機械設計基礎(少學時)第4講

1、舊課回顧：1、螺旋副的受力、效率與自鎖2、螺紋聯(lián)接的基本類型及應用3、螺栓聯(lián)接的強度計算3、鍵聯(lián)接的設計與計算本講重點學習內(nèi)容：1、螺紋聯(lián)接的結構設計2、螺旋傳動設計第二章 聯(lián)接第一節(jié) 概述第二節(jié) 螺紋參數(shù)第三節(jié) 螺旋副的受力、效率與自鎖第四節(jié) 螺紋聯(lián)接與螺紋聯(lián)接件第五節(jié) 螺紋聯(lián)接的強度計算第六節(jié) 螺紋聯(lián)接的結構設計第七節(jié) 螺旋傳動簡介第八節(jié) 鍵、花鍵和過盈聯(lián)接本講小結1.避免或減少附加載荷 2.防止松脫3.減少橫向載荷 4.合理進行結構設計三、鍵聯(lián)接的設計與計算一、螺紋聯(lián)接的結構設計二、螺旋傳動設計螺旋傳動的分類、螺旋轉副的常用材料及設計計算主要介紹了鍵聯(lián)接的類型、特點及平鍵的設計。首鋼礦業(yè)

2、公司培訓中心第六節(jié) 螺紋聯(lián)接的結構設計在螺栓聯(lián)接中，除合理的選擇標準件外，還應注意下述結構問題一、避免或減少附加載荷二、防止松脫三、減少橫向載荷四、合理進行結構設計返回本章一、避免或減少附加載荷由于設計、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。具體措施：1、采用凸臺或沉頭座等結構或采用球面墊片、斜墊片等2、在被聯(lián)接件的懸臂處采用加強筋，提高其剛度。返回二、防止松脫返回工程中最常見的聯(lián)接是用單線普通螺紋聯(lián)接，它們都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時不會自動松脫，這是由于螺旋副間存在摩擦力的緣故。但是在沖擊、振動和變載的作用下，預緊力和摩擦力可

3、能瞬間消失，多次重復后就可能使聯(lián)接松脫。高溫的螺栓聯(lián)接，由于溫度變形差異等原因，也可能發(fā)生松脫現(xiàn)象。因此設計時必須考慮防松。防松的根本問題，在于防止螺旋副的相對轉動。 防松的方法很多，按工作原理可分為：1、摩擦防松2、機械防松3、永久防松和化學防松摩擦防松 返回機械防松返回永松防松和化學防松返回三、減少橫向載荷返回受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接，被聯(lián)接件間要獲得足夠的摩擦力以平衡外載荷。因此，當外載荷較大時，螺栓就要承受較大的預緊力，這樣所需的螺栓直徑很大，為了避免這個缺點?？稍诒宦?lián)接件之間加上套筒、鍵、銷或制作止口等減載裝置，從而大大減小螺紋聯(lián)接所承受的橫向載荷。四、合理進行結構設計返回由于螺栓一

4、般成組使用，所以在確定一組螺栓的平面位置和數(shù)目時，應使聯(lián)接結構受力合理，力求各螺栓受力均勻，便于加工和裝配。通?？蓮囊韵聨讉€方面提高設計質(zhì)量1、聯(lián)接接合面的幾何形狀應盡量簡單。如圖2、螺栓的布置應使各螺栓的受力合理。如圖3、螺栓排列應有合理的間距、邊距。布置螺栓時，螺栓與螺栓、螺栓與機體側壁間要留有足夠的扳手空間。如圖4、分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目應便于分度。 如圖示圖返回通常設計成對稱的幾何形狀，螺栓要均勻布置，盡可能使螺栓組的形心與聯(lián)接接合面的形心重合。示圖返回受剪螺栓不要在外力方向上成排布置八個以上，以免載荷分布過于不均。當聯(lián)接承受彎矩或扭矩時，螺栓的位置應靠近結合面的邊緣，以減小螺栓受

