机械设计基础全套教案讲义

前言本讲义旨在为机械设计基础课程提供一套系统、全面且实用的教学指导材料。内容涵盖机械设计的基本理论、常用机构、典型零件的设计方法与步骤，并注重理论与工程实践的结合。通过本课程的学习，学生应能掌握机械设计的基本思路、分析方法和设计技能，为后续专业课程的学习及未来从事机械设计工作奠定坚实基础。本教案适用于高等院校机械类及相关专业本科教学，亦可供从事机械设计与制造的工程技术人员参考。第一章绪论1.1机械设计基础课程的研究对象与内容机械设计基础课程是一门研究机械产品设计基本理论、基本知识和基本技能的技术基础课程。其研究对象主要包括：各类常用机构（如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）的组成、运动特性及设计方法；通用机械零件（如齿轮、轴、轴承、螺栓、带、链等）的工作原理、结构特点、失效形式、设计准则及计算方法。课程内容不仅涉及机械原理中机构运动学与动力学的基础，也涵盖机械零件的强度、刚度、耐磨性等设计计算，以及材料选择、结构工艺性等方面的知识。1.2机械设计的基本要求与一般程序机械产品的设计，首先必须满足预期的使用功能要求，如实现预定的运动形式、传递规定的动力、达到所需的工作精度等。同时，还应考虑经济性（制造成本、使用成本）、安全性（操作安全、运行可靠）、环保性（低噪声、低污染）及维护性等多方面要求。机械设计是一个复杂的创造性过程，通常遵循以下一般程序：1.产品规划与需求分析：明确设计任务，了解使用要求、工作条件、设计约束等。2.方案设计：根据功能要求，构思多种可能的机械运动方案和结构方案，进行分析、比较和优选。3.技术设计：确定机构的运动参数和动力参数，进行主要零部件的工作能力计算（强度、刚度、寿命等），初步确定其结构尺寸。4.详细设计：绘制全套零件工作图和装配图，制定技术要求，编写设计说明书。5.试制与改进：制作样机，进行试验，根据试验结果对设计进行修改和完善。1.3机械设计的基本原则机械设计应遵循以下基本原则：*功能实现原则：首要任务是保证产品能可靠地实现预定功能。*安全可靠原则：在规定的使用条件和寿命期限内，产品应安全运行，故障率低。*经济高效原则：力求设计的产品制造成本低、能耗少、效率高。*技术先进原则：在满足使用要求的前提下，尽可能采用先进技术和新工艺、新材料。*结构合理原则：零件结构应简单、紧凑，便于加工、装配、维修和操作。*标准化、系列化、通用化原则：尽可能采用标准件、通用件，简化设计、制造和管理，降低成本，提高互换性。第二章机械原理基础2.1机构的组成2.1.1基本概念：构件与零件机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。机器通常由若干个机构组成，如内燃机中的曲柄滑块机构、汽车变速箱中的齿轮机构等。机构是由若干个具有确定相对运动的构件组成的。构件是机构中的运动单元体，可以是单一的零件，也可以是由若干个零件刚性连接而成的整体。而零件是机器中的制造单元体。2.1.2运动副及其分类构件之间的接触与连接方式称为运动副。运动副限制了构件之间某些相对运动，只允许某些相对运动。根据构件间接触形式的不同，运动副可分为低副和高副。*低副：两构件通过面接触形成的运动副。根据相对运动形式，低副又可分为转动副（铰链）和移动副。转动副允许两构件绕某一轴线相对转动；移动副允许两构件沿某一轴线相对移动。*高副：两构件通过点或线接触形成的运动副。如凸轮与从动件之间、齿轮的齿廓之间形成的运动副。高副一般能传递较复杂的运动，但接触应力较大，易磨损。2.1.3机构运动简图为了便于分析机构的运动特性，通常不考虑构件的具体结构和外形，仅用规定的符号表示运动副，用简单的线条表示构件，并按一定比例绘制出机构的运动简图。机构运动简图能清晰地表达机构的组成和各构件间的相对运动关系。绘制机构运动简图是分析和设计机构的重要基础。2.2平面机构的自由度2.2.1自由度计算一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动（两个移动和一个转动），即三个自由度。当构件通过运动副连接成机构后，其自由度将减少。机构自由度是指机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，也是机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。平面机构自由度计算公式为：F=3n-2PL-PH式中：*F——机构的自由度；*n——机构中活动构件的数目；*PL——机构中低副的数目；*PH——机构中高副的数目。