机械设计基础课程1

课程名称：机械设计基础使用教材：机械设计基础多媒体CAI教学教材编 者：王春香等主 讲：韩利联系电话：；总 学 时：72第一篇 总论第1章 机械设计基础概论【本章提示】1、 介绍机器、机构、机械、零件、部件等概念，明确本课程的研究对象、研究内容和任务。2、 阐明机械设计的基本要求及一般程序。3、 扼要介绍零件设计的基本知识。1.1 本课程研究的对象、内容和任务1.1.1基本概念1.机器、机构及机械机械：机器和机构的总称。机器：一种能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功或完成能量、物料和信息转换或传递的装置。机构：能传递运动和动力或改变运动和动力参数、运动形式的机械传动装置2机器所具有的特征：1. 它们是人为的实物组合；2. 它们各部分之间具有确定的相对运动；3. 它们用来代替或减轻人类的劳动去完成有用的机械功或转换能量。3机器的组成：原动机（动力部分）、工作部分、传动部分和操纵控制部分。4机器的分类（按用途的不同）：1. 动力机器：实现其他形式的能量与机械能之间的变换（如电动机）。2. 工作机器：做机械功或搬运物体（如轧钢机）。3. 信息机器：作信息获取或变换。5机构所具有的特征：1 它们是人为的实物组合；2 它们各部分之间具有确定的相对运动；6机器与机构的关系：机器是由一个或若干个机构组成的。7零件和部件零件：机器中不可拆卸的制造单元。（如齿轮）部件；将完成共同任务的一组协同工作的零件分别装配和制造成的一个组合体。（如滚动轴承）常用机构：各种机械中普遍使用的机构。（如齿轮机构）通用零件：在各种机器中都普遍使用的机械零件。（如螺栓）专用零件：只在某些特定类型的机器中使用的零件。（起重机的吊钩）112本课程的内容、性质和任务1内容：以一般工况条件下的常用机构和通用机械零、部件为研究对象，以它们的工作原理、运动特征、结构形式以及设计、选用和计算方法等为研究内容。2性质：重要的技术基础课。3任务：1培养学生正确的设计思想和创造性思维方法，了解和贯彻国家的技术经济政策和法规。2熟悉常用机构和通用零件的工作原理、结构特点和应用场合。3掌握通用零部件的选用和设计的基本方法，初步具有正确运用各类标准、规范、手册、图册、CAD及网络信息等工程技术资料，设计简单机械传动装置的能力。4适当了解机械设计的革新和发展，扩大学生的视野，使所学知识具有时代气息。1.2 机械设计的基本要求及一般程序机械设计是为了实现机器的某些特定功能要求而进行的创造过程，它可以开发创造出新产品，或对现有机械局部进行创新改革。概括地说，就是设计人员按照所设计的机械需要具备的功能，运用设计理论、方法和技能，通过创造性思维和实践活动，把该机械的系统及其零部件的参数和具体结构用图纸和文字（实物或电子手段）等技术文件表达出来。1.2.1机械设计的基本要求1. 使用要求2. 可靠性和安全性要求3. 经济性要求4. 其他要求1.2.2机械设计的一般程序1. 规划和准备阶段2. 方案设计阶段3. 技术设计阶段4. 试验分析阶段1.3 机械零件设计的基本知识131机械零件设计的基本知识1失效：由于某些原因不能在既定的工作条件和使用期限内正常工作；即丧失工作能力或达不到设计功能的现象。2工作能力：在不发生失效的形式下，零件所能安全工作的限度。3机械零件的主要失效形式：1、 断裂：疲劳断裂、过载断裂；2、 表面失效：疲劳点蚀、胶合、磨损、压溃、腐蚀；3 过量变形：塑性变形4 破坏正常工作条件而引起的失效。132机械零件的工作能力计算准则.1、强度：零件抵抗整体断裂、塑性变形和表面失效的能力。 ： 最大计算正应力（MPa）， ： 最大计算剪应力（MPa） ：许用正应力： （MPa）， ：许用剪应力（MPa）2、刚度：零件受载后抵抗弹性变形的能力。 ff f：零件工作时的广义变形，包括挠度、偏转角、扭转角f：零件工作时的广义许用变形。3、耐磨性：指做相对运动的零件工作表面抵抗磨损的能力。1）磨损的过程（1）磨合磨损阶段（2）稳定磨损阶段（3）剧烈磨损阶段2）磨损的类型磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损。3）耐磨性计算 pp p：零件工作表面的压强（MPa）p：零件工作表面的许用压强（MPa） pvpv 4、振动稳定性133机械零件设计的一般步骤1、选择材料2、拟定计算简图3、工作能力计算4、机构设计5、绘制工作图并标注必要的技术条件134机械零件的标准化1.4 机械零件的强度141载荷和应力：1、载荷及其分类:（1）静载荷：不随时间变化，变化缓慢，变化幅度很小 动载荷：随时间作周期性或非周期性变化的载荷（2）名义载荷：根据名义功率和转速计算的； 计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积；2、应力及其分类（1）静应力：不随时间变化的或变化缓慢的应力； 变应力：随时间显著变化的应力；（2）名义应力：用名义载荷计算出的应力； 计算应力：用计算载荷计算出的应力；142许用应力143机械零件的静强度144机械零件的疲劳强度145机械零件的接触强度和挤压强度。15 机械零件的材料和选用原则151机械零件的材料1、刚：碳素钢、合金钢2、铸铁：3、有色金属合金：4、其他材料：152零件材料先用原则1、使用要求2、制造工艺要求3、经济要求。第3章 平面机构的组成和运动简图【本章提示】1从运动学观点介绍与机构有关的若干基本概念，如构件、运动副、自由度等。2说明平面机构的组成、自由度的计算及其意义和机构具有确定运动的条件。3阐明怎样将具体的机械抽象成简单的运动学模型，即如何绘制机构运动简图。31 平面机构的组成机构的功用：传递运动和动力或改变运动形式、运动轨迹、实现预期的机械运动。机构分为平面机构和空间机构。311构件1、 构件及其分类:构件：机构运动的最小单元体（1） 原动件：机构中按外界给定的运动规律独立运动的活动构件（2） 从动件：随原动件的运动而运动的其余活动构件（3） 机架：用来支撑活动构件的固定构件2、 构件的自由度：一个做平面运动的构件有三个自由度 即沿X、Y轴的移动和绕点K的转动。312运动副及其分类1、 运动副：两构件直接接触而又能允许彼此产生相对运动的可动联接。2、 运动副的分类1） 低副：以面接触构成的运动副（1） 回转副：两构件只能在同一平面内工作相对的转动 回转副：固定铰链：有一个构件是固定的 活动铰链：两个构件均是活动的。回转副引入了两个约束，保留了一个自由度（2）移动副：两构件只能沿某一轴线作相对移动 移动副也引入了两个约束，保留了一个自由度2） 高副：以点或线接触构成的运动副高副引入了一个约束，保留了两个自由度32 平面机构的运动简图机构运动简图：把与实际机构运动无关系的因素抛开，仅用运动副规定的简单符号和代表构件的简单线条，按一定比例定出各运动副的位置，画出的表示机构各构件之间相对运动关系的简单图形。321构件和运动副的表示方法322平面机构运动简图的绘制33 平面机构的自由度331平面机构自由度的计算机构的自由度：机构相对于机架具有的独立运动数目N：构件数 n：活动构件数 n=N-1PL：低副 PH：高副 F：机构的自由度F =3 n 2 PL PH机构的自由度取决于活动构件的数目以及构件间运动副的类型和数目。