沈理工机械设计第一版教案

第一章绪论1-1机械工业在现代化建设中的作用引言人类社会的进步源于不断地创新，设计活动则是创新的策划、起点和关键环节。机器是人们改造世界和现代化生活的重要工具，机器的发明、使用和发展是现代社会发展的一个重要创新过程。在这一创新过程中，人们总结出了进行机械设计的理论与方法，从而为更高层次的创新与设计奠定了基础。现代教育的目标是素质教育，而素质教育的核心应该是创新素质教育。作为集中了人们关于机械及装备创新智慧的机械设计的理论与方法，应该是同学们学习创新的理想内容。关于机械设计的理论与方法是博大精深的，而作为大学本科阶段的一门课程，机械设计课程的主要任务是讲述通用机械零部件的设计以及机械系统设计的基础知识。机械工业在现代化建设中的作用机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志。机器是代替人们体力和部分脑力劳动的工具，机器既能承担人力所不能或不便进行的工作，又能较人工生产改进产品质量，特别是能够大大提高劳动生产率和改善劳动条件。只有使用机器，才能便于实现产品的标准化、系列化和通用化，尤其是便于实现高度的机械化、电气化和自动化。机械工业肩负着为国民经济各个部门提供装备和促进技术改造的重任。大量地设计制造和广泛采用各种先进的机器，可大大加强促进国民经济发展的力度加速我国的现代化建设。1－2机器的基本组成要素一个机械系统一般包含机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统。一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件。通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承；螺栓、键、花键、销；铆、焊、胶结构件；弹簧、机架、箱体等。专用零件例如：叶片、犁铧、枪栓等。通用零件是本课程的主要学习对象，而专用零件的设计方法应在有关专业课中学习。1－3本课程的内容、性质与任务本课程的主要内容是：学习机械系统设计的基础知识；学习一般尺寸和参数的通用零件设计方法。本课程中“设计”的含义是指机械装置的实体设计，涉及零件的应力、强度的分析计算，材料的选择、结构设计，考虑加工工艺性、标准化以及经济性、环境保护等。机械设计结果的表现形式为：机械工程图、说明书和计算机程序。本课程所涉及的先修课程有：工程制图：设计的图形表达。工程材料：非金属材料，金属材料及热处理。机械制造基础：冷加工工艺，热加工工艺。公差配合与技术测量：解决精度设计问题。理论力学：解决力分析与动力计算。材料力学：解决强度分析问题。机械原理：解决机械的方案设计。本课程的几个特点：涉及面广关系多─因与诸多先修课关系密切。要求多─强度、刚度、寿命、工艺、重量、安全、经济性。门类多─各类零件，各有特点，设计方法各异。公式多─计算多，有解析式、半解析式、经验的、半经验的及定义式。图表多─结构图、分析图、原理图、示意图、曲线图、标准、经验数表。实践性强─不仅读懂书就行，要多联系实际，要注重实践性环节。无重点─又都是重点，设计工作必须详尽，细小的疏忽也会导致严重事故。设计问题无统一答案─更多地谈论谁设计得更好，要注意发展求异思维。认识机器：在学习机械设计课程之初，有必要对机械的组成，机械的基本要素有一个感性的了解。下面先看几个例子。1.全自动洗衣机2.减速器与变速器3.工业机器人4.汽车防抱死系统通过上述例子我们可以归纳以下几点：一个机械系统包含着机械结构系统、驱动动力系统、检测与控制系统；现代的机器不仅可以承担人类的体力劳动，还可以部分的脑力劳动。一台机器的机械结构总是由一些机构组成的，每个机构又是由若干零件组成的。有些零件是在各种机器中常用的，称之为通用零件，如：螺钉、齿轮、轴承等；有些零件只有在特定的机器中才用到，称之为专用零件，如：洗衣机中的波轮、工业机器人的末端执行器、军械中的枪栓等。

第二章机械设计总论2－1机器的组成人们为了满足生产和生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。一台完整的机器的组成大致可包括：2－2设计机器的一般程序一部机器的质量基本上决定于设计质量，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。设计机器的一般程序：计划阶段方案设计阶段技术设计阶段技术文件编制阶段2－3对机器的主要要求设计机器的任务是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出的。不管机器的类型如何，一般来说，对机器都要提出以下的基本要求：使用功能要求经济性要求劳动保护要求可靠性要求其它专用要求2－4机械零件的主要失效形式机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂（二）过大的残余变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形（三）零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。轴瓦磨损齿面接触疲劳（四）破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。2－5设计机械零件时应满足的基本要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：避免在预定寿命期内失效的要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。结构工艺性要求设计的结构应便于加工和装配。经济性要求零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。质量小的要求质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。可靠性要求应降低零件发生故障的可能性（概率）。2－6机械零件的设计准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形。寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。可靠性准则：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。2－7机械零件的设计方法机械零件的设计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。它又可分为：理论设计经验设计模型实验设计现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。2－8机械零件设计的一般步骤机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：2-9机械零件的材料及其选用一、常用材料1．金属材料黑色金属：铁，灰铸铁、球墨铸铁(如：TH300QT500-5)钢，低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F，45，60，1Cr18）有色金属：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...2．非金属材料高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维陶瓷：强如钢、轻如铝、硬如金刚石复合材料：强度高、弹性模量大、质量轻二、机械零件材料的选用原则载荷及应力的大小和性质零件的尺寸及重量材料的经济性零件的工作情况零件的结构及加工性2－10机械零件设计中的标准化标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。标准化的益处：标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。与设计有关的标准：国际标准国家标准行业标准企业标准等如：ISOGBJB、HBQB国标分为：强制标准和推荐标准强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。推荐性国家标准：代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。2－11机械现代设计方法简介机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：以动态的取代静态的─如机器结构动力学计算。以定量的取代定性的─如有限元计算。以随机量取代确定量─如可靠性设计。以优化设计取代可行性设计─如优化设计。并行设计取代串行设计─如并行设计。微观的取代宏观的─如微－纳米摩擦学设计。系统工程法取代分部处理法─如系统工程。自动化设计取代人工设计的转化─如计算机辅助设计。

第三章机械零件的强度3－1材料的疲劳特性一、交变应力的描述─平均应力；─应力幅值；─最大应力；─最小应力r─应力比（循环特性）描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。r=-1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力二、－N疲劳曲线机械零件的疲劳大多发生在－N曲线的CD段，可用下式描述：D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：

由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和σr∞，于是有：有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：式中，、N0及m的值由材料试验确定。三、等寿命疲劳曲线（极限应力线图）机械零件材料的疲劳特性除用－N曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。用A'Ｇ'C折线表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。A'Ｇ'直线的方程为：CＧ'直线的方程为：为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：对于碳钢，≈0.1~0.2，对于合金钢，≈0.2~0.3。3-2机械零件的疲劳强度计算一、零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。以弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e的比值，即在不对称循环时，Ｋσ是试件与零件极限应力幅的比值。将零件材料的极限应力线图中的直线A'D'G'按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的CG部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的σmax及σmin确定平均应力σm与应力幅σa，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力，计算安全系数及疲劳强度条件为：根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：应力比为常数：r=C平均应力为常数σm=C最小应力为常数σmin=C三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的σ2对材料的损伤率即为n2/N2，……。当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力和时，由实验得出的极限应力关系式为：式中′及′为同时作用的切向及法向应力幅的极限值。由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线AM'B上任何一个点即代表一对极限应力及。若作用于零件上的应力幅及如图中M点表示，则由于此工作应力点在极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。五、提高机械零件疲劳强度的措施尽可能降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采用减载槽来降低应力集中的作用。在综合考虑零件的性能要求和经济性后，采用具有高疲劳强度的材料，并配以适当的热处理和各种表面强化处理。适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。3-3机械零件的接触强度当两零件以点、线相接处时，其接触的局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公式计算。式中ρ1和ρ2分别为两零件初始接触线处的曲率半径,其中正号用于外接触，负号用于内接触。接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。

