1、Chapter 15 Design of Connections1Chapter 15 Design of ConnectionsPART Design of Elements and Parts in General Use机械设计机械设计Mechanical DesignMechanical DesignChapter 15 Design of Connections2 由于使用、制造、装配、运输、维修等原因，机器中有相当多的由于使用、制造、装配、运输、维修等原因，机器中有相当多的零件需要彼此零件需要彼此连接连接。机械静连接机械静连接被连接件间相互固定、不能作相对运动；被连接件间相互固定、
2、不能作相对运动；机械动连接机械动连接能按一定运动形式作相对运动，如各种运动副。能按一定运动形式作相对运动，如各种运动副。本章所指的连接为本章所指的连接为机械静连接机械静连接，按连接是否可拆卸，机械连联接可分，按连接是否可拆卸，机械连联接可分为：为：可拆连接可拆连接和和不可拆连接不可拆连接。可拆连接可拆连接指连接拆开时，不破坏连接中的零件，重新安装后，即指连接拆开时，不破坏连接中的零件，重新安装后，即可继续使用的连接。属于这类连接的有螺纹连接、键连接、销连接和可继续使用的连接。属于这类连接的有螺纹连接、键连接、销连接和成型连接等。成型连接等。不可拆连接不可拆连接指连接拆开时，要破坏连接中的零件，
3、不能继续使用指连接拆开时，要破坏连接中的零件，不能继续使用的连接。属于这类连接的有铆钉连接、焊连接和胶连接等。的连接。属于这类连接的有铆钉连接、焊连接和胶连接等。过盈配合连接介于可拆与不可拆之间，视配合表面间过盈量的大小而过盈配合连接介于可拆与不可拆之间，视配合表面间过盈量的大小而定，一般宜用作不可拆连接。定，一般宜用作不可拆连接。Chapter 15 Design of Connections315.1 Types of Thread Connections and Fastening 螺纹连接的类型和防松螺纹连接的类型和防松15.1.1 Main Types of Thread Conne
4、ctions 螺纹连接的主要类型螺纹连接的主要类型l 螺纹紧固件连接有四种基本类型螺纹紧固件连接有四种基本类型螺栓螺栓(bolt)、螺钉、螺钉(screw or screw nail)、双头螺柱、双头螺柱(stud bolt)和紧定螺钉和紧定螺钉(setscrew or set screw or stop screw)l 紧连接紧连接(tight connections)工作前须拧紧的螺栓连接工作前须拧紧的螺栓连接l 松连接松连接(loose connections)不拧紧的螺栓连接，应用较少不拧紧的螺栓连接，应用较少l 按螺栓主要受力状况不同可分为按螺栓主要受力状况不同可分为受拉螺栓（普通螺
5、栓）连接受拉螺栓（普通螺栓）连接和和受剪受剪螺栓（铰制孔用螺栓）连接螺栓（铰制孔用螺栓）连接两种，所用螺栓的结构型式和连接的结两种，所用螺栓的结构型式和连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连接，有时兼起定位作用板状件的连接，有时兼起定位作用 Chapter 15 Design of Connections4受拉螺栓受拉螺栓(普通普通螺栓螺栓)连接连接受剪螺栓受剪螺栓(铰制铰制孔用螺栓孔用螺栓)连接连接双头螺柱双头螺柱(stud bolt)连接连接螺钉连接螺钉连接BoltNutSpring washe
6、rChapter 15 Design of Connections5紧紧定定螺螺钉钉连连接接地脚螺栓地脚螺栓(foot bolt)T形槽螺栓形槽螺栓(T-groove bolt)吊环螺栓吊环螺栓(lifting ring bolt)Chapter 15 Design of Connections615.1.2 Tightening and Fastening of Thread Connections 螺纹连接的拧紧和防松螺纹连接的拧紧和防松拧紧拧紧(预紧预紧)目的目的为了为了增强连接的刚性增强连接的刚性，增加紧密性增加紧密性和和提提高防松能力高防松能力。对于受轴向拉力的螺栓连接，还可以提高螺
7、栓。对于受轴向拉力的螺栓连接，还可以提高螺栓的疲劳强度；对于受横向载荷的普通螺栓连接，有利于增大的疲劳强度；对于受横向载荷的普通螺栓连接，有利于增大联接中接合面间的摩擦力。联接中接合面间的摩擦力。1.Tightening of Thread Connections Chapter 15 Design of Connections7拧紧螺母时，需要克服拧紧螺母时，需要克服螺纹副的螺螺纹副的螺纹力矩纹力矩和和螺母支承面上的摩擦阻力矩螺母支承面上的摩擦阻力矩。应注意控制预紧力，以防过载拉断。应注意控制预紧力，以防过载拉断。控制预紧力的方法控制预紧力的方法控制应力或应变控制应力或应变控制拧紧力臂控制拧
