机械设计基础 第五版 课件 ch09 螺纹联接和螺旋传动、CH10 轴及轴毂联接

第九章

螺纹联接和螺旋传动——机械设计基础第九章螺纹联接和螺旋传动§9-1机械制造中的常用螺纹§9-2螺纹副的受分分析、效率和自锁§9-3螺纹联接的基本类型及其预紧和防松§9-4螺栓联接的强度计算§9-5螺纹联接的材料和许用应力§9-6提高螺纹联接强度的措施§9-7螺旋传动联接动联接——运动副静联接——螺纹、键、销（可拆），焊、铆、胶接（不可拆）第九章螺纹联接和螺旋传动本章重点学习内容：1、螺纹、螺纹联接及其零件的结构和类型。2、螺纹联接的受力分析及强度计算。（重点）3、螺纹联接的预紧和防松。4、提高螺栓联接强度的措施。螺纹联接是一种应用很广泛的可拆联接。它具有结构简单、工作可靠、装拆方便、能满足各种要求的特点。联接：效率低、自锁性好。传动：效率高、自锁性差。螺纹牙形:30°3°30°60°三角形梯形锯齿形矩形单线，用于联接双线或多线，常用于传动粗牙：一般情况下使用。细牙：d相同，p小，ψ小，牙浅，自锁性好，但不耐磨，易滑扣。∴用于变载荷场合。

∴联接螺纹：一般为单线、粗牙、右旋的三角螺纹。一、螺纹的牙型§9-1机械制造中的常用螺纹大径d小径d1中经d2螺距P导程S升角

牙型角a、牙型斜角b二、螺纹的主要参数一、矩形螺纹（α=

0o)1.螺纹受力分析F

t=FQtg(

+ρ）摩擦角ρ=arctgfFQFtπd2NFRfNvsFtFRFQ

+ρ

ρ§9-2螺纹副的受分分析、效率和自锁假定：①螺纹副的压力均匀分布在螺纹中径可简化为一点受力②相对运动与滑块和斜面间相似2.螺旋副的效率由此可见，

增加→效率提高3.螺纹的自锁：滑块等速下滑时FQFtπd2FRfNvs

Nρψ

FFRQλ-ρFt

=FQtg(

-ρ）若ψ≤ρ，则η’≤0。自锁条件：ψ≤ρ二、三角螺纹（α≠

0o)比较矩形螺纹和三角螺纹的受力（忽略升角

的影响）三角螺纹的摩擦力：β—牙型斜角fv—当量摩擦系数，ρv—当量摩擦角用fv、ρv代替f

、ρ，得到三角螺纹的受力及效率公式自锁条件：

≤ρv一、螺纹联接的基本类型（注意各图的画法）1、螺栓联接受拉——普通螺栓普通螺栓：无需在被联件上加工螺纹孔，装拆方便，用于两被联件均不太厚的场合。受剪——铰制孔螺栓铰制孔螺栓：除起联接作用外，还起定位作用。§9-3螺纹联接的基本类型及预紧与防松2、双头螺柱联接

用于有一联接件较厚，并经常装拆的场合，拆卸时只需拧下螺母即可。3、螺钉联接

用于有一联接件较厚，且不需经常装拆的场合。4、紧定螺钉联接

螺钉末端顶住另一零件的表面或相应凹坑，以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或力矩。

二、标准螺纹联接件三、螺纹联接的预紧受载之前拧紧螺母预紧力F’预紧↑可靠性↑防松能力↑紧密性螺母支承面间的摩擦阻力矩以螺母分析：T∑=T+Tf螺纹副间的摩擦力矩T∑=T+Tf对于M10~M68普通粗牙取:fv=tgρv=0.15

