矿物加工机械设计基础课件

工程材料第一节

材料的分类1一、工程材料二、钢的分类23二、钢的分类三、钢产品的种类与代号4见教材P20

表2-1第二节金属材料的性能5一、力学性能

1、强度与塑性

1）强度：金属材料抵抗永久变形和断裂的能力。通过拉伸试验得到。1、强度与塑性6图2-3拉伸试样图2-4低碳钢的力—伸长量曲线1、强度与塑性7图2-4低碳钢的力—伸长量曲线（1）屈服点（屈服极限）材料产生明显永久时的最低应力。σS=FS／S0(MPa)式中：Fs—试样屈服时的拉伸力，N；S0—试样原始横截面积，mm2。1、强度与塑性8图2-4低碳钢的力—伸长量曲线（2）抗拉强度（强度极限）试样拉断前所能承受的最大拉应力。σb=Fb／S0(MPa)式中

Fb——试样拉断前承受的最大拉伸力，N。1、强度与塑性92）塑性：断裂前金属产生不可逆永久变形的能力。

（1）断后伸长率

δ=(L1－L0)／L0×100％式中：

L0——试样的原始标距长度，mm；

L1——试样拉断后的标距长度，mm。

（2）断面收缩率

ψ=(S0－S1)/S0×100％式中：S1——试样拉断处的最小横截面积，mm2。2、硬度10硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕和划痕的能力。1)布氏硬度

单位压痕球面积上所承受的试验力。淬火钢球用HBS表示。硬质合金球用HBW表示。如120HBS10/1000／30表示用直径为10mm的淬火钢球作压头，在1000kgf试验力作用下保持30s所测得的布氏硬度值为120。图2-5布氏硬度试验原理2、硬度112)洛氏硬度用主试验力作用下压入试件表面的残余压痕深度增量bd确定硬度值。为测量不同硬度材料的洛氏硬度，可采用不同压头和试验力，对应有HRA、HRB、HRC，其中以HRC应用最广，如62HRC。洛氏硬度试验操作迅速、简便，所能测试的硬度范围大，压痕小，可测试成品表面及较薄件。但测量准确性不高。为此，规定同一试件测三次取平均值为宜。图2-6洛氏硬度试验原理简图3、韧性12

冲击韧性：指金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。

冲击韧性值：一次冲断试样，缺口处单位截面积所消耗的功。冲击韧度的数值越大，材料的韧性越好，抗冲击破坏的能力越强。

二、其他性能131.物理性能1)密度

单位体积内的质量。如要求质量轻和惯性小的零件，均采用密度小的铝合金制造。2)熔点熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度。熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件。3)导热性

金属传导热量的能力称为导热性。一般说，金属纯度越高，其导热能力就越大。制造散热器、热交换器与活塞等零件时，常选用导热性好的金属。

1.物理性能144)导电性

金属传导电流的性能。纯金属的导电性比合金好。常用纯铜、纯铝做导电材料，用导电性差的铜合金和铝合金作电热元件。5)热膨胀性

金属随着温度变化而膨胀、收缩的特性。6)磁性

金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力。铁磁性材料(在外加磁场中，能被强烈磁化到很大程度)、顺磁性材料(在外加磁场中呈现十分微弱的磁性)、抗磁性材料(能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料)。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料。2.化学性能151)导耐腐蚀性金属在常温下抵抗氧、水及其他化学介质腐蚀破坏的能力。2)2）抗氧化性金属在加热时抵抗氧化作用的能力。3.工艺性能161）铸造性能：金属在铸造成型过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力。2)锻造性能：金属利用锻压加工方法成型的难易程度。3)焊接性能：金属在一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。4)切削加工性能：金属在切削加工时的难易程度。第三节

常用金属材料17钢是以铁为主要元素，碳的质量分数ωC在2.11%以下，并含有其他元素的铁碳合金。铸铁是碳的质量分数ωC>2.11%，并有较高含硅量的铁碳合金。第三节

常用金属材料18

1.非合金钢（碳钢）

非合金钢的性能可满足许多机械零件和工程结构的使用要求，且工艺性能较好，价格低廉、产量大、品种多、规格全，在工业中应用很广。低碳钢（ωC<0.25%）、中碳钢（ωC=0.25%～0.6%）、高碳钢（ωC>0.6%）。低碳钢的强度、硬度低，塑性、韧性好；中碳钢具有良好的综合力学性能；高碳钢的强度、硬度高，但塑性、韧性较低。普通碳钢、优质碳钢、特殊质量碳钢(以S、P的含量划分)。结构钢主要用于制造机械零件及工程结构件，工具钢主要制造各种刃具、量具和模具等。1.非合金钢19

1）碳素结构钢如Q235-A·F，表示σS≥235MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。1.非合金钢202)优质碳素结构钢如45表示平均碳含量为0．45％的普通锰含量的优质碳素结构钢，65Mn表示平均碳含量为0.65%的较高锰含量的优质碳素结构钢。1.非合金钢213)碳素工具钢如T8表示平均碳含量为0.8％的优质碳素工具钢。若牌号末尾加“A”，表示钢中硫、磷含量较少，为高级优质钢，如T10A。1.非合金钢224)优质铸造碳钢如ZG200—400表示。σS≥200MPa，σb≥400MPa的铸钢。2.低合金高强度结构钢23在低碳钢的基础上加入少量合金元素制成。具有较高强度（σS≥295MPa）和塑性、一定的耐蚀性以及良好的焊接性能，成本与碳素结构钢相近。牌号与碳素结构钢相同。3.合金钢24

合金元素的种类和含量高于国标规定范围的钢。合金元素是为改善钢的性能在冶炼时有意加入钢中的元素，常用的合金元素有：Si、Mn、Cr、Ni、V、W、Mo、Al、B等。合金元素的存在，使钢的力学性能得到提高，特别是使钢的淬透性提高。某些合金元素还可使钢具有一些特殊性能，如耐蚀性、抗氧化性等。来制造更加重要的机械零件和工程结构件以及一些在特殊条件下工作的钢件。3.合金钢25

1)合金钢的分类与牌号如20CrMnTi表示平均ωC=0.2％，含Cr、Mn、Ti三种合金元素，其含量均在1．5％以下的合金钢。9Mn2V表示平均ωC=0.9％，Mn的平均含量为2％，V的平均含量低于l.5％的合金工具钢。3.合金钢26

2)合金结构钢(1)合金渗碳钢：碳含量<0.25%，经渗碳、淬火、低温回火后使用的合金钢。

2)合金结构钢27(2)合金调质钢：碳含量=0.3%～0.5%，经淬火、高温回火后使用的合金钢。

2)合金结构钢28

（3）合金弹簧钢：碳含量=0.46%～

0.64%，经淬火、中温回火后使用的合金钢。

2)合金结构钢29

3)合金工具钢合金工具钢按用途分为合金量具刃具钢、高速工具钢、合金模具钢等。4)不锈钢和耐热钢(1)

