第十章聯接

(connection)聯接是指被聯接件與聯接件的組合。聯接件又稱緊固件，如螺栓、螺母、銷、鉚釘等。有些聯接沒有專門的緊固件，如靠被聯接件本身變形組成的過盈配合聯接、利用分子結合力組成分焊接和粘接等。聯接有可拆的和不可拆的。允許多次拆裝而無損于使用性能的聯接稱為可拆連接，如螺紋聯接、鍵聯接和銷聯接。若不損壞組成零件就不能拆開的聯接稱為不可拆聯接，如焊接、粘接和鉚接。過盈配合聯接可做成可拆的，也可以作成不可拆的?！?0-1螺紋

(screwthread)將一個直角三角形沿底邊與一圓柱體底面圓周復合而繞在圓柱體上，則其斜邊在圓柱體表面形成一條螺旋線。取一平面圖形，使它沿著螺旋線運動，運動時保持此圖形通過圓柱體的軸線，就得到螺紋。按平面圖形的形狀，螺紋分為三角形、矩形、梯形、鋸齒形等。一、螺紋的形成

二、螺紋的類型按形成螺紋的圖形分：三角形螺紋矩形螺紋鋸齒形螺紋梯形螺紋按螺旋線的旋向分：左旋螺紋右旋螺紋按螺旋線的數目分：單線螺紋雙線螺紋多線螺紋按螺紋形成表面分：內螺紋外螺紋按螺紋形成的母體形狀分：圓柱螺紋圓錐螺紋

三、螺紋的主要參數大徑d與外螺紋牙頂（或內螺紋牙底）相重合的假想圓柱體的直徑小徑d1與外螺紋牙底（或內螺紋牙頂）相重合的假想圓柱體的直徑中徑d2螺紋牙厚與牙間寬相等處的假想圓柱體的直徑螺距P螺紋相鄰兩牙型上對應兩點間的軸向距離導程S同一螺旋線上的相鄰兩牙在中經線上對應兩點間的軸向距離。設螺旋線數為n，則

。升角λ中徑d2圓柱上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角牙型角α軸向剖面內螺紋牙型相鄰兩側邊間的夾角牙側角β牙型側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角S＝nP三、螺紋的受力分析、效率和自鎖1、矩形螺紋矩形螺紋的牙型斜角β＝0在軸向載荷作用下螺旋副相對運動時，可看作推動滑塊沿螺紋運動。將矩形螺紋沿中徑d2展開可得一斜面，圖中λ為螺旋升角。設Q為軸向載荷，F為作用于中徑處的水平推力，N為法向反力，fN為摩擦力，f為摩擦系數，ρ為摩擦角。當推動滑塊沿斜面等速上升時，摩擦力向下，故總反力R與Q的夾角為λ＋ρ。由力的平衡條件可知，R、F和Q三力組成力多邊形封閉圖，由圖可得當推動滑塊沿斜面等速下滑時，軸向載荷Q變為驅動力而F變為支持力。由力多邊形封閉圖可得F＝Qtg（λ＋ρ）F＝Qtg（λ－ρ）2、非矩形螺紋非矩形螺紋是指牙型斜角β≠0的三角形螺紋、梯形螺紋和鋸齒型螺紋在軸向載荷Q作用下，非矩形螺紋的法向力比矩形螺紋大。若把法向力的增加看作摩擦系數的增加，則非矩形螺紋的摩擦阻力可寫為式中f′為當量摩擦系數，即其中ρ′為當量摩擦角；β為牙型斜角。當推動滑塊沿斜面等速上升時，可得水平推力驅動力矩驅動力矩用來克服螺旋副的摩擦阻力和升起重物。螺紋副的效率是有效功與輸入功之比。若按螺旋傳動一圈計算，輸入功為2πT，此時升舉滑塊（重物）所作的有效功為QS，故螺旋副效率為當滑塊沿非矩形螺紋等速下滑時，可得當λ＜ρ′時，F為負值，表明要使滑塊下滑必須改變力F的方向，即必須施加推動力。否則單憑軸向載荷Q的作用，無論多大，滑塊不會自動下滑。這種現象稱為螺旋副的自鎖，自鎖條件：λ≤ρ′F＝Qtg（λ＋ρ′）F＝Qtg（λ－ρ′）四、機械制造常用螺紋1、三角形螺紋普通螺紋——緊固連接管螺紋——緊密連接粗牙螺紋細牙螺紋以大徑d為公稱直徑同一公稱直徑可以有多種螺距的螺紋，其中螺距最大的螺紋——粗牙螺紋，其余的螺紋均為細牙螺紋。細牙螺紋的升角小，小徑大，因而自鎖性能好、強度高，但不耐磨、易滑扣，適用于薄壁零件、受動載荷的聯接、微調機構的調整。

