西安理工大学《808机械设计基础》基础提高讲义

西安理工大学《808机械设计基础》基础提高

西安理工大学《808机械设计基础》基础提高

第1讲绪论

第一章平面机构的自由度和速度分析（-）

A机械设计基础是工科的一门重要的专业基础课

A其研究的对象是机械，研究的内容则是有关机械的基本理论问题及设计方法。

A机械设计基础在了解机械的传动原理、选购设备、设备的正确使用和维护、设备的故障分析等

方面获得必要的基本知识，将为从事工艺、运行、管理等方面的技术人员的工作打下必备的基础。

A本课程讨论的主要对象

TI械（机构,零件，构件……）

A本课程讨论的基本问题

机械设计基础涉及的基本概念：什么是机械；什么是机构；什么是构件；什么是零件"也们之间有

什么区别和联系？以及各种传动装置等

什么是机器：

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物理和信息。（其他-一机械能一一原动机

机械能一一变换，传递一一工作机）

A什么是机构：用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能够相对运动的连接方式

组成的构件系统称为机构。

A（十么是构件：构件是机器的运动单元。

X十么是零件：零件是机器的制造单元。

什么是机器

构件之间具有确定的相对运动，并能完成有用的机械功或实现能量转换的构件的组合，叫机器。

机器=机构+原动机

A机器可以用来代替人的劳动，完成有用的机械功。

机器的组成与特征

特征：①人为的实体组合

②各部分之间有确定的相对运动

③能够代替或减轻人类的劳动来完成有用功或实现能量信息变换

（动力部分

|传动部分

基本组成（

控制部分

场行部分

机构的组成

—1—

机架

机构原动件（主动输入件）

从动件（传动中介件，执行构件，输出件）

从运动的角度看，机构的主要功用在于传递运动或转换运动的形式。

特征：①认为的实体组合

②各部分之间有确定的相对运动

★机器或机构，都是由运动构件组合而成的。

机器与机构异同点：

A机构只是一个构件系统，而机器除构建系统之外，还包含电器、液压等其他装置、机构只用于传

递运动合理，而机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。

A旦是，在研究构件的运动和受力情况时，机器与机构并无差别。因此，习惯上用"机械”作为机

器和机构的总称。

第一章平面机构的自由度和速度分析

1-1运动副及其分类

A自由度：机构具有确定运动时所必须给定的独立运动的数目。或理解为，构件相对于参考系的

独立运动成为自由度。

A运动副：由两个构件直接接触并能产生一定相对运动的连接成为运动副。

1-2平面机构运动简图

A抛开与运动无关的构件外形和运动副的具体构造，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，

并按比例定出各运动副的位置。这种说明机构各构件间相对运动关系的简化图形称为机构运动

简图。

为了使运动副元素始终保持接触，运动副必须封闭。

_____C几何封闭/形封闭：借助于结构形状所产生的几何约束封闭的运动副

I力封闭：借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭

运动链=构件+运动副

运动链一将一构件固定（机架）一机构

—2—

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第2讲

第一章平面机构的自由度和速度分析（二）

架：用来支撑活动构件

原动件:按已知运动规彳鞠立运动6跑件

（从动件:其余活动构件

1-3平面机构的自由度

一、平面机构自由度计算公式

F=3n-2P,-Ph

二、机构具有确定运动的条件

>F>0,尸=原动件数

三、计算平面机构自由度的注意事项

1•复合钱链：两个以上构件同时在一处用转动副相连接构成。转动副数=01-1

两构件多处接触，且转动轴线重合的转动副；

多处接触，且移动方向彼此平行的移动副；

两构件构成平面高副，且各接触点处的公法线重合；

上述三种情况，均只能算作一个运动副。

2.局部自由度：

机构中某些构件的局部独立运动所产生的自由度与输出构件运动无关，通常用来改善机构的局

部受状况。

计算公式：F=3n-2R-P.-F

局部自由度在计算机构自由度时可以直接去除。

3.虚约束：对机构运动不起约束作用的重复约束（用于增加构件刚性和使构件受力均衡）

A计算公式=3n-（2P,+Ph-P）-F

两构件组成多个平行或一致导路的移动副时，只有一个移动副起作用，其余都是虚约束。

两构件间组成多个轴线重合的转动副时，只有一个转动副起作用，其余都是虚约束。

A机构中对传递运动不起独立作用的对称部分。

»虚约束在计算机构自由度时应排除。

1-4速度瞬心及其在机构速度分析上的应用

1

A瞬心：在任一瞬时，其相对运动可看作是绕某一重合点的转动，该重合点称为速度瞬心或瞬时

回转中心，简称瞬心。互做平面相对运动的两构件上速度相等的重合点。

—3—

A横撅lL'：两刚体都是运动的，v1=v2

A绝对瞬心：两刚体之一是静止的；在运动刚体上瞬时绝对速度为零的的点.v1=v2=0

