机械制造业中机械零件的连接知识

机械制造业中机械零件的连接知识

在机械制造中，联接是指被联接件与联接件的组合。就

机械零件而言，被联接件有轴与轴上零件（如齿轮、飞轮）、

轮圈与轮心.箱体与箱盖、焊接零件中的钢板与型钢等、联

接件又称紧固件，如螺栓、螺母、销、钾钉等。有些联接则

没有专门的紧固件，如靠被联接件本身变形构成的过盈联接、

利用分子结合力构成的焊接与粘接等。

联接区分为可拆的与不可拆的、同意多次装拆而无损于

使用性能的联接称之可拆联接，如螺纹联接、键联接与销联

接。若不损坏构成零件就不能拆开的联接则称之不可拆联接,

如焊接、粘接与钏接。

钏接噪声大劳动条件恶劣，目前除桥梁与飞机制造业之

外，已很少应用；焊接与粘接涉及面广，已有专著论述。本

章均不作介绍、本章只讨论可拆联接。

10.1联接螺纹与螺旋传动

10.1.1螺纹的类型与参数

将一倾斜角为4的直线绕在圆柱体上便形成〜条螺旋线

（下左图a）、取一平面图形（图b）,使它沿着螺旋线运动，

运动时保持此图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。按照平

面图形的形状螺纹分为三角形螺纹、梯形螺纹与锯齿形螺纹

等。按照螺旋线的旋向。螺纹分为左旋螺纹与右旋燃纹。机

械制造中通常使用右旋螺纹，有特殊要求肘，才使用左旋螺

纹。按照螺旋线的数目，螺纹还分为单线螺纹与等距排列的

多线螺纹（下右图）。为了制造方便，螺纹的线数通常不超过

4o

螺纹有内螺纹与外螺纹之分，两者旋合构成螺旋副或者称螺

纹副、用于联接的螺纹称之联接螺纹；用于传动的螺纹称之

传动螺纹。相应的传动称之螺旋传动。由于螺旋传动也是利

用螺纹零件工作的，其受力情况与几何关系与螺纹联接相似,

因此也列入本章论述。

令

单线1线双线隼纹

b)

按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹与圆锥螺纹.现以圆柱螺

纹为例，说明螺纹的要紧几何参数（下图）

（1）大d与外螺纹牙顶（或者内螺纹牙底）相重合的

假想圆柱体的直径。

(2)小径dl与外螺纹牙底(或者内螺纹牙顶)相重合

的假想圆柱体的直径。

(3)中径小也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线

上牙型沟槽与凸起宽度相等。

(4)螺距P相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距

离。

(5)导程S同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对

应两点间的轴向距离°设螺旋线数为n,则S二nP。

(6)螺纹升角少中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直

于螺纹轴线的平面的夹角(上左图)。

,•nP

(7)牙型角a轴向截面内螺纹牙型相邻两测边的夹角称之

牙型角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称之牙侧角。

机械制造常用螺纹:

一、三角形螺纹

三角形螺纹要紧有普通螺纹与管螺纹。

普通螺纹一用于紧固联接，管螺纹一用于紧密联接。

1、普通螺纹

普通螺纹一一我国国家标准中，把牙型角。二60。的三角形米

制螺纹称之普通螺纹，以大径d为公称直径0

普通螺纹又分为粗牙螺纹与细牙螺纹。同一公称直径能够有

多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称之粗牙螺纹。其余都称

之细牙螺纹（下左图a）、粗牙螺纹应用最广、细牙螺纹的升

角小、小径大，因而自锁性能好、强度高但不耐磨易滑扣、

它适用于薄壁零件、受动载荷的联接与微调机构。

2.管螺纹

管联接螺纹通常有四种：普通细牙螺纹、非嗯纹密封的管螺

纹（圆柱管壁、。二55。，如下左图b）、用螺纹密封的管螺

纹（圆锥管壁、a=55。，如图c）与60°圆锥管螺纹。管螺

纹的公称直径是管子的公称通径。圆柱管螺纹广泛应用于水、

煤气、润滑管路系统中。圆锥管螺纹不用填料即能保证紧密

性而且旋合迅速，适用于密封要求较高的管路联接中

二、梯形螺纹与锯齿形螺纹

梯形螺纹与锯齿形螺纹用于传动。为了减少摩擦与提高效率,

这两种螺纹的牙侧角都比三角形螺纹的小得多（下右图），而

且有较大的间隙以便贮存润滑油。梯形螺纹的牙侧角

6二15。，比矩形螺纹容易切削、当使用剖分由母时还能够消

除因磨损而产生的间隙，因此应用较广。锯齿形螺纹工作面

牙侧角8=3°,效率比梯形纹高但只适用于承受单方向的轴

向载荷。

b、那＜蚊密封的管螟ttc）用・奴*忖的管・蚊。0形V)«««

10.1.2螺旋副的受力分析、效率与自锁

（>b）«>

-矩形螺纹

螺旋副在力矩与轴向载荷作用下的相对运动，可看成作

用在中径的水平力推动滑块（重物）沿螺纹运动，如上图a

所示。将矩形螺纹沿中径d2展开可得一斜面（图b）,图中力

为螺纹升角，K为轴向载荷，F为作用于中径处的水平推力,

R为法向反力；fL为摩擦力，f为摩擦系数，P为摩擦角。

当滑块沿斜面等速上升时，R为阻力，F为驱动力。因摩

擦力向下，故总反力鼻与F”的夹角为中十P。由力的平衡条

件可知，FR、F与K三力构成力多边形（图b）,由图可得

F=+p）

作用在螺旋副上的相应驱动力矩

T=F*=F.ytg（^+P）

当滑块沿斜面等速下滑时，轴向载荷Fa变为驱动力，而F变

为维持滑块等速运动所需的平衡力（上图C）。由力多边形可

得

F=Fatg（0-p）

作用在螺旋副上的相应力矩

T=F.晟tg（3—P）

上式求出的F值可为正，也可为负。当斜面做角力大于摩擦

角p时，滑块在重力作用下有向下加速的趋势。这时求出的

平衡力F为正，方向如上图c所示。它阻止滑块加速以便保

持等速下滑，故F是阻力（支持力）。当斜面领角小小于摩擦

角P时，滑块不能在重力作用下自行下滑，即处于自锁状态,

这时求出的平衡力F为负，其方向与上图c相反（即F与运

动方向成锐角），F为驱动力。它说明在自锁条件下，务必施

加驱动力F才能使沿块等速下滑。

二.非矩形螺纹

非矩形螺纹是指牙侧角BW0。的三角形螺纹、梯形螺纹与锯

齿形螺纹。

对比上图a与b可知，若略去螺纹升角的影响，在轴向

载荷K的作用下，非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。若

把法向力的增加看作摩擦系数的增加，则非矩形螺纹的摩擦

阻力可写为

岛/=+入=/凡

式中尹为当量摩擦系数，即

f=磊=tg"

式中P’为当量摩擦角；B为牙侧角。因此将f改为广、

P改为P'就可像矩形螺纹那样对非矩形螺纹进行力的分

析。

当滑决沿非矩形螺纹等速上升时可得水平推力

相应的驱动力矩

T=F•cb/2=F/g(6+P')/2

当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时可得

F=Fatg(4-p')

相应的力矩为

7=Faytg(^—“)

与矩形螺纹分析相同，若螺纹升角小小于当量摩擦角.则

螺旋具有自锁特性，如不施加驱动力矩，不管轴向驱动力

多大，都不能使螺旋副相对运动、考虑到极限情况，非矩形

螺纹的自锁条件可表示为

w<P'

