专升本机械设计基础第10章螺纹连接

1、第第10章章 连接连接 1 10 01 1 螺纹螺纹连接连接 1 10 02 2 轴毂连接轴毂连接 1 10 03 3 轴间连接轴间连接 1 10 04 4 弹性连接弹性连接 1 10 05 5 其它常用连接其它常用连接 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 连接的分类连接的分类 动连接：动连接： 静连接：静连接： 机器工作时，零部件之间可以有相对机器工作时，零部件之间可以有相对 运动。例如：机械原理中，各种运动运动。例如：机械原理中，各种运动 副之间的连接。副之间的连接。 在机器工作中，不允许零部件之间存在机器工作中，不允许零部件之间存 在相对运动的连接。在相对运动的连接。 静连接静连接 可拆连

2、接：不须毁坏连接中的任何一个零件就可拆可拆连接：不须毁坏连接中的任何一个零件就可拆 开的连接。例如：螺纹联接、键连接。开的连接。例如：螺纹联接、键连接。 不可拆连接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开不可拆连接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开 的的 连接。例如：铆接、焊接等。连接。例如：铆接、焊接等。 过盈连过盈连 接接 连接连接 一、一、 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 e a a l1 1 l1 1 可承受横向载荷。 螺纹余留长度螺纹余留长度l1 铰制孔螺栓铰制孔螺栓 孔与螺杆之孔与螺杆之 间留有间隙间留有间隙 静载荷静载荷l1=(0.30.5)

3、d; 变载荷变载荷l1=0.75d; 冲击载荷或弯曲载荷冲击载荷或弯曲载荷l1 d; 铰制孔用螺栓铰制孔用螺栓l1 0; 螺纹伸出长度螺纹伸出长度a=(0.20.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(36) mm 用于经常拆装易磨损之处。 d d 1 10 01 螺螺 纹纹 连连 接接 一、一、 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 螺钉联接螺钉联接 座端拧入深度座端拧入深度H，当螺孔材料为：，当螺孔材料为： a e e e e 双头螺柱联接双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。 钢或青铜钢或青铜 H=d; 铸铁铸铁 H=(1.25

4、1.5)d 铝合金铝合金 H=(1.52.5)d 螺纹孔深度螺纹孔深度 H1=H+(22.5)P; 钻孔深度钻孔深度 H2=H1+(0.51)d; 参数参数l1 、e、a与螺栓相同与螺栓相同 l1 1l1 1 H HH H H H1 1H H1 1 H H2 2H H2 2 结构简单，省了螺母，不宜经常拆装， 以免损坏螺孔而修复困难。 d 一、一、 螺纹联接的基本类型螺纹联接的基本类型 螺栓联接螺栓联接 基基 本本 类类 型型 螺钉联接螺钉联接 双头螺柱联接双头螺柱联接 紧定螺钉联接紧定螺钉联接 紧定螺钉紧定螺钉 二、标准二、标准螺纹联接件螺纹联接件 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 螺

5、栓的结构形式螺栓的结构形式 L L0 d 六角头六角头 L d L0 小六角头小六角头 d L0 L1 L L1 -座端长度座端长度 L0 -螺母端长度螺母端长度 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 末端末端 结构结构 头部头部 结构结构 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 地脚螺栓地脚螺栓 起吊螺钉起吊螺钉 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹联接专用螺纹联接 T 型螺栓型螺栓 六角螺母六角螺母六角扁螺母六角扁螺母六角厚螺母六角厚螺母圆螺母圆螺母 螺螺 纹纹

6、紧紧 固固 件件用于经常拆装 易磨损之处。 用于尺寸受限制之处。 国标罗列有六十余种不同结构的螺母螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 专用螺纹联接专用螺纹联接 垫圈垫圈 平垫圈平垫圈 薄平垫圈薄平垫圈 A型平垫圈型平垫圈B型平垫圈型平垫圈 螺母螺母 螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉 双头螺柱双头螺柱 螺栓螺栓 螺螺 纹纹 紧紧 固固 件件 斜垫圈斜垫圈 弹簧垫圈弹簧垫圈 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 作用：作用：增加支撑面积以减增加支撑面积以减 小压强，避免拧紧螺母擦小压强，避免拧紧螺母擦 伤表面、防松。伤表面、防松。 专用螺纹联接专用螺纹联接 10.1.310

