1、机械设计基础 浙江大学机械设计研究所 中国 杭州 陈宗农 教授 Tel: 0571-87951209 13606619526 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 绪论 1 2 本课程研究的内容和目的 1机械应满足的的基本要求及其设 计的一般程序 1 1 机械的组成 13 机械运动简图及平面机构自由度 1机件的失效及其工作能力准则 1机件的常用材料及其选用 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 本课程研究对象为：机械 斜面 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、 卷扬机、叉车、电梯电脑控制）。 一般而言， 机械是机器和机构的总称 杠杆起重轱辘 滑轮
2、组手动(电动)葫芦 现代起重机 任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。 机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的 组合体。 起重机的发展历程： 1 1 机械的组成 机械是机器和机构的总称。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体。 机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、 齿轮机构等。种类有限 如: 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用 机器
3、、起重机等。 机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但 具有相同的基本特征。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 典型机器的分析： 1.内燃机 内燃机 组成： 6 5 4 3 8 7 1 2 9 10 汽缸体1、 活塞2、 进气阀3、 排气阀4、 连杆5、 曲轴6、 凸轮7、 顶杆8、 齿轮9、10 工作原理： 1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 进入汽缸； 2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点 火燃烧； 3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭； 4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。 循环运动的结果，使曲轴 输出连续的旋转运动 w w
4、w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 进气 压缩 爆炸 排气 内燃机的工作过程： 活塞的往复运动通过连杆转变为曲 轴的连续转动，该组合体称为： 内燃机各部分的作用： 曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为： 凸轮机构 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动 作，称为： 齿轮机构 各部分协调动作的结果： 化学能 机械能 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 机器的共有特征： 人造的实物组合体； 各部分有确定的相对运动； 代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换 机器的作用 机器的分类： 原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、
5、电动机） 种类有限 工作机完成有用功（如机床等） 种类繁多 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 工作机的组成： 原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。 工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。 其关系如下 机械 机器 机构 原动机 传动 工作 控制 原动机 工作机 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 皮带（传 动） 电机（原动） 定时器（控 制） 叶轮（工 作） 机构的共有特征： 人造的实物组合体； 各部分有确定的相对运动； 用来
6、传递力或实现运动的转换。 试分析洗衣机的各组成部分 同理，通过对典型机构进行 分析可知： 机构的分类：通用机构和专用机构。 通用机构-用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。 专用机构-只能用于特定场合，如钟表的擒纵机 构。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 机器与机构的关系：由两个实例推广到一般 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而 成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素 由机器与机构的共有特征可知： 机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不 同），故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动 w w w .h
7、z k y .c o m.c n浙江大学专用 1.名词术语解释: 构件独立的运动单元 内燃机 连杆 套筒 连杆体 螺栓 垫圈 螺母 轴瓦 连杆盖 零件独立的制造单元 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 2.运动副 a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 运动副元素直接接触的部分（点、线、面） 例如：滚子凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。 定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产 生某些相对运动的联接。 三个条件，缺一不可 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 低副面接触，应力低 运动副的分类： 高副点、线接触，应力高。 例如：转动副（回
