【文章內容簡介】 m）；Z聯(lián)接螺栓數(shù)；m接合面數(shù)；[τ]螺栓的許用剪切應力（MPa）；查教材表9—6。[σp]螺栓桿或孔壁中的低強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，螺栓實際承受的總拉力Fo并不等于預緊力和軸向工作載荷F之和。結合圖934分析如下：壓力容器中壓強P對每個螺栓產生的軸向工作載荷為：F=p(лD2/4)/Z式中：Z為聯(lián)接螺栓個數(shù)。p為氣缸內的壓強Mpa。未擰緊未受工作載荷時螺栓情況：如上圖預緊前；擰緊后未受工作載荷時螺栓受預緊力F0作用：如上圖的預緊。擰緊后受工作載荷時螺栓受到總拉力FΣ作用： FΣ=F+ F0/此時，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為F039。， F039。稱為剩余預緊力。剩余預緊力F039。值可參照教材表93選取。選取了F039。后，用FΣ=F+ F0/計算出螺栓的總拉力FΣ的值。然后代入下式：強度計算為：.設計公式為： 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系，可導出預緊力F0與剩余預緊力F0/的關系為：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，當螺栓受軸向工作載荷由0至F之間變化時，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等機械性能較高的合金鋼。有防蝕或導電要求時，也可采用銅及其合金以及其它有色金屬。近年來還發(fā)展了高強度塑料螺栓和螺母。常用螺栓材料的機械性能見教材表9—5。表9—5　螺栓的常用材料及其機械性能鋼　號強度極限sB/MPa屈服極限sS /MPa鋼　號強度極限sB/MPa屈服極限sS /MPa10340～42021035540320Q215340～42022045650360Q235410～47024040Cr340～420650～900二、螺紋聯(lián)接的許用應力和安全系數(shù)螺栓的許用應力及安全系數(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，d越小，S越大，許用應力[s]也就越低。這是因為，如果不控制預緊力，螺栓直徑越小，擰緊時螺桿因過載而損壞的可能性就越大。在設計時，因d未知，而S的選擇與d有關，因此要用試算法，即根據(jù)經驗，先假定一個螺栓直徑，再根據(jù)這個直徑查取S，然后根據(jù)強度計算公式計算出d1值，若d1的計算值與所假定的直徑相對應，則可將假定值作為設計結果，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)接強度的措施螺栓聯(lián)接的強度主要取決于螺栓的強度。影響螺栓強度的因素很多，有結構、尺寸參數(shù)、裝配工藝、材料、制造精度等級等。以下就幾個主要方面作一介紹。一、提高螺栓的疲勞強度理論和實踐證明，變載荷工作時，在工作載荷和殘余預緊力不變的情況下，減小螺栓剛度或增大被聯(lián)接件剛度都能達到提高螺栓疲勞強度的目的，但應適當增大預緊力，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）或做成中空的結構（教材圖936）——柔性螺栓。柔性螺栓受力時變形大，吸收能量作用強，也適于承受沖擊和振動。在螺母下面安裝彈性元件（教材圖937），當工作載荷由被聯(lián)接件傳來時，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，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。理論分析和實驗證明，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、減輕應力集中螺紋的牙根和收尾、螺栓頭部與栓桿交接處，都有應力集中，是產生斷裂的危險部位；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，情況更為嚴重。適當加大牙根圓角半徑以減輕應力集中，可提高螺栓疲勞強度達20%～40%；在螺紋收尾處用退刀槽、在螺母承壓面以內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，其主要結構特點就是牙根圓角半徑增大。高強度鋼螺栓對應力集中敏感，但由于可用更大的預緊力擰緊和更高的極限強度，結果還是有利的。四、采用合理的制造工藝制造工藝對螺栓疲勞強度有很大影響。采用碾制螺紋時，由于冷作硬化的作用，表層有殘余壓應力，金屬流線合理，螺栓疲勞強度可比車制螺紋高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度。167。9—7 螺 旋 傳 動螺旋傳動由螺桿、螺母和機架組成，主要用于把回轉運動變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。其應用廣泛，如螺旋千斤頂、螺旋絲杠、螺旋壓力機等。一、螺旋傳動的類型與特點根據(jù)用途，螺旋傳動可分為三種類型：（1）傳力螺旋 以傳遞動力為主，要求用較小的力矩轉動螺桿（或螺母）而使螺母（或螺桿）產生軸向運動和較大的軸向力，這個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等。（2）傳導螺旋 以傳遞運動為主，并要求有較高的運動精度，速度較高且能較長時間連續(xù)工作，如機床進的給螺旋機構。（3）調整螺旋 用于調整并固定零、部件之間的相互位置，如機床卡盤，壓力機的調整螺旋。調整螺旋不經常轉動。根據(jù)螺旋副的摩擦情況，可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪Y構簡單、加工方便、易于自鎖，運轉平穩(wěn)無噪聲，所以應用最廣。它的缺點是工作時滑動摩擦阻力大，傳動效率低（一般為30%～40%），螺紋表面磨損快，傳動精度低，低速時有爬行現(xiàn)象。滾動螺旋和靜壓螺旋的摩擦阻力小，傳動效率高，但結構較復雜，制造困難，成本高，加工不方便，只有在高精度、高效率的機械中才宜采用。本節(jié)主要介紹滑動螺旋。*二、滑動螺旋傳動的設計計算1. 滑動螺旋的常用材料螺桿和螺母的材料應有足夠的強度、耐磨性和良好的加工性。