A瞬心个数：N=K(K-1)/2K:构件数目

A机构运动分析的任务是根据机构原动件的已知运动规律，分析确定该机构其它构件上某些点

的位移、速度、加速度。机构位移及速度分析的方法，主要有

A图解法：形象直观，但计算精度低

A解析法：精度高，但计算量大。

A三心定理：三个彼此作平面运动的构件的三个瞬心必位于同一直线上。

2.瞬心位置的确定：

3.瞬心在速度分析上的总结：

A以转动副相连接的两构件的瞬心在转动副的中心处。

A以移动副相连接的两构件的瞬心位于垂直于导路方向线的无穷远处。

A以平面高副相连接的两构件间的瞬心，当高副两元素作纯滚动时，就在接触点处；当高副两元

素间有相对滑动时，则在过接触点两高副元素的公法线上。

—4—

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第3讲

第二章平面连杆机构（一）

平面连杆机构一若干构件是通过低副（回转副、移动副）联接的平面机构。最简单的平面连杆机

构一平面四杆机构。

平面连杆机构具有运动可逆性

优点：1）低副压力小，制造简单，制造精度高；

2）实现转动、摆动和移动等基本运动形式转换

3）实现多种运动规律

缺点：1）不易精确实现复杂的运动规律，且设计较为复杂；

2）当构件数和运动副数较多时，效率较低

2-1平面四杆机构的基本类型及其应用

・连杆机构是一种常用的传动机构.按机构中各构件间的相对运动是平面运动还是空间运动，可

将其分成平面连杆机构和空间连杆机构.

・定义：全部用回转件组成的平面四杆机构。

组成：

机架：固定件

连杆：不与机架直接相连的构件

连架杆（2个）：与机架相连的构件.有曲柄（可做周转运动）、摇杆两种。

按照所含移动副数目

分类：

全转动副的钱链四杆机构

含一个移动副的四杆机构

含两个移动副的四杆机构

按连杆类型分：

分类：

曲柄摇杆槌勾：两连架ft-为曲柄，一为断。

双曲柄机构：两连架杆全为曲柄。

双摇杆机构：两连架杆全为摇杆。

与机架组成整转副的连杆称为曲柄，与机架组成摆动副的连架杆称为摇杆。

一、倒勾

通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。

二、输出件的急回特性

—5—

三、死点位置Y=o

・缺点：从动件易出现卡死或不确定运动现象。可利用飞轮或构件自重的惯性作用来克服。

・优点：机械防松

解决方法：以曲柄为从动件，当机构运动副极限时，为了消除死点位置的不良影响，可以对从动曲

柄施加外力，或利用飞轮及曲柄自身的惯性作用。"死点”对于夹紧装置一防松。

四、压力角和传动角一判断机构传动性能的标志

压力角：从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度间所夹锐角称为压力角a。al,功Fvcosa

t,传动性能t。

传动角：压力角的余角传动角

7=90°-a。yt,传动性能t

为保证机构正常工作，通常：传动角丫＞最小传动角ymin

一般机械：Ymin240°

大功率机械：Ymm250°

—6—

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第4讲

第二章平面连杆机构（二）

2-2钱链四杆机构有整转副的条件

钱链四杆机构是否有曲柄存在，取决于机构各杆件的长度和机架的选择。

曲柄存在的条件：最短杆+最长杆（其余两杆之和连架杆与机架中必须有一杆是最短杆。

满足杆长条件：

曲柄摇杆机构：最短杆为曲柄

双曲柄机构：最短杆为机架

双摇杆机构：最短杆的对边为机架

2-3钱链四杆机构的演化型式

演化方式：用移动副代替回转副、变更杆件长度、变更机架、扩大回转副等。

一、曲柄滑块机构：

曲柄摇杆机构中：摇杆长度-8,回转副一移动副

二、导杆机构：在曲柄滑块机构中，改曲柄为机架

转动~：摆杆〉机架杆长，可作整周运转

摆动~：摆杆长（机架杆长，不可作整周运转

a=0°,丫=90°,传动性能t

三、在曲柄滑块机构中

摇块机构：连接杆为机架

定块机构：滑块为机架

四、双滑块机构：具有两个移动副的加杆机构

正弦机构：从动件的位移与原动件转角的正弦成正比

A正切机构

A滑动联轴器式机构

A楠圆规式机构

五、偏心轮懈

平面四杆机构设计

根据给定的运动条件，综合考虑几何条件和动力条件（如最小传动角ymin）等，确定机构运动简图

的尺寸参数。

问题类型：

（1）按照给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度）；

—7—

(2)按照给定点的运动轨迹。

,解析法：精确

设计方法图解法:直观V

.实验法:简便

2-4平面四杆机构的设计

一、按给定的行程速比系数k设计四杆机

1.曲柄摇杆机构

2.导杆悌

二、按给定连杆位置设计四杆机构

1.巳知：连杆长％及其两个对应位置Big和B2c2

要求：确定较链中心A、D,定出其他三杆尺寸

有无穷多解！

2.改口：窗长射及其三个对应位置BC、B2c2和B3c3

要求：确定钱链中心A、D,定出其他三杆尺寸

有唯一解！

三、按给定两连架杆对应位置设计四杆机构

一用解析法或实验法(P32~P35)

