机械设计教程.pdf

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1、第一章 机械设计概论 （一）教学要求 了解机械设计一般步骤和方法，掌握机械零件常见失效形式和计算准则 （二）教学的重点与难点 失效形式和计算准则 （三）教学内容 11 机械设计课程的性质与任务 一、本课程的研究对象 机械系统-主体 机架 零件 电气系统 各种机构 部件 通用零件 机器（机械） 机械零件 液压气动系统 构件零件 专用零件 控制监测系统 标准零件 机械零件 ， “三化”一系列化、标准化、通用化三化程度是衡量产品优劣的 非标准件 重要指标 机械设计：是为了机器的某些特定功能要求而进行的创造性工作。 本课程的研究对象：为一般参数的通用零件的设计理论与设计方法 本课程的性质：是以一般通用

2、零件的设计计算为核心的设计性课程，是一门设计性、综合性 和实践性都很强的技术基础课。 见教材 本课程的任务：1）树立正确的设计思想 2）掌握通用机械零部件的设计原理、方法和一般规律。 3）掌握一定的设计技能（查阅资料，运用标准、规范。 ） 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得基本的实验技能。 5）了解机械设计的最新动态。 学习本课程的注意事项：1）注意理论联系实际，将机械零件的设计放到整个机械系统中加 以考虑。 2）注意掌握零部件的共性 3）掌握机械零部件设计的一般思路 12 机械设计的基本要求及设计程序 一、机械设计的基本要求 1、对机械设计的要求 a) 对机器使用功能方面的要求 要注意协调

3、、平衡！ b) 对机器经济性的要求 设计经济性， 使用经济性 要有最佳的性能价格比 2、对机械零件设计的基本要求 a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能 b) 要尽量降低零件的生产、制造成本 对机器的设计要求和对机械零件的要求、两者相互联系、相互影响 二、机械设计的一般程序 1、机器设计的一般程序，如表 1-1 阶 段 技术设计试制、试验 小批生 产试销 投产 原理方案设计 市场调研 可行性研 目 标 设计任务书 定出最佳方案 装配图零件图 样机评价 考核工艺性 产品 及其它技术文件 改进 收集用户意见 销售 对具体的机器，其设计程序可能各不相同。 2、机械零件设计的一般步

4、骤 1）建立零件的受力模型，确定零件的计算载荷KPPca=名义载荷（公称载荷、额定 载荷） K载荷系数 2）选择零件的类型与结构 3）选择零件的材料 4）按可能的失效形式确定零件的计算准则 ，并确定零件的基本尺寸，并加于标准化和 圆整 5）零件的结构设计 6）绘制零件的工作图，并编写计算说明书。 设计计算 机械零件计算 交替进行 校核计算 13 机械零件的主要失效形式和设计计算准则 一、机械零件的失效形式 失效： （定义）零件丧失正常工作能力或达不到设计要求的性能时，称为失效 失效形式 强度失效 整体强度 刚度失效 表面强度 磨损失效 振动、噪声失效 精度失效 可靠性 二、机械零件的计算准则

5、工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度称为 计算准则：以防止产生各种可能失效为目的而拟定的零件工作能力计算依据的基本原 则，称为 1、强度准则 t lin lin S S = = 疲劳极限 塑性材料 脆性材料 )( )( )( )( YY SS BB linlin lin 极限应力 计算安全系数 SSa、)()( SSBB 、静强度 2、刚度准则 刚度：零件在载荷作用下抵抗变形的能力 按强性力学或材料力学方法计算 yy 变形量 许用变形量 y可以是挠度、偏转角或扭转角 3、耐磨性准则 耐磨性是指作相对运动的零件其工作表面抵抗磨损的能力 磨损的后果：表面形状破坏，强度削弱、精度下降、振动、噪音

6、破坏 80%零件失效的基本原因是磨损。 准则： vpvppp, 4、振动和噪声准则（环保）高速机械或对噪声有特别要求的机械振动是噪声产生 的原因 要求机械振动频率远离机械的固有频率，特别是一阶固有频率 f，即 p f ffff pp 15. 1,85. 0 NN 7 0 10= NN1= N K 350HBS 钢，时，取 7 0 7 0 1025,10)2510(=NNN 7 0 1025= NN，1= N K 有色金属， （无水平部分） ，规定当时，取 7 1025N 7 0 1025= NN m指数与应力与材料的种类有关。 钢 m=9拉、弯应力、剪应力 青铜 m= 9弯曲应力 m=6接触应

