机械设计基础10

1、10.1 螺纹联接螺纹联接10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁10.3 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹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螺纹联接的预紧和防松10.6 螺纹联接的强度计算螺纹联接的强度计算10.7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力10.8 提高螺栓联接强度的措施提高螺栓联接强度的措施10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接10.12 销联接销联接第第10章章 联联 接接联接的分类联接的分类 ：动联接动联接静联接静联接 10.1 螺纹联接螺纹联接一、一、螺纹的形成螺纹的形成

2、 将一倾斜角为将一倾斜角为的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。取一平面图形，使它沿着螺旋线运动，同时保证线。取一平面图形，使它沿着螺旋线运动，同时保证平面图形运动时始终通过圆柱体的轴线，就得到螺纹平面图形运动时始终通过圆柱体的轴线，就得到螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹BAC10.1 螺纹联接螺纹联接d2螺旋线螺旋线 - - 一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴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。线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。螺螺 纹纹 - - 一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持一平面图形

3、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。该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。螺纹螺纹10.1 螺纹联接螺纹联接二、二、螺纹的分类螺纹的分类10.1 螺纹联接螺纹联接按螺纹的牙型分：按螺纹的牙型分：螺螺纹纹的的分分类类按螺纹的旋向分：按螺纹的旋向分：按螺旋线根数分：按螺旋线根数分：按回转体的内外表面分：按回转体的内外表面分：按螺旋的作用分：按螺旋的作用分：按母体的形状分：按母体的形状分：矩形螺纹、三角形螺纹矩形螺纹、三角形螺纹梯形螺纹、锯齿形螺纹梯形螺纹、锯齿形螺纹右旋螺纹、左旋螺纹右旋螺纹、左旋螺纹单线螺纹、多线螺纹单线螺纹、多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副联接

4、螺纹、传动螺纹联接螺纹、传动螺纹圆柱螺纹、圆锥螺纹圆柱螺纹、圆锥螺纹螺纹的牙型螺纹的牙型矩形螺纹矩形螺纹三角形螺纹三角形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹153033010.1 螺纹联接螺纹联接左旋螺纹和右旋螺纹左旋螺纹和右旋螺纹左旋右旋10.1 螺纹联接螺纹联接双线螺纹双线螺纹单线螺纹单线螺纹PSS = 2PPSPS =P一般一般: n 4n线螺纹线螺纹: S = n P单线螺纹、多线螺纹单线螺纹、多线螺纹10.1 螺纹联接螺纹联接单线螺纹和多线螺纹单线螺纹和多线螺纹外螺纹外螺纹内螺纹内螺纹螺纹副螺纹副10.1 螺纹联接螺纹联接联接螺纹联接螺纹传动螺纹传动螺纹10.1 螺纹联接螺纹联接

5、圆柱螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆锥螺纹管螺纹管螺纹10.1 螺纹联接螺纹联接三、三、主要参数主要参数( (以圆柱螺纹为例以圆柱螺纹为例) ) 10.1 螺纹联接螺纹联接d - 螺纹大径螺纹大径d1 1 - 螺纹小径螺纹小径d2 - 螺纹中径螺纹中径P - 螺距螺距n- 线数线数S - 导程（导程（S=nP） ( )- 螺纹升角螺纹升角 ， - 牙型角，牙侧角牙型角，牙侧角22arctanarctandSdnP一、一、矩形螺纹矩形螺纹 1. 受力分析受力分析 10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁FnFRv展开中径展开中径d2 圆柱面得一斜面圆柱面得一斜面.Fd2SF -水

6、平推力水平推力Fn -法向反力法向反力Fa -轴向载荷轴向载荷F=f Fn -摩擦力摩擦力f -摩擦系数摩擦系数 -摩擦角摩擦角d2FFaFF FaFR -总反力总反力vFnFRvFd2S滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态d2FFaF F Fa 作力多边形作力多边形得：得： F=Fatan(+ ) 驱动力矩：驱动力矩：FaFFR+ 2tan()2adF 22dTF 列出力平衡方程：列出力平衡方程：FR + Fa + +F =0 FRFa = + + FR =(1 + + f ) FnFa -为阻力，为阻力，F为驱动力，摩擦力为驱动力，摩擦力F沿斜面朝下。沿斜面朝下。当螺纹拧紧当螺纹拧