8、紧力臂控制拧紧力矩控制拧紧力矩应变片Chapter 15 Design of Connections8控制拧紧力矩扳手控制拧紧力矩扳手测力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手定力矩扳手测力矩扳手测力矩扳手Chapter 15 Design of Connections9螺纹连接防松的实质螺纹连接防松的实质防止螺旋副的相对转动。防止连接防止螺旋副的相对转动。防止连接的松动，以免影响正常工作。的松动，以免影响正常工作。按防松装置或方法的工作原理可分为三类按防松装置或方法的工作原理可分为三类(p312表表15.2)l 摩擦防松摩擦防松l 直接锁住（机械防松）直接锁住（机械防松）l 不可拆卸
9、防松不可拆卸防松(破坏螺纹副破坏螺纹副)（铆冲；粘接；（铆冲；粘接；焊接）焊接）2.Fastening of Thread Connections Chapter 15 Design of Connections10对顶螺母防松对顶螺母防松F F F F +F*F*单一螺母单一螺母拧紧后螺母向上拉伸螺栓，拉力为预紧力拧紧后螺母向上拉伸螺栓，拉力为预紧力F ，螺纹力矩由预紧，螺纹力矩由预紧力力F 产生；当拧紧产生；当拧紧双螺母双螺母后，下面的螺母向下拉伸螺栓，拉力为后，下面的螺母向下拉伸螺栓，拉力为F*，上，上面的螺母向上拉伸螺栓，拉力为面的螺母向上拉伸螺栓，拉力为F +F*，两个螺母上的拉力方
10、向虽然不，两个螺母上的拉力方向虽然不同，但是可能派生的摩擦力矩方向却相同，如果螺纹要反转时需要克服同，但是可能派生的摩擦力矩方向却相同，如果螺纹要反转时需要克服的的阻力矩（螺纹力矩）增大阻力矩（螺纹力矩）增大了，发生松脱的可能性就小了。了，发生松脱的可能性就小了。(1)摩擦防松摩擦防松Chapter 15 Design of Connections11(1)摩擦防松摩擦防松弹簧垫圈防松弹簧垫圈防松锁紧螺母防松锁紧螺母防松利用螺母末端椭圆口的利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹向压紧螺纹 Chapter 15 Design of Connections12(1)
11、摩擦防松摩擦防松尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母利用螺母末端的尼龙圈箍利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹紧螺栓，横向压紧螺纹 楔紧螺纹锁紧螺母楔紧螺纹锁紧螺母利用楔紧螺纹，使螺纹副纵利用楔紧螺纹，使螺纹副纵横压紧横压紧 Chapter 15 Design of Connections13螺栓装配图开槽螺母开口销(2)机械防松机械防松开口销与槽形螺母开口销与槽形螺母 Chapter 15 Design of Connections14(2)机械防松机械防松止动垫片防松止动垫片防松Chapter 15 Design of Connections15正确错误串联钢丝防松串联钢丝防松(2)机械防松
12、机械防松Chapter 15 Design of Connections16(3)不可拆卸防松不可拆卸防松(破坏螺纹副破坏螺纹副)铆冲铆冲焊接焊接另有：冲点，粘合另有：冲点，粘合 Chapter 15 Design of Connections1715.2 Design&Calculation of Thread Connections 螺纹连接设计计算螺纹连接设计计算失效形式失效形式与载荷性质有关与载荷性质有关受静载荷螺栓受静载荷螺栓多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变载荷螺栓受变载荷螺栓多为螺栓的疲劳断裂；多为螺栓的疲劳断裂；受横向载荷的铰制孔用螺栓