7、力 8接触应力 越大，材料的疲劳极限 N 与 越大，1=（对称循环）最不利。 2、材料的疲劳极限应力图同一种材料在不同的下的疲劳极限图（ am 图） 对任何材料（标准试件）而言，对不同的下有不同的 ，即每种下都对应着该材 料的最大应力 = max ，再由可求出 maxmin =和 m 、 a 4 以 m 为横坐标、 a 为纵坐标，即可得材料在不同下的极限 m 和 a 的关系图 )( 111 m )( 222 m 简化的材料与零件的疲劳极限详应力图： 如图 2-7AB塑性材料所示，曲线上的点对应着不同下的材料 疲劳极限 （相应的应力循环次数为） 0 N ), 0( 1 A 对称极限点 1max

8、2 , 1, 0 = m )0 ,( B B1, 0 max += mlina 强度极限点 ) 2 , 2 ( 00 D 22 max = ma ，0=， 2 0 = ma 脉动疲劳极限点 )0 ,( s C屈服极限点 简化极限应力线图：简化极限应力图可简化计算（曲线不好求CGDA lin ，而 直线好求 lin ） 考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，由)0 ,( s C点作 135（与 m 轴）斜 线与DA的延长线交于，得折线 G CGDA，线上各点的横坐标为极限平均应力 m ， 线上各类的纵坐标为极限平均应力幅 a G A 上各类： amlin += max ，如 maxmax 5 摩

9、擦表面间的润滑膜厚度大到足以将两个表面的轮廓完全隔开时，即形成了全液体摩 擦，f 极小，是理想摩擦状态。 32 磨损 磨损是摩擦的直接结果，使材料损耗，工作精度，可靠性，一般是有害的， 但工程上也有利用磨损作用的场合：如精加工中的磨削与抛光、机器的跑合等。 一、典型的磨损过程如图 36 1、磨合磨损过程形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继 续改变，所占时间比率较小。 2、稳定磨损阶段经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条 件保持相对稳定，磨损较缓习该段时间长短反映零件的寿命。 3、急剧磨损阶段经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大动载、振动 润滑状态改

10、变温升使磨损速度急剧上升直至零件失效 注意：实际机械零件在使用过程中，这三个过程无明显界限。 若不经跑合，压力过大，v 过高或润滑不良等，则经跑合直接进入剧烈磨损阶段。 二、磨损的类型 1、粘着磨损由于吸附膜破裂而使轮廓直接接触形成冷焊结点（粘着） ，并由于接 触表面间的相对运动使材料由表面转移至另一表面， 载荷越大， 温度越高， 粘着越严重。 粘着磨损程度： 1）轻微磨损（较浅层） 2）涂抹（剪切在软金属浅层） 3）划伤（剪切在软金属浅层硬表面划伤） 4）撕脱（剪切在基本金属较深处） 胶合高速重载接触副常 5）咬死 见失效形式 2、磨粒磨损由于外部进入的硬质颗粒或摩擦表面上的硬质突出物在较软

11、的材料表 面（犁刨出很多沟没时被移去的材料）进行微切削的过程叫磨粒磨损。 零件材料表面越硬，磨损越小，一般要求金属材料的硬度应至少比磨粒硬度大 30%。 3、表面疲劳磨损受交变接触应力的摩擦副表面微体积材料在重复变形时疲劳破坏 而从摩擦副表面剥落下来，这种现象称表面疲劳磨损（点蚀） 。 减少表面疲劳磨损的措施：1）减小接触应力；2）提高硬度；3）减小表面粗糙度；4） 适当提高润滑油的粘度，在润滑油中加入极压添加剂和固体润滑剂。 4、腐蚀磨损摩擦过程中，金属与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的磨 3 损。 腐蚀磨损 氧化磨损铝合金表面酸、水、氧化膜起保护作用，钢铁表面脆性氧化膜 22O F