8、转副）、移动副。 例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 常见运动副符号的表示: 国标GB446084 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 常用运动副的符号 运动副 名称 运动副符号 两运动构件构成的运动副 转 动 副 移 动 副 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 两构件之一为固定时的运动副 1 2 2 1 2 1 平 面 运 动 副 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 平 面 高 副 螺 旋 副 2 1 1 2
9、 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 球 面 副 球 销 副 1 2 1 2 1 2 空 间 运 动 副 1 2 1 2 1 2 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 构件的表示方法: w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 一般构件的表示方法 杆、轴构件 固定构件 同一构件 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 三副构件 两副构件 一般构件的表示方法 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 若干 1个或几个 1个 机构的组成： 机构机架原动件从动件 . 机构的组成 机构是由若干构件经运动副
10、联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就 能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论： 在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系 按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。 机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆 底盘、飞机机身。 原（主）动件按给定运动规律运动的构件。 从动件其余可动构件。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 课程性质： 技术基础课 作用：承前 启后 本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造 基础、
11、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识 和实践技能的综合运用。 同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如自动 武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学 等专业课程打下基础， 作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机 械，因此必须掌握机械方面的基础知识。 通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学 们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为 今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件。 12 本课程研究内容和目的 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 一、机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相 对运动关系的简单图形。 作用
12、： 1.表示机构的结构和运动情况。 现摘录了部分GB446084机构示意图如下表。 2.作为运动分析和动力分析的依据。 13机械运动简图及平面机构自由度 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 常用机构运动简图符号 在 机 架 上 的 电 机 齿 轮 齿 条 传 动 带 传 动 圆 锥 齿 轮 传 动 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 链 传 动 圆柱 蜗杆 蜗轮 传动 凸 轮 传 动 外啮 合圆 柱齿 轮传 动 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同 2.运动副的
13、性质、数目与实际相符 3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。 棘 轮 机 构 内啮 合圆 柱齿 轮传 动 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 绘制机构运动简图 顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍， 数数构件是多少， 再看它们怎相联。 步骤： 1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目； 2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。 3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： l =实际尺寸 m / 图上长度mm 思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路 末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副 的类型，并用符
14、号表示出来。 4.检验机构是否满足运动确定的条件。 举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 D C B A 1 4 3 2 绘制图示鳄式破碎机的运动简图。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 1 2 3 4 绘制图示偏心泵的运动简图 偏心泵 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 作平面运动的刚体在空间的位置需要三个 独立的参数（x，y, ）才能唯一确定。 y x (x , y) F = 3 单个自由构件的自由度为 3 二、平面机构的自由度 w w w .h z k y .c
15、o m.c n浙江大学专用 自由构 件的自 由度数 运动副 自由度数 约束数 回转副 1（） + 2（x，y） = 3 y x 1 2 S y x 1 2 x y 1 2 R=2, F=1 R=2, F=1 R=1, F=2 结论：构件自由度3约束数 移动副 1（x） + 2（y，）= 3 高副2（x,） + 1（y） = 3 经运动副相联后，构件自由度会有变化： 自由构件的自由度数约束数 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 活动构件数 n 计算公式： F=3n(2P L +P h ) 要求：记住上述公式，并能熟练应用。 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 3n
