《机械设计基础》-项目 ４　机件连接的分析与应用

任务４.１螺纹连接的分析与应用如图４－１所示，减速器上箱盖与箱体座之间用螺栓连接，轴承端盖与箱体间用螺钉连接，减速器与基座由地脚螺栓连接，油塞与箱体之间为螺纹连接。在机械工程中螺纹连接大量存在，下面我们来介绍有关螺纹的知识。１．螺纹的形成、类型及参数（１）螺纹的形成将一直角三角形ＡＢＣ绕在圆柱体上，底边ＡＢ与圆柱底面圆周重合，其斜边ＡＣ在圆柱体表面上形成的轨迹称为螺旋线，如图４－２（ａ）所示。选取一定形状的平面，如图４－２（ｂ）～图４－２（ｅ）所示，如三角形、矩形、梯形和锯齿形沿螺旋线运动，并保持平面图形始终在通过圆柱体轴线的平面内，则此平面的轮廓线在空间内的轨迹便是螺纹。下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用（２）螺纹的类型和主要参数１）螺纹的分类螺纹的分类方法很多。按照螺纹轴向剖面的形状（牙型），螺纹可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等。按照螺旋线的绕行方向，螺纹可分为左旋螺纹和右旋螺纹，如图４－３所示。右旋螺纹顺时针转动时为旋入方向，左旋螺纹逆时针转动时为旋入方向。常用的螺纹为右旋螺纹，左旋螺纹只用于特殊要求的场合。按照螺旋线的数目，螺纹可分为单线螺纹和多线螺纹，如图４－４所示。按照其母体形状，螺纹可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用２）螺纹的主要参数现以图４－５所示的圆柱普通螺纹为例说明螺纹的主要几何参数。①大径ｄ、Ｄ。它是指与外螺纹的牙顶或内螺纹的牙底相切的假想圆柱或圆锥的直径。大径也称为公称直径。②小径ｄ１、Ｄ１。它是指与外螺纹的牙底或内螺纹的牙顶相切的假想圆柱或圆锥的直径。③中径ｄ２、Ｄ２。它是指假想圆柱或圆锥的直径，该圆柱或圆锥的母线通过牙型上的沟槽和凸起宽度相等的位置。④螺距Ｐ。螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离称为螺距。⑤导程Ｓ。同一条螺旋线上的相邻两螺纹牙，在中径线上对应两点间的轴向距离称为导程。如果螺纹的线数为ｎ，则导程Ｓ＝ｎＰ。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用⑥升角λ。在中径为ｄ２的圆柱面上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角称为升角。⑦牙型角α。在螺纹的轴向剖面内，螺纹牙型相邻两侧边的夹角称为牙型角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙侧角β。３）常用螺纹的种类、特点及应用常用螺纹的类型、特点和应用如表４－１所示。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用２.螺纹连接的基本类型及常用螺纹连接件（１）螺纹连接的主要类型１）螺栓连接螺栓连接是指将螺栓穿过被连接件上的光孔并用螺母锁紧。这种连接结构简单，装拆方便，应用于两连接件都不太厚的场合。根据螺栓受力情况不同又将螺栓连接分为普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接两种类型。图４－６（ａ）所示为普通螺栓连接，其结构特点是：螺栓杆与被连接件孔壁之间有间隙，工作载荷只能使螺栓受拉伸。图４－６（ｂ）所示为铰制孔用螺栓连接，其结构特点是：螺栓杆与被连接件的孔壁之间无间隙，并且两者采用基孔制的过渡配合，螺栓杆受剪切和挤压。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用２）双头螺柱连接双头螺柱连接经常用于其中一个被连接件太厚，不便加工成通孔且需经常拆卸的场合。装配时将双头螺柱的一端拧入被连接件的螺纹孔中，另一端穿过另一被连接件的通孔，再拧紧螺母即可，如图４－７所示。３）螺钉连接这种连接不需要螺母，螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中。