通 用零件与专用零件

各种机械中广泛使用的零件称为通用零件。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。只在某一类机械中使用的零件称为专用零件。如内燃机中的活塞、曲轴等。通用零件中主要包括三大类零件：传动零件

（齿轮、带、链等）联接零件

（螺栓、键等）轴系零件

（轴、轴承等）此外:弹簧等零件。通用零件与专用零件对机械设计的四项基本要求功能性要求经济性要求可靠性要求社会性要求§1-6本课程研究的内容机械设计的基本理论机械设计的要求和一般过程（第1章）机构结构学、运动学（第4章）和动力学（第8章）机械零部件的工作能力和设计准则，机械零件的强度理论，摩擦、磨损和润滑理论（第2章）机械结构设计准则、方法，零件材料选用等常用机构及其传动设计连杆机构（第5章）凸轮机构（第6章）间歇运动机构（第7章，自学）齿轮机构（第9章，第11章）通用零部件设计机械联接（第13章）机械传动：带传动、链传动（第12章）齿轮传动（第9章）蜗杆传动（第10章）轴系部件轴、联轴器及离合器（第14章）滑动轴承（第15章）滚动轴承（第16章）机械系统设计（第3章，自学）§2.1机械零件的失效与设计基本要求一、失效概念（Failure）设计的使用条件下设计的寿命期限内不能完成设计的功能失效零件二、失效形式（Failuretypes）1、整体断裂过载断裂疲劳断裂2、表面破坏磨损冷胶合热胶合点蚀塑性变形过大弹性变形5、功能失效3、变形过大胶合4、过大振动腐蚀分为体积强度和表面强度，其中表面强度又分为表面挤压强度和表面接触强度，强度是最基本的设计要求。整体失效（断裂或大的塑性变形）表面失效（表面损伤）强度（strength）：强度不足导致的失效：强度准则指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。刚度准则刚度：指机械零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足，有些零件则会因为产生过大的弹性变形而失效。

例如：机床主轴的弹性变性过大将会影响所加工工件的精度。y——可以是挠度、偏转角或扭转角

一、载荷和应力

１、载荷静载荷变载荷按是否随时间变化，载荷σmax─最大应力；

σmin─最小应力σm─平均应力；

σa─应力幅值r─应力比（循环特性）2、应力静应力：不随时间变化或变化缓慢的应力循环应力循环应力§2.2强度准则强度：指机械零件工作时抵抗破坏（断裂或塑性变形）的能力。

强度条件有两种表示方法：1）用应力表示：≤＝2）用安全系数表示：≥＝式中：—计算最大应力—极限应力—计算安全系数—许用应力—许用安全系数注：对于切应力，只须将上述各公式中的σ

换成即可。疲劳强度疲劳：机械零件在循环应力的作用下的失效形式疲劳极限：应力比为r的应力循环作用N次后，材料不发生疲劳的最大应力疲劳寿命（N）:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N

疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线接触强度接触应力：两零件之间为面接触时，在载荷作用下，接触表面上产生的应力，用表示。

接触强度：在接触应力作用下的强度。其强度条件为：

≤［］接触应力作用下，接触面的失效形式是－－“压溃”。相互接触表面上的接触应力相等。摩擦学设计基础一、摩擦状态按摩擦状态，即表面接触情况和油膜厚度，可将滑动摩擦分为四类干摩擦—最不利流体摩擦？

边界摩擦混合摩擦

二、摩擦力１、固体滑动摩擦的摩擦力及其性质局部静摩擦力：局部静摩擦力与滑移量成正比，因而它与切向外力亦成正比。出现滑动的瞬间，局部静摩擦力达到极限值，即为静摩擦力动摩擦力：完全处于滑动状态时的摩擦力为动摩擦力，一般动摩擦力小于静摩擦力。

0、机器：构造、用途、性能

1）都是人为的实物机件的组合体2）各部分间有确定的相对关系3）能完成有用的机械功或转换机械能共同的特征：内燃机：1.进气，2.压缩，3.爆炸做功，4.排气一、机构机构是具有确定相对运动的构件组合体。与机器所共同的特征有：

1）机构也是人为的实物的组合体。

2）各运动实体间有确定的运动关系。

由两个要素组成：

1、构件

2、运动副机构具有机器的前两个特征，因此机器是由机构组成的，但机构不能完成能量的转换或做有用的机械功1构件:指机器中独立的运动单元由于工艺或结构上的需要，将几个零件刚性联接起来，之间不能产生相对运动，构成了一个运动单元体。从运动观点看，构件是组成机械系统的最小运动单元可能是由一个零件构成，但通常是由若干个零件刚性联接而成。零件是加工制造的单元。例如：齿轮轴构件是由齿轮、轴、键三个零件组成的。2、运动副运动副：构件之间的可动联接运动副元素：构件上构成运动副的两接触表面或两构件上参与接触而构成运动副的部分（点、线、面）对运动副的理解要把握以下三点：（１）运动副由两个构件组成；（２）运动副是一种联接,两构件直接接触；（３）组成运动副的两个构件之间有相对运动。机构由确定相对运动的构件组成，构件间必以一定方式联接，且保留某些相对运动。把两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接称为运动副。

