径机械设计基础——联接升角y

：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角牙型角a：螺纹两侧边的夹角d1D,dαSPd2小径d1：外螺纹的危险剖面直径

中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等螺距P：相邻两牙轴向距离

——强度直径——计算直径导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S=nP二、螺旋副力学特性螺旋副作为一种空间运动副，其接触面为螺旋面螺纹在旋紧或松开过程中，螺纹之间相对移动当螺杆和螺母之间受到轴向力Q时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力1斜面摩擦2槽面摩擦3矩形螺纹4三角形螺纹5螺纹联接的拧紧力矩机械设计基础——联接1斜面摩擦分析使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：平衡条件：驱动力：yFQR21y+r

v12QFN21F21rR21机械设计基础——联接:摩擦角效率：螺母上升一圈所需输入功：提升重物（Q）上升一圈高度所作的有效功所以自锁条件：当yr时，F’

0，不加支持力F’，重物在Q作用下，不会自动下滑。结论：当yr

时，滑块自锁yv12F’Qy–rR21’R21’QF’N21’F21’r机械设计基础——联接平衡条件：维持力：等速下滑2槽面摩擦力分析：摩擦力：当量摩擦角：12Q2rvQ

思考:

与平面摩擦比较？结论：槽面的摩擦力大于平面的摩擦力机械设计基础——联接1111Pv121R21N’21F21Q3

矩形螺纹螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动

滑块沿斜面运动假设：1)载荷分布在中线上;2)单面产生摩擦力螺旋升角Qd2dd1ys=zpv12rR21nnFQy拧紧力拧紧力矩防松力防松力矩自锁条件y

r效率机械设计基础——联接4三角形螺纹反力摩擦力当量摩擦角QN/2N/2QN’N’

900-900-

机械设计基础——联接拧紧力拧紧力矩防松力防松力矩三角形螺纹（续）效率自锁条件QN/2N/2QN’N’

900-900-

y

rv机械设计基础——联接5螺纹联接的拧紧力矩目的：防止松动→提高可靠性、强度、紧密性螺母拧紧时→预紧力Fs拧紧阻力矩T的大小：

？螺旋副间的摩擦力矩T1

：螺母与支承面间摩擦力矩T2

：机械设计基础——联接螺栓预紧拉力F0被联接件预紧压力F0施加在扳手上的力FTTFsFsT1T2控制拧紧力矩的扳手定力矩扳手测力矩扳手机械设计基础——联接控制拧紧力臂选择扳手长度机械设计基础——联接三、螺纹常用类型1.三角形螺纹(M)普通螺纹:α＝60°，f’大，易自锁粗牙:牙高,d1小,ψ大细牙:牙浅,d1大,ψ小,更易自锁管螺纹:α＝55°，紧密,无径向间隙2.梯形螺纹(Tr)：α＝30°、β＝15°3.锯齿形螺纹(S)：α＝33、β工＝3°4.矩形螺纹

