机械设计基础（第5版）课件：连接

连接潘存云教授研制

连接本章主要介绍几种常用的可拆连接的方法。静连接动连接——运动副零件构件机构机器静连接动连接(运动副)可拆连接：螺纹连接、键连接、销连接等不可拆连接：铆接、焊接、胶接等连接

第一节螺纹

螺纹连接是利用带有螺纹零件的可拆连接，是机械连接中应用最广泛的连接方式。螺纹连接件是标准件。螺纹的形成1螺旋线的形成按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹螺纹的牙型矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹15º锯齿形螺纹30º3º30º潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹一般:n≤

4?双线螺纹单线螺纹PSS=2PPSPS=Pn线螺纹:S=nP按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹螺纹副外螺纹内螺纹潘存云教授研制潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹螺旋传动连接螺纹传动螺纹潘存云教授研制按螺纹的牙型分螺纹的分类按螺纹的旋向分按螺旋线的根数分按回转体的内外表面分按螺旋的作用分按母体形状分矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹右旋螺纹左旋螺纹单线螺纹多线螺纹外螺纹内螺纹连接螺纹传动螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹1．三角螺纹（1）普通螺纹

普通螺纹是公制螺纹，α＝60o，自锁性好，牙根厚，强度高，多用于连接。根据螺距大小可分为普通粗牙螺纹和普通细牙螺纹。1）粗牙螺纹：一般连接多采用粗牙螺纹。2）细牙螺纹：螺距小，自锁性好，强度高；但不耐磨，易滑扣，不宜经常装拆。多用于仪器中的调整螺旋，薄壁零件连接，受冲击及变载荷的连接。b)图7-10粗牙与细牙普通螺纹a)粗牙普通螺纹b)细牙普通螺纹常用螺纹（2）管螺纹

管螺纹是英制螺纹，其公称直径是管子的内径，α=55o或α=60o。按母体分有圆柱管螺纹和圆锥管螺纹，紧密性好，可防止泄漏，适用与管路连接。2．矩形螺纹

牙形角α=0o，传动效率高;但精加工比较困难，螺纹牙根部强度弱，对中性差，螺纹磨损后间隙无法补偿。在新标准中没有对其规定公差。

牙型为等腰梯形，牙型角

α＝30°。传动效率较矩形螺纹低，但牙根强度高，加工工艺性好，对中性好。如用剖分螺母，还可以调整间隙。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。4．锯齿形螺纹

牙型为不等腰梯形，牙型角α＝33°（承载面斜角3°，非承载面斜角30°）。传动效率高，牙根强度高，用于单向受力的螺旋传动3．梯形螺纹小结：连接螺纹:单线三角形螺纹。传动螺纹:多线矩形、梯形、锯齿形螺纹。

二、螺纹参数（以圆柱螺纹为例）1．d—大径、螺纹的公称直径。2．d1—小径、螺纹的危险剖面直径。3．d2—中径、是确定螺纹的几何参数及配合性质的直径。

4．n—线数、

单线螺纹n=1，有自锁性，用于连接。

多线螺纹n≥2，效率高，用于传动。为便于加工，n≤4。5．P—螺距、螺纹相邻两牙在中径线上对应点之间的轴向距离。6．S—导程

螺纹上任一点沿螺旋线旋转一周所移动的轴向距离。单线螺纹:S=P多线螺纹：S=nP7．ψ—螺纹升角

螺旋线的切线与垂直螺纹轴线平面间的夹角。各直径处的ψ不同，ψ指螺纹中径处的升角。（7-1）8．α—牙形角通过螺纹轴线的平面内螺纹牙两侧边的夹角。sπd1πd2

πdψ第二节螺旋副的受力分析、效率和自锁一、矩形螺纹拧紧螺母可视为受轴向载荷为Fa的滑块沿螺纹斜面向上移动，也可视为滑块在沿螺纹中径d2展开后所得到的斜面上滑1．受力分析F＝Fatan（ψ+）拧紧螺母所需要的力矩为：推力F为：2．螺旋副的效率

拧紧螺母使其旋转一周的输入功：

有效功：（相当于将重物FQ升举一个导程S）效率：当摩擦角ρ一定时，螺旋副的效率只取决于螺纹升角ψ的大小。但过大的升角会造成加工困难，故ψ一般应不大于20º～25º。

3．螺旋的自锁

将松开螺母视为使滑块沿斜面等速下滑。防止滑块加速下滑的支持力：

当ψ≤ρ时，则F≤0

即不加支持力F，滑块在重力FQ的作用下也不会自动下滑，这种现象称为螺旋副的自锁。螺旋副的自锁条件：ψ≤ρ

自锁螺旋效率η＜50%二、非矩形螺纹

矩形螺纹相当于平滑块与平斜面的作用，非矩形螺纹相当于楔形滑块与楔形斜面的作用。可将摩擦力的增大视为摩擦因数和摩擦角的增大。此摩擦角称为当量摩擦角。b)a)矩形螺纹b)非矩形螺纹矩形螺纹和非矩形螺纹

