机械设计基础电子教案9

第9章机械零件设计概论机械零件设计概述

9.1机械零件的强度9.2机械零件的接触强度9.3机械零件的耐磨性

9.4机械制造常用材料及其选择

9.5机械零件的工艺性及标准化9.7公差与配合、表面粗糙度和优先数系9.69.1机械零件设计概述多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的为强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。零件的设计常按下列步骤进行：①拟定零件的计算简图；②确定作用在零件上的载荷；③选择合适的材料；④根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状和主要尺寸。应当注意，零件尺寸的计算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准、规格加以圆整；⑤绘制工作图并标注必要的技术条件。在实际工作中，也常采用相反的方式——校核计算。9.2机械零件的强度应力可分为静应力和变应力。9.2.1应力的种类图9-1应力的种类对于塑性材料，可按不发生塑性变形的条件进行计算。这时应取材料的屈服极限

s作为极限应力，其许用应力为9.2.2静应力下的许用应力对于用脆性材料制成的零件，应取强度极限

B作为极限应力，其许用应力为1．疲劳曲线2．许用应力9.2.3变应力下的许用应力图9-3疲劳曲线可参考下述原则选择安全系数。①静应力下，塑性材料以屈服极限为极限应力。由于塑性材料可以缓和过大的局部应力，故可取安全系数S=1.2～1.5；对于塑性较差的材料（如＞0.6）或铸钢件，可取S=1.5～2.5。9.2.4安全系数②静应力下，脆性材料以强度极限为极限应力，这时应取较大的安全系数。例如，对于高强度钢或铸铁件，可取S=3～4。③变应力下，以疲劳极限作为极限应力，可取S=1.3～1.7；若材料不够均匀、计算不够精确时，可取S=1.7～2.5。通常，零件受载时是在较大的体积内产生应力，这种应力状态下的零件强度称整体强度。9.3机械零件的接触强度图9-7疲劳点蚀图9-8两圆柱体的接触应力磨损现象是相当复杂的，有物理、化学和机械等方面原因。下面对机械中磨损的主要类型作一简略介绍。1．磨粒磨损2．粘着磨损（胶合）3．疲劳磨损（点蚀）4．腐蚀磨损9.4机械零件的耐磨性机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也具有独特的使用价值。9.5机械制造常用材料及其选择1．铸铁2．钢（1）碳素结构钢（2）合金结构钢（3）铸钢3．铜合金9.5.1金属材料1．橡胶2．塑料9.5.2非金属材料9.6.1公差与配合机器是由零件装配而成的。大规模生产要求零件具有互换性，以便在装配时不需要选择和附加加工，就能达到预期的技术要求。9.6公差与配合、表面粗糙度和优先数系图9-10配合的种类图9-11基孔制的配合表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差。它主要是加工后在零件表面留下的微细而凸凹不平的刀痕。9.6.2表面粗糙度图9-12表征表面粗糙度的一些参数y1—轮廓峰高；y2—轮廓谷深优先数系是用来使型号、直径、转速、承载量和功率等量值得到合理的分级，这样可便于组织生产和降低成本。9.6.3优先数系9.7.1工艺性有关工艺性的基本要求如下。（1）毛坯选择合理（2）结构简单合理（3）规定适当的制造精度及表面粗糙度9.7机械零件的工艺性及标准化产品标准化本身包括三个方面的含义：①产品品种规格的系列化——将同一类产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等依次分档，制成系列化产品，以较少的品种规格满足用户的广泛需要；②零部件的通用化——将同一类型或不同类型产品中用途结构相似的零部件（如螺栓、轴承座、联轴器和减速器等），经过统一后实现通用互换；9.7.2标准化③产品质量标准化——产品质量是一切企业的“生命线”，要保证产品质量合格和稳定，就必须做好设计、加工工艺、装配检验，甚至包装储运等环节的标准化。这样，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。对产品实行标准化具有重大的意义：在制造上可以实行专业化大量生产，既可提高产品质量，又能降低成本；在设计方面可减少设计工作量；在管理维修方面，可减少库存量和便于更换损坏的零件。为了增强在国际市场的竞争能力，我国鼓励积极采用国际标准和国外先进标准。近年发布的我国国家标准，许多都采用了相应的国际标准，设计人员必须熟悉现行的有关标准。一般机械设计手册及机械工程手册（以后简称手册）中都收录摘编了常用的标准和资料，以供查阅。第10章螺纹联接螺纹的主要参数、类型、特点和应用

10.1螺纹联接的类型和螺纹紧固件

10.2螺纹联接的预紧和防松10.3螺栓的强度计算10.4螺栓联接的结构设计10.5静联接又可分为可拆联接和不可拆联接两大类，即10.1螺纹的主要参数、类型、特点和应用10.1.1螺纹的主要参数10.1.2螺纹的类型、特点和应用图10-1螺纹的主要参数

