第4讲 螺纹联接与键联接
A:图1，螺母未拧紧 螺栓螺母松驰状态 B:图２，拧紧—预紧状态 凸缘—压—δ2 —F' 栓杆—拉—δ1 →F' Δδ1 F' Fa F δ1 δ2 F' Δδ2 F" F' Fa F 开始拧紧 拧紧后 受工作载荷时 工作载荷过大时 A:图1，螺母未拧紧 螺栓螺母松驰状态 B:图２，拧紧—预紧状态 凸缘—压—δ2 —F' 栓杆—拉—δ1 →F' C:图3，加载F后→工作状态 栓杆—继续拉—δ‘1 =δ1 +Δδ1 从 F’ Fa = F + F" ——总载荷 凸缘— 放松 —δ‘2 =δ2 -Δδ2 从 F’ F" ——残余预紧力
螺栓预紧力F
挤压变形 剪切变形
内容提要 螺纹联接 键联接与销联接 键联接 花键联接 销联接 螺纹联接的主要类型和标准联接件 螺纹联接的预紧和防松 单个螺栓联接的强度计算(本科) 螺栓组联接的设计与受力分析(本科) 提高螺栓联接强度的措施(本科) 键联接与销联接 键联接 花键联接 销联接
螺 纹联接
螺纹联接的特点 (1)螺纹拧紧时能产生很大的轴向力； (2)它能方便地实现自锁； (3)外形尺寸小； (4)制造简单，能保持较高的精度。
一、螺纹联接主要类型和标准联接件 （一）机械设备中的常用螺纹 1、三角形螺纹 （1）普通螺纹 牙型为等边三角形，牙型角α= 60º；分为粗牙和细牙两种，粗牙螺纹用于一般联接，细牙螺纹在相同公称直径时,螺距小,螺纹深度浅,导程和升角也小，自锁性能好，适合用于薄壁零件和微调装置 （2）管螺纹 专用于管件联接的特殊细牙三角形螺纹，牙型角α= 55º 特点：联接密封性好；
2、矩形螺纹 牙型多为正方形，牙型角α= 0º；传动效率高，但精加工困难，磨损后轴向间隙不易补偿。 3、梯形螺纹 牙型为梯形，牙型角α=30º；传动效率比矩形稍低，但制造工艺性好，牙根强度高，定心性好 4、锯齿螺纹 牙侧角β两边不等 ，工作边为3º非工作边为30º；综合了矩形螺纹的高效率和梯形螺纹牙根强度高的优点，适用于单向受载的传动螺旋。
（二）螺纹联接的主要类型 螺纹联接由螺纹紧固件和联接件上的内外螺纹组成 1、 普通螺栓联接——被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。 2、 精密螺栓联接——装配后无间隙，主 要承受横向载荷，也可作定位用， 采用基孔制配合铰制孔螺栓联接
3、双头螺栓联接——螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。 4、螺钉联接——适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况
5、紧定螺钉联接——拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。 特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接
（三）标准螺纹联接件 1、螺栓 普通螺栓 ——六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小螺母 1、螺栓 普通螺栓 ——六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓——螺纹部分直径较小螺母 2、双头螺柱——两端带螺纹 A型——有退刀槽 B型——无退刀槽
3、螺钉 与螺栓区别——要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹 4、紧定螺钉 锥 端——适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 平 端——接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度 较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端——压入轴上凹坑中，适于紧定空心轴上零件的 位置，轻材料和金属薄板
5、自攻螺钉——由螺钉攻出螺纹 6、螺母 六角螺母：标准，扁，厚 圆螺母+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧
7、垫圈
二、 螺纹联接的预紧和防松 （一）螺纹连接的预紧 螺纹联接：松联接——在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用 紧联接——在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力F' 预紧目的——目的是为了增强联接的刚性，增加紧密性和提高防松能力。对于受轴向拉力的螺栓联接，还可以提高螺栓的疲劳强度；对于受横向载荷的普通螺栓联接，有利于增大联接中接合面间的摩擦
预紧力F' —— 预先轴向作用力（拉力） 预紧过紧 —— F' 过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松 —— 拧紧力F' 过小，工作不可靠 FH 扳手拧紧力矩——T=FH·L FH—作用于手柄上的力，L——力臂
