内科大机械设计基础课件第8章 联接

第8章联接8.1螺纹

8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率

8.3机械制造常用螺纹8.4螺纹联接的基本类型和标准联接件8.5螺纹联接的预紧和防松8.6

螺纹联接的强度计算8.7螺纹联接件的材料和许用应力第8章联接8.8提高螺纹联接强度的措施8.9键联接和花键联接

8.10销联接第8章螺纹联接机械联接是指实现机械零（部）件之间互相联接功能的方法。1）机械动联接，即被联接的零（部）件之间可以有相对运动的联接，如各种运动副；2）机械静联接即被联接零（部）件之间不允许有相对运动的联接。1）可拆联接，即允许多次装拆而不失效的联接，包括螺纹联接、键联接（包括花键联接和无键联接）和销联接；机械静联接又可分为两类：2）不可拆联接，即必须破坏联接某一部分才能拆开的联接，包括铆钉联接、焊接和粘接等。另外，过盈联接既可做成可拆联接，也可做成不可拆联接。

本章介绍螺纹联接。螺纹联接是利用具有螺纹的零件构成的连接，是最广泛的一种联接。8.1

螺纹8.1.1螺纹的类型和应用螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。左旋螺纹和右旋螺纹单线螺纹和多线螺纹螺纹的牙型

主要用于联接三角形矩形梯形锯齿形多用于传动8.1.2螺纹的主要参数⒈大径d：螺纹的最大直径，即与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面的直径。在标准中该直径一般被定为公称直径。⒉小径d1：螺纹的最小直径，即与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径。在强度计算中常作为危险截面的计算直径。⒊中径d2：这是一个假想圆柱面的直径，该假想圆柱面的母线上牙型沟槽和凸起的宽度相等。该直径被看作螺纹的平均直径。⒋螺距P

：螺纹相邻两牙对应点间的轴向距离。⒌导程Ph

：同一螺旋线上相邻两牙对应点间的轴向距离。若螺纹线数为n，则Ph

=nP

。⒍螺纹升角λ

在中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角⒎牙型角α

：螺纹轴向截面中，螺纹牙型两侧边间的夹角。螺纹牙型的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角称为牙型斜角β。对于对称牙型，β=α/2。另外，内螺纹的大径、小径、中径分别用D、D1、D2表示8.2螺旋副的受力分析、自锁和效率滑块上作用的假想的水平推力Ft、轴向力Fa和总反力FR（法向反力N和摩擦力fN的合力）三力将组成一个封闭的力多边形，由图可知

Ft=Fa

tan(λ+ρ)Ft=Fa

tan(λ

-ρ)

R21—总反力

—摩擦角总反力与法线方向所夹的锐角不变自锁条件

一、平面移动副的摩擦力分析若PF21

静止的滑块仍然静止结论：当

时，不论F多大，也无法使滑块移动

自锁

R21N21F212V12

FPQ1自锁

R212V121自锁条件

R212V12

R212V12FF自锁自锁(边界情况)不自锁

F

8.2.2非矩形螺纹f‘称为当量摩擦因数；ρ’为当量摩擦角。据此，将摩擦因数f换成当量摩擦因数f‘，将摩擦角ρ换成当量摩擦角ρ’，非矩形螺纹就可象矩形螺纹那样进行受力分析Ft=Fa

tan(λ+ρ’)

Ft=Fatan（λ-ρ＇）当螺纹升角λ不变时，效率η随当量摩擦角ρ‘增大而减小，而根据式（8-4），螺纹的牙侧角β越大，当量摩擦角ρ’越大，因此,效率η随牙侧角β增大而减小。传动螺纹中，矩形螺纹的牙侧角β是0°，故其效率最高，当量摩擦角ρ＇一定时，效率η只是螺纹升角λ的函数。由此可以绘出效率曲线（图8-5）。取，可得当时效率最高。由于螺纹升角过大时加工难度较大，且效率增高也不显著，所以一般螺纹升角λ不大于25°。8.3机械制造常用螺纹8.3.1三角形螺纹