16、2 P L 1 P h 计算曲柄滑块机构的自由度。 解：活动构件数n= 3 低副数PL= 4 F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数PH= 0 S3 1 2 3 推广到一般： 1、 平面机构自由度的计算公式 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 计算五杆铰链机构的自由度 解：活动构件数n= 4 低副数PL= 5 F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数PH=0 1 23 4 1 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 计算图示凸轮机构的自由 度。 解：活动构件数n= 2 低副数PL= 2 F=3n 2PL PH =32 2
17、21 =1 高副数PH=1 1 2 3 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 2、计算平面机构自由度的注意事项 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 计算图示圆盘锯机构的自由度。 解：活动构件数n= 7 低副数PL= 6 F=3n 2PL PH 高副数PH=0 =37 26 0 =9 计算结果肯定不对！ w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动 副相联。 计算：m个构件, 有m1转动副。 两个低副 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 上例：在B、C、D、E四
18、处应各有 2 个运动副。 计算图示圆盘锯机构的自由 度。 解：活动构件数n=7 低副数PL= 10 F=3n 2PL PH =37 2100 =1 可以证明：F点的轨迹为一直线。 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 圆盘锯机构 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 计算图示两种凸轮机构的自由度。 解：n= 3， PL= 3， F=3n 2PL PH =33 23 1 =2 PH=1 对于右边的机构，有： F=32 22 1=1 事实上，两个机构的运动相同，且F=1 1 2 3 1 2 3 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专
19、用 2.局部自由度 F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1 本例中局部自由度 FP=1 定义：构件局部运动所产生的自由度。 出现在加装滚子的场 合，计算时应去掉Fp。 1 2 3 或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1 滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。 1 2 3 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 解：n= 4， PL= 6， F=3n 2PL PH =34 26 =0 PH=0 3.虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。 计算自由度时应去掉虚约束。 FEAB CD ，故增加构件4前后E点 的轨迹都是圆弧，。 增加的约束不起作用，应去
20、掉构件4。 已知：ABCDEF，计算图示平行四边形 机构的自由度。 1 2 3 4 A BC D E F w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 重新计算：n=3, PL=4, PH=0 F=3n 2PL PH =33 24 =1 特别注意：此例存在虚约束的几何条件是： 1 2 3 4 A BC D E F 4 F 已知：ABCDEF，计算图示平行四边形 机构的自由度。 ABCDEF w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合， 2.两构件构成多个移动副，且 导路平行。 如平行四边形机构，火车
21、轮 椭圆仪等。(需要证明) w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 4.运动时，两构件上的 两点距离始终不变。 3.两构件构成多个转动副， 且同轴。 5.对运动不起作用的对 称部分。如多个行星 轮。 EF w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。 如等宽凸轮 W 注意： 法线不重合时， 变成实际约束！ A A n 1 n 1 n 2 n 2 n 1 n 1 n 2 n 2 A A w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 虚约束的作用： 改善构件的受力情况，如多个行星轮。 增加机构的
22、刚度，如轴与轴承、机床导轨。 使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。 注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。 基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效 率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和 造型美观。 机械设计的内容： 1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构； 2. 拟定设计方案； 3. 进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷； 4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。 13 机械设计的基本要求和一般过程 w w w .h z k y
23、 .c o m.c n浙江大学专用 3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手 组装各种机构。 课程安排：讲授51学时，实验4学时。 要求： 1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业 量未达到规定者不能参加考试。 2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课 外时间。 作业：1-1, 1-2(a.c) 1-3(a.f.d), 1-7 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 第二章 联 接 1 螺纹联接 铆接、焊接和粘接 2 键联接和花键联接和成形联接 销联接 过盈联接 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 21 螺纹联接 机械联接
