《機械設(shè)計基礎(chǔ) 》課件第15章

第15章聯(lián)接15.1鍵聯(lián)接

15.2花鍵聯(lián)接

15.3銷聯(lián)接

15.4螺紋聯(lián)接思考與練習(xí)題聯(lián)接是將兩個或兩個以上的零件組合成一體的結(jié)構(gòu)。為了便于機器的制造、安裝、運輸?shù)瘸２捎貌煌穆?lián)接。聯(lián)接按是否可拆分為兩大類。

(1)可拆聯(lián)接。允許多次裝拆，不會破壞或損傷聯(lián)接中的任何一個零件，如鍵聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和銷聯(lián)接等。

(2)不可拆聯(lián)接。若不破壞或損傷聯(lián)接中的零件就不能將聯(lián)接拆開，如焊接、鉚接、粘接和過盈聯(lián)接等。

聯(lián)接還可以分為動聯(lián)接和靜聯(lián)接。在機器工作時，被聯(lián)接件之間可以有相對運動的聯(lián)接稱為動聯(lián)接，如各種運動副。反之，稱為靜聯(lián)接，如普通平鍵聯(lián)接。本章以普通平鍵聯(lián)接和螺紋聯(lián)接為主，介紹聯(lián)接的工作原理、類型、特點和應(yīng)用，從分析聯(lián)接的失效形式與設(shè)計準則入手，介紹聯(lián)接用零件及聯(lián)接設(shè)計的思路方法，指出使用及維護中應(yīng)注意的問題。

15.1.1鍵聯(lián)接的類型和應(yīng)用

鍵是標準件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向移動的導(dǎo)向。鍵聯(lián)接的主要類型有：平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。平鍵聯(lián)接和半圓鍵聯(lián)接為松鍵聯(lián)接，楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接為緊鍵聯(lián)接。15.1鍵聯(lián)接

1.松鍵聯(lián)接

松鍵聯(lián)接中，鍵的兩個側(cè)面是工作面，工作時靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間留有間隙(如圖15-1(a)所示)。該類型聯(lián)接對中性好，裝拆方便。

1)平鍵聯(lián)接

如圖15-1(a)所示為平鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)形式。平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、對中性好，裝拆方便等特點，因而得到廣泛應(yīng)用。但平鍵聯(lián)接不能承受軸向力，因而對軸上的零件不能起到軸向固定的作用。按用途不同，平鍵可分為普通平鍵、導(dǎo)向平鍵和滑鍵三種。普通平鍵用于靜聯(lián)接；導(dǎo)向平鍵用于移動距離較小的動聯(lián)接；滑鍵用于移動距離較大的動聯(lián)接。

圖15-1普通平鍵聯(lián)接

(1)普通平鍵。普通平鍵按構(gòu)造分為圓頭(A型)、平頭(B型)及單圓頭(C型)三種，如圖15-1(b)、(c)和(d)所示。普通平鍵和鍵槽尺寸見表15-1。

①圓頭平鍵軸上的鍵槽用端銑刀加工(如圖15-2(a)所示)，鍵在槽中固定良好，但軸上鍵槽端部的應(yīng)力集中較大。

②平頭平鍵軸上的鍵槽用盤銑刀加工(如圖15-2(b)所示)，其應(yīng)力集中較小，但鍵在軸上的軸向固定不好。

③單圓頭平鍵常用于軸的端部聯(lián)接，軸上鍵槽常用端銑刀銑通。

表15-1普通平鍵和鍵槽的尺寸(摘自GB1095—79、GB1096—79)mm續(xù)圖15-2鍵槽加工方法

(2)導(dǎo)向平鍵。當被聯(lián)接的輪轂類零件在工作過程中須在軸上作較小距離的軸向移動時，則采用導(dǎo)向平鍵，如圖15-3(a)所示。導(dǎo)向平鍵較長，應(yīng)用螺釘固定在軸上的鍵槽中，為了便于拆卸，鍵上制有起鍵螺孔，以便擰入螺釘使鍵退出鍵槽。軸上的傳動零件可沿鍵作軸向滑移，如變速箱中的滑移齒輪。

