機械原理與設計-現(xiàn)代機器的認知、分析與設計 課件 ch11 齒輪傳動;ch12- 鍵聯(lián)接、螺紋聯(lián)接與螺紋傳動

“設計與制造II”課程

第五章齒輪傳動III

設計與制造II目錄設計準則齒輪傳動失效形式齒輪傳動強度計算齒輪參數(shù)及結構設計機械零件設計概述機械零件既要工作可靠又要成本低廉在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、成本低；在預定使用期限內(nèi)安全可靠，操作方便、維修簡單和造型美觀等。機械零件由于某種原因不能正常工作時，稱為失效。若發(fā)生解體(如斷裂)或失去原有的幾何形態(tài)(如產(chǎn)生塑性變形)，稱為破壞。零件的主要失效形式：斷裂或塑性變形;過大的彈性變形;工作表面的過度磨損或損傷;發(fā)生強烈的振動;連接的松弛;摩擦傳動的打滑為防止失效而制訂的判定條件，通常稱為工作能力計算準則。運用上述準則進行設計時也稱為設計計算準則機械零件設計概述機械零件失效的原因設計不合理：主要是指零件結構和形狀不正確或不合理另一方面是指對零件的工作條件、過載情況估計不足，造成零件實際工作能力不足，致使零件早期失效。選材不合理：選材所依據(jù)的性能指標不能反映材料對實際失效形式的抗力，選擇了錯誤的材料；所選用的材料質(zhì)量太差。加工工藝不合理：零件的加工工藝不當，可能會產(chǎn)生各種缺陷，導致零件在使用過程中較早地失效。安裝使用不當：裝配和安裝過程不符合技術要求，如安裝時配合過緊、過松，對中不準，固定不穩(wěn)等都可能導致零件不能正常工作或過早出現(xiàn)失效；此外，使用過程中違章操作、超載、超速、不按時維修和保養(yǎng)等也會造成零件過早出現(xiàn)失效。材料性能參數(shù)13大材料性能：強度、剛度，硬度屈服強度+抗拉強度脆性材料與塑性材料材料性能參數(shù)應力-應變曲線從左到右依次經(jīng)過比例極限，屈服點，抗拉強度，斷裂。從屈服點到抗拉強度之間的塑性變形又叫應力硬化；抗拉強度之后的變形因為是不均勻變形，所以叫縮頸。低碳鋼(塑性材料)機械零件設計概述

機械零件設計概述復雜應力狀態(tài)下的強度分析存在的問題對于復雜應力狀態(tài)，危險點的強度并不僅僅取決于橫截面上的應力，也不僅僅取決于某一種應力，而需要考慮各個方向的應力的共同作用。復雜應力狀態(tài)各式各樣，無窮多種；實驗無窮無盡不可能測出每一種應力狀態(tài)的極限應力。有些復雜應力狀態(tài)的實驗，技術上難以實現(xiàn)。強度理論：為了建立復雜應力狀態(tài)下的強度條件，根據(jù)大量的破壞現(xiàn)象，通過判斷、推理、概括，提出了種種關于破壞原因的假說，找出引起破壞的主要因素。經(jīng)過實踐檢驗，不斷完善，在一定范圍與實際相符合，上升為理論。機械零件設計概述建立復雜應力狀態(tài)下強度條件的過程：觀察破壞現(xiàn)象尋找破壞原因分析失效應力提出材料破壞規(guī)律假說試驗驗證強度理論第一強度理論：最大拉應力理論，拉伸為主的脆性破壞第二強度理論：最大應變理論，壓縮為主的脆性破壞第三強度理論：最大切應力理論，塑性屈服破壞；趨于安全，工程上常用第四強度理論：形狀改變能量密度理論，塑性屈服破壞；更符合試驗結果強度理論

疲勞強度

接觸強度接觸應力：赫茲公式德國物理學家海因里希·魯?shù)婪颉ず掌潱℉einrichRudolfHertz）于1882年提出的有關彈性體接觸的理論公式，是研究疲勞、摩擦以及任何有接觸體之間相互作用的基本方程。

接觸強度最大應力發(fā)生在接觸區(qū)中線最大應力發(fā)生在接觸區(qū)橢圓中心目錄設計準則齒輪傳動失效形式齒輪傳動強度計算齒輪參數(shù)及結構設計典型電機傳動結構齒輪傳動的特點齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，應用廣泛。最常用的是漸開線齒輪傳動。齒輪傳動的特點：效率高，一級圓柱齒輪傳動的效率可達99%傳動比穩(wěn)定：傳動性能的基本要求結構緊湊：工作可靠，壽命長：壽命可達一、二十年齒輪傳動的缺點：制造及安裝精度要求較高價格較貴傳動距離有限閉式齒輪傳動（齒輪箱）按工作條件分開式齒輪傳動齒輪傳動軟齒面（硬度≤350HBS）齒輪傳動按齒面硬度分硬齒面（硬度＞350HBS）齒輪傳動齒輪傳動的類型