图10-2螺纹旋向与线数种类代号牙型图特点应用普通螺纹GB192～197—81M牙型角

为60°，自锁性能好，螺牙抗剪强度高。螺纹副的小径处有间隙，外螺纹牙根允许有较大的圆角，以减小应力集中。同一直径，按螺距大小不同分为粗牙和细牙。细牙的自锁性能较好，螺纹强度削弱少，但易滑扣应用最广。一般联接多用粗牙。细牙用于薄壁零件，也常用于受变载、振动及冲击载荷的联接，还可用于微调机机构的调整管螺纹管联接用细牙普通螺纹与普通细牙螺纹相同，不需专用量刃具，制造经济，靠零件端面和密封圈密封液压系统、气动系统、润滑附件和仪表等非螺纹密封的管螺纹GB7307—87G牙型角

=55°，公称直径近似为管子内径。内、外螺纹公称牙型间没有间隙多用于压力为1.568MPa以下、煤气管路、润滑和电线管路系统用螺纹密封的管螺纹GB7306—87R牙型角

=55°、公称直径近似为管子内径，螺纹分布在1:16的圆锥管壁上。内、外螺纹公称牙型间没有间隙，不用填料而依靠螺纹牙的变形就可以保证联接的紧密性用于高温、高压系统和润滑系统。适用于管子、管接头、旋塞、阀门和其他螺纹管联接的附件表10-1 螺纹的分类、特点和应用种类代号牙型图特点应用管螺纹60°圆锥管螺纹GB/T12716—91NPT与55°圆锥管螺纹相似，但牙型角

=60°用于汽车、拖拉机、航空机械、机床等燃料、油、水、气输送系统的管联接矩形螺纹牙型为正方形、牙厚为螺距的一半，传动效率较其他螺纹高，但精确制造困难（为便于加工，可给出10°的牙型角），螺纹副磨损后的间隙难以补偿或修复，对中精度低，牙根强度弱一般用于力的传递，如千斤顶小的压力机等梯形螺纹GB5796.1～5796.4—86Tr牙型角

=30°，螺纹副的小径和大径处有相等的间隙。与矩形螺纹相比，效率略低，但工艺性好，牙根强度高，螺纹副对中性好，可以调整间隙（用剖分螺纹时）应用较广，用于传动螺旋，常用于丝杠、刀架丝杆等锯齿形螺纹GB/T13576—92B工作面的牙型斜角为3°，非工作面的牙型斜角为30°，综合了矩形螺纹效率高和梯形螺纹牙强度高的特点用于单向受力的传力螺旋，如轧钢机的压下螺旋、螺旋压力机、水压机、起重机的吊钩等续表10.2螺纹联接的类型和螺纹紧固件10.2.1螺纹联接的主要类型螺纹联接有四种基本类型，即螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。普通螺栓（或称配联接）铰制孔联接螺栓孔直径d0普通螺栓d0=1.1d铰制孔用螺栓的d0与d的对应关系见下表类型结构图尺寸关系特点及其应用螺栓联接螺纹余量长度l1为静载荷，l1≥(0.3～0.5)d；变载荷，l1≥0.75d。铰制孔用螺栓的l1应尽可能的小于螺纹伸出长度a=(0.2～0.3)d。螺纹轴线到边缘的距离e=d+(3～6)mm被联接件无需切制螺纹，结构简单，装拆方便，应用广泛。通常用于被联接件不太厚和便于加工通孔的场合。工作时，螺栓受轴向拉力，故亦常称受拉螺栓联接孔与螺栓杆之间没有间隙。用螺栓杆承受横向载荷或固定被联接件的相互位置。工作时，螺栓一般受剪切力，故也常称受剪螺栓联接表10-2 螺纹联接的基本类型、特点及应用类型结构图尺寸关系特点及其应用双头螺柱联接螺纹拧入深度H钢或青铜：H≈ｄ铸铁：H=(1.25～1.5)d铝合金：H=(1.5～2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2～2.5)ｐ钻孔深度H2=H1+(0.5～1)dl1、a、e值同普通螺栓联接情况螺柱的一端旋紧在一被联接件的螺纹孔中，另一端则穿过另一被联接件的孔。通常用于被联接件之一不太厚、不便穿孔、结构要求紧凑或经常拆装的场合螺钉联接螺纹拧入深度H为钢或青铜：H≈ｄ铸铁：H=(1.25～1.5)d铝合金：H=(1.5～2.5)d螺纹孔深度H1=H+(2～2.5)ｐ钻孔深度H2=H1+(0.5～1)dl1、a、e值同普通螺栓联接情况不用螺母，它适用于被联接件之一太厚且不经常拆装的场合紧定螺钉联接d=(0.2～0.3)dｂ，当力和转矩大时取较大值螺钉的末端顶住零件的表面或顶入该零件的凹坑中，将零件固定，它可以传递不大的载荷续表图10-3吊环螺钉联接

