荆职院机械设计基础课件07联接

第7章联接概述在机器的设计和制造中，为了减少制造、安装、维修和运输费用，以及尽可能减轻机器重量、节约贵重金属、降低生产成本和提高劳动生产率，在一部机器中我们经常可以看到使用了不同的材料来制造不同的零件，然后通过一定的方式和联接手段把这些零件联接成一个整体，来实现预期的性能要求。因此，作为一个工程技术人员，无论从事那一个行业的工作，都必须了解机械中常用的各种联接方法、特点和应用情况，掌握一定的常用联接的设计准则和方法，熟悉各种常用联接零件的类型、结构与使用条件。第7章联接

按是否可拆分为联接：将两个或两个以上的零件组合成一体的结构。按被联接件之间是否可以有相对运动可以分为可拆联接：不可拆联接：过盈配合联接：动联接：静联接：本章主要研究普通平键联接和螺纹联接。

允许多次装拆，不会破坏或损伤联接中的任何一个零件，如键联接、螺纹联接和销联接等。

若不破坏或损伤联接中的零件就不能将联接拆开，如焊接、铆接、粘接等。

界于可拆和不可拆联接之间的一种联接。

铰链、轴和轴承等。键联接、螺纹联接等。除以上的联接方式外，常用的还有过盈配合联接、型联接等。机械动联接：被联接的各个零部件之间可以有相对位置变化，例如我们前面介绍的各类运动副；机械静联接：被联接起来的各个零部件之间的位置固定，不允许产生相对运动的联接。机械静联接是我们本章介绍的主要内容，而螺纹联接是机械中应用最为广泛的静联接方式之一，它具有结构简单、工作可靠、装拆方便、形式多样、能满足各种要求等优点。所以，我们本章主要介绍螺纹联接，同时对常用的键联接和不可拆卸联接进行适当的介绍。顾名思义，螺纹联接是采用螺纹和螺纹联接件来实现的联接。这类联接有结构简单、拆装方便、工作可靠等特点，在各个行业及日常生活中得到了广泛使用。同时，螺纹和螺纹紧固件绝大多数已经标准化了。这种联接的设计，其主要任务就是正确的选用。在重要的场合进行强度计算。当然在工程上，为了满足一些特殊的工程要求，有时也需要自制一些特殊的螺纹紧固件。为了全面了解和研究螺纹联接，我们首先需要了解螺纹。7.1

螺纹联接

螺纹联接是利用螺纹联接件构成的可拆联接，其结构简单，装拆方便，广泛应用于各种机械设备中。

1.螺纹的类型按螺旋线的旋向，可分为左旋螺纹和右旋螺纹。按螺旋线的数目，可分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹，联接一般多用单线螺纹。按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，联接一般用三角形螺纹。按螺纹是在外表面或内表面，可分为外螺纹和内螺纹，内、外螺纹组成螺旋副。

§7.1.1螺纹的参数和分类一．螺纹的主要几何尺寸在机械制图中，我们已经接触过螺纹和螺纹联接件。现在我们就以图7-1来说明螺纹的主要几何参数，该图是GB192-81标准化的螺纹牙型图。图7－1（1）大径d（D）：螺纹的最大直径，在标准中也作公称直径。（2）中径（

）通过螺纹轴向剖面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径，是确定螺纹几何参数的直径。（3）小径

（

）：即螺纹的最小直径，在强度计算中常作为危险剖面的计算直径。（4）螺距：螺纹相邻两牙在中径上对应两点的轴向距离。（5）线数n：螺纹的螺旋线数量，也称螺纹头数。（6）导程s：同一螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。对于单线螺纹s=p；对于多线螺纹s=np。（7）升角：中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。

对于这些几何参数值的规定，国际上和国内都已经标准化。规定的值不同，就会形成不同的螺纹，需要时可以查阅相关的手册和国家标准。(8)牙型角：螺纹牙型两侧边的夹角。(9)螺纹的工作高度h：表示内外螺纹沿径向的接触高度。二．螺纹分类

螺纹主要尺寸的不同，其性能、用途也不同。常用的螺纹牙型有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和矩形螺纹（其中除矩形螺纹外都已经标准化）。详细的分类、性能可以参见教材