为了防止螺母在轴向力作用下自动松开，用于联接的紧

固螺纹务必满足自锁条件。

以上分析适用于各类螺旋传动与螺纹联接。归纳起来就

是：当轴向载荷为阻力，阻止螺旋副相对运动时（比如车床

丝杆走刀时.，切削力阻止刀架轴向移动；螺纹联接拧紧螺母

时，材料变形的反弹力阻止螺母轴向移动；蝶旋千斤顶举升

重物时，重力阻止螺杆上升）。相当于滑块沿斜面等速上升。

当轴向载荷为驱动力，与螺旋副相对运动方向一致时（比如

旋松螺母时，材料变形的反弹力与螺母移动方向一致；用螺

旋千斤顶降落重物时，重力与下降方向一致），相当于滑块沿

斜面等速下滑。

螺旋副的效率是有效功与输入功之比、若按嗯旋转动一圈计

算，输入功为211T,如今升举滑块（重物）所作的有效功为

FaS,故螺旋副的效率为

_F*S_tgQ

V=拓=tg（“+〃）

由上式可知，当量摩擦角P'一定时，效率只是螺纹升角中

的函数。由于过大的螺纹升角制造困难，且效率增高也不显

著，因此通常力角不大于25。。

10.1.4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件

一、螺纹联接的基本类型

螺纹联接有下列四种基本类型

1.螺栓联接

螺栓联接的结构特点是被联接件的孔中不切制螺纹（下左

图），装拆方便。

螺栓联接有两种类型：普通螺栓联接与钱制孔用螺栓联接。

普通螺栓联接，螺栓与孔之间有间隙。这种联接的优点是加

工简便，成本低故应用最广。较制孔用螺栓联接，其螺杆外

径与螺栓孔（由高精度钱刀加工而成）的内径具有同一基本

尺寸，它适用于承受垂直于螺栓轴线的横向载荷。

2.螺钉联接

螺钉直接旋人被联接件的螺纹孔中，省去了螺母（下左图a）,

因此结构上比较简单、但这种联接不宜经常装拆。以免被联

接付的螺纹孔磨损而修复困难。

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由・打人侵赏〃.当事孔川用为，

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・收伸出长度a=4C.2~d3）diteft.W«5-lW»

・检制tt货边・妁变离，-d+C3~6）mm八.a、，值即加109

3.双头螺柱联接

双头螺柱多用于较厚的被联接件或者为了结构紧凑而使用盲

孔的联接（上右图b）。双头螺柱联接同意多次装拆而不损坏

被联接零件。

4,紧定螺钉联接

紧定螺钉联接（下左图）常用来固定两零件的相对位置，

并可传送不大的力或者转矩。

二、螺纹紧固件

螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，它是一种商品

性零件，经合理选择其规格、型号后，可直接到五金商店购

买。

1.螺栓

螺栓的头部形状很多，最常用的有六角头与小六角头两

种。

螺栓也应用于螺钉联接中。

2.双头螺柱

双头螺柱旋入被联接件螺纹孔的一端称之座端。另一端

为螺母端，其公称长度为L

3.螺钉、紧定螺钉

螺钉、鉴定螺钉的头部有内六角头、十字槽头等多种形

式，以习惯不一致的拧紧程度。紧定螺钉末端要顶住被联接

件之一的表面或者相应的凹坑，其末端具有平端、锥端、圆

尖端等各类形状。

4螺母

螺母的形状有六角形、圆形（下右图）等。六角螺母有

三种不一致厚度，薄螺母用于尺寸受到限制的地方，厚螺母

用于经常装拆易于磨损之处。圆螺母常用于轴上零件的轴向

固定。

5.垫圈

垫圈的作用是增加被联接件的支承面积以减小接触处的

压强（特别当被联接件材料强度较差时.）与避免拧紧螺母时

擦伤被联接件的表面。普通垫圈呈环状，还有具有防松作用

的垫圈。

普通用的螺纹紧固件，按制造精度分为粗制、精制两类。

粗制的螺纹紧固件多用于建筑，木结构及其他次要的场合，

精制的广泛应用于机器设备中.

