机械设计基础-联接

A型平垫圈 平垫圈 弹簧垫圈
垫圈分A、C两级
B型平垫圈 薄平垫圈 斜垫圈
圆螺母用止动垫圈
三、 螺纹联接的预紧
一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接
设轴向预紧力为F受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联接，应控制
p 其预紧力，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度
拧紧力矩T
和密封均有很大影响。
近似计算公式： T ≈ 0.2 Fp d
细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高，
缺点：不耐磨易滑扣。
应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。
P 60˚
P
P
粗牙
d
细牙 d
细牙 d
普通细牙螺纹
管螺纹 非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁α = 55˚） 用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁α = 55˚）
60˚圆锥管螺纹
公称直径----螺纹大径。强调与普通螺纹不同
213.3
由表11-1查得d=16mm时，d1=13.835mm>12.588mm， 能满足强度要求且与原假定相符，故取M16的螺栓合适。
根据容器凸缘后度及螺母厚度，由表11-2选取螺栓公 称长度l=60mm。
标记为：螺栓 M16×60-8.8GB/T 5782-2000
§11－3 键联接、销连接及型面连接
钢或青铜 H=d; 铸铁 H=(1.25~1.5)d 铝合金 H=(1.5~2.5)d
螺纹孔深度 H1=H+(2~2.5)P; 钻孔深度 H2=H1+(0.5~1)d;
H2 l1 HH1
H2 l1 HH1
e ed
a
1、 螺纹联接的基本类型 基 螺栓联接 本 螺钉联接 类 双头螺柱联接 型 紧定螺钉联接
当载荷F有变化时: Fp’=(0.6~1)F
对特别重要的紧密连接: Fp’=(1.5~1.8)F
FQ=F+Fp’
d1
4 1.3Fp
五、 设计螺栓连接的几个问题
1、螺栓材料的许用应力
受拉螺栓的许用应力：
s
S
σs为螺栓材料的屈服极限；S为安全系数，紧螺栓连接，控制预
紧力时，S=1.2～1.5，不控制预紧力时，见表11-4。
55 ˚
55 ˚
d
d2 d1
P
d
d2 d1
P
φ
非螺纹密封的管螺纹
2φ 用螺纹密封的管螺纹
表11-1 直径与螺距、粗牙普通螺纹基本尺寸 mm
P/8
Dd D2 d2 D1 d1
P P/8
60˚
P/230˚
90˚
P/4
H/4
P/8
H=0.866P d2=d-0.6495P D、d ----内、外螺纹大径 D2、d2----内、外螺纹中径 D1、d1----内、外螺纹小径
B型
C型
R=b/2
b
L
L
L
标记实例： 圆头普通平键(A型): 键16×100 GB/T 1096-2003
方头普通平键(B型): 键B16×100 GB/T 1096-2003
单圆头普通平键(C型) : 键C16×100 GB/T 1096-2003
铰制孔螺栓连接的的许用应力：
许用切应力： s
S
Sτ为安全系数，静载荷时取2.5，
变载荷时取3.5～5。
许用挤压应力(静载荷)：
被连接件为钢时：
bs
s
1.25
σs为钢制被连接
件的屈服极限
被连接件为铸铁时： bs
2
b
~ 2.5
σb为铸铁被连接
件的强度极限
2、关于螺栓组连接的概念
3、螺纹联接的防松问题 联接用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。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬时消 失，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异等，也 可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。即防止相 对转动。 防松的根本问题在于防止螺旋副的相对转动。
10.106
11.835 13.835 15.294 17.294 19.294 20.752 23.752 26.211
细牙 螺距P
0.35
0.5 1.25, 1 0.75 1.5, 1.25 0.5
1.5, 1
2, 1.5, 1
表11-2
螺距P 0.35 0.5 0.75
1 1.25 1.5
