第10章联接 基本内容:螺纹参数:螺纹副的受力分析、效率和自锁:机械制造常用螺纹:螺纹联接的 基本类型和螺纹紧固件:;螺纹联接的预紧和防松:螺栓联接的强度计算;螺栓 的材料和许用应力;提高螺栓联接强度的措施:键联接和花键联接:销联接。 基本要求:了解螺纹联接的类型和特点:掌握螺纹联接的受力分析和强度计算方法 掌握键联接的类型及选择计算:了解花键联接、销联接的特点 重点:螺纹联接的受力分析和强度计算 学时:课堂讲授:5学时。 第一讲 由于使用、结构、制造、装配、运输等原因,机器中有许多零件需要按照一定的要求 和方式它们联接起来,而构成一个整体 零件的联接方式有多种,通常所谓的联接主要是指静联接 螺纹联接 —键联接(平键、花键、楔键) 可拆的联接 销联接 一一弹性环联接 联接 成形联接 一夹紧联接等 焊接 不可拆的联接 铆接 一粘接 过盈配合 在这些联接方式中尤其是以螺纹联接应用最为广泛,各种类型的机器设备中都有这种 联接方式,如:自行车等。 ▲螺纹联接的主要特点:
- 1 - 第 10 章 联接 基本内容：螺纹参数；螺纹副的受力分析、效率和自锁；机械制造常用螺纹；螺纹联接的 基本类型和螺纹紧固件；螺纹联接的预紧和防松；螺栓联接的强度计算；螺栓 的材料和许用应力；提高螺栓联接强度的措施；键联接和花键联接；销联接。 基本要求：了解螺纹联接的类型和特点；掌握螺纹联接的受力分析和强度计算方法； 掌握键联接的类型及选择计算；了解花键联接、销联接的特点。 重 点：螺纹联接的受力分析和强度计算 学 时：课堂讲授：5 学时。 第一讲 由于使用、结构、制造、装配、运输等原因，机器中有许多零件需要按照一定的要求 和方式它们联接起来，而构成一个整体。 零件的联接方式有多种，通常所谓的联接主要是指静联接。 ——螺纹联接 ——键联接（平键、花键、楔键） ——可拆的联接 —— ——销联接 ——弹性环联接 联接—— ——成形联接 ——夹紧联接等 ——焊接 ——不可拆的联接 ————铆接 ——粘接 ——过盈配合 在这些联接方式中尤其是以螺纹联接应用最为广泛，各种类型的机器设备中都有这种 联接方式，如：自行车等。 ▲螺纹联接的主要特点：
§10-1螺纹参数 螺纹的形成 少如斗 双线螺坟 、螺纹的类型和分类 ▲按照平面图形的形状:螺纹分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等 ▲按照螺旋线的旋冋:螺纹分为左旋螺纹和右旋螺纹。杋械制造中一般釆用右旋螺纹, 有特殊要求时,才采用左旋螺纹 ▲按照螺旋线的数目:螺纹还分为单线螺纹和多线螺纹,为了制造方便,螺纹的线数 一般不超过4。 ▲按功能:联接螺纹:传动螺纹,调节螺纹,阻塞螺纹等 ▲按标准:公制螺纹,英制螺纹 ▲螺纹有内螺纹和外螺纹之分,两者旋合组成螺旋副或称螺纹副 ▲按照母体形状,螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。 三、螺纹的基本参数:以圆柱螺纹为例, 大径——d、D 中径一—d2、D2 小径——d1、D1 线数一 螺距——P 导程 螺纹升角 tgo= nP 牙型角——a 牙型斜角一—β(牙侧角)工作高度一—H
- 2 - §10-1 螺纹参数 一、螺纹的形成 二、螺纹的类型和分类 ▲按照平面图形的形状：螺纹分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹等。 ▲按照螺旋线的旋向：螺纹分为左旋螺纹和右旋螺纹。机械制造中一般采用右旋螺纹， 有特殊要求时，才采用左旋螺纹。 ▲按照螺旋线的数目：螺纹还分为单线螺纹和多线螺纹，为了制造方便，螺纹的线数 一般不超过 4。 ▲按功能：联接螺纹；传动螺纹，调节螺纹，阻塞螺纹等 ▲按标准：公制螺纹，英制螺纹 ▲螺纹有内螺纹和外螺纹之分，两者旋合组成螺旋副或称螺纹副。 ▲按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。 三、螺纹的基本参数：以圆柱螺纹为例， 大径——d、D 中径——d2、D2 小径——d1、D1 线数——n 螺距——P 导程——S S＝nP 螺纹升角——ψ 牙型角——α 牙型斜角——β（牙侧角） 工作高度——H