24、：静联接和动联接；可拆联接和不可拆联接 设计目的：正确选用各种螺纹及其联接件（大多数属于国家 标准件），只有在特别重要的情况才进行强度计算。 定义：利用螺纹紧固件或被联接件零件上制成的螺纹构成的 可拆联接。 作用：将各零件联接在一起构成一台可以拆卸的机器或部件。 特点：结构简单，装拆方便，联接可靠性高，应用范围广。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 一、螺纹的形成及主要参数 d 2 螺旋线-一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线 等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。 螺纹-一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图 形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。 螺纹 w w w
25、.h z k y .c o m.c n浙江大学专用 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 螺 纹 的 分 类 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺纹的牙型 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 15 30 3 30 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 螺 纹 的 分 类 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 右旋螺纹
26、左旋螺纹 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 螺 纹 的 分 类 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 一般: n 4 双线螺纹 单线螺纹 P S S = 2P P S P S =P n线螺纹: S = n P w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 螺 纹 的 分 类 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形
27、螺纹 锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 外螺纹 内螺纹 螺纹副 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 外螺纹 内螺纹 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 螺 纹 的 分 类 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 外螺纹 内螺纹 联接螺纹 传动螺纹 螺旋传动 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 联接螺纹 传动螺纹 w w w .h z k y .c o
28、 m.c n浙江大学专用 按螺纹的牙型分 按螺纹的旋向分 按螺旋线的根数分 按回转体的内外表面分 螺 纹 的 分 类 按螺旋的作用分 按母体形状分 矩形螺纹 三角形螺纹 梯形螺纹 锯齿形螺纹 右旋螺纹 左旋螺纹 单线螺纹 多线螺纹 外螺纹 内螺纹 联接螺纹 传动螺纹 圆柱螺纹 圆锥螺纹 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 圆柱螺纹 圆锥螺纹 管螺纹 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 (3) 中径d 2 也是一个假想圆柱的直径，该 圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。 d 1 d 2 d (1)大径d 与外螺纹牙顶(或内螺纹牙底)相重 合
29、的假想圆柱体的直径。 (2) 小径 d 1 与外螺纹牙底(或内螺纹牙顶) 相重合的假想圆柱体的直径。 (4) 螺距P 相邻两牙在中径线上对应两点间 的轴向距离。 (5) 导程S (6) 螺纹升角 中径d 2 圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴 线的平面的夹角 (7)牙型角 轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。牙型侧边与螺 纹轴线的垂线间的夹角。 tg = d 2 nP d 2 S S = nP 同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P 螺纹的主要几何参数 S P P/2 P/2 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 F n F R v F 矩形螺纹 =
30、0 二、 螺旋副的受力分析、效率和自锁 展开中径d 2 圆柱面得一斜面. d 2 S 螺旋副在轴向载荷Fa作用 下相对运动，可看作在中 径的水平力F推动滑块(重 物)沿螺纹运动 F -水平推力 F n -法向反力 F a -轴向载荷 F=f F n -摩擦力 f -摩擦系数 -摩擦角 d 2 F F a F F F a 螺纹的拧松-螺母在F和F a 的联合作用下，顺着F a 等速 向下运动。 螺纹的拧紧-螺母在F和F a 的联合作用下，逆着F a 等速 向上运动。 F R -总反力 v w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 F n F R v F d 2 S 滑块在F
31、、F R 、F a 三力作用 下处于平衡状态 d 2 F F a F F F a 作力多边形 得： F=F a tg( + ) 驱动力矩： F a F F R + ) ( 2 2 + = tg F d a 2 2 d F T = 列出力平衡方程： F R +F a +F =0 F R F a = + F R =(1 + f )F n + F a -为阻力，F为驱动力，摩擦力F 沿斜面朝下。 当螺纹拧紧(滑块上升)时： F R =F n +F w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 - F F a F a -为驱动力，F成为阻力， 摩擦力F沿斜面朝上。 F R v F R
