机械设计(第四)廖念禾第5章

第二篇联接现在是1页\一共有129页\编辑于星期一引言联接

由于使用、结构、制造、装配、运输等方面的原因，机器中很多零件需要彼此联接。机械零件之间的联接分为：被联接件之间相互完全固定。被联接件之间能产生一定的相对运动。例如：运动副。静联接：动联接：本课程介绍的联接主要是静联接。联接的类型：螺纹联接键联接、花键联接、销联接弹性环联接等铆接焊接粘接联接可拆联接不可拆联接过盈联接（介于两者之间）现在是2页\一共有129页\编辑于星期一第六章螺纹联接现在是3页\一共有129页\编辑于星期一§1类型、材料和精度一、螺纹的主要参数大径d－－是螺纹的公称直径。小径d1－－常用于强度计算。中径d2－－常用于几何计算。螺距P－－相邻两螺纹牙上对应点间的轴向距离。导程S－－沿螺纹上同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。线数n－－螺纹的螺旋线数目。牙型角a－－在轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。牙型斜角β－－在轴向截面内，螺纹牙型一侧边与螺纹轴线的垂线之间的夹角。现在是4页\一共有129页\编辑于星期一现在是5页\一共有129页\编辑于星期一螺纹的类型螺纹升角y－－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。螺纹二、螺纹的类型螺纹分为外螺纹内螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹左旋右旋常用右旋效率较高，主要用于螺旋传动此外，还有管螺纹：主要用于管路的联接。按牙型的不同分为普通螺纹：矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹（详见表5－1）效率低，易自锁，多用于联接。现在是6页\一共有129页\编辑于星期一1、普通螺纹(代号：MGB192-81)特点：螺纹的牙型角=2=60。因牙型角大，所以当量摩擦系数大，自锁性能好，主要用于连接。现在是7页\一共有129页\编辑于星期一细牙螺纹与粗牙螺纹的比较粗牙：常用细牙的缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。细牙：自锁性能更好。常用于承受冲击、振动及变载荷、或空心、薄壁零件上及微调装置中。现在是8页\一共有129页\编辑于星期一2、圆柱管螺纹特点：用于管件连接的三角螺纹，=55螺纹面间没有间隙，密封性好，适用于压强在1.6MPa以下的连接。现在是9页\一共有129页\编辑于星期一3、圆锥螺纹特点：螺纹均布在锥度为1:16的管上,=55或60螺纹面间没有间隙，不用填料，靠牙变形，密封性好，适用于高温、高压的连接。用螺纹密封的管螺纹现在是10页\一共有129页\编辑于星期一4、矩形螺纹特点：牙形为正方形，=0，所以效率高，用于传动,牙根强度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替。磨损后间隙无法补偿现在是11页\一共有129页\编辑于星期一5、梯形螺纹(代号：T特点：=2=30。比矩形螺纹效率略低。牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。

rGB192-81)现在是12页\一共有129页\编辑于星期一6、锯齿形螺纹(代号：SJB923-66)特点：工作边=3，非工作边=30，便于加工。它综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点,能承受较大的载荷,但只能用于单向传动。现在是13页\一共有129页\编辑于星期一7、其它螺纹主要用于金属薄板的连接现在是14页\一共有129页\编辑于星期一三、螺纹联接的基本类型：分松联接和紧联接受拉螺栓联接（普通螺栓联接）受剪螺栓联接（铰制孔用螺栓联接）1）螺栓联接2）双头螺柱联接3）螺钉联接4）紧定螺钉联接

螺栓、螺柱、螺钉、螺母等称为螺纹联接件。在机械制造中常用螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。现在是15页\一共有129页\编辑于星期一现在是16页\一共有129页\编辑于星期一现在是17页\一共有129页\编辑于星期一现在是18页\一共有129页\编辑于星期一现在是19页\一共有129页\编辑于星期一四、标准螺纹连接件现在是20页\一共有129页\编辑于星期一双头螺柱各种螺钉现在是21页\一共有129页\编辑于星期一各种螺母与垫片现在是22页\一共有129页\编辑于星期一三、螺纹连接零件常用材料和机械性能等级1、常用材料：普通连接：低碳钢，中碳钢，如:Q215、Q235和10、15、35、45号钢。变载荷或有冲击、振动的重要连接：合金钢，如:40Cr、15MnVB、30CrMnSi。螺母材料一般较相配合的螺栓的硬度低20~40HBS。现在是23页\一共有129页\编辑于星期一螺纹紧固件的性能等级和材料：螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分十级（3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9）小数点前数字为σBmin/100，小数点后数字为10(σSmin/σBmin)；螺栓、螺柱、螺钉的材料按不同的性能等级选取：常用B235和45钢。