§10-2螺旋副的受力分析、效率和自锁 一、矩形螺纹(B=0) 将矩形螺纹沿中径d2展开可得一斜面,如图所示 ▲当滑块沿斜面等速上升时 F= Ftg(+ p) 作用在螺旋副上的相应驱动力矩T=F·=F.g(+p ▲当滑块沿斜面等速下滑时:F=Fg(y-p) 作用在螺旋副上的相应力矩 d2 T=F.tg(ψ-p) 当滑块沿斜面等速下滑时求出的F值可为正,也可为负。 非矩形螺纹(B≠0) 非矩形螺纹是指牙侧角β≠0的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹, 略去螺纹升角的影响,在轴向载荷Fa作用下 螺杆 非矩形螺纹的法向力比矩形螺纹的大。 线螺杆 若把法向力的增加看作摩擦系数的增加 螺母 则非矩形螺纹的摩擦阻力可写为 F cos B f= F。=fF 式中f’一一为当量摩擦系数,即 cOS P tg o
- 3 - §10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 一、矩形螺纹（β＝0） 将矩形螺纹沿中径 d2 展开可得一斜面，如图所示。 ▲当滑块沿斜面等速上升时： 作用在螺旋副上的相应驱动力矩 ▲当滑块沿斜面等速下滑时： 作用在螺旋副上的相应力矩 ▲当滑块沿斜面等速下滑时求出的 F 值可为正，也可为负。 二、非矩形螺纹 （β≠0） 非矩形螺纹是指牙侧角β≠0 的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。 略去螺纹升角的影响，在轴向载荷 Fa 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 式中 f’——为当量摩擦系数，即
式中p’—一为当量摩擦角:β为牙侧角。 ▲当滑块沿非矩形螺纹等速上升时,可得水平椎力 F=Fatg(y+ p) 相应的驱动力矩 T=F2=F,2g中+p) ▲当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时,可得 F=Ftg(b-p) 可得相应的力矩为 T=F。ntg(4-p) 与矩形螺纹分析相同,若螺纹升角φ小于当量摩擦角ρ’,则螺旋具有自锁特性,如 不施加驱动力矩,无论轴向驱动力Fa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 y≤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必须满足自锁条件 ▲螺旋副的效率:一一是有效功与输人功之比 FS tg y tg(+p 由于过大的螺纹升角制造困难,且效增尚也个亚者,所以一服φ角不大于25° 用于联接的螺纹升角,一般都较小。 §10-3机械制造常用螺纹 三角形螺纹 ▲普通三角形螺纹一一多用于紧固联接,a=60°以大径d为公称直径。 粗牙与细牙螺纹的比较: 粗牙螺距大,牙的强度高,但有效截面直径小 细牙螺距小,牙的强度小,不耐磨,容易滑丝,自锁性能
- 4 - 式中 p’——为当量摩擦角；β为牙侧角。 ▲当滑块沿非矩形螺纹等速上升时，可得水平椎力 相应的驱动力矩 ▲当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时，可得 可得相应的力矩为 与矩形螺纹分析相同，若螺纹升角ψ小于当量摩擦角ρ’，则螺旋具有自锁特性，如 不施加驱动力矩，无论轴向驱动力 Fa 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 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必须满足自锁条件。 ▲螺旋副的效率：——是有效功与输人功之比。 由于过大的螺纹升角制造困难，且效率增高也不显著，所以一般ψ角不大于 25° 用于联接的螺纹升角，一般都较小。 §10-3 机械制造常用螺纹 一、三角形螺纹 ▲普通三角形螺纹——多用于紧固联接，α＝60°以大径 d 为公称直径。 ——粗牙与细牙螺纹的比较： 粗牙螺距大，牙的强度高，但有效截面直径小 细牙螺距小，牙的强度小，不耐磨，容易滑丝，自锁性能 好
