机械设计基础-第12章连接及连接件

第12章

连接及连接件TheoryofMachinesandMechanisms机械设计基础第12章连接及连接件本章主要教学内容

螺纹连接的基本知识

螺纹副的摩擦、效率和自锁

螺纹连接件

螺栓连接的设计计算螺栓组连接的结构设计键连接和花键连接销连接本章教学目的熟悉螺纹及螺纹连接的类型、结构、主要参数等基础知识熟悉螺纹连接的预紧和防松了解螺纹连接的材料及许用应力的选用掌握紧螺栓连接的强度计算理解提高螺纹连接强度的措施了解键连接和销连接的类型和应用1、螺纹的形成：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。12-1、螺纹连接的基本知识螺纹形成：平面图形沿螺旋线移动形成三角形、矩形、梯形、锯齿形、半圆形螺纹旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋问题：旋向判断？螺旋线的数目(线数):单线、多线螺纹旋向判断：旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋旋向判断:(1)轴线垂直放，右边高—右旋左边高—左旋(2)右手旋，前进—右旋左手旋，前进—左旋2、螺纹的主要参数1）外径d——螺纹的最大直径，在标准中定为公称直径；2）内径d1——螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径；3）中径d2——近似等于螺纹的平均直径；4）螺距P——相邻两牙中径线上对应轴线间的距离;5）导程Ph——同一条螺旋线相邻两牙的轴向距离；单线：Ph=P双线：Ph=2P多线：Ph=nPn——线数；右旋6）螺纹升角

：螺旋线与水平线夹角；7）牙型角

牙侧角

8）牙的工作高度h：内外螺纹旋合后的接触面的径向高度左旋右旋当螺杆和螺母之间受到轴向力Q时，拧动螺杆或螺母，螺旋面间将产生摩擦力

矩形螺纹：螺旋副（螺母与螺杆）的相对运动滑块沿斜面运动假设：1)载荷分布在中线上;2)单面产生摩擦力螺旋升角Qd2dd1yS=zpv12rR21nnFQy12-2螺旋副的受力分析、效率和自锁斜面摩擦分析使滑块等速运动所需要的水平力等速上升：平衡条件：驱动力：等速下滑：平衡条件：维持力：自锁条件：当y

r时，F’

0，原工作阻力F’反向作用，作为驱动力时，滑块才能移动结论：当yr

时，滑块自锁yyFQR21y+r

v12QFN21F21v12F’Qy–rR21’R21’QF’N21’F21’rR21r效率计算:输入功有效功效

率:S=zpv12rR21FQy过大的螺旋升角制造困难，而且当角度大于25°后效率相差不大了。一般取不大于20°---25°。斜面摩擦PFFnPFFn

非矩形螺纹的受力分析驱动螺母所需要的转矩:如采用三角形螺纹，则与矩形螺纹相比，三角形螺纹的摩擦力将增加1/cosβ倍，因此，三角形螺纹更不容易松脱。三角形螺纹适合连接，而矩形螺纹适合传动。12-3螺纹连接件圆锥外螺纹内螺纹圆柱管连接母体螺纹种类螺纹断面形状外形图特点及用途牙型为等边三角形，牙型角为60°，内外螺纹旋合后有径向间隙，是最常用的联接螺纹。粗牙M8细牙M8×1连接用螺纹普通螺纹细牙螺纹螺距小，升角小，容易自锁，强度高；但牙细，不耐磨。用于薄壁、冲击、变载荷连接。螺纹种类螺纹断面形状外形图特点及用途管螺纹55°非密封管螺纹(G)牙型等腰三角形，牙型角为55

，牙顶呈圆弧形。其公称直径近似为管子的孔径，以英寸为单位。旋合螺纹之间没有径向间隙，紧密性好。如果要求连接具有密封性时，需添加密封物。55°密封管螺纹（R）牙型等腰三角形，牙型角为55

