機械設計基礎總結

1、平面機構的自由度F=3n-2PL-PH機構具有確定運動的條件（原動件數(shù)>F，機構破壞）平面四桿機構在此機構中，AD固定不動，稱為機架；AB、CD兩構件與機架組成轉動副，稱為連架桿；BC稱為連桿。在連架桿中，能作整周回轉的構件稱為曲柄，而只能在一定角度范圍內擺動的構件稱為搖桿。四桿機構存在曲柄的條件1）連架桿和機架中必有一桿是最短桿； 2）最短桿與最長桿長度之和小于或等于其它兩桿長度之和。（稱為桿長條件）急回特性和行程速比系數(shù)當主動件曲柄等速轉動時，從動件搖桿擺回的平均速度大于擺出的平均速度，搖桿的這種運動特性稱為急回特性極位夾角:曲柄整周運動時，連桿的兩個極限位置的夾角當機構存在極位夾角

2、 時，機構便具有急回運動特性。且角越大，K值越大，機構的急回性質也越顯著壓力角與傳動角連桿BC與從動件CD之間所夾的銳角 稱為四桿機構在此位置的傳動角。顯然越大，有效分力Pt越大，Pn越小，對機構的傳動就越有利。所以，在連桿機構中也常用傳動角的大小及變化情況來描述機構傳動性能的優(yōu)劣。為了保證機構傳力性能良好，應使min40 50° 最小傳動角的確定： 對于曲柄搖桿機構， min出現(xiàn)在主動件曲柄與機架共線的兩位置之一。死點（傳動角為0）當以搖桿CD為主動件，則當連桿與從動件曲柄共線時，機構的傳動角0°，這時主動件CD通過連桿作用于從動件AB上的力恰好通過其回轉中心，出現(xiàn)了不能

3、使構件AB轉動的“頂死”現(xiàn)象，機構的這種位置稱為“死點”凸輪輪廓曲線設計反轉法對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構 （1）選取適當?shù)谋壤撸榘霃阶鲌A；（2）先作相應于推程的一段凸輪廓線。為此，根據(jù)反轉法原理，將凸輪機構按進行反轉此時凸輪靜止不動，而推桿繞凸輪順時針轉動。按順時針方向先量出推程運動角，再按一定的分度值（凸輪精度要求高時，分度值取小些，反之可以取小些）將此運動角分成若干等份，并依據(jù)推桿的運動規(guī)律算出各分點時推桿的位移值S。（3）確定推桿在反轉運動中所占據(jù)的每個位置。為此，根據(jù)反轉法原理，從A點開始，將運動角按順時針方向按一個分點進行等份，則各等份徑向線01，02，08即為推桿在反轉運動

4、中所依次占據(jù)的位置。（4）確定出推桿在復合運動中其尖頂所占據(jù)的一系列位置。根據(jù)表中所示數(shù)值s，沿徑向等分線由基圓向外量取，得到點，即為推桿在復合運動中其尖頂所占據(jù)的一系列位置。（5）用光滑曲線連接，即得推桿升程時凸輪的一段廓線。（6）凸輪再轉過時，由于推桿停在最高位置不動，故該段廓線為一圓弧。以O為圓心，以為半徑畫一段圓弧。 齒輪機構的應用和分類齒輪機構的應用和分類傳遞功率大、效率高、傳動比準確、使用壽命長、工作安全可靠等特點。但是要求有較高的制造和安裝精度，成本較高；不宜在兩軸中心距很大的場合使用齒廓嚙合基本定理齒廓嚙合的基本定律（Basic Law of Tooth Profile Mes

5、hing) 左圖所示為一對互相嚙合的齒輪，設主動輪1以角速度繞順時針方向回轉，從動輪2受輪1的推動以角速度繞逆時針方向回轉。兩輪輪齒的齒廓在某一點K接觸，它們在點K處的線速度為,。方法： 過點K作兩齒廓的公法線 nn顯然，要使這一對齒廓能連續(xù)的接觸傳動，它們沿接觸點的公法線方向是不能相對運動的。否則，兩齒廓將不是彼此分離就是互相嵌入，因而不能達到正常傳動的目的。這就是說，要使兩齒廓能夠連續(xù)接觸傳動，則 和 在公法線 nn 方向的分速度應該相等。所以兩齒廓接觸點間的相對速度只能沿兩齒廓接觸點的公切線方向。由三心定理，P點為齒輪1、2的速度瞬心則兩輪的傳動比為（*）式（*）表明:

6、0;   互相嚙合傳動的一對齒輪在任一位置時的傳動比，都與其連心線被其嚙合齒廓在接觸點處的公法線所分成的兩段成反比。這一規(guī)律稱為齒廓嚙合的基本定律。 要使兩齒輪做定傳動比傳動，則其齒廓必須滿足的條件是：不論兩齒廓在何位置接觸，過接觸點所做的兩齒廓公法線必須與兩齒輪的連心線相交于一定點。    證明：由式（*）可知，如果要求兩齒輪的傳動比為常數(shù)，則應使為常數(shù)。由于在兩齒輪的傳動過程中，其軸心、均為定點（即為定長），所以，欲使為常數(shù)，則必須使點P在連心線上為一定點。 兩齒輪的嚙合傳動可以視為兩輪的節(jié)圓作純滾動 

7、0;  證明：由于兩輪作定傳動比傳動時，節(jié)點P為連心線上的一定點，故點P在輪1的運動平面上的軌跡是一以為圓心，為半徑的圓。同理，點P在輪2的運動平面上的軌跡是一以為圓心，為半徑的圓。這兩個圓分別稱為輪1與輪2的節(jié)圓。而由上述可知，輪1與輪2的節(jié)圓相切于P點，而且在點P處兩輪的線速度相等，即，故兩齒輪的嚙合傳動可以視為兩輪的節(jié)圓作純滾動。漸開線齒廓直線BC沿一圓周作純滾動時，直線上任意點I的軌跡AI，稱為該圓的漸開線。這個圓稱為漸開線的基圓，其半徑用表示。直線NI稱為漸開線的發(fā)生線一對漸開線齒輪正確嚙合的條件法向齒距相等即：漸開線齒輪連續(xù)傳動的條件（B1，B2分別為兩齒輪齒頂

8、圓與嚙合線的交點為了保證傳動的連續(xù)性，要求前一對齒在 B1 點脫離嚙合時， 后一對齒應進入嚙合，為此要求兩齒輪的實際嚙合線 B 1 B 2 應大于或等于齒輪的法節(jié) pb 。通常把 B1 B2 與 pb 的比值 稱為齒輪傳動的重合度，用 來表示 于是得齒輪連續(xù)傳動的條件是 ： = （ B 1 B 2 / p b ） 1無側隙嚙合條件在齒輪傳動中，為避免或減小輪齒的沖擊，應使兩輪齒側間隙為零；而為防止輪齒受力變形、發(fā)熱膨脹以及其它因素引起輪齒間的擠軋現(xiàn)象，兩輪非工作齒廓間又要留有一定的齒側間隙。這個齒側間隙一般很小，通常由制造公差來保證。所以在我們的實際設計中，齒輪的公稱尺寸是按無側隙計算的。 齒

9、輪的加工方法近代齒輪的加工方法很多，有鑄造法、熱軋法、沖壓法、模鍛法和切齒法等。其中最常用的是切削方法，就其原理可以概括分為仿形法和范成法兩大類。仿形法顧名思義，仿形法就是刀具的軸剖面刀刃形狀和被切齒槽的形狀相同。其刀具有盤狀銑刀和指狀銑刀等，如圖所示。范成法（又稱展成法）這種方法是加工齒輪中最常用的一種方法。利用一對齒輪互相嚙合傳動時，兩輪的齒廓互為包絡線的原理來加工的。將一對互相嚙合傳動的齒輪之一變?yōu)榈毒?，而另一個作為輪坯，并使二者仍按原傳動比進行傳動，則在傳動過程中，刀具的齒廓便將在輪坯上包絡出與其共軛的齒廓。根切與Zmin用范成法加工齒輪時，有時會發(fā)現(xiàn)刀具的頂部切入了輪齒的根部，而把齒