：α＝０°联接螺纹：普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制)（ψ小，单线，自锁好）传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹（α小、ψ大，多线，效率高）机械设计基础——联接四、螺纹联接件主要类型1标准螺纹联接件螺栓普通螺栓铰制孔螺栓双头螺栓螺钉联接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈螺纹联接件通过组合形成螺纹联接机械设计基础——联接2螺纹联接的基本类型螺栓联接普通螺栓联接铰制孔螺栓联接双头螺栓联接螺钉联接螺钉联接紧定螺钉、自攻螺钉联接其它联接：地脚螺栓、吊环螺钉螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择机械设计基础——联接螺栓联接普通螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上需切制螺纹、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合铰制孔螺栓联接特点：孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合机械设计基础——联接双头螺栓、螺钉联接双头螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合螺钉联接特点：孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：被联接件之一较厚，且不常装拆的场合机械设计基础——联接紧定螺钉联接适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力锥端螺钉联接平端螺钉联接圆柱端螺钉联接机械设计基础——联接其他联接地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T形槽螺栓联接机械设计基础——联接五、螺纹联接防松装置问题：为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？静载荷：ψ<rv(自锁)+预紧后摩擦力→防止松动动载荷：摩擦力减小、消失→不可靠螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动螺纹联接防松的方法按工作原理可分为:1摩擦防松2机械防松3其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）机械设计基础——联接1摩擦防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩弹簧垫圈防松、自锁螺母防松、对顶螺母(双螺母)防松机械设计基础——联接对顶螺母防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩对顶螺母防松机械设计基础——联接2机械防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性开口销、止动垫圈、串联钢丝防松机械设计基础——联接螺栓开槽螺母开口销装配图止动垫圈防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性机械设计基础——联接串联钢丝防松机械设计基础——联接用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性3其它：破坏螺纹副关系焊接铆冲机械设计基础——联接六、螺栓联接的计算松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力1失效形式2设计步骤3松螺栓联接强度设计4紧螺栓联接强度设计仅受预紧力的紧螺栓联接受横向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接受偏心载荷的紧螺栓联接机械设计基础——联接螺栓组联接1失效形式失效形式：

1.螺栓杆拉断（普通螺栓）

2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）

3.经常装拆因磨损而发生滑扣普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切机械设计基础——联接2设计步骤一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析→找出受力最大的螺栓→

单个螺栓受力分析和失效分析→单个螺栓强度计算→确定螺栓的尺寸（直径、长度）试算法：先选定一个螺栓直径d——查[

]——计算d1。若d1与d1’（假定的小径）相近，则合用；否则再选机械设计基础——联接3松螺栓联接强度设计受载荷形式——轴向拉伸(工作拉力F)失效形式——螺栓拉断(静、疲劳)设计准则——保证螺栓拉伸强度强度条件：

s≤[s]设计计算方法：校核式:设计式:机械设计基础——联接F4紧螺栓联接强度设计(1)仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式—拧紧后:轴向拉伸(工作拉力Fs)

拧紧过程中:轴向拉伸Fs

、扭力T失效形式—螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则—保证螺栓拉伸强度强度条件：

s’≤[s]设计计算方法：校核式:机械设计基础——联接TFsFs拧紧力矩T→剪应力τ预紧拉力FS→拉应力σ设计式:(2)受横向载荷的紧螺栓联接受载荷形式—工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力FS作用（拧紧过程中:轴向拉伸FS

、扭力T）

拧紧后:

预紧力Fs失效形式—相同否？两种情况的工作原理不同！机械设计基础——联接普通螺栓铰制孔螺栓受横向载荷的普通螺栓联接受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T失效形式—螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则—保证螺栓拉伸强度强度条件：s’≤[s]设计计算方法：问题：预紧力Fs应满足的条件?与横向载荷F有何关系？依据：被联接件不滑移——界面摩擦力≥F即：机械设计基础——联接FSFSFFTFSFS校核式:设计式:讨论：f=0.2时，FS=?F受横向载荷的铰制孔螺栓联接受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸Fs、扭力T(预紧力小，计算时可忽略)

工作时：横向载荷F失效形式—侧面压溃及螺栓剪切设计准则—保证挤压、剪切强度强度条件：sp≤[sp]、t≤[t]设计计算方法：挤压强度：剪切强度：机械设计基础——联接讨论：普通螺栓受横向载荷F时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F预紧力Fs的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定f=0.2时，FS=6F结论：横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒使用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算机械设计基础——联接FSFsFFT(3)受轴向载荷的紧螺栓联接受载荷形式—拧紧过程中:

