机械设计基础

第10章连接学习导航知识目标：能力目标：掌握螺纹连接、轴毂连接、轴间连接的应用场合及特点。掌握常用连接的选择、验算和设计方法。能够根据连接的结构合理地选择螺纹连接的类型。能够正确地选择键的类型及参数，了解销连接的应用场合。能够根据轴间连接的情况合理地选用联轴器及其类型。第10章连接

10.1螺纹连接

10.2轴毂连接

10.3轴间连接

10.4弹性连接

10.5其他常用连接

10.1螺纹连接10.1.1螺纹连接的类型及应用场合10.1.2常用标准螺纹连接件学习要点掌握螺纹连接的类型、应用场合及防松方法，能够通过计算合理地选择螺栓直径。10.1.3螺纹连接的预紧和防松10.1.4螺栓连接的强度计算10.1.5螺纹连接的结构设计要点10.1.1螺纹连接的类型及应用场合类型构造特点及应用螺栓连接被联接件都不切制螺纹，使用不受被联接件材料的限制，构造简单，装拆便，成本低，应用最广用于通孔，能从被联接件两边进行装配的场合螺栓杆与孔之见紧密配合，有良好的承受横向载荷的能力和定位作用螺纹联接由联接件和被联接件组成，联接的主要类型有螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。10.1.1螺纹连接的类型及应用场合类型构造特点及应用双头螺栓连接双头螺柱的两端都有螺纹，其一端紧固地旋入被联接件之一的螺纹孔内，另一端与螺母旋合而将两被联接件联接用于不能用螺栓联接且又需经常拆卸的场合螺钉连接螺钉联接不用螺母，而且能有光整的外露表面，应用与双头螺柱相似，但不宜用于经常拆卸的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔紧定螺钉连接紧定螺钉联接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，并可传递不大的转矩10.1.2常用标准螺纹连接件螺栓1双头螺栓2动画10.1.2常用标准螺纹连接件螺钉3紧定螺钉4动画10.1.2常用标准螺纹连接件螺母5动画垫片6动画动画动画10.1.2常用标准螺纹连接件螺纹紧固件的强度级别7

螺纹紧固件的强度级别用数字表示:螺栓用两个数字来表示，小数点前的数字表示抗拉强度极限σBmin

的1/100，小数点后数字表示屈服极限与强度极限比值(σSmin/σBmin

)的10倍螺母用一位数字表示，数字为σBmin/100。例如，螺栓（螺钉、双头螺柱）的强度级别标记为4.6，表示抗拉强度极限σBmin=400MPa，屈服极限σSmin

=240MPa。螺母的强度级别标记为6，表示抗拉强度极限σ

Bmin

=600MPa。10.1.3螺纹连接的预紧和防松螺纹连接的预紧1按螺纹联接装配时是否拧紧，分为松联接和紧联接。对于预紧力大小的控制，一般螺栓联接可凭经验控制，重要螺栓联接通常要采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制。对于常用的钢制M10～M68的粗牙普通螺纹，拧紧力矩T的经验公式为T≈0.2F′d

T———拧紧力矩，N·mm;

F′———预紧力，N;

d———螺纹的公称直径，mm。10.1.3螺纹连接的预紧和防松螺纹联接的防松2联接用螺纹标准件都能满足自锁条件。拧紧螺母后，螺母与被联接件支承面间的摩擦力也有助于防止螺母松脱。

(1)利用摩擦力防松采用各种结构措施使螺纹副中的摩擦力不随联接的外载荷波动而变化，保持较大的防松摩擦阻力矩。利用摩擦力防松10.1.3螺纹连接的预紧和防松螺纹联接的防松2

(2)机械防松槽型螺母与开口销防松止动垫片防松串联钢丝防松10.1.3螺纹连接的预紧和防松螺纹联接的防松2

(3)破坏螺纹副的不可拆防松

如图所示，在螺母拧紧后，采用冲点、焊接、豁结等方法，使螺纹连接不可拆卸。这种方法一般用于永久性连接，方法简单可靠。不可拆防松10.1.4螺栓连接的强度计算普通螺栓联接的强度计算1

(1)松螺栓联接的强度计算松螺栓联接在工作时只承受轴向工作载荷F，其强度校核与设计计算公式分别为松螺栓连接实例10.1.4螺栓连接的强度计算普通螺栓联接的强度计算1