13、连接受横向载荷的铰制孔用螺栓连接主要为螺栓杆剪断，栓主要为螺栓杆剪断，栓杆或被连接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或连接杆或被连接件孔接触表面挤压破坏；如果螺纹精度低或连接时常装拆，很可能发生滑扣现象。时常装拆，很可能发生滑扣现象。15.2.1 Strength Calculation of a Single Bolted Joint 单个螺栓连接的强度计算单个螺栓连接的强度计算Chapter 15 Design of Connections18 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据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等强度原则及及使用经验使用经验规定的。采用标准件时，这
14、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，些部分都不需要进行强度计算。所以，螺栓连接的螺栓连接的计算计算主要是主要是确定螺纹小径确定螺纹小径，然后按照标准选定螺纹，然后按照标准选定螺纹大径（公称直径），以及螺母和垫圈等联接零件的大径（公称直径），以及螺母和垫圈等联接零件的尺寸。尺寸。Chapter 15 Design of Connections191.受拉松连接受拉松连接l 松螺栓连接松螺栓连接只能承受轴向静载只能承受轴向静载荷；工作时螺栓受荷；工作时螺栓受拉应力拉应力作用。作用。许用拉应力（许用拉应力（MPa），见表），见表15.8。F44/2121dFdF校核公式：校核公
15、式：41Fd 设计公式：设计公式：Chapter 15 Design of Connections202.受拉紧连接受拉紧连接l 承受横向载荷的紧螺栓连接承受横向载荷的紧螺栓连接能承受变载荷，靠接合能承受变载荷，靠接合面间的摩擦力传递载荷；螺栓受面间的摩擦力传递载荷；螺栓受拉应力和切应力拉应力和切应力的联合的联合作用，按作用，按第四强度理论第四强度理论合成，得强度条件合成，得强度条件5.016/)tan(2312ddFv切切应应力力：214dF拉拉应应力力：3.1)5.0(33 2222v第第四四强强度度理理论论：3.1421dF校校核核公公式式理解强度条件中理解强度条件中1.3的含义。的含义
16、。FRFR/2FR/2F Chapter 15 Design of Connections21fmzFKFFKzmFfRfRf或或受受力力平平衡衡条条件件：5.11.1_可可靠靠系系数数，取取螺螺栓栓数数目目；接接合合面面数数目目；接接合合面面间间的的摩摩擦擦系系数数；fKzmfFRFR/2FR/2F 3.141Fd设设计计公公式式Chapter 15 Design of Connections223.1421dF3.1421dFfRRfKmzFfFFKzmFf/N7.192733.1421dKfmzFfR图示螺栓联接中采用两个图示螺栓联接中采用两个M20的螺栓的螺栓(M20小径小径d1=17
17、.294)，其许，其许用拉应力用拉应力 160MPa，被联接件接合面间的摩擦系数，被联接件接合面间的摩擦系数f0.2，若考虑摩擦传力的可靠系数若考虑摩擦传力的可靠系数Kf1.2，试计算该联接允许传递的，试计算该联接允许传递的静载荷静载荷FR。Example 1FRFR/2FR/2Chapter 15 Design of Connections23l 承受轴向载荷的紧螺栓连接承受轴向载荷的紧螺栓连接能承受变载荷；螺栓受能承受变载荷；螺栓受拉应力和切应力拉应力和切应力的联合作用的联合作用2.受拉紧连接受拉紧连接拧紧后螺栓受拧紧后螺栓受预紧力预紧力F ，工作时还受，工作时还受到到工作载荷工作载荷F。
18、一般情况下，螺栓的。一般情况下，螺栓的总拉力总拉力F0并不等于并不等于F 与与F之和。需通之和。需通过分析螺栓过分析螺栓受力和变形受力和变形的关系，求出的关系，求出螺栓的总拉力。螺栓的总拉力。F0=F +FF FFChapter 15 Design of Connections24拧紧前拧紧前螺栓、被连接件的受力、变形均为零螺栓、被连接件的受力、变形均为零拧紧后拧紧后(预紧力预紧力F)螺栓螺栓受力受力F(拉拉)，变形，变形 1F/c1(伸长伸长)；被连接件被连接件受力受力F(压压)、变形、变形 2F/c2(压缩压缩)1 2F F F F 12FF加轴向工作载荷加轴向工作载荷F后后螺栓螺栓受力受
19、力F0(总拉力总拉力),变形变形 11(伸长伸长)；被连被连接件接件受力受力F(压压,剩余预紧力剩余预紧力)、变形、变形 22(压缩压缩),12(无缝隙时无缝隙时)Chapter 15 Design of Connections25预紧后的受力变形线图预紧后的受力变形线图力力变形变形螺栓螺栓11tanc 1F 力力变形变形被连接件被连接件21tanc 2F 力力变形变形螺栓螺栓11tanc 1F 力力变形变形被连接件被连接件21tanc 2F F0FF 12将两图合在一起将两图合在一起加工作载荷加工作载荷F变形变形螺栓总拉力螺栓总拉力F0剩余预紧力剩余预紧力F Chapter 15 Desig