T1 = F'tan(φ+ρv) d2 /2 T2 = F' ƒcrf 1、确定拧紧力矩 拧紧螺母时，加在扳手上的力矩T，用来克服螺纹牙间的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2 T=T1+T2 T——拧紧力矩； T1——螺纹摩擦阻力矩； T2——螺母端环形面与被联接 件间的摩擦力矩 T1 = F'tan(φ+ρv) d2 /2 T2 = F' ƒcrf F‘——预紧力(N)；ƒc——支承面摩擦因素，无润滑时 ƒc=0.15； rf ——支承面摩擦半径(mm)，rf =(D0+d0)/4
代入数据，最后得： T≈0.2F'd (3-8) 当公称直径d一定的螺栓，当所要求的预紧力F已知时，则 可按(3-8)确定扳手的拧紧力矩 由于直径过小的螺栓，容易在拧紧时过载拉断，所以 对于重要的联接不宜小于M10~M14
2、预紧力F'的控制： 测力矩板手——测出预紧力矩，如左图 定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压 将自动打滑，如右图 测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高
（二）螺纹的防松 1、防松目的 A、在冲击、振动和变载荷作用下，螺纹之间的摩擦力 可能瞬时消失而影响正常工作； B、在高温或温度变化较大时，若螺栓与被联接件的温 度变形差或材料的蠕变，也可能导至联接的松脱。因 此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故 2、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。 3、防松办法及措施 1）摩擦防松 双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等 双螺母
自锁螺母——螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧 弹簧垫圈
2）机械防松： 开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等 螺母与 止动垫圈 开槽螺母 与开口销 串联钢丝
3）永久防松：端铆、冲点、点焊 4）化学防松——粘合
2、许用应力 许用拉应力：由教材表3-3查取并计算
作 业 3-2 3-3 3-4 3-7 3-12(必作题）
键联接与销联接 一、键联接 （一）键联接的类型与构造 键联接与销联接 一、键联接 键是一种标准件，通常用于联接轴与轴上旋转零件与摆动零件，起周向固定零件的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、滑键、花键还可用作轴上移动的导向装置。 （一）键联接的类型与构造 主要类型：平键、半圆键、楔键、切向键
作用：用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动 构造：两侧面为工作面，靠键与槽的挤压和键的剪切传 1、平键 1）普通平键 作用：用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动 构造：两侧面为工作面，靠键与槽的挤压和键的剪切传 递扭矩；轴上的槽用盘铣刀或指状铣刀加工；轮毂槽用拉刀或插刀加工 （如图）
普通平键： 圆 头 — A型（常用）—键顶上面与毂不接触有间隙 方 头 — B型—常用螺钉固定 半圆头—C型（端铣刀加工）—用于轴端与轮毂联接 2）薄型平键 键高约为普通平键的60%~70%：圆头、方头、单圆头， 用于薄壁结构、空心轴等径向尺寸受限制的联接
3）导向平键与滑键 用于动联接，即轴与轮毂之间有相对轴向移动的联接 滑键：键随轮毂移动 导向键：键不动，轮毂轴向移动
2、半圆键 轴槽用与半圆键形状相同的铣刀加工，键能在槽中绕几何中心摆动，键的侧面为工作面，工作时靠其侧面的挤压来传递扭矩。 特点：工艺性好，装配方便，适用于锥形轴与轮毂的联接 缺点：轴槽对轴的强度削弱较大。只适宜轻载联接。
楔键分为普通楔键和钩头楔键。普通楔键有圆头（A型） 、方头（B型）或单圆头（C型）三种。钩头楔键的钩头是为 了拆键用的。 3、楔键联接 拆卸空间 轮毂斜度1：100 安装时用 力打入 斜度1：100 普通楔键 勾头楔键 楔键分为普通楔键和钩头楔键。普通楔键有圆头（A型） 、方头（B型）或单圆头（C型）三种。钩头楔键的钩头是为 了拆键用的。 普通楔键 上、下面为工作表面，有1：100斜度（侧面有间隙）， 工作时打紧，靠上下面摩擦传递扭矩，并可传递小部分单 向轴向力
特 点 ：适用于低速轻载、精度要求不高。对中性较差， 力有偏心。不宜高速和精度要求高的联接，变载下易松动。 钩头只用于轴端联接，如在中间用键槽应比键长2倍才能装 入。且要罩安全罩
4、切向键 结构：两个斜度为1：100的楔键联接，上、下两面为工作面（打入），布置在圆周的切向 工作原理：靠工作面与轴及轮毂相挤压来传递扭矩 特点：能传递很大的转矩。当双向传递转矩时，需用两对切向键并分布成120°～130°。
