机械设计基础自学指导

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第1部分 课程概述

本部分内容包括课程简介及与其他课程之间的关联，课程的知识体系，课程教学的内容结构及教材与多媒体课件的关联，并对自学方法提出一些参考意见。

1.1课程简介

《机械设计基础》主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、机构特点、基本的设计理论和计算方法，是工科院校机械类、机电类专业的一门必修主干课程，是对学生的设计能力、创新能力、工程意识进行培养训练的一门重要的技术基础课。将为有关专业的学生学习专业课程提供必要的基础。通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养学生初步具备运用相关知识、手册设计简单传动装置的能力。 《机械设计基础》是机械工程类专业的一门必修主干技术基础课，综合了应用工程图学、工程力学、材料与热处理、金属工艺学、机械制造基础、公差与技术测量等学科和课程。具有鲜明的工程实践性。是先修基础课的综合应用，又是后继专业课的基础，在基础课和专业课间起着承上启下的桥梁过渡作用。

1.2课程的知识体系

《机械设计基础》综合浓缩了《机械原理》和《机械设计》两门课程的内容，而这两门课程是机械类专业本科必修的专业基础课。《机械设计基础》课程的内容包括《机械原理》课程中的平面机构自由度及运动分析；常用机构运动原理和设计方法（平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系）；间歇运动机构；机器动平衡问题，以及《机械设计》课程中常用联接、常用传动装置和轴系零部件的设计等部分内容。

因此，本课程的知识体系包括： （1）、机器与机构，机械零件设计准则—基本概念； （2）、常用机构的运动原理及运动系统设计—确定机械功能和运动原理； （3）、常用联接与传动及轴系零部件的设计—确定机械零件的具体形状尺寸及材料。

1.3课程的内容结构

第一章 平面机构的自由度和速度分析 第二章 平面连杆机构 第三章 凸轮机构 第四章 齿轮机构 第五章 轮系

*第六章 间歇运动机构

*第七章机械运转速度波动的调节 *第八章 回转件的平衡 第九章机械零件设计概述 第十章 联接 第十一 齿轮传动

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第十二章蜗杆传动

第十三章 带传动和链传动 第十四章 轴

第十五章 滑动轴承 第十六章 滚动轴承

*第十七章 联轴器、离合器与制动器 *第十八章 弹簧

（带星号的章节为自学内容）

1.4自学方法

1.4.1 理解课程的性质和任务

为了学好本课程，首先要具有正确的学习目的和态度，在学习中要刻苦钻研、踏踏实实、虚心求教、持之以恒。在学习时要理解基本概念、基本原理，要注意各部分内容之间的联系，不要孤立地去看待每一部分的内容。重在理解，能提出问题，积极思考，不要死记；对于设计部分，着重掌握设计的原理和方法。通过习题可以巩固和加深对所学理论的理解，并培养分析问题和设计能力。

深刻领会课程的性质和任务，把整体课程内容分界为若干个知识体系，掌握基本知识、基本理论和基本方法，分清主次，抓住问题的关键和本质，环绕总纲、目标和体系进行学习。通过各个学习环节，培养分析和解决问题的能力和创新精神。

1.4.2 采用合理的学习方法

在学习过程中，对于机构要着重理解对其工作原理、运动特性、特点、应用和设计的分析；对任一机械零部件要着重理解其组成、工作原理、特点、失效形式、工作能力计算和结构设计的内容。

本课程的研究对象多，内容繁杂，课程内容多、公式多、参数多、系数多，需要查找的数据资料多。所以必须对每一个研究对象的基本知识、基本原理、基本设计思路方法进行归纳总结，并与其他研究对象进行比较，掌握其共性与个性，只有这样才能有效提高分析和解决设计问题的能力。