第四章摩擦、磨损与润滑概述4－1摩擦一、摩擦的机理“机械说”产生摩擦的原因是表面微凸体的相互阻碍作用；“分子说”产生摩擦的原因是表面材料分子间的吸力作用；“机械－分子说”两种作用均有。二、摩擦的分类内摩擦：在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。外摩擦：在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。静摩擦：仅有相对运动趋势时的摩擦。动摩擦：在相对运动进行中的摩擦。滑动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滑动。滚动摩擦：物体表面间的运动形式是相对滚动。三、４种滑动摩擦状态１.干摩擦是指表面间无任何润滑剂或保护膜的纯金属接触时的摩擦。1785年，法国的库仑用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论。1935年，英国的鲍登等人开始用材料粘附概念研究干摩擦，1950年，鲍登提出了粘附理论。２.边界摩擦是指摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，其摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。３．流体摩擦是指摩擦表面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。流体摩擦时的摩擦系数最小，且不会有磨损产生，是理想的摩擦状态。４．混合摩擦是指摩擦表面间处于边界摩擦和流体摩擦的混合状态。混合摩擦能有效降低摩擦阻力，其摩擦系数比边界摩擦时要小得多。边界摩擦和混合摩擦在工程实际中很难区分，常统称为不完全液体摩擦。4－2磨损磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率，降低工作的可靠性，甚至促使机器提前报废。一个零件的磨损过程大致可分为三个阶段，即：ð磨合阶段新的零件在开始使用时一般处于这一阶段，磨损率较高。ð稳定磨损阶段属于零件正常工作阶段，磨损率稳定且较低。ð剧烈磨损阶段属于零件即将报废的阶段，磨损率急剧升高。在设计或使用机器时，应该力求缩短磨合期，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损的到来。为此就必须对形成磨损的机理有所了解。关于磨损机理与分类的见解颇不一致，大体上可概括为：磨粒磨损也简称磨损，是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损。疲劳磨损也称点蚀，是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下，反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损。粘附磨损也称胶合，当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后，在相对运动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成粘附磨损。冲蚀磨损流体中所夹带的硬质物质或颗粒，在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损。腐蚀磨损当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀，在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损。微动磨损是指摩擦副在微幅运动时，由上述各磨损机理共同形成的复合磨损。微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。4－3润滑剂、添加剂和润滑方法一、润滑剂润滑油：动植物油、矿物油、合成油。粘度是润滑油的主要质量指标，粘度值越高，油越稠，反之越稀；润滑脂：润滑油+稠化剂润滑脂的主要质量指标是：锥入度，反映其稠度大小。滴点，决定工作温度。固体润滑剂：石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等。二、添加剂为了提高油的品质和性能，常在润滑油或润滑脂中加入一些分量虽小但对润滑剂性能改善其巨大作用的物质，这些物质叫添加剂。三、润滑方法润滑油润滑在工程中的应用最普遍，常用的供油方式有：滴油润滑、浸油润滑、飞溅润滑、喷油润滑、油雾润滑等浸油与飞溅润滑浸油与飞溅润滑喷油润滑喷油润滑脂润滑常用于运转速度较低的场合，将润滑脂涂抹于需润滑的零件上。润滑脂还可以用于简单的密封。4－4流体润滑原理简介英国的雷诺于1886年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动压润滑理论。20世纪50年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动压润滑的理论开始有所突破。一、流体动力润滑流体动力润滑是指两个作相对运动物体的摩擦表面，借助于相对速度而产生的粘性流体膜将两摩擦表面完全隔开，由流体膜产生的压力来平衡外载荷。流体动力润滑形成的必要条件：楔形空间；相对运动（保证流体由大口进入）；连续不断地供油。二、弹性流体动力润滑弹性流体动力润滑理论是研究在点、线接触条件下，两弹性物体间的流体动力润滑膜的力学性质。这时的计算必须把在油膜压力下，摩擦表面的变形的弹性方程、表述润滑剂粘度与压力间关系的粘压方程与流体动力润滑的主要方程结合起来，以求解油膜压力分布、润滑膜厚度分布等问题。三、流体静力润滑流体静力润滑是指借助外部供入的压力油形成的流体膜来承受外载荷的润滑方式。采用流体静力润滑可在两个静止且平行的摩擦表面间形成流体膜，其承载能力不依赖于流体粘度，故能用粘度极低的润滑剂，且既可使摩擦副有较高的承载能力，又可使摩擦力矩降低。

第五章螺纹联接5－1螺纹一、螺纹的分类螺纹有外螺纹与内螺纹之分，它们共同组成螺旋副。螺纹按工作性质分为联接用螺纹和传动用螺纹。联接用螺纹的当量摩擦角较大，有利于实现可靠联接；传动用螺纹的当量摩擦角较小，有利于提高传动的效率。二、普通螺纹的主要参数大径d－即螺纹的公称直径。小径d1－常用于联接的强度计算。中径d2－常用于联接的几何计算。螺距P－螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。牙型角a－螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。升角－螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。线数n－螺纹的螺旋线数目。导程S－螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，S=nP。升角的计算式为：5－2螺纹联接的类型与标准联接件一、螺纹联接的基本类型螺栓联接：普通螺栓联接，铰制孔螺栓联接螺钉联接双头螺柱联接紧钉螺定除上述联接的基本类型外，在机器中，还有一些特殊结构的螺纹联接。如：T型槽螺栓联接、吊环螺钉联接和地脚螺栓联接等。二、标准螺纹联接件螺纹联接的类型很多，在机械制造中常见的螺纹联接件的结构型式和尺寸都已经标准化，设计时可以根据有关标准选用。5－3螺纹联接的预紧预紧力：大多数螺纹联接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的：增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间出现缝隙或发生相对移动。预紧力的确定原则：拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限的80%。预紧力的控制：利用控制拧紧力矩的方法来控制预紧力的大小。通常可采用测力矩扳手或定力矩扳手，对于重要的螺栓联接，也可以采用测定螺栓伸长的方法来控制预紧力。预紧力和预紧力矩之间的关系：注意：对于重要的联接，应尽可能不采用直径过小(＜M12)的螺栓。5－4螺纹联接的防松螺纹联接一般都能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或在高温或温度变化较大的情况下，螺纹联接中的预紧力和摩擦力会逐渐减小或可能瞬时消失，导致联接失效。防松的根本问题在于防止螺旋副相对转动。按工作原理的不同，防松方法分为摩擦防松、机械防松等。此外还有一些特殊的防松方法，例如铆冲防松、在旋合螺纹间涂胶防松等。5－5螺纹联接的强度计算联接的失效形式：主要是指螺纹联接件的失效。对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳断裂。对于受剪螺栓，其失效形式可能是螺栓杆被剪断或螺栓杆和孔壁的贴合面被压溃。螺栓联接强度计算的目的是根据强度条件确定螺栓直径，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸均按标准选定。螺栓联接的强度计算主要与联接的装配情况（预紧或不预紧）、外载荷的性质和材料性能等有关。一、松螺栓联接强度计算二、紧螺栓联接强度计算1．仅受预紧力的紧螺栓联接当联接承受较大的横向载荷F时，由于要求F0≥F／f（f=0.2），即F0≥5F，因而需要大幅度地增加螺栓直径。为减小螺栓直径的增加，可采用减载措施。2．受轴向载荷的紧螺栓联接螺栓预紧力F0后，在工作拉力F的作用下，螺栓的总拉力F2=?式中F1为残余预紧力，为保证联接的紧密性，应使F1＞0，一般根据联接的性质确定F1的大小。为使工作载荷作用后，联接结合面间有残余预紧力F1存在，要求螺栓联接的预紧力F0为：静强度条件：3．承受工作剪力的紧螺栓联接这种联接是利用铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压。在联接结合面处，螺栓杆则受剪切。螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：螺栓杆的剪切强度条件为：式中：F－螺栓所受的工作剪力，单位为N；