图10-4地脚螺栓联接

图10-5T型槽螺栓联接

10.2.2螺纹紧固件螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，它是一种商品性零件，根据使用要求合理选择其规格、型号后即可外购。常用螺纹紧固件的结构特点和应用情况见表10-3。类型图例结构特点和应用六角头螺栓种类很多，应用最广，精度分为A、B、C三级，通用机械制造中多用C级（左图）。螺栓杆部可制出一段螺纹或全螺纹，螺纹可用粗牙或细牙（A、B级）双头螺柱螺柱两端都制有螺纹，两端螺纹可相同或不同。螺柱可带退刀槽或制成腰杆，也可制成全螺纹的螺柱。螺柱的一端常用于旋入铸铁或有色金属的螺纹孔中，旋入后即不拆卸，另一端则用于安装螺母以固定其他零件螺钉螺钉头部形状有圆头、扁圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽和内六角孔等型式。十字槽螺钉头部强度高、对中性好，便于自动装配。内六角孔螺钉能承受较大的扳手力矩，联接强度高，可代替六角头螺栓，用于要求结构紧凑的场合表10-3 常用标准螺纹紧固件紧定螺钉紧定螺钉的末端形状，常用的有锥端、平端和圆柱端。锥端适用于被紧定零件的表面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用于顶紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于紧定空心轴上的零件位置自攻螺钉螺钉头部形状有圆头、六角头、圆柱头和沉头等。头部起子槽有一字槽、十字槽等型式。末端形状有锥端和平端等，多用于联接金属薄板、轻合金或塑料零件。在被联接件上可不预先制出螺纹，在联接时利用螺钉直接攻出螺纹六角螺母根据螺母厚度不同，分为标准的和薄的两种。薄螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合。螺母的制造精度和螺栓相同，分为A、B、C三级，分别与相同级别的螺栓配用类型图例结构特点和应用续表类型图例结构特点和应用圆螺母圆螺母常与止退垫圈配用，装配时将垫圈内舌插入轴上的槽内，而将垫圈的外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。常作为滚动轴承的轴向固定用垫圈垫圈是螺纹联接中不可缺少的附件，常放置在螺母和被联接件之间，起保护支承表面等作用。平垫圈按加工精度不同，分为A级和B级两种。用于同一螺纹直径的垫圈又分为特大、大、普大和小四种规格，特大垫圈主要在铁木结构上使用。斜垫圈只用于倾斜的支承面上续表10.2.3螺纹紧固件的材料及等级性能等级（标记）3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9抗拉强度极限

bmin/MPa33040042050052060080090010401220屈服极限

smin/MPa1902403403004204806407209401100硬度HBSmin90109113134140181232269312365推荐材料低碳钢低碳钢或中碳钢中碳钢，淬火并回火中碳钢，低、中碳合金钢，淬火并回火合金钢合金钢10Q21515Q23516Q235253515Q23545353545表10-4 螺栓的性能等级（摘自GB3098.1—82）性能等级（标记）456891012抗拉强度极限

bmin/MPa510(d=16～39)520(d=3～4，右同)60080090010401150推荐材料易切削钢低碳钢或中碳钢中碳钢，低、中碳合金钢，淬火并回火相配螺栓的性能等级3.6，4.6，4.8(d＞16)3.6，4.6，4.8，5.6，5.8(d≤16)6.88.88.8(d≥16～39)；9.8(d≤16)10.912.9表10-5 螺母的性能等级（摘自GB3098.2—82）10.3螺纹联接的预紧和防松10.3.1预紧在实用中，绝大多数螺纹联接在装配时都必须拧紧，使联接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加的作用力称为预紧力。预紧的目的是增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对滑移，对于受拉螺栓联接，还可提高螺栓的疲劳强度，特别是对于像汽缸盖、管路凸缘、齿轮箱轴承盖等紧密性要求较高的螺纹联接，顶紧更为重要。但过大的预紧力会导致整个联接的结构尺寸增大，也会使联接件在装配或偶然过载时被拉断。因此，为了保证联接所需要的预紧力，又不使联接件过载，对重要的螺纹联接，在装配时要控制预紧力。一般规定，拧紧后螺纹联接件的预紧力不得超过其材料屈服极限