—8—

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第5讲

第三章凸轮机构（一）

3-1凸轮机构的应用和类型

凸轮机构是一种常用机构，常用于自动化和半自动化机械中。

-凸轮机构的组成

爆仑、从动件、木臊

通常，凸轮为主动件，作匀速运动，从动件随主动件按一定规律运动。改变凸轮形状，从动件运动

规律改变。

二、凸轮机构的分类

1.按凸轮形状分

A盘形凸轮机构

A移动凸轮机构，凸轮回转中心趋于无穷远处

A圆柱凸轮机构

2.按从动件型式分

A尖顶从动件：宜用于受力不大的低速凸轮机构，易磨损

A滚子从动件：耐磨损，可承受较大载荷，应用最广

A平底从动件：接触端面为平面，传动效率高，利于润滑，常用于告诉凸轮机构（压力角恒定）

3.按从动件运动形式分

A直动从动件

A摆动从动件

A4.按锁合方式分

形锁合

三、凸轮机构的优缺点

优点：

只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。

缺点：

凸轮轮廓与从功件之间为点接触或线接触.易于磨损.故通常多用于传力不大的控制机构。

3-2从动件的常用运动规律

设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律.然后按照这一运动规律设计凸轮

—9—

轮廓线。

一、凸轮机构运动中的基本概念

基圆，推程，回程，推程运动角，远休止角，回程运动角，近休止角等。

・以凸轮轮廓的最小半径rO一基圆

.推程：推杆被推到距凸轮转动中心最远的位置的过程，推杆上升的最大距离称为推杆的行程。

•回程：推杆由最远位置回到起始位置的过程。

•休止：推杆处于静止不动的阶段。

・推程运动角：对应推程的凸轮转角。

・远休止角：推杆在最远处静止不动，对应的凸轮转角。

•回程运动角：对应回程的凸轮转角。

•近休止角：凸轮在最近处静止不动，对应的凸轮转角。

1华速^

2.简谐运动

3.运劲口速度运动

4.等加速等减速运动

5.五次多项式运动

—10—

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第6讲

第三章凸轮机构(二)

3-3凸轮机构的压力角

一、压力角与凸轮机构的自锁

1.砂

压力角：是指推杆与凸轮接触点处正压力的方向与推杆上对应点速度方向所夹的锐角a。

2.受力分析(不计凸轮与从动件的摩擦)

3.自锁：

有效力F一定时，a越大，有害分力F"越大，效率越低

a也代表了凸轮的坡度，a大，廓线陡，从动件上升费力，当a大到一定的值时，从动件将自锁。无

论凸轮加给从动件的作用力有多大，从动件都不能动.(F"=Fnsina)

4.许用压力角[a]:

推程：

移动从动件[a]<30°直动从动件[a]=45°;

摆动从动件[a]<45°摆动从动件[a]=30°.

回程：[a']480°

5.01rax的位置：

①等速运动规律：推程起始位置。

诵口、等成简诵函领律：60/2处。

③凸轮廓线较陡的地方。

二,压力角与凸轮尺寸的关系：

三、基圆半径r,的确定

4与a有关，所以设计时通常是在满足amax<[a]的条件下，来考虑%的取值。

[.%的一^取方法：

先冷力rb的初值，后检直a与pmin的关系，再调整rb。

2.根据凸轮的结构确定(经验公式)：

①凸轮与轴一体的盘形凸轮：rb>r+rr+(2~5)mm

②凸轮与由装配式的盘形凸轮：rb21.6r+rr+(2~5)mm

四、滚子半径的选择规律

滚子半径H的选择

从减小凸轮与滚子间的接触应力来看，斤越大越好；但增大t对凸轮的实际轮廓曲线有很大影响。

—11—

实际轮廓的最小曲率半径P'=pmln-rT

3-4图解法设计凸轮轮廓

3-5设计凸轮机构应注意的问题

设计凸轮机构时，不仅要保证从动件实现预定的运动规律，还要求传动性能、受力状况、结构等方

面良好。因此，在设计凸轮机构时还应注意下列问题。

在其他条件都不变的情况下。若减小基圆半径，则凸轮的尺寸随之减小，机构紧凑。但是，随着

基圆半径的减小，压力角将增大。出现滚子失真的现象，凸轮机构容易自锁。

因此，在实际设计时，应遵循：在保证amax=<[a]的龌下，缩小凸轮尺寸。

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第7讲

第四章齿轮机构(一)

