机械设计基础（第3版）课件 第10章 连接

2第10章连接机械系统中的连接有两大类：动连接：机器工作时，被联接的零部件之间可以有相对运动的联接；静连接：机器工作时，被联接的零部件之间不允许产生相对运动的联接；静联接可分为可拆连接和不可拆连接。可拆连接：不需毁坏联接中的零件就可拆开的联接，可多次拆装而不影响使用性能。如螺纹联接、键联接、销钉联接等。不可拆连接：至少必须毁坏联接中的某一部分才能拆开的联接。常见的有铆接、焊接和胶结等。

3第1节螺纹第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁第3节螺纹联接的基本类型第4节螺纹联接的预紧和防松第5节螺栓联接的强度计算第6节螺栓组的结构设计第7节提高螺栓连接强度的措施第8节键连接第9节无键连接第10章连接

4大径d，D小径d1，D1中径d2，D2螺距p导程s升角l牙型角a螺纹形成原理及主要参数线数n螺纹工作高度h牙侧角第1节螺纹

5第1节螺纹

6螺纹的分类左旋螺纹和右旋螺纹单线螺纹和多线螺纹粗牙和细牙

螺纹分为内螺纹和外螺纹，二者共同组成螺纹副用于联接和传动。螺纹的牙型三角形矩形梯形锯齿形主要用于联接多用于传动第1节螺纹

7螺纹的分类普通螺纹管螺纹矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹第1节螺纹

8一、矩形螺纹（牙型角00）螺纹副中，螺母所受到的轴向载荷Q是沿螺纹各圈分布的，为便于分析，用集中载荷Q代替，并设Q作用于中径d2圆周的一点上。这样，当螺母相对于螺杆等速旋转时，可看作为一滑块(螺母)沿着以螺纹中径d2展开，斜度为螺纹升角λ的斜面上等速滑动.Q第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

9FnFRv一、矩形螺纹β=0º展开中径d2

圆柱面得一斜面.Fπd2SF----水平推力Fn----法向反力Fa----轴向载荷F’=fFn----摩擦力f----摩擦系数ρ

----摩擦角d2FFaFF’ρ

Fa螺纹的拧松----螺母在F和Fa的联合作用下，顺着Fa等速向下运动。螺纹的拧紧----螺母在F和Fa的联合作用下，逆着Fa等速向上运动。FR

----总反力v第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

10Fa---为阻力，F为驱动力，摩擦力F’沿斜面朝下。FnFRvFπd2Sd2FFaF

F’ρ

λλFa

作力多边形得：F=Fatg(λ+ρ

)

驱动力矩：FaFFRλ+ρ

列出力平衡方程：FR+

Fa+F=0∠FRFa=λ+ρ

λ+ρ当螺纹拧紧(滑块上升)时：FR=

Fn+F’第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

11当滑块在斜面上等速上升时摩擦力摩擦角转动螺纹所需的转矩螺母旋转一周所需的输入功为此时螺母上升一个导程s，其有效功为螺旋副的效率为：FnFRvFπd2S

F’ρ

λλFaλ+ρ第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

12

将效率公式绘成曲线，当时效率最高，但过大的升角使制造困难。当后，效率增加不明显，故通常取λ不超过25度。第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

13λ-ρ

λFFaFa---为驱动力，F成为阻力，摩擦力F’沿斜面朝上。λρ

FRvFRFa当螺纹拧松(滑块下滑)时：∠FRFa=λ-ρ

作力多边形可得：F=Fatg(λ-ρ

)力矩：d2FFaFFnF’λ-ρ

列出力平衡方程：FR+

Fa+F=0F第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

14若λ>ρ

，则T为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；若λ≤ρ

，则T为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。Td2FaFFd2FaFFT力矩：第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

15当滑块沿斜面等速下降时，此时螺旋副的效率为，提问：当λ≤ρ时，若没有力矩T，螺母在Fa的作用下会运动吗？不会！--这种现象称为自锁。第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

16螺母α螺杆轴线轴线螺杆螺母FnFa二、非矩形螺纹β≠0º矩形螺纹忽略升角的影响时有：Fn=Fa当β≠0º时，摩擦力为：摩擦系数为f的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为f’的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。称ρv

为当量摩擦角FaββFnFa故称fv为当量摩擦系数。第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

17引入参数fv和ρv就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分析。

滑块上升：

滑块下降：非矩形螺旋的自锁条件：λ≤ρv

对于联接螺纹必须满足自锁条件第2节螺旋副的受力分析、效率和自锁

18螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接是螺纹联接的四种基本类型。1.螺栓联接第3节螺纹连接的基本类型

