1、第第4 4章章 机械系统连接零机械系统连接零部件的设计部件的设计螺纹连接、轴毂连接、连轴器和离合器学习目标：熟悉机器联接中常用的各种联接件的结构、类型、性能和应用场合，掌握设计理论和选用方法。联接联接的分类动联接：静联接：机器工作时，零部件之间可以有相对运动。例如：机械原理中，各种运动副之间的联接。在机器工作中，不允许零部件之间存在相对运动的联接。静联接可拆联接：不须毁坏联接中的任何一个零件就可拆 开的联接。例如：螺纹联接、键联接。不可拆联接：至少毁坏联接中的一部分才能拆开的联接。例如：铆接、焊接等。过盈联接第第4.1章螺纹连接章螺纹连接4.1.1螺纹螺纹4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类
2、型基本类型4.1.3螺纹连接的放松螺纹连接的放松4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算4.1.5螺栓组设计螺栓组设计4.1.6提高连接性能的设计提高连接性能的设计4.1.1螺纹螺纹圆柱螺旋的基本参数圆柱螺旋的基本参数d d1 d2 P S g a b螺纹的类型螺纹的类型三角形、梯形、锯齿形、圆三角形、梯形、锯齿形、圆弧形和矩形弧形和矩形 管子55接头普通螺纹普通螺纹管螺纹管螺纹矩形螺纹矩形螺纹梯形螺纹梯形螺纹外 螺 纹内 螺 纹30外 螺 纹内 螺 纹外 螺 纹内 螺 纹60303外 螺 纹内 螺 纹锯齿形螺纹锯齿形螺纹4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型螺纹联接的基本类型
3、螺纹联接的基本类型1.螺栓联接：螺栓联接：普通螺栓联接普通螺栓联接，应用广泛；，应用广泛；铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接；2.螺钉联接螺钉联接：被联接件之一较厚；：被联接件之一较厚；3.双头螺栓联接双头螺栓联接：常拆卸；：常拆卸；4.紧定螺钉紧定螺钉联接：传递较小载荷。联接：传递较小载荷。其它：地脚螺栓联接；吊环螺栓联接；：地脚螺栓联接；吊环螺栓联接；T型槽螺栓联接型槽螺栓联接 4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型1.1.普通螺栓联接普通螺栓联接普通螺栓连接普通螺栓连接 铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型 2.2.双头螺柱联接双头螺柱
4、联接4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型 3.3.螺钉联接螺钉联接4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型 螺钉拧入深度H:钢或青铜 Hd 铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.5 2.5)d3 3、螺钉联接、螺钉联接4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型 4.4.紧定螺钉联接紧定螺钉联接 地脚螺栓地脚螺栓 吊环螺栓吊环螺栓 T T形槽螺栓联接形槽螺栓联接4.1.2螺纹连接的螺纹连接的 基本类型基本类型方便装配方便装配平正加工平正加工4.1.3螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧螺纹连接
5、的预紧预紧的目的预紧的目的提高连接的紧密性提高连接的紧密性防止连接松动防止连接松动提高连接的紧密性提高连接的紧密性防止连接松动防止连接松动4.1.3螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧螺纹连接的预紧控制预紧力的方法控制预紧力的方法1.控制应力、应变或伸长量控制应力、应变或伸长量2.控制拧紧力矩控制拧紧力矩3.控制拧紧力臂控制拧紧力臂控制应力、应变或伸长量控制应力、应变或伸长量应 变 片控制拧紧力矩控制拧紧力矩定力矩扳手测力矩扳手控制拧紧力臂控制拧紧力臂拧紧力矩与预紧力的关系拧紧力矩与预紧力的关系:1F Fp p :预紧力预紧力d d2 2 :螺纹中径螺纹中径:螺纹升角螺纹升角
6、rv v:螺纹当量摩擦角螺纹当量摩擦角rv v=arctg(/cos=arctg(/cos):牙型半角牙型半角=/2 )(221vptgFdTFP)(vptgFFFPvvF拧紧力矩与预紧力的关系拧紧力矩与预紧力的关系:2F Fp p :预紧力预紧力D D0 0 :支承面最大直径支承面最大直径d d0 0 :支承面最小直径支承面最小直径:支承面摩擦系数支承面摩擦系数20203030231dDdDFTp拧紧力矩与预紧力的关系拧紧力矩与预紧力的关系d d2 2 0.9d;=10.9d;=142423 32 2rv vacrtg(1.155acrtg(1.155););0.0.1515D D0 0 1
