機械設(shè)計基礎(chǔ)電子教案9

第9章機械零件設(shè)計概論機械零件設(shè)計概述

9.1機械零件的強度9.2機械零件的接觸強度9.3機械零件的耐磨性

9.4機械制造常用材料及其選擇

9.5機械零件的工藝性及標準化9.7公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系9.69.1機械零件設(shè)計概述多種可能的失效形式，但歸納起來最主要的為強度、剛度、耐磨性、穩(wěn)定性和溫度的影響等幾個方面的問題。零件的設(shè)計常按下列步驟進行：①擬定零件的計算簡圖；②確定作用在零件上的載荷；③選擇合適的材料；④根據(jù)零件可能出現(xiàn)的失效形式，選用相應(yīng)的判定條件，確定零件的形狀和主要尺寸。應(yīng)當注意，零件尺寸的計算值一般并不是最終采用的數(shù)值，設(shè)計者還要根據(jù)制造零件的工藝要求和標準、規(guī)格加以圓整；⑤繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件。在實際工作中，也常采用相反的方式——校核計算。9.2機械零件的強度應(yīng)力可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。9.2.1應(yīng)力的種類圖9-1應(yīng)力的種類對于塑性材料，可按不發(fā)生塑性變形的條件進行計算。這時應(yīng)取材料的屈服極限

s作為極限應(yīng)力，其許用應(yīng)力為9.2.2靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力對于用脆性材料制成的零件，應(yīng)取強度極限

B作為極限應(yīng)力，其許用應(yīng)力為1．疲勞曲線2．許用應(yīng)力9.2.3變應(yīng)力下的許用應(yīng)力圖9-3疲勞曲線可參考下述原則選擇安全系數(shù)。①靜應(yīng)力下，塑性材料以屈服極限為極限應(yīng)力。由于塑性材料可以緩和過大的局部應(yīng)力，故可取安全系數(shù)S=1.2～1.5；對于塑性較差的材料（如＞0.6）或鑄鋼件，可取S=1.5～2.5。9.2.4安全系數(shù)②靜應(yīng)力下，脆性材料以強度極限為極限應(yīng)力，這時應(yīng)取較大的安全系數(shù)。例如，對于高強度鋼或鑄鐵件，可取S=3～4。③變應(yīng)力下，以疲勞極限作為極限應(yīng)力，可取S=1.3～1.7；若材料不夠均勻、計算不夠精確時，可取S=1.7～2.5。通常，零件受載時是在較大的體積內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)下的零件強度稱整體強度。9.3機械零件的接觸強度圖9-7疲勞點蝕圖9-8兩圓柱體的接觸應(yīng)力磨損現(xiàn)象是相當復雜的，有物理、化學和機械等方面原因。下面對機械中磨損的主要類型作一簡略介紹。1．磨粒磨損2．粘著磨損（膠合）3．疲勞磨損（點蝕）4．腐蝕磨損9.4機械零件的耐磨性機械制造中最常用的材料是鋼和鑄鐵，其次是有色金屬合金。非金屬材料如塑料、橡膠等，在機械制造中也具有獨特的使用價值。9.5機械制造常用材料及其選擇1．鑄鐵2．鋼（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼（2）合金結(jié)構(gòu)鋼（3）鑄鋼3．銅合金9.5.1金屬材料1．橡膠2．塑料9.5.2非金屬材料9.6.1公差與配合機器是由零件裝配而成的。大規(guī)模生產(chǎn)要求零件具有互換性，以便在裝配時不需要選擇和附加加工，就能達到預期的技術(shù)要求。9.6公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先數(shù)系圖9-10配合的種類圖9-11基孔制的配合表面粗糙度是指零件表面的微觀幾何形狀誤差。它主要是加工后在零件表面留下的微細而凸凹不平的刀痕。9.6.2表面粗糙度圖9-12表征表面粗糙度的一些參數(shù)y1—輪廓峰高；y2—輪廓谷深優(yōu)先數(shù)系是用來使型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等量值得到合理的分級，這樣可便于組織生產(chǎn)和降低成本。9.6.3優(yōu)先數(shù)系9.7.1工藝性有關(guān)工藝性的基本要求如下。（1）毛坯選擇合理（2）結(jié)構(gòu)簡單合理（3）規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙?.7機械零件的工藝性及標準化產(chǎn)品標準化本身包括三個方面的含義：①產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化——將同一類產(chǎn)品的主要參數(shù)、型式、尺寸、基本結(jié)構(gòu)等依次分檔，制成系列化產(chǎn)品，以較少的品種規(guī)格滿足用戶的廣泛需要；②零部件的通用化——將同一類型或不同類型產(chǎn)品中用途結(jié)構(gòu)相似的零部件（如螺栓、軸承座、聯(lián)軸器和減速器等），經(jīng)過統(tǒng)一后實現(xiàn)通用互換；9.7.2標準化③產(chǎn)品質(zhì)量標準化——產(chǎn)品質(zhì)量是一切企業(yè)的“生命線”，要保證產(chǎn)品質(zhì)量合格和穩(wěn)定，就必須做好設(shè)計、加工工藝、裝配檢驗，甚至包裝儲運等環(huán)節(jié)的標準化。這樣，才能在激烈的市場競爭中立于不敗之地。對產(chǎn)品實行標準化具有重大的意義：在制造上可以實行專業(yè)化大量生產(chǎn)，既可提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能降低成本；在設(shè)計方面可減少設(shè)計工作量；在管理維修方面，可減少庫存量和便于更換損壞的零件。為了增強在國際市場的競爭能力，我國鼓勵積極采用國際標準和國外先進標準。近年發(fā)布的我國國家標準，許多都采用了相應(yīng)的國際標準，設(shè)計人員必須熟悉現(xiàn)行的有關(guān)標準。一般機械設(shè)計手冊及機械工程手冊（以后簡稱手冊）中都收錄摘編了常用的標準和資料，以供查閱。第10章螺紋聯(lián)接螺紋的主要參數(shù)、類型、特點和應(yīng)用

