汽车机械基础第10章
机械设计基础第10章弹簧
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2、环形弹簧和碟形弹簧 环形弹簧（图10-2a）和碟形弹簧（图10-2b）都是压缩弹簧，在 工作过程中，其一部分能量消耗在各圈之间的摩擦上，因此具有很 强的缓冲吸振能力，多用于重型机械的缓冲装置。
3、平面涡卷弹簧
这种弹簧又称盘簧（10-2c），其轴向尺寸很小，常用做仪表和 钟表的储能装置。
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第二节 圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的结构、 制造与设计 一、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的结构
1、圆柱螺旋压缩弹簧 如10-4所示，直径为d的弹簧丝，沿 中径D旋绕，旋向为右旋（一般应采 用右旋），螺旋升角α；在自由状态 下，高度为H0，节距为ｔ，各圈之 间有适当的间距δ，以便弹簧受压时 有足够的变形空间，即在最大载荷 作用下，各圈之间仍保留一定的间 距δ1，一般推荐δ1＝0.1d≥0.2mm。
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一、圆柱螺旋压缩（拉伸）弹簧的结构
为了便于安装和加载，圆柱螺旋拉伸弹簧端部制有挂钩（图 10-6）。ＬⅠ、ＬⅢ型挂钩（图10-6a、b）制造方便，应用很广，但 加载时在挂钩根部的过渡圆角处会产生很大的弯曲应力，所以只适 用于簧丝直径ｄ≤10mm的弹簧。ＬⅦ、ＬⅧ型挂钩（图10-6c、d） 是另外装上去的活动挂钩，所以没有上述缺点，而且挂钩可以绕弹 簧轴线转到任意方向，便于安装。ＬⅦ型挂钩伸出的长度在一定范 围内还可调，故在受力较大的场合，最好采用ＬⅦ型挂钩，但其价 格较贵。对于ＬⅠ、ＬⅢ型拉伸弹簧，总圈数等于有效圈数，即ｎ １＝ｎ。
第一节 弹簧的功用、类型及材料
弹簧是机械设备中广泛应用的一种弹性元件。它是利用材 料的弹性和结构特点，通过变形提供弹性力和储存能量来进行 工作的。
一、弹簧的功用 二、弹簧的类型 三、弹簧的材料及许用应力
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机械设计基础 第十章 联接
§10—4 螺纹联接的基本类型及 螺纹紧固件
一、螺纹联结基本类型 二、螺纹紧固件
一、螺纹联接的基本类型
1、螺栓联接 a) 普通螺栓联接：
被连接件通孔不带螺纹，被联接件不太厚， 装拆方便。螺杆带钉头，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，可多次装拆，应用较广。
牙根强度弱，加工困难，常被梯形螺纹代替。
梯形螺纹特点： =2=30。比矩形螺纹效率略低。 牙根强度高，易于对中，易于制造，剖分螺母 可消除间隙，在螺旋传动中有广泛应用。
有粗牙普通螺纹M10和M68，请说明在静载 荷下这两种螺纹能否自锁（已知摩擦系数f = 0.1~0.15） 查得： 解： 1、首先求螺纹升角λ 。
粗牙螺纹
细牙螺纹
2、管螺纹 特点：用于管件连接的三角螺纹，=55,螺纹面间 没有间隙，密封性好，适用于压强在1.6MPa以下的 连接。管螺纹广泛用于水、汽、油管路联接中。
管螺纹除普通细牙螺纹外，还有60º 55º 、 的圆柱 管螺纹和60º 55º 、 的圆锥管螺纹。 管螺纹公称直径是管子的公称通径。
L=nP(n=2) L=nP(n=2) L=nP(n=2)
dd d dd 2 2 d2 dd 1 1 d1
P P P
d 1 1 d 1 d d 2 2 d 2 d d d d
hh h
LL L
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n≤4。 螺距、导程、线数之间关系：S=nP
M10螺纹： 螺距P=1.5mm，中径d2=9.026mm； M68螺纹： 螺距P=6mm， 中径d2=64.103mm。 M10螺纹升角：
机械设计基础第第10章螺纹连接
特点：结构简单、连接可靠、装拆方便，且多
数螺纹连接件已标准化，生产率高，因而应用广泛。
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10.2.1 螺纹
一.螺纹的主要参数 螺旋线---螺纹---螺纹
d2
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(1) 大径d
