第十一章连接解析

机电工程学院制作《机械设计基础》多媒体课件-材料系各专业第十一章连接§11-1概述§11-2螺纹连接§11-3键连接、销连接及型面连接机械设计基础§11-1概述在机械中，许多零件、部件之间以一定的方式组合成一个整体，这就需要使用各种连接。连接的分类：1、按连接工作原理的不同分类：形锁合连接：它是依靠被连接件或附加零件的形状互相嵌合，使其产生连接作用的。如铰制孔用螺栓连接、平键连接、型面连接等。摩擦锁合连接：它是依靠被连接件的压紧，在接触面间产生摩擦力面阻止被连接件之间的相对运动，从而达到连接的目的，如有横向载荷的普通螺栓连接、过盈配合连接等。材料锁合连接：在被连接件之间涂敷附加材料，靠其分子间的分子力将零件连接在一起。如胶接、钎焊等。2、按连接是不可拆分类：可拆连接：可经多次拆装，拆装时无需损坏连接中的任何零件，且其工作能力不遭受破坏。如螺纹连接、键连接、型面连接等。不可拆连接：是在拆开连接时，至少损坏连接中的一个零件。如铆钉连接、焊接、胶接等。机械设计基础§11-2螺纹连接一、螺纹连接的预紧拧紧的目的：1.提高联接的紧密性2.防止联接松动3.提高联接件可靠性预紧力的控制：测力矩扳手定力矩扳手螺旋副的拧紧力矩注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。预紧力和预紧力矩之间的关系：dFT02.0机械设计基础二、螺纹连接的计算螺纹联接中螺栓联接最具典型性。主要讨论螺栓组联接，单个螺栓联接的强度计算是螺纹联接设计的基础。螺栓受力横向受拉（普通螺栓）横向受剪切（铰制孔用螺栓）螺栓杆螺纹部分发生断裂螺栓杆剪断或者孔壁发生压溃主要失效方式实际工程应用中，普通场合，螺栓直径的选择用类比法或经验法重要场合，必须根据强度条件进行选用计算。设计准则：针对具体的失效形式，通过对螺栓的相应部位进行相应强度条件的设计计算（或强度校核）。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的公称直径（大经）d等。机械设计基础如图所示为普通螺栓连接，仅受预紧力的紧螺栓联接－结合面的摩擦力来承受横向载荷F，防止被联接件错动。保证联接面不滑移的螺栓预紧力pFpsFfziKFSpKFFfzi214(1.3)[]()pFMPad强度条件14(1.3)()[]pFdmm摩擦系数螺栓数接合面数1.1~1.3sK可靠性系数1、受横向载荷的紧螺栓连接机械设计基础如图所示为铰制孔用螺栓连接来承受外载荷。由于螺栓杆与孔为过渡配合，外载荷靠螺栓杆的剪切和螺栓杆与被连接件的挤压来传递。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：式中：F－螺栓所受的横向外载荷，单位为N；ds－螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；δ－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时应使δ≥1.25dsz－工作螺栓的数目；i－螺栓受剪面的数目。bsbssFzd24sFzid机械设计基础2、受轴向载荷的紧螺栓连接受力分析如右图所示的气缸盖螺栓连接,即承受轴向外载荷的紧螺栓连接。未拧紧时,螺栓与被连接件皆不受力。拧紧后,螺栓受预紧力,而被连接件则受预紧压力的作用,且产生压缩变形。当气缸内通入气体后,螺栓又受到轴向外载荷F的作用,由于螺栓中总拉力由增至FQ,螺栓比预紧状态时增加伸长变形δ2,被连接件则要回弹变形δ2。由于被连接件压缩变形量减小,故其所受压力将减小,不是原来的预紧力了,而变成减小后的剩余预紧力,由此可知,螺栓受轴向载荷F后,螺栓所受的总拉力为:pFpF1pFpFpFQpFFF机械设计基础211.3/4QFd141.3[]QFd或螺栓危险截面的拉伸强度条件为:对于有密封性要求的联接，一般联接，工作载荷稳定时：工作载荷不稳定时：1.5~1.8pFF0.2~0.6pFF0.61.0pFF～pF为保证联接的紧密性，应使＞0，一般根据联接的性质确定的大小。