第8章机械设计基础螺纹联接与键联接讲述

1、第第8 8章章 联接联接8.1 机械制造中常用的螺纹机械制造中常用的螺纹8.2 普通螺纹联接普通螺纹联接8.3 螺旋副的受力分析、自锁条件及效率螺旋副的受力分析、自锁条件及效率8.4 螺纹联接的预紧、防松及结构设计螺纹联接的预紧、防松及结构设计8.5 螺栓联接的强度计算螺栓联接的强度计算8.6 滑动螺旋简介滑动螺旋简介8.7 键联接键联接8.8 花键和销联接花键和销联接 8.1 8.1 机械制造中常用的螺纹机械制造中常用的螺纹8.1.1 8.1.1 螺纹的形成螺纹的形成 把一锐角为的直角三角形绕到一直径为d的圆柱上，绕时底边与圆柱底边重合，则斜边就在圆柱体上形成一条空间螺旋线。 螺纹的形成动画

2、螺纹的形成动画螺纹种类螺纹种类粗牙：普通联接使用普通螺纹 细牙：小载荷、调整机构。自锁性好。圆柱管螺纹：管路联接联接螺纹 管螺纹 圆锥管螺纹：具有自封性。高温、螺纹高压管路。圆锥螺纹：管路联接（与圆锥管螺纹相似）传动螺纹：有矩形螺纹；梯形螺纹；双向传动；锯齿型螺纹：单向8.1.2 8.1.2 螺纹的主要参数螺纹的主要参数 1.大径d（D）：螺纹的最大直径在标准中也作公称直径。 2.小径d1(D1) ：即螺纹的最小直径。 3.中径d2在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径d20.5(d+d1)。 4.螺距P相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。 5.

3、导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离。6.线数n螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4。 螺距、导程、线数之间关系：L=nP7.螺旋升角 ：中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角。 8.牙型角 ：螺纹牙型两侧边的夹角。8.1.3 8.1.3 螺纹的类型、特点及应用螺纹的类型、特点及应用 根据螺旋线绕行的方向，螺纹可分为右旋螺纹和左旋螺纹。按螺纹的线数，螺纹可分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹。由于加工制造的原因，多线螺纹的线数一般不超过4。 (a) 右旋螺纹右旋螺纹(单线单线) (b) 左旋螺纹（双线）左旋螺纹（双线）1 1、三角形螺纹（普通螺纹）、

4、三角形螺纹（普通螺纹） 牙型角为60 ，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。2 2、管螺纹、管螺纹 多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。3 3、梯形螺纹、梯形螺纹 牙型角为30，是应用最为广泛的传动螺纹。4 4、锯齿型螺纹、锯齿型螺纹 两侧牙型角分别为3和30，3的一侧用来承受载荷，可得到较高效率；30一侧用来增加牙根强度。适用于单向受载的传动螺纹。5 5、矩形螺纹、矩形螺纹 牙型角为0，适于作传动螺纹。 dl1d0a(a)(b

5、)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)8.2 8.2 普通螺纹联接普通螺纹联接 1. 1. 螺栓联接螺栓联接 当被联接件不太厚时，被联接件加工出通孔，不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙。结构简单，装拆方便，可多次装拆，应用较广。8.2.1 8.2.1 普通螺纹联接的基本类型及应用普通螺纹联接的基本类型及应用dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)dl1d0a(a)(b)2. 2. 铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接 装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，用基孔制配合的铰制孔螺栓联接。(b)(a)d

6、Hl2dl3Hl2l1(b)(a)dHl2dl3Hl2l13. 3. 双头螺柱联接双头螺柱联接 螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适用于常拆卸而被联接件之一较厚的场合。折装时只需拆螺母，而不将双头螺柱从被联接件中拧出。(b)(a)dHl2dl3Hl2l1(b)(a)dHl2dl3Hl2l1 (b)(a)dHl2dl3Hl2l1(b)(a)dHl2dl3Hl2l14. 4. 螺钉联接螺钉联接 适用于被联接件之一较厚，不需经常装拆的地方。一端有螺钉头，不需螺母，适合于受载较小场合。5.5.紧定螺钉联接紧定螺钉联接 拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的