，牙顶呈圆弧形。螺纹分布在1:16的圆锥管壁上。内外螺纹配合时没有间隙，不用填料也可以保证不渗漏，拧紧时可消除制造误差或磨损所产生的间隙。连接用螺纹螺纹种类螺纹断面形状外形图特点及用途矩形螺纹牙型为正方形，牙型角为0°，传动效率较高，但牙根强度弱，传动精度较低。矩形螺纹尚未标准化，逐渐被梯形螺纹代替。梯形螺纹Tr10×2牙型为等腰梯形，牙型角为30°，与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度较高，对中性好。常用于各种机床的丝杠，是最常用的传动用螺纹。锯齿形螺纹牙型为不等腰梯形，工作边牙侧角为3°，非工作边牙侧角为30°，内外旋合后，大径处无间隙，便于对中。这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高，梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的传动中。传动用螺纹标准螺纹连接件主要类型1标准螺纹连接件螺栓普通螺栓铰制孔螺栓双头螺栓螺钉连接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈螺纹连接件通过组合形成螺纹连接螺纹连接具有自锁能力，单线三角螺纹，螺纹升角1.5°-5°螺栓普通螺栓铰制孔螺栓螺钉、紧定螺钉末端结构头部结构螺母六角螺母六角扁螺母六角厚螺母圆螺母垫圈平垫圈薄平垫圈A型平垫圈B型平垫圈斜垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。2螺纹连接的基本类型螺栓连接普通螺栓连接铰制孔螺栓连接双头螺栓连接螺钉连接螺钉连接紧定螺钉、自攻螺钉连接其它连接：地脚螺栓、吊环螺钉螺纹连接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择螺栓连接

普通螺栓连接特点：孔与杆间有间隙、被连接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合

铰制孔螺栓连接特点：孔与杆间无间隙、被连接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合双头螺栓、螺钉连接

双头螺栓连接特点：孔与杆间有间隙、被连接薄件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：用于被连接件之一较厚、经常装拆的场合

螺钉连接特点：直接拧入螺纹孔，不用螺母、装拆方便适用场合：被连接件之一较厚，且不常装拆的场合紧定螺钉连接适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力锥端螺钉连接平端螺钉连接圆柱端螺钉连接Ⅰ0.2d2.5:1dⅠ0.4d0.25dⅡ

Ⅱ2.5:1

柱端紧定螺钉利用端部小圆柱插入机件上的小孔或环槽起定位、固定作用。

紧定螺钉分锥端、柱端、平端三种。

锥端紧定螺钉靠端部锥面顶入机件上的小锥坑起定位、固定作用。

平端紧定螺钉靠其端平面与击机件的摩擦力起定位作用。其他连接地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T形槽螺栓连接碳钢螺栓合金钢螺栓压缩拉伸TdwF0F0d0dT1T2通常规定：对于一般连接用的钢制螺栓连接的预紧力F0拧紧阻力矩

T的大小：F：施加在扳手上的力简化公式：螺旋副间的摩擦阻力矩T1

：螺母与支承面间摩擦阻力矩T2

：

螺纹连接的预紧和防松控制预紧力的方法很多，有以下几种方法：1、根据经验、伸长、圈数来判断拧紧力的大小；2、用测力矩扳手、定力矩扳手；测力矩扳手定力矩扳手将螺栓视为弹性体，受力和变形的伸长量成线性关系，螺栓的刚度系数远低于被联接件材料的刚度系数。在使用上，绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧；预紧的目的在于增强联接的可靠性和紧密性。

500N400N600N500N500N600N问题：为什么要防松？防松的原理？防松零件的装配方法？静载荷：ψ<rv(自锁)+预紧后摩擦力→防止松动动载荷：摩擦力减小、消失→不可靠螺纹连接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动螺纹连接防松的方法按工作原理可分为:1摩擦防松2机械防松3其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）1摩擦防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩弹簧垫圈防松、自锁螺母防松、对顶螺母(双螺母)防松双螺母防松使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩对顶螺母防松2机械防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性。开口销、止动垫圈、串联钢丝防松螺栓开槽螺母开口销装配图止动垫圈防松用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性串联钢丝防松3其它：破坏螺纹副关系焊接铆冲松螺栓连接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓连接：有预紧力，还有工作拉力1失效形式2设计步骤3松螺栓连接强度设计4紧螺栓连接强度设计受横向载荷的紧螺栓连接受轴向载荷的紧螺栓连接受偏心载荷的紧螺栓连接螺栓组连接12-4螺纹连接的设计计算1失效形式失效形式：

1.螺栓杆拉断（普通螺栓）

2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）

3.经常装拆因磨损而发生滑扣普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切2设计步骤一般设计步骤：→螺栓组受力和失效分析→找出受力最大的螺栓→