不經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；重載低速時用高強度鑄造鋁青銅ZCuAl10Fe3或鑄造黃銅ZCuZn25Al6Fe3Mn3；重載時可用35鋼或球墨鑄鐵；低速輕載時也可用耐磨鑄鐵。尺寸大的螺母可用鋼或鑄鐵作外套，內部澆鑄青銅，高速螺母可澆鑄錫銻或鉛銻軸承合金（即巴氏合金）。2. 螺旋傳動的設計計算(1) 螺紋副耐磨性計算磨損多發(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算方法，所以通常采用限制螺紋副壓強p作為防止螺紋過度磨損的的條件性計算。為方便分析，把一圈螺紋牙展直（圖937），這樣螺紋牙相當于一根懸臂梁，則驗算公式為: 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）螺母螺紋牙的強度計算一般螺母材料強度低于螺桿?！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，則螺紋牙根部危險剖面的變曲強度條件為：剪切強度條件為： Mpa彎曲強度條件為：各數(shù)值教材表9—9和教材表9—10（3）螺桿的強度計算螺桿工作時同時受軸面壓力（拉力）FQ與扭矩T的作用，截面受拉（壓）應力與扭剪應力的復合作用，∴按彎扭（壓扭，拉扭）復合強度條件計算——第四強度理論 Mpa式中， mm2——螺桿危險截面積 d1——螺紋小徑（mm） （mm3）——抗扭截面模量 （Nmm）——螺紋扭矩——螺桿材料許用應用 Mpa 教材表9—10。（4）驗算自鎖條件對有自鎖性要求的螺旋副如起重螺旋，火炮高低機等，要進行自鎖條件驗算。自鎖條件為：—螺旋升角， L—導程—當量摩擦角—螺紋牙型斜角f——螺旋副的滑動摩擦系數(shù)（5）螺桿穩(wěn)定性校核當螺桿較細長且受較大軸向壓力時，可能會雙向彎曲而失效（穩(wěn)定性），螺桿相當于后桿，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時要進行穩(wěn)定性校核。本章小結（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，傳動螺紋主要采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋。這三種螺紋均已標準化。（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，大都已標準化，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)接在裝配時都需要預緊，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、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、機械防松和破壞螺紋副防松三類。（5）螺栓聯(lián)接強度計算時，應首先分析螺栓聯(lián)接情況，然后選用相應公式計算，最后根據(jù)計算結果按標準選取螺栓直徑。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準中選定。（6）螺旋傳動主要用于把回轉運動變?yōu)橹本€運動，同時可傳遞運動和動力。根據(jù)用途可分為傳力螺旋、傳導螺旋和調整螺旋；根據(jù)摩擦情況可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋，其中滑動螺旋應用最廣。第十章 軸及軸轂聯(lián)接167。10—1 概 述機器上所安裝的旋轉零件，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，重點是軸的設計問題，其包括軸的結構設計和強度計算。結構設計是合理確定軸的形狀和尺寸，它除應考慮軸的強度和剛度外，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,主要用于傳遞轉矩。如汽車的傳動軸。：同時承受彎矩和扭矩的軸，既支承零件又傳遞轉矩。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，應具有足夠的強度、韌性和耐磨性。軸的材料從以下中選?。?. 碳素鋼　　優(yōu)質碳素鋼具有較好的機械性能，對應力集中敏感性較低，價格便宜，應用廣泛。例如：3450等優(yōu)質碳素鋼。一般軸采用45鋼，經過調質或正火處理；有耐磨性要求的軸段，應進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械性能，對應力集中比較敏感，淬火性較好，熱處理變形小，價格較貴。多使用于要求重量輕和軸頸耐磨性的軸。例如：汽輪發(fā)電機軸要求，在高速、高溫重載下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等?；瑒虞S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，對應力集中敏感低，價格低廉，使用鑄造制成外形復雜的軸。例如：內燃機中的曲軸。三、 設計軸的要求軸的設計一般應解決軸的結構和承載能力兩方面的問題。具體的說，軸的設計步驟有：（1）選擇軸的材料；（2）初步估算軸的直徑；（3）進行軸的結構設計；（4）精確校核（強度、剛度、振動等）；（5）繪制零件的工作圖167。10—2 軸的結構設計如教材圖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。軸結構設計的基本要求有：(1) 軸和軸上的零件有準確定位和固定；(2) 軸上零件便于調整和裝拆；(3)良好的制造工藝性；(4)形狀、尺寸應盡量減小應力集中；一、便于軸上零件的裝配軸的結構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。近似為等強度軸。二、保證軸上零件的準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，但采用軸肩定位會使軸的直徑加大，而且軸肩處由于軸徑的突變而產生應力集中。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，結構簡單，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，對軸的強度影響較大。③ 性擋圈和緊定螺釘 這兩種固