(2) 小径 d1 (3) 中径d2 (4) 螺距P
d d d1 2
P/2 P/2
按螺旋的作用分
按母体形状分
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螺 纹 的 分 类
矩形螺纹 三角形螺纹 按螺纹的牙型分 梯形螺纹 锯齿形螺纹 右旋螺纹 按螺纹的旋向分 左旋螺纹 单线螺纹 按螺旋线的根数分 多线螺纹 外螺纹 按回转体的内外表面分 内螺纹
螺纹副
按螺旋的作用分
按母体形状分
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a. 利用附加摩擦力防松
弹簧垫圈
对顶螺母
尼龙圈锁紧螺母
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b. 机械防松
潘存云教授研制
开口销与六 角开槽螺母
圆螺母用止动垫圈
止动垫圈
串联钢丝
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c. 破坏螺旋副防松 用冲头冲2~3点 1~1.5P
涂粘合剂
冲点防松法
粘合法防松
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紧定螺钉
5)其它特殊结构的螺纹连接
起吊螺钉
T 型螺栓
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二.标准螺纹连接件 螺 纹 连 接 件 螺栓
L L0
螺栓的结构形式
d
六角头 L L0 d 小六角头
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螺 纹 连 接 件
螺栓 双头螺柱
L L1 L0 d L1 -----座端长度 L0 -----螺母端长度
机械设计基础第10章
预紧力Fa →产生拉伸应力σ
Fa
0.5
∴ 强度条件为： 1.3Fa [ ] e 2 d1 4
d1
按第四强度理论，当量应 力： e 2 3 2 1.3
1、承受横向工作载荷的普通螺栓强度
工作原理：依靠预紧力作用下 在被连接件之间产生的摩擦力 承受横向工作载荷。 摩擦力： F f F0 fm 保证连接可靠，要求：
§10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
一、螺纹连接的基本类型 1.螺栓连接： 普通螺栓连接：应用广泛，两被连接件不太厚， 便于从两边装配。 铰制孔用螺栓连接：受横向载荷。 2.双头螺栓连接：被连接件之一较厚，常拆卸。 3.螺钉连接：被连接件之一较厚,不常拆卸，且不易 做成通孔的场合。
4.紧定螺钉连接：用于固定两零件的相对位置，并可 传递不大的力和转矩。
—设计公式
d1—螺纹小径（mm） [σ]—许用拉应力 N/mm2 (MPa) Fa
二、紧螺栓连接
紧螺栓连接——承受横向工作载荷和承受轴向工作载荷两种情况
承受工作载荷前拧紧，在拧紧力矩T和轴向载荷Fa（预紧力F0 ） 作用下，螺栓发生拉扭变形，螺栓工作在复合应力状态。
1 2 d1 4 d2 Fa tan(ψ ' ) 螺纹摩擦力 Fa 2d 2 T1 2 tan(ψ ' ) 矩T1→产生 1 2 d1 WT d13 d1 剪应力τ 16 4
θ
一、受力分析
1、矩形螺纹
三点假设：
1.螺纹拧紧过程相当于滑块沿斜面上升的过程；
2.拧紧过程中螺纹各圈的变形量相等；
F Fa
3.力作用在螺纹中径上。
拧紧过程：
FR Fn
ρ
机械设计基础(第六版)第10章 连接
按螺旋的作用分
按母体形状分
螺旋线旋向：
V母 ω母
左旋（特殊时用）
右旋（常用） 左右手法则：
V母 ω母
右旋
V母
V母
ω母
左旋
ω母
螺母旋入
矩形螺纹
按螺纹的牙型分
三角形螺纹 梯形螺纹
锯齿形螺纹
螺
按螺纹的旋向分
右旋螺纹 左旋螺纹
纹 的
按螺旋线的根数分
单线螺纹 n线螺纹: S = n P 多线螺纹 一般: n ≤ 4
联接的基本物理原理：
1、形锁合（如：普通平键、销等） 2、摩擦锁合（如过盈配合、楔键等） 3、材料锁合（如：焊接）
联接的分类：
静联接（被联接件间相对固定）
动联接（被联接间能按一定运动形式作相对运动）
可拆联接：指联接拆开时，不破坏联接中的零件，重新安装， 可继续使用的联接（键联接、销联接、螺栓联接）。
Fa 螺母
Fn=Fa 当β≠ 0º时，摩擦力为：
F'
f
Fn
f
cos
Fa
螺杆 Fn
f 'Fa
轴
摩擦系数为 f 的非矩形螺纹所产 线
生的摩擦力与摩擦系数为 f ’ ，的
β
螺母 Fa
α
矩形螺纹所产生的摩擦力相当。 故称 f ’ 为当量摩擦系数。
