西建大机械设计基础课件10联接

第10章连接§10－1螺纹参数§10－2螺旋副的受力分析、效率和自锁§10－3机械制造常用螺纹§10－4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件§10－5螺纹联接的预紧和防松§10－6螺纹联接的强度计算§10－7螺栓的材料和许用应力§10－8提高螺栓联接强度的措施§10－9螺旋传动§10－10滚动螺旋简介§10－11键联接和花键联接§10－12销联接螺旋线----一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺纹----一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹一、螺纹的形成§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类1、螺纹的牙型：2、螺纹的旋向：3、螺纹的线数（头数）：4、母体形状：6、按回转体的内外表面分：三角形、梯形、锯齿形；左旋、右旋；圆柱螺纹、圆锥螺纹；内螺纹、外螺纹；5、按作用：联接螺纹、传动螺纹；§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类1、螺纹的牙型：三角形、梯形、锯齿形；矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类2、按螺纹的旋向分左旋右旋§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类3、按螺纹的线数（头数）分§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类4、按母体形状分圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类5、按作用分联接螺纹传动螺纹§10-1

螺纹参数二、螺纹的分类6、按回转体的内外表面分§10-1

螺纹参数(3)中径d2d1d2d(1)大径d(2)小径d1(4)螺距P(5)导程S(6)升角λS=nP三、螺纹的主要几何参数SPP/2P/2πd2Sλλtgλ=πd2nP

§10-1

螺纹参数三、螺纹的主要几何参数α(3)中径d2(1)大径d(2)小径d1(4)螺距P(5)导程S(6)升角λ(7)牙型角

αM24×2？？？§10-1

螺纹参数§10-2

螺旋副的受力分析、效率和自锁一、矩形螺纹展开中径d2

圆柱面得一斜面.螺旋副在轴向载荷Ft作用下相对运动，可看作在中径的水平力Ft推动滑块(重物)沿螺纹运动l+jr2TFRFtABFQFtFQFtd2vFtπd2SFQ一、矩形螺纹λ螺纹的拧松----螺母在Ft和FQ的联合作用下，顺着FQ等速向下运动。螺纹的拧紧----螺母在Ft和FQ的联合作用下，逆着FQ等速向上运动。展开中径d2

圆柱面得一斜面.螺旋副在轴向载荷Ft作用下相对运动，可看作在中径的水平力Ft推动滑块(重物)沿螺纹运动vFt§10-2

螺旋副的受力分析、效率和自锁vFtπd2SFQρ

FnFRF’一、矩形螺纹λ螺纹的拧紧(滑块上升)时：λ+ρ

FQFtFRλ+ρ得：Ft=FQtg(λ+ρ

)

作力多边形

机械效率§10-2

螺旋副的受力分析、效率和自锁一、矩形螺纹螺纹的拧松(滑块下降)时：得：Ft=FQtg(λ-ρ

)

作力多边形λFtFQλ-ρ

λρ

FRvFRFQFnF’λ-ρFt

螺纹的拧紧(滑块上升)时：得：Ft=FQtg(λ+ρ

)

作力多边形

机械效率§10-2

螺旋副的受力分析、效率和自锁?一、矩形螺纹螺纹的拧松(滑块下降)时：Ft=FQtg(λ-ρ

)λFtFQρ

FRvFnF’d2Fad2FQTFtFtT若λ≤ρ，则Ft为负值当ψ≤ρ时，若没有力矩T，螺母在FQ的作用下会运动吗？不会！--这种现象称为自锁。FtFt，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母。动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩!§10-2

螺旋副的受力分析、效率和自锁二、非矩形螺纹Ft=FQtg(λ+ρv

)三角螺纹摩擦大，效率低，自锁性好，应用于联接的螺旋矩形螺纹效率高，应用于传递运动和动力的螺旋gg-g90°90°-gAB§10-2

螺旋副的受力分析、效率和自锁§10-3

机械制造常用螺纹一、三角形螺纹普通螺纹α=60˚普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。60˚Pd粗牙螺纹应用最广细牙螺纹缺点应用升角小、小径大、自锁性好、强度高优点不耐磨易滑扣薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构表10-1直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸mm30.52.6752.459公称直径（大径）粗牙细牙

Dd螺距P中径D2d2小径D2d2螺距P40.73.5453.24250.83.5454.1340.350.5615.3504.91881.257.1886.647101.59.0268.3761.25,10.75121.7510.86310.1061.5,1.250.5(14)212.70111.8351.5,116214.70113.835(18)2.516.37615.294202.518.37617.294(20)2.520.37619.29424322.05220.752(27)325.05223.752303.527.72726.2112,1.5,1注：括号内的公称直径为第二系列H=0.866Pd2=d-0.6495Pd1=d-1.0825PD1、d1----内、外螺纹小径D2、d2----内、外螺纹中径D、d