12、e、起腐蚀作用。 43O Fe 特殊介质腐蚀磨损与酸、碱、盐等特殊介质作用而引起的腐蚀磨损。 a) 侵蚀磨损由于流体在与零件作相对高速运动时产生气泡，气泡在溃灭的瞬间产 生极大的冲击力和高温，由于其反复作用，使零件表面产生疲劳破坏出现麻点，并扩展为海 绵状空穴气蚀磨损。 侵蚀磨损 气蚀磨损内燃机和缸套外壁，水轮机叶片，水泵零件等 冲蚀磨损由于流体夹带硬质颗粒以一定速度冲击零件表面引起的磨 损称为，如水泵零件、水轮机、火箭尾部喷管等。 b)微动磨损是一种较隐蔽的由粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损共同形成 的一种复合磨损。 它发生在名义上相对静止、实际上存在循环的微幅相对滑动的两个紧密接触的

13、表面上。 机理：1）先粘着磨损氧化（腐蚀磨损）氧化后的颗粒留在接触处而起磨粒作用， 造成表面磨粒磨损工作表面变粗糙，引起疲劳裂纹。 33 润滑 润滑剂的作用：除了降低摩擦，减小磨损外，还起到冷却、降温，减缓锈蚀，缓冲吸振、 清污和密封等作用。 一、润滑剂及主要性能 润滑剂 液体（水、油） （橡胶、塑料零件的润滑） 单固体润滑脂 固体石墨、二硫化钼 气体（空气） 适于高速高温、防污染等特殊场合 常用 润滑滑 润滑脂 1、润滑油 有机油（动植物油）使用较少，性能不稳定 矿物油（石油产品）来源广、成本低，适用范围广且稳定性好， 故应用最为广泛 合成油（用化学手段合成）有特殊性能，针对特殊用途，且成本

14、较高 性能指标： 1）粘度表征润滑油流动时其油层内摩擦阻力的大小的一个主要指标，详见后面定 义。 2）油性润滑油的极性分子与金属表面吸附形成的边界油膜的吸附能力。在低速、 重载的情况下，一般都是边界润滑，油性就有特别重要的意义。 3）凝点润滑油冷却到不能流动时的温度称，在低温下工作的机械应用凝点低的 润滑油。 4）闪点和燃点蒸发的油气，一遇火焰即能闪光时的最低温度，称为油的闪点。闪 光时间长达 5S 时油温称为燃点。高温工作时应选闪点较高的润滑油。 5）极压性能是指加入含硫、磷、氯的有机极性化合物（极压添加剂）后，油中极 性分子在金属表面生成抗腐，耐高压化学反应边界膜的性能。在重载、高速、高温

15、条件下极 压性很重要。 6）氧化稳定性防止高温下润滑油氧化生成酸性物质从而影响润滑油的性能并腐蚀 4 金属。 常用润滑油新旧牌号对照及性能和应用见表 3-2，注意，牌号数值越大，润滑油粘度越 高。 2、润滑脂润滑油加稠化剂（如钙、钠、锂的金属皂）的膏状混合物 分类按皂基不同 钙基润滑脂抗水性好，价谦，但耐热性差 T110 很高粘度指数 （2）压力 p p e 0 = p 润滑油在压力 P 时的动力粘度，Pas；e=2.718自然对数底 0 标 准 大 气 压 时 P的 动 力 粘 度 ， Pa s ； 粘 压 指 数 （ m2/N） 一 般 ，一般润滑条件下，P的影响可以不计。 Nm /10)

16、31 ( 28 P10MP时，随PP，在弹性流体动力润滑时考虑，如果轮啮合处 MP1000= 三、流体润滑简介 1、流体动力润滑 液体动力润滑 优点： f小 磨损小，缓冲吸振 气体动力润滑 两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜而完全隔开， 而由流体膜产生的压力来平衡外载荷，称为流体动力润滑。 实现条件： 1）两滑动表面沿运动方向的间隙是由大至小的形状。 2）相对速度 v 足够大，油楔中有足够的油量。 详见第十二章 V 越大、承载能力越大。如图 3-10 2、弹性流体动力润滑考虑弹性变形和压力两个因素对粘度影响的流体动力润滑称 为 流体动力润滑时，一般忽略润滑表面弹性变