fc=0.151、拧紧力T∑=？2、预紧力的控制

对顶螺母四、螺纹联接的防松——防止螺旋副相对转动。按防松原理不同，分为三类：1）摩擦防松弹簧垫圈开口方向：斜向右下方弹性增压尖端抵住开口销与槽形螺母2）机械防松（直接锁住）3）破坏螺纹副关系：冲点法和粘合法,用于不再被装拆场合。螺栓联接受拉螺栓受剪螺栓松联接：无预紧力F0，仅受工作载荷F紧联接：仅受预紧力F0同时受预紧力F0和工作载荷F对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。§9-4螺栓联接的强度计算一、松螺栓联接如：起重滑轮螺栓仅受轴向工作拉力F——失效：拉断强度条件：[σ]——许用应力，[σ]=σs／[Ss]，见表9-4（P187）查手册，选螺栓设计式：装配时要拧紧，工作载荷作用之前，螺栓已受预紧力F0作用1、只受预紧力F0F0TTfF0F0螺栓受F0和T

作用

F0引起的拉应力：

T引起的扭剪应力：二、受横向外载荷的紧螺栓联接拉、扭联合作用时，按第四强度理论：当量拉应力：强度条件：

设计式：1.3意义：紧联接时，将拉应力增大30%以考虑拧紧力矩的影响。m—接合面对数f—摩擦系数K—可靠性系数FR—横向工作载荷当m=1、f=0.15、

K=1.2时，

F0≥8FR应使接合面摩擦力大于工作载荷FR预紧力F0应满足的条件？摩擦力：mfF0FRK≥2.普通螺栓联接由于螺栓与孔之间留有间隙，故是由F0产生的摩擦力来平衡外载荷。为使被联接件之间不发生相对滑动，3.铰制孔用螺栓联接螺栓杆受挤压应力和剪切应力作用。此类螺栓预紧力小，计算时可忽略

强度条件：ds—螺栓杆受剪面直径Lmin—最小挤压高度设计时，按上述公式分别计算出ds

，取大值三、受预紧力和轴向载荷F0F0FFTF0F0F∑F0’F0‘F∑螺栓所受的总拉力：F∑=F0+F?×未知力有两个：F∑—总拉力F‘0—残余预紧力须根据静力平衡方程和变形协调条件求解F0F0F′F′FFF∑F‘0F’0F∑δc0δb0△δb△δcT变形协调条件：

△δb=△δc=△δ静力平衡条件：

F∑

=F’0+F螺栓总拉力残余预紧力轴向外载荷变形力力力变形δb0δc0δb0δc0△δF0F0F∑FF‘0αbαc(a)(b)(c)F0螺栓刚度:C1=F0/δb0=tgαb被联接件刚度:C2=F0/δc0=tgαc当C1＞＞C2时，相对刚度系数→0，F∑≈F′反之，当C2＜＜C1时，相对刚度系数→1，F0≈F′+F相对刚度系数注意：

F0’>0不出现间隙强度条件：注意：对于普通螺栓联接，无论联接是受横向工作载荷还是轴向工作载荷，螺栓本身总是受拉力作用残余预紧力应满足下列要求：1）无特殊要求时F″=（0.2~0.6)F2）变载作用时F″=（0.6~1.0)F3）有紧密性要求时F″=（1.5~1.8)F§9-5螺栓联接的材料和许用应力一般用途：碳素钢；重要联接：合金钢

减小螺栓刚度或增大被联接件刚度等皆可以使螺栓的应力变化幅度减小。减小螺栓刚度的方法a.柔性螺栓b.弹性元件

§9-6提高螺栓联接强度的措施一、、减小螺栓总拉力F0的变化幅度以减小应力幅增大被联接件刚度的方法a.金属垫片b.密封环内斜螺母环槽螺母悬置螺母二、改善螺牙间载荷分布不均现象三、减小应力集中、附加应力的影响四、采用合适的材料和合理的制造工艺方法测力矩扳手9.6螺旋传动