7、.7d;d1.7d;d0 0 1.1d1.1d代入代入,整理：整理：20203030231)(2dDdDFtgFdTpvpdFTp2.04.1.3 螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的预紧与防松螺纹连接的防松螺纹连接的防松防松的目的：防松的目的：防止松动失效防止松动失效防松的实质：防松的实质：限制螺旋副的相对转动。防松的方法防松的方法 螺纹联接防松的方法按工作原理可分为摩擦防松机械防松破坏螺纹副关系摩擦防松弹簧垫圈防松弹簧垫圈防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松摩擦防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松自锁螺母防松自锁螺母防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松摩擦防松对顶螺母防松对顶螺
8、母防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松机械防松开口销开口销+开槽螺母防松开槽螺母防松螺栓装配图开槽螺母开口销机械防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松止动垫片防松止动垫片防松机械防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松串联钢丝防松串联钢丝防松正确错误破坏螺纹副关系防松4.1.3螺纹连接的防松螺纹连接的防松4.1.4单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算单个普通螺栓的强度计算单个普通螺栓的强度计算1、松螺栓联接的强度计算2、仅受预紧力作用的 紧螺栓联接的强度计算3、受预紧力和工作拉力作用的紧螺栓联接的强度计算4、受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算小结螺栓的失效分析螺栓的失效分析失
9、效分析失效分析普通螺栓主要为螺纹部分发生断裂受剪螺栓主要为压溃和剪切设计准则对普通螺栓保证拉伸强度对铰制孔螺栓保证挤压和剪切强度4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算1、松螺栓联接的强度计算松螺栓联接的强度计算受载荷形式受载荷形式:轴向拉伸轴向拉伸(工作拉力工作拉力F F）失效形式失效形式:螺栓拉断螺栓拉断 （静、疲劳）（静、疲劳）设计准则设计准则:保证螺栓拉伸强度保证螺栓拉伸强度 4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算1、松螺栓联接的强度计算松螺栓联接的强度计算设计计算方法：设计计算方法：校核公式校核公式螺栓材料及许用应力螺栓材料及许用应力，查表，查表4-64-6；查手册，确
10、定查手册，确定d 214dFss/4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算2.仅受预紧力的 紧联接螺栓的强度计算拉应力拉应力扭转剪应力扭转剪应力近似处理近似处理16)(2312dtgdFvP5.0421dFp对对M14-M64钢制螺纹钢制螺纹4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算2.仅受预紧力的 紧联接螺栓的强度计算应力合成：应力合成：强度条件：强度条件：设计公式：设计公式：3.1)49.0(332222v43.121dFp43.11pFd 表表4.6物理意义物理意义4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算3.受轴向载荷F的紧螺栓联接强度计算4.1.4单个螺栓的强度计算单个
11、螺栓的强度计算3.受轴向载荷F的紧螺栓联接强度计算分析受力和变形关系分析受力和变形关系F0=F+FP 开始拧紧开始拧紧拧紧后拧紧后受力和变形关系受力和变形关系（螺栓）力变形变形（垫片）1212受力变形线图（受力变形线图（P169（螺栓）力变形 变形（垫片）力1212（螺栓）力变形变形（垫片）1212（螺栓）力变形 变形（垫片）力1212力（螺 栓）1122（垫 片）力0 力（螺 栓）1122（垫 片）力0222cpFtg111cpFtg由图可得：螺栓的刚度被联接件的刚度2121CCFFF11CF22CF21CCFF2111CCCFF2122CCCF FcccFFFcccFFPPP2122110
