最新机械设计基础教案——机械设计基础学习指南

机械设计基础学习指南

一、机械设计基础是一门介于基础课和专业课之间的重要的设计性的技术基础课程，起着“从理论过渡到实际、从基础过渡到专业“的承先启后的桥梁作用。

机器的三个特征：①人为的事务组合体；②各运动单元间具有确定的相对运动；③能代替人类做有用的机械功或进行能量转换。

机构是具有确定的相对运动，能实现一定运动形式转换或动力传递的实物组合体。 零件是制造的最小单元，构件是机构的做小单元，为实现一定的运动转换或完成某一工作要求，把若干构件组装到一起的组合体称为部件。 零件失去设计时指定的效能称为零件失效。

衡量机械零件工作能力的指标称为机械零件的工作能力准则 二、凸轮设计要点：

1）凸轮机构最大的优点是：无论从动件的运动规律多么复杂，都可以方便地设计出相应的凸轮轮廓曲线来实现；缺点是凸轮副为高副，易磨损，只适用与传力不大的场合。 2）在教材所述的从动件运动规律中，等速运动规律存在刚性冲击，等加速等减速运动规律和简谐运动规律（余弦加速度运动规律）存在柔性冲击，在摆线运动规律（正弦加速度运动规律）和复杂多项式运动规律则可以实现无冲击。

3）直动从动件凸轮机构中，从动件的位移等于从动件与凸轮轮廓接触点处的向径长减去凸轮的基圆半径。

4）凸轮廓线设计的基本原理是“反转法”，即从动件应按与凸轮转向相反的方向绕凸轮转动，以“绘制”出凸轮廓线。

5）滚子从动件盘形凸轮的基圆半径指的是其理论廓线上的最小半径。

6）凸轮机构的压力角指其从动件受力方向与运动方向之间的夹角。压力角越大，传力性能越差。可采用增大基圆半径或适当偏置从动件等措施减小压力角。

7）为避免滚子从动件凸轮机构的“运动失真”，可增大基圆半径或减小滚子半径。 三、其他机构设计要点

在教村所述间歇运动机构中，只有棘轮机构的转角可能通过改变摇杆摆角或使用权 用覆盖罩等措施实现有级调节。

螺旋副相对位移的计算公式为S=l 。双螺旋机构应按两处螺旋副的旋向相同或相反，将其两处的位移相减或相加。螺纹的自锁条件为螺纹升角∮小于等于其当量摩擦角РV。螺纹牙

型角越大，则自锁性越好，而传动效率越低。因此，螺纹联接多用三角形螺纹，而螺旋传动则多用矩形、锯齿形和梯形螺纹。

除前面所述间歇运动机构外，还有一种的凸轮式间歇运动机构。靠凸轮上沟槽或凸脊的特定形状来驱使从动件实现所需的间歇运动。其优点是：传动平稳无噪声，适用于高速、中载和高精度分度的场合。缺点是：加工和装配困难，但随着制造技术水平的提高，应用必将日趋广泛。

四、齿轮设计要点

1）齿轮传达室动依靠齿廓之间啮合传递运动和动力，是应用最广的一种机械传动。渐开线齿廓的几何特性使齿轮传动具有传动比恒定、传递压力方向不变和传动中心距可分性。 2）圆柱齿轮传动包括直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮传动，一般用于平行轴间传动。齿轮模数m、齿轮压力角a、齿顶高系数ha*、顶隙系数c*、齿数z和螺旋角?是圆柱齿轮的主要参数；对于斜齿圆柱齿轮，指的是法向参数mn、an、han*。上述参数决定了圆柱齿轮的基本几何尺寸，其中模数m、压力角a和齿数z决定齿廓形状。齿轮模数决定轮齿的大小及其承载能力。齿数影响齿轮的大小、传动比及传动的平稳性。螺旋角是反映轮齿倾斜程式度及方向的重要参数，它影响轴向力Fx的大小和方向；对于直齿，?=0。标准圆柱齿轮是指齿轮模数、齿轮压力角、齿顶高系数、顶隙系数均为标准值，而且分度圆上齿厚等于槽宽的齿轮。 3）圆柱齿轮正确啮合的条件是：两齿轮的模数和压力角分别相等；对于外啮圆柱齿轮，还要求两齿轮螺旋角大小相等、旋向相反。一对标准圆柱齿轮啮合，分度圆与节圆重合时的中心距a称为标准中心距。圆柱齿轮连续传动的条件为重合度ε≥1。标准确性圆柱齿轮采用标准确性中心距安装，能够满足满足连续传达室动的条件。斜齿圆珠笔柱齿轮传达室动的重合度ε比参数相等的直齿圆柱齿轮传动的大，因此适合用于高速重载传动。

