机械设计基础

机械设计基础讲义机械设计部分机械设计总论:载荷的应力分类：1）载荷分为变载荷和静载荷；零件所受的是静载荷还是动载荷比较容易判断，单在分心零件的手力时比较容易出错。零件受静载荷时可能产生静应力也可能产生变应力；零件承受变载荷是产生的变应力；（火车的轴载平稳运行时承受的是静载荷，但是产生的是变应力）2）工作载荷：机器正常工作时所受的实际载荷（一般难以确定）T=9.55xl06-名义载荷：按原动机功率求得:应力系数为最小应力与最大应力的比值。静应力的应力系数为1，脉动为名义载荷：按原动机功率求得:应力系数为最小应力与最大应力的比值。静应力的应力系数为1，脉动为0.对称为-1.静应力作用时在危险截面处产生塑性变形或最终断裂；变应力作用时为疲劳破坏。3）非常重要的一个公式，建议记忆：两个圆柱体相接触是的赫兹应力公式为：d=： *-^，\n[(1—u2/E1)+(1-u2/E2)L*pr1*r2其中P表小综合区率，p= ,（r1,r2曲率）外啮合为正，内啮合为负。r2土r14）无论是稳定的还是非稳定应力都可能是简单的应力也可能是复杂的应力。在机械零件上的应力类型和应力循环次数，对零件的极限应力有明显的影响，所以应力的类型和应力的循环次数不同，其极限应力和安全系数的确定方法也不同。5）极限应力曲线及公式计算公式为:。为再二玲电二C6） 考虑应力集中，绝对尺寸，表面光洁度等对极限应力的影响应力集中出现在零件表面尺寸突变处；零件的绝对尺寸越大，则晶粒越不均匀，那么极限应力越小；表面光滑或者做了表面处理的时候会增加极限应力；7） 磨损的过程，先磨合磨损，后稳定磨损，最后剧烈磨损。8） 润滑油的作用：降低机器摩擦损耗，提高机器效率；减少或者防止机器摩擦副的磨损；在润滑过程中可以降温；可以保护工件不受空气氧化；可以缓冲和吸振；齿轮传动部分齿轮传动是机械设计的基础章节，也是出题，包括填空题，选择题的出题重点章节。内容十分庞杂，知识点众多，需要反复的记忆。以记忆为主.重点内容：齿轮传动的实效形式；各类齿轮的受力分析；圆柱齿轮计算中的重要概念。1）.。齿轮的实效形式：齿根弯曲疲劳折断应对措施一般是：采用正变位齿轮以加大齿根的厚度；增大齿根圆角半径以减小应力集中；采用表面强化处理齿面疲劳点蚀，主要出现在软齿面齿轮中；应对措施：采用提高齿面的硬度和降低表面的粗糙度；采用大的变为系数齿轮以增大综合曲率半径从而降低应力；采用粘度较高的润滑剂齿面胶合提高齿面硬度降低齿轮齿面粗糙度值；减小模数，降低齿高；采用抗胶合能力强的材料齿面塑性变形只有软齿面齿轮的重载齿轮才会出现这种情况。齿面磨损，其中在开式齿轮中最主要的实效形式就是齿面磨损。开式齿轮传动实际上就是没有缸盖的齿轮传动形式，外界的杂物包括空气中的颗粒都很容易进入啮合点。而一般的杂质SiO2硬度比齿轮的材料的硬度要大很多，所以很容易就产生了磨损。2） 齿轮的受力分析：直齿轮的受力分析主要是转矩和力的互换，原则就是主动轮和从动轮的效率相等。名义载荷与计算载荷的区别；载荷系数分别是哪些；斜齿轮的受力分析：核心要点就是要记住，所有的几个力都可以在一个长方体中很清晰的表达出来。根据赫兹应力公式可知，齿轮的接触强度与齿轮的大小有关而与模数无关！画出啮合图像，啮合时两个曲面的曲率为切线；模数增大，如果齿轮轮胚不改变，则综合区率也不一定会增大，应力不会改变；齿轮的危险截面：齿根危险截面，作与齿轮对称中心成30°的曲线，与过度圆相切，连接两个切点；斜齿轮和涡轮蜗杆传动的受力的画法一致，都是画一个长方体，然后总的合力就是长方体的对角线。