螺母性能等级按螺母不同高度m有：m≥0.8D4568910120.5D≤m<0.8D0405性能等级的数字表示螺母材料强度σBmin/100；“0”表示螺母的实际承载能力比后面数字表示的低；螺母材料为中碳钢，最高含碳量4、5、6三级为0.5%，其余各级为0.58%。现在是24页\一共有129页\编辑于星期一现在是25页\一共有129页\编辑于星期一现在是26页\一共有129页\编辑于星期一§2拧紧和防松

预备知识：螺纹力矩：自锁条件：螺纹升角：当量摩擦系数：当量摩擦角：

现在是27页\一共有129页\编辑于星期一现在是28页\一共有129页\编辑于星期一现在是29页\一共有129页\编辑于星期一一.

拧紧：拧紧是为了施加一定的预紧力F’，以增加联接的刚性，紧密性和防松能力；对受拉螺栓联接，可增加螺栓疲劳强度；对受剪螺栓，可增加联接中的摩擦。通常拧紧后螺纹连接的预紧力不得超过其材料屈服极限σs的80%，因此推荐：拧紧力矩：在螺纹力矩的影响下，螺纹副间有圆周力Ft作用，螺栓受到预紧力F’，被联接件受到预紧压力F’。

现在是30页\一共有129页\编辑于星期一因此，平均：对于要求拧紧强度的螺栓联接应严格控制拧紧力，并不宜小于M12～M16的螺栓；

现在是31页\一共有129页\编辑于星期一二、装配时控制预紧力的方法测力矩扳手现在是32页\一共有129页\编辑于星期一定力矩扳手冲击扳手现在是33页\一共有129页\编辑于星期一三、螺纹联接的防松

螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在温度变化较大的情况下，螺纹联接可能会产生松脱现象。防松的本质在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分三类：摩擦防松机械防松永久止动现在是34页\一共有129页\编辑于星期一弹簧垫圈现在是35页\一共有129页\编辑于星期一开口销与槽形螺母b）机械防松（直接锁住）现在是36页\一共有129页\编辑于星期一现在是37页\一共有129页\编辑于星期一正确不正确注意金属丝穿入方向串联金属丝现在是38页\一共有129页\编辑于星期一现在是39页\一共有129页\编辑于星期一§3单个螺栓联接的受力分析和强度计算

一.

失效及计算直径：选用标准件，则强度计算主要是确定或验算螺栓危险截面尺寸；螺栓联接的其它部分如螺母、垫圈等据标准选定；失效形式：静载荷：螺纹部分的塑性变形和断裂；变载荷：螺杆的疲劳断裂；损坏通常发生在第一圈旋合螺纹处。精度低螺纹：发生滑扣（丝）现象。4）螺栓危险截面面积的计算直径：

现在是40页\一共有129页\编辑于星期一如：起重滑轮螺栓现在是41页\一共有129页\编辑于星期一二.受拉松螺栓联接：特点：受载前未压紧；载荷为轴向静载荷。螺栓工作时受拉应力；强度条件：由dcd1

查表选d（Md）。三.受横向载荷的紧螺栓连接受拉紧螺栓联接：特点：螺栓装配时须拧紧（即承载前已预紧）；

现在是42页\一共有129页\编辑于星期一现在是43页\一共有129页\编辑于星期一现在是44页\一共有129页\编辑于星期一螺栓与孔之间有间隙。只受预紧力的紧螺栓联接（即受横向载荷的紧螺栓联接）：特点：承载前已预紧；载荷与螺栓轴线垂直；螺栓与孔之间有间隙，靠摩擦传递载荷FR。螺栓受力：螺栓只受预紧力F’，载荷靠接合面间的摩擦力传递；据板的平衡条件：

现在是45页\一共有129页\编辑于星期一摩擦系数μ：对钢铁零件接合面干燥：μs=0.1~0.16；接合面有油：μs=0.06~0.1。摩擦传力的可靠系数：kf=1.1~1.5；当z=1，m=1，取μs=0.15，kf=1.2，则F’=8FR，可见要传递

FR的载荷需要8FR的预紧力，螺栓工作恶劣——可用减载销、键或减载环来改善。强度条件：拉应力：切应力：

现在是46页\一共有129页\编辑于星期一现在是47页\一共有129页\编辑于星期一由于是塑性材料，据第四强度理论，取；

则：

由dcd1

查表选d（Md）。受剪螺栓联接：（2）螺栓受力：靠剪切和挤压来传递载荷；据平衡条件：

现在是48页\一共有129页\编辑于星期一现在是49页\一共有129页\编辑于星期一现在是50页\一共有129页\编辑于星期一现在是51页\一共有129页\编辑于星期一由于板弹性的影响，两端螺栓所受剪力比中间的大，故沿载荷方向布置的螺栓数目不宜超过6个，即z≤6。（2）强度条件：工作时，螺栓在联接接合处受剪，并与被联接件孔壁互相挤压；失效形式：螺栓被剪断，螺杆或钉孔被压溃；剪切强度条件：挤压强度条件：

