机械设计与分析基础- 课件 第十章 连 接

第十章连接第二节轴间连接第三节螺纹连接第一节轴毂连接教学重点：一、轴毂连接二、螺纹连接教学难点：一、螺纹连接类型、特点和应用

二、螺栓连接的受力分析及选用第十章连接三、平键的选择和强度计算第一节轴毂连接一、轴毂连接方法及其特点二、键连接的类型、特点及选用第一节轴毂连接轴上传动零件（如齿轮、带轮等）一般都是以其轮毂与轴连在一起，形成轴毂连接。键连接

1.轴毂连接方法及其特点结构简单、装拆方便、工作可靠。用于传递转矩较大、对中性要求一般的场合。应用最为广泛，大多已标准化。特点和应用

花键连接

对中性、导向性、载荷分布的均匀性均较好；承载能力高。制造较困难，成本高。适用于载荷大和对中性要求高的静连接和动连接，广泛应用于零件在轴上滑移的重要连接场合。1.轴毂连接方法及其特点特点和应用

销孔对轴的削弱较大，多用于固定受力不大或不重要、但同时需要轴向固定零件的场合。特点和应用

销连接1.轴毂连接方法及其特点借助轴与毂孔间的过盈配合实现连接。结构简单、对中性好，可避免因切制键槽对轴的削弱，但装配困难,易产生应力集中。多用于载荷较大或有冲击的场合。

特点和应用

过盈连接

1.轴毂连接方法及其特点依靠胀套分别与轴和轮毂紧密贴合，产生摩擦力，传递转矩。对中性好，装拆或调整方便，无应力集中，承载能力高。

主要用于载荷大、运动精度高、尺寸较大的场合。特点和应用

胀套连接

1.轴毂连接方法及其特点

利用非圆截面的轴与形面相同的毂孔所构成的连接。装拆方便，对中性好，无键槽及尖角等应力集中源，因而承载能力高，但加工困难。特点和应用

成形连接

1.轴毂连接方法及其特点（1）平键2.键连接的类型、特点和应用普通型平键：工作时靠键和键槽侧面的挤压来传递转矩。对中性好，精度较高，易装拆、但不能实现轴上零件的轴向固定。应用最广。工作面间隙轴

A型普通平键的端部为圆头，用在轴的中部。键在轴上的键槽用指状铣刀加工，固定良好，键槽引起的应力集中较大。（1）平键2.键连接的类型、特点和应用普通型平键：A型圆头(A型)平头(B型)盘铣刀

B型普通平键的端部为平头，用在轴的中部。键在轴上的键槽用盘铣刀铣出，轴的应力集中较小。

（1）平键2.键连接的类型、特点和应用普通型平键：B型单圆头(C型)（1）平键2.键连接的类型、特点和应用普通型平键：C型

C型普通平键的端部为单圆头，用在轴端。键在轴上的键槽用指状铣刀加工，固定良好，键槽引起的应力集中较大。导向平键（1）平键2.键连接的类型、特点和应用工作时靠键和键槽侧面的挤压来传递转矩。对中性好，易装拆。长度较长，需用螺钉固定。为便于装拆，制有起键螺孔。用于轴上零件轴向移动量不大的动连接。键固定在轮毂上，与轴上零件一起沿键槽作轴上滑移。工作时靠键和键槽侧面的挤压来传递转矩。对中性好、易装拆。（1）平键2.键连接的类型、特点和应用滑键：双勾头滑键（1）平键2.键连接的类型、特点和应用键固定在轮毂上，与轴上零件一起沿键槽作轴上滑移。工作时靠键和键槽侧面的挤压来传递转矩。对中性好、易装拆。滑键：双勾头滑键轴上键槽用尺寸与键相同的圆盘铣刀铣出，键能在槽中摆动，以适应轮毂槽底面的倾斜。（2）半圆键2.键连接的类型、特点和应用

工艺性和对中性均较好，装配方便。键槽较深，对轴削弱较大，主要用于轻载连接，尤其适于锥形轴端与轮毂的连接。（3）楔键2.键连接的类型、特点和应用工作面为上下面，靠键楔紧后产生的摩擦力传递转矩。楔紧后轴与轮毂产生偏心，定心精度不高。只用于对中性要求不高，载荷平稳和低速连接。安装时用力打入工作面（3）楔键2.键连接的类型、特点和应用普通型楔键：键的上表面有1:100的斜度，轮毂槽的底面也有1:100的斜度。装配时需要打入轴和轮毂的键槽里楔紧。（3）楔键2.键连接的类型、特点和应用钩头型楔键：当楔键不能从轴的一端打出时，可用钩头型楔键。拆卸方便。装配时应在轮毂装好后，才将键打入键槽。一对斜度为1:100的楔键组成，工作面是由两楔键沿斜面拼合后相互平行的两个窄面。传递双向转矩时，需要两个互成120°的切向键。用于载荷较大且对中性要求不高的场合。（4）切向键2.键连接的类型、特点和应用d斜度1：100窄面工作面d120˚～130˚