1）三角形螺纹（普通螺纹）牙型角为60º，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。2）管螺纹多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55º，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。3）梯形螺纹牙型角为30º，是应用最为广泛的传动螺纹。4）锯齿型螺纹两侧牙型角分别为3º和30º，3º的一侧用来承受载荷,可得到较高效率；30º一侧用来增加牙根强度,适用于单向受载的传动螺纹。5）矩形螺纹牙型角为0º，适于作传动螺纹。以上5种常见螺纹牙型如图7-2所示。图7－2另外，螺纹可以根据需要制成左旋或右旋（通常螺纹为右旋）。沿螺纹轴线方向看，螺旋线自下而上向右倾斜为右旋（如图a），向左倾斜为左旋（如图b）。左旋螺纹的标准紧固件通常制有左旋标记。图7－3按制订的螺纹标准不同，现在常见的有米制和英制两大类。我国除管螺纹外，一般采用米制。

要注意：在实际工作中，特别是从事维修行业时要注意一些进口机器中螺纹的单位制。凡是牙型、大径和螺距符合国家标准的螺纹都称为标准螺纹。除机械制造中常用的标准螺纹外，还有适用于某些特殊行业的专用螺纹标准，在需要的时候可以查阅有关的设计手册。虽说螺纹并不陌生，但为了从理论的高度来理解和研究螺纹联接，接下来我们就需要对螺纹联接的基本类型和螺纹常用紧固件进行了解。§7.1.2螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件一．螺纹紧固件如图7-8所示为典型的螺纹联接方式之一。从图中可以看出，联接必须存在至少两个被联接件。同时具有螺栓、垫片、螺母等零件组成了联接。那么，螺纹紧固件的种类到底有那些呢？联接实际上是和人类的发展紧密相连的。随着工业化进程的发展，随着专业化分工的出现，为了提高零件的互换性，标准化势在必行。作为各个行业都不可或缺的重要部分：联接，特别是螺纹联接、螺纹紧固件的类型、规格标准化显得更具重要性。就目前来讲，螺纹紧固件的品种很多，但是从结构等方面来说，常用的有以下几种。

图7-91．螺栓

螺栓是工程上、日常生活中应用最为普遍、广泛的紧固件之一，其形状如图所示。

螺栓的头部有各种不同形状，但是我们最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。一般情况下我们使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。2．双头螺栓如图7-10所示。双头螺栓的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。其安装方式是一端旋入被联接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。

图7-103．螺钉螺钉的头部有各种形状，如图7-11所示。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名，如：半圆头螺钉、圆柱头螺钉、沉头螺钉和内六角圆柱螺钉等等。螺钉的承载力一般较小。但是注意：在许多情况下，螺栓也可以用作螺钉。图7-114．紧定螺钉常用紧定螺钉如图7-12所示。紧定螺钉主要用于小载荷的情况下。例如，以传递圆周力为主的情况下，防止传动零件的轴向串动等。可以看出：紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。图7-12图7-135．螺母螺母是和螺栓相配套的标准零件，其外形有：六角形、圆形、方形及其它特殊的形状。如图7-13所示。其厚度有厚的、标准的和扁的，其中以标准的应用最广。

图7－146．垫圈垫圈也是标准件，品种也最多，如图所示。但是，应用最多、最常见的有平垫和弹簧垫两种。平垫的目的主要是为了增加支承面积，同时对支承面起保护作用。弹簧垫主要是用于防止螺母和其它紧固件的自动松脱。所以凡是有振动的地方又未采取其它防松措施时，原则上都应该加装弹簧垫。除了以上两类垫圈外，还有一些特殊的垫圈，如方斜垫圈、止动垫圈等等。在需要的时候可查阅设计手册。在选用标准件紧固件时，我们应该视具体情况，对连接结构进行分析比较后合理选择。另外，我们需要注意：螺纹紧固件一般分精制和粗制两种，在机械工业中主要选择使用精制螺纹。二．螺纹联接的基本类型

根据所用紧固件和联接方式的不同，螺纹联接可以分为四种基本类型。1）螺栓联接如图7-8所示的螺栓连接。其主要特点是被联接件上制有通孔，孔与螺栓杆之间可以留有间隙（普通螺栓连接），也可以将螺栓杆上的没有螺纹部分作成与孔的过渡配合联接形式（铰制孔链接）。普通螺栓联接：由于孔和杆之间留有间隙，可以补偿各孔之间的位置误差，且加工简单，装拆方便，所以得到广泛的应用。通孔的大小不能随意，应该根据装配精度查机械设计手册确定。

