机械设计基础教学完整PPT课件

.,绪论01引言机器：产生：是人类为了提高劳动生产率而创造出来的主要工具。标志：使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志之一。发展：大量的新机器也从传统的纯机械系统，演变成机电一体化的机械设备。机器的设计、制造进入了智能化的新阶段。机器的设计制造周期越来越短，对机器的性能、质量的要求也越来越高，个性化要求越来越多，机械产品向着高速、精密、重载、智能等方面发展。学习目的：机械的种类繁多，性能、用途各异，但是他们有共同的特征，我们从它的特征出发，剖析其结构，研究其组成原理，以达到掌握、运用的目的。,.,机械设计基础,.,02机器的组成及其特征,一、举例说明,单缸内燃机,颚式破碎机,.,二、基本概念,1、机器特征：（1）都是人为的实物组合；（2）组成机器的各实物之间具有确定的相对运动；（3）能实现能量转换或完成有用的机械功。,2、机构：（1）都是人为的实物组合；（2）组成机器的各实物之间具有确定的相对运动；注意：机构与机器联系与区别,3、机械：机器与机构的总称3、构件：机器或机构中最小的运动单元4、零件：机器或机构中最小的制造单元注意：构件与零件联系与区别,.,.,关系：零件构件机构机器,组成,组成,组成,机械,6机器的其他内容：（1）、,（2）、机器是执行机械传动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息，以代替或减轻人的体力和脑力劳动,（3）、按用途分：动力机器，加工机器，运输机器,（4）、自动机，自动线,.,（5）、机构类型：常用机构，液压机构，气压机构等,（6）、零件类型：通用零件，专用零件,（7）、部件：协同工作且完成共同任务的零件组合通用部件：轴承，联轴器等专用部件：汽车转向器,.,03机械设计的基本要求及一般程序,一、机械设计的基本要求,1、预定功能的要求:设计的基本出发点功能要求：设计机器的功用和性能指标（运动性能，动力性能，技术指标，外形结构要求）必需正确选择机器的工作原理、机构类型和机械传动方案,2、安全可靠与强度、寿命的要求:机器正常工作的必要条件,3、经济性要求:成本低，效率高，维护方便等综合性能指标：与设计，制造，使用都有关良好工艺，合理选材，尽量三化（零件标准化，部件通用化，产品系列化）,4、操作使用要求:操作简单，劳动强度低，环保,5、其他特殊要求（汽车安全性要求）。,.,二、机械设计的一般程序,1、提出和制定产品设计任务书需求-确定功能指标-分析可能性制定设计任务书（产品用途，技术经济指标，使用条件，设计承担着，设计周期）,2、总体方案设计设计任务书调查研究工作原理总体设计方案论证可行性绘制机构简图,3、技术设计总体方案确定结构尺寸（结构设计，工作能力计算）-画图零件设计步骤：确定类型结构受力分析失效分析选材尺寸设计结构设计绘图,4、样机的试制与鉴定,5、产品的正式投产,.,04机械设计基础课程的内容、性质和任务一、课程的内容常用机构和通用零部件的工作原理，运动特点、结构特点、基本的设计理论和计算方法。二、课程的性质性质：技术基础课作用：承上启下特点：科学性，综合性，实践性三、课程的任务1.了解常用机构的结构，运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力。2.掌握通用零件的工作原理、结构特点、设计计算和维护等知识。并初步具有设计简单机械传动装置的能力。3.具有运用标准，规范，手册，查阅相关技术资料能力。4.获得本学科实验技能的初步训练。5.通过本课程的学习为后续专业课程打好基础。,.,第一章平面机构的运动简图及自由度,4.机构自由度的计算,3.机构运动简图的画法,2.机构具有确定相对运动的条件,1.平面机构的组成,平面机构：各构件在同一平面或相互平行的平面内运动,空间机构：各构件不完全在同一平面或相互平行的平面内运动,.,1-1平面机构的组成,一、机构的组成与分类,1、概念：机构是具有确定相对运动的构件的组合构件：机构中的（最小）运动单元一个或若干个零件刚性联接而成,.,2、机架：固定不动的构件原动件：输入运动规律的构件从动件：其它的活动构件,3、平面机构：各构件的相对运动平面互相平行空间机构：,蜗杆传动,曲柄滑块机构,.,二、自由度一个作平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。,但当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自由构件。两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为约束。,.,三、运动副及其分类,概念：使两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动联接类型：（一）低副两构件通过面接触而构成的运动副称为低副。根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为转动副和移动副。1.转动副（或铰链）两构件只能在一个平面内作相对转动,限制两个自由度：（两个移动）保留一个自由度（转动）,.,2.移动副两构件只能沿某一方向作相对移动的运动副称为移动副。,限制两个自由度：（一个移动，一个转动）保留一个自由度（移动）,.,(二）高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。