机械设计基础联结课件

第10章联结1A静联接：固定，无相对运动。如螺纹联接、普通平键联接。动联接：彼此有相对运动。如花键、螺旋传动等。1、按运动关系分靠摩擦力（力闭合）：如受拉螺栓、过盈联接。非摩擦（形闭合）：靠联接零件的相互嵌合传载，如平键。材料锁合联接：利用附加材料分子间作用，如粘接、焊接。2、按传载原理分可拆联接：如螺纹联接（最广泛的可拆联接）。不可拆联接：如焊接、铆接等。3、按拆开时是否损坏零件分2A①直径大径d：公称直径。M20→d=20mm小径d1：螺纹的最小直径。中径d2：齿厚=齿槽宽处直径，几何计算用。一般取：d2=(d+d1)/2④螺距p②线数n：n=1时用于联接；n＞1时用于传动；n↑→η↑，但为便于制造n≤4③牙形角α：螺纹牙两侧面夹角。1、螺纹的主要参数10-1 螺纹参数3A2、螺纹的类型右旋左旋螺纹位置：内螺纹——螺母；外螺纹——螺钉。旋向判定：顺着轴线方向看，可见侧左边高则为左旋，右边高则为右旋。螺纹旋向：左旋螺纹，右旋螺纹（常用）。思考：⑥中径升角ψ：⑤导程s：s=np4联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形：三角形、矩形、梯形、锯齿形等30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，ψ小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。∴联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。螺纹线数：单线（联接）；多线（传动）。5A6A10-2 螺纹副的受力分析、效率和自锁当滑块沿斜面等速上升时，相当于拧紧螺母，驱动力为F：相应驱动力矩一、矩形螺纹7A当滑块沿斜面等速下滑时，驱动力为F相应驱动力矩自锁条件:8A二、非矩形螺纹当滑块等速上升时：当滑块等速下降时：自锁条件：9A上升效率：下降效率：10A10-3机械制造常用螺纹特点：螺纹的牙型角=2=60,螺纹牙根部的强度较高，当量摩擦角大，自锁性能好，用于联接。按螺距的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹。三角形螺纹(代号：MGB192-81)11A细牙螺纹与粗牙螺纹的比较粗牙：常用连接牙形细牙：用于薄壁零件的连接、受动载荷零件的连接及微调装置的调节螺纹优点：升角小，小径大，自锁性能更好，强度高缺点：牙小，相同载荷下磨损快，易脱扣。细牙细牙粗牙12A特点：α=0°，其传动效率高，多用于传动。但对中性差，牙根强度低，螺纹牙磨损后间隙难以补偿。使传动精度降低，故已被梯形螺纹所代替。矩形螺纹13A梯形螺纹(代号：T

GB192-81)特点：=2=30。比矩形螺纹效率略低，但工艺性好、牙根强度高、对中性好。在螺旋传动中有广泛应用14A锯齿形螺纹(代号：SJB923-66)特点：工作边牙侧角=3，非工作边牙侧角=30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。15A管联结螺纹16A10-4螺纹联接的基本类型和螺纹紧固件一、螺纹联接的基本类型1、螺栓联接1、螺栓联接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不太厚的场合。受剪——铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起联接作用外，还起定位作用。17A18A2、螺钉联接用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。19A20A3、双头螺柱联接

用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。21A22A4、紧定螺钉联接螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。23A二、螺纹紧固件24A25A26A27A28A10-5螺纹联接的预紧和防松一、 螺纹联接的预紧预紧↑联接刚度↑防松能力↑紧密性受载之前拧紧螺母预紧力Fa29A１、预紧力过大，会使整个联接的结构尺寸增大；也会使联接在装配时因过载而断裂。２、预紧力不足，则又可能导致联接失效，重要的螺栓联接应控制预紧力。30A拧紧螺母时，要克服螺纹副的摩擦力矩T1和螺母与支持面间的摩擦力矩T2，因此拧紧力矩式中fc为螺母与被联接件支承表面间的摩擦系数。rf——支承面摩擦半径：取fc=0.15，对于M10-M68，可简化为：31A严格控制预紧力时d≮M12-M16标准扳手长度L=15d，若拧紧力为F，则：T=FL=15dF=0.2Fad→Fa=75F若F=200N，则Fa=15000N。→小于M12，则易拉断。32A装配时控制预紧力的方法33A34A冲击扳手35A采用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力，准确性较差，也不适用与大型的螺栓联接。为此，可以采用测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。测量螺栓伸长量36A二、螺纹联接的防松37A3、防松方法a）摩擦防松螺纹副中始终有不随联接载荷而变的压力，故存在摩擦力矩防止相对转动。压力可由纵向或横向压紧产生。开口方向：