单个螺栓受力分析和失效分析→单个螺栓强度计算→确定螺栓的尺寸（直径、长度）3松螺栓连接强度设计受载荷形式——轴向拉伸(工作拉力F)失效形式——螺栓拉断(静、疲劳)设计准则——保证螺栓拉伸强度强度条件：

s≤[s]设计计算方法：校核式:设计式:F4紧螺栓连接强度设计仅承受预紧力的紧螺栓连接：紧螺栓联接装配时，螺母需要拧紧，在拧紧力矩作用下，螺栓除受预紧力F0的拉伸而产生拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩T1的扭转而产生扭转剪应力，使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。螺栓危险截面的拉伸应力为：F0螺栓危险截面的扭转剪应力为：根据第四强度理论，求出螺栓预紧状态下的计算应力为：对于M10～M64普通螺纹的钢制螺栓，取故螺栓螺纹部分的强度条件为：受载荷形式—工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力F0作用（拧紧过程中:轴向拉伸F0

、扭力T）

工作时：再承受横向载荷F两种情况的工作原理不同！普通螺栓铰制孔螺栓(1)受横向载荷的紧螺栓连接失效形式—相同否？受横向载荷的普通螺栓连接问题：预紧力F0应满足的条件?与横向载荷F有何关系？依据：被连接件不滑移——界面摩擦力≥F即：讨论：f=0.15时，F0=?FF0为预紧力Ks为可靠性系数，取1.1-1.3m为结合面数目f为结合面摩擦系数，f=0.1-0.15讨论：普通螺栓受横向载荷F时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F。预紧力F0的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定f=0.15时，FS=8F结论：横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒使用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算受横向载荷的铰制孔用螺栓连接受载荷形式—拧紧过程中:轴向拉伸F0、扭力T(预紧力小，计算时可忽略)

工作时：再承受横向载荷F失效形式—侧面压溃及螺栓剪切设计准则—保证挤压、剪切强度强度条件：σp≤[σp]、τ≤[τ]设计计算方法：挤压强度：剪切强度：此时，螺栓所受的总拉力:F2=F0+F?(2)受轴向载荷的紧螺栓连接受载荷形式—拧紧过程中:

轴向拉伸F0

、扭力T工作时，再承受工作载荷FTFFFFF0F0×须根据静力平衡方程和变形协调条件求解PDD1受力和变形关系变形协调条件:

l1=

lb=

l预紧F0受工作载荷F螺栓被连接件拉力F0，伸长lb压力F0，压缩lm拉力F2,伸长lb+

l压力F1,压缩lm-

l未预紧未受力、无变形未受力、无变形受力变形线图应变与力关系:F1：残余预紧力防止受载后接合面产生缝隙根据紧密性要求选取形变

力F

b

m

F1FF2F0被连接件螺栓

m压力F1,压缩lm-

l预紧F0受工作载荷F螺栓被连接件拉力F0，伸长lb压力F0，压缩lm拉力F2,伸长lb+

l未预紧未受力、无变形未受力、无变形螺栓预紧力F0、残余预紧力F1和总拉力F2的关系：螺栓预紧力：螺栓总拉力：★★求总拉力F2的二种情况：(1)由F2＝F1+F

求：当有刚性或紧密性要求时不产生缝隙至少F1>0推荐：当工作载荷F没有变化时，可取残余预紧力F1=（0.2～0.6）F当工作载荷F有变化时，残余预紧力F1=（0.6～1.0）F对于有紧密性要求的连接（如压力容器的螺栓连接），F1=（1.5～1.8）F(2)根据受轴向载荷螺栓强度计算螺栓受到的总拉力F2=F+F1则螺栓强度计算公式：校核式:设计式:

(3)受偏心载荷的紧螺栓连接

螺栓受到的总拉力除工作时总拉力外，还附加偏心弯矩作用，螺栓总拉应力大很多。应避免受偏心载荷方法：避免使用钩头螺栓；加工凸台或凹台使支撑面平整球面垫圈斜面处理材料：一般用途：低碳钢或中碳钢

(35~45及Q235~Q275)重要连接：合金钢（40Cr、30CrMnTi）许用应力：计算螺栓小径时采用试算法来选用螺栓材料和许用应力提高螺纹连接件疲劳强度的有效方法：（1）降低影响螺栓强度的应力幅

