工学联接g机械设计基础

工学联接g机械设计基础第1页/共95页§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）

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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）第3页/共95页一、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螺纹参数第4页/共95页一、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。第5页/共95页二、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；第6页/共95页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：第7页/共95页双线螺纹单线螺纹第8页/共95页三、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。第9页/共95页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=nP第10页/共95页7）螺旋升角ψ—中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。tgψ

=nP/πd28）牙型角α—轴向截平面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间夹角称为牙侧角（牙型斜角）β。对称牙侧角β＝α/2第11页/共95页一、矩形螺纹二、非矩形螺纹§10—2螺旋副的受力分析、

效率和自锁三、螺旋副效率第12页/共95页一、矩形螺纹（=0)1、螺纹受力分析摩擦角ρ：

滑块在水平面上，受到外力R（F+Fa）作用，同时还受到法向反力Fn与摩擦力Ff的作用，令法向反力与摩擦力的总反力为FR，则FR与Fn方向之间所夹的锐角ρ被称为摩擦角。FnFRFfRFaFρtgρ=Ff/Fn；Ff=Fntgρ=Fnff=tgρ称为摩擦系数。第13页/共95页FaFFnFrfFn

ρ（1）把螺旋副在力矩和轴向载荷作用下的运动，看成作用在中径的水平力推动滑块沿螺纹运动。（2）将矩形螺纹沿中径d2展开得一斜面。ψ

图中ψ为螺旋升角，Fa为轴向载荷，

F为水平推力，Fn为法向反力，Ff为摩擦力，f为摩擦系数，ρ为摩擦角，法向反力Fn与摩擦力Ff的总反力为Fr。ψ第14页/共95页F=Fatg(ψ+)（3）其受力状况可以理解为：作用在滑块上F为一驱动力，轴向载荷Fa为一阻力，总反力为Fr。FaFFnFrfFnψ

ρψ

v若使滑块等速沿斜面上升，滑块所受三力平衡：ψ+ρFaFFrF+Fa

+Fr=0拧紧时：第15页/共95页F=Fatg(ψ-)松开时：相当于使滑块等速沿斜面下滑，轴向载荷Fa变为驱动力，F变为维持滑块等速运动所需的平衡力。FaFFrfFnvψ

Fnρψ

FFrFaψ-ρ

可得：（1）ψ->0，ψ>，F>0分析：<第16页/共95页F=Fatg(ψ-)（1）ψ->0，ψ>，F>0分析：

说明滑块在重力作用下下滑，必须给以止动力，防止加速下滑。（2）ψ-0，ψ，F0<<<

说明滑块不能在重力作用下下滑。这一现象称为自锁现象。螺旋千斤顶就是利用这一原理工作的。2、螺纹自锁：FaFFrfFnvψ

Fnρψ

第17页/共95页二、非矩形螺纹（=0)三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹1、螺纹受力分析：唯一差别是：法向力比矩形螺纹大。（忽略升角λ的影响）第18页/共95页这时螺纹的摩擦阻力为：在Fa的作用下，法向反力比矩形螺纹大为：f'称为当量摩擦系数ρ'称为当量摩擦角这时把法向力的增加看成摩擦系数的增加。为牙型斜角第19页/共95页

用f'取代f，用ρ'取代ρ，就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行受力分析上升：F=Fatg(ψ+')下滑：F=Fatg(ψ-')2、螺纹自锁条件为：

ψ'<第20页/共95页三、螺旋副效率为：螺旋副的效率问题是由于摩擦引起的：上升：

在同样的载荷Fa，同样的牵引速度V，走过同样的距离S情况下：F=Fatg(ψ)若不考虑摩擦时：若考虑摩擦时：F=Fatg(ψ+')没有摩擦时，需要的输入功=FS=FaStg(ψ)考虑摩擦时，需要的输入功=FS=FaStg(ψ+')理论上实际上ψ

FaFFrψ+ρFaFFr第21页/共95页所以：从上式可以看出：

当'不变时，η与ψ的关系如右图所示。取：可得：当ψ=45º-'时效率最高。ψ常取25º左。ψ太大会引起制造困难，且效率增高也不显著。第22页/共95页下滑：第23页/共95页一、三角形螺纹二、梯形和锯齿形螺纹§10—3机械制造常用螺纹三、螺纹标注四、例题1第24页/共95页