7、缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。(a)(b)(a)(b)、螺螺栓栓1、双双头头螺螺柱柱2、螺螺钉钉、紧紧定定螺螺钉钉3、螺螺母母4、垫垫圈圈58.2.2 8.2.2 常用螺纹联接件常用螺纹联接件 普通螺栓联接动画普通螺栓联接动画 螺纹副的自锁条件为：螺纹副的自锁条件为：螺旋升角不大于当量摩擦角。即：v8.3.3 8.3.3 螺纹副自锁的条件螺纹副自锁的条件式中式中 ：arctanvvf影响效率和自锁性能的几何原因：1.线数越多，螺距越大，升角越大 ，效率越高 。)tan(tanv 3.在螺旋传动中，应采用多线、大螺距的螺纹，以提高传动效率。 4.在螺纹联接中，应采用单线、

8、小螺距的螺纹，以提高自锁性能。2.升角越大，自锁性能越差 。 5.牙型斜角越大，则当量摩擦角越大，效率越低，自锁性能越好，所以在螺旋传动中，为了提高效率，采用牙型斜角小的螺纹，如矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。 6.在螺纹联接中，为了提高自锁性能，应采用牙型斜角大的螺纹，如三角形螺纹。 8.4 8.4 螺纹联接的预紧、放松及结构设计螺纹联接的预紧、放松及结构设计 8.4.1 8.4.1 螺纹联接的预紧螺纹联接的预紧 在零件未受工作载荷前需要将螺母拧紧，使组成联接的所有零件都产生一定的弹性变形（螺栓伸长、被联接件压缩），从而可以有效地保证联接的可靠。这样，各零件在承受工作载荷前就受到了力的作用，

9、这种方式就称为预紧，这个预加的作用力就称为预紧力。 对于重要的螺栓联接，在装配时需要控制预紧力拧紧力矩为dQTp2 . 0预紧加载动画预紧加载动画8.4.2 8.4.2 螺纹联接的防松螺纹联接的防松 一般来说，联接螺纹具有一定的自锁性。但是，工作条件存在冲击、振动、变载荷作用。在这些工况条件下，螺纹副之间的摩擦力会出现瞬时消失或减小的现象；同时在高温或温度变化比较大的场合，材料会发生蠕变和应力松弛，也会使摩擦力减小。在多次的作用下，就会造成联接的逐渐松脱。 常用的防松方法有三种：摩擦防松、机械防松和永久防松 。 1 1、摩擦防松、摩擦防松 1 1）弹簧垫片防松）弹簧垫片防松 弹簧垫圈材料为弹簧

10、钢，装配后垫 圈被压平，其反弹力能使螺纹间保持 压紧力和摩擦力，从而实现防松。2 2）对顶螺母防松）对顶螺母防松 利用螺母对顶作用使螺栓中受到附加 的拉力和附加的摩擦力。由于多用一个 螺母，并且工作不十分可靠，目前已经 很少使用了。 3 3）自锁螺母防松）自锁螺母防松 螺母一端制成非圆形收口或开缝后径 向收口。当螺母拧紧后，收口胀开，利 用收口的弹力使旋合螺纹间压紧 。2 2、机械防松、机械防松1 1）槽形螺母和开口销防松）槽形螺母和开口销防松 槽形螺母拧紧后，用开口销穿过螺栓尾部小孔和螺母的槽，也可以用普通螺母拧紧后进行配钻销孔。2 2）圆螺母和止动垫片）圆螺母和止动垫片 使垫圈内舌嵌入螺栓