▲管螺纹一一用于紧密联接 、其他螺纹 般用于传动。 第二讲 §10-4螺纹联接的基本类型 一、基本类型 1、螺栓联接 1)受拉螺栓联接:制造和装拆方便,应用广泛 2)铰制孔螺栓联接:螺栓受剪,多用于板状件的联接, 有时兼起定位作用。 2、双头螺柱联接 用于被联接件之一较厚或受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构较紧凑的场合。 紧定螺钉联接 3、螺钉联接 与双头螺柱联接相似,但不宜用于时常装拆的联接,以免损坏被联接件的螺纹孔ε 4、紧定螺钉联接 用以固定两个零件的相互位置,并可传递不大的力或转矩。 、螺纹紧固件标准件 螺纹紧固件的品种很多,大都已标准化,其规格、型号均已系列化 1.螺栓最常用的有六角头和小六角头两种 2.双头螺柱旋入被联接件螺纹孔的一端称为座端,另一端为螺母端,其公称长度
- 5 - ▲管螺纹——用于紧密联接。 二、其他螺纹 一般用于传动。 第二讲 §10-4 螺纹联接的基本类型 一、基本类型 1、螺栓联接 1）受拉螺栓联接：制造和装拆方便，应用广泛 2）铰制孔螺栓联接：螺栓受剪，多用于板状件的联接， 有时兼起定位作用。 2、双头螺柱联接 用于被联接件之一较厚或受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构较紧凑的场合。 3、螺钉联接 与双头螺柱联接相似，但不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。 4、紧定螺钉联接 用以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。 二、螺纹紧固件 标准件 螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，其规格、型号均已系列化。 1．螺栓 最常用的有六角头和小六角头两种。 2．双头螺柱 旋入被联接件螺纹孔的一端称为座端，另一端为螺母端，其公称长度
为L 3.螺钉、紧定螺钉头部有内六角头、十字槽头等多种形式。 紧定螺钉末端有平端、锥端、圆尖端等各种形状。 4.螺母形状有六角形、圆形等 5.垫圈作用是增加被联接件的支承面积以减小接触处的压强,避免拧紧螺母时擦 伤被联接件表面。普通垫圈呈环状,有防松作用的垫圈为弹性垫圈 三、性能等级 国家标准规定螺纹紧固件按机械性能分级。 一螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级 §10-5螺栓联接的拧紧和防松 、螺栓联接的拧紧 对于大多数螺纹联接来说,螺纹联接在装配时都必须拧紧,将螺母拧紧緊一一预紧 Fo——预紧力 预紧力的大小的影响: 增强联接的刚性、紧密性和防松能力。 提高螺栓的疲劳强度; 有利于增大联接中的摩擦力。 1、拧紧力矩(扳手力矩)—一T 拧紧螺母时,需要克服螺纹副的螺纹力矩T和螺母的承压面力矩T2,因此拧紧力矩 T=TI+ T2 T=T+T2 Fad2 g(ψ+p)+fF 对于M0~M68的粗牙螺纹,若取f’=tgP’=0.15,fo=0.15,则上式可简化 为 T≈0.2FdN 式中:d为螺纹公称直径,m:Fo为预紧力,N
- 6 - 为 L。 3．螺钉、紧定螺钉 头部有内六角头、十字槽头等多种形式。 紧定螺钉末端有平端、锥端、圆尖端等各种形状。 4．螺母 形状有六角形、圆形等。 5．垫圈 作用是增加被联接件的支承面积以减小接触处的压强，避免拧紧螺母时擦 伤被联接件表面。普通垫圈呈环状，有防松作用的垫圈为弹性垫圈。 三、性能等级 国家标准规定螺纹紧固件按机械性能分级。 ——螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级 §10-5 螺栓联接的拧紧和防松 一、螺栓联接的拧紧 对于大多数螺纹联接来说，螺纹联接在装配时都必须拧紧，将螺母拧紧——预紧 Fo——预紧力 预紧力的大小的影响： 增强联接的刚性、紧密性和防松能力。 提高螺栓的疲劳强度； 有利于增大联接中的摩擦力。 1、拧紧力矩（扳手力矩）——T 拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺纹力矩 T1 和螺母的承压面力矩 T2，因此拧紧力矩 T= T1＋ T2 即： 对于 M10～M68 的粗牙螺纹，若取 f’＝tg P’ ＝0.15，fc＝0．15，则上式可简化 为 式中：d 为螺纹公称直径，mm；Fo 为预紧力，N