19特点和应用：无须在被联接件上切制螺纹，使用不受被联接件材料的限制。构造简单，装拆方便，应用最广。用于可制通孔的场合。分为受拉螺栓联接和受剪螺栓联接。第3节螺纹连接的基本类型

202.双头螺柱联接第3节螺纹连接的基本类型

21特点和应用：座端旋入并紧定在被联接件之一的螺纹孔中，用于受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构较紧凑的场合。第3节螺纹连接的基本类型

223.螺钉联接第3节螺纹连接的基本类型

23特点和应用：不用螺母，而且能有光整的外露表面，应用于与双头螺柱联接相似，但不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。第3节螺纹连接的基本类型

244.紧定螺钉联接第3节螺纹连接的基本类型

25特点和应用：旋入被联接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被联接件的表面或顶入相应的坑中，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。第3节螺纹连接的基本类型

26第4节螺纹连接的预紧和防松螺纹联接的预紧

一般螺纹联接在装配的时候都必须拧紧，从而使螺栓和被联接件在承受工作载荷前就受到预紧力F’的作用。预紧的目的是增强联接的可靠性、紧密性和防松能力。

预紧力的大小通过拧紧力拒来控制，用于克服螺纹牙之间相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦力拒T2：

27对于M10～M68的钢制普通粗牙螺纹，无润滑时，取

对于一般联接，预紧力凭装配经验控制；对于重要的联接，可用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力F’的大小，也可用测定螺栓的伸长量来控制预紧力。第4节螺纹连接的预紧和防松

28第4节螺纹连接的预紧和防松

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联接用的三角普通螺纹，螺纹升角都较小，在静载荷作用下，一般都能满足自锁条件。但在冲击、振动或变载荷作用下，或当温度变化很大时，螺旋副间的摩擦力减小或瞬时小时，联接就可能产生自动松脱现象，影响联接的牢固和紧密，甚至造成严重的事故。

螺纹联接放松的根本问题在于要防止螺旋副的相对运动。常用的防松方法:摩擦防松机械防松:其他防松弹簧垫圈对顶螺母尼龙圈锁紧螺母螺纹联接的防松开口销带翅垫片止动垫片串连钢丝冲点法粘合法焊点法第4节螺纹连接的预紧和防松

30弹簧垫圈第4节螺纹连接的预紧和防松

31对顶螺母第4节螺纹连接的预紧和防松

32尼龙圈锁紧螺母第4节螺纹连接的预紧和防松

33开口销第4节螺纹连接的预紧和防松

34带翅垫片第4节螺纹连接的预紧和防松

35止动垫片第4节螺纹连接的预紧和防松

36串联钢丝第4节螺纹连接的预紧和防松

37机械防松实例第4节螺纹连接的预紧和防松

38冲点法第4节螺纹连接的预紧和防松

39粘合法第4节螺纹连接的预紧和防松

40焊点法第4节螺纹连接的预紧和防松

41第5节螺栓连接的强度计算单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。

根据联接的的工作情况，可将螺栓按受力形式分为受拉螺栓和受剪螺栓。失效形式和设计准则

对受拉螺栓，主要失效形式为螺纹部分的塑性变形或断裂；经常装拆时绘因磨损而发生滑扣，故其设计准则主要保证螺栓杆有足够的拉伸强度。

对于受横向载荷的铰制孔螺栓，主要失效形式为螺杆被剪断，螺杆或孔壁被压溃，故其设计准则应保证螺栓杆和被联接件具有足够的剪切强度和挤压强度。

螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹的公称直径（大径）d等。

421.松螺栓联接强度条件：设计公式：d1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径。受轴向载荷的螺栓联接第5节螺栓连接的强度计算

432.紧螺栓联接只受预紧力紧螺栓联接螺栓螺纹部分处于拉伸与扭转的复合应力状态。根据第四强度理论，可求出螺栓危险剖面的当量应力为：校核公式为：设计公式为：第5节螺栓连接的强度计算

44受预紧力和轴向载荷的螺栓联接缸体周围每个螺栓平均承受的轴向工作载荷为：

在气缸内具有工作介质之前，每个螺栓均已按规定的预紧力F’拧紧。在承受轴向工作载荷F后，螺栓实际承受的总拉伸载荷F0并不等于F’与F之和。第5节螺栓连接的强度计算

45螺栓预紧后的受力分析第5节螺栓连接的强度计算

46螺栓加载后的受力分析第5节螺栓连接的强度计算

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工作载荷F和残余预紧力F″一起作用在螺栓上，故螺栓的总拉伸载荷为：

