《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件1第4章

項(xiàng)目四聯(lián)接件與彈簧的設(shè)計(jì)4.1鍵聯(lián)接和銷聯(lián)接的選型設(shè)計(jì)4.2平鍵聯(lián)接的尺寸選擇和強(qiáng)度校核4.3花鍵聯(lián)接的類型和選用4.4銷聯(lián)接的類型和選用4.5螺紋聯(lián)接4.6彈簧

4.1鍵聯(lián)接和銷聯(lián)接的選型設(shè)計(jì)

本節(jié)主要介紹鍵聯(lián)接的類型和特點(diǎn)，平鍵聯(lián)接的尺寸選擇和強(qiáng)度校核，花鍵聯(lián)接的類型、特點(diǎn)和定心方式，銷聯(lián)接等。其它聯(lián)接可參考有關(guān)資料。

在各種機(jī)器上都有很多轉(zhuǎn)動(dòng)零件，如飛輪、齒輪、帶輪、凸輪和蝸輪等。這些零件和軸大多數(shù)采用鍵或花鍵聯(lián)接，如圖4-1所示。鍵聯(lián)接的功用是聯(lián)接轉(zhuǎn)動(dòng)零件與軸，以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件。鍵的材料通常采用抗拉強(qiáng)度不小于600MPa的鋼(常用45鋼)。根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和承受載荷的不同，鍵聯(lián)接可分為松鍵聯(lián)接和緊鍵聯(lián)接兩類。圖4-1普通平鍵聯(lián)接

1.松鍵聯(lián)接

松鍵聯(lián)接分為平鍵聯(lián)接和半圓鍵聯(lián)接兩類。

1)平鍵聯(lián)接

平鍵分為普通平鍵、導(dǎo)向平鍵和薄型平鍵三種。

(1)普通平鍵。普通平鍵的上頂平面與下底平面互相平行，兩側(cè)面也互相平行。其端部結(jié)構(gòu)有圓頭(A型)、平頭(B型)和單圓頭(C型)三種，如圖4-2所示。采用普通圓頭平鍵時(shí)，軸上的鍵槽宜用端銑刀加工(圖4-3(a))。其優(yōu)點(diǎn)是鍵在鍵槽中的固定較好，但鍵端部應(yīng)力集中較大。采用普通平頭平鍵時(shí)，軸上的鍵槽宜用圓盤銑刀加工(圖4-3(b))。其優(yōu)點(diǎn)是鍵槽端部應(yīng)力集中較小，但鍵在鍵槽中的軸向固定不好。單圓頭平鍵常用在軸的端部聯(lián)接中。裝配時(shí)，一般先將鍵放入軸上鍵槽內(nèi)，然后推上輪轂，構(gòu)成平鍵聯(lián)接，如圖4-4所示。這種聯(lián)接，鍵的上頂面與輪轂鍵槽的底面之間留有間隙，而鍵的兩側(cè)面與軸、輪轂鍵槽的側(cè)面配合緊密。為了方便裝拆，軸上鍵槽一般制成與鍵的形狀一樣的，而輪轂鍵槽開通。工作時(shí)，依靠鍵和槽側(cè)面的擠壓來傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，因此平鍵的側(cè)面為工作面。平鍵聯(lián)接由于結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便和對(duì)中性好，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。圖4-2普通平鍵的主要結(jié)構(gòu)形式圖4-3鍵槽的加工方法圖4-4普通平鍵聯(lián)接

(2)導(dǎo)向平鍵和滑鍵。導(dǎo)向平鍵是加長的普通平鍵。其端部形狀有A型和B型兩種，如圖4-5所示。導(dǎo)向平鍵聯(lián)接時(shí)將鍵用螺釘固定在軸上的鍵槽中，轉(zhuǎn)動(dòng)零件的輪轂在軸上沿軸向滑動(dòng)。為了拆卸方便，在鍵的中部裝有起鍵用的螺釘孔。導(dǎo)向平鍵聯(lián)接適用于軸上零件的軸向移動(dòng)量不大的場合，如變速箱中的滑移齒輪。

當(dāng)軸上零件的軸向移動(dòng)量很大時(shí)，導(dǎo)向平鍵將很長，不易制造，這時(shí)可采用滑鍵，如圖4-6所示?；I聯(lián)接時(shí)將滑鍵固定在輪轂上，并與輪轂一起在軸的鍵槽中滑動(dòng)。圖4-5導(dǎo)向平鍵圖4-6滑鍵

(3)薄型平鍵。其結(jié)構(gòu)與普通平鍵相似，只是鍵高比普通平鍵小，約為普通平鍵的60%～70％。這種鍵適用于傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩不大、薄壁結(jié)構(gòu)、空心軸、徑向尺寸受限制的場合。薄型平鍵已有國家標(biāo)準(zhǔn)(GB1567—79)。

2)半圓鍵聯(lián)接

半圓鍵(圖4-7(a))的上表面為一平面，下表面為半圓形弧面，兩側(cè)面互相平行。裝配時(shí)半圓鍵放在軸上半圓形的鍵槽內(nèi)，然后推上輪轂(圖4-7(b))。這種聯(lián)接，鍵的上表面與輪轂鍵槽的底面間留有間隙，鍵的側(cè)面和軸、輪轂鍵槽的側(cè)面貼合。工作時(shí)，依靠鍵和鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，因此半圓鍵的側(cè)面是工作面。

半圓鍵結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆方便，能在軸上的鍵槽中擺動(dòng)，以適應(yīng)輪轂鍵槽底面的偏斜。但軸上鍵槽較深，降低了軸的強(qiáng)度。半圓鍵聯(lián)接適用于輕載、輪轂寬度較窄和軸端處的聯(lián)接，尤其是用圓錐形軸的聯(lián)接。圖4-7半圓鍵聯(lián)接

2.緊鍵聯(lián)接

緊鍵聯(lián)接分為楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接兩類。

1)楔鍵聯(lián)接

楔鍵如圖4-8所示，鍵的頂面有1∶100的斜度，兩側(cè)面互相平行。楔鍵分為普通楔鍵(圖4-8(a))和鉤頭楔鍵(圖4-8(b))兩種，它們均為標(biāo)準(zhǔn)件。這種鍵的側(cè)面不與鍵槽側(cè)壁接觸，鍵的頂面和底面分別與輪轂槽和軸槽的底面緊密結(jié)合。因此鍵與軸、輪轂之間產(chǎn)生了很大的壓力。工作時(shí)，靠擠壓力在接觸面上所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，并可承受不大

