机械设计基础课件第10章联接

第10章联接基本要求:

1、了解联接的类型和应用；了解螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件；２、掌握螺纹联接的受力分析、效率和自锁、螺纹副当量摩擦系数；３、掌握平键联接的选用和校核。重点与难点:重点：1）螺纹联接的受力分析、效率和自锁、螺纹副当量摩擦系数；

2）平键联接的选用和校核。难点：螺纹联接的受力析、效率和自锁、螺纹副当量摩擦系数。

§10－1

螺纹参数§10－2螺旋副的受力分析、效率与自锁第10章联接§10－3螺旋副的受力分析、效率与自锁

§10－4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

§10－6螺纹联接的强度计算

§10－7螺栓材料和许用应力

§10－8

提高螺栓联接强度的措施

§10－9螺旋传动

§10－12销联接

§10－11键联接和花键联接

螺纹联接和螺旋传动都是利用螺纹零件工作的，但两者的工作性质不同。螺纹联接是作为紧固件用，要求联接可靠，保证足够的联接强度、刚度和自锁性能（有时还要求紧密性）；后者用作传动件使用，主要是传递运动和力。

§10－1

螺纹参数一、螺纹的形成锯齿形螺纹梯形螺纹三角形螺纹二、螺纹的分类１．按形成平面图形的形状分２．按螺旋线旋向分左旋、右旋——常用3．按螺旋线的数分单线螺纹、双线和多线螺纹。单线螺纹多用于联接，多线螺纹多用于传动。螺纹分为内螺纹和外螺纹。大径d——螺纹的公称直径。小径d1——常用于联接的强度计算。中径d2——常用于联接的几何计算。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。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，S=nP。螺旋升角y——在中径圆柱面上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。牙型角a－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两边的夹角。三、螺纹的主要参数

（以圆柱螺纹为例）

§10－2螺旋副的受力分析、效率和自锁πd2lyFFFaFa

一、矩形螺纹

拧紧螺母(滑块沿斜面等速上升)2）螺杆与螺母间作用力Fa集中作用在一小段螺纹上，可将螺旋副的摩擦问题转化为斜面摩擦问题。1）螺杆与螺母间作用力集中作用在其中径d2的圆柱面上。因螺杆的螺纹可视为由一斜面卷绕在圆柱体上而形成的。Rann水平驱动力F＝Fa

tg(y

＋)拧紧力矩

FRFaF+

放松螺母(滑块沿斜面等速下滑)annR拧松螺母时所需力矩为滑块沿斜面等速下滑，所需的平衡力F＝Fa

tg(y

-)当<时，F<0，其方向与螺母运动方向相同，它是放松螺母所需外加的驱动力矩，这表明要使螺母松退，必须加一个驱动力矩T，否则无论在多大力Fa作用下，螺母不会松退，即发生自锁。当=时，F=0，表明无需放松力矩，螺母在力Fa的作用下正好等速松退。螺旋副反行程自锁的条件：

。FFRFa-拧紧螺母(滑块沿非矩形螺纹等速上升)水平驱动力F＝Fa

tg(y

＋’)拧紧力矩拧松螺母(滑块沿非矩形螺纹等速下滑)水平平衡力F＝Fa

tg(y-’)螺旋副的效率

§10-3

机械制造常用螺纹类型牙型图特点和应用普通螺纹

牙型为牙型角=60°的等边三角形，内、外螺纹旋合后留有径向间隙。牙根较厚，牙根强度较高。当量摩擦因数较大。同一公称直径按螺距大小分为粗牙和细牙两种，应用最为广泛，主要用于联接。一般情况下用粗牙；细牙螺纹自锁性好，对螺纹零件的强度削弱小，但易滑扣，故用于薄壁零件或受动载荷的联接，还用于液压系统内的一些联接以及微调机构的调整圆柱管螺纹牙型为牙型角