将摩擦因数f换成当量摩擦因数fv，摩擦角ρ换成当量摩擦角ρv，非矩形螺纹相应的计算公式为自锁条件为：螺旋副的效率为：

由于

，，故非矩形螺纹比矩形螺纹效率低，但自锁性好。第三节螺纹连接一、螺纹连接的基本类型（四种）1．螺栓连接（1）普通螺栓连接

被连接件的通孔与螺栓杆间具有间隙，使用时不受被连接件材料的限制，结构简单，装拆方便，故应用最为广泛。（2）绞制孔用螺栓连接

通孔和螺栓杆间采用基孔制过渡配合（H7/m6、H7/n6）,定位精确，利于承受较大的横向载荷。螺栓连接a)普通螺栓连接b)铰制孔用螺栓连接

特点：主要用于被连接件的厚度不大且可加工通孔的场合。2．双头螺柱连接

用于被连接件之一较厚，不宜制成通孔，需要经常拆卸的场合。3．螺钉连接

螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，省去螺母，结构简单、紧凑，其用途与双头螺柱相似。多用于受力不大，不需经常拆卸的场合。否则，易使螺纹孔磨损、易扣。

双头螺柱连接、螺钉连接a)双头螺柱连接b)螺钉连接

4．紧定螺钉连接

多用于固定两个零件的相对位置，可传递不大的力或扭矩，有平头和锥头两种。紧定螺钉连接5．其他连接形式地脚螺栓连接吊环螺钉连接

特殊螺栓连接a)T形槽螺栓连接b)膨胀螺栓连接

二、螺纹连接件已标准化，设计时由标准选用。螺纹连接件通过组合形成螺纹连接螺栓普通螺栓铰制孔螺栓双头螺栓螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈、弹簧垫圈螺钉连接螺钉紧定螺钉、自攻螺钉第四节螺纹连接的预紧和防松一.螺纹连接的预紧1.目的

通常螺纹连接在装配时须预先拧紧，以增强连接的可靠性、紧密性和刚度，防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。2．拧紧力矩及预紧力

拧紧螺母时需克服螺纹间的摩擦阻力矩T1和螺母支撑面上的摩擦阻力矩T2。拧紧力矩：TT1T2

常用的钢制粗牙普通螺纹为M10~M68,在此范围内，当接触面间无润滑时，螺母与支撑面间的摩擦因数f=0.15。

预紧力

T=FL标准扳手长度L≈15dTT1T2

对于重要的螺栓连接应选用大于M12的螺栓，避免预紧时发生意外过载拉断。

拧紧力矩的大小对螺纹连接的可靠性、强度和紧密性均有很大影响，过小起不到应有作用；过大可能拧断螺栓。因此，常用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力。测力矩扳手和定力矩扳手a)测力矩扳手b)定力矩扳手二、螺纹连接的防松防松方法：分为摩擦防松、机械防松和永久性防松三类。1．摩擦防松

对顶螺母弹簧垫圈自锁螺母防松目的：防止螺纹副相对转动。2．机械防松

开口销与槽形螺母

止动垫圈3．永久性防松

冲点防松粘合防松4．串连钢丝第五节螺纹连接的强度计算1．螺栓连接多是成组使用，按螺栓组中受载最大的螺栓进行强度计算。根据连接结构、材料性质和强度条件计算螺栓危险截面直径，再由标准确定公称直径。一、螺栓强度计算特点2．螺栓的其他尺寸及与其配用的螺母、垫圈等均是按等强度设计的，都按螺栓的公称直径由标准查取。二、螺栓连接的强度计算（一）受拉螺栓连接失效形式：受轴向静载荷时：塑性变形、拉断

受轴向变载荷时：疲劳断裂

按螺栓的受力可分为受拉螺栓连接和受剪螺栓连接。普通螺栓工作时，主要受拉力；铰制孔用螺栓工作时主要受剪切力。1．松螺栓连接

特点：安装时螺母不需拧紧，如不计自重，螺栓只受工作载荷。强度条件：螺纹小径： 许用应力：

滑轮架螺栓连接2．紧螺栓连接（1）受横向载荷的紧螺栓连接

受力分析：安装时将螺母拧紧，螺栓受轴向预紧拉力，承受工作载荷前后螺栓受载情况不变，依靠压紧后在被连接件结合面上产生的摩擦力传递载荷。

受横向载荷的紧螺栓连接平衡条件：

承受横向载荷

F时，被连接件的结合面不允许产生相对滑动，故引入可靠性系数Kf。Kf=1.1~1.3平衡条件：

单个螺栓所需的预紧力：fs—接合面摩擦因数

n—螺栓个数

m—被连接件的结合面数由预紧力产生的拉应力：拧紧螺母时由螺纹牙间摩擦阻力矩T产生的剪应力：Wτ—螺栓危险截面的抗扭截面摸量。对于M10~M68公制普通三角螺纹可取：

