機(jī)械設(shè)計(jì)(第四版) 廖念禾 第 5 章

1、聯(lián)接 由于使用、結(jié)構(gòu)、制造、裝配、運(yùn)輸?shù)确矫娴脑?，機(jī)器中很多零件需要彼此聯(lián)接。 機(jī)械零件之間的聯(lián)接分為：被聯(lián)接件之間相互完全固定。被聯(lián)接件之間能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如：運(yùn)動(dòng)副。靜聯(lián)接：動(dòng)聯(lián)接：本課程介紹的聯(lián)接主要是靜聯(lián)接。聯(lián)接的類型：螺紋聯(lián)接鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接彈性環(huán)聯(lián)接等鉚接焊接粘接聯(lián)接可拆聯(lián)接不可拆聯(lián)接過盈聯(lián)接（介于兩者之間）1 類型、材料和精度一、螺紋的主要參數(shù)一、螺紋的主要參數(shù)大徑d 是螺紋的公稱直徑。小徑d1常用于強(qiáng)度計(jì)算。中徑d2常用于幾何計(jì)算。螺距P 相鄰兩螺紋牙上對(duì)應(yīng)點(diǎn) 間的軸向距離。導(dǎo)程 S 沿螺紋上同一條螺旋線 轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離，S = nP。線數(shù) n 螺紋的

2、螺旋線數(shù)目。牙型角a在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。牙型斜角在軸向截面內(nèi)，螺紋牙型一側(cè)邊與螺紋軸線的垂 線之間的夾角。螺紋升角y螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角。螺紋22tandnPdSy二、螺紋的類型二、螺紋的類型螺紋分為外螺紋內(nèi)螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋左旋右旋常用右旋效率較高，主要用于螺旋傳動(dòng)此外，還有 管螺紋： 主要用于管路的聯(lián)接。按牙型的不同分為普通螺紋：矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋（詳見表51）效率低，易自鎖，多用于聯(lián)接。1 、普通螺紋、普通螺紋(代號(hào)：代號(hào)：M GB 192-81)特點(diǎn)：特點(diǎn)：螺紋的牙型角螺紋的牙型角a a=2 =60 。因牙型角。因牙型角a a大，大，所以

3、當(dāng)量摩擦系數(shù)大，自鎖性能好，主要用于所以當(dāng)量摩擦系數(shù)大，自鎖性能好，主要用于連接。連接。細(xì)牙螺紋與粗細(xì)牙螺紋與粗 牙螺紋的比較牙螺紋的比較粗牙粗牙：常用常用細(xì)牙的缺點(diǎn)細(xì)牙的缺點(diǎn)：牙小，相同載荷下磨損快，易脫扣。牙小，相同載荷下磨損快，易脫扣。細(xì)牙細(xì)牙：自鎖性能更好。常用于承受沖擊、振動(dòng)及變自鎖性能更好。常用于承受沖擊、振動(dòng)及變載荷、或空心、薄壁零件上及微調(diào)裝置中。載荷、或空心、薄壁零件上及微調(diào)裝置中。2 、圓柱管螺紋、圓柱管螺紋 特點(diǎn)特點(diǎn)：用于管件連接的三角螺紋，用于管件連接的三角螺紋，a a=55 螺紋面間沒有間隙，密封性好，適用于壓強(qiáng)在螺紋面間沒有間隙，密封性好，適用于壓強(qiáng)在1.6MPa1

4、.6MPa以下的連接。以下的連接。3、 圓錐螺紋圓錐螺紋特點(diǎn)特點(diǎn)：螺紋均布在錐度為螺紋均布在錐度為1:16的管上的管上,a a=55 或或60 螺紋面間沒有間隙，不用填料，靠牙變形，密封性好，螺紋面間沒有間隙，不用填料，靠牙變形，密封性好，適用于高溫、高壓的連接。適用于高溫、高壓的連接。用螺紋密封的管螺紋4、矩形螺紋矩形螺紋特點(diǎn)特點(diǎn)：牙形為正方形，牙形為正方形， =0 ，所以效率高，用于傳動(dòng)，所以效率高，用于傳動(dòng), ,牙根強(qiáng)度弱，加工困難，常被梯形螺紋代替。牙根強(qiáng)度弱，加工困難，常被梯形螺紋代替。磨損后間隙無法補(bǔ)償5、梯形螺紋、梯形螺紋(代號(hào)：代號(hào)：T特點(diǎn)特點(diǎn)： a a=2 =30 。比矩形螺