三角形螺纹，主要有普通螺纹和管螺纹，前者多用于紧固联接和后者用于紧密联接。三角形螺纹1、普通螺纹

在我国的国家标准中，把牙型角α=60º的三角形米制螺纹称为普通螺纹，以大径d为公称直径。（1）普通螺纹种类

因为同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的称为细牙螺纹。一、三角形螺纹第25页/共95页（2）粗、细螺纹特点、适用范围细牙螺纹：升角小，小径大，自锁性能好，强度高，但不耐磨损，易滑扣，用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构的调整。粗牙螺纹：应用最广。粗牙螺纹细牙螺纹第26页/共95页2、管螺纹管螺纹种类：

管螺纹除普通细牙螺纹外，还有60º、55º的圆柱管螺纹和60º、55º的圆锥管螺纹。

管螺纹广泛用于水、汽、油管路联接中。管螺纹公称直径是管子的公称通径。第27页/共95页二、梯形（双向）和锯齿形（单向）螺纹

梯形螺纹与锯齿形螺纹一般用于传动，效率高。它们的牙侧角比三角形螺纹小的多，可以减少摩擦和提高效率。梯形螺纹牙侧角=15º效率比锯齿形螺纹低。锯齿形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹牙侧角=3º。锯齿形螺纹只能用于承受单向轴向载荷。第28页/共95页有粗牙普通螺纹M10和M68，请说明在静载荷下这两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f=0.1~0.15）例题11、首先求螺纹升角ψ

。解：M10螺纹：M68螺纹：由P135表10-1查得：螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm；螺距P=6mm，中径d2=64.103mm。M10螺纹升角：M68螺纹升角：第29页/共95页2、求当量摩擦角'

。则当量摩擦角'为：普通螺纹牙型角α=60o牙侧角=30o摩擦系数f取为：0.1因为:同理:ψ10=3.03o<ρ'

，所以能够自锁。ψ68=1.707o<ρ'

，所以能够自锁。第30页/共95页一、螺纹联结基本类型二、螺纹紧固件§10—4螺纹联接的基本类

型及螺纹紧固件第31页/共95页一、螺纹联接的基本类型a)普通螺栓联接：1、螺栓联接

被连接件通孔不带螺纹，被联接件不太厚，装拆方便。螺杆带钉头，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，可多次装拆，应用较广。第32页/共95页第33页/共95页b)精密螺栓联接：

装配后无间隙，主要承受垂直于螺栓轴线的横向载荷，也可作定位用，采用基孔制过渡配合铰制孔螺栓联接第34页/共95页2、螺钉联接

螺钉直接旋入被连接的螺孔，结构比较简单，这种连接不宜经常装拆，以免被连件的螺纹孔磨损而修复困难。第35页/共95页3、双头螺柱联接

多用于较厚的被连接件或为了结构紧凑而采用盲孔的连接。允许多次装拆，而不会损坏被连接零件。其中一被连接件需要切制螺纹螺杆，螺柱两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。拆装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。第36页/共95页4、紧定螺钉联接

常用来固定两零件的相对位置，并可用来传递不大的力和力矩。第37页/共95页二、螺纹紧固件1、螺栓2、双头螺柱3、螺钉、紧定螺钉4、螺母5、垫圈垫圈作用：增加被连接件的支撑面积以减少接触处的压强和避免拧紧螺母时擦伤被连接件的表面。第38页/共95页平垫圈弹簧垫圈圆螺母用止动垫圈圆螺母六角头螺栓双头螺柱六角螺母六角开槽螺母内六角圆柱头螺钉开槽圆柱头螺钉开槽沉头螺钉紧定螺钉第39页/共95页一、拧紧力矩二、螺纹连接的防松

§10-5

螺纹联接的预紧和防松三、例题2第40页/共95页一、拧紧力矩T=T1+T2

=

一般情况下，螺纹联接都需要拧紧，对重要的螺纹，必须控制预紧力的大小，以保证工作的可靠性。拧紧力矩T主要包括：螺纹副相对转动的阻力矩T1;螺母支承面上的摩擦阻力矩T2。T1T2T第41页/共95页对于M10~M68的普通粗牙螺纹：取f'=tgρ'

