机械设计基础(少学时)第4讲

机械设计基础旧课回顾：1、螺旋副的受力、效率与自锁2、螺纹联接的基本类型及应用3、螺栓联接的强度计算3、键联接的设计与计算本讲重点学习内容：1、螺纹联接的结构设计2、螺旋传动设计机械设计基础第二章联接第一节概述第二节螺纹参数第三节螺旋副的受力、效率与自锁第四节螺纹联接与螺纹联接件第五节螺纹联接的强度计算第六节螺纹联接的结构设计第七节螺旋传动简介第八节键、花键和过盈联接机械设计基础本讲小结1.避免或减少附加载荷2.防止松脱3.减少横向载荷4.合理进行结构设计三、键联接的设计与计算一、螺纹联接的结构设计二、螺旋传动设计螺旋传动的分类、螺旋转副的常用材料及设计计算主要介绍了键联接的类型、特点及平键的设计。机械设计基础机械设计基础第六节螺纹联接的结构设计在螺栓联接中，除合理的选择标准件外，还应注意下述结构问题一、避免或减少附加载荷二、防止松脱三、减少横向载荷四、合理进行结构设计返回本章机械设计基础一、避免或减少附加载荷由于设计、制造或安装上的疏忽，可能使螺栓受到附加弯曲应力，这对螺栓疲劳强度的影响很大，应设法避免。具体措施：1、采用凸台或沉头座等结构或采用球面垫片、斜垫片等2、在被联接件的悬臂处采用加强筋，提高其刚度。返回机械设计基础二、防止松脱返回工程中最常见的联接是用单线普通螺纹联接，它们都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱，这是由于螺旋副间存在摩擦力的缘故。但是在冲击、振动和变载的作用下，预紧力和摩擦力可能瞬间消失，多次重复后就可能使联接松脱。高温的螺栓联接，由于温度变形差异等原因，也可能发生松脱现象。因此设计时必须考虑防松。防松的根本问题，在于防止螺旋副的相对转动。防松的方法很多，按工作原理可分为：1、摩擦防松2、机械防松3、永久防松和化学防松机械设计基础摩擦防松返回机械设计基础机械防松返回机械设计基础永松防松和化学防松返回机械设计基础三、减少横向载荷返回受横向载荷的普通螺栓联接，被联接件间要获得足够的摩擦力以平衡外载荷。因此，当外载荷较大时，螺栓就要承受较大的预紧力，这样所需的螺栓直径很大，为了避免这个缺点。可在被联接件之间加上套筒、键、销或制作止口等减载装置，从而大大减小螺纹联接所承受的横向载荷。机械设计基础四、合理进行结构设计返回由于螺栓一般成组使用，所以在确定一组螺栓的平面位置和数目时，应使联接结构受力合理，力求各螺栓受力均匀，便于加工和装配。通常可从以下几个方面提高设计质量1、联接接合面的几何形状应尽量简单。如图2、螺栓的布置应使各螺栓的受力合理。如图3、螺栓排列应有合理的间距、边距。布置螺栓时，螺栓与螺栓、螺栓与机体侧壁间要留有足够的扳手空间。如图4、分布在同一圆周上的螺栓数目应便于分度。如图机械设计基础示图返回通常设计成对称的几何形状，螺栓要均匀布置，尽可能使螺栓组的形心与联接接合面的形心重合。机械设计基础示图返回受剪螺栓不要在外力方向上成排布置八个以上，以免载荷分布过于不均。当联接承受弯矩或扭矩时，螺栓的位置应靠近结合面的边缘，以减小螺栓受力。机械设计基础示图返回机械设计基础示图返回同一圆周上的螺栓数目应为3、4、6、8、12等，这样易于分度，利于划线、钻孔。机械设计基础机械设计基础第七节螺旋传动简介返回本章一、螺旋传动简介螺旋传动主要用来把回转运动变为直线运动，同时也可以承受载荷或传递动力。1．螺旋传动的分类2．螺旋副的材料二、滑动螺旋传动的设计计算1．螺旋副的耐磨性计算2．螺纹牙的强度计算3．螺杆的强度计算4．螺杆的稳定性计算机械设计基础1．螺旋传动的分类按使用要求不同，螺旋传动可分为传力螺旋：主要用于传递动力传导螺旋：主要用于传递运动调整螺旋：主要用于调整并固定零件或部件之间的相对位置按摩擦性质不同，螺旋传动又可分为滑动螺旋传动（螺旋副中产生滑动摩擦）滚动螺旋传动(螺旋副中产生滚动摩擦)返回本节机械设计基础传力螺旋要求用较小的力矩转动螺杆或螺母，使其中之一产生轴向运动和较大的轴向力，用于起重或加压，传力螺旋要求自锁。