其中各分力的方向判断非常重要。3） 指南第28页齿轮传动综合分析是一个重点。4） 重点：圆柱和斜齿轮应力计算公式。本身是不会出这样的题，但是会出于这两个公式相关的题，比如要求减小应力的措施和他们的比例关系等等。5） 一对齿轮的接触应力是相等的，应为他们之间是作用力与反作用力的关系，相互接触的两个点的力相等，接触面积相同，那么他们的应力自然要相等了。而齿轮的许用接触应力不相等，接触强度也就一般不相同。而相接触的齿轮齿根的弯曲是不相同的。6） 齿轮齿数的选择：软齿面齿轮在满足弯曲强度的情况下，齿数应该尽量多；软齿面齿轮主要失效形式为点蚀；硬齿面齿轮主要失效为折断，因此，Z不应该选得过大；标准齿轮，齿数大于17,为了避免根切；其他需要记忆理解的内容是在指南的第29,30两页。需要很好的理解消化。涡轮蜗杆传动优点是：传动比大，结构紧凑，传动平稳，噪声低，能自锁；缺点是：效率低下，摩擦发热大；需要消耗有色金属；不适合大功率连续工作；本章主要了解阿基米德蜗杆传动的几何参数的计算以及选择方法，了解实效形式，掌握涡轮蜗杆的材料选择。涡轮蜗杆的受力分析以及效率问题。涡轮传动的有点缺点以及热平衡等。涡轮蜗杆传动主要是在中间平面上讨论。1） 涡轮传动是刚性传动，具有固定的传动比。刚性传动都具有固定的传动比。包括齿轮传动和涡轮传动。柔性传动包括带传动和链传动，他们没有固定的传动比。2） 主要的失效形式大题和齿轮传动相同。3） 涡轮传动的正确啮合条件是：模数相同，压力角相同，旋向相同且涡轮的螺旋角和蜗杆的升角度数相等。4） 由于制造工艺的需求我们定义了一个直径系数。它是分度圆直径与模数的比值。直径系数q对传动的影响。若Q增大则直径增大，蜗杆刚度增强。当头数一定是，增大q使得效率降低。5） 涡轮蜗杆的受力分析和斜齿轮传动的受力分析方法一样，同样是作长方体。受力方向具体分析，在机械原理中会有用到。涡轮蜗杆传动的效率很低，所以在进行力的计算时不得以涡轮和蜗杆效率相同的方法来进行计算。6） 实效形式以及材料的选择。涡轮传动由于啮合处的相对运动速度很大，所以抓哟的实效形式就是点蚀，胶合和磨损。高速时涡轮采用锡青铜，低速时采用无锡青铜或者铸铁。一般实效的都是涡轮。因为蜗杆一般情况下采用的是钢制材料。7） 热传动效率和热平衡计算。螺旋副的效率计算公式。闭式蜗杆传动的总效率包括：轮齿啮合效率，轴承损耗功率的效率，搅油损耗的效率；效率公式：挠性传动带传动1）带传动的工作原理和优缺点、应用范围等带传动属于摩擦传动，以用带与带轮之间的摩擦力来进行力的传动。主要优点是:结构简单，传动平稳，能缓冲，具有过载保护（打滑）以及可以传递很大中心距。缺点就是由于弹性滑动，传动比不准确，由于有相对的摩擦，效率相对较低；由于需要张紧才能正常运转，轴与轴承的压力较大。有时需要张紧轮。2）带传动的工作情况分析，是本章的重点。3） 带传动的应力分析。带传动的应力主要由这样几部分构成：拉应力（非工作时松边和紧边相同），离心拉力和弯曲应力。一般情况下占应力最大部分的是弯曲应力，也是基于这样的原因，我们需要规定带轮的最小直径。（在机械设计制造中一般都是用直径，而不是用半径，因为半径是无法准确测量的）4） 带的打滑与弹性滑动带传动是一种摩擦传动，所有的带传动都是具有弹性滑动的，也就是说弹性滑动是和带传动同生共死的，有带传动就有弹性滑动。弹性滑动是不可避免的。而打滑实际上就是弹性滑动的极限，是一种实效形式，是需要避免的。从弹性滑动到质变的过程是由量变到质变的过程。5） 不打滑的条件就是带所传递的圆周力要小于带和带轮指尖的最大摩擦力，最大摩擦力可以通过计算得到。