机械原理与设计-现代机器的认知、分析与设计 课件 ch12- 键联接、螺纹联接与螺纹传动-孟祥慧

第八章键联接、螺纹联接与螺纹传动设计与制造II(D&MII，ME3220)Questions零部件分头加工再联接组装的优势分头加工制造的零部件/子系统，组合在一起形成机电系统。组合的方式包括：运动副（零部件之间可以相对运动），称为动联接。零部件之间没有相对运动，称为静联接。可拆联接：装拆方便，可以多次装拆而无损于使用性能。如螺纹、键、销联接等。不可拆联接：在拆开时会损坏其中零件或使用性能。如焊接、铆接、粘接等。联接(Joints,Fasteners,Connectors)是指被联接件与联接件的组合。定义PartAPartBPartC螺纹(screw)联接键(key)联接焊接(weld)粘接(adhesivebond)铆接铆接(rivet)常见联接过盈(interference)联接销(pin)联接从数量角度来看，联接零件是各种机械中使用最多的零件，许多机械中占零件总数的50%以上。从降低生产成本、缩短新产品开发周期、便于使用和修理的角度出发，联接零件一般应为标准件。因此在机械设计过程中，如无特殊原因，都应选用螺栓、螺钉、螺母、垫圈、键等标准的联接零件（紧固件）。标准化后，通过“选择”就可以设计。“根据什么进行选择”很重要（设计准则）。标准化选用载荷计算（动力学分析）初步选型（型式型号）失效形式及位置判定设计准则及许用值确定设计或校核计算键联接设计与制造II(D&MII，ME3220)一、键联接的类型和结构

1.平键(flatkey)联接

①普通平键②导向平键与滑键(featherkey)

2.半圆键(woodruffkey)联接

3.楔键(taperkey)

4.切向键(tangentialkey)二、平键的选择和平键联接的强度计算三、花键(spline/multiplekeys)联接键联接圆头（A型）方头（B型）单圆头（C型）工作面为侧面，结构简单，拆装方便对中性好，易拆装，精度较好，但不能承受轴向力（不能用于轴向固定）用于静联接，按键端形状分为三种间隙普通平键标记方法、尺寸与公差参见GB/T1096-2003导向平键用于动联接（如低速车辆减速器换挡）

工作面（旋转传动过程中的受力面）为侧面长度较长，需用螺钉固定在轴槽中（避免键移动）可实现轴上零件的轴向移动（移动量较小）

同样用于动联接（移动量较大）工作面（旋转传动过程中的受力面）为侧面结构特点：两端勾头，键-轮毂固定，键短槽长，对中性好，易拆装潘存云教授研制双勾头滑键潘存云教授研制单圆勾头滑键用于动联接（移动量较大）工作面为侧面结构特点：单圆勾头，嵌入轮毂中共同点：均用于动联接不同点：导向平键固定在轴槽中，用于轴向移动量较小的场合；滑键固定在轮毂上，用于轴向移动量较大的场合。导向平键和滑键潘存云教授研制工作面半圆键工作面为侧面，对中性好优点：工艺性好，装配方便；适用于锥形轴端的联接缺点：对轴的削弱较大，适用于轻载联接工作面为上下两面，靠楔紧力和摩擦力传动，可承受单侧轴向力，适用于对中精度要求低的静载联结（如牛车）。圆头楔键联接平头楔键联接钩头楔键联接安装时用力打入楔键在重型机械中常采用切向键，由一对楔键组成。特点：挤压后的上下面为工作面，对中性较差。工作时，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力传递转矩；承载能力很大。应用：键槽对轴的削弱较大，常用于直径大于100mm的轴上。适用于大载荷、对中要求不严、低速的场合（如煤矿机械）。