5、紋效率略低。比矩形螺紋效率略低。 牙根強(qiáng)度高，易于對(duì)中，易于制造，剖分螺母牙根強(qiáng)度高，易于對(duì)中，易于制造，剖分螺母可消除間隙，在螺旋傳動(dòng)中有廣泛應(yīng)用。可消除間隙，在螺旋傳動(dòng)中有廣泛應(yīng)用。 r GB 192-81)6、 鋸齒形螺紋鋸齒形螺紋(代號(hào)：代號(hào)：S JB 923-66)特點(diǎn)特點(diǎn)：工作邊工作邊 =3 ，非工作邊，非工作邊 =30 ，便于加工。，便于加工。它綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)它綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙根強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn), ,能承受較大的載荷能承受較大的載荷, ,但只能用于單向傳動(dòng)。但只能用于單向傳動(dòng)。7、 其它螺紋其它螺紋主要用于金屬薄板的連接主要用于金屬薄板

6、的連接三、螺紋聯(lián)接的基本類型：分松聯(lián)接和緊聯(lián)接三、螺紋聯(lián)接的基本類型：分松聯(lián)接和緊聯(lián)接受拉螺栓聯(lián)接（普通螺栓聯(lián)接）受剪螺栓聯(lián)接（鉸制孔用螺栓聯(lián)接）1）螺栓聯(lián)接2）雙頭螺柱聯(lián)接3）螺釘聯(lián)接4）緊定螺釘聯(lián)接 螺栓、螺柱、螺釘、螺母等稱為螺紋聯(lián)接件。在機(jī)械制造中常用螺紋聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用。 四四 、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件、標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接件雙頭螺柱雙頭螺柱各種螺釘各種螺釘各種螺母與墊片各種螺母與墊片三三 、螺紋連接零件常用材料和機(jī)械性能等級(jí)、螺紋連接零件常用材料和機(jī)械性能等級(jí)1、常用材料：、常用材料：普通連接：普通連接：低碳鋼，中碳鋼，如低碳鋼，中碳鋼，如:Q215、

7、Q235和和10、15、35、45號(hào)鋼。號(hào)鋼。變載荷或有沖擊、振動(dòng)的重要連接：變載荷或有沖擊、振動(dòng)的重要連接：合金鋼，如合金鋼，如: 40 Cr、15MnVB、30CrMnSi。螺母材料一般較相配合的螺栓的硬度低螺母材料一般較相配合的螺栓的硬度低2040HBS。螺紋緊固件的性能等級(jí)和材料：螺栓、螺柱、螺釘?shù)男阅艿燃?jí)分十級(jí)（3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9）小數(shù)點(diǎn)前數(shù)字為Bmin/100，小數(shù)點(diǎn)后數(shù)字為10(Smin/Bmin)；螺栓、螺柱、螺釘?shù)牟牧习床煌男阅艿燃?jí)選取：常用B235和45鋼。 螺母性能等級(jí)按螺母不同高度m有：m0.8D 4 5

8、 6 8 9 10 12 0.5Dm0.8D 04 05性能等級(jí)的數(shù)字表示螺母材料強(qiáng)度Bmin/100；“0”表示螺母的實(shí)際承載能力比后面數(shù)字表示的低；螺母材料為中碳鋼，最高含碳量4、5、6三級(jí)為0.5%，其余各級(jí)為0.58%。2)tan(2221dFdFTvtyvy22tandnPdSy2/,cosavcosarctanarctanvv一. 擰緊：擰緊是為了施加一定的預(yù)緊力F，以增加聯(lián)接的剛性，緊密性和防松能力；對(duì)受拉螺栓聯(lián)接，可增加螺栓疲勞強(qiáng)度；對(duì)受剪螺栓，可增加聯(lián)接中的摩擦。通常擰緊后螺紋連接的預(yù)緊力不得超過其材料屈服極限s的80%，因此推薦：擰緊力矩：1) 在螺紋力矩的影響下，螺紋副間

