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机械设计基础总复习北京理工大学机械与车辆学院 第一章概论 一 载荷和应力分析问 a m max min r参数各代表什么 绘图说明当 m 250MPa r 0 25时 应力随着时间的变化曲线 这是什么应力 答 应力幅 a max min 2平均应力 m max min 2最大应力 max最小应力 min应力特性系数 r min max 由 m max min 2 250 MPa r min max 0 25 求得 max 400 MPa min 100 MPa 为一般脉动循环变应力 二 机器的组成 以汽车为例 1 动力部分提供动力 发动机 2 传动部分提供变速 改变运动方向或运动形式等 变速箱 传动轴 离合器 3 工作部分直接完成设计者的构想 代替或减轻人类的工作 车轮 转向器 4 控制部分使机器各部分运动协调 可以是手控 电控 遥控等 辅助系统 照明 前后灯 车内灯 信号 转向灯 后尾红灯 显示 里程表 油量表 速度表 电瓶电量表 等 机器机 有能量转化 构件零件械机构零件 无能量转化 信息机械如计算机 电话机 传真机等构件是机器运动的最小单元 零件是构成机械的最小单元 部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体 如减速器 离合器等 三 机械零件材料学基础 制造机械零件的材料用的最多的是金属材料 其次是非金属材料和复合材料 一 金属材料金属材料又分为黑色金属 如钢 铸铁等 和有色金属 如铜 铝 钛及其合金等 一 黑色金属钢和铸铁都是铁碳合金 他们的区别主要在于含碳量的不同 含碳量小于2 1 的铁碳合金称为钢 含碳量大于2 1 的铁碳合金称为铸铁 1 钢通常使用的钢 含碳量在0 05 0 7 之间 根据化学成分的不同 又可将钢分为碳素钢和合金钢 1 碳素钢按照质量和用途 又可以分为 1 碳素结构钢 GB T700 2006 普通碳素结构钢不需热处理 供货状态下可直接使用 Q195 Q215 Q235 AF Q235 B Q235 C Q235 D 275Q指屈服强度 后面的数字代表屈服强度数值 2 优质碳素结构钢 GB T699 1999 含碳量低于0 25 的钢为低碳钢 其强度和硬度低 但塑性和焊接性能好 适用于冲压 焊接等方法成型 含碳量在0 25 0 6 的钢为中碳钢 有良好的综合力学性能 应用最广 含碳量高于0 6 的钢为高碳钢 常用作弹性元件和易磨损元件 优质碳素结构钢一般经过热处理 可获得较高的弹性极限和较高的屈服强度 低碳钢不可以直接淬火 08 08F 15 20 20A 20Mn 45 45Mn 853 碳素工具钢 GB T1298 2008 碳素工具钢一般经过热处理 可获得较高的力学性能T7 T8A T8Mn T8MnA T10A T13 T13A 第二章平面机构的结构分析1 低副通过面接触而组成的运动副 限制2个自由度1 回转副2 移动副2 高副通过点 线接触而组成的运动副 限制1个自由度 3 运动链的自由度 活动度 数F F 3n 2PL PH式中 n 机构中可活动的构件数 PL 低副数PH 高副数4 计算自由度时注意 a 复合铰 有K个构件在某一点联接 这一点就构成了K 1个回转副 称为复合铰 b 局部自由度 在运动链中 与整个运动链无关的自由度为局部自由度 为改善受力状况而设 3 虚约束 有些约束对机构的自由度是重复的 称为虚约束 机构具有确定运动的条件 在一个机构中 