不锈钢不锈钢是以铬为基本元素，能抵抗大气或其他介质腐蚀的钢。根据使用时的组织分为马氏体、铁素体、奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢等。(2)耐热钢：高温下能保持足够强度和抗氧化性的钢。

2)合金结构钢30

4.铸铁铸铁是具有良好的铸造性能、切削加工性、减震性和减磨性，且价格低廉的铁碳合金材料。4.铸铁311)灰铸铁灰铸铁中的碳全部或部分地以片状石墨的形式存在，断口呈暗灰色。其抗拉强度低、塑性和韧性差。良好的铸造性、切削加工性、减磨性、减震性和低的缺口敏感性。如HT200代表最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。4.铸铁322)球墨铸铁球墨铸铁中的碳以球状石墨的形式存在，球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高得多，强度与部分钢接近。塑性、韧性也大为改善。铸造性能、减振性比灰铸铁差。如QT450-10代表最低抗拉强度为450MPa，最低断后伸长率为10％的球墨铸铁。4.铸铁333)可锻铸铁可锻铸铁中的碳以团絮状石墨的形式存在，可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，且不能锻造成型。如KTH350—10代表最低抗拉强度为350MPa，最低断后伸长率为10％的黑心可锻铸铁；KTZ650—02代表最低抗拉强度为650MPa，最低断后伸长率为2％的珠光体可锻铸铁。二、有色金属及其合金34有色金属及其合金与黑色金属相比有许多优良的性能，如导电性、导热性、耐蚀性、耐高温性，且密度小，因而有色金属及其合金在航空、航海、电器、仪表、化工等领域得到了广泛应用。二、有色金属及其合金351)纯铝纯铝具有良好的导电性、导热性，抗大气腐蚀能力强，密度小，强度低，塑性好。常加工成板、线、管和型材或配制铝合金。2)铝合金(1)变形铝合金：可用于压力加工的铝合金。它主要包括防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金、锻铝合金。(2)铸造铝合金具有较高强度和耐蚀性，良好铸造性，主要用于铸造重量轻、形状复杂的结构件，如活塞，气缸盖，泵、仪表中的壳体、支架等。2.铜与铜合金36纯铜(紫铜)广泛用于制造电线、电缆、铆钉、冷凝管等以及配制铜合金。2)铜合金(1)黄铜:以锌为主要合金元素的铜合金，普通黄铜是由铜和锌组成，具有一定的强度，较好的塑性、耐蚀性和焊接性能，常用于制造弹壳、散热器、螺母、垫片、轴套等。特殊黄铜是在普通黄铜的基础上加入其他合金元素形成的铜合金，其强度、硬度、耐蚀性和切削加工性较高。主要用于力学性能要求较高又耐腐蚀的零件，如螺钉、齿轮、蜗轮、衬套等。铸造黄铜主要用于有较高强度和耐磨性的零件。2.铜与铜合金37(2)青铜。除黄铜和白钢(铜镍合金)外的其他铜合金统称为青铜。压力加工锡青铜主要用于弹性件和耐磨件；铸造锡青铜主要用于要求强度高，耐磨性、耐蚀性好的零件，如轴套、齿轮、蜗轮等。铝青铜比锡青铜有更高的强度、硬度，良好的耐磨性、耐蚀性，且价格低，但铸造性能较差。主要用于重要的弹性件、耐磨件，如弹簧、齿轮、轴套等。3.轴承合金38用来制造滑动轴承中轴瓦及轴瓦内衬的合金称为轴承合金。轴承合金除具有足够的强度、塑性外，还有良好的导热性、耐蚀性、耐磨性及磨合性，小的膨胀系数及摩擦因数，表面能储存润滑油等特点。第四节

非金属材料39一、塑料1．塑料的特性密度是钢铁材料的1／8～1／4，有着良好的绝缘性，耐蚀性较好，比强度(强度／密度)高，可用普通的机械加工方法制造，也可用挤压、注射、胶粘等方法成型，具有优良的耐磨、减摩性能，吸震性和消声性也很好，耐热性不高、热导系数小、表面硬度低、容易老化等。一、塑料402.塑料的分类及用途按其用途可分为通用塑料和工程塑料；按树脂的性质分为热固性塑料和热塑性塑料。(1)聚氯乙烯(PVc)。硬质聚氯乙烯强度高，绝缘性、耐腐蚀性好，用于化工设备的衬里及制造储槽、离心泵、阀门管件等。(2)聚乙烯(PE)。低压高密度聚乙烯主要用于制造塑料管、管件及载荷齿轮，超高分子量聚乙烯的冲击韧度高，耐疲劳、耐磨性好。多用作减摩、耐磨传动件。(3）聚丙烯(PP)。聚丙烯的强度高于聚乙烯，刚性、耐热性、耐蚀性和高频绝缘性好。多用于制造机械零件如法兰、齿轮、泵叶轮、汽车零件等。2.塑料的分类及用途41(4)聚四氟乙烯(F－4)。聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，耐蚀性极好，能耐绝大多数的强酸、强碱、强氧化剂及溶剂等，有“塑料王”之称。主要用于减震耐磨件、密封件和耐蚀件，如填料、垫片和泵、阀等零件等。(5)聚酰胺(PA)。聚酰胺俗称尼龙，有高的强度和耐磨性，主要用作轴承、齿轮、高压密封圈等。(6)ABS塑料。ABS塑料的韧性、耐热性、耐蚀性、加工工艺性，用于制造轴承、齿轮、叶片、管道、容器。二、橡胶42在较小的载荷下就能产生很大的变形，当去除载荷后又能很快恢复原状，是常用的弹性材料、密封材料、防震和减震材料、传动材料。具有很高的可挠性、伸长率和良好的耐磨性、电绝缘性、耐腐蚀性、隔音、吸震以及与其他物质的黏结性等。橡胶主要用于制作轮胎，密封元件，各种胶管，橡胶弹簧，传动带，运输带,电线、电缆、电工绝缘材料和制动件等。常用橡胶性能及用途43三、合成纤维44

纤维：保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料。

合成纤维：以石油、天然气、煤及农副产品等作为原料，经化学合成方法制造的化学纤维。四、陶瓷45以天然硅酸盐或人工合成化合物为原料，经制粉、配料、成型、高温烧结而成的无机化合物。1.陶瓷的性能1)力学性能在外力作用下只产生弹性变形，且变形量小。特种陶瓷的强度高、硬度大、耐磨性好。2）物理性能线膨胀系数小，热导率小，良好的保温性能。抗急冷、急热能力较差，常在热冲击下被破坏，是传统的绝缘材料。3）化学性能不会氧化，可在酸、碱、盐，强腐蚀的工况中应用。2.陶瓷的分类及应用461）普通陶瓷普通陶瓷是指黏土类陶瓷，由黏土、长石、石英按一定配比，并经烧制而成，其性能取决于三种原料的纯度、粒度与比例。2)

