機械設計基礎（第5版）課件：連接

連接潘存云教授研制

連接本章主要介紹幾種常用的可拆連接的方法。靜連接動連接——運動副零件構件機構機器靜連接動連接(運動副)可拆連接：螺紋連接、鍵連接、銷連接等不可拆連接：鉚接、焊接、膠接等連接

第一節(jié)螺紋

螺紋連接是利用帶有螺紋零件的可拆連接，是機械連接中應用最廣泛的連接方式。螺紋連接件是標準件。螺紋的形成1螺旋線的形成按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋螺紋的牙型矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋15o鋸齒形螺紋30o3o30o潘存云教授研制潘存云教授研制按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋一般:n≤

4?雙線螺紋單線螺紋PSS=2PPSPS=Pn線螺紋:S=nP按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內螺紋螺紋副外螺紋內螺紋潘存云教授研制潘存云教授研制按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內螺紋連接螺紋傳動螺紋螺旋傳動連接螺紋傳動螺紋潘存云教授研制按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋右旋螺紋左旋螺紋單線螺紋多線螺紋外螺紋內螺紋連接螺紋傳動螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋圓柱螺紋圓錐螺紋管螺紋1．三角螺紋（1）普通螺紋

普通螺紋是公制螺紋，α＝60o，自鎖性好，牙根厚，強度高，多用于連接。根據螺距大小可分為普通粗牙螺紋和普通細牙螺紋。1）粗牙螺紋：一般連接多采用粗牙螺紋。2）細牙螺紋：螺距小，自鎖性好，強度高；但不耐磨，易滑扣，不宜經常裝拆。多用于儀器中的調整螺旋，薄壁零件連接，受沖擊及變載荷的連接。b)圖7-10粗牙與細牙普通螺紋a)粗牙普通螺紋b)細牙普通螺紋常用螺紋（2）管螺紋

管螺紋是英制螺紋，其公稱直徑是管子的內徑，α=55o或α=60o。按母體分有圓柱管螺紋和圓錐管螺紋，緊密性好，可防止泄漏，適用與管路連接。2．矩形螺紋

牙形角α=0o，傳動效率高;但精加工比較困難，螺紋牙根部強度弱，對中性差，螺紋磨損后間隙無法補償。在新標準中沒有對其規(guī)定公差。

牙型為等腰梯形，牙型角

α＝30°。傳動效率較矩形螺紋低，但牙根強度高，加工工藝性好，對中性好。如用剖分螺母，還可以調整間隙。梯形螺紋是最常用的傳動螺紋。4．鋸齒形螺紋

牙型為不等腰梯形，牙型角α＝33°（承載面斜角3°，非承載面斜角30°）。傳動效率高，牙根強度高，用于單向受力的螺旋傳動3．梯形螺紋小結：連接螺紋:單線三角形螺紋。傳動螺紋:多線矩形、梯形、鋸齒形螺紋。

二、螺紋參數（以圓柱螺紋為例）1．d—大徑、螺紋的公稱直徑。2．d1—小徑、螺紋的危險剖面直徑。3．d2—中徑、是確定螺紋的幾何參數及配合性質的直徑。

4．n—線數、

單線螺紋n=1，有自鎖性，用于連接。

多線螺紋n≥2，效率高，用于傳動。為便于加工，n≤4。5．P—螺距、螺紋相鄰兩牙在中徑線上對應點之間的軸向距離。6．S—導程

螺紋上任一點沿螺旋線旋轉一周所移動的軸向距離。單線螺紋:S=P多線螺紋：S=nP7．ψ—螺紋升角

螺旋線的切線與垂直螺紋軸線平面間的夾角。各直徑處的ψ不同，ψ指螺紋中徑處的升角。（7-1）8．α—牙形角通過螺紋軸線的平面內螺紋牙兩側邊的夾角。sπd1πd2

πdψ第二節(jié)螺旋副的受力分析、效率和自鎖一、矩形螺紋擰緊螺母可視為受軸向載荷為Fa的滑塊沿螺紋斜面向上移動，也可視為滑塊在沿螺紋中徑d2展開后所得到的斜面上滑1．受力分析F＝Fatan（ψ+）擰緊螺母所需要的力矩為：推力F為：2．螺旋副的效率