β 螺杆 Fn Fa
f ' f tg' cos
(于(67螺))纹牙螺轴型线纹的角平升面角α的夹ψ轴角向中截径面d内2t圆g螺ψ柱纹上=牙，型πn螺相dP旋邻2 线两的侧切边线的与夹垂角直。牙
型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。
牙侧角 β
S
ψ
机械设计基础第10章 螺纹联接习题解答2
10.1图所示起重卷筒与大齿轮间用双头螺柱连接，起重钢索拉力F Q =50KN ，卷筒直径D =400mm ，8个螺柱均匀分布在直径D 0=500mm 的圆周上，螺栓性能等级4.6级，接合面摩擦因子f =0.12，可靠度系数k f =1.2。
试确定双头螺柱的直径。
题10-1图解：1.计算旋转力矩Tmm N D Q T ⋅=⨯=⋅=71024005000022.计算螺栓所需要的预紧力F '由T K D F zf s ='2得02zfD T K F s ='所以mmN F ⋅=⨯⨯⨯⨯='500050012.08102.1273.确定螺栓直径][3.141σπF d '⨯≥mmd 768.2810050003.141=⨯⨯⨯≥π查GB196—1981，取M30。
10.2图所示气缸盖连接中，已知气缸内压力p 在0～2MPa 之间变化，气缸内径D =500mm ，螺栓分布在直径D 0=650mm 的圆周上，为保证气密性要求，剩余预紧力F ’0=1.8F。
试设计此螺栓组连接。
题10.2图解：设取螺栓数目Z=16或24则单个螺栓所受的轴向工作载荷F 为：单个螺栓所受的总拉力F 2为：所需的螺栓直径d 1：N ..Z D pF N ..Z D pF 17163542445001432425245311645001432422(24)22(16)=⨯⨯⨯===⨯⨯⨯==ππN...F .F F .F F F N ...F .F F .F F F 6745791171635482828156868725245318282811(24)212(16)=⨯==+=+==⨯==+=+=[][][]mm...F .d mm...F .d d F .1385251206745791314314788301205686873143144312(24)12(16)1212=⨯⨯⨯=⨯≥=⨯⨯⨯=⨯≥≤⨯=πσππσπσπσ查表校核螺栓间距t校核应力幅σa ：确定螺栓的数目和尺寸:查表10.3图所示凸缘联轴器，用六个普通螺栓连接，螺栓分布在mm D 100=的圆周上，接合面摩擦系数f =0.16，可靠度系数 1.2f K =，若联轴器传递扭矩为m N .150，试求螺栓螺纹小径。
机械设计基础(第10章： 轮系)
第10章轮系前面我们己经讨论了一对齿轮传动及蜗杆传动的应用和设计问题，然而实际的现代机械传动，运动形式往往很复杂。
由于主动轴与从动轴的距离较远，或要求较大传动比，或要求在传动过程中实现变速和变向等原因，仅用一对齿轮传动或蜗杆传动往往是不够的, 而是需要采用一系列相互啮合的齿轮组成的传动系统将主动轴的运动传给从动轴。
这种由一系列相互啮合的齿轮(包括蜗杆、蜗轮)组成的传动系统称为齿轮系，简称轮系。
本章重点讨论各种类型齿轮系传动比的计算方法，并简要分析各齿轮系的功能和应用。
10.1 轮系的分类组成轮系的齿轮可以是圆柱齿轮、圆锥齿轮或蜗杆蜗轮。
如果全部齿轮的轴线都互相平行，这样的轮系称为平面轮系；如果轮系中各轮的轴线并不都是相互平行的，则称为空间轮系。
再者，通常根据轮系运动时各个齿轮的轴线在空间的位置是否都是固定的，而将轮系分为两大类：定轴轮系和周转轮系。
10.1.1定轴轮系在传动时所有齿轮的回转轴线固定不变的轮系，称为定轴轮系。
定轴轮系是最基本的轮系，应用很广。
由轴线互相平行的圆柱齿轮组成的定轴齿轮系，称为平面定轴轮系，如图10.1所示。
a)b)图10.1 平面定轴齿轮系包含有圆锥齿轮、螺旋齿轮、蜗杆蜗轮等空间齿轮的定轴轮系，称为空间定轴轮系，如图10.2所示。
图10.2 空间定轴轮系10.1.2 周转轮系轮系在运动过程中，若有一个或一个以上的齿轮除绕自身轴线自转外，其轴线又绕另一个齿轮的固定轴线转动，则称为周转轮系，也叫动轴轮系。
如图10.3所示。
a) 周转轮系结构图b)差动轮系c)行星轮系图10.3周转轮系其中齿轮2的轴线不固定，它一方面绕着自身的几何轴线O2旋转，同时O2轴线，又随构件H绕轴线O H公转。
分析周转轮系的结构组成，可知它由下列几种构件所组成：1.行星轮：当轮系运转时，一方面绕着自己的轴线回转(称自转)，另一方面其轴线又绕着另一齿轮的固定轴线回转(称公转)的齿轮称行星轮，如图10.3中的齿轮2。
机械设计基础第10章 挠性传动..