d0－螺栓剪切面的直径（可取螺栓孔直径），单位为mm；

Lmin－螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm；设计时

应使Lmin≥1.25d05-6螺栓组联接的设计一、螺栓组联接的结构设计大多数机械中螺栓都是成组使用的。在设计螺栓组联接时，关键是联接的结构设计。它是根据被联接件的结构和联接的用途，确定螺栓数目和分布形式。各螺栓之间的距离大小既要保证联接的可靠性又要考虑装拆方便，还应留有足够的扳手空间。为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证联接结合面受力均匀，通常联接结合面的几何形状都设计成轴对称的简单几何形状。为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成4、6、8等偶数。螺栓布置应使各螺栓的受力合理。螺栓的排列应有合理的间距、边距。避免螺栓承受附加的弯曲载荷。二、螺栓组联接的受力分析受力分析的目的：根据联接的结构和受载情况，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便进行螺栓联接的强度计算。受力分析时所作假设：所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均相同；螺栓组的对称中心与联接接合面的形心重合；受载后联接接合面仍保持为平面。受力分析的类型：1．受横向载荷2．受转矩3．受轴向载荷4．受倾覆力矩1．受横向载荷的螺栓组联接图示为由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。（1）对于铰制孔用螺栓联接（图b），每个螺栓所受工作剪力为：式中：z为螺栓数目。（2）对于普通螺栓联接（图a），按预紧后接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷的要求，有：或或Ks为防滑系数，设计中可取Ks=1.1~1.3。2．受转矩的螺栓组联接采用普通螺栓和铰制孔用螺栓组成的螺栓组受转矩时的受力情况是不同的。（1）采用普通螺栓，是靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。（2）采用铰制孔用螺栓，是靠螺栓的剪切和螺栓与孔壁的挤压作用来抵抗转矩T。3．受轴向载荷的螺栓组联接若作用在螺栓组上轴向总载荷FΣ作用线与螺栓轴线平行，并通过螺栓组的对称中心，则各个螺栓受载相同，每个螺栓所受轴向工作载荷为：通常，各个螺栓还承受预紧力F0的作用，当联接要有保证的残余预紧力为F1时，每个螺栓所承受的总载荷F2为。F2=F1+F4．受倾覆力矩的螺栓组联接倾覆力矩M作用在联接接合面的一个对称面内，底板在承受倾覆力矩之前，螺栓已拧紧并承受预紧力F0。作用在底板两侧的合力矩与倾覆力矩M平衡，即：由此可以求出最大工作载荷：受倾覆力矩的底板螺栓组联接的受力过程可用右图表示。为防止结合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，要求：在倾覆力矩作用前，螺栓和地基的工作点都处于A点。底板受倾覆力矩后，在轴线O-O左侧，螺栓与地基的工作点分别移至B1和C1，两者作用在底板上的合力为F。在轴线O-O右侧，螺栓与地基的工作点分别移至B2和C2，两者作用在底板上的合力为Fm。螺栓的总拉力：5-7螺纹联接件的材料与许用应力一、螺纹联接件材料国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。常用的螺纹联接件材料为Q215、Q235、35、45等碳素钢。当强度要求高时，还可采用合金钢，如15Cr、40Cr等。二、螺纹联接件的许用应力1．螺纹联接件的许用拉应力2．螺纹联接件的许用剪应力和许用挤压应力（被联接件为钢）（被联接件为钢）（被联接件为铸铁）（被联接件为铸铁）3．螺纹联接件的安全系数5-8提高螺纹联接强度的措施以螺栓联接为例，螺栓联接的强度主要取决于螺栓的强度，因此，提高螺栓的强度，将大大提高联接系统的可靠性。影响螺栓强度的因素主要有以下几个方面，或从以下几个方面提高螺栓强度。1.改善螺纹牙间的载荷分配2.减少螺栓的应力幅加弹性元件加硬垫片3.减小应力集中的影响4.避免附加弯曲应力加沉头座凸台加斜面垫片5.采用合理的制造工艺