2.2.2机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件是：机构的自由度F必须大于零，且等于机构的原动件数目。若原动件数目小于F，则机构的运动不确定；若原动件数目大于F，则机构中最薄弱的环节将发生损坏。2.2.3计算自由度时的注意事项在计算机构自由度时，需注意以下几种情况：1.复合铰链：两个以上构件在同一处以转动副相连接，此时该处的转动副数目应为（m-1）个，其中m为参与连接的构件数。2.局部自由度：机构中某些构件所产生的不影响其他构件运动的局部运动自由度，在计算时应予以排除。例如，滚子从动件凸轮机构中滚子的转动。3.虚约束：对机构运动不起独立限制作用的重复约束，在计算时也应去除。虚约束通常是为了改善构件的受力状况或增加机构的刚度而设置的。2.3平面连杆机构2.3.1铰链四杆机构的基本形式与演化平面连杆机构是由若干刚性构件用低副连接而成的平面机构，又称平面低副机构。其中，由四个构件用铰链连接而成的机构称为铰链四杆机构，它是平面连杆机构的基本形式。铰链四杆机构中，固定不动的构件称为机架；与机架相连的构件称为连架杆；不与机架相连的构件称为连杆。连架杆中，能作整周转动的称为曲柄；只能在一定角度范围内摆动的称为摇杆。根据连架杆的运动形式，铰链四杆机构可分为三种基本形式：1.曲柄摇杆机构：两连架杆中，一为曲柄，一为摇杆。2.双曲柄机构：两连架杆均为曲柄。3.双摇杆机构：两连架杆均为摇杆。通过改变铰链四杆机构中某些构件的长度、形状或选择不同的构件作为机架等方式，可以演化出其他类型的平面连杆机构，如曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构等。2.3.2铰链四杆机构存在曲柄的条件铰链四杆机构中存在曲柄（即有整周转动的连架杆）的条件是：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（杆长之和条件）。2.最短杆为连架杆或机架。若不满足杆长之和条件，则机构必为双摇杆机构。2.3.3平面连杆机构的运动特性与传力特性*运动特性：主要包括急回特性和运动连续性。当曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不同，返回速度较快，这种性质称为急回特性，用行程速比系数K表示。K值越大，急回特性越显著。*传力特性：衡量机构传力性能的重要指标是压力角α和传动角γ。压力角是从动件上受力点的速度方向与该点所受驱动力方向之间所夹的锐角；传动角是压力角的余角（γ=90°-α）。传动角越大，压力角越小，机构传力性能越好。为保证机构具有良好的传力性能，一般应使γmin≥40°，对于高速或大功率机构，γmin应更大。2.4凸轮机构2.4.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作连续转动或移动；从动件则在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动规律作往复移动或摆动。凸轮机构的优点是结构简单、紧凑，能准确实现从动件复杂的运动规律；缺点是凸轮与从动件为高副接触，易磨损，承载能力有限。凸轮机构的类型繁多，按凸轮形状可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮；按从动件端部形式可分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件；按从动件运动形式可分为直动从动件和摆动从动件。2.4.2从动件常用运动规律从动件的运动规律是指从动件的位移s、速度v、加速度a随凸轮转角φ（或时间t）变化的规律。常用的运动规律有：1.等速运动规律：从动件在推程或回程中速度为常数。其位移曲线为斜直线，速度曲线为水平线。但在运动起始和终止位置，加速度趋于无穷大，会产生刚性冲击，只适用于低速轻载场合。2.等加速等减速运动规律：从动件在推程（或回程）的前半段作等加速运动，后半段作等减速运动。其位移曲线为抛物线，速度曲线为斜直线。在运动的始末点及加速度切换点（中点），加速度有突变，会产生柔性冲击，适用于中速场合。3.简谐运动规律（余弦加速度运动规律）：从动件的加速度按余弦曲线变化。其位移曲线为余弦曲线（或简谐曲线）。在运动的始末点，加速度有突变（若行程角和升程配合不当），也可能产生柔性冲击，适用于中高速场合。