Lesson 8 螺纹连接件

　　螺纹连接件起着定位、夹紧、调整和从一个机器零件向另一个传递力的作用。螺纹连接件是标准化，通常在大规模设计机器中使用。不管其他连接方法的改进，螺纹紧固件在设计中保持了基本的装配方法和机器的结构。为了达到效果，每一个应用需要合适的设计和安装，因为单一紧固件的失效带来破坏性，甚至是灾难性的。所以，工程师必须选择合规格的连接件的类型和大小，这样能适合即将到来的应用。

　　通过在另一个方向上（切向）作用的小规模的力，螺纹连接件能有效运用和保持在一个方向上（轴向）

　　多个力的作用。所有这些都是基于单头螺纹螺钉的，它是一个简单机械，可以在最小的空间内产生很大的机械效益，而且在理论上是自锁的。然而，有效的使用需要另外两个简单的机构的帮助：杠杆和轮轴机构。扳手就是一个基本的杠杆；螺丝刀是一个轮轴机构。

　　螺纹连接件基本上是小型，高拉力的零件。螺纹是螺旋状的隆起物，在圆柱体的表面通过切削和冷成型形成一个槽，所以加工出螺钉，螺栓和双头螺柱。当加工出个别在形状上对称，圆柱体内表面形成的螺纹，称为螺母。内外螺纹配合是所有的螺纹连接件装配的关键。旋转运动的螺母安装在静止的螺钉上，首先沿着螺钉传递一个轴向的运动、当遇到的阻力的时候，螺纹要求通过楔作用，产生一个轴向力。随着轴向力的增加，更多的旋转要求增加更多的努力（扭矩）。所以，连接时很紧凑的，除非受到外部的影响，比如振动或者气温变化超过了初期的条件。

　　统一标准螺纹有三个基本系列的直径—螺距组合。对于普通的装配使用，在振动不影响和需要经常拆卸的地方，粗牙系列是应用最广泛和推荐使用的。统一标准细牙螺纹在强度上有所提高，而且更适用于那些要求精密调整的场合。这个系列通常用在飞机的装配中。因为螺纹很小，在高载荷应用里，螺母的设计非常重要以防螺纹滑扣。统一标准超细牙螺纹应用在那些和外螺纹配合的地方，是薄壁的一个部分。这类螺纹更能抵抗振动，而且能提供更精密调整。

　　统一标准螺纹在图样，材料清单等标注，用一个简化的符号包括大小、螺纹的系列，配合级别和内外螺纹符号（A是外螺纹，B是内螺纹），还有螺纹的旋向。例如，符号1- 20UNC -2A – RH 4标注带有外螺纹的零件，零件具有1英寸的直径，每英寸有20个螺纹、公差等级2级和右旋的统一粗牙43- 16UNC -2B – LH 4螺纹。通常，右旋可以省略，因为它是标准的。另一个例子符号为内螺纹，左旋，有基本主要的3英寸的直径，没英寸长度上有16个统一细牙螺纹。 4ISO标准包括多种直径-螺距的组合，但是美国标准就只指定了一种直径-螺距系列。用毫米表示的大径基本尺寸的数字跟在公制螺纹用字母M表示的后面，后面继续跟着毫米为单位的螺距，用符号×分隔。例如M4×0.7表示，一个公制螺纹的大径基本尺寸为4毫米，螺距0.7毫米。

　　大部分的螺钉连接件都是可拉伸的零件，容易受弯曲载荷的影响。垫片经常被与螺纹紧固件一同使用，为螺母和螺栓头提供更好的支撑面，为支撑面提供更大的间隙孔或者槽，把负荷分布在一个大的面积内，防止在装配过程中损坏零件，改进扭矩-拉力的比例（通过减少摩擦力），通过弹簧的作用在某些情况下锁紧。平垫圈很薄，环形的圆盘，主要用来在支撑面和负载分布，没有锁紧的能力。锥形弹簧圈是由淬火后

　　又经过回火处理的钢制成的，它的形状稍微有一点像碟子。当螺杆太紧圆锥垫圈发生变形，由于热涨或者由于垫圈的压缩，用弹簧可以补偿在螺杆拉力作用下的变形。弹簧垫圈基本上是单圈螺旋形弹簧，在负载作用下变平。弹簧的作用能促进螺杆负载的维持，通过咬入支撑面上，分开的边缘提供一些锁定的作用。这些有锁定功能的垫圈一般由淬火钢制成。