擰緊螺母使其旋轉一周的輸入功：

有效功：（相當于將重物FQ升舉一個導程S）效率：當摩擦角ρ一定時，螺旋副的效率只取決于螺紋升角ψ的大小。但過大的升角會造成加工困難，故ψ一般應不大于20o～25o。

3．螺旋的自鎖

將松開螺母視為使滑塊沿斜面等速下滑。防止滑塊加速下滑的支持力：

當ψ≤ρ時，則F≤0

即不加支持力F，滑塊在重力FQ的作用下也不會自動下滑，這種現象稱為螺旋副的自鎖。螺旋副的自鎖條件：ψ≤ρ

自鎖螺旋效率η＜50%二、非矩形螺紋

矩形螺紋相當于平滑塊與平斜面的作用，非矩形螺紋相當于楔形滑塊與楔形斜面的作用。可將摩擦力的增大視為摩擦因數和摩擦角的增大。此摩擦角稱為當量摩擦角。b)a)矩形螺紋b)非矩形螺紋矩形螺紋和非矩形螺紋

將摩擦因數f換成當量摩擦因數fv，摩擦角ρ換成當量摩擦角ρv，非矩形螺紋相應的計算公式為自鎖條件為：螺旋副的效率為：

由于

，，故非矩形螺紋比矩形螺紋效率低，但自鎖性好。第三節(jié)螺紋連接一、螺紋連接的基本類型（四種）1．螺栓連接（1）普通螺栓連接

被連接件的通孔與螺栓桿間具有間隙，使用時不受被連接件材料的限制，結構簡單，裝拆方便，故應用最為廣泛。（2）絞制孔用螺栓連接

通孔和螺栓桿間采用基孔制過渡配合（H7/m6、H7/n6）,定位精確，利于承受較大的橫向載荷。螺栓連接a)普通螺栓連接b)鉸制孔用螺栓連接

特點：主要用于被連接件的厚度不大且可加工通孔的場合。2．雙頭螺柱連接

用于被連接件之一較厚，不宜制成通孔，需要經常拆卸的場合。3．螺釘連接

螺釘直接擰入被連接件的螺紋孔中，省去螺母，結構簡單、緊湊，其用途與雙頭螺柱相似。多用于受力不大，不需經常拆卸的場合。否則，易使螺紋孔磨損、易扣。

雙頭螺柱連接、螺釘連接a)雙頭螺柱連接b)螺釘連接

4．緊定螺釘連接

多用于固定兩個零件的相對位置，可傳遞不大的力或扭矩，有平頭和錐頭兩種。緊定螺釘連接5．其他連接形式地腳螺栓連接吊環(huán)螺釘連接

特殊螺栓連接a)T形槽螺栓連接b)膨脹螺栓連接

二、螺紋連接件已標準化，設計時由標準選用。螺紋連接件通過組合形成螺紋連接螺栓普通螺栓鉸制孔螺栓雙頭螺栓螺母：六角螺母、圓螺母墊圈：平墊圈、斜墊圈、彈簧墊圈螺釘連接螺釘緊定螺釘、自攻螺釘第四節(jié)螺紋連接的預緊和防松一.螺紋連接的預緊1.目的

通常螺紋連接在裝配時須預先擰緊，以增強連接的可靠性、緊密性和剛度，防止受載后被連接件間出現縫隙或發(fā)生相對滑移。2．擰緊力矩及預緊力

擰緊螺母時需克服螺紋間的摩擦阻力矩T1和螺母支撐面上的摩擦阻力矩T2。擰緊力矩：TT1T2

常用的鋼制粗牙普通螺紋為M10~M68,在此范圍內，當接觸面間無潤滑時，螺母與支撐面間的摩擦因數f=0.15。

預緊力

T=FL標準扳手長度L≈15dTT1T2

對于重要的螺栓連接應選用大于M12的螺栓，避免預緊時發(fā)生意外過載拉斷。

擰緊力矩的大小對螺紋連接的可靠性、強度和緊密性均有很大影響，過小起不到應有作用；過大可能擰斷螺栓。因此，常用測力矩扳手或定力矩扳手來控制預緊力。測力矩扳手和定力矩扳手a)測力矩扳手b)定力矩扳手二、螺紋連接的防松防松方法：分為摩擦防松、機械防松和永久性防松三類。1．摩擦防松