学习机械设计不仅在于继承，更重要的是应用创新，机械科学产生与发展的历程，就是不断创新的历程。只有学会创新，才能把知识变成分析问题与解决问题的能力。

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第2部分 课程学习计划

顺次 1 2 3 4 5 6 7 8 教材章节 绪论 1.1～1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 9 4.8 4.9 10 5.1 5.2 5.3 11 12 13 14 5.4 5.5 6.1~6.4 8.1~8.3 9.1～ 9.7 10.1 15 10.3 10.4 16 10.5 10.6 10.7 17 10.8 10.9 18 19 10.10 10.11 11.1 11.2 重点 运动副和自由度的概念 平面机构自由度计算 铰链四杆机构的基本型式及特性 铰链四杆机构有整转副的条件 平面四杆机构的设计 凸轮机构的应用和类型 从动件的常见运动规律 凸轮机构的压力角 图解法设计凸轮机构 齿轮机构的特点和类型 齿廓实现定角速比传动的条件 渐开线齿廓 齿轮各部分名称及基本尺寸 渐开线齿轮啮合 切齿原理 根切、最少齿数 斜齿轮机构和圆锥齿轮机构的特点 难点 复合铰链、局部自由度和虚约束的识别 急回运动特性 死点的产生 图解法设计平面四杆机构 凸轮机构的压力角 齿廓实现定角速比传动的条件 必做习题 1-5～1-12 2-1、2-3、2-4 2-5、2-9、2-10 3-1、3-2 4-1、4-2 根切产生的原因 定轴轮系传动比 周转轮系传动比 复合轮系传动比 间歇运动机构的工作原理 回转件平衡计算的目的 机械零件的强度、接触强度 螺纹的主要参数 常用螺纹的种类和特点 螺纹联接的基本类型及应用场合 螺纹联接预紧的目的及防松方法；普通螺栓联接承受横向载荷和轴向载荷时的强度计算、铰制孔螺栓联接的强度计算 螺栓材料的强度等级、提高螺栓联接强度的措施 键联接的工作原理和设计方法 花键联接的特点、销联接的应用 齿轮传动常见的失效形式、制造齿轮常用的材料及其特点、直齿圆柱齿轮的受差动轮系传动比 复合轮系传动比 变应力下的许用应力 5-1、5-2、5-4、5-11、5-12 紧螺栓联接承受轴向载荷时的强度计算 10.5、10.6、10.9 直齿圆柱齿轮受力分析 11-1 机械设计基础学习指导

11.3 11.4 20 11.5 11.6 11.7 21 11.8 11.9 11.10 12.1 22 12.2 12.3 12.4 23 12.5 12.6 13.1 24 13.2 13.3 13.4 25 13.5 13.8 26 14.1 14.2 14.3 27 14.4 14.5 15.1 28 15.2 15.3 15.4 29 15.5 15.6 30 31 32 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 力分析、载荷系数的概念 直齿圆柱齿轮的齿面接触强度和弯曲强度计算 11-3、11-4 斜齿圆柱齿轮的受力分析 直齿圆锥齿轮的受力分析 斜齿圆柱齿轮螺旋角和轴向力的判断 11-7、11-8 机械设计基础学习指导

第3部分 课程学习指导

第1章 平面机构的自由度及其计算

本章基本要求和重点、难点

1. 本章基本要求

（1）掌握以下基本概念：

自由度、运动副、高副、低副、复合铰链、虚约束、局部自由度 （2）绘制平面机构的运动简图

（3）计算平面机构的自由度。掌握机构具有确定运动的条件，能识别机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束。能熟练运用自由度计算公式计算平面机构的自由度。 2. 本章重点

（1）绘制平面机构的运动简图 （2）计算平面机构的自由度。 3.本章难点

复合铰链、局部自由度和虚约束的正确判断。

主要知识点归纳 §1.1基本概念

1.1.1 自由度

构件是机构中运动的单元体，因此它是组成机构的主要要素。构件的自由度是构件可能出现的独立运动。

自由度：构件相对于参考坐标系所具有的确定运动的数目。 平面上的构件1：具有3个自由度。 空间中的构件2：具有6个自由度。 1.1.2运动副

1.什么是运动副？

平面机构中每个构件都不是自由构件，而以一定的方式与其他构件组成动联接。这种使两构件直接接触并能产生运动的联接，称为运动副。两构组成运动副之后，就限制了构件的独立运动，两构件组成运动副时构件上参加接触的点、线、面称为运动副元素，显然运动副也是组成机构的主要要素。 2.运动副的分类