最大摩擦力和最小包角（小轮拉力）、初拉力、摩擦系数有关。6） 计算时应该注意的问题是:只有在极限条件下力传递的几个公式才可以使用。链传动1） 链传动也是挠性传动。主要分为滚子链和齿形链。和带传动相比主要优点是能在恶劣环境中工作，传递动力的能力较强，没有滑动，平均传动比等于常数。主要缺点就是：瞬时传动比不恒定，工作时产生冲击，震动大，噪声大;制造成本比带传动高；不宜用在载荷变化大或者有急速辨向的工作环境中。2） 主要考点：链传动的多边形效应。节距越大，转速越高，齿数越少，那么多边形效用就越严重。在设计是必须限制齿数和速度。选择小节距的链条也有利于减小多边形效应。3） 主要失效形式为：铰链磨损，发生跳齿或者脱链而导致失效；链条疲劳破坏；多次冲击破坏；胶合；过载拉断，链轮轮齿磨损或者塑性变形。4） 为了使链条连成环形时刚好是外链板与内链板相连，链节数刚好为偶数；轴和轴毂连接、联轴器轴可以分为心轴、转轴和传动轴三类；心轴只收弯矩；转轴既收弯矩又受扭矩作用；传动轴主要受到扭矩作用；轴的常用材料是碳素钢和合金钢；轴的毛坯多用轧制的圆钢或者锻钢；轴上零件的轴向固定：轴肩或者轴环；轴端挡圈；圆螺母和套筒；弹性挡圈；紧定螺钉和挡圈；

轴的轴向固定是重点.轴向固定分为：键连接、花键连接、成型连接和过盈连接；键连接：键通常分为平键连接、半圆键连接和斜键连接。平键连接的作用面为两个侧面（注意平键连接的画法）；半圆键连接也靠侧面受力，可以随着轴的变化而转动，对轴的削弱很严重，用于轻载；斜键的上下两键为工作面；花键连接相对平键连接有较高的承载能力，有很好的定心性和导向性；适用与载荷较大或者变载荷以及定心要求很好的场合；联轴器是用来将两个轴连接在一起，以传递运动和转矩。联轴器分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器。需要记住各个联轴器的特点和用途。轴!轴!滑动轴承1） 轴承是支承转动（或摆动、直线移动）的轴类运动部件，保证轴和轴上传动件的工作位置和精度，减少摩擦和磨损，并承受载荷。2） 推理滑动轴承只能承受轴向力，与径向轴承联合使用才能同时承受轴向和径向载荷；一般端部设计成多油楔形状结构。3） 典型的滑动轴承最主要的零件是轴瓦（套）和支承轴瓦的轴承座。按照其承受载荷的方向分为径向滑动轴承和推力（也称止推）滑动轴承。按其结构形式又分有整体式、剖分式和自位式滑动轴承。轴瓦和轴承衬轴瓦（轴套）是滑动轴承中最重要的零件，其结构的合理性对轴承性能有直接的影响。为了有较高的承载性和节省贵重材料，常在轴瓦的工作表面增加一层耐磨性好的材料，称为轴承衬，形成双材料轴瓦。4） 轴承的选择填空题常出现关于滑动轴承的材料选择问题。根据不同的用途选择不同的轴衬轴瓦很重要。一般的轴瓦材料主要是：粉末冶金，金属轴承（轴承合金（巴氏合金），铜合金等，还有非金属轴承。巴氏合金减磨性能最好，有很好的抗胶合性能和耐腐蚀性能，弹性模量和弹性极限很低，一般作为轴承衬附着在轴瓦上形成双金属轴承。轴瓦上或轴颈除有油槽。5） 滑动轴承的约束条件就是维持边界油膜不受破坏。滑动轴承的约束性设计包括：速度约束【v】为了防止在运行过程中出现加剧磨损，压力【p】约束为了保证润滑油不被挤出和避免工作面过度磨损，功率约束【pv】防止过热。需要对这三个量进行分别的限制。6）掌握液体摩擦产生的三个条件：相对运动表面必须形成收敛的楔形面；被油膜分开的两个表面必须具有一定的相对速度，其运动方向必须使得油从大口流向小口；润滑油必须具有一定的粘度7） 设计约束分析。