机械设计课件（北京交通大学）.ppt

1、机械设计（Mechanical design）,濮良贵编，机械设计第八版，高等教育出版社，2006.5 杨明忠主编，机械设计，机械工业出版社，2000.12 Robert L.Mott著，机械设计中的机械零件，机械工业出版社，2003.1 Joseph E.Shigley著，机械工程设计，机械工业出版社，2002.5,教科书,参考书,教学方法 讲授（概念、思路、机理、方法） 重理解和应用 重平时（作业、每章总结、每堂课提问、答疑和质疑） 实验 课下研究和课堂讨论,第一篇 总 论,一、机器的发展及在经济建设中的作用,第一章绪 论,一个人的人力有多大？,人力只有1/101/7匹马力；,马拉车，一般

2、不超过7匹马； 19世纪中叶，机械设计和制造的理论系统化； 形成了机械原理、机械设计等课程； 系列化、标准化、机械化、自动化。,二、 机器（machine）的组成,机器的组成,原动机,传动系统,执行系统,机器是由机构或构件组成的。,机械原理,机械设计,构件（member） 具有确定运动的整体，是运动的最小单元。 机构（mechanism） 是多种实物的人为组合 各实物间具有确定的相对运动。 运动副（kinematic pair） 构件间直接接触，且有确定相对运动的联接。,机器是由机械零件组合而成的。,在各种机器中功用相同的零件：,通用零件 （machine element for genera

3、l application）,零件（component，element） 组成构件的各个元素，是制造的最小单元。,联接,传动,支承,齿轮,轴承,螺栓,犁,专用零件 （machine element for special application）,曲轴,螺旋桨的叶片,只有在特定的机器中才能用的零件,能完成 一定的功,能实现 能量转换,零件,构件,机构,机器,通称机械,三、 本课程的内容、性质和任务,1. 内容 在简单介绍整部机器设计的基本知识的基础上，重点讨论一般尺寸和参数的通用零件的基本设计理论和方法，以及一些参数的选择。,总论：零件设计的基本原则、设计计算理论、材料选择、摩擦磨损及润滑等方

4、面的知识。 联接：研究常用联接方法（螺纹、键、花键、过盈配合）的结构、适用范围、设计方法。,传动：带、链、齿轮、螺旋、蜗杆等传动内容。 轴系：轴承、轴、联轴器和离合器。 其它：弹簧、机座、箱体、减速器。 2. 性质 机械设计是以通用零件的设计为主的设计性技术基础课。论述通用零件设计的理论和方法，培养机械设计的能力。,3. 任务 掌握一般通用机械零件的设计原理和方法； 具有运用资料（标准、规范、手册、图册）的能力； 掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练； 树立正确设计思想，了解机械设计的新发展。,四、现代机械设计方法简介,传统设计方法存在的问题,方案的拟定取决于设计者的经验，且难以

5、获得最优方案； 受人工计算条件的限制，只能采用静态的或近似的设计方法，影响设计质量； 设计工作周期长，效率低，成本高。,1. 设计方法学（design methodology）,设计方法学是研究产品设计的程序、规律及设计中的思维和工作方法的一门新兴综合性学科。 研究设计中创造性的思维方法和技术； 研究系统设计过程及符合设计规律的设计程序； 研究设计中解决问题的合理逻辑步骤和遵循的工作原则，具体的设计方法； 研究设计信息库的建立和应用。,2. 优化设计（optimal design）,优化设计是根据最优化原理，采用最优化数学方法，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代化设计方法。 抽象出正确

6、的数学模型； 选取设计变量； 列目标函数，给出约束条件； 采用适当的最优化方法； 进行寻优求解，得到机械设计的最优方案。,3. 相似性设计（comparability design）,相似性设计是相似理论在产品系列设计中的应用。 在具有相同功能、相同结构方案、相同或相似加工工艺的产品中，选定某一中档的产品为基础； 通过最佳方案的设计，确定其材料、参数和尺寸； 按相似理论设计出不同参数和尺寸的其它产品，从而构成不同规格的系列化产品。,4. 计算机辅助设计(computer aided design),计算机辅助设计是利用计算机软、硬件系统辅助设计人员进行工程和产品设计，以实现最佳设计效果的一门涉

7、及图形处理、工程分析、数据管理与数据变换、图文档案处理及软件设计为基础技术的多学科高度集合的新技术。,5. 可靠性设计（reliability design）,以概率论和数理统计为理论基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的一种现代设计方法。 可靠性预测 预测零部件或系统可能达到的可靠度及在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。 可靠性分配 将系统容许的失效概率合理地分配给该系统的零部件。,6. 有限元法（finite element method）,有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。 结构离散化,单元特性分析,单元特性集成,NASTRA