=0.15

，fc=0.15则上式简化为：T=0.2Fa

d(N.mm)

式中，d为螺纹公称直径；FaFa为预紧力。Fa由螺纹联接的要求决定。一般是取螺栓材料屈服极限的50%~70%。

重要的螺纹（大于M12~M16)应采用有效的措施控制预紧力。测力矩板手第42页/共95页二、螺纹联接的防松

螺纹防松是防止螺纹副的相对转动。常用的方法见表10-3。

实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失，摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故1、防松目的

消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。2、防松原理3、防松办法及措施第43页/共95页1）利用附加摩擦力防松

第44页/共95页2）采用专门防松元件防松：槽形螺母与开口销圆螺母用带翅垫片止动垫片第45页/共95页3）其他方法防松：第46页/共95页已知梯形螺纹Fa=30KN,n=1,d=36mm,P=6mm,f=0.08,fc=0.1,rf=20mm求：1.能否自锁，

2.举起重物的驱动力矩

3.起重例题器的总效率。例题2第47页/共95页解：第48页/共95页第49页/共95页一、松螺栓联接二、紧螺栓联接连接松

§10-6螺栓联接的强度计算第50页/共95页螺栓的强度计算就是确定小径d1。1.螺栓杆拉断；2.螺纹的压溃和剪断；3.磨损后的滑扣螺栓的主要失效形式有：一、松螺栓联接

工作时不需要将螺母拧紧。如吊钩螺栓.螺栓所受拉力工作载荷=第51页/共95页松螺栓联接强度条件：其中：[]—许用拉应力,MPad1—螺纹小径例题3第52页/共95页例题3如下图所示，起重吊钩的起吊重量是25kN，吊钩材料为35钢，许用应力为60MPa，求吊钩尾部螺纹直径。根据：有解：第53页/共95页

查出的d1比根据强度计算求得的d1值略大，强度合适。故吊钩尾部螺纹可采用M27。由P136表10-1查得：d=27mm时，d1=23.752mmd1=23.033mm第54页/共95页二、紧螺栓联接

螺栓在工作前拧紧，便受到预紧力F0（等于Fa）和螺纹摩擦力矩T1的作用。预紧力F0→产生拉伸应力σ：螺纹摩擦力矩T1→产生剪应力τ第55页/共95页

拉、扭联合作用时，根据材料力学的第四强度理论，其当量应力为：∴螺栓螺纹部分的强度条件为：第56页/共95页1、受横向工作载荷的螺栓强度

杆孔间有间隙，为保证联接可靠即被连接件之间不产生相对滑移，应满足的条件为：使接合面摩擦力大于工作载荷F摩擦力：fFaFC≥特点：m—接合面数目f—摩擦系数（0.1~0.15）C—可靠性系数（1.1~1.3）F0

—预紧力m螺栓预紧力为：第57页/共95页分析：当f=0.15,C=1.2,m=1时,F08F，这说明螺栓联接靠摩擦力来承担横向载荷时,其直径尺寸较大。为了减小直径，简化结构，提高联接承载能力,可以采用以下减载装置:c)减载销a)减载键b)减载套筒第58页/共95页d)采用铰制孔用螺栓联接δ

这些减载装置中的键、套筒、销和铰制孔用螺栓可按受剪切和受挤压进行强度计算。第59页/共95页

螺杆与孔间紧密配合，无间隙，由光杆直接承受挤压和剪切来传递外载荷F进行工作FFδd0补充：铰制孔螺栓联接强度螺栓的剪切强度条件为：m——螺栓剪切面数[τ]——螺栓许用剪应力，MPam特点：第60页/共95页螺栓与孔壁接触表面的挤压强度条件为：铰制孔螺栓能承受较大的横向载荷，但被加工件孔壁加工精度较高，成本较高FFδd0F——横向载荷（N）

d0——螺栓剪切面直径（mm）δ

——螺栓杆与被联接件孔壁间接触受压的最小轴向长度（mm）第61页/共95页2、受轴向工作载荷的紧螺栓强度：工作特点：工作前拧紧，有预紧力F0工作后加上工作载荷FE工作前、工作中螺栓所受总载荷发生变化下面以气缸为例进行分析：

右图所示的缸体中，设流体压强为p，螺栓数为z，则缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为：FEFE

在受轴向工作载荷的螺栓中，螺栓实际承受的总拉伸载荷Fa并不等于预紧力F0与轴向工作载荷FE之和。第62页/共95页1、如右图所示，当螺母未拧紧时，螺栓螺母松驰状态.