定性了解相对间隙、偏心率对油膜总压力的影响。知道承载系数、摩擦特性系数、流量系数随着偏心率变化的大致走势。8） 参数选择：1.相对间隙越小，承载能力越高，但是随着相对间隙的减小，又增大摩擦系数，轴承升温，润滑油粘度降低，承载系数减小；通常要求运转平稳、转速低、载重大的情况下选择较小的相对间隙，反之相反。2.宽颈比大，承载能力大，耗油小，温升大。反之相反。3.润滑油粘度高承载能力强，温度高，粘度下降，承载能力降低。9） 多油楔滑动轴承。由于单油楔轴承在受到干扰的情况下容易失去平衡，所以发明出多油楔轴承。对于一般轴承转速高，载荷小，轴承容易失稳。多油楔轴承精度高，稳定性好，但是耗油量大。滚动轴承本章要求：正确选用轴承，准确分析轴承代号，掌握轴承动载荷计算方法和疲劳寿命的计算。和滑动轴承比较滚动轴承的优点：摩擦力矩和发热较小，启动转矩比滑动轴承小很多；维护方便，润滑剂消耗少；轴承单位宽度的承载能力大；减少有色金属的消耗；缺点是：径向外廓尺寸大；接触应力高，承受冲击载荷能力低；小批量生产成本高；减震能力差；滚动轴承涉及到考研的大题计算，应当引起足够的重视。计算填空选择题都是可以出题的。而且几乎每年都会有关于轴承的计算问题。在结构改错题中也是有很多的地方需要运用到轴承的知识。1） 认识轴承的结构，掌握轴承命名法则，记住各类轴承的代码。接触角的概念:滚动体与外圈的结合处的法线方向与半径方向的夹角。2） 滚动轴承的选择。通常球轴承用于高速轻载旋转精度高的情况下，而在重载低速情况下选用滚子轴承。纯径向载荷选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承以及滚针轴承；受纯轴向载荷时选用推力轴承；承受轴向和径向载荷时选用角接触轴承和圆锥滚子轴承；若轴向载荷很小可以采用深沟球轴承；3） 轴承的失效形式。疲劳点蚀、塑性变形，磨粒磨损和粘着磨损。一般对于滚动轴承的约束性设计是考虑轴承的疲劳破坏，也就是在设计时考虑轴承的疲劳寿命4）滚动轴承的疲劳寿命计算（考点）（1） 基本额定寿命的计算。轴承的基本额定寿命L10指的是指同一批相同的轴承在相同的条件下10%的轴承损坏的总转数。工作载荷越大寿命越短。（以10A6为单位）（2） 轴承的基本额定动载荷是指，使得一批轴承在运转了1000000转时刚好有10%的轴承产生疲劳破坏的动载荷。C（3） 计算公式、=（p）j其中上角标当轴承为球轴承时取3，当为滚子轴承时取10/3.C为基本额定动载荷，p表示当量动载荷。（4） 当量动载荷的计算P=XFr+YFa，计算重点是参数X.Y的选择（5） 轴向载荷的计算。第一步，判定轴承内部轴向力的方向。第二步判定紧轴承和松轴承。第三步按照静力平衡关系算出轴向力。再按照轴向力与径向力的关系求出参数XY。得出载荷值。改错题（考点）一般的错误归纳为：1） 支点轴向固定错误2） 弹性挡圈多余3） 在刚盖上没有垫片无法调整轴承的间隙4） 运动部件与非运动部件接触5） 没有挡油环6） 端盖未考虑密封，应设有挡油装置7） 加工面过大（螺栓连接，端面需要加工）8） 两个键槽不再一条线上，导致加工困难9） 三面贴合（过定位）10） 精加工面过大11） 轴承无法拆卸改错题典型例子如图所示:螺纹连接螺纹连接主要是通过螺纹进行工作计算的，必须熟练掌握螺纹的基本参数，常用螺纹的种类、特性、放松极其具体应用。螺纹连接，螺栓和螺母都是已经标准化的标准零件，在画螺纹时，螺纹的大小都是已经固定的，不能随意。其中梯形螺纹是应用最广泛的一种螺纹。