=55°的等腰三角形，牙顶呈圆弧。内、外螺纹旋合后无径向间隙，紧密性好。公称直径近似为管子孔径，以英寸为单位。多用于压力在1.57MPa以下的管子联接

圆锥管螺纹牙型为牙型角

=55°的等腰三角形，与圆柱管螺纹相似，但螺纹分布在1：16的圆锥表面上，内、外螺纹旋合后无间隙，紧密性更好。通常用于高温、高压条件下工作的管子联接。当与内圆柱管螺纹配用时，在1MPa压力下已足够紧密

梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角α=30°。传动效率比矩形螺纹低，但可避免矩形螺纹的缺点。广泛用于传动锯齿形螺纹牙型为不等腰梯形，

工作面的牙边倾斜角为3°，非工作面的牙边倾斜角为30°。综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的特点。但只能用于单向受力的传动

§10-4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件铰孔螺栓联接普通螺栓联接双头螺柱联接紧定螺钉联接螺钉联接

一、 螺纹联接基本类型

二、 螺纹紧固件1.六角头螺栓2.双头螺

柱3.螺钉

4.螺母

5.垫圈预紧力和拧紧力矩（T）之间的关系：T1——螺旋副间的摩擦阻力矩T2——螺母环形面与被联接件支承面间的摩擦力矩。Fa

§10-5螺纹联接的预紧和防松绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧螺母，使被联接件受到压缩，同时螺纹联接件受到拉伸。预紧力——使联接在承受工作载荷之前预先所受到的力。预紧目的：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。一、拧紧力矩对于M10～M68的粗牙螺纹螺栓，

取f’=tg’，fc=0.15，则T≈0.2Fad

注意：1）拧紧后螺纹联接件的预紧应力一般可达材料的屈服极限ss的50%~70%。2）可凭工人的经验来控制扳手的拧紧力矩。重要的联接可利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手的方法来控制预紧力。3）通常标准扳手的长度L15d，若拧紧力为F，T≈

FL，

Fa≈

75F

。如F=200N,Fa≈

15000N，足以拧断M12以下的螺栓。对于重要的联，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。且对于要求拧紧的螺栓，应精确控制预紧力。二、螺纹联接的防松

联接螺纹都能满足自锁的条件（ψ<’

）在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹联接不会自动松脱。在振动、冲击或变载荷的作用下，会使联接松脱。防松——防止螺旋副在受载时发生相对转动。防松按其工作原理分为：摩擦防松和机械防松。常用防松装置的原理和结构防松方法防松装置结构特点及应用摩擦防松对顶螺母两螺母对顶拧紧后，使旋合螺纹间始终受到附加的压力和摩擦力的作用。工作载荷有变动时，该摩擦力仍然存在。结构简单，适用于平稳、低速和重载的固定装置上的联接弹簧垫圈弹簧垫圈材料为弹簧钢，螺母拧紧后，靠垫圈压平而产生的弹性反力使旋合螺纹间压紧。同时垫圈斜面的刃口抵住螺母与被联接件的支承面也有防松作用。结构简单、使用方便。但由于垫圈的弹力不均，在冲击、振动的工作条件下，其防松效果较差，一般用于不甚重要的联接自锁螺母螺母一端制成非圆形收口或开缝后径向收口。当螺母拧紧后，收口胀开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。结构简单，防松可靠，可多次装拆而不降低防松性能

机械防松开槽螺母与开口销六角开槽螺母拧紧后，将开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，并将开口销尾部掰开与螺母侧面贴紧。也可用普通螺母拧紧后再配钻开口销孔。适用于较大冲击、振动的高速机械中运动部件的联接圆螺母用止动垫片将止动垫片的内舌放入螺栓（轴）的槽内，待螺母拧紧后，把止动垫片的外舌之一折嵌入到螺母的一个槽内，使螺栓螺母相互约束起到放松作用。结构简单，使用方便，防松可靠，应用较广串联钢丝用低碳钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将一组螺钉串联起来，使其相互约束，当有松动趋势时，钢丝被更加拉紧。使用时必须注意钢丝的穿入方向。适用于螺钉组联接，防松可靠，但装拆不便其它的防松方法