整體折斷按輪齒斷齒的形態(tài)分局部折斷疲勞折斷按輪齒的折斷性質(zhì)或損傷機理分過載（靜力）折斷

齒輪傳動的失效形式齒輪傳動的失效形式主要有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合、齒面磨損以及齒面塑性變形五種。輪齒折斷：整體折斷：一般發(fā)生在齒根，這是因為輪齒相當于一個懸臂梁，受力后其齒根部位彎曲應力最大，并受應力集中影響。局部折斷：主要由載荷集中造成，通常發(fā)生于輪齒的一端。在齒輪制造安裝不良或軸的變形過大時，載荷集中于輪齒的一端，容易引起輪齒的局部折斷疲勞折斷：齒輪經(jīng)長期使用，在載荷多次重復作用下引起的輪齒折斷；過載折斷：由于短時超過額定載荷而引起的輪齒折斷。1.輪齒折斷直齒斜齒直齒輪斜齒、人字齒全齒折斷局部折斷直齒輪輪齒的折斷，一般是全齒折斷，如圖(a)斜齒輪和人字齒齒輪，由于接觸線傾斜，一般是局部齒折斷，如圖(b)。脆性折斷疲勞折斷1.輪齒折斷輪齒工作時，其工作齒面上的接觸應力是隨時間而變化的脈動循環(huán)應力。齒面長時間在這種循環(huán)接觸應力作用下，可能會出現(xiàn)微小的金屬剝落而形成一些淺坑（麻點），這種現(xiàn)象稱為齒面點蝕。節(jié)線處嚙合時，相對滑動速度較低，形成油膜條件差，潤滑不良齒面點蝕通常發(fā)生在潤滑良好的閉式齒輪傳動中。2.齒面點蝕齒面膠合是相嚙合輪齒的表面，在一定壓力下直接接觸發(fā)生粘著，并隨著齒輪的相對運動，發(fā)生齒面金屬撕脫或轉(zhuǎn)移的一種粘著磨損現(xiàn)象。發(fā)生在靠近節(jié)線的齒頂面。膠合總是在重載條件下發(fā)生。按其形成的條件又可分為熱膠合和冷膠合。熱膠合發(fā)生于高速、重載的齒輪傳動中。由于重載和較大的相對滑動速度，在輪齒間引起局部瞬時高溫，導致油膜破裂，從而使兩接觸齒面金屬間產(chǎn)生局部“焊合”而形成膠合。冷膠合則發(fā)生于低速、重載的齒輪傳動中。它是由于齒面接觸壓力過大，直接導致油膜壓潰而產(chǎn)生的膠合。3.齒面膠合當鐵屑、粉塵等微粒進入齒輪的嚙合部位時，將引起齒面的磨粒磨損。磨粒磨損不僅導致輪齒失去正確的齒形，還會由于齒厚不斷減薄而最終引起斷齒。閉式齒輪傳動，只要經(jīng)常注意潤滑油的更換和清潔，一般不會發(fā)生磨粒磨損。開式齒輪傳動，由于齒輪外露，其主要失效形式為磨粒磨損。

4.齒面磨損重載時，在摩擦力的作用下，齒輪可能產(chǎn)生齒面塑性變形（也稱齒面塑性流動），從而使輪齒原有的正確齒形遭受破壞。在主、從動齒輪上由于齒面摩擦力方向不同，其齒面變形的表現(xiàn)形式也不同。對于主動齒輪，在節(jié)線附近形成凹槽；對于從動齒輪，在節(jié)線附近形成凸脊。5.齒面塑性變形齒輪的材料及其選擇原則齒輪材料性能基本要求：

齒面要硬，齒芯要韌常用的齒輪材料：鋼：鍛鋼，鑄鋼鑄鐵：抗沖擊及耐磨性較差非金屬材料齒輪熱處理的方法：表面淬火滲碳淬火調(diào)質(zhì)正火滲氮齒輪材料選用原則：材料必須滿足工作條件的要求考慮尺寸的大小閉式傳動：主要失效形式為齒面點蝕和輪齒的彎曲疲勞折斷當采用軟齒面（齒面硬度≤350HBS）時，其齒面接觸疲勞強度相對較低。一般應首先按齒面接觸疲勞強度條件，計算齒輪的分度圓直徑及其主要幾何參數(shù)，然后再對其輪齒的抗彎曲疲勞強度進行校核。

當采用硬齒面（齒面硬度＞350HBS）時，則首先按齒輪的抗彎曲疲勞強度條件，確定齒輪的模數(shù)及其主要幾何參數(shù)，然后再校核其齒面接觸疲勞強度。開式傳動：主要失效形式為齒面磨粒磨損和輪齒的彎曲疲勞折斷

由于目前齒面磨粒磨損尚無完善的計算方法，通常只對其進行抗彎曲疲勞強度計算，并采用適當加大模數(shù)的方法來考慮磨粒磨損的影響。

齒輪傳動設計準則目錄設計準則齒輪傳動失效形式齒輪傳動強度計算齒輪參數(shù)及結構設計直齒圓柱齒輪在理想狀態(tài)下，齒輪工作時載荷沿接觸線均勻分布為簡化分析，以作用于齒寬中點的集中力代替分布力。若忽略摩擦力的影響，則該力可分解為：切向力徑向力法向力圓柱齒輪傳動載荷計算——直齒切向力在主動輪上與運動方向相反，在從動輪上與運動方向相同

斜齒圓柱齒輪斜齒輪的輪齒為螺旋形，在垂直于齒輪軸線的端面（下標以t表示）和垂直于齒廓螺旋面的法面（下標以n表示）上有不同的參數(shù)。斜齒輪的端面是標準的漸開線，但從斜齒輪的加工和受力角度看，斜齒輪的法面參數(shù)應為標準值。通常用分度圓上的螺旋角β斜進行幾何尺寸的計算。螺旋角β越大，輪齒就越傾斜，傳動的平穩(wěn)性也越好，但軸向力也越大。圓柱齒輪傳動載荷計算——斜齒

螺旋角：tgβ=πd/Pz模數(shù)：Pt為端面齒距，而Pn為法面齒距，Pn=Pt·cosβ，因為P=πm，πmn＝πmt·cosβ，故斜齒輪法面模數(shù)與端面模數(shù)的關系為:mn＝mt·cosβ法面壓力角αn和端面壓力角αt