平键的主要尺寸为宽度b、高度h与长度L，键的规格尺寸按轴径d从标准中选定。平键的类型应根据使用要求、工作条件和键连接的结构特点按表10-1选定。1.平键的类型和尺寸选择三、平键的选择和强度计算普通A型平键，b=16mm，h=10mm，L=100mm，标记为GB/T1096键16×10×100平键的标记示例：普通B型平键，b=16mm，h=10mm，L=100mm，标记为GB/T1096键B16×10×1002.平键连接的强度校核平键连接的受力假定挤压应力在键的工作面上是均布的，其受力如下图。普通平键（静连接），校核其挤压强度；导向平键和滑键（动连接），校核其耐磨性。l—键的工作长度，mm，A型键l=L－b，B型键l=L，C型键l=L－b/2；动连接时：

静连接时：

2.平键连接的强度校核σp—工作面上的挤压应力，MPa

；p—工作面上的压力，MPa；T—连接所传递的转矩，N·mmk—键与轮毂键槽的接触高度，mm，k≈h/2；式中动连接时：

静连接时：

当单键连接强度不足时，若结构允许，可适当增加毂宽和键长，但应使键长L≤（1.6~1.8）d，以避免载荷沿键长分布不均。返回2.平键连接的强度校核d—为轴的直径，mm；[σp]、[p]—分别为键连接许用挤压应力和许用压力，MPa，其值可查表10-3。式中将两轴直接连接起来以传递运动和转矩的连接形式称为轴间连接，通常采用联轴器和离合器来实现轴间连接。第二节轴间连接

(a)带式运输机(b)曲柄压力机1—电动机；2、4—联轴器；1—电动机；2—带传动；3—减速器；5—卷筒3—离合器；4—齿轮传动；

5—曲轴；6—冲头

联轴器与离合器的应用实例1.

联轴器的分类具有补偿两轴相对位移能力的称为挠性联轴器，否则称为刚性联轴器。扰性联轴器又可分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器。(a)轴向位移x(b)径向位移y(c)角位移α(d)综合位移

具有过载保护作用的称为安全联轴器。一、

联轴器的类型、特点和应用

半联轴器通过键与轴相联，用螺栓将两个半联轴器的凸缘连接在一起。普通凸缘联轴器普通螺栓

对中榫

绞制孔螺栓

有对中榫的凸缘联轴器1.

联轴器的分类（1）刚性联轴器:凸缘刚性联轴器

用一个套筒通过键或者销等连接与两轴相连，结构简单、制造容易，径向尺寸小，转动惯量小，装拆困难。1.

联轴器的分类（1）刚性联轴器:套筒联轴器

两个端面开有径向凹槽的半联轴器，两端具有凸榫的中间滑块，构成移动副。当两轴存在不对中和偏斜时，滑块将在凹槽内滑动。

结构简单、制造容易。滑块因偏心产生离心力和磨损，并给轴和轴承带来附加动载荷。αy1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字滑块联轴器能补偿轴不对中和偏斜。工作范围：正常齿：α≤30’腰鼓齿：α≤3˚

有内齿的外壳，有外齿的套筒，两者齿数相同，外齿做成球形齿顶的腰鼓齿。套筒与轴用键联接，外壳用螺栓连接。两端密封，空腔内储存润滑油。α1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:齿式联轴器

用于传递两相交轴之间的动力和运动，而且在传动过程中，两轴之间的夹角还可以改变。α单万向联轴器1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字轴万向联轴器

两传动轴末端各有一个叉形支架，用铰链与中间的“十字形”构件相联，“十字形”构件的中心位于两轴交点处。轴间角为：

α=0～45˚。广泛应用于汽车、机床等机械传动系统中。α1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字轴万向联轴器

为了消除从动轴变速转动的缺点，常将两个单万向联轴器串联使用，构成双万向联轴器。1.