平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副1212空间运动副122112平面运动副21构件的表示方法

杆、轴构件固定构件同一构件（构件的永久联接）三副构件

两副构件

构件的表示方法点划线代表以移动副与其相联接的其它构件三转动副两转一移三个转动副形成封闭三角形的构件未封闭

常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）在机架上的电机齿轮齿条传动圆锥齿轮传动带传动链传动圆柱杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）内啮合圆柱齿轮传动棘轮机构§4.3平面机构的自由度计算构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。机构的自由度由：（1）构件数目；（2）运动副的类型及数目122121对于构件2x,y方向移动受限，即施加2约束，f=1y方向移动及平面转动受限，即施加2约束，f=1接触点法向方向移动受限，即施加1约束，f=2yx对构件施加的约束个数等于其自由度减少的个数。给定S3＝S3(t)，一个独立参数θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。

若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。若同时给定θ1和θ4

，则θ3θ2

能唯一确定，该机构需要两个独立参数。θ4S3123S’3θ11234θ1一、机构具有确定运动的条件§4.3平面机构的自由度计算定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。原动件——能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数自由构件的自由度数运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：构件自由度＝3－约束数移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x，θ）+1（y）=3θ经运动副相联后，活动构件自由度会有变化：

＝自由构件的自由度数－约束数活动构件数

n

计算公式：

F=3n－(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度

低副约束数

高副约束数

3×n

2×PL1

×Ph①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副数PH=0S3123推广到一般：

②计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×5=2

高副数PH=01234θ1需要两个原动件才能有确定的运动③计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副数PH=1123机构具有确定运动的条件：F=2，给定原动件只有1，原动件小于机构自由度。当给定1的位置φ1，从动件234的位置不能确定，无确定相对运动。F=1，原动件为2个，杆2势必被拉断F=0，各构件之间不能产生相对运动由此可知：（1）F<0和F=0时，机构蜕变为刚性桁架，机构间不能产生相对运动。（2）F>0时，原动件数小于机构的自由度，个构件无确定相对运动；原动件数大于机构自由度，机构遭破坏。机构具有确定运动的条件是：F>0，机构原动件数=机构自由度的数目三、计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL－PH高副数PH=0=3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！1.复合铰链——两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。两个低副两转动副轴线间的距离缩小到0，两轴线重合为一。上例：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。12345678ACDEFB准确识别复合铰链举例关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副

1231342123441321432两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副⑥计算图示两种凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且F=112312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，应该除掉。2.局部自由度F=3×2－2×2－1=1定义：构件局部运动所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉滚子和铰链：滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。123123解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=03.虚约束——

对机构的运动实际上不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，增加的约束不起作用，应去掉构件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。

1234ABCDEF重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。

AB＝CD＝EF虚约束出现虚约束的场合：

1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2.两构件构成多个移动副，且导路平行。

如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明)4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。3.两构件构成多个转动副，且同轴。（如两轴承支撑一根轴，只能看出一个转动副）5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。52134EF53241EF1B342A1234ADBC2

2

其中2

，2

对传递运动不起独立作用，仅受力均衡，采用了两个对称布置虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!⑧计算图示大筛机构的自由度。CDABGFoEE’位置C，2个低副复合铰链:局部自由度1个虚约束E’n=7PL=9PH=1F=3n-2PL–PH=3×7-2×9-1=2CDABGFoE一、平面四杆机构的基本型式—铰链四杆机构

1．曲柄摇杆机构

2．双曲柄机构

3．双摇杆机构

二、平面四杆机构的演化型式

1．曲柄滑块机构

2．导杆机构

3．偏心轮机构

第一节平面四杆机构的类型及其应用运动副全是转动副

1.曲柄摇杆机构☆

两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。

曲柄为主动件时，可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。摇杆为主动件时，则可以将摇杆的摆动转换为曲柄的整周回转运动。

应用举例：

①牛头刨床工作台横向进给机构

②缝纫机的踏板机构

1.曲柄摇杆机构☆

两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。

曲柄为主动件时，可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。摇杆为主动件时，则可以将摇杆的摆动转换为曲柄的整周回转运动。