螺旋传动主要由螺杆与螺母组成，主要用来把旋转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。螺旋传动平稳，易获得较高的运动精度，有良好的减速性能，用较小的转矩就可以获得很大的轴向推力，且可以具有自锁性。螺旋传动应用广泛，且类型多样。9.6.1螺旋传动的运动形式1．螺母固定端不动，螺杆转动并往复移动2．螺杆转动，螺母做直线运动3．螺母旋转并沿直线移动，螺杆固定不动4．螺母转动，螺杆直线移动9.6.2螺旋传动的类型和应用（1）传力螺旋如千斤顶（3）调整螺旋如张紧装置（2）传导螺旋如机床丝杠1．按其用途不同可为以下三种类型2．按螺纹副的摩擦性质分为三类（1）滑动螺旋（滑动摩擦）（2）滚动螺旋（滚动摩擦）（3）静压螺旋（流体摩擦）9.6.3滚动螺旋传动简介

用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋机构按循环方式分为内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠第十章轴及轴毂联接——机械设计基础§10-1概述§10-2轴的结构设计§10-3

轴的设计计算§10-4

轴毂联接第十章轴及轴毂联接

重点学习内容1.能对不同类型的轴进行强度计算。2.重点掌握轴的结构设计方法。3.掌握键联接及花键联接的类型、结构、特点和应用。4.掌握平键联接尺寸的选择方法，并能对平键联接进行强度计算。轴是机械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回转的机械零件（如齿轮、带轮等），并传递运动和动力。

一、轴的分类

根据轴的受载情况，可分为心轴、传动轴、转轴。（1）心轴只承受弯矩不传递转矩的轴。固定心轴（图10-2a)转动心轴（图10-2b)§10-1概述（2）传动轴（图10-3汽车传动轴）只传递转矩，不承受或承受很小弯矩的轴。（3）转轴

既承受弯矩又传递转矩的轴。

（图10-1齿轮减速器中的轴）

转轴是机械中最常见的轴，应用最广，本章主要讨论转轴的设计。心轴和传动轴可视为转轴的特例。直轴、曲轴，钢丝软轴。各种轴齿轮减速器中的轴二、轴的材料轴是重要零件，工作时产生应力多为变应力，一般选用机械性能较好的碳素钢和合金钢。主要考虑强度、刚度、较小的应力集中敏感性、良好的加工性能。（1）受力较小或不重要的轴：Q235-A，Q275-A等普通碳素钢（2）受力较大用35，45，50等优质碳钢（3）对强度、耐磨性要求高选合金钢40Cr35SiMn等,但并不能提高轴的刚度（4）铸铁，价格便宜、对应力集中敏感性低、吸振、易于得到复杂的形状轴常用材料及其机械性能可参阅表l0-1三、设计轴的要求（1）足够的强度（静强度、疲劳强度）：在正常工作时不发生断裂。（2）合理的结构（3）足够的刚度：限制变形量（一般刚度够时强度也够）如机床主轴、电机转子轴。（4）振动稳定性要求：高速轴除强度、刚度要求外，要考虑。§10-2轴的结构设计结构设计的目的：确定轴的合理外形和全部结构尺寸。影响轴结构的因素很多，主要考虑便于加工、装拆以及定位和提高轴的强度和刚度等方面要求，所以轴没有标准的结构形式。设计时，应针对不同情况进行具体分析。对轴结构设计的基本要求是：（1）轴和轴上零件有准确的工作位置（2）轴上各零件应有可靠的相对固定（3）良好的制造和安装工艺性，轴上零件要易于装拆（4）形状、尺寸应有利于减少应力集中（5）轴的结构尽可能对称，使其受力合理，并有利于节省材料，减轻质量。设计特点轴径的初步估算—结构设计—较精确的强度验算。其中以结构设计为重点。一、便于轴上零件的装配图10-6所示为单级减速器的主动轴。为便于轴上零件的装拆，将轴做成阶梯形，中间粗，两端细。首先将平键1装在轴上，再从左端依次装入齿轮、套筒、左端轴承，从右端装入右端轴承，然后将轴置于减速器箱体的轴承孔中，装上左、右轴承盖，再自左端装入平键2和联轴器。轴上零件一般均应作双向固定，定位方法有：（1）轴肩、轴环二、保证轴上零件的准确定位和可靠固定1．轴向定位和固定应有r≤C1或R非定位轴肩定位轴肩或（2）套筒、圆螺母、双螺母套筒—两零件相对较近圆螺母—两零件相对较远圆螺母双螺母（3）弹性挡圈、紧定螺钉只能承受较小的轴向力（4）轴端挡圈、圆锥面可承受较大轴向力轴肩B轴端挡圈l止动垫片止动销轴端挡圈螺钉螺钉轴端挡圈装配演示止动销止动垫片注意：

