《机械设计基础》课程总结

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1、机械设计基础机械设计基础 教材：机械设计基础 綦耀光 刘峰主编 高等教育出版社2006年 第一版第三次印刷答 疑 刘刘 峰峰联系电话：联系电话：答 疑 老 师课程的基本体系课程的基本体系机构机构：自由度计算连杆机构凸轮机构齿轮机构其他机构轮系机器动力学机器动力学：调速平衡 通用零件设计通用零件设计联接类零件联接类零件：螺栓键其他联接形式传动类零件传动类零件：带链齿轮蜗轮蜗杆 其他（减速器）轴系类零件轴系类零件：轴轴承联轴器其其 他他 零零 件件：起重零件弹簧等等机械原理机械原理 机械零件机械零件绪绪 论论一、研究对象一、研究对象机机 械械机 构机 器构 件零件运动单元加工单元 1.组成：组成：

2、由一系列人为的机件组合而成由一系列人为的机件组合而成2.运动特性：运动特性：组成的各部分之间具有确定的运动组成的各部分之间具有确定的运动功、能关系：功、能关系：能够代替人的劳动完成有用功或者实能够代替人的劳动完成有用功或者实现能量的转换现能量的转换二、复习的方法二、复习的方法全面复习，重点掌握注意的问题：内容的联系 基本原理与基本方法 公式建立三、考题类型三、考题类型考试类型：闭卷题目类型 问答题、分析题、计算题、改错题 基本概念和基本知识约占60%左右平面连杆机构平面连杆机构一、平面机构运动简图及自由度的计算一、平面机构运动简图及自由度的计算构件构件机构机构运动副运运 动动 副副低副：转动副

3、 移动副高副：点接触 线接触1.2、平面机构运动简图、平面机构运动简图仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，说明机构各构件间相对运动关系的简化图形。内燃机主机构内燃机的主机构运动简图构件所具有的独立运动的数目。平面运动构件的自由度：二个移动、一个转动，共三个。低副限制两个自由度，高副限制一个自由度。一个机构有n个活动构件组成，有 低副组成，有 高副组成LPHPHLPPnP23则机构的自由度数P例题1：计算该机构自由度。活动构件数4个，低副5个，高副1个。结论：结论：机构有确定运动的条件是自由度数自由度数=原动件数。原动件数。同时也可用此结论来检验求的自由度数是否正确

4、。111524323HLPPnP4.计算平面自由度的注意事项计算平面自由度的注意事项复合铰链自由度数复合铰链自由度数1n局部自由度虚约束焊接处理删去例题2：计算该机构自由度活动构件数为5个，低副为7个，高副为0个.101725323HLPPnP例题3：计算该机构自由度活动构件数为4个，低副为5个，高副为1个.111524323HLPPnP复合铰链局部自由度虚约束二、连杆机构的基本型式与演化二、连杆机构的基本型式与演化1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构2、双曲柄机构、双曲柄机构3、双摇杆机构、双摇杆机构4、曲柄滑快机构、曲柄滑快机构三、连杆机构的基本特性三、连杆机构的基本特性1、急回特性n计算公式为

5、：18018018018012tt为摆角为极位夹角,3、压力角和传动角以摇杆为主动件时的情况。为传动角为压力角,2、死点位置rbh s s s s DD0B0B sO,t360B 位移曲线位移曲线 基圆半径升程和升程运动角远休止和远休止角回程和回程运动角近休止和近休止角br凸轮机构凸轮机构1）、匀速运动规律 n V 常数n 是线性n加速度有无限突变，为刚性冲击。用于低速轻载VtS 从动件的常见运动规律从动件的常见运动规律n2）简谐运动规律（余旋加速度）n加速度有有限的突变，为柔性冲击。可用于中速轻载n3）、摆线运动规律（正弦加速度运动规律）n 加速度按照正弦运动规律变化，n 无刚性冲击和柔性冲

6、击。反转法反转法凸轮设计的基本原理凸轮设计的基本原理 给整个凸轮机构加一个给整个凸轮机构加一个 ，这时，这时，凸轮静止不凸轮静止不动动，从动件作两个运动：，从动件作两个运动：1）、绕）、绕O以以 反转；反转；2）、相对与机架以给定的运动规律运动。）、相对与机架以给定的运动规律运动。)()(凸轮轮廓设计凸轮轮廓设计 rbOs 1 3 5 7 8 60 120 90 90 60 120 1 2 90 A90 9 1113151 3 5 7 8 9 11 13 12 14 10 对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rb，凸轮，凸