5、力。示圖返回示圖返回同一圓周上的螺栓數(shù)目應為3、4、6、8、12等，這樣易于分度，利于劃線、鉆孔。課間休息第七節(jié) 螺旋傳動簡介返回本章一、螺旋傳動簡介螺旋傳動主要用來把回轉運動變?yōu)橹本€運動，同時也可以承受載荷或傳遞動力。1螺旋傳動的分類2螺旋副的材料二、滑動螺旋傳動的設計計算1螺旋副的耐磨性計算2螺紋牙的強度計算3螺桿的強度計算4螺桿的穩(wěn)定性計算1螺旋傳動的分類按使用要求不同，螺旋傳動可分為傳力螺旋：主要用于傳遞動力傳導螺旋：主要用于傳遞運動調(diào)整螺旋：主要用于調(diào)整并固定零件或部件之間的相對位置按摩擦性質(zhì)不同，螺旋傳動又可分為滑動螺旋傳動（螺旋副中產(chǎn)生滑動摩擦）滾動螺旋傳動 (螺旋副中產(chǎn)生滾動摩

6、擦)返回本節(jié)傳力螺旋要求用較小的力矩轉動螺桿或螺母，使其中之一產(chǎn)生軸向運動和較大的軸向力，用于起重或加壓，傳力螺旋要求自鎖。 如千斤頂和壓力機中的螺旋都是傳力螺旋的實例。返回傳導螺旋要求具有很高的運動精度，常用于機床刀架或工作臺的進給機構。返回調(diào)整螺旋調(diào)整螺旋不經(jīng)常轉動，用于調(diào)整并固定零件或部件之間的相對位置。如：量具的測量螺旋 返回滑動螺旋傳動滑動螺旋傳動由螺桿和螺母組成，結構比較簡單；螺桿和螺母的嚙合連續(xù)進行，工作平穩(wěn)、無噪聲；而且嚙合時接觸面積大，承載能力較高。螺紋牙型通常采用矩形、梯形和鋸齒形等。梯形螺紋加工比較容易，能夠銑切和磨削，應用比較廣泛。螺紋的旋向和線數(shù)可根據(jù)運動要求，考慮自

7、鎖和效率予以確定。這種傳動的主要缺點是螺旋副間摩擦力大，效率低。返回滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動是在螺桿和螺母之間的螺紋滾道內(nèi)填充滾珠，當螺桿和螺母相對轉動時，滾珠沿滾道滾動。為了使?jié)L珠循環(huán)滾動，螺母上要設置回程通道。滾動螺旋傳動的特點是：效率高，一般在90以上；利用預緊消除螺桿與螺母之間的軸向間隙，可得到較高的傳動精度和軸向剛度；靜、動摩擦力相差甚微，起動時無顫動，傳動平穩(wěn)；工作壽命長。但由于滾珠與滾道理論上為點接觸，傳遞載荷較小，抗沖擊能力較差，且結構復雜，對材料要求較高，制造困難。這種螺旋傳動主要用于對傳動精度要求較高的場合，如精密機床的進給機構等。返回2螺旋副的材料螺桿和螺母的材料除要求有

8、足夠的強度、耐磨性外，還要求兩者配合時摩擦因數(shù)小。一般螺桿可選用45、50鋼等，重要螺桿(如高精度機床絲杠)可選用T12、40Cr、65Mn等，并進行熱處理。常用的螺母材料有鑄造錫青銅ZCuSn10Pb1或ZCuSn5Pb5Zn5；低速、重載時可選用強度較高的鑄造鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3；低速、輕載時可選用耐磨鑄鐵。返回本節(jié)1螺旋副的耐磨性計算返回本節(jié)螺旋傳動的受力情況和強度問題類似于螺紋聯(lián)接，但由于其在工作時處于運動狀態(tài)，對精度又有較高的要求，故螺旋副的磨損是其主要失效形式。因此，通常先按耐磨性條件確定螺桿的直徑和螺母的高度，并參照標準確定螺旋副的其余各主要參數(shù)，而后對可能發(fā)生的其他失效

9、形式逐項進行校核。影響磨損的因素很多，目前還沒有完善的計算方法，通常是根據(jù)限制螺紋接觸面的平均壓強p進行條件性計算。若按螺紋的旋合圈數(shù)將螺紋沿中徑d2展開，則耐磨性校核公式令整理得耐磨性設計公式公式說明公式說明耐磨性校核公式說明式中，p為工作壓強(MPa)；F為螺桿所受的軸向力(N)；d2是螺紋中徑(mm)；h是螺紋工作高度(mm)，梯形和矩形螺紋h=0.5P，鋸齒形螺紋h=0.75P；z是參加旋合的圈數(shù)，z=HP；H是螺母旋合段的高度(mm)；P是螺距(mm)；p是螺旋副的許用壓強(MPa)，見表2-10。返回耐磨性設計公式說明返回式中，是螺母的高徑比，其值的選取：整體螺母磨損后間隙不能調(diào)整