8、N、ANSYS、ASKA、SAP。,将连续的结构分割成数目有限的单元,选函数近似地描述单元内位移的分布规律，建立单元节点力与节点位移的关系矩阵,集成单元的关系，形成动力学方程，引入初始条件和边界条件进行求解,7. 摩擦学设计（tribology design）,摩擦学设计是利用摩擦、磨损及润滑理论，解决机械中具有相对运动的两接触零件的结构与形态设计等问题。 人工关节、宇航飞行器中的密封等设计中，都用到了摩擦学设计。,此外还有工业艺术造型设计、疲劳设计、绿色设计、并行设计、反求设计、虚拟设计、异地设计、智能设计等。,杜永平,机械设计总论,一、 设计机器的一般程序 二、 对机器的主要要求 三、 机

9、械零件的主要失效形式 四、 机械零件应满足的基本要求及计算准则 五、 机械零件设计的一般步骤 六、 机械零件常用材料及选用原则 七、 机械零件设计中的标准化,第二章 机械设计总论,作业：,对机器的主要要求和对机械零件的主要要求有哪些？他们的差别在哪儿？ 机械零件的主要失效形式及对应的设计准则是什么？,1. 计划阶段 明确机器的功能、约束条件； 写出设计任务书。,二、 设计机器的一般程序,2. 方案设计阶段 机器的功能分析 必须达到的要求； 最低要求； 希望达到的要求。,机器的功能 经济性估计 制造的要求 使用的要求 完成期限,分析的结果： 确定出功能参数,杜永平,机械设计总论, 提出解决的办法

10、 执行机构,有N3种执行机构方案； 原动机,不同工作原理有不同的机器；同一工作原理有不同的结构,有N2种原动机方案； 传动系统,电机还是热机 高速还是低速 直流还是交流,有N1种传动系统方案。 共有NN1N2N3 个方案,原动机不同，传动系统不同 工作机不同，传动系统不同 同一传动任务，多种传动机构,技术方面和经济方面的综合评价,最佳方案, 最后决策 确定原理图或机构运动简图； 在借鉴基础上的创新。,3. 技术设计阶段 运动学设计 确定原动机的参数 确定各运动件的运动参数, 动力学设计 计算各零件上所受的载荷大小和特性。,功率 转速等,杜永平,机械设计总论,零件的工作能力计算 根据工作能力准则

11、、失效形式、工作特性等进行零件的强度、刚度、振动稳定性、寿命等计算，并确定基本尺寸。 装配图的设计 通过装配草图的设计，对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计，并注意结构工艺性。 主要零件的校核 对某些零件进行必要的校核。,杜永平,机械设计总论,零件工作图及总装图的设计 绘制零件加工图及装配图。 4. 技术文件编制阶段 编写计算说明书、使用说明书、标准件明细表、工艺文件等。,杜永平,机械设计总论,三、 对机器的主要要求 1. 使用功能的要求 所设计的机器能完成用户提出的所有要求。 2. 经济性要求 在实现使用功能的前提下，用最经济的手段设计和制造出来。 设计制造经济性成本低。 使用经济性高生产率

12、、高效率、低消耗、低维护费等。,杜永平,机械设计总论,3. 劳动保护要求 操作者方便和安全； 改善操作者及机器的环境（噪声、有毒有害物、废水废气的治理等）。 4. 可靠性要求 保证机器有足够的使用寿命。 5. 其它要求 视不同的机器而定，如运输的可靠性、流动机器的装拆方便性等。,杜永平,机械设计总论,四、 机械零件的主要失效形式 1. 断裂(fracture，breakage) 占总失效的5% 疲劳断裂（fatigue rupture）,过载断裂（over-loading fracture）,变应力作用下，危险剖面的断裂,2. 塑性变形(plastic deformation) 残余变形（re

13、mainder deformation）,瞬间大载荷导致的局部断裂,3. 过大的弹性变形(elastic deflection),应力超过屈服极限所产生的变形,杜永平,机械设计总论,4. 零件的表面破坏(surface failure) 占75% 疲劳点蚀(fatigue pitting),接触应力长期作用，产生裂纹直到剥落的现象,磨损(wear),接触表面产生材质损失的现象,腐蚀(corrode),化学或电化学的作用而使表面遭受破坏的现象,5. 摩擦传动的打滑(slip),传动带或摩擦轮在另一个轮上滑过的现象,6. 振动引起的失效 共振(resonance),干扰频率与固有频率相等时发生的灾

14、难性破坏,7. 热引起的破坏,零件的变形 润滑性能的降低,杜永平,机械设计总论,五、 机械零件应满足的基本要求及计算准则 1. 强度的要求及计算准则 断裂和塑性变形都是强度不足。 为了提高强度，可以采取以下措施： 采用高强度材料； 采用合理的零件结构； 通过热处理改善性能； 提高零件的制造精度； 合理布置各零件的相互位置(载荷的分布)。 计算准则：保证零件有足够的强度。,杜永平,机械设计总论,2. 刚度的要求及计算准则 整体刚度指整体的伸长、缩短、挠曲、扭转等弹性变形的程度。 表面接触刚度指两零件接触表面的微观凸峰在载荷作用下发生变形而导致零件相对位置变化的程度。 措施： 增大零件的剖面尺寸；