第六章键、花键、无键联接和销联接6－1键联接一、键联接的分类、结构型式及应用1．平键联接平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。根据用途，平键又可分为普通平键导向平键滑键普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属静联接。导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属动联接。普通平键应用极为广泛。轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。2．半圆键联接键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。3．楔键联接楔键的上、下表面为工作面，两侧面为非工作面。键的上表面与键槽底面均有1:100的斜度。工作时，键的上下两工作面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠其摩擦力和挤压传递扭矩。4．切向键由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120°～130°角的两个键。二、键的选择和强度校核1．键的尺寸选择平键的尺寸主要是键的截面尺寸b×h及键长L。b×h根据轴径d由标准中查得，键的长度参考轮毂的长度确定，一般应略短于轮毂长，并符合标准中规定的尺寸系列。2．平键联接的失效和强度校核对于普通平键联接（静联接），其主要失效形式是工作面的压溃，有时也会出现键的剪断，但一般只作联接的挤压强度校核。对于导向平键联接和滑键联接，其主要失效形式是工作面的过度磨损，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。设键侧面的作用力沿键的工作长度和高度均匀分布，则普通平键的强度条件为:导向平键和滑键联接的强度条件为：式中：式中：当强度不足时，可适当增加键长或采用两个键按180º布置。考虑到两个键的载荷分布不均匀性，在强度校核中可按1.5个键计算。6-2花键联接一、花键联接是将具有均布的多个凸齿的轴置于轮毂相应的凹槽中所构成的联接。其工作面是键齿侧。花键联接是多齿传递载荷，故比平键联接的承载能力高，定心性和导向性好，对轴的削弱小(齿浅、应力集中小)；花键联接一般用于定心精度要求高和载荷较大的地方。花键加工需用专门的设备和工具，成本较高。花键联接按齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，且均已标准化。二、花键联接强度计算花键联接的受力情况如右图。其主要失效形式仍是工作面被压溃（静联接）或工作面过度磨损（动联接）。强度计算时，假定载荷在键的工作面上均匀分布，且压力的合力F作用在平均直径dm处，并引入载荷分配不均匀系数y，则花键联接的强度校核式为：键的工作高度为：、[p]为花键联接的许用挤压应力和许用压力6－3无键联接一、型面联接型面联接是用非圆截面的柱面体或锥面体的轴与相同轮廓的毂孔配合以传递运动和转矩的可拆联接，它是无键联接的一种型式。由于型面联接要用到非圆形孔，以前因其加工困难，限制了型面联接的应用。在家用机械、办公机械等中，采用了大量的压铸、注塑零件。要注塑出各种各样的非圆形孔是毫无困难的，故型面联接的应用获得了发展。应用较多的是带切口圆形和正六边形型面。二、胀紧联接胀紧联接是在毂孔与轴之间装入胀紧联接套（简称胀套），在轴向力作用下，同时胀紧轴与毂而构成的一种静联接。胀套的尺寸选择：各型胀套已标准化，选用时可根据轴、毂尺寸及传递载荷大小，从标准中选择合适的型号和尺寸。选择时应满足：当一个胀套不满足要求时，可用两个以上的胀套串联使用，此时总的额定载荷为：m为额定载荷系数。6－4销联接销联接主要用于确定零件之间的相互位置，并可传递不大的载荷。也可用于轴和轮毂或其他零件的联接。根据销的用途不同，一般有：定位销、联接销、安全销。根据销的结构形式有：圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等。销的材料为35、45钢（开口销为低碳钢），许用应力[]=80MPa，许用挤压应力与键联接的挤压应力相同。

第七章机械的运转及其速度波动的调节（一）教学要求掌握等效力（力矩），等效质量（转动惯量）的计算，理解机器运动微分方程理解速度波动调节的原理，掌握飞轮设计方法（二）教学的重点与难点等效力（力矩），等效质量（转动惯量）速度波动的原因，盈亏功、飞轮设计（三）教学内容§7-1概述一、研究机器运转的目的确定原动件真实运动规律→确定其它运动构件的运动规律，参数。二、调节机器速度波动的目的1、周期性速度波动危害：①引起动压力，η↓和可靠性。②可能在机器中引起振动，影响寿命、强度。③影响工艺，↓产品质量。2、非周期性速度波动危害：机器因速度过高而毁坏，或被迫停车。三、机器的功能方程由能量守恒定律得，机器运动的某一时间间隔内，所有外力与内力作功之和等于机器功能的改变。Wd——输入功Wr——输出功Wf——损失功四、机器运动的全时期（主轴）1、起动时期：0→E>E0时间短∴2、稳定运动时期（时间长，机器真正工作的阶段）（1）变速稳定运动TP为一个运动循环在TP首末，在TP内，图1机械系统的运转过程图1机械系统的运转过程（2）匀速稳定运动任一时间间隔内：3、停车时期：。§7-2机械的运动方程式7-2-1机器等效动力学模型一、等效力和等效力矩研究机器在已知力作用下的运动时，作用在机器某一构件上的假想F或M代替作用在机器上所有已知外力和力矩。代替条件：机器的运动不变，即：假想力F或力矩M所作的功或所产生的功率等于所有被代替的力和力矩所作的功或所产生的功率之和。假想力F——等效力假想力矩M——等效力矩等效力或等效力矩作用的构件——等效构件等效力作用的点——等效点通常，选择根据其位置便于进行机器运动分析的构件为等效构件。等效力或等效力矩所产生的功率或设Fi，Mi——作用在机器第i个构件上的已知力和力矩Vi——力Fi作用点的速度——构件i的角速度——Fi和Vi夹角作用在机器所有构件上的已知力和力矩所产生的功率：和同向取“+”，否则“-”∴或∴（1）或（2）公式讨论：①等效力F和等效力矩M只与各速度比有关，∴F和M是机构位置的函数。②各个速度比可用任意比例尺所画的速度多边形中的相应线段之比来表示。不必知道各个速度的真实数值，∴可在不知道机器真实运动的情况下，求出F、M。等效驱动力与同向等效阻力与反向③选绕固定轴线转动的构件为等效构件。∴④，随时间或角速度变化，F、M也是时间和角速度函数F和M可用速度多边形杠杆法求出方法：作机构的转向速度多边形，并将等效力（或等效力矩）及被代替的力和力矩平移到其作用点的影像上，然后使两者对极点所取的力矩大小相等、方向相同，便可求出F、M，若取移动的构件为等效构件，F用公式求，VB=构件移动速度。注意：F和M是一个假想的力和力矩，它不是被代替的已知力和力矩的合力或合成矩。求机构各力的合力时不能用等效力和等效力矩的原理。二、等效质量和等效转动惯量使用等效力和等效力矩的同时，用集中在机器某一构件上选定点的一个假想质量代替整个机器所有运动构件的质量和转动惯量。代替条件：机器的运动不变。即假想集中质量的功能等于机器所有运动构件的功能之和。等效质量；等效点；等效构件。为方便，等效力和等效质量的等效点和等效构件是同一点和同一构件等效转动惯性。（当取绕固定回转的构件为等效构件时，可用一个与它共同转动的假想物体的转动惯量来代替机器所有运动构件的质量和转动惯量。条件：假想惯动惯量的功能等于机器所有运动构件的功能之和）。或设——第i个构件的角速度——第i个构件质心Si的速度——第i个构件质心质量——对质心轴线的转动惯量整个机器的功能：∴或∴（1）或（2）公式讨论：①m和J由速度比的平方而定，总为正值；m和J仅是机构位置的函数。②不必知道各速度的真实值。③等效构件为绕固定轴线旋转∴取移动构件为等效构件：由（1）求m，=移动速度注意：m,J是假想的，不是机器所有运动构件的质量和转动惯量的合成总和解：画转向速度多边形7-2-2机器运动方程式的建立及解法一、机器运动方程式的建立1、动能形式的机器运动方程式如不考虑摩擦力，将重力看作驱动力或阻力。设——某一位移过程中等效驱动力所作的功——某一位移过程中等效驱动力矩所作的功——某一位移过程中等效阻力所作的功——某一位移过程中等效阻力矩所作的功m——某一位移结束时的等效质量——某一位移开始时的等效质量J——某一位移结束时的等效转动惯量——某一位移开始时的等效转动惯量V（）——某一位移结束时等效点的速度（角速度）——某一位移开始时等效点的速度（角速度）机器的动能方程式可写成：或动能形式的机器运动方程式。2、力或力矩形式的机器运动方程式，S为等效点的位移将上式微分：∴，其中→等效点的切向加速度，若用，表示，→等效构件的转角；→等效构件角加速度∴§7-3、机械运动方程式的求解注意机器的机械特征——表示机器力参数与运动参数间的关系。如：有的机器的驱动力是机构位置的函数有的机器的驱动力是速度位置的函数有的驱动力是常数。阻力可能是机构位置的函数也可能是速度位置的函数，或者是常数。机器的等效质量（等效转动惯量）是机构位置的函数∴研究机器的真实运动时，必须分别情况加以处理。实际中解决很多机器的真实运动时，近似地认为驱动力和阻力是其中机构位置的函数。因此，解机器运动方程式时，主要研究力是机构位置函数时其等效构件的真实运动。一、解析法。当等效力（力矩）是机构位置的函数时，宜采用动能形式的运动方程式（1）求等效构件的角速度角位移，（a）——该区间的剩余功（盈方功）。——动能增量解（a）式：（b）若从起动开始算起，∴（c）∵∴（2）求等效构件的角加速度（可由（2）或（3）求导得）（3）求机器的运动时间t∴若从起动开始算起，∴以上求解过程说明，知，便能准确求出机器的真实运动规律。二、图解法以线图或表格的形式给出，用图解法较方便，但精度较差。（1）求曲线∵（a）∴只与E和J有关，可借助确定，先求出等效驱动力矩曲线，将两曲线相减得根据，将曲线积分，得曲线，再求出。将两图中各个位置对应的E和J代入式（a），求得W，再作出曲线。（2）求曲线求出，微分：，∵（3）求曲线→倒函数曲线：（b）∵,∴将(b)积分→§7-4稳定运动状态下机器周期性速度波动及其调节机械在运转过程中，由于其上所作用的外力或力矩的变化，会导致机械运转速度的波动。过大的速度波动对机械的工作是不利的。因此在机械系统设计阶段，设计者就应采取措施，设法降低机械运转的速度波动程度，将其限制在许可的范围内，以保证机械的工作质量。一、周期性速度波动产生的原因下面以等效力矩和等效转动惯量是等效构件位置函数的情况为例，分析速度波动产生的原因。作用在机械上的驱动力矩和阻抗力矩在稳定运转状态下往往是原动件转角的周期性函数。因此其等效驱动力矩与等效阻抗力矩必然也是等效构件转角的周期性函数。如图（a）所示为某一机械在稳定运转过程中，其等效构件在一个周期中所受等效驱动力矩与等效阻抗力矩的变化曲线。在等效构件转过角时（设起始位置为），其驱动功与阻抗功分别为：图2机械运转的功能曲线图2机械运转的功能曲线其等效驱动力矩和等效阻力矩所作的功之差值为机械动能的增量，即（1）为正值时称为盈功，为负值时称为亏功。由图2（a）中可以看出：在bc段、de段，由于力矩，因而驱动功大于阻抗功，多余的功在图中以“+”号标识，称为盈功，在这一段运动过程中，等效构件的角速度由于动能的增加而上升；反之，在ab段、cd段和eaˊ段，由于，因而驱动功小于阻抗功，不足的功在图中以“－”号标识，称为亏功，在这一段运动过程中，等效构件的角速度由于动能的减少而下降。图2(b)表示以a点为基准的与的关系。－曲线亦为机械的动能增量△E对的曲线。ab区间为亏功区，等效构件的角速度由于机械动能的减小而下降；反之，由b到c的盈功区间，等效构件角速度由于机械动能的增加而上升。如果在等效力矩和等效转动惯量变化的公共周期内（如图中由区间到所示）驱动力矩与阻力矩所作功相等，则机械动能的增量等于零。即(2)于是经过等效力矩与等效转动惯量变化的一个公共周期，机械的动能又恢复到原来的值，因而等效构件的角速度也将恢复到原来的数值。由以上分析可知，等效构件在稳定运转过程中其角速度将呈现周期性的波动。二、速度波动程度的衡量指标如上所述，机械运转的速度波动对机械的工作是不利的，它不仅将影响机械的工作质量，而且会影响到机械的效率和寿命，所以必须设法加以控制和调节，将其限制在许可的范围之内。为了对机械稳定运转过程中出现的周期性速度波动进行分析，下面先介绍衡量速度波动程度的几个参数。如果一个周期内等效构件角速度的变化曲线如图所示，其最大和最小角速度分别为max和min，则在周期内的平均角速度应为图3角速度变化示意图