联轴器的分类C2αα1αα21C（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字轴万向联轴器①主动、从动、中间三轴共面；②主动轴、从动轴的轴线与中间轴的轴线之间的夹角应相等；③中间轴两端的叉面应在同一平面内。安装要求：C2αα1αα21C1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字轴万向联轴器双万向联轴器1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字轴双万向联轴器小型双万向联轴器A--AAAAAααAAαα1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:十字轴双万向联轴器小型双万向联轴器1.

联轴器的分类（2）无弹性元件的挠性联轴器:小型双万向联轴器

外观与凸缘联轴器相似，用带橡胶弹性套的柱销联接两个半联轴器。预留安装空间以便与更换橡胶套

预留间隙以补偿轴向位移cA圆柱孔圆锥孔1.

联轴器的分类（3）有弹性元件的挠性联轴器:弹性套柱销联轴器

用尼龙制成的柱销置于两个半联轴器凸缘的孔中。结构简单、更换柱销方便。动力通过弹性元件传递，缓冲吸振。销与挡板之间留有间隙cc挡板尼龙销1.

联轴器的分类（3）有弹性元件的挠性联轴器:弹性柱销联轴器能补偿较大的轴向位移，并允许微量的径向位移和角位移。适用于正反向变化多，启动频繁的高速轴。1.

联轴器的分类（3）有弹性元件的挠性联轴器:弹性柱销联轴器销与挡板之间留有间隙cc挡板尼龙销选择联轴器时所采用的计算转矩由下式确定：式中，

K—工作情况系数，它是考虑机器起动时的惯性力和过载等影响的修正值，其值的大小由表10-5选取。2.联轴器的选择Tc

—传递的转矩（N·m）；Tn

—公称转矩（N·m）；n—工作转速（r/min）；PW—驱动功率（kW）；1、2—半离合器3—滑环4—对中环牙嵌式离合器二、离合器的类型及应用1.牙嵌式离合器摩擦式离合器中常用的是圆盘摩擦离合器，有单盘式和多盘式两种。1、2—半离合器3—滑环单盘式圆盘摩擦离合器二、离合器的类型及应用2.摩擦式离合器1—主动轴2—鼓轮3—压板4—外摩擦片组5—内摩擦片组

6—螺母7—曲臂压杆8—滑环9—从动轴10—套筒多盘式圆盘摩擦离合器2.摩擦式离合器二、离合器的类型及应用

(a)外摩擦片(b)内摩擦片多盘式圆盘摩擦离合器摩擦片2.摩擦式离合器二、离合器的类型及应用3.磁粉离合器

1—齿轮2—从动外鼓轮3—油或石墨的混合物4—环形激磁线圈5—磁铁轮芯6—接触环7—主动轴磁粉离合器二、离合器的类型及应用4.定向离合器

1—星轮2—外圈3—滚柱4—弹簧顶杆滚柱式定向离合器二、离合器的类型及应用1.联轴器的使用与维护

（2）在工作后应检查两轴对中情况，其相对位移不应大于许用补偿量。定期检查传力零件是否损坏,如连接螺栓断裂、弹性套磨损失效等，以便及时更换。（1）联轴器的安装误差应严格控制。由于所连接的两轴其相对位移在负载后还可能增大，通常要求安装误差不大于许用补偿的1/2。三、联轴器、离合器的使用与维护（3）对于转速较高的联轴器力求径向尺寸小、重量轻，同时要进行动平衡检验。对其连接螺栓之间的重量差有严格地限制，不得任意更换。（4）有润滑要求的联轴器（如齿式联轴器等），要定期检查润滑情况。三、联轴器、离合器的使用与维护1.联轴器的使用与维护2.离合器的使用与维护

（1）片式摩擦离合器在工作时不应有打滑或分离不彻底现象。应经常检查作用在摩擦片上的压力是否足够，回位弹簧是否灵活，摩擦片磨损情况，主、从动片之间的间隙，必要时调整或更换。

（2）定期检查离合器的操纵系统是否操作灵活，工作可靠。有防护罩、散热片的离合器，使用前应检查防护罩、散热片是否完好。

（3）有润滑要求的离合器（如超越离合器）应密封严实，不得有漏油现象。在运行中，如有异常响声，应及时停车检查。返回一、螺纹连接类型、特点和应用二、螺纹连接件类型、特点和应用三、螺纹连接的预紧和防松四、螺栓连接的受力分析及选用计算五、螺栓组连接的结构分析六、螺纹连接的使用与维护第三节螺纹连接一、螺纹连接类型、特点和应用铰制孔螺栓普通螺栓1.螺栓连接1.螺栓连接eaal1l1可承受横向载荷螺纹余留长度l1铰制孔螺栓孔与螺杆之间留有间隙静载荷l1>=(0.3~0.5)d;变载荷l1>=0.75d;冲击载荷或弯曲载荷l1≥d;铰制孔用螺栓l1≈0;螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;