(2)紧螺栓联接的强度计算

①受横向工作载荷的紧螺栓连接②受轴向工作载荷的紧螺栓联接10.1.4螺栓连接的强度计算铰制孔用螺栓联接的强度计算2铰制孔用螺栓联接的失效形式一般为螺栓杆被剪断，螺栓杆或孔壁被压溃。因此，铰制孔用螺栓联接须进行剪切强度和挤压强度计算。铰制孔用螺栓连接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为10.1.5螺纹连接的结构设计要点

(1)螺栓组的布置应尽可能对称，以使接合面受力比较均匀，一般都将接合面设计成对称的简单几何形状，并应使螺栓组的对称中心与接合面的形心重合。螺栓组的布置10.1.5螺纹连接的结构设计要点

(2)当螺栓联接承受弯矩和转矩时，还须将螺栓尽可能地布置在靠近接合面边缘，以减少螺栓中的载荷。如果普通螺栓联接受较大的横向载荷，则可用套筒、键、销等零件来分担横向载荷，以减小螺栓的预紧力和结构尺寸。减荷装置10.1.5螺纹连接的结构设计要点

(3)分布在同一圆周上的螺栓数，应取为4、6、8等易于等分的数目，以便于加工。

(4)在一般情况下，为了安装方便，同一组螺栓中不论其受力大小，均采用同样的材料和规格尺寸，如螺栓直径和长度尺寸等。

(5)螺栓布置要有合理的距离。在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁之间、螺栓相互之间的距离，要根据扳手活动所需的空间大小来决定。扳手空间10.1.5螺纹连接的结构设计要点

(6)避免承受附加弯曲应力。引起附加弯曲应力的因素很多，除因制造、安装上的误差及被联接件的变形等因素外，螺栓、螺母支承面不平或倾斜，都可能引起附加弯曲应力。支承面一般应为加工面。为了减少加工面，常将支承面做成凸台、凹坑。为了适应特殊的支承面（倾斜的支承面、球面），可采用斜垫圈、球面垫圈。避免承受附加弯曲应力的措施

10.2轴毂连接10.2.1键连接10.2.2键连接的尺寸选择和强度计算学习要点掌握平键连接参数的选择方法，会验算键的强度。了解花键连接及销连接的应用场合。10.2.3花键连接10.2.4销连接10.2.1键连接平键连接1平键连接的剖面结构如图所示，平键的下面与轴上键槽紧贴，上面与轮毂键槽顶面留有间隙。两侧面为工作面，依靠键与键槽之间的挤压力Ft传递转矩T。10.2.1键连接平键连接1

(1)普通平键连接普通平键的主要尺寸是键宽b、键高h和键长L。端部有圆头（A型）、平头（B型）和单圆头（C型）三种形式。普通平键连接10.2.1键连接平键连接1

(1)普通平键连接普通平键的主要尺寸是键宽b、键高h和键长L。端部有圆头（A型）、平头（B型）和单圆头（C型）三种形式。键槽加工动画动画10.2.1键连接平键连接1

(2)导向平键和滑键连接当轴上零件与轴构成移动副时，采用导向平键联接，轮毂可沿键做轴向滑移，由于导向平键较长，要用螺钉固定在轴上，键中间设有起键螺孔，以便拆卸。当轴上零件移动距离较大时，宜采用滑键联接，但因其键过长，制造、安装困难。导向平键连接花键连接动画动画10.2.1键连接半圆键连接2用半圆键连接时，轴上键槽用半径与键相同的盘状铣刀铣出，因而键在槽中能摆动以适应轮毂键槽的斜度。这种联接的优点是工艺性较好，缺点是轴上键槽较深，对轴的削弱较大，故主要用于轻载荷和锥形轴端的联接。半圆键连接动画10.2.1键连接楔键连接3楔键的上表面和轮毂槽底均有1∶100的斜度，键楔紧在轴毂之间。楔键的上下表面为工作面，依靠压紧面的挤压力和摩擦力传递转矩及单向轴向力。楔键分普通楔键和钩头楔键。楔键连接动画10.2.2键连接的尺寸选择和强度计算键的选择1