（2）改善螺纹牙上载荷分布不均的现象

（3）减小应力集中的影响

（4）采用合理的制造工艺方法影响螺栓强度的主要因素有：（1）螺纹牙的载荷分配；（2）应力变化幅度；（3）应力集中；提高螺栓联接强度的措施减小螺栓刚度（一）降低影响螺栓强度的应力幅减小螺栓刚度或增加被连接件的刚度减小螺栓刚度（1）适当增加螺栓的长度；（2）采用腰状杆螺栓；（3）采用空心螺栓；（4）在螺母下面安装上弹性元件。增加被连接件的刚度

不用垫片或采用刚度较大的垫片。采用多种方法在保证残余预紧力和工作载荷F不变的情况下，同时采用降低螺栓刚度、增大被连接件刚度、加大预紧力，以保证残余预紧力。（二）改善螺纹牙上载荷分布不均的现象各圈的螺纹牙上的受力也是不同的；实验证明，约有1/3的载荷集中在第一圈上，第八圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷。因此采用螺纹上圈数过多的加厚螺母，并不能提高连接的强度。

改善螺纹牙上载荷分布不均的方法（1）采用悬置螺母（2）环槽螺母（3）内斜螺母（4）环槽/内斜螺母

（5）采用钢丝螺套(三)减小应力集中的影响减小应力集中的一般方法：（1）较大的圆角；（2）卸载结构；（3）卸载过渡结构（4）螺纹收尾改为退刀槽减小附加弯曲应力为了减小附加弯曲应力，可采用的方法：（1）规定螺母、螺栓头部和被连接件的支承面的加工要求；（2）螺纹的精度等级；（3）装配的精度等级；（4）采用球面垫圈；（5）采用带有腰环或细长的螺栓。（四）采用合理的制造工艺方法采用冷镦螺栓头部和滚压螺纹的工艺方法，可以显著提高螺栓的疲劳强度；冷镦与滚压加工螺栓中的金属流线工艺上采用氮化、氰化、喷丸等处理。目的：键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩（静连接），或实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动连接）。它是标准件。分类：键连接松连接紧连接—楔键—（静连接，单向轴向固定）平键半圆键—（静连接）普通平键—（静连接）导向平键—（动连接）花键一、键连接的分类及结构二、键的强度校核三、花键连接12-6键连接和花键连接（1）平键连接

平键分类普通平键Ａ(圆头)型：立铣刀，键定位好，轴应力集中大Ｂ(方头)型：盘铣刀，轴向键无定位，应力集中小Ｃ(单圆头)型：立铣刀加工，用于轴端一、键连接的分类及结构（1）平键连接结构:键两侧与键槽相配合(静连接为过渡配合,动连接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩失效形式:普通平键（静连接）：工作面挤溃，键剪断导向平键（动连接）：工作面磨损特点：结构简单，装拆方便，对中性好，承载能力大，应用广泛成对使用:承载能力不够时采用,按180°布置两个键。一对平键按1.5个键计算普通平键分为A、B和C型，三种普通平键的标记方法类似键型式b×LGB/T1096—2003其中：A型不标型式，b为键宽，L为键的长度如图示A型普通平键：键

8×25GB/T1096—2003导向平键导向平键用螺钉固定在轴上，键的长度比轮毂长度长，可以适应轴上零件沿着键作轴向移动(2)半圆键连接工作原理:两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩构造与加工:键:

用圆钢切制或冲压后磨削键槽:

盘状铣刀加工失效形式:

键剪断,工作面压溃特点:

便于安装,对中好,用于锥形轴端,自动适应键槽的斜度，但对轴削弱大成对使用:

承载能力不够时用,沿同一母线布置（3）楔键连接结构:键侧与键槽有间隙,上下面楔紧工作原理:上下面为工作面，靠摩擦力传递转矩方头楔键、钩头楔键、圆头楔键失效形式:工作面压溃优点:简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定缺点：楔紧产生偏心,对中性差,不适于高速及对中要求高的场合二、键的强度校核1键的选择键是标准零件：材料多采用碳素钢键的类型选择—根据使用要求和工作条件:

转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性键的尺寸选择（同时确定配合类型）:工作要求→键的种类→按轴径d选键的b、h→选键长L(标准;短于轮毂宽度)普通平键和键槽的尺寸（摘自GB/T1095-2003、GB/T1096-2003