4-1齿轮机构的特点和类型

齿轮机构是应用最广的传动机构之一。

其优点有：

(1)使用的圆周速度和功率范围广。

(2)可用来传递空间任意两轴间的运动和动力。

(3)传递功率范围大、机械效率高。

(4)传动比稳定。

(5)使用寿命长、结构紧凑。

(6)传动准确、工作可靠等。

其缺点有：

(1)要求较高的制造和安装精度，成本较高。

(2)不适宜于远距离两轴之间的传动。

4-2齿廓啮合基本定律

一、齿廓啮合基本定律

齿廓啮合基本定律：欲使齿轮保持定角速度比，不论齿廓在任何点接触，过接触点所做的齿廓公

法线都必须与连心线交于一点C.

齿廓啮合基本定律：一对传动齿轮的瞬时角速度与其连心线O,被齿廓接触点公法线所分割的

两线段长度成反比。

31/32=r2/ri

共鸵齿廓：能实现预定齿轮角速比(传动比)或者说过任一接触点所作齿廓公法线与连心线交点

为定点的一对齿廊。

共辗曲线：齿廓曲线的选择不仅要求满足定角速比，还必须考虑制造、安装和强度等要求。在机

械中，常用的齿廓有渐开线齿廓、摆线齿廓和圆弧齿廓。

渐开线齿廓：渐开线齿廓具有传动性育酎、便于设计、制造、安装、测量和互换等一系列优点，被广

泛应用。

4-3渐开线齿廓

-渐开线的形成和特性

1,渐开线的形成：

当一直线在一圆周上作纯滚动时，直线上任一点的轨迹称为渐开线。这个圆称为渐开线的基圆，

—13—

该直线称为发生线。

2.渐开线的特点

(1)发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长。即：

BK=AB

(2)渐开线上任一点的法线必与基圆相切。BK为渐开线的曲率半径，BK为渐开线上K点的

法线。

(3)渐开线齿廓上各点的压力角不等。越接近基圆，限越小；Pk越小；€(11越小。

cos(\=OB/OK=rb/rk

(4)渐开线的形状取决于基圆的大小。e相同时，基圆t,渐开线的曲率半径t；渐开线越平直。

(5)基圆内无渐开线

二、渐开线齿廓满足定传动比

过两渐开线齿廓的任意啮合点K所作的齿廓公法线nn必是两基圆的内公切线。而基圆位置不

变，故过任意接触点所作齿廓公法线均通过连心线上同一点C。

结论：渐开线齿廓满足定角速比要求。

渐开线齿廓啮合的特点

具有可分性：渐开线齿轮制成后，其基圆半径不变，两轮中心距稍变时，其角速比保持不变。

作用：可分性可保证齿轮在制造安装有误差或轴承磨损时，仍保持良好的传动性能，并且可据此

设计变位齿轮。

啮然：齿轮传动时，其齿廓接触点的轨迹

啮合角：过节点的公切线与啮合线间的夹角

传动中的啮合角为常数。啮合角不变，则渐开线节圆上的压力角不变，齿廓间压力方向不变。若

齿轮传递的力矩恒定,则轮齿间、轴与轴承间的压力大小和方向均不变.机构传动平稳，受力稳定。

4-4齿轮各部分名称和尺寸

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第8讲

第四章齿轮机构(二)

4-5渐开线标准齿轮的啮合

一、正确啮合条件

一对齿轮正确啮合指的是一轮的轮齿能顺利进入另一轮的齿槽，并保证其共犯齿廓的接触点都

位于啮合线上。要满足这一要求，则要求渐开线齿轮的法向齿距必须相等。即：p”=pb2

二标准中心距

齿侧间隙：齿轮传动时，一轮节圆上的齿槽宽与另一轮节圆上的齿厚差(e2-s,)0

机械设计中，正确安装的齿轮要求无齿侧间隙。则一对标准齿轮正确啮合时：s,=e।=s?=e?