20、n of Connections26FcccFcFF21222 Fcc22112121ccFFcccFcFF211110力力变形变形螺栓螺栓11tanc 1F 力力变形变形被连接件被连接件21tanc 2F F0FF 12FFF 0FcccFF212 在在F 和和F一定时一定时，增大，增大c1或降低或降低c2将使将使F0和和F 增大。增大。Chapter 15 Design of Connections27根据载荷有无变化及连接的紧密性要求，可预先选取根据载荷有无变化及连接的紧密性要求，可预先选取F =(0.21.8)F 3.14210dF令令FKKFcccFFc)(02110FKF00K21
21、1cccKc其中其中预紧系数，表预紧系数，表15.4 螺栓连接的相对刚度系数，螺栓连接的相对刚度系数，与螺栓及被连接件的材料、尺寸与螺栓及被连接件的材料、尺寸和结构有关，其值在和结构有关，其值在01之间变之间变化，一般可按表化，一般可按表15.5选取。选取。为保证被连接件之间不出现缝隙，必须为保证被连接件之间不出现缝隙，必须F 0。求出总拉力求出总拉力F0后，即可进行螺栓的计后，即可进行螺栓的计算强度。对于算强度。对于静载荷，强度条件为静载荷，强度条件为 Chapter 15 Design of Connections28 对于对于受轴向受轴向变载荷变载荷的重要连接（如内燃机的气缸盖螺的重要连
22、接（如内燃机的气缸盖螺栓连接），强度条件同静载荷计算，但在确定许用应力时栓连接），强度条件同静载荷计算，但在确定许用应力时安全系数安全系数应应按变载荷选择按变载荷选择，见表，见表15.8。另外，还应考虑拉。另外，还应考虑拉力变幅对螺栓疲劳强度的影响，进行应力幅的校核计算。力变幅对螺栓疲劳强度的影响，进行应力幅的校核计算。2/2122110FKFcccFFC221acadFK当工作载荷在当工作载荷在0与与F之间变化时，螺栓的拉力在之间变化时，螺栓的拉力在F 与与F0之间之间变化，螺栓的拉力变幅为变化，螺栓的拉力变幅为 应力幅校核公式为应力幅校核公式为Chapter 15 Design of Co
23、nnections29 对于一紧螺栓连接，在螺栓预紧力对于一紧螺栓连接，在螺栓预紧力F 和轴向工作拉力和轴向工作拉力F不变的条件下，若不变的条件下，若将联接间的金属垫片换成皮革垫片将联接间的金属垫片换成皮革垫片，试，试用力用力变形图解说明螺栓所受的总拉力变形图解说明螺栓所受的总拉力F0和接合面剩余和接合面剩余预紧力预紧力F 的变化情况。的变化情况。力力变形变形螺栓螺栓11tanc 1F 力力变形变形被连接件被连接件21tanc 2F F0FF 12Example 2Solution:Chapter 15 Design of Connections303.受剪螺栓连接受剪螺栓连接铰制孔用螺栓连接
24、铰制孔用螺栓连接l 预紧力小，强度计算时可不考虑预紧力小，强度计算时可不考虑 l 失效形式：螺栓剪切及侧面压溃失效形式：螺栓剪切及侧面压溃l 承受横向载荷承受横向载荷420dmFS剪剪切切强强度度0pSphdF挤挤压压强强度度9.15_ ;_),min(_21力力，表表栓栓或或孔孔壁壁的的许许用用挤挤压压应应螺螺栓栓的的许许用用剪剪应应力力，螺螺、长长度度螺螺栓栓杆杆与与孔孔壁壁最最小小接接触触；螺螺栓栓的的抗抗剪剪工工作作面面数数目目螺螺栓栓所所受受剪剪力力；pShhhmFh1h2d0SSChapter 15 Design of Connections31分为十个等级分为十个等级3.6到到1
25、2.9小数点前的数字代表材料小数点前的数字代表材料拉伸强度极限拉伸强度极限(Bmin)的的1/100小数点后的数字代表材料的小数点后的数字代表材料的屈服强度屈服强度(Smin)与其拉伸强度与其拉伸强度(Bmin)比值的比值的10倍倍。p318表表15.6螺栓的性能等级螺栓的性能等级 4.螺栓的材料和许用应力螺栓的材料和许用应力确定螺纹连接许用应力和安全系数应确定螺纹连接许用应力和安全系数应分清以下几点分清以下几点：轴向载轴向载荷和横向载荷，荷和横向载荷，静载荷和变载荷，静载荷和变载荷，松连接和紧连接，松连接和紧连接，是否控是否控制预紧力制预紧力等，设计时可参考表等，设计时可参考表15.8和表和
