《機械設計基礎項目教程》課件項目3

模塊一設計臺式鉆床中立柱的螺紋連接模塊二設計減速器中齒輪與軸的鍵連接

模塊三機床刀架進給機構的螺旋傳動項目三常用連接模塊一設計臺式鉆床中立柱的螺紋連接

任務情境

鉆床指用鉆頭在工件上加工孔的機床，其結構簡單，加工精度相對較低，可鉆通孔、盲孔，更換特殊刀具，可擴、

锪孔，鉸孔或進行攻絲等加工。

鉆床由頭部、主軸、工作臺、立柱和底座等組成，如圖

3-1-1所示。電動機用螺栓固定在頭部，并用三角皮帶驅(qū)動主軸，通過三角皮帶從皮帶輪的一階傳到另一階的方法使主軸

獲得3~5個不同的速率。主軸為轉動部分，在套筒中轉動及上下運動，帶動麻花鉆頭進刀或從工件中拉出。圖3-1-1臺式鉆床任務提出與任務分析

1.任務提出

如圖3-1-1所示，臺式鉆床立柱用四個螺栓與底座連接，已知載荷FQ=25kN，試分析其受力情況并設計螺栓的直徑尺寸。

2.任務分析

螺栓連接實際上是螺紋連接的一種常見形式，本任務首先要明確螺紋的類型、螺紋的主要參數(shù)、螺紋連接件的材料和許用應力，其次要明確螺栓連接的受力情況及強度計算要求，最后進行螺栓組連接的結構設計。掌握以上知識后，才能設計出符合要求螺栓的直徑尺寸。相關知識

3.1.1螺紋連接的基本知識

1.螺紋的形成及類型

1)螺紋的形成

如圖3-1-2所示，將一底邊長度CB等于pd2的直角三角形△ACB繞在一直徑為d2的圓柱體上，并使底邊CB繞在圓柱體的底邊上，則斜邊AB在圓柱體上便形成一條螺旋線。取一平面圖形(三角形、梯形或矩形)，使它的一邊靠在圓柱體的母線上并沿螺旋線移動，移動時始終保持該圖形位于圓柱體的軸截面內(nèi)，即可得到相應的螺紋。圖3-1-2螺紋的形成

2)螺紋的類型

(1)根據(jù)母體形狀，螺紋分為圓柱螺紋和圓錐螺紋。

(2)根據(jù)牙型不同(見圖3-1-3)，螺紋分為三角形螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋和圓弧形螺紋。其中三角形螺紋主要用于連接，梯形、鋸齒形和矩形螺紋主要用于傳動，圓

弧形螺紋多用于排污設備、水閘閘門等的傳動螺旋及玻璃器皿的瓶口螺旋。圖3-1-3螺紋的牙型

(3)根據(jù)螺旋線的繞行方向(見圖3-1-4(a)、(b))，可分為左旋螺紋和右旋螺紋。螺紋的旋向判斷方法為：規(guī)定將螺紋直立時螺旋線向右上升為右旋螺紋，向左上升為左旋螺紋?；蛘卟捎米笥沂侄▌t：用左(右)手握住螺桿，將螺桿豎立，從螺桿前方向后看，若左(右)手大拇指側的螺紋線較高，則為左(右)旋螺紋。機械制造中一般采用右旋螺紋，有特殊要求時，才采用左旋螺紋，比如煤氣罐等危險設備中使用的螺紋。圖3-1-4螺紋的旋向

(4)根據(jù)螺旋線的數(shù)目(見圖3-1-5(a)、(b))，可分為單線螺紋(n=1)和等距排列的多線螺紋(n≥2)。為了制造方便，螺紋

一般不超過4線。圖3-1-5螺紋的線數(shù)

(5)根據(jù)螺紋所處位置，可分為內(nèi)螺紋和外螺紋。在圓柱或圓錐外表面形成的螺紋稱為外螺紋，在其內(nèi)表面上形成的螺紋為內(nèi)螺紋。

(6)根據(jù)用途不同，螺紋分為連接螺紋和傳動螺紋。

2.螺紋的主要參數(shù)

下面以圖3-1-6所示的圓柱普通螺紋為例說明螺紋的主要幾何參數(shù)。圖3-1-6螺紋的主要參數(shù)

3.常用螺紋的特點及應用

常用螺紋的類型、特點及應用如表3-1-1所示。3.1.2螺栓連接

1.螺栓連接及連接件

1)螺栓連接

螺栓連接是將螺栓穿過被連接件上的光孔并用螺母鎖緊，這種連接結構簡單、裝拆方便、應用廣泛。螺栓連接按螺栓受力情況可分為普通螺栓連接和鉸制孔用螺栓連接兩種。

普通螺栓連接用于被連接件厚度不大并開有通孔，通孔和螺栓桿之間留有間隙的場合，如圖3-1-7(a)所示。

鉸制孔用螺栓連接的被連接件上為鉸制孔，螺栓桿和通孔之間為過渡配合，可對被連接件進行準確的定位，主要用于傳遞橫向載荷，如圖3-1-7(b)所示。圖3-1-7螺栓連接

2)螺栓連接件

(1)六角螺栓。螺栓頭部多為六角形，螺栓桿部有部分螺紋和全螺紋兩種，如圖3-1-8所示。螺紋有A、B、C三個精度等級，A級精度最高，常用C級。圖3-1-8六角螺栓