s的80%。图10-6测力矩和定力矩扳手10.3.2防松为了防止联接松脱，保证联接安全可靠，设计时必须采取有效的防松措施。防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。防松方法结构形式特点和应用对顶螺母用两个螺母对顶着拧紧，使旋合螺纹间始终受到附加摩擦力的作用；结构简单，但联接的高度尺寸和重量增大。适用于平稳、低速运转和重载的联接弹簧垫圈拧紧螺母后弹簧垫圈被压平，垫圈的弹性恢复力使螺纹副轴向压紧，同时垫圈斜口的尖端抵住螺母与被联接件的支承面，也有防松作用；结构简单，应用方便，广泛用于一般的联接尼龙圈锁紧螺母尼龙圈锁紧螺母是利用螺母末端的尼龙圈箍紧螺栓，横向压紧螺纹来防松；金属锁紧螺母是利用螺母末端椭圆口的弹性变形箍紧螺栓，横向压紧螺纹来防松；结构简单，防松可靠，可多次拆装而不降低防松性能，适用于较重要防松螺母的联接表10-6 螺纹联接常用的防松方法直接锁住开口销和槽形螺母拧紧槽形螺母后，将开口销插入螺栓尾部小孔和螺母的槽内，再将销口的尾部分开，使螺母锁紧在螺栓上；适用于有较大冲击、振动的高速机械中的联接止动垫圈将垫圈套入螺栓，并使其下弯的外舌放入被联接件的小槽中，再拧紧动螺母，最后将垫圈的另一边向上弯，使之和螺母的一边贴紧，此时垫片约束螺母而自身又约束在被联接件上（螺栓应另有约束）；结构简单，使用方便，防松可靠串联钢丝用低碳钢丝穿入各螺钉头部的孔内，将各螺钉串联起来，使其相互约束，使用时必须注意钢丝的穿入方向；适用于螺钉组联接，防松可靠，但装拆不方便防松方法结构形式特点和应用续表防松方法结构形式特点和应用破坏螺纹副运动关系冲点螺母拧紧后，在螺栓末端与螺母的旋合缝处冲点或焊接来防松；防松可靠，但拆卸后联接不能重复使用，适用于不需拆卸的特殊联接焊住粘合在旋合的螺纹间涂以粘接剂，使螺纹副紧密粘合；防松可靠，且有密封作用续表10.4螺栓的强度计算10.4.1普通螺栓联接的强度计算1．松螺栓联接图10-7起重滑轮的松螺栓联接设计公式为：2．紧螺栓联接（1）受横向工作载荷的紧螺栓联接图10-8只受预紧力的紧螺栓联接螺栓的强度条件为对于M10～M68的普通螺纹，

T≈0.5

，因此由此可见，扭切应力对强度的影响在数学式上表现为将轴向拉应力增大30%，即设计公式为（2）受轴向工作载荷的紧螺栓联接联接性质残余预紧力F"的推荐值紧固联接F无变化(0.2～0.6)FF有变化(0.6～1.0)F紧密联接(1.5～1.8)F地脚螺栓联接≥F表10-7 残余预紧力F"的推荐值螺栓的强度校核与设计计算式分别为10.4.2受剪螺栓联接的强度计算图10-10受剪螺栓联接

1、2—被联接件；3—螺杆受压面；4—受剪面螺杆的剪切强度条件为螺杆与孔壁的挤压强度条件为许用拉应力许用切应力许用挤压应力类型许用应力相关因素安全系数普通螺栓联接(受拉)松联接[S]=1.2～1.7紧联接控制预紧力测力矩或定力矩扳手[S]=1.6～2测量螺栓伸长量[S]=1.3～1.5不控制预紧力碳素钢合金钢铰制孔用螺栓联接（受剪及受挤）铸铁

min=b螺栓材料钢[Ss]=2.5螺栓或孔壁材料钢

lim=s[Sp]=1～2.5（孔壁

s可查手册）[Sp]=1.25（

p可查手册）表10-8 一般机械用螺栓联接在静载荷下的许用应力与安全系数10.5螺栓联接的结构设计10.5.1螺栓组的布置螺栓组的布置应考虑如下几个问题。①联接接合面形状应和机器的结构形状相适应。通常将接合面设计成对称的简单几何形状（见图10-12），便于加工被联接件和对称布置螺栓。图10-12螺栓组联接接合面常用形状

②螺栓的布置应使螺栓受力合理。当螺栓组承受转矩T时，应使螺栓组的对称中心和接合面的形心重合［见图10-13(a)］；当螺栓组承受弯矩M时，应使螺栓组的对称轴与接合面中性轴重合[见图10-13(b)］，并要求各螺栓尽可能远离形心和中性轴，以充分利用各个螺栓的承载能力。如果联接在受到轴向载荷的同时，还受到较大的横向载荷，则可采用套、销、键等零件来分担横向载荷（见图10-14），以减小螺栓的预紧力和结构尺寸。图10-13接合面受弯矩或转矩时螺栓的布置图10-14减载装置③螺栓排列应有合理的间距。布置螺栓时，各螺栓间以及螺栓和箱体壁间，应留有扳手操作空间。扳手空间的尺寸（见图10-15）可查阅手册。压力容器上的各螺栓轴线的间距可由表10-9中选取。图10-15扳手空间④分布在同一圆周上的螺栓数目，应便于在圆周上分度划线。在同一螺栓组中，螺栓的材料、直径和长度均应相同。10.5.2提高螺栓强度的措施1．减少应力集中的影响2．降低载荷变化量3．避免附加弯曲应力图10-16减小应力集中的方法

