机械设计联接概述

第十章联接§10—1螺纹参数§10—2螺旋副的受力分析、效率和自锁§10—4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件概述§10—3机械制造常用螺纹§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螺纹的材料和许用应力§10—9螺旋传动（不讲）§10—8提高螺纹联接强度的措施§10—10滚动螺旋简介（不讲）§10—11键联接和花键联接§10—12销联接（简介）

联接是指被联接件与联接件的组合。常见的机械联接有两类：一是机械动联接，如运动副；二是机械静联接，本章所学习内容是机械静联接问题。联接不可拆联接—装拆方便，多次装拆无损于使用性能。如螺纹联接、键联接、销联接—在拆开联接时会损坏联接中的零件或使用性能。如焊接、铆接、粘接概述可拆联接（永久性联接）一、螺纹线、螺纹、螺纹副二、螺纹分类三、螺纹的主要几何参数§10—1螺纹参数一、螺纹线、螺纹、螺纹副1、螺纹线：将一倾斜角为Ψ的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线。2、螺纹：平面始终通过圆柱体轴线就得到螺纹。若改变平面图形的形状，可得到三角形、梯形、锯齿形、矩形螺纹。取一个平面图形沿螺旋线运动并使3、螺纹副：内外螺纹旋合组成螺旋副或称螺纹副。二、螺纹分类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、按位置：三角形、梯形、锯齿形；左旋、右旋；单线、等距排列多线；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；1、将螺纹轴线竖直放置，螺旋线自左向右逐渐升高的是右旋螺纹。反之也成立。2、从端部沿轴线看去，当螺纹顺时针方向旋转为旋进时，此螺纹为右旋螺纹。左旋右旋旋向判断方法：双线螺纹单线螺纹三、螺纹的主要几何参数：1）大径（外径）d（D）—与外（内）螺纹牙顶（底）相重合的假想圆柱体直径，亦称公称直径。2）小径（内径）d1(D1)—与外螺纹牙底相重合的假想圆柱体直径。3）中径d2—假想圆柱面的直径，该圆柱的母线上牙形沟槽和凸起宽度相。4）螺距P—相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。5）导程（S）—同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。6）线数n—螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n≤4。螺距、导程、线数之间关系：S=nP7））螺螺旋旋升升角角ψψ——中径径圆圆柱柱面面上上螺螺旋旋线线的的切切线线与与垂垂直直于于螺螺旋旋线线轴轴线线的的平平面面的的夹夹角角。。tgψ=nP/ππd28））牙牙型型角角αα——轴向向截截平平面面内内螺螺纹纹牙牙型型相相邻邻两两侧侧边边的的夹夹角角。。牙牙型型侧侧边边与与螺螺纹纹轴轴线线的的垂垂线线间间夹夹角角称称为为牙牙侧侧角角（牙型型斜斜角角））β。。对称称牙牙侧侧角角ββ＝＝αα/2一、、矩形形螺螺纹纹二、、非矩矩形形螺螺纹纹§10——2螺旋旋副副的的受受力力分分析析、、效效率率和和自自锁锁三、、螺旋旋副副效率率一、、矩矩形形螺螺纹纹（=0)1、、螺螺纹纹受受力力分分析析摩擦擦角角ρρ：：滑块块在在水水平平面面上上，，受受到到外外力力R（（F+Fa）作用用，同同时还还受到到法向向反力力Fn与摩擦擦力Ff的作用用，令令法向向反力力与摩摩擦力力的总总反力力为Fr，则FR与Fn方向之之间所所夹的的锐角角ρ被称为为摩擦角角。FnFrFfRFaFρtgρ=Ff/Fn；Ff=Fntgρ=Fnff=tgρ称为摩摩擦系系数。。FaFFnFrfFnλρ（1））把螺螺旋副副在力矩和轴向载载荷作用下下的运运动，，看成成作作用在在中径径的水水平力力推动动滑块块沿螺螺纹运运动。。（2））将矩矩形螺螺纹沿沿中径径d2展开得得一斜斜面。。ψ