(3)图3角速度变化示意图在工程实际中，当变化不大时，常按最大和最小角速度的算术平均值来计算平均角速度，即

（）

机械速度波动的程度不能仅用速度变化幅度表示，因为当一定时，对低速机械和对高速机械其变化的相对百分比显然是不同的。因此，平均角速度m也是衡量速度波动程度的一个重要指标。综合考虑这两方面的因素，采用角速度的变化量和其平均角速度的比值来反映机械运转的速度波动程度，这个比值以表示，称为速度波动系数，或速度不均匀系数。

(5)不同类型的机械，所允许的波动程度是不同的。表1给出了几种常用机械的许用速度波动系数[]，供设计时参考。为了使所设计的机械系统在运转过程中速度波动在允许范围内，设计时应保证不超过许用值，即满足如下条件：可在机械中安装一个具有很大转动惯量的回转构件——飞轮，以调节机械的周期性速度波动。表1

常用机械运转速度波动系数的许用值[]机械的名称[δ]机械的名称[δ]碎石机1/5～1/20水泵、鼓风机1/30～1/50冲床、剪床1/7～1/10造纸机、织布机1/40～1/50轧压机1/10～1/25纺纱机1/60～1/100汽车、拖拉机1/20～1/60直流发电机1/100～1/200金属切削机床1/30～1/40交流发电机1/200～1/300三、周期性速度波动的调节1飞轮调速的基本原理由图（b）可以看出，该机械系统在b点处具有最小的动能增量，它对应于最大的亏功，其值等于图（a）中的阴影面积（－）；而在c点，机械具有最大的动能增量，它对应于最大的盈功，其值等于图（a）中的阴影面积与阴影面积（－）之和。两者之差称为最大盈亏功，用表示。对于图2的系统:如果忽略等效转动惯量中的变量部分，即假设机械系统的等效转动惯量为常数，则当时，；当时，。若设为调节机械系统的周期性速度波动，安装的飞轮的等效转动惯量为，则根据动能定理可得：(6)由此可得机械系统在安装飞轮后其速度波动系数的表达式为：（7）在设计机械时，为了保证安装飞轮后机械速度波动的程度在工作许可的范围内，应满足，即(8)由此可得应安装的飞轮的等效转动惯量为：(9)式中为系统中除飞轮以外其它运动构件的等效转动惯量。若,则通常可以忽略不计，上式可近似写为：(10)若将上式中的平均角速度用平均转速代替，则有(11)显然，忽略后算出的飞轮转动惯量比实际需要的大，从满足运转平稳性的要求来看是趋于安全的。分析式（11）可知：当与一定时，若加大飞轮转动惯量，则机械的速度波动系数将下降，起到减小机械速度波动的作用，达到调速的目的。当与一定时，如取值过小，则飞轮的转动惯量就会很大。所以过分追求机械运转速度的平稳性，将会导致飞轮过于笨重。由于不可能为无穷大，而与又都是有限值，所以不可能为零，即安装飞轮后机械运转的速度仍然有周期性波动，只是波动的幅度减小了而已。当与一定时，与的平方值成反比，所以为减小飞轮的转动惯量，最好将飞轮安装在机械的高速轴上，当然，在实际设计中还必须考虑安装飞轮轴的刚性和结构上的可能性等要求。