,限制一个自由度：（一个移动）保留两个自由度（一个移动，一个转动）,.,1-2平面机构运动简图,1、机构运动简图：简明表示机构各构件之间相对运动关系的图形（按比例，用特定的符号和线条）和运动有关的：运动副的类型、数目、相对位置、构件数目和运动无关的：构件外形、截面尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体构造,2、机构示意图：只需表明机构运动传递情况和构造特征，不必按严格比例所画的图形,.,2、常用机构和运动副的表示方法：,.,1、运动副的符号,转动副：,移动副：,齿轮副：,.,凸轮副：,2、构件（杆）：,.,3、绘机构运动简图的步骤,1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；,2）确定所有运动副的类型和数目；,3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；,4）确定比例尺；,5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画)）,.,例试绘制内燃机的机构运动简图,.,.,1-3平面机构的自由度,一、平面机构的自由度的计算机构的自由度：机构中活动构件相对于机架所具有的独立运动的数目。（与构件数目，运动副的类型和数目有关）n个活动构件：自由度为3n。PL个低副：限制2PL个自由度PH个高副：限制PH个自由度因此，该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差，该差值称为机构的自由度，并以F表示，F=3n-2PL-PH,.,F=3n-2PL-PH=3*7-2*8-4=1,.,F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1,.,F=3n-2PL-PH=3*5-2*6-0=3（错）,F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1,1.复合铰链：两个以上个构件在同一条轴线上形成的转动副由K个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（K-1）个,二注意事项,.,3、虚约束重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束。计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。,(1)、两构件构成多个导路平行的移动副，,F=3n-2PL-PH=3*3-2*5-0=-1（错）,(2)、两构件组成多个轴线互相重合的转动副（见书上1-10（b）图）,F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1（正确）,.,机车车轮的联动机构,.,(3)、机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分为虚约束,F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-2=1（行星轮系、固定3）,F=3n-2PL-PH=3*4-2*4-2=2（差动轮系）,.,4、轨迹重合：在机构中，若被联接到机构上的构件，在联接点处的运动轨迹与机构上的该点的运动轨迹重合时，该联接引入的约束是虚约束，,F=3n-2PL-PH=3*4-2*6-0=0,F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1,虚约束作用：对机构的运动无关，但可以改善机构的受力情况，增强机构工作的稳定性,.,F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-1=2(错）,F=3n-2PL-PH=3*2-2*2-1=1（正确）,多余的自由度是滚子2绕其中心转动带来的局部自由度，它并不影响整个机构的运动，在计算机构的自由度时，应该除掉。,2、局部自由度在机构中，某些构件具有不影响其它构件运动的自由度,.,F=3n-2PL-PH=3*7-2*9-1=2（注意凸轮）,.,F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1（其中一个滑块为虚约束）（注意不是复合铰链）,.,图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。,.,三、平面机构具有确定相对运动的条件,F0，构件间无相对运动，不成为机构。,F0,原动件数=F，运动确定,原动件数F，机构破坏,机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表明机构具有的独立运动数。由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动）因此，当机构的自由度为1时，只需有一个原动件；当机构的自由度为2时，则需有两个原动件。故机构具有确定运动的条件是：原动件数目应等于机构的自由度数目。,.,试计算图示挖土机的自由度，并说明为什么要配置三个油缸。