=nm/2

齿侧间隙e--s；=e,-%=0(分度圆与节圆重合)

标姊巨a=r/+r2,=r,+r2=mk+马)/2

径向间隙c=c*m=h,-ha

对单个齿轮有：分度圆、压力角

对齿轮啮合：节圆、啮合圆

对标准齿轮，只有在分度圆和节圆重合时，压力角与啮合角相等(a=a')。

三、连续领的条件

(1)实际啮合线段：开始啮合点与终止啮合点间的线段。

(2)理论啮合线段：当两轮齿顶圆加大时，实际啮合线趋近于N,N2,则N,此称为~。

(1)啮合弧：一对齿从开始啮合到终止啮合，分度圆上任一点所经过的弧线距离(FG)。

(2)齿轮连续传动的条件：啮合弧大于齿距。

4-6渐开线齿轮的切齿原理

4-7根切、最小齿数及变位齿轮

一、根切现象和最小不根切齿数

根切现象：用范成法切齿时，刀的齿顶圆超过啮合极限点N),将被加工轮齿齿根处的渐开线齿廓

切去一部分的现象。

根切现象消弱了齿根的抗弯强度，且使齿轮传动的重合度降低，应予避免。

最小齿数：用标准齿条型刀具切制渐开线标准齿轮而不发生根切的最小齿数。

标准齿轮是否发生根切取决于其齿数多少。

2

z>zmln=2ha*/sina

—15—

当a=20°,hj=1时，Zms=17

当a=20°,ha*=0.8时，==14

二、变位齿轮及其齿厚的确定

标准齿轮存在的主要缺点：

1）需ZNZm®,否则产生根切。

2m适合a/a'的场合。a'>a,齿侧间隙过大，小；a'<a,无法安装。

。传动时，由于s根小<s根大，故小齿轮抗弯能力差。

解决方案：常用变位齿轮代替标准齿轮。

变位齿轮：用改变刀具与被切齿轮的相对位置的方法切制出的齿轮。

移距（系数）：以切削标准齿轮时的位置为基准。刀具的移动距离xm称为~。x为移距系数，并

规定刀具远离轮坯中心时为正。

齿轮变位后：齿轮的传动比、齿距、瞰压力角、基圆、分度圆皆不变，但齿厚和齿槽宽变化。

结论：正移距不仅可切制出齿数小于Zmm的无根切齿轮，且齿厚增加，提高了轮齿的抗变强度。

4-8平行轴斜齿齿轮

平等轴斜齿轮相当于一对节圆柱作纯滚动，故其又称为斜齿圆柱齿轮，简称斜齿轮。

一、斜齿轮的啮合特点和正确啮合条件

1.啮合特点：

从端面看，点接触；从齿宽方向看，线接触。

进入和退出啮合时，啮合线逐渐变化，故传动平稳。

传动时同时啮合的齿数多，重合度大，适于高速重载的传动。

2.正确口蛤条件：

mt10t1="

mn1=mn20（n1=%

±p2（外啮合取

（n:法面，垂直于轮齿方向）

二、斜齿轮的几何参数和几何尺寸的计算（P68表4-4）

斜齿轮的端面和法面齿形不同，故几何尺寸有端面和法面之分。需进行端面和法面的参数换算。

法面参数：标准值，成形法切制齿轮和计算强度时用。

端面参数：计算齿轮几何尺寸时用。

如图:由凡=Heos陷:

mn=mtcosp

tg0n=tgoqcosp

三、斜齿轮传动的重合度

斜齿轮传动的重合度=轴向重合度+端面重合度

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西安理工大学《808机械设计基础》基础提高

四、斜齿轮的当量齿数

为进行强度计算和用成形法加工时选择铳刀，用近似方法作一直齿圆柱齿轮，来代替斜齿轮的法

向齿形。该直齿圆柱齿轮称为斜齿轮的当量齿轮。其齿数称为斜齿轮的当量齿数，用Zv表示。

4=z/cos3p

则斜齿轮不发生根切的最小齿数为：

3

Zmin=ZvminCOSP(=17或14)

五、斜齿轮的优缺点

1」旅：

齿廓接触线是斜线，啮合、脱开是逐渐进行的，故运转平稳，噪声小，冲击小。

重合度较大，并随齿宽和螺旋角的增大而增大，故承载能力较高，运转平稳，适于高速传动。

最少齿数小于直齿轮。

2.缺点：

有轴向分力。并随B的增大而增大。需安装推力轴承，使结构复杂化。

采取措施：限制0=8°~20°；用人字齿轮(制造较困难，成本较高)。

4-9圆锥齿轮机构

圆锥齿轮用于相交两轴间的传动。一对圆锥齿轮传动相当于一对节圆锥作纯滚动。

-睡

二、背锥与当量齿数

三、直齿圆锥齿轮的正确啮合条件

大大

m,=m2

大大

a,=a2

=R2

四、直齿圆锥齿轮几何尺寸的计算

几何尺寸计算(P71表4-5)以大端为标准。齿宽B不宜太大，最佳范围(0.25~0.3)R。

—17—

第9讲

第五章轮系

5-1轮系的类型

轮系：用一系列互相啮合的齿轮将主动轴和从动轴连接起来，这种多齿轮的传动装置称为轮系。

应用：各种机床的电机一各主轴的传动

机械表中时针、分针、秒针的传动

需要大传动比的一些机构中的传动等。

0

依“t心/

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7777

\/ToH

-

行星轮系（周转轮系）：

中心轮：几何轴线固定的齿轮

行星轮：几何轴线不固定的齿轮

转臂（系杆）：支承行星轮作自转和公转

在一个行星轮系中，行星轮至少有一个中心轮不超过两个。行星架与中心论的几何轴线必须重

合，否则不能传动。

简单行星轮系F=1

差动轮系F=2

.八.