的單方向的軸向力。由此可見，楔鍵的頂面和底面為工作面。楔鍵聯(lián)接的應(yīng)用如圖4-9所示。圖4-8楔鍵聯(lián)接圖4-9楔鍵聯(lián)接的應(yīng)用由于楔鍵在裝配時(shí)被打入軸和輪轂之間的鍵槽內(nèi)，所以使套在軸上的零件向鍵所在的方向移動(dòng)一微小的距離，造成軸和軸上零件的中心線不重合，即產(chǎn)生偏心。另外，當(dāng)受大沖擊、變載荷作用時(shí)，楔鍵聯(lián)接容易松動(dòng)。因此，楔鍵聯(lián)接只適用于對(duì)中性要求不高、轉(zhuǎn)速較低的場合，如農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械等。

鉤頭楔鍵的鉤頭是供拆卸楔鍵時(shí)用的，但易發(fā)生人身事故，所以應(yīng)加裝防護(hù)罩。

2)切向鍵聯(lián)接

切向鍵是由兩個(gè)具有1∶100單面斜度的普通楔鍵沿斜面貼合在一起組成的(圖4-10(a))。該組合體的上平面與下平面互相平行。裝配時(shí)，鍵自輪轂兩端打入，楔緊在軸與輪轂的鍵槽中，組成切向鍵聯(lián)接(圖4-10(b))。切向鍵的下平面在通過軸心線的平面內(nèi)，上平面與輪轂槽底面壓緊。工作時(shí)，靠切向鍵上、下面與鍵槽底面的擠壓力和輪轂接觸面上的摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。因此，切向鍵的上、下平面為工作面。圖4-10切向鍵聯(lián)接一副切向鍵只能傳遞單方向的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)需要傳遞兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)裝兩副切向鍵，并在軸上互成120°～130°分布(圖4-10(c))。切向鍵的鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度削弱較大。另外，切向鍵聯(lián)接還將使裝在軸上的零件與軸產(chǎn)生偏移。故切向鍵聯(lián)接適用于對(duì)中性和運(yùn)動(dòng)精度要求不高、低速、重載、軸徑大于100mm的場合。

4.2平鍵聯(lián)接的尺寸選擇和強(qiáng)度校核

平鍵聯(lián)接的設(shè)計(jì)是在軸和輪轂的尺寸確定后進(jìn)行的。因?yàn)殒I是標(biāo)準(zhǔn)件，所以首先應(yīng)根據(jù)工作要求和軸徑選擇鍵的類型和尺寸，然后進(jìn)行強(qiáng)度校核。4.2.1平鍵聯(lián)接的尺寸選擇

(1)鍵的類型選擇。按工作要求和使用特性選擇合適的類型。

(2)鍵的尺寸選擇。尺寸選擇主要是選擇鍵的寬度b、高度h和鍵長L。由表4-1可見，這些尺寸都與軸徑d有關(guān)。鍵長L值則有一個(gè)范圍，具體鍵長根據(jù)輪廓的長度L1確定。一般取L=L1-(5～10)mm,且Lmax≤2.5d。確定的鍵長值要符合鍵長L的長度系列。表4-1鍵

4.2.2平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算

普通平鍵聯(lián)接的受力情況如圖4-11所示。普通平鍵聯(lián)接的失效形式是鍵聯(lián)接材料中強(qiáng)度較弱的工作表面被擠壓破壞，其次是平鍵的剪切破壞。在通常情況下，擠壓破壞是其主要失效形式。因此，強(qiáng)度校核按擠壓的強(qiáng)度條件進(jìn)行。

設(shè)軸傳遞的轉(zhuǎn)距為T(N·mm)，則鍵聯(lián)接擠壓面上所承受的力Ft=2000T/d，式中軸的直徑d的單位為mm。設(shè)載荷Ft沿鍵的工作長度均勻分布，則擠壓強(qiáng)度條件是(4-1)圖4-11普通平鍵聯(lián)接的受力情況式中：σp——工作表面的擠壓力(MPa);

Ft——作用力(N);

T——傳遞的轉(zhuǎn)矩(N·mm);

d——軸的直徑(mm);

h′——鍵與輪轂的接觸高度；

l——鍵的工作長度(mm)，A型鍵l=L-b，B型鍵l=L，C型鍵l=L-b/2；

[σ]p——較弱材料的許用擠壓應(yīng)力(MPa)，其值見表4-2。表4-2鍵連接的許用應(yīng)力[σ]p和許用壓強(qiáng)[P](MPa)經(jīng)校核平鍵聯(lián)接的強(qiáng)度不夠時(shí)，可以采取下列措施：①適當(dāng)增加鍵和輪轂的長度，但一般鍵長不超過2.5d，否則擠壓力沿鍵長分布的不均勻性將增大；②采用雙鍵，在軸上相隔180°配置，由于制造誤差可能會(huì)使得鍵上載荷分布不均勻，所以在強(qiáng)度校核時(shí)只按1.5個(gè)鍵計(jì)算。對(duì)采用導(dǎo)向平鍵或滑鍵的動(dòng)聯(lián)接，其失效形式主要是在載荷作用下相對(duì)滑動(dòng)引起的。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使工作表面的強(qiáng)度小于或等于其許用值，即(4-2)式中：[p]——較弱材料的許用強(qiáng)度(MPa)，見表4-2。例4-1現(xiàn)有一鋼制直齒圓柱齒輪通過A型平鍵裝在直徑d=40mm的軸上。已知b=12mm，鍵長L=70mm。擬將該齒輪和軸裝在具有輕微沖擊的傳動(dòng)中，若齒輪和軸的強(qiáng)度足夠，試計(jì)算該鍵能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T。

解(1)確定許用擠壓應(yīng)力[σ]p。

按聯(lián)接結(jié)構(gòu)的材料和工作的載荷有輕微沖擊，查表4-2得

[σ]p=100MPa

(2)確定鍵聯(lián)接能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T。由式(4-1)得其中l(wèi)=L-b=70-12=58mm

故T≤100×8×58×40/4000=464N·m

該鍵聯(lián)接能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為464N·m。

例4-2試選擇一鑄鐵齒輪與鋼軸的平鍵聯(lián)接。已知傳遞的轉(zhuǎn)矩T=1250N·m，載荷有輕微沖擊，與齒輪配合處的軸徑d=80mm，輪轂長度為120mm。

解該聯(lián)接為靜聯(lián)接。

(1)尺寸選擇。為了便于裝配和固定，選用圓頭平鍵(A型)。根據(jù)軸的直徑d=80mm，由表4-1查得：鍵寬b=22mm；鍵高h(yuǎn)=14mm。根據(jù)輪轂長度120mm，查得鍵長L=110mm

(2)強(qiáng)度校核。該聯(lián)接中輪轂材料的強(qiáng)度最弱。從表4-2中查得[σ]p=53MPa。鍵的工作長度l=L-b=110-22=88mm。按式(4-1)校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度：