10.1.5螺纹联接的预紧与防松

除个别情况外，螺纹联接在装配时都务必拧紧，这时螺

纹联同意到预紧力的作用、关于重要的螺纹联接，应操纵其

预紧力，由于预紧力的大小对螺纹联接的可靠性、强度与密

封性均有很大的影响。

拧紧力矩

螺纹联接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对转动的阻力矩「

与螺母支承面上的磨擦阻力矩(上图)之与，即

T-Tx-\-Tt—+〃)+ftF,r(

式中：F为轴向力，关于不承受轴向工作载荷的螺纹，K即

预紧力；d2为螺纹中径；。为螺母与被联接件支承面之间的

摩擦系数，无润滑时可取f>0.15；n为支承面摩擦半径，

关于M10〜M68的粗牙螺纹，若取*=tgp'=0.15及

fc=0.15,则式(10-9)可简化为

T^O.2FudN•mm

式中：d为螺纹公称直径，mm；Fa为预紧力，N。

为了充分发挥螺栓的工作能力与保证预紧可靠，螺栓的

预紧应力通常可达材料屈服极限的50%〜70%。

小直径的螺栓装配时应施加小的拧力矩，否则就容易将螺栓

杆拉断。对重要的有强度要求的螺栓联接，如无操纵拧紧力

矩的措施，不宜使用小于M12的螺栓。

二、拧紧力矩的操纵

通常螺纹联接拧紧的程度是凭工人经验来决定的。为了

能保证装配质量，重要的螺纹联接应按计算值操纵拧紧力矩。

小批量生产时可使用带指针刻度的测力矩扳手。大量生产多

使用风扳机，当输出力矩达到所调节的额定值时，商合器便

会打滑而自动脱开，井发出响声。

三、螺纹联接的防松

1.螺纹联接为什么要防松

联接用的三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷与工作温度

变化不大时不可能自动松脱。但是在冲击、振动与变载的作

用下，预紧力可能在某一瞬间消失，联接仍有可能松脱、高

温的螺纹联接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱

现象，因此设计时务必考虑防松。

螺纹联接防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。

2.防松的方法

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松pf良好

冲立法坊松用冷古A2〜3点站合法防松

10.1.6螺栓联接的强度计算

螺栓的要紧失效形式

螺栓的要紧失效形式有：（1）螺栓杆拉断；（2）螺纹的压溃

与剪断；（3）经常装拆时会因磨损而发生滑扣现象。

二、计算内容

螺栓与螺母的螺纹牙及其他各都尺寸是根据等强度原则及使

用经验规定的。使用标准件时，这些部分都不需要进行强度

计算、因此，螺栓联接的计算要紧是确定螺纹小径d.,然后

按照标准选定螺纹公称直径（大径）d及螺距P等

三、松螺栓联接

松螺栓联接装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前除