1）轴肩、轴环定位时，为保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径或倒角须留意。

2）为保证固定可靠，与轴上零件相配合的轴段长度比轮毂宽度略短2～3mm。２．周向定位和固定传递扭矩和运动（１）键联接、花键联接（２）销联接、型面联接（３）过盈配合联接、紧定螺钉联接综合看三、具有良好的制造工艺性，轴上零件要易于装拆1.键槽开在同一母线上，且宽度尽可能相同（图10-6）2.轴上圆角、倒角尽量取相同的值3.需磨削的轴段，应留有砂轮越程槽；需切削螺纹轴段，应留有退刀槽（图10-12）4.为便于加工和检测，轴的直径应取整数值；与滚动轴承相配合轴颈及有螺纹的轴段直径应符合轴承、螺纹标准直径5.为了便于装配，轴端应加工出450倒角6.过盈配合零件的装入端加工出导向锥面四、减少应力集中，改善轴的受力情况由轴的分类和应力状态的分析看到，大多数轴受变应力作用，故提高轴的疲劳强度尤为重要。而影响疲劳强度主要因素有应力集中、表面质量等。1.减少应力集中2.改善轴的表面质量不合理结构F合理结构F3.改善轴的受力状况减小应力集中实例：

ZQ350齿轮箱的高速轴在联轴器与轴承过渡圆角角处往往被剪断。这是因为联轴器的轴段到轴承直径处的过渡圆角半径r太小，应力集中太大所致。改善轴的表面质量实例一：

常州戚墅堰机车厂生产的曲轴，圆角半径处应力集中过大，一直没有过关，后在圆角处采用滚压工艺，使寿命提高了一倍。改善轴的表面质量实例二：

1974年东风船厂6E350柴油机减速箱的一根主轴，在试车过程中连续断掉两根，经理论验算强度和刚度，是足够的。但为什么会断呢?经分析后，查明原因有两点：(1)柴油机振动对轴的破坏影响估计不足；(2)轴表面粗糙度未达到图纸要求。改进后经275h试车通过。这说明，考虑问题要从多方面分析。改善轴的表面质量实例三：

提高轴的疲劳强度问题。某校教师在重庆民生船厂发现，制成试验用的增速器，经核算其中轴的安全系数为0.8。他们建议把轴从原来的调质处理改为高频淬火，从而解决了问题。C为由轴的材料及承载情况确定的常数。见表10-2上式所求d作为轴的最小直径进行轴的结构设计，若该处有一个键槽，d增大5%，有两个键槽，d增大10%。一、按扭转强度计算这种方法视轴只受转矩，根据转矩大小估算d，并用降低许用扭剪应力的方法来考虑弯矩的影响。§10-3轴的设计计算—扭剪应力MPa—许用扭剪应力MPa

—抗扭截面系数mm3

—转矩N.mm—传递的功率KW—转速r/min—轴的直径mm二、按经验公式估算

对于一般减速装置中的轴，也可用经验公式估算轴的最小轴径。

对于高速级输入轴d=(0.8～1.2)D

D——与高速级轴相联的电动机轴径

对于各级低速轴d=(0.3～0.4)a

a——同级齿轮中心距三、按弯扭合成强度计算在初估轴径及结构设计完成以后，即可确定轴上载荷大小、方向、作用点和轴的支承点位置。从而可求出支承反力，画出弯矩图和扭矩图，这时就可按弯扭合成强度计算轴的直径（多用来对已设计好的轴进行强度校核）。由弯矩图和转矩图可初步判断轴的危险剖面。对于一般的钢制轴，可用第三强度理论求出危险剖面的当量应力