9、有圓周力Ft作用，螺栓受到預(yù)緊力F，被聯(lián)接件受到預(yù)緊壓力F。 LFTTT2111)6 . 05 . 0()7 . 06 . 0(AFAFss合金鋼螺栓：碳素鋼螺栓：vvvvtdnPdDdDFTdFdFTyyyyytantancosarctanarctan312)tan(22202130312221效率：自鎖條件：當(dāng)量摩擦角：升角：因此， 平均： 對(duì)于要求擰緊強(qiáng)度的螺栓聯(lián)接應(yīng)嚴(yán)格控制擰緊力，并不宜小于M12M16的螺栓； dFkdFdDdDdddTTTtv32)tan(2120213031221y2 . 0tk二、裝配時(shí)控制預(yù)緊力的方法二、裝配時(shí)控制預(yù)緊力的方法測(cè)力矩扳手測(cè)力矩扳手定力矩扳手定力

10、矩扳手沖擊扳手三、螺紋聯(lián)接的防松三、螺紋聯(lián)接的防松 螺紋聯(lián)接一般都能滿足自鎖條件不會(huì)自動(dòng)松脫。但在沖擊、振動(dòng)或變載荷作用下，或在溫度變化較大的情況下，螺紋聯(lián)接可能會(huì)產(chǎn)生松脫現(xiàn)象。防松的本質(zhì)在于防止螺旋副相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。按工作原理的不同，防松方法分三類：摩擦防松機(jī)械防松永久止動(dòng)彈簧墊圈開口銷與槽形螺母b ）機(jī)械防松（直接鎖住）正確不正確注意金屬絲穿入方向串聯(lián)金屬絲65%20%15%如：起重滑輪螺栓pHHddc866. 061，其中對(duì)于三角螺紋二.受拉松螺栓聯(lián)接：特點(diǎn)：受載前未壓緊；載荷為軸向靜載荷。螺栓工作時(shí)受拉應(yīng)力；強(qiáng)度條件：由dc d1 查表選d（Md）。受拉緊螺栓聯(lián)接：v 特點(diǎn)：1) 螺栓裝配時(shí)

11、須擰緊（即承載前已預(yù)緊）； 442FddFccFFFFb)a)RFRFRFRFFRFRa )用 受 拉 螺 栓 聯(lián) 接F F F F F F FR/ 2FR/ 2螺栓與孔之間有間隙。只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接（即受橫向載荷的緊螺栓聯(lián)接）：特點(diǎn)：承載前已預(yù)緊；載荷與螺栓軸線垂直；螺栓與孔之間有間隙，靠摩擦傳遞載荷FR。螺栓受力： 螺栓只受預(yù)緊力F，載荷靠接合面間的摩擦力傳遞； 據(jù)板的平衡條件： mzFkFFkmzFsRfRfs摩擦系數(shù)：對(duì)鋼鐵零件接合面干燥：s=0.10.16；接合面有油：s=0.060.1。摩擦傳力的可靠系數(shù)：kf=1.11.5；當(dāng)z=1，m=1，取s=0.15，kf=1.2，則F

12、=8FR，可見要傳遞 FR的載荷需要8FR的預(yù)緊力，螺栓工作惡劣可用減載銷、鍵或減載環(huán)來改善。強(qiáng)度條件：拉應(yīng)力： 切應(yīng)力： 24cdFcvcvTddddF232)tan(2/2)tan(16yy由于是塑性材料，據(jù)第四強(qiáng)度理論，??； 則： 由dc d1 查表選d（Md）。15. 0arctanv3 . 1322T3 . 143 . 142FddFccv受剪螺栓聯(lián)接：（2）螺栓受力：靠剪切和擠壓來傳遞載荷； 據(jù)平衡條件： zFFFzFRsRsFRFRb ) 用 受 剪 螺 栓 聯(lián) 接Fs/ 2Fs/ 2Fs/ 2FsFs/ 2FsFR/ 2FR/ 2sdhsFsFhhFR12d21剪斷破壞擠壓破壞

