机械设计基础知识点详解
绪论
1、机器的特征：
（1）它是人为的实物组合；
（2）各实物间具有确定的相对运动；
（3）能代替或减轻人类的劳动去完成有效的机械功或转换机械能。
第一章 平面机构的自由度和速度分析
要求：握机构的自由度计算公式，理解的基础上掌握机构确定性运动的条件，熟练掌握机构速度瞬心数的求法。 1、基本概念
运动副：凡两个构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接称为运动副。 低副：两构件通过面接触组成的运动副称为低副。 高副：两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。
复合铰链：两个以上的构件同时在一处用回转副相联构成的回转副。
局部自由度：机构中常出现的一种与输出构件运动无关的自由度，称为局部自由度或多余自由度。
虚约束：对机构运动不起限制作用的重复约束称为虚约束或称消极约束。 瞬心：任一刚体相对另一刚体作平面运动时，其相对运动可看作是绕某一重合点的转动，该重合点称为瞬时回转中心或速度瞬心，简称瞬心。如果两个刚体都是运动的，则其瞬心称为相对速度瞬心；如果两个刚体之一是静止的，则其瞬心称为绝对速度瞬心。 2、平面机构自由度计算
作平面运动的自由构件具有三个自由度，每个低副引入两个约束，即使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。
计算平面机构自由度的公式：
F=3n-2PL-PH
机构要具有确定的运动，则机构自由度数必须与机构的原动件数目相等。即，机构具有确定运动的条件是F>0,且F等于原动件个数。 3、复合铰链、局部自由度和虚约束
(a)K个构件汇交而成的复合铰链应具有(K-1)个回转副。
(b)局部自由度虽然不影响整个机构的运动，但滚子可使高副接触处的滑动摩擦变成滚动摩擦，减少磨损，所以实际机械中常有局部自由度出现。
(c)虚约束对机构运动虽不起作用，但是可以增加构件的刚性和使构件受力均衡，所以实际机械中虚约束随处可见。
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4、速度瞬心
如果一个机构由K个构件组成，则瞬心数目为
N=K(K-1)/2
瞬心位置的确定： (a) 已知两重合点相对速度方向，则该两相对速度向量垂线的交点便是两
构件的瞬心。
(b) 两构件组成回转副时，回转副的中心便是它们的瞬心。 (c) 两构件组成移动副时，由于所有重合点的相对速度方向都平行于移动
方向，所以其瞬心位于导路垂线的无穷远处。
(d) 两构件组成纯滚动高副时，接触点相对速度为零，所以接触点就是其
瞬心。
(e) 两构件组成滑动兼滚动的高副时，由于接触点的相对速度沿切线方
向，因此其瞬心应位于接触点的公法线上，其具体位置还要根据其他条件才能确定。
三心定理；作平面运动的三个构件共有三个瞬心，这三个瞬心位于同一直线上。
第二章 平面连杆机构
要求：重点掌握曲柄存在的条件、急回特性、压力角、传动角和死点；熟悉平面连杆机构的特点和应用（优缺点和用途）；掌握四杆机构的结构特点，基本形式演化方法以及曲柄滑块机构；掌握平面四杆机构的设计的图解法（近几年没考）。 1、概念：
极位夹角和摆角：摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄两位置之间所夹的锐角θ称为极位夹角。摇杆在两极限位置间的夹角称为摇杆的摆角，用Ψ表示。 压力角：从动摇杆上一点受力方向与该力作用点的绝对速度vc方向之间所夹的锐角α称为压力角。
传动角：在实际应用中，为了度量方便，通常以压力角的余角γ来判断连杆机构的伟力性能，γ称为传动角。
死点位置：当原动件对从动件的作用点不产生力矩，因此不能使之转动时，机构的这个位置称为死点位置。
2、铰链四杆机构存在一个曲柄的必要条件：
1）曲柄为最短杆。
2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。 推论：
1）如果最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无论取哪个杆为机架，均无曲柄存在，该铰链四杆机构为双摇杆机构。