e，其强度条件为：

e—当量应力MPa

b—弯曲应力MPaM—危险截面上的合成弯矩N.mmW—危险截面上的抗弯截面系数mm3对于一般转轴，

b为对称循环，而

的应力特性常是不变或脉动，考虑到两者循环特性不同的影响，将上式中的转矩乘以折算系数，得校核轴的强度基本公式为：α—折算系数Me—当量弯矩N.mm

[

-1]b—对称循环下许用弯曲应力设计式：对于一般用途的轴，按上述方法计算已足够精确。对重要的轴，还要考虑影响轴疲劳强度的一些因素而作精确验算。其内容可参阅有关书籍。设计注意：1）找危险截面：Me较大或d较小处

2）强度不足采取措施

a)增大轴径，其它尺寸跟着变化

b)改用材料、热处理方法四、轴的刚度计算概念轴受载后会产生弹性变形，机械中若轴的刚度不够，会影响机器的正常工作。如机床的主轴变形太大时，将影响机床的加工精度，电机转子轴弯曲变形太大时，将使转子和定子的间隙改变而影响电机性能，所以轴必须有足够的刚度。对于有刚度要求的轴，为使轴不因刚度不足而失效，设计时应根据轴的不同要求限制其变形量：分别为许用挠度、许用偏转角和许用扭转角，其值见有关参考书。五、轴的设计步骤

设计轴的一般步骤为：(1)选择轴的材料(2)初步确定轴最细部分的直径(3)轴的结构设计(4)轴的强度校核当校核不合格时，还要改变危险截面尺寸，进而修改轴的结构，直至校核合格为止。因此，轴的设计过程是反复、交叉进行的。轴的结构设计实例单级减速器输出轴的结构及轴上零件的布置轴的装配右轴承右端面到联轴器左端面的距离取为习题1：轴的结构设计应满足的基本要求是什么？答：轴的结构设计应满足的基本要是：1)轴及轴上零件应有确定的位置和可靠固定；2)轴上零件应便于安装，折卸和调整；3)轴应具有良好的加工工艺性；4)力求受力合理，有利提高疲劳强度和刚度。解答：1)轴肩过高挡住了内圈，轴承不便于折卸；2)两边均有轴肩，齿轮无法安装；3)键的顶面应与轮毂槽底面有间隙，且轮毂槽应开通，轴上键槽处应有局部剖视；4)轴承不便于安装，此处应该有过渡轴肩；5)此处的轮毂没有确定的位置，且无轴向固定；6)键过长，且两键不在同一方位，不便于加工；7)轴端过长，轮毂无法进行轴向固定。习题2：指出图中结构设计的错误，在错误处标出序号，并按序号一一说明理由。习题3：试指出图中结构不合理的地方。

键联接是一种将轴和轴上转动零件联接起来的可拆联接，主要用于轴和轮毂间的周向固定并传递转矩。有些类型的键还能实现轴向固定或轴向动联接。

松联接：平键联接和半圆键联接。键联接紧联接：楔键联接和切向键联接。花键联接§10-4

轴毂联接一、键联接的类型、特点和应用1.平键联接两侧面是工作面，键的上表面和轮毂槽底之间留有间隙，是靠两侧面的挤压传递转矩。具有结构简单、装拆方便、加工容易，对中良好，应用广泛，但不能实现轴向固定的特点。平键联接按用途分为三类：普通平键、导向平键、滑键。（1）普通平键

用于静联接，即轴与轮毂间无相对滑动。按端部形状不同分为A型（圆头）、B型（方头）、C型（半圆头）三种。A型键槽的加工B型键槽的加工（2）导向平键和滑键联接当轮毂在轴上需沿轴向移动而构成动联接时，可采用导向平键或滑键。导向平键较长，用螺钉将键固定在轴槽中，轮毂沿键作轴向移动(见图l0-22a)，为装拆方便，制有起键螺钉。若移动距离较大时，可用滑键。它和轮毂相联，沿轴上键槽移动(图10-22b）。两侧面为工作面，对中良好，用于静联接。

轴槽用