對頂螺母彈簧墊圈自鎖螺母防松目的：防止螺紋副相對轉動。2．機械防松

開口銷與槽形螺母

止動墊圈3．永久性防松

沖點防松粘合防松4．串連鋼絲第五節(jié)螺紋連接的強度計算1．螺栓連接多是成組使用，按螺栓組中受載最大的螺栓進行強度計算。根據連接結構、材料性質和強度條件計算螺栓危險截面直徑，再由標準確定公稱直徑。一、螺栓強度計算特點2．螺栓的其他尺寸及與其配用的螺母、墊圈等均是按等強度設計的，都按螺栓的公稱直徑由標準查取。二、螺栓連接的強度計算（一）受拉螺栓連接失效形式：受軸向靜載荷時：塑性變形、拉斷

受軸向變載荷時：疲勞斷裂

按螺栓的受力可分為受拉螺栓連接和受剪螺栓連接。普通螺栓工作時，主要受拉力；鉸制孔用螺栓工作時主要受剪切力。1．松螺栓連接

特點：安裝時螺母不需擰緊，如不計自重，螺栓只受工作載荷。強度條件：螺紋小徑： 許用應力：

滑輪架螺栓連接2．緊螺栓連接（1）受橫向載荷的緊螺栓連接

受力分析：安裝時將螺母擰緊，螺栓受軸向預緊拉力，承受工作載荷前后螺栓受載情況不變，依靠壓緊后在被連接件結合面上產生的摩擦力傳遞載荷。

受橫向載荷的緊螺栓連接平衡條件：

承受橫向載荷

F時，被連接件的結合面不允許產生相對滑動，故引入可靠性系數Kf。Kf=1.1~1.3平衡條件：

單個螺栓所需的預緊力：fs—接合面摩擦因數

n—螺栓個數

m—被連接件的結合面數由預緊力產生的拉應力：擰緊螺母時由螺紋牙間摩擦阻力矩T產生的剪應力：Wτ—螺栓危險截面的抗扭截面摸量。對于M10~M68公制普通三角螺紋可?。?/p>

螺栓同時受拉應力和扭剪應力作用，應按第四強度理論計算當量應力。強度條件：螺栓小徑：預緊力減載裝置

靠摩擦力抵抗橫向載荷的普通螺栓連接，要求施加較大的預緊力，為了克服上述缺點，可采用銷、套筒或鍵等減載裝置的連接。減載裝置a)銷b)套筒c)鍵（2）受軸向工作載荷的緊螺栓連接

壓力容器內氣壓為р，氣缸內徑為D，作用在容器蓋上的總工作載荷為FΣ＝pπD2/4，由連接凸緣的z個螺栓承受，每個螺栓所受軸向工作載荷為F＝pπD2/4z。受軸向載荷的螺栓連接a)螺母未擰緊b)螺母已擰緊c)已承受工作載荷2）螺母擰緊后，由于預緊力F′的作用，螺栓伸長δ1，被連接件縮短δ2，力與變形關系，左右合并后成圖c。螺栓和被連接件的力與變形的關系1）螺母擰緊前：連接件與被連接件均不受力也不變形。3）承受工作載荷F后：螺栓繼續(xù)伸長Δδ1，總伸長量為δ1+Δδ1；被連接件隨螺栓的伸長而回縮Δδ2，總壓縮量為δ2－Δδ2，Δδ1=Δδ2=Δδ。此時，被連接件僅受殘余預緊力F″，螺栓所受的總拉力F0為工作載荷與殘余預緊力之和F0=F＋F″。螺栓所受的總拉力為：