、拧紧力矩的控制 由于摩擦系数不稳定和加在扳手上的力难于准确控制,有时可能拧得过紧而使螺栓拧 ▲对于要求拧紧的强度螺栓联接应严格控制其适度的拧紧力,并不宜用小于M2~M16 的螺栓。 ▲控制拧紧力矩方法: 一通常螺纹联接拧紧的程度是凭工人经验来决定的。 一一使用测力矩扳手或定力矩扳手 测力矩扳手 定力矩扳手 装配时测量螺栓的伸长,规定开始拧紧后的扳动角度或圈数 对于大型联接,还可利用液力来拉伸螺栓,或加热使螺栓伸长到需要的变形量再 把螺母拧到与被联接件相贴合。 螺纹联接的防松 在静载荷下,螺纹联接具有自锁条件,同时螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防 松作用 但在冲击、振动或变载荷下,或当温度变化大时,联接有可能松动,甚至松开,这就 容易发生事故。所以在设计螺纹联接时,必须考虑防松问题。 ▲防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动。 具体的防松装置或方法很多,就工作原理来看,可分为 利用摩擦 一直接锁住 一破坏螺纹副。举例说明见表6.2
- 7 - 2、拧紧力矩的控制 由于摩擦系数不稳定和加在扳手上的力难于准确控制，有时可能拧得过紧而使螺栓拧 断。 ▲对于要求拧紧的强度螺栓联接应严格控制其适度的拧紧力，并不宜用小于 M12～M16 的螺栓。 ▲控制拧紧力矩方法： ——通常螺纹联接拧紧的程度是凭工人经验来决定的。 ——使用测力矩扳手或定力矩扳手 ——装配时测量螺栓的伸长，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。 ——对于大型联接，还可利用液力来拉伸螺栓，或加热使螺栓伸长到需要的变形量再 把螺母拧到与被联接件相贴合。 二、 螺纹联接的防松 在静载荷下，螺纹联接具有自锁条件，同时螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防 松作用。 但在冲击、振动或变载荷下，或当温度变化大时，联接有可能松动，甚至松开，这就 容易发生事故。所以在设计螺纹联接时，必须考虑防松问题。 ▲防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动。 具体的防松装置或方法很多，就工作原理来看，可分为 ——利用摩擦 ——直接锁住 ——破坏螺纹副。举例说明见表 6.2
第三讲 §10-6螺栓联接的受力分析和强度计算 ▲失效形式 静载荷作用下一一螺栓的损坏多为螺纹部分的塑性变形和断裂。 变载荷作用下——螺栓的损坏多为栓杆部分的疲劳断裂。 如果螺纹精度低或联接时常装拆,很可能发生滑扣现象 ▲计算准则 对于受拉螺栓一—σ≤[σ] 对于受剪螺栓——τ≤[τ]:σp≤[σ。] 对于受复合应力作用的螺栓——0≤[o。] 一、松螺栓联接 在螺栓强度计算中,螺栓螺纹部分危险截面的面积要用计算直径dc计算,此直径可 根据螺栓拉断截面状况归纳出的经验公式确定: dc=d1-H/6 式中d1一螺纹小径 H—一螺纹牙形的三角形高度 作近似计算时d≈dc 这种联接只能受静载荷。如图示,螺栓在工作时只受拉力Fa, 其螺纹部分的强度条件为: 4Fa/(πd2)≤[o] 式中[σ]一松联接螺栓的许用拉应力 、紧螺栓联接 1、受横向工作载荷的螺栓联接 ▲采用普通螺栓联接—一靠接合面间的摩擦力传力 U■U 由F作用产生的拉应力