17、形和压力对润滑油粘度的影响。适于低 副接触，而高副接触时， （如齿轮副、滚动轴承、凸轮等）P 可达 1000MP，这时随 P 变化且摩擦表面间不能忽略，局部弹性变形影响。 将油膜压力下摩擦表面的变形的弹性方程 1）油膜压力分布 研究内容： 润滑剂的粘度与压力关系的粘压方程 联合求解 流体动力润滑方程 2）油膜厚度分布 如图 3-11 所示，为两平行圆柱体在弹性流体动力润滑条件下，接触面弹性变形、油膜 厚度和压力分布示意图。 7 3、流体静力润滑 利用外部供油（气）装置，将一定压力的流体送入两摩擦表面之间以建立压力油膜的 润滑称为流体静力润滑。 如图 3-12 所示为典型的流体静力润滑系统示意图

18、。 正常使用时，压力油不断从节流间隙外泄，又不断得到油泵补气。如果流量补偿随时 和排出量相等，则油膜厚度将恒定不变，油膜刚度变为无穷大（理想状况） ，如果流量补偿 跟不上排出流量，则载荷增大，油膜厚度将减小。 补偿流量装置补偿元件：毛细管节流器、小孔节流器、定量泵等。 优点：1）油膜与速度 v 无关；2）起动、工作和停止时，始终不会发生金属直接接触， 不易磨损，精度保持性好，寿命长；3）油膜刚度大，承载能力高，抗振性好；4）承载能力 与油粘度无关。 缺点：需一套供油装置 应用：重型、高效、精密的机器上、用于（轴承、导杆、蜗杆副、传动螺旋中） 8 第四章 螺纹联接与螺旋传动 （一）教学要求 1、

19、 掌握螺纹联接类型及防松方法，松、紧螺栓联接强度计算 2、 掌握螺栓组设计方法，了解提高螺纹联接强度的常用措施和螺旋传动的设计 （二）教学的重点与难点 1、 螺纹联接类型及防松原理，紧螺栓联接的强度计算 2、 螺栓组联接的设计与受力分析 （三）教学内容 41 螺纹 为使机器制造、安装、调整、维修和运输、减重、省科、降成、提高效率、等等 必 须采用各种方式联接成整体， 才能实现上述要求。 因此一个出色的设计者应了解联接的种类、 特点和应用，熟悉联接设计的准则。掌握好设计的方法。 联接近代机械设计（机器设计）中最感兴趣的课题之一，也是近一些年来，发明创造最 多的。 在通用机械中，联接件占总零件数的

20、 2050%。如 Boengs 747 中有 250 万个紧固联接件 联接： 静联接被联接件间不充许产生相对运动 不可折联接：铆、焊、介于可折不可折之间，胶（粘）接等 可折联接：螺纹、键、花键、销、成型而联接等 动联接被联接零件间可产生相对运动各种运动副联接 一、螺纹的形成 如图 4-1 所示：把一锐角为的直角三角形绕到一直径为 d 的圆柱体上，绕时底边与圆 柱底边重合，则斜边就在圆柱体上形成一条空间螺旋线。 如用一个平面图形 K（如三角形）沿螺旋线运动并使 K 平面始终通过圆柱体轴线 YY- 这样就构成了三角形螺纹。同样改变平面图形 K，同样可得到矩形、梯形、锯齿形、圆弧形 （管螺纹） 二、

21、螺纹的类型 螺纹 三角形（普通螺纹） 、管螺纹联接螺纹（精密传动） 按牙型 矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿形螺纹传动螺纹 按位置 内螺纹在圆柱孔的内表面形成的螺纹 螺纹 外螺纹在圆柱孔的外表面形成的螺纹 三角形 粗牙螺纹用于紧固件 螺纹 细牙螺纹同样的公称直径 d 下，P 小，自锁性好，适于薄壁细小零件和 冲击变载等情况 根据螺旋线 左旋图 4-2b 绕行方向螺纹 右旋常用 单头螺纹（n=1）用于联接 根据螺旋 双头螺纹（n=2） 线头数 多线螺纹（n2） 用于传动 三、螺纹的主要参数（图 4-3） 1）外径 d（大径） （D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径亦称公称直径 2）内径（小径）d1(D

22、1)与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径，在强度计算中作 危险剖面的计算直径 3）中径d2在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹 的平均直径 d20.5(d+d1) 4）螺距 P相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离 5）导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向 距离 6）线数 n螺纹螺旋线数目，一般为便于制造 n4 螺距、导程、线数之间关系：L=nP 7）螺旋升角在中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。 2 2 / d nP arctgdarctgL = 8）牙型角螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）牙型斜角螺