普通螺纹的牙型角α=60°，对称牙型。以大径d为公称直径，螺纹代号为M。同一公称直径下可以有多种螺距的螺纹，把其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。细牙螺纹的升角小、小径大，所以自锁性较好、强度高。由于牙细不耐磨，容易滑扣。一般联接多用粗牙螺纹，细牙螺纹常用于细小零件，薄壁管件或受冲击、振动和变载荷的联接中，也可作为微调机构的调整螺纹用。

8.3.2梯形螺纹和锯齿形螺纹这两类螺纹的牙侧角均较小，故摩擦较小、效率较高，一般应用于传动。梯形螺纹为对称牙型，牙型角α=30°（图8-7a），内、外螺纹以锥面贴紧不易松动，工艺性较好，牙根强度高，对中性好。如果采用剖分式螺母，还可以消除因磨损而产生的间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹，锯齿形螺纹为非对称牙型工作面的牙侧角β=3°，非工作面的牙侧角β=30°。外螺纹牙根有较大的圆角，以减少应力集中。内、外螺纹旋合后，大径处无间隙，便于对中。这种螺纹的效率高于梯形螺纹，牙根强度较高，但只能用于单向受力的螺纹联接或螺旋传动。例8-1试计算普通螺纹M10和M10×1的螺纹升角，并分析这两种螺纹是否自锁（已知摩擦因数f=0.1～0.15）。解：⑴螺纹升角由表8-1查得M10的螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm；M10×1的螺距P=1mm,中径d2=d-0.649519P=9.350mm。M10的升角

M10×1的升角

⑵自锁性能两种螺纹全部满足条件λ<ρ＇，故均自锁。由于细牙螺纹M10×1的升角小于粗牙螺纹，因此其自锁性要好于粗牙螺纹。实际上，普通螺纹均为单线螺纹，升角约在1.5°～3.5°之间，远小于当量摩擦角，在静载荷下都能保证自锁8.4螺纹联接的基本类型和标准联接件8.4.1螺纹联接的基本类型⒈螺栓联接⒉双头螺柱联接⒊螺钉联接⒋紧定螺钉联接8.4.2标准螺纹联接件螺纹联接件的类型很多，在机械制造中常用的有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等。这类零件的结构型式和尺寸都已标准化8.5螺纹联接的预紧和防松8.5.1螺纹联接的预紧一般螺纹联接在装配的时候都必须拧紧，以增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。选择合适的预紧力对提高联接的强度也有好处。但是，过大的预紧力会使整个联接的结构尺寸增大，装配或过载时螺栓容易被拉断。预紧力的具体数值应根据具体工作条件确定，通常规定，螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限σs的80%，一般可达屈服极限σs的50%～70%。拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺母端面与被联件支撑面间的摩擦阻力矩T2之和

F0为预紧力；d2为螺纹中径；fc为螺母与被联接件支撑面间的摩擦因数，可取fc=0.15；rf为支撑面摩擦半径，rf≈（D0+d0）/4，其中D0为螺母环形支撑面的外径，d0为螺栓孔直径。

8.5.2螺纹联接的防松螺纹联接件一般均采用单线普通螺纹，都能满足自锁条件。所以在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹联接不会发生自动松脱。但在冲击、振动或交变载荷的作用下，预紧力可能减小或瞬时消失，联接就有可能松脱。在高温或工作温度变化较大时，由于螺纹联接件和被联接件的材料发生蠕变和应力松弛，也会使预紧力减小，最终也可能发生松脱现象。防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动，防松的方法很多，按其工作原理可分为摩擦防松、机械防松和铆冲防松等。摩擦防松机械防松:铆冲防松弹簧垫圈对顶螺母自锁螺母开口销六角开槽螺母止动垫片8.6螺纹联接的强度计算螺栓的主要失效形式有：⑴螺栓杆被拉断；⑵铰制孔螺栓杆被剪断或螺栓杆和被联接件孔壁被压溃；⑶经常拆装时，因磨损而发生滑扣现象8.6.1松螺栓联接在承受工作载荷之前，螺栓不受力。这种类型的联接在实际中应用得很少，拉杆、起重吊钩等的螺纹联接均属此类联接。d1 ──螺栓危险截面的直径，即螺纹小径，mm；[σ] ──螺栓材料的许用拉应力，MPa