,F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-0=3,.,油泵,F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1,.,四、计算平面机构自由度的实用意义1判定机构的运动设计方案是否合理2修改设计方案（1）F=0:增加一构件带进一平面低副（2）F原动件数目：增加一构件带进两平面低副增加原动件数目3判定机构运动简图是否正确,.,连杆传动是利用常用的低副传动机构进行的传动，连杆传动能方便的实现转动、摆动、移动等运动形式的转换。其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。因此本章着重讨论四杆机构的基本类型、性质及常用设计方法。,2-1概述,一、概念1连杆机构：构件全部用低副联接而成的平面机构（低副机构）2平面连杆机构3铰链四杆机构,第二章平面连杆机构,.,1、特点优点：(1)面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大(2)低副易于加工，可获得较高精度，成本低(3)杆可较长，可用作实现远距离的操纵控制(4)可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹缺点：(1)构件数目比较多或制造精度较低时，机构运动累计误差较大，会影响运动准确性。(2)容易引起冲击或振动。,二、平面连杆机构的特点和应用,.,2、应用：,.,机车车轮的联动机构,.,2-2铰链四杆机构的类型与应用基本型式及其演化,据有无移动副存在：铰链四杆机构，滑块四杆机构,.,一、铰链四杆机构的基本型式,.,(一)、曲柄摇杆机构特点：两连架杆一个是曲柄（整周转）；一个是摇杆（摆动）,.,应用：,雷达,缝纫机,.,.,(二)、双曲柄机构特点：两连架杆都是曲柄（整周转）主动曲柄匀速转，从动曲柄变速转,.,正平行双曲柄机构：对边平行且相等特点：主、从动曲柄匀速且相等运动不确定现象：,.,.,反平行双曲柄机构：对边平行但不相等,.,(三)、双摇杆机构特点：两连架杆都是摇杆（摆动）,.,.,.,.,.,二、铰链四杆机构的演化,演化方法：转动副移动副（滑块四杆机构）；选取不同构件作为机架,（一）、转动副转化成移动副,1、铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副,.,类型,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,曲柄存在条件：对心曲柄滑块机构：L1，所以r0不能过小,r0越大，越小，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑,d:安装凸轮处轴径,.,四、平底长度L的确定,当用图解法做出凸轮的轮廓曲线之后，就可以确定平底与凸轮轮廓接触点到道路的最大距离Lmax,则平底的长度L英取为L=2Lmax+（5-7）mm,.,四、凸轮与从动件的材料及选择,1、失效：凸轮：磨损，疲劳点蚀。从动件：磨损2、材料:凸轮：HT200、HT250、HT300（170-250HBS)；Q335、45、50(调质处理)；QT600-3、QT700-2(190-305HBS)；45（淬火40-45HRC)；45、40Cr(表面高频淬火52-58HRC）从动件：材料与凸轮相同，但从动件磨损更严重更早。所以一般从动件硬度比凸轮要高一些。,.,2、凸轮的结构,除尺寸较小的凸轮与轴制成一体的情况外，结构设计应考虑安装时便于调整凸轮与轴相对位置的需要。凸轮的常用结构有：,.,优点:传动准确、平稳、效率高、功率范围和速度范围广、使用寿命长。缺点：制造和安装精度要求高，成本较高、不宜于远距离两轴间传动。,特点,第一节齿轮传动的特点、类型及其应用,用途用来传递空间两任意轴之间运动和动力。,分类,平面齿轮传动（两轴平行）,空间齿轮传动（两轴不平行）,两轴相交圆锥齿轮传动,蜗杆传动,交错轴斜齿轮传动,圆柱齿轮传动,直齿,斜齿,曲齿,直齿,斜齿,外啮合,内啮合,齿轮齿条,两轴交错,人字齿轮,第四章齿轮机构,.,外啮合直齿,内啮合直齿,齿轮齿条,外啮合斜齿,外啮合人字齿,蜗杆传动,交错轴斜齿轮,直齿锥齿轮,斜齿锥齿轮,曲齿锥齿轮,.,齿轮传动特点,传动比准确、传动平稳。,圆周速度大，高达300m/s。,传动功率范围大，从几瓦到10万千瓦。,效率高(0.99)、使用寿命长、工作安全可靠。,可实现平行轴、相交轴和交错轴之间的传动。,缺点：要求较高的制造和安装精度，加工成本高、不适宜远距离传动(如单车)。,.,欲使两齿轮的瞬时传动比为一常数，节点必为定点。,二齿轮啮合时，其瞬时传动比等于啮合齿廓接触点处公法线分连心线所成二段线段的反比。,第二节齿廓啮合的基本定律,一、齿廓啮合的基本定律,二、共轭齿廓,啮合：一对轮齿相互接触并进行相对运动的状态称为啮合。传动比：两轮角速度之比。,概念满足预定传动比要求的一对齿廓称为共轭齿廓基本要求实现预定传动比；便于设计、制造和安装；互换性好；强度高齿廓曲线渐开线（最常用）、外摆线、圆弧曲线,齿廓啮合的基本定律,第一种叙述法,第二种叙述法,.,为连心线与公法线的交点，称为啮合节点，简称节点。,主动齿轮1的齿廓与从动齿轮2的齿廓在K点啮合，要保证两齿轮齿廓高副接触，它们在点的速度沿公法线方向的分量应相等。即,由于，,那么,故两轮的瞬时传动比为,分别以和为圆心、以和为半径作圆，这两个圆分别称为两轮的啮合节圆，简称节圆。两轮齿廓在节点啮合时,相对速度为零，即一对齿轮的啮合传动相当于它们的节圆作纯滚动。,齿廓啮合的基本定律图,.,第三节渐开线齿廓及其啮合特性,一、渐开线的形成和渐开线性质二、渐开线齿廓啮合特性,.,一、渐开线的形成和及渐开线性质,1.形成,2.性质,3.