第十一章 连接

1、机电工程学院制作机电工程学院制作机械设计基础机械设计基础多媒体课件多媒体课件-材料系各专业材料系各专业第十一章第十一章 连接连接11-1 11-1 概述概述11-2 11-2 螺纹连接螺纹连接11-3 11-3 键连接、销连接及型面连接键连接、销连接及型面连接机械设计基础机械设计基础 11-1 11-1 概述概述 在机械中，许多零件、部件之间以一定的方式组合成一个整在机械中，许多零件、部件之间以一定的方式组合成一个整体，这就需要使用各种连接。体，这就需要使用各种连接。 连接的分类：连接的分类： 1 1、按连接工作原理的不同分类：、按连接工作原理的不同分类：形锁合连接：它是依靠被连接件或附加零件

2、的形状互相嵌合，使其产形锁合连接：它是依靠被连接件或附加零件的形状互相嵌合，使其产生连接作用的。如铰制孔用螺栓连接、平键连接、型面连接等。生连接作用的。如铰制孔用螺栓连接、平键连接、型面连接等。摩擦锁合连接：它是依靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力面摩擦锁合连接：它是依靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力面阻止被连接件之间的相对运动，从而达到连接的目的，如有横向载荷阻止被连接件之间的相对运动，从而达到连接的目的，如有横向载荷的普通螺栓连接、过盈配合连接等。的普通螺栓连接、过盈配合连接等。材料锁合连接：在被连接件之间涂敷附加材料，靠其分子间的分子力材料锁合连接：在被连接件之间涂敷附加材料，

3、靠其分子间的分子力将零件连接在一起。如胶接、钎焊等。将零件连接在一起。如胶接、钎焊等。 2 2、按连接是不可拆分类：、按连接是不可拆分类：可拆连接：可经多次拆装，拆装时无需损坏连接中的任何零件，且其可拆连接：可经多次拆装，拆装时无需损坏连接中的任何零件，且其工作能力不遭受破坏。如螺纹连接、键连接、型面连接等。工作能力不遭受破坏。如螺纹连接、键连接、型面连接等。不可拆连接：是在拆开连接时，至少损坏连接中的一个零件。如铆钉不可拆连接：是在拆开连接时，至少损坏连接中的一个零件。如铆钉连接、焊接、胶接等。连接、焊接、胶接等。机械设计基础机械设计基础 11-2 11-2 螺纹连接螺纹连接一、螺纹连接的预

4、紧一、螺纹连接的预紧 拧紧的目的：拧紧的目的： 1.1.提高联接的紧密性提高联接的紧密性2.2.防止联接松动防止联接松动3.3.提高联接件可靠性提高联接件可靠性v 预紧力的控制：预紧力的控制：测力矩扳手测力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手螺旋副的拧紧力矩螺旋副的拧紧力矩 注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小( (M12)M12)的螺栓。的螺栓。v 预紧力和预紧力矩之间的关系：预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02 . 0机械设计基础机械设计基础 二、螺纹连接的计算二、螺纹连接的计算 螺纹联接中螺栓联接最具典型性。主要讨论螺栓组联接，单个螺栓螺纹联接

5、中螺栓联接最具典型性。主要讨论螺栓组联接，单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。螺栓受力螺栓受力横向受拉横向受拉（普通螺栓）（普通螺栓）横向受剪切横向受剪切（铰制孔用螺栓）（铰制孔用螺栓）螺栓杆螺纹部分发生断裂螺栓杆螺纹部分发生断裂螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃主要失效方式主要失效方式实际工程应用中，普通场合，螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合，实际工程应用中，普通场合，螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合，必须根据强度条件进行选用计算。必须根据强度条件进行选用计算。 设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行设

6、计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。相应强度条件的设计计算（或强度校核）。 螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d d1 1, ,然后按照标准选定螺纹的然后按照标准选定螺纹的公称直径（大经）公称直径（大经）d d等。等。机械设计基础机械设计基础 如图所示为普通螺栓连接，仅受预紧力的紧螺栓联接结合面的摩如图所示为普通螺栓连接，仅受预紧力的紧螺栓联接结合面的摩擦力来承受横向载荷擦力来承受横向载荷F F，防止被联接件错动。，防止被联接件错动。 保证联接面不滑移的螺栓预紧力保证联接面不滑移的螺栓预紧力pFpsF f zi

7、K FSpK FFf zi214 (1.3) ()pFMPad强度条件强度条件14 (1.3)() pFdmm 摩擦系数摩擦系数螺栓数螺栓数接合面数接合面数1.11.3sK 可靠性系数可靠性系数1 1、受横向载荷的紧螺栓连接、受横向载荷的紧螺栓连接机械设计基础机械设计基础 如图所示为铰制孔用螺栓连接来承受外载荷。由于螺栓杆与孔为过如图所示为铰制孔用螺栓连接来承受外载荷。由于螺栓杆与孔为过渡配合，外载荷靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与被连接件的挤压来传递。渡配合，外载荷靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与被连接件的挤压来传递。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：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：螺栓杆