----内、外螺纹大径P----螺距

标记示例：M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3)M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5)PP/8P/8P/8H/4DdD2d2D1d1P/2P/430˚60˚90˚中南大学专用作者：潘存云教授表10-2细牙普通螺纹基本尺寸mm螺距P中径D2、d2

小径D1、d10.35d-1+0.773d-1+0.6210.5d-1+0.675d-1+0.4590.75d-1+0.513d-1+0.188

1d-1+0.35d-2+0.9181.25d-1+0.188d-2+0.6471.5d-1+0.026d-2+0.3762d-2+0.701d-3+0.8353d-2+0.052d-4+0.752中南大学专用作者：潘存云教授§10-3

机械制造常用螺纹用螺纹密封的管螺纹普通细牙螺纹二、管螺纹非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁α=55˚）用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α=55˚）60˚圆锥管螺纹公称直径----管子的公称通径。55˚55˚非螺纹密封的管螺纹dd2d1Pdd2d1Pφ2φ§10-3

机械制造常用螺纹三、梯形螺纹：梯形锯齿形30º3º30º四、锯齿形螺纹:常用于传动。β=15ºβ=3º梯形螺纹的基本尺寸见P136表10-3设计：潘存云表10-3梯形螺纹基本尺寸mm标记示例：Tr48X8(梯形螺纹，直径48，螺距8)Ph3=H4ac

第1系列第2系列D2d2D1

螺距螺纹牙高牙顶间隙公称直径d中径内螺纹小径

126.50.590、10085、95d-6d-12105.50.540、70、8038、42、65d-5d-1086.50.548、5246、50d-4d-842.250.2516、2018d-2d-452.750.2524、2822、26d-2.5d-562.250.532、3630、34d-3d-6内螺纹外螺纹dPR1R2D1D4H1D2d2d3acac30˚

H4R2中南大学专用作者：潘存云教授§10-4

螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件一、螺纹联接的基本类型

除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。说明二、螺纹联接件说明螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。弹簧垫圈斜垫圈地脚螺栓环首螺钉T型螺钉§10-4

螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件§10-5

螺纹联接的预紧和防松一、预紧的目的1.提高联接的紧密性2.防止联接松动3.提高联接件强度§10-5

螺纹联接的预紧和防松二、控制预紧力的方法1.控制应力或应变3.控制拧紧力臂2.控制拧紧力矩§10-5

螺纹联接的预紧和防松三、拧紧力矩与预紧力的关系拧紧力矩T1——螺旋副相对转动的阻力矩T2——螺母支撑面的阻力矩代入整理：Fa——预紧力d2≈0.9d——螺纹中径fc≈0.15——摩擦系数rf——支撑面摩擦半径小直径螺栓用较小力矩；重要螺栓，不控制预紧力时，不宜采取M12以下的螺栓。螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松等。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。四、螺纹连接的防松§10-5

螺纹联接的预紧和防松1.支承面应平整2.扳手空间详见五、螺纹连接设计注意事项§10-5

螺纹联接的预紧和防松一、松螺栓联接强度计算详细推导二、紧螺栓联接强度计算1．受横向载荷的紧螺栓联接3．受轴向载荷的紧螺栓联接2．铰制孔用螺栓联接§10-6

螺纹连接的强度计算1．受横向载荷的紧螺栓联接FaFa载荷靠被联接件之间的摩擦来传递摩擦靠螺栓的预紧力来产生所以，为了防止被联接件之间发生相对滑动，接合面之间的最大摩擦力必须大于外载荷F即：§10-6

螺纹连接的强度计算FaFaFF/2F/2预紧力引起的拉应力：螺牙间的摩擦力矩引起的扭转剪应力：强度条件：根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:FaFa1．受横向载荷的紧螺栓联接§10-6

螺纹连接的强度计算1．受横向载荷的紧螺栓联接§10-6

螺纹连接的强度计算为增加可靠性，减小直径，简化结构，提高承载能力，可采用如下减载装置：a)减载销

b)减载套筒c)减载键这种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在联接结合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d0－螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；

