《机械设计基础》-第１５章

１５.１螺纹连接１５.１.１螺纹的类型、主要参数及螺纹的标记１.螺纹的形成如图１５－１所示，将直角三角形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。三角形ａｂｃ的斜边与底边的夹角ψ，称为螺纹升角。如果取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这个平面在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。常用螺纹的类型、特点和应用见表１５－１。２.螺纹的类型下一页返回１５.１螺纹连接（１）按螺纹轴向剖面的形状，常用的螺纹牙型有：三角形、矩形、梯形和锯齿形等，如图１５－２所示。（２）按螺纹的用途，可分为连接螺纹和传动螺纹。（３）按螺纹所处的表面，可分为外螺纹、内螺纹。在圆柱体表面上形成的螺纹称为外螺纹；在圆柱孔内壁上形成的螺纹称为内螺纹。（４）按螺旋线的绕行方向可分为：左旋螺纹，如图１５－３（ａ）所示；右旋螺纹，如图１５－３（ｂ）所示。（５）按线数分，螺纹分为单线和多线螺纹。一般线数ｎ≤４。３.螺纹的主要参数上一页下一页返回１５.１螺纹连接现以圆柱外螺纹为例介绍螺纹的主要参数，如图１５－４所示。（１）大径ｄ（Ｄ）：螺纹的公称尺寸，外螺纹牙顶，内螺纹牙根处圆柱直径。（２）小径ｄ１（Ｄ１）：螺纹的最小直径，外螺纹牙根，内螺纹牙顶处圆柱直径。（3）中径ｄ２（Ｄ２）：轴向剖面内牙厚等于牙间宽处的圆柱直径。（４）螺距ｐ：相邻两螺纹牙对应点间的轴向距离。（５）牙形角α：轴向剖面内螺纹牙两侧面的夹角。（６）导程ｓ：沿同一条螺旋线，相邻两螺纹牙对应点间的轴向距离。单线螺纹ｓ＝ｐ，多线螺纹ｓ＝ｎｐ。上一页下一页返回１５.１螺纹连接（７）螺旋线数ｎ：形成螺纹的螺旋线数目。（８）螺旋升角ψ：中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线平面间的夹角。（９）牙廓的工作高度ｈ：螺栓和螺母的螺纹圈发生接触的牙廓高度，它是沿径向测量的，等于外螺纹外径和内螺纹内径之差的一半。４.螺纹的代号和标记（１）普通螺纹代号与标记上一页下一页返回１５.１螺纹连接①普通螺纹代号。粗牙普通螺纹用字母Ｍ及公称直径表示；细牙普通螺纹用字母Ｍ及公称直径×螺距表示。当螺纹为左旋时，在螺纹代号之后加“ＬＨ”字。②普通螺纹标记。普通螺纹的完整标记有螺纹代号、螺纹公差代号和螺纹旋合长度代号组成。螺纹公差代号包括中径公差代号和顶径公差代号。公差带代号由表示其大小的公差等级数字和表示其位置的字母所组成，例如６Ｈ，６ｇ等。其中：“６”为公差等级数字。“Ｈ”或“ｇ”为基本偏差代号。上一页下一页返回１５.１螺纹连接螺纹公差带代号标注在螺纹代号之后，中间用“—”分开。如果螺纹的中径公差带与顶径公差带代号不同，则分别注出。前者表示中径公差带，后者表示顶径公差带。如果中径公差带与顶径公差带相同，则只标注一个代号。内、外螺纹装配在一起，其公差带代号用斜线分开，左边表示内螺纹公差带代号，右边表示外螺纹公差带代号。螺纹旋合长度是指两个相互配合的螺纹沿螺纹轴线方向相互旋合部分的长度。螺纹的旋合长度分为３组，分别称为短旋合长度、中旋合长度和长旋合长度，相应的代号为Ｓ，Ｎ，Ｌ。上一页下一页返回１５.１螺纹连接在一般情况下，不标注螺纹旋合长度，使用时按中等旋合长度确定。必要时，在螺纹公差带之后加注旋合长度代号Ｓ或Ｌ，中间用“—”分开。特殊需要时，可注明旋合长度的数值，中间用“—”分开。（２）梯形螺纹的代号与标记①梯形螺纹的代号。符合ＧＢ５７９６.１—２００５标准的梯形螺纹用“Ｔｒ”表示。单线螺纹的尺寸规格用“工程尺寸×螺距”表示；多线螺纹用“公称直径×导程（Ｐ螺距）”表示。当螺纹为左旋时，在尺寸规格之后加注“ＬＨ”。②梯形螺纹标记。梯形螺纹的标记由梯形螺纹代号、公差带代号及旋合长度代号组成。上一页下一页返回１５.１螺纹连接梯形螺纹的公差带代号只标注中径公差带（由表示公差等级的数字及公差带位置的字母组成）。旋合长度分Ｎ、Ｌ两组。当旋合长度为Ｎ组时，不标注别代号Ｎ；当旋合长度为Ｌ组时，应将组别代号Ｌ写在公差带代号后面，并用“—”隔开。特殊需要时可用具体旋合长度数值代替组别代号Ｌ。