10、，為使受力比較均勻，螺紋旋合圈數(shù)不宜太多，一般取 =1.22.5；剖分式螺母可取 =2.53.5。但應注意螺母螺紋一般不應超出10圈。原因是螺紋各圈受力不均勻，第10圈以上的螺紋實際上起不到分擔載荷的作用。 計算出中徑d2后，應按標準選取相應的公稱直徑d。對有自鎖要求的螺旋副，還需驗算所選螺紋參數(shù)能否滿足自鎖條件。2螺紋牙的強度計算返回本節(jié)由于螺母材料的強度通常低于螺桿材料的強度，所以螺紋牙的剪切和彎曲破壞多發(fā)生在螺母上。將螺母一圈螺紋沿螺紋大徑處展開，即可視為一懸壁梁，每圈螺紋承受的平均壓力F/z作用在中徑D2的圓周上， 則螺紋牙的剪切和彎曲強度條件分別為式中，是切應力(MPa)；w是彎曲應

11、力(MPa)；D是螺母螺紋大徑(mm)；是螺紋牙根寬度(mm)，梯形螺紋=0.65 P，鋸齒形螺紋=0.74P，矩形螺紋=0.5P；是許用切應力(MPa)，見表2-11；w是許用彎曲應力(MPa)，見表2-11表2-11返回3螺桿的強度計算返回本節(jié)在軸向力F作用下，螺桿產(chǎn)生軸向壓(或拉)應力；同時由于轉矩T的作用使螺桿的橫截面內(nèi)產(chǎn)生扭切應力。根據(jù)第四強度理論，螺桿危險截面的當量應力及強度條件為 式中，是螺桿材料的許用應力(MPa)，見表2-11。4螺桿的穩(wěn)定性計算返回本節(jié)細長螺桿且受到較大軸向壓力時，可能發(fā)生側彎而喪失穩(wěn)定性。螺桿受壓時的穩(wěn)定性條件為式中，F(xiàn)cr是螺桿的穩(wěn)定臨界載荷(N),它與

12、螺桿的材料、螺桿的長細比（即柔度）有關。Fcr的取值情況螺桿的長細比式中，是長度系數(shù)，與兩端支承形式有關：兩端固定時 =0.5，一端固定、一端鉸支時 =0.7，兩端鉸支時 =1，一端固定、一端自由時 =2；l螺桿的最大工作長度（mm）；i是螺桿危險截面慣性半徑（mm），截面面積若螺桿危險截面的慣性矩則返回Fcr的取值100時，100時，對于b370MPa的普通碳素鋼，如Q235等，取對于b470MPa的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，如35，45鋼等，取40時，不必進行穩(wěn)定校核返回式中，E是螺桿材料的彈性模量(MPa)，對于鋼，取E=2.06105MPa第八節(jié) 鍵、花鍵和過盈聯(lián)接返回本章 鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和過盈聯(lián)

13、接是軸與軸上零件周向固定的主要方式，用來傳遞回轉運動和轉矩。一、鍵聯(lián)接二、花鍵聯(lián)接三、過盈聯(lián)接1鍵聯(lián)接的類型2平鍵聯(lián)接的設計平鍵半圓鍵楔鍵 鍵是標準聯(lián)接件，按形狀分為：平鍵平鍵的兩側面是工作面，工作時靠鍵與鍵槽互相擠壓及鍵的剪切傳遞轉矩。平鍵上表面與輪轂槽底之間留有間隙，以便使輪轂在軸上順利拆裝。 普通平鍵導向平鍵滑鍵按用途分為：平鍵聯(lián)接定心性好，裝拆方便，能承受沖擊或變載荷，故應用極為廣泛 。返回本節(jié)普通平鍵普通平鍵應用最廣，鍵與軸、輪轂構成靜聯(lián)接。按端部形狀不同分為A型(圓頭)、B型(方頭)、C型(單圓頭)三種。A型鍵在軸上的鍵槽用端銑刀加工，B型鍵在軸上的鍵槽用盤狀銑刀加工。與B型鍵相比