特种陶瓷(1)氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分的陶瓷。熔点高、硬度高、强度高，具有良好的抗化学腐蚀能力和介电性能。但脆性大，抗冲击性能和抗热振性差，不能承受环境温度的剧烈变化。刚玉常用于旋流器的衬里。2)特种陶瓷47(2)氮化硅陶瓷化学性能稳定、耐磨性好、摩擦因数小、热膨胀系数小，本身具有润滑性；可用于耐磨、耐腐蚀的泵和阀、高温轴承、燃汽轮的转子叶片及金属切削工具。(3)碳化硅陶瓷高温时强度高，具有很高的热传导能力，并耐磨、耐蚀、抗蠕变性能高。可用于火箭尾喷管的喷嘴。(4)氮化硼陶瓷立方氮化硼的硬度与金刚石相近，是优良的耐磨材料，用于制作磨料和金属切削刀具。

第五节

复合材料——玻璃钢48

由两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种多相固体材料。玻璃钢：用玻璃纤维增强工程塑料基的复合材料。

玻璃纤维的性能特点：①具有高的抗拉强度。②耐热性低。③化学稳定性高。④脆性较大，价格便宜。热固性玻璃钢大约是用质量分数为60％～70％的玻璃纤维和30％～40％的热固性树脂复合而成。环氧树脂性能较好、应用最普遍。主要优点是成形工艺简单、质轻、比强度高、耐腐蚀，介电性高、电波穿透性好，与热塑性玻璃钢相比，耐热性更高一些。主要缺点是弹性模量低(只为钢的1／5～1／10)，刚性差，耐热温度不超过250℃，容易老化、容易蠕变。几种热塑性玻璃钢的性能比较49第六节

耐磨材料50五种磨损形式的机理特点及实例第六节

耐磨材料51各种磨损类型要求材料具备的性能第六节

耐磨材料52各种工作条件下建议选用的工程材料第六节

耐磨材料53各种磨损类型所建议选用的金属材料二、常用金属耐磨材料541.耐磨铸铁1)中锰球墨铸铁(5％～10%Mn)：主要用于制作农机用的耙片、犁铧、球磨机衬板、磨球，选煤机的旋流器及破碎机颚板等。2)高磷合金铸铁(0.4～0.6％P)：是广泛应用于柴油机汽缸的一种耐磨铸铁。3)普通白口铁：生产简便，可以在冲天炉中熔炼，价格便宜，主要用做犁铧、球磨机磨球，清理设备中的铁丸等。1.耐磨铸铁554)镍硬白口铁：加入镍(3．3%～5％)主要用于某些泵的壳体、叶片及球磨机的衬板等。5)铬系白口铸铁高铬铸铁(Cr=15％～30％)在滑动接触的磨料磨损条件下，表现出很高的耐磨性；而在高角度冲蚀磨损条件下，耐磨性则大大下降，甚至还不如低碳钢。低铬铸铁的铬含量在5％以下，优点是成本低，但耐磨性也相对差一点，低铬铸铁可用来制作球磨机的磨球、衬板等耐磨件。2.耐磨钢56

主要包括：高锰钢、低合金钢、抗磨耐蚀不锈钢、轴承钢及一些中、高合金钢。

特点：具有一定的耐磨性、强度和较高的韧性，适合制作在冲击负荷下工作的耐磨件。特别是高锰钢适合在大冲击负荷下工作，它能够很好的满足零件对韧性的要求，同时可充分发挥其加工硬化的特性。2.耐磨钢57

1)高锰钢及应用

高锰钢：锰含量13%，热处理后为单相A组织，韧性好，硬度不高，具有显著的加工硬化能力，铸件在经受强烈冲击或挤压时表面发生加工硬化，硬度和耐磨性提高，而心部仍保持单相A组织。2.耐磨钢58

2)低合金钢耐磨钢及应用低合金耐磨钢的合金成分总量小于5％，其主要合金元素有：锰、硅、铬、钼、镍等。主要要求硬度、强度和韧性。三、非金属耐磨材料及应用59

1、耐磨陶瓷

特点：高硬度和高耐磨性。1）氧化物陶瓷（主要是氧化铝）。2）非氧化物工程陶瓷（主要是碳化物、硼化物、氮化物和硅化物。三、非金属耐磨材料及应用60

2、铸石

配方：玄武岩83.5%，角闪石15%和铬铁矿1.5%。

制造工艺：炉料在1350～1400℃熔化后浇进铸模，在马沸炉中于830～900℃条件下结晶，再在隧道炉内冷却14～16h。

特点：铸石耐磨、耐腐蚀、抗压强度高、绝缘性好，但铸石与陶瓷一样，性脆易碎，不宜承受冲击力和过大的重力。用于受剧烈磨损和酸碱浸蚀的设备，用作旋流器衬里时，耐磨性比锰高5～10倍，比一般碳钢高10倍，耐腐蚀性优于不锈钢、铅和橡胶。三、非金属耐磨材料及应用61

3.碳化硅制备工艺：把硅、炭、木屑等混合料用电弧加热到2700℃，以引发碳热还原反应，然后在2000℃下直接反应完成，其产品主要成分为多晶α-SiC。制作碳化硅耐磨件时，先将SiC与C的混合物压制成型，然后再干燥、渗C、熔结等。

特点：耐磨性非常优异，用做旋流器底流管时寿命是铸石的20多倍。但价格较贵。三、非金属耐磨材料及应用62

4.高分子材料高分子材料虽然硬度较低，但由于其为大分子结构，故其抗磨和耐磨撕裂性好；塑料摩擦系数小，甚至还有自润滑性能，而橡胶虽然摩擦系数较大，但由于其好的黏弹性，故也很耐磨。由于塑料耐磨性好，因此作为工作负荷不大的耐磨材料很有用途。现在不少设备上使用尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯、改性塑料等制造轴承、齿轮、导轨等零件，用聚氨脂和耐磨橡胶制作旋流器衬里等，机器使用寿命大为提高。四、提高金属材料耐磨性的

表面处理技术63表面淬火、渗碳或渗氮、堆焊或热喷涂、表面形变强化等。表面处理技术包括：五、工程、矿山机械耐磨件选材64工程机械、矿山机械，大都是以泥沙、矿石为作业对象，承受强烈的磨料磨损和冲击磨损；工况多变，较大的冲击，露天，严寒，工作环境恶劣。挖掘机斗齿、球磨机衬板、拖拉机履带板等常用高、中锰钢和其他低合金耐磨铸钢，近年来也推广高铬铸铁。动力传动机构的重要零件以碳钢和低合金钢为主，广泛采用表面强化处理。651.颚式破碎机齿板(疲劳磨损、磨料磨损)。美国Climax钼公司得出耐磨性由高到低的顺序是：Cr15Mo3高铬白口铁、6Mn-1Mo-Ti中锰不稳定奥氏体钢、Mnl3奥氏体钢、合金结构钢。我国耐磨性顺序是：高锰钢、贝氏体和马氏体混合组织钢、高铬白口铁。五、工程、矿山机械耐磨件选材662.球磨机衬板(磨料磨损、疲劳磨损)。所用材料大多数为高锰钢。高锰钢并不是理想的衬板材料，因为衬板所受到的接触应力得不到高的加工硬化程度，合金化高锰钢，是有效的。也有用高碳中锰钢、高铬模具钢及白口铸铁制作衬板。五、工程、矿山机械耐磨件选材673.常见工程、矿山机械耐磨件的材料与热处理技术五、工程、矿山机械耐磨件选材第七节

