机械设计基础ch07.ppt

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1、（时间：3次课，6学时）2021/9/231教学目标：连接可以使被连接件提高刚性、紧密性和疲劳强度，因此在机械设备中得到广泛应用。本章内容包括螺纹连接和键、销连接，通过学习将主要了解和学习螺纹连接和键、销连接的基本类型的选择和应用，并且能够进行基本的计算。对螺旋传动作了简单介绍。2021/9/232教学重点和难点：螺纹连接的基本类型、应用、预紧与防松。螺纹连接结构设计中应注意的事项。螺纹连接的强度计算。平键连接的类型及特点。正确选择平键连接的尺寸并对其强度进行校核计算。2021/9/233案例导入：图7-1所示为一机械手的手部结构，1为液压缸缸体，3为液压缸缸盖，当液压缸里充满液压油时，在油压

2、的作用下推动活塞杆4运动，实现手指5的松开和夹紧动作。液压缸缸体和缸盖之间的紧密连接由螺钉2来实现。通过本章的学习，便可设计出该连接。为了满足结构制造、安装、维修和运输等方面的要求，在机械中广泛采用各种连接。所谓连接，就是指被连接件与连接件的组合。起连接作用的零件，如键、销、铆钉、螺栓、螺母等称为连接件，被连接起来的零件，如轴、齿轮、箱盖和箱座等称为被连接件。但也有的连接中可以通过过盈连接来实现。连接的类型可按以下两种方式进行划分。(1)按组成连接件工作中相对位置是否变动，分为静连接和动连接。静连接如变速箱中箱盖与箱座的连接；动连接如变速箱中滑移齿轮与轴的连接。(2)按拆开有无损伤，分为可拆连

3、接和不可拆连接。可拆连接如键、销、螺纹连接等；不可拆连接如焊接、粘接、铆接等。2021/9/234图7-1 机械手手部结构1液压缸缸体；2螺钉；3液压缸缸盖；4活塞杆；5手指2021/9/2357.1 螺 纹 连 接 7.2 键连接和花键连接 7.3 销连接及应用 7.4 实验与实训 7.5 习 题 2021/9/236u7.1.1 螺纹的形成和主要参数 u7.1.2 常用螺纹的种类、特点和应用 u7.1.3 螺纹连接的类型、特点和应用 u7.1.4 螺纹连接应用中注意的几个问题 u7.1.5 螺纹连接的强度计算 u7.1.6 螺栓组连接的结构设计 u7.1.7 螺旋传动 2021/9/237

4、螺纹连接结构简单，拆装方便，工作可靠，互换性好，成本低廉，得到了广泛的应用。螺纹零件组成的螺旋副，可以传递运动和动力，称为螺旋传动。在本章中，将进行简单介绍。2021/9/2381.螺纹的形成螺旋线的形成原理，如图7-2所示。将一底边ab长为d的直角三角形abc绕在直径为d的圆柱体上，则三角形的斜边ac在圆柱体上便形成一条螺旋线。当取平面图形为三角形、矩形、梯形和锯齿形等，使其保持与圆柱体轴线共面状态，沿螺旋线运动，则该平面图形在圆柱体上所划过的形体称为螺纹。螺纹按牙型可分为三角形、矩形、梯形和锯齿形等(如图7-3所示)，三角形螺纹常用作连接螺纹，其他几种螺纹用作传动螺纹。螺纹有左、右旋之分，

5、常用的是右旋螺纹，如图7-4所示。2021/9/2392021/9/23102021/9/23112021/9/23122021/9/23132.管螺纹管螺纹(如图7-7所示)分为圆柱管螺纹和圆锥管螺纹两种，其公称直径是管子的内径，牙型角有55、60两种。牙顶有较大圆角，螺纹配合后没有径向间隙，能保证紧密旋合，防止泄漏。适用于管路连接。3.矩形螺纹矩形螺纹(如图7-8所示)牙型为正方形，牙型角=0。其传动效率较其他螺纹高，但牙根强度低，螺旋副磨损后，间隙难以修复和补偿，传动精度降低。目前已逐渐被梯形螺纹所替代。4.梯形螺纹梯形螺纹(如图7-9所示)牙型为等腰梯形，牙型角=30。与矩形螺纹相比，