梯形螺旋副的公差带要分别标注出内、外螺纹的公差带代号。前面的是内螺纹公差带代号，后面的是外螺纹公差带代号，中间用“／”分开。１５.１.２螺纹连接的类型、结构尺寸及应用上一页下一页返回１５.１螺纹连接１.螺纹连接的类型螺纹连接的基本类型主要有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接４种基本类型，见表１５－２。（１）螺栓连接。螺栓连接的结构特点是被连接件的孔为通孔，孔中不切制螺纹。螺栓连接按螺栓受力情况可分为普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接。普通螺栓连接：螺栓与孔中有间隙，被连接件通过螺栓与螺母的旋合而连接在一起。工作载荷使螺栓受拉伸。铰制孔螺栓连接：被连接件的预制孔孔壁光滑，尺寸精度高，孔与螺栓多采用基孔制过渡配合，工作载荷使螺栓受剪切和挤压。上一页下一页返回１５.１螺纹连接螺栓连接的优点是构造简单，装拆方便，成本低，使用时不受被连接件的材料限制，应用广泛。（２）双头螺柱连接。双头螺柱连接的结构特点是被连接件之一为盲孔，孔中切制螺纹。双头螺柱的两端也均有螺纹，螺柱的一端旋入有螺纹的盲孔中，另一端穿过另一被连接件的预制孔并用螺母旋合实现连接。双头螺柱连接的优点是对需要经常拆装的连接，而且被连接件之一较厚，拆卸时只需旋下螺母，保护了盲孔中的螺纹不至于过早失效。（３）螺钉连接。上一页下一页返回１５.１螺纹连接螺钉连接省去了螺母，螺钉直接旋入被连接件之一的螺纹孔中实现连接，用于不需要经常拆卸的连接，结构比较简单。（４）紧定螺钉连接。将紧定螺钉旋入被连接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被连接件的表面的凹坑中，用以固定两零件之间的相对位置，实现轴与轴上零件的连接。一般不传递力和力矩。除了上述基本螺纹连接形式外，还有一些特殊结构的螺纹连接：专门用于将机座或机架固定在地基上的地脚螺栓连接，装在机器或大型零部件的顶盖或外壳上便于起吊用的吊环螺栓连接，用于工装设备中的Ｔ形槽螺栓连接，见表１５－３。上一页下一页返回１５.１螺纹连接２.螺纹的结构尺寸及应用连接采用三角形螺纹，其主要有普通螺纹和管螺纹。普通螺纹有粗牙和细牙之分。同一大径ｄ有多种螺距ｐ，螺距最大的为粗牙螺纹，其余为细牙螺纹。粗牙螺纹广泛用于各种连接中；细牙螺纹适用于薄壁零件的紧密连接，用于不常拆卸的地方。管螺纹分非螺纹密封用的管螺纹和用螺纹密封的管螺纹。用螺纹密封的管螺纹又分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹。圆柱管螺纹广泛应用于水、煤气等管道连接；圆锥管螺纹连接密封性好、不用填料，适用于密封要求高的管道连接。普通螺纹基本尺寸见表１５－４。上一页下一页返回１５.１螺纹连接１５.１.３螺纹连接件螺纹连接件的种类很多，大多已标准化。常见的有：螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈，可根据有关标准选用。表１５－５列出了标准螺纹连接件的图例、结构特点及应用。１５.１.４螺纹连接的预紧与防松１.螺纹连接的预紧一般螺纹连接在装配时都必须拧紧，称为预紧。这时螺纹受到预紧力的作用。预紧的目的是防止工作时连接出现缝隙和滑移，保证连接的紧密性和可靠性。上一页下一页返回１５.１螺纹连接如果预紧力过小，会使连接不可靠；如果预紧力过大，容易将螺栓拉断。对于一般连接，可凭借经验来控制预紧力的大小，但对于重要的连接必须严格控制预紧力的大小。小批量生产可使用测力矩扳手来控制预紧力的大小，大批量生产时，常用风扳机来控制预紧力的大小，当力矩达到额定数值时，风扳机中的离合器会自动脱开。２.螺纹连接的防松螺纹连接是利用螺纹的自锁性来达到连接的要求的，一般情况下不会松动。但是，在冲击、振动、变载、温度变化较大时螺纹会产生自动松脱。因此，在设计螺纹连接时必须考虑防松。上一页下一页返回１５.１螺纹连接螺纹连接防松的根本问题是阻止螺旋副相对转动。防松的方法很多，常用的防松方法见表１５－６。１５.１.５螺栓组连接的结构设计机器设备中螺栓常常成组使用，因此，必须根据其用途和被连接件的结构设计螺栓组。