现在是52页\一共有129页\编辑于星期一注意：计算时，[σp]取各零件中的小值进行计算。h取h1和h2中的小值。还可利用各种抗剪零件来传递横向力；也可采用高强度螺栓摩擦联接；

现在是53页\一共有129页\编辑于星期一四.受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接（受轴向载荷的紧螺栓联接）：特点：承载前已预紧，预紧力F’；螺栓与孔之间有间隙;外载荷与螺栓轴线方向一致；受载后接合面仍须保持一定压紧力。

现在是54页\一共有129页\编辑于星期一现在是55页\一共有129页\编辑于星期一总体分析：这种联接除应有足够的强度外，还要保证联接紧密；设容器内气体压力p(N/mm2)，则容器盖上受的总载荷：c.

受压面积直径：d.

据螺钉间距确定螺栓数目：

设总载荷在各个螺栓中分布均匀，则每个螺栓载荷为：

现在是56页\一共有129页\编辑于星期一螺栓间距离t（对压力容器）现在是57页\一共有129页\编辑于星期一现在是58页\一共有129页\编辑于星期一现在是59页\一共有129页\编辑于星期一单个螺栓的受力和变形：尚未预紧时；被联接接件受预紧力F’，螺栓受拉力F’，螺栓伸长δ1=F’/c1，被联接件缩短δ2=F’/c2；加上外载荷F后：这时螺栓拉力增量为F0—F’，伸长量Δδ1；外载荷F有力图使接合面变松的趋势，故被联接件所受力由F’F’’（剩余预紧力），被联接件的压缩量减少了Δδ2。据作用力和反作用力的关系，螺栓所受预紧力也由F’F’’。现在是60页\一共有129页\编辑于星期一c)受工作载荷时a)拧紧时b)两图合并现在是61页\一共有129页\编辑于星期一由于外载荷F也要作用于螺栓上，故螺栓所受总力：F0=F+F’’。螺栓伸长变形又增加Δδ1’(Δδ1=Δδ2)，螺栓所受拉力增量F0—F’。变形协调条件：被联接件的变形恢复量Δδ2=螺栓受载F0后变形增加量Δδ1。据螺栓与被联接件变形协调条件：现在是62页\一共有129页\编辑于星期一可见螺栓总拉力等于预紧力加上部分工作载荷，当当相对刚度系数的大小，当被联接零件为刚铁零件时：金属（包括不用垫片）0.2~0.3；皮革0.7；钢皮石棉0.8；F”（剩余预紧力）应大于零，以保证联接的刚性或紧密性：F无变化时，F”=(0.2~0.6)F；F有变化时，F”=(0.6~1.0)F；

现在是63页\一共有129页\编辑于星期一压力容器的紧密联接，F”=(1.5~1.8)F，且保证密封面的剩余预紧力大于压力容器的工作压力；注意：应按F0=F+F”计算螺栓强度。强度条件（静强度条件）：螺纹力矩为：，考虑到可能在工作载荷下补拧紧，则螺纹力矩为：，故：强度条件：

设计中，根据F确定F″计算满足F″所需的F′计算总拉力计算螺栓的强度。现在是64页\一共有129页\编辑于星期一若工作载荷为变载荷：现在是65页\一共有129页\编辑于星期一螺栓的拉力变幅：变载零件的疲劳强度应力幅是主要因素，则强度条件：若F1=0，则属于σmin=常数的变载情况（脉动循环）；5）若受的是变载荷（变载强度条件）：当现在是66页\一共有129页\编辑于星期一§4螺栓组联接的受力分析据被联接件的结构、载荷来确定联接的传力方式，螺栓的数目和布置；常采用相同的螺栓材料、直径和长度；主要是要求出联接中各螺栓的受力大小，特别是其中受力最大的螺栓及载荷；假设：被联接件为刚体；各螺栓具有相同的材料、直径和长度；螺栓的应变没有超出弹性范围。

现在是67页\一共有129页\编辑于星期一一.受轴向力的螺栓组联接：（前面已介绍）各螺栓分担的载荷F相等：二.受横向力FR的螺栓组联接（前面已介绍）：现在是68页\一共有129页\编辑于星期一三.受旋转力矩T的螺栓组联接：受拉螺栓联接：各螺栓联接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心处，与螺栓中心至底板旋转中心O的连线垂直；则