由于飞轮转动惯量很大，因而要使其转速发生变化，就需要较大的能量，当机械出现盈功时，它可以以动能的形式将多余的能量储存起来，从而使主轴角速度上升的幅度减小；反之，当机械出现亏功时，飞轮又可释放出其储存的能量，以弥补能量的不足，从而使主轴角速度下降的幅度减小。从这个意义上讲，飞轮在机械中的作用，相当于一个能量储存器。因此可以说，飞轮实质上是一个能量储存器，它可以用动能的形式把能量储存或释放出来。惯性玩具小汽车就利用了飞轮的这种功能。一些机械（如锻压机械）在一个工作周期中，工作时间很短，而峰值载荷很大，就利用了飞轮在机械非工作时间所储存的能量来帮助克服其尖峰载荷，从而可以选用较小功率的原动机来拖动，进而达到减少投资及降低能耗的目的。较新的应用研究有：利用飞轮在汽车制动时吸收能量和在汽车启动时释放能量以达到节能的目的，为太阳能及风能发电装置充当能量平衡器等等。2最大盈亏功的确定飞轮设计的主要问题就是计算飞轮的转动惯量，在由式（11）计算时，由于和均为已知量，因此，为求飞轮转动惯量，关键在于确定最大盈亏功。为了确定最大盈亏功，需要先确定机械动能最大增量和最小增量出现的位置，因为在这两个位置，机械系统分别有最大角速度和最小角速度。如图2（a）和（b）所示，和应出现在和两曲线的交点处。如果和分别用的函数表达式形式给出，则可由下式(12)直接积分求出各交点处的，进而找出和及其所在位置，从而求出最大盈亏功。如果和以线图或表格给出，则可通过和之间所包含的各块面积计算各交点处的值，然后找出和及其所在位置，从而求出最大盈亏功。在计算最大盈亏功时，也可借助能量指示图来确定，如图2（c）所示，取任意点a作为起点，按照一定比例用向量线段依次表明相应位置和之间所包围的面积的大小和正负。盈功为正，其箭头向上；亏功为负，箭头向下。由于在一个循环的起始位置与终了位置处的动能相等，故能量指示图的首尾应在同一水平线上。由图中可以看出，b点处动能最小，c点处动能最大，而图中折线的最高点与最低点的距离，就代表了最大盈亏功的大小。3飞轮主要尺寸设计飞轮的转动惯量确定后，就可以计算其各部分的尺寸。需要注意的是，在上述讨论飞轮转动惯量的求法时，都假定飞轮是安装在机械系统的等效构件上，实际设计时，若希望将飞轮安装在其它构件上，则在确定其各部分尺寸时需要先将计算所得的飞轮转动惯量折算到其安装的构件上。飞轮按构造大体可分为轮形和盘形两种。图4盘形飞轮结构（1）轮形飞轮图4盘形飞轮结构如图3所示，这种飞轮由轮毂、轮辐和轮缘三部分组成。由于与轮缘相比，轮毂和轮辐的转动惯量很小，因此计算时，一般可略去不计。这样简化后，实际的飞轮转动惯量稍大于要求的转动惯量。若设飞轮外径为，轮缘内径为，轮缘质量为，则轮缘的转动惯量为：(13)当轮缘厚度不大时，可近似认为飞轮质量集中于其平均直径的圆周上，于是得：(14)式中，称为飞轮矩，其单位为。知道了飞轮的转动惯量，就可以求得其飞轮矩。当根据飞轮在机械中的安装空间，选择了轮缘的平均直径后，即可用上式计算出飞轮的质量。若设飞轮宽度为，轮缘厚度为，平均直径为，材料密度为，则：(15)在选定了并由式（14）计算出以后，便可根据飞轮的材料和选定的比值由式（15）求出飞轮的截面尺寸和，对于较小的飞轮，通常取，对于较大的飞轮，通常取。由式（14）可知，当飞轮转动惯量一定时，选择的飞轮直径愈大，则质量愈小。但直径太大，会增加制造和运输的困难，占据空间大。同时轮缘的圆周速度增加，会使飞轮有受过大离心力作用而破裂的危险。因此，在确定飞轮尺寸时应该验算飞轮的最大圆周速度，使其小于安全极限值。（2）盘形飞轮当飞轮的转动惯量不大时，可采用形状简单的盘形飞轮，如图4所示。设分别为其质量、外径和宽度，则整个飞轮的转动惯量为：(16)当根据安装空间选定飞轮直径后，即可由该式计算出飞轮质量。又因，故根据所选飞轮材料，即可求出飞轮的宽度为：(17)11.5机械的非周期性速度波动及其调节非周期性速度波动：如果机械在运转过程中，等效力矩()的变化是非周期性的，则机械的稳定运转状态将遭到破坏，此时出现的速度波动称为非周期性速度波动。1非周期性速度波动产生的原因非周期性速度波动多是由于工作阻力或驱动力在机械运转过程中发生突变，从而使输入能量与输出能量在一段较长时间内失衡所造成的。若不加以调节，它会使系统的转速持续上升或下降，严重时将导致“飞车”或停止运转。电网电压的波动，被加工零件的气孔和夹渣等都会引起非周期性速度波动。汽轮发电机是这方面的典型例子：当用电负荷增大时，必须开大汽阀更多地供汽，否则将导致“停车”；反之，当用电负荷减少时，必须关小汽阀，否则会导致“飞车”事故。2非周期性速度波动的调节方法对于非周期性速度波动，安装飞轮是不能达到调节目的的，这是因为飞轮的作用只是“吸收”和“释放”能量，它既不能创造出能量，也不能消耗掉能量。

非周期性速度波动的调节问题可分为两种情况：当机械的原动机所发出的驱动力矩是速度的函数且具有下降的趋势时，机械具有自动调节非周期性速度波动的能力。对于没有自调性的机械系统（如采用蒸汽机，汽轮机或内燃机为原动机的机械系统），就必须安装一种专门的调节装置-调速器，来调节机械出现的非周

第八章带传动8－1带传动概述1．带传动的组成固联于主动轴上的带轮1(主动轮)；固联于从动轴上的带轮3(从动轮)；紧套在两轮上的传动带2。2．传动原理摩擦传动：当主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦力，便拖动从动轮一起转动，并传递动力（平带和Ｖ带传动）。啮合传动：当主动轮转动时，由于带和带轮间的啮合，便拖动从动轮一起转动，并传递动力（同步带传动）。3．带传动的特点结构简单、传动平稳、造价低廉以及缓冲减振；