23、纹牙型的侧边与螺纹轴线的垂直平面的夹角。对称牙型 2 = 各种螺纹 （除矩形螺纹） 的主要几何尺寸可查阅有关标准公称尺寸为螺纹外径对管 螺纹近似等于管子的内径。 螺旋副的自锁条件为： rv arctgf f tg= cos 1 （见机械原理） 螺旋副的传动效率为： )( v tg tg + = 克服轴向力 Q 匀速上升所需的圆周力 2 )( 2 )( 22 d Qtg d FTQtgF vv +=+= 四、常用螺纹的种类、特点与应用，比较具体见表 4-1，为加深印象，特列表如下（管螺纹 除外） 。 英制细牙螺纹，= 55，内外螺纹旋合后无径向间隙，以保证配合紧密，公称直径为 管子内径，适于MP

24、P6 . 1以下的水、煤、气、油等管路。 常用螺纹的比较（管螺纹除外类似于三角形） 名称 三角 梯形 锯齿 矩形 剖面形状 结构特点 牙型角 正三角形 =60 等腰梯形 =30 不等腰梯形 =30 正方形 =0 牙型倾角 =30 =15 =3 =0 Fv=f/cos=1.155f fv=1.035f fv=1.001f fv=f 536 1 = fvtg v 555 cos 1 = f tg v 745= v 错误！链接无效。错误！链接无效。 当量摩擦系数 -fv )( v tg tg + =（在螺纹升角相同的条件下） 条件 v 当（p、d、tv材料相同的条件下）t0旋合长度 当量摩擦角- v

25、 传动效率 自锁性 牙根强度 工艺性能 即可车 又可铣 只能车不能铣 一般应用 联接 传动 传动 传动 由 P 分：粗牙 Md 用于紧固件 特适于高效、 轻 载传动如高低 机、方向机等， 但强度低、 精度 差、 磨损后有间 隙，加工艺性 差，为便于铣 磨， 现已改用 =10,=5 性能介于梯形 与矩形之间， 适 于单向传动， 单 面工作（3） 应用千斤顶等 可靠、防震性好，适于 重要的动力传动，要求 精密强度高等，适于双 向传动，如车库丝扭、 双面工作。用部分螺母 可调间隙，应用广泛。 细牙 Mdxpd 同而 d 小，因而P， 自锁性， 适于薄壁 细小零件、冲击、变 载等场合联接 特点（优缺点

26、 及结构性能） 自行设计： p=1/4d,d=5/4d1 h=1/8d1 42 螺纹联接的类型及螺纹联接件 一、螺纹联接主要类型 口述：四种基本类型，两个变种（地脚与吊环） 。根据设计应用情况，今后工作需要， 抽讲两点最重要的内容，其余以自学为主。 注意：结构特点、作用与应用场合 1、螺栓联接 普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母 配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装折方便，可多个装 拆，应用较广。 精密螺栓联接装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合 铰制孔螺栓联接（H7/m6,H7/n6） 2、双头螺栓联接

27、螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一 端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被 联接件中拧出。 3、螺钉联接 螺钉联接适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔） ，不需经常装拆，一端有螺钉头， 不需螺母，适于受载较小情况（手册无六角头螺钉，L0=L即可） 4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中 以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。 特殊联接：地脚螺栓联（图 4-6a,b） 吊环螺钉联接（图 4-8） 二、螺纹联接件螺栓联接（图 4-9）用于工艺联接 普通螺栓 六角头：小六角头，标准六角头，大六角头

28、 1）螺栓 圆柱头（内六角） 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小 螺栓 粗制 精制机械制造中常用 2）双头螺栓两端带螺纹 A 型有退刀槽 施入端长度也各有不同。 B 型无退刀槽 3）螺钉种类繁多 半圆头 一字槽 平圆头 十字槽 共有 按头部形状 六角头 头部起子槽 内六角孔 圆柱头 一字加十字槽 沉头 要求全螺纹 与螺栓区别 要求螺纹部分直径较粗 4）紧定螺钉 锥端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 末端 平端接触面积大、 不伤零件表面， 用于顶紧硬度较大的平面， 适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置 适于较轻材料和金属薄板 5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹 6）螺母 六角螺母：标准