渐开线方程,极角：K=tanK-K,向径：,K：渐开线在K点的压力角，K：渐开线在K点的展角。,=invK,发生线沿半径为的基圆作纯滚动时，直线上任意点的轨迹称为该圆的渐开线。,（2）渐开线上任意一点的法线必是基圆的切线。,（4）渐开线的形状取决于基圆的大小。,（3）是渐开线在K点的曲率半径。,基圆越小，渐开线越弯曲；基圆越大，渐开线越平直；基圆为无穷大时，渐开线为斜直线。,.,二、渐开线齿廓啮合特性,根据渐开线性质，两齿廓在任意点啮合的公法线都是两基圆的一条内公切线。由于基圆的大小和位置都是不变的，因此两基圆一侧的内公切线是唯一的，该直线与连心线的交点C为定点，即节点固定。由此证明渐开线齿廓满足定传动比传动要求。故,为啮合点的轨迹，故又称为啮合线，为一条直线。啮合线与两轮连心线的垂线方向（节点的速度方向）所夹的角称为啮合角,它等于渐开线在节圆上的压力角。不计摩擦时，齿廓间作用力定向；转矩不变时，作用力大小不变。,渐开线齿轮的传动比决定于其基圆的大小，而齿轮一经设计加工好后，它们的基圆也就固定不变了，因此当两轮的中心距略有改变时，两齿轮仍能保持原传动比，这种中心距改变而传动比不变的性质称为渐开线齿轮传动中心距的可分性。,1瞬时传动比恒定不变,2中心距变动不影响传动比,3啮合线为直线,.,第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、基本参数和几何尺寸的计算,一、渐开线齿轮各部分的名称二、渐开线齿轮的基本参数三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算四、任意圆弧齿厚和公法线长度,.,齿顶圆：齿顶所在的圆，其直径和半径分别用和表示。齿根圆：齿槽底面所在的圆，其直径和半径分别用和表示。分度圆：具有标准模数和标准压力角的圆。它介于齿顶圆和齿根圆之间，是计算齿轮几何尺寸的基准圆，其直径和半径分别用和表示。基圆：生成渐开线的圆，其直径和半径分别用和表示。齿顶高：齿顶圆与分度圆之间的径向距离，用表示。齿根高：齿根圆与分度圆之间的径向距离，用表示。齿高：齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，用表示。齿厚：一个齿的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用表示。齿槽宽：一个齿槽的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用表示。齿距：相邻两齿的同侧齿廓之间的分度圆弧长，用表示。显然有。,一、齿轮基本尺寸的名称和符号,一、齿轮基本尺寸的名称和符号（标准直齿圆柱外啮合齿轮),.,齿数齿轮整个圆周上轮齿的总数。模数m齿轮的分度圆周长则规定=为整数或简单有理数且为标准值，称为分度圆模数，简称模数，单位mm。,二、渐开线齿轮的基本参数,注意：齿轮不同圆周上的模数是不同的，只有分度圆上的模数才是标准值。,=,4.齿顶高系数和顶隙系数齿顶高与齿根高的值分别表示为和式中，和分别称为齿顶高系数和顶隙系数。标准规定：正常齿，；短齿，。,注意：齿轮不同圆周上的压力角不同的，只有分度圆上的压力角是标准值。,3.压力角指分度圆压力角。由方程知:压力角是影响渐开线齿形的基本参数。,标准值,.,三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算,标准齿轮：具有标准模数、标准压力角、标准齿顶高系数、标准顶系系数并且分度圆上的齿厚等于分度圆上的齿槽宽的齿轮,.,0.350.70.91.752.252.75(3.25)3.5(3.75)第二系列4.55.5(6.5)79(11)14182228(30)3645,.,第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动,一、渐开线齿轮的正确啮合条件二、渐开线齿轮的连续传动条件三、齿轮传动的中心距及标准齿轮的安装四、齿轮和齿条传动,.,虽然渐开线齿廓能实现定传动比传动，但这并不意味着任意参数的一对齿轮都能进行正确的啮合（瞬时传动比不变）传动。要想使传动正确进行，那么（见书45页）,一、渐开线齿轮的正确啮合条件,因，于是正确啮合条件,.,二、渐开线齿轮的连续传动条件,1轮齿的啮合过程,啮合起始点,啮合结束点,2连续传动条件,理论啮合线,工程上,.,第六节渐开线标准齿轮的公法线和固定弦齿厚,.,弦齿厚测量,1.公法线长度,.,2.固定弦齿厚,见书48页,.,第七节渐开线齿廓的根切现象、变位齿轮的概念,一、渐开线齿轮轮齿的加工二、渐开线齿廓的根切三、变位齿轮传动,.,一、渐开线齿轮轮齿的加工,齿轮轮齿的加工方法很多，最常用的是切削加工法。此外还有铸造法、轧制法和线切割法、粉末冶金法等。而从加工原理来分，则可以分成成形法和范成法两种。,1.成形法用与渐开线齿轮的齿槽形状相同的成形铣刀直接切削出齿轮齿形的一种加工方法。,切削法,指状铣刀,盘状铣刀,插齿,滚齿,2.范成法范成法是根据一对齿轮的啮合原理进行切齿加工的。,齿轮形插刀,齿条形插刀,.,1）成形法加工齿轮图,（a）用圆盘铣刀加工（b）用指形铣刀加工,.,成形法加工的特点：产生齿形误差和分度误差，精度较低，加工不连续，生产效率低。适于单件生产。,.,2）范成法加工齿轮图,用范成法加工齿轮,滚齿,用齿轮插刀插齿,用齿条插刀插齿,.,.,范成法加工的特点：一种模数只需要一把刀具连续切削，生产效率高，精度高，用于批量生产。