(1)键的类型选择选择键的类型应考虑以下因素:对中性的要求;传递转矩的大小；轮毂是否需要沿轴向滑移及滑移的距离大小；键在轴的中部或端部等。

(2)键的尺寸选择在标准中，根据轴的直径可查出键的截面尺寸b×h，键的长度L根据轮毂的宽度L1确定。10.2.2键连接的尺寸选择和强度计算平键连接的强度计算2键连接的主要失效形式是较弱工作面的压溃（静连接）或过度磨损（动连接），因此应按照挤压应力σP

或压强p进行条件性的强度计算，校核公式为10.2.2键连接的尺寸选择和强度计算键槽尺寸及公差3轮毂键槽深度为t1

，轴上键槽深度为t，它们的宽度与键的宽度相同。键连接按配合情况分为较松连接、一般连接和较紧连接。键槽尺寸及偏差10.2.3花键连接花键连接由轴上加工出的外花键和轮毂孔内加工出的内花键组成，工作时靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。

花键连接的优点是：键齿数多，承载能力强；键槽较浅，应力集中小，对轴和轮毂的强度消弱也小；键齿均布，受力均布；轴上零件与轴的对中性好；导向性好。

花键连接的缺点是：加工成本较高。花键10.2.3花键连接矩形花键1国家标准规定，矩形花键连接采用小径定心，这种定心方式可采用热处理后磨内花键孔的工艺，提高定心精度，并在单件生产或花键孔直径较大时避免使用拉刀，以降低制造成本。矩形花键联接10.2.3花键连接渐开线花键2渐开线花键的齿廓为渐开线，工作时各齿均匀承载，强度高。渐开线花键可以用齿轮加工设备制造，工艺性好，加工精度高，互换性好。因此，渐开线花键连接常用于传递载荷较大、轴径较大、大批量生产的重要场合。渐开线花键连接10.2.4销连接销连接通常用于固定零、部件之间的相对位置，即定位销。也用于轴毂间或其他零件间的连接，即连接销。可充当过载剪断元件，即安全销。定位销连接销安全销10.2.4销连接

销分类及应用场合：销按形状分为圆柱销、圆锥销和异形销三类。圆柱销靠过盈与销孔配合，为保证定位精度和连接的坚固性，不宜经常装拆，主要用于连接或定位。圆锥销具有1:50的锥度，小端直径为标准值，自锁性能好，定位精度高，主要用于定位或连接。圆柱销和圆锥销的销孔均需铰制。异形销种类很多，其中开口销工作可靠，拆卸方便，常与槽形螺母合用，锁定螺纹连接件。

10.3轴间连接10.3.1联轴器10.3.2离合器学习要点掌握联轴器的类型特点，能够合理选用联轴器。10.3.3制动器10.3.1联轴器联轴器所连接的两轴，由于制造和安装误差、受载变形、温度变化和机座下沉等原因，可能产生轴线的径向、轴向、角度或综合位移。因此，要求联轴器在传递运动和转矩的同时，还应具有一定范围内补偿位移、缓冲吸振的能力。联轴器所连接两轴的位移形式10.3.1联轴器刚性联轴器对轴线的位移没有补偿能力，适用于载荷平稳、两轴对中性好的场合。常用的刚性联轴器有套筒联轴器和凸缘联轴器等。

(1)套筒联轴器套筒联轴器是利用套筒和连接零件，即键或销，将两轴连接起来。刚性联轴器1套筒联轴器10.3.1联轴器

(2)凸缘联轴器刚性联轴器1凸缘联轴器联轴器有两种对中方式：一种是通过分别具有凸槽和凹槽的两个半联轴器的相互嵌合来对中，半联轴器之间采用普通螺栓连接，如图上半部所示；另一种是通过铰制孔用螺栓与孔的紧配合对中，如图下半部所示。当尺寸相同时后者传递的转矩较大，且装拆时轴不必做轴向移动。10.3.1联轴器

(1)十字滑块联轴器可移式刚性联轴器2十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器1、3和一个两端面均带有凸牙的中间盘2组成，中间盘两端面的凸牙位于互相垂直的两个直径方向上，并在安装时分别嵌入1、3的凹槽中。动画10.3.1联轴器

(2)万向联轴器可移式刚性联轴器2万向联轴器万向联轴器是由分别装在两轴端的叉形接头1、3以及与叉头相联的十字轴2组成。机器工作时即使夹角发生改变仍可正常传动，但α过大会使传动效率显著降低。动画10.3.1联轴器