摩擦式带传动有弹性滑动和打滑的现象，传动比不稳定。4．带传动的类型平带传动，结构简单，带轮也容易制造，在传动中心距较大的场合应用较多。在一般机械传动中，应用最广的带传动是Ｖ带传动，在同样的张紧力下，Ｖ带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。多楔带传动兼有平带传动和Ｖ带传动的优点，柔韧性好、摩擦力大，主要用于传递大功率而结构要求紧凑的场合。同步带传动是一种啮合传动，具有的优点是：无滑动，能保证固定的传动比；带的柔韧性好，所用带轮直径可较小。5．传动带的类型8-2带传动的工作情况分析带传动的工作情况分析是指带传动的受力分析、应力分析、运动分析。带传动是一种挠性传动，其工作情况具有一定的特点。一、受力分析带传动尚未工作时，传动带中的预紧力为F0。带传动工作时，一边拉紧，一边放松，记紧边拉力为F1和松边拉力为F2。设带的总长度不变，根据线弹性假设：F1－F0＝F0－F2；或：F1＋F2＝2F0；记传动带与小带轮或大带轮间总摩擦力为Ff，其值由带传动的功率P和带速v决定。定义由负载所决定的传动带的有效拉力为Fe＝P/v，则显然有Fe＝Ff。取绕在主动轮或从动轮上的传动带为研究对象，有：Fe＝Ff＝F1－F2；因此有：F1＝F0＋Fe／2；F2＝F0－Fe／2；带传动的最大有效拉力Fec有多大？由欧拉公式确定，即：欧拉公式给出的是带传动在极限状态下各力之间的关系，或者说是给出了一个具体的带传动所能提供的最大有效拉力Fec。由欧拉公式可知：预紧力F0↑→最大有效拉力Fec↑包角α↑→最大有效拉力Fec↑摩擦系数f↑→最大有效拉力Fec↑当已知带传递的载荷时，可根据欧拉公式确定应保证的最小初拉力F0。切记：欧拉公式不可用于非极限状态下的受力分析！二、带传动的应力分析带传动在工作过程中带上的应力有：◆拉应力：紧边拉应力、松边拉应力；◆离心应力：带沿轮缘圆周运动时的离心力在带中产生的离心拉应力；◆弯曲应力：带绕在带轮上时产生的弯曲应力。为了不使带所受到的弯曲应力过大，应限制带轮的最小直径。三、带传动的运动分析带传动在工作时，从紧边到松边，传动带所受的拉力是变化的，因此带的弹性变形也是变化的。带传动中因带的弹性变形变化所导致的带与带轮之间的相对运动，称为弹性滑动。弹性滑动导致：从动轮的圆周速度v2＜主动轮的圆周速度v1，速度降低的程度可用滑动率ε来表示：或或若带的工作载荷进一步加大，有效圆周力达到临界值Fec后，则带与带轮间会发生显著的相对滑动，即产生打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急速降低，带传动失效，这种情况应当避免。8-3Ｖ带传动的设计计算1．Ｖ带传动的设计准则带传动的主要失效形式是打滑和传动带的疲劳破坏。带传动的设计准则：在不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。2．单根V带的基本额定功率带传动的承载能力取决于传动带的材质、结构、长度，带传动的转速、包角和载荷特性等因素。单根V带的基本额定功率P0是根据特定的实验和分析确定的。实验条件：传动比i=1、包角α＝180°、特定长度、平稳的工作载荷。3．Ｖ带传动的设计设计的原始数据为：功率P，转速n1、n2（或传动比i），传动位置要求及工作条件等。设计内容：确定带的类型和截型、长度L、根数Z、传动中心距a、带轮基准直径及其它结构尺寸等。由于单根Ｖ带基本额定功率P0是在特定条件下经实验获得的，因此，在针对某一具体条件进行带传动设计时，应根据这一具体的条件对所选定的Ｖ带的基本额定功率P0进行修正，以满足设计要求。8-4Ｖ带轮结构设计1．V带轮设计的要求各轮槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使带的载荷分布较为均匀。结构工艺性好、无过大的铸造内应力、质量分布均匀。轮槽工作面要精细加工，以减少带的磨损。2．带轮的材料通常采用铸铁，常用材料的牌号为HT150和HT200。转速较高时宜采用铸钢或用钢板冲压后焊接而成。小功率时可用铸铝或塑料。3．结构与尺寸V带轮的典型结构有：实心式、腹板式、孔板式和轮辐式。带轮的结构设计，主要是根据带轮的基准直径选择结构形式。根据带的截型确定轮槽尺寸。带轮的其它结构尺寸通常按经验公式计算确定。8-5带传动的张紧装置张紧的目的：根据带的摩擦传动原理，带必须在预张紧后才能正常工作；运转一定时间后，带会松弛，为了保证带传动的能力，必须重新张紧，才能正常工作。常见的张紧装置有定期张紧装置、自动张紧装置、张紧轮张紧装置。一、定期张紧装置二、自动张紧装置三、采用张紧轮张紧装置

第九章链传动9-1链传动的特点及应用链传动是依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。◆与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，径向压轴力小，适于低速情况下工作。◆与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本低廉，可远距离传动。