1）根据构成运动副的两构件的接触情况分：

低副：面接触 高副：点或线接触

2）根据构成运动副的两构件的运动范围分：

平面副：组成运动副的两构件都在同一或平行平面内运动。 空间副：组成运动副的两构件不在同一或平行平面内运动。

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3）根据构成运动副的两构件的相对运动分：

移动副：组成运动副的两构件作相对移动。 转动副：组成运动副的两构件作相对转动。 螺旋副：组成运动副的两构件作螺旋运动。 球面副：组成运动副的两构件作球面运动。 3.平面运动副

平面低副：两个构件通过面接触形成的运动副。如：移动副、转动副（铰链） 面接触——接触面积大，承载能力大。

接触面为平面或柱面——便于加工，成本低，便于润滑。

平面高副：两个构件通过点、线接触形成的运动副。如齿轮啮合 点、线接触——接触面积小， 承载能力小。 接触面为曲面——不便于加工和润滑。

§1.2平面机构的运动简图

根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，用 国标规定的运动副及常用机构运动简图的符号和简单的线条将机构的运动情况表示出来，与原机构运动特性完全相同的，表示机构运动情况的简化图形。 1．构件的分类

固定构件（机架）：用于支承活动构件 原动件（主动件）：运动规律已知的构件，运动的输入构件。 从动件：机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。 2. 运动副的表示

abc转动副；defghi移动副；j平面高副

图1-1 运动副的表达方法

3. 构件的表示

图1-2 构件的表达方法

机构运动简图中构件表示方法如右图所示，图a、b表示能组成两个运动副的一个构件，图a、组成两个副动副一个构件，图b组成一个转动副和一个移动副的一个构件；图c、d表示能组成三个转动副的一个构件。 4. 平面机构运动简图的绘制

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绘制步骤：

1) 分析机构运动，目的：确定构件及运动副的类型及数目。 2) 恰当选择投影面 适当选择比例尺 μ3) 审核

l =

实际尺寸（m)

图示尺寸（mm)§1.3平面机构的自由度

1.机构自由度的计算公式

设某机构共有n个构件、PL个低副、PH个高副，则该机构的自由度应为：

F?3n?(2PL?PH)

2.机构具有确定运动的条件

F?0运动链不能运动。,运动不确定。?F?原动件数目?F?0?F?原动件数目，不能动。?F?原动件数目，运动确定。?

3.计算机构自由度应注意的问题

（1）复合铰链—两个以上的构件同在一处以转动副相联接。 （2）局部自由度— 某些不影响整个机构运动的自由度。 （3）虚约束—两个以上的构件同在一处以转动副相联接。

出现虚约束的情况：两个构件之间组成多个导路平行的移动副，只有移动副起作用，其余都是虚约束；两个构件之间组成多个轴线重合的转动副时，只有一个转动副起作用，其余都是虚约束；机构中传递运动不起独立作用的对称部分。

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第2章 平面连杆机构及其设计

本章的基本要求和重点、难点

1. 本章基本要求

（1）了解平面连杆机构的组成及其主要优缺点；

（2）了解平面连杆机构的基本形式及其演化和应用；

（3）掌握曲柄存在条件、急回运动、行程速比系数、传动角、压力角、死点等概念。 （4）掌握按给定行程速比系数设计四杆机构和按给定连杆位置设计四杆机构的方法。 2. 本章重点

（1）平面四杆机构的基本特性 （2）平面四杆机构的图解法设计 3.本章难点

平面连杆机构的压力角和传动角。

主要知识点归纳 §2.1 铰链四杆机构

铰链四杆机构——全部由回转副组成的平面四杆机构。

?机架：固定构件??能作整周回转——曲柄铰链四杆机构的组成：?连架杆：

??摆动——摇杆?只能在一定角度范围内??连杆：连接两连架杆?