332机构具有确定运动的条件F=0 没有运动的可能性而不是机构F=3n-2P-P=32-23-0=0F=1 且有一个原动件，机构具有确定的运动F=3n-2P-P=33-24-0=1F=2 有一个原动件，机构无确定的运动F=2 有两个原动件，机构有确定的运动F=3n-2P-P=34-25-0=2机构具有确定运动的条件，（1）F0（2）F等于原动件个数自由度的计算的意义在于自由度数目就标志着机构需要的原动件的数目，即输入独立运动的数目，当F小于原动件个数时，机构就会卡死或损坏，当F大于原动件个数时，机构将会出现运动不确定状态，只有当F等于原动件个数时，机构的运动才完全确定。333计算机构自由度的注意事项1、复合铰链：两个以上的构件在同一处用回转副相联接； 处理：A处有K个构件，则有（K-1）个回转副2、局部自由度：机构中某些构件的局部独立运动并不影响其他构件的运动。 处理：将局部自由度预先排除3、虚约束：对机构运动不起实际约束效果的重复约束 处理：虚约束须除去不计第二篇 常用机构第4章 平面连杆机构【本章提示】1通过铰链四杆机构，系统介绍平面四杆机构的基本类型及其判别法、应用和基本特性。2讨论铰链四杆机构有曲柄的条件、演化方法、演化类型及其应用。3说明平面四杆机构的运动设计方法。41概述平面连杆机构：所有构件都用低副联接构成的平面机构。1平面连杆机构的优点：1）低副面接触压强小磨损轻圆柱面、平面制造简单加工精度高。2）易于实现基本运动形式之间的转换。3）可使从动件实现多种形式的运动。2平面连杆机构的缺点：1）运动传递线路长，低副磨损后间隙不易消除，运动累计误差较大。2）不宜要求从动件精确实现复杂的运动规律。3平面四杆机构：具有4个构件的连杆机构。42 铰链四杆机构类型及应用铰链四杆机构：四杆机构的运动副都是回转副机架：固定不动的杆。连杆：不与机架直接相联而作复杂平面运动的杆。连架杆：与机架直接相联的杆。曲柄：能够绕各自的回转副中心作整圆回转运动的连架杆。整轴副：相邻两杆能作相对整周回转的回转副。摇杆：只能在小于360范围内摆动的连架杆。根据两个连架杆是否为曲柄可将其分为三种型式：421曲柄摇杆机构两连架杆：一个是曲柄，另一个是摇杆连续转动往复摆动422双曲柄机构两连架杆都是曲柄两曲柄不等长：等速转动变速转动423双摇杆机构两连架杆都是摇杆摆动摆动43链接四杆机构曲柄存在条件1、曲柄存在条件欲使AB杆曲柄必须使BC杆与CD杆不能重合为一直线即B、C、D三点不能共线BCD始终保持为一个三角形。三角形存在的条件：两边之和大于第三边。铰链四杆机构有曲柄的条件：杆长条件：最短杆和最长杆长度之和不大于其他两杆长度之和。最短杆条件：最短杆是连架杆或机架。2、铰链四杆机构类型的判定1）在满足杆长条件时（1）最短杆为机架是双曲柄机构（2）最短杆的对杆为机架式双摇杆机构（3）最短杆的邻杆为机架式曲柄摇杆机构2)不满足杆长条件时，不论取哪一杆为机架，只能得到双摇杆机构44铰链四杆机构的演化431转动副转化为移动副单移动副机构对心式曲柄滑块机构、偏置式曲柄滑块机构两个移动副的四杆机构：正弦机构：正切机构：双转块机构：双滑块机构：432扩大的转动副偏心轮机构433选取不同的构件为机架1、曲柄摇杆机构2、对心曲柄滑块机构（1）导杆机构取1为机架 转动导杆机构 摆动导杆机构（2）摇块机构取2为机架（3）定块机构取3为机架45平面四杆机构的基本特征451急回运动1、极位夹角：摇杆在两个极限位置，曲柄两位置所夹的锐角摆角：摇杆在两个极限位置间的夹角2、急回运动和行程速比系数急回运动：曲柄作等速转动，摇杆作变速摆动。行程速比系数：K=V2/V1越大，K也越大，急回特性越明显。