pF机械设计基础例1.如图所示，凸缘连轴器，4个材料为Q235的M12螺栓联接，传递转距T=0.9×106N’mm，螺栓中心所在圆直径D=150mm，连轴器材料为HT300,σb＝300MP，凸缘厚h＝15mm。分别采用普通螺栓联接和铰制孔，分析螺栓直径选择合适与否。211.34pFd由得（4）确定许用拉应力螺栓材料为Q235的M12，σs=235MP,S=3,[σ]=σs/S=78.3MP查机械手册，M12螺栓小径d1＝10.106mm。σ＝1.3×4×24×103/（π×10.1062）＝388.96[σ]=80故强度不足解:1.采用普通螺栓联接（1）普通螺栓的主要失效形式为螺纹部分断裂失效。（2）螺栓受力分析即螺栓的横向工作载荷F=2T/D=2×0.9×106/150=12×103N（3）普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力，其预紧力，其中结合面i＝1，螺栓个数z＝4，结合面摩擦系数f＝0.15，可靠系数Ks＝1.2。/psFKFzif3/2410psFKFzifN机械设计基础2.采用铰制孔用螺栓联接（1）铰制孔用螺栓的主要失效形式为剪切和挤压失效。（2）螺栓受力分析螺栓所受的横向工作载荷F＝12×103N小结：通过以上两种情况的分析和计算，可以看出，虽然受到的外载荷相同，但由于螺栓联接的类型不同，单个螺栓的受力情况会有很大差异，致使所选螺栓直径相差很大。为了避免采用普通螺栓时螺栓直径太大的缺点，可采用减载装置，来传递横向力，这样所需的预紧力较小，不但减小了螺栓直径，使结构紧凑，而且工作可靠。因此在机械设计中，结构设计的优劣必须给予足够重视。其不同之处在于：普通螺栓联接，靠预紧力产生的摩擦力来传递横向力。（4）计算；机械手册查铰制孔用螺栓M12受剪处直径ds＝13mm，查表螺栓杆与孔壁挤压面最小高度δ=h－3＝15－3＝12mm。（3）求许用切应力和许用挤压应力/235/2.594sSMPa/2150bbsMPa2422.694sFMPaMPazid19.23150bsbssFMPaMPazd机械设计基础例2已知汽缸工作压力p=1.2Mpa，汽缸内径D2=250mm，螺栓数目z=12，采用铜皮石棉垫。试计算汽缸盖螺栓直径。拧紧时控制预紧力。解：1.汽缸盖受气体压力：P=p·πD22/4=1.2×3.14×2502/4=58875(N)2.单个螺栓工作载荷：F=P/z=58875/12=4906.25(N)3.螺栓所受总拉力FQ=F+FP‘=2.7×4906.25=13246.88(N)4.选择螺栓材料，计算需用应力查表，选择Q215,屈服极限σs=215Mpa，安全因数S＝1.4，许用应力[σ]=σs/S=215/1.4=153.57(Mpa)5.确定螺栓小径：查标准，取M16，其d1＝13.8411.95，其公称直径16mm。FDDp11.3411.95QFdmm机械设计基础三、设计螺栓连接的几个问题1、螺栓材料的许用应力对于受拉螺栓，其许用应力为sS对于铰制孔用螺栓连接，其许用应力为sS为螺栓材料的屈服极限（MPa）；S为安全系数，松螺栓连接，S=1.2～1.7；紧螺栓连接，S=1.2～1.5，不控制预紧力时，S查表11-4。s为螺栓材料的屈服极限（MPa）；为安全系数，静载荷时，=2.5；紧螺栓连接，=3.5～5。sSSS被连接件为钢时:1.25sbs被连接件为铸铁时:22.5bbs机械设计基础2、螺纹连接的防松问题弹簧垫圈防松（1）、摩擦防松（保证螺纹副间有足够的轴向压力和摩擦力矩）对顶螺母，弹簧垫圈。结构简单、使用方便。限制螺旋副的相对转动；以防止联接的松动，影响正常工作。①防松的实质②防松方法（摩擦防松.机械防松.永久防松）对顶螺母防松机械设计基础（2）、机械防松开口销与开槽六角螺母止动垫圈（在联接中加入其它机械元件)开口销、止动垫圈等。适用于冲击振动载荷，重要场合使用，成本高。机械设计基础焊接铆冲（3）、永久防松机械设计基础3、螺栓组联接的结构分析1）联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，框形，三角形等。