机械设计基础第12章_机械设计基础第一章

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第十二章 联接

机器是零部件通过联接实现的有机组合体。在机械中，联接是指为实现某种功能，使两个或两个以上的零件相互接触，并以某种方式保证一定的位置关系。如果被联接件间相互位置固定，不能作相对运动，称为静联接，能作相对运动的则称为动联接（如铰链等）。习惯上，机械设计中的联接通常指的是静联接，简称联接。联接的方法很多，有些联接需要专门的联接件，如箱体与箱盖的螺纹联接，轴与轴上零件（如齿轮、带轮）的键联接。联接件又称紧固件，常见的有螺栓、螺母、键、销等；有些联接则不需要专门的联接件。

§12-1 螺纹联接

一、螺纹联接类型、结构尺寸及应用场合 参看表12-1

二、标准螺纹联接件

三、螺纹联接的预紧和防松

（一）螺纹联接的预紧

松联接——在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用——轻少用 紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力QP 预紧目的：保持正常工作。如汽缸螺栓联接，有紧密性要求，防漏气，接触面积要大性，靠摩擦力工作时，增大刚性等。

增大刚性：增加联接刚度、紧密性和提高防松能力 1.拧紧力矩TΣ

在预紧螺栓联接时，加在扳手上的力矩TΣ必须克服螺旋副中的螺纹力矩T和螺母与支撑面之间的摩擦力矩Tf

TΣ=T+Tf

T=F0tan(ф+ρV)d2/2

Tf=fc* F0*rf;rf支撑面间的摩擦半径，fc为摩擦系数。

—TΣ=0.2 F0*d*103

式中：TΣ的单位N.m;d的单位为mm.。2.预紧力的控制

通过测力矩扳手和定力矩扳手控制扳手力矩大小。

（二）螺纹联接的防松

螺纹连接一般具有自锁性，此外螺母及螺栓头部的支撑面上的摩擦力也有防松作用，故拧紧后一般不会松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，以及在高温或温度变化较大时，螺纹钢之间的摩擦力会顺时减小或消失，联接就可能松动。防松的关键就是防松螺旋钢的相对转动。

1.摩擦防松

（1）弹簧垫片：如图教材图12-3所示；利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧。

（2）双螺母：如图教材图12-4所示；增加摩擦放松；（3）自锁螺母：如图教材图12-5所示；增加摩擦放松； 2.机械放松

开槽螺母与开口销,见教材图12-7；圆螺母与止动垫圈，见教材图12-8 3.变为不可拆联接

端铆、冲点（破坏螺纹）见教材图12-

10、点焊。

四、工作能力分析

（一）、松螺栓联接

松螺栓联接的特点是装配时不拧紧螺母，在承受工作载荷前，联接并不受力。这种联接只能承受静载荷，故应用不广。教材图9-30所示起重滑轮中的螺栓联接就是典型的例子。当承受轴向工作载荷F（N）时，螺纹部分的强度条件为：

设计公式为： 式中：d1——螺杆危险截面直径（mm）[σ]——许2

F4[]d12d14F[]用拉应力 N/mm(MPa)

见教材表9—6.（二）、受横向外载荷的紧螺栓联接 1.采用普通螺栓

如图9-32所示，工作时联接受到与螺栓轴线相垂直的外载荷FR的作用。被联接件在预紧力的作用下相互压紧，依靠结合面产生的摩擦力来抗衡外载荷，从而避免产生相对移动。显然，无论工作前还是工作后，螺栓本身仅受装配时由于拧紧螺母而产生的预紧力和螺纹副阻力矩的作用。预紧力使螺栓危险截面上产生拉应力: F0f*z*m≥KFR