2.1.1铰链四杆机构的基本型式

1. 曲柄摇杆机构：若两连架杆之一为曲柄，另一连架杆为摇杆,则该铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。它能使整周回转运动变为往复摆动，也能把往复摆动变为整周回转运动。

2. 双曲柄机构：当铰链四杆机构的两个连架杆都是曲柄时，则该机构称为双曲柄机构 3. 双摇杆机构：当铰链四杆机构的两连架都是摇杆时，该机构称为双摇杆机构；双摇杆机构可把主动摇杆的摆动变为从动摇杆的摆动。

2.1.2 曲柄摇杆机构的运动特性

1.急回运动特性 名词解释

1）极限位置：摇杆的两个极限位置 2）摆角：摇杆的两极限位置所夹的锐角

3）极位：当摇杆处于两极限位置时，机构所处的这两个位置。

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4）极位夹角：当机构在两极限位置时，原动件AB所处两个位置之间所夹的锐角，用?表示。 5）急回运动：摇杆摆回的速度大于工作行程的速度，摇杆的这种运动性质称为急回运动。 6）行程速比系数：用来表明急回运动的急回程度，用K表示。

?180?? K?180???上式表明，K随?的增大而增大。所以，可以通过分析机构中是否存在极位夹角?及极位夹角?的大小来判定是否存在急回运动及急回运动的程度。

2.压力角和死点位置 1）压力角与传动角

压力角——作用在从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角，用?表示。 传动角——压力角的余角，用??表示。??= 90°-? 压力角可以做为判断机构传动性能的标志。 2）死点位置

曲柄摇杆机构以曲柄为从动件时，当曲柄与连架杆共线时，若不计各杆质量，则曲柄不能转动，将出现死点位置。

§2.2 铰链四杆机构有整转副的条件

1.铰链四杆机构有整转副的条件

（1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和； （2）整转副是由最短杆与其邻边组成的。

2.当机构有整转副时，取不同构件为机架可以得到不同类型的四杆机构，通常我们根据以下原则进行判断：

（1）取最短杆为机架时，机架上有两个整转副，得双曲柄机构。

（2）取最短杆邻边为机架时，机架上只有一个整转副，得曲柄摇杆机构。 （3）取最短杆对边为机架时，机架上没有整转副，得双摇杆机构。 但注意，若铰链四杆机构中的最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则该机构中没有整转副，无论取哪个构件为机架都只能得到双摇杆机构。

§2.3 铰链四杆机构的演化形式

一般生产中广泛应用的四杆机构，都可看作是从铰链四杆机构演化而来的。

?对心曲柄滑块机构 把原动件的回转运动转换为滑块的往复移动。 1、曲柄滑块机构??偏置曲柄滑块机构

偏置曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构

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图 2-1 曲柄滑块机构

?转动导杆机构 改变曲柄滑块机构中的固定构件 2、导杆机构??摆动导杆机构

图 2-2 导杆机构

3、摇块机构和定块机构

图 2-3 摇块机构和定块机构

§2-4 平面四杆机构的设计

平面四杆机构的设计主要是根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。设计方法有作图法、解析法和实验法，其中作图法是重点。

1.用作图法设计平面四杆机构

根据不同的设计要求，作图法可以分为以下两种： （1）按给定的行程速比系数K设计平面四杆机构

对于曲柄摇杆机构设计，已知条件通常有：从动件摇杆长度l3，从动件摆角?,机构的行程速比系数K。作图步骤的基本步骤如下（如图2-4a）：

① 通过K求出极位夹角??

??180?(K?1)/(K?1)；

② 确定一个固定铰链中心D，然后根据几何条件作出摇杆的两个极限位置； ③ 作∠C2C1P=90°- q， ∠C1C2P=90°； ④ 作作△C2C1P 的外接圆，则另一个固定铰链中心便在该外接圆上。最后由其他附