7、轮角速角速度度 和从动件的运动规律，设计该凸和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线轮轮廓曲线。3 4 5 6 7 8 1876543210 11 9 12 13 14 14131211109151 1）、）、尖顶尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓设计直动从动件盘形凸轮轮廓设计 平面定轴轮系 空间定轴轮系 轮轮 系系定轴轮系周转轮系复合轮系定轴轮系的传动比定轴轮系的传动比 主动齿轮齿数连乘积从动齿轮齿数连乘积kki11大小：大小：转向：转向：m)1(法（只适合所有齿轮轴线都平行的情况）法（只适合所有齿轮轴线都平行的情况）画箭头法（适合任何定轴轮系）画箭头法（适合任何定轴轮系）结果表示：结果表示：主动齿轮

8、齿数连乘积从动齿轮齿数连乘积kki11（输入、输出轴平行）（输入、输出轴平行）图中画箭头表示（其它情况）图中画箭头表示（其它情况）11211nnHnHHnzzzzi一般周转轮系转化机构的传动比一般周转轮系转化机构的传动比各轮齿数已知，就可以确定各轮齿数已知，就可以确定 1、n、H之间的关系；之间的关系；如果两如果两个已知，就可以计算出第三个，进而可以计算周转轮系的传动比。个已知，就可以计算出第三个，进而可以计算周转轮系的传动比。2、表达式中、表达式中 1、n、H的正负号问题。若的正负号问题。若基本构件的基本构件的实际实际转速方向相反，则转速方向相反，则 的正负号应该不同。的正负号应该不同。1、

9、是转化机构中齿轮是转化机构中齿轮1为主动轮、齿轮为主动轮、齿轮n为从动轮时的传动为从动轮时的传动比，其大小和方向可以根据定轴轮系的方法来判断；比，其大小和方向可以根据定轴轮系的方法来判断；Hni1例题：图示轮系中，已知z1=z2=20，z3 z430,n1=1440 r/min，转向如图，求n4的大小及方向。2n3n130203020341214zzzzi间歇运动机构间歇运动机构槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构、凸轮类间歇运动机构类型类型槽轮机构棘轮机构不完全齿轮机构、凸轮类间歇运动机构机械的调速与平衡机械的调速与平衡速度波动的分类速度波动的分类周期性速度波动非周期性速度波动飞轮调节调速器调

10、节调速调速平衡平衡静平衡动平衡 0F00MF机械零件设计概论机械零件设计概论 slim slim强度准则：t最小应力平均应力最大应力minmmax分为：对称循环应力 脉动循环应力疲劳强度：r静强度：n刚度刚度零件抵抗变形的能力n挠度 y yn偏转角 n耐磨性耐磨性nPp pvpvn振动稳定性振动稳定性确保避免出现共振n耐热性耐热性高温下材料性能将有所变化，特别是承载能力将会降低。钢材在高温下有蠕变现象。y碳素钢普通碳素钢：Q235优质碳素钢:45合金钢：40Cr、35CrMo铸铁：HT200铸钢：ZG310-570有色金属合金：ZCuSn10P1螺纹联接螺纹联接1.螺纹参数螺纹参数外径 d公称

11、直径内径d1强度计算中径d2几何计算螺距p升距s 升角 牙型角ftg)(tgFFQ)(tgFFQ铰制孔螺栓联接普通螺栓联接 摩擦力防松摩擦力防松机械防松机械防松n螺栓的失效形式：n1)拉断n2)压溃和剪断 确定设计准则n3)因磨损而发生滑扣 n n 定d1 查表d或针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计针对不同零件的不同失效形式，分别拟定其设计计算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。算方法，则失效形式是设计计算依据和出发点。螺栓联接的分类螺栓联接的分类松螺栓联接紧螺栓联接普通紧螺栓联接铰制孔螺栓联接受横向力受轴向力受横向力QpQpRRRRLmind0QpQpRRRRLmind0F 4

12、/21dF受横向力 4/3.12.121dFfRFFaa铰制孔受横向力ppARAR例题1：用四个普通螺栓将钢板A固定在钢板B上。图中尺寸a=70mm。钢板间摩擦系数，联接可靠系数（防滑系数）C，螺栓的许用拉应力=80MPa，F=500N，试计算螺栓的小径d1至少要多少。解：每个螺栓所受横向力RNFR1254每个螺栓所受预紧力Qp804/15003.14/3.115001.01252.12.12121ddQNfRQPP解出d1即可。804/15003.14/3.115001.01252.12.12121ddQNfRQPP例题2：受横向载荷的普通螺栓联接，螺栓数为1，结合面示意如图所示，摩擦系数为

13、0.15,横向载荷为1000N，设螺栓的许用载荷为 ，试设计该螺栓联接。解：每个螺栓所受预紧力Qp304/80003.14/3.1800015.010002.12.12121ddFNfRQP解出d1即可。MPa30304/80003.14/3.1800015.010002.12.12121ddFNfRQP键键 联联 接接松键联接紧键联接普通平键导向平键半圆键楔 键切向键花花 键键键选择键选择标准件标准件按轴径查表带传动带传动n1、工作原理、工作原理n组成：主动轮、从动轮、中间挠性件带n原理：带与带轮间的摩擦（啮合）n工作前：张紧力F0n工作时：紧边F0 F1n 松边F0 F2n有效圆周力:F=