：∠ACB=90°，在直角△ABD、△ACE及△ABC中，BD=CE，所以有：tgan=AC/CE=ABcosβ/BD=tgatcosβ圓柱齒輪傳動載荷計算——斜齒參數(shù)

斜齒圓柱齒輪與直齒圓柱齒輪相似的方法，可將作用于斜齒圓柱齒輪輪齒上的法向力分解為三個力：切向力徑向力軸向力法向力圓柱齒輪傳動載荷計算——斜齒斜齒圓柱齒輪的切向力、徑向力方向的判斷，與直齒圓柱齒輪相同作用于主動齒輪輪齒上軸向力方向的判斷，可采用手握方法進行：即伸出與輪齒螺旋線旋向（左旋或右旋）同名的手握齒輪軸線，若令拇指以外的四指代表齒輪的回轉(zhuǎn)方向，則拇指伸直（與齒輪軸線平行）所指方向，即為作用于主動齒輪輪齒上的軸向力方向。從動齒輪的軸向力，應與主動齒輪的軸向力大小相等、方向相反。圓柱齒輪傳動載荷計算——斜齒計算載荷

載荷力Ft、Fr、Fx、Fn和轉(zhuǎn)距T1等均為齒輪的名義載荷，考慮齒輪傳動實際工況等影響因素，通過修正計算得到的載荷，稱為計算載荷。以齒輪的法向力為例，其計算載荷可表示為：

齒面接觸應力計算時:

齒根彎曲應力計算時:

式中，和分別為接觸應力和彎曲應力計算時的載荷系數(shù)；是使用系數(shù)；是動載系數(shù)；是齒向載荷分布系數(shù)；、分別為接觸應力和彎曲應力計算時的齒間載荷分配系數(shù)。

圓柱齒輪傳動載荷計算1.使用系數(shù)由于齒輪嚙合外部因素而引起附加動載荷影響的系數(shù)。它取決于原動機和工作機特性、軸和聯(lián)軸器系統(tǒng)的質(zhì)量以及運行狀態(tài)等。圓柱齒輪傳動載荷計算2.動載系數(shù)：考慮齒輪嚙合誤差和運轉(zhuǎn)速度等內(nèi)部因素引起的附加動載荷影響的系數(shù)。影響動載荷系數(shù)的主要因素有：1）由基節(jié)和齒形偏差產(chǎn)生的傳動誤差；2)齒輪的節(jié)圓速度；3)齒輪轉(zhuǎn)動慣量和剛度；4）輪齒載荷；5）在嚙合循環(huán)中輪齒嚙合剛度的變化。圓柱齒輪傳動載荷計算3.齒向載荷分布系數(shù)：考慮輪齒工作時沿齒寬方向載荷分布不均對齒面接觸應力和齒根彎曲應力影響的系數(shù)。

影響齒向載荷分布的主要因素有：齒輪在軸上的布置方式、支承剛度、齒面硬度、齒寬以及齒輪的制造與安裝誤差等。圓柱齒輪傳動載荷計算4.齒間載荷分配系數(shù)、考慮同時嚙合的各對輪齒之間載荷分配不均勻的影響系數(shù)。

其定義為：在轉(zhuǎn)速近于零的情況下，一對齒輪在嚙合區(qū)內(nèi)輪齒上的最大載荷，與相同的另一對齒輪輪齒上的相應最大載荷之比。影響的主要因素有：1）受載后輪齒變形2）輪齒制造誤差3）齒廓修形4）磨合效果等圓柱齒輪傳動載荷計算齒面接觸疲勞強度計算防止齒面在預定壽命期限內(nèi)發(fā)生疲勞點蝕。強度條件式為:兩軸線平行的圓柱滾子接觸齒面接觸疲勞強度計算齒面接觸應力小齒輪輪齒B點的接觸應力最大，通常取節(jié)點計算接觸應力。小齒輪輪齒受力1.法向計算載荷2.綜合曲率令代入上式得：節(jié)點B處的參數(shù)：齒面接觸疲勞強度計算將上述參數(shù)代入令則得：齒面接觸疲勞強度的校核公式:br為有效齒寬齒面接觸疲勞強度計算取則齒面接觸疲勞強度的設計公式:u---齒數(shù)比mmd1---小齒輪分度圓直徑,mmb---齒寬,mm---許用接觸應力,MPa.T1---小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩,N.mm齒面接觸疲勞強度計算ZE---材料彈性系數(shù),齒面接觸疲勞強度計算ZH---節(jié)點區(qū)域系數(shù)，反映節(jié)點齒廓形狀對接觸應力的影響，按圖查取---齒寬系數(shù)，按下表選取:齒面接觸疲勞強度計算---重合度系數(shù),考慮重合度對齒面接觸應力影響的系數(shù)齒面接觸疲勞強度計算現(xiàn)有兩對標準直齒圓柱齒輪傳動，齒輪參數(shù)：A對:m=2mm,z1=40,z2=90,齒寬b=60mm;B對:m=4mm,z1=20,z2=45,齒寬b=60mm其它條件分別相同，試比較兩對齒輪接觸強度的高低。案例強度條件：危險截面位置：簡化成懸臂梁，30o切線法，兩切點連線是危險截面位置。輪齒折斷的實際情況與此基本相符1.使齒根產(chǎn)生彎曲應力和剪應力2.使齒根產(chǎn)生壓應力齒根彎曲疲勞強度計算的目的是防止在預定壽命期限內(nèi)發(fā)生輪齒疲勞折斷。齒根彎曲疲勞強度計算YF齒形系數(shù)Ys應力修正系數(shù)Yε