10.1螺紋聯(lián)接的類型和螺紋緊固件

10.2螺紋聯(lián)接的預緊和防松10.3螺栓的強度計算10.4螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計10.5靜聯(lián)接又可分為可拆聯(lián)接和不可拆聯(lián)接兩大類，即10.1螺紋的主要參數(shù)、類型、特點和應(yīng)用10.1.1螺紋的主要參數(shù)10.1.2螺紋的類型、特點和應(yīng)用圖10-1螺紋的主要參數(shù)

圖10-2螺紋旋向與線數(shù)種類代號牙型圖特點應(yīng)用普通螺紋GB192～197—81M牙型角

為60°，自鎖性能好，螺牙抗剪強度高。螺紋副的小徑處有間隙，外螺紋牙根允許有較大的圓角，以減小應(yīng)力集中。同一直徑，按螺距大小不同分為粗牙和細牙。細牙的自鎖性能較好，螺紋強度削弱少，但易滑扣應(yīng)用最廣。一般聯(lián)接多用粗牙。細牙用于薄壁零件，也常用于受變載、振動及沖擊載荷的聯(lián)接，還可用于微調(diào)機機構(gòu)的調(diào)整管螺紋管聯(lián)接用細牙普通螺紋與普通細牙螺紋相同，不需專用量刃具，制造經(jīng)濟，靠零件端面和密封圈密封液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、潤滑附件和儀表等非螺紋密封的管螺紋GB7307—87G牙型角

=55°，公稱直徑近似為管子內(nèi)徑。內(nèi)、外螺紋公稱牙型間沒有間隙多用于壓力為1.568MPa以下、煤氣管路、潤滑和電線管路系統(tǒng)用螺紋密封的管螺紋GB7306—87R牙型角

=55°、公稱直徑近似為管子內(nèi)徑，螺紋分布在1:16的圓錐管壁上。內(nèi)、外螺紋公稱牙型間沒有間隙，不用填料而依靠螺紋牙的變形就可以保證聯(lián)接的緊密性用于高溫、高壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。適用于管子、管接頭、旋塞、閥門和其他螺紋管聯(lián)接的附件表10-1 螺紋的分類、特點和應(yīng)用種類代號牙型圖特點應(yīng)用管螺紋60°圓錐管螺紋GB/T12716—91NPT與55°圓錐管螺紋相似，但牙型角

=60°用于汽車、拖拉機、航空機械、機床等燃料、油、水、氣輸送系統(tǒng)的管聯(lián)接矩形螺紋牙型為正方形、牙厚為螺距的一半，傳動效率較其他螺紋高，但精確制造困難（為便于加工，可給出10°的牙型角），螺紋副磨損后的間隙難以補償或修復，對中精度低，牙根強度弱一般用于力的傳遞，如千斤頂小的壓力機等梯形螺紋GB5796.1～5796.4—86Tr牙型角

=30°，螺紋副的小徑和大徑處有相等的間隙。與矩形螺紋相比，效率略低，但工藝性好，牙根強度高，螺紋副對中性好，可以調(diào)整間隙（用剖分螺紋時）應(yīng)用較廣，用于傳動螺旋，常用于絲杠、刀架絲桿等鋸齒形螺紋GB/T13576—92B工作面的牙型斜角為3°，非工作面的牙型斜角為30°，綜合了矩形螺紋效率高和梯形螺紋牙強度高的特點用于單向受力的傳力螺旋，如軋鋼機的壓下螺旋、螺旋壓力機、水壓機、起重機的吊鉤等續(xù)表10.2螺紋聯(lián)接的類型和螺紋緊固件10.2.1螺紋聯(lián)接的主要類型螺紋聯(lián)接有四種基本類型，即螺栓聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接、螺釘聯(lián)接和緊定螺釘聯(lián)接。普通螺栓（或稱配聯(lián)接）鉸制孔聯(lián)接螺栓孔直徑d0普通螺栓d0=1.1d鉸制孔用螺栓的d0與d的對應(yīng)關(guān)系見下表類型結(jié)構(gòu)圖尺寸關(guān)系特點及其應(yīng)用螺栓聯(lián)接螺紋余量長度l1為靜載荷，l1≥(0.3～0.5)d；變載荷，l1≥0.75d。鉸制孔用螺栓的l1應(yīng)盡可能的小于螺紋伸出長度a=(0.2～0.3)d。螺紋軸線到邊緣的距離e=d+(3～6)mm被聯(lián)接件無需切制螺紋，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，應(yīng)用廣泛。通常用于被聯(lián)接件不太厚和便于加工通孔的場合。工作時，螺栓受軸向拉力，故亦常稱受拉螺栓聯(lián)接孔與螺栓桿之間沒有間隙。用螺栓桿承受橫向載荷或固定被聯(lián)接件的相互位置。工作時，螺栓一般受剪切力，故也常稱受剪螺栓聯(lián)接表10-2 螺紋聯(lián)接的基本類型、特點及應(yīng)用類型結(jié)構(gòu)圖尺寸關(guān)系特點及其應(yīng)用雙頭螺柱聯(lián)接螺紋擰入深度H鋼或青銅：H≈ｄ鑄鐵：H=(1.25～1.5)d鋁合金：H=(1.5～2.5)d螺紋孔深度H1=H+(2～2.5)ｐ鉆孔深度H2=H1+(0.5～1)dl1、a、e值同普通螺栓聯(lián)接情況螺柱的一端旋緊在一被聯(lián)接件的螺紋孔中，另一端則穿過另一被聯(lián)接件的孔。通常用于被聯(lián)接件之一不太厚、不便穿孔、結(jié)構(gòu)要求緊湊或經(jīng)常拆裝的場合螺釘聯(lián)接螺紋擰入深度H為鋼或青銅：H≈ｄ鑄鐵：H=(1.25～1.5)d鋁合金：H=(1.5～2.5)d螺紋孔深度H1=H+(2～2.5)ｐ鉆孔深度H2=H1+(0.5～1)dl1、a、e值同普通螺栓聯(lián)接情況不用螺母，它適用于被聯(lián)接件之一太厚且不經(jīng)常拆裝的場合緊定螺釘聯(lián)接d=(0.2～0.3)dｂ，當力和轉(zhuǎn)矩大時取較大值螺釘?shù)哪┒隧斪×慵谋砻婊蝽斎朐摿慵陌伎又?，將零件固定，它可以傳遞不大的載荷續(xù)表圖10-3吊環(huán)螺釘聯(lián)接