15、 缩短支承跨距； 增大结合面，以降低应力。 计算准则：零件在载荷作用下产生的弹性变形量小于等于机器工作性能所允许的极限值。 挠度：yy; 转角：,杜永平,机械设计总论,3. 寿命的要求及计算准则 零件寿命零件工作所持续的时间。 影响零件寿命的主要因素有： 磨损、腐蚀、疲劳破坏。 计算准则：求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。 4. 振动稳定性要求及计算准则 计算准则：零件的固有频率f 错开干扰频率f p， f p 0.85f 或 f p 1.15 f,杜永平,机械设计总论,5. 可靠性（reliability）要求及计算准则 可靠性在规定的使用寿命内，零件能正常地完成其功能的概率。 零件的

16、可靠度为：RNN0 时间t 到t+dt 的间隔中，零件破坏的比率(t)为：,则,杜永平,机械设计总论,零件失效率（t）与时间t 的关系遵循浴盆曲线, 第阶段为早期失效阶段，初始缺陷造成高的失效率； 第阶段为正常使用阶段，偶然因素引起失效； 第阶段为损坏阶段，由于磨损、疲劳等引起失效。,杜永平,机械设计总论,6. 结构工艺性（technology）要求 在既定的生产条件下，能够方便而经济地生产出来，并便于装配的特性。 影响结构工艺性的决定性因素是零件的结构设计。 7. 经济性（economy）要求 在保证强度和刚度等要求下，生产成本低。 8. 质量小的要求 节约原材料； 运动件可以减少惯性力，改

17、善动力性能； 运输、安装方便。,杜永平,机械设计总论,六、 机械零件设计的一般步骤 根据零件的使用要求选择零件的类型和结构； 根据机器的工作要求，计算作用于零件上的载荷； 选择材料； 分析失效形式，并确定计算准则，通过计算确定零件的基本尺寸或主要参数； 进行结构设计； 绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，编写说明书。,杜永平,机械设计总论,七、 机械零件常用材料及选用原则 材料选用的原则： 1. 载荷的大小、性质和分布 脆性材料只能用于静载荷； 塑性材料可用于有冲击载荷、变应力下。 2. 零件的工作环境 湿热环境下，选耐腐防锈材料； 温差大的环境，选机械性能随温度改变而较稳定的材料，配对材料

18、的膨胀系数不能相差过大； 污染大的环境下，选耐磨材料或能提高表面硬度的材料。,杜永平,机械设计总论,3. 材料的经济性及供应情况 在满足使用要求的前提下，尽量选用廉价的材料，尽量选用大众化的材料。 4. 材料的加工工艺性 选材料要考虑加工方法，工艺要求。 八、 机械零件设计中的标准化 标准化的好处： 提高质量，降低生产成本； 便于互换和维修； 简化设计工作，设计只需选标准。,第三章 机械零件的强度,一、 基本概念 1. 载荷（load）,作用在零件上的外力,公称载荷（nominal load）,按理论力学方法计算出来的载荷,用Fn、Mn、Tn表示,计算载荷（calculated load）,考

19、虑动力参数、工作阻力的变动而计算出的载荷,用Fca、Mca、Tca表示,K载荷系数（工况系数）,2. 应力（stress） 工作应力（working stress）,按材料力学公式求出的作用在零件剖面上的应力,计算应力（calculated stress）,按一定的强度理论求出的与单向拉伸同等作用的应力,许用应力（allowable stress）,材料某个机械性能极限值,计算应力允许达到的最大值,极限应力（ultimate stress）,3. 安全系数（safety factor） 安全系数,极限应力与许用应力的比值,安全系数计算值,极限应力与计算应力的比值,引入安全系数的原因： 应力计算

20、时的载荷不精确性； 力学模型与实际状况的差异； 材料机械性能的不均匀性； 零件使用场合的重要性。,2. 双向或三向应力状态（有三种强度理论） 最大主应力理论（第一强度理论） a、脆性材料 压应力远远大于拉伸应力，取最大应力,二、应力（stress）的计算,1. 单向应力状态 危险剖面的最大应力即为计算应力, 最大剪应力理论（第三强度理论）, 最大形变能理论（第四强度理论）,b、双向应力,三、变应力（variable stress）的强度计算,应力变化次数大于10 3,1. 疲劳极限 衡量变应力的参数有,疲劳极限,循环特性r一定时，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力,疲劳曲线,AB段