13、被連接件FRa)受剪螺栓聯(lián)接b)螺栓被擠壓由于板彈性的影響，兩端螺栓所受剪力比中間的大，故沿載荷方向布置的螺栓數(shù)目不宜超過6個(gè)，即z6。（2）強(qiáng)度條件：工作時(shí)，螺栓在聯(lián)接接合處受剪，并與被聯(lián)接件孔壁互相擠壓；失效形式：螺栓被剪斷，螺桿或釘孔被壓潰；剪切強(qiáng)度條件： 擠壓強(qiáng)度條件： 42mdFspspspdhFdhF注意：計(jì)算時(shí)，p取各零件中的小值進(jìn)行計(jì)算。h取h1和h2中的小值。還可利用各種抗剪零件來傳遞橫向力； 也可采用高強(qiáng)度螺栓摩擦聯(lián)接； 四.受預(yù)緊力和工作載荷的緊螺栓聯(lián)接（受軸向載荷的緊螺栓聯(lián)接）：特點(diǎn)：承載前已預(yù)緊，預(yù)緊力F；螺栓與孔之間有間隙;外載荷與螺栓軸線方向一致；1) 受載后接合

14、面仍須保持一定壓緊力。 D2b總體分析：這種聯(lián)接除應(yīng)有足夠的強(qiáng)度外，還要保證聯(lián)接緊密；設(shè)容器內(nèi)氣體壓力p(N/mm2)，則容器蓋上受的總載荷：c. 受壓面積直徑：d. 據(jù)螺釘間距確定螺栓數(shù)目： 設(shè)總載荷在各個(gè)螺栓中分布均勻，則每個(gè)螺栓載荷為： )(4)(4222NpDNpDFpQbDDp322mmttDz150801zFFQ工 作 壓 力（ M Pa） 1.6 1.64 410 1016 1620 2030 t 7d 4.5d 4.5d 4d 3.5d 3d 螺栓間距離t（對(duì)壓力容器）單個(gè)螺栓的受力和變形：尚未預(yù)緊時(shí)；被聯(lián)接接件受預(yù)緊力F，螺栓受拉力F，螺栓伸長(zhǎng)1=F/c1，被聯(lián)接件縮短2=F

15、/c2；加上外載荷F后：這時(shí)螺栓拉力增量為F0F，伸長(zhǎng)量1；外載荷F有力圖使接合面變松的趨勢(shì)，故被聯(lián)接件所受力由F F（剩余預(yù)緊力），被聯(lián)接件的壓縮量減少了2。據(jù)作用力和反作用力的關(guān)系，螺栓所受預(yù)緊力也由F F。1 12 2變變形形力力力力 1 1 2 21 12 2變變形形力力c)受工作載荷時(shí)a)擰緊時(shí)b)兩圖合并由于外載荷F也要作用于螺栓上，故螺栓所受總力：F0=F+F。螺栓伸長(zhǎng)變形又增加1 (1=2) ，螺栓所受拉力增量F0F。變形協(xié)調(diào)條件：被聯(lián)接件的變形恢復(fù)量2=螺栓受載F0后變形增加量1。據(jù)螺栓與被聯(lián)接件變形協(xié)調(diào)條件：21221101cFFcFFFcFF，F(xiàn)cccFFFcccFFFc

16、ccFF2110212212可見螺栓總拉力等于預(yù)緊力加上部分工作載荷，當(dāng) 當(dāng)相對(duì)剛度系數(shù) 的大小，當(dāng)被聯(lián)接零件為剛鐵零件時(shí)：金屬（包括不用墊片）0.20.3；皮革0.7；鋼皮石棉0.8；F”（剩余預(yù)緊力）應(yīng)大于零，以保證聯(lián)接的剛性或緊密性：F無變化時(shí)，F(xiàn)”=(0.20.6)F；F有變化時(shí)，F(xiàn)”=(0.61.0)F； ，時(shí)，012FFcc0012 FFFcc時(shí)，211ccc壓力容器的緊密聯(lián)接，F(xiàn)”=(1.51.8)F，且保證密封面的剩余預(yù)緊力大于壓力容器的工作壓力；注意：應(yīng)按F0=F+F”計(jì)算螺栓強(qiáng)度。強(qiáng)度條件（靜強(qiáng)度條件）：螺紋力矩為： ，考慮到可能在工作載荷下補(bǔ)擰緊，則螺紋力矩為： ，故：強(qiáng)

17、度條件：2tan2dFvy2tan20dFvy2022042tan16ccvTdFddFy，3 . 143 . 120cvdF)(3 . 140mmFdc 設(shè)計(jì)中，根據(jù)F確定F計(jì)算滿足F所需的F計(jì)算總拉力0F計(jì)算螺栓的強(qiáng)度。221102121101FcccFFFcccFFF1o時(shí)間o工作載荷變化2力F變形螺栓拉力變化c1+c2c1Fc2c1+c2F2F1F2F12F02-F01F01F02若工作載荷為變載荷：螺栓的拉力變幅：變載零件的疲勞強(qiáng)度應(yīng)力幅是主要因素，則強(qiáng)度條件：若F1=0，則屬于min=常數(shù)的變載情況（脈動(dòng)循環(huán)）；21112010222cccFFFFFa2lim211212aaaca

