機械設計基礎課件第10章聯接

第10章聯接基本要求:

1、了解聯接的類型和應用；了解螺紋聯接的基本類型及螺紋緊固件；２、掌握螺紋聯接的受力分析、效率和自鎖、螺紋副當量摩擦系數；３、掌握平鍵聯接的選用和校核。重點與難點:重點：1）螺紋聯接的受力分析、效率和自鎖、螺紋副當量摩擦系數；

2）平鍵聯接的選用和校核。難點：螺紋聯接的受力析、效率和自鎖、螺紋副當量摩擦系數。

§10－1

螺紋參數§10－2螺旋副的受力分析、效率與自鎖第10章聯接§10－3螺旋副的受力分析、效率與自鎖

§10－4螺紋聯接的基本類型及螺紋緊固件

§10－5螺紋聯接的預緊和防松

§10－6螺紋聯接的強度計算

§10－7螺栓材料和許用應力

§10－8

提高螺栓聯接強度的措施

§10－9螺旋傳動

§10－12銷聯接

§10－11鍵聯接和花鍵聯接

螺紋聯接和螺旋傳動都是利用螺紋零件工作的，但兩者的工作性質不同。螺紋聯接是作為緊固件用，要求聯接可靠，保證足夠的聯接強度、剛度和自鎖性能（有時還要求緊密性）；后者用作傳動件使用，主要是傳遞運動和力。

§10－1

螺紋參數一、螺紋的形成鋸齒形螺紋梯形螺紋三角形螺紋二、螺紋的分類１．按形成平面圖形的形狀分２．按螺旋線旋向分左旋、右旋——常用3．按螺旋線的數分單線螺紋、雙線和多線螺紋。單線螺紋多用于聯接，多線螺紋多用于傳動。螺紋分為內螺紋和外螺紋。大徑d——螺紋的公稱直徑。小徑d1——常用于聯接的強度計算。中徑d2——常用于聯接的幾何計算。螺距P——相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上對應兩點間的軸向距離。導程S——同一螺旋線上相鄰兩牙在中徑圓柱面的母線上的對應兩點間的軸向距離，S=nP。螺旋升角y——在中徑圓柱面上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。牙型角a－螺紋軸向截面內，螺紋牙型兩邊的夾角。三、螺紋的主要參數

（以圓柱螺紋為例）

§10－2螺旋副的受力分析、效率和自鎖πd2lyFFFaFa

一、矩形螺紋

擰緊螺母(滑塊沿斜面等速上升)2）螺桿與螺母間作用力Fa集中作用在一小段螺紋上，可將螺旋副的摩擦問題轉化為斜面摩擦問題。1）螺桿與螺母間作用力集中作用在其中徑d2的圓柱面上。因螺桿的螺紋可視為由一斜面卷繞在圓柱體上而形成的。Rann水平驅動力F＝Fa

tg(y

＋)擰緊力矩

FRFaF+

放松螺母(滑塊沿斜面等速下滑)annR擰松螺母時所需力矩為滑塊沿斜面等速下滑，所需的平衡力F＝Fa

tg(y

-)當<時，F<0，其方向與螺母運動方向相同，它是放松螺母所需外加的驅動力矩，這表明要使螺母松退，必須加一個驅動力矩T，否則無論在多大力Fa作用下，螺母不會松退，即發(fā)生自鎖。當=時，F=0，表明無需放松力矩，螺母在力Fa的作用下正好等速松退。螺旋副反行程自鎖的條件：

。FFRFa-擰緊螺母(滑塊沿非矩形螺紋等速上升)水平驅動力F＝Fa

tg(y

＋’)擰緊力矩擰松螺母(滑塊沿非矩形螺紋等速下滑)水平平衡力F＝Fa

tg(y-’)螺旋副的效率

§10-3

機械制造常用螺紋類型牙型圖特點和應用普通螺紋

牙型為牙型角=60°的等邊三角形，內、外螺紋旋合后留有徑向間隙。牙根較厚，牙根強度較高。當量摩擦因數較大。同一公稱直徑按螺距大小分為粗牙和細牙兩種，應用最為廣泛，主要用于聯接。一般情況下用粗牙；細牙螺紋自鎖性好，對螺紋零件的強度削弱小，但易滑扣，故用于薄壁零件或受動載荷的聯接，還用于液壓系統內的一些聯接以及微調機構的調整圓柱管螺紋牙型為牙型角

=55°的等腰三角形，牙頂呈圓弧。內、外螺紋旋合后無徑向間隙，緊密性好。公稱直徑近似為管子孔徑，以英寸為單位。多用于壓力在1.57MPa以下的管子聯接

圓錐管螺紋牙型為牙型角

=55°的等腰三角形，與圓柱管螺紋相似，但螺紋分布在1：16的圓錐表面上，內、外螺紋旋合后無間隙，緊密性更好。通常用于高溫、高壓條件下工作的管子聯接。當與內圓柱管螺紋配用時，在1MPa壓力下已足夠緊密

梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙型角α=30°。傳動效率比矩形螺紋低，但可避免矩形螺紋的缺點。廣泛用于傳動鋸齒形螺紋牙型為不等腰梯形，

工作面的牙邊傾斜角為3°，非工作面的牙邊傾斜角為30°。綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強度高的特點。但只能用于單向受力的傳動

§10-4螺紋聯接的基本類型及螺紋緊固件鉸孔螺栓聯接普通螺栓聯接雙頭螺柱聯接緊定螺釘聯接螺釘聯接

一、 螺紋聯接基本類型

二、 螺紋緊固件1.六角頭螺栓2.雙頭螺

柱3.螺釘

4.螺母

5.墊圈預緊力和擰緊力矩（T）之間的關系：T1——螺旋副間的摩擦阻力矩T2——螺母環(huán)形面與被聯接件支承面間的摩擦力矩。Fa

§10-5螺紋聯接的預緊和防松絕大多數螺紋聯接在裝配時都必須擰緊螺母，使被聯接件受到壓縮，同時螺紋聯接件受到拉伸。預緊力——使聯接在承受工作載荷之前預先所受到的力。預緊目的：增強聯接的可靠性和緊密性，以防止受載后被聯接件間出現縫隙或發(fā)生相對移動。一、擰緊力矩對于M10～M68的粗牙螺紋螺栓，

取f’=tg’，fc=0.15，則T≈0.2Fad

注意：1）擰緊后螺紋聯接件的預緊應力一般可達材料的屈服極限ss的50%~70%。2）可憑工人的經驗來控制扳手的擰緊力矩。重要的聯接可利用控制擰緊力矩的方法來控制預緊力的大小。通?？刹捎脺y力矩扳手或定力矩扳手的方法來控制預緊力。3）通常標準扳手的長度L15d，若擰緊力為F，T≈

FL，

Fa≈

75F

。如F=200N,Fa≈

15000N，足以擰斷M12以下的螺栓。對于重要的聯，應盡可能不采用直徑過小(＜M12)的螺栓。且對于要求擰緊的螺栓，應精確控制預緊力。二、螺紋聯接的防松

聯接螺紋都能滿足自鎖的條件（ψ<’

）在靜載荷和工作溫度變化不大時，螺紋聯接不會自動松脫。在振動、沖擊或變載荷的作用下，會使聯接松脫。防松——防止螺旋副在受載時發(fā)生相對轉動。防松按其工作原理分為：摩擦防松和機械防松。常用防松裝置的原理和結構防松方法防松裝置結構特點及應用摩擦防松對頂螺母兩螺母對頂擰緊后，使旋合螺紋間始終受到附加的壓力和摩擦力的作用。工作載荷有變動時，該摩擦力仍然存在。結構簡單，適用于平穩(wěn)、低速和重載的固定裝置上的聯接彈簧墊圈彈簧墊圈材料為彈簧鋼，螺母擰緊后，靠墊圈壓平而產生的彈性反力使旋合螺紋間壓緊。同時墊圈斜面的刃口抵住螺母與被聯接件的支承面也有防松作用。結構簡單、使用方便。但由于墊圈的彈力不均，在沖擊、振動的工作條件下，其防松效果較差，一般用于不甚重要的聯接自鎖螺母螺母一端制成非圓形收口或開縫后徑向收口。當螺母擰緊后，收口脹開，利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊。結構簡單，防松可靠，可多次裝拆而不降低防松性能

機械防松開槽螺母與開口銷六角開槽螺母擰緊后，將開口銷穿過螺栓尾部小孔和螺母的槽，并將開口銷尾部掰開與螺母側面貼緊。也可用普通螺母擰緊后再配鉆開口銷孔。適用于較大沖擊、振動的高速機械中運動部件的聯接圓螺母用止動墊片將止動墊片的內舌放入螺栓（軸）的槽內，待螺母擰緊后，把止動墊片的外舌之一折嵌入到螺母的一個槽內，使螺栓螺母相互約束起到放松作用。結構簡單，使用方便，防松可靠，應用較廣串聯鋼絲用低碳鋼絲穿入各螺釘頭部的孔內，將一組螺釘串聯起來，使其相互約束，當有松動趨勢時，鋼絲被更加拉緊。使用時必須注意鋼絲的穿入方向。適用于螺釘組聯接，防松可靠，但裝拆不便其它的防松方法

§10-6

螺紋聯接的強度計算聯接的失效形式：主要是指螺紋聯接件的失效。受拉螺栓：失效形式主要是螺紋部分的塑性變形和螺桿的疲勞斷裂。受剪螺栓：失效形式可能是螺栓桿被剪斷或螺栓桿和孔壁的貼合面被壓潰。螺栓聯接的強度計算，主要是根據聯接的類型、聯接的裝配情況（是否預緊）和受載狀態(tài)等條件，選擇相應的強度計算準則，計算螺栓危險截面的尺寸（確定螺紋小徑d1或d0