图中ψ为螺旋旋升角角，Fa为轴向向载荷荷，F为水平平推力力，Fn为法向向反力力，Ff为摩擦擦力，，f为摩擦擦系数数，ρ为摩擦角角，法向反反力Fn与摩擦擦力Ff的总反力力为Fr。F=Fatg(ψ+)（3））其受受力状状况可可以理理解为为：作用在在滑块块上F为一驱驱动力力，轴轴向载载荷Fa为一阻阻力，，总反反力为为Fr。FaFFnFrfFnψ

ρψ

v若使滑滑块等等速沿沿斜面面上升升，滑滑块所所受三三力平平衡：：可得：：ψ+ρFaFFrF+Fa

+Fr=0拧紧时时：F=Fatg(ψ-)松开时时：相当于于使滑滑块等等速沿沿斜面面下滑，轴向载载荷Fa变为驱驱动力力，F变为维维持滑块等等速运运动所所需的的平衡衡力。。FaFFrfFnvψ

Fnρψ

FFrFaψ-ρ

可得：：（1））ψ->0，ψψ>，F>0分析：：<F=Fatg(ψ-)（1））ψ->0，ψψ>，F>0分析：：说明滑滑块在在重力力作用用下下下滑，，必须须给以以止动动力，，防止止加速速下滑滑。（2）ψ-0，ψ，F0<<<说明滑滑块不能在重力力作用用下下下滑。。这一一现象象称为为自锁现象。螺旋旋千斤斤顶就就是利利用这这一原原理工工作的的。2、螺螺纹自锁：二、非非矩形形螺纹纹（=0)三角形形螺纹纹、梯梯形螺螺纹、、锯齿齿形螺螺纹1、螺螺纹受受力分分析：：唯一差差别是是：法向力力比矩矩形螺螺纹大大。（忽略略升角角λ的的影响响）这时螺纹的的摩擦阻阻力为为：在Fa的作用用下，，法向向反力力比矩矩形螺螺纹大大为：：f'称为当当量摩摩擦系系数ρ'称为当当量摩摩擦角角这时把把法向向力的的增加加看成成摩擦擦系数数的增增加。。为牙型型斜角角用f'取代f，用用ρ'取代ρ，就可可像矩矩形螺螺纹那那样对对非矩形形螺纹纹进行行受力力分析析上升：：F=Fatg(ψ+')下滑：：F=Fatg(ψ-')2、螺螺纹自锁条件为为：

ψ<三、螺螺旋副副效率率为：：螺旋副副的效效率问问题是是由于于摩擦擦引起起的：：上升：：在同样样的载载荷Fa，同样的的牵引引速度度V，，走过过同样样的距距离S情况况下：：F=Fatg(ψ)若不考考虑摩摩擦时时：若考虑虑摩擦擦时：：F=Fatg(ψ+')没有摩摩擦时时，需需要的的输入入功=FS=FaStg(ψ)考虑摩摩擦时时，需需要的的输入入功=FS=FaStg(ψ+')理论上上实际上上ψ

