机械设计、齿轮与轴综合介绍

机械设计和齿轮与轴的介绍摘要： 机器是由机械装置和其它组件组成的。它是一种用来转换或传递能量的装置，例如：发动机、涡轮机、车辆、起重机、印刷机、洗衣机、照相机和摄影机等。许多原则和设计方法不但适用于机器的设计，也适用于非机器的设计。术语中的“机械装置设计” 的含义要比“机械设计”的含义更为广泛一些，机械装置设计包括机械设计。在分析运动及设计结构时，要把产品外型以及以后的保养也要考虑在机械设计中。在机械工程领域中，以及其它工程领域中，所有这些都需要机械设备，比如：开关、凸轮、阀门、船舶以及搅拌机等。在传统机械和现代机械中齿轮和轴的重要地位是不可动摇的。齿轮和轴主要安装在主轴箱来传递力的方向。通过加工制造它们可以分为许多的型号，分别用于许多的场合。所以我们对齿轮和轴的了解和认识必须是多层次多方位的。关键词： 设计流程 设计规则 机械设计 齿轮 轴设计流程设计开始之前就要想到机器的实际性，现存的机器需要在耐用性、效率、重量、速度，或者成本上得到改善。新的机器必需具有以前机器所能执行的功能。在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不要受到任何约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即在绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于阻断创新的思路。通常,还要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在这个计划最后决定中,使用了某些不在计划之内的一些设想。一般的当外型特点和组件部分的尺寸特点分析得透彻时，就可以全面的设计和分析。接着还要客观的分析机器性能的优越性，以及它的安全、重量、耐用性，并且竞争力的成本也要考虑在分析结果之内。每一个至关重要的部分要优化它的比例和尺寸，同时也要保持与其它组成部分相协调。也要选择原材料和处理原材料的方法。通过力学原理来分析和实现这些重要的特性，如那些静态反应的能量和摩擦力的最佳利用，像动力惯性、加速动力和能量；包括弹性材料的强度、应力和刚度等材料的物理特性，以及流体润滑和驱动器的流体力学。设计的过程是重复和合作的过程，无论是正式或非正式的进行，对设计者来说每个阶段都很重要。最后，以图样为设计的标准，并建立将来的模型。如果它的测试是符合事先要求的，则再将对初步设计进行某些修改，使它能够在制造成本上有所降低。产品的设计需要不断探索和发展。许多方案必须被研究、试验、完善，然后决定使用还是放弃。虽然每个工程学问题的内容是独特的，但是设计师可以按照类似的步骤来解决问题。产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为：（a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；(b)未能预见和考虑材料的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；(c)所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其性能数据长期不更新；(d)质量控制方法不适当和未经验证；(e)由一些完全不称职的人员选择材料。通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由而存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现而指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。在随后生产和售后服务的几年中，要接受新观念的变化，或者由试验和经验为基础，进一步分析并改进。一些设计规则在本节中，建议要运用创造性的态度来替代和改进。也许会创造出更实用、更经济、更耐用的产品。为了激发创造性思维，下列是设计和分析的建议规则。前六个规则对设计者来说特别适用。1. 要有创造性的利用所需要的物理性质和控制过程。2. 认识负载产生的影响及其意义。3. 预测没有想到的负载。4. 创造出对载荷更为有利的条件。5. 提供良好的应力分布和最小的刚度条件。6. 运用最简单的方程来优化体积和面积。7. 