应用举例：

①牛头刨床工作台横向进给机构

②缝纫机的踏板机构正平行四边形机构蒸汽机车的车轮联动机构2.双曲柄机构☆两个连架杆都能作整周回转运动振动筛（也称为惯性筛）

在双曲柄机构中，如果组成四边形的对边长度分别相等，即，则根据曲柄相对位置的不同，可得到正平行四边形机构和反平行四边形机构。反平行四边形机构车门启闭机构

3.双摇杆机构☆两连架杆均为摇杆飞机起落架机构起重机中重物平移机构汽车前轮转向机构(等腰梯形机构)

导杆机构应用图(a)曲柄滑块机构;(b)转动导杆机构;

（c)摆动导杆滑块机构(摇块机构）;(d)移动导杆机构（定块机构）

导杆机构图2

曲柄摆动导杆机构(a)曲柄摆动导杆机构;(b)电气开关小型刨床机构

卡车车厢自动翻转卸料机构

手动抽水机

3.偏心轮机构

特点：容易加工；工作时润滑条件和受力情况好；可用于较重载荷的传动中。应用举例：蒸汽机换气阀传动机构、冲压机传动机构等。（a）等效曲柄滑块机构（b）曲柄滑块机构（c）等效曲柄摇杆机构（d)曲柄摇杆机构

在中①

②

在中整理得③

将式①、②、③中的三个不等式两两相加，化简后得④④

曲柄存在条件：①最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；②连架杆与机架中必有一杆为最短杆。你会判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构么？一、曲柄存在条件双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架NY判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式(a)构件4为机架;(b)构件2为机架;(c)构件1为机架;(d)构件3为机架取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式二、急回特性和行程速比系数摇杆的摆角ψ＝∠C1DC2；极位夹角θ工作行程回程曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用2和的比值来衡量，

称为行程速比系数。θ↗，↗，急回程度↗。θ=0时，

=1时，机构无急回运动。

传动角压力角的余角。三、压力角和传动角

压力角

从动件受力点（C点）的受力方向与受力点的速度方向之间所夹的锐角。压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好。设计时应使≥在△ABD和△BCD中，分别有式中，。联立求解得δ与γ如何确定铰链四杆机构的最小传动角？①当δ≤时，=δ（对顶角关系）；②当δ＞时，=-δ（互为补角关系）。由此可见，要判断min位置前，首先应判断δmin、δmax位置。可分以下三种情况讨论：

①δ≤时，min=δmin

；②δ＞时，min=-δmax

；③机构中①和②两种情况共存时，可先计算当δ≤时的1min=δmin

，然后再计算当δ＞时的=-δmax

。则min＝min{1min,2min}。结论：

min可能发生在主动曲柄与机架两次共线（AB′，AB″）的位置之一处，即处。

进一步分析δ与的关系四、死点位置1．死点的概念在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，当连杆与从动曲柄共线时，机构的传动角＝，此时主动件CD通过连杆作用于从动曲柄AB上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件AB转动的顶死现象，机构的这种位置称为死点位置或死点。2．死点的缺陷对于传动机构，存在死点位置是一个缺陷，常采用下列措施使机构顺利通过死点位置：①利用系统的惯性；②利用特殊机构。

3．死点的利用在工程中也常常应用死点位置实现工作要求。如快速夹具、飞机起落架等。

一、按给定的行程速比系数设计四杆机构1．曲柄摇杆机构2．曲柄滑块机构3．导杆机构已知条件：行程速比系数K、摇杆的长度CD和摇杆的摆角Ψ

（1）计算极位夹角（2）取适当的比例尺μl=CD/CD(m/mm)，并由

CD和Ψ

作出两极限位置C1D、C2D;（3）过C2点作∠C1C2N＝90°－θ的射线C2N，然后再过C1点作C2C1的垂线C1N交C2N于P;（4）以C2P为直径作圆，圆心为O，则A点必在此圆上;（5）由其他已知条件在圆周上取点A，连AC1、AC2;（6）以A为圆心，AC1为半径做圆弧交AC2于E点，作EC2的垂直平分线得EC2之半即为AB长度由于极限位置处曲柄与连杆共线，故AC2＝BC＋AB，AC1＝BC－AB，因此，容易得到（7）讨论：由于A点可在△C1PC2的外接圆周的弧C1PC2上任意选取，所以，若仅按行程速比系数K来设计，可以得到无穷多组解。因此，在未给出其它附加条件的情况下，如欲获得良好的传动质量，可按照传动角最优或其它辅助条件来确定A点的位置。1．曲柄摇杆机构2．曲柄滑块机构

已知条件：行程速比系数K、滑块行程H

偏心距e

①计算极位夹角;

②作直线C1C2＝H/μl，且C1、C2作为滑块的两极限位置;③根据C1、C2点求满足极位夹角为θ的A点（结果为一圆弧C1PC2）;

