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1、2023/4/19,1,机械设计基础,2023/4/19,2,第十章 连接,总 论 螺纹联接 键联接和花键联接 销联接,2023/4/19,3,总论,静联接,动联接运动副,与动力源组合,零件,构件,机构,机器,静联接,动联接,(运动副),可拆联接：螺纹联接、键联接、销联接等,不可拆联接：铆接、焊接、胶接等,联接,2023/4/19,4,螺纹联接,101螺纹参数102螺旋副的受力分析、效率和自锁103机械制造常用螺纹104螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件105螺纹联接的预紧和防松106螺纹联接的强度计算107螺栓的材料和许用应力108提高螺栓联接的强度措施,2023/4/19,5,101螺纹参数,
2、1.螺纹形成螺旋线形成：把底边等于d2的直角三角形绕于直径为d2的圆柱体上，并使底边与圆柱体的底边对齐，则它的斜边在圆柱表面上便形成一条螺旋线。,旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋问题：旋向判断？,联接,传动,螺纹形成：平面图形沿螺旋线形成三角形、矩形、梯形、锯齿形螺纹螺旋线的数目(线数):单线、多线,说明,2023/4/19,6,牙型:,=60 30,=30 15,工3,非30,=0 0,矩形,非矩形,2023/4/19,7,螺纹旋向判断,旋向(螺旋线方向)：常用右旋，特殊要求时用左旋旋向判断:（1）轴线垂直放，右边高右旋 左边高左旋,（2）右手旋，前进右旋 左手旋，前进左旋,2
3、023/4/19,8,2023/4/19,9,2023/4/19,10,2.主要参数,大径d、D：最大直径公称直径小径d1：外螺纹的危险剖面直径强度直径中径d2、D2：假想直径，牙型沟槽宽与牙的宽度相等 计算直径,2023/4/19,11,2.主要参数,螺距P：相邻两牙轴向距离导程S：同一条螺纹线的相邻两牙间的轴向距离，S=nP升角y：螺纹与其轴线的垂直平面所成的夹角牙型角a：螺纹两侧边的夹角,2023/4/19,12,在轴向载荷下相对运动,拧紧、加载、顶起重物,将螺旋线沿中径展开,10-2 螺旋副的受力分析、效率和自锁,滑块(重物)在斜面运动,2023/4/19,13,分析:1.当匀速上升:
4、,Fa,F,Fn,FR,Ff,Fa,F,FR,+,FR与Fn夹角摩擦角:tg f Ff/n R与a 夹角,加载a(轴向力,自重,阻力),作用在螺旋副上的驱动力矩：,atg(),合反力FR,(滑块)合力,法向反力Fn(斜面),施加水平推力,摩擦阻力:f Fn=Ff,二.矩形螺纹,2023/4/19,14,施加水平支持力(匀速下滑),当,自锁条件：,滑块在斜面运动状态不变,作用力与假设力的方向相反推力,Fa,F,Fn,FR,Ff,Fa,F,FR,无论a多大，滑块不会自动下滑自锁,2.当匀速下降:,2023/4/19,15,二.非矩形螺纹,反力摩擦力当量摩擦角,F,2023/4/19,16,将(当量
5、摩擦角)tgf/cos=f(当量摩擦系数),(),匀速上升:atg(),匀速下降:Fatg(),自锁条件：,要自锁好(),(单头),自锁性,自锁性,二.非矩形螺纹,2023/4/19,17,要效率高,过大，制造困难,/,当量摩擦角,升角,有效功输入功 a（2）a2 tg/atg()2,要自锁好(单);要效率高(多),(多头),当匀速上升:,三.效率,2023/4/19,18,联接(可靠)要自锁传动效率高,10-3 机械制造常用螺纹,1.三角形螺纹(M)普通螺纹:60，f 大，易自锁 粗牙:牙高,d1小,大细牙:牙浅,d1大,小,更易自锁管螺纹:55，紧密,无径向间隙,2023/4/19,19,