10、根切去了一部分，破壞了漸開線齒廓，如圖所示。這種現(xiàn)象稱為根切用范成法加工齒輪，若刀具的齒頂超過嚙合極限點N1則被切齒輪必定發(fā)生輪齒根切。漸開線標準齒輪不根切的最少齒數(shù)為齒輪傳動失效形式及材料輪齒折斷 彎曲疲勞折斷閉式硬齒面齒輪傳動最主要的失效形式。 過載折斷載荷過大或脆性材料部分形式：齒根整體折斷直齒，b較小時 局部折斷斜齒或偏載時 n 提高輪齒抗折斷能力的措施：n 1）  減小齒根應力集中（增加齒根過渡圓角，降低齒根部分表面粗糙度）n 2）  高安裝精度及支承剛性，避免輪齒偏載，設計時限制齒根彎曲應力小于許用值n 3）  改善熱處理，使其有足夠的齒芯韌性和齒面硬

11、度 齒根部分進行表面強化處理（噴丸、滾壓）齒面疲勞點蝕閉式軟齒面齒輪傳動的主要失效形式收斂性點蝕開始由于表在粗糙，局部接觸應力較大引起點蝕，過后經跑合，凸起磨平軟齒面逐漸消失擴展性點蝕硬齒面發(fā)生點蝕或軟齒面時位置：節(jié)線附近原因：1）單齒對嚙合接觸應力較大；2）節(jié)線處相對滑動速度較低，不易形成潤滑油膜；3）另外油起到一 個媒介作用，潤滑油滲入到微裂紋中，在較大接觸應力擠壓下使裂紋擴展直至表面金屬剝落。防止措施：1）提高齒面硬度；2）降低表面粗糙度；3）采用角度變位（增加綜合曲率半徑）；4）選用較高 粘度的潤滑油；5）提高精度（加工、安裝）；6）改善散熱。開式齒輪傳動由于磨損較快，一般不會點蝕齒面

12、磨損開式齒輪的主要失效形式類型齒面磨粒磨損 防止措施：1）提高齒面硬度；2）降低表面粗糙度；3）降低滑動系數(shù)；4）潤滑油定期清潔和更換；5）變開式為閉式。齒面膠合高速重載傳動的主要失效形式熱 膠合。原因：高速、重載壓力大，滑動速度高摩擦熱大 高溫嚙合齒面粘結（冷焊結點）結點部位材料被 剪切沿相對滑動方向齒面材料被撕裂。 低速重載或缺油冷膠合（壓力過大、油膜被擠破引 起膠合）形式：熱膠合高速重載；冷膠合低速重載，缺 潤滑油防止措施：1）采用抗膠合能力強的潤滑油（加極壓添加劑）；2）采用角度變位齒輪傳動，使滑動速度VS下降。3）減小m和齒高h，降低滑動速度VS；4）提高齒面硬度；5）降低表面粗糙度

13、；6）配對齒輪有適當?shù)挠捕炔睿?）改善潤滑與散熱條件。5、齒面塑性變形低速重載軟齒輪傳動的主要失效形式 齒面在過大的摩擦力作用下處于屈服狀態(tài)，產生沿摩擦力方向的齒面材料的塑性流動，從而使齒面正確輪廓曲線被損壞。防止措施：1）提高齒面硬度；2）采用高粘度的潤滑油或加極壓添加劑齒輪材料選擇齒輪材料總體上要考慮防止產生齒面失效和輪齒折斷?；疽螅糊X面要硬，齒芯要韌 常用的齒輪材料1、鋼最常用，可通過熱處理改善機械性能（1）鍛鋼：軟齒面齒輪（HBS350）如45、40Cr 熱處理，正火調質，加工方法，熱處理后精切齒形8、7級，適合于對精度、強度和速度要求不高的齒輪傳動（2）鑄鋼用于尺寸較大齒輪，需正

14、火和退火以消除鑄造應力。強度稍低直齒圓柱齒輪傳動載荷與設計齒根彎曲疲勞強度計算防止彎曲疲勞折斷；設計公式齒面接觸疲勞強度計算防止齒面點蝕破壞；設計公式設計準則軟齒面按齒面接觸疲勞強度設計，再校核齒根彎曲疲勞強度硬齒面按齒根彎曲疲勞強度設計，再校核齒面接觸疲勞強度 1、齒數(shù)Z1 閉式軟齒面齒輪（點蝕）Z1可取多一些（2040 閉式硬齒面齒輪（彎曲疲勞）a一定時，宜取Z1少 一些（使m），Z1=1720 蝸桿傳動與齒輪傳動相比較，蝸桿傳動具有傳動比大，在動力傳遞中傳動比在8100之間，在分度機構中傳動比可以達到1000；傳動平穩(wěn)、噪聲低；結構緊湊；在一定條件下可以實現(xiàn)自鎖等優(yōu)點而得到廣泛使用。但蝸