重合度系數(shù)K載荷系數(shù)考慮其他系數(shù)后得齒根彎曲疲勞強度校核公式：彎曲應力齒根彎曲疲勞強度計算YF齒形系數(shù)：反映了輪齒幾何形狀對齒根彎曲應力

F

的影響，對符合基準齒形的圓柱外齒輪，YF可按圖查取。YF只與齒形中的尺寸比例有關，而與齒大小無關。齒根彎曲疲勞強度計算Ys--應力修正系數(shù)：用以考慮齒輪過渡圓角處的應力集中、剪切應力以及壓應力對齒根應力的影響，可由圖查取齒根彎曲疲勞強度計算---重合度系數(shù)：是將全部載荷作用于齒頂時的齒根應力折算為載荷作用于單對齒嚙合區(qū)上界點時的齒根應力的系數(shù)也可查圖齒根彎曲疲勞強度計算mm齒根彎曲疲勞強度的設計公式:齒根彎曲疲勞強度計算以代入，可得：

其中：Mpa:齒根彎曲疲勞極限:安全系數(shù)目錄設計準則齒輪傳動失效形式齒輪傳動強度計算齒輪參數(shù)及結構設計齒輪傳動的設計過程已知條件及設計要求選擇材料和熱處理方式確定設計公式確定設計參數(shù)初定齒輪傳動及齒輪主要尺寸校核計算齒輪結構設計軟齒面:先進行齒面接觸強度進行設計計算硬齒面：先進行齒面彎曲強度進行設計計算材料及其力學性能：

轉(zhuǎn)矩不大時，可以選用碳素結構鋼，如果計算出的齒輪直徑過大，則可選用合金結構鋼。輪齒進行表面熱處理可以提高接觸疲勞強度，因而使裝置較緊湊，若表面熱處理后硬化層較深，輪齒會變形，則要進行磨齒選定材料及其熱處理方式后，輪齒的接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限可查表獲得。齒輪傳動的性能要求齒輪傳動的性能要求：傳動平穩(wěn)：保證瞬時傳動比恒定，以盡可能減小齒輪嚙合中的沖擊、振動和噪聲。足夠的承載能力：保證正常使用所需的強度、耐磨性等方面的要求。在預定的使用期限內(nèi)不發(fā)生失效。

齒輪傳動的參數(shù)齒輪傳動設計案例某兩級直齒圓柱齒輪減速器用電動機驅(qū)動，單向運轉(zhuǎn)，中等沖擊載荷。高速級傳動比為3.7，高速軸轉(zhuǎn)速為745r/min,傳動功率17kw,采用軟齒面，試計算此高速級傳動。1.選擇材料及確定許用應力

小齒輪用40MnB，調(diào)質(zhì)，齒面硬度為241~286HBS，疲勞強度取均值，

大齒輪用ZG35SiMn，調(diào)質(zhì)，齒面硬度為241~286HBS

取安全系數(shù)，則：齒輪傳動設計案例2.按齒面接觸強度設計

設齒輪按8級精度制造，取載荷系數(shù)，齒寬系數(shù)

取

作用于小齒輪上的轉(zhuǎn)矩：

取則

實際傳動比:模數(shù):齒寬:

取中心距:齒輪傳動設計案例3.驗算輪齒彎曲強度

齒形系數(shù)：4.輪齒的圓周速度選用8級精度是合適的齒輪的結構齒頂圓直徑較小的鋼質(zhì)齒輪：當齒根圓直徑與軸徑接近時，可以將齒輪和軸做成一體，稱為齒輪軸。齒頂圓直徑較小的齒輪可以做成實心；齒頂圓直徑的齒輪可以是鍛造或鑄造，通常采用腹板式結構；齒頂圓直徑的齒輪常用鑄鐵或鑄鋼制成，并常采用輪輻式結構。齒輪的結構1.齒輪軸結構2.實心式齒輪齒頂圓直徑齒輪的結構3.腹板式結構齒輪的結構da=400~1000mm,多采用輪輻式的鑄造結構4.輪輻式結構齒輪的潤滑開式齒輪傳動：通常采用人工定期加潤滑劑，可采用潤滑油或潤滑脂。閉式齒輪傳動潤滑方式根據(jù)齒輪的圓周速度v的大小而定。當v≤12m/s時，多采用油池潤滑，大齒輪浸入油池一定的深度，齒輪運轉(zhuǎn)時把潤滑油帶到嚙合區(qū)，同時也甩到箱壁上借以散熱；當v較小，如（0.5～0.8m/s）時，油高可達到齒輪半徑的1/6；在多級齒輪傳動中，當幾個大齒輪直徑不等時，可采用惰輪蘸油潤滑。齒輪的潤滑閉式齒輪傳動潤滑方式根據(jù)齒輪的圓周速度v的大小而定。當v>12m/s時，不宜采用油池潤滑，宜采用噴油潤滑，用油泵將潤滑油直接噴到嚙合區(qū)。因為：圓周速度過高，齒輪上的油大多被甩出去而達不到嚙合區(qū)；攪油過于激烈，使油溫增加，并降低潤滑性能；攪起箱底沉淀的雜質(zhì)，加速齒輪的磨損。齒輪的潤滑潤滑油的粘度可按下表選取，確定運動粘度以后，可查機械手冊得到所需潤滑油的牌號。齒輪材料強度極限