18、aScccdFFAF5）若受的是變載荷（變載強(qiáng)度條件）：a.當(dāng)0200121FFFFFF則螺栓拉力變化：一.受軸向力的螺栓組聯(lián)接： （前面已介紹） 各螺栓分擔(dān)的載荷F相等：二.受橫向力FR的螺栓組聯(lián)接（前面已介紹）：zFFQ三.受旋轉(zhuǎn)力矩T的螺栓組聯(lián)接：受拉螺栓聯(lián)接： 各螺栓聯(lián)接接合面的摩擦力相等并集中在螺栓中心處，與螺栓中心至底板旋轉(zhuǎn)中心O的連線垂直；1. 則 ziisfzsffzsrTkrrrTkFTkrFrF1211受拉螺栓組連接受剪螺栓組連接受剪螺栓聯(lián)接：各螺栓的工作載荷Fs與其中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的連線垂直；則：根據(jù)螺栓的變形協(xié)調(diào)條件：各螺栓的剪切變形與其中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比

19、： 聯(lián)立上兩式： TrFrFrFzszss2211112211rrFFrFrFrFissizszssziissssrTrrrrTrFFFF12128222118541crFcFrisisii受翻轉(zhuǎn)力矩M的螺栓組聯(lián)接：采用受拉螺栓，擰緊后，螺栓受預(yù)緊力；則左邊螺栓受到工作載荷F，右邊螺栓受負(fù)的拉力，預(yù)緊力將減少；左半邊螺栓的緊固力增大，而右半邊機(jī)座的反抗壓力以同樣大小增加：根據(jù)螺栓的變形協(xié)調(diào)條件： 各螺栓的拉伸變形與其中心至底板翻轉(zhuǎn)軸線的距離成正比；則左邊螺栓的工作載荷和右邊機(jī)座在螺栓處的壓力也與這個(gè)距離成正比： MrFrFrFzz22116) 聯(lián)立求得： zzrFrFrF2211ziirMrr

20、rrMrFF12121022211101crFcFriiii 在設(shè)計(jì)螺栓組聯(lián)接時(shí)，關(guān)鍵是聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它是根據(jù)被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)和聯(lián)接的用途，確定螺栓數(shù)目和分布形式。v為了便于加工制造和對(duì)稱布置螺栓，保證聯(lián)接結(jié)合面受力均勻，通常聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的簡(jiǎn)單幾何形狀。v螺栓布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。v螺栓的排列應(yīng)有合理的間距、邊距，并考慮扳手空間。v 為了便于在圓周上鉆孔時(shí)的分度和畫線，通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成4、6、8等偶數(shù)。v避免螺栓承受附加的彎曲載荷。五、螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 各螺栓之間的距離大小既要保證聯(lián)接的可靠性又要考慮裝拆方便，還應(yīng)留有足夠的扳手空間。大多數(shù)機(jī)械中螺栓都是成組使用的。2、辦法采用受拉螺母（變形一致） 減小螺栓螺母螺距變化差從傳力算起，第一圈變形最大，受力也最大，以后各圈遞減；旋合圈數(shù)越多，受力越不均勻，到810圈后，螺紋牙幾乎不受力；加高螺母對(duì)提高螺栓強(qiáng)度作用不大；措施： 改進(jìn)螺母結(jié)構(gòu)，采用均載螺母：選較軟的螺母材料采用鋼絲螺套二.減小附加應(yīng)力： 均載螺母均載螺母1均載螺母均載螺母2引起附加彎曲應(yīng)力因素：a)螺栓受偏心載荷eFb)被聯(lián)接件剛度不夠主要指彎曲應(yīng)力，螺紋牙根對(duì)彎曲很敏感，在相當(dāng)大的拉應(yīng)力下，彎曲應(yīng)力對(duì)螺栓斷裂起關(guān)鍵作用；減少或避免彎曲應(yīng)力的措施：在工藝上要求螺孔軸線