29、，扁，厚 圆螺母（与带翅垫圈）+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌 入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧。 螺母 粗制 精制 粗制 平垫 精制 A 型 7）垫圈 普通垫圈 斜垫 B 型带倒角 防松垫圈（弹簧垫圈）起防松作用 带翅垫圈等 4-3 螺纹联接的预紧与防松 一、预紧 螺纹联接 松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用轻少用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，已预先受力，预紧力QP 预紧目的： 保持正常工作。 如汽缸螺栓联接， 有紧密性要求， 防漏气， 接触面积要大性， 靠摩擦力工作时，增大刚性等。必拧紧 增大刚性增加联接刚度、紧密性和提高防松能力 预紧力QP预力轴向

30、作用力（拉力） 但：预紧过紧拧紧力过大QP螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力QP过小工作不可靠 22 11 4 1 mmdA= 1 )7 . 06 . 0(AQ SP = 螺栓最小剖面积 一般：碳钢： 1 )6 . 05 . 0(AQ SP = 合金钢： S 屈服极限 MPa 板手拧紧力矩T=FHL （4-4） FH作用于手柄上的力，L力臂。 拧紧时螺母：T=T +T 12 T拧紧，T1螺纹，T2端面摩擦力矩 螺栓：T1=T3+T4 T1螺纹，T3钉头，T4夹持 2 )( 2 1 d tgQT vP += （4-5） 其中：螺纹阻力矩： )( 3 1 2 0 2 1 3 0 3 1 2

31、dD dD QfT pc = （4-6） 端面摩擦力矩： 其中：fc螺母与支承面间的摩擦系数，取fc =0.15 D ,d 10支承面的内、外直径。见图 4-8 其余参数同前。 )( 3 2 )( 2 1 2 0 2 1 3 0 3 1 221 dD dD ftgdQTTT cvp +=+= （4-7） )( 3 2 )( 2 1 2 0 2 1 3 0 2 12 dD dD d f tg d d K c v += dQ dD dD d f tg d d T P c v +=)( 3 2 )( 2 0 2 1 3 0 2 12 dKQT P =则 （4-8） 一般 K=0.10.3 M 螺母，

32、将其标准参数代入，经简化后得K0.2 对M10 68 即：T=0.2QPd (4-9) 而T=FHL=FHd QP=75FH说明d过小螺栓易过载！ (一般 L=15d) 注：由于 dM 易过载 10 dM68应力分布不均 最好取d=M M 1630 预紧力QP的控制测力矩板手测出预紧力矩图 4-9，图 4-12 定力矩板手达到固定的拧紧力矩 T 时， 弹簧受压将自动打滑。 图 4-10，图 4-13 测量预紧前后螺栓伸长量S精度较高。 二、防松： 23241= 为什么还要防松：目的 理论上，螺纹联接升角 v 0 P Q P Q P Q 的取法 =（1.51.8）F有密封要求 =（0.20.6）

33、F 载荷稳定 P Q =（0.61.0）F 载荷不稳定 一般联接 P Q P Q 地脚螺栓联接 F FQFQQFQ PPP +=+=+= 结论： ) 1(+ CPmb KFQQCC 最不利的情况 讨论：1）当 )0(0，即F d) P Q5）为联接紧密、不漏气，要求 6）计算时： 两者均可根据已知条件行事 += += FQQ FQQ P P a）轴向静大紧螺栓联接强度计算 静大 F 不变，Q 为静大，但考虑补充拧紧防断 强度条件： 4 3 . 1 2 1 = d Q ca （MPa） (4-22) 验算公式： 43 . 1 1 d （mm）(公称直径) （4-23） 设计公式： b）轴向变载荷

34、紧螺栓联接强度计算 图 4-20 分析：当工作载荷，上 0F。 Q 2 1 max 4 d Q = 2 1 min 4 d QP = 螺栓总载，由Q 则 P Q P Q P Q 部分载荷，由 00 F 2 F 2 1 2 1 2 4 1 2/ d FK d F C a = = A当只进行验算时，其强度条件按C= min 公式进行按式（2-26）进行疲劳强度 计算 变载荷螺栓大多为疲劳破坏， 而应力幅是变载荷下螺栓疲劳强度的主要因素， 对变 载荷的紧螺栓联接，不仅应按最大应力进行强度计算，还要验算螺纹部分的循环应力幅，即 强度条件： 4 3 . 1 2 1 max = d Q ca Mpa (4