452传力性能1、压力角和传动角压力角：该点力的方向与其作用点的速度方向所夹的锐角。压力角越小，有效分力就越大，机构传力性能越好。传动角：压力角的余角，传动角越大，机构传力性能越好。 2、最小传动角的确定最小传动角：一定出现在曲柄与机架共线的两位置之一453死点在曲柄摇杆机构中，取摇杆为原动件，在连杆与曲柄共线的两位置将出现传动角=0， 力的作用线通过回转中心，无论力多大，都不能使曲柄传动。46平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计：依据给定的运动条件选定机构的型式，确定机构的运动尺寸。解决问题（1）实现预期的运动规律（2）实现预定的轨迹设计方法：图解法、解析法、实验法。461图解法设计四杆机构1、按照给定连杆的位置设计四杆机构2、按照给定的行程速比系数设计四杆机构1）导杆机构：2）曲柄摇杆机构462解析法设计平面四杆机构首先建立方程式，然后依据已知参数对方程求解。463实验法设计四杆机构利用各种模型、模板、线图等，经过反复实验凑出能近似满足要求的机构的设计方法。第6章 齿轮机构【本章提示】1概述齿轮机构类型、特点和传动的基本要求。2探讨齿廓啮合基本定律、渐开线齿廓的形成原理、性质和传动特点。3通过直齿圆柱齿轮机构阐明齿轮啮合的基本规律、传动参数、几何尺寸计算和切齿原理等，在此基础上研究斜齿圆柱齿轮机构、圆锥齿轮机构和蜗杆机构。61 概述传动原理：靠一对齿轮的轮齿相互啮合来传递空间任意两轴之间的运动和动力。611齿轮机构的传动特点优点：传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定的瞬时传动比。缺点：制造和安装精度要求高、成本高、不宜用于两轴之间距离较大的传动。612齿轮机构的类型 按照一对齿轮轴线间的相互位置、齿向和啮合情况，可以分为：1平面齿轮机构（两轴线平行）； 1）轴线平行：直齿圆柱齿轮机构、斜齿圆柱齿轮机构 、人字齿圆柱齿轮机构 2）两齿轮啮合情况：外啮合齿轮机构 、内啮合齿轮机构、齿轮与齿条机构 2空间齿轮机构（两轴线不平行）； 1）相交轴圆锥齿轮机构：直齿、斜齿 2）交错轴齿轮机构：交错轴斜齿轮机构、蜗杆机构3按轮齿的齿廓曲线形状：渐开线、摆线、圆弧齿轮。613对齿轮机构传动的基本要求1、传动准确、平稳2、强度高，承载能力强62 齿廓啮合基本定律621一对齿轮的传动比传动比：主动轮1与从动轮2的角速度之比，即i12=1/2622齿廓啮合基本定律齿廓啮合基本定律：相互啮合传动的一对齿轮，在任一位置时的传动比，都与其连心线O1O 2 被其啮合齿廓在接触点处的公法线所分成的两段成反比节圆：过节点所作的圆。中心距：两齿轮节圆半径之和。623共轭齿廓凡满足齿廓啮合基本定律而相互啮合的一对齿轮的齿廓。渐开线、摆线、圆弧线6. 3 渐开线齿廓631渐开线的形成和特性1、渐开线的形成当一直线l沿半径是rb的圆周作纯滚动时，该直线上任一点K的轨迹AK称为该圆的渐开线。半径为rb的圆称为基圆；直线l则称为渐开线的发生线；渐开线齿轮的齿廓就是由在同一基圆上产生的两条对称的渐开线构成。2、渐开线齿廓的特性1）发生线沿基圆滚过的线段长度等于基圆上被滚过的弧长；2）渐开线上各点的法线必与基圆相切，基圆的切线必为渐开线某点的法线；3）渐开线上各点的压力角的大小不同，离基圆越远，压力角越大；4）渐开线的形状取决于基圆的大小5）基圆以内无渐开线632渐开线齿廓的啮合特点1、渐开线齿廓满足齿廓啮合基本定律，能够实现定传动比要求两基圆的内公切线法线不发生变化有固定的点节点C2、中心距具有可分性一对渐开线齿轮制成后，其基圆便已确定中心距的可分性：中心距稍有变化，不改变其瞬时传动比的大小3、传递压力的方向不变1）啮合线是一直线啮合线：两齿廓接触点在固定平面的轨迹直线NN啮合线两圆的内公切线法线为同一直线N、N是理论上的两个极限啮合点2）啮合角与传力方向不变啮合角：啮合线NN与过节点的两轮节圆公切线 tt 之间所夹的锐角啮合过程中啮合角将始终保持不变 压力方向不变四线合一：啮合线、过啮合点的公法线、基圆的内公切线、法向压力的作用线。