2 3
P----螺距
d1=d-1.0825P
标记示例：
M24(粗牙普通螺纹、直径24、螺距3)
M24X1.5(细牙普通螺纹,直径24,螺距1.5)
公称直径（大径）
粗
牙
Dd
3 4 5 6 8 10
螺距P
0.5 0.7 0.8
1 1.25 1.5
中径 D2 d2 2.675 3.545 3.545 5.350 7.188
Fp
Fp
被联接件压缩量减少为：
∆δ
∆δ
δC0 - ∆δ 残余预紧力减少为： Fp’
F Fp’ Fp’ F
受载变形
总拉力为： FQ=F+Fp’
FQ
FQ
很显然: Fp’<Fp 被联接件放松了 必须使: Fp’>0
Fp’的大小按连接的工作条件根据经验选定：
当载荷F无变化时: Fp’=(0.2~0.6)F
细牙普通螺纹基本尺寸 mm
中径D2、d2 d-1+0.773 d-1+0.675
小径D1、d1 d-1+0.621 d-1+0.459
d-1+0.513
d-1+0.188
d-1+0.35
d-2+0.918
d-1+0.188
d-2+0.647
d-1+0.026
d-2+0.376
d-2+0.701
d-3+0.835
的主要失 效形式：
螺纹压溃或剪断 滑扣 因经常拆装
（一）松螺栓联接 装配时不须要拧紧
Fp
强度条件：
Fp
d12 /
4
[
]
力除以面积
式中:d1----螺纹小径， mm
Fp
（二）紧螺栓联接 装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。
1. 受横向工作载荷的螺栓连接
螺栓与孔之间有间隙，工作时预 F
紧力Fp导致接合面所产生的摩擦 力应大于横向载荷F。
铰制孔用螺栓l1≈ 0;
螺纹伸出长度a=(0.2~0.3)d;
螺栓轴线到边缘的距离
e=d+(3~6) mm
铰制孔螺栓
1、 螺纹联接的基本类型
基 螺栓联接
本
螺钉联接 结构简单，省了螺母，不宜经常拆装， 以免损坏螺孔而修复困难。
类
双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。
型
参数l1 、e、a与螺栓相同 座端拧入深度H，当螺孔材料为：
s
S
确定许用应力[σ]时需要找安全系数S，当不控制预紧力时，
S与螺栓直径d有关，故需要用试算法。
由表11-4暂取S=3（假定d=16mm），则螺栓许用应力为：
s 640 MPa 213.3MPa
S3
计算螺栓小径为：
d1
4 1.3Fp
4 1.3 20420mm 12.588mm
Fp
F
Fp
预紧力Fp ：
Fp
KsF zif
Ks---防滑系数，常取Ks=1.1~1.3 F/2
i---结合面数 z---工作螺栓数目
Fp
F
f---摩擦系数，对钢与铸铁，
Fp
取: f =0.1~0.15
F/2
强度条件：
1.3Fp
d12
4
螺栓的 小径d1： d1
4 1.3Fp
若取 f =0.15, Ks=1.2, i=1, z=1 则：
2. 受轴向工作载荷的螺栓连接
设流体压强为p，螺栓数
F
目为z，则缸体周围每个螺栓
的平均轴向工作载荷为：
p ·πD2 F=
4Z
p D F
特别注意，轴向载荷：
FQ≠ Fp+F
松弛状态
加预紧力后→螺栓受拉伸长δb0
→被联接件受压缩短δC0
δC0
加载F后: 螺栓总伸长量增加为:
Fp Fp
δb0
预紧状态
∆δ+δb0
单圆头(C型) 用于轴端
盘铣刀
A型
B型
C型
普通平键应用最广。
导向平键 结构特点：长度较长，需用螺钉固定。 为便于装拆，制有起键螺孔。 零件可以在轴上移动，构成动联接。
固定螺钉
起键螺孔
表11-4 普通平键和键槽尺寸（GB/T1096-2003）
b
b
b
d
h t
d-t t1
d+t1
A型 C× 45˚或r1
防松的方法：摩擦防松，机械防松，永久止动等。 （1）利用附加摩擦力防松
弹簧垫圈
对顶螺母
尼龙圈锁紧螺母
（2）机械防松
开口销与六 角开槽螺母
止动垫圈
圆螺母用止动垫圈
串联钢丝
（3） 永久止动 用冲头冲2~3点 1~1.5P
冲点防松法
涂粘合剂 粘合法防松
4、提高螺栓连接强度的方法
主要通过提高螺栓的强度，特别是螺栓的疲劳强度。
螺栓
自攻螺钉
螺 纹
双头螺柱
紧 螺钉、紧定螺钉
固
螺母 国标罗列有六十余种不同结构的螺母 螺母也分A、B、C三级
件
用于经常拆装
易磨损之处。
六角螺母 六角扁螺母 六角厚螺母
用于尺寸受限制之处。
圆螺母
其它螺母：
其它螺母：
2、螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
双头螺柱
紧 螺钉、紧定螺钉
固 螺母
件 垫圈
作用：增加支撑面积以减 小压强，避免拧紧螺母擦 伤表面、防松。
