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机械设计概念大全

机械设计基础

第1章平面机构的自由度和运动简图

§1－1运动副及其分类

1.构件－独立的运动单元零件－独立的制造单元

2.运动副－两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。

运动副的分类：

1）按引入的约束数分有：

I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。

2）按相对运动范围分有：

平面运动副－平面运动空间运动副－空间运动

3）按运动副元素分有：

①高副－点、线接触，应力高。

例如：

滚动副、凸轮副、齿轮副等。

②低副－面接触，应力低。

例如：

转动副（回转副）、移动副

3.运动链－两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。

闭式链、开式链

4.机构－具有确定运动的运动链称为机构机构＝机架＋原动件＋从动件

§1－2平面机构运动简图

机构运动简图－用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。

作用：

1.表示机构的结构和运动情况。

2.作为运动分析和动力分析的依据。

机构运动简图应满足的条件：

1.构件数目与实际相同2.运动副的性质、数目与实际相符3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。

§1－3平面机构的自由度

定义：

保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。

原动件－能独立运动的构件。

自由度＝原动件数

一、平面机构自由度的计算公式

F=3n（活动构件数）－2PL（低副数）－Ph（高副数）

二、计算平面机构自由度

1.复合铰链－两个以上的构件在同一处以转动副相联。

计算：

m个构件,m－1转动副。

2.局部自由度－构件局部运动所产生的自由度。

计算：

应去掉局部自由度Fp或滚子、铰链

3.虚约束－对机构的运动实际不起作用的约束。

计算：

应去掉虚约束。

出现虚约束的场合：

1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合2.两构件构成多个移动副，且导路平行3.两构件构成多个转动副，且同轴4.运动时，两构件上的两点距离始终不变5.对运动不起作用的对称部分。

6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合

注意：

各种出现虚约束的场合都是有条件的虚约束的作用：

①善构件的受力情况，如多个行星轮②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。

③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。

第2章平面连杆机构

§2－1平面四杆机构的基本类型及其应用

应用实例：

内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。

定义：

由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。

特征：

有一作平面运动的构件，称为连杆。

特点：

①采用低副。

面接触、承载大、便于润滑、不易磨损、形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。

②改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。

③连杆曲线丰富。

可满足不同要求。

缺点：

①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。

②产生动载荷（惯性力），不适合高速。

③设计复杂，难以实现精确的轨迹。

分类:

平面连杆机构和空间连杆机构常以构件数命名：

四杆机构、多杆机构。

平面四杆机构的基本型式:

曲柄—作整周定轴回转的构件；连杆—作平面运动的构件；

摇杆—作定轴摆动的构件；连架杆—与机架相联的构件;周转副—能作360相对回转的运动副;摆转副—只能作有限角度摆动的运动副。

三种基本型式：

（1）曲柄摇杆机构

特征：

曲柄＋摇杆作用：

将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。

如雷达天线。

（2）双曲柄机构

特征：

两个曲柄作用：

将等速回转转变为等速或变速回转。

如叶片泵、惯性筛等。

特例：

平行四边形机构

特征：

两连架杆等长且平行，连杆作平动如火车轮摄影平台播种机料斗机构

（3）双摇杆机构

特征：

两个摇杆如铸造翻箱机构风扇摇头机构

特例：

等腰梯形机构－汽车转向机构

§2－2平面四杆机构的基本特性

一、铰链四杆机构有整转副的条件

平面四杆机构具有整转副→可能存在曲柄。

曲柄存在的条件：

1.最长杆与最短杆的长度之和应≤其他两杆长度之和称为杆长条件。

2.连架杆或机架之一为最短杆。

可知：

当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。

当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。

如：

曲柄摇杆（最短杆临边为支架）、双曲柄（最短杆为支架）、双摇杆机构（最短杆对边为支架）

二、急回特性

在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。

此两处曲柄之间的夹角θ称为极位夹角。

称K为行程速比系数。

只要θ≠0，就有K>1且θ越大，K值越大，急回性质越明显。

设计新机械时，往往先给定K值，于是:

三、压力角和传动角

压力角：

从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。

切向分力:

F’=Fcosα=Fsinγ

法向分力:

F”=Fcosγγ↑→F’↑→对传动有利

可用γ的大小来表示机构传动力性能的好坏,称γ为传动角。

设计时要求:

γmin≥50°γmin一定是：

主动件与机架共线两处之一。

四、死点位置

摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：

γ＝0此时机构不能运动.称此位置为：

“死点”

避免措施：

两组机构错开排列，如火车轮机构;也可以利用死点进行工作：

飞机起落架、钻夹具等

§2－3平面四杆机构的设计

设计要求：

1）满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:

飞机起落架、函数机构。

2）满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。

3）满足预定的轨迹要求，如:

鹤式起重机、搅拌机等。

设计方法：

图解法、解析法、实验法

第3章凸轮机构

§3－1凸轮机构的应用和类型

结构：

三个构件、盘（柱）状曲线轮廓、从动件呈杆状。

作用：

将连续回转=>从动件直线移动或摆动。

优点：

可精确实现任意运动规律，简单紧凑。

缺点：

高副，线接触，易磨损，传力不大

应用：

内燃机、牙膏生产等自动线、补鞋机、配钥匙机等。

分类：

1）按凸轮形状分：

盘形、移动、圆柱凸轮（端面）。

2）按推杆形状分：

尖顶、滚子、平底从动件。

3）.按推杆运动分：

直动（对心、偏置）、摆动4）.按保持接触方式分：

力封闭（重力、弹簧等）几何形状封闭（凹槽、等宽、等径、主回凸轮

§3－2从动件的常用运动规律

凸轮机构设计的基本任务:

1）根据工作要求选定凸轮机构的形式;2）推杆运动规律;3）合理确定结构尺寸;4）设计轮廓曲线。

运动规律：

推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、和加速度a2随时间t的变化规律。

§3－3凸轮机构的压力角

定义：

正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角α

一、压力角与作用力的关系

不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。

F’----有用分力,沿导路方向F”----有害分力，垂直于导路F”=F’tgαF’一定时，α↑→F”↑，若α大到一定程度时，会有：

Ff>F’→机构发生自锁。

为了保证凸轮机构正常工作，要求：

α<[α]

[α]=30˚----直动从动件；[α]=35°～45°----摆动从动件；[α]=70°～80°----回程。

二、压力角与凸轮机构尺寸之间的关系

用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回程压力角，故偏距e不能太大。

对于平底推杆凸轮机构：

α＝0

§3－4图解法设计凸轮轮廓

1.凸轮廓线设计方法的基本原理

反转原理：

给整个凸轮机构施以-ω1时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。

依据此原理可以用几何作图的方法

设计凸轮的轮廓曲线

2.用作图法设计凸轮廓线

1）对心直动尖顶从动件盘形凸轮2）偏置直动尖顶从动件盘形凸轮3）滚子直动从动件盘形凸轮4）对心直动平底从动件盘形凸轮5）摆动尖顶从动件盘形凸轮机构

设计步骤小结：

①选比例尺μl作基圆rmin。

②反向等分各运动角。

③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。

④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。

第4章齿轮机构

§4－1齿轮机构的特点和类型

结构特点：

圆柱体或圆锥体外（或内）均匀分布有大小一样的轮齿。

作用：

传递空间任意两轴（平行、相交、交错）的旋转运动，或将转动转换为移动。

优点：

①传动比准确、传动平稳。

②圆周速度大，高达300m/s。

③传动功率范围大，从几瓦到10万千瓦④效率高（η→0.99）、使用寿命长、工作安全可靠。

⑤可实现平行轴、相交轴和交错轴之间的传动。

缺点：

要求较高的制造和安装精度，加工成本高、不适宜远距离传动（如单车）。

§4－2齿廓实现定角速度比的条件

共轭齿廓：

一对能实现预定传动比（i12=ω1/ω2）规律的啮合齿廓。

1.齿廓啮合基本定律:

互相啮合的一对齿轮在任一位置时的传动比，都与连心线O1O2被其啮合齿廓的在接触处的公法线所分成的两段成反比。

2.齿廓曲线的选择:

理论上，满足齿廓啮合定律的曲线有无穷多，但考虑到便于制造和检测等因素，工程上只有极少数几种曲线可作为齿廓曲线，如渐开线、其中应用最广的是渐开线，其次是摆线（仅用于钟表）和变态摆线（摆线针轮减速器），近年来提出了圆弧和抛物线。