64渐开线标准齿轮的主要参数和基本尺寸计算641齿轮各部分的名称及代号1、齿顶圆与齿根圆齿顶圆：轮齿齿顶圆柱面所确定的圆。齿根圆：轮齿齿槽底部圆柱面所确定的圆。2、齿厚、齿槽宽和齿距齿厚：齿轮任意圆周dK 上一个轮齿的两侧齿廓间的弧长。齿槽宽：齿轮任意圆周dK 上一个齿槽的弧长。齿距：在端平面上，任意圆周上相邻两齿同侧齿廓之间的弧长。在齿轮的同一圆周上，齿距等于齿厚与齿槽宽之和。3、分度圆和基圆分度圆：为了便于设计、制造和互换使用，在齿轮的顶圆与根圆之间取一度量齿轮尺寸的基准圆，将此基准圆上的pK/值规定为标准值，压力角K也取为标准值，该圆则称为分度圆。4、齿顶高、齿根高、全齿高齿顶高：齿顶圆与分度圆之间的径向距离。齿根高：齿根圆与分度圆之间的径向距离。全齿高：齿顶圆与齿根圆之间的径向距离。5、 齿宽与齿面齿宽：齿轮轮齿轴向宽度。齿面：位于齿顶曲面和齿根曲面间的轮齿侧表面。642齿轮的主要参数1、模数模数：分度圆齿距与的比值分度圆直径：d=mZM越大，p也越大，承载能力越强。m已经标准化 表6-1，优先选用第一系列，括号内的尽量不用。2、压力角分度圆上齿廓的压力角为标准值渐开线的形状由模数、压力角和齿数决定，最基本的参数。3、齿顶高系数和顶隙系数标准齿轮：模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数均为标准值，且分度圆上的齿厚等于齿槽宽的齿轮。643渐开线标准直齿轮的基本尺寸计算1、外齿轮的几何尺寸计算（表62）2、公法线长度和分度圆弦齿厚（自学）6. 5 渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动651一对齿轮的正确啮合条件当前一对齿轮啮合分离后，后续的齿对已接替进入啮合。相邻两齿同侧齿廓沿法线的距离应相等两轮的法向齿轮相等是一对齿轮相啮合的正确条件m1= m2= m 1= 2= i12=Z2/ Z1652一对齿轮的标准中心距标准安装：分度圆与节圆重合，保证无侧隙安装。分度圆和压力角，单个齿轮所具有的参数。节圆与啮合角：对齿轮副而言，安装以后才具有的参数，与安装中心距有关。653一对齿轮的连续传动条件轮1为主动，轮2为从动啮合的始点A：从动轮的齿顶圆和啮合线的交点A；啮合的终点E：主动轮的齿顶圆与啮合线的交点EAE是一对齿廓啮合点的实际轨迹，即实际啮合线段。连续传动的条件：AEpb重合度：实际啮合线与基圆齿距的比值。重合度越大，参与啮合的齿对数就越多，传动就越平稳，每对轮齿承受的载荷就越小。66渐开线齿廓的切齿原理661仿形法仿形法是利用与齿轮齿槽形状相同的铣刀（盘形和指状），通过普通铣床直接在轮坯上加工出渐开线齿形。1、切削运动：铣刀绕自己的轴线oo回转，同时，轮坯沿其轴线方向送进，以便切出整个齿宽；2、分度运动：铣完一个齿槽之后，轮坯退回原处，分度头将它转过360/Z的角度，再铣第二个齿槽。特点：成本低，加工简便 精度低，生产效率低，适用于单件小批量生产662范成法范成法：利用一对齿轮相啮合时，其共轭齿廓互为包络线的原理来切出渐开线齿形。