6、2.梯形螺纹(Tr)：30、153.锯齿形螺纹(S)：33、工34.矩形螺纹：,联接螺纹：普通三角螺纹、锥螺纹、管螺纹(英制)（小，单线，自锁好）传动螺纹：矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿螺纹（小、大，多线，效率高）,2023/4/19,20,管螺纹及特点：,2023/4/19,21,10-4 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件,螺栓联接普通螺栓联接铰制孔螺栓联接双头螺栓联接螺钉联接螺钉联接紧定螺钉、自攻螺钉联接,螺纹联接类型主要根据受力、结构形式、装拆要求等进行选择,2023/4/19,22,螺栓联接,普通螺栓联接特点：孔与杆间有间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：经常装拆的一般场合,铰制孔
7、螺栓联接特点：孔与杆间无间隙、被联接件上无需切制螺纹、装拆方便适用场合：承受横向载荷的场合,2023/4/19,23,双头螺栓、螺钉联接,双头螺栓联接特点：采用盲孔,允许多次装拆。适用场合：用于被联接件之一较厚、经常装拆的场合,螺钉联接特点：省去了螺母，不宜经常装拆。适用场合：被联接件之一较厚，且不常装拆的场合,2023/4/19,24,紧定螺钉联接,适用场合：多用于轴上零件的固定，传递较小的力,锥端螺钉联接平端螺钉联接圆柱端螺钉联接,2023/4/19,25,其他联接,地脚螺栓联接、吊环螺栓联接、T形槽螺栓联接,2023/4/19,26,螺栓普通螺栓 铰制孔螺栓双头螺栓螺钉联接螺钉紧定螺钉、
8、自攻螺钉螺母：六角螺母、圆螺母垫圈：平垫圈、斜垫圈,螺纹联接件通过组合形成螺纹联接,二.螺纹紧固件,2023/4/19,27,预紧目的：防止松动提高可靠性、紧密性、防松能力螺母拧紧时预紧力F,拧紧阻力矩 T 的大小：？螺旋副间的摩擦力矩 T1：螺母与支承面间摩擦力矩 T2：,螺栓,预紧拉力F0,被联接件,预紧压力F0,施加在扳手上的力FT,T1,T2,10-4 螺纹联接的预紧和防松,2023/4/19,28,控制拧紧力矩的扳手,定力矩扳手,测力矩扳手,2023/4/19,29,控制拧紧力臂,选择扳手长度,2023/4/19,30,二、螺纹联接的防松,问题：为什么要防松？防松的原理？防松零件的装
9、配方法？静载荷：rv(自锁)+预紧后摩擦力防止松动动载荷：摩擦力减小、消失不可靠,螺纹联接防松的实质在于限制螺旋副的相对转动螺纹联接防松的方法按工作原理可分为:1 摩擦防松2 机械防松3其它：破坏螺纹副关系（铆冲、粘接、焊接）,2023/4/19,31,1.摩擦防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,弹簧垫圈防松、自锁螺母防松、对顶螺母(双螺母)防松,2023/4/19,32,对顶螺母防松,使螺纹接触面间始终保持一定的压力，始终有阻止螺旋副转动的摩擦阻力矩,对顶螺母防松,2023/4/19,33,2.机械防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对
10、转动的可能性,开口销、止动垫圈、串联钢丝防松,螺栓,开槽螺母,开口销,装配图,2023/4/19,34,止动垫圈防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,2023/4/19,35,串联钢丝防松,用机械装置把螺母和螺栓联成一体，消除了它们之间相对转动的可能性,2023/4/19,36,3.其它：破坏螺纹副关系,焊接,铆冲,2023/4/19,37,10-4螺栓联接的强度计算,松螺栓联接：无预紧力，只有工作拉力紧螺栓联接：有预紧力，还有工作拉力,失效形式设计步骤松螺栓联接强度设计紧螺栓联接强度设计仅受预紧力的紧螺栓联接受横向载荷的紧螺栓联接受轴向载荷的紧螺栓联接,螺栓组