(2)六角螺母。螺母的形狀有六角形、圓形、方形等，其中六角螺母最常用，如圖3-1-9所示。按螺母的厚度不同又可分為普通螺母、薄螺母和厚螺母。螺母的制造精度同螺栓制造

精度對應，有A、B、C三級，分別與同級螺栓配用。圖3-1-9六角螺母

(3)墊圈。墊圈放置在螺母和被連接件之間，起保護支

承表面等作用，常用的有平墊圈、彈簧墊圈和斜墊圈，如圖

3-1-10所示。平墊圈可增加被連接件的支承面積，減小接觸

處壓強，防止旋緊螺母時損傷被連接件表面；彈簧墊圈還兼

有防松的作用；斜墊圈用于傾斜面的支承。圖3-1-10墊圈

2.螺紋連接的預緊與防松

1)螺紋連接的預緊

如圖3-1-11所示，在擰緊螺母時，需要克服螺紋副相對扭轉的阻力矩T1和螺母與支承面之間的摩擦阻力矩T2，即擰緊力矩T=T1+T2。圖3-1-11螺紋連接的預緊對于M10~M64的粗牙普通螺栓，若螺紋連接的預緊力為Q0，螺栓直徑為d，則擰緊力矩T可以按以下近似公式計算：

T≈0.2Q0d

(N·mm)

(3-1-2)預緊力的控制方法有多種。對于一般的普通螺栓連接，

預緊力憑裝配經(jīng)驗控制；對于較重要的普通螺栓連接，可用測力矩扳手(見圖3-1-12)或者定力矩扳手(見圖3-1-13)來控制預緊力的大小；對于預緊力控制有精確要求的螺栓連接，可采用

測量螺栓伸長的變形量來控制預緊力的大??；而對于高強度螺栓連接，可以采用測量螺母轉角的方法來控制預緊力的大小。一般規(guī)定，擰緊后螺紋連接件的預緊力不得超過其材料屈服極限δs的80％。圖3-1-12測力矩扳手圖3-1-13定力矩扳手

2)螺紋連接的防松

螺紋連接防松的實質(zhì)就是防止螺紋副的相對轉動。

(1)防松的原因。

①在沖擊、振動和變載的作用下，螺紋之間的摩擦力可能突然消失而影響正常工作。

②在高溫或溫度變化較大時，螺栓與被連接件因溫度不同而存在變形差異或材料的蠕變，也可能導致連接的松脫。

(2)螺紋連接的防松措施及方法。螺紋連接后，可以根據(jù)具體情況，選用合理的防松措施和防松方法。常用的防松方法如下：

①摩擦防松。摩擦防松是采用各種結構措施使螺旋副元素間的摩擦力不隨連接的外載荷波動而變化，保持較大的摩擦力。

·雙螺母防松：如圖3-1-14(a)所示，利用兩個螺母對頂擰緊作用使螺栓始終受到附加拉力和附加摩擦力的作用，使螺紋副軸向張緊，從而達到防松的目的。這種防松方法結構簡單，

常用于平穩(wěn)、低速和重載的連接。其缺點是在載荷劇烈變化時不太可靠，而且螺桿加長，增加一個螺母后使結構尺寸變大，這樣既增加了重量也不經(jīng)濟。

·彈簧墊圈防松：如圖3-1-14(b)所示，擰緊螺母，彈簧墊圈被壓平后，其彈力使螺紋副沿軸向上張緊，而且墊圈斜口方向也可對螺母起到防松的作用。這種防松方法結構簡單，使用方便，但墊圈彈力不均，因而防松也不太可靠，一般用于不太重要的連接。

·自鎖螺母防松：如圖3-1-14(c)所示，在螺母上端做成有槽的彈性結構，在裝配前這一部分的內(nèi)螺紋尺寸略小于螺栓的外螺紋。裝配時利用彈性使螺母稍稍擴張，螺紋之間得到緊

密的配合，保持經(jīng)常的表面摩擦力，從而達到防松的目的。這種防松方法簡單、可靠，可多次裝拆而不降低防松能力，一般用于重要場合。圖3-1-14摩擦防松②機械防松。機械防松是利用便于更換的元件來約束螺旋副，使之不能相對轉動。

·槽形螺母與開口銷防松：如圖3-1-15所示，將螺母擰緊后，把開口銷插入螺母槽與螺栓尾部孔內(nèi)，并將開口銷尾部扳開，阻止螺母與螺栓的相對轉動。其特點是防松可靠，一般用

于受沖擊或載荷變化較大的連接。圖3-1-15槽形螺母與開口銷防松

·止動墊圈防松：如圖3-1-16所示為單耳止動墊圈，將止動片的一折邊彎起貼在螺母的側面上，另一折邊彎下貼在被連接件的側壁上，從而避免螺母轉動而松脫。這種連接防松可靠，但只能用于連接部分可容納彎耳的場合。圖3-1-16止動墊圈防松圖3-1-17所示為圓螺母用帶翅止動墊圈，將墊片內(nèi)翅嵌入螺母軸的內(nèi)槽中，待螺母擰緊后，再將墊片的外翅之一嵌入圓螺母的缺口中，即可防止螺母松脫，常用于軸上螺紋的防松。圖3-1-17圓螺母止動墊圈防松

·串聯(lián)鋼絲防松：如圖3-1-18所示，將鋼絲插入各螺釘頭

部的孔內(nèi)，使其相互制約，從而達到防松的目的。這種防松方法一般用于螺釘組的連接，連接可靠，但裝拆不便。圖3-1-18串聯(lián)鋼絲防松③破壞螺紋副的不可拆防松。