1、齿轮插刀：1）范成运动：模仿一对齿轮做缓慢的定传动比回转运动2）切削运动：插刀沿齿宽方向所做的往复运动3）进给运动：插刀的径向进给运动2、齿条插刀3、齿轮滚刀67渐开线齿廓的根切现象，最少齿数和变位齿轮671根切现象与最少齿数1、根切现象：用范成法加工齿数较少的标准齿轮时，当刀具的齿顶线（或齿顶圆）超过啮合极限点N1时，将会切去轮齿根部的一部分渐开线齿廓，这一现象成为轮齿的个别切。问题：抗载能力降低，传动平稳性变差2、最少齿数：加工标准齿轮时不发生根切的齿数极限值条件：Zmin17672变位齿轮简介1、标准齿轮的优缺点优点：设计简便，互换性好缺点：1）被切齿轮的齿数受限，否则出现根切 2）不适合实际中心距标准中心距 3）大小齿轮的承载能力不同2、变位齿轮：通过改变刀具和齿坯相对位置后切制出来的齿轮.xm：变位量。由切削标准齿轮的位置移动的距离x：变位系数变位后的齿轮，在分度圆上齿厚与齿槽宽不等x0正变位 正变位齿轮 x工作载荷可用各种剪载零件来承受横向工作载荷，包括销、剪载套、键等。用铰制孔螺栓承受横向载荷；3、承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接情况1：螺母与被联接件接触，但螺栓和被联接件均未受力，二者都没有发生变形情况2：螺母拧紧，受预紧力作用；螺栓受预紧力Q0产生伸长量b0被联接件受Q0产生压缩量c0情况3：承受工作载荷后螺栓受力由Q0 增加到Q，螺栓进一步拉伸，则总拉伸量为b0被联接件由Q0减小到Qr ，压缩量减少为c0螺栓和被联接件这种变形可用线图表示：对Qr 的要求：87 螺栓联接件的下料和许用应力材料：Q215、Q235、10、35、45钢等；许用应力：表8688提高螺纹联接强度的措施螺栓的破坏螺栓杆部分疲劳断裂截面小，应力集中处881降低螺栓总拉力的变化范围总拉力在Q0（Q0Q）之间变化则减小螺栓的刚度kb或增大被联接件的刚度kc ，可降低总拉力的变化范围。采取：腰状杆螺栓、空心螺栓 金属垫片、O型密封元件882改善螺纹牙上的载荷分布螺栓受拉而螺距增大，螺母受压而螺距变小，轴向载荷在旋合螺纹各圈间的分布不均匀。大部分载荷集中在前几圈，八圈以后几乎不承受载荷加厚螺母不能提高螺纹联接强度采用悬置螺母883减小应力集中的影响884避免或减小附加弯曲应力89键联接和花键联接891键连接的分类、结构和应用键是一种标准件，用于实现轴和轴上零件的周向固定以传递转矩，有些键还能实现轴向固定或轴向滑动的导向。键联接：平键联接、半圆键联接、锲轴联接，切向键联接1、平键联接键的两侧面为工作面，工作时靠键与键槽侧面的相互挤压来传递转矩。特点：结构简单、拆装方便、定心性好。平键分为：普通平键、导向平键普通平键：静联接 A型（两圆头） B型（平头） C型（单圆头）A：键在键槽中固定良好，应力集中大B：应力集中小，键的尺寸较大C：用于轴端导向平键：动联接，需固定，并没有起键螺孔。2、半圆键以两侧面为工作面具有良好的定心性，绕其几何中心摆动，装配方便键槽较深，对轴的强度削弱大3、锲键联接工作面：上下表面键的上表面和轮毂键槽的底部有1：100的斜度工作时主要靠键的上表面与轮毂间的摩擦力来传递，能承受单向的轴向力。轴和轮毂轴线间会产生偏心和偏移使用于定心要求不高，传递和载荷平稳的场合。4、切向键联接切向键由一对斜度为1：100的锲键组成键的窄面为工作面工作时，靠工作上的挤压力和键与轮毂间的摩擦力来传递转矩一个切向键：单向传递转矩两个切向键：双向传递转矩892平键联接的选择计算1、平键尺寸的计算键的截面尺寸：按轴的直径d从有关标准中选取键的长度：普通平键：键的长度等于或略小于轮毂的长度 导向平键：按轮毂长度及滑动距离而定注：键长应符合标准规定的长度系列2、平键联接的强度校核主要失效形式：工作面得压溃，过载剪断设计标准：工作面上的挤压应力导向平键：失效形式：工作平面的过度磨损设计标准：工作面上的压力893花键联接：轴和轮毂孔向均布的多个键齿构成的联接。