11、联接,2023/4/19,38,一.失效形式,失效形式：1.螺栓杆拉断（普通螺栓）2.螺纹压溃和剪断（受剪螺栓）3.经常装拆因磨损而发生滑扣,普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓(铰制孔螺栓)主要为压溃和剪切,2023/4/19,39,二.设计步骤,一般设计步骤：螺栓组受力和失效分析找出受力最大的螺栓 单个螺栓受力分析和失效分析 单个螺栓强度计算确定螺栓的尺寸（直径、长度）,试算法：先选定一个螺栓直径d 查计算d1。若d1与d1（假定的小径）相近，则合用；否则再选,2023/4/19,40,三.松螺栓联接强度设计,受载荷形式轴向拉伸(工作拉力F)失效形式螺栓拉断(静、疲劳)设计准则保证螺栓拉
12、伸强度强度条件：ss 设计计算方法：校核式:,设计式:,2023/4/19,41,四.紧螺栓联接强度设计,1.仅受预紧力的紧螺栓联接受载荷形式拧紧后:轴向拉伸(轴向拉力F)拧紧过程中:轴向拉伸F、扭力T失效形式螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件：ss 设计计算方法：,校核式:,拧紧力矩T剪应力,预紧拉力F拉应力,设计式:,2023/4/19,42,2.受横向载荷的紧螺栓联接,受载荷形式工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力 F0作用（拧紧过程中:轴向拉伸F、扭力T）拧紧后:预紧力 F0失效形式 相同否？,两种情况的工作原理不同！,普通螺栓,铰制孔螺栓,2023/4/19,43
13、,受横向载荷的普通螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸F、扭力T失效形式螺栓拉断(拉、扭综合作用)设计准则保证螺栓拉伸强度强度条件：设计计算方法：,问题：预紧力Fs应满足的条件?与横向载荷F有何关系？依据：被联接件不滑移界面摩擦力F即：,校核式:,设计式:,讨论：f=0.2时，FS=?F,2023/4/19,44,受横向载荷的铰制孔螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸F、扭力T(预紧力小，计算时可忽略)工作时：横向载荷F失效形式侧面压溃及螺栓剪切设计准则保证挤压、剪切强度强度条件：pp、t t 设计计算方法：,挤压强度：剪切强度：,2023/4/19,45,讨论：,普通螺栓受横向载荷F
14、时，为保证结合面不发生滑移，靠结合面的摩擦力抵抗F预紧力Fs的大小，根据接合面不发生滑移的条件确定,f=0.2时，FS=6F结论：横向载荷过大的情况下，不适宜用普通螺栓宜采用铰制孔螺栓必须采用普通螺栓时，应配合减载销、键或减载套筒使用减载装置强度计算同铰制孔螺栓计算,2023/4/19,46,3.受轴向载荷的紧螺栓联接,受载荷形式拧紧过程中:轴向拉伸F0、扭力T工作时，再承受工作载荷FE此时，螺栓所受的总拉力:F=F0+FE?,须根据静力平衡方程和变形协调条件求解,2023/4/19,47,轴向载荷平行螺栓轴心线，各螺栓平均受力,螺栓间距l与p有关(P.143倒2),常见 压力 容器,各螺栓受
15、拉力为：FE=F Z,单个螺栓上受到的工作载荷,2023/4/19,48,螺栓预紧后力与变形的关系,2023/4/19,49,受力和变形关系,变形协调条件:l1=lb=l,FFE+F0F=FE+FR,预紧F0,受载FE,螺栓,被联接件,拉力F0，伸长l1,压力F0，压缩lb,拉力F,伸长l1+l1,压力FR,压缩lb-lb,未预紧,未受力、无变形,未受力、无变形,2023/4/19,50,受力变形线图,FR：残余预紧力防止受载后接合面产生缝隙根据紧密性要求选取，p144,2023/4/19,51,螺栓受载后力与变形的关系,2023/4/19,52,Fb,FC,FE,FR,Fa,k=F/刚度=载