§4－3渐开线齿廓

一、渐开线的形成和特性

―条直线在圆上作纯滚动时，直线上任一点的轨迹（BK－发生线，基圆－rbθk－AK段的展角）

2.渐开线的特性

①AB=BK;②渐开线上任意点的法线切于基圆；③啮合时K点正压力方向与速度方向所夹锐角为渐开线上该点压力角α，离中心点越远渐开线上压力角越大；④渐开线形状取决于基圆当rb→∞，变成直线；⑤基圆内无渐开线。

二、渐开线齿廓满足定角速比要求

1.两齿廓在任意点K啮合时，过K作两齿廓的法线N1N2，是基圆的切线，为定直线。

两轮中心连线也为定直线，故交点P必为定点。

i12=ω1/ω2=O2P/O1P=const

i12为常数可减少因速度变化所产生的附加动载荷、振动和噪音，延长齿轮的使用寿命，提高机器的工作精度。

2.齿廓间正压力方向不变，N1N2是啮合点的轨迹，称为啮合线，啮合线与节圆公切线之间的夹角α’，称为啮合角，实际上α’就是节圆上的压力角

由渐开线的性质可知：

啮合线又是接触点的法线，正压力总是沿法线方向，故正压力方向不变。

该特性对传动的平稳性有利。

3.运动可分性，△O1N1P≌△O2N2P故传动比又可写成：

i12=ω1/ω2=O2P/O1P=rb2/rb1

实际安装中心距略有变化时，不影响i12，这一特性称为运动可分性，对加工和装配很有利。

§4－4齿轮各部分名称及标准齿轮的基本尺寸

一、外齿轮

1.名称与符号：

齿顶圆－da、ra齿根圆－df、rf齿厚－sk齿槽宽－ek齿距（周节）－pk=sk+ek法向齿距（周节）－pn=pb分度圆－人为规定的计算基准圆（表示符号：

d、r、s、e，p=s+e）齿顶高ha齿根高hf齿全高h=ha+hf齿宽—B

2.基本参数：

①齿数－z

②模数－m分度圆周长：

πd=zp,d=zp/π

人为规定：

m=p/π只能取某些简单值，称为模数m于是有：

d=mz，r=mz/2

模数的单位：

mm，它是决定齿轮尺寸的一个基本参数。

齿数相同的齿轮，模数大，尺寸也大。

③分度圆压力角

由rb＝ricosαi得:

αi＝arccos（rb/ri）对于同一条渐开线：

ri↓→αi↓αb＝0

定义分度圆压力角为齿轮的压力角：

α＝arccos（rb/r）或rb＝rcosα，db＝dcosα

α是决定渐开线齿廓形状的一个重要参数。

规定标准值：

α＝20°

由d=mz知：

m和z一定时，分度圆是一个大小唯一确定的圆。

由db＝dcosα可知，基圆也是一个大小唯一确定的圆。

称m、z、α为渐开线齿轮的三个基本参数。

齿轮各部分尺寸的计算公式：

分度圆直径：

d=mz齿顶高：

ha=ha*m齿顶高系数:

ha*

（正常齿：

ha*＝1短齿制：

ha*＝0.8）齿根高：

hf=（ha*+c*）m顶隙系数:

c*（正常齿：

c*＝0.25短齿制：

c*＝0.3）全齿高：

h=ha+hf=（2ha*+c*）m齿顶圆直径：

da=d+2ha=（z+2ha*）m

齿根圆直径：

df=d-2hf=（z-2ha*-2c*）m基圆直径：

db=dcosα=mzcosα法向齿距：

pn=pb=πdb/z=πmcosα=pcosα统一用pb表示

标准齿轮：

m、α、ha*、c*取标准值，且e=s的齿轮。

§4－5渐开线标准齿轮的啮合

一、正确啮合条件：

使进入啮合区内的各对齿轮都能正确地进入啮合，两齿轮的相邻两齿同侧齿廓间的法向距离应相等：

pb1=pb2将pb=πmcosα代入得：

m1cosα1=m2cosα2因m和α都取标准值，使上式成立的条件为：

m1=m2，α1=α2

结论：

一对渐开线齿轮的正确啮合条件是它们模数和压力角应分别相等。

传动比：

i12=w1/w2=z2/z1

二、标准中心距：

对标准齿轮，确定中心距a时，应满足两个要求：

1）理论上齿侧间隙为零s‘1-e’2=0

2）顶隙c为标准值c=c*m

此时有：

a=ra1+c+rf2=r1+r2=m（z1+z2）/2

a=r1+r2标准中心距

必须指出：

1.分度圆和压力角是单个齿轮就有的；而节圆和啮合角是两个齿轮啮合后才出现的

2.非标准安装时，两分度圆将分离，此时由：

α’>α

三、重合度

1.一对轮齿的啮合过程2.连续传动条件

定义:

ε=实际啮合线段/啮合点间距为一对齿轮的重合度

一对齿轮的连续传动条件是：

ε≥1

§4－6渐开线齿轮的切齿原理

一、成形法

盘铣刀指状铣刀

成形法加工的特点：

产生齿形误差和分度误差，精度较低，加工不连续，生产效率低。

适于单件生产。

二、范成法

1.齿轮插刀2.齿条插刀3.齿轮滚刀

范成法加工的特点：

一种模数只需要一把刀具连续切削，生产效率高，精度高，用于批量生产。

§4－7根切现象、最少齿数及变位齿轮

第5章轮系

§5－1轮系的类型

定义：

由齿轮组成的传动系统－简称轮系

轮系分类:

1.定轴轮系（轴线固定）<平面定轴轮系空间定轴轮系>2.周转轮系（轴有公转）<差动轮系（F=2）行星轮系（F=1）>3.复合轮系（两者混合）

§5－2定轴轮系及其传动比

一、传动比大小的计算

一对齿轮：

i12=ω1/ω2=z2/z1

对于齿轮系，设输入轴的角速度为ω1，输出轴的角速度为ωm,按定义有：

i1m=ω1/ωm当i1m>1时为减速,i1m<1时为增速。

＝所有从动轮齿数的乘积/所有主动轮齿数的乘积

二、首、末轮转向的确定

两种方法：

1）用“＋”“－”表示适用于平面定轴轮系（轴线平行，两轮转向不是相同就是相反）。

外啮合齿轮：

两轮转向相反，用“－”表示

内啮合齿轮：

两轮转向相同，用“＋”表示。

设轮系中有m对外啮合齿轮，则末轮转向为（-1）mi1m＝（-1）m

2）画箭头

外啮合时：

两箭头同时指向（或远离）啮合点。

头头相对或尾尾相对。

内啮合时：

两箭头同向。

对于空间定轴轮系，只能用画箭头的方法来确定从动轮的转向。

第10章连接

§10－1螺纹参数

一、螺纹的形成

螺旋线:

一动点在一圆柱体的表面上，一边绕轴线等速旋转，同时沿轴向作等速移动的轨迹。

螺纹:

一平面图形沿螺旋线运动，运动时保持该图形通过圆柱体的轴线，就得到螺纹。

螺纹的分类

按螺纹的牙型分:

（矩形螺纹三角形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹）

按螺纹的旋向分:

（右旋螺纹左旋螺纹）

按螺旋线的根数分:

（单线螺纹多线螺纹）

按回转体的内外表面分:

（外螺纹外螺纹）

按螺旋的作用分:

（联接螺纹传动螺纹）

按母体形状分:

（圆柱螺纹圆锥螺纹）

二、螺纹的主要几何参数

（1）大径d与外螺纹牙顶（或内螺纹牙底）相重合的假想圆柱体的直径。

（2）小径d1与外螺纹牙底（或内螺纹牙顶）相重合的假想圆柱体的直径。

（3）中径d2也是一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线上牙型沟槽和凸起宽度相等。

（4）螺距P相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

（5）导程SS=nP同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距P

（6）螺纹升角ψ中径d2圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角

（7）牙型角轴向截面内螺纹牙型相邻两侧边的夹角。

牙型侧边与螺纹轴线的垂线间的夹角。

§10－2螺旋副的受力分析、效率和自锁

一、矩形螺纹β=0º

Fa----轴向载荷F----水平推力Fn----法向反力F’=fFn----摩擦力f----摩擦系数FR----总反力

螺纹的拧紧----螺母在F和Fa的联合作用下，逆着Fa等速向上运动。

螺纹的拧松----螺母在F和Fa的联合作用下，顺着Fa等速向下运动。

当螺纹拧紧（滑块上升）时

驱动力矩:

当螺纹拧松（滑块下滑）时

驱动力矩：

若ψ>ρ，则T为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力；若ψ≤ρ，则T为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。

当ψ≤ρ时，若没有力矩T，螺母在Fa的作用不会运动--这种现象称为自锁。

二、非矩形螺纹β≠0º

摩擦系数为f的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为f’，的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。

故称f’为当量摩擦系数。

称ρ’为当量摩擦角

滑块上升：

滑块下降：

非矩形螺旋的自锁条件：

ψ≤ρ’

螺旋转动一圈时，有效功为FaS,输入功为2πT。

定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比：

当ρ’一定时，在ψ=45˚-ρ’/2处效率曲线有极大值。

对于传动螺旋，一般取：

ρ’<ψ≤25˚

对于联接螺纹，必须取：

ψ≤ρ’=5.7˚

§10－3机械制造常用螺纹

普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。

粗牙螺纹应用最广

细牙螺纹的优点：

升角小、小径大、自锁性好、强度高

缺点：

不耐磨易滑扣。

应用：

薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。

螺纹的基本尺寸

§10－4螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件

一、螺纹联接的基本类型

基本类型

螺栓联接螺钉联接双头螺柱联接紧定螺钉联接

二、螺纹紧固件

螺纹紧固件

螺栓双头螺柱螺钉、紧定螺钉螺母垫圈

§10－5螺纹联接的预紧和防松

一、拧紧力矩

设轴向力为Fa

总力矩：

T1—克服螺纹副相对转动的阻力矩；T2—克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；

fc—摩擦系数。

无润滑时取：

fc=0.15rf—支撑面摩擦半径。

rf=（dw+d0）/4

简化公式：

T≈0.2Fad

工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。

二、螺纹联接的防松

1.利用附加摩擦力防松

2.采用专门防松元件防松

3.其他方法防松

§10－6螺栓联接的强度计算

螺栓联接的主要失效形式：

螺栓拉断螺纹压溃或剪断滑扣

一、松螺栓联接

强度条件：

力除以面积

式中:

d1----螺纹小径，mm

二、紧螺栓联接

强度条件：

1.受横向工作载荷的螺栓强度

螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力Fa导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。

预紧力Fa：

C---可靠性系数，常取C=1.1~1.3m---结合面数f---摩擦系数对钢与铸铁，取:

f=0.1~0.15

改进措施：

采用键、套筒、销承担横向工作载荷。

采用无间隙的铰制孔螺栓

2.受轴向工作载荷的螺栓强度

设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为：

FE=

§10－11键联接

一、键联接的类型

作用：

用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递转矩，或实现零件的轴向固定或移动。

类型：

平键、半圆键、楔键、切向键等

1.平键联接

特点：

定心好、装拆方便种类：

普通平键导向平键

普通平键结构

圆头（A型）用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。

方头（B型）用盘铣刀加工，轴的应力集中小。

单圆头（C型）用于轴端

导向平键

结构特点：

长度较长，需用螺钉固定。

为便于装拆，制有起键螺孔。

零件可以在轴上移动，构成动联接。

§10－12销联接

作用：

固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。

第11章齿轮传动

§11-1轮齿的失效形式

失效形式

轮齿折断齿面点蚀齿面胶合齿面磨损齿面塑性变形

§11-2齿轮材料及热处理

常用齿轮材料

优质碳素钢合金结构钢铸钢铸铁

热处理方法

表面淬火渗碳淬火调质正火渗氮

特点及应用：

调质、正火处理后的硬度低，HBS≤350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。

当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高:

20~50HBS

表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。

其承载能力高，但一般需要磨齿。

常用于结构紧凑的场合。

§11-3齿轮传动的精度等级

误差的影响：

1.转角与理论不一致，影响运动的不准确性；

2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、冲击和噪音影响运动平稳性；

3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的不均匀性。

国标GB10095-88给齿轮副规定了12个精度等级。

其中1级最高，12级最低，常用的为6~9级精度。

§11-4直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷

一、轮齿上的作用力

圆周力：

径向力：

法向力：

小齿轮上的转矩：

二、计算载荷

Fn---名义载荷

用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K----载荷系数

§11-5直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算

赫兹公式：