工作面：齿的侧面特点：承载能力高，受力均匀，对轴和轮毂的强度削弱小，对中性和导向性好。适用：定心精度高，载荷大，经常滑移的联接类型：矩形花键：常用渐开线花键：承载能力高三角形花键：使用于薄壁零件810销联接用途：固定零件间的相对位置，传递不大的载荷，安全过载装置类型：圆柱销：过盈配合，多次装拆合，其定位精度和可靠性下降圆锥销：1：50的锥度 安装方便，定位精度高，可多次装拆端部带有螺纹的圆锥销：适用于盲孔或拆卸困难的场合。开尾圆锥销：适用于有冲击、振动的场合。开有纵向沟槽的圆锥销：弹性变形、不易松脱、因而能承受振动和变载荷。材料：35钢、45钢第四篇 机械传动第10章 齿轮传动【本章提示】1阐述齿轮传动的特点及类型。2通过分析齿轮传动的工作条件和失效形式，制定设计准则，说明齿轮的材料及热处理方式。3重点论述渐开线直齿圆柱齿轮传动的受力分析和承载能力计算，以此为基础，讨论斜齿圆柱齿轮传动、直齿圆锥齿轮传动、蜗杆传动的承载能力计算。4介绍齿轮传动、蜗杆传动的效率和润滑以及蜗杆传动的热平衡计算。5列举了齿轮、蜗杆和蜗轮的常用结构型式。101齿轮传动的特点及类型1011特点：效率高：最高达99.95%结构紧凑：在同样的使用条件下，所需的空间尺寸小工作可靠：齿与齿的啮合传动寿命长：长达一、二十年传动比稳定：i=Z2/ Z1制造、安装精度高，价格较贵，不适合传动距离过大的场合。1012类型1、按照工作条件，闭式齿轮传动，开式齿轮传动2、按照传递的速度：低速、高速3、按照承载的大小：轻载、重载4、按照齿轮的材料及热处理工艺：软齿面 硬齿面1013对齿轮传动的基本要求1、传动精确平稳（第六章）2、足够的承载能力（本章重点讲解）102齿轮的失效形式及设计准则1021齿轮的失效形式主要指轮齿1、轮齿折断弯曲疲劳折断：齿根处的弯曲应力最大，交变应力、应力集中；先裂纹、后折断。过载折断：轮齿在短时过载。局部折断：不准确的安装，制造，轴的变形。增大齿根处圆角半径，合理的热处理，合理的选择材料及采用变位齿轮。2、齿面点蚀长期交应变力疲劳裂纹扩展麻点状小而浅的坑点蚀靠近节线处啮合，相对滑动速度低，油膜不易形成，点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处。闭式齿轮传动的主要失效形式；提高齿面的硬度，降低表面的粗糙度，增大综合曲率半径，增大润滑油的粘度。3、齿面胶合压力大温度高润滑油被挤出两齿面直接接触，相互粘连较软的齿面形成沟纹胶合提高齿面的硬度，降低表面的粗糙度，合理选用材料，合理选用润滑油。4、齿面磨损杂质的进入开式齿轮传动的主要失效形式5、齿面塑性变形过大的应力作用1022设计准则闭式软齿面齿轮传动点蚀按照齿面接触疲劳强度设计验算轮齿的弯曲疲劳强度闭式硬齿面齿轮传动轮齿折断按照齿根的弯曲疲劳强度设计验算齿面的接触疲劳强度开式齿轮传动磨损和轮齿折断按照轮齿的弯曲疲劳强度设计同时降低许用应力103齿轮的材料、热处理及传动精度1031齿轮常用的材料要求：较高的抗点蚀，抗磨损、抗胶合、抗塑性变形、抗折断的能力齿面要硬，齿芯要韧常用的材料：碳素结构钢，合金结构钢，铸钢，铸块、塑料、尼龙1032齿轮的热处理软齿面（齿面硬度350HBS） 调质和正火硬齿面 （齿面硬度350HBS） 表面淬火、表面渗碳淬火、渗氮淬火。