6、传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好，梯形螺纹是最常用的传动螺纹。2021/9/2314图7-7 管螺纹 2021/9/23152021/9/23165.锯齿形螺纹锯齿形螺纹(如图7-10所示)牙型为不等腰梯形，工作面的牙侧角为3，非工作面的牙侧角为30，这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙根强度高的特点，但只能用于单向受力的螺纹连接或螺旋传动中，如螺旋压力机等。2021/9/2317图7-10 锯齿形螺纹 2021/9/2318螺纹连接的种类很多，基本类型有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺钉连接。1.螺栓连接如图7-11(a)所示，用螺栓穿过被连接件的孔，在螺栓的另一

7、端拧上螺母，把被连接件连接在一起。这种连接方法被连接件上的通孔和螺杆间留有间隙，通孔加工简便，成本低，装拆方便，应用最为广泛。这种连接方法主要用于被连接件不太厚并能从两端装拆的场合。如图7-11(b)所示，当螺栓承受横向载荷时，可选用铰制孔用螺栓连接。其通孔与螺栓杆多采用基孔制过渡配合(如H7/m6、H7/n6)。这种连接既能承受横向载荷，又能精确固定被连接件的相对位置，起定位作用，但孔的加工精度要求较高。2.双头螺柱连接如图7-12(a)所示，螺柱两端均有螺纹，一端拧紧在被连接件螺纹孔中，另一端穿过另一被连接件的通孔，套上垫圈，与螺母旋合。这种连接适用于被连接件之一太厚不宜制成通孔，且需要经

8、常拆装时的场合。3.螺钉连接如图7-12(b)所示，这种连接的特点是螺栓(或螺钉)穿过被连接件的孔后，直接拧入另一被连接件的螺纹孔中，在结构上比双头螺柱连接简单、紧凑。其用途和双头螺柱连接相似，但若经常拆装时，易使被连接件螺纹孔磨损失效，故多用于不需要经常拆装的场合。螺纹拧入深度取决于被连接件的材料。2021/9/23192021/9/23202021/9/23212021/9/23222021/9/23232021/9/23243)六角螺母如图7-16所示，根据螺母厚度不同，分为标准型和薄型两种。薄型螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合。4)垫圈垫圈常放在螺母和被连接件之间，平垫圈

9、起保护支撑表面的作用；弹簧垫圈用于摩擦防松；斜垫圈用于倾斜的支撑面上，如图7-17所示。5)螺钉螺钉头部有六角头、圆柱头、半圆头、沉头等形状。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等，如图7-18所示。6)紧定螺钉紧定螺钉的末端形状，常用的有锥端、平端和圆柱端，如图7-19所示。平端用于高硬度表面或经常拆卸处。圆柱端压入轴上的凹坑以紧定零件位置；锥销于低硬度表面或不常拆卸处。2021/9/2325图7-16 六角螺母2021/9/2326图7-17 垫圈 2021/9/2327图7-18 螺钉 2021/9/2328图7-19 紧定螺钉 2021/9/23292021/9/23302.螺纹连接的

10、防松通常在静载和温度变化不大时，普通螺纹连接能够满足自锁条件，不会自动松脱。但是，在冲击、振动或温度变化较大时，会使预紧力减小而引起连接松动。所以，在设计螺纹连接时，必须采取有效的防松措施。防松的目的在于防止螺纹副相对转动。按其工作原理防松方法可分为摩擦防松、机械防松和不可拆防松3类。1)摩擦防松摩擦防松是利用在螺旋副中产生不随外力变化的正压力，形成阻止螺旋副相对转动的摩擦力，常采用对顶螺母(如图7-21(a)所示)、弹簧垫圈(如图7-21(b)所示)和自锁螺母(如图7-21(c)所示)来实现防松的目的，这种方法适用于外部静止构件的连接，以及防松要求不严格的场合。2)机械防松机械防松是利用各种

11、止动件机械地限制螺旋副相对转动的方法。如图7-22所示的分别为利用开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝防松的示意图。这种方法可靠，但装拆麻烦，适用于机械内部运动构件的联结，以及防松要求较高的场合。3)不可拆防松不可拆防松是在螺旋副拧紧后用端铆、冲点、焊接、胶粘等措施，使螺纹连接不可拆卸的方法。这种方法简单可靠，适用于装配后不再拆卸的连接。2021/9/2331(a)对顶螺母防松 图7-21 摩擦防松 2021/9/23322021/9/23332021/9/2334螺纹连接包括螺栓连接、双头螺柱连接和螺钉连接等类型，以螺栓连接为例，讨论螺纹连接的强度计算方法。对单个螺栓连接而言，其受力形式