14、F1-F211maxb3.带的弹性滑动、打滑带的弹性滑动、打滑带传动在工作时，从紧边到松边，传动带所受的拉力是变化的，因此带的弹性变形也是变化的。带传动中因带的弹性变形所导致的带与带轮之间的相对运动，称为弹性滑动。主动轮：带沿bc绕入,带的拉力由F1 F2,带沿带轮的运动一面绕进，一面向后收缩一面绕进，一面向后收缩；从动轮：带绕入,带的拉力由F2 F1,带沿带轮的运动一面绕一面绕进，一面向前伸长进，一面向前伸长。带的弹性滑动带的弹性滑动弹性滑动导致：从动轮的圆周速度v2带速v主动轮的圆周速度v1带的打滑：带的打滑：与带轮间会发生显著的相对滑动，即产生打滑。若带的工作载荷进一步加大，有效圆周力达

15、到临界值Fec后，则带打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急速降低，带传动失效，这种情况应当避免。LAKKPPPKz00链链 传传 动动组成：组成：主、从动链轮、链条啮合传动特点：优特点：优：没有弹性滑动和打滑，能保证准确的平均平均传动比；需要的张紧力小，作用在轴上的力小；结构紧凑；可使用恶劣环境中；缺：缺：瞬时传动比i常数；?工作平稳性差，有一定冲击和噪音1)P（节距）节距）：滚子链上相邻两滚子中心间的距离。P 越大,零件尺寸大，传递功率大2)排距排距Pt：排数 单排 多排3)链长度：链长度：用链节数表示偶数、奇数 3、失效形式、失效形式n1）低速：链板疲劳破坏n2）中速：滚子套筒冲击疲劳破坏n

16、3）高速：销轴套筒胶合 4）链条铰链磨损；开式传动 5）过载断齿：低速重载或严重过载mzKKPKP00齿齿 轮轮 传传 动动一、齿廓实现定传动比的条件（齿廓啮合基本定律）齿廓实现定传动比的条件（齿廓啮合基本定律）不论轮齿齿廓在任何位置接触，过接触点所作齿廓的公法线均须通过节点P.二、渐开线的形成和特性二、渐开线的形成和特性1)BK=BA2)渐开线上任意点的法线必与基圆相切；3)4)渐开线的形状决定于基圆的大小。5)基圆内无渐开线。KbKrrcos三、齿轮各部分名称及渐开线齿轮的基本尺寸三、齿轮各部分名称及渐开线齿轮的基本尺寸mzd mhmzhddaaa22mChmzhddaff)(22msep

17、)(22121zzmdda直齿圆柱齿轮直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮 为标准模数，而计算时用直齿圆柱齿轮的公式m代入斜齿圆柱齿轮的端面模数 即可。nmtmcostnmm 1212121221zzddddddnnibb解释渐开解释渐开线齿轮的线齿轮的可分性可分性四、一对渐开线齿轮正确啮合条件四、一对渐开线齿轮正确啮合条件2121 mm直齿212121 mm斜齿五、五、n 盘形铣刀n 成形法n 指状铣刀n切 齿轮插齿n制 插齿 n 齿条插齿n方 范成法 n法 滚齿n利用一对齿轮（或齿轮与齿条）互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来切制的。渐开线齿轮的渐开线齿轮的切制原理切制原理七、齿轮的失效

18、形式七、齿轮的失效形式八、计算准则八、计算准则n齿轮的计算准则由失效形式确定。齿轮的计算准则由失效形式确定。n闭式传动 接触疲劳计算n的齿轮 弯曲疲劳计算n 抗胶合计算高速大功率n 静强度计算短时过载n开式传动 弯曲疲劳折断 n的齿轮 磨粒磨损n 静强度计算短时过载n 校核设计FFHH校核设计HHFFFF闭式传动软齿面闭式传动硬齿面开式传动九、齿轮传动受力分析九、齿轮传动受力分析直齿轮受径向力和切向力作用，径向力各自指向回转中心，切向力主动轮与转动方向相反，从动轮与转动方向相同。斜齿轮受径向力、切向力和轴向力作用，径向力各自指向回转中心，切向力主动轮与转动方向相反，从动轮与转动方向相同，轴向力

