第三章连接设计

第3章联接设计

本章提示

由于使用、结构、制造、装配、运输等原因，机器中有相当多的零件需要彼此联接。被联接件间相互固定、不能作相对运动的称为静联接。能按一定运动形式作相对运动的称为动联接。

基本要求

1．对于螺纹联接基本知识，应了解螺纹及螺纹联接件的类型、特性、标准、结构、应用场合及有关的防松方法等，以使在设计时能够正确地选用它们；

2．对于螺栓联接设计及强度计算部分，应掌握其结构设计原则及强度计算的理论与方法，能够较为合理地设计出可靠的螺栓组联接；

3．了解键联接的重要类型及应用特点，掌握键的类型及尺寸的选择方法，并能对平键联接进行强度校核计算；

4．了解花键联接的类型、特点和应用。掌握花键联接强度校核计算方法；

5．对成形联接、销联接和过盈配合联接的类型、特点及应用有一定的了解；

6．了解焊接和胶接接头的基本类型、结构、应用场合、受力状况、破坏形式以及焊缝强度计算。

3.1 螺纹联接

螺纹联接是利用螺纹零件构成的可拆联接，在机械行业中应用非常广泛。

3.1.1 螺纹联接的主要类型

螺纹紧固件联接有四种基本类型，螺栓、螺钉、双头螺柱和紧定螺钉，所构成的联接见表3.1。

本章将以螺栓联接为例说明联接的受力分析和强度计算，其结论对螺钉和双头螺柱也基本适用。

工作前须拧紧的螺栓联接称为紧联接，不拧紧的螺栓联接称为松联接，后者应用较少。

按螺栓主要受力状况不同可分为受拉螺栓（普通螺栓）联接和受剪螺栓（绞制孔用螺栓）联接两种，见表3.1，所用螺栓的结构型式和联接的结构也有所不同，前一种制造和装拆方便，应用广泛；后一种多用于板状件的联接，有时兼起定位作用。

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。

3.1 螺纹联接

3.1.2 螺纹联接的拧紧和防松

1. 螺纹联接的拧紧

绝大多数螺纹联接在安装时都必须拧紧。其目的是为了增强联接的刚性，增加紧密性和提高防松能力。对于受轴向拉力的螺栓联接，还可以提高螺栓的疲劳强度；对于受横向载荷的普通螺栓联接，有利于增大联接中接合面间的摩擦力。

拧紧螺母时，加在扳手上的力矩T，用来克服螺纹牙间的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 (图3.1)，即

T=T1+T2(15-1)

螺纹阻力矩

(15-2)

螺母支承面上的摩擦阻力矩

T2=μF`r f(15-3)

故

此处螺纹中径升角λ=arctan[np/πd2]

当量摩擦角ρ`=arctan[μ/cosα]

支承面摩擦半径

上列各式中符号意义如下：

F`为预紧力；d2为螺纹中径；μ为螺母与被联接件支承面之间的摩擦系数，无润滑时可取μ=0.15；n为螺纹头数；p为螺矩；α为牙侧角；D1和d0为承压面直径（图3.1）。对于M10～M68的粗牙螺纹，若取ρ`actan0.15=及μ=0.15，则式（15-4）可简化为

T≈0.2F`d Nmm（15-5）

式中：d为螺纹公称直径，mm；F`为预紧力，N。

控制拧紧力矩有许多方法，例如：使用测力矩扳手或定力矩扳手（图 3.2），装配时测量螺栓的伸长，规定拧紧后的扳动角度或圈数。对于大型联接，还可利用液力或加热使螺栓伸长到需要的变形量时把螺母拧到与被联接件相贴合。近年来发展了利用微机通过轴力传感器获取数据并画出预紧力与所加拧紧力矩对应曲线的方法来控制拧紧力矩。

由于加在扳手上的力难于准确控制，有时可能拧得过紧而将螺栓拧断。因此，对于要求拧紧的螺栓联接不宜用小于M12～M16的螺栓。

2. 螺纹联接的防松

在静载荷和工作温度变化不大时，螺纹联接能满足自锁条件l

防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。具体的防松方法和装置很多，就其工作原理来看，可分为利用摩擦、直接锁住和破坏螺纹副关系三种。举例说明见表3.2。

3.2 螺纹联接设计

3.2.1 单个螺栓联接的强度计算

螺纹联接根据载荷性质不同，其失效形式也不同：受静载荷螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂；对于受横向载荷的铰制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆剪断，栓杆或被联接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或联接时常装拆，很可能发生滑扣现象。

螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分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，以及螺母和垫圈等联接零件的尺寸。

1. 受拉松螺栓联接强度计算

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3.3所示吊钩尾部的联接是其应用实例。当螺栓承受轴向工作载荷(N)时，其强度条件为

或：

式中：d1--螺纹小径，mm；

σ1--松联接螺栓的许用拉应力，Mpa。见表3.6。

2. 受拉紧螺栓联接的强度计算

根据所受拉力不同，紧螺栓联接可分为只受预紧力、受预紧力和静工作拉力及受预紧力和变工作拉力三类。

①只受预紧力的紧螺栓联接

左图为靠摩擦传递横向力F的受拉螺栓联接，拧紧螺母后，这时螺栓杆除受预紧力F`引起的拉应力σ=4F`/πd12外，还受到螺纹力矩T1引起的扭转剪应力：

对于M10～M68的普通螺纹，取d1、d2和λ的平均值，并取ρ`=arctan0.15，得τ≈0.5σ。由于螺栓材料是塑性材料，按照第四强度理论，当量应力σe为

(15-8)

故螺栓螺纹部分的强度条件为：