1、软齿面齿轮的热处理方法调质和正火加热后，空冷或油冷 慢慢降温小齿轮的齿面硬度大齿轮的齿面硬度，寿命相近2、硬齿面齿轮的热处理方法淬火1033齿轮传动的精度齿轮公差分为：传递运动的准确性、传动的平稳性、齿面上载荷分布的均匀性齿厚极限偏差、等级104直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷1041直齿圆柱齿轮受力分析受力分析分度圆上啮合忽略摩擦力集中力作用在齿宽中点沿啮合线法向力Fn分解为圆周力Ft和径向力Fr大小：方向：Ft：主动轮与运动方向相反，从动轮与运动方向相同Fr：分别指向各自轮心1042计算载荷载荷沿齿宽分布不均匀，附加动载荷引入载荷系数K105直齿圆柱齿轮传动承载能力计算1051直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算1、齿面接触疲劳强度计算线接触受载后弹性变形面接触齿面接触应力参照弹性力学中的赫兹公式2、影响齿面接触强度的参数和尺寸1）系数335只适合钢对钢如钢对铸铁 335285 铸铁对铸铁 3352502）从公式中分析得出：H1=H2但当两齿轮的材料及热处理不同时，H1H2 设计时按较小值代入计算3）降低H和增大H可提高齿面接触疲劳强度；增大齿宽b或中心距a可降低H，b过大，造成载荷分布不均匀，因此提高a可行结论：改变齿轮的几何参数或提高齿面的硬度可提高齿面接触疲劳强度；1052值齿圆柱齿轮传动的轮齿弯曲疲劳强度计算1、齿根弯曲疲劳强度计算假设：1）将齿轮视为悬壁梁；2）全部载荷仅由一对轮齿承担3）集中力作用于齿顶危险截面的确定：30切线法：作与轮齿对称中心线成30夹角并与齿根过渡曲线相切的直线，认为两切点的连线是危险截面的位置。法向力Fn分解为：F1：使齿根产生弯曲应力F2：产生压应力，忽略2、影响齿根弯曲强度的参数和尺寸1）一般情况下，Z1Z2，YF1YF2 ，F1F2；2）YF/F的比值不同 设计时代入较大值;3）提高轮齿齿根弯曲疲劳强度的措施：提高m、b、Z1，但提高m 效果显著4）开式齿轮传动，（0.7-0.8）F1053齿轮的许用应力H=Hlim /SH F=Flim /SF Hlim：图106； Flim：图107 长期双侧工作，取0.7的系数。SH、SF：表105106直齿圆柱齿轮传动的设计1、齿数比u与齿数Z1齿数比u其值恒大于1，而传动比i其值可大于1，也可小于1当i1时 u=i 当i1 u=1/i一般：u8 降低小齿轮的啮合次数当 i4.5时，i允许有2.5% 的误差 I4.5时，i允许有4% 的误差闭式软齿面接触疲劳强度设计a一定，降低m，增大Z1，增大重合度，提高传动的平稳性，减小齿顶圆直径和毛坯直径，降低成本。Z1=2040闭式硬齿面弯曲疲劳强度设计Z1=17202、模数传递动力的齿轮传动，模数m不宜过小；按弯曲疲劳强度设计的m必须取标准值。经验公式：闭式齿轮传动m(0.0070.02) 开式齿轮传动m0.023、 齿宽系数：轮齿越宽，承载能力也越高，但齿宽过大， 载荷分布不均匀，造成偏载。 闭式齿轮传动：a=0.30.6，常用a=0.4（0.35） 开式齿轮传动：a=0.10.3107斜齿圆柱齿轮传动1071斜齿圆柱齿轮传动的受力分析忽略齿面间的摩擦力大小：方向：1072斜齿圆柱齿轮传动的强度计算作用力法向平面内当量直齿轮用直齿轮的方法计算重合度大，曲率半径大比直齿轮承载能力大1、 齿面接触疲劳强度计算一对钢制标准斜齿轮传动的齿面接触疲劳强度条件； 说明：1）钢对铸铁：260； 铸铁对铸铁：228 2）a圆整为0或5 3）m的确定 4）的确定2、齿根弯曲疲劳强度计算说明：YF按当量齿数查表10-4108直齿圆锥轮传动1081直齿圆锥齿轮传动的