26、表15.9。例如：性能等级为例如：性能等级为4.8的螺栓的螺栓4 Bmin(1/100)Bmin 4100=400MPa810 Smin/Bmin smin 8400/10=320 MPaChapter 15 Design of Connections32Example 3 Solution:(p316)取取F=1.5F=15000N，F0=F+F=25000N B=5100500MPa，S=6 B/10=300MPa，=S/S假设假设M16，S=4(p318表表15.8)，=75MPa3.14210dFmm49.233.1401Fd与假设矛盾与假设矛盾重新假设重新假设M24，S=3.14(p
27、318表表15.8线性插值线性插值)，=95.54MPamm81.203.1401Fd查手册，查手册，M24三角螺纹粗牙的三角螺纹粗牙的d1=20.752mm，故，故M24基本可用基本可用若选取若选取M30则更安全。则更安全。Chapter 15 Design of Connections3315.2.2 Design&Calculation of a Group of Bolted Joints 螺栓组连接的设计计算螺栓组连接的设计计算 螺栓组连接设计主要有以下内容：螺栓组连接设计主要有以下内容：n 结构设计结构设计按连接的用途和被连接件的结构，选定螺栓按连接的用途和被连接件的结构，选定螺栓
28、的的数目数目和和布置形式布置形式；n 受力分析受力分析按连接布置形式和载荷情况，求出受力最大按连接布置形式和载荷情况，求出受力最大的螺栓所受的力；的螺栓所受的力；n 强度计算强度计算按受力最大的螺栓进行单个螺栓的强度计算。按受力最大的螺栓进行单个螺栓的强度计算。Chapter 15 Design of Connections341.螺栓组连接的结构设计螺栓组连接的结构设计 结构设计的主要目的，在于合理地确定连接接合面的结构设计的主要目的，在于合理地确定连接接合面的几几何形状何形状和和螺栓的布置形式螺栓的布置形式，力求使各螺栓和连接接合面间受，力求使各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。
29、为此，力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几设计时应综合考虑以下几方面的问题方面的问题。连接接合面的几何形状一般都设计成轴连接接合面的几何形状一般都设计成轴对称对称的的简单几何形简单几何形状状。这样不但便于加工制造，而且便于对称合理地布置螺。这样不但便于加工制造，而且便于对称合理地布置螺栓，使各个螺栓受力合理，连接结合面受力也比较均匀。栓，使各个螺栓受力合理，连接结合面受力也比较均匀。Chapter 15 Design of Connections35同一组中螺栓的材料、直径和长度应尽量相同，以简化同一组中螺栓的材料、直径和长度应尽量相同，以简化结构和便于加工装配。结构和便于加工
30、装配。螺栓排列应有合理的间距、边螺栓排列应有合理的间距、边距，保证留有必要的扳手空间。距，保证留有必要的扳手空间。扳手空间的具体尺寸可查有关扳手空间的具体尺寸可查有关手册。手册。避免螺栓承受附加的弯曲载荷避免螺栓承受附加的弯曲载荷。如被连接件与螺母、螺。如被连接件与螺母、螺栓头接触的支撑面应平整，并与螺栓轴线相垂直，以免栓头接触的支撑面应平整，并与螺栓轴线相垂直，以免引起偏心载荷。为此，可将被连接件上的支撑面设计成引起偏心载荷。为此，可将被连接件上的支撑面设计成凸台或沉头座凸台或沉头座。当支撑面为倾斜表面时，可采用。当支撑面为倾斜表面时，可采用斜面垫斜面垫圈圈等。等。Chapter 15 De
31、sign of Connections36Chapter 15 Design of Connections372.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的任务是螺栓组连接受力分析的任务是确定受力最大的螺栓和求确定受力最大的螺栓和求出其所受的力出其所受的力，以便进行螺栓连接的强度计算。，以便进行螺栓连接的强度计算。为了简化计算，通常作如下假设：为了简化计算，通常作如下假设：u被连接件为刚性；被连接件为刚性；u各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（即各螺栓的材料、直径和各螺栓的拉伸刚度或剪切刚度（即各螺栓的材料、直径和长度）及预紧力都相同；长度）及预紧力都相同；u螺栓的应变没有超出弹性
