一、螺纹联结
1、螺纹的形成及主要参数
(1) 定义
螺旋线是指一动点在圆柱体的表面上，一边绕轴线等高速旋转，同时沿轴向作等速运动的轨迹。螺纹是指平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。
(2) 螺纹的分类
按照螺纹的牙型，分为：矩形螺纹、三角形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹；按照螺纹的旋向，分为：左旋螺纹和右旋螺纹；按螺旋线的根数，分为：单线螺纹和多线螺纹；按回转体的内外表面，分为：外螺纹和内螺纹；按螺旋的作用，分为：联接螺纹和传动螺纹；按母体形状，分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。
(3) 螺纹的主要几何参数
- 大径$d$：与外螺纹牙顶（或内螺纹牙底）相重合的假想圆柱体直径。
- 小径$d_1$：与外螺纹牙底（或内螺纹压顶）相重合的假想圆柱体的直径。
- 中径$d_2$：也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起的宽度相等。
- 螺距$P$：相邻两牙在中线上对应两点间的轴向距离。
导程$S$：同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距，设$n$表示螺旋线的根数，满足：
$$ S=nP $$
螺纹升角$\lambda$：中径$d_2$圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，满足：
$$ \tan \lambda=\frac{nP}{\pi d_2} $$
- 牙型角$\alpha$与牙侧角$\beta$：分别是指轴向横截面内螺纹牙型相邻两边的夹角和牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。
- 公称直径：普通螺纹以大径$d$为公称直径，同一公称直径可以有多重螺距，螺距最大的成为粗牙螺纹，其余为细牙螺纹。粗牙螺纹的应用最广；管螺纹的公称直径即为管子的公称直径。
2、螺旋副的受力分析、效率和自锁
(1) 矩形螺纹（$\beta=0$）的受力分析
展开展开中径$d_2$圆柱面得到一个斜面，$Q$为轴向载荷，$F_t$是水平推力，$N$为法向反力，$F_f=fN$为摩擦力，$f$是摩擦系数，$\rho$是摩擦角。受力分析如下图：
螺母在$F_t$和$Q$的联合作用下，逆着$Q$等速向上运动，叫做螺纹的拧紧；螺母在$F_t$和$Q$的联合作用下，顺着$Q$等速向下运动，叫做螺纹的拧松。
当螺纹拧紧时，$Q$为阻力，$F_t$为驱动力，摩擦力$F_f$沿斜面向下，根据受力分析得到驱动力矩：
$$ T=F_t\frac{d_2}{2}=\frac{1}{2}d_2Q\tan(\lambda+\rho) $$
当螺纹拧松时，$Q$为驱动力，$F_t$为阻力，摩擦力$F_f$沿斜面向上，根据受力分析得到驱动力矩：
$$ T=F_t\frac{d_2}{2}=\frac{1}{2}d_2Q\tan(\lambda-\rho) $$
在拧松过程中，当$\lambda>\rho$时，$T$为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；若$\lambda\le \rho$，$T$是负值，方向相反，此时螺母不会在$Q$的作用下运动，这种现象叫做自锁。
(2) 非矩形螺纹（$\beta\neq0$）的受力分析
矩形螺纹忽略升角的影响时有：
$$ N=Q $$
摩擦力为：
$$ F_f=fN=\frac{f}{\cos\beta}Q=f_vQ $$
摩擦系数为$f$的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为$f_v$，与矩形螺纹产生的摩擦力相当，故称$f_v$为当量摩擦系数：
$$ f_v=\frac{f}{\cos\beta}=\tan \rho_v $$
$\rho_v$为当量摩擦角。引入当量摩擦系数和当量摩擦角后，就可以像矩阵螺纹那样分析非矩形螺纹，在滑块上升时，水平推力为：
$$ F=Q\tan(\lambda+\rho_v) $$
驱动力矩为：
$$ T=\frac{1}{2}d_2Q\tan(\lambda+\rho_v) $$
在滑块下降时，水平推力为：
$$ F=Q\tan(\lambda-\rho_v) $$
驱动力矩为：
$$ T=\frac{1}{2}d_2Q\tan(\lambda-\rho_v) $$
那么非矩形螺纹的自锁条件为：
$$ \lambda\le \rho_v $$
(3) 螺旋副的效率
螺旋副转动一圈，有效功为$QS$，输入功为$2\pi T$。定义旋转副的效率为有效功与输入功的比：