4.正弦加速度运动规律（摆线运动规律）：从动件的加速度按正弦曲线变化。其位移曲线为摆线。运动过程中速度和加速度均连续变化，无冲击，适用于高速场合。选择从动件运动规律时，需综合考虑机构的工作要求、运动平稳性、冲击、速度、加速度及凸轮的加工工艺等因素。2.4.3凸轮轮廓曲线的设计方法（反转法原理）凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法。图解法直观简便，但精度较低，适用于一般场合；解析法精度高，便于计算机辅助设计，适用于高精度或复杂运动规律的凸轮设计。反转法是凸轮轮廓设计的基本原理。其基本思想是：假设凸轮固定不动，而使从动件连同导路一起绕凸轮轴心以与凸轮原转速大小相等、方向相反的角速度转动。此时，从动件将一方面随导路反转，另一方面又在导路中按预定的运动规律相对移动（或摆动）。从动件尖顶（或滚子中心、平底）在这种复合运动中的轨迹，就是凸轮的轮廓曲线（或理论廓线）。2.5齿轮机构2.5.1齿轮机构的特点与类型齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，用于传递空间任意两轴之间的运动和动力。其主要优点是：传动比准确、传动效率高、功率范围广、传动平稳、工作可靠、使用寿命长、结构紧凑。缺点是：制造和安装精度要求高，成本较高，不适用于两轴中心距过大的场合。齿轮机构的类型很多，按两齿轮轴线的相对位置和齿向，可分为：*平面齿轮机构：用于平行轴间传动，如直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮传动。*空间齿轮机构：用于相交轴或交错轴间传动，如圆锥齿轮、蜗杆蜗轮传动。2.5.2齿廓啮合基本定律一对齿轮传动时，其瞬时传动比i12等于主动轮1和从动轮2的瞬时角速度ω1与ω2之比。齿廓啮合基本定律指出：互相啮合的一对齿廓，在任一啮合位置时的传动比，都与其连心线O1O2被啮合点处公法线所分成的两段长度成反比，即i12=ω1/ω2=O2P/O1P，其中P点为连心线O1O2与齿廓接触点公法线的交点，称为节点。要使齿轮传动的瞬时传动比恒定不变（这是保证传动平稳的基本要求），则应使节点P在连心线上的位置固定不动。此时，P点在齿轮1上的轨迹为一个圆，称为齿轮1的节圆；在齿轮2上的轨迹也为一个圆，称为齿轮2的节圆。两啮合齿轮的节圆相切于P点，并作纯滚动。2.5.3渐开线齿廓满足齿廓啮合基本定律且能保证瞬时传动比恒定的齿廓曲线有多种，工程上最常用的是渐开线齿廓。渐开线是一条直线在一圆周上作纯滚动时，直线上任意一点的轨迹。该圆称为渐开线的基圆，该直线称为渐开线的发生线。渐开线齿廓具有以下重要性质：1.渐开线上任意一点的法线必与基圆相切。2.渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆越大，渐开线越平直；基圆半径无穷大时，渐开线变为直线（齿条齿廓）。3.渐开线上各点的压力角不相等。离基圆越远（即向径越大）的点，压力角越大；基圆上的压力角为零。压力角是指渐开线上某点的速度方向与该点法线方向之间所夹的锐角，通常所说的齿轮压力角是指其分度圆上的压力角，我国标准规定为20°。4.基圆以内无渐开线。2.5.4标准直齿圆柱齿轮的基本参数与几何尺寸计算决定齿轮尺寸和齿形的基本参数有：*齿数z：齿轮上的轮齿总数。*模数m：人为规定的参数，是决定齿轮尺寸的基本参数。模数m=p/π，其中p为分度圆齿距（相邻两齿同侧齿廓在分度圆上的弧长）。模数越大，轮齿越粗壮，承载能力越强。我国已制定了标准模数系列。*压力角α：通常指分度圆上的压力角，标准值为20°。*齿顶高系数ha*和顶隙系数c***：标准值ha*=1，c*=0.25。标准直齿圆柱齿轮是指m、α、ha*、c*均为标准值，且分度圆上齿厚s等于齿槽宽e的齿轮。其主要几何尺寸计算公式如下：*分度圆直径：d=mz*齿顶圆直径：da=d+2ha*m=m(z+2ha*)*齿根圆直径：df=d-2(ha*m+c*m)=m(z-2ha*-2c*)*基圆直径：db=dcosα*齿顶高：ha=ha*m*齿根高：hf=(ha*+c*)m*全齿高：h=ha+hf=(2ha*+c*)m*分度圆齿距：p=πm*分度圆齿厚：s=p/2=πm/2*分度圆齿槽宽：e=p/2=πm/22.5.5渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动一对渐开线直齿圆柱齿轮正确啮合的条件是：两齿轮的模数和压力角分别相等，即m1=m2