所選的鍵強(qiáng)度足夠。

該鍵的標(biāo)記為：鍵22×110GB1096—79。

(3)鍵槽尺寸。該平鍵聯(lián)接鍵寬極限偏差按一般聯(lián)接由表4-1查得：

軸槽深

軸槽寬

輪轂槽深

輪轂槽寬b=22±0.026mm

軸、輪轂鍵槽及其尺寸見圖4-12。圖4-12鍵槽的剖面尺寸

4.3花鍵聯(lián)接的類型和選用

花鍵聯(lián)接是由在軸上加工出的外花鍵齒和在輪轂孔壁上加工出的內(nèi)花鍵齒所構(gòu)成的聯(lián)接，如圖4-13所示。花鍵聯(lián)接齒的側(cè)面是工作面，工作時(shí)靠齒的側(cè)面擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩。圖4-13花鍵聯(lián)接4.3.1花鍵聯(lián)接的類型

花鍵聯(lián)接具有下列特點(diǎn)：

(1)由于多個(gè)鍵齒同時(shí)參與工作，受擠壓的面積大，所以承載能力高。

(2)軸上零件與軸的對(duì)中性好，沿軸向移動(dòng)時(shí)導(dǎo)向性好。(3)鍵齒槽淺，對(duì)軸的強(qiáng)度消弱較小。

(4)花鍵加工復(fù)雜，需專用設(shè)備。故對(duì)大批生產(chǎn)是適用的，但單件、小批量生產(chǎn)的成本較高。

花鍵聯(lián)接廣泛用于載荷較大、定心精度要求高的各種機(jī)械設(shè)備中，如汽車、飛機(jī)、拖拉機(jī)、機(jī)床等。

花鍵聯(lián)接按齒形的不同可分為矩形花鍵、鍵開線花鍵和三角形花鍵三種。

1．矩形花鍵

矩形花鍵鍵齒的端面為矩形。按鍵的齒數(shù)和齒形尺寸的不同，矩形花鍵有輕、中、重三種系列，它們分別適用于輕、中、重三種不同的載荷情況。此外，矩形花鍵還有補(bǔ)充系列，適用于汽車、拖拉機(jī)和機(jī)床等制造業(yè)。

矩形花鍵的齒側(cè)為直線，齒廓形狀簡單。其互換性由內(nèi)徑d、大徑D和鍵(槽)寬B三個(gè)聯(lián)接尺寸及相互的位置關(guān)系確定。但是，要同時(shí)保證三個(gè)聯(lián)接尺寸是困難的，在GB/T1144—2001中規(guī)定以內(nèi)徑d為定心尺寸，用它來保證同軸度要求。采用內(nèi)徑d定心，使內(nèi)、外花鍵的內(nèi)徑均可通過磨削來得到高的定心精度和穩(wěn)定性。外徑定心和齒側(cè)定心由于定心精度和穩(wěn)定性較差，已停止使用。矩形花鍵的定心方式如圖4-14所示。圖4-14矩形花鍵

2.漸開線花鍵

漸開線花鍵采用漸開線作為花鍵齒廓，可用加工齒輪的方法來獲得齒形。其工藝性好，與矩形花鍵相比，它具有自動(dòng)定心、齒面接觸好、強(qiáng)度高、壽命長等特點(diǎn)。所以，漸開線花鍵有取代矩形花鍵的趨勢，在航天、航空、造船、汽車等行業(yè)中，應(yīng)用漸開線花鍵越來越多。漸開線花鍵內(nèi)、外鍵齒的齒廓曲線的壓力角為30°和45°兩種。其中，前者主要用于重載和尺寸較大的聯(lián)接；而后者則用于輕載和小直徑的靜聯(lián)接，特別適用于薄壁零件的聯(lián)接。漸開線花鍵的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3478.2008。與矩形花鍵相比，漸開線花鍵鍵齒的根部較厚，齒根圓角也較大，所以承載能力大；工作時(shí)鍵齒上有徑向分力，適于對(duì)中，使各齒承載均勻。漸開線花鍵適用于載荷較大、定心精度要求高、尺寸較大的聯(lián)接。

漸開線花鍵用齒形定心，如圖4-15所示。齒形定心方式充分發(fā)揮了漸開線花鍵聯(lián)接的特點(diǎn)，所以應(yīng)用最廣。外徑定心適用于徑向載荷較大的動(dòng)聯(lián)接。分度圓的同心圓定心方式適用于徑向載荷較小、要求傳動(dòng)平穩(wěn)的動(dòng)聯(lián)接。圖4-15漸開線花鍵

3.三角形花鍵

三角形花鍵的內(nèi)花鍵齒形為等腰三角形，外花鍵齒廓曲線為壓力角等于45°的漸開線。三角形花鍵鍵齒細(xì)小，齒數(shù)多，對(duì)軸的強(qiáng)度消弱小，多用于輕載和薄壁零件的靜聯(lián)接。三角形花鍵聯(lián)接采用齒形定心，如圖4-16所示。圖4-16三角形花鍵4.3.2花鍵聯(lián)接的選用

由于花鍵已標(biāo)準(zhǔn)化，所以設(shè)計(jì)花鍵聯(lián)接首先是根據(jù)使用要求、工作條件和被聯(lián)接零件的結(jié)構(gòu)、尺寸選擇花鍵的類型，確定花鍵的尺寸(矩形花鍵的尺寸及公差見表4-3)，然后再校核強(qiáng)度。表4-3矩形花鍵尺寸、公差(GB/T1144—2001)

花鍵聯(lián)接的主要失效形式，對(duì)于靜聯(lián)接為齒面擠壓破壞，對(duì)于動(dòng)聯(lián)接為齒面磨損。其強(qiáng)度條件為：

對(duì)于靜聯(lián)接

對(duì)于動(dòng)聯(lián)接

式中：T——工作轉(zhuǎn)矩(N·m)；

ψ——載荷不均勻系數(shù)，一般取0.7～0.8；

z——花鍵的齒數(shù)；(4-3)(4-4)

h——花鍵的工作高度，對(duì)矩形花鍵，，其中D、d分別為外花鍵大徑、內(nèi)花鍵小徑；C為齒頂?shù)膱A角半徑。對(duì)漸開線花鍵：h=m；對(duì)于三角形花鍵：h=0.8m，m為漸開線齒的模數(shù)；

L1——齒的工作長度(mm);

dm——平均直徑，矩形花鍵dm=(D+d)/2,漸開線花鍵和三角形花鍵dm為鍵齒分度圓直徑；

[σ]p、[p]——許用擠壓應(yīng)力、許用壓強(qiáng)(MPa),其值見表4-4。表4-4花鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力及許用壓強(qiáng)

4.4銷聯(lián)接的類型和選用

4.4.1銷的分類

銷聯(lián)接用來固定零件間的相互位置，構(gòu)成可拆聯(lián)接；也可用于軸和輪廓或其它零件的聯(lián)接，傳動(dòng)較小的載荷；有時(shí)還用作安全裝置中的過載剪切元件。