斜向右下方38A金属锁紧螺母利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹尼龙圈锁紧螺母利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹楔紧螺纹锁紧螺母利用楔紧螺纹，使螺纹副纵横向压紧a）摩擦防松39Ab）机械防松（直接锁住）利用开口销使螺栓、螺母相互约束。串联金属丝利用金属丝使一组螺钉头部相互约束，有松动趋势时，金属丝更加拉紧。止动垫片垫片约束螺母，自身又约束在被联接件上40A41A10-6 螺栓联结的强度计算螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接：不拧紧，无预紧力Fa，仅受工作载荷FE紧联接：需拧紧仅受预紧力Fa同时受预紧力Fa和工作载荷FE一、受拉螺栓联接对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。42A一、松螺栓联接43AMPa或mm式中：d1—螺纹小径mm;见137Fa—螺纹承受的轴向工作载荷N[σ]—螺纹材料的许用应力MPa强度条件：整理，得设计公式：44A二、紧螺栓联接此类螺栓联接中，螺栓除受预紧力Fa引起的拉应力σ作用外，还受到螺纹副间摩擦力矩T1引起的剪切应力τ的作用。螺栓的危险截面处于拉伸和扭转的复合应力状态，而螺栓通常是塑性的，因此按第四强度理论（最大变形能理论），螺栓联接的强度条件为：对于M10～M68的普通螺纹钢制螺栓，可取45A或式中：——轴向力Nd1——螺纹小径mm[σ]——螺纹材料的许用应力MPa上式说明紧螺栓联接可按纯拉伸强度计算，但需将拉伸应力增大30%，以考虑扭剪应力的影响。46A1、受横向工作载荷的螺栓联结F0—预紧力m—结合面数目f—结合面摩擦系数C—可靠性系数，通常取C=1.1～1.3若结合面的摩擦力足够大，则被联结面之间不会发生相对滑动，因此螺栓所需的轴向力（预紧力）应为当取f=0.15、C=1.2、m=1，47A48A铰制孔螺栓联接的强度计算强度条件：式中：F—单个螺栓所受的横向载荷Nd0—螺栓剪切面直径mmδ—螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度mm[τ]——螺栓材料的许用剪切应力MPa（见148页）[σp]——螺栓和孔壁材料中弱者的许用挤压应力MPa49A2、受预紧力F0和轴向工作载荷FE的紧螺栓联接50A变形受力过程：无变形—→F0

—→δb0δc0—→+FE

—→δb0

+Δδ1δc0

-Δδ2变形协调条件：Δδ1=Δδ2=Δδ51A各力定义1、预紧力F0（拧紧螺母后，作用在螺栓上的拉力和被联件上压力）2、螺栓工作拉力Fa

—→总拉力3、工作载荷FE（对螺栓联接施加的外载荷）4、FR剩余预紧力。思考：图C中，Fa=？图c中，Fa=FE+F0？静力平衡条件：Fa=FE+FR即：螺栓总拉力等于工作载荷与剩余预紧力之和。52A同理，考虑扭转作用，强度条件为：——校核式mm——设计式53A选择有密封性要求时一般联接，载荷稳定时一般联接，载荷不稳定时地脚螺栓联接54A55A三、螺栓组联接的结构设计（补充）1、联接接合面的设计56A（一）螺栓的布置应使各螺栓的受力合理（1）对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合。（2)对于铰制孔螺栓联接的受剪螺栓，在平行于工作载荷方向上成排布置的螺栓数目不应超过8个，以免载荷分布不均。2、螺栓的数目及布置57A（3）对于受弯矩或转矩的螺栓联接，应使螺栓尽量布置在靠近联接接合面的边缘上，以减少螺栓的受力。58A（二）、螺栓的布置应有合理的间距和边距，以保证联接的紧密性和装配时扳手所需活动空间59A（三）螺栓的数目及布置应便于螺栓孔的加工分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4,6,8等偶数，以便于在圆周上钻孔时得分度和划线。60A10-7螺栓的材料及许用应力材料一般：碳钢低碳钢：Q215、10中碳钢：Q235、35、45变载荷；合金钢低碳钢：15Cr特殊用途：防锈、防磁、导电耐高温中碳钢：40Cr61A许用应力许用拉应力：许用切应力：许拥挤压应力：钢：铸铁：查手册安全系数表10-6、10-7(148))62A63A1、机理工作时，螺栓受拉，p↑螺母受压，p↓两者产生螺距差一、改善螺纹牙间受力分配第一圈：Δp最大，受力最大第8~10圈后几乎不受力各圈受载不均10-8 提高螺栓联接强度的措施64A∴采用加高螺母不能提高联接强度。2、办法采用受拉螺母（变形一致）

——减小螺栓螺母螺距变化差65A二、减小附加弯曲应力螺纹牙根弯曲应力——————→断裂螺纹孔不正、被联件表面不平、发生变形等。引起附加弯曲应力因素：66A措施：垫圈、凸台、沉孔等。思考：采用凸台、沉孔的目的？三、减轻应力集中收尾：退刀槽；增大牙根处过渡圆角半径。67A四、降低应力幅σaσmax一定时：σa↓—→疲劳强度↑当F、F”不变时：↓c1或↑c2。措施：