通用钢材68一、钢板按其材料、轧制方法、厚度、用途和特性等命名。材料有碳素结构钢、低合金结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢等。轧制方法分为冷轧和热轧两种。厚度>4mm常称为厚钢板，≤4mm为薄钢板，厚板常采用热轧，薄板冷、热轧制均可。特殊用途钢板有锅炉钢板和压力容器钢板等。特性钢板有不锈钢板和耐热钢板等。第七节

通用钢材69二、型钢1、热轧等边角钢（GB/T9787—1988）

b——边宽度d——边厚度r——内圆弧半径r1——边端内圆弧半径

第七节

通用钢材702、热轧槽钢（GB/T707—1988）

h——高度b——腿宽度d——腰厚度t——平均腿厚度r——内圆弧半径

第七节

通用钢材713、热轧工字钢（GB/T706-1988）h——高度b——腿宽度d——腰厚度t——平均腿厚度r——内圆弧半径4、其它型钢

第七节

通用钢材72三、钢管731、低压流体输送焊接管（GB/T3091-2001）这种管子原为英制，俗称熟铁管、对缝管或水煤气管。表2-31中公称口径表示近似内径的名义尺寸，它不等于外径减2倍壁厚。每种规格的实际内径随管壁厚度而变化，它等于外径减2倍壁厚。管子供应长度4～12m。这种管子的材料有：Q215A、B，Q235A、B，Q295A、B，Q345A、B和其它软钢。管子内、外表面有镀锌和不镀锌两种，镀锌管防腐且不易污染管内流体，但焊接性较差，价格较高。

741、低压流体输送焊接管（GB/T3091-2001）适于输送水、污水、燃气、空气、采暖蒸汽等低压流体，或用作结构。三、钢管752、直缝电焊钢管（GB/T13793-1992）

这种管子也是焊接钢管，公制，俗称卷焊管。是以热轧或冷轧钢带，经电阻焊接或焊后冷加工制造，不热处理。材料有：08F、08、10F、10、15F、15、20、Q195、Q215A、B、Q235A、B。管子外径从5～508mm、壁厚从0.5～12.7mm，分档均较细，一个管径下有多种壁厚。通常的供应长度为：2～10m。这种管子的用途与工作压力接近于低压流体输送焊接管。

三、钢管763、结构用和输送流体用无缝钢管（GB/T8162-1999、GB/T8163-1999）

材料有：10、20、35、45、Q245、Q295、Q345等碳钢和多种合金钢，经热轧或冷轧制成，热轧管以热轧状态或热处理状态供货，冷轧管以热处理状态交货。管子外径从6～660mm、壁厚从0.25～65mm，一个管径下有多种壁厚。通常的供货长度为：热轧管3～12m，冷轧结构用管2～10.5m，冷轧流体用管3～10.5m。规格见表3-32。

三、钢管774、其它钢管除以上钢管外，还有螺旋缝电焊钢管和许多专用钢管及特性钢管。如：锅炉用、化肥用、石油裂化用、液压和气动缸筒用、不锈钢等无缝钢管；传动轴用电焊钢管、方形或矩形冷拔管等。

三、钢管作业78P562-1、2-3

联接79联接静联接动联接可拆联接不可拆联接如螺纹、键、销如焊、铆、粘接如铰链、锚绳80一、螺纹的形成、类型和主要参数第一节

螺纹联接3-1（a）

三角形螺纹，用于联接 矩形螺纹锯齿形螺纹用于传动梯形螺纹81按牙形（轴平面外廓形状）分类矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹15º30º3º30º82按旋向分类

右旋（常用）左旋右旋螺纹，常用。左旋螺纹。83按螺旋线头数分类单头（常用）多头按采用的单位制分类米制(公制)

吋制(英制)(每吋牙数)，如管螺纹。外螺纹内螺纹按回转体的内外表面分外螺纹内螺纹螺纹副85圆柱螺纹。圆锥螺纹，常用于密封联接。按螺旋线母体形状分类圆柱螺纹圆锥螺纹管螺纹按螺旋的作用分联接螺纹传动螺纹联接螺纹传动螺纹(3)中径d2

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宽度相等。(1)大径d

与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重合的假想圆柱体的直径。(2)

小径

d1

与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶)相重合的假想圆柱体的直径。(4)

螺距P

相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。(5)

导程S(6)

螺纹升角λ

中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角

(7)牙型角

α

轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。tgλ=πd2

nP

牙侧角

β

βαβπd2SλS=nP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P螺纹的主要参数d1d2dλPP/2P/2S88粗牙螺纹——螺距大，牙粗厚，连接强度高、应用广泛。细牙螺纹——螺距小，牙细薄，密封性好，用于细小零件， 薄壁管件和振动场合。89三角螺纹（联接用）普通螺纹，代号M(一般联接)二、

常用螺纹的特点和应用（表3-2）粗牙细牙柱管锥管管螺纹，代号G[密封联接]90梯形螺纹和锯齿形螺纹梯形螺纹：牙型角，牙根强度高、对中性好，常用于传动。锯齿形螺纹：工作面牙侧角，非工作面牙侧角牙根强度高、效率高，只能用于单向受力的传动或联接。91三、螺纹联接的基本类型和标准联接件1、螺栓联接92图（a）：光孔联接图（b）：铰孔联接被联接件厚度不大双头螺柱： 被联接件之一厚度很大。螺钉： 用于受力不大，不常拆卸的场合。932、双头螺柱联接和螺钉联接943、紧定螺钉作用：定位，传递不大的转矩。4、地脚螺栓，吊环螺栓等。常用标准螺纹联接件类型、特点及应用95六角头螺栓：应用最广。分为大六角头，小六角头，标准六角头，

内六角。小六角头螺栓尺寸小、重量轻，不宜用于拆装频繁、被联接件抗压强度较低或易锈蚀的场合。按加工精度不同有粗制和精制两种。精制用的较多。96常用标准螺纹联接件类型、特点及应用双头螺柱：两端都制成螺纹。有A（有退刀槽）、B（无退刀槽）两种。bm=d（用于钢或青铜制螺纹孔）；bm=1.25d