图10-17减低载荷变化量的方法

图10-18螺栓的附加应力图10-19减小或避免弯曲应力的措施第11章齿轮传动齿轮的失效形式及计算准则11.1齿轮材料及热处理11.2齿轮传动的精度11.3直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷11.4直齿圆柱齿轮传动的强度计算11.5斜齿圆柱齿轮传动11.7直齿圆柱齿轮传动设计计算准则及主要设计参数的选择11.6直齿锥齿轮传动11.9斜齿圆柱齿轮传动的受力分析及强度计算

11.8圆弧齿轮传动简介11.11齿轮传动的维护与修复11.12齿轮结构11.1011.1齿轮的失效形式及计算准则11.1.1齿轮的失效形式齿轮的失效主要是指轮齿的失效，常见的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合和轮齿塑性变形。1．轮齿折断轮齿折断一般发生在齿根部分。图11-1齿轮的失效形式2．齿面点蚀齿面点蚀一般发生在软齿面闭式齿轮传动中。3．齿面磨损4．齿面胶合5．轮齿塑性变形图11-2轮齿的塑性变形图11-3轮齿失效实例对一般齿轮传动，目前广泛采用的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度两种计算方法足以确定其承载能力。11.1.2齿轮传动的设计计算准则软齿面（HBS≤350）闭式齿轮传动一般以齿面点蚀而失效，故通常先按接触疲劳强度设计几何尺寸，然后用弯曲疲劳强度验算其承载能力；硬齿面（HBS＞350）闭式齿轮传动一般以齿根折断而失效，故通常先按齿根弯曲疲劳强度设计几何尺寸，然后用齿面接触疲劳强度验算其承载能力。对于开式齿轮传动，一般以齿根折断和齿面磨损而失效，但目前尚无完善的磨损计算方法，故仅以齿根弯曲疲劳强度设计几何尺寸或验算其承载能力，并在设计计算时用适当将模数加大10%～15%的办法来考虑磨损因素的影响，不需要进行接触强度验算。11.2.1齿轮材料制造齿轮常用材料主要是锻钢和铸钢，其次是铸铁，特殊情况下也可用有色金属和非金属材料。11.2齿轮材料及热处理从齿面硬度和制造工艺来分，可把钢制齿轮分为软齿面（齿面硬度HBS≤350）和硬齿面（齿面硬度HBS>350）两类。1．锻钢软齿面轮齿是热处理（调质或正火）以后进行精加工（切削加工）。硬齿面轮齿是在精加工后进行最终热处理的，其热处理方法常为渗碳淬火、表面淬火等。2．铸钢3．铸铁4．非金属材料1．表面淬火2．渗碳淬火3．氮化4．调质5．正火11.2.2齿轮的热处理11.3.1选择齿轮精度的基本要求1．传递运动准确性要求2．工作平稳性要求3．载荷分布均匀性要求4．齿侧间隙要求11.3齿轮传动的精度我国颁布的渐开线圆柱齿轮精度国家标准中对齿轮和齿轮传动规定了12个精度等级。精度由高到低的顺序依次用数字1、2、3、…、12表示。11.3.2渐开线圆柱齿轮精度国标简介对传动性能的主要影响分别为：Ⅰ——传递运动的准确性；Ⅱ——传动的平稳性；Ⅲ——载荷分布的均匀性。常用的精度等级是5、6、7、8级。这几级精度齿轮传动的应用范围见表11-3。精度等级圆周速度m/s应用范围效率直齿斜齿5级>15>30精密的分度机构用齿轮；用于高速、并对传动平稳性和噪声有较高要求的齿轮；高速汽轮机用齿轮；８级或９级精度齿轮的标准齿轮99%以上6级≤15≤30用于在高速下平稳地回转、并要求有最高的效率和低噪声的齿轮；分度机构用齿轮；特别重要的飞机齿轮99%以上7级≤10≤20用于在高速、载荷小或反转的齿轮；机床的进给齿轮；中速减速齿轮；飞机用齿轮99%以上8级≤6≤12对精度没有特别要求的一般机械用齿轮；机床齿轮（分度机构除外）；普通减速箱齿轮；特别不重要的飞机、汽车、拖拉机用齿轮99%以上表11-3 常用圆柱齿轮传动的精度等级及其应用范围11.4.1受力分析11.4直齿圆柱齿轮传动的受力分析及计算载荷图11-4直齿圆柱齿轮传动11.4.2计算载荷①使用系数KA