2、矩形螺紋當量摩擦因數最小，效率較其他螺紋高壓根強度低，難于精確加工，磨損后間隙難以補償3、梯形螺紋牙型側角β＝15o，比三角形螺紋的要小。比矩形螺紋容易切制，有較大的間隙以便存儲潤滑油4、鋸齒型螺紋牙型側角β＝3o，效率比梯形螺紋高只適合于承受單方向的軸向載荷三角形螺紋用于聯接矩形、梯形、鋸齒型螺紋用于傳動

例10－1試計算粗牙普通螺紋M10和M68的螺紋升角；說明在靜載荷下這兩種螺紋能否自鎖（已知摩擦系數f＝0.1～0.15）解：（1）螺紋升角由表10－1查得M10的螺距P＝1.5mm，中徑d2＝9.026mm；M68的P＝6mm，d2＝64.103mm。對于M10對于M68（2）自鎖性能普通螺紋的牙型斜角＝30o

，按摩擦系數f＝0.1計算，相應的當量摩擦角為λ≤ρ′，能自鎖§10-2螺紋聯接的類型及螺紋緊固件一、螺紋聯接基本類型1、螺栓聯接

(bolt)被連接件上不必切制螺紋，拆裝方便，成本低，應用最廣（1）普通螺栓聯接裝配后孔與桿間有間隙，結構簡單，拆裝方便，成本低，應用最廣。（2）鉸制孔用螺栓聯接螺栓桿與孔壁之間沒有間隙。適用于承受橫向載荷。2、雙頭螺柱聯接

(stud)用于較厚的被聯接件或為了結構緊湊必須采用盲孔的聯接。裝配時一端擰入被聯接件的螺紋孔中，另一端穿過被聯接件的通孔，再擰上螺母。允許多次拆裝而不損壞聯接零件。

3、螺釘聯接

(screw)螺釘直接旋入被聯接件的螺紋孔中，省去了螺母，結構上比雙頭螺柱簡單。但這種聯接不宜經常拆裝，以免被聯接件的螺紋孔磨損而導致修復困難。4、緊定螺釘聯接

(holdingscrew)用來固定兩零件的相對位置，并可傳遞不大的力或轉矩特殊聯接：地腳螺栓聯接,吊環螺釘聯接

二、螺紋緊固件

1、螺栓頭部形狀：六角頭，小六角頭2、雙頭螺柱旋入被聯接件螺紋孔的一端稱為座端，另一端為螺母端

3、螺釘、緊定螺釘頭部形狀有內六角頭、十字槽半圓頭、十字槽沉頭等。緊定螺釘末端要頂住被聯接件之一的表面或相應的凹坑，所以末端也有各種形狀（錐端、平端、凹端、圓柱端、圓尖端）4、螺母5、墊圈螺母的形狀有六角的、圓的等，六角螺母又有厚薄的不同，扁螺母用于尺寸受到限制的地方，厚螺母用于經常拆裝易于磨損之處。圓螺母常用于軸上零件的軸向固定。增加被聯接件的支承面積以減少接觸處的壓強避免擰緊螺母時擦傷被聯接件的表面§10-3螺紋聯接的預緊和防松除個別情況外，螺紋聯接在裝配時都必須擰緊，這時螺紋聯接受到預緊力的作用。一、擰緊力矩螺紋聯接的擰緊力矩T，用來克服螺紋副相對轉動的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2。式中Q0——預緊力；d2——螺紋中徑；fc——螺母與被聯接件支承面之間的摩擦系數，無潤滑時可取fc＝0.15；rf——支承面摩擦半徑，rf≈（D＋d）/4，其中D、d為螺母支承面的外徑和內徑。對于M10～M68的粗牙螺紋，若取f′＝tgρ′＝0.15及fc＝0.15，則T≈0.2Q0d