32、范围。螺栓的应变没有超出弹性范围。Chapter 15 Design of Connections38受轴向力的螺栓组连接受轴向力的螺栓组连接 典型螺栓组受力分析典型螺栓组受力分析zFFzChapter 15 Design of Connections39受横向载荷的螺栓组连接受横向载荷的螺栓组连接 受拉螺栓连接受拉螺栓连接 受剪螺栓连接受剪螺栓连接 FRFR/2FR/2F F FR/2FR/2FRFSFSFSF F Chapter 15 Design of Connections40受旋转力矩受旋转力矩T的螺栓组连接的螺栓组连接 受拉螺栓连接受拉螺栓连接 假设各螺栓连接接合假设各螺栓连接接合
33、面的面的并集并集中在螺栓中心处，与中在螺栓中心处，与螺栓中心至底板旋转螺栓中心至底板旋转中心中心O的联线垂直的联线垂直 TKrFfrFfrFffz 21力力矩矩平平衡衡条条件件：zfrrrfTKF21OFf Ff 1r2r12345678TChapter 15 Design of Connections41受剪螺栓连接受剪螺栓连接 假设各螺栓的工作载假设各螺栓的工作载荷与其中心至底板旋荷与其中心至底板旋转中心的连线垂直，转中心的连线垂直，；各螺栓的各螺栓的剪切变形量与其中心剪切变形量与其中心至底板旋转中心的距至底板旋转中心的距离成正比离成正比，因为螺栓，因为螺栓剪切刚度相同，所以剪切刚度相同，
34、所以 TrFrFrFzszss2211zszsssrFrFrFrF 2211maxmax22221maxmaxzsrrrTrF O1SF2SF1r2r12345678TChapter 15 Design of Connections42 受翻转力矩受翻转力矩M的螺栓组连接的螺栓组连接 底板的静力平衡条件底板的静力平衡条件 MrFrFrFzz2211螺栓的变形协调条件螺栓的变形协调条件 zzrFrFrFrF 2211maxmax22221maxmaxzrrrMrF 螺栓的最大工作载荷螺栓的最大工作载荷Fmax 假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的连接形假定底板为刚体，翻转力矩作用在螺栓组的连接
35、形心，受载后有绕心，受载后有绕OO转动的趋势，结合面仍保持平面转动的趋势，结合面仍保持平面 在在M作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减作用下，左侧螺栓拉力增大；右侧螺栓拉力减小而地面压力增大小而地面压力增大Chapter 15 Design of Connections43 对于受翻转力矩的螺栓组连接，不仅要对于受翻转力矩的螺栓组连接，不仅要对螺栓进行强度对螺栓进行强度计算计算，而且还应保证，而且还应保证接合面受压最大处不被压溃接合面受压最大处不被压溃和和受压最小受压最小处不出现缝隙处不出现缝隙。因此，要求接合面挤压应力的最大值不超过。因此，要求接合面挤压应力的最大值不超过接合面两者中较弱
36、材料的许用值，而最小值大于零，即接合面两者中较弱材料的许用值，而最小值大于零，即不压溃条件不压溃条件 无缝隙条件无缝隙条件 21maxppppWMAFz021minWMAFzpppAFzp/1由预紧力产生的挤压应力，由预紧力产生的挤压应力，A为接合面的有效面积为接合面的有效面积 WMp/2由翻转力矩产生的附加最大挤压应力，由翻转力矩产生的附加最大挤压应力，W为接合面为接合面抗弯截面系数抗弯截面系数 Chapter 15 Design of Connections44 在实际应用中，螺栓组连接所受工作载荷可能是以上在实际应用中，螺栓组连接所受工作载荷可能是以上四种简单受力状态的不同组合。对于复杂
37、的受力状态，可四种简单受力状态的不同组合。对于复杂的受力状态，可以化简为上述四种简单受力状态，再按力的叠加原理求出以化简为上述四种简单受力状态，再按力的叠加原理求出螺栓受力。求出受力最大螺栓的力值后，即可进行单个螺螺栓受力。求出受力最大螺栓的力值后，即可进行单个螺栓联接强度计算。栓联接强度计算。受复合载荷的螺栓受复合载荷的螺栓组连接组连接横向荷载横向荷载+轴向载荷轴向载荷+翻转力矩翻转力矩Chapter 15 Design of Connections45受复合载荷的螺栓受复合载荷的螺栓组连接组连接横向载荷横向载荷+旋转力矩旋转力矩p322教材例题教材例题15.1自学自学Chapter 15