21、：静应力区间，B点对应的的应力循环次数大约为10 3；,BC段：随N的增大，max 下降，C点所对应的N值大约为10 4，这种破坏为应变疲劳，或低周疲劳。,静应力,低周疲劳,D点以后：D点以后的曲线趋于水平，说明随N的增多，max不再下降，即到无限寿命阶段，一般工程材料的D点约为10 62510 7。,CD段：随N的增大，max下降较快，这阶段称为有限寿命阶段，也称为高周疲劳。,静应力,低周疲劳,高周疲劳,无限寿命,双对数坐标表示的疲劳曲线,m与材料有关的常数 C常数,CD段方程：,循环基数N 0,式中：K N寿命系数,N D不大时， N 0= N D N D很大时， N 0 N D 任意循环

22、N次的疲劳极限：,反映有限寿命(NN0)设计时，疲劳极限的可提高程度。,2. 材料的极限应力图,不同循环特性有不同的疲劳极限,疲劳特性曲线,对称循环的疲劳极限,脉动循环的疲劳极限,静应力的疲劳极限,脉动循环变应力: 平均应力 应力幅,对称循环变应力: 平均应力 最大应力,静应力: 平均应力 应力幅,的变应力,OAGC区域为安全区,AGC折线为疲劳极限,3. 零件的极限应力图,零件与材料的差别 几何形状的不同 尺寸大小的不同 加工质量的不同 强化因素的不同,综合影响系数,四、单向稳定变应力的机械零件疲劳强度,M点的疲劳极限等于多少？,1. 变应力的循环特性保持不变（rC）的情况 绝大多数转轴的应

23、力状态,M点的极限应力为,安全系数计算值及强度条件,静强度条件,振动着的受载弹簧的应力状态,M2点的极限应力为,安全系数计算值及强度条件,静强度条件,受轴向变载荷螺栓联接的应力状态,M点的极限应力为,安全系数计算值及强度条件,说明： 难以确定应力变化规律的，采用r = C计算,等效应力幅：,五、单向不稳定变应力的疲劳强度,1. 非规律性的不稳定变应力 变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。,根据大量试验求得载荷及应力的统计分布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。,2. 规律性的不稳定变应力 变应力参数的变化有一个简单的规律。 利用疲劳损伤累计假说进行计算。,每一次循环的损伤率：1N n次循环的

24、损伤率：nN,各应力幅无大的差别及强烈的短时过载,应力由大到小作用,应力由小到大作用,累计损伤率100%时，材料发生疲劳破坏,为什么？,累计损伤率为：,代入累计损伤公式得：,不破坏的条件：,则,安全系数,令计算应力为：,六、提高机械零件疲劳强度的措施,在设计阶段就应考虑采取设计措施来提高机械零件的疲劳强度： 尽可能降低应力集中； 选用疲劳强度高的材料； 选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺； 提高机械零件表面的质量； 尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹尺寸。,第四章 摩擦磨损及润滑概述,摩擦（friction）,一、基本概念,摩擦力 （friction force）,磨损（wear

25、） 摩擦时，摩擦表面材质损失或转移的现象,润滑（lubrication）摩擦面添加介质（油、脂等），以减小摩擦、磨损，降低材料消耗，保证机器可靠工作的现象。 摩擦学（tribology）研究有关摩擦、磨损、润滑的一门科学和技术。,二、摩擦,1. 分类 按物体是否有运动分,静摩擦（statical friction） 仅有相对滑动趋势时的摩擦；,动摩擦（kinetic friction）有相对滑动的摩擦 按运动形式分,干摩擦(dry friction) 不加任何润滑剂的摩擦。,滑动摩擦（sliding friction） 两表面以相对滑动为主的摩擦；,滚动摩擦（rolling friction）

26、 两表面以滚动为主的摩擦。,按摩擦界面间的润滑剂情况分,流体摩擦（fluid friction）摩擦表面被一层流体隔开的摩擦；,边界摩擦（boundary friction）两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开的摩擦；,混合摩擦（mixed friction）上述任何两种及以上摩擦共存的摩擦。,几种摩擦的界限常以膜厚比来大致估计：,式中：hmin最小公称油膜厚度，m Rq1 接触表面1轮廓的均方根偏差，m Rq2 接触表面2轮廓的均方根偏差，m,2. 干摩擦(dry friction),库仑定律：Fff Fn 简单粘着理论 1945年由鲍登（FP.Bowden）等人提出：,摩擦副接触只是部分峰顶

27、接触, 修正粘着理论,接触区域同时存在压应力和切应力，材料的屈服极限必须由复合应力来确定,Fn的作用,Ari,切向力Ff,Ari+Ari,节点增长,分子吸引理论,两个界面接触,分子作用,分子键力,两个界面发生相对运动,剪断分子键,摩擦力, 分子机械理论,由摩擦表面的物理性质决定的参数,由摩擦表面的机械性质决定的参数,3. 边界摩擦（boundary friction）,物理吸附膜,化学吸附膜 有较低的剪切强度，较高的熔点，能在较高的速度和载荷下起润滑作用。,f 较低，熔点低，只能在低速轻载下起润滑作用。, 化学反应膜 具有低的剪切强度和高的熔点，可在十分恶劣的条件下起润滑作用。 油性物理吸附膜