工作机原动机均匀平稳（如电动机、汽轮机）轻微振动（如多缸内燃机）中等振动（如单缸内燃机）均匀平稳（如发电机、带式传动机、板式传动机、螺旋输送机、轻型升降机、电葫芦、机床进给机构、通风机、透平鼓风机、透平压缩机、均匀密度材料搅拌机）1.001.251.50中等振动（如机床主传动、重型升降机、起重机回转机构、矿山通风机、非均匀密度材料搅拌机、多缸柱塞泵、进料泵）1.251.501.75严重冲击（如冲床、剪床、橡胶压轧机、轧机、挖掘机、重型离心机、重型进料泵、旋转钻机、压坯机、挖泥机）≥1.75≥2.00≥2.25表11-4 使用系数KA②动载系数Kv③齿间载荷分配系数K

④齿向载荷分布系K

图11-5动载系数Kv图11-6齿间载荷分配系数Ka图11-7齿向载荷分布系数K

11.5直齿圆柱齿轮传动的强度计算小齿轮材料大齿轮材料钢铸钢球墨铸铁灰铸铁钢铸铁球墨铸铁灰铸铁189.8———188.9188.0——181.4180.5173.9—162.0161.4156.6143.7表11-5 材料弹性系数ZE 图11-8节点区域系数ZH(

=20°)通常假设全部载荷作用在只有一对轮齿啮合时的齿顶，并把轮齿看作是悬臂梁，则轮齿根部为危险截面，应用材料力学方法，可得齿根弯曲疲劳强度校核公式11.5.2轮齿弯曲疲劳强度计算将，d1=mz1代入上式，得弯曲疲劳强度设计公式图11-9外齿轮复合齿形系数YFS ——重合度系数，考虑重合度对弯曲应力的影响而引入的系数。其值可按下式计算1．许用接触应力[]11.5.3许用应力图11-10齿轮的接触疲劳极限

Hlim失效概率

（按使用要求提出）SH、SF≤1/10000（高可靠性）≤1/1000（较高可靠性）≤1/100（一般可靠性）≤1/10（低可靠性）国1.5国国1.25国国1国国0.85国表11-6 最小安全系数SH、SF2．许用弯曲应力图11-11齿轮的弯曲疲劳极限

Flim11.6.1设计计算顺序1．闭式传动对软齿面（配对齿轮或其中一个齿轮的齿面硬度为HBS≤350）的闭式齿轮传动，通常主要失效形式是齿面疲劳点蚀，其次是轮齿折断。因而先按齿面接触疲劳强度条件进行设计，求出齿轮直径和齿宽后，确定齿数与模数，然后校核齿根弯曲疲劳强度。11.6直齿圆柱齿轮传动设计计算准则及主要设计参数的选择对硬齿面（配对齿轮的齿面硬度均为HBS>350）的闭式齿轮传动，通常主要失效形式是轮齿折断，其次是齿面疲劳点蚀。因而先按齿根弯曲疲劳强度条件进行设计，求出模数后，确定齿轮直径与中心距。对开式传动齿轮来说，主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，目前尚无可靠和通用的计算方法。一般仍按齿根弯曲疲劳强度条件进行设计，求出模数，并考虑磨损影响，把求得的模数加大10%～15%。2．开式传动1．精度等级2．齿数z1和模数m11.6.2主要设计参数的选择软齿面闭式传动的承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度，故齿数宜选多些，模数宜选小些，从而提高传动的平稳性并减少轮齿的加工量。推荐取z1=24～40。硬齿面闭式传动及开式传动的承载能力主要取决于齿根弯曲疲劳强度，故模数宜选大些，齿数宜选少些，从而控制齿轮传动尺寸不必要的增加。推荐取z1=17～24。传递动力的齿轮，模数不应小于2mm。轮齿越宽，承载能力越高，故轮齿不宜过窄，齿宽系数应取得适当。3．齿宽系数

d和齿宽b

齿轮相对于轴承位置对称布置非对称布置悬臂布置

d0.9～1.40.7～1.150.4～0.6表11-7 圆柱齿轮的齿宽系数

d为防止两齿轮因装配引起的轴向错位而导致啮合齿宽减小，常取b2=

dd1，而b1=b2+(5～10)mm。一般对于直齿圆柱齿轮传动，u≤5；斜齿圆柱齿轮传动，u可取6～7。对于开式传动或手动传动，必要时单级传动的u可取8～12。4．齿数比u11.7.1齿廓曲面的形成和啮合特点当与基圆柱相切的发生面沿基圆柱作纯滚动时，发生面上与齿轮轴线相平行的直线KK所展成的渐开线曲面，形成了直齿轮的齿廓曲面。11.7斜齿圆柱齿轮传动斜齿轮的齿廓曲面形成与直齿轮的齿廓曲面形成相似，只是直线KK不再与齿轮的轴线平行，而与它成一交角

b。除了啮合开始和终止瞬时外，其余每一瞬时接触线也是直线，但均不与轴线平行，且接触线长度有变化，由零逐渐增加到最大值，然后又由最大值逐渐减小到零，所以斜齿轮所受力不具有突加性。图11-16圆柱齿轮齿面接触线斜齿轮传动的一对轮齿啮合过程长、重合度大，且受力不具有突加性，故斜齿轮传动较直齿轮传动平稳，承载能力高。1．螺旋角