圖10-4地腳螺栓聯(lián)接

圖10-5T型槽螺栓聯(lián)接

10.2.2螺紋緊固件螺紋緊固件的品種很多，大都已標準化，它是一種商品性零件，根據(jù)使用要求合理選擇其規(guī)格、型號后即可外購。常用螺紋緊固件的結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用情況見表10-3。類型圖例結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用六角頭螺栓種類很多，應(yīng)用最廣，精度分為A、B、C三級，通用機械制造中多用C級（左圖）。螺栓桿部可制出一段螺紋或全螺紋，螺紋可用粗牙或細牙（A、B級）雙頭螺柱螺柱兩端都制有螺紋，兩端螺紋可相同或不同。螺柱可帶退刀槽或制成腰桿，也可制成全螺紋的螺柱。螺柱的一端常用于旋入鑄鐵或有色金屬的螺紋孔中，旋入后即不拆卸，另一端則用于安裝螺母以固定其他零件螺釘螺釘頭部形狀有圓頭、扁圓頭、六角頭、圓柱頭和沉頭等。頭部起子槽有一字槽、十字槽和內(nèi)六角孔等型式。十字槽螺釘頭部強度高、對中性好，便于自動裝配。內(nèi)六角孔螺釘能承受較大的扳手力矩，聯(lián)接強度高，可代替六角頭螺栓，用于要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合表10-3 常用標準螺紋緊固件緊定螺釘緊定螺釘?shù)哪┒诵螤睿Ｓ玫挠绣F端、平端和圓柱端。錐端適用于被緊定零件的表面硬度較低或不經(jīng)常拆卸的場合；平端接觸面積大，不傷零件表面，常用于頂緊硬度較大的平面或經(jīng)常拆卸的場合；圓柱端壓入軸上的凹坑中，適用于緊定空心軸上的零件位置自攻螺釘螺釘頭部形狀有圓頭、六角頭、圓柱頭和沉頭等。頭部起子槽有一字槽、十字槽等型式。末端形狀有錐端和平端等，多用于聯(lián)接金屬薄板、輕合金或塑料零件。在被聯(lián)接件上可不預先制出螺紋，在聯(lián)接時利用螺釘直接攻出螺紋六角螺母根據(jù)螺母厚度不同，分為標準的和薄的兩種。薄螺母常用于受剪力的螺栓上或空間尺寸受限制的場合。螺母的制造精度和螺栓相同，分為A、B、C三級，分別與相同級別的螺栓配用類型圖例結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用續(xù)表類型圖例結(jié)構(gòu)特點和應(yīng)用圓螺母圓螺母常與止退墊圈配用，裝配時將墊圈內(nèi)舌插入軸上的槽內(nèi)，而將墊圈的外舌嵌入圓螺母的槽內(nèi)，螺母即被鎖緊。常作為滾動軸承的軸向固定用墊圈墊圈是螺紋聯(lián)接中不可缺少的附件，常放置在螺母和被聯(lián)接件之間，起保護支承表面等作用。平墊圈按加工精度不同，分為A級和B級兩種。用于同一螺紋直徑的墊圈又分為特大、大、普大和小四種規(guī)格，特大墊圈主要在鐵木結(jié)構(gòu)上使用。斜墊圈只用于傾斜的支承面上續(xù)表10.2.3螺紋緊固件的材料及等級性能等級（標記）3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9抗拉強度極限

bmin/MPa33040042050052060080090010401220屈服極限

smin/MPa1902403403004204806407209401100硬度HBSmin90109113134140181232269312365推薦材料低碳鋼低碳鋼或中碳鋼中碳鋼，淬火并回火中碳鋼，低、中碳合金鋼，淬火并回火合金鋼合金鋼10Q21515Q23516Q235253515Q23545353545表10-4 螺栓的性能等級（摘自GB3098.1—82）性能等級（標記）456891012抗拉強度極限

bmin/MPa510(d=16～39)520(d=3～4，右同)60080090010401150推薦材料易切削鋼低碳鋼或中碳鋼中碳鋼，低、中碳合金鋼，淬火并回火相配螺栓的性能等級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 螺母的性能等級（摘自GB3098.2—82）10.3螺紋聯(lián)接的預緊和防松10.3.1預緊在實用中，絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都必須擰緊，使聯(lián)接在承受工作載荷之前，預先受到力的作用，這個預加的作用力稱為預緊力。預緊的目的是增強聯(lián)接的可靠性和緊密性，以防止受載后被聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移，對于受拉螺栓聯(lián)接，還可提高螺栓的疲勞強度，特別是對于像汽缸蓋、管路凸緣、齒輪箱軸承蓋等緊密性要求較高的螺紋聯(lián)接，頂緊更為重要。但過大的預緊力會導致整個聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸增大，也會使聯(lián)接件在裝配或偶然過載時被拉斷。因此，為了保證聯(lián)接所需要的預緊力，又不使聯(lián)接件過載，對重要的螺紋聯(lián)接，在裝配時要控制預緊力。一般規(guī)定，擰緊后螺紋聯(lián)接件的預緊力不得超過其材料屈服極限

