机械设计作业2

第四章
4、螺栓连接有哪几种类型？各有什么特点？试用实例说明各种连接的应用场合。

答：螺纹连接的类型有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接。

螺栓连接：无需再被连接件上切制螺纹，故不受连接件材料的限制，构造简单，装拆方便。

用于连接两个能够开通孔并能从连接的两边进行装备的零件的连接场合。

如，夹具在机床上固定。

双头螺柱连接：双头螺柱一端旋紧在被连接件的螺孔中，另一端与螺母旋紧，拆卸时只需旋下螺母而不必拆下双头螺柱。

用于被连接件之一较厚，又需要经常装拆，因结构限制不适合用螺栓连接的地方或希望结构紧凑的场合，如，视镜、机械密封座、减速机架等。

螺钉连接：将螺钉直接拧入被连接件之一的螺纹孔中，压紧另一被连接件，其结构较双头螺柱简单、紧凑、光整。

用于两个被连接件中一个较厚，另一个较薄，且不经常拆卸的场合，如，玩具外壳的组装。

紧定螺钉:紧定螺钉旋入一零件的螺纹孔中，并用其末端顶住另一零件的表面或顶入相应的凹坑中，以固定两零件的位置，并传递不大的力和转矩。

此连接结构简单，有的可任意改变两个被连接件在轴向或轴向上的位置，便于调整。

12、用4个M10（18.376d m m =）的螺钉固定一个牵引钩，如图4-44所示。

若装配时控制预紧力，结合面的摩擦系数f=0.15，防滑系数 1.2s k =，螺栓材料强度级别为6.6级，安全系数S=3，试计算该螺栓组连接允许的最大牵引力max F 是多少？
图4-44
解：螺栓材料强度级别为6.6级，屈服强度s σ取480MPa ，所以[σ]=s σ/S=160MPa
由
21
1.3[]4
F d
σπ
≤，得单根螺栓所受的拉力2
1
0[]5.2
d F σπ≤
=6782N
又由于0s fF zi K F ∑≥,得螺栓组连接的拉力0s
fF zi F K ∑≤
所以螺栓组连接允许的最大牵引力max F =
0s
fF zi K ，代入数据得，
max F
=3390N
13、图4-45(a)为单个螺栓连接的结构。

已知：装配时，该螺栓所受的预紧力0500F N =，其预紧力的受力变形如图4-45（b ）所示。

工作后，在被连接件外表面受到一个压缩工作载荷F=500N 的作用。

问工作后该螺栓和被连接件分别受到多大的载荷作用？
图4-45
解：螺栓和被连接件的刚度分别为0tan 30b C =，0
tan 60m C =
有公式可知，工作后螺栓受到的载荷为 2000.577 500*(500)
0.577 1.732
375b b m
C F F F F F C C N
=+∆=+=+
-++=
工作后被连接件受到的载荷为
10 1.732500*(500)
0.577 1.732
875m b m
C F F F C C N
=-=-
-++=
16、图4-48所示的是一个汽缸盖螺栓组的连接。

工作气压P=3MPa ，内径D=160mm ，双头螺柱均匀分布在0200D m m =的圆周上。

为满足紧密性要求，螺柱间弧线距离不得大于80mm,试选择螺栓材料，确定螺栓数目和尺寸，并画出连接结构草图。

（提示：先按气密性要求初定螺柱数目。

）
解：（1）由气缸连接的气密性要求，初定螺栓个数为z=12，总工作载荷均匀分布在每个螺栓上，由公式得 2
2
*160*344*12
F D P F z z
ππ∑=
=
=
=5024N
（2）确定每个螺栓的总拉力2F
因汽缸盖连接有气密性要求，根据表4-4，取残余预紧力1 1.8F F =,得
2F =1 2.8F F F +==14067.2N
(3)确定螺栓的公称直径d
气缸与缸盖的连接属于重要的螺栓连接，所以取螺栓材料性能等级为5.8级，由附表4-2差得s σ=400MPa ，考虑装配时不控制预紧力，假设d=16mm,由附表4-5查得S=3~4，取S=3，则许用应力[σ]=s σ/S=320/3=133.3MPa,由公式得
113.22d =
=
=mm
由附表4-12查得，当粗牙普通螺栓的公称直径d=16mm 时，小径1d =13.835mm ＞13.22mm,故假设d 与计算相符合。

(4)检验紧密型要求及扳手空间要求
螺栓间距00/*200/1252.3t D z ππ===mm
由附表4-3查得，为保证连接的紧密性，当p ≥1.6~4时，
0t ≤5.5d=88mm,故满足要求。