BMPa圓周速度<0.50.5112.52.55512.512.525>25運動粘度塑料、鑄鐵、青銅－3502201501008055-鋼450100050035022015010080551000125050050035022015010080滲碳或表面淬火的鋼12501580900500500350220150100齒輪傳動潤滑油推薦值齒輪的效率齒輪傳動的功率損耗主要包括：①嚙合中的摩擦損耗；②攪動潤滑油的油阻損耗；③軸承中的摩擦損耗。計入上述損耗時，齒輪傳動（采用滾動軸承）的平均效率見下表：傳動裝置6級或7級精度的閉式傳動8級精度的閉式傳動開式傳動圓柱齒輪0.980.970.95圓錐齒輪0.970.960.93齒輪傳動的平均效率第八章鍵聯(lián)接、螺紋聯(lián)接與螺紋傳動設計與制造II(D&MII，ME3220)Questions零部件分頭加工再聯(lián)接組裝的優(yōu)勢分頭加工制造的零部件/子系統(tǒng)，組合在一起形成機電系統(tǒng)。組合的方式包括：運動副（零部件之間可以相對運動），稱為動聯(lián)接。零部件之間沒有相對運動，稱為靜聯(lián)接。可拆聯(lián)接：裝拆方便，可以多次裝拆而無損于使用性能。如螺紋、鍵、銷聯(lián)接等。不可拆聯(lián)接：在拆開時會損壞其中零件或使用性能。如焊接、鉚接、粘接等。聯(lián)接(Joints,Fasteners,Connectors)是指被聯(lián)接件與聯(lián)接件的組合。定義PartAPartBPartC螺紋(screw)聯(lián)接鍵(key)聯(lián)接焊接(weld)粘接(adhesivebond)鉚接鉚接(rivet)常見聯(lián)接過盈(interference)聯(lián)接銷(pin)聯(lián)接從數(shù)量角度來看，聯(lián)接零件是各種機械中使用最多的零件，許多機械中占零件總數(shù)的50%以上。從降低生產(chǎn)成本、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、便于使用和修理的角度出發(fā)，聯(lián)接零件一般應為標準件。因此在機械設計過程中，如無特殊原因，都應選用螺栓、螺釘、螺母、墊圈、鍵等標準的聯(lián)接零件（緊固件）。標準化后，通過“選擇”就可以設計?！案鶕?jù)什么進行選擇”很重要（設計準則）。標準化選用載荷計算（動力學分析）初步選型（型式型號）失效形式及位置判定設計準則及許用值確定設計或校核計算鍵聯(lián)接設計與制造II(D&MII，ME3220)一、鍵聯(lián)接的類型和結構

1.平鍵(flatkey)聯(lián)接①普通平鍵②導向平鍵與滑鍵(featherkey)

2.半圓鍵(woodruffkey)聯(lián)接

3.楔鍵(taperkey)

4.切向鍵(tangentialkey)二、平鍵的選擇和平鍵聯(lián)接的強度計算三、花鍵(spline/multiplekeys)聯(lián)接鍵聯(lián)接圓頭（A型）方頭（B型）單圓頭（C型）工作面為側面，結構簡單，拆裝方便對中性好，易拆裝，精度較好，但不能承受軸向力（不能用于軸向固定）用于靜聯(lián)接，按鍵端形狀分為三種間隙普通平鍵標記方法、尺寸與公差參見GB/T1096-2003導向平鍵用于動聯(lián)接（如低速車輛減速器換擋）工作面（旋轉(zhuǎn)傳動過程中的受力面）為側面長度較長，需用螺釘固定在軸槽中（避免鍵移動）可實現(xiàn)軸上零件的軸向移動（移動量較?。┩瑯佑糜趧勇?lián)接（移動量較大）工作面（旋轉(zhuǎn)傳動過程中的受力面）為側面結構特點：兩端勾頭，鍵-輪轂固定，鍵短槽長，對中性好，易拆裝潘存云教授研制雙勾頭滑鍵潘存云教授研制單圓勾頭滑鍵用于動聯(lián)接（移動量較大）工作面為側面結構特點：單圓勾頭，嵌入輪轂中共同點：均用于動聯(lián)接不同點：導向平鍵固定在軸槽中，用于軸向移動量較小的場合；滑鍵固定在輪轂上，用于軸向移動量較大的場合。導向平鍵和滑鍵潘存云教授研制工作面半圓鍵工作面為側面，對中性好優(yōu)點：工藝性好，裝配方便；適用于錐形軸端的聯(lián)接缺點：對軸的削弱較大，適用于輕載聯(lián)接工作面為上下兩面，靠楔緊力和摩擦力傳動，可承受單側軸向力，適用于對中精度要求低的靜載聯(lián)結（如牛車）。圓頭楔鍵聯(lián)接平頭楔鍵聯(lián)接鉤頭楔鍵聯(lián)接安裝時用力打入楔鍵在重型機械中常采用切向鍵，由一對楔鍵組成。特點：擠壓后的上下面為工作面，對中性較差。工作時，靠工作面上的擠壓力和軸與輪轂間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩；承載能力很大。應用：鍵槽對軸的削弱較大，常用于直徑大于100mm的軸上。適用于大載荷、對中要求不嚴、低速的場合（如煤礦機械）。

當傳遞雙向扭矩時，需兩對切向鍵分布成120~

130?切向鍵工作面為齒側面（相當于多個平鍵）承載能力高，對軸的削弱小，應力集中小，定心精度高，導向性能好。加工需專用機床，成本高。常用于汽車、拖拉機和機床中需換擋（動聯(lián)接）的軸轂聯(lián)接中?；ㄦI聯(lián)接外花鍵（花鍵軸）內(nèi)花鍵（輪轂孔）矩形花鍵聯(lián)接小徑定心（小徑為配合表面）。定心精度高，穩(wěn)定性好，常用于中、輕載情況下。制造容易，應用廣泛。漸開線花鍵(α=30°/45°)聯(lián)接齒形定心（齒面產(chǎn)生徑向力），有自動平衡定心功能，各齒均勻受載。承載能力大、使用壽命長、定心精度高、工藝性好，宜用于載荷大、尺寸大的聯(lián)接?；ㄦI聯(lián)接1.選擇①根據(jù)聯(lián)接的結構特點、使用要求和工作條件選擇鍵的類型。②根據(jù)軸的直徑從標準中選出鍵的截面尺寸b×h③根據(jù)輪轂寬度確定鍵的長度L，導向平鍵按滑動距離確定L