s的80%。圖10-6測力矩和定力矩扳手10.3.2防松為了防止聯(lián)接松脫，保證聯(lián)接安全可靠，設(shè)計時必須采取有效的防松措施。防松的根本問題在于防止螺紋副的相對轉(zhuǎn)動。防松方法結(jié)構(gòu)形式特點和應(yīng)用對頂螺母用兩個螺母對頂著擰緊，使旋合螺紋間始終受到附加摩擦力的作用；結(jié)構(gòu)簡單，但聯(lián)接的高度尺寸和重量增大。適用于平穩(wěn)、低速運轉(zhuǎn)和重載的聯(lián)接彈簧墊圈擰緊螺母后彈簧墊圈被壓平，墊圈的彈性恢復力使螺紋副軸向壓緊，同時墊圈斜口的尖端抵住螺母與被聯(lián)接件的支承面，也有防松作用；結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便，廣泛用于一般的聯(lián)接尼龍圈鎖緊螺母尼龍圈鎖緊螺母是利用螺母末端的尼龍圈箍緊螺栓，橫向壓緊螺紋來防松；金屬鎖緊螺母是利用螺母末端橢圓口的彈性變形箍緊螺栓，橫向壓緊螺紋來防松；結(jié)構(gòu)簡單，防松可靠，可多次拆裝而不降低防松性能，適用于較重要防松螺母的聯(lián)接表10-6 螺紋聯(lián)接常用的防松方法直接鎖住開口銷和槽形螺母擰緊槽形螺母后，將開口銷插入螺栓尾部小孔和螺母的槽內(nèi)，再將銷口的尾部分開，使螺母鎖緊在螺栓上；適用于有較大沖擊、振動的高速機械中的聯(lián)接止動墊圈將墊圈套入螺栓，并使其下彎的外舌放入被聯(lián)接件的小槽中，再擰緊動螺母，最后將墊圈的另一邊向上彎，使之和螺母的一邊貼緊，此時墊片約束螺母而自身又約束在被聯(lián)接件上（螺栓應(yīng)另有約束）；結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，防松可靠串聯(lián)鋼絲用低碳鋼絲穿入各螺釘頭部的孔內(nèi)，將各螺釘串聯(lián)起來，使其相互約束，使用時必須注意鋼絲的穿入方向；適用于螺釘組聯(lián)接，防松可靠，但裝拆不方便防松方法結(jié)構(gòu)形式特點和應(yīng)用續(xù)表防松方法結(jié)構(gòu)形式特點和應(yīng)用破壞螺紋副運動關(guān)系沖點螺母擰緊后，在螺栓末端與螺母的旋合縫處沖點或焊接來防松；防松可靠，但拆卸后聯(lián)接不能重復使用，適用于不需拆卸的特殊聯(lián)接焊住粘合在旋合的螺紋間涂以粘接劑，使螺紋副緊密粘合；防松可靠，且有密封作用續(xù)表10.4螺栓的強度計算10.4.1普通螺栓聯(lián)接的強度計算1．松螺栓聯(lián)接圖10-7起重滑輪的松螺栓聯(lián)接設(shè)計公式為：2．緊螺栓聯(lián)接（1）受橫向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接圖10-8只受預緊力的緊螺栓聯(lián)接螺栓的強度條件為對于M10～M68的普通螺紋，

T≈0.5

，因此由此可見，扭切應(yīng)力對強度的影響在數(shù)學式上表現(xiàn)為將軸向拉應(yīng)力增大30%，即設(shè)計公式為（2）受軸向工作載荷的緊螺栓聯(lián)接聯(lián)接性質(zhì)殘余預緊力F"的推薦值緊固聯(lián)接F無變化(0.2～0.6)FF有變化(0.6～1.0)F緊密聯(lián)接(1.5～1.8)F地腳螺栓聯(lián)接≥F表10-7 殘余預緊力F"的推薦值螺栓的強度校核與設(shè)計計算式分別為10.4.2受剪螺栓聯(lián)接的強度計算圖10-10受剪螺栓聯(lián)接

1、2—被聯(lián)接件；3—螺桿受壓面；4—受剪面螺桿的剪切強度條件為螺桿與孔壁的擠壓強度條件為許用拉應(yīng)力許用切應(yīng)力許用擠壓應(yīng)力類型許用應(yīng)力相關(guān)因素安全系數(shù)普通螺栓聯(lián)接(受拉)松聯(lián)接[S]=1.2～1.7緊聯(lián)接控制預緊力測力矩或定力矩扳手[S]=1.6～2測量螺栓伸長量[S]=1.3～1.5不控制預緊力碳素鋼合金鋼鉸制孔用螺栓聯(lián)接（受剪及受擠）鑄鐵

min=b螺栓材料鋼[Ss]=2.5螺栓或孔壁材料鋼

lim=s[Sp]=1～2.5（孔壁

s可查手冊）[Sp]=1.25（

p可查手冊）表10-8 一般機械用螺栓聯(lián)接在靜載荷下的許用應(yīng)力與安全系數(shù)10.5螺栓聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計10.5.1螺栓組的布置螺栓組的布置應(yīng)考慮如下幾個問題。①聯(lián)接接合面形狀應(yīng)和機器的結(jié)構(gòu)形狀相適應(yīng)。通常將接合面設(shè)計成對稱的簡單幾何形狀（見圖10-12），便于加工被聯(lián)接件和對稱布置螺栓。圖10-12螺栓組聯(lián)接接合面常用形狀