十一乎哈

、、H

、y/'一

5-2定轴轮系及其传动比

—18—

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一、轮系的传动比ig

定义：输入轴与输出轴（即：首末两齿轮）的角速比。

表示两齿轮的转向关系，用箭头或正负表示

值：包括大小和方向。对于平行轴轮系，"+"表示首末两轮转向相同。

二、定轴轮系的传动比K

平行轴轮系：所有齿轮轴线皆平行的轮系。

注意：对于平行轴轮系，可用画箭头和正负号两种方法确定首末两齿轮的转向。对于非平行轴轮

系，只能用画箭头方法确定转向。

三、转向的确定于表示

1.夕M蛤：转向相反

2.内啮合:转向相同

3.圆锥齿轮：箭头相对或相背

4.定轴轮系

5.蜗轮蜗杆：把蜗杆轴线立起来看，

左上右下（左旋）

右上左下（右旋）

左右手法

手伸直，四指握向蜗杆的转动方向，拇指的反方向为蜗轮的方向。

—19—

5-3周转轮系及其传动比

一、周转轮系的触

二、周转轮系的分类和转化

三、周转轮系的传动比iaJ

利用相对运动原理，用"反转法"将周转轮系转化为定轴轮系。转化后：

5-4混合轮系及其传动比

一、混合轮系

由定轴轮系和周转轮系或由几个周转轮系组成的轮系。

二、计算混合轮系传动比

关键：正确划分轮系,前是：找出各单一周转轮系。

三、找单一周转轮系的方法

先找出行星轮，再找转臂（行星架）和中心轮。找出各单一周转轮系后，剩下的就是定轴轮系。最

后根据不同的计算传动比的方法联立方程求解。

5-5轮系的应用

轮系广泛用于各种机械中，它的主要功用有：

一、较远距离两轴间的传动

二、实现变速传动

三、获得大的传动比（传动比可达i=10000,而且结构紧凑。）

四、实现变速传动

五、实现运动和合成与分解

—20—

西安理工大学《808机械设计基础》基础提高

第10讲

第六章间歇运动机构

6-1棘轮机构

6-2槽轮痛

6-3不完全齿轮机构

6-4凸轮间歇运动机构

第七章机械运转速度波动的调节

7-1速度波动调节的目的和方法

机械速度波动产生的原因：

机械在外力（驱动力和阻力）作用下运转。

在运转过程中，W驱＞W阻（输入功＞阻力功），出现盈功，机械动能增加；W驱＜W阻,出现亏功，机

械动能减小。机械动能的增减形成机械运转速度的波动。

机械速度波动产生的影响：

使运动副中产生附加的作用力；

降低机械效率和工作可靠性；

引起机械振动，影响零件的强度和寿命；

降低机械精度和工艺性能，使产品质量下降等。

调节速度波动的目的：将波动限定在容许的范围内。

输入功：驱动力所作的功是机械的输入功

输出功：阻力所做的功；

盈功：当输入功大于输出功时，出现盈功；

—21—

亏功：当输入功效与输出功时，出现亏功；

周期性速度波动：当外力做周期性变化时，机械主轴的角速度也做周期性变化，机械的这种有规

律的、周期性的速度变化成为周期性速度波动。

调速器：用来调节非周期性速度波动，使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的稳定运转的装置。

速度波动的重要特征：在某段时间内，输入功。输出功

周期性速度波动的重要特征：在一个整周期中，驱动力所作的输入功与阻力所做的输出功时相

等的。

为什么？机械动能的增减形成机械运转速度的波动。

机械速度波动的类型与调节方法

名称速度调节的方法产生波动的原因备注

外力周期性变化引起速度周期性飞轮还可作储能器（此时不需考虑瞬时最大功

周期性速度波动加装飞轮

变化率）

驱动力在一段时间内所作功总大

非周期性速度波动安装调速器速度变化是随机的、不规则的

于或小于阻力功

7-2飞轮设计的近似方法

一、机械运转的平均速度和不均匀系数

二、最大盈亏功的确定

用实验方法测得驱动力矩M'和阻力矩M''，作驱动力矩和阻力矩变化曲线图和能量指示图，

在能量指示图中确定出Amaxo

7-3飞轮主要尺寸的确定

任务：求出飞轮的转动惯量J后，确定其直径、宽度、轮缘厚度等。

22

J=rn（Dm/2）=mDm/4

Dm一轮缘的平均直径

m=pV=TrDmHBp