　　螺纹连接件通常由于疲劳失效：所以，碳钢和碳合金通常作为螺纹连接件材料。对用于统一标准和公制螺纹连接件的材料，美国材料试验学会和美国汽车工程学会建立了标准。美国汽车工程学会标准把材料划分等级，必须要满足最小拉力强度，试验载荷和结构和加工要求。另外，美国汽车工程学会的等级被分级系统所认可，能在螺杆端部找到。美国汽车工程学会等级标准需要符合大量不同的钢。这样，紧固件生产厂家可以在一定的范围内选择最适合他们特定的生产设备的材料。

　　除碳钢之外，在抗腐蚀的地方能用很多不锈钢合金来做螺纹连接件。由于经济的原因，虽然铁素体合金例如430经常使用，但是奥氏体不锈钢，例如304和316具有更好的耐腐蚀性。镍基高温合金，例如蒙乃尔铜镍合金、铬镍铁耐热耐腐蚀合金在高温，抗腐蚀性的场合也经常用作螺纹连接件。铝、青铜和黄铜也用作螺纹连接件。在腐蚀性的环境里，在强度要求不高的地方，连接件用尼龙和其他塑料来做成，又适用有便宜。

Lesson 9 滚动轴承

　　对于球轴承和滚子轴承，一个机器设计人员应该考虑下面五个方面：（a）寿命与载荷的关系；（b）刚度，也就是在载荷作用下的变形；（c）摩擦；（d）磨损；（e）噪声。对于中等载荷和转速，根据额定载荷选择一个标准轴承，通常都可以保证其具有令人满意的工作性能。当载荷较大时，轴承零件变形，尽管它通常小于轴和其他与轴承一起工作的零部件的变形，将会变得重要起来。在转速高的场合需要有专门的冷却装置，而这可能会增大摩擦阻力。磨损主要是由于污染物的进入引起的，必须选用密封装置以防周围环境的不良影响。

　　因为大批量生产这种方式决定了球轴承和滚子轴承不但质量高，而且价格低，因而机器设计人员的任务是选择而不是设计轴承。滚动接触轴承通常是采用硬度约为900HV、整体淬火的钢来制造的。但在许多

　　机构中不使用专门的套圈，而将相互作用的表面淬硬到大约600HV。滚动轴承由于在工作中会产生高的应力，其主要失效形式是金属疲劳，这一点并不奇怪，目前正在进行大量的工作以求改进这种轴承的可靠性。轴承设计可以基于能够被人们所接受的寿命值来进行。在轴承行业中，通常将轴承的承载能力定义为这样的值，即所承担的载荷小于这个值时，一批轴承中将有90%的轴承具有超过一百万转的寿命。

　　尽管球轴承和滚子轴承的基本设计责任在轴承制造厂家，机器设计人员必须对轴承所要完成的任务作出正确的评价，不仅要考虑轴承的选择，而且还要考虑轴承的正确安装条件。

　　轴承套圈与轴或轴承座的配合非常重要，因为它们之间的配合不仅应该保证所需要的过盈量，而且也应该保证轴承的内部间隙。不正确的过盈量会产生微动腐蚀从而导致严重的故障。内圈通常是通过紧靠在轴肩上进行轴向定位的。轴肩处的圆弧半径主要是为了避免应力集中。在轴承内圈上加工出一个圆弧或者倒角，用来提供容纳轴肩处圆弧半径的空间。

　　在使用寿命不是设计中的决定因素的场合，通常根据轴承受载荷时的产生的变形量来确定其最大载荷。因此，“静态承载能力”这个概念可以理解为对处于静止状态的或者进行缓慢转动的轴承所能够施加的载荷。这个载荷对轴承在随后进行旋转运动时的质量没有不利影响。按照实践经验确定，静态承载能力是这样一个载荷，当它作用在轴承上时，滚动体与滚道在任何一个接触点处的总变形量不超过滚动体直径的0.01%。这相当于直径为25mm的球产生0.0025mm的永久变形。

　　只有将轴承与周围环境适当地隔离开，许多轴承才能成功地实现它们的功用。在某些情况下，必须保护环境，试其不受润滑剂和轴承表面磨损生成物的污染。轴承设计的一个重要组成部分是使密封装置起到应有作用。此外，对摩擦学研究人员来说，为了任何目的而应用于运动零部件上的密封装置都是他们感兴趣的。因为密封装置时轴承的一部分，只有根据适当的轴承理论才能设计出令人满意的密封系统。

　　虽然它们很重要，与轴承其他方面的研究工作相比，在密封装置的研究方面所做的工作还是比较少的。