机械制造业中机械零件的连接知识.docx

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1、第10章 联 接 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、铆钉等。有些联接则没有专门的紧固件，如靠被联接件本身变形组成的过盈联接、利用分子结合力组成的焊接和粘接等。 联接区分为可拆的和不可拆的、允许多次装拆而无损于使用性能的联接称为可拆联接，如螺纹联接、键联接和销联接。若不损坏组成零件就不能拆开的联接则称为不可拆联接，如焊接、粘接和铆接。 铆接噪声大劳动条件恶劣，目前除桥梁和飞机制造业之外，已很少应用；焊接和粘接涉及面广，已有专著论述。本章均不作介绍

2、、本章只讨论可拆联接。10.1 联接螺纹和螺旋传动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燃纹。机械制造中一般采用右旋螺纹，有特殊要求肘，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等距排列的多线螺纹（下右图）。为了制造方便，螺纹的线数一般不超过4。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、用于联接的螺纹称为联接螺纹；用于传动的螺纹称

3、为传动螺纹。相应的传动称为螺旋传动。由于螺旋传动也是利用螺纹零件工作的，其受力情况和几何关系与螺纹联接相似，所以也列入本章论述。 按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹现以圆柱螺纹为例，说明螺纹的主要几何参数（下图） （1）大d 与外螺纹牙顶（或内螺纹牙底）相重合的假想圆柱体的直径。 （2）小径d 1 与外螺纹牙底（或内螺纹牙顶）相重合的假想圆柱体的直径。 （3）中径d2 也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。 （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=nP。 （

4、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）。 （7）牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角称为牙型角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角称为牙侧角。 机械制造常用螺纹:一、三角形螺纹三角形螺纹主要有普通螺纹和管螺纹。普通螺纹用于紧固联接，管螺纹用于紧密联接。1、普通螺纹普通螺纹我国国家标准中，把牙型角=60的三角形米制螺纹称为普通螺纹，以大径d为公称直径。普通螺纹又分为粗牙螺纹和细牙螺纹。同一公称直径可以有多种螺距的螺纹，其中螺距最大的称为粗牙螺纹。其余都称为细牙螺纹（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

5、磨易滑扣、它适用于薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。2. 管螺纹 管联接螺纹一般有四种：普通细牙螺纹、非螺纹密封的管螺纹（圆柱管壁、=55，如下左图b）、用螺纹密封的管螺纹（圆锥管壁、=55，如图c）和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、梯形螺纹和锯齿形螺纹梯形螺纹和锯齿形螺纹用于传动。为了减少摩擦和提高效率，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=15，比矩形螺纹容易切削、当采用剖分由母时

6、还可以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=3，效率比梯形纹高但只适用于承受单方向的轴向载荷。 10.1.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁一 矩形螺纹 螺旋副在力矩和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），图中为螺纹升角，Fa为轴向载荷，F为作用于中径处的水平推力，Fn为法向反力；fFn为摩擦力，f为摩擦系数，为摩擦角。当滑块沿斜面等速上升时， Fa为阻力， F为驱动力。因摩擦力向下，故总反力FR与Fa的夹角为十。由力的平衡条件可知，FR、F和Fa三力组成力多边形（图b），由

7、图可得 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，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 作用在螺旋副上的相应力矩 上式求出的F值可为正，也可为负。当斜面倾角大于摩擦角时，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）。当斜面倾角小于摩擦角时，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，必须施加驱动力F才能使沿块等速下滑。 二非矩形螺纹 非矩形螺纹是指牙

8、侧角0的三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。 对比上图a和b可知，若略去螺纹升角的影响，在轴向载荷Fa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式中f为当量摩擦系数，即式中为当量摩擦角；为牙侧角。因此将f改为f、改为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=Fd2/2=Fatg(+)/2当滑块沿非矩形螺纹等速下滑时可得F=Fatg(-)相应的力矩为 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，无论轴向驱动力Fa多大，都不能使螺旋副相

9、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。 以上分析适用于各种螺旋传动和螺纹联接。归纳起来就是：当轴向载荷为阻力，阻止螺旋副相对运动时（例如车床丝杆走刀时，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；螺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（例如旋松螺母时，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、若按螺旋

10、转动一圈计算，输入功为2T，此时升举滑块（重物）所作的有效功为FaS，故螺旋副的效率为由上式可知，当量摩擦角一定时，效率只是螺纹升角的函数。由于过大的螺纹升角制造困难，且效率增高也不显著，所以一般角不大于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 螺纹联接有以下四种基本类型 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：普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接。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。铰制孔用螺栓联接，其螺杆外径与螺栓孔（由高精度铰刀加工而成）的内径具有同一基本尺寸