銷是標(biāo)準(zhǔn)件，其基本形式有圓柱銷和圓錐銷兩種，見表4-5。圓柱銷聯(lián)接不宜經(jīng)常裝拆，否則會(huì)降低定位精度和聯(lián)接的緊固性。圓柱銷和圓錐銷孔均需鉸制，鉸制的圓柱銷孔直徑有四種不同配合精度，可根據(jù)使用要求選擇。表4-5常用銷的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用

4.4.2銷聯(lián)接的應(yīng)用

銷的類型可按工作要求進(jìn)行選擇。用于聯(lián)接的銷，可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按經(jīng)驗(yàn)確定直徑，必要時(shí)再做強(qiáng)度校核。定位銷一般不受載荷或受很小載荷，其直徑按結(jié)構(gòu)確定，數(shù)目不得少于兩個(gè)。安全銷直徑按銷的剪切強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。銷的材料一般采用35或45鋼，許用剪應(yīng)力取為80MPa。

4.5螺紋聯(lián)接

螺紋聯(lián)接是利用帶螺紋的零件把需要相對(duì)固定的零件連接在一起，是一種可拆聯(lián)接。其結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，工作可靠，且大多數(shù)螺紋零件已標(biāo)準(zhǔn)化，故其生產(chǎn)效率高，成本低，廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)中。

4.5.1螺紋聯(lián)接

1.螺紋的主要參數(shù)

現(xiàn)以圖4-17所示的三角形螺紋為例說明螺紋的主要參數(shù)：(1)大徑(d,D)：螺紋的最大直徑，即外螺紋牙頂圓柱直徑(d)，內(nèi)螺紋牙底圓柱直徑(D)。它是螺紋的公稱直徑。

(2)小徑(d1,D1)：螺紋的最小直徑，即外螺紋牙底圓柱直徑(d1)，內(nèi)螺紋牙頂圓柱直徑(D1)。它是外螺紋危險(xiǎn)剖面的直徑，螺紋強(qiáng)度計(jì)算時(shí)要利用這一直徑。

(3)中徑(d2,D2)：軸向剖面內(nèi)牙厚等于牙間寬的假想圓柱直徑，是決定螺紋配合的主要參數(shù)。一般取d2=(d1+d)/2。(4)螺距(P)：在中徑線上，相鄰兩牙對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的軸向距離。

(5)導(dǎo)程(S)：同一螺紋線上，相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的軸向距離。對(duì)于單線螺紋S=P，對(duì)于雙線螺紋S=2P。

(6)螺紋線數(shù)(n)：螺紋螺旋線數(shù)目，也稱頭數(shù)。

(7)螺紋升角(λ)：圓柱面上螺紋線的切線與垂直于螺紋軸線平面間的夾角，通常指的是中徑圓柱上的螺旋線升角。其計(jì)算式為

(8)牙型角(α)：在軸向剖面內(nèi)螺紋牙型兩側(cè)邊之間的夾角。圖4-17螺紋的主要參數(shù)

2.螺紋的形成、類型、特點(diǎn)和應(yīng)用

如圖4-18(a)所示，將一底邊長等于πd2的直角三角形繞在直徑為d2的圓柱體上，同時(shí)使底邊與圓柱體底邊重合，則此直角三角形的斜邊在圓柱的表面上形成一條螺旋線。用不同形狀的車刀沿螺旋線可切出三角形、矩形、梯形和鋸齒形螺紋，如圖4-18(b)、(c)、(d)、(e)所示。圖4-18螺紋的形成及螺紋的主要類型圓柱體上沿一條螺旋線切制的螺紋，稱為單線螺紋(圖4-19(a))；也可沿二條、三條螺旋線分別切制出雙線螺紋及三線螺紋(圖4-19(b)、(c))。單線螺紋主要用于聯(lián)接，多線螺紋主要用于傳動(dòng)。按螺紋旋線繞行方向的不同，又有右旋螺紋和左旋螺紋之分，如圖4-20所示。通常采用右旋螺紋，左旋螺紋僅用于有特殊要求的場合。

螺紋有外螺紋和內(nèi)螺紋之分。在圓柱體外表面上形成的螺紋，稱為外螺紋；在圓孔的表面上形成的螺紋，稱為內(nèi)螺紋。圖4-19螺紋的線數(shù)圖4-20螺紋的旋向

3.常用螺紋

常用螺紋可分為聯(lián)接和傳動(dòng)兩大類。其中聯(lián)接螺紋還可分為普通螺紋、管螺紋和錐螺紋等。普通螺紋又可分為粗牙和細(xì)牙兩類。公稱直徑相同時(shí)，細(xì)牙螺紋螺距小，升角小，自鎖性好，也有一定的密封作用，螺桿強(qiáng)度高，適用于受沖擊、振動(dòng)和變載荷的聯(lián)接以及薄壁零件的聯(lián)接。細(xì)牙螺紋比粗牙螺紋的耐磨性差，不宜經(jīng)常拆卸；也可制成微調(diào)裝置。傳動(dòng)螺紋可分為矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋。

常用螺紋的類型、牙型、特點(diǎn)和應(yīng)用見表4-6。前四種螺紋主要用于聯(lián)接，后三種螺紋主要用于傳動(dòng)。表中除矩形螺紋外，其余螺紋都已標(biāo)準(zhǔn)化。

普通三角形螺紋基本尺寸見表4-7。

表4-6常用螺紋

表4-7普通三角形螺紋基本尺寸

4.5.2螺紋聯(lián)接的基本類型和螺紋聯(lián)接件

1.螺紋聯(lián)接的基本類型

螺紋聯(lián)接的基本類型有螺栓聯(lián)接、雙頭螺柱聯(lián)接、螺釘聯(lián)接、緊定螺釘聯(lián)接。它們的結(jié)構(gòu)和尺寸關(guān)系見表4-8。表4-8螺紋聯(lián)接的基本類型、結(jié)構(gòu)和尺寸

1)螺栓聯(lián)接

螺栓聯(lián)接是將螺栓穿過被聯(lián)接件的孔，然后擰緊螺母，將被聯(lián)接件聯(lián)接起來。螺栓聯(lián)接分為普通螺栓聯(lián)接和配合螺栓聯(lián)接。前者螺栓桿與孔壁之間有間隙，后者螺栓桿與孔壁之間沒有間隙，常采用基孔制過渡配合。螺栓聯(lián)接無須在被聯(lián)接件上切制螺紋孔，所以結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，應(yīng)用廣泛。這種聯(lián)接適用于被聯(lián)接件不太厚并能從被聯(lián)接件兩邊進(jìn)行裝配的場合。