螺栓轴线到边缘的距离e=d+(3~6)mmdd一、螺纹连接类型、特点和应用普通螺栓座端拧入深度H，当螺孔材料为：2.双头螺柱连接钢或青铜H=d;铸铁H=(1.25~1.5)d铝合金H=(1.5~2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2~2.5)P;钻孔深度H2=H1+(0.5~1)d;参数l1

、e、a与螺栓相同一、螺纹连接类型、特点和应用ael1HH1H2d3.

螺钉连接座端拧入深度H，当螺孔材料为：钢或青铜H=d;铸铁H=(1.25~1.5)d;铝合金H=(1.5~2.5)d;螺纹孔深度H1=H+(2~2.5)d;钻孔深度H2=H1+(0.5~1)d;参数l1

、e与螺栓相同

一、螺纹连接类型、特点和应用el1HH1H2紧定螺钉4.紧定螺钉连接一、螺纹连接类型、特点和应用1.六角头螺栓LL0d六角头LdL0小六角头二、螺纹连接件类型、特点和应用

2.双头螺柱二、螺纹连接件类型、特点和应用

dL0L1LL1-----座端长度L0-----螺母端长度3.螺钉二、螺纹连接件类型、特点和应用

4.紧定螺钉二、螺纹连接件类型、特点和应用

头部末端六角扁螺母六角厚螺母圆螺母5.螺母六角螺母二、螺纹连接件类型、特点和应用

6.垫圈二、螺纹连接件类型、特点和应用

斜垫圈平垫圈弹簧垫圈

绝大多数螺纹连接在装配时必须拧紧，使连接在承受工作载荷前，预先受到力的作用，这个作用力称为预紧力，用F0表示。1．螺纹连接的预紧三、

螺纹连接的预紧和防松

对于普通的螺栓连接，通常用普通扳手凭经验控制预紧力。

测力扳手F定力矩扳手对于重要的螺栓连接，可用指针式测力扳手或预置式定力扳手控制拧紧力矩。对于特别重要的螺栓连接，可用测量螺栓伸长量的应变传感器来控制预紧力。1．螺纹连接的预紧三、

螺纹连接的预紧和防松

对顶螺母该结构简单、成本低、重量大。多用于载荷平稳、低速重载场合

2．螺纹连接的防松（1）利用附加摩擦力防松弹簧垫圈2．螺纹连接的防松结构简单、成本低、使用方便

结构简单，防松可靠，可多次拆装而不降低防松性能

自锁螺母（1）利用附加摩擦力防松开口销与六角开槽螺母（2）机械防松

适用于有较大冲击、振动的高速机械中运动部件的连接，但不适用于双头螺柱的防松。

结构简单、防松可靠，使用方便，经济性也较好，应用广泛。但要求有一定安装空间。2．螺纹连接的防松止动垫圈串联钢丝

适用于螺栓组连接，防松可靠，结构轻便。但装拆不方便。也适用于双头螺柱的防松。2．螺纹连接的防松（2）机械防松（3）不可拆卸防松1~1.5P用冲头冲2~3点冲点防松法粘合法防松涂粘合剂防松可靠，但拆卸后连接件不能再使用。适用于不拆或很少拆的连接。

2．螺纹连接的防松四、螺栓连接的受力分析及选用计算如上一节所述，螺栓连接的受力与其承载形式、连接类型、装配时的预紧情况等有关。1.螺栓连接的失效形式及选用计算2.螺栓连接的材料及力学性能表10-11螺栓连接件常用材料力学性能常用材料Q215AQ235A354540Cr30CrMnSi强度极限σb/MPa340~420410~470540610750~10001080~1200屈服极限σs/MPa220240320360650~900900螺栓连接的材料是多种多样的，以满足不同行业不同用途的需要。常用的有Q215A、Q235A、35和45钢。国家标准对材料的使用无硬性的规定，只有推荐材料。四、螺栓连接的受力分析及选用计算由于螺栓是标准件，螺栓连接的选用主要是指连接中螺栓直径、螺母、垫圈等的确定。3.螺栓连接的失效形式及选用计算对于受拉螺栓，其主要失效形式是螺栓杆螺纹部分发生断裂；对于受剪螺栓，其主要失效形式是螺栓杆被剪断或螺栓杆与孔壁发生压溃。对于普通场合的螺栓连接，其螺栓直径的选择可用类比或经验公式确定。对于重要场合，可根据强度条件进行校核计算，参见表10-10。