铰制孔螺栓联接：多采用基孔制过渡配合，如H7/m6，H7/n6等，螺杆与通孔加工精度高。由于孔与杆之间是过渡配合，具有定位作用，可以承受横向载荷，但是加工成本高。在选择螺栓时，需要考虑联接的结构尺寸进行。

图7-152）双头螺栓联接如图7-15所示。从图上可以看出，其主要特点为一个被联接件上制有螺纹孔，其它被联接件上则有通孔。这种联接主要用于被联接件较厚或受到空间位置尺寸限制，而又需要经常拆卸的情况下使用。

这种联接拆卸时，只需要把螺母拧下即可，而螺柱留在原位，以免因多次拆卸使内螺纹损坏（磨损失效）。其螺柱的拧入深度的取值与被联接件的材料、螺柱的直径有关。图7-163）螺钉联接如图7-16所示，为以典型的工程螺钉联接形式，其特点是：在一个被联接件上加工有螺纹孔，装配时螺钉直接拧入螺纹孔中，不需要螺母。这种联接主要用在空间位置受到限制，而且联接不需要经常拆卸的地方。

比较上面三种联接方式可以看出，一般情况使用螺栓联接，在空间位置尺寸受到限制时，可以使用双头螺栓联接，也可以使用螺钉联接，其选择取决于拆卸的频繁程度。

图7-174）紧定螺钉联接如图7-17所示，这种联接主要用来固定被联接件的相对位置的。如图中，主要传递扭矩，为了防止轴向串动加设紧定螺钉。当然，也可以传递较小的力或扭矩。§7.1.3螺纹联接的预紧和防松

一．螺纹联接的预紧

在日常生活中，我们大多数同学都应该拧过螺栓。根据个人的经验知道：当利用螺栓联接时，需要将螺母拧紧，为什么呢？下面我们就从科学的理论与方法来探讨研究这方面的问题。我们根据日常的生活经验和前面学过的材料力学有关知识知道，任何材料在受到外力作用时，都会产生或多或少的形变，螺栓也不例外。当联接螺栓承受外在拉力时，将会伸长。如果我们在初始时仅将螺母拧上使各个接合面贴合，那么在受到外力作用时，接合面之间将会产生间隙。

所以为了防止这种情况的出现，我们都知道在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成联接的所有零件都产生一定的弹性变形（螺栓伸长、被联接件压缩），从而可以有效地保证联接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为预紧力。显然，预紧的目的就是：增强联接的紧密性、可靠性，防止受载后被联接件之间出现间隙或发生相对滑移。

经验证明：选用适当较大的的预紧力，对螺栓联接的可靠性及螺栓的疲劳强度都是有利的。但过大的预紧力会使紧固件在装配或偶尔过载时断裂。因此，对于重要的螺栓联接，在装配时需要控制预紧力。对于一般联接用的钢制螺栓，其联接预紧力不超过其材料屈服极限的80%。可以按下面的推荐的关系式确定：碳素钢螺栓：合金钢螺栓：

式中：A1——为螺栓的危险剖面面积。

预紧力的具体数值应该根据载荷性质、联接刚度（后面要讲）等具体的工作条件来确定。对于重要的螺栓联接，应在图纸上作为技术条件注明预紧力矩，以便在装配时保证。

图7-18图7-191．预紧力控制方法在装配时，预紧力是借助于测力矩扳手或定力矩扳手控制的，如图7-18、7-19所示，通过控制拧紧力矩来间接保证预紧力的。

预紧力矩有两部分组成：1）螺纹副的摩擦力矩T1；2）螺母和钉头与支承面间的摩擦力矩T2。

预紧力矩的计算公式为：

其中：

——

预紧力；

——

螺纹升角

——

螺旋副的当量摩擦角

——

支承面环形带的外径、内径

——

螺纹中径；

——

支承面间的摩擦系数

对于d为10～64mm的常用粗牙普通钢制螺栓，上式可近似简化为：对于只靠经验而不加严格控制预紧力的重要螺栓,例如压力容器、输气、输油管道等联接螺栓，不宜采用小于M12～M16的紧固件。2．预紧应力预紧应力的计算应综合考虑产生的拉应力和摩擦力矩产生的剪应力，故对采用塑性钢材制造的普通紧固件，应该采用第四强度理论来计算其。