选择组合材料。8. 仔细选择所备的原料和不可缺少的组件。9. 调整有效的设计方案，以适应生产过程和降低成本。10. 规定好准确的位置条件为了使组件安装时不干涉。机械设计包括一下内容：1. 对设计过程、设计所需要公式以及安全系数进行介绍。2. 回顾材料特性、静态和动态载荷分析，包括梁、振动和冲击载荷。3. 回顾应力的基本规律和失效分析。4. 介绍静态失效理论和静态载荷下机械断裂分析。5. 介绍疲劳失效理论并强调在压力条件下接近高循环的疲劳设计，这通常用在旋转机械的设计中。6. 深入探讨机械磨损机理、表面接触应力和表面疲劳现象。7. 使用疲劳分析技术校核轴的设计。8. 讨论润滑油膜与滚动轴承的理论和应用。9. 深入介绍直齿圆柱齿轮的动力学、设计和应力分析，并简单介绍斜齿轮、锥齿轮和涡轮有关方面的问题。10. 讨论弹簧设计、螺杆等紧固件的设计，包括传动螺杆和预紧固件。11. 介绍盘式和鼓式离合器以及制动器的设计和技术说明。机械设计一台完整机器的设计是一个复杂的过程。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。任何产品在设计时第一步就是选择产品每个部分的构成材料。许多的材料被今天的设计师所使用。对产品的功能，它的外观、材料的成本、制造的成本作出必要的选择是十分重要的。对材料的特性必须事先作出仔细的评估。仔细精确的计算是必要的，以确保设计的有效性。在任何失败的情况下，最好知道在最初设计中有有缺陷的部件。计算（图纸尺寸）检查是非常重要的。一个小数点的位置放错，就可以导致一个本可以完成的项目失败。设计工作的各个方面都应该检查和复查。计算机是一种工具，它能够帮助机械设计师减轻繁琐的计算，并对现有数据提供进一步的分析。互动系统基于计算机的能力，已经使计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）成为了可能。心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。如前所诉，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为 所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。在直齿圆柱齿轮的受力分析中，是假定各力作用在单一平面的。我们将研究作用力具有三维坐标的齿轮。因此，在斜齿轮的情况下，其齿向是不平行于回转轴线的。而在锥齿轮的情况中各回转轴线互相不平行。像我们要讨论的那样，尚有其他道理需要学习，掌握。斜齿轮用于传递平行轴之间的运动。倾斜角度每个齿轮都一样，但一个必须右旋斜齿，而另一个必须是左旋斜齿。齿的形状是一溅开线螺旋面。如果一张被剪成平行四边形（矩形）的纸张包围在齿轮圆柱体上，纸上印出齿的角刃边就变成斜线。如果我展开这张纸，在血角刃边上的每一个点就发生一渐开线曲线。直齿圆柱齿轮轮齿的初始接触处是跨过整个齿面而伸展开来的线。斜齿轮轮齿的初始接触是一点，当齿进入更多的啮合时，它就变成线。在直齿圆柱齿轮中，接触是平行于回转轴线的。在斜齿轮中，该先是跨过齿面的对角线。它是齿轮逐渐进行啮合并平稳的从一个齿到另一个齿传递运动，那样就使斜齿轮具有高速重载下平稳传递运动的能力。斜齿轮使轴的轴承承受径向和轴向力。当轴向推力变的大了或由于别的原因而产生某些影响时，那就可以使用人字齿轮。双斜齿轮（人字齿轮）是与反向的并排地装在同一轴上的两个斜齿轮等效。他们产生相反的轴向推力作用，这样就消除了轴向推力。当两个或更多个单向齿斜齿轮被在同一轴上时，齿轮的齿向应作选择，以便产生最小的轴向推力。交错轴斜齿轮或螺旋齿轮，他们是轴中心线既不相交也不平行。交错轴斜齿轮的齿彼此之间发生点接触，它随着齿轮的磨合而变成线接触。因此他们只能传递小的载荷和主要用于仪器设备中，而且肯定不能推荐在动力传动中使用。交错轴斜齿轮与斜齿轮之间在被安装后互相捏合之前是没有任何区别的。它们是以同样的方法进行制造。一对相啮合的交错轴斜齿轮通常具有同样的齿向，即左旋主动齿轮跟右旋从动齿轮相啮合。在交错轴斜齿设计中，当该齿的斜角相等时所产生滑移速度最小。然而当该齿的斜角不相等时，如果两个齿轮具有相同齿向的话，大斜角齿轮应用作主动齿轮。蜗轮与交错轴斜齿轮相似。小齿轮即蜗杆具有较小的齿数，通常是一到四齿，由于它们完全缠绕在节圆柱上，因此它们被称为螺纹齿。