,bm=1.5d（用于铸铁制螺纹孔）；bm=2d（用于铝合金制螺纹孔）97常用标准螺纹联接件类型、特点及应用常用标准螺纹联接件类型、特点及应用99常用标准螺纹联接件类型、特点及应用六角螺母：应用最广，据厚度不同分为标准、扁、厚三种规格。扁螺母常用于受剪力的螺栓上或空间尺寸受限制的场合；厚螺母用于经常拆装易于磨损的场合。100常用标准螺纹联接件类型、特点及应用圆螺母：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槽内，螺母即被锁紧。常作为滚动轴承的轴向固定用。101常用标准螺纹联接件类型、特点及应用垫圈：螺纹联接中不可缺少的附件、常放置在螺母与被联接件之间，起保护支承面等作用。四、螺纹联接的预紧、防松和装卸空间1、预紧

预紧——在将螺纹联接投入使用前预先拧紧，使其受到一个 轴向力作用。称为预紧力。 预紧力Q0

：一般使螺杆达到（50%~70%)σs的应力值 拧紧力矩T：（N.mm） 拧紧力F： 在精确场合用力矩扳手，一般场合凭经验。1022、螺纹联接的防松

螺纹联接一般有自锁能力，但在振动条件下容易松脱，防松方法见表3－51032、螺纹联接的防松

104机械防松2、螺纹联接的防松

2、螺纹联接的防松

1063、螺纹联接的装卸空间设计螺纹联接时要考虑装卸空间及留出扳手工作位置。107图3-7留出装入螺钉空间

图3-8留出扳手工作空间五、螺纹联接的承载能力1、螺栓联接的失效形式和设计准则

螺栓主要失效形式：拉断；剪断；压溃；滑扣。

螺纹联接强度计算：不计算螺纹牙（滑扣），只计算螺杆径，以便选择或验算螺栓公称直径。

设计准则：

（1）受拉螺纹：保证螺栓的静应力或疲劳拉伸强度。

（2）受剪螺纹：保证螺栓的剪切强度和联接面的挤压强度。

108109

图中吊钩上方为特制螺母，直杆段受拉。

式中：Q—轴向载荷，N。2、受拉螺栓联接（1）松螺栓联接1102、受拉螺栓联接（2）

紧螺栓联接

1）只承受预紧力的紧螺栓联接式中Q0——预紧力，N。预紧力Q0的控制：

测力矩板手——测出预紧力矩，如左图

定力矩板手——达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，如右图。测量预紧前后螺栓伸长量——精度较高1122）承受横向载荷的紧螺栓联接

F—横向载荷，N；

m—接合面数。

z—接合面的螺栓数。

Kf—可靠性系数，通常取1.1~1.3。

f—接合面间摩擦系数，常取0.15~0.2。靠预紧力产生的摩擦力来承担横向载荷很不经济，采用铰制孔螺栓较好，这时螺栓受剪和挤压：113(MPa)(MPa)图3-11 用抗剪切件承担横向载荷114图(c)：受预紧力Q0及工作拉力QF，螺栓伸长，被联接件缩短。图(a)：不受力不变形图(b)：受预紧力Q0，螺栓伸长，被联接件缩短3）、承受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接图3-13受预紧力和轴向载荷的螺栓联接的受力与变形分析

图（C）是压力容器等化工设备常见的情形。由于螺栓和被联接件的变形，被联接件所受总压力不再是Q0，而是Q

r<Q0称为残余预紧力，Qr>0，否则垫片处泄漏。螺栓所受总拉力Q=Qr+QF。设计时，可先求出工作载荷QF。再根据联接的工作要求确定残余预紧力Qr。

115考虑到螺栓受轴向工作载荷时可能需补充拧紧，应计入扭剪应力的影响（加系数1.3）,故螺杆危险截面的拉伸强度条件为：（MPa）残余预紧力：1161173、受剪螺栓联接

受横向载荷时，螺栓横截面受剪切，螺栓杆和孔壁接触表面受挤压，螺栓的剪切强度条件和螺杆与孔壁接触表面的挤压强度条件分别为：图3-14受剪螺栓联接1184螺栓的材料和许用应力平稳载荷：Q215、Q235、10、35、45钢。冲击载荷：15Cr、40Cr、30CrMnSi合金钢。螺纹联接件按材料的机械性能分级，见表3-6。螺母的材料一般与相配螺栓相近而硬度略低。119表3-7螺栓联接的许用拉应力[σ]N/mm2表3-8螺栓联接的许用剪应力[τ]和许用挤压应力[σρ]N/mm25、提高螺纹联接强度的途径

轴向变载荷螺栓的破坏形式是疲劳断裂，断面发生在应力集中处。1201）

改善螺纹牙上的载荷分布121工作中螺栓牙受拉伸长，螺母牙受压缩短，伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如图所示。所以采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高联接的强度。图3-17 螺纹副的载荷分布和均布措施1221）

改善螺纹牙上的载荷分布办法：降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾

a)悬置螺母b)环槽螺母c)内斜螺母d)环槽内斜1231）

改善螺纹牙上的载荷分布（1）加大过渡处圆角(图1)（2）改用退刀槽（3）卸载槽，(图2)（4）卸载过渡结构。（图3）

1242）避免或减小附加应力、减少应力集中图3-18 螺栓组产生附加应力的原因图3-19 避免产生附加应力和应力集中的方法第二节键销联接、形面联接和过盈联接125

键联接是由键、轴和轮毂所组成，它主要用以实现轴和轮毂的周向固定并传递转矩。键联接的主要类型已标准化。一、平键联接工作面：两侧面。

特点：定心性好，装卸方便。

分类：A、B、C及导向平键。126二、半圆键联接127工作面：两侧面。特点：键可在槽中绕其几何中心摆动。工艺性能好，装卸方便。但键槽较深，轴的强度削弱较大。用于轻载静联接。三、楔键联接和切向键联接1281、楔键工作面：上下两面，斜度1：100。特点：装配时将楔键打入，上、下表面受挤压，靠其摩擦力传递转矩。楔紧后，轴和轮毂产生偏心和偏斜。

用于精度不高和低转速的场合。1292、切向键工作面：上、下两面，斜度1：100。特点：工作面上的压力沿轴的切线装配时将楔键打入，上下表面受挤压，靠其摩擦力传递转矩。楔紧后，轴和轮毂产生偏心和偏斜。

用于精度不高和低转速的场合。三、楔键联接和切向键联接四、平键联接的选择计算设计键联接时，先根据工作要求选择键的类型，再根据装键处轴径d从标准(表3-9)中查取键的宽度b和高度h，并参照轮毂长度从标准中选取键的长度L，最后进行键联接的强度校核。材料用碳素钢。主要失效形式为压溃。导向平键联接的主要失效形式是过度磨损。强度条件：130131四、平键联接的选择计算132133许用值工作方式轮毂材料载荷性质静载荷轻微冲击冲击[σp

]静联接钢120～150100～12060～90铸铁70～8050～6030～45[p]动联接钢504030表3-10键联接的许用挤压应力的许用压强（单位：Mpa）特点： 承载大，受力均，对中好，导向好。其强度计算与平键相似。134五、花键联接135六、形面联接