螺栓组连接结构设计的主要目的在于合理地确定连接结合面的几何形状和螺栓的布置形式，基本原则是：力求使各螺栓或连接结合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，进行螺栓组连接设计时应综合考虑以下几个方面的问题。１.连接结合面的设计上一页下一页返回１５.１螺纹连接连接结合面的形状和机器的结构形状相适应，一般将结合面形状设计成轴对称的简单几何形状，螺栓组的对称中心和结合面的形心重合，使结合面受力均匀，如图１５－５所示。２.螺栓的数目及布置（１）螺栓布置时应使各螺栓的受力合理。对于配合螺栓连接，不要在平行于工作载荷方向上成排地布置８个以上的螺栓，以免载荷分布过度不均。当螺栓组连接承受扭矩Ｔ时，应保证螺栓组的对称中心和结合面形心重合；当螺栓连接承受弯矩Ｍ时，应保证螺栓组的对称轴与结合面中性轴重合，如图１５－６所示。同时要求各个螺栓尽可能离形心和中性轴远一些。这样可以充分和均衡地发挥各个螺栓的承受能力。上一页下一页返回１５.１螺纹连接（２）螺栓的布置应有合理的间距和边距，以便保证连接的紧密性和装配时所需的扳手操作空间，如图１５－７所示。（３）分布在同一圆周上的螺栓数尽量取偶数（如３、４、６、８、１２等），以方便分度和划线。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度应尽量相同。１５.１.６螺栓连接的失效形式普通螺栓的主要失效形式是螺栓杆或螺纹部分的塑性变形和断裂；铰制孔用螺栓的失效形式是螺栓杆被剪断、螺栓杆或孔壁被压溃；经常拆卸时会因磨损产生滑扣。上一页下一页返回１５.１螺纹连接１５.１.７提高螺栓连接强度的措施１.改善螺纹牙间的载荷分布由于螺栓和螺母的刚度不同、变形不同，因此各牙受力不均匀。从螺母支承面算起，第一圈承载最大，以后各圈递减，到第８～第１０圈以后，螺纹几乎不受载荷。为改善各牙受力分布不均匀，可采用悬置螺母［如图１５－８（ａ）所示］、内斜螺母［如图１５－８（ｂ）所示］、环槽螺母［如图１５－８（ｃ）所示］等，使螺纹牙间的载荷分配趋于均匀，以提高螺栓的强度。２.减小应力集中上一页下一页返回１５.１螺纹连接适当增大螺纹牙根过渡处圆角半径、在螺纹结束部位采用退刀槽等，都能使截面变化均匀，减小应力集中，提高螺栓的疲劳强度。３.避免附加应力由于各种原因，可能使螺栓承受附加弯曲应力。这对螺栓疲劳强度影响很大，这种情况应设法避免。如在铸件等未加工表面安装螺栓时，常加工凸台或沉孔座等结构，如图１５－９所示，使支承表面平整且与螺栓轴线垂直。１５.１.８螺纹零件的其他用途螺纹零件不仅可用于连接，而且也可用于传动。上一页下一页返回１５.１螺纹连接螺旋传动由螺杆和螺母组成，主要用于将旋转运动变为直线移动，同时传递运动和动力。根据用途不同，螺旋传动可分为以下几种。１.传力螺旋传力螺旋以传递动力为主，要求用较小的转矩产生较大的轴向力。２.传导螺旋以传递运动为主，要求具有较高的传动精度。３.调整螺旋用于调整并固定零件或部件之间的相对位置。上一页返回１５.２键连接１５.２.１键连接的类型和应用键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向移动的导向。键连接的主要类型有：平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。平键连接和半圆键连接为松键连接，楔键连接和切向键连接为紧键连接。１.松键连接松键连接中，键的两侧面是工作面，工作时，靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间留有间隙，如图１５－１０（ａ）所示。对中性好，装拆方便。（１）平键连接。下一页返回１５.２键连接如图１５－１０（ａ）所示为平键连接的结构形式。平键连接具有结构简单、对中性好，装拆方便等特点，因而得到广泛应用。但平键连接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。按用途不同，平键可分为普通平键、导向平键和滑键３种。普通平键用于静连接，导向平键用于移动距离较小的动连接，滑键用于移动距离较大的动连接。①普通平键。