12、10FFFFFPP由图可得：螺栓总拉力：21CCF力（螺 栓）1122（垫 片）力0 FcccFFFcccFFPPP2122110由图可得：21CCF力（螺 栓）1122（垫 片）力0防止受载后接合面产生缝隙，残余预紧力可取：紧密性 载荷不稳定 载荷稳定 1.51.8F 0.61.0F 0.20.6F表表4-3预紧力用金属垫片或无垫片时取0.20.3用软垫片时取0.70.9212p)(PFFcccF4-4211为螺栓的相对刚度，表ccc单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算力（螺栓）1122（垫片）力0受力变形线图（受力变形线图（P169）为降低螺栓的受力，提高承载能力应使螺栓的相对刚度 值尽量
13、小些，取较硬的垫片力（螺栓）1122（垫片）力0 螺栓拉伸螺栓拉伸强度条件强度条件 设计公式：设计公式：43.1210dF3.1401Fd4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算 螺栓如受到变载荷：影响疲劳强度的主螺栓如受到变载荷：影响疲劳强度的主要因素为应力幅要因素为应力幅4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算 螺栓如受螺栓如受到变载荷到变载荷4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算)15-4(4/2/)(2210102minmax式dFFa)16-4()(22112211式dFFccca表表4-64.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算受工作剪力的普通螺栓联接的强
14、度计算受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算 为保证接合面有足够的摩擦，螺栓必须先预紧FKmFnp4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算受工作剪力的普通螺栓联接的强度计算保证接合面不滑移，预紧力为m:接合面数；Kn:可靠性系数取1.11.3，为摩擦系数，材料为钢和铸铁时取0.100.15FKmFnpmFKFnp 4、受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算受工作剪力的紧螺栓联接的强度计算4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算 预紧力很小，强度计算预紧力很小，强度计算 时可不考虑；时可不考虑；失效形式：侧面压溃及失效形式：侧面压溃及 螺栓剪切螺栓剪切 4.1
15、.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算受工作剪力的受工作剪力的铰制孔螺栓铰制孔螺栓联接的强度计算联接的强度计算螺栓与孔壁挤压面最小高度minm为接合面数ppdFmin0挤压强度条件：420dmF剪切强度条件：单个螺栓强度计算小结单个螺栓强度计算小结铰制孔螺栓强度计算普通螺栓强度计算 1.松螺栓强度计算2.仅受预紧力的螺栓强度计算3.受预紧力和工作载荷的螺栓强度计算4.受剪螺栓的强度计算 214dF43.121dFp43.1210dFFcccFFP211043.121dFpppdFmin0420dmFzmFKFnp4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算螺纹联接的材料螺纹联接的材料 满足
16、强度和塑性要求，P172表4-5螺纹联接件的常用材料：低碳钢Q215（原A2）、10号钢；-一般联接中碳钢Q235（原A3）、35、45号钢；-一般联接低合金钢或合金钢15Cr、40Cr、30CrMnTi。-承受 冲击、振动载荷垫片材料：普通垫片：Q215、15、35号钢；弹簧垫片：65Mn。：（需热处理）4.1.4单个螺栓的强度计算单个螺栓的强度计算3.表表4-5螺栓、螺钉、螺柱和螺母材料的力螺栓、螺钉、螺柱和螺母材料的力学性能等级学性能等级P172表中强度等级表中强度等级 6.8表示材料的表示材料的 4.螺纹连接件的许用应力螺纹连接件的许用应力P172表表4-6MPa600bMPa804s