,.,二、渐开线齿廓的根切,1根切原因2不出现根切的最小齿数,.,1根切及原因,根切现象：用范成法加工齿轮时，有时会出现刀具顶部把被加工齿轮齿根部分已经切制出来的渐开线齿廓切去一部分，这种现象称为根切现象。,根切原因：刀具的齿顶线超过了理论啮合点。,齿条形插刀的齿廓形状,根切现象的原因,.,当、时，。,2不出现根切的最小齿数,加工标准齿轮，如不出现根切，刀具的齿顶线到节线距离应小于等于啮合极限点到节线距离即,稍微根切时,.,变位齿轮的概念,变位齿轮刀具的节线与中线不重合，加工出的齿轮在分度圆上的齿厚与齿槽宽不相等，这种齿轮称为变位齿轮。,三、变位齿轮,.,变位齿轮与标准齿轮比较,采用变位齿轮可以提高齿轮的强度和承载能力；改善齿轮的耐磨性和抗胶合性能；凑配中心距以及避免齿轮的根切。,正变位齿轮齿根高减小，齿顶高变大，齿厚变大，模数压力角不变，基圆分度圆不变，齿顶变尖,.,.,第八节平行轴斜齿圆柱齿轮机构,一、斜齿轮齿面的形成和斜齿轮传动的特点二、斜齿轮的基本参数三、几何尺寸计算四、斜齿轮传动的正确啮合条件五、重合度计算六、当量齿数七、交错轴斜齿轮机构简介,.,一、斜齿轮齿面的形成和斜齿轮传动的特点,1.齿面形成及其特点,直齿轮：发生线与轴线平行。齿面为渐开面。,斜齿轮：发生线与轴线成角。齿面为螺旋渐开面。,直齿轮,斜齿轮,2.传动特点,啮合时，斜齿轮的轮齿是逐渐进入啮合，又逐渐脱离啮合。斜齿轮传动传动平稳，冲击、振动和噪音小，重合度大，承载能力强，结构紧凑，广泛应用在大功率和高速齿轮传动中。,.,这就要求我们建立端面参数与法面参数之间的换算关系。,斜齿轮在垂直于螺旋方向的法面齿形不同于端面的渐开线齿形，故斜齿轮有端面和法面两套参数,二、斜齿轮的基本参数,端面：垂直齿轮轴线的平面。齿形是渐开线齿形。端面齿形参数为端面参数，用于有关的几何尺寸计算。如、。,螺旋角：与斜齿轮同轴线的任意圆柱面与斜齿轮轮齿的交线均为螺旋线。螺旋线的切线与齿轮轴线夹角为螺旋角。轮齿的旋向（螺旋线方线）有左旋与右旋之分。分度圆柱上螺旋线的螺旋角。基圆柱上螺旋线的螺旋角。左旋：沿轴线方向看，轮齿左边高、右边低。右旋：沿轴线方向看，轮齿右边高、左边低。,法面：垂直螺旋方向的平面。齿形不是渐开线齿形。法面齿形参数为法面参数，为标准值，与刀具参数同。如、。,左旋,右旋,.,端面参数与法面参数,1法面模数与端面模数,2齿顶高系数、和顶隙系数、,3法面压力角与端面压力角,由于,所以,.,三、几何尺寸计算公式,分度圆直径基圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径顶隙中心距,c=,c,a,a=,.,四、斜齿轮传动的正确啮合条件,或,或,(“-”代表旋向相反）,.,五、重合度计算,总重合度,轴面重合度,端面重合度,.,1.当量齿轮的概念与斜齿轮的法面齿形相当的直齿圆柱齿轮。2.当量齿数当量齿轮轮齿的个数。3.当量齿轮的作用代替斜齿轮进行强度计算。其齿数作为加工斜齿轮选择铣刀的依据。4.如何构造当量齿轮、计算当量齿数,b,r,a,b,六、当量齿数,.,斜齿轮的优缺点见书上54页,.,第九节直齿圆锥齿轮机构,一、特点与用途二、传动比与分度圆锥角三、圆锥齿轮的背锥、当量齿轮和当量齿数四、锥齿轮的参数及几何尺寸计算,.,1.用途,用于传递两相交轴之间的运动和动力。一般轴交角为=90o。圆锥齿轮传动振动和噪声都比较大，一般应用于速度较低的传动中。,2.锥齿轮的齿形特点,轮齿分布在圆锥体的表面上，对应圆柱齿轮中的各“圆柱”都将变成“圆锥”，如分度圆锥、基圆锥、齿顶圆锥、齿根圆锥等。圆锥齿轮的轮齿由大端至小端逐渐收缩，不同端面上的齿形是不一的，参数也不同。大端参数为标准值。任意端面上齿廓曲线均为球面渐开线。轮齿有直齿、斜齿和曲齿(圆弧，螺旋）等形式之分。,一、特点与用途,.,.,二、传动比与分度圆锥角,分度圆锥角:齿轮的分度圆锥母线与轴线所夹的角。大、小锥齿轮的分度圆锥角分别用和表示。,一对圆锥齿轮的啮合传动相当于一对节圆锥进行纯滚动。,圆锥齿轮传动的传动比为,如果=900，,.,做背锥将锥齿轮大端齿形投影在背锥上将背锥展成扇形齿轮将缺口补齐成圆形齿轮。,三、圆锥齿轮的背锥、当量齿轮和当量齿数,1.背锥与锥齿轮大端球面在分度圆处相切。图中圆锥。,2.当量齿轮与锥齿轮大端齿形十分接近的直齿圆柱齿轮。可用于代替圆锥齿轮使问题简化。,3.当量齿数当量齿轮的齿数。当量齿轮的参数与锥齿轮大端参数完全相同。,如何构造当量齿轮？,.,理论齿廓的形成,一个圆平面在一圆锥上作纯滚动时，平面上任一点的轨迹,齿廓曲面:圆平面上某一条半径上所有点的轨迹。,背锥及当量齿轮,.,1.配对条件,2.轮齿种类,等顶隙收缩齿：顶隙由大端至小端相等，润滑状况改善。,正常收缩齿：顶隙从大端至小端逐渐收缩。小端润滑差。,3.几何尺寸,四、锥齿轮的参数及几何尺寸计算,.,(正常齿）、（等顶隙收缩齿）,3.=900标准直齿圆锥齿轮几何尺寸计算公式,大端模数齿顶高齿根高分度圆直径齿根圆直径齿顶圆直径齿根角齿顶角根锥角顶锥角,标准值（见国标),m,=,=,.,大端参数m取标准值，=20,.,在机器中，常将一系列相互啮合的齿轮组成传动系统，以实现变速、换向、大传动比、分路传动、运动分解与合成等功用。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。,51齿轮系的分类,一、轮系的类型,1.定轴轮系(1).平面轮系：如果轮系中各齿轮的轴线互相平行，称为平面轮系（全部是圆柱齿轮）,根据轮系运转时齿轮的轴线位置相对于机架是否固定，又将轮系分为两大类：定轴轮系、周转轮系。,第五章齿轮系,.,(2).