為了充分發揮螺栓的工作能力和保證預緊可靠，螺栓的預緊應力一般可達材料屈服極限的50％～70％。小直徑的螺栓裝配時應施加小的預緊力矩，否則容易將螺桿拉斷。對重要的有強度要求的螺栓聯接，如無控制擰緊力矩的措施，不宜采用小于M12～M16的螺栓。通常螺紋聯接擰緊的程度是憑人工經驗來決定的。為了保證裝配質量，重要的螺紋聯接應按計算值控制擰緊力矩。較方便的方法是使用測力矩扳手，較精確的方法是測量擰緊時螺栓的伸長變形量。

二、螺紋聯接的防松在靜載荷和工作溫度變化不大的情況下，擰緊的螺紋聯接件因滿足自鎖性條件，一般不會自動松脫。但在沖擊、振動和變載的作用下，預緊力可能在某一瞬間消失，聯接仍有可能松脫。高溫的螺紋聯接，由于溫差變形差等原因，也可能發生松脫現象。螺紋防松的根本問題在于防止螺紋副轉動。螺紋防松的措施1、摩擦防松彈簧墊圈對頂螺母尼龍圈鎖緊螺母

2、機械防松開口銷與槽形螺母止動墊圈與圓螺母止動墊片3、其他沖點法粘合法

例10－2一螺旋起重器，已知最大起重量Q＝30kN，采用單線梯形螺紋，公稱直徑d＝40mm，螺距P＝6mm；摩擦系數f＝0.08，螺桿與托杯之間支承面的摩擦系數fc＝0.10，摩擦半徑rf＝20mm。試求：（1）能否自鎖；（2）舉起重物所需的驅動力矩；（3）此起重器的總效率。解：（1）自鎖性能梯形螺紋的牙形側角β＝15°，故當量摩擦角為查得螺紋中徑d2＝37mm，故升角為λ＜ρ′，此起重器能自鎖（2）驅動力矩（3）起重器的總效率

§10-4螺栓聯接的強度計算螺栓的主要失效形式螺栓桿拉斷螺紋的壓潰和剪斷經常拆裝時因磨損而發生滑扣螺栓聯接的計算主要是確定螺紋小徑d1，然后按照標準選定螺紋公稱直徑（大徑）d及螺距P。一、松螺栓聯接松螺栓聯接裝配時不需要把螺母擰緊，在承受工作載荷前，除有關零件的自重（一般自重很小，計算強度時可略去）外，聯接并不受力。當承受軸向載荷時，其強度條件為d1——螺紋小徑，mm；[σ]——許用拉應力，MPa

二、緊螺栓聯接緊螺栓聯接裝配時需要擰緊螺母，在承受工作載荷前，螺栓已經受到預緊力Q0。此時螺栓危險截面除受拉應力外，還受到螺紋力矩T1所引起的扭切應力τ≈0.5σ。按照第四強度理論（最大形變能理論），當量應力σe為故螺栓螺紋部分的強度條件為

1、受橫向工作載荷的螺栓強度工作時，若結合面內的摩擦力足夠大，則被聯接件之間不會發生相對滑動。螺栓所受的軸向力（即預緊力）為C——可靠性系數，通常取C＝1.1～1.3；m——結合面數目；f——結合面摩擦系數，對于鋼鐵被聯接件，f＝0.15當f＝0.15、C＝1.2、m＝1時，Q0≥8R。預緊力應為橫向載荷的8倍，所以螺栓聯接靠摩擦力來承擔橫向載荷時，其尺寸是較大的。

為了避免上述缺點，可用鍵、套筒或銷承擔橫向工作載荷，而螺栓僅起聯接作用。這種具有減載裝置的聯接，其聯接強度是按鍵、套筒或銷的強度條件進行核算，并不計螺栓預緊力的作用。此外也可采用鉸制孔用螺栓來承受橫向載荷。其強度條件為d0——螺栓剪切面的直徑，mm；δ——螺栓桿與被聯接件孔壁間接觸受壓的最小軸向長度，mm；m——螺栓剪切面數目鉸制孔螺栓能承受較大的橫向載荷，但被加工件孔壁加工精度較高，成本較高。2、受軸向工作載荷的螺栓強度圖a是聯接還沒有擰緊時的情況。螺栓擰緊后，螺栓受到拉力Q0而伸長了δb0；被聯接件受到壓縮力Q0而縮短了δc0，如圖b在聯接承受軸向工作載荷時，螺栓的伸長量增加Δδ