FaFFrψ+ρFaFFr所以：：从上式式可以以看出出：当'不变时时，η与ψ的的关系系如右右图所所示。。取：可得：：当ψ=45º-'时效率率最高高。ψ常取25º左。ψ太大会会引起起制造造困难难，且且效率率增高高也不不显著著。一、三角形形螺纹纹二、梯形和和锯齿齿形螺螺纹§10—3机械制制造常常用螺螺纹三、螺纹标标注四、例题1三角形形螺纹纹，主主要有有普通螺螺纹和管螺纹纹，前者者多用用于紧固联联接和后者者用于于紧密联联接。三角形形螺纹纹1、普普通螺螺纹在我国国的国国家标标准中中，把把牙型型角α=60º的三角角形米米制螺螺纹称称为普普通螺螺纹，以大大径d为公公称直直径。。（1））普通通螺纹纹种类类因为同一公公称直直径可可以有有多种种螺距距的螺纹，其中中螺距最最大的称为为粗牙螺螺纹，其余余的称称为细牙螺纹。一、三三角形形螺纹纹（2））粗、、细螺螺纹特特点、、适用用范围围细牙螺螺纹：：升角小小，小小径大大，自自锁性性能好好，强强度高高，但但不耐耐磨损损，易易滑扣扣，用用于薄薄壁零零件、、受动动载荷荷的联联接和和微调调机构构的调调整。。粗牙螺螺纹：：应用最最广。。粗牙螺螺纹细牙螺螺纹2、管管螺纹纹管螺纹纹种类类：管螺纹纹除普普通细细牙螺螺纹外外，还还有60º、55º的圆柱柱管螺螺纹和和60º、55º的圆锥锥管螺螺纹。。管螺纹纹广泛泛用于于水、、汽、、油管管路联联接中中。管螺纹纹公称称直径径是管管子的的公称称通径径。二、梯梯形（双向向）和锯齿齿形（单向向）螺纹梯形螺螺纹与与锯齿齿形螺螺纹一一般用用于传动，效率高高。它们们的牙侧角角比三角角形螺螺纹小小的多多，可可以减少摩摩擦和提高效效率。梯形螺螺纹牙侧角角=15º效率比锯齿齿形螺螺纹低。锯齿形螺纹梯形螺纹锯齿形形螺纹纹牙侧角角=3º。锯齿形形螺纹纹只能能用于于承受单单向轴轴向载载荷。M10—6g三、螺螺纹标标注M20×2LH——5g6g—40M20×2LH——6G5H—40Tr20××12（P6））—6g——50B20×12（（P6）——5HG1/2AG1/2——LHRc1/2有粗牙牙普通通螺纹纹M10和和M68，，请说说明在在静载载荷下下这两两种螺螺纹能能否自自锁（（已知知摩擦擦系数数f=0.1~0.15）例题11、首先先求螺纹纹升角ψ。解：M10螺螺纹：M68螺螺纹：由P135表10-1查得：：螺距P=1.5mm，，中径d2=9.026mm；螺距P=6mm，中中径径d2=64.103mm。。M10螺螺纹升角角：M68螺螺纹升角角：2、求当当量摩擦擦角'。则当量摩摩擦角'为：普通螺纹纹牙型角角α=60o牙侧角=30o摩擦系数数f取为：：0.1因为:同理:ψ10=3.03o<ρ'，所以能够够自锁。ψ68=1.707o<ρ'，所以能够够自锁。一、螺纹联结结基本类类型二、螺纹紧固固件§10——4螺螺纹联接接的基本本类型型及螺纹纹紧固件件一、螺纹纹联接的的基本类型型a)普通螺栓栓联接：1、螺栓联接接被连接件件通孔不不带螺纹纹，被联联接件不不太厚，，装拆方便便。螺杆带钉钉头，螺螺杆穿过过通孔与与螺母配配合使用。装装配后孔孔与杆间间有间隙隙，并在在工作中中不许消消失，结构构简单，，可多次次装拆，，应用较较广。b)精精密螺栓栓联接：：装配后无无间隙，，主要承受垂直直于螺栓栓轴线的的横向载荷，，也可作作定位用用，采用基孔制过过渡配合合铰制孔螺栓联联接2、螺钉联接接螺钉直接接旋入被被连接的的螺孔，，结构比比较简单单，这种种连接不宜经常常装拆，，以免被被连件的的螺纹孔孔磨损而而修复困困难。3、双头螺柱柱联接多用于较较厚的被被连接件件或为了了结构紧紧凑而采采用盲孔孔的连接接。