2)雙頭螺柱聯(lián)接

雙頭螺柱聯(lián)接多用于被聯(lián)接件較厚，材料較軟，且又要經(jīng)常拆裝的場合。使用時(shí)將螺柱的長螺紋一段擰入帶內(nèi)螺紋的較厚被聯(lián)接件中，另一端用螺母擰緊。

3)螺釘聯(lián)接

螺釘聯(lián)接是將螺釘直接擰入帶內(nèi)螺紋的被聯(lián)接件中，省去了螺母，結(jié)構(gòu)簡單。但螺釘聯(lián)接不宜用于經(jīng)常裝拆的場合，以免損壞螺紋后影響整個(gè)被聯(lián)接零件。

4)緊定螺釘聯(lián)接

這種聯(lián)接是將緊定螺釘擰在被聯(lián)接件之一的螺紋孔中，并以其末端頂住另一被聯(lián)接件的表面或頂入相應(yīng)凹坑，以固定兩個(gè)零件的相互位置。這種聯(lián)接多于軸與軸上零件的聯(lián)接，并能傳遞較小的力矩或轉(zhuǎn)矩。

2.螺紋聯(lián)接件

螺紋聯(lián)接件有螺栓、雙頭螺柱、螺釘、緊定螺釘、螺母、墊圈、防松零件等。它們多為標(biāo)準(zhǔn)件，其結(jié)構(gòu)、尺寸在國家標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定。它們的公稱尺寸均為螺紋大徑d，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用。

1)螺紋聯(lián)接的預(yù)緊

大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)，都需要將螺母擰緊，以便壓緊被聯(lián)接件。這種在施加工作載荷前，螺栓受到的拉力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊力不可過大，重要的螺栓聯(lián)接，其預(yù)緊力大小要嚴(yán)格控制。預(yù)緊螺母時(shí)施加的力矩T與預(yù)緊力Q0有如關(guān)系式：T=(0.1～0.3)Q0d(N·m)

(4-5)

上式適用于無潤滑狀態(tài)的M16～M64粗牙螺紋。一般可取T=0.2Q0d，式中d為螺栓的直徑。力矩T可通過測力矩扳手(見圖4-21)等工具進(jìn)行度量。

重要的螺栓聯(lián)接應(yīng)盡量不采用小于M12～M16的螺栓，以避免裝配時(shí)由于預(yù)緊力過大而被擰斷。

預(yù)緊的作用如下：

①提高聯(lián)接的可靠性、緊密性，增強(qiáng)放松能力。

②增大被聯(lián)接件間的摩擦力，以提高橫向承載能力。圖4-21測力矩扳手

2)螺紋聯(lián)接的防松

理論上講，螺栓聯(lián)接具有自鎖性。在靜載荷作用下，工作溫度變化不大時(shí)，這種自鎖性可以防止螺母松脫。但如果聯(lián)接是在沖擊、振動(dòng)、變載荷作用下或工作溫度變化很大，則螺栓聯(lián)接就可能松動(dòng)。聯(lián)接松脫往往會(huì)造成嚴(yán)重事故，因此設(shè)計(jì)螺栓聯(lián)接時(shí)應(yīng)考慮防松的措施。

防松的方法很多，常用的幾種防松方法見表4-9。表4-9常用防松方法

4.5.3螺旋副的受力分析、自鎖和效率

1.螺旋副的工作特點(diǎn)

1)受力分析

如圖4-22(a)、(b)所示為矩形螺旋副(α=0°)。為了便于分析，設(shè)螺母在轉(zhuǎn)矩T及軸向載荷Q作用下等速回轉(zhuǎn)并沿Q的方向移動(dòng)。將螺母視為滑塊，并假定Q作用于中徑圓周上。根據(jù)螺旋副形成原理，將螺桿沿中徑展開，會(huì)得到一個(gè)斜面。當(dāng)旋轉(zhuǎn)螺母時(shí)，可視為滑塊沿斜面上升或下降，如圖4-22(c)所示。圖4-22矩形螺旋副的受力分析由理論力學(xué)可知，滑塊承受軸向載荷Q，并沿斜面勻速上升需水平推力，其大小F為

F=Qtan(λ+ρ)

(4-6)

F相當(dāng)于旋緊螺母時(shí)，在中徑d2處施加的切向力，故擰緊螺母所需力矩T為

同理可知：滑塊承受載荷Q沿斜面勻速下滑時(shí)，所需水平支持力大小為

F=Qtan(λ-ρ)

(4-8)(4-7)式中：ρ——摩擦角，ρ=arctanf(其中f為摩擦系數(shù));

λ——螺旋升角。

力F相當(dāng)于擰松螺母時(shí)在中徑d2處施加的切向力，故擰松螺母所需力矩為(4-9)

2)自鎖

由式(4-8)可見，當(dāng)λ<ρ時(shí)，要讓滑塊勻速下滑，F(xiàn)為負(fù)值。即需要給滑塊施加一大小與F相等、方向相反的外力，滑塊才會(huì)勻速下滑。換句話說，如果不施加外力-F，無論載荷Q有多大，滑塊都不會(huì)自動(dòng)下滑，這種現(xiàn)象稱為自鎖。由此得出螺紋自鎖條件為

λ<ρ

(4-10)

為了保證自鎖，通常取λ<4.5°。

3)效率

在旋緊螺母推動(dòng)載荷Q上升時(shí)，螺母轉(zhuǎn)一周，推力F作功為A1，即

A1=Fπd2=Qtan(λ+ρ)πd2

這時(shí)重物上升距離為導(dǎo)程S，其有效功為

A2=QS=Qπd2tanλ

因此，螺紋的傳動(dòng)效率為

可見：螺紋升角越大，效率越高。但λ過大時(shí)，加工困難。一般推薦λ<25°。(4-11)

2.其它螺紋(牙形角α≠0)

牙形角a≠0的螺紋副有三角形(a=60°)、梯形(a=30°)和鋸齒形(a=3°)螺紋。它們工作時(shí)與矩形螺紋相近，故可套用矩形螺紋的公式，用當(dāng)量摩擦系數(shù)fv代替f，用當(dāng)量摩擦角ρv代替ρ，其中,ρ2=arctanfv。

螺紋擰緊時(shí)所需力為

F=Qtan(λ+ρv)

(4-12)

效率為(4-13)放松螺紋時(shí)所需力為

F=Qtan(λ-ρv)

(4-14)

自鎖條件為

λ<ρv

(4-15)

分析上述幾個(gè)公式，可得出以下結(jié)論：

①為了提高效率，常采用多頭螺紋，因?yàn)槠渎菪铅溯^大。

②為了聯(lián)接可靠，常采用三角形螺紋，因?yàn)槠洚?dāng)量摩擦角ρv較大。要求自鎖時(shí)，常采用細(xì)牙螺紋。

③為了提高傳動(dòng)效率，常采用矩形、梯形和鋸齒形螺紋。它們的效率都比三角形螺紋高，因?yàn)槠洚?dāng)量摩擦角ρv小。不同螺紋的當(dāng)量摩擦系數(shù)值如下：