16、荷/变形,进一步分析：,2023/4/19,53,kb/(kb+kc)相对刚度 查表10-5 P.145,螺栓总拉力:,工件残余 预紧力:,2023/4/19,54,受轴向载荷螺栓强度计算,螺栓受到的总拉力F=FE+FR则螺栓强度计算公式：,校核式:,设计式:,2023/4/19,55,107螺栓材料和许用应力,材料：一般用途：低碳钢或中碳钢(3545及Q235Q275)重要联接：合金钢（40Cr、30CrMnTi）国标(GB/T 3098.1_2000)规定螺栓按材料的力学性能分出十个等级：3.6,4.6,4.8,5.6,5.8,6.8,8.8,9.8,10.9,12.9规则：小数点前数字表
17、示sB/100,小数点后数字表示10sS/sB如：5.8级：表示sB=500MPa，sS=400MPa许用应力：,计算螺栓小径时采用试算法来选用,2023/4/19,56,(2)定残余预紧力FR,(1)求单个联接的工作载荷FE:,有紧密要求,FR=1.51.8 FE 取FR=1.8FE,(3)求Fa螺栓强度计算,(4)结构设计,取45钢,S=355Mpa(表9-1)暂取S=3(不严格控制预紧力,静)=S/S=118 Mpa p.145,C1,e,D0,D,取Z=8,例10-4:,Fa=FEFR=2.8 FE=11.3kN,一钢制液压油缸,油缸壁厚为10mm,油压p=1.6 Mpa,D=160m
18、m,试计算其上盖的螺栓联接和螺栓分布圆直径D0(p.143、P.145)解:,2023/4/19,57,取d=16mm,其d1=13.835mm12.6mm 合适取S=3(表10-7)(不严格控制预紧力)合适,作业:10-11 P.158(油缸壁厚为16mm),D0=D+2C1+210=224mm(与书不同220),取C1min=22mm 手册p.17,螺栓间距L=D0/Z=224/8 88mm 7d=716=112mm(P.143页的脚注)满足要求,教材p.135,(4)结构设计:,(螺栓分布圆直径D0图10-9a P.137),2023/4/19,58,螺栓静载荷 变载荷,降低螺栓总拉伸载
19、荷Fa的变化范围改善螺纹牙间的载荷分布 减小应力集中 采用提高强度的工艺措施,较少破坏,疲劳破坏,截面小、且应力集中大破坏位置,108提高螺栓联接强度措施,2023/4/19,59,当FE由(0FE),要使akb/(kb+kC)kbkC,减小kb增大kC,减小螺栓光杆直径,空心螺杆,不宜用软垫片,1.减小kb/(kbkC),但FR减小不利密封,2.减小kb/(kbkC)增大F0 a，FR不减小,Fa由(F0)变化,一.降低螺栓总拉伸载荷Fa 的变化范围a,FR=F0FEkC/(kbkC),2023/4/19,60,螺栓应力变化幅度,2023/4/19,61,二.改善螺纹牙间的载荷分布,现象:,
20、螺纹牙间的载荷分布不均螺栓螺母受力性 质不同1/3载荷集中在第一圈牙上第810牙 不受力增厚螺母无效。,使受压螺母受拉螺母 改善螺纹牙间的载荷分布,65破坏发生在螺母支承面处,原因:,措施:,2023/4/19,62,凸台,凹坑鱼眼坑,1.减小应力集中：,2.减少联接附加 弯曲应力,增大过渡圆角螺纹收尾退刀槽(卸载槽),三.减小应力集中:,2023/4/19,63,减小应力集中,2023/4/19,64,四.采用提高强度的工艺措施:,1.冷镦螺栓头部和滚压螺纹 疲劳强度(应力集中,纤维未切断,冷作)材料利用率,成本2.氰化,氮化,喷丸处理疲劳强度,2023/4/19,65,10-11 键联接和