35、-24) 最大拉应力： 循环应力幅： 2 2 1 = d FKC a Mpa (4-25) 1 n S / 1 =螺栓的最大许用拉应力，钢螺栓， S 见表 48，n安全系 数，表 49 n=1.252.5 aa nc/ 1+ = a 螺栓的许用应力幅 Mpa 钢螺栓 tc 1 对称循环拉压疲劳极限（表 4-8） 应力幅安全系数表 4-9 a n k 有效应力集中系数表 4-10 尺寸系数表 4-9 再按式（4-25）校核。 3、当验算不满足时措施：a) a dd 1 b)最好改善结构、降低应力集中。包括：工艺、结构、制 造、，适当提高等综合措施。 P Q m c b c 三、螺栓材料与许用应力

36、计算 1、材料 P289 表 4-6，4-7 对照自学 螺母、螺栓强度级别：保谓强度级别；如何分级；标记方法 1）据据成的机械性能，把栓母分级，并以数字表示，此乃强度级别如 5-6，8-8 2）所依据机械性能为抗拉强度极限 minB 和屈服极限 minS ； 螺栓级别用带点数字表示 点前数字为100/ minB 点后数字为 minmin / Bs 螺母级别用100/ minB 表示 注意： 选择对螺母的强度级别应低于螺栓材料的强度级别， 螺母的硬度稍低于螺栓的硬 度（均低于 2040HB） 2、许用应力 n S =许用拉应力： S 表 4-8 n表 4-9 P85 已知：不控制的紧螺栓联接，易

37、过载。设计时应取较大的完全系数。控制预紧力 时可取较小的安全系数 n。显然 n， P Q 与 d 有关。设计时，先假设 d，进行试算，选取 一安全系数进行计算，计算结果与估计直径相比较，如在原先估计直径所属范围内即可，否 则需重新进行估算。 试算法： d (d)与假设比较：符合完成；不符合重算 设计时先假设dn和 1 P 许用剪切应力与许用挤压应力： tS n/= （Mpa） S 、 B 表 4-8 = 铸铁 钢 / / PB PS P n n (Mpa) nt，nP安全系数，表 4-12 试算法：设计时先估d，如d=1630mm，在表 4-9 中选n算求d1 再根据d 查d在此范围，则合格

38、1 如d30 或d= W M A ZQP MQPP （4-35） 若受有横向载荷PH，板不滑动条件为： （PV轴向载荷） HSHVCP PKPPKZQf=)( （4-35） )( 1 VC HS P PK f PK Z Q+= 则 QP单个螺栓拧紧力（N） 2 A底座与支承面的接触面积（mm ） A=a(b-c) 如图 4-25 中A=a(b-c) W底座接合面的抗弯截面模量（mm3） ()( 6 1 22 cbaW=) P 接合面材料许用挤压应力 Mpa 表 4-13 mb m C CC C K + =被联接件相对刚度 实际使用中螺栓组联接所受的载荷是以上四种简单受力状态的不同组合。 计算时

39、只要分 别计算出螺栓组在这些简单受力状态下每个螺栓的工作载荷， 然后按向量叠加起来， 便得到 每个螺栓的总工作载荷。再对受力最大的螺栓进行强度计算即可。 说明：工程中受力情况很复杂，但均可转化为四种典型情况进行解决。 计算公式在对称分布情况下推导，但不对称照用。 取转轴不同，公式计算精度不同。 钢对木材底板绕 O-O 轴好 钢、水泥底板绕边缘螺栓好 具体情况具体分析具体处理。 钢对铸铁板绕底板边缘好 不可视为教条，不同轴结果不同。 总设计思路：螺栓组结构设计（布局、数目）螺栓组受力分析（载荷类型、状态、形 式）求单个螺栓的最大工作载荷（判断那个最大）按最大载荷的单个螺栓设计（求 d1 标准）全