7、紧(滑块上升滑块上升)时：时：FR = Fn + +F - FFaFa -为驱动力，为驱动力，F成为阻力，成为阻力，摩擦力摩擦力F沿斜面朝上。沿斜面朝上。 FRvFRFa当螺纹拧松当螺纹拧松(滑块下滑滑块下滑)时：时：FRFa = - - 滑块在F、FR 、Fa三力作用下处于平衡状态 作力多边形可得：作力多边形可得： F=Fatg(- - ) 驱动力矩：驱动力矩：22dFT )(22tgFdad2FFaFFnF- - 列出力平衡方程：列出力平衡方程：FR + Fa + +F =0 F 2tan()2adTF 若若 ，则则T为正值，其方向与螺为正值，其方向与螺 母运动方向相反，是阻力；母运动方向

8、相反，是阻力；若若 ，则则T为负值，方向相反，其为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。的驱动力矩。提问：当提问：当时，若没有力矩时，若没有力矩T，螺，螺母在母在F Fa a的作用下会运动吗？的作用下会运动吗？不会！不会！-这种现象称为自锁。这种现象称为自锁。T Td2FaFFd2FaFFT T10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁螺母螺母螺杆螺杆轴轴线线轴线轴线螺杆螺杆螺母螺母FnFa二、二、 非矩形螺纹非矩形螺纹 0矩形螺纹忽略升角的影

9、响时有：矩形螺纹忽略升角的影响时有：Fn=Fa当当 0 时，摩擦力为：时，摩擦力为：nFfFaFfcosaFf costgff摩擦系数为摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为的摩擦力与摩擦系数为f ，的矩，的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。形螺纹所产生的摩擦力相当。称称 为当量摩擦角为当量摩擦角FaFnFa故称故称 f 为当量摩擦系数。为当量摩擦系数。引入参数引入参数f 和和 就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。行力的分析。 滑块上升：滑块上升：) (2:) (:2tgFdTtgFFaa驱动力矩水平推力 滑块下降：滑块下降：)

10、 (2) (2tgFdTtgFFaa非矩形非矩形螺旋的自锁条件：螺旋的自锁条件： 对于联接螺纹必须满足自锁条件10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁0 10 20 30 40 50 20406080100效率效率% 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：2aF ST 2tan()aaFSFd 当一定时，效率只是螺纹升角的函数，由此可以绘出效率曲线.当当一定时，效率曲线一定时，效率曲线有极大值在有极大值在=45=45- -/2 /2 处处。对于传动螺旋，一般取：对于传动螺旋，一般取：对于联接螺纹，必须取：对于联接螺纹，必须取：升角

11、过大, 制造困难，且效率增高也不明显。= 5.7 螺旋转动一圈时，有效功为螺旋转动一圈时，有效功为F Fa aS S, , 输入功为输入功为2 2T。f = =tan =0.1自锁极限自锁极限25紧固螺纹区紧固螺纹区tantan() 10.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁螺旋副的受力分析、效率和自锁。普通螺纹普通螺纹常用螺纹的特点及应用常用螺纹的特点及应用管螺纹管螺纹矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹10.3 机械制造常用螺纹机械制造常用螺纹1. 螺栓连接螺栓连接一、螺纹连接的基本类型一、螺纹连接的基本类型 10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固

12、件2. . 螺钉联接螺钉联接10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件3. 双头螺柱联接双头螺柱联接10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件4. 紧定螺钉联接紧定螺钉联接10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件二、螺纹紧固件二、螺纹紧固件10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺母螺母螺钉、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垫圈垫圈LL0d六角头六角头LdL0小六角头小六角头螺栓的结构形式螺栓的结构形式10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹

13、连接的基本类型及螺纹紧固件dL0L1LL1 - 座端长度座端长度L0 - 螺母端长度螺母端长度双头螺柱的结构形式双头螺柱的结构形式10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件末端末端结构结构头部头部结构结构螺钉的结构形式螺钉的结构形式螺母的结构形式螺母的结构形式10.4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件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垫圈的结构形式垫圈的结构形式A型平垫圈型平垫圈B型平垫圈型平垫圈一、螺纹连接的预紧一、螺纹连接的预紧 螺

14、纹连接的拧紧力矩螺纹连接的拧紧力矩T由两部分组成由两部分组成：1)克服螺纹副相对转动的阻力矩克服螺纹副相对转动的阻力矩T1;2)螺母支承面上的摩擦阻力矩螺母支承面上的摩擦阻力矩T2。 facarFfdFTTTtan2221常用粗牙螺纹常用粗牙螺纹 dFTa2 . 010.5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松10.5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松 测力矩扳手或定力矩扳手测力矩扳手或定力矩扳手 控制拧紧圈数或螺母转角控制拧紧圈数或螺母转角 测量预紧前后螺栓的伸长量或测量应变测量预紧前后螺栓的伸长量或测量应变 借助液力拉伸螺栓或将螺栓加热使其伸长要借助液力拉伸螺栓或将螺栓加热使其

15、伸长要求变形量。求变形量。T可由测力矩扳手测定可由测力矩扳手测定! !二、螺栓连接的防松二、螺栓连接的防松原因：原因：在冲击、振动或变载的情况下连接产生松脱。在冲击、振动或变载的情况下连接产生松脱。本质：本质：螺纹连接防松的螺纹连接防松的根本问题根本问题在于要防止螺旋副在于要防止螺旋副 的相对运动。的相对运动。常用的防松方法常用的防松方法: : 摩擦防松摩擦防松 机械防松机械防松 永久防松永久防松 弹簧垫圈弹簧垫圈 对顶螺母对顶螺母 尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母 开口销开口销 带翅垫片带翅垫片 止动垫片止动垫片10.5 螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧和防松螺栓的失效形式：螺栓的失效形式：

16、1) 螺栓杆拉断螺栓杆拉断； 2) 螺纹的压溃和剪断螺纹的压溃和剪断； 3) 磨损滑扣磨损滑扣。 10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接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。螺栓联接的计算螺栓联接的计算: : 1) 主要是确定螺纹小径主要是确定螺纹小径d1; ; 2) 然后按照标准选定螺纹公称直径然后按照标准选定螺纹公称直径d及螺距及螺距P P等。等。 一、松螺栓连接一、松螺栓连接 强度条件：强度条件：设计公式：设计公式：421dFAFaa41aFd10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算二、紧螺栓连接二、紧

17、螺栓连接 螺栓所受应力由两部分组成：螺栓所受应力由两部分组成： 1）螺杆承受轴向拉力螺杆承受轴向拉力Fa引起的拉应力引起的拉应力； 2）螺纹力矩螺纹力矩T T1 1引起的扭切应力。引起的扭切应力。 4/21dFa4/tan22112dFdda直径为直径为1068mm的普通螺纹的普通螺纹 5 . 0当量应力：当量应力： 3 . 15 . 0332222e10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算螺栓螺纹部分的强度条件螺栓螺纹部分的强度条件 4/3 . 121dFa螺杆的设计公式螺杆的设计公式 4/3 . 11aFd 10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算1. 受横向工作载荷的螺栓强度

18、受横向工作载荷的螺栓强度 1)aCFFmf 202)4Fdm 0ppFd 10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算FF/2F/2改进措施：改进措施： 1. 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用2. 采用无间隙的铰制孔螺栓。采用无间隙的铰制孔螺栓。2. 受轴向工作载荷的螺栓强度受轴向工作载荷的螺栓强度 10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算F0F0F0F0FEFEFRFRFRFRFaFa1联接件变形联接件变形力力螺栓变形螺栓变形力力FbFc螺栓变形螺栓变形力力FaFRFEF0F02F012