空间轮系：如果轮系中各齿轮的轴线不完全平行，称为空间轮系（有圆锥齿轮传动或蜗杆传动）,.,2、周转轮系,轮系中，至少有一个齿轮的几何轴线不固定，而绕其它齿轮的固定几何轴线回转，称为周转轮系,.,行星轮系类型：1.按复杂程度：,2.按自由度：,差动轮系:二中心轮都能转动（F=2）,行星轮系:二中心轮之一固定不动（F=1）,.,52定轴齿轮系传动比的计算,a输入轴b输出轴,轮系的传动比:轮系中输入轴和输出轴(即首、末两轮)角速度（或转速）的比值。,1.大小2.首、末两轮转向关系,一、定轴轮系中齿轮传动方向的确定(图上画箭头),1、一对圆柱齿轮传动外啮合:相反内啮合:相同,2、圆锥齿轮传动同时指向(或背离)节点,3、蜗杆传动左(右)手定则,.,蜗轮的转向可根据左、右手定则判定，即左旋用左手、右旋用右手环握蜗杆轴线，弯曲的四指顺着齿轮的转向，拇指指向的反方向即为与蜗杆齿相啮合的蜗轮齿接触点的运动方向。,蜗杆蜗轮旋向和转向的判别,如果已知蜗杆及蜗轮的转向，也可以用左、右手定则来判定蜗杆蜗轮旋向。,.,作用于主动齿轮轮齿上的轴向力方向判断可采用手握方法进行；即伸出与轮齿螺旋线旋向(左旋或右旋)同名的手握齿轮轴线，若令拇指以外的四指代表齿轮的回转方向，则拇指伸直(气齿轮轴线平行所指方向即为作用在主动齿轮轮齿上的轴向力方向。而根据牛顿法则，从动齿轮的轴向力，与主动齿轮的轴向力大小相等、方向相反。即对主动轮而言，左螺旋线用左手，右螺旋线用右手。握住主动轮轴线，除拇指外其余四指代表旋转方向，拇指指向即主动轮轴向力方向，从动轮轴向力方向与其相反、大小相等。,.,二、定轴轮系传动比计算,1、平面定轴轮系,.,.,2、空间定轴轮系大小仍用公式计算,但首末两轮的转向关系只能在图上画箭头得到.(若首末两轮轴线平行,在大小数值前加正负号),.,惰轮(过轮):不影响传动比大小只起改变转向作用的齿轮,.,.,53行星齿轮系传动比计算,一.单级行星齿轮系传动比的计算,.,.,4.是利用定轴轮系解决行星轮系问题的过渡环节。,2.代入已知转速时，必须带入符号，求得的转速与哪个已知量的符号相同就与谁的转向相同。3.不是周转轮系的传动比.,2.转化轮系传动比的计算遵循定轴轮系的计算准则。,注意：1.公式只适用于G,K,H平行的场合。,.,例行星轮系如图所示。已知Z1=15,Z2=25,Z3=20,Z4=60,n1=200r/min,n4=50r/min,且两太阳轮1、4转向相反。试求行星架转速nH及行星轮转速n3。,.,例图示的输送带行星轮系中，已知各齿轮的齿数分别为Z1=12,Z2=33,Z2=30,Z3=78,Z4=75。电动机的转速n1=1450r/min。试求输出轴转速n4的大小与方向。,.,组合行星齿轮系传动比计算,关键是找出行星轮系，剩下的就是定轴轮系。,在计算混合轮系传动比时，既不能将整个轮系作为定轴轮系来处理，也不能对整个机构采用转化机构的办法。,计算混合轮系传动比的正确方法是：,（1）首先将各个基本轮系正确地区分开来,（2）分别列出计算各基本轮系传动比的方程式。,（3）找出各基本轮系之间的联系。,（4）将各基本轮系传动比方程式联立求解，即可求得混合轮系的传动比。,.,例1：已知各轮齿数，求传动比i1H,1、分析轮系的组成,1，2，2，3定轴轮系,1，4，3，H周转轮系,2、分别写出各轮系的传动比,定轴轮系：,周转轮系：,3、找出轮系之间的运动关系,4、联立求解：,.,例2：,电动卷扬机减速器Z1=24，Z2=48，Z2=30，Z3=90,Z3=20，Z4=30，Z5=80,求i1H,（H，5为一整体）,（一）1，2-2，3，H周转轮系,3，4，5定轴轮系,（二）,（三）,（四）联立,.,1、传递相距较远的两轴之间的运动和动力；,54齿轮系的功用,.,2、获得大的传动比：一对外啮合圆柱齿轮传动，其传动比一般可为i0，Z3。2、：槽轮的运动时间总小于静止时间。3、要使，须在构件1上安装多个圆销。设k为均匀分布的圆销数，由上式可知：当Z=3时，圆销的数目可为15；当Z=4或5时，圆销的数目可为13；而当Z6时，圆销的数目可为12。一般情况下Z=48。,.,6-3不完全齿轮机构,(一)、不完全齿轮机构的工作原理和类型,外啮合不完全齿轮机构,.,从动轮每转一周的停歇时间、运动时间及每次转动的角度变化范围都较大，设计较灵活；但加工工艺复杂，从动轮在运动开始，终了时冲击较大，故一般用于低速、轻载场合。,内啮合不完全齿轮机构,.,第七章机械的平衡及调节回转体平衡和机械调速是两个不同的机械动力学问题。在机械设计中，特别是设计高速机械和精密机械时必须予以考虑。71机械平衡的目的、分类及方法1.目的：机械运动时，各运动构件由于制造、装配误差，材质不均等原因造成质量分布不均，质心做变速运动将产生大小及方向呈周期性变化的惯性力。（1）在构件运动副中引起附加动压力。（2）加剧运动副磨损，降低机械效率。（3）降低构件有效承载能力，缩短寿命。（4）引起机器及基础产生强迫振动，影响机械工作质量。（5）当震动频率接近系统的共振范围时，将会波及到周围的设备及厂房建筑。对于高速、重型和精密机械，惯性力的不良影响更为严重。为了完全或部分消除这些不良影响，需设法减少或消除惯性力，这就是机械的平衡问题，也是机械平衡的目的所在2.分类：1).转子平衡转子平衡问题：绕固定轴线回转的构件的惯性力和惯性力矩的平衡问题。刚性转子的平衡挠性转子的平衡,.,2)机构平衡机构的平衡问题：对整个机构而言，所有构件的惯性力和惯性力矩，可以合成为通过机构总重心的总惯性力和总惯性力矩。它们可被部分或完全地平衡。有关它们的平衡问题即为机构的平衡问题。