②螺栓的布置應(yīng)使螺栓受力合理。當螺栓組承受轉(zhuǎn)矩T時，應(yīng)使螺栓組的對稱中心和接合面的形心重合［見圖10-13(a)］；當螺栓組承受彎矩M時，應(yīng)使螺栓組的對稱軸與接合面中性軸重合[見圖10-13(b)］，并要求各螺栓盡可能遠離形心和中性軸，以充分利用各個螺栓的承載能力。如果聯(lián)接在受到軸向載荷的同時，還受到較大的橫向載荷，則可采用套、銷、鍵等零件來分擔橫向載荷（見圖10-14），以減小螺栓的預緊力和結(jié)構(gòu)尺寸。圖10-13接合面受彎矩或轉(zhuǎn)矩時螺栓的布置圖10-14減載裝置③螺栓排列應(yīng)有合理的間距。布置螺栓時，各螺栓間以及螺栓和箱體壁間，應(yīng)留有扳手操作空間。扳手空間的尺寸（見圖10-15）可查閱手冊。壓力容器上的各螺栓軸線的間距可由表10-9中選取。圖10-15扳手空間④分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)便于在圓周上分度劃線。在同一螺栓組中，螺栓的材料、直徑和長度均應(yīng)相同。10.5.2提高螺栓強度的措施1．減少應(yīng)力集中的影響2．降低載荷變化量3．避免附加彎曲應(yīng)力圖10-16減小應(yīng)力集中的方法

圖10-17減低載荷變化量的方法

圖10-18螺栓的附加應(yīng)力圖10-19減小或避免彎曲應(yīng)力的措施第11章齒輪傳動齒輪的失效形式及計算準則11.1齒輪材料及熱處理11.2齒輪傳動的精度11.3直齒圓柱齒輪傳動的受力分析及計算載荷11.4直齒圓柱齒輪傳動的強度計算11.5斜齒圓柱齒輪傳動11.7直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計計算準則及主要設(shè)計參數(shù)的選擇11.6直齒錐齒輪傳動11.9斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析及強度計算

11.8圓弧齒輪傳動簡介11.11齒輪傳動的維護與修復11.12齒輪結(jié)構(gòu)11.1011.1齒輪的失效形式及計算準則11.1.1齒輪的失效形式齒輪的失效主要是指輪齒的失效，常見的失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合和輪齒塑性變形。1．輪齒折斷輪齒折斷一般發(fā)生在齒根部分。圖11-1齒輪的失效形式2．齒面點蝕齒面點蝕一般發(fā)生在軟齒面閉式齒輪傳動中。3．齒面磨損4．齒面膠合5．輪齒塑性變形圖11-2輪齒的塑性變形圖11-3輪齒失效實例對一般齒輪傳動，目前廣泛采用的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度兩種計算方法足以確定其承載能力。11.1.2齒輪傳動的設(shè)計計算準則軟齒面（HBS≤350）閉式齒輪傳動一般以齒面點蝕而失效，故通常先按接觸疲勞強度設(shè)計幾何尺寸，然后用彎曲疲勞強度驗算其承載能力；硬齒面（HBS＞350）閉式齒輪傳動一般以齒根折斷而失效，故通常先按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計幾何尺寸，然后用齒面接觸疲勞強度驗算其承載能力。對于開式齒輪傳動，一般以齒根折斷和齒面磨損而失效，但目前尚無完善的磨損計算方法，故僅以齒根彎曲疲勞強度設(shè)計幾何尺寸或驗算其承載能力，并在設(shè)計計算時用適當將模數(shù)加大10%～15%的辦法來考慮磨損因素的影響，不需要進行接觸強度驗算。11.2.1齒輪材料制造齒輪常用材料主要是鍛鋼和鑄鋼，其次是鑄鐵，特殊情況下也可用有色金屬和非金屬材料。11.2齒輪材料及熱處理從齒面硬度和制造工藝來分，可把鋼制齒輪分為軟齒面（齒面硬度HBS≤350）和硬齒面（齒面硬度HBS>350）兩類。1．鍛鋼軟齒面輪齒是熱處理（調(diào)質(zhì)或正火）以后進行精加工（切削加工）。硬齒面輪齒是在精加工后進行最終熱處理的，其熱處理方法常為滲碳淬火、表面淬火等。2．鑄鋼3．鑄鐵4．非金屬材料1．表面淬火2．滲碳淬火3．氮化4．調(diào)質(zhì)5．正火11.2.2齒輪的熱處理11.3.1選擇齒輪精度的基本要求1．傳遞運動準確性要求2．工作平穩(wěn)性要求3．載荷分布均勻性要求4．齒側(cè)間隙要求11.3齒輪傳動的精度我國頒布的漸開線圓柱齒輪精度國家標準中對齒輪和齒輪傳動規(guī)定了12個精度等級。精度由高到低的順序依次用數(shù)字1、2、3、…、12表示。11.3.2漸開線圓柱齒輪精度國標簡介對傳動性能的主要影響分別為：Ⅰ——傳遞運動的準確性；Ⅱ——傳動的平穩(wěn)性；Ⅲ——載荷分布的均勻性。常用的精度等級是5、6、7、8級。這幾級精度齒輪傳動的應(yīng)用范圍見表11-3。精度等級圓周速度m/s應(yīng)用范圍效率直齒斜齒5級>15>30精密的分度機構(gòu)用齒輪；用于高速、并對傳動平穩(wěn)性和噪聲有較高要求的齒輪；高速汽輪機用齒輪；８級或９級精度齒輪的標準齒輪99%以上6級≤15≤30用于在高速下平穩(wěn)地回轉(zhuǎn)、并要求有最高的效率和低噪聲的齒輪；分度機構(gòu)用齒輪；特別重要的飛機齒輪99%以上7級≤10≤20用于在高速、載荷小或反轉(zhuǎn)的齒輪；機床的進給齒輪；中速減速齒輪；飛機用齒輪99%以上8級≤6≤12對精度沒有特別要求的一般機械用齒輪；機床齒輪（分度機構(gòu)除外）；普通減速箱齒輪；特別不重要的飛機、汽車、拖拉機用齒輪99%以上表11-3 常用圓柱齒輪傳動的精度等級及其應(yīng)用范圍11.4.1受力分析11.4直齒圓柱齒輪傳動的受力分析及計算載荷圖11-4直齒圓柱齒輪傳動11.4.2計算載荷①使用系數(shù)KA