如圖3-1-19所示，在螺母擰緊后，采用焊接、黏合、沖點等方法防松。圖3-1-19不可拆防松3.1.3螺栓連接的強度計算

1.螺栓連接失效形式及強度計算依據(jù)

螺栓連接通常是成組使用的，稱為螺栓組。在進行螺栓組的設計計算時，首先要確定螺栓的數(shù)目和布置，再進行螺栓受載分析，從螺栓組中找出受載最大的螺栓，計算該螺栓所受的載荷。

2.受拉螺栓連接

1)松螺栓連接

松螺栓連接在裝配時不擰緊螺母，螺栓不受預緊力的作用，工作時螺紋只受軸向工作載荷F的作用。這種連接在拉桿裝置、起重吊鉤、定滑輪等裝置中應用。如圖3-1-20所示起重機吊鉤尾部的松螺栓連接，螺栓工作時受軸向力F的作用，其強度計算條件為

(3-1-3)

式中:［σ］——松螺栓連接的許用拉應力(MPa)；

d1——螺紋危險截面的直徑，即螺紋的小徑。圖3-1-20松螺栓連接由式(3-1-3)可得設計公式為

(3-1-4)

由上式求得滿足強度條件的螺紋小徑d1，再按螺紋標準從有關設計手冊中查得螺紋的公稱直徑d。

2)緊螺栓連接

(1)只受預緊力的緊螺栓連接。如圖3-1-21所示，在橫向工作載荷F的作用下，被連接件的結合面間有相對滑動趨勢。為了防止滑動，由預緊力FP所產(chǎn)生的摩擦力應大于或等于橫向工作載荷F，即FPfm≥F。圖3-1-21橫向外載荷的普通螺栓連接引入可靠性系數(shù)Kf，整理得

(3-1-5)

式中:FP——螺栓所受軸向預緊力(N)；

F——螺栓連接所受橫向工作載荷(N)；

f——接合面摩擦因數(shù)，可查表3-1-2；

m——摩擦面數(shù)目；

Kf——可靠性因數(shù)，一般取Kf＝1.1～1.3。擰緊螺母時，螺母受到預緊力FP產(chǎn)生的拉應力和螺紋副摩擦力矩產(chǎn)生的扭矩切應力的同時作用，根據(jù)材料力學的第四強度理論，可知相當應力σca≈1.3σ，所以受橫向載荷作用的普通螺栓連接的強度校核與設計計算公式分別為

(3-1-6)

(3-1-7)

式中:F0——螺栓所受預緊力(N)；

［σ］——緊螺栓連接的許用拉應力(MPa)；

σca——相當應力(MPa)；

d1——螺栓小徑(mm)。

(2)承受軸向靜載荷的緊螺栓連接。這種承載形式在緊螺栓連接中比較常見，也是最重要的一種螺栓連接形式。汽缸

與汽缸蓋螺栓組連接就是這種連接的典型例子。在這種連接中，螺栓實際承受的總拉力FΣ并不等于預緊力F0和軸向工作載荷F之和。

圖3-1-22所示為汽缸端蓋的螺栓組，其每個螺栓承受的平均軸向工作載荷為

(3-1-8)

式中，p為缸內(nèi)氣壓，D為缸徑，z為螺栓數(shù)。圖3-1-22壓力容器的螺栓受力圖3-1-23為汽缸蓋螺栓組中一個螺栓連接的受力情況。

此時螺栓所受的軸向總拉力FΣ應為其所受的工作載荷

F與殘余預緊力F0′之和，即

FΣ=F+F0′

(3-1-9)圖3-1-23螺栓受力與變形當選定殘余預緊力F0′后，即可按式(3-1-9)求出螺栓所受的總拉力F，同時考慮到可能需要補充擰緊及扭轉剪應力的作用，將FΣ增加30％，則螺栓危險截面的拉伸強度條件為

(3-1-10)

設計公式為

(3-1-11)

3.受剪螺栓連接

如圖3-1-24所示，這種連接在裝配時螺桿與孔壁間采用過渡配合，無間隙，螺母不必擰得很緊。工作時螺栓連接承受橫向載荷FR，螺栓在連接接合面處受剪切力的作用，螺栓桿與孔壁間相互擠壓。因此，應分別按擠強度和壓剪切強度條件進行計算。圖3-1-24受橫向外載荷的鉸制孔用螺栓連接螺栓桿與孔壁之間的擠壓強度為

(3-1-12)

螺栓桿的剪切強度條件為

(3-1-13)一般條件下工作的螺紋連接件的常用材料為低碳鋼和

中碳鋼，其力學性能見表3-1-3。螺紋連接材料的許用應力［s］、［t］、［sp］可查表3-1-4和表3-1-5。3.1.4螺紋連接件的材料和許用應力

1.螺紋連接件的材料

螺栓的常用材料有Q215、Q235、15、35和45鋼等，重

要和有特殊要求的場合可采用15Cr、40Cr、30CrMnSi和15MnVB等機械性能較高的合金鋼。有防蝕或?qū)щ娨髸r，也可采用銅及其合金以及其他有色金屬。常用螺栓材料的

機械性能見表3-1-3。

2.螺紋連接的許用應力和安全系數(shù)

螺栓的許用應力及安全系數(shù)見表3-1-4。不控制預緊力的緊螺栓連接中，安全系數(shù)S的選擇與螺栓直徑d有關，d越小，S越大，許用應力［s］也就越低。這是因為，如果不控制預緊力，螺栓直徑越小，擰緊時螺桿因過載而損壞的可能性就越大。3.1.5螺紋連接設計時應注意的問題