（1）减小应力集中
A.增大过渡圆角
B.切制卸载槽
r
（2）避免或减小附加应力
切削加工支承面
被联接件变形太大 支承面不平
采用凸台或沉孔结构
例11-1 计算圆柱形压力容器盖的螺栓连接。已知容器内流 体压力p=3MPa（静载荷），容器内径D=200mm，螺栓数 目z=12，容器与容器盖凸缘厚度均为18mm。拧紧螺母时不 控制预紧力。
而设计连接时，应尽可能将连接件与被连接件设
计成等强度，使连接中的各零件能充分发挥其承载 能力。
§11－2 螺纹连接
一、机械制造中的连接螺纹
普通螺纹：多用于紧固连接。 管螺纹：多用于密封连接。
普通螺纹
管螺纹
三角形螺纹 普通螺纹α = 60˚ 管螺纹α = 55˚或60˚
普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以 有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统 称为细牙螺纹。 粗牙螺纹应用最广
第11章 联 接
§11－1 概述 §11－2 螺纹联接 §11－3 键联接、销连接及型面连接 §11－4 铆接、焊接、胶接简介
§11－1 概述
一、连接的分类
根据连接工 作原理分：
形锁合连接 摩擦锁合连接 材料锁合连接
连接又可分为可拆连接和不可拆连接。
关于过盈配合。
二、连接选择与设计原则
选择连接类型时，主要应考虑使用要求和经济要求。
适用于M10~M60的粗牙螺纹,
工程上常采用测力矩扳手或定 力矩扳手来控制预紧力的大小。
T
F
d
d0
Fp
dw
测力矩扳手
定力矩扳手
四、螺纹连接的计算
螺栓联接 螺栓拉断
螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部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d 及螺距P等。
9.026
12
1.75
10.863
(14) 16
2
12.701
2
14.701
(18) 20 (20) 24 (27) 30
2.5
16.376
2.5
18.376
2.5
20.376
3
22.052
3
25.052
3.5
27.727
注：括号内的公称直径为第二系列
小径 D2 d2 2.459 3.242 4.134 4.918 6.647 8.376
Fp
KsF zif
Fp ≥ 8F →结构尺寸大
改进措施： (1) 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用
(2) 采用无间隙的铰制孔螺栓。
抗剪强度条件：
4F
zid
2 s
F/2
F
挤压强度条件： bs
F
zd s
bs
F/2
ds为螺栓受剪面直径，δ为螺栓杆与被连接件 孔壁间接触受压的最小长度。
一、键联接的类型
作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩， 或实现零件的轴向固定或移动。
类型：平键、半圆键、楔键、花键等。
1. 平键联接
间隙
特点：定心好、装拆方便。
普通平键 种类
导向平键
工作面
轴
普通 平键 结构
圆头(A型) 用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。
方头(B型) 用盘铣刀加工，轴的应力集中小。
紧定பைடு நூலகம்钉
2、螺纹紧固件
螺栓的结构形式
螺栓
螺 纹
螺栓分A、B、C三级
紧
L
固
L0
件
d
六角头 L L0
d
小六角头
铰制孔用螺栓
2、螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
双头螺柱
紧
固
件
L
bm
b
d bm -----座端长度 b -----螺母端长度
2、螺纹紧固件
螺栓
螺 纹
双头螺柱
紧 螺钉、紧定螺钉
固
件
头部 结构
末端 结构
2、螺纹紧固件
解：1 、确定单个螺栓的工作载荷F
F pD2 3 200 2 N 7854 N
4z
4 12
2、确定螺栓的总拉伸载荷个FQ 考虑到压力容器的密封性要求，取残余预紧力Fp’=1.6F，则
FQ F Fp 2.6F 2.6 7854 N 20420 N
3、求螺栓直径 选取螺栓力学性能为8.8级，则σs=640MPa。由式
d-2+0.052
d-4+0.752
二、螺纹联接的基本类型及螺纹连接件
1、 螺纹联接的基本类型 e
可承受横向载荷。
d
基 螺栓联接
a
本
用于经常拆装易磨损之处。
l1
类
孔与螺杆之
型
间留有间隙 l1
螺纹余留长度l1
a
静载荷l1>=(0.3~0.5)d;
d
变载荷l1>=0.75d;
冲击载荷或弯曲载荷l1≥ d;