28、、化学吸附膜的润滑性能 极压性化学反应膜的润滑性能。,4. 流体摩擦（fluid friction） 润滑油膜厚度大到将两个表面接触的微凸体完全分开时的摩擦。此时，没有金属的直接接触，润滑性能取决于润滑油本身的性质。,5. 混合摩擦（mixed friction） 两个摩擦面间有些部位呈现干摩擦，有些部位呈现边界摩擦，有些部位呈现液体摩擦，这种状态称为混合摩擦。摩擦系数不稳定。,三、 磨损 磨损：摩擦过程带来了表面材料的丧失和转移，磨损可造成零件的失效，占总失效的70%80%。,磨损带来的危害： 影响零件的运动质量； 改变了零件的尺寸； 降低了零件的可靠性。,1. 按磨损阶段分 跑合(runn

29、ing-in)磨损阶段 跑合的目的： 磨掉不平高峰，增大接触面积，提高承载能力。,稳定磨损阶段 磨损以平稳而缓慢的速度进行，标志磨损条件保持相对稳定。,急剧磨损阶段 经过稳定磨损阶段，零件工作到寿命期，磨损速度加快。 设计或使用机器，要力求缩短跑合期、延长稳定磨损期、推迟急剧磨损期的到来。,2. 按磨损机理分,粘着磨损（adhesive wear） 摩擦表面的微凸体在相互作用的各处发生“冷焊”后，在相对滑动过程中，材料从一个表面迁移到另一个表面的现象。,减轻粘着磨损的措施 a. 合理选择配对摩擦副材料，选择粘着倾向性小的配对材料； b. 采用油性、极压性好的润滑剂； c. 限制摩擦表面的温度；

30、,d. 控制压强。,磨料磨损（abrasive wear） 从外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的微凸体峰尖在较软材料的表面上犁刨出很多沟纹的现象。,影响磨料磨损的因素： 材料的硬度Hm和磨料的硬度Ha；,磨料的数量。,疲劳磨损（fatigue wear） 零件受交变接触应力的反复作用，在零件工作表面或表面下一定深度处形成疲劳裂纹，随着裂纹的扩展与相互连接，将造成颗粒从零件工作表面上脱落，形成疲劳坑的现象点蚀。 影响疲劳磨损的因素： 表面光洁度； 润滑油粘度； 零件表面的硬度和芯部的硬度。,腐蚀磨损（corrosive wear） 摩擦过程中，零件摩擦副与周围介质发生化学反应或电化学反应所产生的

31、磨损。,影响腐蚀磨损的主要因素 介质的酸碱性； 零件表面生成的氧化膜性质； 环境温度。,冲蚀磨损（erosion wear） 含有硬微粒的液体冲击固体表面所造成的磨损。 影响因素： 微粒与固体表面的摩擦系数； 微粒的冲击速度； 微粒冲击速度的方向与固体表面所夹角。 微动磨损（fretting wear） 紧联接表面在循环变应力、振动、接触面产生的弹性变形差异等引起的磨损。,四、润滑（lubrication）,降低摩擦、减轻磨损； 保护零件不被锈蚀； 散热降温（循环油）； 缓冲吸振（液体不可压缩性）； 密封（润滑脂）。,1. 润滑的作用,2. 润滑剂（lubricant）及主要指标,（1）润滑油

32、（lubricating oil） 动物油、植物油、矿物油、化学合成油, 粘度（viscosity）,流体抵抗变形的能力，标志着流体内部摩擦阻力的大小，即粘度大，流动性差。,粘性流体摩擦定律：,A板以速度v 运动， B板静止不动，则贴近A 板的流体以速度v运动，贴近B板的流体静止，流体的运动是层流，各层之间存在相对滑移，各层界面上就有剪切力：,单位：Pas（国际），P (泊)（绝对单位）,单位：m2/s（国际），St (斯)（绝对单位）,单位：Et（恩氏度）,影响粘度的因素 温度：温度高，粘度低； 压力：粘度随压力的增大而提高 压力低于20Mpa时，影响很小 超过20Mpa时，影响明显,油性

33、物理吸附膜，化学吸附膜 极压性 化学反应膜。 氧化稳定性 润滑油抗氧化的能力。 闪点（flash point） 衡量易燃性的指标，高温下工作很重要。 凝固点（solidifying point） 衡量低温下工作的性能。,（2）润滑脂（grease）,钙基润滑脂 纳基润滑脂 锂基润滑脂 铝基润滑脂 针入度（penetration ） 衡量脂的稠密程度，针入度小，承载能力大。 滴点（drop point） 衡量润滑脂的耐高温能力。,（3）添加剂（additive） 添加剂的作用 提高油性、极压性和极端工作条件能力； 推迟润滑剂老化变质，延长使用寿命； 改善润滑剂的物理性能。 添加剂有：清净分散剂,