有关零件的自重（自重通常很小，强度计算时可略去）外联

接并不受力。图10T6所示吊钩尾部的联接是其应用实例。

当承受轴向工作载荷R（N）时，其强度条件为

《㈤

四、紧螺栓联接

紧螺栓联接装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要

补充拧紧。设拧紧螺栓时螺杆承受的轴向拉力为R（不承受

轴向工作载荷的螺栓，号即预紧力）。这时螺栓危险截面（即

螺纹小径di处）除受拉应力外，还受到螺纹力矩「所引起的

扭切应力。

故螺栓螺纹部分的强度条件为

需（㈤

式中［。］为螺栓的许用应力MPa。

受横向工作载荷的螺栓强度

上图所示的螺栓联接，承受垂直于螺栓轴线的横向工作载荷

F,图中螺栓与孔之间留有间隙。工作时，若接合面内的摩擦

力足够大，则被联接件之间不可能发生相对滑动。因此螺栓

所受的轴向力（即预紧力）应为

CF

式中：R为预紧力；C为可靠性系数，通常取C=1.1〜1.3；m

为接合面数目；f为接合面摩擦系数，关于钢或者铸铁被联

接件可取f=0.15o求出R值后，可按紧螺栓强度条件计算

螺栓强度。

从上式来看，当f=0.15、01.2、wl时,F028F。。

即预紧力应为横向工作载荷的8倍，因此螺栓联接靠摩擦力

来承担横向载荷时，其尺寸是较大的。

为了避免上述缺点，可用键、套筒或者销承担横向工作载荷,

而螺栓仅起联接作用（下厅图）。也能够使用螺杆与孔之间没

有间隙的皎制孔用螺栓（下右图）来承受横向载荷。

2.受轴向工作载荷的螺栓强度

在下左图所示的缸体中，设流体压强为p,螺栓数为z,则缸

体周围每个螺栓平均承载FE二pHD2/4ZO

在受轴向工作载荷的螺栓联接中，螺栓实际承受的总拉伸载

荷K并不等于预紧力与FE之与。现说明如下：

螺栓联接拧紧后，螺栓受到拉力F。而伸长了62被联

接件受到压缩力F。而缩短了黑。，如图b所示，在联接承受

轴向工作载荷FE时，螺栓的伸长量增加A8而成为5,

相应的拉力就是螺栓的总拉伸载荷工，如图c所示。与此同

时，被联接件则随着螺栓的伸长而弹回，其压缩量减少了4

s而成为5CO-A8,与此相应的压力就是残余预紧力FB(图

C)o

工作载荷FE与残余预紧力FR一起作用在螺栓上(图C),

因此螺栓的总拉伸载荷为

F“=FE+FR

载荷与变形的关系图也可如下图所示。图中令螺栓刚度

紧螺栓联接应能保证被联接件的接会面不出现缝隙，因

此残余预紧力K应大于零。当工作载荷FE没有变化时，可取

FR=(0.2-0.6)FE,当FE有变化时,FR=(0.6-1.0)FE；

关于有紧密性要求的联接(如压力容器的螺栓联接)，

FF(1.5-1.8)FEO

在通常计算中，可先根据联接的工作要求规定残余预紧

力FR,其次由式求出总拉伸载荷乩，然后按紧螺栓强度条件

计算螺栓强度。

从上图还可导出各力之间的关系与螺栓刚度与被联接件刚度

对这些力的影响。

F.=F。+△尸b=F。+kb^d]