1.螺栓組連接的結構設計

1)形狀簡單

連接接合面的幾何形狀通常設計成軸對稱的簡單幾何形狀，同時應和機器的結構形狀相適應，如圓形、環(huán)形、矩形、框形和三角形等，如圖3-1-25所示。這樣不但便于加工制造，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱中心和連接接合面的形心重合，從而保證連接接合面受力比較均勻。圖3-1-25螺栓組連接接合面的形狀

2)使螺栓受力均勻

螺栓的布置應使各螺栓的受力合理。對于鉸制孔用螺栓連接，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。當螺栓連接承受彎矩或轉矩時，應使螺栓的位置適當靠近連接接合面的邊緣，盡量使螺栓布置在遠離形心的地方，以減小螺栓的受力，如圖3-1-26所示。若螺栓組同時承受較大的橫向、軸向載荷，應采用銷、套筒、鍵等零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的尺寸結構，如圖3-1-27所示。圖3-1-26接合面承彎矩或轉矩時螺栓連接圖3-1-27承受橫向載荷的減載裝置

3)便于分度

分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應取成4、6、8等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。同一螺栓組中螺栓的材料、直徑和長度均應相同，如圖3-1-28(a)所示。圖3-1-28接面合的形狀

4)盡量減少加工面

接合面較大時應采用環(huán)狀結構，如圖3-1-28(b)所示。采用圖3-1-28(c)所示的條狀結構或凸臺結構可以減少加工面，且能提高連接的平穩(wěn)性和連接剛度。

5)螺栓的排列應有合理的間距和邊距

為了裝配方便和保證支承強度，螺栓的各軸線之間以及螺栓軸線和機體壁之間應有合理的間距和邊距，間距和邊距的最小尺寸根據(jù)扳手空間確定，如圖3-1-29所示，其尺寸請查閱有關設計手冊。對于壓力容器等緊密性要求較高的連接，螺栓間距t不得大于表3-1-6所推薦的數(shù)值。圖3-1-29扳手的空間尺寸

6)避免螺栓承受偏心載荷

避免螺栓承受偏心載荷，應減小載荷相對于螺栓軸心線

的偏距，保證螺母與螺栓頭部支承面平整并與螺栓軸線相垂

直。對于鑄件、鐓件、焊件等零件的粗糙表面，應加工成凸

臺(見圖3-1-30(a))或沉頭座(見圖3-1-30(b))；支承面傾斜時應

采用斜面墊圈(見圖3-1-31(a))或球面墊圈(見圖3-1-31(b))。這

樣可使螺栓軸線垂直于支承面，避免承受偏心載荷。圖3-1-30凸臺與沉頭座的應用圖3-1-31斜面與球面墊圈的應用

2.提高螺栓連接強度的措施

1)改善螺紋牙間的載荷分配

(1)懸置螺母。懸置螺母的旋合部分全部受拉，其變形性質(zhì)與螺栓相同，從而可以減小兩者的螺距變化差，使螺紋牙上的載荷分布趨于均勻，如圖3-1-32(a)所示。

(2)內(nèi)斜螺母。內(nèi)斜螺母下端(螺栓旋入端)受力大的幾圈螺紋處制成10°～15°的斜角，使螺栓螺紋牙的受力面由上而下逐漸外移。這樣，螺栓旋合段下部的螺紋牙在載荷作用下容易變形，而載荷將向上轉移使載荷分布趨于均勻，如圖3-1-32(b)所示。

(3)環(huán)槽螺母。這種結構可以使螺母內(nèi)緣下端(螺栓旋入端)局部受拉，其作用和懸置螺母相似，但載荷均布的效果不及懸置螺母，如圖3-1-32(c)所示。圖3-1-32改善螺紋牙間的載荷分配

2)減小螺栓的應力變化幅度

對于受變載荷作用的螺栓，其應力也在一定的幅度內(nèi)變動，減小螺栓剛度或增大被連接件剛度等皆可使螺栓的應力變化幅度減小。為減輕這種影響，可采用彈性元件和金屬墊片等，如圖3-1-33所示。圖3-1-33減小應力幅度

3)減小應力集中

螺紋的牙根、螺栓頭部與栓桿鉸接處，都有應力集中，是產(chǎn)生斷裂的危險部位。其中螺紋牙根的應力集中對螺栓的疲勞強度影響很大。適當增大螺紋牙根過渡處圓角半徑、在螺紋結束部位采用退刀槽等，都能使截面變化均勻，減小應力集中，提高螺栓的疲勞強度，如圖3-1-34所示。圖3-1-34減少應力集中

4)避免附加應力

當被連接件、螺母或螺栓頭部的支承面粗糙(見圖3-1-35(a))、被連接件因剛度不夠而彎曲(見圖3-1-35(b))、鉤頭螺栓(見圖

3-1-35(c))以及裝配不良等都會使螺母與支承面的接觸點偏離螺栓軸線，使螺栓承受偏心載荷，從而使螺栓產(chǎn)生附加的彎曲應力。這種情況應盡量避免，具體措施如圖3-1-30、圖3-1-31及

圖3-1-34所示。圖3-1-35螺栓承受偏心載荷探索與實踐

1．受力分析

如圖3-1-1所示，立柱螺栓組受到切削力所形成的軸向力、立柱本身所受的重力以及切削時對立柱所形成的彎矩。計算時可按純軸向力計算，然后對直徑增大20%，對彎矩所形成的彎曲應力進行修正。