32、 F a 当螺纹拧松(滑块下滑)时： F R F a = - 滑块在F、F R 、F a 三力作 用下处于平衡状态 作力多边形可得： F=F a tg(- ) 驱动力矩： 2 2 d F T = ) ( 2 2 = tg F d a d 2 F F a F F n F - 列出力平衡方程： F R +F a +F =0 F w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 ) ( 2 2 = tg F d T a 若 ，则T为负值，方向相反，其 方向与预先假定的方向相反，而与螺母 运动方向相同，成为放松螺母所需外加 的驱动力矩。 提问：当时，若没有力矩T，螺 母在F a 的作用下
33、会运动吗？ 若 ，则T为正值，其方向与螺 母运动方向相反； 不会！ -这种现象称为自锁。 T d 2 F a F F d 2 F a F F T w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺母 螺杆 轴 线 轴线 螺杆 螺母 F n F a F n =F a 当 0时，摩擦力为： 二、非矩形螺纹 0 矩形螺纹忽略升角的影响时有： n F f F = a F f = cos a F f = cos tg f f = = 摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生 的摩擦力与摩擦系数为f ，的矩 形螺纹所产生的摩擦力相当。 称为当量摩擦角 F a F n F a 故称 f 为当量摩擦系
34、数。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 引入参数f 和就可象矩形螺纹那样对非矩形螺纹 进行力的分析。 滑块上升： ) ( 2 : ) ( : 2 + = + = tg F d T tg F F a a 驱动力矩 水平推力 滑块下降： ) ( 2 ) ( 2 = = tg F d T tg F F a a 非矩形螺旋的自锁条件： 对于联接螺纹必须满足自锁条件 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 0 10 20 30 40 50 20 40 60 80 100 效率 % 定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比： T S F a 2 = 2 )
35、 ( d S tg F F a a + = 当一定时，效率 只是螺纹升角的函 数，由此可以绘出 效率曲线. 当一定时，在=45-/2 处效率曲线有极大值。 对于传动螺旋，一般取： 对于联接螺纹，必须取： 升角过大, 制造困难，且效率增高也不明显。 = 5.7 螺旋转动一圈时，有效功为F a S, 输入功为2T。 f =tg =0.1 自锁极限 25 紧固螺纹区 ) ( + = tg tg w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 三、 机械制造常用螺纹 三角形螺纹 普通螺纹 = 60 管螺纹 = 55 普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多 种螺距，其中螺距最大
36、的称为粗牙螺纹，其余的统称为 细牙螺纹。 60 P d 粗牙 d P 细牙 d P 细牙 粗牙螺纹应用最广 细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高， 缺点：不耐磨易滑扣。 应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 用螺纹密封的管螺纹 60圆锥管螺纹 普通细牙螺纹 管螺纹 非螺纹密封管螺纹（圆柱管壁 = 55） 用螺纹密封管螺纹（圆锥管壁 = 55） 公称直径-管子的公称通径。强调与普通螺纹不同 55 55 非螺纹密封的管螺纹 d d 2 d 1 P d d 2 d 1 P 2 w w w .h z k y .c o m
37、.c n浙江大学专用 梯形螺纹： 梯形 锯齿形 30 3 30 锯齿形螺纹: 为了减少摩擦和提高效率，这两种螺纹的牙侧角比三角形螺纹的要小得 多。用于剖分螺母时，梯形螺纹可消除因摩擦而产生的间隙，应用较广。 锯齿形螺纹的效率比矩形螺纹高，但只适合单向传动。 常用于传动。 = 15 = 3 粗牙普通螺纹的基本尺寸见P23表2-1 后面有图 螺纹的基本尺寸： w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 四、 螺纹联接的基本类型及其紧固件 螺纹联接的基本类型 螺栓联接 基 本 类 型 e a a l 1 l 1 可承受横向载荷。 螺纹余留长度l 1 铰制孔螺栓 孔与螺杆之 间留有
38、间隙 变载荷l 1 =0.75d; 冲击载荷或弯曲载荷l 1 d; 铰制孔用螺栓l 1 0; 螺纹伸出长度a=(0.20.3)d; 螺栓轴线到边缘的距离 e=d+(36) mm 用于经常拆装易磨损之处。 静载荷l 1 =(0.30.5)d; d d w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺纹联接的基本类型 螺栓联接 基 本 类 型 螺钉联接 座端拧入深度H，当螺孔材料为： a e e 双头螺柱联接 联接件厚，允许拆装。 四、螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件 钢或青铜 H=d; 铸铁 H=(1.251.5)d 铝合金 H=(1.52.5)d 螺纹孔深度 H 1 =H+(2
39、2.5)P; 钻孔深度 H 2 =H 1 +(0.51)d; 参数l 1 、e、a与螺栓相同 l 1 l 1 H H H 1 H 1 H 2 H 2 结构简单，省了螺母，不宜经常拆 装，以免损坏螺孔而修复困难。 d w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺纹联接的基本类型 螺栓联接 基 本 类 型 螺钉联接 双头螺柱联接 紧定螺钉联接 紧定螺钉 四、 螺纹联接的基本类型及其紧固件 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺纹紧固件 螺栓 螺 纹 紧 固 件 L L 0 d 六角头 L d L 0 小六角头 螺栓的结构形式 w w w .h z
40、k y .c o m.c n浙江大学专用 双头螺柱 d L 0 L 1 L L 1 -座端长度 L 0 -螺母端长度 螺纹紧固件 螺栓 螺 纹 紧 固 件 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺钉、紧定螺钉 双头螺柱 螺栓 螺纹紧固件 螺 纹 紧 固 件 末端 结构 头部 结构 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 螺母 六角螺母 六角扁螺母 六角厚螺母 圆螺母 螺钉、紧定螺钉 双头螺柱 螺栓 螺纹紧固件 螺 纹 紧 固 件 用于经常拆装 易磨损之处。 用于尺寸受限制之处。 国标罗列有六十余种不同结构的螺母 w w w .h z k y .