当传递双向扭矩时，需两对切向键分布成120~

130˚切向键工作面为齿侧面（相当于多个平键）承载能力高，对轴的削弱小，应力集中小，定心精度高，导向性能好。加工需专用机床，成本高。常用于汽车、拖拉机和机床中需换挡（动联接）的轴毂联接中。花键联接外花键（花键轴）内花键（轮毂孔）矩形花键联接小径定心（小径为配合表面）。定心精度高，稳定性好，常用于中、轻载情况下。制造容易，应用广泛。渐开线花键(α=30°/45°)联接齿形定心（齿面产生径向力），有自动平衡定心功能，各齿均匀受载。承载能力大、使用寿命长、定心精度高、工艺性好，宜用于载荷大、尺寸大的联接。花键联接1.选择①根据联接的结构特点、使用要求和工作条件选择键的类型。②根据轴的直径从标准中选出键的截面尺寸b×h③根据轮毂宽度确定键的长度L，导向平键按滑动距离确定L

。2.失效形式及位置

①静联接

：工作面被压溃或键被剪断②动联接

：工作面过度磨损。3.校核计算①静联接：挤压强度或剪切强度②动联接：工作面压强平键的选择和联接强度计算

如果键联接强度不够怎么办？

采用两个平键，应相隔180°布置（便于键槽加工），强度计算按1.5倍来计算采用两个半圆键，应布置在同一母线上（避免对轴削弱过甚）采用两个楔键或切向键，应相隔90-120°布置（合力最大）螺纹及螺纹联接设计与制造II(D&MII，ME3220)螺纹螺纹的用途有很大差异，背后的原理是什么？将一直角三角形abc绕在直径为d2的圆柱表面上，使三角形底边ab与圆柱体的底边重合，则三角形的斜边amc在圆柱体表面形成一条螺旋线am1c1。若取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。三角形abc的斜边与底边的夹角ψ称为螺纹升角。螺纹的形成在通过螺纹轴线的剖面上，螺纹的轮廓形状。牙型螺纹的要素(1)——牙型(threadprofile)三角形梯形锯齿形常用的牙型有：矩形大径（公称直径）：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假想圆柱的直径。d、D小径：与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相切的假想圆柱的直径（强度计算危险截面）。d1、D1在大径和小径之间设想有一圆柱，在其轴线剖面内素线上的牙宽和槽宽相等，则该假想圆柱的直径为中径（确定几何参数和配合性质）。d2、D2螺纹的要素(2)——大径、小径和中径沿一条螺旋线形成的螺纹叫做单线螺纹沿两条或两条以上在轴向等距分布的螺旋线所形成的螺纹叫做多线螺纹线数一般不超过4单线螺纹双线螺纹螺纹的要素(3)——线数螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离P称为螺距。同一条螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离S称为导程。单线螺纹：S=P多线螺纹：S=nP=

导程螺距螺距导程螺纹的要素(4)——螺距(screw/threadpitch)和导程右旋(常用)左旋螺纹的要素(5)——旋向上述要素（牙型、直径、线数、螺距和导程、旋向）完全相同内外螺纹才能够旋合升角ψ：在中径圆柱面上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角牙型角a：螺纹两侧边的夹角牙侧角（牙型斜角）β：轴向剖面内，螺纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角对三角形、梯形等对称牙型β=α/2s螺纹中的三个角度梯形螺纹结构：牙型角

＝30°特点：效率较高、牙根强度较大、工艺性好应用：常用于传动

矩形螺纹结构：牙型角

＝0°性能：传动效率高、牙根强度小、工艺性差应用：常用于传动

锯齿形螺纹结构：工作面的牙侧角为3°

非工作面的牙侧角为30°性能：效率较高、牙根强度较大、工艺性好应用：仅用于单向传动

结构：牙型角

＝55°特点：联接紧密、内外螺纹无径向间隙应用：密封性要求较高的场合

三角形螺纹管螺纹结构：牙型角

＝60°性能：自锁性好、牙根强度高、工艺性好应用：一般用于螺纹联接三角形螺纹普通螺纹常用螺纹类型螺纹加工螺纹加工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、松开或传动过程中，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。斜面摩擦矩形螺纹三角形螺纹螺旋副力学特性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：等速下滑：平衡条件：维持力：自锁条件：当ψ