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第5章 轮系

本章基本要求和重点

1.本章的基本要求

（1）了解轮系的分类，能正确划分轮系。 （2）了解各类轮系的功能。

（3）掌握定轴轮系、周转轮系以及复合轮系的传动比计算 （4）掌握判断轮系中齿轮转向的方法。

2.本章难点、难点

掌握定轴轮系、周转轮系以及复合轮系的传动比计算及从动轮转向的确定。 3.本章难点

复合轮系中行星轮的判断及周转轮系与定轴轮系之间关系的确定。

§5.1轮系的类型

由一系列齿轮组成的齿轮传动系统称为齿轮系。分为三种类型（图5－1）： 1. 定轴轮系：各个齿轮的轴线相对于机架的位置都是固定的。

2. 周转轮系：轮系中至少有一个齿轮的轴线是绕其它齿轮的固定轴线回转。周转轮系中的

主要构件有：

行星轮 在周转轮系中，轴线位置变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮； 行星架 支撑行星轮既作自转又作公转的构件，又叫转臂； 中心轮 轴线位置固定的齿轮，又称为太阳轮。 其中行星架与中心轮的几何轴线必须重合。 3. 复合轮系：轮系中含有定轴轮系和周转轮系。

定轴轮系 周转轮系 复合轮系

图5-1 轮系的类型

§5.2定轴轮系的传动比

5.2.1 齿轮系传动比

齿轮系的首、末两构件的角速度之比（包括首、末两构件的角速度比的大小和两构件的转向关系两个方面），称为轮系的传动比，用iij表示。

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定轴轮系中，每个齿轮的几何轴线位置都是固定的，因此其传动比计算比较容易。计算传动比时不仅包含数值计算，还要有指明齿轮的转向。 1.一对齿轮的传动比

?z大小 i12?1?2

?2z1转向：

外啮合齿轮：两齿轮转向相反 内啮合齿轮：两齿轮转向相同

圆锥齿轮：两箭头同时指向节点或同时背离节点； 蜗杆传动：左手或右手定则 同轴齿轮：转向相同。

图5-2 各类传动的主从动轮转向关系

2．齿轮系的传动比

数值计算：定轴轮系的传动比 =

所有从动轮齿数的连乘积

所有主动轮齿数的连乘积各轮方向判定：

（1）当首末两轮的轴线相平行时，两轮转向的异同可用传动比的正负表达。两轮转向相同时，传动比为“+”；两轮转向相反时，传动比为“-”。

（2）但是如果首末两轮的轴线不平行，则只能计算传动比的大小，首末两轮的转向用箭头表示。假定首轮的转向（或依题意以给定的方向），用箭头在图示上表示，根据啮合情况，依次将每个轮子的转向在图示上标志出来，最后可以得到末轮的转向。 （3）对所有齿轮轴线都平行的定轴轮系，也可以按照轮系中外啮合齿轮的对数来确定传动比为“ +”或“-”。设从首轮到末轮中外啮合的齿轮的对数为m对

i1K?n1轮1至轮K间所有从动轮齿数的乘积?(?1)m nK轮1至轮K间所有主动轮齿数的乘积当数值为“ +”时，表示首末两轮的转向相同，为“-”时，表示两轮的转向相反。

§5.3周转轮系及其传动比

5.3.1 周转轮系的分类

?差动轮系：F?3?4?2?4?2?2 ??行星轮系：F?3?3?2?3?2?1

机械设计基础学习指导 5.3.2传动比的计算 O1OO1O1OO1O1O1O1O1O1O1OOOOOOOO 图5-3 周转轮系的转化轮系 图9-2图9-2 构件 1 2 3 H 周转轮系角速度 ω1 ω2 ω3 ωH 转化轮系角速度 ω1H=ω1-ωH ω2H=ω2-ωH ω3H=ω3-ωH ωHH=ωH-ωH H转化轮系的传动比i13可写作：

Hi13?1H?1??Hz?H???2

z1?3?3??H周转轮系传动比的一般公式为：

HimnH?m???H转化轮系中m由至n各从动轮齿数的乘积 ?H?m??转化轮系中m由至n各主动轮齿数的乘积?n?m??H注：1）此式只适用于齿轮m、n和行星架H 的轴线相平行的场合。