19、arctankbarctankc10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算一般连接，工作载荷稳定：一般连接，工作载荷稳定： FR = (0.20.6) FE一般连接，工作载荷不稳定：一般连接，工作载荷不稳定： FR = (0.61.0) FE有紧密性要求的连接：有紧密性要求的连接： FR = (1.51.8) FE10.6 螺纹连接的强度计算螺纹连接的强度计算紧螺栓联接紧螺栓联接不离缝条件不离缝条件： 残余预紧力残余预紧力FR大于零。大于零。 一、螺栓的材料一、螺栓的材料 一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢，一般螺纹联接件常用材料为低碳钢和中碳钢， 如如 Q215、Q235、15、35

20、、45 等。等。 受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢，受冲击、振动和变载荷作用的螺栓可用合金钢， 如如 15Cr、40Cr、30CrMnSi、15CrVB 等。等。10.7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力 公差等级：公差等级：A、B、C，其中，其中A级最高。级最高。 力学性能：力学性能：10个等级，个等级， 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9 小数点前，代表强度极限的小数点前，代表强度极限的1/100; 小数点后，代表屈服小数点后，代表屈服极限极限与强度极限比值与强度极限比值 的的10倍。倍。二、螺纹联接的许用应力二、螺纹联接的许

21、用应力10.7 螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力约约15%约约20%约约65%10.8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂疲劳断裂容易断裂部位：容易断裂部位：一、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围一、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围 减小螺栓刚度的方法减小螺栓刚度的方法a. 柔性螺栓柔性螺栓b. 弹性元件弹性元件10.8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施 增大被联接件刚度的方法增大被联接件刚度的方法a. 金属垫片金属垫片b. 密封环密封环10.8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施二、改善

22、螺纹牙间的载荷分配二、改善螺纹牙间的载荷分配 内斜螺母内斜螺母 环槽螺母环槽螺母 悬置螺母悬置螺母螺纹牙间载荷分配关系螺纹牙间载荷分配关系10.8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施三、减小应力集中三、减小应力集中10.8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施四、避免或减小附加应力四、避免或减小附加应力10.8 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施五、采用特殊制造工艺五、采用特殊制造工艺冷镦头部、辗压螺纹冷镦头部、辗压螺纹疲劳强度提高疲劳强度提高30% 比车削 表面处理：表面处理： 氰化、氮化也能氰化、氮化也能提高疲劳强度。提高疲劳强度。10.8 提高螺栓连接强度的措

23、施提高螺栓连接强度的措施10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接作用：作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭 矩，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。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面特点：特点：定心好、定心好、 装拆方便。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一、键联接的类型一、键联接的类型10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接普通普通平键平键单圆头单圆头(C型型)圆头圆头(A型型)方头方头(B型型)用指状铣刀加工

24、，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 10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接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，构零件可以在轴上移动，构成动联接。成动联接。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 平键的尺寸平键的尺寸10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接10.11

25、键联接和花键联接键联接和花键联接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，装配方便。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10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接结构特点：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。缺缺 点：点：定心精度不高。定心精度不高。应应 用：用：只能只能应用于定心精度应用于定心精度不高，载荷平稳不高，载荷平稳和低速的联接。和低速的联接。3. 楔键楔键联接和切向键联

26、接联接和切向键联接10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接类型：类型：普通楔键、钩头楔键。普通楔键、钩头楔键。 钩头是用来拆卸用的拆卸空间拆卸空间10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接d斜度斜度1：100在重型机械中常采用切向键在重型机械中常采用切向键-一对楔键组成。一对楔键组成。装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成120130 。窄面窄面工作面工作面d120 130 键被剪断键被剪断二、平键连接的强度校核二、平键连接的强度校核 10.11 键联接和花键联接键联接和花键联接键的材料：键的材料：B 370 Mpa的碳素钢，常用的碳素钢，常用45钢。钢。键的选取：键的选取：截面尺寸截面尺寸b、h查表选取；查表选取； 长度长度L参照轮毂长度从标准中选取。参照轮毂长度从标准中选取。主要失效形式：主要失效形式：压溃、磨损压溃、磨损( (动联接动联接) )、剪断。、剪断。一般不会出现磨损强度条件：磨损强度条件： 4Tppd