(3)滑鍵。當軸上零件滑移距離較大時，因所需導(dǎo)向鍵的尺寸過大，制造困難，故采用滑鍵，如圖15-3(b)和(c)所示?；I固定在輪轂上，輪轂帶動滑鍵在軸上的鍵槽中作軸向滑移。這樣只需在軸上銑出較長的鍵槽，而鍵也可以做得較短。

圖15-3導(dǎo)向平鍵聯(lián)接和滑鍵聯(lián)接

2)半圓鍵聯(lián)接

半圓鍵聯(lián)接如圖15-4所示。半圓鍵能在軸的鍵槽內(nèi)擺動，以適應(yīng)輪轂鍵槽底面的斜度，特別適合錐形軸端的聯(lián)接。它的缺點是鍵槽對軸的削弱較大，只適合于輕載聯(lián)接。

圖15-4半圓鍵聯(lián)接

2.緊鍵聯(lián)接

1)楔鍵聯(lián)接

楔鍵聯(lián)接用于靜聯(lián)接，如圖15-5所示。楔鍵上、下面是工作表面，上表面有1∶100的斜度，輪轂鍵槽底面也有1∶100的斜度。裝配后，鍵的上、下表面與輪轂和軸上鍵槽的底面壓緊；工作時靠工作表面的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，并能承受單向軸向力和起軸向固定作用。楔鍵分為普通楔鍵(如圖15-5(a)所示)和鉤頭楔鍵(如圖15-5(b)所示)兩種。楔鍵聯(lián)接時，由于工作表面產(chǎn)生很大預(yù)緊力，軸和輪轂的配合會產(chǎn)生偏心和偏斜。因此楔鍵聯(lián)接主要用于輪轂類零件的定心精度要求不高和低轉(zhuǎn)速的場合。

圖15-5楔鍵聯(lián)接

2)切向鍵聯(lián)接

切向鍵是由一對斜度為1∶100的楔鍵組成的，如圖15-6(a)所示。裝配時，兩個鍵分別自輪轂兩端楔入，裝配后兩個相互平行的窄面是工作面；工作時依靠工作面的擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩。一對切向鍵只能傳遞單向轉(zhuǎn)矩，當傳遞雙向轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)裝配兩對相互成120°～130°的切向鍵，如圖15-6(b)所示。切向鍵能傳遞很大的轉(zhuǎn)矩，常用于重型機械。

圖15-6切向鍵聯(lián)接15.1.2平鍵聯(lián)接的選擇和強度計算

1.鍵的類型選擇

選擇鍵的類型主要考慮以下幾個因素：傳遞轉(zhuǎn)矩大?。粚χ行砸?；輪轂是否需要作軸向移動及滑移距離大小；鍵在軸的中部或端部等。

2.鍵的尺寸選擇

平鍵的主要尺寸為鍵寬b、鍵高h和鍵長L。設(shè)計時，根據(jù)軸的直徑d從表15-1所列標準中選擇平鍵的寬度b和高度h；鍵的長度L略小于輪轂的長度(一般比輪轂長度短5～10mm)，并符合標準中規(guī)定的長度系列。

3.平鍵的強度校核

平鍵工作時的受力情況如圖15-7所示，鍵受到剪切和擠壓作用。實踐證明，其主要失效形式是鍵、軸和輪轂中強度較弱的工作表面被壓潰(對靜聯(lián)接)或磨損(對動聯(lián)接)。因此，一般只需校核擠壓強度(對靜聯(lián)接)或壓強(對動聯(lián)接)。設(shè)載荷沿鍵長均勻分布，則靜聯(lián)接的擠壓強度條件為

(15-1)

動聯(lián)接的壓強條件為

圖15-7平鍵工作時的受力

(15-2)

式中:T為傳遞的轉(zhuǎn)矩(N·mm)；d為軸的直徑(mm)；b為鍵的寬度(mm)；h為鍵的高度(mm)；l為鍵的有效工作長度(mm)，A型鍵l＝L－b，B型鍵l＝L，C型鍵l＝L－b/2；［σjy］、［p］分別為聯(lián)接中最薄弱材料的許用擠壓應(yīng)力和許用壓強(MPa)(見表15-2)。