矩形α=0°fv=f

梯形α=30°

fv=1.035f

三角形α=60°fv=1.155f

鋸齒形α=3°

fv=1.001f

4.5.4螺栓強(qiáng)度計(jì)算

螺栓強(qiáng)度計(jì)算的目的是求出螺栓的直徑，或校核螺栓危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度。對(duì)于成組使用時(shí)，先找出受載最大的螺栓，算出其所受載荷，按強(qiáng)度計(jì)算求出直徑。為了便于制造、裝配，同組的其他螺栓通常也采用與其相同的直徑。螺栓強(qiáng)度計(jì)算分為普通螺栓和配合螺栓兩大類。

1.普通螺栓的強(qiáng)度計(jì)算

螺紋聯(lián)接的破壞形式雖然很多,但最常發(fā)生的破壞形式是螺桿部分被拉斷。在一般情況下,只要螺桿部分強(qiáng)度足夠，其它部分都能滿足強(qiáng)度要求。因此在設(shè)計(jì)時(shí)只需按強(qiáng)度計(jì)算確定螺紋小徑，然后按標(biāo)準(zhǔn)選擇螺栓及相應(yīng)的螺母和墊圈的尺寸。普通螺栓聯(lián)接按承受載荷前是否預(yù)緊，分為松聯(lián)接和緊聯(lián)接兩類。

螺栓的材料及其力學(xué)性能如表4-10所示。螺栓聯(lián)接件的許用應(yīng)力和安全系數(shù)如表4-11所示。表4-10螺栓的材料及其力學(xué)性能

表4-11螺栓聯(lián)接件的許用應(yīng)力和安全系數(shù)

1)松聯(lián)接

裝配時(shí)未擰緊螺母的螺栓聯(lián)接稱為松聯(lián)接。松聯(lián)接在裝配時(shí)不擰緊螺母，所以只在承受工作載荷時(shí)螺栓才受到拉力，此類應(yīng)用較少。如圖4-23所示，設(shè)釣鉤尾所用螺栓承受

軸向載荷為Q，則螺栓正常工作(不被拉斷)的強(qiáng)度條件為

或(4-16)(4-17)式中：[σ]——松螺栓聯(lián)接件的許用應(yīng)力，其值[σ]=σs/S(MPa)，見表4-11；

σs——螺栓材料的屈服極限(MPa)，見表4-10；

S——安全系數(shù)，其值一般為1.2～1.7。未淬火鋼S取大值；對(duì)起重釣鉤應(yīng)取S=3～5。

按式(4-17)求得螺紋小徑d1后，即可查標(biāo)準(zhǔn)選出螺栓的公稱直徑。圖4-23起重吊鉤與起重滑輪

2)緊螺栓聯(lián)接

裝配時(shí)，螺栓需要預(yù)緊的稱為緊聯(lián)接。有的緊螺栓聯(lián)接工作時(shí)只受橫向載荷作用，有的則受軸向工作載荷。下面按這兩種情況分別研究螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。

(1)受橫向載荷作用的螺栓聯(lián)接。

①預(yù)緊力的計(jì)算。圖4-24所示螺栓與被聯(lián)接件的孔壁間有間隙。擰緊螺母后，螺栓的預(yù)緊力Q0使被聯(lián)接件相互壓緊，當(dāng)被聯(lián)接件受到橫向工作載荷R作用時(shí)(圖4-24(a))，在被聯(lián)接件的接合面間將產(chǎn)生摩擦力，這個(gè)摩擦力將阻止其相對(duì)滑動(dòng)，從而達(dá)到傳遞工作載荷的目的。因此，這種連接正常工作(被聯(lián)接件彼此不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng))的條件為

Q0fmz≥CR

或

式中：f——被聯(lián)接件接合面間的摩擦系數(shù)，鋼或鑄鐵零件表面取f=0.12～0.16；

m——被聯(lián)接件接合面的對(duì)數(shù)；

z——聯(lián)接螺栓的數(shù)目；

C——聯(lián)接的可靠性系數(shù)，通常取C=1.1～1.3。(4-18)圖4-24只受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接由式(4-18)可知，當(dāng)f=0.15、m=1、z=1、C=1.2時(shí)，Q0=8R。其預(yù)緊力為橫向工作載荷的8倍，因此計(jì)算出的螺栓尺寸將很大。為了提高可靠性，常采用附加的銷、套筒和鍵等來承受橫向載荷，如圖4-31所示。

圖4-24(b)所示的受轉(zhuǎn)矩作用的緊螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力按式(4-18)計(jì)算時(shí)，式中的橫向載荷R=2000T/D0。D0為螺栓所在圓周的直徑；T為傳遞的轉(zhuǎn)矩(N·m)。

②螺栓強(qiáng)度的計(jì)算。橫向載荷作用的普通螺栓聯(lián)接，在擰緊螺母時(shí)，螺栓受到拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用，故應(yīng)按拉扭組合狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。但為了計(jì)算簡便，同時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響，需將拉伸應(yīng)力提高30％，即

由式(4-19)可得設(shè)計(jì)公式為

式中[σ]為緊螺栓聯(lián)接的許用應(yīng)力(MPa),可從表4-11、表4-12、表4-13中選取參數(shù)后確定。(4-19)(4-20)表4-12緊聯(lián)接螺栓的安全系數(shù)S(不控制預(yù)緊力時(shí))

由表4-11可知，σs和S均可從表中直接選取，然后確定出[σ]，按式(4-20)計(jì)算螺紋小徑；而不控制預(yù)緊力時(shí)，因[σ]隨S變化，而S又隨d變化,故可采用試算法。所謂試算法，就是先假定一個(gè)螺栓的公稱直徑d，按d查表4-11選取安全系數(shù)S；然后按表4-10、表4-11求出許用應(yīng)力[σ]，將

[σ]代入式(4-20)進(jìn)行計(jì)算。如算出的公稱直徑略小于或等于原先假設(shè)的公稱直徑，計(jì)算可結(jié)束。否則，需要重新假設(shè)螺栓直徑，按上述步驟繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算出的螺栓直徑與原先假設(shè)的螺栓直徑基本相符為止。表4-13剩余預(yù)緊系數(shù)