(3)齿式联轴器可移式刚性联轴器2齿式联轴器齿式联轴器应用较广泛，它是利用内外齿啮合来实现两个半联轴器的联接。10.3.1联轴器

(1)弹性套柱销联轴器弹性联轴器3弹性套柱销联轴器利用弹性一套的弹性变形来补偿两轴的相对位移。弹性套柱销联轴器10.3.1联轴器

(2)弹性柱销联轴器弹性联轴器3这种联轴器与弹性套柱销联轴器很相似，仅用弹性柱销（通常用尼龙制成）将两个半联轴器联接起来。弹性柱销联轴器10.3.1联轴器联轴器的选择4联轴器的计算转矩可按下式计算：10.3.2离合器用离合器连接的两轴可在机器运转过程中随时进行接合或分离。离合器按其工作原理可分为牙嵌式、摩擦式和电磁式三类：按控制方式可分为操纵式和自动式两类。对于已标准化的离合器，其选择步骤和计算方法与联轴器相同。对于非标准化或不按标准制造的离合器，可先根据工作情况选择类型，再进行具体设计计算，具体的计算方法及计算内容可查阅有关资料。10.3.2离合器牙嵌离合器1牙嵌离合器10.3.2离合器摩擦离合器2摩擦离合器利用主、从动半离合器摩擦片接触面间的摩擦力传递转矩。为提高传递转矩的能力，通常采用多片摩擦片。它能在不停车或两轴有较大转速差时进行平稳接合，且可在过载时因摩擦片间打滑而起到过载保护的作用。多片式摩擦离合器及摩擦片10.3.2离合器安全离合器3牙嵌式安全离合器端面带牙的离合器左半2和右半3，靠弹簧1嵌合压紧以传递转矩。当从动轴4上的载荷过大时，牙面5上产生的轴向分力将超过弹簧的压力，而迫使离合器发生跳跃式的滑动，使从动轴4自动停转。调节螺母6可改变弹簧压力，从而改变离合器传递转矩的大小。10.3.2离合器超越离合器4超越离合器的星轮1与主动轴相联，顺时针回转，滚柱3受摩擦力作用滚向狭窄部位被楔紧，带动外环2随星轮1同向回转，离合器接合。星轮1逆时针回转时，滚柱3滚向宽敞部位，外环2不与星轮1同转，离合器自动分离。滚柱一般为3～8个。弹簧4起均载作用。超越离合器动画10.3.3制动器带式制动器1制动器的主要作用是降低机械运转速度或迫使机械停止转动，制动器多数已标准化，可根据需要选用。常用的有带式制动器、内涨蹄铁式制动器等。当杠杆受FQ

作用时，挠性带收紧而抱住制动轮，靠带与轮之间的摩擦力来制动。简单带式制动器10.3.3制动器内涨蹄铁式制动器2内涨蹄铁式制动器分为单蹄、双蹄、多蹄和软管多蹄等。制动蹄1上装有摩擦材料，通过销轴2与机架固联，制动轮3与所要制动的轴固联内涨蹄铁式制动器

10.4弹性连接10.4.1弹性连接的功用和弹簧的类型10.4.2弹簧的材料及制作学习要点了解弹簧的类型及应用。10.4.1弹性连接的功用和弹簧的类型弹性连接的功用1(1)缓冲和吸振(2)储存和输出能量汽车减振弹簧钟表发条10.4.1弹性连接的功用和弹簧的类型弹性连接的功用1(3)测量载荷(4)控制运动弹簧秤安全阀10.4.1弹性连接的功用和弹簧的类型弹簧的类型2根据制造材料的不同，弹簧可分为金属弹簧和非金属弹簧;根据其形状不同，可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧等;根据承载性质，可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、扭转弹簧等。10.4.2弹簧的材料及制作弹簧的材料1弹簧一般在变载荷下工作，其破坏形式主要是疲劳破坏，因此要求弹簧材料在力学性能方面应具有高的屈服强度、疲劳强度及足够的冲击韧性；在工艺性能方面具有良好的淬透性，不易脱碳，便于卷绕。弹簧的材料主要是热轧钢、冷拉弹簧钢以及橡胶等非金属材料。10.4.2弹簧的材料及制作弹簧的制作2为使载荷作用线与弹簧轴线趋于重合，大多