与其相配的齿轮叫做蜗轮，蜗轮不是真正的斜齿轮。蜗杆和蜗轮通常是用于向垂直相交轴之间的传动提供大的角速度减速比。蜗轮不是斜齿轮，因为其齿顶面做成中凹形状以适配蜗杆曲率，目的是要形成线接触而不是点接触。然而蜗杆蜗轮传动机构中存在齿间有较大滑移速度的缺点，正像交错轴斜齿轮那样。蜗杆蜗轮机构有单包围和双包围机构。单包围机构就是蜗轮包裹着蜗杆的一种机构。当然，如果每个构件各自局部地包围着对方的蜗轮机构就是双包围蜗轮蜗杆机构。着两者之间的重要区别是，在双包围蜗轮组的轮齿间有面接触，而在单包围的蜗轮组的轮齿间有线接触。一个装置中的蜗杆和蜗轮正像交错轴斜齿轮那样具有相同的齿向，但是其斜齿齿角的角度是极不相同的。蜗杆上的齿斜角度通常很大，而蜗轮上的则极小，因此习惯常规定蜗杆的导角，那就是蜗杆齿斜角的余角；也规定了蜗轮上的齿斜角，该两角之和就等于90度的轴线交角。当齿轮要用来传递相交轴之间的运动时，就需要某种形式的锥齿轮。虽然锥齿轮通常制造成能构成90度轴交角，但它们也可产生任何角度的轴交角。轮齿可以铸出，铣制或滚切加工。仅就滚齿而言就可达一级精度。在典型的锥齿轮安装中，其中一个锥齿轮常常装于支承的外侧。这意味着轴的挠曲情况更加明显而使在轮齿接触上具有更大的影响。另外一个难题，发生在难于预示锥齿轮轮齿上的应力，实际上是由于齿轮被加工成锥状造成的。直齿锥齿轮易于设计且制造简单，如果他们安装的精密而确定，在运转中会产生良好效果。然而在直齿圆柱齿轮情况下，在节线速度较高时，他们将发出噪音。在这些情况下，螺旋锥齿轮比直齿轮能产生平稳的多的啮合作用，因此碰到高速运转的场合那是很有用的。当在汽车的各种不同用途中，有一个带偏心轴的类似锥齿轮的机构，那是常常所希望的。这样的齿轮机构叫做准双曲面齿轮机构，因为它们的节面是双曲回转面。这种齿轮之间的轮齿作用是沿着一根直线上产生滚动与滑动相结合的运动并和蜗轮蜗杆的轮齿作用有着更多的共同之处。轴是一种转动或静止的杆件。通常有圆形横截面。在轴上安装像齿轮，皮带轮，飞轮，曲柄，链轮和其他动力传递零件。轴能够承受弯曲，拉伸，压缩或扭转载荷，这些力相结合时，人们期望找到静强度和疲劳强度作为设计的重要依据。因为单根轴可以承受静压力，变应力和交变应力，所有的应力作用都是同时发生的。“轴”这个词包含着多种含义，例如心轴和主轴。心轴也是轴，既可以旋转也可以静止的轴，但不承受扭转载荷。短的转动轴常常被称为主轴。当轴的弯曲或扭转变形必需被限制于很小的范围内时，其尺寸应根据变形来确定，然后进行应力分析。因此，如若轴要做得有足够的刚度以致挠曲不太大，那么合应力符合安全要求那是完全可能的。但决不意味着设计者要保证；它们是安全的，轴几乎总是要进行计算的，知道它们是处在可以接受的允许的极限以内。因之，设计者无论何时，动力传递零件，如齿轮或皮带轮都应该设置在靠近支持轴承附近。这就减低了弯矩，因而减小变形和弯曲应力。虽然来自M.H.G方法在设计轴中难于应用，但它可能用来准确预示实际失效。这样，它是一个检验已经设计好了的轴的或者发现具体轴在运转中发生损坏原因的好方法。进而有着大量的关于设计的问题，其中由于别的考虑例如刚度考虑，尺寸已得到较好的限制。设计者去查找关于圆角尺寸、热处理、表面光洁度和是否要进行喷丸处理等资料，那真正的唯一的需要是实现所要求的寿命和可靠性。由于他们的功能相似，将离合器和制动器一起处理。简化摩擦离合器或制动器的动力学表达式中，各自以角速度w1和w2运动的两个转动惯量I1和I2，在制动器情况下其中之一可能是零，由于接上离合器或制动器而最终要导致同样的速度。因为两个构件开始以不同速度运转而使打滑发生了，并且在作用过程中能量散失，结果导致温升。在分析这些装置的性能时，我们应注意到作用力，传递的扭矩，散失的能量和温升。所传递的扭矩关系到作用力，摩擦系数和离合器或制动器的几何状况。这是一个静力学问题。这个问题将必须对每个几何机构形状分别进行研究。然而温升与能量损失有关，研究温升可能与制动器或离合器的类型无关。因为几何形状的重要性是散热表面。各种各样的离合器和制动器可作如下分类：1 轮缘式内膨胀制冻块；2 轮缘式外接触制动块；3 条带式；4 盘型或轴向式；5 圆锥型；6 混合式。分析摩擦离合器和制动器的各种形式都应用一般的同样的程序，下面的步骤是必需的：1 假定或确定摩擦表面上压力分布；2 找出最大压力和任一点处压力之间的关系；3 应用静平衡条件去找寻（a）作用力；（