(2)受軸向工作載荷作用的螺栓聯(lián)接。

①聯(lián)接的受力和變形分析。

圖4-25所示為壓力容器的螺栓聯(lián)接，要求被聯(lián)接件之間不出現(xiàn)縫隙。由于工作前已擰緊螺母，故螺栓受到預(yù)緊力的作用，工作時(shí)又受到被聯(lián)接件的工作拉力F。由于螺栓與被聯(lián)接件都是彈性件，故可用靜力平衡和變形協(xié)調(diào)條件來分析其受力情況。圖4-25壓力容器的螺栓聯(lián)接圖4-26(a)所示為螺母與被聯(lián)接件彼此剛好貼合時(shí)的情況，此時(shí)因螺母未擰緊，故螺母、被聯(lián)接件均無受力也無變形。圖4-26(b)所示為擰緊螺母后還沒有承受工作載荷時(shí)的情況，這時(shí)螺栓在Q0作用下的拉伸變形量為δ1，被聯(lián)接件在Q0作用下的壓縮變形量為δ2。圖4-26(c)所示為聯(lián)接受到工作載荷F作用時(shí)的情況，這時(shí)螺栓又伸長Δδ1，螺栓的總變形量為δ1+Δδ1；被聯(lián)接件由于螺栓的伸長得到一定的彈性恢復(fù)，其壓縮量減少了Δδ2，被聯(lián)接件中的變形由δ2減少到δ2-Δδ2。與此同時(shí)，作用在聯(lián)接件上的預(yù)緊力也相應(yīng)地減少到Q0′，Q0′稱為剩余預(yù)緊力(也稱殘余預(yù)緊力)。因此，螺栓承受的總拉伸載荷Q應(yīng)為

Q=F+Q0′

(4-21)

圖4-26螺栓與被聯(lián)接件的受力與變形從以上分析可見，要保證連接可靠，在被聯(lián)接件之間不出現(xiàn)縫隙(如圖4-26(d)所示)，必須存在剩余預(yù)緊力Q0′和剩余變形量δ2-Δδ2。剩余預(yù)緊力可按下式計(jì)算：

Q0′=KF

(4-22)

將式(4-22)代入式(4-21)，可得

Q=(1+K)F

(4-23)

式中K為剩余預(yù)緊系數(shù)，其值見表4-13。②螺栓的強(qiáng)度計(jì)算。

在緊螺栓聯(lián)接中，螺栓受到拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的復(fù)合作用。因此，螺栓強(qiáng)度計(jì)算如下：

由上式可得設(shè)計(jì)公式為(4-24)(4-25)

2.配合螺栓的強(qiáng)度計(jì)算

配合螺栓聯(lián)接中螺栓桿與被聯(lián)接件的螺栓孔壁間沒有間隙(圖4-27)。當(dāng)被聯(lián)接件受到工作載荷(橫向載荷或轉(zhuǎn)矩)時(shí)，螺栓受到兩種作用：一是螺栓桿在被聯(lián)接件的接合面處受到聯(lián)接件的剪切應(yīng)力；二是螺栓桿與被聯(lián)接件的螺栓孔壁接觸表面的擠壓作用，產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。配合螺栓聯(lián)接也需要擰緊螺母，但預(yù)緊力較小，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。配合螺栓的抗剪強(qiáng)度條件為(4-26)圖4-27配合螺栓聯(lián)接螺栓桿與被聯(lián)接件螺栓孔壁接觸面的擠壓強(qiáng)度條件為

上述兩式中：F——單個(gè)螺栓所受的橫向載荷(N)。對(duì)于圖4-27(b)所示情況，。T為螺栓聯(lián)接所承受的轉(zhuǎn)矩，D0為螺栓所在圓周的直徑，Z為螺栓個(gè)數(shù)；

m——螺栓桿剪切面的數(shù)目；

d0——螺栓桿受剪切處橫截面的直徑(mm)；

(4-27)

h——螺栓桿與被聯(lián)接件孔壁接觸面受擠壓的最小軸向長度(mm)；

[τ]——螺栓的許用剪切應(yīng)力(MPa)，按表4-11中公式計(jì)算；

[σ]p——螺栓和被聯(lián)接件中強(qiáng)度較弱材料的許用擠壓應(yīng)力(MPa)，按表4-11中公式計(jì)算。4.5.5螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要注意事項(xiàng)

螺栓聯(lián)接大多成組使用，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是根據(jù)螺栓的公稱尺寸和被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)形狀，在被聯(lián)接件上合理地布置螺栓，確定每個(gè)螺栓和被聯(lián)接件的有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸。為了獲得合理的螺栓連接的結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

(1)為了裝拆方便，應(yīng)留有必要的安裝和拆除緊固件的空間，如螺栓與箱體、螺栓與螺栓之間的扳手空間(圖4-28)、緊固件裝拆時(shí)的活動(dòng)空間等。圖4-28扳手空間

(2)為了聯(lián)接可靠，避免產(chǎn)生附加載荷，螺栓頭、螺母與被聯(lián)接件接觸表面均應(yīng)平整，并保證螺栓軸線與接觸面垂直。為此常將被聯(lián)接件支承面制成凸臺(tái)或凹坑(魚眼坑)，如圖4-29(a)所示。有的場合還采用斜墊圈或球面墊圈，如圖4-29(b)所示。

(3)螺栓聯(lián)接的螺紋預(yù)留長度l1、螺紋伸出長度l2、螺紋旋入深度l3、螺紋孔深度l4、鉆孔深度l5及螺栓軸線到被聯(lián)接件邊緣的距離e等尺寸，都應(yīng)按表4-8的尺寸關(guān)系確定。

(4)根據(jù)聯(lián)接的重要程度，對(duì)螺栓聯(lián)接采用必要的放松裝置。圖4-29支承面結(jié)構(gòu)

(5)在聯(lián)接的接合面上，合理地布置螺栓。

①為了使接合面受力比較均勻，螺栓在接合面上應(yīng)對(duì)稱布置(共同的對(duì)稱軸線)，如圖4-30所示。

②為了便于畫線鉆孔，螺栓應(yīng)布置在同一圓周上，并取易于等分圓周的螺栓個(gè)數(shù)，如3、4、6、8、12。

③為了防止螺栓受載嚴(yán)重不均，沿外力作用方向不宜成排地布置八個(gè)以上的螺栓。

④為了減少螺栓承受的載荷，對(duì)承受彎矩或轉(zhuǎn)矩作用的螺栓組聯(lián)接，應(yīng)盡可能將螺栓布置在靠近接合面的邊緣。

(6)對(duì)承受橫向載荷較大的螺栓組，可采用卸載裝置承受部分橫向載荷，如圖4-31所示。圖4-30螺栓組的布置圖4-31受橫向載荷螺栓聯(lián)接的減載裝置

4.6彈簧

彈簧是靠彈性變形工作的彈性零件。在外載荷作用下,彈簧能夠產(chǎn)生較大的彈性變形并吸收一定的能量,當(dāng)外載荷卸除后,彈簧又能迅速地恢復(fù)原來的形狀,并放出吸收的能量。由于彈簧具有變形和儲(chǔ)能的特點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械中。