1）↑螺栓长度2）↓光杆直径

3）采用柔性螺栓1、降低螺栓刚度c1

1<

1‘68A措施：不宜采用刚度小的垫片。五、改善制造工艺1、加工方法：碾制较车制强度↑30%；2、表面处理：喷丸、氮化等。2、提高被联件刚度c22>

2‘69A一、螺旋传动的类型、特点与应用1、应用螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力。2、传动形式：1)螺杆转动螺母移动2)螺母转动螺杆移动3)螺杆又转动又移动（螺母固定）——用得多4)螺母又转动又移动（螺杆固定）——用得少10-9 螺旋传动70A71A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、自锁2）传导螺旋——机床进给丝杠—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3、螺旋传动类型螺旋传动按摩擦副的性质分：滑动螺旋：构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁缺点：磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（30~40%）,传动精度低72A2)滚动螺旋传动：摩擦性质为滚动摩擦。滚动螺旋传动是在具有圆弧形螺旋槽的螺杆和螺母之间连续装填若干滚动体（多用钢球），当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环。按循环方式有：内循环、外循环两种.特点：传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。缺点：不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。73A3)静压螺旋：液体摩擦，靠外部液压系统提供压力油，压力油进入螺杆与螺母螺纹间的油腔，促使螺杆、螺母、螺纹牙间产生压力油膜而分隔开.特点：摩擦系数小，效率高，工作稳定，无爬行现象，定位精度高，磨损小，寿命长。但螺母结构复杂（需密封），需一稳压供油系统、成本较高。适用于精密机床中进给和分度机构。74A二、滑动螺旋的设计计算1、结构与材料千斤顶典型结构2、耐磨性计算滑动螺旋中磨损是最主要的一种失效形式，它会引起传动精度下降，空间大，并使强度下降。磨损的影响因素：工作面的比压，螺纹表面质量，滑动速度和润滑状态。所以耐磨性计算主要限制螺纹工作面上比压P要求小于材料的许用比压。3、自锁性验算75A4、螺杆的强度计算螺杆工作时同时受轴面压力（拉力）F与扭矩T的作用，截面受拉（压）应力与扭剪应力的复合作用∴按弯扭复合强度条件计算——第四强度理论5、螺母的螺纹牙强度计算由于螺母材料的强度通常低于螺杆材料的强度，因此螺纹牙的剪切和弯曲多发生在螺母上。6、螺杆的稳定性计算当螺杆较细长且受较大轴向压力时，可能会双向弯曲而失效，螺杆相当于细杆，螺杆所承受的轴向压力F小于其临界压力Fcr。76A1、普通平键（2）承载能力：一、平键联接压溃——主要失效形式键剪断（1）工作面：两侧面工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩10-11键、花键联接77A（3）结构形式圆头：指状铣刀，应力集中大方头：盘状铣刀，应力集中小，紧定螺钉固定一圆头一方头：指状铣刀，用于轴伸处78A动联接，键固定在轴上，毂可沿键移动。（4）特点静联接，周向固定，传递转矩T；不能承受轴向力及轴向固定。移动距离大时，采用滑键。承载能力：耐磨性。2、导向平键3、滑键动联接，键固定在毂上，一起沿键槽移动。79A二、平键的选择计算1、选择由轴径d从标准中选b×h由轮毂宽选键长L（系列值）2、强度计算工作面被压溃（通常为轮毂）（静联接）工作面过度磨损（动联接）键剪断（过载才发生）主要失效形式由结构确定，而不是由强度确定。校核(圆头平键)(方头平键)(单圆头平键)类型尺寸：（b×h）×L80A普通平键的主要尺寸81A强度条件：普通平键：（压溃）压强：（耐磨）3、↑强度的方法若σp>[σp]，可采用如下措施：（1）↑键长L，但Lmax=（1.6~1.8)d，否则承载不均。（2）采用双键，按180°布置，考虑承载不均，按1.5个计算。但对轴削弱大。见表10-1082A采用双键时，不能相隔180°,应位于轴的同一母线上。3、强度条件主要失效：键剪断∴2、布置1、特性1）键的摆动适应毂键槽的斜度；2）侧面为工作面，传T，不能传轴向力；3）特别适于锥形轴端；4）对轴削弱大，用于轻载。三、半圆键83A四、斜键联接键的一个工作面为斜面：斜度1:100工作面：上下面，两侧面有间隙靠摩擦和互压传载：T和单向轴向力方便拆卸：钩头楔键1、楔键84A工作面：上、下两面靠互压传载，有一个面必须与轴线共面，双向T需用双键(120°)。2、切向键：两个单面斜楔构成85A五、花键联接1、组成：内花键、外花键2、类型：齿形矩形花键渐开线花键86A3、定心方式：矩形——内径定心；渐开线——齿面定心；其它定心方式4、特性：（1）齿对称布置，受载均匀；（2）齿浅，应力集中↓；（3）承载↑；（4）定心好；（5）可用于“动”、“静”；（6）渐开线较矩形根部↑，承载↑，定心精度高，宜用于载荷大、尺寸大场合。87A5、花键联结强度计算88A失效形式：

静联接：工作面被压溃

动联接：工作面过度磨损强度条件：

静联接：

动联接：

载荷分配