8、的剪切强度条件为：式中：式中：F螺栓所受的横向外载荷，单位为螺栓所受的横向外载荷，单位为N；ds螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使；设计时应使 1.25ds z 工作螺栓的数目；工作螺栓的数目； i 螺栓受剪面的数目。螺栓受剪面的数目。 bsbssFzd 24sFzi d机械设计基础机械设计基础 2 2、受轴向载荷的紧螺栓连接、受轴向载荷的紧螺栓连接受力分析受力分析 如右图所示的气缸盖螺栓连接如右图所示的气缸盖螺栓连接, , 即承受轴向外载荷的紧螺栓连

9、接。即承受轴向外载荷的紧螺栓连接。未拧紧时未拧紧时, , 螺栓与被连接件皆不受力。螺栓与被连接件皆不受力。 拧紧后拧紧后, , 螺栓受预紧力螺栓受预紧力 , , 而被连接件则受预紧压力而被连接件则受预紧压力 的作用的作用, , 且产生压缩变且产生压缩变形形 。当气缸内通入气体后当气缸内通入气体后, , 螺栓又受到轴向外载荷螺栓又受到轴向外载荷F F的作用的作用, , 由于螺栓中总拉力由由于螺栓中总拉力由 增至增至F FQ Q, , 螺栓比预紧状态时增加伸长变形螺栓比预紧状态时增加伸长变形2 2, , 被连接件则要回弹变形被连接件则要回弹变形2 2。 由于由于被连接件压缩变形量减小被连接件压缩变

10、形量减小, , 故其所受压力将减小故其所受压力将减小, , 不是原来的预紧力不是原来的预紧力 了了, , 而而变成减小后的剩余预紧力变成减小后的剩余预紧力 , , 由此可知由此可知, , 螺栓受轴向载荷螺栓受轴向载荷F F后后, , 螺栓所受的总拉螺栓所受的总拉力为力为: :pFpF1pFpFpFQpFFF机械设计基础机械设计基础 211.3/4QFd14 1.3 QFd 或螺栓危险截面的螺栓危险截面的拉伸强度条件拉伸强度条件为为:对于有密封性要求的联接，对于有密封性要求的联接，一般联接，工作载荷稳定时：一般联接，工作载荷稳定时： 工作载荷不稳定时：工作载荷不稳定时：1.51.8pFF0.2

11、0.6pFF0.6 1.0pFFpF 为保证联接的紧密性，应使为保证联接的紧密性，应使 0 0，一般根据联接的性质，一般根据联接的性质确定确定 的大小。的大小。pF机械设计基础机械设计基础 例例1.1.如图所示，凸缘连轴器，如图所示，凸缘连轴器，4 4个材料为个材料为Q235Q235的的M12M12螺栓联接，传递螺栓联接，传递转距转距T=0.9T=0.910106 6NmmNmm，螺栓中心所在圆直径，螺栓中心所在圆直径D=150mmD=150mm，连轴器材料为，连轴器材料为HT300,HT300, b b300MP300MP，凸缘厚，凸缘厚h h15mm15mm。分别采用普通螺栓联接和铰制孔，

12、分析螺栓。分别采用普通螺栓联接和铰制孔，分析螺栓直径选择合适与否。直径选择合适与否。211.34pFd由得 （4 4）确定许用拉应力）确定许用拉应力 螺栓材料为螺栓材料为Q235Q235的的M12M12，s s=235MP,S=3,=235MP,S=3, = = s s/S=78.3MP/S=78.3MP 查机械手册，查机械手册，M12M12螺栓小径螺栓小径d d1 110.106mm10.106mm。1.31.34 4242410103 3/ / （10.10610.1062 2）388.96 = 80388.96 = 80故强度不足故强度不足解解 : 1. 采用普通螺栓联接采用普通螺栓联接

13、 （1 1）普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。（2 2）螺栓受力分析）螺栓受力分析 即螺栓的即螺栓的横向工作载荷横向工作载荷 F=2T/D=2F=2T/D=20.90.910106 6/150=12/150=1210103 3N N （3 3）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力，其预紧力递横向力，其预紧力 ，其中结合面，其中结合面i i1 1，螺栓个数，螺栓个数z z4 4，结合面摩擦系数，结合面摩擦系数f f0.150.15，可，可靠系数靠系数K Ks s1.21.2。/psFK F zif