表15-2鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力和許用壓強MPa經(jīng)校核若聯(lián)接強度不夠，可采取以下措施：

(1)適當增加輪轂和鍵的長度，但鍵長不宜大于2.5d。

(2)用兩個鍵相隔180°布置，考慮到載荷分布的不均勻性，只能按1.5個鍵作強度計算。

花鍵聯(lián)接由具有周向均勻分布的多個鍵齒的花鍵軸和具有同樣數(shù)目鍵槽的輪轂組成，如圖15-8(a)所示?；ㄦI依靠鍵齒側(cè)面的擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩，因為是多齒傳遞載荷，所以承載能力強。由于齒槽淺，故對軸的削弱小，應(yīng)力集中小，且具有定心好和導(dǎo)向性能好等優(yōu)點，但需要專用設(shè)備加工，生產(chǎn)成本高。15.2花鍵聯(lián)接花鍵聯(lián)接適用于定心精度要求高、載荷大或經(jīng)?；频穆?lián)接中?；ㄦI聯(lián)接按齒形分為矩形花鍵(如圖15-8(b)所示)和漸開線花鍵(如圖15-8(c)所示)。矩形花鍵齒形簡單，易于制造，應(yīng)用廣泛。漸開線花鍵齒根厚，強度高，加工工藝性好，適用于載荷較大及尺寸較大的聯(lián)接。

圖15-8花鍵聯(lián)接

銷的主要用途是固定零件間的相互位置，并可傳遞不大的轉(zhuǎn)矩，也可作為安全裝置中的過載剪斷元件。

按銷的形狀不同可分為圓柱銷(如圖15-9(a)所示)和圓錐銷(如圖15-9(b)、(c)所示)。圓柱銷利用過盈配合固定，多次拆卸會降低其定位精度和可靠性。圓錐銷常用的錐度為1∶50，裝配方便，定位精度高，多次拆卸不會影響其定位精度。15.3銷聯(lián)接

圖15-9銷聯(lián)接

螺紋聯(lián)接是利用螺紋零件構(gòu)成的可拆聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中。15.4螺紋聯(lián)接15.4.1螺紋的類型及主要參數(shù)

1.螺紋的類型

螺紋按螺旋線的旋向可分為左旋螺紋和右旋螺紋，一般多用右旋螺紋。螺紋按螺旋線的數(shù)目可分為單線螺紋、雙線螺紋和多線螺紋，聯(lián)接一般多用單線螺紋。按牙型螺紋可分為三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和鋸齒形螺紋(如圖15-10所示)，聯(lián)接一般用三角形螺紋。按螺紋是在外表面或內(nèi)表面可分為外螺紋和內(nèi)螺紋，內(nèi)、外螺紋組成螺旋副。

圖15-10常用螺紋的牙型

2.螺紋的主要參數(shù)

現(xiàn)以普通螺紋即米制三角形螺紋為例，說明螺紋的主要參數(shù)，如圖15-11所示。

(1)大徑d(D):外(內(nèi))螺紋的公稱直徑。

(2)小徑d1(D1):外(內(nèi))螺紋的最小直徑。

(3)中徑d2(D2):外(內(nèi))螺紋的平均直徑。

(4)螺距P:相鄰兩螺牙上對應(yīng)點間的軸向距離。

(5)線數(shù)n:螺旋線的數(shù)目，一般n≤4。圖15-11螺紋的主要參數(shù)

(6)導(dǎo)程L:在同一條螺紋上相鄰兩螺牙上對應(yīng)點間的軸向距離。若螺紋線數(shù)為n，則L＝nP。

(7)螺紋升角λ:在中徑圓柱上，螺旋線的切線與端面之間的夾角，

(8)牙型角α:在軸向剖面內(nèi)，相鄰螺紋牙型兩側(cè)邊間的夾角。

(9)牙側(cè)角β:在軸向剖面內(nèi)，螺紋牙型側(cè)邊與螺紋軸線的垂線間的夾角。對于對稱牙型，β＝α/2。15.4.2螺紋聯(lián)接的基本類型、結(jié)構(gòu)尺寸及應(yīng)用