2）等式右边齿数比前面的符号表示转化轮系中m与n轮之间的转向关系，计算过程中，式中的“+”和“-”号一定不能省略。

3）此式多用于求解?m、?n、?H或各个齿轮的齿数中的未知数。

4）此式中的imn指的转化轮系中齿轮m和n的传动比。在用此式将未知数求解后，可以求解周转轮系中的传动比。

HiHGKHnGn?nHn iGK?G ?H?GnKnKnG?nH如果我们研究的是行星轮系，则其中一个中心轮（设为 n 轮）为固定轮，即ωn=0，则:

HimnH?m???H?m??H??H?m??1?m?1?imH

?m??H0??H?H?nH即: imH?1?imn

§5.4复合轮系及其传动比

复合轮系是指轮系中既有周转轮系部分，又有定轴轮系部分，因此计算的关键是，正确

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分解周转轮系和复合轮系，分别列出计算方程式，然后联立解出所要求的传动比。分解轮系的关键在于正确找出各个基本的周转轮系。找周转轮系的一般步骤是： 1. 找行星轮：即找轴线位置不固定的齿轮； 2. 确定行星架：支撑行星轮运转的构件；

3. 找中心轮：直接与行星轮相啮合的定轴齿轮。将周转轮系分出来后，剩下的就是定轴轮

系了。

§5.5轮系的应用

1．实现分路传动

2．获得较大传动比 3．实现变速传动 4．实现换向传动

5．用作运动的合成 6．用作运动的分解

7．在尺寸及重量较小的条件下，实现大功率传动

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第9章 机械零件设计概述

本章基本要求和重点

1.本章基本要求

（1）了解机械零件设计的基本要求和设计步骤； （2）掌握零件失效的概念；

（3）掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则； （4）了解接触强度及其设计准则；

（5）了解机械零件磨损的主要类型、耐磨性设计准则； （6）掌握机械制造常用材料及其选择原则； （7）了解机械零件工艺性和标准化的概念。 2.本章重点

（1）变应力的种类

（2）变应力作用下零件的主要失效形式。 3.本章难点

变应力的循环特性。

主要知识点归纳 §9.1机械零件设计概述

9.1.1基本概念

失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时的现象。 零件的失效形式很多：

1. 因强度不够发生断裂或塑性变形； 2. 因刚度不够而产生过大的弹性变形；

3. 因耐磨性不足或润滑不良而使工作表面过度磨损或损伤； 4. 因长细比（也称柔度）过大稳定性不足而发生失稳； 5. 因失去振动稳定性而发生强烈的振动（或共振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。

机械零件的工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。对载荷而言，称为承载能力；对磨损而言，称耐磨性。

9.1.2 机械零件设计的计算准则

机械零件虽然有多种可能的失效形式，但归纳起来最主要的是强度、刚度、耐磨性、稳定性和温度的影响等几个方面的问题。

当强度为主要问题时，按强度条件判定，即工作应力≤许用应力； 当刚度为主要问题时，按刚度条件判定，即变形量≤许用变形量。 判定条件可概括为：计算量≤许用量。

9.1.3机械零件设计的一般步骤

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图10-1 螺纹的基本参数

§10.2 机械制造常用螺纹

10.2.1 三角形螺纹

普通螺纹：多用于紧固联接，α＝60°以大径d为公称直径。同一公称直径可以有多种螺距，螺距最大的称为粗牙螺纹，其余都称为细牙螺纹。粗牙螺距大，牙的强度高，应用较广。细牙螺距小，牙的强度小；不耐磨，容易滑丝，自锁性能好。

管螺纹：用于紧密联接。

10.2.2 梯形螺纹、锯齿形螺纹和矩形螺纹一般用于传动。

§10.4螺纹联接的基本类型

10.4.1基本类型 1．螺栓联接

1）受拉螺栓联接：制造和装拆方便，应用广泛.

2）铰制孔螺栓联接：螺栓受剪，多用于板状件的联接，有时兼起定位作用。 2．双头螺柱联接

用于被联接件之一较厚或受结构限制而不能用螺栓或希望联接结构较紧凑的场合。 3．螺钉联接

与双头螺柱联接相似，但不宜用于时常装拆的联接，以免损坏被联接件的螺纹孔。 4．紧定螺钉联接

用以固定两个零件的相互位置，并可传递不大的力或转矩。

10.4.2螺纹紧固件 标准件

螺纹紧固件的品种很多，大都已标准化，其规格、型号均已系列化。 1．螺栓 最常用的有六角头和小六角头两种。

2．双头螺柱 旋入被联接件螺纹孔的一端称为座端，另一端为螺母端.