FR≥KFR/ f*z*m 式中：z ——联接螺栓的数目；

m ——结合面数目；

f ——结合面间摩擦系数，对于钢或铸铁的干燥加工表面，可取f =0.1～0.15；

K ——可靠性系数，亦称防滑系数，通常取K =1.1～1.3。由此可得，单个螺栓所需的预紧应力为：б=4F0/πd

1若计入扭转切应力的影响，1.3F0e强度条件为: 2d1

41.3F0设计公式为： d1式中：[σ]——许用拉应力 N/mm(MPa)

见教材表9—6。3.采用铰制孔用螺栓

绞制孔用螺栓联接一般均需拧紧，由预紧力产生的拉应力对联接强度的 影响可以不计。螺栓杆受横向工作载荷FR

Fh时，剪切强度条件为： 2 mds4

螺栓杆或孔壁的挤压强度条件： 式中：ds-螺栓杆剪切面直径（mm）； Z-联接螺栓数；m-接合面数；

2FhppdsLmin[τ]-螺栓的许用剪切应力（MPa）；查教材表9—6。

[σp]-螺栓杆或孔壁中的低强度材料的许用挤压用力（MPa）；（查表教材9—6）

h-螺栓杆与孔壁间的最小高度。

（三）受轴向外载荷的紧螺栓联接

这种承载形式在紧螺栓联接中比较常见，图9-33所示的汽缸与汽缸盖螺栓组联接就是这种联接的典型例子。在这种联接中，螺栓实际承受的总拉力Fo并不等于预紧力和轴向工作载荷F之和。结合图9-34分析如下：

1、压力容器中压强P对每个螺栓产生的轴向工作载荷为：F=p(лD2/4)/Z

式中：Z为联接螺栓个数。p为气缸内的压强Mpa。未拧紧未受工作载荷时螺栓情况：如上图预紧前；拧紧后未受工作载荷时螺栓受预紧力F0作用：如上图的预紧。

拧紧后受工作载荷时螺栓受到总拉力FΣ作用： FΣ=F+ F0

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此时，由于螺栓受工作载荷F的作用，伸长量又增加了δ2，被联接件间随螺栓伸长而被放松了δ2，故其压紧力由F0减小到F0'，被联接件作用与螺栓的反作用力也应为F0'，F0'称为剩余预紧力。

剩余预紧力F0'值可参照教材表9-3选取。选取了F0'后，用FΣ=F+ F0计算出螺栓的总拉力FΣ的值。然后代入下式：

/强度计算为： 1.3F

2d1.设计公式为： 41.3Fd1 

根据受工作载荷F的伸长量与被联接件回弹变形量相等的关系，可导

出预紧力F0与剩余预紧力F0/的关系为：F0= F0+(1—Kc)F;

式中：Kc=C1/(C1+C2)，Kc称相对刚度系数见教材表9—4；C1为螺栓刚度；C2为被联接件刚度。

FΣ=F+ F0/=F0+ C1F/(C1+C2)。F0～FΣ。

五、螺纹联接结构设计要点

1、螺纹组的布置应尽可能对称

2、当承受弯矩和转矩时，须将螺栓尽可能布置在靠近结合面边缘，减少螺栓中的载荷。

3、分布在同一圆周上的螺栓数，应取为3，4，6，8等易于等分的数目，以便于加工。

4、同一组螺栓采用同一规格。

5、螺栓布置要有合理的距离。

6、避免承受附加弯曲应力。

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§12-2 键和花键联接

一、键联接

键联接的类型和应用

键可分为平键、半圆键、楔键、切向键等多种类型，且已标准化。

1、平键联接 平键的两侧面是工作面，与键槽配合，工作时靠键与键槽侧面互相挤压传递扭矩。

按用途可分为普通平键、导键、滑键。

普通平键用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动的联接。按端部形状可分为A型(圆头)B型(方头)、C型(单圆头)三种。

导键和滑键都用于动联接，即轴与轮毂间有相对轴向移动的联接。导键适用于轴向移动距离不大的场合，如机床变速箱中的滑移齿轮。滑键用于轴上零件在轴上移动距离较大的场合，以免使用长导键。