7、.1.3 螺纹联接的预紧和防松螺纹联接的预紧和防松 预紧力：预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之 在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加 作用力称为预紧力。作用力称为预紧力。 预紧的目的：预紧的目的：增强联接的可靠性和紧密性，以防止受增强联接的可靠性和紧密性，以防止受 载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。 预紧力的确定原则：预紧力的确定原则： 拧紧后螺纹联接件的预紧应力不拧紧后螺纹联接件的预紧应力不 得超过其材料的屈服极限得超过其材料的屈服极限s ss的

8、的80%。 1、预紧、预紧 碳素钢螺栓：碳素钢螺栓： Qp(0.6(0.60.7) s s A1 合金钢螺栓：合金钢螺栓： Qp (0.5(0.50.6) s s A1 A1 -危险截面积，危险截面积， A1 dd2 21 1/4/4 测力矩扳手测力矩扳手 预紧力控制方法预紧力控制方法: : 联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时，不会自动 松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有 可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也可能发生松脱现象 （如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相对转动。 F F 定力矩扳手定力矩扳手 通常螺纹联接

9、拧紧是凭工人的经验来决定的， 重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。 L LS S 1)1)凭手感经验；凭手感经验； 2 2) )力矩扳手；力矩扳手； 3 3) )测定伸长量。测定伸长量。 L LM M L LS S 联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温 度变化不大时，不会自动松脱。但在冲击、振动和变 载条件下，预紧力可能在某一瞬时消失，联接仍有可 能松动而失效。高温下的螺栓联接，由于温度变形差 异等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计 时必须考虑防松，即防止相对转动。 防松的方法：防松的方法： （1） 利用附加摩擦力防松利用附加摩擦力防松 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 弹簧垫圈弹

10、簧垫圈 对顶螺母对顶螺母 2、 螺纹连接的防松螺纹连接的防松 防松防松-防止螺旋副相对转动。防止螺旋副相对转动。 开口销与六开口销与六 角开槽螺母角开槽螺母 串联钢丝串联钢丝 （2） 采用专门防松元件防松采用专门防松元件防松 圆螺母用止动垫圈圆螺母用止动垫圈 止动垫圈止动垫圈 （3） 破坏螺纹副法破坏螺纹副法 11.5P 用冲头冲用冲头冲23点点 冲点防松法冲点防松法 粘合法防松粘合法防松 涂粘合剂涂粘合剂 10.1.4 螺栓强度计算螺栓强度计算 螺栓联接螺栓联接 的主要失的主要失 效形式：效形式： 受拉螺栓受拉螺栓 塑性变形塑性变形 螺纹部分 疲劳断裂疲劳断裂 受剪螺栓受剪螺栓 剪断剪断 压

11、溃压溃 螺杆和孔壁的贴合面 断裂断裂 -轴向变载荷轴向变载荷 1、普通螺栓的强度计算普通螺栓的强度计算 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度 原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分 都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主 要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称 直径d及螺距P等。 （1）松螺栓联接强度计算）松螺栓联接强度计算 强度条件：强度条件： 4/ 2 1 s d F a 式中式中: d1-螺纹小径螺纹小径 mm 许用应力许用应力 （2）紧螺栓联接强度计算）紧螺栓联接强度计算 力除以面积 设计公式：设计公式： 4 1 s a F d 装配时须要拧紧，在工作状 态

12、下可能还需要补充拧紧。 装配时不须要拧紧 1. 仅承受预紧力的紧螺栓强度仅承受预紧力的紧螺栓强度 2.受轴向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接 (承受横向载荷的紧螺栓联接承受横向载荷的紧螺栓联接) s3 . 1 （a） 仅承受预紧力的紧螺栓强度仅承受预紧力的紧螺栓强度 计算应力：计算应力： 22 3ss ca 22 )5 . 0( 3ss 4/ 3.1 2 1 s s d Fa ca强度条件：强度条件： 当承受横向工作载荷时，当承受横向工作载荷时， 预紧力预紧力F0 导致接合面所产生的摩擦力应大于导致接合面所产生的摩擦力应大于 横向载荷横向载荷F。 C-可靠性系数，常取可靠性系数，常取 C

13、=1.11.3 mf CF F 0 预紧力预紧力F0 ： f-摩擦系数，对钢与铸铁，取摩擦系数，对钢与铸铁，取: m-结合面数结合面数 上图m=1,下图m=2 F F F0 F0 b） 受预紧力和轴向工作载荷的螺栓强度受预紧力和轴向工作载荷的螺栓强度 设流体压强为设流体压强为p，螺栓数目为，螺栓数目为Z，则，则 缸体周围每个螺栓的平均载荷为：缸体周围每个螺栓的平均载荷为： p D2/4 F = = Z p F F D 受载受载 变形变形 特别注意，轴向载荷：特别注意，轴向载荷： F2 F0+F 加预紧力后加预紧力后螺栓受拉伸长螺栓受拉伸长b0 被联接件受压缩短被联接件受压缩短m0 加载加载 F

