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第十一章连接第一节螺纹连接第二节键连接第三节销和过盈连接第一节螺纹连接一、螺纹及基本参数常用的螺纹主要有普通螺纹、管螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹和矩形螺纹。前二种主要用于连接，后三种主要用于传动。其中除矩形螺纹外，都已标准化。标准螺纹的基本尺寸可查阅有关标准)常用螺纹的类型、特点和应用见表11一1螺纹的主要几何参数(图11一1)二、螺纹连接的类型和螺纹紧固件1.螺纹连接类型螺纹紧固件连接的主要类型有:螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接，其用途和特点见表11一2下一页返回第一节螺纹连接2.常用螺纹紧固件机械制造中常用的螺纹紧固件有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫片等，这些零件都是标准件，设计时可根据有关标准选用。它们的结构、特点及应用见表11一33.螺纹紧固件常用材料和机械性能等级国家标准规定螺纹紧固件按材料的机械性能分级。螺栓、螺钉、双头螺柱及螺母机械性能等级见表11一4。螺栓、螺柱、螺钉的机械性能等级分为十级，自3.6至12.9;螺母的性能等级分为七级，从4到12。下一页上一页返回第一节螺纹连接螺纹紧固件常用材料一般为中低碳钢，如Q215,Q235,10,15,35和45钢等。在承受变载荷或有冲击、振动的重要连接中、可用合金钢，如40Gr,15MnVB和30CrMnSi等。螺母材料一般比配合螺栓的硬度低20~40HB5，以减轻螺栓磨损。随着生产技术的不断发展，高强度螺栓的应用日益增多。当有防腐蚀或导电要求时，螺纹紧固件可用铜及其合金或其他有色金属。近年来还发展了塑料螺栓、螺母)螺纹紧固件常用材料的疲劳性能见表11一5下一页上一页返回第一节螺纹连接三、螺纹连接的预紧和防松1.螺纹连接的预紧通常通过控制拧紧力矩等方法来控制预紧力的大小。图11一2、图11-3分别是控制拧紧力矩的测力矩扳手和定力矩扳手。测力矩扳手的工作原理是根据扳手上的弹性元件1，在拧紧力的作用下所产生的弹性变形来指示拧紧力矩的大小。为方便计量，可将指示刻度2直接以力矩值标出。定力矩扳手的工作原理是当拧紧力矩超过规定值时，弹簧3被压缩，扳手卡盘1与圆柱销2之间打滑，如果继续转动手柄，卡盘将不再转动。对于常用M10一M68粗牙普通钢制螺纹，拧紧力矩下一页上一页返回第一节螺纹连接2.螺纹连接的防松连接螺纹都能满足自锁条件，在静载荷和工作温度变化不大时，一般不会自动松脱。但在振动或变载荷的作用下，螺旋副间的摩擦力可能减小或瞬时消失，使连接松脱。连接一旦出现松脱，轻者会影响机器的正常运转，重者会造成严重事故。因此，为了防止连接松脱，保证连接安全可靠，设计时必须采取有效的防松措施。下一页上一页返回第一节螺纹连接四、单个螺栓的强度计算对单个螺栓而言，螺栓受载形式不外乎轴向受拉和横向受剪两类，受力的性质分静载荷和变载荷两种。受拉螺栓的失效形式主要是螺栓杆部的损坏:在轴向静载荷的作用下，螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形和断裂;在轴向变载荷的作用下，螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂，毁坏的地方都是截面有剧烈变化因而有应力集中之处。根据统计分析，在静载荷下螺栓连接是很少发生破坏的，只有在严重过载的情况下才会发生。就破坏性质而言，约有90%的螺栓属于疲劳破坏。统计资料表明变载荷受拉螺栓(如图11一4所示)在从螺母支撑面算起第一圈或第二圈螺纹处毁坏的约占65，在光杆与螺纹部分交界处毁坏的约占20%，在螺栓头与杆交界处毁坏的约占15%。如果螺纹精度较低或经常装拆，还可能经常发生滑扣失效。下一页上一页返回第一节螺纹连接受剪螺栓连接(如受横向载荷的铰制孔用螺栓连接)的主要失效形式为:螺栓杆和孔壁相接触的表面被压溃。螺栓连接的强度计算方法同样也适用双头螺柱连接和螺钉连接。1.受拉螺检连接的强度计算(1)松连接螺栓强度计算松连接螺栓装配时，螺母不需要拧紧。在承受工作载荷之前，螺栓不受力。这种连接应用范围有限，图11一5所示为起重吊钩的螺栓连接。一般机械用的松螺栓连接，其螺纹部分的强度条件为下一页上一页返回第一节螺纹连接(2)紧螺栓连接强度计算紧连接螺栓在安装时必须将螺母拧紧，所以螺纹部分不仅受预紧力F’所产生的拉伸应力的作用，还受螺纹副摩擦力矩T1产生的扭转切应力作用。螺栓危险截面的拉伸应力螺栓危险截面的扭转切应力为下一页上一页返回第一节螺纹连接由于螺栓材料是塑性的，故可根据第四强度理论来确定螺纹部分的计算应力2.