【文章內(nèi)容簡介】 m）；Z聯(lián)接螺栓數(shù)；m接合面數(shù)；[τ]螺栓的許用剪切應(yīng)力（MPa）；查教材表9—6。[σp]螺栓桿或孔壁中的低強(qiáng)度材料的許用擠壓用力（MPa）；（查表教材9—6）h螺栓桿與孔壁間的最小高度。三、受軸向外載荷的緊螺栓聯(lián)接這種承載形式在緊螺栓聯(lián)接中比較常見，圖933所示的汽缸與汽缸蓋螺栓組聯(lián)接就是這種聯(lián)接的典型例子。在這種聯(lián)接中，螺栓實(shí)際承受的總拉力Fo并不等于預(yù)緊力和軸向工作載荷F之和。結(jié)合圖934分析如下：壓力容器中壓強(qiáng)P對每個(gè)螺栓產(chǎn)生的軸向工作載荷為：F=p(лD2/4)/Z式中：Z為聯(lián)接螺栓個(gè)數(shù)。p為氣缸內(nèi)的壓強(qiáng)Mpa。未擰緊未受工作載荷時(shí)螺栓情況：如上圖預(yù)緊前；擰緊后未受工作載荷時(shí)螺栓受預(yù)緊力F0作用：如上圖的預(yù)緊。擰緊后受工作載荷時(shí)螺栓受到總拉力FΣ作用： FΣ=F+ F0/此時(shí)，由于螺栓受工作載荷F的作用，伸長量又增加了δ2，被聯(lián)接件間隨螺栓伸長而被放松了δ2，故其壓緊力由F0減小到F039。，被聯(lián)接件作用與螺栓的反作用力也應(yīng)為F039。， F039。稱為剩余預(yù)緊力。剩余預(yù)緊力F039。值可參照教材表93選取。選取了F039。后，用FΣ=F+ F0/計(jì)算出螺栓的總拉力FΣ的值。然后代入下式：強(qiáng)度計(jì)算為：.設(shè)計(jì)公式為： 根據(jù)受工作載荷F的伸長量與被聯(lián)接件回彈變形量相等的關(guān)系，可導(dǎo)出預(yù)緊力F0與剩余預(yù)緊力F0/的關(guān)系為：F0= F0/+(1—Kc)F。 式中：Kc=C1/(C1+C2)，Kc稱相對剛度系數(shù)見教材表9—4；C1為螺栓剛度；C2為被聯(lián)接件剛度。FΣ=F+ F0/=F0+ C1F/(C1+C2)。由上式可知，當(dāng)螺栓受軸向工作載荷由0至F之間變化時(shí)，螺栓中總的拉力的變化范圍是F0～FΣ。167。9—5 螺紋聯(lián)接件的材料和許用應(yīng)力一、螺紋聯(lián)接件的材料螺栓的常用材料有低碳鋼Q2110號鋼和中碳鋼Q2335和45鋼等，重要和有特殊要求的場合可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi和15MnVB等機(jī)械性能較高的合金鋼。有防蝕或?qū)щ娨髸r(shí)，也可采用銅及其合金以及其它有色金屬。近年來還發(fā)展了高強(qiáng)度塑料螺栓和螺母。常用螺栓材料的機(jī)械性能見教材表9—5。表9—5　螺栓的常用材料及其機(jī)械性能鋼　號強(qiáng)度極限sB/MPa屈服極限sS /MPa鋼　號強(qiáng)度極限sB/MPa屈服極限sS /MPa10340～42021035540320Q215340～42022045650360Q235410～47024040Cr340～420650～900二、螺紋聯(lián)接的許用應(yīng)力和安全系數(shù)螺栓的許用應(yīng)力及安全系數(shù)見教材表9—6和表9—7。由表9—6可知，不控制預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接中，安全系數(shù)S的選擇與螺栓直徑d有關(guān)，d越小，S越大，許用應(yīng)力[s]也就越低。這是因?yàn)?，如果不控制預(yù)緊力，螺栓直徑越小，擰緊時(shí)螺桿因過載而損壞的可能性就越大。在設(shè)計(jì)時(shí)，因d未知，而S的選擇與d有關(guān)，因此要用試算法，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先假定一個(gè)螺栓直徑，再根據(jù)這個(gè)直徑查取S，然后根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算出d1值，若d1的計(jì)算值與所假定的直徑相對應(yīng)，則可將假定值作為設(shè)計(jì)結(jié)果，否則必須重算。例題9—2見教材219頁。（略）167。9—6 提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度主要取決于螺栓的強(qiáng)度。影響螺栓強(qiáng)度的因素很多，有結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)、裝配工藝、材料、制造精度等級等。以下就幾個(gè)主要方面作一介紹。一、提高螺栓的疲勞強(qiáng)度理論和實(shí)踐證明，變載荷工作時(shí)，在工作載荷和殘余預(yù)緊力不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被聯(lián)接件剛度都能達(dá)到提高螺栓疲勞強(qiáng)度的目的，但應(yīng)適當(dāng)增大預(yù)緊力，以保證聯(lián)接的密封性。減小螺栓剛度的常用措施有：適當(dāng)增加螺栓的長度、減小螺栓桿直徑（教材圖936）或做成中空的結(jié)構(gòu)（教材圖936）——柔性螺栓。