机构的平衡：为了减小或消除机构中各构件的惯性力和惯性力矩所引起的振动、附加动压力和减小输入转矩波动而采用的改善质量分布、附加机构等的措施，称为机构的平衡，如内燃机曲柄连杆机构等的平衡。3.研究机械平衡的方法计算法：图解法与解析法。图解法简单方便；解析法计算结果准确，它们皆用在各不平衡质量大小及质心位置已知的情况下。试验法则适用于各平衡质量大小及质心位置未知的情况下或虽经计算法加平衡配重平衡，但实际由于材质不均匀、安装制造误差等原因，往往仍达不到预期的要求时，可用试验法平衡之。这里主要阐述图解法。,.,一、转子平衡的分类1.概念：由于转子结构不对称、材质不均匀、制造和安装误差等原因，均会引起偏心(质心偏离形心)。由于偏心将导致转子运转时产生离心惯性力，从而使转子处于不平衡状态。在转子上加减配重，以改善转子的质量分布，从而保证转子在运转时，由不平衡而引起的振动或振动力减小到允许范围内的措施称为转子平衡2.分类：根据转子不平衡质量的分布情况，转子的平衡可分为静平衡和动平衡。1)静平衡对于轴向尺寸较小的零件，也称为盘状零件（直径D与宽度L之比:：D/L5），如飞轮、砂轮等，其质量分布可以近似认为在同一回转面内。当回转件匀速转动时，各质量所产生的离心力构成同一平面内交于回转中心点的力系。如果该力系不平衡，则它们的合力不等于零。为了使力系达到平衡，只需在同一平面内加上一个平衡质量，使其所产生的离心力等于原离心力的合力且方向相反。这样，加上一个平衡质量后，由回转件上各质量所产生的离心力组成的力系就达到平衡。这种平衡称静平衡。,72转子的平衡,.,2).动平衡,对于轴向尺寸较大的回转件（直径D与宽度L之比:：D/L5），即称为轴类零件，如电动机的转子、机床主轴等，其质量分布不能近似地认为是位于同一回转面内。这类回转件转动时产生的离心力不再是平面力系，而是空间力系。因此，单靠在某一回转面内加一平衡质量的静平衡方法不能使这类回转件转动时达到平衡。对于这种转子的不平衡问题进行平衡时，一般的方法是先选定两个辅助平面，再将各个质量按其所在平面与两辅助平面的距离的比值，按比例将质量分解到两辅助平面上，最后再采用静平衡的方法使这两个辅助平面达到静平衡。（亦称双面平衡）,动平衡,静平衡,一定,不一定,.,二、转子平衡的计算,1.静平衡的计算原理：对于轴向宽度不大的转子，其质量可近似认为在同一回转平面内，回转体其质量不平衡产生的离心惯性力可用平面汇交力系表示，因合力不为零回转体不平衡，产生不均匀转动，转速逐渐降低，静止时合力方向在铅垂线轴心下方。在铅垂线上方，做一平衡质量mb，使其产生的离心力与汇交力系合力矢大小相等，方向相反，这样，回转体才能平衡，保持均匀转动。,计算：如图示回转体，以角速度回转时，其质量产生的离心惯性力构成了一个平面汇交力系，若此力系的合力不为零，则该回转体不平衡。若使回转体平衡，则应在回转体内，增加或减少一平衡质量。使其产生的离心力Fb与原力系的离心力的矢量和Fi等于零，此时回转体必达到平衡状态。,平衡的条件：F=Fb+Fi=0式中：F为总离心力。分别用质量和向径表示，可写成mr2=mbrb2+miri2mr=mbrb+miri=0式中mr、ri分别为回转平面内各偏心质量及其向径；mb、ri分别为平衡质量及其向径。mr称为质径积，若等于零则表示总质心与回转体轴线重合，回转体质量对回转轴线静力矩等于零，称为静平衡。由此可见，机械静平衡的条件是所有质径积的矢量和等于零。,.,.,有时受实际结构所限，不便在该回转面内增、减平衡质量，如图示单缸曲轴则需另选两个校正回转平面和，在两个校正平面内增加平衡质量，使回转体得到平衡。由力系的平行合成原理得：m1r1=mbrbL2/Lm2r2=mbrbL1/L由此可知：任一质径积都可用任意选定的两个校正回转平面、的两个质径积代替。若矢径不变，任一质量都可用任选的两个回转平面内的两个质量来代替。,.,轴向尺寸较大的回转体，其质量不可能分布在同一回转平面内(见书上83页图7-4），但可以看作是分布在垂直于轴线的若干个相互平行的回转平面内，各平行平面内的不平衡质量所产生的离心力就形成了空间力系。这类回转体即前面提到的动不平衡，为使动不平衡的回转体达到完全平衡，必须满足如下条件：Fi=0Mi=0即不仅使其各不平衡质量所产生的惯性力之和为零，而且要使这些惯性力所形成的惯性力偶矩之和也为零。满足上述条件的平衡称为动平衡。由于动平衡同时满足了静平衡条件，故达到动平衡的回转体一定是静平衡的，但满足静平衡的回转体不一定达到动平衡。,2.动平衡计算,.,.,.,三、转子的平衡试验,动平衡试验一般用于D/d5或有特殊要求的回转体，由动平衡得知，必须分别在任意选定的两个校正平面内各加适当的质量，才能使回转体达到平衡。先令回转体在动平衡机上运转，然后在两个选定平面内分别找出所需平衡质径积的大小和方位，从而达到平衡。转子的静平衡试验法对于经平衡计算在理论上已经平衡的转子，由于其制造精度和装配的不精确、材质的不均匀等原因，就会产生新的不平衡。但这种无法用计算来进行平衡，而只能借助于实验平衡。,平衡实验是用实验的方法来确定出转子的不平衡量的大小和方位，然后利用增加或除去平衡质量的方法予以平衡。(1)实验设备:导轨式静平衡仪、滚轮式静平衡仪。(2)实验方法：先将转子放在平衡仪上，轻轻转动，直至其质心处于最低位置时才能停止,此时在质心相反的方向加校正平衡质量，再重新转动。反复增减平衡质量，直至呈随遇平衡状态，即转子达到静平衡。,.,.,利用试验的方法确定转子不平衡质径积的大小和方位总会有一定的误差，经过平衡的转子还有一定的残存不平衡量，若采用较为精密的平衡设备和技术会使转子的制造费用提高，因此工程上不过高追求平衡，达到许用不平衡量即可。