$$ \eta =\frac{QS}{2\pi T}=\frac{\tan\lambda}{\tan(\lambda+\rho_v)} $$
当$\rho_v$一定时，在$\lambda=45\degree-\frac{\rho_v}{2}$处效率曲线有极大值。对于传动螺纹，一般取$\rho_v<\lambda\le25\degree$，对于联接螺纹，必须取$\lambda\le\rho_v=5.7\degree$。
3、螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件
(1) 螺纹联接的基本类型
螺栓联接
使用螺栓联接时，孔与螺杆之间留有间隙，如果没有，称其为铰制孔螺栓；为保证联接稳定，常有螺纹余留长度$l_1$，对于静载荷$l_1\ge (0.3\sim0.5)d$，对于变载荷$l_1\ge0.75d$，对于冲击载荷或弯曲载荷$l_1\ge d$，对于铰制孔用螺栓$l_1\approx0$；另有螺纹伸出长度$a=(0.2\sim0.3)d$，螺栓轴线到边缘的距离$e=d+(3\sim6)\mathrm{mm}$。
- 螺钉联接
双头螺柱联接
双头螺柱联接的参数$l_1,e,a$与螺栓相同，另有座端拧入深度$H$，螺纹孔深度$H_1$，钻孔深度$H_2$。
- 紧定螺纹联接
(2) 螺纹紧固件
螺栓
参数有座端长度$L$，螺母端长度$L_0$以及$d$。
- 双头螺柱
- 螺钉、紧定螺钉
- 螺母
- 垫圈
4、螺纹联接的预紧和防松
(1) 拧紧力矩
设轴向力为$Q$（或预紧力，不受轴向载荷），总力矩为：
$$ T=T_1+T_2=\frac{1}{2}Qd_2\tan(\lambda+\rho_v)+f_cQr_f $$
$T_1$是克服螺纹副相对转动的阻力矩，$T_2$为克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩。$f_c$是摩擦系数，$r_f$是支撑面的摩擦半径，满足$r_f=\frac{1}{4}(d_w+d_0)$。简化公式为：$T\approx 0.2Qd$
(2) 螺纹联接的防松
- 利用附加摩擦力防松，例如添加弹簧垫片、对顶螺母，使用尼龙圈锁紧螺母。
- 采用专门防松的元件防松，例如止动垫圈、串联钢丝、开口销与六角开槽螺母。
- 其他方法，如冲点防松法、粘合法。
5、螺栓联接的强度计算
螺栓计算时，需要确定螺栓的数目、布置、受力最大的螺栓。
(1) 受拉螺栓联接
受拉螺栓联接的主要失效形式：拉断、螺纹压断或剪断、滑扣。对于松螺栓联接（装配时不拧紧），其强度条件要求为：
$$ \dfrac{Q}{\frac{1}{4}\pi d_1^2}\le[\sigma] $$
对于紧螺栓联接（装配时拧紧），螺栓螺杆受轴向拉力$Q_0$（预紧力）和拧紧时螺纹间摩擦力$T_1$的双重作用，拉应力为：
$$ \sigma=\dfrac{Q}{\frac{1}{4}\pi d_1^2}\le[\sigma] $$
切应力：
$$ \tau=\frac{T_1}{\frac{1}{16}\pi d_1^3}=\frac{2d_2}{d_1}\tan(\lambda+\rho_v)\frac{Q}{\frac{1}{4} \pi d_1^2}=\frac{2d_2}{d_1}\tan(\lambda+\rho_v)\sigma $$
对于M10~M68的普通螺纹，取$d_1,d_2,\lambda$的平均值，并取$\tan r_v=f_v=0.15$，得：$\tau\approx0.5\sigma$。则当量应力为：
$$ \sigma_c=\sqrt{\sigma^2+3\tau^2}\approx1.3\sigma $$
即强度条件为：
$$ \frac{1.3Q_0}{\frac{1}{4}\pi d_1^2}\le[\sigma] $$
(2) 受横向工作载荷的螺栓强度
螺栓与孔之间有间隙，工作时预警力$Q_0$导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷$F$。预紧力$Q_0$：
$$ F_0\ge\frac{CF}{mf} $$
其中，$C$为可靠性系数，常取$1.1\sim 1.3$，$m$为结合面数，$f$为摩擦系数。
改进措施：
- 采用键、套筒、销承担横向工作负载。
- 采用无间隙的铰制孔螺栓。
(3) 受轴向工作载荷的螺栓强度
设流体压强为$p$，螺栓数目为$Z$，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：
$$ Q_F=\frac{p\pi D^2}{4z} $$
[!WARNING]
轴向载荷$Q\neq Q_0+Q_F$。在加上预紧力后，螺栓会受拉伸长$\delta_1$，被连接件受压缩短$\delta_2$。加载后，螺栓继续伸长$\Delta\delta$，被连接键压缩量减少为$\delta_2-\Delta\delta$，残余预紧力减少为$Q_r$，总拉力$Q=Q_F+Q_r$。显然$Q_r<Q_0$，且$Q_F$增大时，$Q_r$减小。