这样不但便于加工制造，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合，从而保证接合面受力比较均匀。2）如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，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机械设计基础3)避免螺栓承受附加的弯曲载荷。凸台沉头座斜面垫圈4)为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。5)螺栓的排列应有合理的间距、边距。最小距离由扳手所需要的活动空间来定机械设计基础§11-3键连接、销连接及型面连接一、键连接的类型键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩。有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。键是标准件，分为平键、半圆键、楔键和花键等。设计时应根据各类键的结构和应用特点迸行选择。1、平键联接结构简单、装拆方便，应用广泛。按用途不同分为：普通平键导向平键滑键机械设计基础工作面间隙（1）普通平键两侧面为工作面■普通平键的类型单圆头(C型)：用于轴端圆头(A型)：端铣刀加工，固定良好平头(B型)：盘铣刀加工，应力集中小盘铣刀机械设计基础（2）导向平键加长平键，轴向移动量不大的动联接，用螺钉固定在轴上（3）滑键联接轴向移动量大的动联接，滑键在轮毂上，与轮毂一起在轴上移动机械设计基础2.半圆键联接机械设计基础3.楔键联接结构：楔键的上、下面为工作面，键的上表面及轮毂键槽底面均有1:100的斜度。特点：能承受单向轴向力。但对中性很差。应用：用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。机械设计基础二、花键联接◇结构：外花键（花键轴）和内花键（花键孔）组成。键齿侧面是工作面。◇特点：承载能力高，对中性好;但制造要采用专用设备，成本较高。◇应用：用于定心精度要求高、载荷较大的场合。1、矩形花键加工方便（可通过磨削获得高精度），应用广泛。2、渐开线花键工艺性好，强度高，承载能力大。用于重载、定心精度要求高的联接压力角α＝30°压力角α＝45°渐开线花键机械设计基础三、平键的选用和强度校核1、平键的选用（1）键的尺寸选择断面尺寸b×h：根据轴径d查标准确定，表11-5。键长L：应略短于轮毂的宽度，并符合标准尺寸系列。附：键的长度系列：1012141618202225323640455063708090100110125140160…..（2）键的标记B型平键b×h×L=10×16×125→键B10×125◇A型键可不标型号机械设计基础（3）平键的主要失效形式普通平键：压溃——按挤压强度计算。◆极个别情况会出现键被剪断；◆导向平键的主要失效形式是工作面的磨损。挤压强度条件：挤压应力：MPabs4[]bsFTAdhlbs——工作面所受挤压应力T——转矩(N.mm)A——挤压面积(mm)h——键高，mmd——轴段的直径，mm2.dFTlhA.2机械设计基础钢125~150100~12060~90表键联接的许用挤压应力、许用压力许用值轮毂材料静载荷轻微冲击冲击载荷性质铸铁70~8050~6030~45钢504030[p][σ]bsl——键的接触长度，mm2bLlbLlLl圆头平键：平头平键：单圆头平键：[σ]bs——材料的许用挤压应力，MPa机械设计基础作用：销的主要用途是固定零件之间的相互位置，并可传递不大的载荷。销的基本形式为圆柱销和圆锥销。还有大端具有外螺纹的圆锥销或小端带外螺纹的圆锥销等许多特殊形式。四、销联接销的常用材料为35、45钢。机械设计基础五、型面联接型面连接是用非圆截面的柱面体或锥面体的轴与相同轮廓的轮毂孔配合传递转矩的可拆连接，它是无键连接的一种型式。型面联接加工困难，限制了型面连接的应用。