Lmin－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时

应使Lmin≥1.25d02．铰制孔用螺栓联接§10-6

螺纹连接的强度计算螺栓预紧力FQ0后，在工作拉力FQ

的作用下，螺栓的总拉力FQΣ=?式中FQr为残余预紧力详细分析3．受轴向载荷的紧螺栓联接为保证联接的紧密性，应使残余预紧力FQr对于有紧密性要求的联接：

FQr=(1.5～1.8)FQ一般联接，若无载荷变化，

FQr=(0.2～0.6)FQ

，工作载荷不稳定，

FQr=(0.6～1.0)FQ

；对于地脚螺栓FQr

>FQ

§10-6

螺纹连接的强度计算式中FQr为残余预紧力3．受轴向载荷的紧螺栓联接对于有紧密性要求的联接：

FQr=(1.5～1.8)FQ一般联接，若无载荷变化，

FQr=(0.2～0.6)FQ

，工作载荷不稳定，

FQr=(0.6～1.0)FQ

；对于地脚螺栓FQr

>FQ

强度条件：§10-6

螺纹连接的强度计算§10－7螺栓的材料和许用应力国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺纹联接件的性能等级和材料常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。性能等级§10－7螺栓的材料和许用应力例10-4

一钢制液压油缸，油压p=1.6MPa，油缸内径D=160mm，试计算此油缸的螺柱联接和螺柱分布圆直径D0。油压p解:（1）初选螺栓个数（2）每个螺栓的工作载荷（3）螺栓联接有紧密性要求，取残余预紧力（4）螺栓总拉力（5）确定螺栓直径选取螺栓材料性能等级为4.8级，查表10-5得屈服极限，，当不能严格控制预紧力时，暂时取安全系数螺栓许用应力§10－7螺栓的材料和许用应力。油压p螺栓小径查教材表10-1，取螺栓M16（）由教材表10-7可知取安全系数S=3是正确的。（6）确定螺栓分布圆直径D0由图可得：取（7）验证螺柱间距所选螺栓的个数和螺栓的直径均合适。§10－8

提高螺栓联接强度的措施影响联接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅度、机械性能，而螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。

一、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围

1、减小螺栓刚度

适当增加螺栓的长度、减小螺栓杆直径或做成中空的结构——柔性螺栓。柔性螺栓受力时变形大，吸收能量作用强，也适于承受冲击和振动。在螺母下面安装弹性元件，当工作载荷由被联接件传来时，由于弹性元件的较大变形，也能起到柔性螺栓的效果。2、增大被联接件刚度为了增大被联接件的刚度，不宜采用刚度小的垫片。金属薄垫片或采用O型密封圈作为密封元件，可保持原刚度。二、改善螺纹牙间载荷分布不均状况工作中螺栓牙抗拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如图所示。所以采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高联接的强度。

办法Q降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾悬置螺母环槽螺母§10－8

提高螺栓联接强度的措施三、减小应力集中的影响1）加大过渡处圆角2）改用退刀槽3）卸载槽4）卸载过渡结构加大过渡处圆角卸载槽§10－8

提高螺栓联接强度的措施四、避免或减小附加应力

a）被联接件支承面不平突起

b）表面与孔不垂直

c）钩头螺栓联接引起附加应力的原因支承面不平

被连接件变形太大避免或减小附加应力切削支撑面§10－8

提高螺栓联接强度的措施五、采用合理的制造工艺1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度提高30~40%2）冷作硬化，表层有残余应力（压）、氰化、氮化、喷丸等可提高疲劳强度3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度提高70~100%，此法具有优质、高产、低消耗功能4）控制单个螺距误差和螺距累积误差§10－8

提高螺栓联接强度的措施螺旋传动按其螺旋副摩擦性质的不同，又可分为：滑动螺旋说明螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型:螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。

螺旋传动常见的运动形式有：螺杆转动螺母移动、螺杆固定螺母转动并移动、螺母固定螺杆转动并移动、螺母转动螺杆移动。传力螺旋传导螺旋调整螺旋滚动螺旋静压螺旋§10－9

螺旋传动§10－9

螺旋传动对螺旋传动的要求:Q257、45、50钢，或T12、40Cr、65MnZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5、ZCuAl10Fe3.通常先由耐磨性条件，计算螺杆直径和螺母高度；再参照标准确定螺旋各主要参数；而后对可能发生的其他失效一一校核。强度足够,耐磨,摩擦系数小螺杆材料:螺母材料:磨损失效形式:设计程序：§10－9

螺旋传动一、耐磨性计算校核公式：影响磨损的原因很多，目前还没有完善的计算方法，通常是限制螺纹接触处的压强。p=≤[p]MPa

πd2

hzFaFa为轴向力；z为参加接触的螺纹圈数；d2为螺纹中径；h为螺纹的工作高度；[p]为许用压强。速度v<12m/min4~77~1010~13低速，如人力驱动等10~1815~25-----表10-8螺旋副的许用压强许用压强配对材料钢对铸铁钢对青铜淬火钢对青铜§10－9