紧螺栓联接在轴向力作用下应能保证被联接件的结合面不出现缝隙，即残余预紧力应大于零。当工作载荷F稳定时，取

当工作载荷F不稳定时，取

对于有紧密性要求的的联接（压力容器），取一方面抵抗工作载荷一方面压紧被连接件螺栓受力第5节螺栓连接的强度计算

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在一般计算中，可先根据联接的工作要求选定残余预紧力，求出总拉伸载荷F0。强度条件：螺栓总拉伸载荷也可以表示为：图中，螺栓的刚度被联接件的刚度第5节螺栓连接的强度计算

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为保证联接在承受轴向载荷后仍保持所要求的残余预紧力，需加的预紧力为：称为螺栓的相对刚度系数，可按下表选取。垫片类别金属垫片或无垫片皮革垫片铜皮石棉垫片橡胶垫片相对刚度

系数0.2～0.30.80.80.9第5节螺栓连接的强度计算

50

铰制孔螺栓联接，螺栓杆与孔壁件没有间隙，通常采用基孔制过渡配合，受力特点：螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。挤压强度条件剪切强度条件受横向载荷的螺栓联接第5节螺栓连接的强度计算

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当采用普通螺栓联接，当联接承受相同的横向载荷FR时，因螺栓与孔之间留有间隙，故横向载荷FR靠被联接件的结合面压紧后所产生的摩擦力来平衡。

为使被联接件之间不发生相对滑动，螺栓联接所需的预紧力为：减载装置轴向力过大，可靠？第5节螺栓连接的强度计算

52第6节螺栓组的结构设计要设计成轴对称的几何形状结构设计时应综合考虑以下几方面的问题：

53螺栓的布置应使螺栓的受力合理第6节螺栓组的结构设计

54分布在同已圆周上的螺栓数目应取为偶数。同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同第6节螺栓组的结构设计

55分布在同已圆周上的螺栓数目应取为偶数。同一组螺栓联接中各螺栓的直径和材料均应相同第6节螺栓组的结构设计

56螺栓的布置应有合理的间距、边距第6节螺栓组的结构设计以螺栓连接为例，螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高连接系统的可靠性。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面：改善螺纹牙上的载荷分布不均降低影响螺栓的应力幅减小应力集中的影响采用合理的制造工艺第7节提高螺栓连接强度的措施

受变载荷作用的螺栓，其应力也在一定的幅度内变动，减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。一、降低螺栓的应力幅第7节提高螺栓连接强度的措施措施一：降低螺栓的刚度第7节提高螺栓连接强度的措施降低螺栓刚度的方法第7节提高螺栓连接强度的措施措施二：增大被连接件的刚度第7节提高螺栓连接强度的措施a.金属垫片b.密封环增大被连接件刚度的方法第7节提高螺栓连接强度的措施有问题？第7节提高螺栓连接强度的措施措施三：在前两种措施基础上适当提高预紧力第7节提高螺栓连接强度的措施二、改善螺纹牙间的偏载第7节提高螺栓连接强度的措施几种均载螺母：第7节提高螺栓连接强度的措施三、减小应力集中的影响第7节提高螺栓连接强度的措施四、避免螺栓承受偏心载荷第7节提高螺栓连接强度的措施第7节提高螺栓连接强度的措施五、采用合理的制造工艺

冷镦螺栓头部和滚压螺纹，其疲劳强度比车制螺栓约提高30％，热处理后再经滚压的效果更好。氮化、氰化等热处理措施都能提高螺栓的疲劳强度。保持组织结构的完整性第7节提高螺栓连接强度的措施第7节提高螺栓连接强度的措施

72第8节键连接常用的轴毂联接有键联接、花键联接等。

键联接主要用于轴毂间的周向固定并传递转矩，其中有些类型还能实现轴向固定或轴向联接。

平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。普通平键应用极为广泛。轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。1．平键联接普通平键导向平键和滑键根据用途，平键又可分为

73普通平键普通平键按端部形状的不同可分为圆头（A型）、方头（B型）、半圆头（C型）三种，具体结构如下图：第8节键连接

74指状铣刀铣键槽第8节键连接

75平键的尺寸第8节键连接

76平键的失效

平键联接工作时的主要失效形式为组成联接的键、轴和轮毂中强度较弱材料表面的压溃，极个别情况下也会出现键被剪断的现象。通常只须按工作面上的挤压强度进行计算。第8节键连接

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平键联接的受力情况如图所示。假设载荷沿键的长度方向是均布的，平键