轴向拉伸Fs

、扭力T工作时，再承受工作载荷F此时，螺栓所受的总拉力:F0=FS+F?机械设计基础——联接TFSFSFFF0F0×须根据静力平衡方程和变形协调条件求解受力和变形关系变形协调条件:

l1=l’b=

l机械设计基础——联接F0≠F+FSF0=F+F’S

1

bD

1’bTFSFSFFF0F0FsFsF’sF’s预紧FS受载F螺栓被联接件拉力FS，伸长l1压力FS，压缩lb拉力F0,伸长l1+

l1压力F’S,压缩lb–l’b未预紧未受力、无变形未受力、无变形FF受力变形线图应变与力关系:机械设计基础——联接F’S：残余预紧力防止受载后接合面产生缝隙根据紧密性要求选取，见p97预紧FS受载F螺栓被联接件拉力FS，伸长l1压力FS，压缩lb拉力F0,伸长l1+

l’压力F’S,压缩lb-l’未预紧未受力、无变形未受力、无变形形变

力F

1

b

F’SFF0FS被联接件螺栓

b受轴向载荷螺栓强度计算螺栓受到的总拉力F0=F+F’S（F：工作力，F’s：残余锁紧力）则螺栓强度计算公式：机械设计基础——联接校核式:设计式:(4)受偏心载荷的紧螺栓联接螺栓受到的总拉力除工作时总拉力外，还附加偏心弯矩作用，螺栓总拉应力大很多避免受偏心载荷方法：避免使用钩头螺栓；加工凸台或凹台使支撑面平整机械设计基础——联接七、螺栓材料和许用应力材料：一般用途：低碳钢或中碳钢(35~45及Q235~Q275)重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi

）国标(GB/T3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：小数点前数字表示sB/100,小数点后数字表示10sS/sB如：5.8级：表示sB=500MPa，sS=400MPa许用应力：表7-1机械设计基础——联接计算螺栓小径时采用试算法来选用7-3键联接一、键联接的分类及结构二、键的强度校核三、花键联接机械设计基础——联接一、键联接的分类及结构目的：键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩（静联接），或实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接）它是标准件分类：机械设计基础——联接键联接松联接紧联接—楔键—（静联接，单向轴向固定）平键半圆键—（静联接）普通平键—（静联接）导向平键—（动联接）花键1松联接（1）平键联接结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩失效形式:静联接：工作面挤溃，键剪断动联接：工作面磨损特点：结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛成对使用:承载能力不够时采用,按180°布置两个键。一对平键按1.5个键计算机械设计基础——联接平键分类普通平键Ａ(圆头)型：立铣刀，键定位好，轴应力集中大Ｂ(平头)型：盘铣刀，轴向键无定位，应力集中小Ｃ(单圆头)型：立铣刀加工，用于轴端导向平键键固定于轴上,键长大于轮毂长度，轴上零件可沿键轴向移动机械设计基础——联接(2)半圆键联接结构:工作原理:

两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩构造与加工:

键:

用圆钢切制或冲压后磨削键槽:

盘状铣刀加工失效形式:

键剪断,工作面压溃特点:

便于安装,对中好,用于锥形轴端,但对轴削弱大机械设计基础——联接2紧联接楔键联接结构:键侧与键槽有间隙,上下面楔紧工作原理:上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩方头楔键、钩头楔键、圆头楔键失效形式:

工作面压溃特点:

简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定楔紧产生偏心,对中性差,不适于高速及对中要求高的场合机械设计基础——联接二、键的强度校核1键的选择键是标准零件：p109表7-2材料多采用碳素钢键的类型选择—根据使用要求和工作条件:

转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性键的尺寸选择（同时确定配合类型）:

工作要求→键的种类→按轴径d选键的b、h→选键长L(标准;短于轮毂宽度)

机械设计基础——联接2键的强度校核静联接:压溃→挤压强度键被剪断→剪切强度机械设计基础——联接圆头:

ls=L-b平头:

ls=L单圆头:

ls=L-b/2[sp]－查表7-3一般不会发生键的剪断，故一般不作剪断强度校核Lls三、花键联接特点：受力较均匀，应力集中小，承载能力大对中性好，导向性好，精度高需专门设备和工具,成本高结构:轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合,构成花键联接机械设计基础——联接工作原理:键侧是工作面，靠键侧面与键槽挤压传递转矩优点：（1）结构重量轻，节约金属材料，焊接不需要在被联接件