一般机械推荐=8°～25°，而对于噪声有特殊要求的齿轮，还要大一些。如小轿车齿轮，可取=35°～37°。11.7.2斜齿圆柱齿轮的基本参数、正确啮合条件和几何尺寸计算（1）齿距与模数2．端面参数和法面参数的关系图11-17斜齿圆柱齿轮的展开图（2）压力角3．外啮合斜齿轮的正确啮合条件图11-18斜齿轮法面和端面压力角的关系

图11-19左、右旋斜齿轮啮合

4．几何尺寸计算mt

t=arctand1=mt

z1=，d2=mtz2=名称代号计算公式备注端面模数mt

（mt为法面模数）mn由强度计算决定，并为标准值端面压力角

t

n为标准值螺旋角

一般取

=8°～25°分度圆直径d1，d2齿顶高haha=ha*mn=mnha*为标准值齿根高hfhf=(ha*+cn*)mn=1.25mncn*为标准值齿全高hh=ha+hf=2.25mn顶隙cc=hf−ha=0.25mn齿顶圆直径da1，da2da1=d1+2mnda2=d2+2mn齿根圆直径df1，df2df1=d1−2.5mndf2=d2−2.5mn中心距a表11-8 外啮合标准斜齿圆柱齿轮的几何尺寸11.7.3斜齿轮传动的重合度11.7.4斜齿轮的当量齿数图11-21斜齿轮的当量齿轮11.8.1受力分析11.8斜齿圆柱齿轮传动的受力分析及强度计算图11-22斜齿轮受力分析图11-23主动轮左右手法则1．齿面接触强度计算11.8.2强度计算2．齿根弯曲强度计算11.9直齿锥齿轮传动图11-24圆锥齿轮传动锥齿轮按其轮齿齿长形状可分为直齿、斜齿、圆弧齿等几种。

标准锥齿轮不产生切齿干涉的最少齿数应为11.9.1直齿锥齿轮的当量齿数zv图11-25当量圆柱齿轮一对轴交角Σ=90°的标准直齿锥齿轮传动，如图11-26所示，直齿锥齿轮的几何尺寸计算都以大端为基准，故大端模数为标准模数。顶锥角

a=

+

a。11.9.2直齿锥齿轮的几何尺寸计算图11-26直齿圆锥齿轮的几何尺寸

图11-27等顶隙收缩齿11.9.3受力分析图11-28直齿圆锥齿轮受力分析

图11-29主、从动轮受力分析1．接触强度计算验算公式11.9.4直齿锥齿轮传动的强度计算设计公式验算公式2．弯曲强度计算设计公式齿轮的结构类型主要由毛坯材料、几何尺寸、加工工艺、生产批量、经济等因素确定。按照毛坯制造方法的不同，齿轮结构可以分为锻造齿轮、铸造齿轮、装配式齿轮和焊接齿轮等。11.10齿轮结构1．锻造齿轮图11-30齿轮轴

图11-31实体式齿轮图11-32锻造齿轮结构——腹板式2．铸造齿轮图11-33铸造齿轮结构——轮辐式图11-34铸造锥齿轮结构——腹板式

为适应齿轮传动向高速、重载、结构紧凑方向发展的要求，近年来，在冶金、矿山和重型运输机械中广泛采用圆弧齿轮传动（见图11-35）。11.11圆弧齿轮传动简介图11-35圆弧齿轮传动

双圆弧齿轮传动要比单圆弧齿轮传动的重合度大且承载能力也更高，故双圆弧齿轮比单圆弧齿轮更有发展前途，目前我国正在积极研究开发这种新型齿轮。图11-38双圆弧齿轮传动的啮合示意图

