《机械设计基础 》课件第15章

第15章联接15.1键联接

15.2花键联接

15.3销联接

15.4螺纹联接思考与练习题联接是将两个或两个以上的零件组合成一体的结构。为了便于机器的制造、安装、运输等常采用不同的联接。联接按是否可拆分为两大类。

(1)可拆联接。允许多次装拆，不会破坏或损伤联接中的任何一个零件，如键联接、螺纹联接和销联接等。

(2)不可拆联接。若不破坏或损伤联接中的零件就不能将联接拆开，如焊接、铆接、粘接和过盈联接等。

联接还可以分为动联接和静联接。在机器工作时，被联接件之间可以有相对运动的联接称为动联接，如各种运动副。反之，称为静联接，如普通平键联接。本章以普通平键联接和螺纹联接为主，介绍联接的工作原理、类型、特点和应用，从分析联接的失效形式与设计准则入手，介绍联接用零件及联接设计的思路方法，指出使用及维护中应注意的问题。

15.1.1键联接的类型和应用

键是标准件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向移动的导向。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。平键联接和半圆键联接为松键联接，楔键联接和切向键联接为紧键联接。15.1键联接

1.松键联接

松键联接中，键的两个侧面是工作面，工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间留有间隙(如图15-1(a)所示)。该类型联接对中性好，装拆方便。

1)平键联接

如图15-1(a)所示为平键联接的结构形式。平键联接具有结构简单、对中性好，装拆方便等特点，因而得到广泛应用。但平键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。按用途不同，平键可分为普通平键、导向平键和滑键三种。普通平键用于静联接；导向平键用于移动距离较小的动联接；滑键用于移动距离较大的动联接。

图15-1普通平键联接

(1)普通平键。普通平键按构造分为圆头(A型)、平头(B型)及单圆头(C型)三种，如图15-1(b)、(c)和(d)所示。普通平键和键槽尺寸见表15-1。

①圆头平键轴上的键槽用端铣刀加工(如图15-2(a)所示)，键在槽中固定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。

②平头平键轴上的键槽用盘铣刀加工(如图15-2(b)所示)，其应力集中较小，但键在轴上的轴向固定不好。

③单圆头平键常用于轴的端部联接，轴上键槽常用端铣刀铣通。

表15-1普通平键和键槽的尺寸(摘自GB1095—79、GB1096—79)mm续图15-2键槽加工方法

(2)导向平键。当被联接的轮毂类零件在工作过程中须在轴上作较小距离的轴向移动时，则采用导向平键，如图15-3(a)所示。导向平键较长，应用螺钉固定在轴上的键槽中，为了便于拆卸，键上制有起键螺孔，以便拧入螺钉使键退出键槽。轴上的传动零件可沿键作轴向滑移，如变速箱中的滑移齿轮。

(3)滑键。当轴上零件滑移距离较大时，因所需导向键的尺寸过大，制造困难，故采用滑键，如图15-3(b)和(c)所示。滑键固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴上的键槽中作轴向滑移。这样只需在轴上铣出较长的键槽，而键也可以做得较短。

图15-3导向平键联接和滑键联接

2)半圆键联接

半圆键联接如图15-4所示。半圆键能在轴的键槽内摆动，以适应轮毂键槽底面的斜度，特别适合锥形轴端的联接。它的缺点是键槽对轴的削弱较大，只适合于轻载联接。

图15-4半圆键联接

2.紧键联接

1)楔键联接

楔键联接用于静联接，如图15-5所示。楔键上、下面是工作表面，上表面有1∶100的斜度，轮毂键槽底面也有1∶100的斜度。装配后，键的上、下表面与轮毂和轴上键槽的底面压紧；工作时靠工作表面的摩擦力传递转矩，并能承受单向轴向力和起轴向固定作用。楔键分为普通楔键(如图15-5(a)所示)和钩头楔键(如图15-5(b)所示)两种。楔键联接时，由于工作表面产生很大预紧力，轴和轮毂的配合会产生偏心和偏斜。因此楔键联接主要用于轮毂类零件的定心精度要求不高和低转速的场合。