3．螺钉、紧定螺钉 头部有内六角头、十字槽头等多种形式。紧定螺钉末端有平端、锥端、圆尖端等各种形状。

4．螺母 形状有六角形、圆形等。

5．垫圈 作用是增加被联接件的支承面积以减小接触处的压强，避免拧紧螺母时擦伤被联接件表面。普通垫圈呈环状，有防松作用的垫圈为弹性垫圈。

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§10.5螺栓联接的拧紧和防松

10.5.1螺栓联接的拧紧

对于大多数螺纹联接来说，螺纹联接在装配时都必须拧紧，将螺母拧紧——预紧。 由于摩擦系数不稳定和加在扳手上的力难于准确控制，有时可能拧得过紧而使螺栓拧断。对于要求拧紧的强度螺栓联接应严格控制其适度的拧紧力，并不宜用小于M12～M16的螺栓。

控制拧紧力矩方法：

通常螺纹联接拧紧的程度是凭工人经验来决定的。 使用测力矩扳手或定力矩扳手

装配时测量螺栓的伸长，规定开始拧紧后的扳动角度或圈数。 对于大型联接，还可利用液力来拉伸螺栓，或加热使螺栓伸长到需要的变形量再把螺母拧到与被联接件相贴合。 10.5.2螺纹联接的防松

在静载荷下，螺纹联接具有自锁条件，同时螺母、螺栓头部等承压面处的摩擦也有防松作用。但在冲击、振动或变载荷下，或当温度变化大时，联接有可能松动，甚至松开，这就容易发生事故。所以在设计螺纹联接时，必须考虑防松问题。防松的根本问题在于防止螺纹副相对转动。

具体的防松装置或方法很多，就工作原理来看，可分为 利用附加摩擦力防松：弹簧垫圈、对顶螺母等。

采用专门的防松元件防松：槽形螺母和开口销、圆螺母和带翅垫片、止动垫片 破坏螺纹副：粘合法、冲点法。

§10.6 螺栓联接的强度计算

螺栓的主要失效形式

螺栓杆拉断、螺纹的压溃和剪断、由于经常装拆可能发生滑扣。 计算准则

对于受拉螺栓——??[?] 对于受剪螺栓——??[?]

?p?[?p]

对于受复合应力作用的螺栓——?c?[?c]

10.6.1 松螺栓联接

松螺栓装配时不需要把螺母拧紧，在承受工作载荷前，除有关零件的自重（自重与外载荷相比很小，可以忽略）外，联接不受力。联接所受的外部载荷即为螺栓的轴向拉力。强度条件为

??Fa?[?] ?d124机械设计基础学习指导

式中：d1为螺纹小径，mm；[?]为许用应力，Mpa

10.6.2 紧螺栓联接

紧螺栓联接装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。在拧紧力矩作用下，螺栓受到预紧力产生的拉应力作用，同时还受到螺纹副中摩擦阻力矩T1所产生的剪切应力作用，即螺栓处于弯扭组合变形状态。实际计算时，为了简化计算，对M10 ? M68的钢制普通螺栓，只按拉伸强度计算，并将所受拉力增大30%来考虑剪切应力的影响。即螺栓的强度条件为

1.3Famax???? MPa 2?d1/41．受横向工作载荷的螺栓联接

采用普通螺栓联接：靠预紧力在接合面间产生的摩擦力传力 假设为保证接合面不产生滑移所需要的预紧力为F0，则结合面间的摩擦力与横向外载荷平衡的条件是：

fF0≥KsF

或

F0≥KsF／f

式中，f－结合面的摩擦系数，

Ks－防滑系数，Ks＝1.1~1.3

1.3F0???? MPa 2?d1/4

图10-2 普通螺纹联接承受横向外载荷

采用铰制孔螺栓联接：靠螺栓受剪和螺栓与被联接件相互挤压时的变形来传递载荷。

?p?FsFs?[?] ?[?p] ???d0Lmin24d0式中：

F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d0－螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；