14、3/24 10psFK F zifN机械设计基础机械设计基础 2. 采用铰制孔用螺栓联接采用铰制孔用螺栓联接（1 1）铰制孔用螺栓的主要失效形式为剪切和挤压失效。）铰制孔用螺栓的主要失效形式为剪切和挤压失效。（2 2）螺栓受力分析）螺栓受力分析 螺栓所受的横向工作载荷螺栓所受的横向工作载荷F12103N小结：小结：通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，虽然受到的外载荷相同，但通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓联接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直由于螺栓联接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直径相差很大。为了

15、避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点，可采用减载装置，径相差很大。为了避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点，可采用减载装置，来传递横向力，这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使结构紧凑，而来传递横向力，这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使结构紧凑，而且工作可靠。因此在机械设计中，结构设计的优劣必须给予足够重视。且工作可靠。因此在机械设计中，结构设计的优劣必须给予足够重视。 其不同之其不同之处在于：普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力。处在于：普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力。（4 4）计算；机械手册查铰制孔用螺栓）计算；机械手册查铰制孔用螺栓M12M12受

16、剪处直径受剪处直径dsds13mm13mm，查表，查表螺栓杆与孔壁挤压面最小高度螺栓杆与孔壁挤压面最小高度=h=h3 315153 31212mm。（3 3）求许用切应力和许用挤压应力）求许用切应力和许用挤压应力 /235/2.594sSMPa /2150bbsMPa 2422.694sFMPaMPazi d 19.23150bsbssFMPaMPazd机械设计基础机械设计基础 例例2 2 已知汽缸工作压力已知汽缸工作压力p=1.2Mpap=1.2Mpa，汽缸内径，汽缸内径D D2 2=250mm=250mm，螺栓数目，螺栓数目z=12z=12，采用铜皮石棉垫。试计算汽缸盖螺栓直径。拧紧时控制

17、预紧力。采用铜皮石棉垫。试计算汽缸盖螺栓直径。拧紧时控制预紧力。解：解：1.汽缸盖受气体压力：汽缸盖受气体压力： P=pD22/4=1.23.142502/4=58875 (N)2.单个螺栓工作载荷：单个螺栓工作载荷：F=P/z=58875/12=4906.25(N)3. 螺栓所受总拉力螺栓所受总拉力FQ=F+FP =2.74906.25=13246.88(N)4.选择螺栓材料，计算需用应力选择螺栓材料，计算需用应力查表，选择查表，选择Q215,屈服极限屈服极限s=215Mpa ，安全因数，安全因数S1.4，许用应力，许用应力=s/S=215/1.4= 153.57(Mpa)5 .确定螺栓小径

18、：确定螺栓小径：查标准，取查标准，取M16，其，其d113.8411.95，其公称直径，其公称直径16mm。FDDp11.3411.95QFdmm 机械设计基础机械设计基础 三、设计螺栓连接的几个问题三、设计螺栓连接的几个问题1 1、螺栓材料的许用应力、螺栓材料的许用应力对于受拉螺栓，其许用应力为对于受拉螺栓，其许用应力为 sS对于铰制孔用螺栓连接，其许用应力为对于铰制孔用螺栓连接，其许用应力为 sS 为螺栓材料的屈服极限（为螺栓材料的屈服极限（MPaMPa）；）；S S为安全系数，松螺栓连接，为安全系数，松螺栓连接，S=1.2S=1.21.71.7；紧螺栓连接，紧螺栓连接， S=1.2S=1

19、.21.51.5，不控制预紧力时，不控制预紧力时，S S查表查表11-411-4。s 为螺栓材料的屈服极限（为螺栓材料的屈服极限（MPaMPa）；）； 为安全系数，静载荷时，为安全系数，静载荷时， =2.5=2.5；紧螺栓；紧螺栓连接，连接， =3.5=3.55 5。sSSS被连接件为钢时被连接件为钢时: 1.25sbs被连接件为铸铁时被连接件为铸铁时: 22.5bbs机械设计基础机械设计基础 2 2、螺纹连接的防松问题、螺纹连接的防松问题弹簧垫圈防松弹簧垫圈防松（1 1）、摩擦防松）、摩擦防松 （保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩）（保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩） 对顶螺母，对

20、顶螺母，弹簧垫圈弹簧垫圈 。 结构简单、使用方便。结构简单、使用方便。限制螺旋副的相对转动；限制螺旋副的相对转动；以防止联接的松动，影响正常工作。以防止联接的松动，影响正常工作。防松的实质防松的实质防松方法防松方法 （摩擦防松摩擦防松.机械防松机械防松 .永久防松永久防松 ） 对顶螺母防松对顶螺母防松机械设计基础机械设计基础 （2 2）、机械防松）、机械防松开口销与开槽六角螺母开口销与开槽六角螺母止动垫圈止动垫圈（在联接中加入其它机械元件（在联接中加入其它机械元件) 开口销、止动垫圈等。开口销、止动垫圈等。 适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。机