1.聯(lián)接用螺紋

聯(lián)接采用三角形螺紋，主要有普通螺紋和管螺紋。普通螺紋有粗牙和細牙之分。同一大徑d有多種螺距P，螺距最大的為粗牙螺紋，其余為細牙螺紋。粗牙螺紋廣泛應(yīng)用于各種聯(lián)接中；細牙螺紋適用于薄壁零件的緊密聯(lián)接，用于不常拆卸的地方。管螺紋分為非螺紋密封用的管螺紋和用螺紋密封的管螺紋。用螺紋密封的管螺紋又分為圓柱管螺紋和圓錐管螺紋。圓柱管螺紋廣泛應(yīng)用于水、煤氣等管道聯(lián)接；圓錐管螺紋聯(lián)接密封性好、不用填料，適用于密封要求高的管道聯(lián)接。普通螺紋基本尺寸見表15-3。

表15-3普通螺紋基本尺寸mm2.螺紋聯(lián)接的類型

螺紋聯(lián)接有四種基本類型(如圖15-12所示)。

(1)螺栓聯(lián)接。螺栓聯(lián)接是螺紋聯(lián)接的一般形式，這種聯(lián)接用于被聯(lián)接件不太厚和便于加工通孔的場合。螺檢聯(lián)接可以分為：

①普通螺栓聯(lián)接(如圖15-12(a)所示)。螺栓桿與孔之間有間隙，桿與孔的加工精度要求低，聯(lián)接時需擰緊螺母。普通螺栓聯(lián)接拆裝方便，應(yīng)用最為廣泛。

②鉸制孔用螺栓聯(lián)接(如圖15-12(b)所示)。螺栓桿與孔之間沒有間隙，桿與孔的加工精度要求高，能承受橫向載荷，也能起定位作用。

(2)螺釘聯(lián)接(如圖15-12(c)所示)。螺釘直接旋入被聯(lián)接件的螺紋孔中，省去了螺母。其結(jié)構(gòu)簡單，適用于盲孔，但不宜經(jīng)常拆卸，以免損壞內(nèi)螺紋而難以修復(fù)。

(3)雙頭螺柱聯(lián)接(如圖15-12(d)所示)。螺柱兩端都有螺紋，一端旋入被聯(lián)接件，另一端由螺母旋入，多用于被聯(lián)接件之一較厚或采用盲孔，且需要經(jīng)常拆卸的場合。

(4)緊定螺釘聯(lián)接(如圖15-12(e)所示)。常用來固定兩零件的相對位置，并可傳遞不大的轉(zhuǎn)矩。

圖15-12螺紋聯(lián)接的類型圖15-12螺紋聯(lián)接的類型 螺紋余留長度l1為：

座端擰入深度H，當螺孔材料為：

靜載荷l1≥(0.3~0.5)d

鋼或青銅H≈d

變載荷l1≥0.75d

鑄鐵H＝(1.25~1.5)d

沖擊載荷或彎曲載荷l1≥d

鋁合金H＝(1.5~2.5)d

鉸制孔用螺栓l1盡可能小

螺紋孔深度螺紋H1＝H＋(2~2.5)P

螺紋伸出長度a＝(0.2~0.3)d

鉆孔深度H2＝H1＋(0.5~1)d

螺栓軸線到邊緣的距離e＝d＋(3~6)mm圖15-12螺紋聯(lián)接的類型15.4.3螺紋聯(lián)接件

螺紋聯(lián)接件大多已有國家標準，設(shè)計時一般根據(jù)大徑d(D)按標準選用。

1.螺栓

螺栓的頭部形狀很多，常用的有標準六角頭和小六角頭兩種(如圖15-13所示)。由冷鐓法生產(chǎn)的小六角頭螺栓具有用材省、生產(chǎn)率高、力學(xué)性能好等優(yōu)點。但其頭部尺寸較小，不宜用于頻繁拆卸、被聯(lián)接件強度低和容易銹蝕的地方。