14、 后后: 螺栓总伸长量增加为螺栓总伸长量增加为: 总拉力为：总拉力为： 被联接件压缩量减少为：被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为：残余预紧力减少为： F1 很显然很显然: F1F0 被联接件放松了 +b0 m0 - - 松弛松弛 状态状态 预紧预紧 状态状态 b0 F0F0 m0 F F F0F0 F F F F F2F2 F2=F+F1 F1F1 1.1.为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接 结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设 计成计成: : 10.1.5 10.1.5 螺栓联接的结构设计

15、要点螺栓联接的结构设计要点 基本原则：基本原则： 大多数机械中螺栓都是成组使用的。大多数机械中螺栓都是成组使用的。 轴对称的简单几何形状。轴对称的简单几何形状。 圆形圆形 圆环形圆环形 矩形矩形 矩形框矩形框 三角形 三角形 2.2.螺栓布置应使各螺栓的受力合理螺栓布置应使各螺栓的受力合理 F F a) 对于铰制孔用螺栓联接，不要在平衡于工作载荷的方向上对于铰制孔用螺栓联接，不要在平衡于工作载荷的方向上 成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均；成排地布置个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均； 合理 不合理! b) 当螺栓联接弯距或转距时，应使螺栓的位置适当靠近联接当螺栓联接弯距或转距时，应

16、使螺栓的位置适当靠近联接 接合面的边缘，以减少螺栓的受力。接合面的边缘，以减少螺栓的受力。 d h D 3.3.螺栓的排列应有合理的间距、边距螺栓的排列应有合理的间距、边距, ,以保证扳手空间以保证扳手空间 c) 当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗 剪零件来承受横向载荷。剪零件来承受横向载荷。 60 C C EE 60 扳手空间的尺寸见有关标准。 A B 4.4.为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常 分布在同一圆周上的螺栓数目取成分布在同一圆周上的螺栓数目取成: 4、6、8等偶数。 同一螺栓组中的

17、螺栓的材料、直径、长度应相同。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同。 5.避免螺栓产生附加的弯曲应力避免螺栓产生附加的弯曲应力 采用凸台或沉孔结构采用凸台或沉孔结构 切削加工支承面切削加工支承面 支承面不平支承面不平 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 10.210.2 轴毂连接轴毂连接 作用：作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩， 或实现零件的轴向固定或移动。或实现零件的轴向固定或移动。 10.2.1 10.2.1 键连接键连接 类型：类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。平键、半圆键、楔键、切向键等。 1. 平键平键联接联接 工作面工作

18、面特点：特点：定心好、装拆方便。定心好、装拆方便。 种类种类 普通平键普通平键 导向平键导向平键 间隙间隙 轴轴 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 普通普通 平键平键 结构结构 单圆头单圆头(C型型) 圆头圆头(A型型) 平头平头(B型型) 用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。 用盘铣刀加工，轴的应力集中小。用盘铣刀加工，轴的应力集中小。 用于轴端用于轴端 普通平键应用最广。普通平键应用最广。 A型型B型型 C型型 盘铣刀盘铣刀 薄型平键薄型平键的高度为普通平键的的高度为普通平键的6070%，也分圆头、平，也分圆头、平 头、单圆头三种。传递扭矩能

19、力低，常用于薄壁结构、头、单圆头三种。传递扭矩能力低，常用于薄壁结构、 空心轴等径向尺寸受限制的场合。空心轴等径向尺寸受限制的场合。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 起键螺孔起键螺孔 导向平键导向平键 固定螺钉固定螺钉 零件可以在轴上移动，构成动联接。零件可以在轴上移动，构成动联接。 滑移距离较大时，平键过长，制造困难，故可采用滑键。 结构特点：结构特点：长度较长，需用螺钉固定。长度较长，需用螺钉固定。 为便于装拆，制有起键螺孔。为便于装拆，制有起键螺孔。 起键螺孔起键螺孔 固定螺钉固定螺钉 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 2. 半圆键半圆键联接联接 优点：优点：定心好，装配方便。定心好，