11、，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。 3. 双头螺柱联接双头螺柱多用于较厚的被联接件或为了结构紧凑而采用盲孔的联接（上右图b）。双头螺柱联接允许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，最常用的有六角头和小六角

12、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为座端。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，以适应不同的拧紧程度。紧定螺钉末端要顶住被联接件之一的表面或相应的凹坑，其末端具有平端、锥端、圆尖端等各种形状。 4螺母 螺母的形状有六角形、圆形（下右图）等。六角螺母有三种不同厚度，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（尤其当被联接件材料强度较差时）和避免拧紧螺母时擦伤被联接件的表面

13、。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 螺纹联接的预紧和防松 除个别情况外，螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用、对于重要的螺纹联接，应控制其预紧力，因为预紧力的大小对螺纹联接的可靠性、强度和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T1和螺母支承面上的磨擦阻力矩（上图）之和，即式中：F为轴向力，对于不承受轴向工作载荷的螺纹，Fa即预紧力；d2为螺纹中径；fc为螺母与被联接件支承面之间的摩擦系

14、数，无润滑时可取fc= 0. 15；rf为支承面摩擦半径， 对于M10M68的粗牙螺纹，若取f=tg=0.15及fc=0.15，则式（109）可简化为 T0.2Fad Nmm 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和保证预紧可靠，螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的5070。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，如无控制拧紧力矩的措施，不宜采用小于M12的螺栓。二、拧紧力矩的控制 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控制拧紧力矩。小批量生产时可使用带指针

15、刻度的测力矩扳手。大量生产多采用风扳机，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，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但是在冲击、振动和变载的作用下，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，因此设计时必须考虑防松。 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 10.1.6螺栓联接的强度计算螺栓的主要失效形式螺栓的主要失效形式有：（1）螺栓杆拉断；（2）螺纹的压溃和剪断；（3）经常装拆时会因磨损而发生

16、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。采用标准件时，这些部分都不需要进行强度计算、所以，螺栓联接的计算主要是确定螺纹小径d1，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（自重一般很小，强度计算时可略去）外联接并不受力。图10-16所示吊钩尾部的联接是其应用实例。当承受轴向工作载荷Fa（N）时，其强度条件为 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Fa（不承受轴向工作载荷的螺栓，Fa即预紧力）。

17、这时螺栓危险截面（即螺纹小径d处）除受拉应力外，还受到螺纹力矩T所引起的扭切应力。故螺栓螺纹部分的强度条件为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，则被联接件之间不会发生相对滑动。因此螺栓所受的轴向力（即预紧力）应为式中：Fo为预紧力；C为可靠性系数，通常取C=1.11.3；m为接合面数目；f为接合面摩擦系数，对于钢或铸铁被联接件可取f0.15。求出Fa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、 C=1.2、 m=1时， Fo8Fo。即

18、预紧力应为横向工作载荷的8倍，所以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、套筒或销承担横向工作载荷，而螺栓仅起联接作用（下厅图）。也可以采用螺杆与孔之间没有间隙的铰制孔用螺栓（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=pD24z。 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Fa并不等于预紧力Fo与FE之和。现说明如下： 螺栓联接拧紧后，螺栓受到拉力0而伸长了bo；被联接件受到压缩力Fo而缩短了co，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

19、加而成为bo+，相应的拉力就是螺栓的总拉伸载荷Fa，如图c所示。与此同时，被联接件则随着螺栓的伸长而弹回，其压缩量减少了而成为co，与此相应的压力就是残余预紧力FR（图c）。 工作载荷FE和残余预紧力FR一起作用在螺栓上（图c），所以螺栓的总拉伸载荷为 FaFEFR 载荷与变形的关系图也可如下图所示。图中令螺栓刚度kb=，被联接件刚度kc=。 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FR应大于零。当工作载荷FE没有变化时，可取FR=（0. 20. 6）FE，当FE有变化时，FR=（0. 61. 0）FE；对于有紧密性要求的联接（如压力容器的螺栓联接），FR=(1.51.8)

20、FE。 在一般计算中，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Fa，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以及螺栓刚度和被联接件刚度对这些力的影响。 螺栓的相对刚性系数的大小与螺栓及被联接件的材料、尺寸和结构有关，其值在0l之间变化。3. 螺栓的材料和许用应力 螺栓的常用材料为Q215、Q235、10、35和45钢，重要和特殊用途的螺纹联接件可采用15Cr、40Cr、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10-3。 10.17 螺旋传动一、螺旋传动的类型 螺旋传动主要用来把回转

21、运动变为直线运动。按使用要求的不同可分为三类 （1）传力螺旋 以传递动力为主。要求用较小的力矩转动螺杆（或螺母）而使螺母（或螺杆）产生轴向运动和较大的轴向大，这个轴向力可以用来做起重和加压等工作、例如下图a的起重器，图b的压力机（加压或装拆用）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 用杆和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、一般螺杆可选用Q275、 45、 50钢等；重要螺杆可选用T12、40Cr、