14、，A型鍵在鍵槽中易于固定，但軸上鍵槽的應力集中較大。C型鍵常用于軸端處。返回導向平鍵返回導向平鍵用于動聯(lián)接，以滿足輪轂沿著軸線方向與軸作相對移動的需要。由于鍵較長，為防止輪轂移動時鍵體松動，需要用螺釘將鍵固定在軸上的鍵槽中。為了拆卸方便，在鍵上設置起鍵螺孔?；I返回滑鍵固定在輪轂上，與輪轂一起可沿軸上鍵槽移動，適用于輪轂沿軸向移動距離較長的場合。半圓鍵返回本節(jié)半圓鍵也是以兩側面為工作面，用于靜聯(lián)接。半圓鍵能在軸上鍵槽中擺動，以適應輪轂鍵槽底面的傾斜，便于安裝且有良好的對中作用。缺點是鍵槽較深，對軸的削弱較大，故只適用于輕載聯(lián)接，常用在錐形軸端與轂孔的聯(lián)接中。楔鍵返回本節(jié)楔鍵的上、下面是工作面，

15、常用的有普通楔鍵和鉤頭楔鍵兩種。鍵的上表面和輪轂鍵槽底面各具有1:100的斜度，裝配時把楔鍵打入軸和輪轂鍵槽內(nèi)，使聯(lián)接在工作面上產(chǎn)生很大的壓緊力FN，工作時主要靠楔緊的摩擦力FN傳遞轉矩，并能承受單方向的軸向力。由于楔鍵打入時迫使軸和輪轂產(chǎn)生偏心，故多用于對中性要求不高、載荷平穩(wěn)和轉速較低的場合。平鍵聯(lián)接的設計返回本節(jié)平鍵聯(lián)接的設計，通常是根據(jù)工作條件和使用要求先選定鍵的類型，然后根據(jù)軸的直徑查標準，確定鍵的橫截面尺寸，根據(jù)輪轂長度確定鍵的長度。在確定了結構和尺寸之后，還需校核聯(lián)接的強度。(1)平鍵聯(lián)接的結構設計(2)平鍵聯(lián)接的受力和失效形式(3)平鍵聯(lián)接的強度校核(1)平鍵聯(lián)接的結構平鍵聯(lián)接

16、的結構應滿足如下要求： 1)鍵要有適當?shù)拈L度，既利于承受載荷，又便于軸轂安裝。普通平鍵的長度一般應稍短于輪轂的長度，導向平鍵的長度應由輪轂的長度及其滑移距離而定，一般應適當大于輪轂的長度與其滑移距離之和。 2)各種鍵槽根部都應設置圓角，以減小軸的應力集中。 3)同一軸段上需設置兩個鍵時，兩個鍵槽應相隔180。對稱布置。返回(2)平鍵聯(lián)接的受力和失效形式返回在切向力Ft的作用下，鍵和鍵槽的兩側面受擠壓，鍵的-截面受剪切。在滿足聯(lián)接的擠壓或磨損強度條件下，一般不會出現(xiàn)鍵的剪切破壞。因此，鍵聯(lián)接的主要失效形式為：對于靜聯(lián)接，常為較弱零件(一般為輪轂)工作面的壓潰；對于動聯(lián)接，常為較弱零件工作面的磨損

17、。(3)平鍵聯(lián)接的強度校核返回假設載荷沿鍵長均勻分布，由圖可得平鍵聯(lián)接的強度靜聯(lián)接動聯(lián)接式中，p是工作擠壓應力(MPa)；p是工作壓強(MPa)；T是軸傳遞的轉矩(Nmm)；d是軸的直徑(mm)；h是鍵與輪轂的接觸高度，取 hh/2;h是鍵的高度(mm)；l是鍵的工作長度(mm)，A型鍵l=L-b、B型鍵l=L、C型鍵l=L-b/2，若同一軸段相隔180設置兩個鍵聯(lián)接時，l按一個鍵長的1.5倍計算；b是鍵寬(mm)；p是許用擠壓應力(MPa)，見表2-12；p是許用壓強(MPa)，見表2-12。表2-12返回二、花鍵聯(lián)接返回本節(jié)花鍵聯(lián)接是由與軸做成一體的花鍵和具有相應凹槽的轂孔組成。與平鍵聯(lián)接相比，鍵齒對稱布置，對中性、導向性、載荷分布的均勻性較好，而且齒數(shù)多，接觸面積大，承載能力高，尤其廣泛用于軸轂動聯(lián)接。其缺點是制造比較復雜，成本高?；ㄦI的齒形有矩形、漸開線和三角形。前兩者應用較多，三角形花鍵齒細而薄，僅適用于輕載或薄壁零件的聯(lián)接。三、過盈聯(lián)接返回本節(jié)過盈聯(lián)接也是一種常用的軸轂聯(lián)接形式。這種聯(lián)接在軸與轂孔之間存在著較大的過盈量，裝