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(4) 受剪螺栓联接
螺栓的剪切强度条件为：
$$ \tau =\frac{F}{zm\pi\frac{d_0^2}{4}}\le[\tau] $$
挤压强度条件：
$$ \sigma_p=\frac{F}{zd_0\delta}\le[\sigma_p] $$
$d_0$为螺栓杆与钉孔配合处直径，$Z$为螺栓数目，$m$为螺栓受剪面数目。
6、提高螺纹联接强度的途径
方法是降低负荷、提高承载能力，主要措施有：
- 改善螺纹牙间的载荷分布。
- 减小或避免附加应力。
- 减轻应力集中。
- 降低受轴向变载荷的螺栓总拉伸载荷的变化范围。
- 改进制造工艺。
二、键联接、花键联接和成形联接
1、键的类型
(1) 键联接
键联接是用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的轴向固定或移动。键的类型有平键、半圆键、楔键、切向键等。
平键定心好、拆装方便，分为普通平键（圆头A型，方头B型，单圆头C型）和导向平键；导向平键长度较长，需用螺钉固定，为了方别装拆，制有起键螺孔，零件可以在轴上移动，构成动联接。
(2) 半圆键联接
半圆键联接的优点是定心好，装配方便，缺点是对轴的削弱较大，只适用于轻载联接，特别适用于锥形轴端的联接。
(3) 楔键联接和切向键联接
键的上表面有$1:100$的斜度，轮毂槽的底面也有$1:100$的斜度，缺点是定心精度不高，只能用于载荷平稳和低速的联接，类型有普通楔键和钩头楔键。
在重型机械中常使用切向键，即一对楔键。
2、平键链接的强度校核
键的截面尺寸$b,h$从表中查取，长度$L$参照轮毂长度标准选取。主要失效形式为压溃、磨损（动联接）、剪断。
其挤压强度条件为：
$$ \sigma_p=\frac{F_t}{S}=\frac{T}{\frac{1}{4}dhl}\le[\sigma_p] $$
3、花键链接
其结构特点为沿周向均布多个键齿，齿侧为工作面，优点是承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、导向性好。类型有矩形花键、渐开线划线、三角形花键。
三、销联接
销的作用是固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。类型有圆柱销、带槽圆柱销和圆锥销。圆柱销在经过多次拆装后，定位精度会降低；圆锥销有$1:50$的锥度，可以反复多次拆装。
四、铆接、焊接和粘接
1、铆接
铆接是将铆钉穿过被联接件的预制孔中经铆合而成的联接方式，其联接部分叫做铆缝。
铆缝的结构通常按照三个方面进行分类。按照接头的形式，分为：搭接缝、单盖板对接缝和双盖板对接缝；按照铆钉的排数，有单排、双排和多排；按照铆缝性能有强固、强密铆缝。
铆钉有空心和实心两大类，也有冷铆和热铆两类。
2、焊接
焊接式利用局部加热或加压的方法，使被联接件接头处的材料熔融两位一体。分为熔化焊（电弧焊、气焊、电渣焊）、压力焊（电阻焊、摩擦焊、爆炸焊）和钎焊（锡焊、铜焊）。焊接具有强度高、工艺简单、增加质量小的特点。
焊接件经过焊接后形成的结合部分叫做焊缝，常见的焊缝有对接焊缝和填角焊缝。对接焊缝联结于同一平面内，传力均匀，平均应力和强度条件为：
$$ \frac{F}{\delta L}\le[\sigma] $$
填角焊缝是联结不同平面内的焊件，分为纵向焊缝（与载荷方向平行）、横向焊缝（与载荷方向垂直）和混合焊缝，平均应力和强度条件为：
$$ \frac{F}{0.7K\sum L}\le[\sigma] $$
焊接件的焊缝应该被焊件厚度制成相应坡口，或进行一般的侧棱、修编工艺，焊接前要对坡口进行清洗。在满足强度条件下，焊缝长度应该你可能地短或分段焊接，避免焊缝交叉。要在焊接工艺上采取措施，使构件在冷却时有微小自由移动的可能。焊缝在焊后要经过热处理（如退火），消除参与应力。在焊接厚度不同的对接板件时，应使对接部位厚度一致，以利于焊缝金属均匀融化。设计焊接件时，注意恰当选择母体材料和焊条。对于重要焊缝，要进行焊缝尺寸校核和质量检验。
3、胶接
胶接事使用胶粘剂直接把被联接件连接在一起且具有一定强度的联接。胶接的应用材料范围广，联接后重量轻、材料利用率高，成本低，胶接面应力集中小，耐疲劳性好，有良好密封性、绝缘性和防腐性。缺点是抗剥离、抗弯曲、抗冲击振动性差，耐老化和耐介质性能差，对温度变化敏感，胶接件的缺陷有时难以发现。
五、过盈联接
过盈联接是利用被联件间的过盈配合直接把被联接件联接在一起。优点是构造简单、定心性好、承载能力高、在震动下能够可靠地工作。缺陷是装配困难，对配合尺寸精度要求高。
过盈联接主要用于轴与毂、轮圈与轮芯、滚动轴承的装配联接。