≤ρ时，Fs

≤0，需要外加与Fs绝对值相等的驱动力时滑块才能移动。结论：当ψ≤

ρ

时，滑块自锁。

FQR21

v12QFN21F21

R21

v12FsQψ-ρR21’R21’QFsN21’F21’

斜面摩擦

螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动：滑块沿斜面运动假设：1)载荷分布在中径上;2)单面产生摩擦力Qd2dd1ψs=npv12ρR21nnFQψ拧紧力拧紧力矩自锁条件矩形螺纹

防松力防松力矩

螺旋副效率为有效功W2与输入功W1之比。螺母在力矩M作用下转动一周时，输入功W1=2πM，此时升举重物所作的有效功W2=QS；故螺旋副的效率为：螺旋副效率与升角（螺旋角）和材料有关当ρ不变时，η与ψ的关系如右图所示。对于传动，ψ常取25º左右。ψ太大会引起制造困难，且效率增高也不显著。矩形螺纹（效率）

QNQN’

900-

900-

ψFQR21ψ

+v12QFN21F21R21若不计升角三角形螺纹若不计升角三角形螺纹

QNQN’

900-

900-

ψFQR21ψ

+v12QFN21F21R21若不计升角若不计升角传动效率低，更容易自锁结构：牙型角α=60°性能：自锁性好，牙根强度高，工艺性好应用：一般用于螺纹联接三角形螺纹普通螺纹M24：公称直径为24mm、螺距为3mm的粗牙普通螺纹M24×1.5：公称直径为24mm、螺距为1.5mm的细牙螺纹螺纹联接：普通螺纹

双头螺柱圆螺母带翅垫片垫圈六角螺母紧定螺钉螺钉六角头螺栓螺纹联接的类型和螺纹联接件在被联接件上开有通孔，被联接件孔中不加工螺纹。结构简单，使用时不受被联接件材料的限制，应用极广

。

普通螺栓联接

①普通螺栓联接

螺栓杆与被联接件孔壁之间有间隙。通孔加工精度低，装拆方便，成本低，应用最广。铰制孔用螺栓联接②铰制孔用螺栓联接

螺栓杆与被联接件孔壁之间无间隙。孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合(H7/m6、H7/n6)，能精确定位，能承受较大横向载荷，被联接件需钻孔、铰孔，成本高。螺栓(bolt/screw)联接螺钉联接

被联接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。只用螺钉，不用螺母，直接把螺钉拧进被联接件的螺钉孔中。

适用于载荷较轻，且不经常装拆的场合。

螺钉联接螺钉联接与双头螺柱联接双头螺柱联接用两头均有螺纹的螺柱和螺母把被联接件联接起来，被联接件之一为光孔、另一个为螺纹孔。适用于被联接件之一厚度很大，而又不宜钻通孔，但又经常拆卸的地方。双头螺柱联接利用拧入被联接件螺纹孔中的螺钉末端顶住另一零件的表面，以固定零件的相对位置，可传递不大的力或转矩。紧定螺钉联接Questions一颗螺栓/一枚垫片引发的灾难1999年，波音747客舱起火事故APU电瓶接触不良触点金属熔融引燃隔音棉细节决定成败普通螺栓联接44螺栓杆与被联接件孔壁间有间隙。工作面（受力表面）为螺母或螺栓头与被联接件的接触表面。依靠工作面摩擦力承受横向载荷。摩擦力源自于沿轴向的预紧力。横向载荷一般不会影响轴向预紧力。外加轴向载荷会导致预紧力减小。被联接件1被联接件2螺母螺栓头螺栓杆FtFa

螺纹联接的预紧45普通螺栓联接预紧可靠性设计提高横向载荷承受能力提高联接紧密性防止联接松动Q:预紧过程中螺栓杆长度会发生什么变化？(A)伸长(B)缩短(C)不变

螺纹联接的预紧46测力矩扳手定力矩扳手普通拧紧螺纹联接的预紧

测力矩扳手：测出预紧力矩定力矩扳手：达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑。

防松方法1.摩擦防松（保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩）：对顶螺母，弹簧垫圈。结构简单、使用方便。2.机械防松（在联接中加入其它机械元件）：开口销、止动垫圈，串联铁丝等。适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。3.其它防松（永久防松）：粘、铆、焊等。防松的原理：限制螺旋副的相对转动。螺纹联接的防松自锁螺母防松弹簧垫圈防松对顶螺母防松（越来越少）摩擦防松