◆链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比。

◆链传动主要用在要求工作可靠、转速不高，且两轴相距较远，以及其它不宜采用齿轮传动的场合。一、滚子链◆滚子链是由滚子、套筒、销轴、内链板和外链板组成。◆内链板与套筒之间、外链板与销轴之间为过盈联接；◆滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。滚子链有单排链、双排链、多排链。多排链的承载能力与排数成正比，但由于精度的影响，各排的载荷不易均匀，故排数不宜过多。二、齿形链齿形链又称无声链，它是一组链齿板铰接而成。工作时链齿板与链轮轮齿相啮合而传递运动。齿形链上设有导板，以防止链条工作时发生侧向窜动。导板有内导板和外导板之分。内导板齿形链导向性好，工作可靠；外导板齿形链的链轮结构简单。与滚子链相比，齿形链传动平稳无噪声承受冲击性能好，工作可靠，多用于高速或运动精度要求较高的传动装置9-3滚子链链轮的结构和材料一、链轮的参数和齿形链轮是链传动的主要零件，其齿形已经标准化。链轮设计的主要内容是：◆确定链轮的结构和尺寸；◆选择链轮的材料和热处理方式；链轮的基本参数：◆配用链条的节距p、滚子的最大外径d1、排距pt、齿数z。二、链轮的结构和材料◆小直径的链轮可制成整体式；◆中等尺寸的链轮可制成孔板式；◆大直径的链轮可制成组装式。◆链轮的轴向齿廓及尺寸应符合国标GB1244-85的规定。链轮的材料应能保证轮齿具有足够的耐磨性和强度，由于小链轮的工作情况较大链轮的恶劣些，故小链轮通常采用较好的材料制造。9-4链传动的工作情况分析一、链传动的速度分析在链传动中，链条包在链轮上如同包在两正多边形的轮子上，正多边形的边长等于链条的节距p。链传动的平均传动比为：链传动的平均传动比为：链的平均速度为：链的平均速度为：链条铰链A点的前进分速度上下运动分速度二、链传动的运动不均匀性链传动中，链条的前进速度和上下抖动速度是周期性变化的，链轮的节距越大，齿数越少，链速的变化就越大。因为从动链轮的角速度为：所以链传动瞬时传动比为：当主动链轮匀速转动时，从动链轮的角速度以及链传动的瞬时传动比都是周期性变化的，因此链传动不宜用于对运动精度有较高要求的场合。链传动的不均匀性的特征，是由于围绕在链轮上的链条形成了正多边形这一特点所造成的，故称为链传动的多边形效应。三、链传动的动载荷链传动中的多边形效应造成链条和链轮都是周期性的变速运动，从而引起动载荷。链条前进的加速度引起的动载荷为：从动链轮的角加速度引起的动载荷为：链轮的转速越高、节距越大、齿数越少，则传动的动载荷就越大。链节和链轮啮合瞬间的相对速度，也将引起冲击和动载荷。链节距越大，链轮的转速越高，则冲击越强烈。当链节啮上链轮轮齿的瞬间，作直线运动的链节铰链和以角速度ω作圆周运动的链轮轮齿，将以一定的相对速度突然相互啮合，从而使链条和链轮受到冲击，并产生附加动载荷。9－5滚子链传动的设计计算链传动的受力分析链传动在安装时，应使链条受到一定的张紧力，张紧的目的主要是使松边不致过松，以免影响链条正常退出啮合和产生振动、跳齿或脱链现象。链的紧边拉力为：链的松边拉力为：其中：Fe为有效圆周力：Fc为离心力引起的拉力：Ff为悬垂拉力，与链条松边的垂度和传动的布置方式有关。在上述各式中，P为传递的功率（kW)；v为链速(m/s)；q为单位长度链条的质量(kg/m)。一、失效形式和额定功率链传动的失效形式有链的疲劳破环、链条铰链的磨损、链条铰链的胶合以及链条的静力拉断。上图示为润滑良好的单排链的额定功率曲线图。由图可见，在中等速度的链传动中，链传动的承载能力主要取决于链板的疲劳强度；随着链轮转速的增高，链传动的多边形效应增大，传动能力主要取决于滚子和套筒的冲击疲劳强度，转速越高，传动能力就越低，并会出现铰链胶合现象，使链条迅速失效。二、滚子链传动的设计方法和步骤1．链轮齿数选择小链轮齿数Z1─→计算大链轮齿数Z2=iZ1。小链轮齿数Z1过少─→运动不平稳严重。小链轮齿数Z1过大─→增大了传动的尺寸和质量。通常限制链传动的传动比i≤6，推荐的传动比i＝2~3.5。2．确定计算功率计算功率Pca是根据传递的额定功率P，并考虑工作情况来确定的。3．链的节距链的节距越大，承载能力就越高，但传动的多边形效应也要增大，振动冲击和噪声也越严重。设计一般尽量选取小节距的链。链条节距p可根据功率P0和小链轮转速n1由额定功率曲线选取。4．链传动的中心距和链节数链传动的中心距过大或过小对传动都会造成不利影响。设计时一般取中心距a0=(30～50)p，最大取a0max=80p。链条的长度以链节数Lp来表示，链节数为：计算出的Lp应圆整为整数，最好取为偶数，链传动的中心距为：5．小链轮毂孔最大直径根据小链轮的节距和齿数确定链轮毂孔的最大直径dkmax，若dkmax小于安装链轮处的轴径，则应重新选择链传动的参数。6．低速链传动的静力强度计算对于链速v＜0.6m/s的低速链传动，因抗拉静力强度不够而破坏的可能性很大，故应进行抗拉静力强度计算。9－6链传动的布置、张紧和润滑一、链传动的布置链传动一般应布置在铅垂面内，尽可能避免布置在水平或倾斜平面内。链传动的紧边在上方或在下方都可以，但在上方好一些。应尽量保持链传动的两个链轮共面，否则工作中容易脱链。二、链传动的张紧链传动张紧的目的，主要是为了避免在链条的垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象；同时也为了增加链条与链轮的啮合包角。三、链传动的润滑链传动中销轴与套筒之间产生磨损，链节就会伸长，这是影响链传动寿命的最主要因素。因而，润滑是延长链传动寿命的最有效的方法。润滑的作用对高速重载的链传动尤为重要。良好的润滑可缓和冲击、减轻磨损、延长链条的使用寿命。润滑油推荐采用牌号为：L-AN32、L-AN46、L-AN68等全损耗系统用油。对于开式及重载低速传动，可在润滑油中加入MoS2、WS2等添加剂。对于不便采用润滑油的场合，允许涂抹润滑脂，但应定期清洗与涂抹。

第十章齿轮传动10－1齿轮传动概述齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，其应用范围十分广泛，型式多样，传递功率从很小到很大（可高达数万千瓦）。一、齿轮传动的主要特点：传动效率高可达99％。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；结构紧凑与带传动、链传动相比，在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间一般较小；与各类传动相比，齿轮传动工作可靠，寿命长；传动比稳定无论是平均值还是瞬时值。这也是齿轮传动获得广泛应用的原因之一；与带传动、链传动相比，齿轮的制造及安装精度要求高，价格较贵。二、齿轮传动的分类1．按齿轮类型分：直齿圆柱齿轮传动斜齿圆柱齿轮传动锥齿轮传动人字齿轮传动2．按装置形式分：开式传动、半开式传动、闭式传动。3．按使用情况分：动力齿轮─以动力传输为主，常为高速重载或低速重载传动。传动齿轮─以运动准确为主，一般为轻载高精度传动。4．按齿面硬度分：软齿面齿轮（齿面硬度≤350HBS）硬齿面齿轮（齿面硬度＞350HBS）三、本章的学习目的本章学习的根本目的是掌握齿轮传动的设计方法，也就是要能够根据齿轮工作条件的要求，能设计出传动可靠的齿轮。设计齿轮是指设计确定齿轮的主要参数以及结构形式。对于斜齿圆柱齿轮而言，其主要参数有：模数m、齿数z、螺旋角β以及压力角a、齿高系数h*a、径向间隙系数c*。10－2齿轮传动的失效形式及设计准则一、齿轮的主要失效形式齿轮传动的失效主要是指轮齿的失效，其失效形式是多种多样的。常见的失效形式有：轮齿折断齿面磨损齿面点蚀齿面胶合塑性变形由于齿轮其它部分（齿圈、轮辐、轮毂等）通常是经验设计的，其尺寸对于强度和刚度而言均较富裕，实践中也极少失效。二、齿轮的设计准则对一般工况下的齿轮传动，其设计准则是：保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断。保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。由实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主。闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。10－3齿轮的材料及其选择原则一、对齿轮材料性能的要求齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧。二、常用的齿轮材料钢：许多钢材经适当的热处理或表面处理，可以成为常用的齿轮材料；铸铁：常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；非金属材料：适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。三、齿轮材料选用的基本原则齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30~50HBS或更多。10－4齿轮传动的计算载荷齿轮传动强度计算中所用的载荷，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷，即：Fn为轮齿所受的公称法向载荷。实际传动中由于原动机、工作机性能的影响以及制造误差的影响，载荷会有所增大，且沿接触线分布不均匀。接触线单位长度上的最大载荷为：K为载荷系数，其值为：10-5标准直齿圆柱齿轮强度计算一、轮齿的受力分析以节点P处的啮合力为分析对象，并不计啮合轮齿间的摩擦力，可得：二、齿根弯曲疲劳强度计算中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示。根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力YFa为齿形系数，是仅与齿形有关而与模数m无关的系数，其值可根据齿数查表获得。计入齿根应力校正系数Ysa后，强度条件式为：三、齿面接触疲劳强度计算基本公式──赫兹应力计算公式，即:在节点啮合时，接触应力较大，故以节点为接触应力计算点。节点处的综合曲率半径为：上述