用非圆剖面的轴与相应的轮毂孔构成，应力集中小，传递转矩大，装卸方便，但加工工艺复杂，需专用设备。七、销联接

用途：定位、传载、保险。材料：35#、45#钢136不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次拆装。螺母锁紧抗冲击137拆装方便用于盲孔138八、过盈联接

利用零件间的过盈配合来实现联接，靠过盈产生的摩擦力传递转矩，装配方法有压入法和温差法。139一、铆接

将铆钉穿过被联接件的预制孔经铆合而成的不可拆卸联接。特点：工艺简单、耐冲击、联接牢固可靠，但结构笨重，被联接件因孔而削弱强度，铆接噪声大。

140图3-29铆合过程第三节铆接、焊接与粘接二、焊接

利用局部加热的方法使两个金属元件在联接处熔融构成不可拆卸联接。

141焊接电弧由焊接电源供给的，具有一定电压的两电极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。

142二、焊接

接头形式：对接、角接、T形接和达接。当对接焊缝受拉力F或受压力F时，其强度条件为：143二、焊接

坡口形式的确定坡口：为满足工艺要求的待焊部位加工并装配成具有一定形状的沟槽。

选择原则：在施焊和坡口允许的条件下，尽可能减少焊接变形，节省材料，提高生产率和降低成本，主要根据板厚确定。

分类：Ⅰ形、V形、X形、U形等。二、焊接

填角焊缝及其接头形式145二、焊接

当对接焊缝受拉或受压力F时，其强度条件为：146焊接适用于低碳钢、低碳合金钢和中碳钢。其工艺性随碳含量和合金含量的增加而降低。二、焊接

147应力种类被焊接材料Q215Q235、Q255压应力[σy]'200210拉应力[σ]'180（200）180（210）剪应力[τ]140140表3-11焊缝的许用应力N/mm2注：1.本表适用于常用的手工电弧焊条T42．其熔积金属的最低强度限为420N／mm2。2.括号中数值用于精确方法检查焊缝质量。3.单面焊接的角钢元件，上述许用值均降低25%。图3-32焊接箱体与焊接齿轮148三、粘接利用胶粘剂直接涂在被联接件的联接表面，固着后粘接而成的一种联接。胶粘剂有酚醛乙烯、聚氨酯、环氧树脂等。

粘接接头形式：对接、搭接和正交，尽量避免粘接接头受拉。

特点：工艺简单、适应性广，粘接的重量轻、耐腐蚀、密封性好；但不耐高温，粘接面清洁度要求高，结合速度慢，可靠性和稳定性易受环境影响。图3-33粘接的接头形式第四节管道联接

管件用于联接管子、阀门等，从而将其构成整体的管路。

一、螺纹管件联接

管件内螺纹采用圆柱管螺纹，外螺纹采用圆锥管螺纹。密封填料根据介质的不同常用铅油麻丝、聚四氟乙烯塑料带等。

图3-34 常用螺纹管件的品种图3-35常用钢管管件使用场合二、对焊管件联接

材料：低碳钢或低碳合金钢。

优点：焊口强度高、密封性好，不需配件联接成本低。

缺点：检修中需要清理管道时，必须将其切断，事后再焊接，操作复杂。规格见表3-13、3-14.图3-36钢制无缝对焊弯头图3-37钢制无缝对焊三通图3-38钢制无缝对焊同心异径接头图3-39钢制无缝对焊偏心异径接头图3-40 现场制作的焊接弯头三、法兰联接

法兰联接是一种可拆联接。

特点：可承受多次拆装而不会损坏，能承受更高的介质压力、管子重力和管道安装时产生的弯转力矩，适应管径范围宽，密封性能好，互换性好，但成本高。

155图3-41螺栓法兰连接结构1——螺栓组;2——垫片;3——法兰;4——管子图3-42 密封面的形式(a)全平面;(b)凸台面;(c)凸凹面;(d)榫槽面;(e)环槽面156图3-43 法兰的结构类型(a)搭(平)焊接法;(b)对焊法兰;(c)活套法兰;(d)法兰盖157管法兰标准有多个,如国家标准(GB)、机械行业标准(JB)、化工行业标准(HG)、石油行业标准(SY)等。其中JB、HG与SY三个标准的相同规格的法兰,螺栓孔中心圆直径是一致的,故可互换。HG适用范围广,材料品种齐全,建议优先选用。容器法兰是专门用以联接压力容器各节段的,与上述各标准的管法兰在相同公称直径和公称压力下联接尺寸不同,不可互换。公称直径(mm)从DN10至DN1600不等,公称压力(MPa)有PN0.1、0.25、0.6、1.0、1.5、2.5、4.0、6.4等若干级。158在选择法兰时,已知介质的腐蚀性、压力、温度和管径,应先根据腐蚀性选择法兰材料或确定是否带防腐衬里;再据压力、温度和密封性要求选择法兰的密封面形式和法兰结构类型;然后据法兰公称直径(与管子公称直径相同)和介质压力查出所选法兰的结构尺寸和配用螺栓组的规格及数量。159法兰垫片按材料不同分为金属垫片、非金属垫片和复合垫片三大类,其中复合垫片按结构不同又分为多种。非金属垫片常用于中低压工业管道的法兰联接,其余垫片常用于高压或高压且高温管道的联接。制作非金属垫片的常用材料有橡胶板、石棉板和橡胶石棉板。橡胶板弹性较大,嵌合性与补偿性好,但在介质压力下易从法兰中挤出,在高温下易老下,适于t≤60℃,PN≤1MPa的水、酸、碱及真空管路。石棉板硬而脆不耐高压,但耐高温,主要用于常压高温气体管路。橡胶石棉板兼有两种材料的优点,广泛用于冷、热水、蒸汽、煤气、油品、氨、氢、盐水以及酸、碱等管路。160四、承插联接