现在是69页\一共有129页\编辑于星期一受拉螺栓组连接受剪螺栓组连接现在是70页\一共有129页\编辑于星期一受剪螺栓联接：各螺栓的工作载荷Fs与其中心至底板旋转中心的连线垂直；则：根据螺栓的变形协调条件：各螺栓的剪切变形与其中心至底板旋转中心的距离成正比：联立上两式：

现在是71页\一共有129页\编辑于星期一受翻转力矩M的螺栓组联接：采用受拉螺栓，拧紧后，螺栓受预紧力；则左边螺栓受到工作载荷F，右边螺栓受负的拉力，预紧力将减少；左半边螺栓的紧固力增大，而右半边机座的反抗压力以同样大小增加：根据螺栓的变形协调条件：各螺栓的拉伸变形与其中心至底板翻转轴线的距离成正比；则左边螺栓的工作载荷和右边机座在螺栓处的压力也与这个距离成正比：

现在是72页\一共有129页\编辑于星期一现在是73页\一共有129页\编辑于星期一联立求得：

现在是74页\一共有129页\编辑于星期一

在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓的排列应有合理的间距、边距，并考虑扳手空间。

为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。五、螺栓组联接的结构设计

各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。大多数机械中螺栓都是成组使用的。现在是75页\一共有129页\编辑于星期一现在是76页\一共有129页\编辑于星期一现在是77页\一共有129页\编辑于星期一现在是78页\一共有129页\编辑于星期一现在是79页\一共有129页\编辑于星期一§5提高螺栓联接强度得措施

受拉螺栓联接的强度决定于螺栓的强度；影响螺栓强度的因素：材料、尺寸参数、制造和装配等；在变载下，受拉螺栓的失效多属于疲劳性质；当然还有静强度不足和滑丝现象。均匀螺牙的受力分配：受力分析：实际中各圈螺纹的受力是不均的，对受拉螺杆与受压螺母：下面第一圈受力最大，上面最后一圈受力最小；

现在是80页\一共有129页\编辑于星期一现在是81页\一共有129页\编辑于星期一现在是82页\一共有129页\编辑于星期一2、办法采用受拉螺母（变形一致）

——

减小螺栓螺母螺距变化差现在是83页\一共有129页\编辑于星期一从传力算起，第一圈变形最大，受力也最大，以后各圈递减；旋合圈数越多，受力越不均匀，到8~10圈后，螺纹牙几乎不受力；加高螺母对提高螺栓强度作用不大；措施：改进螺母结构，采用均载螺母：选较软的螺母材料采用钢丝螺套二.减小附加应力：

现在是84页\一共有129页\编辑于星期一现在是85页\一共有129页\编辑于星期一均载螺母1现在是86页\一共有129页\编辑于星期一均载螺母2现在是87页\一共有129页\编辑于星期一现在是88页\一共有129页\编辑于星期一引起附加弯曲应力因素：现在是89页\一共有129页\编辑于星期一现在是90页\一共有129页\编辑于星期一现在是91页\一共有129页\编辑于星期一主要指弯曲应力，螺纹牙根对弯曲很敏感，在相当大的拉应力下，弯曲应力对螺栓断裂起关键作用；减少或避免弯曲应力的措施：在工艺上要求螺孔轴线与联接中各承压面垂直；三.减少应力集中；螺纹的牙根和收尾、螺栓头部与螺杆交接处都有应力集中；适当加大牙根圆角半径以减轻应力集中，可提高螺栓疲劳强度达20~40%；在螺纹收尾处用退刀槽，在螺母承压面以内的螺杆有余留螺纹等；高强度螺栓对应力集中敏感，可用更大预紧力和更高极限强度。

现在是92页\一共有129页\编辑于星期一降低应力幅：螺栓最大应力一定时，应力幅越小，疲劳强度越高；在c1

，c2

，Fa可

；

为工作载荷折算成到螺栓上的载荷值，它越小，则动载荷的影响越小；当螺栓刚度为被联接件刚度的半时（c1=c2/2），螺栓应力变化幅仅为工作载荷变化幅的三分之一；减小螺栓刚度的措施：

现在是93页\一共有129页\编辑于星期一现在是94页\一共有129页\编辑于星期一现在是95页\一共有129页\编辑于星期一现在是96页\一共有129页\编辑于星期一增大螺栓长度。设计为柔性螺栓。在螺母下安装弹性元件。现在是97页\一共有129页\编辑于星期一现在是98页\一共有129页\编辑于星期一措施：不宜采用刚度小的垫片。现在是99页\一共有129页\编辑于星期一现在是100页\一共有129页\编