工作機原動機均勻平穩(wěn)（如電動機、汽輪機）輕微振動（如多缸內(nèi)燃機）中等振動（如單缸內(nèi)燃機）均勻平穩(wěn)（如發(fā)電機、帶式傳動機、板式傳動機、螺旋輸送機、輕型升降機、電葫蘆、機床進給機構(gòu)、通風機、透平鼓風機、透平壓縮機、均勻密度材料攪拌機）1.001.251.50中等振動（如機床主傳動、重型升降機、起重機回轉(zhuǎn)機構(gòu)、礦山通風機、非均勻密度材料攪拌機、多缸柱塞泵、進料泵）1.251.501.75嚴重沖擊（如沖床、剪床、橡膠壓軋機、軋機、挖掘機、重型離心機、重型進料泵、旋轉(zhuǎn)鉆機、壓坯機、挖泥機）≥1.75≥2.00≥2.25表11-4 使用系數(shù)KA②動載系數(shù)Kv③齒間載荷分配系數(shù)K

④齒向載荷分布系K

圖11-5動載系數(shù)Kv圖11-6齒間載荷分配系數(shù)Ka圖11-7齒向載荷分布系數(shù)K

11.5直齒圓柱齒輪傳動的強度計算小齒輪材料大齒輪材料鋼鑄鋼球墨鑄鐵灰鑄鐵鋼鑄鐵球墨鑄鐵灰鑄鐵189.8———188.9188.0——181.4180.5173.9—162.0161.4156.6143.7表11-5 材料彈性系數(shù)ZE 圖11-8節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH(

=20°)通常假設(shè)全部載荷作用在只有一對輪齒嚙合時的齒頂，并把輪齒看作是懸臂梁，則輪齒根部為危險截面，應(yīng)用材料力學方法，可得齒根彎曲疲勞強度校核公式11.5.2輪齒彎曲疲勞強度計算將，d1=mz1代入上式，得彎曲疲勞強度設(shè)計公式圖11-9外齒輪復合齒形系數(shù)YFS ——重合度系數(shù)，考慮重合度對彎曲應(yīng)力的影響而引入的系數(shù)。其值可按下式計算1．許用接觸應(yīng)力[]11.5.3許用應(yīng)力圖11-10齒輪的接觸疲勞極限

Hlim失效概率

（按使用要求提出）SH、SF≤1/10000（高可靠性）≤1/1000（較高可靠性）≤1/100（一般可靠性）≤1/10（低可靠性）國1.5國國1.25國國1國國0.85國表11-6 最小安全系數(shù)SH、SF2．許用彎曲應(yīng)力圖11-11齒輪的彎曲疲勞極限

Flim11.6.1設(shè)計計算順序1．閉式傳動對軟齒面（配對齒輪或其中一個齒輪的齒面硬度為HBS≤350）的閉式齒輪傳動，通常主要失效形式是齒面疲勞點蝕，其次是輪齒折斷。因而先按齒面接觸疲勞強度條件進行設(shè)計，求出齒輪直徑和齒寬后，確定齒數(shù)與模數(shù)，然后校核齒根彎曲疲勞強度。11.6直齒圓柱齒輪傳動設(shè)計計算準則及主要設(shè)計參數(shù)的選擇對硬齒面（配對齒輪的齒面硬度均為HBS>350）的閉式齒輪傳動，通常主要失效形式是輪齒折斷，其次是齒面疲勞點蝕。因而先按齒根彎曲疲勞強度條件進行設(shè)計，求出模數(shù)后，確定齒輪直徑與中心距。對開式傳動齒輪來說，主要失效形式是齒面磨損和輪齒折斷，目前尚無可靠和通用的計算方法。一般仍按齒根彎曲疲勞強度條件進行設(shè)計，求出模數(shù)，并考慮磨損影響，把求得的模數(shù)加大10%～15%。2．開式傳動1．精度等級2．齒數(shù)z1和模數(shù)m11.6.2主要設(shè)計參數(shù)的選擇軟齒面閉式傳動的承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強度，故齒數(shù)宜選多些，模數(shù)宜選小些，從而提高傳動的平穩(wěn)性并減少輪齒的加工量。推薦取z1=24～40。硬齒面閉式傳動及開式傳動的承載能力主要取決于齒根彎曲疲勞強度，故模數(shù)宜選大些，齒數(shù)宜選少些，從而控制齒輪傳動尺寸不必要的增加。推薦取z1=17～24。傳遞動力的齒輪，模數(shù)不應(yīng)小于2mm。輪齒越寬，承載能力越高，故輪齒不宜過窄，齒寬系數(shù)應(yīng)取得適當。3．齒寬系數(shù)

d和齒寬b

齒輪相對于軸承位置對稱布置非對稱布置懸臂布置

d0.9～1.40.7～1.150.4～0.6表11-7 圓柱齒輪的齒寬系數(shù)

d為防止兩齒輪因裝配引起的軸向錯位而導致嚙合齒寬減小，常取b2=

dd1，而b1=b2+(5～10)mm。一般對于直齒圓柱齒輪傳動，u≤5；斜齒圓柱齒輪傳動，u可取6～7。對于開式傳動或手動傳動，必要時單級傳動的u可取8～12。4．齒數(shù)比u11.7.1齒廓曲面的形成和嚙合特點當與基圓柱相切的發(fā)生面沿基圓柱作純滾動時，發(fā)生面上與齒輪軸線相平行的直線KK所展成的漸開線曲面，形成了直齒輪的齒廓曲面。11.7斜齒圓柱齒輪傳動斜齒輪的齒廓曲面形成與直齒輪的齒廓曲面形成相似，只是直線KK不再與齒輪的軸線平行，而與它成一交角