本章重点内容主要有：1） 螺纹的基本知识，常用的牙型、特性极其应用。2） 螺纹连接的类型。特点、放松原理。连接的主要类型有螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接和紧定螺母连接。螺栓连接分为普通螺栓连接和铰制孔螺栓连接。3） 螺栓组连接的受力分析4） 单个螺栓连接的强度计算5） 螺栓组连接的综合计算其中螺栓连接的综合计算问题有可能会出大题，是历年出大题的热点。轴承支撑：轴承支撑一共分为三种情况分别是两端固定、两端游动、和一端固定一端游动。两端固定一般是轴两端的端盖分别固定轴承的两个外圈，而内圈由轴肩限制位移；一端固定一端游动：当轴承长或者温升高时需要设置游动端；这种形式固定管内外圈都采取两端固定；另一端只固定内圈；人字齿轮轴承一般为两端游动。

机械原理平面的结构分析1） 基本概念：零件是制造的最小单元，而构件时机械运动的最小单元体，一个构建可以由多个零件构成。构成机构的基本要素是：构件和运动副。运动副是相对运动的两构件的接触组合。包括高副和低副。高副表示的是运动构件之间的点线接触，而低副指的是构件之间的面接触。2） 机构简图的画法；3） 具有确定运动的条件是：机构自由度大于等于1；原动件个数等于机构自由度。4） 平面自由度的计算（重点）自由度计算时需要注意的问题包括：虚约束和局部自由度，还有复合铰链。其中虚约束是最容易搞错的地方，需要引起注意。虚约束的形式为：（1）用转动副连接的是两个构件上运动轨迹本来相同的点，没有这个约束二个点也是这么运动（2）二个构件最多形成一个低副，所有机架被视为一个构件。（3）机构中完全对称的部分可以直接去掉。虚约束具体形式:两个部件之间有多个低副对称

虚约束具体形式:两个部件之间有多个低副对称平行平行5）杆组拆分和高副低带。高副低带的方法是：先找到高副的两个元素，再找两个副元素的曲率中心。连接曲率中心即得到。平面连杆机构平面连杆机构最基本的是四杆机构，其他复杂的机构很多都是四杆机构演变而来的。1） 基本概念：四杆机构中固定的称为机架，连接机架的称为连架杆，共有两根连架杆。连接两根连架杆的称为连杆。可以做整周运动的连架杆称为曲柄，而不能做整周运动的连架杆称为摇杆。2） 四杆机构的演化3） 铰链四杆机构有曲柄的条件是：（1）最短杆与最长杆之和小于中间两杆（2）连架杆与机架必须有一个为最短杆。如果满足着两个条件，连架杆为最短杆，则是曲柄摇杆机构；若最短杆为机架则为双摇杆机构；其他的各种情况都是双摇杆机构。（重要）4） 急回特性。一般情况下我们需要使得工作形成时间比较长，而回程的时间比较短。5） 四杆机构的传动角和压力角。在其他的情况下，最长用到的是压力角，而传动角是压力角的余角。压力角的定义就是：力的方向与运动方向的夹角。在机械传动中，我们希望压力角越小越好。所以一般情况下我们要规定机构的最大压力角，也就是最小的传动角。当压力角大于给定值的时候重新设计。用三角函数只是可以求最大角最小角度。6） 死点。当传动角为0度也就是压力较为90°的时候就是死点位置。7）平面机构的运动分析速度顺心就是两个相对运动构件的相对速度为零的重合点，也就是绝对速度相等的点。若这点的绝对速度为零则是绝对瞬心；若不为零则是相对瞬心。三心定理：做相对运动的三个构件所形成的三个瞬心是在同一条直线上。速度瞬心确定的方法就是长方形法则，围成三角形的三个瞬心在一条直线上。8）作图法。选择其他的杆件作为机架，构件之间的相对运动关系是不会改变的。刚体反转法的典型例题：知道连杆上两点的相应位置，求四杆机构。