例10-1

图示为凸缘联轴器，用4个材料为Q235A钢的M12螺栓连接，传递的转矩T=0.9×106N·mm，螺栓中心所在圆直径D1=150mm；联轴器的材料为HT300，σb=300MPa，凸缘厚h=15mm。若分别采用普通螺栓连接和铰制孔用螺栓连接，试分析所选螺栓直径是否合适。（1）计算螺栓组所受横向工作载荷Fs。解：1.采用普通螺栓连接（2）计算每个螺栓的预紧力F0。接合面数m=1，螺栓个数z=4；1.采用普通螺栓连接由表10-9取接合面间摩擦系数f=0.15，防滑系数KS=1.2，则（3）确定许用拉应力[σ]。查表10-11、表10-12，当螺栓材料为Q235A，直径为12mm时，σs=240MPa，S=3，则计算结果表明，采用M12的普通螺栓连接时强度不足，故不合适。

（4）校核计算。查机械设计手册得M12螺栓的螺纹小径d1=10.106mm，由表10-10得

1.采用普通螺栓连接（1）确定许用切应力[τ]和许用挤压应力[σp]。由表10-10可得螺栓许用挤压应力为因[σp]2＜[σp]1，故取[σp]=[σp]2=150MPa。2.采用铰制孔用螺栓连接螺栓许用切应力为被连接件许用挤压应力为由表10-10可得螺栓连接的挤压应力为计算结果表明，采用M12的铰制孔用螺栓连接时，剪切强度和挤压强度足够。（2）校核计算。查机械设计手册得M12的铰制孔用螺栓受剪处直径ds=13mm；查10-7可知，螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度lmin=h-l1=15-3=12mm，则由表10-10可得螺栓的切应力为2.采用铰制孔用螺栓连接五、螺栓组连接的结构分析

1.尽量使连接结合面的形状为对称的简单几何形状。

如图所示，最好是方形、圆形或矩形等，同一圆周上的螺栓数目应采用4、6、8等偶数，以便钻孔时分度和画线。

对于受弯矩或转矩的螺栓组连接应尽量使螺栓布置在靠近接合面的边缘，以减小螺栓受力；2.螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。

对于受横向力的绞制孔用螺栓组连接，沿受力方向布置的螺栓不宜超过6~8个，以免各螺栓受力严重不均匀；五、螺栓组连接的结构分析

（a）不合理（b）合理受弯矩或转矩时螺栓的布置

对于同时承受轴向力和较大横向力普通螺栓组连接，应采用如图所示的减载装置来承受横向力，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。五、螺栓组连接的结构分析

(a)减载键(b)减载套筒(c)减载销减载装置2.螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。dhD

3.螺栓的排列应有合理的间距、边距。60˚CCEE60˚AB扳手空间尺寸

五、螺栓组连接的结构分析

（1）保证扳手空间。（2）对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接。螺栓的间距不大于下表所推荐的取值。t0螺栓间距t0工作压力(MPa)7d4.5d4.5d4d3.5d3dt0(mm)≤1.61.6~44~1010~1616~2020~30d

注：表中d为螺纹公称直径。五、螺栓组连接的结构分析

3.螺栓的排列应有合理的间距、边距。4.螺栓连接的结构应保证安装的可能性及装拆方便。五、螺栓组连接的结构分析

(a)无法装配(b)难以装配(c)容易装配螺栓连接装拆工艺性

5.避免螺栓受偏心载荷。五、螺栓组连接的结构分析

采用凸台或沉孔结构采用斜垫圈（1）预紧力（2）防松（3）连接的拆卸

六、螺纹连接的使用与维护返回返回表10-3键连接的许用挤压应力和许用压力单位：MPa

许用值连接方式键、轴或轮毂的材料载荷性质静载荷轻度冲击冲击[σp]静连接钢120～150100～12060～90铸铁70～8050～6030～45[p]动连接钢504030注：1﹒当被连接件表面经过淬火时，[p]可提高2～3倍。

2﹒许用挤压应力[σp]和许用压力[p]取键、轴或轮毂三者中最小值。