22、 65Mn钢等，并进行热处理。常用的螺母材料有铸造锡青铜ZCuSnl0P1和ZCuSn5Pb5Zn5，重载低速时可选用强度高的铸造铝青铜ZCuAll0Fe3；在低速轻载，特别是不经常运转时，也可选用耐磨铸铁。 螺旋传动的失效主要是螺纹磨损，因此通常先由耐磨性条件，算出螺杆的直径和螺母高度并参照标准确定螺旋各主要参数，而后对可能发生的其他失效一进行校校。三、滚动螺旋简介在螺旋和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，这种螺纹旋称为滚动螺旋式滚珠丝杠。滚动螺旋按滚道回路型式的不同，分为外循环和内循环两种（下图）、钢珠在回路过程中离开螺旋表面的称为外循环，钢珠在

23、整个循环过程中始终不脱离螺旋表面的称为内循环。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回路里只有一圈钢珠和一个反向器、一个螺母常设置24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三个回路。 滚动螺旋的主要优点是：1）摩擦损失小，效率在90%以上2）磨损很小，还可以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，可以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

24、需另加自锁机构。 由于其明显的优点，滚动螺旋早已在汽车和拖拉机的转向机构中得到应用、目前在要求高效率和高精度之处多已广泛应用滚动螺旋，例如飞机机翼和起落架的控制、水闸的升降和数控机床等。10.2 键联接和花键联接、销联接一、键联接的作用键主要用来实现轴和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、楔键和切向键等。设计时应根据各类键的结构和应用特点进行选择。 l. 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和导向平键两种。普通平键的

25、端部形状可制成圆头（A型）、方头（B型）或单圆头（C型）。圆头键的轴端用指形铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴上键槽端部的应力集中较大。方头键用大形铣刀加工。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。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采用导向平键。 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适应毂槽底面，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。锥形轴端采用半圆键联接在工艺上较为方便（下图b

26、）。 3. 楔键联接和切向键联接 楔键的上下面是工作面（下左图），键的上表面有l：100的斜度，轮毂键槽的底面也有1 ：100的斜度，把楔键打入轴和毂槽内时，其工作面上产生很大的预紧力、工作时，主要靠摩擦力fF（f为接触面间的摩擦系数）传递转矩T，并能承受单方向的轴向力。楔键仅适用于定心精度要求不高、载荷平稳和低速的联接。 楔键分为普通楔健和钩头楔键两种（下左图b）。 此外，在重型机械中还采用切向键联接（上右图）。切向键是由一对楔键组成（图a），键的窄面是工作面，工作面上的压力沿轴的切线方向作用，能传递很大的转矩。当双向传递转矩时，需用两对切向键并分布成120130（图b）。 三、平键联接的强

27、度校核1. 键的材料 键的材料采用强度极限B不小于 600 MPa的碳素钢，通常用 45钢。当轮毂用非铁金属或非金属材料时，键可用20或Q235钢。2. 强度校核键的截面尺寸应按轴径d从键的标准中查取。必要时应进行强度校核。平键联接的主要失效形式是工作面的压溃和磨损（对于动联接）。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断（如下图所示，沿aa而剪断）。 设载荷为均匀分布，平键联接的挤压强度条件对于导向平键联接（动联接），计算依据是磨损，应限制压强。即式中：T为转矩，Nmm；d为轴径、h为键的高度、l为键的工作长度，mm；p为许用挤压应力、p为许用压强， MPa（见表10-6）。 四、花键联接轴和轮毂

28、孔周向均布的多个键齿构成的联接称为花键联接。齿的侧面是工作面。由于是多齿传递载荷，所以花键联接比平键联接具有承载能力高，对轴削弱程度小（齿浅、应力集中小），定心好和导向性能好等优点。它适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接。花键联接按其齿形不同，可分为一般常用的矩形花键（下图a）和强度高的渐开线花键（下图b）。 花键联接可以做成静联接，也可以做成动联接。花键联接的零件多用强度极限不低于 600 MPa的钢料制造，多数需热处理，特别是在载荷下频繁移动的花键齿，应通过热处理获得足够的硬度以抗磨损五、销联接销的主要用途是固定零件之间的相互位置，并可传送不大的载荷。 销的基本形式为圆柱销和圆推销（上图a、b）。圆柱销经过多次装拆，其定位精度会降低。圆锥销有 1： 50的锥度，安装比圆柱销方便，多次装拆对定位精度的影响也较小。销的常用材料为35、45钢。销还有许多特殊形式。如上图c、下图所示。