12、是受轴向力或受横向力两种。受拉螺栓的螺栓杆和螺纹可能发生塑性变形或断裂，主要失效形式是拉断，因而其设计准则是保证螺栓的静力或疲劳拉伸强度；而在横向力作用下，当采用铰制孔用螺栓时，螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或螺栓杆被剪断等，因而其设计准则是保证连接的挤压强度和螺栓的剪切强度。螺栓大多是成组使用的。在计算螺栓强度时，首先要求出螺栓组中受力最大螺栓所受的力，然后再按照单个螺栓进行强度计算。螺栓连接的设计计算就是依据其设计准则来确定螺纹小径d1，再根据有关标准来选定标准螺栓。这种方法同样适用于双头螺柱和螺钉连接的强度计算。2021/9/23352021/9/2336图7-23 松螺栓连接 20

13、21/9/23372.紧螺栓连接的强度计算紧螺栓连接在装配时就已拧紧，承受工作载荷之前，螺栓与被连接件已受到预紧力的作用。按所受工作载荷的方向紧螺栓连接分为受横向载荷的紧螺栓连接和受轴向载荷的紧螺栓连接两种。1)仅受预紧力的紧螺栓连接当普通螺栓连接承受横向载荷时(如图7-24所示)，在装配时必须拧紧螺母，利用被连接件接合面之间的压力产生的摩擦力来抵抗横向力。这时，螺栓仅承受预紧力作用，预紧力的大小应能保证接合面所产生的最大摩擦力不小于横向外载荷F。2021/9/2338图7-24 承受横向载荷的普通螺栓连接 2021/9/23392021/9/23402021/9/23412021/9/234

14、22021/9/23432021/9/23442021/9/23452021/9/23462021/9/2347性能等级456891012配对螺栓的性能等级3.6、4.6、4.83.6、4.6、4.8、5.6、5.86.88.88.8、9.810.912.9推荐材料易切削钢，低碳钢低碳钢或中碳钢中碳钢中碳钢，低、中碳合金钢，淬火并回火表7-3 螺母的性能等级 2021/9/23482021/9/23492021/9/2350螺栓组连接结构设计的主要目的在于合理地确定连接接合面的几何形状和螺栓的布置形式(如图2-28所示)，力求各螺栓和连接接合面间的受力均匀，便于加工和装配。设计时通常综合考虑以

15、下几个方面。1.连接接合面的几何形状连接接合面的几何形状通常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，而且便于对称布置螺栓，使螺栓组的对称中心和连接接合面的形心重合，从而保证连接接合面受力比较均匀。2.螺栓的数目和布置螺栓的布置应使各螺栓受力合理，分布在同一圆周上的螺栓数目，应取3、4、6、8、12等易于分布的数目，以便于钻孔和划线。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8个以上的螺栓，以免受载过于不均。当螺栓连接承受弯矩或扭矩时，应使螺栓的位置尽量远离翻转轴线，在如图7-28所示的两种结构中，图7-28(a)较为合理。当螺栓连接承受

16、转矩时，螺栓应尽量远离螺栓组形心，以减小螺栓的受力。为了减少所用螺栓的规格和提高连接的结构工艺性，对于同一螺栓组，通常采用相同的螺栓材料、直径和长度。2021/9/23512021/9/23522021/9/23532021/9/2354螺旋传动也是螺纹连接件组成，用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。属于动连接主要是梯形螺纹组成的螺旋副，可以承受双向工作载荷；锯齿形螺纹组成的螺旋副只能单方向工作。1.螺旋传动的类型与应用根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式主要有两种：如图7-30(a)所示的是螺母移动，螺杆转动(多用于机床的进给机构中)；如图7-30(b)所示的是

17、螺母固定，螺杆转动并移动(多用于螺旋起重器或螺旋压力机中)。螺旋传动按用途不同，可分为以下3种类型。1)传力螺旋传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的推力，用以克服工作阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度也不高，通常需有自锁能力。2)传导螺旋传导螺旋以传递运动为主，有时也承受较大的轴向力，如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋需要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此要求具有较高的传动精度。3)调整螺旋调整螺旋用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般

18、在空载下调整。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又可分为滑动螺旋(滑动摩擦)、滚动螺旋(滚动摩擦)和静压螺旋(流体摩擦)。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低(一般为3040)，磨损快，传动精度低等。滚动螺旋和静压螺旋的摩擦阻力小，传动效率高(一般为90以上)，但结构复杂，特别是静压螺旋还需要供油系统。因此，只有在高精度、高效率的重要传动中才宜采用，如数控、精密机床，测试装置或自动控制系统中的螺旋传动等。2021/9/23552021/9/23562021/9/2357u7.2.1 键连接的类型和应用 u7.2.2 平键连接的选择及计算 u7.2.3 花键