11、（轴）的槽内，拧紧螺母后将垫圈外舌之一褶嵌于螺母的一个槽内。3 3、永久防松、永久防松 1 1）冲边法防松）冲边法防松 螺母拧紧后在螺纹末端冲点破坏螺纹。 2 2）粘合防松）粘合防松 通常采用厌氧胶粘结剂涂于螺纹旋合表面，拧紧螺母后粘结剂能够自行固化，防松效果良好。螺纹联接的防松动画螺纹联接的防松动画 要设计要设计成轴对称成轴对称的几何形的几何形状。状。8.4.3 8.4.3 螺栓组联接的结构设计螺栓组联接的结构设计 螺栓的布螺栓的布置应使螺置应使螺栓的受力栓的受力合理合理 螺栓的布置应有合理的间距、边距螺栓的布置应有合理的间距、边距扳手的活动空间动画扳手的活动空间动画 同一组螺栓联接中各螺栓

12、的直径和材料均应相同 避免螺避免螺栓承受偏栓承受偏心载荷心载荷8.5 8.5 螺栓连接的强度计算螺栓连接的强度计算8.5.1 8.5.1 松螺栓连接的强度计算松螺栓连接的强度计算强度条件：421dFAF设计公式：41Fdd1计算出后,再按标准查选螺纹的公称直径。8.5.2 8.5.2 紧螺栓连接的强度计算紧螺栓连接的强度计算 紧螺栓联接就是在承受工作载荷之前必须把螺母拧紧的联接。 在计算时，可按拉伸强度来计算，但需将所受的拉力增大30来考虑扭转剪应力的影响。即01.3FF43 . 1210dF设计公式为3 . 1401Fd1.1.受横向外载荷的紧螺栓连接受横向外载荷的紧螺栓连接（1）采用普通螺

13、栓 受力特点: 载荷与螺栓轴向垂直，靠被连接件间的摩擦力传递。螺栓受载前需预紧,受载前后受力相同。螺栓内部危险截面上既有轴向预紧力F0形成的拉应力s，又有因螺栓与螺纹牙面间的摩擦力矩T1而形成的扭转剪应力t。螺栓预紧力mfFKFRf0当f=0.15、Kf=1.1、m=1时，可得RRFFF7115. 01 . 10 此结构，要使连接不发生滑动，螺栓要承受7倍于横向外载荷的预紧力。结构笨重、不经济。因此要避免这种结构，而采用新结构。（2）采用铰制孔螺栓连接受力特点： 螺栓受载前后不需预紧，横向载荷靠螺栓杆与螺栓孔壁之间的相互挤压传递。挤压强度条件psRpdF剪切强度条件4/2sRdmF2.受轴向静

14、载荷的紧螺栓连接受力特点受力特点: 载荷方向与螺栓轴向一致，螺栓受载前需预紧，受载前后受力不同。螺栓内部危险截面上同样既有拉应力s,又有扭转剪应力t。强度条件: 4/3 . 121dF设计公式:3 . 141Fd 式中F为螺栓受载后所受的轴向总 拉力(N),通过受载前对螺栓的预紧,和受载后螺栓轴向拉力的分析,可知F=F+ F0这里F为单个螺栓的轴向载荷, F0为残余轴向预紧力。压力容器的螺栓受力分析动画压力容器的螺栓受力分析动画螺栓的受力分析动画螺栓的受力分析动画(3D)8.5.3 8.5.3 螺纹联接件常用材料及许用应力螺纹联接件常用材料及许用应力 1.螺栓的材料 普通螺栓的常用材料为：Q2

15、15、Q235、10、35和45钢。 重要或有特殊用途的螺栓材料可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi等高强度钢。 2.螺栓材料的许用应力 常用的螺栓材料的机械性能，查教材表8-6。 螺栓材料的许用应力及安全系数，查教材表8-7和8-8。例-1：195Dmm已知：一凸缘联轴器，8根螺栓，螺栓中心直径。联轴器传递扭矩T=1.1KN m求：螺栓直径解：8RFF 总总摩擦力F总：2TFD总1.21 0.2RRFKFFFmf 由于承受横向载荷，是松螺栓联接。所以，预紧力： mmdM835.13161 ，取3141.341.38.463 1013.3 240/3Fdmm 8.6 8.6 滑动螺旋传动