b。除了嚙合開始和終止瞬時外，其余每一瞬時接觸線也是直線，但均不與軸線平行，且接觸線長度有變化，由零逐漸增加到最大值，然后又由最大值逐漸減小到零，所以斜齒輪所受力不具有突加性。圖11-16圓柱齒輪齒面接觸線斜齒輪傳動的一對輪齒嚙合過程長、重合度大，且受力不具有突加性，故斜齒輪傳動較直齒輪傳動平穩(wěn)，承載能力高。1．螺旋角

一般機械推薦=8°～25°，而對于噪聲有特殊要求的齒輪，還要大一些。如小轎車齒輪，可取=35°～37°。11.7.2斜齒圓柱齒輪的基本參數(shù)、正確嚙合條件和幾何尺寸計算（1）齒距與模數(shù)2．端面參數(shù)和法面參數(shù)的關(guān)系圖11-17斜齒圓柱齒輪的展開圖（2）壓力角3．外嚙合斜齒輪的正確嚙合條件圖11-18斜齒輪法面和端面壓力角的關(guān)系

圖11-19左、右旋斜齒輪嚙合

4．幾何尺寸計算mt

t=arctand1=mt

z1=，d2=mtz2=名稱代號計算公式備注端面模數(shù)mt

（mt為法面模數(shù)）mn由強度計算決定，并為標準值端面壓力角

t

n為標準值螺旋角

一般取

=8°～25°分度圓直徑d1，d2齒頂高haha=ha*mn=mnha*為標準值齒根高hfhf=(ha*+cn*)mn=1.25mncn*為標準值齒全高hh=ha+hf=2.25mn頂隙cc=hf?ha=0.25mn齒頂圓直徑da1，da2da1=d1+2mnda2=d2+2mn齒根圓直徑df1，df2df1=d1?2.5mndf2=d2?2.5mn中心距a表11-8 外嚙合標準斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸11.7.3斜齒輪傳動的重合度11.7.4斜齒輪的當量齒數(shù)圖11-21斜齒輪的當量齒輪11.8.1受力分析11.8斜齒圓柱齒輪傳動的受力分析及強度計算圖11-22斜齒輪受力分析圖11-23主動輪左右手法則1．齒面接觸強度計算11.8.2強度計算2．齒根彎曲強度計算11.9直齒錐齒輪傳動圖11-24圓錐齒輪傳動錐齒輪按其輪齒齒長形狀可分為直齒、斜齒、圓弧齒等幾種。

標準錐齒輪不產(chǎn)生切齒干涉的最少齒數(shù)應(yīng)為11.9.1直齒錐齒輪的當量齒數(shù)zv圖11-25當量圓柱齒輪一對軸交角Σ=90°的標準直齒錐齒輪傳動，如圖11-26所示，直齒錐齒輪的幾何尺寸計算都以大端為基準，故大端模數(shù)為標準模數(shù)。頂錐角

a=

+

a。11.9.2直齒錐齒輪的幾何尺寸計算圖11-26直齒圓錐齒輪的幾何尺寸

圖11-27等頂隙收縮齒11.9.3受力分析圖11-28直齒圓錐齒輪受力分析

圖11-29主、從動輪受力分析1．接觸強度計算驗算公式11.9.4直齒錐齒輪傳動的強度計算設(shè)計公式驗算公式2．彎曲強度計算設(shè)計公式齒輪的結(jié)構(gòu)類型主要由毛坯材料、幾何尺寸、加工工藝、生產(chǎn)批量、經(jīng)濟等因素確定。按照毛坯制造方法的不同，齒輪結(jié)構(gòu)可以分為鍛造齒輪、鑄造齒輪、裝配式齒輪和焊接齒輪等。11.10齒輪結(jié)構(gòu)1．鍛造齒輪圖11-30齒輪軸

圖11-31實體式齒輪圖11-32鍛造齒輪結(jié)構(gòu)——腹板式2．鑄造齒輪圖11-33鑄造齒輪結(jié)構(gòu)——輪輻式圖11-34鑄造錐齒輪結(jié)構(gòu)——腹板式

為適應(yīng)齒輪傳動向高速、重載、結(jié)構(gòu)緊湊方向發(fā)展的要求，近年來，在冶金、礦山和重型運輸機械中廣泛采用圓弧齒輪傳動（見圖11-35）。11.11圓弧齒輪傳動簡介圖11-35圓弧齒輪傳動

雙圓弧齒輪傳動要比單圓弧齒輪傳動的重合度大且承載能力也更高，故雙圓弧齒輪比單圓弧齒輪更有發(fā)展前途，目前我國正在積極研究開發(fā)這種新型齒輪。圖11-38雙圓弧齒輪傳動的嚙合示意圖