螺栓同时受拉应力和扭剪应力作用，应按第四强度理论计算当量应力。强度条件：螺栓小径：预紧力减载装置

靠摩擦力抵抗横向载荷的普通螺栓连接，要求施加较大的预紧力，为了克服上述缺点，可采用销、套筒或键等减载装置的连接。减载装置a)销b)套筒c)键（2）受轴向工作载荷的紧螺栓连接

压力容器内气压为р，气缸内径为D，作用在容器盖上的总工作载荷为FΣ＝pπD2/4，由连接凸缘的z个螺栓承受，每个螺栓所受轴向工作载荷为F＝pπD2/4z。受轴向载荷的螺栓连接a)螺母未拧紧b)螺母已拧紧c)已承受工作载荷2）螺母拧紧后，由于预紧力F′的作用，螺栓伸长δ1，被连接件缩短δ2，力与变形关系，左右合并后成图c。螺栓和被连接件的力与变形的关系1）螺母拧紧前：连接件与被连接件均不受力也不变形。3）承受工作载荷F后：螺栓继续伸长Δδ1，总伸长量为δ1+Δδ1；被连接件随螺栓的伸长而回缩Δδ2，总压缩量为δ2－Δδ2，Δδ1=Δδ2=Δδ。此时，被连接件仅受残余预紧力F″，螺栓所受的总拉力F0为工作载荷与残余预紧力之和F0=F＋F″。螺栓所受的总拉力为：

β是连接的相对刚度，若被连接件的材料为钢或铸铁，连接不用垫片或用金属垫片时取β=0.2～0.3；铜皮石棉垫片β=0.8；橡胶垫片β=0.9。为了保证连接的紧密性，应使F"＞0。当工作载荷稳定时：F″＝（0.2～0.6）F当工作载荷不稳定时：F″＝（0.6~1.0）F有密封要求时：F″＝（1.5～1.8）F对地脚螺栓；F″＞F

螺栓的强度条件：螺栓受轴向载荷或横向载荷时—材料的屈服强度，由P81表7-4查取。S—安全系数：控制预紧力时，S=1.2~1.5；

不控制预紧力时，由表7-5查取。式中1.3是考虑连接在补充拧紧时所受扭剪应力的影响。3．受剪螺栓连接

铰制孔用螺栓连接，该连接所受预紧力很小，强度计算时可忽略不计。失效形式a.螺栓被剪断

b.螺栓或被连接件孔壁被压溃。剪切强度条件为铰制孔用螺栓连接挤压强度条件为

第六节

螺纹连接件的材料及许用应力一、螺纹连接件的材料

国家标准规定螺纹连接件按材料的力学性能分出等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，从3.6到12.9。小数点前面的数字乘100等于材料的抗拉强度

σb，小数点后的数字乘抗拉强度σb再除10等于材料的屈服强度

σs。例如：性能等级4.6中：4表示材料的抗拉强度σb＝4×100＝400MPa，6表示材料的屈服极限

σs＝6×400/10＝240MPa。螺母的性能等级分为7级，从4到12，性能等级乘以100等于材料的抗拉强度σb。

螺纹连接件在图纸中只标注性能等级，不标注材料牌号。第七节提高螺栓连接强度的措施

一、改善载荷在螺纹牙上的分布1．轴向载荷在螺纹中的分布

普通结构的螺栓与螺母旋合传力时，两者变形性质不同。螺栓受拉，螺距变大；螺母受压，螺距变小。两者螺距变化的差别需靠螺纹牙的的剪切和弯曲变形协调补偿。

各圈螺纹牙受载不同，从螺母支撑面起，各圈承载比例为：

第一圈：34%第二圈：23%----------------第十圈：1%旋合螺纹间的载荷分布

旋合螺纹承载时的变形2.改善螺纹牙间载荷分布的措施采用悬置螺母或环槽螺母

螺母也受拉，使螺母与螺栓变形一致，从而减小了螺距的变化差，使载荷在各圈螺纹中分布比较均匀。二、减小应力集中

在螺栓的螺纹处、螺栓头与螺杆的过度处存在应力集中，降低螺栓的疲劳强度。措施：(1)加大螺栓的过度圆角(2)采用卸载结构悬置螺母和环槽螺母a)