受剪螺检连接(受横向载荷的铰制孔用螺检连接)强度计算如图11-11所示的铰制孔用螺栓连接，螺栓杆与孔壁之间无间隙。在横向载荷F作用下连接失效的主要形式为螺栓杆被剪断、螺栓杆或孔壁被压溃。因此，应分别按挤压及剪切强度条件计算。计算时，假设螺栓杆与孔壁表面上的压力分布是均匀的，又因这种连接所受的预紧力很小，所以不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。下一页上一页返回第一节螺纹连接螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为螺栓杆的剪切强度条件为下一页上一页返回第一节螺纹连接五、螺栓组连接受力分析1.螺检组连接的结构设计螺栓组连接结构设计的主要目的是合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式，力求各螺栓和连接接合面间受力均匀，便于加工和装配。为此，设计时应综合考虑以下几方面的问题。(1)连接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状，如圆形、环形、矩形、三角形等。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，连接接合面受力也比较均匀，如图11一12所示。下一页上一页返回第一节螺纹连接(2)螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。对于铰制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置八个以上的螺栓，以免载荷分布过于不均。当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘，以减小螺栓的受力(图11一13)。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷，应采用销、套筒、键等抗剪零件来承受横向载荷，以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。下一页上一页返回第一节螺纹连接(3)螺栓的排列应有合理的间距、边距。布置螺栓时，各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离，应根据扳手所需活动空间的大小来决定。扳手空间的尺寸可查阅有关标准。对于压力容器等紧密性要求较高的重要连接，螺栓的间距t0不得大于表11一11所推荐的数值。(4)同一螺栓组中螺栓的材料、直径和长度均应相同，以简化结构和便于加工装配。(5)分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成4,6,8等偶数，以便在圆周上钻孔时的分度和画线。(6)工艺上保证被连接件、螺母和螺栓头部的支承面平整，并与螺栓轴线相垂直。在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，应制成凸台或沉头座(图11一14)等。下一页上一页返回第一节螺纹连接2.螺检组连接的受力分析(1)受横向载荷的螺栓组连接图11-15所示为一由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组连接。横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直，并通过螺栓组的对称中心。当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓连接时(图11-15(a)),靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷;当采用铰制孔用螺栓连接时(图11一15(b)),靠螺栓杆受剪切及螺栓杆与孔壁的挤压来抵抗横向载荷。虽然两者的传力方式不同，但计算时可近似地认为，在横向总载荷F∑的作用下，各螺栓所承担的工作载荷是均等的。因此，对于铰制孔用螺栓连接，每个螺栓所受的横向工作切力为下一页上一页返回第一节螺纹连接(2)受转矩的螺栓组连接如图11-16所示，转矩T作用在连接接合面内，在转矩T的作用下，底板有绕通过螺栓组中心O并与接合面相垂直的轴线转动的趋势。为了防止底板转动，可以采用普通螺栓连接，也可采用铰制孔用螺栓连接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组连接相同。