适用于一个被连接件较厚，不便加工成通孔，且受力不大，不需经常拆卸的场合，如图４－８所示。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用４）紧定螺钉连接图４－９所示为紧定螺钉连接。这种连接适用于固定两个零件的相对位置，并可传动不大转矩的场合。其特点是将紧定螺钉拧入其中一个被连接件的螺纹孔中，并用螺钉端部顶住另一个零件，以固定两个零件的相对位置。（２）螺纹连接件常用螺纹连接件的类型、结构特点及应用如表４－２所示。３．螺纹连接的预紧和防松（１）螺纹连接的预紧螺纹连接在进行装配时，一般都要拧紧螺纹，使螺纹连接在承受工作载荷之前受到预先作用的力，这就是螺纹连接的预紧，其中预先作用的力称为预紧力。预紧的目的是增加连接的可靠性，提高紧密性和防止松脱。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用预紧力的控制方法有多种。对于一般的普通螺栓连接，预紧力凭装配经验控制即可；对于较重要的普通螺栓连接，可用测力矩扳手（见图４－１０）或者定力矩扳手（见图４－１１）来控制预紧力的大小；对于预紧力控制有精确要求的螺栓连接，可采用测量螺栓伸长的变形量来控制预紧力的大小。（２）螺纹连接的防松连接用的螺纹连接件，一般采用三角形普通螺纹。正常使用下，螺纹连接本身具有自锁性，其螺母和螺栓头部等支承面处的摩擦也具有防松作用，因此在静载荷的作用下，连接一般不会自动松脱。但是，在冲击、振动或者变载荷的作用下，或者当温度变化很大时，螺纹副间的摩擦力可能减小或者瞬时消失，致使螺纹连接产生自动松脱现象，特别是在交通、化工和高压密闭容器等设备装置中，螺纹连接的松动可能会造成重大事故的发生。为了保证螺纹连接的安全可靠，许多情况下螺纹连接都采取一些必要的防松措施。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用螺纹连接防松的根本问题是防止螺纹副的相对转动。按照工作原理来划分，螺纹的防松方法有摩擦防松、机械防松、破坏性防松以及其他防松等多种方法。常用的螺纹防松方法如表４－３所示。４．螺栓组连接的结构设计大多数情况下，螺纹连接件都是成组使用的，被称为螺栓组连接。螺栓组连接受力分析的目的是找出受力最大的螺栓，然后确定螺栓的公称直径。设计螺栓组连接时，应根据连接的用途及被连接件的结构，选定连接类型、螺栓数目及布置形式，再确定螺栓连接的结构尺寸。设计时应综合考虑以下几方面的问题：①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（见图４－１２）。这样便于对称布置螺栓，从而使螺栓组的对称中心和连接结合面的形心重合，保证结合面的受力比较均匀，同时也便于加工制造。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用②螺栓的布置应使各螺栓的受力合理（见图４－１３）。当螺栓组连接承受弯矩或扭矩时，应使螺栓的位置适当靠近结合面的边缘，以减小螺栓的受力，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，以避免螺栓受力不均。③分布在同一圆周上的螺栓数目应取４、６、８等偶数。同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同。④在布置螺栓位置时，各螺栓间及螺栓中心线与机体壁之间应留有足够的扳手空间（见图４－１４）以便于装拆。扳手空间的尺寸可查阅有关标准。上一页下一页返回任务４.１螺纹连接的分析与应用⑤应避免螺栓承受偏心载荷（见图４－１５）。为减小载荷相对于螺栓轴线的偏距，保证螺母或螺栓头部支承面平整并与螺栓轴线相垂直，被连接件上应设置凸台、凹坑、斜面垫圈和球面垫圈等部件，如图４－１６所示。上一页返回任务４.２键连接的分析与应用如图４－１所示的减速器中齿轮和轴之间通过键连接在一起，为了使外伸轴与电动机或工作机连在一起，外伸轴段加工有键槽，用来安装键。这一节我们来学习关于键的知识。键连接由键、轴和轮毂组成，它主要用来实现轮毂与轴之间的轴向固定，并传递运动和转矩。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。