、校核其強度。其他部分均可根據公稱直徑d直接按螺紋聯接件的標準確定。一、松螺栓聯接特點：聯接裝配時螺母不需擰緊，不承受工作載荷時，螺栓不受力。強度條件：二、緊螺栓聯接強度計算預緊力引起的拉應力：螺紋矩引起的扭轉剪應力：根據第四強度理論，當量應力:強度條件：緊螺栓聯接在裝配時，螺母需擰緊，在承受工作載荷前，螺栓在擰緊力矩的作用下已受到預緊Fa和螺紋力矩T1

的聯合作用。

當聯接承受較大的橫向載荷F時，f=0.15，C=1.2，m=1，F0≥8F

，因而需要大幅度地增加螺栓直徑。為減小螺栓直徑的增加，可采用減載措施。1.受橫向工作載荷的螺栓強度基本假設：1）同一組螺栓的直徑、長度、材料和預緊力均相同；2）被聯接件為剛體，即受載后接合面保持為平面；3）螺栓組的對稱中心與聯接結合面的形心重合。（1）普通螺栓聯接或C——可靠性系數，通常取C=1.1~1.3。（2）鉸孔制螺栓聯接這種螺栓聯接是靠螺栓桿受剪切和擠壓來抵抗橫向載荷。螺栓桿與被聯接件孔壁接觸表面的擠壓強度條件為螺栓桿的抗剪強度條件為式中：F——螺栓所受的工作剪力，單位為N；

d0——螺栓剪切面的直徑（可取螺栓孔直徑），單位為mm；

Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，單位為mm；設計時應使

Lmin≥1.25d0m——螺栓桿受剪面的數目。2．受軸向工作載荷的螺栓強度Fa——總拉力

FE_——工作載荷

F0——預緊力

FR——殘余預緊力Fa

=？

F0

+FEa)螺母未擰緊b0=0c0=0F0=0FE=0b)螺母擰緊栓：F0（拉）b0

FE=0

F0

≠

0被：F0（壓）c0

b0≠C0c)螺母擰緊栓：F0→

Fa

b0+F0

≠

0FE

≠

0被：F0→FR

C0-變形力變形

力單個緊螺栓聯接受力變形圖螺栓受工作載荷時，螺栓總載荷：螺栓剛度：被聯接件剛度：變形

力為保證受載后接合面聯接的緊密性，應使殘余預緊力FR>0。有緊密性要求的聯接：

FR=（1.5~1.8）FE工作載荷穩(wěn)定：FR=（0.2~0.6）FE工作載荷不穩(wěn)定：FR=（0.6~1.0）FE校核公式強度條件：設計公式

§10-7

螺栓材料和許用應力

國家標準規(guī)定了螺紋聯接件的性能等級。螺栓、螺柱、螺釘的性能等級分為10級，螺母的性能等級分為7級。在一般用途的設計中，通常選用4.8級左右的螺栓，在重要的或有特殊要求設計中的螺紋聯接件，要選用高的性能等級，如在壓力容器中常采用8.8級的螺栓。螺栓級別:

點前數字為σB/100點后數字為10σs/σB螺母級別:

σB/100

σB——抗拉強度極限σS——屈服極限一、螺紋聯接件材料

常用的螺紋聯接件材料為Q215、Q235、35、45等碳素鋼。當強度要求高時，還可采用合金鋼，如15Cr、40Cr等。二、螺紋聯接件的許用應力（被聯接件為鋼）（被聯接件為鑄鐵）受軸向載荷、橫向載荷的許用拉應力鉸孔制螺栓受橫向載荷的許用剪應力和許用擠壓應力靜載荷變載荷有緊密性要求的聯接

取FR=1.8FE解：（1）計算FE（2）計算Fa（3）求Ｍd螺栓選用45鋼，s=360N/mm，S=3取M16螺栓，d1=13.835mm，查表10-7所取S=3正確。（4）確定Ｄ０e螺栓間距l(xiāng)

§10-8

提高螺栓聯接強度的措施一、降低螺栓總拉伸載荷的變化范圍二、改善螺紋牙間載荷分布三、減小應力集中四、避免和減小附加應力

§10-9

螺旋傳動(自學)按用途分三類：(1)傳力螺旋舉重器、千斤頂、加壓螺旋特點：低速、間歇工作，傳遞軸向力大、自(2)傳導螺旋機床進給匯杠—傳遞運動和動力特點：速度高、連續(xù)工作、精度高(3)調整螺旋機床、儀器及測試裝置中的微調螺旋。特點：是受力較小且不經常轉動螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現傳動的。它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，同時傳遞動力。螺旋機構在機床的進給機構、起重設備、鍛壓機械、測量儀器、工具、夾具、玩具及其他工業(yè)裝備中有著廣泛的應用。

§10-11鍵聯接和花鍵聯接

類型：平鍵聯接、花鍵聯接。一、鍵聯接的類型

作用:

鍵可實現軸與軸上零件之間的周向固定以傳遞轉矩。也可實現軸向固定或軸向移動。平鍵的兩側面是工作面，上表面與輪轂