柔性螺栓受力時(shí)變形大，吸收能量作用強(qiáng)，也適于承受沖擊和振動(dòng)。在螺母下面安裝彈性元件（教材圖937），當(dāng)工作載荷由被聯(lián)接件傳來時(shí)，由于彈性元件的較大變形，也能起到柔性螺栓的效果。為了增大被聯(lián)接件的剛度，不宜采用剛度小的墊片。教材圖938b所示的緊密聯(lián)接就以用密封環(huán)為佳。二、改善螺紋牙間的載荷分布采用普通螺母時(shí)，軸向載荷在旋合螺紋各圈之間的分布是不均勻的，如教材圖939所示，從螺母支承面算起，第一圈受載最大，以后各圈遞減。理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，旋合圈數(shù)越多，載荷分布不均的程度就越顯著，第8～10圈以后的螺紋幾乎不受載荷。所以，采用圈數(shù)多的厚螺母，并不能提高聯(lián)接強(qiáng)度。若采用圖941的懸置（受拉）螺母，則螺母錐形懸置段與螺栓桿均為拉伸變形，有助于減少螺母和螺栓桿的螺距變化差，從而使載荷分布比較均勻。三、減輕應(yīng)力集中螺紋的牙根和收尾、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應(yīng)力集中，是產(chǎn)生斷裂的危險(xiǎn)部位；特別是在旋合螺紋的牙根處，由于栓桿拉伸，牙受彎剪，而且受力不均，情況更為嚴(yán)重。適當(dāng)加大牙根圓角半徑以減輕應(yīng)力集中，可提高螺栓疲勞強(qiáng)度達(dá)20%～40%；在螺紋收尾處用退刀槽、在螺母承壓面以內(nèi)的栓桿有余留螺紋等，都有良好效果。航空、航天器螺栓采用新發(fā)展的MJ螺栓，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是牙根圓角半徑增大。高強(qiáng)度鋼螺栓對應(yīng)力集中敏感，但由于可用更大的預(yù)緊力擰緊和更高的極限強(qiáng)度，結(jié)果還是有利的。四、采用合理的制造工藝制造工藝對螺栓疲勞強(qiáng)度有很大影響。采用碾制螺紋時(shí)，由于冷作硬化的作用，表層有殘余壓應(yīng)力，金屬流線合理，螺栓疲勞強(qiáng)度可比車制螺紋高30%～40%；熱處理后再滾壓的效果更好。另外，碳氮共滲、滲氮、噴丸處理都能提高螺栓疲勞強(qiáng)度。167。9—7 螺 旋 傳 動(dòng)螺旋傳動(dòng)由螺桿、螺母和機(jī)架組成，主要用于把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。其應(yīng)用廣泛，如螺旋千斤頂、螺旋絲杠、螺旋壓力機(jī)等。一、螺旋傳動(dòng)的類型與特點(diǎn)根據(jù)用途，螺旋傳動(dòng)可分為三種類型：（1）傳力螺旋 以傳遞動(dòng)力為主，要求用較小的力矩轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿（或螺母）而使螺母（或螺桿）產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)和較大的軸向力，這個(gè)力可以用來完成起重和加壓等工作，如螺旋千斤頂和螺旋壓力機(jī)等。（2）傳導(dǎo)螺旋 以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并要求有較高的運(yùn)動(dòng)精度，速度較高且能較長時(shí)間連續(xù)工作，如機(jī)床進(jìn)的給螺旋機(jī)構(gòu)。（3）調(diào)整螺旋 用于調(diào)整并固定零、部件之間的相互位置，如機(jī)床卡盤，壓力機(jī)的調(diào)整螺旋。調(diào)整螺旋不經(jīng)常轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)螺旋副的摩擦情況，可分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋?；瑒?dòng)螺旋結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、易于自鎖，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無噪聲，所以應(yīng)用最廣。它的缺點(diǎn)是工作時(shí)滑動(dòng)摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低（一般為30%～40%），螺紋表面磨損快，傳動(dòng)精度低，低速時(shí)有爬行現(xiàn)象。滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋的摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造困難，成本高，加工不方便，只有在高精度、高效率的機(jī)械中才宜采用。本節(jié)主要介紹滑動(dòng)螺旋。*二、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算1. 