而成為δb0

＋Δδ

，相應的拉力就是螺栓的總拉伸載荷Q，如圖c。同時，被聯接件則隨著螺栓的伸長而彈回，其壓縮量減少了Δδ

而成為δc0－Δδ

，與此相應的壓力就是殘余預緊力Qr在受軸向工作載荷的螺栓聯接中，螺栓實際承受的總拉伸載荷Q并不等于Q0與Qe之和。如圖所示缸體中，設流體壓力為p，螺栓數為z，則缸體周圍每個螺栓平均承受的軸向載荷為工作載荷Qe和殘余預緊力Qr一起作用在螺栓上，螺栓的總拉伸載荷為設螺栓剛度系數為kb，被聯接件剛度系數為kc變形

力變形

力變形力工作載荷Qe沒有變化時，Qr＝（0.2～0.6）Qe；工作載荷Qe有變化時，Qr＝（0.6～1.0）Qe；有緊密性要求的聯接（如壓力容器），Qr＝（1.5～1.8）QeQ＝Qe

＋Qr變形力若軸向工作載荷Qe在0～Qe間周期變化，則螺栓所受總拉伸載荷Q應在Q0～Q間變化。受變載荷螺栓的粗略計算可按總拉伸載荷Q進行，其強度條件仍為，所不同的是許用應力按變載荷查取。

§10-4螺栓的材料和許用應力一、螺栓的材料常用材料：A2、A3、10、35和45鋼重要和特殊用途：15Cr、40Cr、30CrMnSi等合金鋼鋼的牌號強度極限σB屈服極限σS10340～420210A2340～420220A3410～470240355403204565036040Cr750～1000650～900

二、螺栓的許用應力緊螺栓聯接的受載情況許用應力受軸向載荷、橫向載荷[σ]=σs/S控制預緊力時，S＝1.2～1.5；不控制預緊力時，絞制孔螺栓受橫向載荷靜載荷[τ]=σs/2.5，被聯接件為鋼：[σp]=σs/1.25

被聯接件為鑄鐵：[σp]=σs/2～2.5變載荷[τ]=σs/3～3.5，[σp]——按靜載荷的[σp]值降低20～30％材料靜載荷變載荷M6～M16M16～M30M30～M60M6～M16M16～M30碳素鋼合金鋼4～35～43～24～2.52～1.32.510～6.57.5～56.55緊螺栓聯接的安全系數S（不控制預緊力時）§10-5螺栓組聯接的設計

1、布局要盡量對稱分布，栓組中心與聯接結合面形心重合（有利于分度、劃線、鉆孔），使受力均勻2、受剪螺栓組（鉸制孔螺栓聯接）時，在平行于工作在何方向上成排布置的螺栓數目不應超過8個，以免載荷分布不均。3、對于受彎距或轉矩的螺栓聯接，應使螺栓盡量布置在靠近聯接結合面的邊緣上，以減少螺栓的受力。4、螺栓的布置應有合理的間距和邊距，以利用扳手裝拆5、螺栓的數目及布置應便于螺栓孔的加工。分布在同一圓周上的螺栓數目，應取成4，6，8等偶數，以便在圓周上鉆孔時的分度和劃線。6、采用減載裝置，減少螺栓的受力

§10-6提高螺栓聯接強度的措施螺栓聯接承受軸向載荷時，其損壞形式多為螺栓桿部分的疲勞斷裂，通常都發生在應力較嚴重之處，即螺栓頭部、螺紋收尾部和螺母支撐平面所在處的螺紋。一、降低螺栓總拉伸載荷Q的變化范圍螺栓所受的軸向工作載荷Qe在0～Qe間變化時，則螺栓所受總拉伸載荷Q的變化范圍為應在Q0～（Q0＋Qe）間變化，若減小螺栓剛度kb或增大被聯接件剛度kc都可以減小Q的變化范圍，防止螺栓的疲勞損壞。