§10-6

螺纹联接的强度计算联接的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。受拉螺栓：失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。受剪螺栓：失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。螺栓联接的强度计算，主要是根据联接的类型、联接的装配情况（是否预紧）和受载状态等条件，选择相应的强度计算准则，计算螺栓危险截面的尺寸（确定螺纹小径d1或d0

、校核其强度。其他部分均可根据公称直径d直接按螺纹联接件的标准确定。一、松螺栓联接特点：联接装配时螺母不需拧紧，不承受工作载荷时，螺栓不受力。强度条件：二、紧螺栓联接强度计算预紧力引起的拉应力：螺纹矩引起的扭转剪应力：根据第四强度理论，当量应力:强度条件：紧螺栓联接在装配时，螺母需拧紧，在承受工作载荷前，螺栓在拧紧力矩的作用下已受到预紧Fa和螺纹力矩T1

的联合作用。

当联接承受较大的横向载荷F时，f=0.15，C=1.2，m=1，F0≥8F

，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。1.受横向工作载荷的螺栓强度基本假设：1）同一组螺栓的直径、长度、材料和预紧力均相同；2）被联接件为刚体，即受载后接合面保持为平面；3）螺栓组的对称中心与联接结合面的形心重合。（1）普通螺栓联接或C——可靠性系数，通常取C=1.1~1.3。（2）铰孔制螺栓联接这种螺栓联接是靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷。螺栓杆与被联接件孔壁接触表面的挤压强度条件为螺栓杆的抗剪强度条件为式中：F——螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d0——螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；

Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使

Lmin≥1.25d0m——螺栓杆受剪面的数目。2．受轴向工作载荷的螺栓强度Fa——总拉力

FE_——工作载荷

F0——预紧力

FR——残余预紧力Fa

=？

F0

+FEa)螺母未拧紧b0=0c0=0F0=0FE=0b)螺母拧紧栓：F0（拉）b0

FE=0

F0

≠

0被：F0（压）c0

b0≠C0c)螺母拧紧栓：F0→

Fa

b0+F0

≠

0FE

≠

0被：F0→FR

C0-变形力变形

力单个紧螺栓联接受力变形图螺栓受工作载荷时，螺栓总载荷：螺栓刚度：被联接件刚度：变形

力为保证受载后接合面联接的紧密性，应使残余预紧力FR>0。有紧密性要求的联接：

FR=（1.5~1.8）FE工作载荷稳定：FR=（0.2~0.6）FE工作载荷不稳定：FR=（0.6~1.0）FE校核公式强度条件：设计公式

§10-7

螺栓材料和许用应力

国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。螺栓级别:

点前数字为σB/100点后数字为10σs/σB螺母级别:

σB/100

σB——抗拉强度极限σS——屈服极限一、螺纹联接件材料

常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。二、螺纹联接件的许用应力（被联接件为钢）（被联接件为铸铁）受轴向载荷、横向载荷的许用拉应力铰孔制螺栓受横向载荷的许用剪应力和许用挤压应力静载荷变载荷有紧密性要求的联接

取FR=1.8FE解：（1）计算FE（2）计算Fa（3）求Ｍd螺栓选用45钢，s=360N/mm，S=3取M16螺栓，d1=13.835mm，查表10-7所取S=3正确。（4）确定Ｄ０e螺栓间距l

§10-8

提高螺栓联接强度的措施一、降低螺栓总拉伸载荷的变化范围二、改善螺纹牙间载荷分布三、减小应力集中四、避免和减小附加应力

§10-9

螺旋传动(自学)按用途分三类：(1)传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自(2)传导螺旋机床进给汇杠—传递运动和动力特点：速度高、连续工作、精度高(3)调整螺旋机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。特点：是受力较小且不经常转动螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递动力。螺旋机构在机床的进给机构、起重设备、锻压机械、测量仪器、工具、夹具、玩具及其他工业装备中有着广泛的应用。

§10-11键联接和花键联接

类型：平键联接、花键联接。一、键联接的类型

作用:

键可实现轴与轴上零件之间的周向固定以传递转矩。也可实现轴向固定或轴向移动。平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