4.6.1彈簧的功用和類型

1.彈簧的功用

(1)控制運(yùn)動(dòng)(如凸輪機(jī)構(gòu)、離合器、閥門及各種調(diào)速器中的控制彈簧,打字機(jī)中的復(fù)位彈簧,各種卡子等)。

(2)緩沖和吸振(如電梯、車輛中的緩沖彈簧,精密設(shè)備中的隔振彈簧等)。

(3)儲(chǔ)存能量(如機(jī)械式鐘表、儀器和玩具中的彈簧,武器發(fā)射機(jī)構(gòu)中的彈簧)。

(4)測量力的大小(如彈簧秤、測力器中的彈簧)。

(5)保持零件之間接觸良好(如簧片觸點(diǎn)、電源插座中的插套等)。

2.彈簧的類型

按所承受的載荷不同,彈簧分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧、彎曲彈簧。按彈簧的形狀不同,可將其分為螺旋彈簧、碟形彈簧、環(huán)形彈簧、平面渦卷彈簧(亦稱盤簧)、片彈簧和板彈簧等。彈簧的主要類型和特點(diǎn)見表4-14。表4-14彈簧的主要類型和特點(diǎn)

4.6.2彈簧的制造、材料和許用應(yīng)力

1.彈簧的制造和制造精度

圓柱螺旋彈簧的制造工藝過程為:卷繞、兩端加工(壓簧兩端面的加工，拉簧、扭簧兩端鉤環(huán)的制作)、熱處理和工藝性能試驗(yàn)。

彈簧的大批生產(chǎn)是在卷簧機(jī)上進(jìn)行的,小批生產(chǎn)則用普通機(jī)床或者手工卷制。彈簧絲直徑d≤8mm時(shí),常用冷卷法,卷前要熱處理,卷后要低溫回火。直徑d>8mm時(shí),采用熱卷法,熱卷后應(yīng)進(jìn)行淬火和低溫回火處理。彈簧成型后，要進(jìn)行表面質(zhì)量檢驗(yàn)及工藝性試驗(yàn),以鑒定彈簧的質(zhì)量。為了提高壓縮彈簧的承載能力,可通過強(qiáng)壓處理使之強(qiáng)化。經(jīng)強(qiáng)壓處理的彈簧,不宜在高溫、長期振動(dòng)和有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中工作。受變載荷的彈簧,可通過噴丸處理提高其疲勞強(qiáng)度。

彈簧的制造精度按受力后變形量公差分為三級(jí),如表4-15所示,一般可選用2級(jí)精度。表4-15彈簧制造精度

2.彈簧的材料和許用應(yīng)力

彈簧在機(jī)械中常受沖擊性的交變載荷,所以要求彈簧材料應(yīng)具有高的彈性極限、疲勞極限、一定的沖擊韌性和塑性、良好的熱處理性能。常用的彈簧材料有碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹鋼和銅合金。

選擇材料時(shí)應(yīng)充分考慮彈簧的用途、重要性、工作條件(載荷的大小及性質(zhì)，工作溫度和周圍介質(zhì)的情況)、加工方法和經(jīng)濟(jì)性等。一般優(yōu)先選用碳素彈簧鋼。常用材料的特性及許用應(yīng)力見表4-16。表4-16碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度

MPa

彈簧的許用應(yīng)力與材料的品質(zhì)、熱處理方法、載荷性質(zhì)、工作條件、重要程度及彈簧絲尺寸都有關(guān)系。下面說明與許用應(yīng)力有關(guān)的因素。

(1)載荷性質(zhì)。圓柱螺旋彈簧的許用應(yīng)力按所受載荷的情況分為三類:

Ⅰ類——受變載荷作用次數(shù)在106次以上或重要的彈簧,如內(nèi)燃機(jī)彈簧、電磁制動(dòng)器彈簧。

Ⅱ類——受變載荷作用次數(shù)在103～106次范圍內(nèi)及承受沖擊載荷的彈簧,如一般車輛彈簧等。

Ⅲ類——受變載荷作用次數(shù)在103次以下和受靜載荷的一般彈簧，如摩擦式安全離合器彈簧等。

拉伸彈簧的許用應(yīng)力為壓縮彈簧的80%。

(2)重要程度。對(duì)于重要的彈簧(其損壞要影響整機(jī)工作)應(yīng)降低許用應(yīng)力的數(shù)值。

(3)表面處理。彈簧經(jīng)強(qiáng)壓、噴丸處理后，表中許用應(yīng)力數(shù)值可提高20%。

(4)直徑大小。線材直徑d越小,組織越細(xì)密,抗拉強(qiáng)度極限σb也越高。碳素彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度σb與d之間的關(guān)系見表4-16。4.6.3圓柱形螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和尺寸

1.彈簧的端部結(jié)構(gòu)

壓縮彈簧的兩端各有～圈的支承圈，工作時(shí)不參加變形,故又稱死圈或支撐圈。它的端部有并緊磨平Y(jié)型和并緊不磨平Y(jié)Ⅱ型兩種,見圖4-32。為了使彈簧端面和軸線垂直,重要用途的壓縮彈簧應(yīng)采用并緊磨平Y(jié)Ⅰ型。磨平部分的長度不小于圈,末端厚度約為d/4(d為彈簧絲直徑)。圖4-32壓縮彈簧的端部結(jié)構(gòu)拉伸彈簧的各圈間并緊,端部制有鉤環(huán),用于安裝和加載。圖4-33為拉伸彈簧端部結(jié)構(gòu)的幾種型式。其中，LⅠ型和LⅡ型制造方便，應(yīng)用較廣;缺點(diǎn)是，工作時(shí)在掛鉤過渡處將產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，一般只用于直徑d≤10mm的彈簧絲及載荷小和不重要的場合。LⅦ型和LⅧ型掛鉤不與彈簧絲聯(lián)成一體，適用于受載荷較大或變載荷的場合，缺點(diǎn)是成本較高。圖4-33拉伸彈簧的端部結(jié)構(gòu)

2.彈簧的參數(shù)和尺寸

圖4-34所示為一圓柱形螺旋壓縮彈簧,其主要參數(shù)有：(1)d——彈簧絲直徑(mm),碳素彈簧鋼絲的直徑見表4-16。(2)D——彈簧中徑(mm),是彈簧外徑和內(nèi)徑的平均值,是計(jì)算參數(shù),見表4-17。

(3)C——環(huán)繞比(亦稱彈簧指數(shù)),C=D/d,是設(shè)計(jì)和計(jì)算的重要參數(shù),見表4-18。圖4-34圓柱形螺旋彈簧的尺寸表4-17螺旋彈簧中經(jīng)系列

mm

表4-18環(huán)繞比C

(4)t——節(jié)距(mm)，由圖4-34(b)知

式中:λ2為彈簧在最大工作載荷F2作用下的變形量；n為彈簧的有效圈數(shù)：δ′