原动机输入机构的主动件数和机构的自由度数相等 第三章平面连杆机构 1 四杆机构的组成与基本形式曲柄连架曲柄AB能做整周转动 360 摇杆杆摇杆CD做一定角度的摆动 360 机连杆BC连接曲柄 摇杆间的运动构机架AD 为极位夹角 曲柄和连杆共线时的夹角 摇杆摆角 2 压力角 和传动角 对曲柄摇杆机构进行受力分析时 可计算使从动件摇杆摆动的有效力 切向力Ft Fcos 而径向力Fr Fsin 实际中 希望Ft大些 Fr小些 故 越小越好传动角 90 故 越大越好 为连杆和摇杆夹角的锐角 3 曲柄存在的条件1 四杆机构中 最长杆和最短杆之和小于其余两杆长度之和 2 曲柄为最短杆 且是连架杆或机架 4 对四杆机构的判断 在四杆机构中 没有曲柄存在 就是双摇杆机构 若存在曲柄 哪一个是机架 就构成不同的机构 1 和最短杆相连的杆是机架 为曲柄摇杆机构 2 最短杆是机架 为双曲柄机构 3 最短杆对过的杆是机架 为双摇杆机构 3 作图法设计四杆机构 已知 摇杆长度c摇杆摆角 行程速比系数K 2 四杆机构有曲柄的条件 从动件的运动规律1 一次多项式 等速运动规律在行程转折处 速度由正变负 加速度突变 从动件会产生很大惯性力 冲击和振动很大 称为刚性冲击 只适合于低速 轻载场合 2 二次多项式 等加速 等减速运动规律在行程转折处 速度由正变负 加速度也由正变负 但突变是一定值 惯性力也是有限值 会产生一定的冲击和振动 称为柔性冲击 3 简谐运动规律加速度是一余弦曲线 在连续升降的情况下 没有冲击 4 摆线运动规律加速度是一正弦曲线 没有冲击 适合高速大功率下使用 第四章凸轮机构 1 压力角 推杆的运动方向和受力方向的夹角 2 位移 s理论轮廓线到基圆之间的距离 3 行程 h 即推杆最大位移 一定要注意 基园 压力角等都是在理论轮廓线上 偏置 第六章齿轮传动 圆柱齿轮 一 直齿圆柱齿轮主要参数 标准齿轮 1 分度圆直径d d mz2 齿顶圆直径da da d 2ha m z 2ha 3 齿根圆直径df df d 2hf m z 2 ha C 4 基圆直径db db dcos 5 节圆直径d d db cos cos db d 6 周节p p m 法向周节 pn pb mcos 标准齿轮标准安装 则节圆和分度圆重合a r1 r2非标准安装acos a cos 或者i z2 z1 r2 r1 r 2 r 1a r 2 r 1 三 设计准则 在实际齿轮传动设计时 应针对齿轮传动的主要失效形式进行相应的计算 对于闭式软齿面齿轮传动 由于工作环境和润滑条件较好 主要失效形式为齿面失效 因此目前一般的设计方法是按齿面接触疲劳强度公式设计 然后再校核齿根的弯曲疲劳强度 而对于闭式硬齿面齿轮传动 由于主要失效形式是齿面磨损和轮齿断齿 一般按齿根弯曲疲劳强度公式设计 再按齿面接触疲劳强度公式进行校核 而对于开式和半开式齿轮传动 由于主要失效形式是齿面磨损和断齿 通常齿面还未达到疲劳点蚀时 齿面就已经磨损 所以 一般按齿根弯曲疲劳强度公式设计 为考虑齿面磨损的影响 将求得的模数适当增大15 到20 可以不校核齿面接触疲劳强度 二 斜齿圆柱齿轮受力分析切向力 Ft1 Ft2Ft1与n1相反 Ft2与n2相同径向力 Fr1 Fr2指向各自的圆心轴向力 Fa1 Fa2左右手定则 轴向力的判断用左右手定则 只适用主动齿轮 三 齿轮机构 II 锥齿轮会进行锥齿轮的受力分析切向力 主动轮与转动方向相反 从动轮与转动方向相同 径向力 指向各自的圆心轴向力 指向各自的大端 切向力 Ft1 Ft2 径向力 Fr1 Fa2轴向力 轴向力 Fa1 Fr2径向力 主平面 