2．確定普通螺栓的直徑

(1)確定每個螺栓所受的軸向工作載荷F。

(2)計算每個螺栓總的軸向力FΣ。由式(3-1-9)得

FΣ=F+F0′

根據(jù)立柱螺栓連接的緊密性要求，取F0′=(0.2～0.6)F，即F0′=0.4F=2500N,因此

FΣ=F+F0′=6250+2500=8750N

3．確定螺栓的公稱直徑d

(1)選擇螺栓材料，確定許用應力。查表3-1-3，選用35鋼，其σb=530MPa，σs=315MPa。由表3-1-4和表3-1-5可見，當不控制預緊力，對碳素鋼S=4(為了安全起見，安全系

數(shù)取大值)，則許用應力

(2)計算螺栓的小徑d1。由式(3-1-11)得

對d1增大20%，則

d1≥13.56×(1+0.20)=16.28mm

查普通螺紋基本尺寸，取d=20mm，d1=17.294，

P=2.5mm。拓展知識——其他螺紋連接

1.其他類型的螺紋連接

1)雙頭螺栓連接

如圖3-1-36所示，將螺栓一端旋入被連接件的螺紋孔中，另一端穿過另一被連接件的通孔后，再與螺母配合來完成連接。其特點是兩被連接件中，有一個被連接件上需切制螺紋孔，另一被連接件上切制通孔。它適用于一個被連接件很厚或一端無足夠的安裝操作空間又需經(jīng)常拆卸的場合。圖3-1-36雙頭螺栓連接

2)螺釘連接

如圖3-1-37所示，螺釘連接的特點與雙頭螺栓相似，只

是不需要螺母。螺釘直接穿過一個被連接件的通孔，旋入另

一個被連接件的螺紋孔中。這種連接結構簡單，外觀較整齊美觀，適用于被連接件之一較厚或另一端不能裝螺母的場合。但經(jīng)常拆裝會使螺紋孔磨損，導致被連接件過早失效，所以

不適用于經(jīng)常拆裝的場合。圖3-1-37螺釘連接

3)緊定螺釘連接

如圖3-1-38所示,利用緊定螺釘?shù)穆菁y部分旋入一個被連接件的螺紋孔中，以尾部頂在另外一個被連接件的表面上或凹坑中，來固定兩個被連接件之間的位置。這種連接的特點是可以傳遞較小的軸向或周向載荷。緊定螺釘?shù)亩瞬坑衅蕉?、錐端和柱端等。圖3-1-38緊定螺釘連接

2.其他螺紋連接件

1)雙頭螺柱

雙頭螺柱的兩端都制有螺紋，兩端螺紋可相同或不同，有A型和B型兩種結構，如圖3-1-39所示。螺柱的一端旋入被連接件螺紋孔中，旋入后即不拆卸；另一端用于安裝螺母以固定其他零件。圖3-1-39雙頭螺柱

2)螺釘

頭部形狀有圓頭、扁圓頭、六角頭、圓柱頭和沉頭等，以適應不同的裝配要求，頭部起字槽有一字槽、十字槽和內(nèi)六角孔等形式，如圖3-1-40所示。十字槽螺釘頭部強度高、對中性好，便于自動裝配；內(nèi)六角孔螺釘能承受較大的扳手力矩，連接強度高，用于要求結構緊湊的場合。圖3-1-40螺釘及其頭部各種結構

3)圓螺母

圓螺母與止退墊圈(見圖3-1-41)配用，裝配時墊圈內(nèi)舌嵌入軸槽內(nèi)，外舌嵌入螺母槽內(nèi)，螺母即被鎖緊，可防螺母松脫，常用于滾動軸承軸向固定。圖3-1-41圓螺母與止退墊圈

4)緊定螺釘

用末端頂住被連接件，頭部為一字槽的緊定螺釘最常用。尾部的多種形狀中，平端用于高硬度表面或經(jīng)常拆卸處，圓柱端壓入空心軸上的凹坑以緊定零件位置，錐端用于低硬度表面或不經(jīng)常拆卸處，如圖3-1-42所示。圖3-1-42緊定螺釘及其尾部各種形式歸納總結

1．普通螺紋的公稱直徑是指內(nèi)、外螺紋的大徑(D、d)。

2．螺紋的分類見表3-1-7。

3．螺紋的應用：主要起連接和傳動的作用。

4．螺紋連接的類型：螺栓連接(普通螺栓連接、鉸制孔用螺栓連接)、雙頭螺栓連接、螺釘連接、緊定螺釘連接。

5．螺紋連接件：螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母和墊圈等。

6．螺紋連接的預緊與防松。

(1)預緊目的：增加連接的可靠性、緊密性和防松能力。

(2)防松的根本問題：防止螺紋副之間的相對運動。

(3)螺紋連接防松措施：摩擦防松、機械防松、不可拆防松等。

7．提高螺栓連接強度的措施：改善螺紋牙間載荷分布不均狀況；減小應力集中的影響；降低螺栓應力變化幅度；減小應力集中的影響；(工藝方法)采用合理的制造工藝。

8．螺栓組結構設計時應注意的三個問題：一是螺栓受力要小且均勻，二是布置要合理，三是不產(chǎn)生附加彎曲應力。模塊二設計減速器中齒輪與軸的鍵連接

任務提出與任務分析

1.任務提出

首先讓學生完成單級減速箱的拆裝實驗，如圖3-2-1(a)所示，在拆裝過程中對齒輪減速箱的輸出軸(見圖3-2-1(b))進行觀察并思考：該輸出軸上有哪些零部件？它們是怎樣安裝上去的，又是怎樣拆卸的？輸出軸、齒輪與鍵(見圖3-2-1(c))之間是怎樣定位及設計的？圖3-2-1單級減速箱的拆裝設計任務：設計選用圖3-2-2所示的減速器輸出軸與齒輪