由设计手册查得，M16的螺栓扳手空间A ≥48mm,而0t =52.3mm ＞48mm,故满足要求。

18、有一个提升装置如图4-49所示，卷筒用6
个普通螺栓固定在涡轮上。

已知卷筒直径D=150mm ，螺栓均布于直径0D =180mm 的圆周上，结合面的摩擦系数f=0.15，防滑系数s k =1.2，螺栓的许用拉应力[]σ=120MPa ，提升钢索的拉力W=6000N ，试确定螺栓的直径1d 及0d （注：
1d 为普通螺栓连接的最小直径，0d 为铰制孔螺
栓光杆的直径）。

图4-49
解：
靠预紧后在结合面上各螺栓处的摩擦力对形心O 的力矩之和来平衡转矩T 。

转矩T=W =⨯
2
D 6000*0.075 =450N.m
普通螺栓连接：
由力矩的平衡条件得：=
0F ∑=z
i i
s r
f T
K 1
2N 7.66666
09.015.04502.1=⨯⨯⨯=
所以=⨯⨯⨯⨯=
⨯≥
6
110
12014.37.66663.14]
[3.14σπF d 9.6mm ；
1d 最小直径为9.6mm 。

铰制孔螺栓：靠螺栓所受剪力对形心O 的力矩之和来平衡转矩T 。

N r Tr F z
i i
83309
.0609.04502
1
2
max
max =⨯⨯=
=
∑
=，取][5.0][στ≈
所以mm F d 2.4]
[4max
0=⨯≥
τπ；
0d 的最小直径为4.2mm
第五章
2、A 型、B 型、C 型普通平键的结构形式分别是什么？它们分别对应在轴上的键槽通常是如何加工的？
答：A 型、B 型、C 型普通平键的结构形式如下图
A 型圆头平键的键槽是用端面（指状）铣刀加工的；
B 型方头平键的键槽是用外圆（盘刀）加工的；
C 型单圆头平键的键槽是用端面（指状）铣刀加工的。

9、试设计图5-21所示蜗轮与轴的键连接。

已知：蜗轮为8级精度，蜗轮的轮毂材料为HT200，轴的材料为45号钢。

蜗轮与轴的配合直径为50mm ，蜗轮轮毂长为80mm,传递的转矩T=480N.m,载荷平稳。

图5-21
解：（1）选择键的类型和尺寸
由于是8级精度的蜗轮，因此有一定的定心要求，可选择用平键连接。

此链接为静连接，因此选用普通平键，齿轮不在轴端，可考虑采用定位好的A 型（圆头）普通平键，取键的材料为45号钢。

因为安装蜗轮处轴颈d=50mm ，查表得，当轴颈d=44~50mm,时，键的宽度b=14，高度h=9mm.由轮毂宽度并参考键的长度系列，取键的长度为L=70mm.
(2)校核键连接的强度
被连接的蜗轮的轮毂材料为HT200，键的工作长度l=L-b=70-14=56mm,接触高度k=3.8mm,查表，取许用挤压应力[]σ=70MPa,由公式可得
22*48000090.23.8*56*50
p
T M P a kld
σ
==
=＞[]σ=70MPa
经校核强度不够，且相差较大，故改用双键，相隔180°布置，此时双键的工作长度l=1.5*56=84mm,则
22*48000060.23.8*84*50
p
T M P a kld
σ
=
=
=＜[]σ=70MPa
这时，键的连接满足挤压强度条件。

10、图5-22所示的是圆锥式摩擦离合器，已知传递功率P=0.8kw ,承受冲击负荷，转速n=300r/min,离合器材料为铸钢，轴颈d=50mm,右半离合器的轮毂长L=75mm 。

试选择右半离合器的键连接类型、个数和尺寸，并进行强度校核。

图5-22
解、（1）算出传递转矩T
6
6
0.89.55*10
9.55*10*
25467.300
p T N m m n
===
（2）选择键的类型和尺寸
因为右半离合器工作时要在轴上移动，且移动的距离比较小，选择导线平键，取键的材料为45号钢。

因为安装离合器处的轴颈d=50mm,查表得，当轴颈d=44~50mm,时，键的宽度b=14，高度h=9mm.由离合器轮毂长、移动的距离并参考键的长度系列，取键的长度为L=110mm
（3）校核键连接的强度
离合器的材料为钢，键的工作长度为轮毂的长度L=75mm ，接触高度k=3.8mm 。

此链接为动连接，材料为钢，查表，按照有冲击查得，[p]=30MPa 。

由公式，可得
22*254673.8*75*50
T p kld
=
=
=3.6M P a []30p MPa =＜
键的连接满足强度要求。