圖15-13螺栓

2.雙頭螺柱

雙頭螺柱(如圖15-14所示)旋入被聯(lián)接件螺紋孔的一端稱為座端，與螺母相配合的一端稱為螺母端。

圖15-14雙頭螺柱

3.螺釘和緊定螺釘

螺釘和緊定螺釘?shù)念^部有內(nèi)六角頭、十字槽頭、開槽頭等多種形式(如圖15-15(a)所示)，以適應(yīng)不同擰緊方法的要求。緊定螺釘用末端頂住被聯(lián)接件，其末端形式有錐端、平端、凹端、圓柱端等(如圖15-15(b)所示)。

圖15-15螺釘和緊定螺釘

4.螺母

螺母的形狀也很多，常用的有六角螺母(如圖15-16所示)和圓螺母(如圖1517所示)。六角螺母可分為普通螺母、薄螺母、厚螺母。薄螺母用于高度尺寸受到限制的地方，厚螺母用于經(jīng)常拆卸、容易磨損的地方。圓螺母常與止動墊圈配合使用，用于軸上零件的軸向固定。

圖15-16六角螺母

圖15-17圓螺母

5.墊圈

墊圈的作用是增大被聯(lián)接件的支承面，降低支承面的壓強，防止擰緊螺母時擦傷被聯(lián)接件的表面。常用的墊圈有普通墊圈(如圖15-18(a)所示)和彈簧墊圈(如圖1518(b)所示)。

圖15-18墊圈15.4.4螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松

1.螺紋聯(lián)接的預(yù)緊

一般螺紋聯(lián)接在裝配時都必須擰緊(稱為預(yù)緊)，這時螺紋受到預(yù)緊力的作用。預(yù)緊的目的是防止工作時聯(lián)接出現(xiàn)縫隙和滑移，保證聯(lián)接的緊密性和可靠性。如果預(yù)緊力過小，會使聯(lián)接不可靠；如果預(yù)緊力過大，容易將螺栓拉斷。

對于一般聯(lián)接，可憑借經(jīng)驗來控制預(yù)緊力的大小，但對于重要的聯(lián)接必須經(jīng)過嚴格測定來控制預(yù)緊力的大小。小批量生產(chǎn)可使用測力矩扳手來控制預(yù)緊力的大小，大批量生產(chǎn)時，常用風(fēng)扳機來控制預(yù)緊力的大小，當力矩達到額定數(shù)值時，風(fēng)扳機中的離合器會自動脫開。

2.螺紋聯(lián)接的防松

螺紋聯(lián)接是利用螺紋的自鎖性來達到聯(lián)接要求的，一般情況下不會松動。但是，在沖擊、振動、變載、溫度變化較大時螺紋會產(chǎn)生自動松脫。因此，在設(shè)計螺紋聯(lián)接時必須考慮防松。螺紋聯(lián)接防松的根本問題是阻止螺旋副相對轉(zhuǎn)動。防松的方法很多，常用的防松方法見表15-4。表15-4常用防松方法續(xù)表續(xù)表15.4.5螺栓聯(lián)接的失效形式

普通螺栓的主要失效形式是螺栓桿或螺紋部分的塑性變形和斷裂；鉸制孔用螺栓的失效形式是螺栓桿被剪斷、螺栓桿或孔壁被壓潰；經(jīng)常拆卸時會因磨損產(chǎn)生滑扣。15.4.6提高螺栓聯(lián)接強度的措施

1.改善螺紋牙間的載荷分布

由于螺栓和螺母的剛度不同、變形不同，因此各牙受力不均勻。從螺母支承面算起，第一圈承載最大，以后各圈遞減，到第8～10圈以后，螺紋幾乎不受載荷。為改善各牙受力分布不均勻，可采用懸置螺母(如圖15-19(a)所示)、內(nèi)斜螺母(如圖15-19(b)所示)、環(huán)槽螺母(如圖15-19(c)所示)等，使螺紋牙間的載荷分配趨于均勻，以提高螺栓的強度。

圖15-19均載螺母結(jié)構(gòu)

2.減小應(yīng)力集中

適當增大螺紋牙根過渡處圓角半徑，在螺紋結(jié)束部位采用退刀槽等方法，都能使截面變化均勻，減小應(yīng)力集中，提高螺栓的疲勞強度。

3.避免附加應(yīng)力

由于各種原因，可能使螺栓承受附加彎曲應(yīng)力，這對螺栓疲勞強度影響很大，這種情