将管子的端部插入管件或另一根管子的扩口后，再用填料将接头处间隙塞满密封的一种联接方法。

填料有石棉水泥、自应力水泥、膨胀水泥等。应用：低压给、排水铸铁管联接等。图3-43 给水铸铁管道管件161五、其他管接头联接

包括：绕性管接头、扩口式管接头和卡套式管接头等。1.6MPa法兰连接挠性接头(JB/ZQ4131—90)见表3-15。第五节联轴器和离合器

联轴器和离合器都是用来联接两轴使其一起转动并传递转矩的部件。联轴器多已标准化和系列化，可根据轴的工况选择类型，据轴径选择规格，必要时根据轴的转矩验算。

联轴器——联接轴与轴，使其一起转动的装置

离合器——机器运转过程中，使两轴结合或分 离的装置。 162一、联轴器

联轴器的工作条件1631、刚性联轴器

刚性联轴器用于联接两轴必须严格对中,并在工作中不发生相对位移的场合。（1）套筒联轴器

特点：简单、径向尺寸小，被联接的两轴必须严格同心，不能缓冲和吸振；装拆时两轴必须相对移开。

应用：小转矩场合164

（2）凸缘联轴器

特点：简单、承力大，对中好；不能缓冲和吸振，适应安装误差能力小。

应用：广泛1652、挠性联轴器

用于被联接两轴间产生偏移或倾斜的联接。166（1）

运动副绕性联轴器 1）滑块联轴器

特点：坚固耐用，出力大，补偿安装误差能力强；使用中需润滑，有噪音，传动效率低

应用：低速，重载 167 2）齿轮联轴器

特点：适应安装误差能力强，强度高，能传递大转 矩，结构复杂、笨重、价高，使用中需润滑

应用：重型机器1683）万向联轴器

特点：适应安装角误差的能力最强，两轴夹角α<35~45°，α越大效率越低 当主动轴匀速转动时，从动轴的角速度周期性变化，产生附加动载荷。

应用：成对使用，可使从动轴转速等于主动轴转速，但必须α1=

α2，广泛应用于两轴角误差较大的场合。169当主动轴以等角速度ω1回转时，被动轴作不等角速度ω3回转，引起附加动载荷，α越大附加动载荷越大。

ω3的变化范围为：170为消除附加动载荷，万向联轴器成对使用。主、从动轴同步条件为：（a）中间轴、主动轴和从动轴在同一平面内；（b）中间轴两边的叉面在同一平面内；（c）中间轴与主、从动轴之间的夹角相等。

171图3-52小型万向联轴器（2）

弹性件挠性联轴器

特点：结构简单，拆装方便，易于制造，适应安装误 差能力强，吸振性好。但易磨损，维修量大，怕 高温。 应用：转向常变、载荷不平稳、常温、中小功率的场合。1721733、安全联轴器

联轴器中有一较弱环节，当机械过载时拆断、分离或打滑使转动中断或限制转矩的传递，以保护机器。

1741754、液力联轴器特点：（1）主、从动轮存在转速差；

（2）使电动机启动快，启动转矩、电流小；

（3）使机器传动柔和，缓冲减振，并有过载保护作用；

（4）两轴上转矩相等，当滑差率增大时，效率有所下降。使用：内燃机驱动的运输机械及电动机驱动的转动惯量较大、容易卡塞闷车的机器中。

176显然，如果两轮转速相同，则液流循环停止，就不能传递转矩；因而两轮间有转速差存在，相对滑动率一般为3~4%。又因液力联轴器不能补偿电动机轴与从动轴间的错位，故一般仍须采用弹性联轴器来补偿，如图所示：

二、离合器

啮合式——利用牙齿啮合传递转矩

摩擦式——利用工作面摩擦力传递转矩

性能要求：接合平稳，分离迅速，变换彻底，操 作方便，工作可靠，调整容易，耐磨散热。

1771、牙嵌式离合器

牙型：三角形、矩形、锯齿形。

特点：结构简单，制造容易，但传递转矩不大，有振动。

178图3-57 牙嵌式离合器离合器结构侧齿形式1,2—半离合器;3—对中环;4—滑环二、离合器

2、摩擦离合器：靠工作面上产生的摩擦力传递转矩。

结构形式有：圆盘式、圆锥式。179

结构简单，散热快，传递力矩不大。图3-58单盘式摩擦离合器1—主动轴;2、3—摩擦盘;4—滑环;5—从动轴180

图3-59多盘式磨擦离合器1—滑环;2—外套筒;3—外摩擦盘;4—内摩擦盘;5—内套筒;6—压杆181

结构简单，任意离合，但容易损坏，尺寸大。

图3-60圆锥式摩擦离合器1—主动轴;2,3—半离合器;4—从动轴 3、安全离合器

用于机器过载时自动脱开，以保护机器。当载荷恢复正常后，自动接合，继续进行动力的传递。

见图3—61、3—62

182 4、超越离合器（滚柱逆止器）183

星轮顺时针转动，离合器接合；反时针转动，离合器分离。

特点：尺寸小，接合、分离平稳、无噪声，可在高速运转中接合。作业P963-3、3-4、3-7、3-9、3-11184连续回转传动185直接接触的啮合传动（齿轮传动）有中间挠性件的啮合传动（链传动）直接接触的摩擦传动（摩擦轮传动）有中间挠性件的摩擦传动（带传动）啮合传动摩擦传动连续回转传动第一节 齿轮传动的类型和特点186187平行轴齿轮传动相交轴齿轮传动交错轴齿轮传动齿轮实物189齿轮实物190第一节

齿轮传动的特点及类型优点：1）传动效率高2）传动比恒定

3）结构紧凑4）工作可靠、寿命长缺点：1）制造、安装精度要求较高2）不适于中心距a较大两轴间传动

3）使用维护费用较高）精度低时、噪音、振动较大类型： 闭式齿轮传动—用于重要场合 开式齿轮传动—易进杂物、污染润滑、容易磨损、用于不重要、低速场合基本要求：

1.传动准确平稳

2.具有足够承载能力191第一节

齿轮传动的特点及类型按轮齿齿廓曲线形状的不同，齿轮传动又可分为渐开线齿轮传动、仪表圆弧齿轮传动、圆弧齿轮传动和摆线针轮传动等。

优点：齿轮传动具有传动准确可靠，传动效率高，寿命长，结构紧凑，适用的载荷和速度范围广（传递功率可达10MW，线速度可达300m/s），能在空间任意两轴间传递运动和动力等优点。

缺点：传动要求较高的制造和安装精度，制造成本高，不适合远距离传动。192第二节

渐开线齿轮传动的规律和主要参数一、渐开线的形成与特性

如图4-2所示，当一直线l

沿半径为rb的圆作纯滚动时，该直线上任一点K的轨迹AK，称为该圆的渐开线，该圆称为基圆，直线l称为渐开线的发生线。渐开线齿轮的齿廓就是由在同一基圆上发生的两条反向且对称的渐开线构成。193图4-2 渐开线的形成

(其中a、d点击图片演示动画)压力角：渐开线上某一点的压力角就是该点所受法向力的方向线与该点速度方向线的夹角。194由式知离基圆越远压力角越大。渐开线的形状取决于基圆的大小，基圆越小，渐开线越弯曲。因此，可根据需要做成不同曲率的齿廓。图4-3基圆大小与渐开线的形状1、传动比恒定不变

195二、渐开线齿轮的啮合特点2、中心距允许偏差—传动比不变3、传递压力的方向不变—沿公法线方向4、齿廓间相对滑动—造成摩擦损失和齿廓摩擦

三、渐开线直齿圆柱齿轮的主要参数和尺寸196设计计算的基准圆—分度圆d=mz齿距

p=mπ齿高中心距

表4-1 渐开线圆柱齿轮标准模数（GB1357-87）四、渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件和连续传动条件1971、正确啮合条件：两齿轮的模数相对、压力角相等。2、连续传动条件：一对齿轮在任何瞬时必须有一对或一对以上的齿处于啮合状态。第三节渐开线直齿圆柱齿轮传动的承载能力1、轮齿的失效1）折断：包括弯曲疲劳折断和过载折断2）点蚀:

由接触疲劳应力引起齿面剥落、出现麻点状小坑。点蚀经常发生在闭式齿轮、润滑不良、齿轮节线附近。3）胶合：高速、重载齿轮，啮合压力大、温度高、润滑失效，金属粘连、撕裂，出现沟纹。4）磨损:

砂粒等杂物进入啮合区产生磨粒磨损。磨损常发生在开式传动。5）齿面塑形变形：齿轮受到过大的应力而发生塑性变形。

198一、轮齿的失效和齿轮的材料1991.折断实例轮齿折断

两平行圆柱的接触应力早期点蚀200破坏性点蚀齿面点蚀实例疲劳点蚀201磨损实例齿面磨损202齿面胶合主动轮塑性变形203从动轮塑性变形塑性变形2、

齿轮的材料钢制齿轮齿面硬度分类：软齿面齿轮；硬齿面齿轮。据失效形式要求：齿面硬、齿芯韧。通常要锻造、切削、热处理、磨削等.