38、Design of Connections461.改善螺纹牙间的载荷分布改善螺纹牙间的载荷分布15.2.3 Methods for Increasing Strength of Bolted Joints 提高螺栓连接强度的措施提高螺栓连接强度的措施采用普通螺母时，采用普通螺母时，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布是不均匀的，从螺，从螺母支承面算起，母支承面算起，第第1圈受载最大圈受载最大，以后各圈递减。理论分析和试验证明，以后各圈递减。理论分析和试验证明，旋合圈数越多，载荷分布不均的程度也越显著，到第旋合圈数越多，载荷分布不均的程度也越显著，到第810圈以
39、后，螺纹圈以后，螺纹几乎不受载荷。所以，几乎不受载荷。所以，采用圈数多的厚螺母，并不能提高联接强度采用圈数多的厚螺母，并不能提高联接强度。第第1圈螺纹承圈螺纹承担约三分之担约三分之一的载荷一的载荷Chapter 15 Design of Connections47采用均载螺母采用均载螺母悬置（受拉）螺母悬置（受拉）螺母(A)螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉螺母锥形悬置段与螺栓杆均为拉伸变形，有助于减少螺母与栓杆的螺矩变化差，从而使载伸变形，有助于减少螺母与栓杆的螺矩变化差，从而使载荷分布比较均匀。荷分布比较均匀。环槽螺母环槽螺母(B)作用和悬置螺母相似。作用和悬置螺母相似。Chapter 15 D
40、esign of Connections482.避免或减小附加应力避免或减小附加应力结构上：结构上：凸台；凸台；沉头座；沉头座；斜面垫圈、球面垫圈斜面垫圈、球面垫圈Chapter 15 Design of Connections493.减小应力集中减小应力集中圆角圆角卸载结构卸载结构Chapter 15 Design of Connections504.降低应力幅降低应力幅 螺栓的总拉力与螺栓和被连接件的刚度有关。在螺栓的总拉力与螺栓和被连接件的刚度有关。在的情况下，的情况下，减小螺栓刚度减小螺栓刚度或或增大被增大被连接件刚度连接件刚度都能都能降低应力幅降低应力幅(F F0)。但但预紧力增大预
41、紧力增大。力力变形变形螺栓螺栓11tanc 1F 力力变形变形被连接件被连接件21tanc 2F F0FF 12减小螺栓刚度减小螺栓刚度Chapter 15 Design of Connections51力力变形变形螺栓螺栓11tanc 1F 力力变形变形被连接件被连接件21tanc 2F F0FF 12增大被连接件刚度增大被连接件刚度Chapter 15 Design of Connections52l 腰状杆螺栓和空心螺栓减小螺栓的刚度腰状杆螺栓和空心螺栓减小螺栓的刚度l 汽缸采用密封环密封，增加被连接件的刚度汽缸采用密封环密封，增加被连接件的刚度5.改善制造工艺改善制造工艺冷镦螺栓头部和
42、滚压螺纹；冷镦螺栓头部和滚压螺纹；表面硬化工艺：氮化；氰化；碳氮共渗等处理表面硬化工艺：氮化；氰化；碳氮共渗等处理Chapter 15 Design of Connections53Exercises(see p335 in Machine Design)15.115.215.3Chapter 15 Design of Connections54l基本功能基本功能所有类型的键连接都能用来实现轴和轴上零件所有类型的键连接都能用来实现轴和轴上零件（如齿轮、带轮等）的周向固定，以传递转矩；（如齿轮、带轮等）的周向固定，以传递转矩；利用利用在在与与之间形之间形成静连接或动连接，是一种可拆连接，成静连接
43、或动连接，是一种可拆连接，其中键是标准零件。其中键是标准零件。部分类型的键连接还能实现轴上零件的轴部分类型的键连接还能实现轴上零件的轴向固定，以传递轴向力；向固定，以传递轴向力；部分类型的键连接能构成轴向动连接，以部分类型的键连接能构成轴向动连接，以使零件在轴上滑动。使零件在轴上滑动。l延伸功能延伸功能15.3 Design of Key and Spline Connections 键、花键连接设计键、花键连接设计Chapter 15 Design of Connections55键连接类型键连接类型半圆键连接半圆键连接平键连接平键连接楔键连接楔键连接切向键连接切向键连接普通平键普通平键导向
44、平键导向平键滑键滑键15.3.1 Types of Key Connections 键连接的类型键连接的类型Chapter 15 Design of Connections561.Flat(or Parallel)Key Connections(平键连接平键连接)l 工作原理工作原理平键的两侧面是工作面，平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上表面与轮毂(hub)槽底之间留有间槽底之间留有间隙。工作时，靠键与键槽的互相挤压隙。工作时，靠键与键槽的互相挤压传递转矩。传递转矩。工作面l 常用类型常用类型普通平键，导向平键，普通平键，导向平键，滑键滑键keyseata groove in the sha