40、组采用同样尺寸螺栓（互换目的） 4-6 提高螺栓联接强度的措施 影响联接强度的因素很多，如材料、结构、尺寸、工艺、螺纹牙间、载荷分布、应力幅 度、机械性能，而螺栓联接的强度又主要取决于螺栓的强度。 一、改善螺纹牙间载荷分布不均状况，图 4-26，4-27 工作中螺栓牙要抗拉伸长， 螺母牙受压缩短， 伸与缩的螺距变化差以紧靠支承面处第一 圈为最大，应变最大，应力最大，其余各圈（螺距 P）依次递减，旋合螺纹间的载荷分布如 图 4-27 所示，按茹可夫斯基试验证明 采用圈数过多的加厚螺母，并不能提高联接的强度。 办法：降低刚性，易变形、增加协调性，以缓和矛盾 图 4-28 挂图 a) 悬置螺母强度4

41、0%（母也受拉，与螺栓变形协调，使载荷分布均匀） b) 环槽螺母强度30%（螺母接近支承面处受拉） c) 内斜螺母强度20%（接触圈减少，载荷上移） d) （b）(c)结合螺母强度40% e) 不同材料匹配强度40% 二、减小应力集中的影响 三、降低螺栓应力幅（ a ） 2 F 由前知， a 有两种办法，或同时使用效果最佳 ， 1、降低螺栓刚性作图法分析 即 abb FC,则 （1）条件： m 、F、不变，、Q 减小， P Q P Q 12bb 1212 , aa FFQ 理想方法。 P2 四、减小应力集中的影响，图 4-29 螺纹牙根、收尾、螺栓头部与螺栓杆的过渡处等均可能产生应力集中。 1

42、）加大过渡处圆角，(图 4-29a) 2）改用退刀槽2040%（螺纹收尾处） 3）卸载槽，(图 4-32b) 4）卸载过渡结构。 （图 3-32c） 五、 （工艺方法）采用合理的制造工艺 1）用挤压法（滚压法）制造螺栓，疲劳强度3040% 2）冷作硬化，表层有残余应力（压） 、氰化、氮化、喷丸等。可提高疲劳强度 3）热处理后再进行滚压螺纹，效果更佳，强度70100%，此法具有优质、高产、低 消耗功能。 4）控制单个螺距误差和螺距累积误差。 例 4-1 自学 龙门起重机导轨托架螺栓组联接 习题：4-20（两板各用 4 个螺栓与主轴相联） 。托架承受的最大载荷为 F=20KN，载荷 有较大变动 试

43、问：1）用普通螺栓与铰制孔螺栓，那个为宜？ 2）如用铰制孔螺栓，其直径为多大？ 注意：当图上划出T、P、Ri时，则F不划，否则矛盾。 解 一、阻止板下滑用铰制孔螺栓为宜，便于装配、调整、定位。 二、设计铰制孔用精螺栓尺寸 1、每半边板受力 2、力向回转中心简化在P作用下各螺栓剪力，在T作用下各螺栓剪力，V、R ii力方向如 图 3、求各螺栓总剪力 R中最大者 Rmax 4、材料、许用应力 5、螺栓光杆直径 6、螺栓标准化 )(1000102/202/NKNFP= ).(1033001010. 63 mmNLFT= 划出力学模型P、V、R ii与T )(2500 4 10000 4321 N Z

44、 P VVVV= N r Tr RRRR Z i i 3 222 226 1 2 max 4321 101 . 7 )5 . 75 . 7(4 5 . 75 . 7103 = + + = = mmrrrrr Z 6 .105 . 75 . 7 22 4321 =+= TrRrRrRrR=+ 44332211 由变形卡加调条件知 NRRRR 3 4321 101 . 7= )(101 . 7 104 103 4 3 6 6 4321 N r T RRRR= = )106(6 .105 . 75 . 7 22 max4321 mmrrrrr+= 4321 ,RRRR中最大者为 2，3 两个螺栓 )(9050 45cos101 . 7105 . 22)101 . 7()105 . 2( )45180cos(101 . 75 . 22)101 . 7()105 . 2( 45cos2 632323 62323 22 2 2 2 232max N RVRVRRR += += += 选螺栓材料（6.6 级45# B S =Mpa, =360Mpa） Mpan S 904/360/= 由表 4-12 知 45#由表 6-1 知，Mpa S 360= 载荷变动时（=0.4 S ） ，下降 30% S 4