普通平键按构造分为圆头（Ａ型）、平头（Ｂ型）及单圆头（Ｃ型）３种，如图１５－１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）所示。普通平键和键槽尺寸见表１５－７。上一页下一页返回１５.２键连接圆头平键轴上的键槽用端铣刀加工，如图１５－１０（ａ）所示，键在槽中固定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。平头平键轴上的键槽用盘铣刀加工，如图１５－１０（ｂ）所示，应力集中较小，但键在轴上的轴向固定不好。单圆头平键常用于轴的端部连接，轴上键槽常用端铣刀铣通。②导向平键。当被连接的轮毂类零件在工作过程中须在轴上作较小距离的轴向移动时，则采用导向平键，如图１５－１１（ａ）所示。导向平键较长，应用螺钉固定在轴上的键槽中，为了便于拆卸，键上制有起键螺孔，以便拧入螺钉使键退出键槽。轴上的传动零件可沿键作轴向滑移，如变速箱中的滑移齿轮。上一页下一页返回１５.２键连接③滑键。当轴上零件滑移距离较大时，因所需导向键的尺寸过大，制造困难，固采用滑键，如图１５－１１（ｂ）、（ｃ）所示。滑键固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴上的键槽中作轴向滑移。这样只需在轴上铣出较长的键槽，而键可以做得较短。（２）半圆键连接。半圆键连接如图１５－１２所示。半圆键能在轴的键槽内摆动，以适应轮毂键槽底面的斜度，特别适合锥形轴端的连接。它的缺点是键槽对轴的削弱较大，只适合于轻载连接。２.紧键连接（１）楔键连接。上一页下一页返回１５.２键连接楔键连接用于静连接，如图１５－１３所示。楔键上、下面是工作表面，上表面有１∶１００的斜度，轮毂键槽底面也有１∶１００的斜度。装配后，键的上下表面与轮毂和轴上键槽的底面压紧，工作时靠工作表面的摩擦力传递转矩，并能承受单向轴向力和起轴向固定作用。楔键分为普通楔键［图１５－１３（ａ）］和钩头楔键［图１５－１３（ｂ）］两种。楔键连接由于工作表面产生很大预紧力，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜。因此主要用于轮毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合。（２）切向键连接。上一页下一页返回１５.２键连接切向键是由一对斜度为１∶１００的楔键组成的，如图１５－１４（ａ）所示。装配时，两个键分别自轮毂两端楔入，装配后两个相互平行的窄面是工作面，工作时依靠工作面的挤压传递转矩。一对切向键只能传递单向转矩，当传递双向转矩时，应装两对相互成１２０°～１３０°的切向键，如图１５－１４（ｂ）所示。切向键能传递很大的转矩，常用于重型机械。１５.２.２平键连接的选择和强度计算１.键的类型选择选择键的类型主要应考虑以下因素：传递转矩大小；对中性要求；轮毂是否需要做轴向移动及滑移距离大小；键在轴的中部或端部等。上一页下一页返回１５.２键连接２.键的尺寸选择平键的主要尺寸为键宽ｂ、键高ｈ和键长Ｌ。设计时，根据轴的直径ｄ从表１５－７所列标准中选择平键的宽度ｂ和高度ｈ；键的长度Ｌ略小于轮毂的长度（一般比轮毂长度短５～１０ｍｍ），并符合标准中规定的长度系列。３.平键的强度校核平键工作时的受力情况如图１５－１５所示，键受到剪切和挤压作用。实践证明，其主要失效形式是键、轴和轮毂中强度较弱的工作表面被压溃（对静连接）或磨损（对动连接）。上一页下一页返回１５.２键连接因此，一般只需校核挤压强度（对静连接）或压强（对动连接）。设载荷沿键长均匀分布，则静连接的挤压强度条件为动连接的压强条件为经校核若连接强度不够，可采取以下措施：（１）适当增加轮毂和键的长度，但键长不宜大于２.５ｄ。（２）用两个键相隔１８０°布置，考虑到载荷分布的不均匀性，只能按１.５个键作强度计算。上一页返回１５.３花键连接花键连接由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和具有同样数目键槽的轮毂组成，如图１５－１６（ａ）所示。花键依靠键齿侧面的挤压传递转矩，由于是多齿传递载荷，所以承载能力强。由于齿槽浅，故对轴的削弱小，应力集中小，且具有定心好和导向性能好