2.紧螺栓联接1.只受预紧力紧螺栓联接螺栓危险截面的拉伸应力为螺栓危险截面的扭转切应力为根据第四强度理论，当量应力为:⒉承受横向载荷的紧螺栓联接F0为预紧力；C为可靠性系数，通常取C=1.1～1.3；m为接合面数；f为接合面摩擦因数，对于钢或铸铁被联接件可取f=0.1～0.15。如果取C=1.2、m=1、f=0.15，由式（8-20）可得：F0≥8R。即预紧力应为横向工作载荷的8倍，⒊承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接则螺栓总的伸长量应为δb0+Δδ。被联接件总的压缩量为δc0-Δδ。当联接承受工作载荷Fe时，螺栓的总拉力为F，被联接件的压缩力等于残余预紧力Fr，称为螺栓的相对刚度，

应使Fr>0。实际中一般按下列方法确定Fr：对于有密封要求的联接，Fr=（1.5～1.8）Fe；对于一般联接，工作载荷稳定时，Fr=（0.2～0.6）Fe；工作载荷不稳定时，Fr=（0.6～1.0）Fe；对于地脚螺栓联接Fr≥Fe。当用铰制孔用螺栓承受横向载荷时螺栓杆的剪切强度条件为螺栓杆和孔壁的挤压强度条件为8.7螺纹联接件的材料和许用应力螺纹联接件所使用的材料品种很多，常用材料有Q215、Q235、10、35和45钢，重要的或承受冲击、振动和变载荷的螺纹联接件可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金钢。这些材料螺母的材料一般与相配合的螺栓相近而硬度略低。8.8提高螺纹联接强度的措施8.8.1降低螺栓总拉力的变化范围减小螺栓刚度kb或增大被联接件刚度kc

为了减小螺栓刚度，可采用横截面较小的腰状杆螺栓或空心螺栓，有时也可以增加螺栓的长度。8.8.2改善螺纹牙上的载荷分布8.8.3减少应力集中的影响8.8.4避免或减小附加弯曲应力第九章9键联接和花键联接9.1.1键联接的分类、结构和应用1.平键联接平键的两侧面是工作面，平键的上表面与轮毂槽底之间留有间隙。这种键的定心性好，装拆方便，应用广泛。常用的平键有普通平键和导向平键。

2半圆键联接半圆键的工作面也是键的两个侧面。轴上键槽用与半圆键尺寸相同的键槽铣刀铣出，半圆键可在槽中绕其几何中心摆动以适应毂槽底面的倾斜。这种键联接的特点是工艺性好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毂的联接；但键槽较深，对轴的强度削弱较大，一般用于轻载静联接。3楔键联接和切向键联接楔键的上、下两面为工作面。楔键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均有1:100的斜度。装配时将楔键打入，使楔键楔紧在轴和轮毂的键槽中，楔键的上、下表面受挤压，工作时靠这个挤压产生的摩擦力传递转矩楔键联接的主要缺点是键楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和偏斜，因此楔键联接一般用于定心精度要求不高和低转速的场合。

切向键由一对斜度为1:100的楔键组成（图8-35），装配时将两键楔紧。键的窄面为工作面，工作时，靠工作面上的挤压力和键与毂间的摩擦力来传递转矩，能传递较大的转矩。用一个切向键时，只能传递单向转矩；当要传递双向的转矩时，必须用两个切向键，两者间的夹角为120°～130°。由于键槽对轴的强度削弱较大，所以切向键一般用于重型机械中直径大于100mm的轴上。9.1.2平键联接的选择计算

在设计使用中若单个键的强度不够，可采用双键按180°对称布置。考虑载荷分布不均匀性，在强度校核中应按1.5个键进行计算。9.1.3花键联接花键齿的侧面为工作面，工作时