授课题目：第10章挠性传动10.1 挠性传动概述10.2 带传动教学大纲要求：（1）了解挠性传动的类型、特点和应用；（2）熟悉带传动的类型、特点；（3）熟悉有关的基本概念、V代标注；（4）熟悉V带和V带轮的结构。
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：（1）了解挠性传动的类型、特点和应用；（2）熟悉带传动的类型、特点；（3）掌握有关的基本概念、V带标注；（4）熟悉V带和V带轮的结构。
教学重点及难点：V带和V带轮的结构设计。
作业、讨论题、思考题：思考题10-1课后总结分析：挠性传动；带传动的类型、特点；基本概念、V带标注；V带和V带轮的结构。
图10—1 挠性传动原理图挠性传动的特点主要有：具有缓冲、吸振作用，故传动较平稳；结构简单，易于制造，安装要求低；由于两轮不需要直接接触，可根据需要选择挠性元件的长度，因此，可用于中心距较大的传动；在相同条件下，与其他传动相比，传动简单，制造成本较低。
挠性传动的类型和应用( b)啮合带传动 ( c)链传动图10—2 啮合型挠性传动图10—3 牵引式挠性传动—磁头 3—驱动轮 4—小车 5—钢带图10—4 摩擦型带传动摩擦型带传动的类型和特点摩擦型带传动的类型根据横截面的形状，摩擦型带传动可分为平带、Ｖ带和特殊截面带（如多楔带、圆带等）三大类（如图10—5所示）。
(a)平带 (b)Ｖ带 (c) 圆带 (d)多楔带图10—5 带的横截面(a) (b)图10—7 Ｖ带的构造Ｖ带的截面尺寸已经标准化，根据GB/T11544—1997规定，普通Ｖ带按截面尺寸由小到大分、B、C、D、E七种型号，其中绳芯结构Ｖ带仅用在Z、A、B、C四种型号，其截面尺。
授课题目：第10章挠性传动10.4 摩擦带传动的工作情况分析教学大纲要求：讲授摩擦带传动的工作分析；讲授弹性滑动与打滑、传动比；讲授带的应力分析。
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握摩擦带传动的工作分析；熟悉弹性滑动与打滑、传动比；了解带的应力分析。
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（2）铸造铝合金
第10章 有色金属 与非金属材料
10.1 有色金属及其合金
10.1.1 铝及铝合金 铝及铝合金的密度小，属轻金属，在地球
上的储量丰富，可以说居金属元素之首。 但是，铝材的加工成本高，而且冲压及焊
接技术要求比较特殊，以目前的技术尚不 是一般厂家可以做得到的。 大部分轿车还是部分零部件采用铝合金， 如车圈、发动机上盖等。
1．工业纯铝
显著特点是：密度小、塑性高但强度、硬 度低.可以经冷变形或通过合金化使其强 化；可以进行冷、热压力加工。
铝导电、导热性良好，仅次于银和铜。常 用铝代替铜制作导线和零件，也可以制作 电子、电气设备散热片。
工业纯铝的牌号有1070A、1060、1050A、 1035等 。
2．铝合金
我国工业纯铜常用的有T1、T2、T3、T4四种， 代号中数字越大，表示杂质含量越高。
2．黄铜
黄铜是以锌为主要添加元素的铜合金，分为 普通黄铜和特殊黄铜。几种常用黄铜的牌号、 成分、机械性能及用途见教材表10.3。
3．青铜
青铜原指铜锡合金，因呈青黑色而得名。以 后，由于需要发展了不含锡而加入铝、硅、 锰、铅等其他元素的青铜，称特殊青铜或无 锡青铜。几种常用青铜的牌号、成分、机械 性能及用途见教材表10.4。
2．镁及镁合金
镁的密度很小，耐蚀性很差，强度和塑性均不高， 一般不直接用做结构材料。
镁合金比强度更高，能承受较大的冲击载荷和具 有更高疲劳极限；耐蚀性好（特别耐煤油、汽油 等矿物油和碱类的腐蚀），有良好的切削加工性。 因此在航空、无线电通信、仪表等行业获得广泛 的应用。镁合金是最有发展前景的汽车轻量化材 料之一。
10.1.2 铜及铜合金
1．工业纯铜
也称“电解铜”或“紫铜”。含铜量
wCu=99.5%～99.95%。具有良好的塑性、导电性