垂直与蜗轮的轴线并且通过蜗杆的轴线 1 正确啮合条件ma1 mt2 m 标准值 a1 t2 轴面 端面 标准 方向一致 蜗杆螺旋线导程角 蜗轮轮齿螺旋角 第七章蜗杆传动阿基米德圆柱蜗杆 2 蜗杆分度园直径d1与直径系数q d1 m qq z1 tg 称为蜗杆直径系数tg z1 q m z1 d1q d1 m3 传动效率总效率 1 2 3式中滚动轴承效率 2 0 99 0 995搅油效率 3 0 94左右主要是啮合效率 4 自锁的概念 v 当蜗轮主动时自锁 蜗杆主动时 会进行蜗杆传动的受力分析切向力 主动轮与转动方向相反 从动轮与转动方向相同 径向力 指向各自的圆心轴向力 左右手定则 只适合于主动齿轮 切向力 Ft1 Fx2轴向力径向力 Fr1 Fr2径向力轴向力 Fx1 Ft2切向力 已知 蜗杆的旋向和转向 画出蜗杆和蜗轮三个分力的方向 普通V带已标准化 按GB T13575 1 2008标准 按截面尺寸的大小不同 由小到大 分为 Y Z A B C D E七种 具体尺寸见表8 2 带的楔角 大于带轮沟槽 角 带的节面宽度叫节宽bp 当带弯曲时 此宽度不变 带的高度h和节宽bp的之比为相对高度 普通V带为0 7 第八章带传动 1 力与应力分析最大圆周力 影响带传动能力的主要因素 三种应力的特点 弹性滑动和打滑的概念 弹性滑动是由于带的弹性变形量变化引起 打滑是由于过载引起 弹性滑动是发生在部分接触弧内的微量相对滑动 打滑是发生在整个接触弧上的显著相对滑动 弹性滑动是带传动正常工作时的固有特性 是不可避免的 打滑则使带传动失效 在设计中必须避免 弹性滑动使传动效率降低 带的温度升高和磨损 从动轮圆周速度低于主动轮 打滑使带传动失效 从动轮转速急剧降低 甚至为0 带磨损加剧 但可以起到过载保护作用 避免其他零件发生损坏 2 张紧轮 中心距不可调的场合 张紧轮要安装在带的内侧 松边 靠近大带轮内侧 避免带受到双向的弯曲应力松边 带本来就松弛 易于调节靠近大带轮 对小带轮的包角影响小 第十章轮系 一 定轴轮系 周转轮系 混合轮系传动比的计算 1 2 3为定轴轮系 3 4 5 H为差动轮系 已知 n1 70rpm求 n5 rpm 方向与n1相同 第十一章联接螺纹联接1 大径d 螺纹标准中的公称直径 螺纹的最大直径2 小径d1 螺纹的最小直径 强度计算中螺杆危险断面的计算直径 3 中径d2 近似于螺纹的平均直径 d2 d1 d 24 螺距p 相邻两螺纹牙平行侧面间的轴向距离 5 导程s 同一条螺纹线上两螺纹牙之间的距离 s n p6 螺旋升角 中径上s d2tg arctg s d2 7 牙形角2 螺纹牙两侧边的夹角 一 螺纹联接的防松螺纹联接虽然能自锁 但受到冲击 振动 温度变化等瞬时 螺纹联接的摩擦力会消失 故要有可靠的放松措施 常用的防松措施有 表11 4 1 弹簧垫圈4 尼龙圈锁紧螺母2 对顶螺母5 槽形螺母和开口销3 止动垫片6 圆螺母带翅垫片7 冲点8 粘接 二 单个螺栓联接强度计算1 松螺栓联接 见图18 3 不必拧紧 螺栓没有预紧力 松螺栓没有扭转力矩 螺栓直径的计算公式为 Q为螺栓所受的轴向力 2 紧螺栓联接螺栓既受拉应力也受扭转剪应力 螺栓直径的计算公式为 键联接 花键联接 销联接 第十二章轴和联轴器 一 分类按承受载荷的情况分 1 传动轴 只承受转矩T 2 心轴 只承受弯矩M 3 转轴 即承受弯矩M 也承受转矩T 二 轴的直径估算 三 轴的结构设计P1851 轴上圆角要小于轮毂上圆角或倒角2 轴上长度要小于轮毂上相应长度2 3mm 3 轴肩或轴环的高度一般不小于5 如果是用于滚动轴承定位 