（二）键的选择 键一般采用抗拉强度极限ss < 600 MPa的碳钢制造，通常用45钢。 ⑴ 类型选择：键的类型应根据键联接的结构、使用特性及工作条件来选择。选择时应考虑以下各方面的情况：需要传递转矩的大小；联接于轴上的零件是否需要沿轴滑动及滑动距离的长短；对于联接的对中性要求；键是否需要具有轴向固定的作用；以及键在轴上的位置（在轴的中部还是端部）等。 ⑵ 尺寸选择： 键的剖面尺寸b×h按轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般按轮毂宽度定，要求键长比轮毂略短5~10 mm，且符合长度系列值。
（三）键联接的强度校核 当平键联接用于传递扭矩时，键的侧面受挤压，截面a-a受剪切 失效形式：压溃（静联接——键、轴、毂中较弱者） 磨损（动联接） 键的剪断（很少，严重过载，沿a－a面剪断）
1、平键联接的强度校核 设载荷为均匀分布，可得平键联接的挤压强度条件： 1） 挤压强度条件 （3－19） 允许传递的扭矩： T——扭矩（Nmm）k——工作高度 k=h/2 d——轴径（mm） l——工作长度 A型键：l=L-b B型键：l=L C型键：l=L-b/2 L——公称长度 ——许用挤压应力(MPa)，教材表3-7
对于导向平键、滑键组成的动联接，计算依据是磨损，应限制压强，即 2）剪切强度条件 （3－20） 3）平键联接的耐磨性条件 对于导向平键、滑键组成的动联接，计算依据是磨损，应限制压强，即 （3－21） [ p ] ——许用压强(MPa)，教材表3-7 [τ] ——许用压强(MPa)，教材表3-7
2、半圆键联接强度校核 强度不够时，措施：1）双键，180°布置（按1.5个键计算） 三键，120°布置 2）增大轴径d↑ 3）增长L↑，但轮毂长↑受力不利 4）改用花键
二、花键联接 轴和轮毂孔周向均布多个凸齿和凹槽所构成的联接称为花键联接。齿的侧面是工作面。——适用于动、静联接 如图
（一）类型、特点和应用 1、特点： 1）齿较多、工作面积大、承载能力较高 2）键均匀分布，各键齿受力较均匀 3）齿槽线、齿根应力集中小，对轴的强度 削弱减少 4）轴上零件对中性好 5）导向性较好 6）加工需专用设备、制造成本高
2、花键类型 按齿形分： （1）矩形花键 （2）渐开线花键 矩形花键联接按新标准为内径定心，定心精度高，定心稳定性好，配合面均要研磨，磨削消除热处理后变形，应用广泛 定心方式为齿形定心，当齿受载时，齿上的径向力能自动定心，有利于各齿均载，应用广泛，优先采用
（二）花键联接的设计计算 三角形花键 齿数较多，齿较小，对轴 强度削弱小。适于轻载、直径 较小时及轴与薄壁零件的联接 应用较少 设计：选花键类型→按轴径定花键尺寸→验算联接强度 失效形式：①键齿的压溃（静联接） ②磨损（动联接） ③齿根剪断
设：工作载荷沿键的工作长度l均匀分布。且各齿面上压力的合力N作用在平均半径dm处，如图 挤压强度条件： 动联接（耐磨性条件）： T——传递扭矩（N.m） Z——花键齿数 l ——键齿工作长度（mm）dm——花键的平均直径 ψ——载荷分布不均系数 h——键齿侧面工作高度（mm）
三、其它联接 （一）销联接 定位销——主要用于零件间位置定位，左图，常用作组合加工和装配时的主要辅助零件。 联接销——主要用于零件间的联接或锁定，中图，可传递不大的载荷 安全销——主要用于安全保护装置中的过载剪断元件 ，右图
圆柱销——不能多于装拆（否则定位精度下降） 圆锥销——1：50锥度，可自锁，定位精度较高，允许多于装拆，且便于拆卸
特殊型式销 带螺纹锥销 开尾锥销 槽销 适用于承受振动 和变载荷的联接 销尾可分开，能防止松脱，多用于振动冲击场合 便于装拆， 可用于盲孔 适用于有冲 击的场合 开口销：是一种防松零件， 用于锁紧其它紧固件。 弹性圆柱销：用弹簧钢带卷制而成， 具有弹性，用于冲击振动场合
（二）过盈联接 1、过盈联接的类型与应用 利用两个被联接件本身的过盈配合来实现，其配合表面多为圆柱面，也有圆锥或其它形式的配合面
无辅助件——用于轴与轮毂联接，轮圈与轮芯的联接及滚动 轴承与轴及座孔的联接（左图） 有辅助件——借助于扣紧板或环将重型剖分零件2、4沿接缝 面3联接成一体，现大多由螺栓代替（右图）
2、过盈联接的工作原理与装配方法 工作原理： 利用包容件与被包容件的径向变形使配合面间产生很大压力，从而靠摩擦力来传递载荷 装配方法： 2、过盈联接的工作原理与装配方法 工作原理： 利用包容件与被包容件的径向变形使配合面间产生很大压力，从而靠摩擦力来传递载荷 装配方法： 1）压入法—利用压力机将被包容件压入包容件中，由于压入过程中表面微观不平度的峰尖被擦伤或压平，因而降低了联接的紧固性 2）温差法——加热包容件，冷却被包容件。可避免擦伤联接表面，联接牢固。
（三）型面联接 成形联接是利用非圆截面的轴与相应轮廓的毂孔配合而构成的联接。轴和毂孔有柱形和圆锥形等。 成形联接是利用非圆截面的轴与相应轮廓的毂孔配合而构成的联接。轴和毂孔有柱形和圆锥形等。 特点：没有应力集中源，对中性好，承载能力强，装拆方便，但加工不方便，需用专用设备，应用较少。另外成形面还有方形、六边形及切边圆形等，但对中性较差。
（四）胀紧联接 弹性环联接——利用锥面贴合并挤紧在轴毂之间用摩擦力传递扭矩，有过载保护作用（如图）。 弹性环的材料为高碳钢或高碳合金钢（65，70，55Cr2、60Cr2）并经热处理。锥角一般为12.5~17°，另外要求内、外环锥面配合良好。 特点：可传递较大扭矩和轴向力，无应力集中，对中性好，但加工要求较高，应用受限制。