滑键联接

2、半圆键联接 键的两侧面为工作面。用于静联接，定心性好，装配方便，但键槽较深，对轴的强度削弱较大。主要用于轻载荷和锥形轴端。

3、楔键联接和切向键联接

楔键的上、下两面是工作面。仅适用于传动精度要求不高，载荷平稳和低速的场合。楔键分普通楔键和钩头楔键两种。

切向键是由一对具有斜度1﹕100的楔键组成。切向键的上下两个相互平行的窄面为工作面。适用于对中要求不严，载荷很大，大直径轴的联接。

二、键联接的类型选择和平键的强度验算

1、键联接的类型选择

选键联接的类型时，应考虑的因素：载荷的类型；所需传递转矩的大小；对于轴毂对中性的要求；键在轴上的位置(在轴的端部还是中部)；联接于轴上的带毂零件是否需要沿轴向滑移及滑移距离的长短；键是否要具有轴向固定零件的作用或承受轴向力等。

2、平键的尺寸选择

平键的主要尺寸为键宽b、键高h与长度L。设计时，键的剖面尺寸可根据轴的直径d按手册推荐选取。键的长度一般略短于轮毂长度，但所选定的键长应符合标准中规定的长度系列。

3、平键联接的强度验算

按标准选取的平键联接，只需按工作面上的挤压应力（对于动联接常用压强）进行强度计算。

在计算中，假设载荷沿键的长度和高度均布。则其强度条件为

p4T[]pdhl

式中 l－键的工作长度（㎜），圆头平键l =L-b，方头平键l=L,单圆头平键l＝Lb2。

p－键联接中挤压强度最低的零件的许用挤压应力（对于动联接则以许用压强[p]代替式中的p（N/㎜2），查表13.6 如果验算结果强度不够时，可采取以下措施：

1)适当增加键和轮毂的长度，但键的长度一般不应超过2.5d，2)可在同一轴毂联接处相隔180°布置两个平键。

例 已知减速器中直齿圆柱齿轮和轴的材料都是锻钢，齿轮轮毂长度为120㎜，轴的直径d=100㎜，所需传递的转矩T=3000N·m，载荷有轻微冲击。试选择平键联接的尺寸并校核其强度。

解：1)根据d=100㎜从手册标准中选取圆头普通平键(A型)，b=28㎜，h=16㎜，L=110㎜(比轮毂长度小10㎜)。

2)校核该联接的强度

p4000T[]pdhl

其中 l=L－b=(110－28)=82㎜

则 查得p40003000N/mm291.5N/mm21001682

p=100N/㎜2，则该平键联接强度足够。

三、花键联接

花键联接由多个键齿构成，键齿沿轴和毂孔的周向均布。齿侧面为工作面，适用于静、动联接。

根据齿形的不同，花键联接按齿形分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键三种。其中矩形花键加工方便，应用最广。渐开线花键工艺性好，强度大，适用于重载及尺寸较大的联接。三角形花键齿小而多，对轴的削弱小，常用于轻载和直径小的静联接，也适用于薄壁套筒与轴的联接。

§12-3 销联接

销联接主要用来固定零件之间的相互位置，也可用于轴和轮或其它零件的联接，并传递不大的载荷，有时还可用来作安全装置中的过载剪断元件。

圆柱销利用微量的过盈装配在铰光的销孔中，如果多次装拆，就会松动，失去定位的精确性和联接的紧固性。

圆锥销有1﹕50的锥度，在受横向力时可以自锁；装配在铰光的销孔中，可多次装拆而不影响定位的精确性。

定位销通常不受载荷或受很小的载荷，其尺寸根据经验从标准中选取。承受载荷的销(如承受剪切和挤压等)，一般先根据使用和结构要求选择其类型和尺寸，然后校核其强度。

开口销是一种防松零件，常用低碳钢丝制造。