45、ft or hub;keywaya groove in the hubChapter 15 Design of Connections57n 圆头圆头(A型型)轴槽用指形铣刀加工，键在槽中固定良好轴槽用指形铣刀加工，键在槽中固定良好n 方头方头(B型型)轴槽用盘形铣刀加工，键卧于槽中用螺钉紧固轴槽用盘形铣刀加工，键卧于槽中用螺钉紧固n 单圆头单圆头(C型型)常用于轴端常用于轴端 A型型B型型C型型螺钉作用？螺钉作用？General Flat Keys(普通平键普通平键)Chapter 15 Design of Connections58Chapter 15 Design of Connecti
46、ons59A型型C型型Chapter 15 Design of Connections60n 导向平键有导向平键有圆头（圆头（A型）型）和和方头（方头（B型）型）两种。两种。n 导向平键用螺钉固定在轴槽中，导向平键与轮毂的键槽采用导向平键用螺钉固定在轴槽中，导向平键与轮毂的键槽采用间间隙配合隙配合，轮毂可沿导向平键轴向移动。，轮毂可沿导向平键轴向移动。n 为了装拆方便，键中间设有为了装拆方便，键中间设有起键螺孔起键螺孔。导向平键适用于轮毂。导向平键适用于轮毂。Guiding Parallel Keys(导向平键导向平键)Chapter 15 Design of Connections61n 用
47、于轮毂用于轮毂轴向移动距离较大轴向移动距离较大的场合。的场合。n 滑键固定在轮毂上，随轮毂一起沿轴上的键槽移动，轴上应铣滑键固定在轮毂上，随轮毂一起沿轴上的键槽移动，轴上应铣出较长的键槽。出较长的键槽。n 滑键结构依固定方式而定，下图是两种典型的结构。滑键结构依固定方式而定，下图是两种典型的结构。Sliding Parallel Keys(滑键滑键)Chapter 15 Design of Connections62Chapter 15 Design of Connections63l 半圆键的两侧面为工作面，半圆键的两侧面为工作面，工作时靠键与键槽侧面的挤工作时靠键与键槽侧面的挤压传递转矩。
48、压传递转矩。工作面工作面l 轴上键槽用盘铣刀铣出，键轴上键槽用盘铣刀铣出，键在槽中能绕键的几何中心摆在槽中能绕键的几何中心摆动，可以自动适应轮毂上键动，可以自动适应轮毂上键槽的斜度。槽的斜度。2.Woodruff Key Connections(半圆键连接半圆键连接)Chapter 15 Design of Connections64l 制造简单，装拆方便，缺点制造简单，装拆方便，缺点是轴上键槽较深，对轴削弱是轴上键槽较深，对轴削弱较大。较大。l 适用于载荷较小的联接或锥适用于载荷较小的联接或锥形轴端与轮毂的联接。形轴端与轮毂的联接。Chapter 15 Design of Connectio
49、ns65l 楔键的上、下面是工作面。键楔键的上、下面是工作面。键上表面有上表面有1:100的斜度，轮毂的斜度，轮毂键槽底面也有键槽底面也有1:100的斜度。的斜度。1：100工作面l 装配时将键打入轴和毂槽内装配时将键打入轴和毂槽内(将使轴和轮毂产生偏心将使轴和轮毂产生偏心)，其工作，其工作面上产生很大的预紧力。面上产生很大的预紧力。l 工作时，主要靠预紧力产生的摩擦力传递转矩，并能承受工作时，主要靠预紧力产生的摩擦力传递转矩，并能承受单方单方向的轴向力向的轴向力。l 轴与轮毂的对中性较差。用于低速、轻载、对中要求不严的场轴与轮毂的对中性较差。用于低速、轻载、对中要求不严的场合。合。3.Tap
50、er Key Connections(楔键连接楔键连接)Chapter 15 Design of Connections661：100工作面圆头楔键圆头楔键l 普通楔键普通楔键普通楔键普通楔键钩头楔键钩头楔键l 钩头楔键钩头楔键圆头（圆头（A型），方头（型），方头（B型），单圆头（型），单圆头（C型）型）钩头用于拆键钩头用于拆键方头楔键方头楔键注意轴上键槽的形状和加工方法。注意轴上键槽的形状和加工方法。Chapter 15 Design of Connections67l 钩头楔键钩头楔键l 普通楔键普通楔键Chapter 15 Design of Connections68工作面l 切向键切