20、装配方便。 因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。 缺点：缺点：对轴的削弱较大，只适对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。用于轻载联接。 特别适用于锥形轴端的联接。特别适用于锥形轴端的联接。 工作面工作面 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 3. 楔键楔键联接联接 结构特点：结构特点：键的上表面有键的上表面有1:100的斜度，的斜度， 轮毂槽的底面也有轮毂槽的底面也有1:100的斜度。的斜度。 缺点：缺点：定心精度不高。定心精度不高。 应用：应用：只能应用于定心精度不高，载荷只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。平稳和低速的联接。 安装时用安装时用 力打入力打入 工作面工作面 青岛科技

21、大学专用 潘存云教授研制 d 10.2.2 键连接的尺寸选择和强度计算键连接的尺寸选择和强度计算 键的截面尺寸键的截面尺寸b、h查表选取，长度查表选取，长度L参照轮毂长参照轮毂长 度从标准中选取。度从标准中选取。 键的主要失效形式：键的主要失效形式：压溃、磨损压溃、磨损(动联接动联接)、剪断。剪断。 L b h/2 1)平键联接的强度平键联接的强度 p = S Ft (d/2)(h/2)l T = p MPa MPa d h l 4T = l=L-b l=L 一般不会出现 d 挤压应力：挤压应力： b A型型 b B型型 l 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 d 若强度不时，可采用双键联接。考

22、虑到载荷分布的若强度不时，可采用双键联接。考虑到载荷分布的 不均匀性，校核强度时按不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。个键计算。 双键布置规则：双键布置规则： 平键：平键： 按按180布置；布置； 半圆键：同一条母线上；半圆键：同一条母线上； 楔键：楔键： 夹角成夹角成120 130 120 130 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 10.2.3 花键连接花键连接 1)均匀受力；均匀受力； 结构特点：结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。 组成：组成： 外花键、内花键。外花键、内花键。 优点：优点： 2)对轴的削弱程度小对轴的削弱程度小; 3)载能力高

23、载能力高;齿数多，总接触面积大 4)轴上零件与轴的对中性好；轴上零件与轴的对中性好；对高速及精密机器很重要 5)导向性好导向性好;对动联接很重要 6)可用磨削方法提高加工精度及可用磨削方法提高加工精度及 联接质量。联接质量。 因齿槽浅，齿根应力集中小 轴和轮毂直接而均匀制出齿与槽 缺点：缺点：齿根仍有应力集中、需专齿根仍有应力集中、需专 用设备制造，成本高。用设备制造，成本高。 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 10.2.410.2.4 销联接销联接 作用：作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。 按用途分按用途分 类类 型型 定位销定位销

24、 安全销安全销 联接销联接销 按形状分按形状分 圆柱销圆柱销 圆锥销圆锥销 特点：特点： 有有1:501:50的锥的锥 度，可反复度，可反复 多次拆装。多次拆装。 螺母锁紧螺母锁紧 抗冲击抗冲击 拆装拆装 方便方便 用于用于 盲孔盲孔 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 作用：作用：主要用于主要用于将两根轴联接在一起，使它们一起旋将两根轴联接在一起，使它们一起旋 转，并传递扭矩，转，并传递扭矩，也可用作安全装置也可用作安全装置。 联轴器联轴器-用于将两轴联接在一起，机器运转时两用于将两轴联接在一起，机器运转时两 轴不能分离，只有在机器停车时才可将两轴分离；轴不能分离，只有在机器停车时才可将两轴分

25、离； 离合器离合器-在机器运转过程中，可使两轴随时接合在机器运转过程中，可使两轴随时接合 或分离的一种装置。或分离的一种装置。 它可用来操纵机器传动的断它可用来操纵机器传动的断 续，以便进行变速或换向；续，以便进行变速或换向； 10.3 轴间连接轴间连接 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 10.3.1 联轴器联轴器 两轴线的相对位移两轴线的相对位移: : 轴向、径向、角度、综合。轴向、径向、角度、综合。 由于制造、安装或工作时零件的变形等原因， 被联接的两轴不一定度能精确对中，因此会 出现两轴之间的轴向位移、径向位移和角位 移，或其组合。 y y x x y y 轴向轴向 x x 径向径向 角度角度综合综合 制造误差制造误差 安装误差安装误差 受力变形受力变形 被联接的两轴不能精确对中被联接的两轴不能精确对中 青岛科技大学专用 潘存云教授研制 （一）刚性（一）刚性联轴器联轴器 结构：结构：用一个套筒通过键将两轴联接在一起。用紧定用一个套筒通过键将两轴联接在一起。用紧定 螺钉来实现轴向固定。螺钉来实现轴向固定。 套筒套筒联轴器联轴器 型式：型式： 半圆键半圆键 普通平键普通