19、连接 2021/9/2358键连接可实现轴与轮毂之间的周向定位，同时传递扭矩；还有的轴上零件沿轴向移动时起导向作用。2021/9/2359键是一种标准零件，键连接结构简单，工作可靠，拆装方便，应用广泛。按其结构特点和工作原理，键连接可分为平键连接、半圆键连接和楔键连接等。1.平键连接图7-31所示为平键连接的结构形式。键的两侧面是工作面并与键槽两侧面配合，配合面相互挤压，以传递转矩，键的上表面与轮毂槽底面之间留有间隙。平键连接具有结构简单、工作可靠、装拆方便、对中性好等优点，因此，得到广泛应用。平键连接不能承受轴向力，对轴上零件不能起到轴向固定的作用。根据用途的不同，平键又可分为普通平键、导向

20、平键和滑键。1)普通平键普通平键用于轴与轮毂间的静连接，按键的端部形状分为圆头(A型)、平头(B型)和单圆头(C型)3种(如图7-31所示)。图中圆头平键的轴槽用指状铣刀加工，键在槽中固定良好，但键槽端部应力集中较大。平头平键用盘状铣刀加工，轴的应力集中较小。但对于尺寸较大的键，要用紧定螺钉拧紧，以防松动。单圆头平键用于轴端与轮毂的连接。2021/9/23602021/9/23612)导向平键和滑键当零件需作轴向移动时，可采用导向平键或滑键(如图7-32所示)，导向平键较长，需用螺钉固定在轴槽中，为便于装拆，在键上制出起键螺纹孔，以便拆卸时拧入螺钉使键退出键槽。当轴上零件滑移距离较大时，为避免

21、导向平键过长，宜采用滑键。滑键固定在轮毂上并随轮毂一起在轴槽中作轴向滑动。2.半圆键连接半圆键的两侧面是工作面(如图7-33所示)，半圆键能在轴槽中摆动，可适应轮毂键槽的倾斜，对中性好，装卸方便；但轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大。半圆键主要用于轻载和锥形轴端的连接。2021/9/2362(a)导向平键连接 2021/9/2363(b)滑键连接图7-32 导向平键连接和滑键连接 2021/9/2364图7-33 半圆键连接 2021/9/23653.楔键连接楔键键的上下两面是工作面(如图7-34所示)，键的上表面和轮毂键槽底面均有1100的斜度，装配时，靠两斜面楔紧产生的摩擦力传递转矩，并可承

22、受单方向的轴向力。由于楔键打入时造成轴与轮毂偏心，因此，楔键仅用于定心精度不高，载荷平稳和低速的场合。楔键分为普通楔键和钩头楔键两种，普通楔键有圆头和平头两种形式。钩头楔键便于拆卸，安装在轴端时，应注意加防护罩。4.切向键连接切向键连接如图7-35所示。切向键是由一对楔键拼合而成的，组合后其上下表面为工作面，且相互平行。切向键连接对轴的削弱较大，可传递大转矩，故常用于重载、对中性和精度要求不高、轴径较大(的场合。2021/9/2366图7-34 楔键连接 2021/9/2367图7-35 切向键连接 2021/9/23682021/9/23692021/9/23702021/9/2371202

23、1/9/2372花键连接是由轴和轮毂孔沿周向均布的许多键齿构成的连接(如图7-36所示)，键齿的两侧面为工作面。花键连接可用于静连接或动连接。花键连接的优点是齿数多，受力均匀，具有承载能力高，定心和导向性能好，对轴的削弱少、应力集中小等。缺点是需专用设备加工，成本较高。花键连接常用于重载、高速场合。花键连接按齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键两种。2021/9/2373图7-36 内、外花键 2021/9/23741.矩形花键矩形花键的齿廓为直线，容易制造，应用广泛。按键数和键高的不同，矩形花键分为轻中两个系列：轻系列用于较轻载荷的静连接；中系列用于中等载荷的连接。矩形花键采用小径定心(如图