允许许多次装装拆，而而不会损损坏被连连接零件件。其中中一被连连接件需需要切制制螺纹螺螺杆，螺柱两端无钉钉头，但但均有螺螺纹，装装配时一一端旋入入被联接接件，另另一端配配以螺母母。拆装装时只需需拆螺母母，而不不将双头头螺栓从从被联接接件中拧拧出。4、紧定螺钉钉联接常用来固固定两零零件的相相对位置置，并可可用来传传递不大大的力和和力矩。。二、螺纹紧固固件1、螺栓栓2、双头头螺柱3、螺钉钉、紧定定螺钉4、螺母母5、垫圈圈垫圈作用用：增加被连连接件的的支撑面面积以减减少接触触处的压压强和避避免拧紧紧螺母时时擦伤被被连接件件的表面面。平垫圈弹弹簧垫圈圈圆圆螺螺母用止止动垫圈圈圆圆螺母六角头螺螺栓双头螺柱柱六角螺母母六角开槽槽螺母内六角圆圆柱头螺螺钉开槽圆柱柱头螺钉钉开槽沉头头螺钉紧定螺钉钉一、拧紧力矩矩二、螺纹连接接的防松松§10-5螺纹联接接的预紧紧和防松松三、例题2一、拧紧紧力矩T=T1+T2=一般情况况下，螺螺纹联接接都需要要拧紧，，对重要要的螺纹纹，必须须控制预预紧力的的大小，，以保证证工作的的可靠性性。拧紧力矩矩T主要包括括：螺纹副相相对转动动的阻力力矩T1;螺母支承承面上的的摩擦阻阻力矩T2。T1T2T对于M10~M68的的普通粗粗牙螺纹纹：取f'=tgρρ'=0.15，fc=0.15则上式简简化为：：T=0.2Fad(N.mm)式中，d为螺纹纹公称直直径；FaFa为预紧力力。Fa由螺纹联联接的要要求决定定。一般般是取螺螺栓材料料屈服极极限的50%~70%。重要的螺螺纹（大大于M12~M16)应采用用有效的的措施控控制预紧紧力。测力矩板板手二、螺纹纹联接的的防松螺纹防松松是防止止螺纹副副的相对对转动。。常用的的方法见见表10-3。。实际工作作中，外外载荷有有振动、、变化、、材料高高温蠕变变等会造造成摩擦擦力减少少，螺纹纹副中正正压力在在某一瞬瞬间消失失，摩擦擦力为零零，从而而使螺纹纹联接松松动，如如经反复复作用，，螺纹联联接就会会松驰而而失效。。因此，，必须进进行防松松，否则则会影响响正常工工作，造造成事故故1、防松松目的消除（或或限制））螺纹副副之间的的相对运运动，或或增大相相对运动动的难度度。2、防松松原理3、防松松办法及及措施1）利用用附加摩摩擦力防防松2）采用用专门防防松元件件防松：：槽形螺母母与开口口销圆螺母用用带翅垫垫片止动垫片片3）其他他方法防防松：已知梯形形螺纹Fa=30KN,n=1,d=36mm,P=6mm,f=0.08,fc=0.1,rf=20mm求：1.能否自自锁，2.举起起重物的的驱动力力矩3.起重重例题器器的总效效率。例题2解：一、松螺栓联联接二、紧螺栓联联接连接松§10-6螺螺栓联接接的强度度计算螺栓的强强度计算算就是确确定小径径d1。1.螺栓栓杆拉断断；2.螺纹的的压溃和和剪断；；3.磨磨损后的的滑扣螺栓的主主要失效形式式有：一、松螺螺栓联接接工作时不不需要将将螺母拧拧紧。如吊钩螺螺栓.螺栓所受受拉力工作载荷荷=松螺栓联联接强度条件件：其中：[]—许用拉拉应力,MPad1—螺纹小小径例题3例题3如下图所所示，起起重吊钩钩的起吊吊重量是是25kN，吊吊钩材料料为35钢，许许用应力力为60MPa，求吊吊钩尾部部螺纹直直径。根据：有解：查出的d1比根据强强度计算算求得的的d1值略大，，强度合合适。故故吊钩尾尾部螺纹纹可采用用M27。由P135表10-1查得：：d=27mm时时，d1=23.752mmd1=23.033mm二、紧螺螺栓联接接螺栓在工工作前拧紧，便受到到预紧力力F0（等于Fa）和螺纹摩摩擦力矩矩T1的作用。。