34、抗氧化剂 油性添加剂 极压与抗磨添加剂 降凝剂 增粘剂,3. 润滑装置,（1）间歇供油 压配式油杯,旋套式油杯,a 滴油润滑 针阀油杯,（2）连续供油,油芯油杯,b 油环润滑装置,c 飞溅润滑装置,（3）润滑脂供油装置 旋盖式油脂杯,第二篇 联接（connection）,动联接（movable connection） 机器工作时，被联接零件之间可以有相对运动的联接。,运动副,滑动轴承,静联接（fixed joint） 机器工作时，被联接零件之间不允许有相对运动的连接。,螺纹联接,焊接,可拆联接 不需要毁坏任何零件就可拆开的联接。,考虑结构安装运输维护,螺纹联接 键联接,不可拆联接 拆开时至少要

35、破坏一个零件的联接,铆接 焊接,考虑制造经济性,第五章 螺纹联接,一、 螺纹（thread） 1. 螺纹的形成 2. 螺纹的类型 按平面图形分,三角形螺纹 (triangular thread),矩形螺纹 (rectangle thread),梯形螺纹(trapezoidal thread),锯齿形螺纹(sawtooth thread),管螺纹（pipe thread）,牙根强度 工艺性 适用场合 三角形螺纹 最大 好 联接 矩形螺纹 小 差 传动 梯形螺纹 较大 好 传动 锯齿形螺纹 较大 好 传动 管螺纹 联接, 按螺线的绕行方向分 左旋螺纹（left-hand thread） 右旋螺纹（

36、right-hand thread）, 按螺纹线数分 单线螺纹（single-thread）用于联接 双线螺纹（double-thread）用于传动 三线螺纹（triple-thread）用于传动 多线螺纹用于传动,3. 主要参数,大径d公称直径（nominal thread） 小径d1危险剖面直径，强度计算直径 中径d2轴线剖面上的假想直径,线数n 螺旋线数目 螺距P（thread pitch） 导程S（lead）,SnP,工作高度h,三角形螺纹,二、螺纹联接的基本类型,1. 螺栓（bolt）联接 普通螺栓（general bolt）联接,铰制孔螺栓（reamer bolt）联接,2. 双头

37、螺柱（stud，double-end bolt）联接,3. 螺钉（screw）联接,4. 紧定螺钉（setscrew）联接,5. 特殊用螺钉联接 地脚螺钉(foundation bolt)联接,吊环螺钉（eye bolt）联接,自攻螺钉,螺母,垫圈,6. 其他标准螺纹联接件,三、螺纹联接的预紧和防松,（一）螺纹副受力分析 1. 矩形螺纹 物体沿斜面匀速上升,螺母旋转一周的输入功为,举升重物的有效功为,效率为,物体沿斜面匀速下降,自锁条件为,2. 三角形螺纹,摩擦力,力的关系,自锁条件,效 率,（二）螺纹联接的预紧,1. 螺纹阻力矩,2. 支承面阻力矩,3. 拧紧力矩,增加可靠性 紧密性,4.

38、控制预紧力的方法, 测力矩板手, 定力矩板手, 测定螺栓伸长量,（三）螺纹联接的防松,1. 摩擦防松（prevent loosening by friction） 双螺母（double nut）,弹簧垫圈（spring washer）,自锁螺母（self-locking nut）,2. 机械防松,开口销(spring cotter)与 六角开槽螺母(notch nut),止动垫圈（stop washer）,串联金属丝（in series wire）,3. 永久防松（破坏螺纹副）,冲点、焊接(jointing)、粘合(conglutination),四、单个螺栓联接的强度计算,1. 失效形式及计

39、算准则 受拉螺栓 断裂、螺纹滑扣,计算准则： 保证螺栓的静力拉伸强度,占65%,占20%,占15%, 受剪螺栓 螺杆和通孔孔壁被压溃和螺杆被剪断,计算准则：保证螺栓的挤压强度和剪切强度。,2. 松螺栓联接的强度计算,拉伸强度条件为：,式中：d1 危险剖面直径，mm,3. 紧螺栓联接的强度计算,拉伸应力：,扭剪应力：,普通钢制螺栓：,代入计算得：,（1） 受横向载荷的紧螺栓联接,螺杆的强度条件为：,减载键、减载环,挤压强度：,剪切强度：,（2）铰制孔用螺栓联接的强度,剪切强度：,挤压强度：,（3）受轴向载荷的紧螺栓联接,螺杆的总受力 F2F0F ？,残余预紧力 （residual pretigh