41、c o m.c n浙江大学专用 垫圈 平垫圈 薄平垫圈 A型平垫圈 B型平垫圈 螺母 螺钉、紧定螺钉 双头螺柱 螺栓 螺纹紧固件 螺 纹 紧 固 件 斜垫圈 弹簧垫圈 圆螺母用止动垫圈 作用：增加支撑面积以减 小压强，避免拧紧螺母擦 伤表面、防松。 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 f e a r Q f tg d F T T T 0 2 2 1 ) ( 2 + + = + = ) ( 2 2 0 2 1 v tg d Q T T T + = + = 螺纹联接的预紧 一般螺纹联接在装配时都必须拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用。对于重要的螺纹联 接，应控制其预紧力
42、，因为的大小对螺纹联接的可靠性，强度和密封均有很大影响。 2 1 T T T + = T 1 克服螺纹副相对转动的阻力矩； T 2 克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩； 设轴向力为Q 0 或预紧力（不受轴向载荷） f e 摩擦系数。 无润滑时取： f e =0.15 r f 支撑面摩擦半径。 r f =(d w +d 0 )/4 d d 0 d w T 简化公式： 适用于M10M60的粗牙螺纹， f=0.15, f c =0.15, T 0.2 Q 0 d 预紧应力：=(0.50.7) s 五、 螺纹联接的预紧和防松 Q 0 Fa是由联接要求决定的，为了发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，应取： 通常
43、螺纹联接拧紧是凭工人的经验来决定的，重要螺栓则必须预紧力进行精确控制。 总力矩： w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 测力矩扳手 工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力 的大小。 、 螺纹联接的防松 联接用三角形螺纹都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时， 不会自动松脱。但在冲击、振动和变载条件下，预紧力可能在某一瞬 时消失，联接仍有可能松动。高温下的螺栓联接，由于温度变形差异 等，也可能发生松脱现象（如高压锅），因此设计时必须考虑防松。 即防止相对转动。 防松的方法 1) 利用附加摩擦力防松 尼龙圈锁紧螺母 F 弹簧垫圈 对顶螺母 定力矩扳手 w w
44、w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 开口销与六 角开槽螺母 串联钢丝 2) 采用专门防松元件防松 圆螺母用止动垫圈 止动垫圈 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 3) 其他方法防松 11.5P 用冲头冲23点 冲点防松法 粘合法防松 涂粘合剂 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 六、螺栓联接的强度计算 螺栓联接 的主要失 效形式： 螺栓拉断 螺纹压溃或剪断 滑扣 因经常拆装 螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部尺寸是根据等强度 原则及使用经验规定的。采用标准件时，这些部分 都不需要进行强度计算。所以，螺栓联接的计算主 要是确定
45、螺纹小径d1，然后按照标准选定螺纹公称 直径d及螺距P等。 (1)松螺栓联接 装配时不须要拧紧 强度条件： 4 / 2 1 d F a 式中:d 1 -螺纹小径， mm (2)紧螺栓联接 螺栓受轴向拉力F a 和摩擦力矩T的双重作用。 F a F a 力除以面积 1)只承受预紧力作用的螺栓装配时须要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。 1. 受拉螺栓联接 装配时不须要拧紧 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 4 / 3 . 1 2 1 0 d Q 切应力： 16 / 3 1 1 d T = 16 / 2 ) ( 3 1 2 0 d d tg Q + = 4 / )
46、 ( 2 2 1 0 1 2 d Q tg d d + = 对于M10M68的普通螺纹，取d 1 、d 2 和的平均值， 并取： tg = f = 0 . 1 5 得： 0.5 （） 当量应力： 2 2 3 + = c 2 2 ) 5 . 0 ( 3 + = 强度条件： 3 . 1 分母为抗剪截面系数 4 / 2 1 0 d Q 拉应力： w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 受横向工作载荷的螺栓强度 螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力F a 导致接合面所 产生的摩擦力应大于横向载荷F。 C-可靠性系数，常取C=1.11.3 mf CF F a 预紧力F a ： f-摩
47、擦系数，对钢与铸铁，取: f =0.10.15 m-结合面数 上图m=1,下图m=2 若取 f =0.15， C=1.2, m=1, 则： F a 8F 结构尺寸大 F F F F/2 F/2 F a F a F a F a w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 2)受轴向工作载荷的螺栓强度 p D 2 /4 Q F = Z 设流体压强为p，螺栓数目为Z，则 缸体周围每个螺栓的平均载荷为： p Q F Q F D 采用无间隙的铰制孔螺栓。 改进措施： 采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用 w w w .h z k y .c o m.c n浙江大学专用 特别注意，轴向载荷： 松弛状态 Q Q 0 +Q F 预紧状态 2 1 Q 0 Q 0 受载变形 Q r Q r Q F Q F Q 0 Q 0 加预紧力后螺栓受拉伸长 1 被联接件受压缩短 2 螺栓总伸长量增加为: 总拉力为： 被联接件压缩量减少为： 残余预紧力减少为： Q r 加载Q F 后: Q Q Q=Q F +Q r 很显然: Q r Q 0 + 1 2 - 被联接件放松了 w w w .h z k y .c o m.c