滑動(dòng)螺旋的常用材料螺桿和螺母的材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、耐磨性和良好的加工性。不經(jīng)熱處理的螺桿一般可采用Q25Y40Mn、450鋼，重要的需熱處理的螺桿可采用65Mn、40Cr或20CrMnTi鋼，精密傳動(dòng)螺桿可用9MnV、CrWMn、38CrMoAl鋼等。螺母常用的材料有鑄錫青銅ZCuSn10PZCuSn5Pb5Zn5；重載低速時(shí)用高強(qiáng)度鑄造鋁青銅ZCuAl10Fe3或鑄造黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3；重載時(shí)可用35鋼或球墨鑄鐵；低速輕載時(shí)也可用耐磨鑄鐵。尺寸大的螺母可用鋼或鑄鐵作外套，內(nèi)部澆鑄青銅，高速螺母可澆鑄錫銻或鉛銻軸承合金（即巴氏合金）。2. 螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 螺紋副耐磨性計(jì)算磨損多發(fā)生在螺母上。由于影響磨損的因素很多，目前還沒有完善的計(jì)算方法，所以通常采用限制螺紋副壓強(qiáng)p作為防止螺紋過度磨損的的條件性計(jì)算。為方便分析，把一圈螺紋牙展直（圖937），這樣螺紋牙相當(dāng)于一根懸臂梁，則驗(yàn)算公式為: 根據(jù)耐磨性條件可得螺桿中徑為：對于矩形螺紋對于鋸齒形螺紋（2）螺母螺紋牙的強(qiáng)度計(jì)算一般螺母材料強(qiáng)度低于螺桿?！嗦菁y牙受剪和彎曲均在螺母上。將螺母一圈螺紋沿螺紋大徑處展開（將前面圖中）如圖950，即可視為一懸壁梁，每圈螺紋承受的平均壓力FQ/z作用在中徑D2的圓周上，則螺紋牙根部危險(xiǎn)剖面的變曲強(qiáng)度條件為：剪切強(qiáng)度條件為： Mpa彎曲強(qiáng)度條件為：各數(shù)值教材表9—9和教材表9—10（3）螺桿的強(qiáng)度計(jì)算螺桿工作時(shí)同時(shí)受軸面壓力（拉力）FQ與扭矩T的作用，截面受拉（壓）應(yīng)力與扭剪應(yīng)力的復(fù)合作用，∴按彎扭（壓扭，拉扭）復(fù)合強(qiáng)度條件計(jì)算——第四強(qiáng)度理論 Mpa式中， mm2——螺桿危險(xiǎn)截面積 d1——螺紋小徑（mm） （mm3）——抗扭截面模量 （Nmm）——螺紋扭矩——螺桿材料許用應(yīng)用 Mpa 教材表9—10。（4）驗(yàn)算自鎖條件對有自鎖性要求的螺旋副如起重螺旋，火炮高低機(jī)等，要進(jìn)行自鎖條件驗(yàn)算。自鎖條件為：—螺旋升角， L—導(dǎo)程—當(dāng)量摩擦角—螺紋牙型斜角f——螺旋副的滑動(dòng)摩擦系數(shù)（5）螺桿穩(wěn)定性校核當(dāng)螺桿較細(xì)長且受較大軸向壓力時(shí)，可能會(huì)雙向彎曲而失效（穩(wěn)定性），螺桿相當(dāng)于后桿，螺桿所承受的軸向壓力FQ小于其臨界壓力FQca。通常螺桿長度L≥（~10）d1時(shí)要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。本章小結(jié)（1）聯(lián)接可分為可拆聯(lián)接和不可拆聯(lián)接兩種。常見的可拆聯(lián)接有螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接和銷聯(lián)接等，常見的不可拆聯(lián)接有焊接和粘接，過盈聯(lián)接一般做成不可拆聯(lián)接。（2）聯(lián)接螺紋采用三角形螺紋，傳動(dòng)螺紋主要采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋。這三種螺紋均已標(biāo)準(zhǔn)化。（3）螺紋聯(lián)接有螺栓聯(lián)接、螺釘聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接和緊定螺釘聯(lián)接四種基本類型。螺紋聯(lián)接件品種很多，大都已標(biāo)準(zhǔn)化，常用的有螺栓、螺釘、雙頭螺柱、緊定螺釘、螺母和墊圈。（4）大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)都需要預(yù)緊，主要目的是增加聯(lián)接的剛性、緊密性和防松能力，在沖擊、振動(dòng)、變載荷及溫度變化較大的情況下，則必須采取防松措施。防松方法有摩擦防松、機(jī)械防松和破壞螺紋副防松三類。（5）螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先分析螺栓聯(lián)接情況，然后選用相應(yīng)公式計(jì)算，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果按標(biāo)準(zhǔn)選取螺栓直徑。螺栓其余部分尺寸及螺母、墊圈等，一般可根據(jù)螺栓公稱直徑直接從標(biāo)準(zhǔn)中選定。（6）螺旋傳動(dòng)主要用于把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)用途可分為傳力螺旋、傳導(dǎo)螺旋和調(diào)整螺旋；根據(jù)摩擦情況可分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋，其中滑動(dòng)螺旋應(yīng)用最廣。