2）如果最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，根据相对运动原理，取不同杆为机架时，便会得到不同类型的铰链四杆机构，即：
(a)如果以最短丁的任一相邻杆为机架，存在一个曲柄，该机构为曲柄摇杆机构。
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(b)如果以最短杆为机架，存在两个曲柄，该机构为双曲柄机构。
(c)如果以最短杆的对面杆为机架，无曲柄存在，该机构为双摇杆机构。 3、急回特性
为缩短非生产时间，提高生产率，常取平均速度校高的为空回行程，平均速度较低的为生产行程。
机构的急回特性可用行程速比系数K表示，即
K=（180°+θ）/(180°-θ) 上式表明：机构的急回特性取决于极位夹角θ。θ角愈大，K值也愈大，机构的急回运动性质愈显著。
对曲柄滑块机构，只有偏置曲柄滑块机构，因极位夹角θ≠0，才有急回特性。导杆机构也具有急回特性。 4、死点位置
死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定现象。为了消除死点位置的不良影响，可以对从动曲柄施加外力，或利用飞轮及构件自身的惯性作用，使机构顺利通过死点位置。
曲柄滑块机构和导杆机械，当分别以滑块或导杆为原动件时，也存在死点位置。
死点位置对传动虽然不利，但是对某些夹紧装置却可用于防松。
第三章 凸轮机构
1、凸轮机构适用于实现特殊要求运动规律的各种机械、仪器和操纵控制装置中传力不大的场合。 2、凸轮机构常用名词
以凸轮轮廓的最小向径为半径所绘的圆称为基圆；从动件按一定运动规律由离回转中心最近位置到达最远位置的过程称为推程，这时从动件所走过的距离h称为从动件的长升程，而与推程对应的凸轮转角称为推程运动角；从动件在最远位置停留不动的过程称为远停留，对应的凸轮转角称为远休止角；从动件按一定规律回到起始位置，这个过程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角；从动件在距凸轮回转中心最近位置停留不动的过程称为近停留，对应的凸轮转角称为近休止角。
3、常用的从动件运动规律 （1）等速运动
从动件开始时，速度由零突变为v0,故a2为正无穷大；运动终止时，速度由v0突变为零，a2为负无穷大，其惯性力将引起刚性冲击。因此，这种运动规律不宜单独使用，在运动开始和终止段应当用其他运动规律过渡。 （2）等加速等减速运动
这种运动规律在某些点处会出现加速度有限值的突然变化，因而产生有限惯性力的突变，结果将引起所谓柔性冲击。所以等加速等减速运动规律只适用于中速凸轮机构。 （3）简谐运动
这种运动规律的从动件在推程的始点和终点有柔性冲击；只有当加速度曲
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线保持连续时，这种运动规律才能避免冲击。
4、凸轮轮廓的设计（按给定运动规律设计凸轮轮廓曲线）——“反转法” 图3-10、图3-11、图3-12
滚子移动从动件盘形凸轮轮廓的绘制：理论轮廓与实际轮廓线互为等距曲线，基圆半径是指理论轮廓线的最小向径。 5、滚子半径的选择
从减小凸轮与滚子之间的接触应力来看，滚子半径越大越好。但是，滚子半径必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径（理论轮廓的内凹部分对滚子半径的选择没有影响）。如果按上述条件选择的滚子半径太小而不能满足安装和强度要求，就应当把凸轮基圆尺寸加大，重新设计凸轮轮廓曲线。 6、压力角
如果从动件的偏置方向选择不对，会增大机构的压力角，导致机械效率降低，甚至出现机构自锁现象。因此，正确选择偏置方向有利于减小机械的压力角。
平底从动件的压力角为常数，由于机构受力方向不变，采用平底从动件的凸轮机构运转平稳性好。 7、基圆半径与压力角
在设计凸轮机构时，凸轮的基圆半径越得越小，压力角愈大，所设计的机构越紧凑。但基圆半径过小，压力角会超过许用值，而使机构传力性能变差，效率降低，甚至发生自锁。通常在保证最大压力角不超过许用值的前提下，对受力较小而要求结构紧凑的凸轮取较小的基圆半径，对于受力校大而对结构尺寸又没有严格限制的凸轮选较大的基圆半径。