- 8 - 第三讲 §10-6 螺栓联接的受力分析和强度计算 ▲失效形式 静载荷作用下——螺栓的损坏多为螺纹部分的塑性变形和断裂。 变载荷作用下——螺栓的损坏多为栓杆部分的疲劳断裂。 如果螺纹精度低或联接时常装拆，很可能发生滑扣现象。 ▲计算准则 对于受拉螺栓——σ≤[σ] 对于受剪螺栓——τ≤[τ]；σP≤[σP] 对于受复合应力作用的螺栓——σe≤[σe] 一、松螺栓联接 在螺栓强度计算中，螺栓螺纹部分危险截面的面积要用计算直径 dc 计算，此直径可 根据螺栓拉断截面状况归纳出的经验公式确定： dc＝d1－H/6 式中 dl 一螺纹小径 H——螺纹牙形的三角形高度 作近似计算时 dl≈dc 这种联接只能受静载荷。如图示，螺栓在工作时只受拉力 Fa， 其螺纹部分的强度条件为： 4Fa/（πd1 2）≤[σ] 式中[σ]一松联接螺栓的许用拉应力。 二、紧螺栓联接 1、受横向工作载荷的螺栓联接 ▲采用普通螺栓联接——靠接合面间的摩擦力传力 由 F’作用产生的拉应力：
/(πdc2) 由螺纹力矩T1作用产生的剪应力: T=T/Wn Wn=(πd13)/16; T= F F。 2g(+p) 螺栓材料是塑性的,可根据第四强度理论计算螺纹部分强度。 取M10~M68三角形螺纹的d2、d和φ的平均值,并取tgp’=f’=0.15,代人 上式,得 τ≈0.50 得螺栓螺纹部分的强度条件为: /a2+3r1≈1.3≤[a] 4×1.3F′ F=Fo 预紧力F的计算 根据板的平衡条件得 fFmZ=CFn或F=CF/fmz 式中f—一接合面摩擦系数 对于钢铁零件,当接合面干燥时,f==0.10~0.15; 当接合面沾有油时,f=0.06~0.10 m一接合面数 z——螺栓数目 C—一考虑摩擦传力的可靠系数,C=1.1~1.3 ▲采用铰制孔螺栓联接:——靠螺栓受剪和螺栓与被联接件相互挤压时的变形来传递载 荷 假设各螺栓所受的工作载荷均为Fs,则根据板的静力平衡条件得:
- 9 - σ= 4F’/（πdc2） 由螺纹力矩 T1 作用产生的剪应力： τ= T1 /Wn Wn=（πd13）/16； 螺栓材料是塑性的，可根据第四强度理论计算螺纹部分强度。 取 M10～M68 三角形螺纹的 d2、d1 和ψ的平均值，并取 tgρ’ ＝f’ ＝0.15，代人 上式，得： τ≈0.5σ 得螺栓螺纹部分的强度条件为： F´=Fo 预紧力 F’的计算 根据板的平衡条件得: f F0 m Z＝C FR 或 F0＝C FR /fmz 式中 f——接合面摩擦系数， 对于钢铁零件，当接合面干燥时，f＝=0．10～0．15； 当接合面沾有油时，f＝0．06～0．10； m——接合面数； z——螺栓数目； C——考虑摩擦传力的可靠系数，C＝1．l～1．3 ▲采用铰制孔螺栓联接：——靠螺栓受剪和螺栓与被联接件相互挤压时的变形来传递载 荷。 假设各螺栓所受的工作载荷均为 FS，则根据板的静力平衡条件得：
Fs=F2或Fs=R/z 第四讲 2、受轴向工作载荷的紧螺栓联接 如图所示,这种联接拧紧后螺栓受预紧力F’,工作时还受到轴向工作载荷F的作 a)开始拧紧 b)拧紧后 c)受工作载荷时 d)工作载倚过大时 a)拧紧时 b)a图两图合并 螺栓和被联接件都是弹性体 A)、由图b—一拧紧后,根据静力平衡条件,螺栓所受拉力应与被联接件所受压力大 小相等,均为F'。以C1和C2分别表示螺栓和被联接件的刚度, 则螺栓伸长量:—-81=F’/Cl 被联接件缩短量: 62=F’/C2 B)由图c——螺栓受工作载荷时的情况 螺栓总拉力为F,拉力増量为F一F’,螺栓的伸长増量为Δδ1:被联接件随之放 松,其压力减小为剩余预紧力F”,压力减量为F’一F”,被联接件的缩短减量为△82。 根据螺栓的静力平衡条件得 F=F+F
- 10 - zFS =FR 或 FS =FR /z 第四讲 2、受轴向工作载荷的紧螺栓联接 如图所示，这种联接拧紧后螺栓受预紧力 F’， 工作时还受到轴向工作载荷 F 的作 用。 螺栓和被联接件都是弹性体。 A）、由图 b——拧紧后，根据静力平衡条件，螺栓所受拉力应与被联接件所受压力大 小相等，均为 F’。以 C1 和 C2 分别表示螺栓和被联接件的刚度， 则螺栓伸长量：——δ1= F’/ C1 被联接件缩短量：——δ2= F’/ C2 B）由图 c——螺栓受工作载荷时的情况。 螺栓总拉力为 F0，拉力增量为 F0 一 F’，螺栓的伸长增量为Δδ1；被联接件随之放 松，其压力减小为剩余预紧力 F”，压力减量为 F’一 F”，被联接件的缩短减量为Δδ2。 根据螺栓的静力平衡条件得 F0 =F＋F