转子许用不平衡量：me=mre=mr/m(偏心距）国际标准化组织以G=ew/m(mm/s)(平衡精度等级）见书上例7-1,.,械速度波动的调节的目的和方法机械是在稳定运转阶段内工作，其速度有两种情况：一是作等速稳定运转；二是作周期性变速稳定运转。当机械作周期性变速稳定运动时，在一个周期内，驱动功等于阻力功，但在周期的每一瞬间，驱动功与阻力功两者并不相等；当驱动力功大于阻力功时，动能增加，出现盈功；当驱动力功小于阻力功时，动能减少，出现亏功。机械动能的增减，引起速度的波动，这种速度波动称为周期性速度波动。调节周期性速度波动最常用的方法，是在机械中加一个转动惯量足够大的飞轮。盈功使飞轮动能增加，亏功使动能减少。飞轮的动能变化为,74机械速度波动的调节,当机械能量增减的规律不变时，飞轮可使机械速度的波动减少，适当设计飞轮的转动惯量可把周期性的速度波动限制在允许的范围内，如图示，虚线为未安装飞轮时的速度波动，实际为安装飞轮后的速度波动。,.,1.周期性速度波动当外力（驱动力和阻力）作周期性变化时，机械的运动速度（如主轴的角速度）也会作周期性的波动。另外，在一个运动周期T内，当驱动力所作的功与阻力所作的功相等时，以主轴回转为例，角速度的波动。，在周期中的某个时刻，驱动力所作的功与阻力所作的功并不相等，因而造成了速度的波动，但速度的平均值还是稳定在一定值上。对于周期性速度波动，调节的主要方法是在机械中加入一个转动惯量很大的回转件飞轮，以增加系统的转动惯量来减小速度变化的幅度。飞轮调速原理：机械作变速稳定动转时，当驱动功大于阻力功出现盈功时，飞轮将多余的动能贮存起来，以免原动件的转速增加太多；反之，当驱动功小于阻力功出现亏功时，飞轮将贮存的动能释放出来，以使原动件的转速降低不大。这样可以减小机械运转速度变化的幅度。,.,.,2.非周期性速度波动如果驱动力或阻力无规律地变化，会引起机械运转速度波动规则随机且无一定周期，这种现象称为非周期性波动，此时飞轮已不能达到调节速度的目的，需采用特殊的调速器。当外力（驱动力和阻力）的变化是随机的、不规则的，没有一定的周期性时，机械和速度也呈非周期性波动。当盈功过多时，速度可能变得太快；当亏功过多时，速度可能变得太慢。为此，必须调节驱动力作功和阻力作功的比值，此时飞轮已不能满足要求，只能采用特殊的装置使驱动力所作的功随阻力作功的变化而变化，并使两功稳于平衡，以使机械平稳运转。这种特殊的装置称为调整器。（见调速器的原理）,.,一定时，越小，表示机械运转越均匀，运转的平稳性越好。不同机械其运动平稳性的要求不同，许用不均匀系数也不同。各种不同的机械对速度的波动有不同的要求，即根据设计要求规定不同的不均匀系数的许用值。几种常见机械的不均匀系数的取值范围见表72。,二、机械运转的平均速度和不均匀系数若已知机械主轴角速度随时间变化的规律时，一个周期角速度的实现平均值m为：m=(min+max)/2;=(max-min)/m,.,三、飞轮设计简介1.飞轮设计的基本原理飞轮的调速是利用它的储能作用，在机械系统出现盈功时，吸收储存多余能量，而在出现亏功时释放其能量，以弥补能量的不足，从而使机械的角速度变化幅度得以缓减，即达到调节作用。当机械系统的等效构件上装加一个转动惯量为的飞轮之后，需飞轮储存的最大盈亏功为WmaxEmaxEmin，其等效构件的速度不均匀系数则为Wmax/（JeJF）m2由此可知，只要JF足够大，就可使减少，则满足，即达到了调速的目的。飞轮转动惯量的近似计算：为了使机械系统满足的要求，需加装等效构件上的飞轮转动惯量为JF的计算公式为：如果，如果用平均转速n(r/min)计算，则JF900Wmax/(n22)。由此可知,飞轮转动惯量的计算关键是最大盈亏功Wmax的确定。在获得同样的调节效果的情况下，最好将飞轮安装在机械的高速轴上。这样有利于减少飞轮的转动惯量（减小飞轮的尺寸）。在设计时，还应考虑安装轴的刚性和结构上的可能性等。,.,见书上89页,.,2、飞轮的结构,圆周速度限制：铸铁飞轮Vmax=36m/s,铸钢飞轮Vmax=50m/s，飞轮不一定是外加的专门构件，实际机械中往往用增大皮带轮或齿轮的尺寸和质量的方法，使它们兼起飞轮的作用，这种皮带轮或齿轮同时也是机器中的飞轮。（书上例7-2，确定飞轮的转动惯量）,.,本章小结（1）机械的惯性载荷将严重影响机械工作的平稳性、影响机械的运动质量、降低机械零件的工作寿命，同时还将引起机械本身及周围环境的冲击和振动，甚至造成非常危险的后果。惯性载荷与速度有关，对于高速运转的机械来说，应十分重视惯性载荷问题。另外，造成构件的质心偏离回转中心的原因很多，如：几何形状、制造精度、安装误差、材质不均等。当测出不平衡量（质径积）和方位后，一般采用增减质量法进行平衡。但也有的机器其工作原理就是利用惯性载荷的。（2）机械的速度波动是绝对的，普遍存在的，而速度恒定是相对的。不同的机械对速度稳定性的要求也是不同的。当机器对速度有控制要求时，应增加调速功能。调速的方法不外乎是通过改变驱动力所作的功或改变阻力所作的功来实现。,.,8.1机械设计的基本要求,机械设计包括以下两种设计:,应用新技术、新方法开发创造新机械；,在原有机械的基础上重新设计或进行局部改造。,8.1.1设计机械零件的基本要求,工作可靠并且成本低廉;,零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。,失效:指零件由于某些原因不能正常工作。,第八章机械设计概述,.,设计机械零件要注意以下几点：,（1）合理选择材料，降低材料费