预紧力F0→产生拉伸伸应力σσ：螺纹摩擦擦力矩T1→产生剪应应力τ拉、扭联联合作用用时，根据材料料力学的的第四强强度理论论，其当当量应力力为：∴螺螺栓螺纹纹部分的的强度条条件为：：拧紧1、受横横向工作作载荷的的螺栓强强度杆孔间有有间隙，，为保证证联接可可靠即被被连接件件之间不不产生相相对滑移移，应满满足的条条件为：：使接合面面摩擦力力大于工工作载荷荷F摩擦力：：fFaFC≥特点：m—接接合面数数目f—摩擦擦系数（（0.1~0.15））C—可靠性性系数（（1.1~1.3）F0—预紧紧力m螺栓预紧紧力为：：分析：当f=0.15,C=1.2,m=1时,F08F，这说明明螺栓联接接靠摩擦擦力来承承担横向向载荷时,其直直径尺寸寸较大。。为了减小直径径，简化化结构，，提高联联接承载载能力,可以采采用以下下减载装装置:c)减载载销a)减载载键b)减载载套筒d)采用用铰制孔孔用螺栓栓联接δ这些减载载装置中中的键、、套筒、、销和铰铰制孔用用螺栓可按受剪剪切和受受挤压进进行强度度计算。。螺杆与孔孔间紧密密配合，，无间隙隙，由光光杆直接接承受挤挤压和剪剪切来传传递外载载荷F进进行工作作FFδd0补充：铰制孔螺螺栓联接接强度螺栓的剪剪切强度度条件为为：m———螺栓剪剪切面数数[τ]———螺螺栓许用用剪应力力，MPam特点：螺栓与孔孔壁接触触表面的的挤压强强度条件件为：铰制孔螺螺栓能承承受较大大的横向向载荷，，但被加加工件孔孔壁加工工精度较较高，成成本较高高FFδd0F———横向向载荷（（N）d0——螺栓栓剪切面面直径（（mm））δ——螺栓栓杆与被被联接件件孔壁间间接触受压压的最小小轴向长长度（mm）2、受轴轴向工作作载荷的的紧螺栓栓强度：：工作特点点：工作前拧拧紧，有有预紧力力F0工作后加加上工作作载荷FE工作前、、工作中中螺栓所所受总载载荷发生生变化下面以气气缸为例例进行分分析：右图所示示的缸体体中，设流体压压强为p，螺栓栓数为z，，则缸体体周围每每个螺栓平平均承受受的轴向工作载载荷为：：FEFE在受轴向向工作载载荷的螺螺栓中，，螺栓实实际承受受的总拉拉伸载荷荷Fa并不等于于预紧力力F0与轴向工工作载荷荷FE之和。1、如右右图所示示，当螺螺母未拧拧紧时，，螺栓螺螺母松驰驰状态.２、拧紧—预紧状状态凸缘—F0—压—δc0栓杆—F0—拉—λb0δb0δc0F0F0F0F0FaFa载荷与变变形的关系螺栓载荷荷与变形形被连接件件载荷与与变形螺栓杆受力变形形图被联接件件受力变形形图螺栓杆——凸缘—3、加载FE后→工作作状态δb0δc0Dδl'F0F0F0F0FaFaδb0+DδDδδc0—DδFEFRFRFEFaFa凸缘→变形缩小小Δ拉力增加加—变形增加加Δ继续拉长长—压力减小小—FEFE加载合成受力力变形图图从图线可可看出，，螺栓受受工作载载荷F时时，螺栓总载载荷：FR—残余预紧紧力为保证联联接的紧紧密性（（即结合合面不出出现间隙隙）：残余余预预紧紧力力FR必须须大大于于零零；；对FE没有有变变化化时时，，FR=(0.2~0.6)FE;对FE有变变化化时时，，FR=(0.6~1.0)FE;对重重要要的的有有紧紧密密性性要要求求的的联联接接，，FR=(1.5~1.8)FE;在一一般般计计算算中中，，先先根根据据联联接接的的工工作作要要求求定定出出FR,再计计算算Fa=FE+FR,最后后带带入入强强度度计计算算式式：：变形力时间DF螺栓中总拉力的变化FaF0FRFEKbKc若轴轴向向工工作作载载荷荷FE在0～～FE间间周周期期性性变变化化，，则则螺栓栓所所受受总总拉拉伸伸载载荷荷应应在在F0～～Fa间间变变化化。。