则不能高于滚动轴承内环的三分之二 4 各阶梯轴的个段加倒角 便于安装 5 键槽应在同一个方向 6 减小应力集中 如加大圆角半径 用退刀槽砂轮越程槽等 7 合理安排轴的零件 减轻轴的负荷 第十三章滑动轴承 略 1 联轴器 把两根轴牢固的联接在一起 在工作过程中不能分离 2 离合器 根据工作需要 随时可将两轴联接或分离 联接在一起时都是实现两轴之间扭矩的传递 第十四章滚动轴承1 2调心轴承3 圆锥滚子轴承6 深沟球轴承7 向心角接触球轴承N 圆柱滚子轴承5 8推力轴承 计算题轴系由一对单列圆锥滚子轴承30205支承 已知 轴的转速n 980r min Fr1 3580N Fr2 3800N FA 380N 动载荷系数fd 1 2 温度系数fT 1 0 试计算轴承的寿命 注 轴承的基本额定动载荷Cr 32 2kN S Fr 2Y e 0 37 Fa Fr e时 X 1 Y 0 Fa Fr e时 X 0 4 Y 1 6 解 首先求派生的轴向力 S1 Fr1 2Y 3580 3 2 1118 75 N S2 Fr2 2Y 3800 3 2 1187 5 N S1 FA 1118 75 380 1498 75 N S2轴向右移 由于轴承是正装 故2轴承受压 Fa1 S1 1118 75 N Fa2 S1 FA 1118 75 380 1498 75 N S1 S2 Fa1 Fr1 1118 75 3580 0 31e 0 37X1 1 0Y1 0X2 0 4Y2 1 6P1 X1 Fr1 Y1 Fa1 3580 N P2 X2 Fr2 Y2 Fa2 0 4X3800 1 6X1498 75 3918 N P2 P1 2轴承危险 第四节滚动轴承的组合设计 一 轴系的轴向定位 1 两端固定 双端单向固定 较短轴系 l 400 最常用的形式 压盖和轴承座之间需用垫片调整压盖和轴承外圈之间的间隙 留出0 2 0 4的距离 用于温度补偿 2 一端固定 单端双向固定 一端游动用于温升较高 热变形较大的场合 3 两端游动 用于人字齿轮传动 能自动对中 第十五章机械的调速和平衡 机械速度的波动 是在Wd和Wr不为常量的情况下产生的 其结果是产生冲击 振动 影响机件的强度和寿命 降低运动精度 应尽量避免 采用飞轮调速 降低速度不均匀系数 回转件不平衡质量产生的离心力使轴弯曲 产生振动 噪音 甚至破坏机件 静平衡条件 mr miri mbrb 0或 mgr migri mbgrb 0动平衡的条件 空间离心惯性力系的合力及合力矩均为零 动平衡又称为双面平衡 而静平衡则称为单面平衡 平衡的目的使回转件运动平稳 它不能减小速度的波动 轴系结构找错体 指出下图轴系结构中的错误或不合理之处 并简要说明理由 不要求改正 缺螺栓联接 轴承安装一顺 轴肩过高 缺键 轴的长度应小于轮毂长度2 3mm 套筒过高 轴承透盖结构错误 动静接触 应加密封毡圈 加轴向定位 缺键 11 动静接触 结构题 图示轴系结构有错误和不合理的地方 请指出并说明原因 1 联轴器孔未开通 2 联轴器周向未定位 加键连接 3 轴承透盖缺密封 4 透盖与套筒应有间隙 5 左轴承为游动轴承 内圈右边缺定位 6 左轴承外圈要能游动 需去掉套杯凸肩 而且与端盖间要有间隙 7 右轴承为固定端轴承 内圈左边缺定位 外圈左边套杯上应有凸肩定位 8 装圆螺母处轴径要小于轴承轴径 且车螺纹处要有退刀槽 9 圆螺母处加止动垫圈防松 10 轴段应比轴承孔短 以使轴承定位可靠 11 轴承盖与套杯之间应有调整轴承间隙的调整垫片 12 箱体加工面和非加工面要分开 指出图示轴系的结构错误或不合理之处 