204表4-2齿轮的常用材料和机械性能205注：1.对于长期双侧工作的齿轮传动，许用弯曲应力[σF]应将表中的数值乘以0.7。2.表面淬火层的质量得不到保证时，建议将表中的[σH]值乘以0.9。

3.表中表面淬火钢的许用弯曲应力指调质后进行表面淬火而得的。热处理

1软齿面（≤350HBS)—调质和正火.

通常小齿轮硬度比大齿轮高30~50HBS,不仅使二者寿命趋于一致，而且不易发生胶合.

2硬齿面（>350HBS)—表面淬火，渗碳淬火和渗氮。如果一对齿轮均用钢材制造，考虑到小齿轮的齿根厚度较小，应力循环次数较多，以及有利于抗胶合等原因，在选择轮齿的热处理方法时，一般应使小齿轮的齿面硬度比大齿轮高出20～50HBS，甚至更多。206二、齿轮的受力分析与计算载荷1、受力分析 圆周力： 径向力：

法向力：207圆周力Ft的方向在主动轮上与运动方向相反，在从动轮上与运动方向相同。径向力Fr的方向均为由作用点指向齿轮转动中心。法向力的方向均指向自己齿的实体。2、

计算载荷 公称载荷Fn

计算载荷KFn

，K为动载荷系数。208表4-3载荷系数原动机工作机械不同状态下的载荷系数均匀平稳中等冲击严重冲击电动机1～1.21.2～1.61.6～1.8多缸内燃机1.2～1.61.6～1.81.9～2.1单缸内燃机1.6～1.81.8～2.02.2～2.4三、直齿圆柱齿轮传动的强度计算1、齿面接触强度计算

接触强度

验算式：

设计式：

式中：u—齿数比，u=Z2/Z1

k—载荷系数，见表10-3

T1—小齿轮转矩,N·mm

b—齿宽，mm

209 a—中心矩，mm —齿宽系数，（见表4-4）

—许用接触应力，MPa注意事项：

①以上两式适于一对钢齿轮。

②

验算式中为任一齿轮，因 ，两式中为[σH1]与[σH2]中较小者，因二轮一般不同。

③

，即增大中心距或齿宽即可降低。210211表4-4 齿宽系数ψd＝b／d12、齿根弯曲强度计算

验算式：

MPa；

设计式：

mm。

式中： ——齿形系数，见表4－5 ——许用弯曲应力，MPa（见表4－2）

——外啮合取+，内啮合取－。2121）弯曲疲劳强度2132）注意事项

①通常 , 故大、小齿轮应分别验算。

②设计式中 项大，大小齿轮通常不同，取较大者代入。③ ，增大模数对降低弯曲应力最显著。

④开式齿轮一般将 乘以0.7~0.8作为许用应力。214表4-5 齿形系数YF2153、齿轮强度计算准则在闭式齿轮传动中，软齿面齿轮的主要失效形式是齿面点蚀，而硬齿面齿轮的主要失效形式是轮齿疲劳折断。因此：

软齿面齿轮通常按接触强度进行设计，再校核其弯曲强度；

硬齿面齿轮则按弯曲强度进行设计，再校核其接触强度。开式齿轮传动只进行弯曲强度的计算，但考虑到严重的磨损会使齿厚减薄，影响轮齿的弯曲强度，计算时通常将许用弯曲应力降低20%～30%。216例4-2 用于运输机的单级圆柱齿轮减速器由电动机驱动，单向运转，载荷较平稳，传动比i＝4，输入功率P1=7.5kW，转速n1＝970r／min。试设计此减速器的齿轮并计算其尺寸。解：1）选择齿轮材料及确定许用应力小齿轮材料用40MnB，调质，[σH]1＝670N／mm2，[σF]1＝285N／mm2（表4-2）。大齿轮材料用45钢，调质，[σH]2＝560N／mm2，[σF]2＝215N／mm2（表4-2）。由选材及热处理，可知两齿轮均为软齿面。2）按齿面接触强度设计取载荷综合系数K＝1.2（表4-3），齿宽系数ψd＝0.9（表4-4）。小齿轮上的转矩

T1＝9.55×106P1／n1＝9.55×106×7.5／970＝73840（N·mm）217按式（4-14）求小齿轮直径齿数：取z1=24，则z2=u·z1=4×24=96。齿轮模数：m=d1/z1=56.06/24=2.34(mm)取m=2.5mm(表4-1)。小齿轮分度圆直径：d1=mz1=2.5×24=60（mm）齿宽：b=ψdd1=0.9×60=54（mm）考虑到齿轮安装时的误差，取b2=54mm,b1=60mm。3）校核轮齿弯曲强度齿形系数YF1=2.67,YF2=2.21（表4-5）。按式（4-15）校核轮齿弯曲强度（按最小齿宽b=54mm计算）

（N／mm2）

（N／mm2）σF1<[σF]1，σF2<[σF]2，可见弯曲强度足够。4）齿轮尺寸计算（略）4、齿轮的许用应力

式中： 、 —分别为试验齿轮的接触疲劳极 限、弯曲疲劳极限。 、—分别为接触疲劳安全系数、弯曲疲劳安全系数。2185、直齿圆柱齿轮传动的设计1).齿数比u与齿数Z1

—— Z1

是小齿轮， Z2是大齿轮

>1——减速Z1是主动轮，Z2是从动轮

<1——增速

应使：u<8 Z1=20~40——闭式软齿面传动

17~20——闭式硬齿面传动2).模数m

初选m=(0.007~0.02)a——闭式

0.02a——开式 (m≮2mm) 2193).齿宽系数

0.3~0.6——闭式

0.1~0.3——开式220第四节斜齿圆柱齿轮传动与直齿圆锥齿轮传动一、斜齿圆柱齿轮传动

斜齿圆柱齿轮的轮齿与柱体母线倾斜一定角度（螺旋角），分左旋和右旋。啮合条件：两齿轮模数、压力角分别相等，旋向相反。特点：传动平稳，冲击、噪声和振动小，承载能力强，使