Lmin－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时，应使Lmin≥1.25d0

[σp]和[τ]分别是螺栓或孔壁材料的许用挤压应力和螺栓材料的许用切应力，单位为MPa。

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图10-3 铰制孔螺纹联接承受横向外载荷

2、受轴向工作载荷的紧螺栓联接

根据详细的理论分析可以确定，紧螺栓联接在受轴向载荷后螺栓的总拉力为：

Fa?F0?CbF

Cb?Cm式中

Cb称为螺栓的相对刚度。

Cb?Cm设计时，应先求出螺栓的工作拉力F，再根据联接的工作要求选取残余预紧力F1值，然后计算螺栓的总拉力F2。求得F2值后即可进行螺栓强度计算。螺栓危险截面的拉伸强度条件为：

?ca?1.3Fa?4d12????d1?4?1.3Fa

?[?]为了保证联接的紧密性，以防止联接受载后接合面出现缝隙，应使残余预紧力FE＞0

§10.7 螺栓的材料和许用应力

10.7.1 螺栓的材料

国家标准(GB/T3098.1-2000和GB/T3098.2-2000)规定了螺纹联接按材料的力学性能分出的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为十级，螺母的性能等级分为七级（见下表）。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。选用时需注意所用螺母的性能等级应不低于与其相配螺栓的性能等级。 10.7.2 螺栓的许用应力

由于载荷性质的不同，螺纹联接中可能存在着拉应力、切应力或挤压应力。相应的许用应力的确定应考虑螺纹联接件的性能等级、载荷性质、安全系数等因素。

许用拉应力 [?]??S/S 许用切应力 [?]??S/S? 许用挤压应力 [?p]??lim/Sp

式中，σs为螺纹联接件的屈服极限，根据其性能等级确定；

σlim为联接件与被联接件中较弱的极限应力，若均为钢材，则取材料的屈服极限σs；若被联接件是铸件，则取其铸件的强度极限σB。

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§10.9 螺旋传动

螺旋传动是利用螺杆与螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，主要用于把回转运动转变为直线运动。

1.按照螺旋传动的用途进行分类：

传力螺旋：举重器、千斤顶、加压螺旋

特点：低速、间歇工作，传递轴向力大、自锁

传导螺旋：机床进给丝杠—传递运动和动力

特点：速度高、连续工作、精度高

调整螺旋：机床、仪器及测试装置中的微调螺旋。

特点：是受力较小且不经常转动

传导螺旋 传力螺旋

图10-4 传导螺旋和传力螺旋

2. 按照螺母与螺杆的摩擦副关系分为：滑动螺旋传动和滚动螺旋传动

§10.11 键联接与花键联接

10.11.1键联接

键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂（gu）之间的周向固定，并将转矩从轴传递到毂，或从毂传递到轴．有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动。键联接可分为平键联接、半圆键联接、斜键联接（楔键联接、切向键联接）。

1.平键：键的两侧面是工作面，上表面与轮毂槽底之间留有间隙。平键联接分为普通平键、导向键和滑键联接。

1）普通平键：可以制成圆头、方头和半圆头三种型式。

2）导向键：导向平键是一种较长的平健；键用螺钉固定在轴上的键槽中；轴上的传动零件可沿键作轴向滑移。

3）滑键：当零件滑移的距离较大时，用滑键。滑键固定在轮毂上，轴上零件与键一起在轴上的键槽中作轴向移动。轴上键槽很长 2．半圆键

两侧面是工作表面，能在轴槽中摆动适应毂槽底面，半圆键的键槽对轴的强度削弱较大。 3.楔键和切向键

键的上下两个面为工作面，分别与毂和轴上的键槽的底面贴合。装配后，键楔紧在轴合轮毂的键槽里。工作时，靠键的楔紧作用来传递转矩。可以承受单向的轴向载荷。但是楔键

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