4）齿轮在切齿加工和检验中，一般测量公法线长度W（斜齿圆柱齿轮测理法向公法线长度Wn）以确定齿轮是否合格。当被加工齿轮的齿数Z

5）变位系数x是变位齿轮的重要参数，当x<0，为负变位齿轮。与变位前的标准齿轮相比，变位齿轮的基本几何尺寸，除分度圆直径、基圆直径和齿距不变外，其余一般都发生变化。高变位齿轮传动，变位系数和为零，且x1>0，x2<0，x1=x2≠0,该传动类型特别适用于齿轮传动的维修。

6）GB/T10095.1—2001规定，圆柱齿轮精度等级为1～12级（普通机械中齿轮常用的精度等级为6～8级）；三个公差组，每组包括若干检验项目的公差或极限偏差。

7）齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损和齿面胶合。适当降低齿面粗糙度、采用齿面强化处理工艺和合适的润滑剂，有利于减轻失效程度。轮齿折断是最严重的失效形式，限制炝根弯曲应力计算齿轮传动的平稳性。限制炝面接触性。齿面点蚀常出现在润滑良好的闭式齿轮传动中，其影响齿轮传动的平稳性。限制齿面接触应力、提高齿面接触疲劳强度是避免点蚀的重要措施。选择齿轮材料的主要依据是齿轮承受的载荷、运转速度、工作环境以及结构和经济性等要求。

8）齿轮常用的材料是优质碳素结构钢合金结构钢，多为锻造；直径较大、形状复杂的重要齿轮用铸钢或墨铸铁；不重要的齿轮用灰铸铁。

9）圆醉齿轮传动轮齿间的作用力可分解为圆珠笔周力Ft、径向力Fr和轴向力Fx（直齿轴向力为零），轴向力方向与轮齿的螺旋线方向和齿轮转向有关，可用左右手定则来判定。 10）对于软齿面闭式齿轮传动，先用齿面接触疲劳强度设计公式（6-23）粗估中心距，确齿轮传动参数和几何尺寸后再按公式（6-26）校核齿根弯曲疲劳强度；对于硬齿面闭式齿轮传动，先用齿根弯曲疲劳强度设计公式（6-25）粗估模数，确定齿轮传动参数和几何尺寸后再按公式（6-24）校核齿面接触疲劳强度。对于开式齿轮传动或铸铁齿轮只用齿根弯曲疲劳强度设计公式（6-25）粗估模数并适当放大，不需要再校核齿面接触疲劳强度。

11）圆柱齿轮的结构形式有齿轮轴、实心式、腹板式和轮辐式等。一般根据齿顶圆直径大小选定，结构尺寸一般由经验公式确定。正确维护是齿轮传动正常工作的必要条件。保证正常润滑、保持环境清洁、监控运转状态和及时维修正确调整是其重要内容

五、其他齿轮设计要点：

1）锥齿轮传动用于传递两相交轴之间的运动和动力；蜗杆传动用于传递两空间交错轴之间的运动和动力。常用轴交角为Σ﹦90o。蜗杆传动由于蜗杆头数可以很少，所以传动比大，结构紧凑；但啮合轮齿间的相对滑动速度大，摩擦损耗大，效率低，不适于传递大功率。 2）直齿锥齿轮以其大端参数为标准为标值。按顶隙的不同，直齿锥齿轮可分为等顶隙收缩齿和不等顶隙收缩齿两类。前者的轮齿强度较高，根据国家标准，现多采用等顶隙收缩齿。 3）在两轴交角Σ=δ1+δ2=90o时，直齿锥齿轮的传动比

4）锥齿轮传动中，所分解出的三对作用力和反作用力分别为：F12=-Fx1，Fx2=-Fr1,Fr2=Fx1;而蜗杆传动中所分解出的三对作用力和反作用力则分别F12=-FX1，FX2=Ft1,Fr2=-Fr1。应熟练掌握转向判别和各力方向的判别。

5）蜗杆传动以中间平面的参数为标准值，其正确啮合条件为

6）为减少蜗轮滚刀的所需数量，蜗杆的直径为标准值。应特别注意：蜗杆直径d1=mq,而不是d1=mz1.因此，蜗杆传动的传动比i12=同理，中心距a=(d1+d2)/2≠m(z1+z2)/2。 7）蜗杆的分度圆柱导程角tanr= 。可见，r角随蜗杆头数z1的增多而增大。在r角的取值范围内，r角越大，则传动效率越高，而自锁性降低。