。2.失效形式及位置①靜聯(lián)接：工作面被壓潰或鍵被剪斷②動聯(lián)接：工作面過度磨損。3.校核計算①靜聯(lián)接：擠壓強度或剪切強度②動聯(lián)接：工作面壓強平鍵的選擇和聯(lián)接強度計算

如果鍵聯(lián)接強度不夠怎么辦？

采用兩個平鍵，應相隔180°布置（便于鍵槽加工），強度計算按1.5倍來計算采用兩個半圓鍵，應布置在同一母線上（避免對軸削弱過甚）采用兩個楔鍵或切向鍵，應相隔90-120°布置（合力最大）螺紋及螺紋聯(lián)接設計與制造II(D&MII，ME3220)螺紋螺紋的用途有很大差異，背后的原理是什么？將一直角三角形abc繞在直徑為d2的圓柱表面上，使三角形底邊ab與圓柱體的底邊重合，則三角形的斜邊amc在圓柱體表面形成一條螺旋線am1c1。若取一平面圖形，使其平面始終通過圓柱體的軸線并沿著螺旋線運動，則這平面圖形在空間形成一個螺旋形體，稱為螺紋。三角形abc的斜邊與底邊的夾角ψ稱為螺紋升角。螺紋的形成在通過螺紋軸線的剖面上，螺紋的輪廓形狀。牙型螺紋的要素(1)——牙型(threadprofile)三角形梯形鋸齒形常用的牙型有：矩形大徑（公稱直徑）：與外螺紋牙頂或內(nèi)螺紋牙底相切的假想圓柱的直徑。d、D小徑：與外螺紋牙底或內(nèi)螺紋牙頂相切的假想圓柱的直徑（強度計算危險截面）。d1、D1在大徑和小徑之間設想有一圓柱，在其軸線剖面內(nèi)素線上的牙寬和槽寬相等，則該假想圓柱的直徑為中徑（確定幾何參數(shù)和配合性質(zhì)）。d2、D2螺紋的要素(2)——大徑、小徑和中徑沿一條螺旋線形成的螺紋叫做單線螺紋沿兩條或兩條以上在軸向等距分布的螺旋線所形成的螺紋叫做多線螺紋線數(shù)一般不超過4單線螺紋雙線螺紋螺紋的要素(3)——線數(shù)螺紋上相鄰兩牙在中徑線上對應兩點之間的軸向距離P稱為螺距。同一條螺紋上相鄰兩牙在中徑線上對應兩點之間的軸向距離S稱為導程。單線螺紋：S=P多線螺紋：S=nP=

導程螺距螺距導程螺紋的要素(4)——螺距(screw/threadpitch)和導程右旋(常用)左旋螺紋的要素(5)——旋向上述要素（牙型、直徑、線數(shù)、螺距和導程、旋向）完全相同內(nèi)外螺紋才能夠旋合升角ψ：在中徑圓柱面上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角牙型角a：螺紋兩側邊的夾角牙側角（牙型斜角）β：軸向剖面內(nèi)，螺紋牙型的側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角對三角形、梯形等對稱牙型β=α/2s螺紋中的三個角度梯形螺紋結構：牙型角

＝30°特點：效率較高、牙根強度較大、工藝性好應用：常用于傳動

矩形螺紋結構：牙型角

＝0°性能：傳動效率高、牙根強度小、工藝性差應用：常用于傳動

鋸齒形螺紋結構：工作面的牙側角為3°

非工作面的牙側角為30°性能：效率較高、牙根強度較大、工藝性好應用：僅用于單向傳動

結構：牙型角

＝55°特點：聯(lián)接緊密、內(nèi)外螺紋無徑向間隙應用：密封性要求較高的場合

三角形螺紋管螺紋結構：牙型角

＝60°性能：自鎖性好、牙根強度高、工藝性好應用：一般用于螺紋聯(lián)接三角形螺紋普通螺紋常用螺紋類型螺紋加工螺紋加工螺旋副作為一種空間運動副，其接觸面為螺旋面螺紋在旋緊、松開或傳動過程中，螺紋之間相對移動當螺桿和螺母之間受到軸向力Q時，擰動螺桿或螺母，螺旋面間將產(chǎn)生摩擦力。斜面摩擦矩形螺紋三角形螺紋螺旋副力學特性分析使滑塊等速運動所需要的水平力等速上升：平衡條件：驅(qū)動力：等速下滑：平衡條件：維持力：自鎖條件：當ψ

≤ρ時，F(xiàn)s

≤0，需要外加與Fs絕對值相等的驅(qū)動力時滑塊才能移動。結論：當ψ≤

ρ

時，滑塊自鎖。

FQR21

v12QFN21F21

R21

v12FsQψ-ρR21’R21’QFsN21’F21’

斜面摩擦

螺旋副（螺母與螺桿）的相對運動：滑塊沿斜面運動假設：1)載荷分布在中徑上;2)單面產(chǎn)生摩擦力Qd2dd1ψs=npv12ρR21nnFQψ擰緊力擰緊力矩自鎖條件矩形螺紋