11.12.1齒輪傳動的潤滑齒輪在嚙合傳動時會產(chǎn)生摩擦和磨損，造成動力損耗，使傳動效率降低。因此，齒輪傳動，特別是高速重載齒輪傳動的潤滑非常必要。良好的潤滑可以減少齒輪傳動的磨損、降低噪聲、散熱和防銹蝕。11.12齒輪傳動的維護與修復齒輪傳動的潤滑方式主要由齒輪圓周速度和具體工況要求確定。閉式齒輪傳動中，當齒輪的圓周速度v<10m/s時，通常采用大齒浸油潤滑。1．齒輪傳動的潤滑方式運轉(zhuǎn)時，大齒輪將油帶入嚙合齒面進行潤滑，同時將油甩到箱壁上散熱；當v≥10m/s時，通常采用噴油潤滑，即以一定的壓力將油噴射到輪齒的嚙合齒面進行潤滑并散熱。對速度較低的齒輪傳動或開式傳動，可采用人工定期潤滑。齒輪潤滑油的選擇由齒輪的類型、工況、載荷、速度和溫升等條件決定。2．齒輪潤滑油的選擇①使用齒輪傳動時，在起動、加載、換擋及制動的過程中應(yīng)力求平穩(wěn)，避免產(chǎn)生沖擊載荷，以防止引起斷齒等故障。②經(jīng)常檢查潤滑系統(tǒng)的狀況，如潤滑油量、供油狀況、潤滑油質(zhì)量等，按照使用規(guī)則定期更換或補充規(guī)定牌號的潤滑油。11.12.2齒輪傳動的維護③注意監(jiān)視齒輪傳動的工作狀況，如有無不正常的聲音或箱體過熱現(xiàn)象。潤滑不良和裝配不合要求是齒輪失效的重要原因。聲響監(jiān)測和定期檢查是發(fā)現(xiàn)齒輪損傷的主要方法。1．堆焊補齒法2．鑲齒法3．變位切削法11.12.3齒輪的修復圖11-39鑲齒輪法第12章蝸桿傳動蝸桿傳動的類型和特點

12.1普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸12.2蝸桿傳動的失效形式、設(shè)計準則和材料選擇

12.3蝸桿傳動的受力分析12.4蝸桿傳動的強度計算12.5蝸桿傳動的安裝與維護12.7蝸桿傳動的效率及熱平衡計算

12.612.1蝸桿傳動的類型和特點蝸桿傳動由蝸桿、蝸輪和機架組成（如圖12-1所示），用于傳遞空間兩交錯軸間的運動和動力。圖12-1蝸桿傳動常用蝸桿傳動類型如下：12.1.1蝸桿傳動的類型1．圓柱蝸桿傳動（1）普通圓柱蝸桿傳動①阿基米德圓柱蝸桿（ZA型）②漸開線圓柱蝸桿（ZI型）③法向直廓圓柱蝸桿（ZN型）（2）圓弧圓柱蝸桿傳動（ZC型）圖12-2阿基米德圓柱蝸桿圖12-3漸開線圓柱蝸桿圖12-4法向直廓圓柱蝸桿2．環(huán)面蝸桿傳動3．錐蝸桿傳動圖12-5錐面包絡(luò)圓柱蝸桿圖12-6圓弧圓柱蝸桿圖12-7環(huán)面蝸桿傳動圖12-8錐蝸桿傳動與其他傳動相比，蝸桿傳動有以下特點。①傳動比大。一般動力傳動中，i=10～80；在分度機構(gòu)或手動機構(gòu)中，i可達300，若主要是傳遞運動，i可達1000。②工作平穩(wěn)。由于蝸桿齒為連續(xù)不斷的螺旋齒，故傳動平穩(wěn)，噪音小。12.1.2蝸桿傳動的特點③可以實現(xiàn)自幀。在蝸桿傳動中，蝸桿猶如螺桿，蝸桿傳動作用力關(guān)系也和螺旋傳動一樣，故蝸桿導程角小于蝸桿副的當量摩擦角時，蝸桿傳動就具有自鎖性。④效率較低。由于蝸桿與蝸輪齒面間相對滑動速度很大，摩擦與磨損嚴重，故蝸桿傳動效率低。一般為

=0.7～0.9，自鎖時

<0.5。因此，在連續(xù)工作的閉式傳動中，應(yīng)具有良好的潤滑和散熱條件。⑤蝸輪材料較貴。為了減磨和抗膠合，蝸輪材料常選用青銅合金制造，成本較高。⑥不能實現(xiàn)互換。由于蝸輪是用與其匹配的蝸桿滾刀加工的，因此，僅模數(shù)和壓力角相同的蝸桿與蝸輪是不能任意互換的。蝸桿傳動適用于傳動比大、傳遞功率不大且不作長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的場合。由于普通圓柱蝸桿容易制造且在各種機械中得到廣泛應(yīng)用，故本章僅討論普通圓柱蝸桿傳動。12.2.1普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)1．模數(shù)m和壓力角

mx1=mt2=m x1=t2=12.2普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸圖12-9普通圓柱蝸桿傳動的嚙合當用滾刀切制蝸輪時，為了減少滾刀的數(shù)量，國家標準對每個模數(shù)規(guī)定了幾種蝸桿分度圓直徑d1（見表12-1），且

d1=mq

2．蝸桿分度圓直徑d1S=z1px3．蝸桿導程角

和蝸輪螺旋角

圖12-10蝸桿分度圓上導程角

4．傳動比i、蝸桿頭數(shù)zl和蝸輪齒數(shù)z2蝸桿傳動參數(shù)和尺寸計算以中間平面為基準（見圖12-9），計算公式見表12-3。蝸桿傳動推薦用的系列值及參數(shù)匹配見表12-4。12.2.2普通圓柱蝸桿傳動的幾何尺寸計算1．蝸桿的結(jié)構(gòu)2．蝸輪的結(jié)構(gòu)12.2.3蝸桿、蝸輪的結(jié)構(gòu)圖12-11蝸桿軸結(jié)

構(gòu)

形

式特

點（a）整體式當直徑小于100mm時，可以用青銅鑄成整體；當滑動速度v1≤2m/s時，可用鑄鐵鑄成整體（b）輪箍式青銅輪緣與鑄鐵輪心通常采用配合，并加臺肩和螺釘固定，螺釘數(shù)為6～12（c）螺栓聯(lián)接式以光制螺栓聯(lián)接，螺栓孔要同時鉸制其配合