２、拧紧—预紧状态凸缘—F0—压—δc0栓杆—F0—拉—δb0δb0δc0F0F0F0F0FaFa第63页/共95页螺栓杆受力变形图被联接件受力变形图第64页/共95页螺栓杆—凸缘—3、加载FE后→工作状态δb0δc0Dδl'F0F0F0F0FaFaδb0+DδDδδc0—DδFEFRFRFEFaFa凸缘→变形缩小Δ

拉力增加—

变形增加Δ

继续拉长—压力减小—第65页/共95页合成受力变形图从图线可看出，螺栓受工作载荷F时，螺栓总载荷：

FR—残余预紧力

第66页/共95页为保证联接的紧密性（即结合面不出现间隙）：残余预紧力FR必须大于零；对FE没有变化时，FR

=(0.2~0.6)FE;对FE有变化时，FR

=(0.6~1.0)FE;对重要的有紧密性要求的联接，FR

=(1.5~1.8)FE;

在一般计算中，先根据联接的工作要求定出FR,再计算Fa=FE+FR

,最后带入强度计算式：第67页/共95页

若轴向工作载荷FE在0～FE间周期性变化，则螺栓所受总拉伸载荷应在F0～Fa间变化。

受变载荷螺栓的计算也按总拉伸载荷Fa进行，带入强度计算式，不同的是许用应力应按表10—6和10—7选取。第68页/共95页螺栓刚度和被联接件刚度对螺栓受力的影响：变形力FaF0FRFEb0c0D螺栓刚度Kb=F0/b0被联接件刚度Kc=F0/c0DFbDFc又因为：第69页/共95页称为螺栓的相对刚度系数。

螺栓的相对刚度系数与螺栓及被联接件的材料、尺寸和结构有关，其值在0~1变化，可按表10-5查取。式中：第70页/共95页FEFE例题:油缸壁厚10mm,p=1.6MPa,D=160mm,共有8个螺栓均布于凸缘中部,求螺栓强度及其分布.第71页/共95页例题、图示螺栓连接中采用2个M20的螺栓，其许用拉应力为【】=160Mpa，结合面的摩擦系数f=0.2，可靠系数C=1.2求该连接允许传递的静载荷第72页/共95页一、螺栓的常用材料（P145）

§10-7螺栓的材料和许用应力二、螺栓联接的许用应力三、紧螺栓联接的安全系数一般用途：碳素钢；重要联接：合金钢许用应力：见表10-6安全系数：见表10-7第73页/共95页

螺栓联接承受轴向变载荷时，螺栓的损坏多为螺栓杆部分的疲劳断裂，通常发生在应力集中较严重的地方，如：螺栓头部、螺纹收尾部和螺母支撑平面所在处的螺纹。

§10-8提高螺栓联接强度的措施

下面说明影响螺栓强度的因素和提高强度的措施。65%20%15%第74页/共95页一、降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围F0F0FaminFRFaFamaxFamaxFamin减小螺栓刚度kb

；增大被联接件刚度kc

；措施：第75页/共95页第76页/共95页二、改善螺纹牙间的载荷分布第77页/共95页三、避免或减少应力集中第78页/共95页四、避免或减少附加应力

引起附加应力的原因：避免附加应力的措施：第79页/共95页一、键联接的类型：（P151）

§10-11键联接和花键联接二、平键联接的强度校核三、花键联接第80页/共95页一、键联接的类型：键：1、平键联接（1）主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩；（2）有些键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动；是标准件，分为平键、半圆键、楔键和切向键平键:分为普通平键和导向平键两种。特点:定心性较好、装拆方便，应用最广。2、半圆键联接3、楔键联接和切向键联接第81页/共95页普通平键的端部有A型（圆头）、B型（方头）和C型（单圆头）三种。

轴上键槽用指形铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。

用盘形铣刀加工，轴的应力集中较小。常用于轴端。第82页