β是連接的相對剛度，若被連接件的材料為鋼或鑄鐵，連接不用墊片或用金屬墊片時取β=0.2～0.3；銅皮石棉墊片β=0.8；橡膠墊片β=0.9。為了保證連接的緊密性，應使F"＞0。當工作載荷穩(wěn)定時：F″＝（0.2～0.6）F當工作載荷不穩(wěn)定時：F″＝（0.6~1.0）F有密封要求時：F″＝（1.5～1.8）F對地腳螺栓；F″＞F

螺栓的強度條件：螺栓受軸向載荷或橫向載荷時—材料的屈服強度，由P81表7-4查取。S—安全系數：控制預緊力時，S=1.2~1.5；

不控制預緊力時，由表7-5查取。式中1.3是考慮連接在補充擰緊時所受扭剪應力的影響。3．受剪螺栓連接

鉸制孔用螺栓連接，該連接所受預緊力很小，強度計算時可忽略不計。失效形式a.螺栓被剪斷

b.螺栓或被連接件孔壁被壓潰。剪切強度條件為鉸制孔用螺栓連接擠壓強度條件為

第六節(jié)

螺紋連接件的材料及許用應力一、螺紋連接件的材料

國家標準規(guī)定螺紋連接件按材料的力學性能分出等級。螺栓、螺柱、螺釘的性能等級分為10級，從3.6到12.9。小數點前面的數字乘100等于材料的抗拉強度

σb，小數點后的數字乘抗拉強度σb再除10等于材料的屈服強度

σs。例如：性能等級4.6中：4表示材料的抗拉強度σb＝4×100＝400MPa，6表示材料的屈服極限

σs＝6×400/10＝240MPa。螺母的性能等級分為7級，從4到12，性能等級乘以100等于材料的抗拉強度σb。

螺紋連接件在圖紙中只標注性能等級，不標注材料牌號。第七節(jié)提高螺栓連接強度的措施

一、改善載荷在螺紋牙上的分布1．軸向載荷在螺紋中的分布

普通結構的螺栓與螺母旋合傳力時，兩者變形性質不同。螺栓受拉，螺距變大；螺母受壓，螺距變小。兩者螺距變化的差別需靠螺紋牙的的剪切和彎曲變形協調補償。

各圈螺紋牙受載不同，從螺母支撐面起，各圈承載比例為：

第一圈：34%第二圈：23%----------------第十圈：1%旋合螺紋間的載荷分布

旋合螺紋承載時的變形2.改善螺紋牙間載荷分布的措施采用懸置螺母或環(huán)槽螺母

螺母也受拉，使螺母與螺栓變形一致，從而減小了螺距的變化差，使載荷在各圈螺紋中分布比較均勻。二、減小應力集中

在螺栓的螺紋處、螺栓頭與螺桿的過度處存在應力集中，降低螺栓的疲勞強度。措施：(1)加大螺栓的過度圓角(2)采用卸載結構懸置螺母和環(huán)槽螺母a)

懸置螺母b)

環(huán)槽螺母減小螺栓應力集中的方法三、避免或減小附加應力

鉤頭螺栓受附加彎曲應力作用。

當偏距e=d1時：應盡量避免使用偏置螺栓。螺栓受到附加彎曲應力的原因a)螺栓受偏心載荷b)被連接件剛度不夠避免或減少附加彎曲應力結構措施a)采用球面墊圈b)采用斜墊圈c)采用凸臺d)采用沉頭座e)采用環(huán)腰螺栓四、降低應力幅1．減小螺栓的剛度2．增大被連接件的剛度減小螺栓剛度以減小應力幅增大被連接件剛度以減小應力幅五、改進制造工藝1．采用碾壓螺紋，利用冷作硬化現象和合理的金屬纖維流線走向提高強度。2．采用冷墩螺栓頭。3．對螺紋表面進行氮化、氰化或噴丸處理。