40、tening force）,推荐值为： 金属垫片0.20.3 皮革垫片0.7 铜皮石棉垫片0.8 橡胶垫片0.9。,拉伸强度：,保证联接的紧密性，应使F10,设计式：,说明,一般联接，载荷稳定：F1（0.20.6）F 一般联接，载荷不稳定：F1(0.61.0)F 地脚螺栓：F1F 压力容器：F1（1.51.8）F,对变载重要联接，应作疲劳强度校核,S 安全系数,（4）受偏心载荷的紧螺栓联接,避免偏载的措施： 铸造出凸台；, 斜面用斜垫圈；,加工沉头座； （鱼眼坑）, 采用球面垫圈。,五、螺栓组联接的设计,1. 螺栓组的结构设计 轴对称的简单几何形状,受力均匀 便于加工,a、铰制孔螺栓，在载荷方

41、向不要成排布置8个以上的螺栓。 b、受弯矩或扭矩时，螺栓应布置在结合面的边缘上，使受力小。,c、同时受轴向、横向载荷时，用减载键、销、套筒等。,螺栓的受力合理, 螺栓间有合理的间距、边距；, 同一圆周上的螺栓数目尽量取偶数，同一螺栓组中各螺栓的材料、直径、长度应一致； 避免螺栓受偏心载荷。,2. 螺栓组受力分析 目的：找出受力最大的螺拴及所受力的大小 假设：螺栓的材料、直径、长度、预紧力相同； 螺栓组的对称中心与接合面形心重合； 受载后结合面仍保持为平面。,（1）受横向载荷的螺栓组联接,f 接合面摩擦系数； i 接合面数目； z 螺栓数目； Ks防滑系数， Ks1.11.3。,zF0,zF0,

42、F,（2）受转矩的螺栓组联接, 普通螺栓联接,不滑移条件,ri第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心的距离,f F0,f F0, 铰制孔螺栓组联接,F1,Fmax,（3）受轴向载荷的螺栓组联接,假设：底板是刚性 底板绕OO翻转 螺杆和地基按各自的刚度拉伸和压缩。,（4）受倾覆力矩的螺纹组联接,Fi,Fmax,计算受力最大螺栓的受力,最大外载荷：,螺栓总拉力：, 考虑地基强度,受外载前地基的挤压应力：,M引起的最大应力：,近似取,左边不出现缝隙,右边地基不被压溃,六、螺纹联接件的材料及许用应力,1. 螺纹联接件的材料,常用材料：Q215、Q235，10、35、45等； 冲击振动大的场合：40Cr、30

43、CrMnSi等； 特殊场合：1Cr13、CrNi2、H62等。 国家标准规定： 螺纹联接件按材料的力学性能分等级：,螺栓、螺柱、螺钉从3.612.9分十个等级；,3.6的含义： 抗拉强度 屈服强度,螺母从412分七个等级。,标记的含义： 保证最小应力的1100,选用时： 螺母的性能等级不低于螺栓的性能等级,2. 许用应力,螺纹联接件的许用拉应力：,螺纹联接件的许用剪应力：,螺纹联接件的许用挤压应力：,钢：,铸铁：,七、提高螺拴联接强度的措施, 减少螺栓刚度Cb,1. 降低应力幅,用腰状螺杆、空心螺杆,螺母下安装弹性元件,增大被联接件刚度Cm,不用垫片，或用刚性较大垫片,减少螺栓刚度Cb、增大被

44、联接件刚度Cm和增大预紧力并用。,2. 改善螺纹牙上载荷分布不均现象,螺栓和螺母的刚度和变形性质不同，造成螺纹牙上各圈的受力不均,第一圈螺纹牙承受约l3的载荷，以后各圈依次递减，第8圈以后的螺纹几乎不受载。,用受拉螺母，悬置螺母,内斜螺母,环槽螺母, 内斜、环槽共用螺母,用钢丝螺套,3. 减小应力集中,增大过渡圆角 增加卸载槽 卸载过渡结构,采用球面垫圈,采用腰环结构,4. 采用合理的制造工艺,采用冷墩螺纹头部；,滚压螺纹； 冷作硬化表面。,八、螺旋传动（helical drive）,1. 分类 按用途分 传力螺旋 （screw of transmission power）,传导螺旋 （scr

45、ew of transmission motion）,传递动力为主 间歇工作 速度不高 需要自锁,调整螺旋 （adjusting screw）,传递运动为主 连续工作 速度较高 传动精度和效率要高,调整、固定零件位置 不经常转动,按摩擦性质分,滑动螺旋（sliding screw）,滚动螺旋（rolling screw）,结构简单 易于自锁 摩擦阻力大 传动效率低 传动精度低,静压螺旋（pressure screw）,结构复杂 摩擦阻力小 传动效率高,结构复杂 摩擦阻力小 传动效率高 需供油系统,2. 滑动螺旋的结构和材料, 结构 运动转变方式有： 螺杆转动，螺母移动,机床进给丝杆,起重螺旋,