19、主动轮用左右手法则，从动轮用作用力反作用力来判断。主动轮轴向力判断右旋伸出右手，左旋伸出左手，四指为旋转方向，拇指所指方向为轴向力的方向锥齿轮受径向力、切向力和轴向力作用，径向力各自指向回转中心，切向力主动轮与转动方向相反，从动轮与转动方向相同，轴向力从小端指向大端。例题1：设斜齿轮传动的旋转方向及螺旋线方向如图所示，试分别画出轮1为主动轮和轮2为主动轮时的轴向力Fa1和Fa2的方向。顺时针转逆时针转1n121aF1aF1rF2n2rF2rF1rF2aF2aF主动轮轴向力判断左手法则从动轮轴向力 用作用力反作用力来判断。主动轮轴向力判断右手法则从动轮轴向力 用作用力反作用力来判断。例题2：II

20、轴轴向力相互抵消，判断3、4的旋向，画出各齿轮的轴向力。4aF3aF2aF1aFIIInIIn右旋左旋蜗杆传蜗杆传 动动一、圆柱蜗杆传动尺寸与参数一、圆柱蜗杆传动尺寸与参数在中间平面的参数1、蜗杆分度圆直径 d111mzmqd2、蜗杆导程角1111dmzdmztg122112zznni3、传动比n4、滑动速度、滑动速度nVs相对滑动速度。n磨损、胶合、发热严重。二、蜗杆传动的效率及热平衡二、蜗杆传动的效率及热平衡n发热量：n散热量n温升n令；发热量=散热量 Q1=Q2则n温升为：)1(100011PQ)(02ttAhQt6050)1(100010AhPtttt21tFFa三、蜗轮蜗杆的受力分析

21、三、蜗轮蜗杆的受力分析12tFFa21rFFr蜗轮蜗杆受径向力、切向力和轴向力作用，径向力各自指向回转中心，切向力主动轮与转动方向相反，与从动轮与转动方向相同，轴向力主动轮用左右手法则，从动轮用作用力反作用力来判断。主动轮轴向力判断右旋伸出右手，左旋伸出左手，四指为旋转方向，拇指所指方向为轴向力的方向例题1：图示传动系统中，已知输出轴上的斜齿轮的转向及输入轴上蜗杆的转向，为使中间轴上的轴向力抵消一部分，(1)试确定蜗杆、蜗轮及两斜齿轮的螺旋线方向；（2）画出中间轴上蜗轮2、斜齿轮3在啮合点处的受力方向，各用三个分力表示。3n2n1 tF1aF2tF3aF转向和轴向力判断为左旋2aF转向和轴向力

22、判断为左旋其余自己标注。5n例题2：如图所示一多级轮系传动装置，已知输入轴上主动蜗杆1的转速为，转向如图所示，输出轴上齿轮6的转速为，转向如图所示。为了使中间轴、上的轴向力相互抵消一部分，、试确定斜齿轮3和4的螺旋线方向，并在图上标出；、确定蜗轮2转向、蜗杆1螺旋线方向；、画出中间轴上蜗轮2及中间轴上齿轮4在啮合点处的受力方向，各用三个分力表示。、计算传动比的大小 1aF2tF2aF3n3aF4aF4n5aF转向和轴向力判断为右旋转向和轴向力判断为右旋其他力自己标注1、分类：、分类：直轴按轴线分 曲轴 挠性钢丝轴 转轴（M、T）按受载荷分 心轴（M）传动轴（T）轴轴2、轴的结构分析和设计、轴的

23、结构分析和设计例：找出错误并改正1、键无法装上3、运动件不能与静止件接触15、轴承盖不能与轴直接接触，缺少密封5、缺少密封和调节垫6、轴颈该段长度太长14、套筒外径太大，不好卸轴承7、齿轮轴向定不住位13、键太长，且与另一键不在同一侧面12、轴肩太高8、缺少密封和调节垫11、轴承应安装成肩并肩9、多余10、轴不能与轴承盖接触2、无法定位4、箱体外面加工面与非加工面未分开一、滚动轴承的代号一、滚动轴承的代号 rCPL61010)(轴轴 承承后后例题：n3031030310/p0 n10内径50毫米n03直径系列：中系列，宽度0，圆锥滚子宽度必须注出。n3圆锥滚子轴承n/p00级精度不注二、滚动轴承的失效形式及寿命计算(1)n ,防点蚀，按接触疲劳寿命计算基本额定动载荷C(2)n ,(n10rpm)载荷大塑性变形 基本额定静载荷C0(3)n ,除计算疲劳寿命，还不能出现胶合破坏 极限转速N0轴承的寿命计算：轴承的寿命计算：)(6010)(610hnCPLhNoImage三、轴承材料三、轴承材料滚动轴承GCr15、GCr15SiMn滑动轴承锡青铜：ZCuSn5Pb5Zn5铝青铜：ZCuAl10Fe3锡锑轴承合金：ZSnSb11Cu6铅锑轴承合金：ZPbSb16Sn16Cu2联轴器、离合器、制动器联轴器、离合器、制动器