24、7-37所示)。其定心精度高且稳定性好，得到了广泛应用。2.渐开线花键渐开线花键的齿廓为渐开线，受载时齿面上有径向力，起自动定心作用，使各齿均匀承载，根部强度高。渐开线花键可以用制造齿轮的方法来加工，工艺性好，加工精度高。因此，渐开线花键连接常用于传递载荷较大、轴径较大、大批量及重要的场合。渐开线花键的定心方式为齿形定心，如图7-38所示。2021/9/2375图7-37 矩形花键 2021/9/2376图7-38 渐开线花键 2021/9/2377销在机器中可以起定位和连接的作用。用来固定零件之间的相对位置的销，称为定位销(如图7-39所示)，它是组合加工和装配时的重要辅助零件；用来连接的销

25、称为连接销(如图7-40所示)，可传递不大的载荷。2021/9/2378图7-39 定位销 2021/9/2379图7-40 连接销 2021/9/23802021/9/2381实验目的l掌握螺纹连接的设计方法。l掌握各种连接的特点、正确绘制各种连接方式。2021/9/2382实验内容实训1 设液压缸内的油压为5MPa，设计图7-1所示的螺纹连接。实训2 指出图7-42所示中的错误结构，并画出正确的结构图。2021/9/23832021/9/23842021/9/2385实验总结通过本章实验，学员应该掌握螺纹连接的设计方法；掌握各种连接的特点；正确绘制各种连接方式。2021/9/2386选择题

26、(1)在常用的螺旋传动中，传动效率最高的螺纹是()。A.三角形螺纹 B.梯形螺纹C.锯齿形螺纹 D.矩形螺纹(2)当两个被连接件不太厚时，宜采用()。A.双头螺柱连接 B.螺栓连接 C.螺钉连接 D.矩形螺纹(3)当两个被连接件之一不太厚，不宜成通孔，且需要经常拆装时，往往采用()。A.螺栓连接 B.螺钉连接 C.双头螺柱连接 D.紧定螺钉连接(4)在拧紧螺栓连接时，控制拧紧力矩有很多方法，例如()。A.增加拧紧力 B.增加扳手力臂C.使用测力矩扳手或定力矩扳手(5)螺纹连接防松的根本问题在于()。A.增加螺纹连接能力 B.增加螺纹连接的横向力C.防止螺纹副的相对转动 D.增加螺纹连接的刚度2

27、021/9/2387简答题(1)什么螺纹连接大多数要预紧？什么叫螺纹连接的预紧力？(2)螺纹连接为什么要防松？防松的根本问题是什么？(3)防松的基本原理有哪几种？具体的防松方法和装置各有哪些？(4)半圆键连接与普通平键连接相比，有什么优缺点？它适用于什么场合?(5)销有哪几种类型？各用于何种场合？2021/9/2388(6)螺纹连接预紧的目的之一是()。A.增加连接的可靠性和紧密性 B.增加被连接件的刚性 C.减小螺栓的刚性(7)普通平键连接的主要用途是使轴与轮毂之间()。A.沿轴向固定并传递轴向力 B.沿轴向可作相对滑动并具有导向作用C.沿周向固定并传递转矩D.安装与拆卸方便(8)键的剖面尺

28、寸通常是根据()按标准选择。A.传递转矩的大小 B.传递功率的大小C.轮毂的长度 D.轴的直径(9)平键连接时，其工作面为()。A.键两侧面 B.键的底面 C.键的顶面 (10)楔键和()两者的接触面都具有1100的斜度。A.轴上键槽的底面 B.轮毂上键槽的底面 C.键槽的侧面2021/9/2389简答题(1)什么螺纹连接大多数要预紧？什么叫螺纹连接的预紧力？(2)螺纹连接为什么要防松？防松的根本问题是什么？(3)防松的基本原理有哪几种？具体的防松方法和装置各有哪些？(4)半圆键连接与普通平键连接相比，有什么优缺点？它适用于什么场合?(5)销有哪几种类型？各用于何种场合？2021/9/2390实作题(1)如图7-43所示，两根梁用8个4.6级普通螺栓与两块钢盖板相连接，梁受到的拉力F=28kN，摩擦系数f=0.2，控制预紧力，试确定所需螺栓的直径。(2)如图7-44所示，一蜗杆减速箱体1与箱盖2用8个粗牙普通螺纹双头螺柱连接。各双头螺柱连接的结构如图7-44所示。作用在箱盖上的外载荷，方向向上，与双头螺柱轴线平行。各螺柱担负的外载荷相同。双头螺柱用35号钢制造，试确定其直径(不控制预紧力)。2021/9/2391图7-43 实作题(1)2021/9/2392图7-44 实作题(2)2021/9/23932021/9/2394