15、桿傳動有效率低、發(fā)熱量大和磨損嚴重，渦輪齒圈部分經常用減磨性能好的有色金屬（如青銅）制造，成本高等缺點。按蝸桿分度曲面的形狀不同，蝸桿傳動可以分為：圓柱蝸桿傳動（如圖a）、環(huán)面蝸桿傳動（如圖b）、錐蝸桿傳動（如圖c）三種類型因為分度圓直徑等于模數(shù)乘以直徑系數(shù)。模數(shù)是標準值，直徑系數(shù)為了簡化刀具也進行了規(guī)定，即為標準值，所以分度圓直徑亦為標準值。模數(shù)m和壓力角 蝸桿傳動的尺寸計算與齒輪傳動一樣，也是以模數(shù)m作為計算的主要參數(shù)。在中間平面內蝸桿傳動相當于齒輪和齒條傳動，蝸桿的軸向模數(shù)和軸向壓力角分別與渦輪的端面模數(shù)和端面壓力角相等，為此將此平面內的模數(shù)和壓力角規(guī)定為標準值，標準模數(shù)見書中所附表格，

16、標準壓力角為20°蝸桿頭數(shù)z1和傳動比蝸桿頭數(shù)z1可根據(jù)要求和的傳動比和效率來選定。單頭蝸桿傳動的傳動比可以較大，但效率較低。如果要提高效率，應增加蝸桿的頭數(shù)。但蝸桿頭數(shù)過多，又會給加工帶來困難。所以，通常蝸桿頭數(shù)取為1、2、4、6。蝸桿為主動件;蝸桿與蝸輪之間的傳動比為(其中：z2為蝸輪的齒數(shù))導程角蝸桿的直徑系數(shù)q和蝸桿頭數(shù)z1選定之后，蝸桿分度圓柱上的導程角也就確定了蝸桿的分度圓直徑d1在蝸桿傳動中，為了保證蝸桿與配對蝸輪的正確嚙合，常用與蝸桿相同尺寸的蝸輪滾刀來加工與其配對的渦輪。這樣，只要有一種尺寸的蝸桿，就需要一種對應的蝸輪滾刀。對于同一模數(shù)，可以有很多不同直徑的蝸桿，因

17、而對每一模數(shù)就要配備很多蝸輪滾刀。顯然，這樣很不經濟。 為了限制蝸輪滾刀的數(shù)目及便于滾刀的標準化，就對每一標準模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)量的蝸桿分度圓直徑d1 ，而把比值 稱為蝸桿直徑系數(shù)。蝸桿傳動的標準中心距蝸桿傳動的失效形式 和齒輪傳動一樣，蝸桿傳動的失效形式主要有：膠合、磨損、疲勞點蝕和輪齒折斷等。由于蝸桿傳動嚙合面間的相對滑動速度較大，效率低，發(fā)熱量大，再潤滑和散熱不良時，膠合和磨損為主要失效形式。蝸桿傳動的設計準則閉式蝸桿傳動按蝸輪輪齒的齒面接觸疲勞強度進行設計計算，按齒根彎曲疲勞強度校核，并進行熱平衡驗算；開式蝸桿傳動，按保證齒根彎曲疲勞強度進行設計。蝸桿和蝸輪材料由失效形式知道，蝸桿、蝸輪

18、的材料不僅要求有足夠的強度，更重要的是具有良好的磨合（跑合）、減磨性、耐磨性和抗膠合能力等。 蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成：一般不太重要的低速中載的蝸桿，可采用40、45鋼，并經調質處理 。高速重載蝸桿常用15Cr或20Cr、20CrMnTi等，并經滲碳淬火 。 蝸輪材料為鑄造錫青銅（ZCuSn10P1,ZCuSn5Pb5Zn5），鑄造鋁鐵青銅（ZCuAl1010Fe3）及灰鑄鐵（HT150、HT200）等。錫青銅耐磨性最好，但價格較高，用于滑動速度大于3m/s的重要傳動；鋁鐵青銅的耐磨性較錫青銅差一些，但價格便宜，一般用于滑動速度小于4m/s的傳動；如果滑動速度不高（小于2m/s），對效率要