17、4.1.5螺栓组设计螺栓组设计螺栓组的受力分析螺栓组的受力分析螺栓组结构设计螺栓组结构设计螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析目的：找到受力最危险的螺栓目的：找到受力最危险的螺栓几点假设：几点假设：同组螺栓的材料、直径、预紧力相同同组螺栓的材料、直径、预紧力相同被连接件为刚体，受载后连接面仍为平面被连接件为刚体，受载后连接面仍为平面螺栓组形心与连接接合面的形心重合螺栓组形心与连接接合面的形心重合螺栓的变形在弹性范围内螺栓的变形在弹性范围内xzyFzFxFyoTzMy3个方向，6种载荷：横向力：Fx FY轴向力：Fz翻转力矩：Mx，MY转矩：TzMx螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析螺
18、栓组受力分析螺栓组受力分析螺栓组受力分析螺栓组受力分析将一个零件加以固定，其实质就是约将一个零件加以固定，其实质就是约束该零件在空间的六个自由度。束该零件在空间的六个自由度。4.1.5螺栓组设计螺栓组设计螺栓组的受力分析螺栓组的受力分析1、受横向力的螺栓组联接、受横向力的螺栓组联接绞制孔螺栓绞制孔螺栓普通螺栓普通螺栓2 2、受扭矩的螺栓组联接、受扭矩的螺栓组联接普通螺栓联接普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接3、受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接、受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接4 4、受翻转力矩的螺栓组联接、受翻转力矩的螺栓组联接螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析1、受横向力的螺栓组
19、联接、受横向力的螺栓组联接普通螺栓联接普通螺栓联接为保证接合面有足够的摩擦，螺栓必须先预紧m:接合面数；Kn:可靠性系数取1.11.3，u为摩擦系数，材料为钢和铸铁时取0.100.15保证接合面不滑移，预紧力为FKzmFnpzmFKFnp螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析1、受横向力的螺栓组联接、受横向力的螺栓组联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接zFF2 2、受扭矩的螺栓组联接、受扭矩的螺栓组联接普通螺栓联接普通螺栓联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析螺栓组连接受力分析螺栓组连接受力分析2、受扭矩的螺栓组联接普通螺栓联接普通螺栓联接由接合面的摩擦
20、力距平衡由接合面的摩擦力距平衡TKrFrFrFnippp 21力矩平衡条件：接合面不发生滑移，单个螺栓的预紧力为接合面不发生滑移，单个螺栓的预紧力为 ziininprTKrrrTKF121)(螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析2 2、受扭矩的螺栓组联接、受扭矩的螺栓组联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接忽略预紧和摩擦的作用，忽略预紧和摩擦的作用，转矩转矩T由螺栓受的剪切载荷对形心由螺栓受的剪切载荷对形心的力矩平衡，变形量越大则工作剪力越大的力矩平衡，变形量越大则工作剪力越大螺栓组连接受力分析螺栓组连接受力分析2、受扭矩螺栓组联接受扭矩螺栓组联接铰制孔用螺栓联接铰制孔用螺栓联接 变形协调条
21、件变形协调条件 ziiiirrFrFrFT12maxmax11力矩平衡：ziiirTrrrrTrF12max22221maxmax受力最大螺栓：iirrFFmaxmaxmaxmaxrFrFii螺栓组连接的受力分析螺栓组连接的受力分析3、受预紧力和轴向载荷的螺栓组联接zFF既受预紧力，又受工作拉力后螺栓的总既受预紧力，又受工作拉力后螺栓的总载荷计算，见单个螺栓的强度计算载荷计算，见单个螺栓的强度计算螺栓组连接受力分析螺栓组连接受力分析4 4、受翻转力矩的螺栓组联接、受翻转力矩的螺栓组联接假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的联接形心受载后，绕后，
22、绕O OO O转动仍保持平面转动仍保持平面螺栓组连接受力分析螺栓组连接受力分析受翻转力矩的螺栓组联接受翻转力矩的螺栓组联接螺栓组平衡条件：变形协调条件：iiLFLFLFM.2211maxmaxLFLFii ziiiLMLLLLTLF12max22221maxmax受力最大螺栓：失效分析失效分析紧螺栓受拉扭；紧螺栓受拉扭；底板左侧出现间隙；底板左侧出现间隙；底板右侧压溃。底板右侧压溃。右侧不压溃右侧不压溃左侧不分离：左侧不分离：pppWMAzFmax0minWMAzFppxzyFzFxFyoTzMy3个方向，6种载荷：横向力：Fx FY轴向力：Fz翻转力矩：Mx，MY转矩：TzMx螺栓组连接的受