和耐蚀性。其密度为8.9g/cm3，熔点为1083℃， 固态下为面心立方晶格，无同素异构转变。工 业纯铜的强度、硬度低，不宜制作结构零件， 广泛用于制造电线、电缆、铜管以及配制铜合 金。
直接用铸造方法浇注成零件或毛坯的铝合金。其 所含合金元素的数量比较高，压力加工性能差， 但铸造性能较好，可以制造形状复杂的零件。合 金元素总的含量在8%～25%范围内，以加入元素 不同而分为许多类别。
代号用“ZL”加三位数字表示。第一位数字表示 合金类别：1为铝—硅系，2为铝—铜系，3为 铝—镁系，4为铝—锌系；第二、三位数字表示合 金顺序号，序号不同化学成分不同，优质在后面 加“A”。几种常用铸造铝合金的牌号、成分、 机械性能及用途见教材表10.2 。
在纯铝中加入Si、Cu、Mg、Zn、Mn等金属 元素形成铝合金。可显著提高力学性能， 且仍保持密度小、比强度高、耐腐蚀、导 热性好的优点，可以用来制作机器零件。
铝合金可通过固溶—时效处理来改变铝合 金的力学性能。
根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将 其分为变形铝合金和铸造铝合金。
（1）变形铝合金
非金属材料有许多金属材料不具备的特点，如高 分子材料质轻、耐蚀、绝缘、减振、价廉等；陶 瓷高硬度、耐高温、耐腐蚀等，起着金属材料无 法替代的作用，从而成为现代工业中必不可少的 门类。
非金属材料种类繁多，下面主要介绍有机高分子 材料、陶瓷材料和复合材料。
10.2.1 高分子材料
高分子材料是相对分子量在5 000以上的 有机化合物的总称，也叫高聚物或聚合物。
型钛合金（TA）具有很好的强度、韧性、热稳
定性、焊接性和铸造性，抗氧化能力较好，塑性 较低，热强性很好；
型钛合金（TB）强度较高、韧性好，易于冲压
成形，经淬火和时效处理后强度进一步提高，主 要用于制造高强度板材和复杂形状零件。
+型钛合金（TC）兼有上述合金的优点，即塑
性好、热强性好（可在400℃长期工作）、抗海 水腐蚀能力很强，生产工艺简单，并可通过淬火 和时效处理进行强化，主要应用于.4 其他有色金属
1．钛及钛合金 具有优越的综合性能：
比强度高，耐热性好，特别适用于在300～ 600℃温度范围内工作的航空、航天等要求 比强度高的器件；
优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢 氧化钠及海水中均有优良的稳定性；
良好的低温韧性。资源丰富有着广泛应用 前景；
加工条件复杂，成本较昂贵。
10.1.3 滑动轴承合金
用来制造滑动轴承轴瓦或内衬的合金称为 滑动轴承合金。
因滑动轴承传动效率不如滚动轴承，目前 机器中滚动轴承的应用范围很广。但是滑 动轴承承压面积大、噪声小、工作平稳， 故常用于高速重载的场合，如汽车发动机 的连杆轴承和曲轴轴承等。
常用的轴承合金有锡基、铅基、铜基和铝 基轴承合金等。
缺点是强度、刚度不够大，易老化，一般 不适于做结构件。
按热性能及成型特点分为热固性和热塑性； 按用途分为塑料、合成橡胶、胶粘剂等。
1．塑料
（1）塑料的组成
大多数塑料是以合成树脂为基础，再加入 一些用来改善使用性能和工艺性能的添加 剂而制成。
（1）工业纯钛
钛呈银白色，熔点高（1 725℃），密度小 （4.5g/cm3），导热性差。
力学性能与其纯度有很大关系。分为4个等 级：TA0、TAl、TA2、TA3，数字越大纯 度越低。
常用于制造350℃以下工作的低载荷零件， 如飞机骨架、发动机部件、耐海水管道及 柴油机活塞、连杆等。
（2）钛合金
镁合金根据加工方法分为变形镁合金（压力加工 镁合金）和铸造镁合金两类，代号分别以“MB” 和“ZM”加序号表示。
常用的变形镁合金有MBl、MB2、MB8、MBl5。 常用铸造镁合金有ZMl、ZM2、ZM5。
10.2 非金属材料
除金属以外，其他材料均为非金属材料，包括塑 料、橡胶、玻璃、陶瓷、合成纤维、胶粘剂、摩 擦材料、涂装材料等。