FR=F°—△尸e=Fo一比j

尸「尸。+FE瓦片

入=F。一斤E|1—

螺栓的相对刚性系数的大小与螺栓及被联接件的材料、尺寸

与结构有关，其值在。〜1之间变化。

3,螺栓的材料与许用应力

螺栓的常用材料为Q215、Q235、10、35与45钢,重要

与特殊用途的螺纹联接件可使用15Cr、40C「、30CrMnSi等力

学性能较高的合金钢。这些材料的力学性能见表9-1。螺纹

联接的许用应力及安全系数见教材表10-3o

10.17螺旋传动

一、螺旋传动的类型

螺旋传动要紧用来把回转运动变为直线运动。按使用要

求的不一致可分为三类

（1）传力螺旋以传递动力为主。要求用较小的力矩转

动螺杆（或者螺母）而使螺母（或者螺杆）产生轴向运动与

较大的轴向大，这个轴向力能够用来做起重与加压等工作、

比如下图a的起重器，图b的压力机（加压或者装拆用）等。

（2）传导螺旋以传递运动为主，并要求具有很高的运

动精度，它常用作机床刀架或者工作台的进给机构（图c）。

（3）调整螺旋用于调整并固定零件或者部件之间的相

对位置。调整螺旋不经常转动。

二、螺杆、螺母材料

用杆与螺母的材料除要求有足够的强度、耐磨性外，还

要求两者配合时摩擦系数小、通常螺杆可选用Q275、45、50

钢等；重要螺杆可选用T12、40Cr、65Mn钢等，并进行热处

理。常用的螺母材料有铸造锡青铜ZCuSnlOPl与

ZCuSn5Pb5Zn5,重载低速时可选用强度高的铸造铝青铜

ZCuA110Fe3；在低速轻载，特别是不经常运转时，也可选用

耐磨铸铁。

螺旋传动的失效要紧是螺纹磨损，因此通常先由耐磨性

条件，算出螺杆的直径与螺母高度并参照标准确定螺旋各要

紧参数，而后对可能发生的其他失效一一进行校校。

三、滚动螺旋简介

在螺旋与螺母之间设有封闭循环的滚道，滚道间充以钢珠，

这样就使螺旋面的摩擦成为滚动摩擦，这种螺纹旋称之滚动

螺旋式滚珠丝杠。滚动螺旋按滚道回路型式的不一致，分为

外循环与内循环两种（下图）、钢珠在回路过程中离开螺旋表

面的称之外循环，钢珠在整个循环过程中始终不脱离螺旋表

面的称之内循环。内循环螺母上开有倒孔，孔内镶有反向器

将相邻两螺纹滚道联通起来，钢珠越过螺纹顶部进入相邻滚

道，形成一个循环回路.因此一个循环路里只有一圈钢珠

与一个反向器、一个螺母常设置2〜4个回路。外循环螺母只

需前后各设一个反向器即可。但为了缩短回路滚道的长度也

可在一个螺母中分为两个或者三个回路。

a）外曰斗

滚动螺旋的要紧优点是：1）摩擦缺失小，效率在90%以

上2）磨损很小，还能够用调整方法消除间隙并产生一定的

预变形来增加刚度，因此其传动精度很高；3）不具有自锁性,

能够变直线运动为旋转运动，其效率也可达到80%以上。

滚动螺旋的缺点是1）结构复杂，制造困难；2）有些机

构中为防止逆转需另加自锁机构。

由于其明显的优点，滚动螺旋早已在汽车与拖拉机的转

向机构中得到应用、目前在要求高效率与高精度之处多已广

泛应用滚动螺旋，比如飞机机翼与起落架的操纵、水闸的升

降与数控机床等。

10.2键联接与花键联接、销联接

一、键联接的作用

键要紧用来实现轴与轴上零件之间的周向固定以传递转矩。

有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或者轴向移动。

二、键联接的类型

键是标准件，分为平键、半圆键、楔键与切向键等。设

计时应根据各类键的结构与应用特点进行选择。

1.平键联接

平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂槽底之间留有间隙（下

图a）。这种键定心性较好、装析方便。常用的平键有普通平

键与导向平键两种。

普通平键的端部形状可制成圆头（A型）、方头（B型）或者

单圆头（C型）。圆头键的轴端用指形铳刀加工，键在槽中固

定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。方头键用大形铳

刀加工。轴的应力集中较小、单圆头键常用于轴端。普通平

键应用最广。

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2.心系文为।G.8.10.12.14.16・18.2C,22.25.21.32.%,40,4S.50.S6.63・70.皎・90,100.110.

12S.140.U0.180.2co.220.2S0.

导向平键校长，需用螺钉固定在轴槽中，为了便于装拆，在

键上制出起键螺纹孔（上图b）。这种键能实现轴上零件的轴

向移动，构成动联接、如变速箱的滑移齿轮即可使用导向平

键。

2.半圆键联接

半圆键也是以两侧面为工作面（下图a）,它与平键一样具有

定心较好的优点。半圆键能在槽中摆动以习啧毂槽底面，装

配方便。它的缺点是键槽对轴的削弱较大，只适用于轻载联

接。

锥形轴端使用半圆键联接在工艺上较为方便（下图b）。

3.楔键联接与切