并简要说明理由 齿轮采用油润滑 轴承采用脂润滑 1 缺挡油环 2 套杯左端凸肩内径太小 拆卸轴承外圈困难 3 左轴承内圈无法从轴右侧装入 4 轴承为背对背安装 外圈没有固定 应在两轴承外圈之间加凸台 5 不应有轴肩 否则无法调整轴承 6 缺少调整轴承的装置 应加一小圆螺母 7 精加工面过长 轴承装配不便 应加工成阶梯轴8 轴与轴承盖之间应有间隙 9 缺少密封装置 10 带轮端面不应与轴承盖接触 应以轴肩定位 11 键与轮毂键槽之间应有间隙 12 轮毂上的键槽应为通槽 13 轴端应比毂孔短一些 否则带轮轴向固定不可靠 14 缺少调整套杯位置 调整锥齿轮啮合 的垫片 指出图示轴系的结构错误 齿轮采用油润滑 轴承采用脂润滑 用笔按序号圈出错误之处 并简要说明错误原因 不要求改正图 1 轴肩太高 不便拆卸 2 缺少挡油环 3 安装齿轮的轴段应小于轮毂宽度 否则齿轮轴向固定不可靠 4 键太长 5 套筒不应与轴承外圈接触 6 轴承应面对面布置 7 此处应加工成阶梯轴 8 端盖不应与轴接触 9 端盖与轴之间应加密封 10 平键顶部与轮毂键槽间应有间隙 11 联轴器上的键槽应为通槽 12 两处键槽应位于一条母线上 13 联轴器不应与端盖接触 应用轴肩轴向固定 且轴端不应超出孔的端面 以免影响另一半联轴器的安装 14 缺少轴承调整垫片 15 应有凸台 减少加工面 图示轴系结构有错误和不合理的地方 请指出并说明原因 1 轴端面应在联轴器孔内 2 联轴器轴向未定位 加轴肩 3 轴承透盖与轴之间应有密封装置 4 与左轴承配合处的轴段过长 轴缺少台阶 轴承装拆不方便 5 套筒过高 轴承装拆不方便 6 安装齿轮的轴段长度应小于轮毂宽度 以使齿轮得到可靠的轴向定位 7 齿轮上的键槽与键之间应留有间隙 8 为便于加工 轴上安装齿轮处的键槽应与安装联轴器键处的键槽开在同一母线上 9 右轴承内圈没有固定 10 圆锥滚子轴承应成对使用 11 轴承盖上的孔应大于螺钉外径 12 箱体上螺纹孔的深度应大于螺钉拧入深度13 轴承盖与机体之间无垫片 无法调整轴承间隙 14 箱体加工面和非加工面要分开 模拟试题 一 是非题1 一对圆柱齿轮啮合时 大小齿轮的齿根弯曲应力相等 2 零件内部的变应力只可能由变载荷引起 3 模数不相等的蜗杆与蜗轮也可以啮合传动 4 齿轮联轴器是挠性联轴器 5 V带是弹性元件 它在工作中只能承受拉应力 6 滚动轴承中 保持架是重要的和不可缺少的元件之一 7 凸缘联轴器属于刚性联轴器 8 1表示是对称循环变应力 9 磨损总是有害的 应该处处避免 10 传动效率高是蜗杆蜗轮传动的优点之一11 滚动轴承座圈和滚动体的常用材料是Q235钢 12 螺旋传动中使用的螺纹通常是三角形螺纹 二 选择题 每小题2分 1 只承受弯矩 而不承受转矩的轴称为 A 传动轴B 转轴C 心轴D 阶梯轴2 带传动工作时最大应力发生在 A 紧边小带轮出口处B 紧边小带轮入口处C 松边大带轮出口处D 松边大带轮入口处3 当两个被连接件之一太厚时 宜采用 A 双头螺柱连接B 螺栓连接C 紧定螺钉连接D 销连接4 初步估算轴的直径时 一般采用 方法 A 弯扭合成强度B 扭转强度C 刚度D 安全系数5 在轴结构设计中 轴上零件轴向固定通常采用 方法 A 轴肩B 圆螺母C 轴端挡圈D 前面三种 6 脉动循环变应力的应力循环特性系数r A 等于 1B 等于 1C 等于0D 等于1 27 蜗杆传动中 增加蜗杆头数 可使传动效率 A 提高B 降低C 提高或降低D 不变8 适合制造滚动轴承的材料是 A GGr15B 45钢C 球墨铸铁D 40Cr9