第八節(jié)軸轂連接

功用：實現軸和傳動零件（如齒輪、蝸輪）之間的周向固定，以傳遞轉矩。一、鍵連接

鍵連接設計的主要內容為：選擇鍵的類型，確定鍵的尺寸和校核鍵連接的強度。鍵是標準件。1．鍵連接的類型（1）平鍵連接普通平鍵（靜連接）導向平鍵（動連接）A型：雙圓頭B型：方頭C型：單圓頭1）普通平鍵▲普通平鍵的兩側面為工作面?！鳤型鍵的鍵槽用端銑刀加工，便于鍵的固定，但鍵槽端部應力集中較大?！鳥型鍵的鍵槽用盤銑刀加工，軸的應力集中較小?！鳦型鍵用于軸端的軸轂連接。普通平鍵連接A型C型B型圓頭平頭半圓頭2）導向平鍵

導向平鍵通常用螺釘與軸固定，軸上零件的轂槽與鍵為動配合，可做軸向移動。如變速箱中的滑移齒輪。3）滑鍵

為避免導向平鍵過長，可采用滑鍵。鞍形滑鍵鉤頭滑鍵

滑鍵連接導向平鍵連接（2）半圓鍵連接

半圓鍵也以兩側面為工作面，可在鍵槽中擺動，可適應輪轂鍵槽的傾斜，對中性好，裝拆方便；但鍵槽較深，對軸的強度削弱較大。用于輕載連接，多用于錐形軸端的軸轂連接。半圓鍵連接（3）楔鍵連接

楔鍵的上表面及轂槽底面的斜度均為1∶100，裝配時楔入，靠楔面間的摩擦力傳遞扭矩。能軸向固定零件并承受單向軸向力。對中性差，只能用于對定心精度要求不高、載荷平穩(wěn)和低速的連接。鉤頭楔鍵：便于裝拆，但應注意安全防護。普通楔鍵a)b)楔鍵連接a)普通楔鍵b)鉤頭楔鍵

（4）切向鍵連接

切向鍵由一對斜度為1:100的楔鍵組成，裝配時將兩鍵楔緊。鍵的窄面為工作面，工作時，靠工作面上的擠壓力和鍵與輪轂間的摩擦力來傳遞轉矩，能傳遞較大的轉矩。

用一個切向鍵時，只能傳遞單向轉矩；當要傳遞雙向的轉矩時，必須用兩個切向鍵，兩者間的夾角為120°～130°。由于鍵槽對軸的強度削弱較大，所以切向鍵一般用于重型機械中直徑大于100mm的軸上。切向鍵連接a)切向鍵b)單鍵連接c)雙鍵連接圖2．鍵連接的強度校核（1）平鍵尺寸的選擇

平鍵的主要尺寸有鍵的橫截面尺寸（鍵寬b×鍵高h）和長度L。鍵的截面尺寸

b×h可按軸的直徑d從表7-6中選取。普通平鍵的長度

L按輪轂的長度確定，即鍵的長度應等于或略小于輪轂的長度；導向平鍵的長度則按輪轂長度及滑動距離而定。所選的鍵長應符合標準規(guī)定的長度系列。

（2）平鍵連接的強度校核

普通平鍵連接（靜連接）的主要失效形式是工作面的壓潰。除非過載嚴重，一般不會出現鍵的剪斷。因此，通常按工作面上擠壓應力對普通平鍵進行強度校核。

導向平鍵連接（動連接）的主要失效形式是工作面的過度磨損，通常按工作面上的壓強進行條件性強度校核。（3）平鍵的強度計算平鍵連接受力情況靜連接擠壓強度計算動連接耐磨性計算

若平鍵強度不夠時，可采用兩個鍵呈180o布置，考慮載荷分配不均，其強度按1.5個鍵校核。二、花鍵連接1.花鍵連接的特點

優(yōu)點：接觸齒數多，接觸面積大，承載能力大。齒槽淺，齒根應力集中小。制造精度高，軸與輪轂對中性好?；ㄦI連接常用于重載、高速場合，可用于靜連接或動連接，對于動連接有較好的導向性。

花鍵連接由內花鍵和外花鍵組成，它靠軸上花鍵齒的側面?zhèn)鬟f轉矩?；ㄦI連接

缺點：需專用設備加工，成本較高。2．花鍵連接的類型（1）矩形花鍵

主要參數：齒數N