的鍵連接形式。已知軸傳遞的轉矩T=600N·m，載荷有輕微沖擊，軸、鍵的材料均為鋼，齒輪材料為鑄鋼。圖3-2-2減速器輸出軸

2.任務分析

鍵連接是常用的軸轂連接方式，要正確選用鍵連接的類型和尺寸，首先應熟悉鍵連接的類型及特點，還應掌握有關鍵連接的強度計算方法以便對鍵進行強度校核。相關知識

3.2.1鍵連接的類型、結構和特點

1.平鍵連接

如圖3-2-3(a)所示，平鍵的上下兩面和兩個側面都互相平行，平鍵的下面與軸上鍵槽切緊，上面與輪轂鍵槽頂面留有間隙。工作時靠鍵與鍵槽側面的擠壓來傳遞轉矩，故平鍵的兩個側面是工作面。因此，平鍵連接結構簡單、加工容易、裝拆方便、對中性好。但它不能承受軸向力，對軸上零件不能起到軸向固定的作用，常用于傳動精度要求較高的場合。

平鍵按用途不同分為普通平鍵、導向平鍵和滑鍵三種。

(1)普通平鍵連接。普通平鍵連接用于靜連接，根據(jù)鍵頭部形狀不同，可分為圓頭A型、方頭B型和單圓頭C型鍵三種，如圖3-2-3(b)、(c)、(d)所示。圖3-2-3普通平鍵連接

(2)導向平鍵和滑鍵連接。導向平鍵和滑鍵連接用于動連接。當零件需要作軸向移動時，可采用導向平鍵連接，如圖

3-2-4所示。導向平鍵較普通平鍵長，為防止鍵體在軸中松動，導向平鍵連接用兩個螺釘將其固定在軸上，其中部制有起鍵螺釘，常用于移動距離不大的場合。圖3-2-4導向平鍵連接當零件需要滑移的距離較大時，因所需的導向平鍵過長，制造困難，可選用滑鍵連接?；I固定在輪轂上，隨輪轂一同沿著軸上鍵槽移動，如圖3-2-5所示。圖3-2-5滑鍵連接

2.半圓鍵連接

圖3-2-6所示為半圓鍵連接，半圓鍵的工作面也是鍵的兩個側面。軸上鍵槽用與半圓鍵尺寸相同的鍵槽銑刀銑出，半圓鍵可在槽中繞其幾何中心擺動以適應轂槽底面的傾斜。這種鍵連接的特點是工藝性好、裝配方便，尤其適用于錐形軸端與輪轂的連接；但鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，一般用于輕載靜連接。若用兩個半圓鍵，應布置在軸的同一條母線上。圖3-2-6半圓鍵連接

3.楔鍵連接

圖3-2-7所示為楔鍵連接，楔鍵的上、下兩面為工作面。楔鍵的上表面和與它相配合的輪轂鍵槽底面均有1∶100的斜度。裝配時將楔鍵打入，使楔鍵楔緊在軸和輪轂的鍵槽中，楔鍵

的上、下表面受擠壓，工作時靠這個擠壓產(chǎn)生的摩擦力傳遞轉矩。如圖3-2-7所示，楔鍵分為普通楔鍵和鉤頭楔鍵兩種。鉤頭楔鍵的鉤頭是為了便于拆卸的。普通楔鍵也分為A、B、C三種形式。圖3-2-7楔鍵連接

4.切向鍵連接

切向鍵由兩個斜度為1∶100的普通楔鍵組成，如圖3-2-8

所示，裝配時將切向鍵沿軸切線方向楔緊在軸與輪轂之間。

其上下面為工作面，壓力沿軸切線方向作用，能傳遞很大轉矩。

用一對切向鍵時，只能單向傳遞轉矩；要雙向傳遞轉矩須用兩對互成120°～135°分布的切向鍵。圖3-2-8切向鍵連接3.2.2平鍵連接的選用及強度計算

1.平鍵的選用及標注

平鍵是標準件，設計時可根據(jù)具體條件選擇鍵的類型和尺寸。

(1)類型選擇。鍵的類型應根據(jù)鍵連接的結構、使用特性及工作條件來選擇。選擇時應考慮以下各方面的情況：①需要傳遞轉矩的大??；②連接于軸上的零件是否需要沿軸滑動及滑動距離的長短；③對于連接的對中性要求；④鍵是否需要具有軸向固定的作用；⑤鍵在軸上的位置(在軸的中部還是端部)等。

(2)尺寸選擇。鍵的主要尺寸為其截面尺寸(鍵寬b×鍵高h)與長度L。鍵的剖面尺寸b×h按軸的直徑d由標準中選定，見表3-2-1。鍵的長度L一般由輪轂寬度來確定，要求鍵長比輪轂略短5~10mm，且符合長度系列值；導向平鍵的長度則應由零件所需滑動的距離來確定。