23、力分析螺栓组连接的受力分析螺栓组受力分析螺栓组受力分析受复合载荷的螺栓组联接受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+轴向载荷+翻转力矩受复合载荷的螺栓组联接受复合载荷的螺栓组联接横向载荷+旋转力矩受复合载荷的螺栓组联接受复合载荷的螺栓组联接计算时应求出受力最大螺栓的受力计算时应求出受力最大螺栓的受力例题：已知例题：已知P=260N,结合面摩擦系数结合面摩擦系数f=0.15确定螺栓的材料和直径确定螺栓的材料和直径mmNPT.103.15005解：将力向结合面的形解：将力向结合面的形心中心简化心中心简化每个螺栓的受力，分每个螺栓的受力，分析最危险螺栓的受力析最危险螺栓的受力NRQQRFNPQNrTR410
24、45cos26542604361904103.14225最大合力螺栓的预紧力螺栓的预紧力NfKFQ328015.04102.10238.83.148032401PsFdMPas选螺栓材料为选螺栓材料为Q235,安全安全系数取系数取3则则选M10螺栓，d1=8.376mmNfFKFP328015.04102.1f 例：如图钢板厚度例：如图钢板厚度 用用 两个铰制孔用螺栓固定在机架两个铰制孔用螺栓固定在机架上，上，F=5000N，其它尺寸如图。板，其它尺寸如图。板和机架材料均为和机架材料均为Q235。试：（试：（1）分析铰制孔用螺栓的失）分析铰制孔用螺栓的失效形式效形式；（2）分析铰制孔用螺栓的受
25、力）分析铰制孔用螺栓的受力（3）按强度设计铰制孔用螺栓的）按强度设计铰制孔用螺栓的直径直径（4）若用普通螺栓，计算螺栓）若用普通螺栓，计算螺栓 的直径（的直径（f=0.2，Kn=1.1）,mm16NmmTNF6105.1;5000NFNaTFNFFTF7906750025007500.2500222 4/20dF mmFdMPaSs24.1096790644965.22400解：1.铰制孔用螺栓的失效形式为剪切和挤压失效；2.受力分析：将载荷F向形心O简化后，每个螺栓的受力3.按剪切强度计算螺栓的直径，.粗选粗选d=10，d 0=4.1mm的的 六角六角头铰制孔用螺栓，螺母头铰制孔用螺栓，螺母
26、d=10，H=8。根据机架，板厚及螺母。根据机架，板厚及螺母H选用选用l=100（l3=82，l2=18）选用两个选用两个 100 GB27-88六角头铰制孔用螺栓。六角头铰制孔用螺栓。MPadFMPaSpsp9.591211790619225.1240min010M按挤压强度校核式中由结构确定式中由结构确定mm127018100min.NfFKFfp434832.079061.1 MPaSmmFdsP12022405.24120434833.143.1414.4.改用普通螺栓改用普通螺栓每个螺栓的预紧力每个螺栓的预紧力选用两个M30（d1=26.21）的六角螺栓。小结：受复合载荷螺栓，其合力
27、按向量相加；铰制孔用螺栓比普通螺栓尺寸小很多。其中螺栓组受力分析的方法将作用力向形心转化-得到力、力矩分析每个螺栓的受力找出受力最大的危险螺栓对危险螺栓进行强度校核螺栓组联接的强度计算螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计螺栓的布局螺栓的布局满足连接的可靠性、紧密性要求，同一组螺栓的尺寸、材料均应相同；螺栓的布置应使螺栓的受力合理；螺栓的排列应有合理的间距、边距；分布在同一圆周上的螺栓数目应取偶数，以便于加工；连接结构空间合理连接结构空间合理拧入深度扳手空间合理选择防松装置等避免螺栓承受附加载荷，如偏载等；4.1.6螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计螺栓的布置应使螺栓的受力合理螺栓的布
28、置应使螺栓的受力合理铰制孔用螺栓受力方向不超过8个；受弯矩或扭矩时应适当离开对称轴螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计1 1螺栓的排列应有螺栓的排列应有合理的间距、边距合理的间距、边距压力容器的螺栓间压力容器的螺栓间距距扳手空间扳手空间结构上：凸台；沉头座；斜面垫圈；球面垫圈避免螺栓偏心承载避免螺栓偏心承载螺纹联接设计要解决的主要问题确定螺纹联接的形式-选择螺栓类型螺栓联接的结构设计确定螺栓数目及布置方式螺纹联接的主要尺寸确定材料防松方法强度校核本章总结总结总结强度校核注意区分几个重要的概念：注意区分几个重要的概念：外载荷（作用于整个联外载荷（作用于整个联接结构上）、预紧力、剩余预紧力、螺栓的受力等。接结构上）、预紧力、剩余预紧力、螺栓的受力等。复杂的外载荷分解成简单外载荷力与力矩各简单外载荷作用下的螺栓受力分析，找到危险螺栓和受力的大小螺栓的强度计算，求尺寸