11.12.1齿轮传动的润滑齿轮在啮合传动时会产生摩擦和磨损，造成动力损耗，使传动效率降低。因此，齿轮传动，特别是高速重载齿轮传动的润滑非常必要。良好的润滑可以减少齿轮传动的磨损、降低噪声、散热和防锈蚀。11.12齿轮传动的维护与修复齿轮传动的润滑方式主要由齿轮圆周速度和具体工况要求确定。闭式齿轮传动中，当齿轮的圆周速度v<10m/s时，通常采用大齿浸油润滑。1．齿轮传动的润滑方式运转时，大齿轮将油带入啮合齿面进行润滑，同时将油甩到箱壁上散热；当v≥10m/s时，通常采用喷油润滑，即以一定的压力将油喷射到轮齿的啮合齿面进行润滑并散热。对速度较低的齿轮传动或开式传动，可采用人工定期润滑。齿轮润滑油的选择由齿轮的类型、工况、载荷、速度和温升等条件决定。2．齿轮润滑油的选择①使用齿轮传动时，在起动、加载、换挡及制动的过程中应力求平稳，避免产生冲击载荷，以防止引起断齿等故障。②经常检查润滑系统的状况，如润滑油量、供油状况、润滑油质量等，按照使用规则定期更换或补充规定牌号的润滑油。11.12.2齿轮传动的维护③注意监视齿轮传动的工作状况，如有无不正常的声音或箱体过热现象。润滑不良和装配不合要求是齿轮失效的重要原因。声响监测和定期检查是发现齿轮损伤的主要方法。1．堆焊补齿法2．镶齿法3．变位切削法11.12.3齿轮的修复图11-39镶齿轮法第12章蜗杆传动蜗杆传动的类型和特点

12.1普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸12.2蜗杆传动的失效形式、设计准则和材料选择

12.3蜗杆传动的受力分析12.4蜗杆传动的强度计算12.5蜗杆传动的安装与维护12.7蜗杆传动的效率及热平衡计算

12.612.1蜗杆传动的类型和特点蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成（如图12-1所示），用于传递空间两交错轴间的运动和动力。图12-1蜗杆传动常用蜗杆传动类型如下：12.1.1蜗杆传动的类型1．圆柱蜗杆传动（1）普通圆柱蜗杆传动①阿基米德圆柱蜗杆（ZA型）②渐开线圆柱蜗杆（ZI型）③法向直廓圆柱蜗杆（ZN型）（2）圆弧圆柱蜗杆传动（ZC型）图12-2阿基米德圆柱蜗杆图12-3渐开线圆柱蜗杆图12-4法向直廓圆柱蜗杆2．环面蜗杆传动3．锥蜗杆传动图12-5锥面包络圆柱蜗杆图12-6圆弧圆柱蜗杆图12-7环面蜗杆传动图12-8锥蜗杆传动与其他传动相比，蜗杆传动有以下特点。①传动比大。一般动力传动中，i=10～80；在分度机构或手动机构中，i可达300，若主要是传递运动，i可达1000。②工作平稳。由于蜗杆齿为连续不断的螺旋齿，故传动平稳，噪音小。12.1.2蜗杆传动的特点③可以实现自帧。在蜗杆传动中，蜗杆犹如螺杆，蜗杆传动作用力关系也和螺旋传动一样，故蜗杆导程角小于蜗杆副的当量摩擦角时，蜗杆传动就具有自锁性。④效率较低。由于蜗杆与蜗轮齿面间相对滑动速度很大，摩擦与磨损严重，故蜗杆传动效率低。一般为

=0.7～0.9，自锁时

<0.5。因此，在连续工作的闭式传动中，应具有良好的润滑和散热条件。⑤蜗轮材料较贵。为了减磨和抗胶合，蜗轮材料常选用青铜合金制造，成本较高。⑥不能实现互换。由于蜗轮是用与其匹配的蜗杆滚刀加工的，因此，仅模数和压力角相同的蜗杆与蜗轮是不能任意互换的。蜗杆传动适用于传动比大、传递功率不大且不作长期连续运转的场合。由于普通圆柱蜗杆容易制造且在各种机械中得到广泛应用，故本章仅讨论普通圆柱蜗杆传动。12.2.1普通圆柱蜗杆传动的主要参数1．模数m和压力角

mx1=mt2=m x1=t2=12.2普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸图12-9普通圆柱蜗杆传动的啮合当用滚刀切制蜗轮时，为了减少滚刀的数量，国家标准对每个模数规定了几种蜗杆分度圆直径d1（见表12-1），且

d1=mq

2．蜗杆分度圆直径d1S=z1px3．蜗杆导程角

和蜗轮螺旋角

图12-10蜗杆分度圆上导程角

4．传动比i、蜗杆头数zl和蜗轮齿数z2蜗杆传动参数和尺寸计算以中间平面为基准（见图12-9），计算公式见表12-3。蜗杆传动推荐用的系列值及参数匹配见表12-4。12.2.2普通圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算1．蜗杆的结构2．蜗轮的结构12.2.3蜗杆、蜗轮的结构图12-11蜗杆轴结

构

形

式特

点（a）整体式当直径小于100mm时，可以用青铜铸成整体；当滑动速度v1≤2m/s时，可用铸铁铸成整体（b）轮箍式青铜轮缘与铸铁轮心通常采用配合，并加台肩和螺钉固定，螺钉数为6～12（c）螺栓联接式以光制螺栓联接，螺栓孔要同时铰制其配合