在选定飞轮材料和H/B（宽厚比）后，

轮缘截面尺寸可求。

飞轮的外圆圆周速度应满足：

丫2<30m/s（铸铁）VM<50m/s（铸钢）

在实际机械中，常用增大皮带轮（或齿轮）尺寸和质量的方法兼起飞轮的作用。

—22—

西安理工大学《808机械设计基础》基础提高

第11讲

第八章回转件的平衡

8-1回转件平衡的目的

回转件：绕固定轴线回转的构件。结构不对称、制造不准确

或材质不均匀时，会产生不平衡离心力系。

离心力一F=mrw2,合力、合力矩不平衡

离心力的危害：

•产生周期性振动，降低机械工作精度和可靠性。

•使零件产生疲劳损坏，产生噪声。

・在轴承中引起附加动压力，影响轴承寿命和机械效率。

回转件平衡的目的：

使机构惯性力的合力和合力偶得到完全或部分的平衡。

8-2回转件的平衡计算

回转件的平衡：由力学汇交力系平衡条件可知，只要在同一回转面内加一质量，使它产生的离心

力与原有质量所产生的离心力之向量和等于零，这个力系就成为平衡力系，此回转件就达到了平衡。

预解决的问题：

已知：绕固定轴转动的各回转件的质量的位置，

求解：所需平衡质量的大小和位置。

8-2回转件的平衡计算

一、质量分布在同一回转面内

二、质量分布不在同一回转面内

如多缸发动机曲轴、电机转子、汽轮机转子和机床主轴等，需进行动平衡。

平衡条件为：JF,=0=0（力偶矩）

平衡方法：在任选的两个

平衡（校正）面内各加上适

当的平衡质量进行平衡。

mJ=111,1,"/Im,"=01,1,'/I

1

m2'=m2l2"/Im2"=m2l2/I

m3-01313/1IP3=m3b/1

在T（T"同）中平衡m,'、mJ和nV即可。

结论：不平衡质量分布的回转面

—23—

数目可以是任意个。

8-3回转件的平衡试验

由于制造和装配误差以及材质不均匀等原因，设计时已平衡的回转件实际上往往仍未平衡。因

此在生产过程中需用试验的方法加以平衡。根据质量分布的特点，平衡试验法也分为两种。

-静平衡试验法(D/b>5)

仪器：静平衡架

缺点：不能平衡两端轴径不等的回转件。

二动平衡iW去(D/b<5)

仪器：平衡试验机。

第九章机械零件设计概论

9-1机械零件设计概论

机械设计应满足的要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内

安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。

-BWt

•机械零件的失效：机械零件曲于某种原因不能正常工作时，称为失效。

・工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所

以习惯上又称为：承载能力。

•零件的失效形式：断裂或塑性变形；过大的弹性变形；工作表面的过度磨损或损伤；发生强烈

的振动；联接的松弛；摩擦传动的打滑等。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有

多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为

失效原因：强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。对于各种不同的失效形式，也各有相

应的工作能力判定条件

•强度条件：计算应力(许用应力；

•刚度条件：变形量<许用变形量；

•防止失效的判定条件是：

计算量<许用量一工作能力计算准则。

•失去振动稳定性：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，就会发生共振，导致

振幅急剧增大，这种现象称为失去振动稳定性。

•循环变应力：具有周期性的变应力。

・绝对尺寸系数：截面绝对尺寸对疲劳极限的影响，用绝对尺寸系数J表示。直径为d的试样

的疲劳极限(o-1)d与直径dO=6~10mm的试样的疲劳极限(a-1)d0的比值，即j=(a-1)d/

(a-1)d0

共振：当周期性干扰力的频率与轴的自振频率相等或接近时，发生的振幅急剧增大，失去振动稳

定性的现象.