21、花键联接（一）键联接分类介绍（二）键的选择及平键的强度校核（三）花键联接,键 联 接 和 花 键 联 接,2023/4/19,66,10-11 键联接和花键联接,（静联接）,（动联接）,（静联接）,(静联接，单向轴向固定),(静联接,单向传递转矩),功用:,分类:,主要实现零件在轴上的周向固定并传递转矩（静联接），还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（动联接）。,2023/4/19,67,（一）键联接分类介绍,：两侧面是工作面，靠键两侧面与键槽的挤压传递转矩。,工作原理,结构,分类与加工,:键两侧与键槽相配合(静联接为 过渡配合,动联接为间隙配合),上端面与轮毂键槽底面有间隙。,一.平键联接:
22、,失效形式,静联接:,动联接:,结构简单,装折方便,对中性好,承载能力大,应用广泛。,工作面挤溃，键剪断,工作面磨损。,承载能力不够时采用,按 180布置。,特点：,成对使用:,2023/4/19,68,1.静联接(普通平键),分类与加工,立铣刀,键定位好,轴应力集中大,盘铣刀,轴向键无定位,应力集中小,立铣刀加工,用于轴端,导向平键：滑移距离小,键固定于轴上。滑键：键固定于轮毂上,滑移距离大。,2.动联接,2023/4/19,69,二.半圆键:,键为半圆板,键两侧与键槽配合,键上端面与轮毂键槽底面有间隙,键在轴上键槽中能 绕其圆心转动。,同平键,键剪断,工作面压溃。,便于安装,对中好,用于锥
23、形轴端,但对轴削弱大轻载联接。,承载能力不够时用,沿同一母线布置。,结构:,键：用圆钢切制或冲压后磨削键槽:盘状铣刀加工,构造与加工:,失效形式:,特点:,成对使用:,工作原理:,2023/4/19,70,三.楔键:,工作面压溃,简单,且可实现轮毂在轴上单向轴向固定;但楔紧产生偏心,对中性差,不适于高速及对中要求高的场合,结构:,工作原理:,失效形式:,构成与加工:,特点:,1.键的上表面及轮毂键槽底面有1:100 斜度2.键侧与键槽有间隙,上下面楔紧3.可实现单向轴向固定。,(轴上键槽):圆头:立铣刀;先置键,后楔入轮毂平头、钩头楔键:盘铣刀,轮毂先装再楔入键。,靠上下面挤紧的摩擦力传递转矩
24、,上下面为工作面,动画,2023/4/19,71,四.切向键,:1.一对楔键组成,上下窄面为工作面 2.只能单向传递转矩,T,:两对切向键(120130分布),双向传递,结构,:承载力大重型机械,特点,动画,2023/4/19,72,(二)键的选择及平键的强度校核,Mpa(10-27),二.平键的强度校核,压溃挤压强度,磨损压强,一.键的选择,1.静联接,2.动联接,T转矩Nmm，键的工作长度mm,(工作要求)键的种类按轴径 d选键的b、h选键长L(标准;短于轮毂寛度)表10-9,(按强度弱者)查表10-10 P.155,圆头:=Lb平头:=L单圆头:=Lb/2,2023/4/19,73,5分
25、类6.花键联接的强度校核,(三)花键联接,键侧是工作面，靠键侧面与键槽挤压传递转矩。,1结构:,2工作原理：,3特点,4失效形式:,由轴及轮毂孔周向均布的多个键齿互相配合构成花键联接,可视为平键在数量上的发展。,2023/4/19,74,5.分类：,(三角形花键)轻载,小直径簿壁件联接,制造方便，应用最广。,键齿强度高，承载力大,工艺性好，易获较高精度。,2023/4/19,75,1)静联接:2)动联接:,6.花键联接的强度校核:,P,p 表10-11 p.156K载荷不均匀系数,K=0.70.8;h齿面工作高度h=(Dd)/22CD、d大小径；C齿顶倒圆半径;Z齿数L齿的接触长度；rm平均半径 手册p.141 rm=(D+d)/4,2023/4/19,76,一.功用:,二.分类:,按形状,固定零件间的相对位置传递不大的转矩,并兼作安全元件,按作用,圆柱销,圆锥销,圆锥销,圆锥销,开尾销,槽销,10-12 销联接,2023/4/19,77,定位销:固定零件间的相对位置联接销:联接传递不大的T安全销:安全保护,2023/4/19,78,定义：连杆机构由若干个构件通过低副连接而组成，又称为低副机构。,共同特点：原动件1的运动经过不与机架直接相连的中间构件2传递到从动件3上。中间构件称为连杆。,构件多呈杆状简称为杆,根据杆数命名，例如：四杆机构,11连杆机构及其传动特点,