19、求也不高時，可以采用灰鑄鐵螺紋連接與傳動螺紋參數(shù)1.大徑d（D）：螺紋的最大直徑在標準中也作公稱直徑。 2.小徑d1(D1) ：即螺紋的最小直徑 3.中徑d2在軸向剖面內牙厚與牙間寬相等處的假想4、牙型角 、牙型斜角 在螺紋的軸向剖面內，螺紋牙型相鄰兩側邊的夾角稱為牙型角 。牙型側邊與螺紋軸線的垂線間的夾角稱為牙型斜角 ，對稱牙型的/2升角 在中徑d2的圓柱面上，螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面間的夾角，由圖74可得升角大：傳動效率高，升角大與當量摩擦角時無自鎖性升角?。簜鲃有实?；自鎖性能好，螺紋種類1、三角形螺紋（普通螺紋） 牙型角為60º ，可以分為粗牙和細牙，粗牙用于一般聯(lián)

20、接；與粗牙螺紋相比，細牙由于在相同公稱直徑時，螺距小，螺紋深度淺，導程和升角也小，自鎖性能好，宜用于薄壁零件和微調裝置。2、管螺紋 多用于有緊密性要求的管件聯(lián)接，牙型角為55º，公稱直徑近似于管子內徑，屬于細牙三角螺紋。3、梯形螺紋 牙型角為30º，是應用最為廣泛的傳動螺紋。4、鋸齒型螺紋 兩側牙型角分別為3º和30º，3º的一側用來承受載荷，可得到較高效率；30º一側用來增加牙根強度。適用于單向受載的傳動螺紋。 5、矩形螺紋 牙型角為0º，適于作傳動螺紋 螺旋副的受力分析、效率和自鎖滑塊在斜面上等速上升時。當量摩擦角滑塊沿

21、斜面等速下降時，摩擦力向上 由公式可知，若（當量摩擦角） ，說明此時無論軸向載荷有多大，滑塊（即螺母）都不能沿斜面運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖螺旋副的效率 螺紋聯(lián)接主要類型螺栓聯(lián)接普通螺栓聯(lián)接被聯(lián)接件不太厚，螺桿帶釘頭，通孔不帶螺紋，螺桿穿過通孔與螺母配合使用。裝配后孔與桿間有間隙，并在工作中不許消失，結構簡單，裝折方便，可多個裝拆，應用較廣。雙頭螺栓聯(lián)接螺桿兩端無釘頭，但均有螺紋，裝配時一端旋入被聯(lián)接件，另一端配以螺母。適于常拆卸而被聯(lián)接件之一較厚時。折裝時只需拆螺母，而不將雙頭螺栓從被聯(lián)接件中擰出。螺釘聯(lián)接螺釘聯(lián)接適于被聯(lián)接件之一較厚（上帶螺紋孔），不需經常裝拆，一端有螺釘頭，不需螺母，適于受載

22、較小情況。緊定螺釘聯(lián)接擰入后，利用桿末端頂住另一零件表面或旋入零件相應的缺口中以固定零件的相對位置?？蓚鬟f不大的軸向力或扭螺紋聯(lián)接的防松摩擦防松彈簧墊片防松雙螺母防松自鎖螺母防松機械防松永久防松軸軸的分類轉軸同時承受扭矩和彎曲載荷的作用，例如齒輪減速器中的軸心軸只需承受彎矩而不傳遞轉距，例如鐵路車輛的軸、自行車的前軸等。按軸旋轉與否分為轉動心軸和固定心軸兩種，傳動軸只承受扭矩而不承受彎矩或承受彎矩較小的軸。例如圖所示的汽車傳動軸。軸的材料 由于軸工作時產生的應力多為變應力，所以軸的失效多為疲勞損壞，因此軸的材料應具有足夠的疲勞強度、較小的應力集中敏感性和良好的加工性能等 軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。1、碳鋼：價格低廉，對應力集中的敏感性較低，可以利用熱處理提高其耐磨性和抗疲勞強度。常用的有35、40、45、50鋼。2、合金鋼：對于要求強度較高、尺寸較小或有其它特殊要求的軸，可以采用合金鋼材料。耐磨性要求較高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼；要求較高的軸可以使用40Cr 3、對于形狀復雜的軸，如曲軸、凸輪軸等，也采用球墨鑄鐵或高強度鑄造材料來進行鑄造加工，易于得到所需形狀，而且具有較好的吸振性能和好的耐磨性，