為了減小螺栓剛度，可減小螺栓光桿部分直徑或采用空心螺桿，有時也可增加螺栓的長度。被聯接件本身的剛度是較大的，但被聯接件的結合面因需要密封而采用軟墊片時，將降低其剛度。若采用金屬薄墊片或采用O型密封圈作為密封元件，則仍可保持被聯接件原來的剛度值。

二、改善螺紋牙間的載荷分布采用普通螺紋時，軸向載荷在旋合螺紋各圈間的分布是不均勻的。使螺栓截面變化均勻是減小螺栓應力集中的有效方法，增大過渡處圓角、切制卸載槽等都是常用的措施。

三、避免或減小附加應力由于設計、制造或安裝上的疏忽，可能使螺栓受到附加彎曲應力，這對螺栓疲勞強度的影響很大，應設法避免。

§10-7螺旋傳動螺旋傳動主要用來把回轉運動轉變為直線運動。一、螺旋傳動的類型1、傳力螺旋以傳遞動力為主，要求用較小的力矩轉動螺桿而使螺母產生軸向運動和較大的軸向力，這個軸向力可以用來起重和加壓等工作。2、傳導螺旋以傳遞運動為主，要求具有很高的運動精度

3、調整螺旋用于調整并固定零件或部件之間的相對位置，不經常轉動。二、螺桿和螺母的材料材料要求：足夠的強度、耐磨性，兩者配合時摩擦因數小一般螺桿：Q275，45，50鋼；重要螺桿：T12，40Cr，65Mn鋼一般螺母：鑄造錫青銅ZQSn10-1；重載低速：鑄造鋁青銅ZQAl9-4；低速輕載：耐磨鑄鐵

三、螺旋傳動的設計螺旋傳動的失效主要是螺紋磨損，因此通常先由耐磨性條件，算出螺桿的直徑和螺母高度，并參照標準確定螺旋各主要參數，而后對可能發生的其他失效一一進行校核。1、耐磨性計算限制螺紋接觸處的壓強Q——軸向力；z——參加接觸的螺紋圈數；d2——螺紋中徑，mm；h——螺紋工作高度，mm；[p]——許用壓強，MPa。Ψ＝H/d2——螺母的高徑比，H＝zP（H為螺母高度，P為螺距）梯形螺紋h＝0.5P，鋸齒型螺紋h＝0.75P整體式螺母，

Ψ取為1.2～2.5；剖分式螺母，Ψ取為2.5～3.52、螺桿強度的校核3、螺桿穩定性的校核4、螺紋牙強度的校核穩定性校核應滿足的條件為S為安全系數，S＝2.5～4§10-8滾動螺旋在螺旋和螺母之間設有封閉循環的滾道，滾道間充以鋼珠。1、優點1）摩擦損失小，效率在90％以上2）磨損很小，傳動精度高3）不具有自鎖性，可以變直線運動為旋轉運動，其效率也可達到80％以上2、缺點1）結構復雜，制造困難2）有些機構中為防止逆轉需另加自鎖機構螺旋傳動的特點按滾道回路型式的不同，分為外循環和內循環兩種?！?0-9鍵聯接、花鍵聯接一、鍵聯接的類型鍵主要用來實現軸和軸上零件之間的周向固定以傳遞轉矩。1、平鍵兩側面是工作面，上表面與輪轂槽底之間留有間隙。鍵定心性較好，拆裝方便。

2、半圓鍵兩側面是工作面，定心性好，能在軸槽中擺動以適應轂槽底面，裝配方便。但鍵槽對軸的削弱較大，只適合于輕載聯接。

3、楔鍵、切向鍵上下面是工作面，鍵的上表面有1：100的斜度，輪轂底面也有同樣的斜度，把楔鍵打入軸和轂槽內，其工作表面上產生很大的預緊力。工作時，主要靠摩擦力傳遞轉矩，并能承受單方向的軸向力。切向鍵是一對楔鍵組成，裝配時將兩鍵切緊。鍵的窄面是工作面，工作面上的壓力沿軸的切線方向作用，能傳遞很大的轉矩。當雙向傳遞轉矩時，需用兩對切向鍵并分布成120o～130o

二、平鍵聯接的強度校核鍵的材料采用強度極限σB不小于600MPa的碳素鋼，通常用45鋼。鍵的截面尺寸應按軸徑d從鍵的標準中查取；鍵的長度L可參照輪轂長度從標準中選取。平鍵聯接的主要失效形式