—24—

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机械零件设计的步骤：

1）拟定零件的计算简图；

2）确定作用在零件上的载荷；

3）选择合适的材料；

4）根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件，确定零件的形状；注意：零件尺寸的计

算值一般并不是最终采用的数值，设计者还要根据制造零件的工艺要求和标谁、规格加以圆整

5）绘制工作图并标注必要的技术条件。

9-2机械零件的强度

-

名义载荷一在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷。然而在机器运转时，零件还会受

到各种附加载荷。

名义应力一按名义载荷计算所得之应力。

载荷系数K一考虑各种附加载荷因素的影响。

计算载荷一载荷系数与名义载荷的乘积。

计算应力一按名义载荷计算所得之应力：。、T

强度判定条件：

—｝其中㈤昌

㈤=要

[O]=.[T]一许用应力

S—安全系数

。皿、极限应力，由实验方法测定。

二、静应力下的许用应力

静应力下，零件材料的破坏形式：断裂或塑性变形

塑性材料，取屈服极限Os作为极限应力,许用应力为：

[o]=Y

脆性材料：取强度极限小作为极限应力，许用应力为：

㈤=胃

三、变应力下的许用应力

变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下特征：

1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低；

2）疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂；

3）疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。

—25—

1.疲劳曲线

2.疲劳断裂的裂口

在零件的断口上，能清晰看到两个区域：一个是在变应力重复作用下裂纹两边相互摩擦形成的表

面光滑区；一个是最终发生脆性断裂的粗粒状区。

分布状况：在零件的断裂面上，微裂纹常起始于应力最大的断口周边上。

不管脆性材料或塑性材料，它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹，这种微裂纹随着应力

循环次数的增加而逐渐扩展，直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时，就突然断裂。疲劳断

裂不同于一般静力断裂，它是损伤到一定程度后，即裂纹扩展到一定程度后，才发生的突然断裂。所

以疲劳断裂是与应力循环次数有关的断裂。

3.许用应力

在变应力，应取材料的疲劳极限作为极限应力。同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变、绝

对尺寸和表面状态等影晌，为此引人应力集中系数k。、尺寸系数7和表面状态系数B等。

四、安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响

St-零件尺寸大，结构笨重。

SI一可能不安全。

典型机械的S可通过查表求得。无表可查时，按以下原则取：

1）静应力下,塑恒潘搦零件：S=1.2-1.5

喇牛：S=1.5-2.5

2）静应力下，脆性材料，如高强度钢或铸铁：

S=3~4

3）变应力下，S=1.3~1.7

材料不均匀，或计算不准时取：S=17-2.5

—26—

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第12讲

第九章机械零件设计概论（二）

9-3机械零件的接触强度

若两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常此面积甚

小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这时零件强度称为接触强度。

如齿轮、凸轮、滚动轴承等。

失效形式常表现为：疲劳点蚀

机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20pm

处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展（润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使

表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为疲劳点蚀。发生疲劳点蚀

后，减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，因而也降低了承载能力。

后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。

整体强度：零件在较大的体积内受载时产生应力，此应力状态下的强度称为整体强度。

接触强度：两个点、线接触的零件受载后在接触处产生的局部应力。这时零件强度称为接触

强度。

疲劳点蚀：作周期性变化的接触应力使零件表面形成一些小坑的现象。疲劳点蚀使减小了接触

面积，损坏了零件表面，降低了零件承载能力，并引起振动和噪声。它是齿轮、滚动轴承等零件的主要

失效形式。

接触应力：若两个零件在受载前是点接触或线接触，受载后，由于变形其接触处为一小面积，通常

此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。

接触疲劳强度的判定条件为：

oH<[aH]=oHlim/SH

（oHlim由实验测得，SH>1）

若两零件硬度不同，常以较软零件的接触疲

劳极限为准。

接触应力的特点

大小相等、方向相反；

左右对称；

稍离接触区中线即迅速降低等。

9-4机械零件的耐磨性

运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象称为磨损。磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。

—27—

零件抗磨损的能力称为耐磨性。

磨损的主要类型：

1）磨粒磨损

磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程中引起的材料脱落现象称为磨粒磨损.

硬质颗粒可能是零件本身磨损造成的金属微粒，也可能是外来的尘土杂质等。摩擦面间的硬粒，能使

表面材料脱落而留下沟纹。

2）粘着磨损（胶合磨损）

胶合磨损：加工后的零件表面总有一定的粗糙度。摩擦表面受载时，实际上只有部分峰顶接触,

接触处压强很高，能使材料产生塑性流动。若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面

转移到另一个表面，这种现象称为粘着磨损（胶合磨损）。所谓材料转移是指接触表面擦伤和撕脱，严

重时摩擦表面能相互咬死。

3）疲劳磨损（疲劳点蚀）

疲劳点蚀：在滚动或兼有滑动和滚动的高副中，如凸轮、齿轮等，受载时材料表层有很大的接触应

力。当载荷重复作用时，常会出现表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑的现象称为疲劳

磨损。

4）腐蚀磨损

腐蚀磨损：在摩擦过程中，与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损

磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。

耐磨性：零件抗磨损的能力。

在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时，认为是正常磨损。出现剧烈磨损时.运动副

的间隙增大，机械情度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增大；应立即停车检修、换零件。

机械磨损的主要类型：磨粒磨损/粘着磨损/疲劳磨损/腐蚀磨损

耐磨计算：

限制强度准则：p4[p]

当相对速度大，摩擦系数一定时，应校核接触面的发热