图15-5楔键联接

2)切向键联接

切向键是由一对斜度为1∶100的楔键组成的，如图15-6(a)所示。装配时，两个键分别自轮毂两端楔入，装配后两个相互平行的窄面是工作面；工作时依靠工作面的挤压传递转矩。一对切向键只能传递单向转矩，当传递双向转矩时，应装配两对相互成120°～130°的切向键，如图15-6(b)所示。切向键能传递很大的转矩，常用于重型机械。

图15-6切向键联接15.1.2平键联接的选择和强度计算

1.键的类型选择

选择键的类型主要考虑以下几个因素：传递转矩大小；对中性要求；轮毂是否需要作轴向移动及滑移距离大小；键在轴的中部或端部等。

2.键的尺寸选择

平键的主要尺寸为键宽b、键高h和键长L。设计时，根据轴的直径d从表15-1所列标准中选择平键的宽度b和高度h；键的长度L略小于轮毂的长度(一般比轮毂长度短5～10mm)，并符合标准中规定的长度系列。

3.平键的强度校核

平键工作时的受力情况如图15-7所示，键受到剪切和挤压作用。实践证明，其主要失效形式是键、轴和轮毂中强度较弱的工作表面被压溃(对静联接)或磨损(对动联接)。因此，一般只需校核挤压强度(对静联接)或压强(对动联接)。设载荷沿键长均匀分布，则静联接的挤压强度条件为

(15-1)

动联接的压强条件为

图15-7平键工作时的受力

(15-2)

式中:T为传递的转矩(N·mm)；d为轴的直径(mm)；b为键的宽度(mm)；h为键的高度(mm)；l为键的有效工作长度(mm)，A型键l＝L－b，B型键l＝L，C型键l＝L－b/2；［σjy］、［p］分别为联接中最薄弱材料的许用挤压应力和许用压强(MPa)(见表15-2)。

表15-2键联接的许用挤压应力和许用压强MPa经校核若联接强度不够，可采取以下措施：

(1)适当增加轮毂和键的长度，但键长不宜大于2.5d。

(2)用两个键相隔180°布置，考虑到载荷分布的不均匀性，只能按1.5个键作强度计算。

花键联接由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和具有同样数目键槽的轮毂组成，如图15-8(a)所示。花键依靠键齿侧面的挤压传递转矩，因为是多齿传递载荷，所以承载能力强。由于齿槽浅，故对轴的削弱小，应力集中小，且具有定心好和导向性能好等优点，但需要专用设备加工，生产成本高。15.2花键联接花键联接适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接中。花键联接按齿形分为矩形花键(如图15-8(b)所示)和渐开线花键(如图15-8(c)所示)。矩形花键齿形简单，易于制造，应用广泛。渐开线花键齿根厚，强度高，加工工艺性好，适用于载荷较大及尺寸较大的联接。

图15-8花键联接

销的主要用途是固定零件间的相互位置，并可传递不大的转矩，也可作为安全装置中的过载剪断元件。

按销的形状不同可分为圆柱销(如图15-9(a)所示)和圆锥销(如图15-9(b)、(c)所示)。圆柱销利用过盈配合固定，多次拆卸会降低其定位精度和可靠性。圆锥销常用的锥度为1∶50，装配方便，定位精度高，多次拆卸不会影响其定位精度。15.3销联接

图15-9销联接

螺纹联接是利用螺纹零件构成的可拆联接，其结构简单，装拆方便，广泛应用于各种机械设备中。15.4螺纹联接15.4.1螺纹的类型及主要参数

1.螺纹的类型

螺纹按螺旋线的旋向可分为左旋螺纹和右旋螺纹，一般多用右旋螺纹。螺纹按螺旋线的数目可分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹，联接一般多用单线螺纹。按牙型螺纹可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹(如图15-10所示)，联接一般用三角形螺纹。按螺纹是在外表面或内表面可分为外螺纹和内螺纹，内、外螺纹组成螺旋副。