(3)平鍵標注記為：鍵類型b×LGB/T1096—2003。對于圓頭普通平鍵(A型)，標注字母A可以省略不標。

例如，鍵截面尺寸b×h=16×10，鍵長L=100mm的平頭普通平鍵標記為

鍵B16×100GB/T1096—2003

2.平鍵連接的強度計算

如圖3-2-9所示，假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，則普通平鍵連接的強度條件為

(3-2-1)圖3-2-9普通平鍵連接受力分析導向平鍵連接和滑鍵連接的強度條件為

(3-2-2)探索與實踐

(1)選擇鍵連接的類型。如圖3-2-2所示，為保證齒輪傳動嚙合良好，要求對中性好，故選用A型普通平鍵連接。

(2)選擇鍵的主要尺寸。根據(jù)軸的直徑d=75mm及輪轂長度80mm，按表3-2-1選擇A型普通平鍵，其鍵寬b=20mm，鍵高h=12mm，鍵長L=70mm，標記為

GB/T1096—2003鍵20×12×70

(3)校核鍵連接強度。按連接結構的材料(鋼)和工作的載荷有輕微沖擊，查表3-2-2得σp=100MPa。鍵的工作長度為

l=L－b=70－20=50mm

由式(3-2-1)得

故此鍵連接的強度足夠。

(4)標注鍵槽的尺寸和公差。由表3-2-1查得軸槽、轂槽的尺寸及公差如圖3-2-10所示。圖3-2-10鍵槽尺寸拓展知識——其他連接

1.花鍵連接

1)花鍵連接的組成

花鍵連接由軸上加工出的外花鍵(花鍵軸)和輪轂孔上加工出的內(nèi)花鍵(花鍵孔)組成(如圖3-2-11所示)，鍵齒對稱分布，鍵槽較淺，工作時依靠內(nèi)、外花鍵齒側面的相互擠壓傳遞轉矩。圖3-2-11外花鍵與內(nèi)花鍵

2)花鍵的類型和特點

花鍵是標準件，按齒形可分為矩形花鍵和漸開線花鍵?；ㄦI的類型、特點及應用如表3-2-3所示。

2.銷連接

銷是標準件，根據(jù)銷連接的作用，銷可分為定位銷、連接銷和安全銷等。定位銷用于確定零件之間的相對位置，一般成對使用，如圖3-2-12所示；連接銷可以實現(xiàn)軸與軸向零件的固

定或零件之間的連接，只能承受較小的載荷，如圖3-2-13所示；安全銷可作為安全裝置中的被剪斷零件，起過載保護作用，如圖3-2-14所示。圖3-2-12定位銷圖3-2-13連接銷圖3-2-14安全銷歸納總結

1.常用的軸轂連接方式有鍵連接、花鍵連接和銷連接等，鍵、花鍵和銷都是標準件。

2.平鍵按用途不同分為普通平鍵、導向平鍵和滑鍵三種。平通平鍵用于靜連接，導向平鍵和花鍵用于動連接。通常按工作面上的最大擠壓壓力(對于靜連接)或最大壓強(對于動連接)對平鍵進行強度校核。

3.花鍵按齒形可分為矩形花鍵和漸開線花鍵。

4.銷有圓柱銷和圓錐銷兩種基本類型，應根據(jù)不同工作要求進行選用。

5.圓柱面過盈連接的裝配方法有壓入法和溫差法兩種。模塊三機床刀架進給機構的螺旋傳動

任務情境

如圖3-3-1所示，機床刀架進給機構的螺旋傳動主要由螺桿和螺母組成，屬于螺旋低副，其工作原理是螺桿1與機架4組成轉動副，螺母2與螺桿以左旋螺紋配合并與工作臺3連接。當轉動螺桿按圖示方向回轉時，螺母帶動工作臺沿機架的導軌向左作直線移動。圖3-3-1機床刀架進給機構任務提出與任務分析

1.任務提出

在如圖3-3-1所示的機床刀架進給機構中，螺桿為雙線螺紋，螺距為5mm，當螺母回轉3周時，刀架移動的距離是多少？若螺桿轉速為25r/min時，則刀架移動速度是多少？

2.任務分析

什么是螺旋傳動，其類型有哪些？它們在結構組成上有什么特點，又是如何傳遞和運動的呢？通過對以上知識的學習解決螺旋傳動中的一些相關計算。相關知識

3.3.1螺旋傳動的特點及類型

螺旋運動是構件的一種空間運動，它由具有一定制約關系的轉動及沿轉動軸線方向的移動兩部分組成。組成運動副的兩構件只能沿軸線作相對螺旋運動的運動副稱為螺旋副。螺旋副是面接觸的低副。3.3.2滑動螺旋傳動

1.普通螺旋傳動

由螺桿和螺母組成的簡單螺旋副實現(xiàn)的傳動稱為普通螺旋傳動。

1)普通螺旋傳動的應用形式

(1)螺母固定不動，螺桿回轉并作直線運動。如圖3-3-2所示為螺桿回轉并作直線運動的臺虎鉗。圖3-3-2臺虎鉗

(2)螺桿固定不動，螺母回轉并作直線運動。如圖3-3-3所示為螺旋千斤頂中的一種結構形式，螺桿4連接于底座固定不動，轉動手柄3使螺母2回轉并作上升或下降的直線運動，從而舉起或放下托盤1。螺桿不動，螺母回轉并作直線運動的形式常用于插齒機刀架傳動等。圖3-3-3螺旋千斤頂