16、简介滑动螺旋传动简介 螺旋运动是利用由螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力的场合。8.6.1 8.6.1 螺旋传动的类型螺旋传动的类型传力螺旋传动螺旋调整螺旋千斤顶动画千斤顶动画(3D)螺旋副动画螺旋副动画螺旋机构动画螺旋机构动画（3D)3D)螺旋机构动画（螺旋机构动画（3D)3D)压力机动画压力机动画(3D)平口钳动画（平口钳动画（3D)3D)8.6.2 8.6.2 螺旋传动的结构及材料螺旋传动的结构及材料1. .螺母结构螺母结构整体螺母不能调整间隙，只能用在轻载且精度要求较低的场合。组合螺母这种螺母便于操作，一般用于车床溜板箱的螺旋

17、传动中。2. .螺杆结构螺杆结构 通常采用牙型为矩形、梯形或锯齿形的右旋螺纹。特殊情况下也采用左旋螺纹。3. .材料材料一般螺杆的选用原则如下：高精度传动大多选碳素工具钢需要较高硬度，可采用铬锰合金钢或者采用65Mn钢一般情况下可用45、50钢 螺母材料可采用铸造锡青铜，重载低速的场合可选用铸造铝铁青铜，而轻载低速时也可选用耐磨铸铁。8.7 8.7 键联接键联接 动联接 静联接可拆联接： 键联接 销联接 螺纹联接 小过盈联接焊接 铆接 粘接 大过盈联接 不可拆联接：联接的组成 联接的类型机械联接一般由被联接件和联接件组成，有些时候被联接件之间进行直接联接，并无独立的联接件。 静联接： 联接的目

18、的动联接：各种运动副实现机械运动便于机械的制造、装配、运输、安装和维护，降低成本。8.7.1 8.7.1 键联接的类型、标准与应用键联接的类型、标准与应用（一）松键联接（一）松键联接键是一种标准零件，通常用来实现轴与轴上零件之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向移动的导向。 松键联接依靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键不会影响轴与轮毂的同心精度。键联接根据装配时是否预紧，可分为松键联接和紧键联接。松键联接具有结构简单、装拆方便、定心性好等优点，因而应用广泛。这种键不能实现传动件的轴向固定。松键联接包括普通平键、导向键、滑键和半圆

19、键联接。 方头键的轴槽用盘铣刀在卧式铣床上加工，轴槽的应力集中较小； 单圆头键多用于轴端。圆头键的轴槽用端铣刀在立式铣床上加工，键在槽中固定良好，但轴槽两端的应力集中较大；普通平键有圆头（A型）、方头（B型）和单圆头（C型）三种结构型式，如图所示。圆头方头单圆头1普通平键联接普通平键联接铣键槽平键联接动画平键联接动画(3D)普通平键的毂槽一般在插床上插削或在拉床上拉削，其为通槽。方头键的侧面能与毂槽全部接触，而圆头键和半圆头键的圆弧侧面与毂槽并不接触，未能充分利用。当轴上零件除要求周向固定外，在工作中还需要在轴上作轴向移动时，则须采用导向平键或滑键联接。汽车变速器传动简图汽车变速器传动简图图示