它们均已标准化。１．平键连接平键的上表面与轮毂键槽的顶面留有间隙，工作时依靠键与键槽间两侧面的挤压力来传递转矩，所以其两侧面为工作面，如图４－１７（ａ）所示。平键制造容易、装拆方便、定心良好，用于传动精度要求较高的场合。根据用途不同可将其分为普通平键、导向平键和滑键。下一页返回任务４.２键连接的分析与应用（１）普通平键连接普通平键主要用于静连接，应用最广泛。按其端部形状可分为圆头（Ａ型）、平头（Ｂ型）和单圆头（Ｃ型）三种，键的尺寸是长Ｌ、宽ｂ和高ｈ，如图４－１７（ｂ）～图４－１７（ｄ）所示。Ａ、Ｃ型键的轴上键槽用指形铣刀加工，如图４－１８ａ）所示，键在槽中的轴向固定较好，轴槽端部应力集中较大。Ｂ型键的轴上键槽用盘形铣刀加工，如图４－１８（ｂ）所示，轴槽端部应力集中较小，但键在轴上的轴向定位不好，需用螺钉把键固定在键槽中。上一页下一页返回任务４.２键连接的分析与应用（２）导向平键和滑键连接当被连接的轮毂在工作中需要做轴向移动时，可采用导向平键连接或滑键连接，如图４－１９所示。导向平键较普通平键长，为防止键体在轴中松动，用两个螺钉将其固定在轴上，其中布置有起键螺钉孔，主要用于短距离的动连接。滑键主要用于长距离的动连接，键固定在轮毂上，工作时和轮毂一起沿轴槽做轴向移动，为使键容易装配，轴上的键槽至少有一端需开通。２．半圆键连接半圆键连接用于轴与轮毂之间的静连接，键的上表面与轮毂键槽底面有间隙，如图４－２０所示，两个侧面为半圆形，工作时靠两侧面受挤压传递转矩。键在轴槽内绕其几何中心摆动，以适应轮毂槽底部的斜度。半圆键连接制造简单，装拆方便，但轴上的键槽较深，对轴的强度削弱较大，主要用于载荷较小的连接或轮毂与锥形轴端的连接。上一页下一页返回任务４.２键连接的分析与应用３．楔键连接楔键连接用于静连接。楔键的上下面是工作面，两侧面为非工作面，两面之间有间隙。键的上表面和轮毂槽底面均制成１∶１００的斜度，如图４－２１所示。装配时将键打入轴和毂槽内，使轴与轮毂之间的接触面产生很大的径向压紧力，转动时靠接触面的摩擦力来传递转矩，并能承受单方向的轴向力。楔键分为普通楔键和钩头楔键两种。钩头楔键的钩头是为了便于拆卸而设计的。楔键的定心性差，在冲击、振动或变载荷下，连接容易松动，适用于不要求准确定心或低速运转的场合。上一页下一页返回任务４.２键连接的分析与应用４．切向键连接如图４－２２所示，切向键是由一对楔键组成的，两键装配后的上下面互相平行，且为工作面，其中一个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。装配时，需从两边打入并楔紧。当需要双向传递转矩时，应采用两对切向键并分布成１２０°～１３５°。上一页返回任务４.３花键连接花键连接是由轴上加工出来的外花键和轮毂孔内加工出来的内花键组成的，如图４－２３所示，其工作时靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。其优点是比平键连接的承载能力强，轴与零件的定心性好，导向性好，对轴的强度削弱小；其缺点是加工时需用专用设备，成本较高。因此，花键连接用于定心精度要求高和载荷较大的静连接或动连接场合。花键按齿形可分为矩形花键（见图４－２４（ａ））、渐开线花键（见图４－２４（ｂ））和三角形花键（见图４－２４（ｃ））。花键已经标准化，例如矩形花键的齿数、小径、键宽等可以根据轴径查阅相关标准进行选定。花键的加工需要专用设备。返回任务４.４销连接的分析与应用图４－１所示的减速器中，上下安装时采用了两个定位销，销的作用是什么呢？下面我们来学习销的有关知识。销主要用于固定零件之间的相对位置，称为定位销；也用于轴与轮毂的连接，可传递不大的载荷，称为连接销；还可作为安全装置中的过载保护元件，称为安全销。其主要类型如表４－４所示。返回图４－１减速器结构图返回图４－２螺纹的形成及螺纹牙型分类返回图４－３螺纹的旋向返回图４－４螺纹的线数返回图４－５螺纹的主要几何参数返回表４－１常用螺纹的类型、特点和应用返回图４－６螺栓连接返回图４－７双头螺柱连接返回图４－８螺钉连接返回图４－９紧定螺钉连接返回表４－２常用螺纹连接件的类型、结构特点及应用返回图４－１０测力矩扳手返回图４－１１