21、械设计基础机械设计基础 焊接焊接 铆冲铆冲 （3 3）、永久防松）、永久防松机械设计基础机械设计基础 3 3、螺栓组联接的结构分析、螺栓组联接的结构分析1）联接接合面的几何形状通常都设计成）联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称轴对称的简单几何形状，如圆形，环的简单几何形状，如圆形，环形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，形，矩形，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。，从而保证接合面受力比较均匀。 2）如果同时承受轴向载荷和较大的

22、横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪）如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，应采用销，套筒，键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸 机械设计基础机械设计基础 3)避免螺栓承受附加的弯曲载荷。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。凸台凸台沉头座沉头座斜面垫圈斜面垫圈4)为了便于在圆周上钻孔为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数布在同一圆周上的螺栓数目取成目取成4、6、8等偶数。等偶数。5)螺栓的排列应有合理螺栓的排列应有合理的间距、边距。最小距的间距、边距。最小距离由扳手所需要的活动离由

23、扳手所需要的活动空间来定空间来定机械设计基础机械设计基础 11-3 11-3 键连接、销连接及型面连接键连接、销连接及型面连接一、键连接的类型一、键连接的类型 键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类型的键有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。 键是标准件键是标准件，分为平键、半圆键、楔键和花键等。设计时应根据各类键的，分为平键、半圆键、楔键和花键等。设计时应根据各类键的结构和应用特点迸行选择。结构和应用特点迸行选择。 1 1、平键联接、平键联接 结构简单、装拆方便，应用广泛

24、。结构简单、装拆方便，应用广泛。按用途不同分为：按用途不同分为：普通平键普通平键导向平键导向平键滑键滑键机械设计基础机械设计基础 工作面工作面间隙间隙（1）普通平键）普通平键 两侧面为工作面两侧面为工作面普通平键的类型普通平键的类型单圆头(C型)：用于轴端用于轴端圆头(A型)：端铣刀加工，端铣刀加工，固定良好固定良好平头(B型)：盘铣刀加工，盘铣刀加工，应力集中小应力集中小盘铣刀盘铣刀 机械设计基础机械设计基础 （2）导向平键）导向平键 加长平键，轴向移动量加长平键，轴向移动量不大不大的动联接，用螺钉固定在轴上的动联接，用螺钉固定在轴上（3）滑键联接）滑键联接 轴向移动量轴向移动量大大的动联接

25、，滑键在轮毂上，与轮毂一起在轴上移动的动联接，滑键在轮毂上，与轮毂一起在轴上移动机械设计基础机械设计基础 2. 2. 半圆键联接半圆键联接 机械设计基础机械设计基础 3. 3. 楔键联接楔键联接 结构结构：楔键的上、下面为工作面，键的上表面及轮毂键槽底面：楔键的上、下面为工作面，键的上表面及轮毂键槽底面均有均有1:100 1:100 的斜度。的斜度。 特点特点：能承受：能承受单向轴单向轴向力。但对中性很差。向力。但对中性很差。 应用应用：用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。：用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。机械设计基础机械设计基础 二、花键联接二、花键联接 结构：外花键（花键轴）和内花

26、键（花键孔）组成。键齿侧面是工作面。结构：外花键（花键轴）和内花键（花键孔）组成。键齿侧面是工作面。 特点：承载能力高，对中性好特点：承载能力高，对中性好; ;但制造要采用专用设备，成本较高。但制造要采用专用设备，成本较高。 应用：用于定心精度要求高、载荷较大的场合。应用：用于定心精度要求高、载荷较大的场合。1 1、矩形花键、矩形花键加工方便（可通过磨削获得高精度），应用广泛。加工方便（可通过磨削获得高精度），应用广泛。 2 2、渐开线花键、渐开线花键工艺性好，强度高，承载能力大。用于重载、定心精度要求高的联接工艺性好，强度高，承载能力大。用于重载、定心精度要求高的联接压力角压力角 3030压

27、力角压力角 4545渐开线花键渐开线花键机械设计基础机械设计基础 三、平键的选用和强度校核三、平键的选用和强度校核1 1、平键的选用、平键的选用（1 1）键的尺寸选择）键的尺寸选择 断面尺寸断面尺寸 b bh h： 根据轴径根据轴径 d d 查标准确定，表查标准确定，表11-511-5。 键长键长 L L：应略短于轮毂的宽度，并符合标准尺寸系列。：应略短于轮毂的宽度，并符合标准尺寸系列。附：键的长度系列：附：键的长度系列： 10 12 14 16 18 20 22 25 10 12 14 16 18 20 22 25 32 36 40 45 50 63 70 80 32 36 40 45 50 63 70 80 90 100 110 125 140 160 .90 100 110 125 140 160 . （2 2）键的标记）键的标记 B B型平键型平键b bh hL=10L=101616125125 键键B10B10125 125 A A型键可不标型号