20、汽车变速箱中滑移齿轮4、6与轴的联接即属于此情况。通过齿轮的滑移，汽车可获得三种不同的前进速度和一种倒退速度。2导向平键联接导向平键联接键用螺钉固定在轴槽中，键与毂槽为间隙配合，故轮毂件可在键上作轴向滑动，此时键起导向作用。为了拆卸方便，键上制有起键螺孔，拧入螺钉即可将键顶出。导向平键用于轴上零件移动量不大的场合，如变速箱中的滑移齿轮与轴的联接。导向平键与普通平键结构相似，但比较长，其长度等于轮毂宽度与轮毂轴向移动距离之和。导向平键联接动画导向平键联接动画导向平键联接动画导向平键联接动画(3D)3滑键联接滑键联接当零件滑移的距离较大时，因所需导向平键的长度过大，制造困难，故宜采用滑键。滑键比较

21、短，固定在轮毂上，而轴上的键槽比较长，键与轴槽为间隙配合，轴上零件可带键在轴槽中滑动。滑键主要用于轴上零件移动量较大的场合，如车床光杠与溜板箱之间的联接。滑键联接动画滑键联接动画滑键联接动画滑键联接动画4半圆键联接半圆键联接在半圆键联接中，轴上的键槽是用尺寸相同的半圆键槽铣刀铣出的，因而键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂键槽的斜度。半圆键工作时，也是靠键的侧面来传递转矩。半圆键联接工艺性好，装配方便；但轴上槽较深对轴的强度削弱大。一般用于轻载静联接中，适用于锥形轴端的联接。半圆键联接动画半圆键联接动画(3D)（二）紧键联接（二）紧键联接楔键联接楔键联接键的上表面与轮毂上键槽的底面各有1:10

22、0的斜度，键楔入键槽后具有自锁性， 可在轴、 轮毂孔和键的接触表面上产生很大的楔紧力，工作时靠摩擦力实现轴上零件的周向固定并传递转矩，同时可实现轴上零件的单向轴向固定，传递单方向的轴向力。楔键联接会使轴上零件与轴的配合产生偏心，故适用于精度要求不高和转速较低的场合。常用的有普通楔键和钩头楔键。楔键联接动画楔键联接动画(3D)切向键联接切向键联接切向键由一对普通楔键组成，装配时将两键楔紧，窄面为工作面，其中与轴槽接触的窄面过轴线，工作压力沿轴的切向作用，能传递很大的转矩。一对切向键只能传递单向转矩，传递双向转矩时，需用两对切向键，互成120 135分布。（图中未画出轮毂零件）切向键对中性较差，键

23、槽对轴的削弱大，适用于载荷很大，对中性要求不高的场合，如重型及矿山机械。切向键联接动画切向键联接动画(3D)8.7.2 8.7.2 平键的选择及强度计算平键的选择及强度计算根据轴径d由标准中查得键的截面尺寸bh，键的长度L可根据键的类型和轮毂宽度确定，对普通平键和滑键键长可略短于或等于轮毂宽度，对于导向平键应按轮毂的宽度和滑动距离确定，并符合键长标准系列。 1平键的类型选择和尺寸选择根据键联接的结构特点、使用要求及工作条件选择键的类型。2平键联接的失效形式和强度计算普通平键联接的主要失效形式是工作面的压溃，有时也会出现键的剪断，但一般只校核挤压强度。导向平键联接和滑键联接的主要失效形式是工作面

24、的过度磨损，通常按工作面上的压强进行条件性计算。2bLlbLlLl （A型平键）（B型平键）（C型平键）键的材料常采用45精拔钢，当强度不足时，可适当增加键长或采用两个键按180布置。考虑到两个键载荷分布的不均匀性，在强度校核中按1.5个键计算。p、p为材料的许用挤压应力与许用压强挤压强度压强设键联接传递的转矩为T（N.m)，挤压力Ft，挤压高度h，挤压长度l，则其中4pTdhl p4Tpdhl P例-2 选择并校核带轮与轴之间的平键联接。已知轴的材料为钢，直径d=40mm；带轮的材料为HT150，轮毂宽度B=70mm；传递的转矩T=150N.m，有轻微冲击。解 1选择键联接的类型和尺寸此联接属于静联接，故选择普通平键联接，圆头。根据轴径d=40