防松力防松力矩

螺旋副效率為有效功W2與輸入功W1之比。螺母在力矩M作用下轉(zhuǎn)動一周時，輸入功W1=2πM，此時升舉重物所作的有效功W2=QS；故螺旋副的效率為：螺旋副效率與升角（螺旋角）和材料有關當ρ不變時，η與ψ的關系如右圖所示。對于傳動，ψ常取25o左右。ψ太大會引起制造困難，且效率增高也不顯著。矩形螺紋（效率）

QNQN’

900-

900-

ψFQR21ψ

+v12QFN21F21R21若不計升角三角形螺紋若不計升角三角形螺紋

QNQN’

900-

900-

ψFQR21ψ

+v12QFN21F21R21若不計升角若不計升角傳動效率低，更容易自鎖結構：牙型角α=60°性能：自鎖性好，牙根強度高，工藝性好應用：一般用于螺紋聯(lián)接三角形螺紋普通螺紋M24：公稱直徑為24mm、螺距為3mm的粗牙普通螺紋M24×1.5：公稱直徑為24mm、螺距為1.5mm的細牙螺紋螺紋聯(lián)接：普通螺紋

雙頭螺柱圓螺母帶翅墊片墊圈六角螺母緊定螺釘螺釘六角頭螺栓螺紋聯(lián)接的類型和螺紋聯(lián)接件在被聯(lián)接件上開有通孔，被聯(lián)接件孔中不加工螺紋。結構簡單，使用時不受被聯(lián)接件材料的限制，應用極廣

。

普通螺栓聯(lián)接

①普通螺栓聯(lián)接

螺栓桿與被聯(lián)接件孔壁之間有間隙。通孔加工精度低，裝拆方便，成本低，應用最廣。鉸制孔用螺栓聯(lián)接②鉸制孔用螺栓聯(lián)接

螺栓桿與被聯(lián)接件孔壁之間無間隙。孔和螺栓桿多采用基孔制過渡配合(H7/m6、H7/n6)，能精確定位，能承受較大橫向載荷，被聯(lián)接件需鉆孔、鉸孔，成本高。螺栓(bolt/screw)聯(lián)接螺釘聯(lián)接

被聯(lián)接件之一為光孔、另一個為螺紋孔。只用螺釘，不用螺母，直接把螺釘擰進被聯(lián)接件的螺釘孔中。

適用于載荷較輕，且不經(jīng)常裝拆的場合。

螺釘聯(lián)接螺釘聯(lián)接與雙頭螺柱聯(lián)接雙頭螺柱聯(lián)接用兩頭均有螺紋的螺柱和螺母把被聯(lián)接件聯(lián)接起來，被聯(lián)接件之一為光孔、另一個為螺紋孔。適用于被聯(lián)接件之一厚度很大，而又不宜鉆通孔，但又經(jīng)常拆卸的地方。雙頭螺柱聯(lián)接利用擰入被聯(lián)接件螺紋孔中的螺釘末端頂住另一零件的表面，以固定零件的相對位置，可傳遞不大的力或轉(zhuǎn)矩。緊定螺釘聯(lián)接Questions一顆螺栓/一枚墊片引發(fā)的災難1999年，波音747客艙起火事故APU電瓶接觸不良觸點金屬熔融引燃隔音棉細節(jié)決定成敗普通螺栓聯(lián)接111螺栓桿與被聯(lián)接件孔壁間有間隙。工作面（受力表面）為螺母或螺栓頭與被聯(lián)接件的接觸表面。依靠工作面摩擦力承受橫向載荷。摩擦力源自于沿軸向的預緊力。橫向載荷一般不會影響軸向預緊力。外加軸向載荷會導致預緊力減小。被聯(lián)接件1被聯(lián)接件2螺母螺栓頭螺栓桿FtFa

螺紋聯(lián)接的預緊112普通螺栓聯(lián)接預緊可靠性設計提高橫向載荷承受能力提高聯(lián)接緊密性防止聯(lián)接松動Q:預緊過程中螺栓桿長度會發(fā)生什么變化？(A)伸長(B)縮短(C)不變

螺紋聯(lián)接的預緊113測力矩扳手定力矩扳手普通擰緊螺紋聯(lián)接的預緊

測力矩扳手：測出預緊力矩定力矩扳手：達到固定的擰緊力矩T時，彈簧受壓將自動打滑。

防松方法1.摩擦防松（保證螺紋副間有足夠的軸向壓力和摩擦力矩）：對頂螺母，彈簧墊圈。結構簡單、使用方便。2.機械防松（在聯(lián)接中加入其它機械元件）：開口銷、止動墊圈，串聯(lián)鐵絲等。適用于沖擊振動載荷，重要場合使用，成本高。3.其它防松（永久防松）：粘、鉚、焊等。防松的原理：限制螺旋副的相對轉(zhuǎn)動。螺紋聯(lián)接的防松自鎖螺母防松彈簧墊圈防松對頂螺母防松（越來越少）摩擦防松

螺紋聯(lián)接的防松止動墊片防松開口銷防松串聯(lián)鋼絲防松

機械防松焊接鉚沖永久防松螺紋聯(lián)接的防松/v?pd=wisenatural&vid=3715310348801535084螺栓失效形式及計算準則螺栓聯(lián)接松脫（預緊力或殘余預緊力不足）螺栓桿拉斷（軸向受拉，疲勞拉伸強度/靜強度）螺紋被壓潰或剪斷（橫向受壓/剪，擠壓強度/剪切強度）多次裝拆后螺紋磨損90%為疲勞失效單個螺栓聯(lián)接的選用螺紋小徑d1，公稱直徑d和螺距p螺紋牙及其它尺寸，根據(jù)等強度原則及使用經(jīng)驗已規(guī)定螺栓聯(lián)接的強度計算松螺栓聯(lián)接（無預緊力）強度計算（普通螺栓，靜軸向載荷）螺栓聯(lián)接的強度計算強度條件