螺旋传动一、耐磨性计算p=≤[p]MPa

πd2

hzFa令φ=H/d2,H为螺母高度又∵z=H/P,h=0.5P-----梯形螺纹的工作高度

h=0.75P-----锯齿形螺纹的工作高度。代入上式得螺纹中径的计算公式：锯齿形螺纹：梯形螺纹:φ[p]Fad2

≥0.8mmφ[p]Fad2

≥0.65mm§10－9

螺旋传动一、耐磨性计算锯齿形螺纹：梯形螺纹:φ[p]Fad2

≥0.8mmφ[p]Fad2

≥0.65mmφ=1.2~2.5整体式螺母2.5~3.5剖分式螺母一般取：z≤10求得螺纹中径后，应按标准选取相应的公称直径d和螺距P§10－9

螺旋传动二、螺杆强度校核螺杆在轴向力和扭矩的作用下，产生拉或压应力及扭切应力。强度校核条件：[σ]为螺杆的许用应力，d1为螺纹小径；对碳素钢,[σ]=50~80MPa§10－9

螺旋传动三、螺杆的稳定性校核细长螺杆受较大轴向压力时，可能失稳，其临界载荷Fc与材料、螺杆长细比λ=μl/i有关。i螺杆危险截面的惯性半径若危险截面面积A=πd12/4则i=I/A=d1/4I---为危险截面惯性距:I=πd14/64l为螺杆的最大工作长度；Μ为长度系数，μ=2

----一端固定，一端自由；1

----两端铰支；0.75

----一端固定，一端铰支；§10－9

螺旋传动三、螺杆的稳定性校核细长螺杆受较大轴向压力时，可能失稳，其临界载荷Fc与材料、螺杆长细比λ=μl/i有关。（1）当λ≥100时：临界载荷为：Fc=N(μl

)2π2EIE为螺杆的弹性模量,对于钢E=2.06×105

MPa（2）当40<λ<100时：Fc=(304-1.12)

λN4πd12对σB≥370Mpa的碳素钢，取:Fc=(461-2.57)

λN4πd12对σB≥470Mpa的优质碳素钢（如35、40号钢），取:§10－9

螺旋传动三、螺杆的稳定性校核细长螺杆受较大轴向压力时，可能失稳，其临界载荷Fc与材料、螺杆长细比λ=μl/i有关。（3）当λ<40时，不必进行稳定性校核。稳定性校核的条件：Fa

≤SFcS为稳定性校核的安全系数，取：S=2.5~4当不满足条件时，应增大螺纹小径d1。§10－9

螺旋传动四、螺纹牙强度的校核防止沿螺母螺纹牙根部剪断的校核公式为：τ=≤[τ]MPaπDbzFab为螺纹牙根部的宽度，b=若对螺杆螺纹牙根部进行校核时，有：τ=≤[τ]MPaπd1

bzFa0.65P-----梯形螺纹;0.74P-----锯齿形螺纹。40MPa-----铸铁螺母;[τ]=30~40MPa-----青铜螺母。键联接用于轴上零件的周向定位。平键联接加工方法A型平键B型平键C型平键导向平键半圆键联接楔键联接分类普通平键

平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。§10－11键联接和花键联接1.键联接

轴

键

槽公称直径dbh轴t毂t1自6-8221.21>8-10331.81.4>10-12442.51.8>12-17553.02.3>17-22663.52.8>22-30874.03.3>30-381085.03.3>38-441285.03.3>44-501495.53.8>50-5816106.04.3>58-6518117.04.4>65-7520127.54.9>75-8522149.05.4A型:b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键18×100GB1096-79bhbt1dd+t1bt普通平键标记示例：B型:b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键B18×100GB1096-79C型:b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键C18×100GB1096-79§10－11键联接和花键联接§10－11键联接和花键联接平键联接的强度校核bA型d键的材料：σB≥370Mpa的碳素钢，常用45钢。键的截面尺寸查表选取，长度L参照轮毂长度设计。键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。Lbh/2挤压强度条件：σp=SFt(d/2)(h/2)lT=≤[σp

]MPa

dhl4T=l=L-bl=LbB型ld§10－11键联接和花键联接平键联接的强度校核键的材料：σB≥370Mpa的碳素钢，常用45钢。键的截面尺寸查表选取，长度L参照轮毂长度设计。键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。挤压强度条件：σp

≤[σp

]MPa

dhl4T=≤[p

]dhl4Tp=对于导向平键联接，计算依据是磨损，应限制压强：§10－11键联接和花键联接平键联接的强度校核钢

125~150100~12060~90铸铁

70~8050~6030~45表10-10键联接的许用压强许用值轮毂材料静载荷轻微冲击冲击载荷性质钢

504030[p

][σp

]若强度不时，可采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。平键联接半圆键联接半圆键楔键联接

键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。§10－11键联接和花键联接键联接用于轴上零件的周向定