如千斤顶和压力机中的螺旋都是传力螺旋的实例。返回机械设计基础传导螺旋要求具有很高的运动精度，常用于机床刀架或工作台的进给机构。返回机械设计基础调整螺旋调整螺旋不经常转动，用于调整并固定零件或部件之间的相对位置。如：量具的测量螺旋返回机械设计基础滑动螺旋传动滑动螺旋传动由螺杆和螺母组成，结构比较简单；螺杆和螺母的啮合连续进行，工作平稳、无噪声；而且啮合时接触面积大，承载能力较高。螺纹牙型通常采用矩形、梯形和锯齿形等。梯形螺纹加工比较容易，能够铣切和磨削，应用比较广泛。螺纹的旋向和线数可根据运动要求，考虑自锁和效率予以确定。这种传动的主要缺点是螺旋副间摩擦力大，效率低。返回机械设计基础滚动螺旋传动滚动螺旋传动是在螺杆和螺母之间的螺纹滚道内填充滚珠，当螺杆和螺母相对转动时，滚珠沿滚道滚动。为了使滚珠循环滚动，螺母上要设置回程通道。滚动螺旋传动的特点是：效率高，一般在90％以上；利用预紧消除螺杆与螺母之间的轴向间隙，可得到较高的传动精度和轴向刚度；静、动摩擦力相差甚微，起动时无颤动，传动平稳；工作寿命长。但由于滚珠与滚道理论上为点接触，传递载荷较小，抗冲击能力较差，且结构复杂，对材料要求较高，制造困难。这种螺旋传动主要用于对传动精度要求较高的场合，如精密机床的进给机构等。返回机械设计基础2．螺旋副的材料螺杆和螺母的材料除要求有足够的强度、耐磨性外，还要求两者配合时摩擦因数小。一般螺杆可选用45、50钢等，重要螺杆(如高精度机床丝杠)可选用T12、40Cr、65Mn等，并进行热处理。常用的螺母材料有铸造锡青铜ZCuSn10Pb1或ZCuSn5Pb5Zn5；低速、重载时可选用强度较高的铸造铝铁青铜ZCuAl10Fe3；低速、轻载时可选用耐磨铸铁。返回本节机械设计基础1．螺旋副的耐磨性计算返回本节螺旋传动的受力情况和强度问题类似于螺纹联接，但由于其在工作时处于运动状态，对精度又有较高的要求，故螺旋副的磨损是其主要失效形式。因此，通常先按耐磨性条件确定螺杆的直径和螺母的高度，并参照标准确定螺旋副的其余各主要参数，而后对可能发生的其他失效形式逐项进行校核。影响磨损的因素很多，目前还没有完善的计算方法，通常是根据限制螺纹接触面的平均压强p进行条件性计算。若按螺纹的旋合圈数将螺纹沿中径d2展开，则耐磨性校核公式][22pHhdFPhzdFp][2phFPd令22/dHdH整理得耐磨性设计公式公式说明公式说明机械设计基础耐磨性校核公式说明][22pHhdFPhzdFp式中，p为工作压强(MPa)；F为螺杆所受的轴向力(N)；d2是螺纹中径(mm)；h是螺纹工作高度(mm)，梯形和矩形螺纹h=0.5P，锯齿形螺纹h=0.75P；z是参加旋合的圈数，z=H′／P；H′是螺母旋合段的高度(mm)；P是螺距(mm)；[p]是螺旋副的许用压强(MPa)，见表2-10。返回机械设计基础耐磨性设计公式说明返回][2phFPd式中，φ是螺母的高径比，其值的选取：整体螺母磨损后间隙不能调整，为使受力比较均匀，螺纹旋合圈数不宜太多，一般取φ=1.2～2.5；剖分式螺母可取φ=2.5～3.5。但应注意螺母螺纹一般不应超出10圈。原因是螺纹各圈受力不均匀，第10圈以上的螺纹实际上起不到分担载荷的作用。计算出中径d2后，应按标准选取相应的公称直径d。对有自锁要求的螺旋副，还需验算所选螺纹参数能否满足自锁条件。vdnParctg2机械设计基础2．螺纹牙的强度计算返回本节由于螺母材料的强度通常低于螺杆材料的强度，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母上。将螺母一圈螺纹沿螺纹大径处展开，即可视为一悬壁梁，每圈螺纹承受的平均压力F/z作用在中径D2的圆周上，则螺纹牙的剪切和弯曲强度条件分别为wwzDaFh][32][DazF式中，τ是切应力(MPa)；σw是弯曲应力(MPa)；D是螺母螺纹大径(mm)；α是螺纹牙根宽度(mm)，梯形螺纹α=0.65P，锯齿形螺纹α=0.74P，矩形螺纹α=0.5P；[τ]是许用切应力(MPa)，见表2-11；[σ]w是许用弯曲应力(MPa)，见表2-11机械设计基础表2-11返回机械设计基础3．