8）蜗杆传动的设计计算中，只需对蜗轮进行齿面接触疲劳强度计算。但蜗杆传动的传动效率低，温升高，因此对连续工作的闭式蜗杆传动还需进行热平衡计算。

六、轮系设计要点

（1）按照所有齿轮的轴线是否都固定分为定轴轮系、行星轮系和组合轮系。 （2）定轴轮系的传动比计算 1）传动比大小的计算公式为； 2）传动比符号的确定；

①首、末两轮轴线不平行的定轴轮系，齿数比之前不加“+”、“-”号，只按逐对标转向的方的方法碇各轮的转向。

②首、末两轮轴线平行的定轴轮系，按逐对标转向的方法确定各轮的转向、若首、末轮转向相同，则齿数比前符号为“+”；反之，为“-”。

③所有齿轮轴线都平行的定轴轮系，按（-1）m确定传动比的符号。

（3）行星轮系传动比的计算 1）转化为定轴系。 2）然后在转化系中按 （4）组合轮系传动比的计算 1）划分基本轮系。

2）分别计算各行星轮系的传动比。 3）计算定轴轮系的传动比。 4）联立求解。 （5）轮系的功用

七、带传动设计要点：

带传动是依靠带与带化之间的摩擦或啮合来传递运动和动力，其中普通V带、窄V带应用最广；根据带轮直径大小不同，带轮可采用实心式、腹板式、孔板式和椭圆轮辐式，带轮轮槽直径尺寸由带的截面尺寸确定。

带所能提供的摩擦力与初拉力、摩擦系数、小带轮包角有关；带所受应力有拉应力、离心应力、弯曲应力，最大应力为三者之和；带的失效形式是打滑和疲劳破坏，因此带的设计准则是在不打滑的前提下带具有一定的疲劳强寿命。

八、链传动设计要点：

链传动是依靠链与链轮之间的啮合来传递运动和动力；滚子链的结构和尺寸均已标准化，其中链节距为主要参数，链轮的端面齿形和轴面齿形已由国家标准规定，链轮材料选择要考虑其强度、耐磨性和抗冲击性能；链传动的主要失效表式是链板疲劳、铰链磨损、铰链胶合和链条静力拉断；链传动应限制其最高速度。

九、联接设计要点：

机械上各种常用联接（如螺纹联接、键联接、销联接等）的类型、特点应用及设计计算。 螺纹联接包括螺栓（普通螺栓、铰制孔用螺栓）联接、双头螺柱联接、螺钉联接及紧定螺钉联接；对螺纹联接的结构和尺寸之间的关系有明确的规定；拧紧可提高联接的紧密性、紧固性和可靠性；在冲击、振动和变载荷作用下的螺纹联接必须采取摩擦防松、机械防松、不可拆防松等措施；普通螺栓联接的失效形式一般为螺栓杆螺纹部分的塑性变形或断裂，故应当进行抗拉强度计算；铰制孔用螺栓联接的失效形式，一般为螺栓杆被剪断、螺栓杆或孔壁被压溃，故应当进行剪切强度和挤压强度计算；在横向或轴向工作载荷的作用下，螺栓的受力状况有所区别。

用于轴毂的联接主要包括键联接、花键联接和销联接。主要内容有：根据工作条件，选择适当的键联接的类型；按照轴的公称直径d，从标准中选择平键的剖面尺寸b×h，根据轮毂长主L1选择键和L，对于静联接取L=L1（5～10）mm，并应符合标准长度系列；键联接的主要失效形式是压溃（静联接），故分别按照挤压应力бp或p进行条件性的强度计算。 其他常用联接主要掌握类型和应用特点。

十、轴和轴承设计要点：

轴的分类和材料，轴的结构设计和强度计算。

轴承是机器中用来支承轴上零件的重要零件，它能保证轴的回转精度，减少回转轴与支承间的摩擦和磨损。

按摩擦性质不同，轴姑可分为滚动轴承和滑动轴承；按承载方向不同，轴承可分为向心轴承和推力轴承。

滑动轴承的核心部分是轴承衬（或轴瓦），其主要失效形式是磨损、胶合和疲劳破坏。因此，要求滑动轴承的材料具有足够的抗疲劳强度，同时具有良好的塑性、顺应性，跑合性、减摩