受变变载载荷荷螺螺栓栓的的计计算算也也按按总拉拉伸伸载载荷荷Fa进行行，，带入入强强度度计计算算式式，，不同同的的是是许许用用应应力力应应按按表表10——6和10——7选选取取。螺栓栓刚刚度度和和被被联联接接件件刚刚度度对对螺螺栓栓受受力力的的影影响响：：变形形力FaF0FRFEb0c0D螺栓栓刚刚度度Kb=F0/b0被联联接接件件刚刚度度Kc=F0/c0DFbDFc又因因为为：：称为为螺螺栓栓的的相相对对刚刚度度系系数数。。螺栓栓的的相相对对刚刚度度系系数数与与螺螺栓栓及及被被联联接接件件的的材材料料、、尺尺寸寸和和结结构构有有关关，，其其值值在在0~1变变化化，，可可按按表表10-5查查取取。。式中中：：一、、螺栓栓的的常常用用材材料料（（P145））§10-7螺螺栓栓的的材材料料和和许许用用应应力力二、、螺螺栓栓联联接接的的许许用用应应力力三、、紧紧螺螺栓栓联联接接的的安安全全系系数数系系数数一般般用用途途：：碳碳素素钢钢；；重要要联联接接：：合合金金钢钢许用用应应力力：：见见表表10-6安全全系系数数：：见见表表10-7螺栓栓联联接接承承受受轴轴向向变变载载荷荷时时，，螺螺栓栓的的损损坏坏多多为为螺螺栓栓杆杆部部分分的的疲疲劳劳断断裂裂，，通通常常发发生生在在应应力力集集中中较较严严重重的的地地方方，，如如：：螺螺栓栓头头部部、、螺螺纹纹收收尾尾部部和和螺螺母母支支撑撑平平面面所所在在处处的的螺螺纹纹。。§10-8提提高高螺螺栓栓联联接接强强度度的的措措施施下面面说说明明影影响响螺螺栓栓强强度度的的因因素素和和提提高高强强度度的的措措施施。。65%20%15%一、、降降低低螺螺栓栓总总拉拉伸伸载载荷荷Fa的变变化化范范围围F0F0FaminFRFaFamaxFamaxFamin减小小螺螺栓栓刚刚度度kb；增大大被被联联接接件件刚刚度度kc；措施施：：二、、改改善善螺螺纹纹牙牙间间的的载载荷荷分分布布三、、避避免免或或减减少少应应力力集集中中四、、避避免免或或减减少少附附加加应应力力引起起附附加加应应力力的的原原因因：：避免免附附加加应应力力的的措措施施：：一、、键联联接接的的类类型型：：（P151））§10-11键联联接接和和花花键键联联接接二、、平平键键联联接接的的强强度度校校核核三、、花花键键联联接接一、、键键联联接接的的类类型型：：键联联接接是可可拆拆联联结结。。键种种类类：：键作作用用：：1、、平平键键联联接接（1））主主要要用用来来实实现现轴轴和和轴轴上上零零件件之之间间的的周周向向固固定定以以传传递递转转矩矩；；（2））有有些些键键还还可可实实现现轴轴上上零零件件的的轴轴向向固固定定或或轴轴向向移移动动；；是标标准准件件，，分分为为平平键键、、半半圆圆键键、、楔楔键键和和切切向向键键平键键:分为为普通通平平键键和导向向平平键键两种种。。特点点:定心心性性较较好好、、装装拆拆方方便便，，应应用用最最广广。。2、、半圆圆键键联接接3、、楔键键联接接和和切向向键键联接接普通通平平键键的的端端部部有有A型型（（圆圆头头））、、B型型（（方方头头））和和C型型（（单单圆圆头头））三三种种。。轴上上键键槽槽用用指指形形铣铣刀刀加加工工，，键键在在槽槽中中固固定定良良好好，，但但轴轴上上键键槽槽端端部部的的应应力力集集中中较较大大。。用盘盘形形铣铣刀刀加加工工，，轴轴的的应应力力集集中中较较小小。。常用用于于轴轴端端。。作用用：：实现现轴轴上上零零件件的的轴轴向向移移动动，，构构成成动联联接接。定心心性性较较好好、、装装拆拆方方便便。。能在在键键槽槽中中摆摆动动，，开开较较深深的的键键槽槽，，对对键键的的强强度度有有所所装装配配方