螺纹联接的防松止动垫片防松开口销防松串联钢丝防松

机械防松焊接

铆冲永久防松螺纹联接的防松/v?pd=wisenatural&vid=3715310348801535084螺栓失效形式及计算准则螺栓联接松脱（预紧力或残余预紧力不足）螺栓杆拉断（轴向受拉，疲劳拉伸强度/静强度）螺纹被压溃或剪断（横向受压/剪，挤压强度/剪切强度）多次装拆后螺纹磨损90%为疲劳失效单个螺栓联接的选用螺纹小径d1，公称直径d和螺距p螺纹牙及其它尺寸，根据等强度原则及使用经验已规定螺栓联接的强度计算松螺栓联接（无预紧力）强度计算（普通螺栓，静轴向载荷）螺栓联接的强度计算强度条件

设计公式F为螺栓承受的工作拉力（N）；d1为螺纹小径（mm）；

螺栓联接的强度计算紧螺栓联接（有预紧力）强度计算（普通螺栓）F’（轴向预紧力）产生的拉应力

T1（螺纹副摩擦力矩）产生的扭切应力

按第四强度理论，计算应力为

螺栓联接的强度计算套筒减载键减载销钉减载止口减载减载：降低对摩擦力的需求，即降低对预紧力的要求紧螺栓联接（有预紧力）强度计算（普通螺栓）螺栓联接的强度计算(a)预紧前(b)预紧后(c)外加轴向载荷后

螺栓联接的强度计算(b)预紧后

螺栓刚度被联接件刚度

螺栓联接的强度计算(c)外加轴向载荷后螺栓

被联接件

δL

+ΔδL

变形协调条件ΔδL=ΔδFΔδL/F

螺栓联接的强度计算

ΔδL/F

残余预紧力总拉伸载荷

螺栓联接的强度计算

接下来根据工作载荷是静载荷还是周期变化载荷，进行相应的强度计算

紧螺栓联接（有预紧力）强度计算（普通螺栓）螺栓联接的强度计算根据工作载荷是静载荷还是周期变化载荷，进行相应的强度计算强度条件

设计公式

轴向载荷为静载荷紧螺栓联接（有预紧力）强度计算（普通螺栓）参照此前仅有预紧力的情况：轴向载荷为变载荷(0-F-0-F-……)螺栓联接的强度计算根据工作载荷是静载荷还是周期变化载荷，进行相应的强度计算

紧螺栓联接（有预紧力）强度计算（普通螺栓）校核应力幅、疲劳强度…主要失效形式：螺栓杆被剪断螺栓杆或孔壁被压溃强度条件：挤压剪切

螺栓联接的强度计算受横向载荷的铰制孔用螺栓联接

提高螺栓联接强度的措施降低螺栓总拉伸载荷的变化范围减小螺栓刚度（减小螺栓光杆部分、采用空心螺杆、增加螺栓长度）或提高被联接件刚度（采用金属薄垫片或O形密封圈而非软垫片）改善螺纹牙间的载荷分布采用悬置螺母或环槽螺母（厚螺母不能提高联接强度）减小应力集中（增大过渡圆角、切制卸载槽等）避免或减小附加应力采用加工平整的支承面（凸台、沉头座、斜面垫圈）；避免联接件变形过大冷镦头部和碾压螺纹的螺栓疲劳强度要比车制螺栓高约30%；氰化、氮化等

螺栓组联接的结构设计结构设计的目的：

合理确定联接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和联接结合面间受力均匀，便于加工和装配

便于加工制造（有利于分度、划线、钻孔）

使各个螺栓受力合理，接合面受力均匀接合面设计成轴对称的简单几何形状，比如圆形、环形、矩形、三角形等

螺栓组联接的结构设计铰制孔用螺栓联接：不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均当螺栓联接承受弯矩或转矩时，应当使螺栓的位置适当地靠近联接接合面的边缘，以减小螺栓的受力如果同时承受轴向和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸

螺栓组联接的结构设计合理间距，适当边距：以便于利用扳手装拆同一螺栓组：螺栓材料、直径和长度均应相同，以简化结构和便于加工装配分布在同一圆周上的螺栓数目应取4、6、8等偶数，便于在圆周上钻孔时的分度和划线联接件、螺母和螺栓头部的支承面应当平整，并与螺栓轴线垂直在铸件、锻件等粗糙表面安装螺栓时，应制成凸台或沉头座

螺栓组联接的受力分析基本假设所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力相同螺栓的对称中心与联接接合面的形心重合受载后接合面仍然保持为平面

螺栓组联接的受力分析

螺栓组联接的受力分析受转矩的螺栓组联接普通螺栓联接，接合面摩擦力相等并集中在螺栓中心处，与螺栓中心至底板旋转中心的连线垂直铰制孔用螺栓联接，靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用抵抗转矩（变形协调条件）

螺栓组联接的受力分析受轴向载荷或翻转力矩的螺栓组联接

螺纹联接的常用材料和机械性能常用材料一般工况：为中低碳钢，如Q215、Q235、10、15、35、45钢等变载荷或有冲击、振动的重要联接：合金钢，如40Cr、15MnVB、30CrMnSi等机械性能等级国家标准：规定螺纹联接件按材料的机械特性分级螺栓、螺柱、螺钉的机械性能等级分10级：3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9(GB/T3098.1-2010)螺母的性能等级分7级：4/5/6/8/9/10/12(GB/T3098.2-2015)螺纹传动设计与制造II(D&MII，ME3220)Questions如何获得0.01mm的移动步距？历史阿基塔斯（橄榄油和葡萄汁萃取）阿基米德（螺旋升水泵）螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副（H副）来实现传动要求，主要用于将回转运动变为直线运动。l为螺母位移，S为导程，n为线数，P为螺距，φ为旋转角度工作原理

螺杆转动，螺母移动（机床进给结构）螺母固定，螺杆转动并移动（压力机，螺旋测微仪）螺母转动，螺杆移动（螺旋水闸）螺杆固定，螺母转动并移动（火炮螺旋方向机）分类：按传动形式螺杆转动，螺母移动（机床进给结构）螺母固定，螺杆转动并移动（压力机，螺旋测微仪）螺母转动，螺杆移动（螺旋水闸）螺杆固定，螺母转动并移动（火炮螺旋方向机）分类：按传动形式螺杆转动，螺母移动（机床进给结构）螺母固定，螺杆转动并移动（压力机，螺旋测微仪）螺母转动，螺杆移动（螺旋水闸）螺杆固定，螺母转动并移动（火炮螺旋方向机）分类：按传动形式特殊：差动螺旋双螺旋均为螺杆转动并移动不同运动形式的差动螺旋1和2螺旋旋向相同→螺母2最终合成的绝对轴向运动速度减小（微动螺旋）

特殊：复式螺旋1和2螺旋旋向相反→螺母2轴线移动的绝对速度增大快速锁紧或夹紧装置（通过设计螺旋可实现反向自锁）

蜗轮蜗杆加螺旋传动→加差动螺旋传动滑动螺旋：结构简单，易于制造，传力大，易于自锁，应用最广泛；缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%~40%）。滚动螺旋：在螺旋和螺母之间设有封闭循环滚道，其间充以钢珠，螺旋面摩擦成为滚动摩擦，称为滚动螺旋或滚珠丝杠。其优势是摩擦阻力小，传动效率高（一般为90%以上）；不自锁，可变直线为旋转运动（效率也可达80%以上）。结构复杂，制造要求高，多用于高精度、高效率机构。静压螺旋：螺杆与螺母之间充以压力油，实现液体摩擦，效率和精度较高。分类：按接触形式1—螺杆2—回程通道

3—滚珠4—螺母螺旋传动按其用途、受力情况不同