第四章 齿轮机构
重点章节，重要内容有：齿轮的机构特点和种类；齿轮啮合基本定律，渐开线的生成、特点，渐开线齿轮的啮合特性，渐开线直齿的几何尺寸计算，正确啮合、正确安装、连续传动条件，根切现象，变位齿轮的概念，特点及传动特点，斜齿轮几何尺寸计算、正确啮合条件、当量齿数，锥齿轮的传动比，标准参数和当量齿数。
1、啮合基本定律
在啮合传动的任一瞬时，两轮齿廓曲线在相应接触点的公法线必须通过按给定传动比确定的该瞬时的节点，这一条件称为齿廓啮合基本定律。对于定角速比传动，此定律可表达为：在啮合传动的任一瞬时，两轮齿廓曲线在相应接触点的公法线必须通过按给定传动比确定的固定节点。
齿轮机构传动时，为了保持平稳传动，其基本要求是瞬时角速比（即传动比）必须保持不变。
由于两节圆的圆周速度相等，所以一对齿轮传动时，它的一对节圆作纯滚动。即一对外啮合齿轮的中心距恒等于节圆半径之和。 2、压力角：渐开线齿廓上某点的法线（压力方向线），与齿廓上该点速度方向线所夹的锐角αk，称为该点的压力角。
今以rb表示基圆半径，rk表示渐开线上K点的向径，公式
cosαk = OB/OK = rb /rk
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3、渐开线齿廓的啮合特性——定角速比要求、可分性、压力方向始终不变 渐开线齿轮的传动比等于两轮基圆半径的反比。
可分性：两轮中心距稍有改变，其角速比仍保持原值不变的性质。
渐开线齿轮传动中啮合角为常数。啮合角不变表示齿廓间压力方向不变。 4、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式。 5、啮合条件
渐开线齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角必须分别相等。
两斜齿轮正确啮合必须满足：两轮的端面模数和压力角分别相等，且分度圆柱上的螺旋角大小相等、旋向相反（外啮合）或相同（内啮合）的三个条件。 锥齿轮正确啮合的条件：两当量齿轮的模数和压力角分别相等，即两锥齿轮大端的模数和压力角分别相等。
6、标准中心距：一对标准齿轮分度圆相切时的中心距。
在机械设计中，正确安装的条件是按照齿侧无间隙设计其中心距尺寸。 标准齿轮只有在正确安装时，节圆和分度圆重合，啮合角和压力角相等。 7、连续传动的条件
重合度是啮合弧与齿距之比，用ε表示。齿轮连续传动的条件是ε>1。显然，重合度越大，表示同时啮合的齿的对数越多，每对齿分担的载荷就小，传动也越平稳。
8、渐开线齿轮的切齿原理
（1）仿形法：用渐开线齿形的成形铣刀直接切出齿形的一种加工方法。 （2）展成法：利用一对齿轮互相啮合时其共轭齿廓互为包络线的原理来切齿的一种加工方法。常用工具： (a)齿轮插刀（插齿刀）：刀具顶部比正常齿高出c*m，以便切出传动时的顶隙部分。被切齿轮的模数和压力角必定与齿轮插刀的模数和压力角相等，故用同一把齿轮插刀切出的齿轮都能正确啮合。 (b)齿条插刀 (c)齿轮滚刀
9、根切：若刀具齿顶线超过极限啮合点，则由基圆以内无渐开线的特性可知，超过极限啮合点的刀刃不仅不能展成渐开线齿廓，而且会将根部已加工出的渐开线切去一部分，这种现象称为根切。
根切使齿根削弱，使重合度减小，所以应当避免。 不发生根切的最少齿数zmin为
zmin=2h*a/sin2α 10、变位齿轮：将刀具自轮坯中心向外或向内移一段距离xm，这样制得的齿轮称为变位齿轮。
以切削标准齿轮时的位置为其准，刀具所移动的距离xm称为变位距，x称为变位系数，并规定刀具离开轮坯中心的变位系数为正，反之为负。 最小变位系数：
xmin=(17-z)/17 等变位齿轮传动：两轮的变位系数绝对值相等，小齿轮应采用正变位，而大齿轮采用负变位。为使大小齿轮都不产生根切，两轮齿数之和必须大于或等于最少数的两倍，即z1+z2 ≧ 2zmin 。
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机械设计基础知识点详解