④作一直线与平行，并使其间的距离等于偏心距e，则此直线与上述圆弧的交点即为曲柄的轴心A的位置;⑤连接AC1、AC2，并按上述作图方法，即可得到曲柄的长度lAB和连杆的长度lBC。3．导杆机构

分析（机构简图演示）：对于摆动导杆机构，其极位夹角θ等于导杆的摆角Ψ，而所需要确定的尺寸是曲柄长度lAC。已知条件：行程速比系数K、机架长度lAD①计算极位夹角；

②选择适当的比例尺作直线μl，任选固定铰链点D；③按夹角Ψ（＝θ）作出导杆的两极限位置Dm和Dn；④作摆角Ψ的角平分线AD，并在AD上截取AD=lAD/μl，即可得到曲柄轴心A点的位置；⑤过A点作导杆极限位置的垂线AC1（或AC2），即得曲柄长度lAC=μlAC。rmin一．凸轮机构的运动过程与基本参数hδs’

δs’δsδSδtδt

1δhδhDD0B0B

sOδ1,t360º基圆基圆半径rmin推程推程运动角δt行程h远休止程在高位置静止远休止角δs回程在重力or弹簧回程运动角δh近休止程在最低点近休止角δs’B

位移曲线h数值？凸轮连续回转，从动件重复上述运动。从动件的位移曲线取决于凸轮轮廓曲线形状，从动件不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。

3.几种常用运动规律的特点

⑴

等速运动规律（一次多项式运动规律，n=1）速度曲线不连续，机构产生的惯性力将引起刚性冲击(Rigidimpulse)。等速运动规律适用于低速轻载场合。事实上，这种运动规律不宜单独使用，在运动开始和终止段应用其他运动规律过渡。s

,t

v

,ta

,th

位移线图加速度线图速度线图凸轮以等ω转动，要求从动件的运动速度为常量为了使从动件在0+Δt1时间内的速度由0突变到v，这将导致理论a出现无穷大（材料有弹性变形，实际达不到无穷）s

C0

C1δ

推程：φ1=0，s1=0；φ2=

Φ,s2=hC0=0,C1=h/Φ加速度曲线不连续，a为有限突变，因而产生有限惯性力的突变，结果机构将产生柔性冲击(Softimpulse)。等加速等减速运动规律适用于中速轻载场合。

,ta4h

2

2

,tv2h

推程后半程：前半程：

h

2h

2

,ts两过程中，位移相等，h/2⑵等加速等减速运动规律（二次多项式运动规律）为了避免从动件在运动初始和终止发生刚性冲击，可在从动件的一个运动行程中采用两段不同的位移函数，前一半等加速，后一半等减速

⑶余弦加速度运动（简谐）规律

,ts

,ta

,tvvmax

1.57h

推程h

amax

4.93h

2

Φ2

余弦加速度运动规律的加速度在行程始、终点有有限突变，会引起柔性冲击。但在无休止角的升

降

升类凸轮机构中，才能获得连续的加速曲线（图中虚线）避免冲击。余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。质点在圆周上做匀速运动，其在该圆直径上的投影所构成的运动，简谐运动。简谐运动曲线指的是从动件位移曲线，当从动件做简谐运动时，其加速度曲线为余弦曲线。简谐运动规律位移曲线图的做法如下：以从动件的行程h为直径画半圆，将此半圆分为若干等分，的1’’2’’3’’…/再把凸轮运动角δt也分成相应等分，并作垂线11’22’33’、、然后将圆周上等分点投影到相应的垂线上得1’2’3’、、用光滑曲线连接这些点，即得到从动件位移曲线。⑷正弦加速度运动(摆线运动)规律

速度曲线和加速度曲线连续，理论上无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。s

,t

,ta

,tvh

vmax

2h

amax

6.28h

2

2推程圆沿纵坐标作匀速滚动，圆周上一定点的轨迹为一条摆线。此时，该点在纵坐标的投影随时间的变化的规律称摆线运动规律。当从动件作摆线运动时，其a曲线为正弦曲线。(二)组合运动规律

为了克服单一运动规律的某些缺陷（如消除刚性冲击），获得更好的运动和动力特性，可以把几种运动规律拼接起来，构成组合运动规律(Lawofcombinedmotion)。组合原则：

位移曲线、速度曲线必须连续，高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。vs

a

,t

,t

,thOOO

vs

a

,t

,t

,thOOO

正弦加速度曲线与直线组合加速度曲线还是不连续，还是存在柔性冲击§6.3盘形凸轮轮廓曲线的设计凸轮廓线设计的基本原理——反转法

为了便于绘出凸轮轮廓曲线,应使工作中转动着的凸轮与不动的图纸间保持相对静止。

如果给整个凸轮机构