图15-10常用螺纹的牙型

2.螺纹的主要参数

现以普通螺纹即米制三角形螺纹为例，说明螺纹的主要参数，如图15-11所示。

(1)大径d(D):外(内)螺纹的公称直径。

(2)小径d1(D1):外(内)螺纹的最小直径。

(3)中径d2(D2):外(内)螺纹的平均直径。

(4)螺距P:相邻两螺牙上对应点间的轴向距离。

(5)线数n:螺旋线的数目，一般n≤4。图15-11螺纹的主要参数

(6)导程L:在同一条螺纹上相邻两螺牙上对应点间的轴向距离。若螺纹线数为n，则L＝nP。

(7)螺纹升角λ:在中径圆柱上，螺旋线的切线与端面之间的夹角，

(8)牙型角α:在轴向剖面内，相邻螺纹牙型两侧边间的夹角。

(9)牙侧角β:在轴向剖面内，螺纹牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。对于对称牙型，β＝α/2。15.4.2螺纹联接的基本类型、结构尺寸及应用

1.联接用螺纹

联接采用三角形螺纹，主要有普通螺纹和管螺纹。普通螺纹有粗牙和细牙之分。同一大径d有多种螺距P，螺距最大的为粗牙螺纹，其余为细牙螺纹。粗牙螺纹广泛应用于各种联接中；细牙螺纹适用于薄壁零件的紧密联接，用于不常拆卸的地方。管螺纹分为非螺纹密封用的管螺纹和用螺纹密封的管螺纹。用螺纹密封的管螺纹又分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹。圆柱管螺纹广泛应用于水、煤气等管道联接；圆锥管螺纹联接密封性好、不用填料，适用于密封要求高的管道联接。普通螺纹基本尺寸见表15-3。

表15-3普通螺纹基本尺寸mm2.螺纹联接的类型

螺纹联接有四种基本类型(如图15-12所示)。

(1)螺栓联接。螺栓联接是螺纹联接的一般形式，这种联接用于被联接件不太厚和便于加工通孔的场合。螺检联接可以分为：

①普通螺栓联接(如图15-12(a)所示)。螺栓杆与孔之间有间隙，杆与孔的加工精度要求低，联接时需拧紧螺母。普通螺栓联接拆装方便，应用最为广泛。

②铰制孔用螺栓联接(如图15-12(b)所示)。螺栓杆与孔之间没有间隙，杆与孔的加工精度要求高，能承受横向载荷，也能起定位作用。

(2)螺钉联接(如图15-12(c)所示)。螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中，省去了螺母。其结构简单，适用于盲孔，但不宜经常拆卸，以免损坏内螺纹而难以修复。

(3)双头螺柱联接(如图15-12(d)所示)。螺柱两端都有螺纹，一端旋入被联接件，另一端由螺母旋入，多用于被联接件之一较厚或采用盲孔，且需要经常拆卸的场合。

(4)紧定螺钉联接(如图15-12(e)所示)。常用来固定两零件的相对位置，并可传递不大的转矩。

图15-12螺纹联接的类型图15-12螺纹联接的类型 螺纹余留长度l1为：

座端拧入深度H，当螺孔材料为：

静载荷l1≥(0.3~0.5)d

钢或青铜H≈d

变载荷l1≥0.75d

铸铁H＝(1.25~1.5)d

冲击载荷或弯曲载荷l1≥d

铝合金H＝(1.5~2.5)d

铰制孔用螺栓l1尽可能小

螺纹孔深度螺纹H1＝H＋(2~2.5)P

螺纹伸出长度a＝(0.2~0.3)d

钻孔深度H2＝H1＋(0.5~1)d

螺栓轴线到边缘的距离e＝d＋(3~6)mm图15-12螺纹联接的类型15.4.3螺纹联接件

螺纹联接件大多已有国家标准，设计时一般根据大径d(D)按标准选用。

1.螺栓

螺栓的头部形状很多，常用的有标准六角头和小六角头两种(如图15-13所示)。由冷镦法生产的小六角头螺栓具有用材省、生产率高、力学性能好等优点。但其头部尺寸较小，不宜用于频繁拆卸、被联接件强度低和容易锈蚀的地方。