凸轮机构本章基本要求就是了解凸轮机构的类型，掌握推杆常用的运动规律的特点，运动规律的选择。掌握压力角与凸轮机构各个参数的关系式。凸轮机构的四种运动规律：等速运动规律。速度时刻相等，这种运动规律会产生刚性冲击。等加速等减速运动规律。加速度大小不变方向相反。这种运动规律会产生柔性冲击。只使用在中低速场合。余弦加速度运动规律。产生柔性冲击，使用在中低速度场合。正弦加速度运动规律。不产生冲击。适用高速场合。(1)凸轮机构整章节最重要的一个公式：v/w+(-)etana= if<r2一e2+s等式中的正负号与杆子偏置方向有关。当偏置方向与速度瞬心p在同侧时选正，异侧选负。在上图中，。偏心方向与速度瞬心方向分别在铰链点O的两侧，所以在计算时选择负号。由于在一般的机构中都要求压力角比较小，因此必须限制最大的压力角。偏置方向对压力角的影响很明显，另外一个参数就是基圆半径了。基圆半径越大，压力角越小。(2)滚子半径的确定当采用滚子从动件是要考虑滚子的半径大小。需要注意的有轮廓线的失真。滚子也不能太小，当滚子不符合要求时就要增大基圆半径重新进行计算。齿轮机构及其设计齿轮机构由于他的一系列的优点而得到广泛的应用，优点主要有以下几点:传动比稳定；传动效率高；共组可靠；结构紧凑使用寿命长；缺点就是：制造费用、制造要求高；不利于远距离传输动力。齿轮一般分为：直齿轮，斜齿轮，锥齿轮，人字齿轮。主要介绍直齿轮和斜齿轮。1） 啮合基本定律其大意是啮合的两个齿轮，无论在什么位置接触，过接触点所在的齿轮的公法线与两个赤轮的连心线都交与一个固定的点P。当传动比变化时P点也按照规律变化。的传动比等于转速之比；f=四12w22） 渐开线的形成过程和性质，渐开线方程3） 齿轮的基本参数包括：模数m，齿数z，齿顶高系数，顶隙系数，压力角，基圆，齿顶圆，齿根圆，节圆，分度圆。其中模数是最重要的一个参数。m=P,n是为了齿轮制造的方便而规定的一个值。模数不能为任意数，它是规定的一组数。分度圆是一个人为规定的圆，是指齿轮上具有标准模数和标准压力角的圆。为什么要有顶隙系数呢？因为齿轮在运行的时候需要润滑，而顶隙就是保证在齿轮完全啮合时，有一个储存润滑油的空间。4） 直齿轮正确啮合的条件是：（1） 模数相等（2） 压力角相等5） 标准齿轮就是除模数和压力角为标准值外，分度圆上的齿厚与齿槽宽相等，以及齿顶高，齿根高与模数之比为常数的齿轮。6） 标准齿轮啮合时，中心距改变，只会改压力角而不会改变传动比。这是一个很重要的性质。F=*屋ap7） "'，重合度的计算。重合度越大，说明同时啮合的齿数越多，那么运行越平稳。斜齿轮的重合度一般比直齿轮大，所以，斜齿轮比直齿轮运行起来要平稳。8） 当标准齿轮的齿数小于17时会产生跟切。制造齿数小于17的齿轮的方法就是变位。制造变位赤轮会防止根切的产生。对于标准齿条道具，不产生跟切的最小变位系数的计算方法是：x=『。其中，z表示的是齿轮的齿数。z9） 变位齿轮的一些尺寸的计算10） 齿轮齿条的传动是重点。关键点就是：齿轮齿条传动，无论怎么样安装，由于齿条的压力角始终为恒定，所以齿条与齿轮啮合时，齿轮的分度圆与节圆始终重合，并且压力角始终等于齿条的压力角。11） 斜齿轮。斜齿轮一般不变位，斜齿轮的当量齿数是用来作为十分否跟切的标准。当量齿数的计算要掌握。斜齿轮的端面参数与发面参数的关系12） 斜齿轮正确啮合的条件是：旋向相反，模数相等，压力角相同。13） 圆锥齿轮齿轮系及其设计所有的齿轮系可以分为定轴轮系、周转轮系和复合轮系。重点知识点1） 轮系齿