螺杆的强度计算返回本节在轴向力F作用下，螺杆产生轴向压(或拉)应力；同时由于转矩T的作用使螺杆的横截面内产生扭切应力。根据第四强度理论，螺杆危险截面的当量应力σν及强度条件为式中，[σ]是螺杆材料的许用应力(MPa)，见表2-11。][)2.0(3)4(231221dTdFv机械设计基础4．螺杆的稳定性计算返回本节细长螺杆且受到较大轴向压力时，可能发生侧弯而丧失稳定性。螺杆受压时的稳定性条件为4~5.2FFcr式中，Fcr是螺杆的稳定临界载荷(N),它与螺杆的材料、螺杆的长细比（即柔度）λ有关。Fcr的取值情况机械设计基础螺杆的长细比λil式中，β是长度系数，与两端支承形式有关：两端固定时β=0.5，一端固定、一端铰支时β=0.7，两端铰支时β=1，一端固定、一端自由时β=2；AIil螺杆的最大工作长度（mm）；i是螺杆危险截面惯性半径（mm），截面面积421dA若螺杆危险截面的惯性矩6441dI则41dAIi返回机械设计基础Fcr的取值λ≥100时，22)(lEIFcrλ100时，4)12.1~304(21dFcr对于σb≥370MPa的普通碳素钢，如Q235等，取对于σb≥470MPa的优质碳素钢，如35，45钢等，取4)57.2~461(21dFcrλ40时，不必进行稳定校核返回式中，E是螺杆材料的弹性模量(MPa)，对于钢，取E=2.06×105MPa机械设计基础第八节键、花键和过盈联接返回本章键联接、花键联接和过盈联接是轴与轴上零件周向固定的主要方式，用来传递回转运动和转矩。一、键联接二、花键联接三、过盈联接1．键联接的类型2．平键联接的设计平键半圆键楔键键是标准联接件，按形状分为：机械设计基础平键平键的两侧面是工作面，工作时靠键与键槽互相挤压及键的剪切传递转矩。平键上表面与轮毂槽底之间留有间隙，以便使轮毂在轴上顺利拆装。普通平键导向平键滑键按用途分为：平键联接定心性好，装拆方便，能承受冲击或变载荷，故应用极为广泛。返回本节机械设计基础普通平键普通平键应用最广，键与轴、轮毂构成静联接。按端部形状不同分为A型(圆头)、B型(方头)、C型(单圆头)三种。A型键在轴上的键槽用端铣刀加工，B型键在轴上的键槽用盘状铣刀加工。与B型键相比，A型键在键槽中易于固定，但轴上键槽的应力集中较大。C型键常用于轴端处。返回机械设计基础导向平键返回导向平键用于动联接，以满足轮毂沿着轴线方向与轴作相对移动的需要。由于键较长，为防止轮毂移动时键体松动，需要用螺钉将键固定在轴上的键槽中。为了拆卸方便，在键上设置起键螺孔。机械设计基础滑键返回滑键固定在轮毂上，与轮毂一起可沿轴上键槽移动，适用于轮毂沿轴向移动距离较长的场合。机械设计基础半圆键返回本节半圆键也是以两侧面为工作面，用于静联接。半圆键能在轴上键槽中摆动，以适应轮毂键槽底面的倾斜，便于安装且有良好的对中作用。缺点是键槽较深，对轴的削弱较大，故只适用于轻载联接，常用在锥形轴端与毂孔的联接中。机械设计基础楔键返回本节楔键的上、下面是工作面，常用的有普通楔键和钩头楔键两种。键的上表面和轮毂键槽底面各具有1:100的斜度，装配时把楔键打入轴和轮毂键槽内，使联接在工作面上产生很大的压紧力FN，工作时主要靠楔紧的摩擦力μFN传递转矩，并能承受单方向的轴向力。由于楔键打入时迫使轴和轮毂产生偏心，故多用于对中性要求不高、载荷平稳和转速较低的场合。机械设计基础平键联接的设计返回本节平键联接的设计，通常是根据工作条件和使用要求先选定键的类型，然后根据轴的直径查标准，确定键的横截面尺寸，根据轮毂长度确定键的长度。在确定了结构和尺寸之后，还需校核联接的强度。(1)平键联接的结构设计(2)平键联接的受力和失效形式(3)平键联接的强度校核机械设计基础