图15-13螺栓

2.双头螺柱

双头螺柱(如图15-14所示)旋入被联接件螺纹孔的一端称为座端，与螺母相配合的一端称为螺母端。

图15-14双头螺柱

3.螺钉和紧定螺钉

螺钉和紧定螺钉的头部有内六角头、十字槽头、开槽头等多种形式(如图15-15(a)所示)，以适应不同拧紧方法的要求。紧定螺钉用末端顶住被联接件，其末端形式有锥端、平端、凹端、圆柱端等(如图15-15(b)所示)。

图15-15螺钉和紧定螺钉

4.螺母

螺母的形状也很多，常用的有六角螺母(如图15-16所示)和圆螺母(如图1517所示)。六角螺母可分为普通螺母、薄螺母、厚螺母。薄螺母用于高度尺寸受到限制的地方，厚螺母用于经常拆卸、容易磨损的地方。圆螺母常与止动垫圈配合使用，用于轴上零件的轴向固定。

图15-16六角螺母

图15-17圆螺母

5.垫圈

垫圈的作用是增大被联接件的支承面，降低支承面的压强，防止拧紧螺母时擦伤被联接件的表面。常用的垫圈有普通垫圈(如图15-18(a)所示)和弹簧垫圈(如图1518(b)所示)。

图15-18垫圈15.4.4螺纹联接的预紧与防松

1.螺纹联接的预紧

一般螺纹联接在装配时都必须拧紧(称为预紧)，这时螺纹受到预紧力的作用。预紧的目的是防止工作时联接出现缝隙和滑移，保证联接的紧密性和可靠性。如果预紧力过小，会使联接不可靠；如果预紧力过大，容易将螺栓拉断。

对于一般联接，可凭借经验来控制预紧力的大小，但对于重要的联接必须经过严格测定来控制预紧力的大小。小批量生产可使用测力矩扳手来控制预紧力的大小，大批量生产时，常用风扳机来控制预紧力的大小，当力矩达到额定数值时，风扳机中的离合器会自动脱开。

2.螺纹联接的防松

螺纹联接是利用螺纹的自锁性来达到联接要求的，一般情况下不会松动。但是，在冲击、振动、变载、温度变化较大时螺纹会产生自动松脱。因此，在设计螺纹联接时必须考虑防松。螺纹联接防松的根本问题是阻止螺旋副相对转动。防松的方法很多，常用的防松方法见表15-4。表15-4常用防松方法续表续表15.4.5螺栓联接的失效形式

普通螺栓的主要失效形式是螺栓杆或螺纹部分的塑性变形和断裂；铰制孔用螺栓的失效形式是螺栓杆被剪断、螺栓杆或孔壁被压溃；经常拆卸时会因磨损产生滑扣。15.4.6提高螺栓联接强度的措施

1.改善螺纹牙间的载荷分布

由于螺栓和螺母的刚度不同、变形不同，因此各牙受力不均匀。从螺母支承面算起，第一圈承载最大，以后各圈递减，到第8～10圈以后，螺纹几乎不受载荷。为改善各牙受力分布不均匀，可采用悬置螺母(如图15-19(a)所示)、内斜螺母(如图15-19(b)所示)、环槽螺母(如图15-19(c)所示)等，使螺纹牙间的载荷分配趋于均匀，以提高螺栓的强度。

图15-19均载螺母结构

2.减小应力集中

适当增大螺纹牙根过渡处圆角半径，在螺纹结束部位采用退刀槽等方法，都能使截面变化均匀，减小应力集中，提高螺栓的疲劳强度。

3.避免附加应力

由于各种原因，可能使螺栓承受附加弯曲应力，这对螺栓疲劳强度影响很大，这种情