悬置螺母b)

环槽螺母减小螺栓应力集中的方法三、避免或减小附加应力

钩头螺栓受附加弯曲应力作用。

当偏距e=d1时：应尽量避免使用偏置螺栓。螺栓受到附加弯曲应力的原因a)螺栓受偏心载荷b)被连接件刚度不够避免或减少附加弯曲应力结构措施a)采用球面垫圈b)采用斜垫圈c)采用凸台d)采用沉头座e)采用环腰螺栓四、降低应力幅1．减小螺栓的刚度2．增大被连接件的刚度减小螺栓刚度以减小应力幅增大被连接件刚度以减小应力幅五、改进制造工艺1．采用碾压螺纹，利用冷作硬化现象和合理的金属纤维流线走向提高强度。2．采用冷墩螺栓头。3．对螺纹表面进行氮化、氰化或喷丸处理。

第八节轴毂连接

功用：实现轴和传动零件（如齿轮、蜗轮）之间的周向固定，以传递转矩。一、键连接

键连接设计的主要内容为：选择键的类型，确定键的尺寸和校核键连接的强度。键是标准件。1．键连接的类型（1）平键连接普通平键（静连接）导向平键（动连接）A型：双圆头B型：方头C型：单圆头1）普通平键▲普通平键的两侧面为工作面。▲A型键的键槽用端铣刀加工，便于键的固定，但键槽端部应力集中较大。▲B型键的键槽用盘铣刀加工，轴的应力集中较小。▲C型键用于轴端的轴毂连接。普通平键连接A型C型B型圆头平头半圆头2）导向平键

导向平键通常用螺钉与轴固定，轴上零件的毂槽与键为动配合，可做轴向移动。如变速箱中的滑移齿轮。3）滑键

为避免导向平键过长，可采用滑键。鞍形滑键钩头滑键

滑键连接导向平键连接（2）半圆键连接

半圆键也以两侧面为工作面，可在键槽中摆动，可适应轮毂键槽的倾斜，对中性好，装拆方便；但键槽较深，对轴的强度削弱较大。用于轻载连接，多用于锥形轴端的轴毂连接。半圆键连接（3）楔键连接

楔键的上表面及毂槽底面的斜度均为1∶100，装配时楔入，靠楔面间的摩擦力传递扭矩。能轴向固定零件并承受单向轴向力。对中性差，只能用于对定心精度要求不高、载荷平稳和低速的连接。钩头楔键：便于装拆，但应注意安全防护。普通楔键a)b)楔键连接a)普通楔键b)钩头楔键

（4）切向键连接

切向键由一对斜度为1:100的楔键组成，装配时将两键楔紧。键的窄面为工作面，工作时，靠工作面上的挤压力和键与轮毂间的摩擦力来传递转矩，能传递较大的转矩。

用一个切向键时，只能传递单向转矩；当要传递双向的转矩时，必须用两个切向键，两者间的夹角为120°～130°。由于键槽对轴的强度削弱较大，所以切向键一般用于重型机械中直径大于100mm的轴上。切向键连接a)切向键b)单键连接c)双键连接图2．键连接的强度校核（1）平键尺寸的选择

平键的主要尺寸有键的横截面尺寸（键宽b×键高h）和长度L。键的截面尺寸

b×h可按轴的直径d从表7-6中选取。普通平键的长度

L按轮毂的长度确定，即键的长度应等于或略小于轮毂的长度；导向平键的长度则按轮毂长度及滑动距离而定。所选的键长应符合标准规定的长度系列。

（2）平键连接的强度校核

普通平键连接（静连接）的主要失效形式是工作面的压溃。除非过载严重，一般不会出现键的剪断。因此，通常按工作面上挤压应力对普通平键进行强度校核。

导向平键连接（动连接）的主要失效形式是工作面的过度磨损，通常按工作面上的压强进行条件性强度校核。（3）平键的强度计算平键连接受力情况静连接挤压强度计算动连接耐磨性计算

若平键强度不够时，可采用两个键呈180º布置，考虑载荷分配不均，其强度按1.5个键校核。二、花键连接1.花键连接的特点

优点：接触齿数多，接触面积大，承载能力大。齿槽浅，齿根应力集中小。制造精度高，轴与轮毂对中性好。花键连接常用于重载、高速场合，可用于静连接或动连接，对于动连接有较好的导向性。

花键连接由内花键和外花键组成，它靠轴上花键齿的侧面传递转矩。花键连接

缺点：需专用设备加工，成本较高。2．花键连接的类型（1）矩形花键

主要参数：齿数N