采用铰制孔用螺栓时，在转矩T的作用下，各螺栓受到剪切和挤压作用，假定底板为刚体，受载后接合面仍保持为平面。忽略连接中的预紧力和摩擦力，则各螺栓的剪切变形量与其轴线到螺栓组中心O的距离成正比，即距螺栓组中心O越远，螺栓的剪切变形量越大，其所受的工作切力也越大。下一页上一页返回第一节螺纹连接根据作用在底板上的力矩平衡的条件得因此受力最大的螺栓的工作切力为下一页上一页返回第一节螺纹连接采用普通螺栓时，靠连接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T(图11一16(a))。假设各螺栓的预紧程度相同，即各螺栓的预紧力均为F‘，则各螺栓连接处产生的摩擦力均相等，并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处，并且各摩擦力应与各螺栓的轴线到螺栓组中心的连线相垂直。根据作用在底板上的力矩平衡条件，应有由上式可得各螺栓所需的预紧力为下一页上一页返回第一节螺纹连接(3)受轴向载荷的螺栓组连接图11-17为一受轴向总载荷F∑的汽缸盖螺栓组连接。F∑的作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心。计算时，认为各螺栓平均受载，则每个螺栓所受的轴向工作载荷为下一页上一页返回第一节螺纹连接六、提高螺栓强度的措施螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，研究影响螺栓强度的因素和提高螺栓强度的措施，对提高连接的可靠性有着重要的意义。影响螺栓强度的因素很多，主要涉及螺纹牙的载荷分配、应力变化幅度、应力集中、附加应力、材料的机械性能和制造工艺等几个方面。下面分析各种因素对螺栓强度的影响以及提高强度的相应措施。1.降低影响螺检疲劳强度的应力幅2.改善螺纹牙间载荷分配不均的现象3.减小应力集中和避免附加弯曲应力4.采用合理的制造工艺方法上一页返回第二节键连接一、键连接的类型和结构根据键连接在工作前是否存在预紧力，分为松连接和紧连接。1.松连接松连接是由平键或半圆键与轴和轮毅组成。(1)平键连接键的上表面与轮毅的键槽底间留有间隙(图11一31),键的上、下表面为非工作面，工作前没有预紧力，工作时靠键与键槽两侧的互相挤压来传递转矩，因而键的两个侧面是工作面。平键连接具有结构简单、拆卸方便、对中性好等优点，因此是键连接中应用最广泛的一种。根据用途不同，平键分为普通平键、导向平键和滑键等。普通平键按键端形状分为圆头(A型)、方头(B型)和单圆头(C型)三种(图11一31)。轴上键槽可用端铣刀或盘状铣刀加工(图11一32)，轮毅上的键槽可用插削或拉削。)下一页返回第二节键连接(2)半圆键连接键呈半圆形，可在轴上相应的半圆形键槽中摆动，以适应在装配时轮毅中键槽的斜度(图11一34)。工作面仍是键的两个侧面。这种键连接的优点是工艺性较好，装配方便，尤其适用于锥形轴端与轮毅的连接。缺点是轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大.故一般只话用于轻载连接的场合2.紧连接紧连接是由楔键与轴和轮毅组成(图11一35)。楔键的上表面和轮毅槽的底面都有1:100的斜度。装配时将键楔紧在轮毅槽和轴槽之间，键的上下表面受挤压，而构成紧连接，即在工作前连接中就有预紧力作用，工作时靠预紧力产生的摩擦力来传递转矩，因此键的上下表面是工作面(图11-35(a))。同时，楔键连接还能承受单方向的轴向力，可对轮毅起到单方向的轴向固定作用。但由于预紧力的作用，使轴与传动件产生偏心和偏斜，因此主要用于传动件定心精度要求不高和低速的场合。下一页上一页返回第二节键连接二、平键的选择和平键连接的强度计算1.平键的选择平键是标准件。键的选择一般包括类型选择和尺寸选择两个方面。首先应根据键连接的结构特点、使用要求和工作条件选择键的类型，再根据轴的直径从标准中选出键的截面尺寸值，而键的长度L可根据轮毅宽度确定，对于普通平键一般略短于轮毅宽度，对于导向平键则按滑动距离确定。2.平键连接的强度计算对于构成静连接的普通平键连接，在传递转矩时，键槽和键的两侧面受挤压应力，同时键也受切应力(图11-36)。但主要失效形式是较弱零件的工作面被压溃，键被切断的情况较少见。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。注意，键、轴、轮毅三者的材料往往不同，强度计算时一定要按三者中最弱材料的强度进行校核。对于构成动连接的导向平键和滑键连接，主要失效形式是工作面的过度磨损，因此通常只作耐磨性计算。下一页上一页返回第二节键连接假定载荷在键的工作面上均匀分布，则根据挤压强度计算，普通平键连接的强度条件为导向平键连接和滑键连接的强度条件为下一页上一页返回第