設計公式F為螺栓承受的工作拉力（N）；d1為螺紋小徑（mm）；

螺栓聯(lián)接的強度計算緊螺栓聯(lián)接（有預緊力）強度計算（普通螺栓）F’（軸向預緊力）產(chǎn)生的拉應力

T1（螺紋副摩擦力矩）產(chǎn)生的扭切應力

按第四強度理論，計算應力為

螺栓聯(lián)接的強度計算套筒減載鍵減載銷釘減載止口減載減載：降低對摩擦力的需求，即降低對預緊力的要求緊螺栓聯(lián)接（有預緊力）強度計算（普通螺栓）螺栓聯(lián)接的強度計算(a)預緊前(b)預緊后(c)外加軸向載荷后

螺栓聯(lián)接的強度計算(b)預緊后

螺栓剛度被聯(lián)接件剛度

螺栓聯(lián)接的強度計算(c)外加軸向載荷后螺栓

被聯(lián)接件

δL

+ΔδL

變形協(xié)調(diào)條件ΔδL=ΔδFΔδL/F

螺栓聯(lián)接的強度計算

ΔδL/F

殘余預緊力總拉伸載荷

螺栓聯(lián)接的強度計算

接下來根據(jù)工作載荷是靜載荷還是周期變化載荷，進行相應的強度計算

緊螺栓聯(lián)接（有預緊力）強度計算（普通螺栓）螺栓聯(lián)接的強度計算根據(jù)工作載荷是靜載荷還是周期變化載荷，進行相應的強度計算強度條件

設計公式

軸向載荷為靜載荷緊螺栓聯(lián)接（有預緊力）強度計算（普通螺栓）參照此前僅有預緊力的情況：軸向載荷為變載荷(0-F-0-F-……)螺栓聯(lián)接的強度計算根據(jù)工作載荷是靜載荷還是周期變化載荷，進行相應的強度計算

緊螺栓聯(lián)接（有預緊力）強度計算（普通螺栓）校核應力幅、疲勞強度…主要失效形式：螺栓桿被剪斷螺栓桿或孔壁被壓潰強度條件：擠壓剪切

螺栓聯(lián)接的強度計算受橫向載荷的鉸制孔用螺栓聯(lián)接

提高螺栓聯(lián)接強度的措施降低螺栓總拉伸載荷的變化范圍減小螺栓剛度（減小螺栓光桿部分、采用空心螺桿、增加螺栓長度）或提高被聯(lián)接件剛度（采用金屬薄墊片或O形密封圈而非軟墊片）改善螺紋牙間的載荷分布采用懸置螺母或環(huán)槽螺母（厚螺母不能提高聯(lián)接強度）減小應力集中（增大過渡圓角、切制卸載槽等）避免或減小附加應力采用加工平整的支承面（凸臺、沉頭座、斜面墊圈）；避免聯(lián)接件變形過大冷鐓頭部和碾壓螺紋的螺栓疲勞強度要比車制螺栓高約30%；氰化、氮化等

螺栓組聯(lián)接的結構設計結構設計的目的：

合理確定聯(lián)接結合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和聯(lián)接結合面間受力均勻，便于加工和裝配

便于加工制造（有利于分度、劃線、鉆孔）

使各個螺栓受力合理，接合面受力均勻接合面設計成軸對稱的簡單幾何形狀，比如圓形、環(huán)形、矩形、三角形等

螺栓組聯(lián)接的結構設計鉸制孔用螺栓聯(lián)接：不要在平行于工作載荷的方向上成排地布置八個以上的螺栓，以免載荷分布過于不均當螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時，應當使螺栓的位置適當?shù)乜拷?lián)接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力如果同時承受軸向和較大的橫向載荷，應采用銷、套筒、鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預緊力及其結構尺寸

螺栓組聯(lián)接的結構設計合理間距，適當邊距：以便于利用扳手裝拆同一螺栓組：螺栓材料、直徑和長度均應相同，以簡化結構和便于加工裝配分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目應取4、6、8等偶數(shù)，便于在圓周上鉆孔時的分度和劃線聯(lián)接件、螺母和螺栓頭部的支承面應當平整，并與螺栓軸線垂直在鑄件、鍛件等粗糙表面安裝螺栓時，應制成凸臺或沉頭座

螺栓組聯(lián)接的受力分析基本假設所有螺栓的材料、直徑、長度和預緊力相同螺栓的對稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合受載后接合面仍然保持為平面

螺栓組聯(lián)接的受力分析

螺栓組聯(lián)接的受力分析受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接普通螺栓聯(lián)接，接合面摩擦力相等并集中在螺栓中心處，與螺栓中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的連線垂直鉸制孔用螺栓聯(lián)接，靠螺栓的剪切和螺栓與孔壁的擠壓作用抵抗轉(zhuǎn)矩（變形協(xié)調(diào)條件）

螺栓組聯(lián)接的受力分析受軸向載荷或翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接

螺紋聯(lián)接的常用材料和機械性能常用材料一般工況：為中低碳鋼，如Q215、Q235、10、15、35、45鋼等變載荷或有沖擊、振動的重要聯(lián)接：合金鋼，如40Cr、15MnVB、30CrMnSi等機械性能等級國家標準：規(guī)定螺紋聯(lián)接件按材料的機械特性分級螺栓、螺柱、螺釘?shù)臋C械性能等級分10級：3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9(GB/T3098.1-2010)螺母的性能等級分7級：4/5/6/8/9/10/12(GB/T3098.2-2015)螺紋傳動設計與制造II(D&MII，ME3220)Questions如何獲得0.01mm的移動步距？歷史阿基塔斯（橄欖油和葡萄