（

）因为

，所以：

也即：可以将预紧力增加30%，以考虑扭转剪应力的影响。二．螺纹联接的防松

机械中联接的失效（松脱），轻者会造成工作不正常，重者要引起严重事故。因此，螺纹联接的防松是工程工作中必须考虑的问题之一。一般来说，联接螺纹具有一定的自锁性，在静载荷条件下并不会自动松脱。但是，由于联接的工作条件千变万化、各不相同的具体实际场合，不可避免地存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小；同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次作用下，就会造成联接的逐渐松脱。

防松的本质：就是防止螺纹副的相对转动，也就是螺栓与螺母间的相对转动(内螺纹与外螺纹之间)。常用的防松方法有三种：摩擦防松、机械防松和永久防松。机械防松和摩擦防松称为可拆卸防松，而永久防松称为不可拆卸防松。常用的永久防松有：点焊、铆接、粘合等。这种方法在拆卸时大多要破坏螺纹紧固件，无法重复使用。

常见摩擦防松有：利用垫片、自锁螺母及双螺母等。

常见的机械防松方法：利用开口销、止动垫片及串钢丝绳等。机械防松的方法比较可靠，对于重要的联接要使用机械防松的方法。下面分述如下。

1、摩擦防松1）弹簧垫片防松弹簧垫圈材料为弹簧钢，装配后垫圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持压紧力和摩擦力，从而实现防松。

2）对顶螺母防松利用螺母对顶作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。由于多用一个螺母，并且工作不十分可靠，目前已经和少使用了。

3）弹性圈螺母防松螺纹旋入处嵌入纤维或尼龙来增加摩擦力。该弹性圈还起防止液体泄漏的作用。

4）自锁螺母防松螺母一端制成非圆形收口或开缝后径向收口。当螺母拧紧后，收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。这种防松结构简单、防松可靠，可多次拆装而不降低防松性能。

2、机械防松1）槽形螺母和开口销防松槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔。2）圆螺母和止动动垫片使垫圈内舌嵌入螺栓（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫圈外舌之一褶嵌于螺母的一个槽内。

3）止动垫片螺母拧紧后，将单耳或双耳止动垫圈分别向螺母和被联接件的侧面折弯贴紧，实现防松。如果两个螺栓需要双联锁紧时，可采用双联止动垫片。

4）串联钢丝防松用低碳钢钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互制动。这种结构需要注意钢丝穿入的方向，如图所示。

3、冲边法防松如图所示。

4、粘合防松通常采用厌氧胶粘结剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘结剂能够自行固化，防松效果良好。§7.2键联接

1.键联接的类型和应用

键是标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，还能实现轴上零件的轴向固定或轴向移动的导向。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。平键联接和半圆键联接为松键联接，楔键联接和切向键联接为紧键联接。

松键联接中，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。对中性好，装拆方便。

紧键联接用于静联接，键上、下面是工作表面。§7.2键联接

1.键联接的类型和应用

平键联接

特点：平键联接具有结构简单、对中性好，装拆方便等特点，因而得到广泛应用。但平键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。

分类：按用途不同，平键可分为普通平键、导向平键和滑键三种。普通平键用于静联接，导向平键用于移动距离较小的动联接，滑键用于移动距离较大的动联接。

普通平键种类——普通平键平键联接

普通平键和键槽尺寸——普通平键平键联接

——普通平键平键联接

标记示例：

圆头平键轴上的键槽用端铣刀加工，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，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联接，轴上键槽常用端铣刀铣通。

——普通平键平键联接

普通平键的加工：——导向平键

平键联接

当被联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。

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。——滑键

平键联接

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。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，而键可以做的较短。

半圆键联接

半圆键联接如图所示。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联接。它的缺点是键槽对轴的削弱较大，只适合于轻载联接。

楔键联接

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。楔键分为普通楔键和钩头楔键两种。楔键联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。

切向键联接

切向键是由一对斜度为1：100的楔键组成的，如图所示。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。切向键能传递很大的转矩，常用于重型机械。

2.平键联接的选择和强度计算

7.2键联接(续）

键的类型选择

选择键的类型主要应考虑以下因素：