46、螺母转动，螺杆移动 螺母固定，螺杆转动及移动,螺杆固定，螺母转动及移动,螺母结构,整体螺母结构简单，但由磨损产生的轴向间隙不能补偿，只是用于精度要求较低的螺旋。 组合螺母结构复杂，但可以定期地调整，以消除轴向间隙，避免反向转动时的空行程。,剖分式螺母结构复杂，但可以补偿旋合螺纹的磨损。 滑动螺旋的螺纹类型有矩形、梯形和锯齿形。,材料,a、螺杆 低速轻载：不经热处理的Q235、Q275、45； 较高速重载：热处理的40Cr、65Mn、20CrMnTi； 精密传导：热处理的9Mn2V、CrWMn、38CrMoAl。 b、螺母 一般传动：ZQSn10l、ZQSn663 重载低速：ZQAl94、ZHA

47、l66632 重载调整：35、球墨铸铁 低速轻载：耐磨铸铁 大尺寸：钢或铸铁做外套，内孔浇铸青铜 高速：钢或铸铁做外套，内孔浇铸巴氏合金。,3. 螺旋传动的设计计算,失效形式及校核内容 主要失效形式：磨损 校核： 受力较大的传力螺旋：校核螺杆危险剖面及螺纹牙的强度； 精密的传导螺旋：校核螺杆的刚度； 长径比很大的螺杆：校核其稳定性； 高速长螺杆：校核其临界转速； 要求自锁的螺杆：校核其自锁性。,耐磨性计算,工作面上的压力p：,A螺纹承压面积（ mm2）；,d2螺纹中径（mm）；,h螺纹工作高度（mm）；,u螺纹工作圈数，uHP H螺母高度（ mm ）,P螺距（ mm ）；,F轴向力（N）；,令

48、 Hd2，则 Hd2，代入整理后得,矩形和梯形螺纹，h0.5P，则,30的锯齿形螺纹，h0.75P，则,：整体螺母：1.22.5； 剖分螺母，兼作支承螺母：2.53.5； 传动精度高、载荷大、寿命长：4。 螺纹工作圈数不易超过10圈。, 自锁条件, 螺杆的强度计算,式中：,F轴向压力（N）； A危险剖面面积（mm2）； WT抗扭截面模量（mm3）； T扭矩（Nmm）； 螺杆材料的许用应力（MPa）。, 螺母螺纹牙的强度计算,剪切强度：,弯曲强度：,式中：b牙根部的厚度(mm)，,矩形螺纹b0.5P， 梯形螺纹b0.65P， 锯齿形螺纹b0.75P；,l弯曲力臂(mm) ，,螺母外径与凸缘强度计

49、算,a、bb剖面拉伸应力,b、凸缘与底座接触表面挤压强度,考虑摩擦力,螺母许用拉伸应力(Mpa)，0.83b,c、凸缘根部的弯曲强度,许用挤压应力(Mpa)，p(1.51.7)b,螺杆的稳定性验算,稳定条件：SSCFcrFSS SSC稳定性计算安全系数 SS 稳定性安全系数,Fcr螺杆临界压力 按Sli选用不同的公式：,传力：SS3.55.0 传导：SS2.54.0 精密或水平：SS4,s100,拉压弹性模数 E2.06105 (Mpa),螺杆危险剖面的惯性矩(mm 4),s 100，且B480 Mpa的优质碳钢,s100，且B380 Mpa的普通碳钢,s40时，不必进行稳定性校核。,在 Sl

50、i 公式中： 螺杆长度系数，查表； l 螺杆工作长度(mm) ，,i螺杆危险剖面的惯性半径(mm),两端支承，取支点间的距离， 一端螺母支承，支点取螺母中点；,Ssc,稳定条件：SSCFcrFSS,不满足此条件 怎么办？,Fcr,增大螺杆小径d1,第六章 键和花键联接,一、键（key）联接的分类和结构形式,平键 (flat key),半圆键(woodruff key),切向键(tangent key),楔键 (wedge key),普通平键,A型(双圆头) B型(平头) C型(单圆头),导向平键 (feather key),A型 B型,滑键（sliding key）,斜键(tape key),圆头 方头 钩头,平键的加工,平键的装配,平键的侧面为工作面，对中性较好，工作时依靠挤压和剪切传递载荷，适用于转速较高的场合。 半圆键对轴削弱大，装配方便，适用于锥形轴与轮壳的联接。 斜键的上下面为工作面，靠摩擦力传递载荷，对中性差，适用于低速、轻载、传动精度要求不高的场合。,二、键的选择及强度计算,1. 键的选择 选择键的类型；,选键的剖面尺寸；,结构特点、使用要求、工作条件,选键的长度。,轴径及键的类型,毂的长度,2. 失效形式 挤压破坏