(3)螺桿回轉，螺母作直線運動。如圖3-3-4所示為螺桿回轉，螺母作直線運動的傳動結構圖。螺桿2與機架組成轉動副，螺母4與螺桿以左旋螺紋嚙合并與工作臺連接。當轉動手輪使螺桿按圖示方向回轉時，螺母帶動工作臺沿機架的導軌向右作直線運動。螺桿回轉，螺母作直線運動的形式應用較廣，如機床的滑板移動機構等。圖3-3-4機床工作臺移動機構

(4)螺母回轉，螺桿作直線運動。如圖3-3-5所示為應力試驗機上的觀察鏡螺旋調(diào)整裝置。螺桿2、螺母3為左旋螺旋副。當螺母按圖示方向回轉時，螺桿帶動觀察鏡1向上移動；螺母反向回轉時，螺桿連同觀察鏡向下移動。圖3-3-5觀察鏡螺旋調(diào)整裝置

2)直線運動方向的判定

普通螺旋傳動時，從動件作直線運動的方向(移動方向)不僅與螺紋的回轉方向有關，還與螺紋的旋向有關。正確判定螺桿或螺母的移動方向十分重要。判定方法如下：

(1)右旋螺紋用右手，左旋螺紋用左手。手握空拳，四指指向與螺桿(或螺母)回轉方向相同，大拇指豎直。

(2)若螺桿(或螺母)回轉并移動，螺母(或螺桿)不動，則大拇指指向即為螺桿(或螺母)的移動方向(如圖3-3-6所示)。圖3-3-6螺桿或螺母移動方向的判斷

(3)若螺桿(或螺母)回轉，螺母(或螺桿)移動，則大拇指指向的相反方向即為螺母(或螺桿)的移動方向。圖3-3-7所示為臥式車床床鞍的絲杠螺母傳動機構，絲杠為右旋螺桿，當絲杠如圖示方向回轉時，開合螺母帶動床鞍向左移動。圖3-3-7臥式車床床鞍的螺旋傳動

3)直線運動距離

在普通螺旋傳動中，螺桿(或螺母)的移動距離與螺紋的導程有關。螺桿相對螺母每回轉一圈，螺桿(或螺母)移動一個等于導程的距離。因此，移動距離等于回轉圈數(shù)與導程的乘積，即

L=NPh

(3-3-1)

式中：L——螺桿(螺母)移動距離(mm)；

N——回轉周數(shù)(r)；

Ph——螺紋導程(mm)。移動速度可按下式計算：

v=nPh

(3-3-2)

式中:

v——螺桿(或螺母)的移動速度(mm/min)；

n——轉速(r/min)；

Ph——螺紋導程(mm)。

例3-3-1如圖3-3-8所示的普通螺旋傳動中，已知左旋雙線螺桿的螺距為8mm，若螺桿按圖示方向回轉兩周，則螺母移動了多少距離？方向如何？圖3-3-8普通螺旋傳動

解由式(3-3-1)可知，普通螺旋傳動螺母的移動距離為

L=NPh=NPZ=2×8×2=32mm

螺母的移動方向判定：螺桿回轉，螺母移動。左旋螺紋用左手確定方向，四指指向與螺桿回轉方向相同，大拇指指向的相反方向為螺母的移動方向。因此，螺母移動的方向向右。

2.差動螺旋傳動

1)差動螺旋傳動的原理

如圖3-3-9所示為一差動螺旋機構。圖3-3-9差動螺旋傳動機構

2)差動螺旋傳動的移動距離和方向的確定

由上面的分析可知，在圖3-3-9所示的差動螺旋機構中：

(1)螺桿上兩螺紋旋向相同時，活動螺母移動距離減小。

(2)螺桿上兩螺紋旋向相反時，活動螺母移動距離增大。

(3)在判定差動螺旋傳動中活動螺母的移動方向時，應先確定螺桿的移動方向。

差動螺旋傳動中活動螺母的實際移動距離和方向，可用公式表示如下：

L=N(Ph1±Ph2)

(3-3-3)

例3-3-2如圖3-3-9所示，固定螺母的導程Ph1=1.5mm，活動螺母的導程Ph2=2mm，螺紋均為左旋。當螺桿回轉0.5轉時，活動螺母的移動距離是多少?移動方向如何?

解

(1)螺紋為左旋，用左手判定螺桿向右移動。

(2)因為兩螺紋旋向相同，由式(3-3-3)可知，活動螺母移動距離

L=N(Ph1－Ph2)=0.5×(1.5－2)=－0.25mm

(3)計算結果為負值，活動螺母移動方向與螺桿移動方向相反，即向左移動了0.25mm。

例3-3-3如圖3-3-10所示是應用于微調(diào)鏜刀上的差動螺旋傳動。螺桿1在Ⅰ和Ⅱ兩處均為右旋螺紋，刀套3固定在鏜桿

2上，鏜刀4在刀套中不能回轉，只能移動。當螺桿回轉時，

可使鏜刀得到微量移動，從而保證加工的準確性。若固定螺母螺紋(刀套)的導程Ph1=1.5mm，活動螺母(鏜刀)螺紋的導程Ph2=1.25mm，則螺桿按圖示方向回轉1周，鏜刀移動的距離

是多少？移動的方向如何？如果螺桿圓周按100等份刻線，螺桿每轉過1格，鏜刀的實際位移為多少？圖3-3-10差動螺旋傳動的微調(diào)鏜刀

解由式(3-3-3)可知，螺桿按圖示方向回轉1周時鏜刀移動距離

L=N(Ph1－