第十章 軸及軸轂聯(lián)接167。10—1 概 述機(jī)器上所安裝的旋轉(zhuǎn)零件，例如帶輪、齒輪、聯(lián)軸器和離合器等都必須用軸來支承，才能正常工作，因此軸是機(jī)械中不可缺少的重要零件。本章將討論軸的類型、軸的材料和輪轂聯(lián)接，重點(diǎn)是軸的設(shè)計(jì)問題，其包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理確定軸的形狀和尺寸，它除應(yīng)考慮軸的強(qiáng)度和剛度外，還要考慮使用、加工和裝配等方面的許多因素。一、 軸的分類按軸受的載荷和功用可分為：：只承受彎矩不承受扭矩的軸，主要用于支承回轉(zhuǎn)零件。：只承受扭矩不承受彎矩或承受很小的彎矩的軸,主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩。如汽車的傳動(dòng)軸。：同時(shí)承受彎矩和扭矩的軸，既支承零件又傳遞轉(zhuǎn)矩。如減速器軸。二、 軸的材料主要承受彎矩和扭矩。軸的失效形式是疲勞斷裂，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。軸的材料從以下中選?。?. 碳素鋼　　優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有較好的機(jī)械性能，對應(yīng)力集中敏感性較低，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。例如：3450等優(yōu)質(zhì)碳素鋼。一般軸采用45鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應(yīng)進(jìn)行表面淬火及低溫回火處理 。輕載或不重要的軸，使用普通碳素鋼Q23Q275等。2. 合金鋼合金鋼具有較高的機(jī)械性能，對應(yīng)力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價(jià)格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性的軸。例如：汽輪發(fā)電機(jī)軸要求，在高速、高溫重載下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等。滑動(dòng)軸承的高速軸，采用20Cr、20CrMnTi等。3. 球墨鑄鐵球墨鑄鐵吸振性和耐磨性好，對應(yīng)力集中敏感低，價(jià)格低廉，使用鑄造制成外形復(fù)雜的軸。例如：內(nèi)燃機(jī)中的曲軸。三、 設(shè)計(jì)軸的要求軸的設(shè)計(jì)一般應(yīng)解決軸的結(jié)構(gòu)和承載能力兩方面的問題。具體的說，軸的設(shè)計(jì)步驟有：（1）選擇軸的材料；（2）初步估算軸的直徑；（3）進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（4）精確校核（強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)等）；（5）繪制零件的工作圖167。10—2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如教材圖106所示為一齒輪減速器中的的高速軸。軸上與軸承配合的部份稱為軸頸，與傳動(dòng)零件配合的部份稱為軸頭，連接軸頸與軸頭的非配合部份稱為軸身，起定位作用的階梯軸上截面變化的部分稱為軸肩。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求有：(1) 軸和軸上的零件有準(zhǔn)確定位和固定；(2) 軸上零件便于調(diào)整和裝拆；(3)良好的制造工藝性；(4)形狀、尺寸應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中；一、便于軸上零件的裝配軸的結(jié)構(gòu)外形主要取決于軸在箱體上的安裝位置及形式，軸上零件的布置和固定方式，受力情況和加工工藝等。為了便于軸上零件的裝拆，將軸制成階梯軸，中間直徑最大，向兩端逐漸直徑減小。近似為等強(qiáng)度軸。二、保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定軸上零件的軸向定位方法主要有：軸肩定位、套筒定位、圓螺母定位、軸端擋圈定位和軸承端蓋定位。1. 軸向定位的固定① 軸肩或軸環(huán)：如教材圖107所示。軸肩定位是最方便可靠的定位方法，但采用軸肩定位會(huì)使軸的直徑加大，而且軸肩處由于軸徑的突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度h=(—)d，d為與零件相配處的軸徑尺寸。要求r軸R孔或r軸C孔② 套筒和圓螺母 定位套筒用于軸上兩零件的距離較小，結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠。圓螺母用于軸上兩零件距離較大，需要在軸上切制螺紋，對軸的強(qiáng)度影響較大。③ 性擋圈和緊定螺釘 這兩種固