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。课程内容涵盖机械设计的基本理论、常用机构、通用零件的设计方法与步骤，注重培养学生分析问题和解决工程实际问题的能力。本讲义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工作的工程技术人员参考。在教学过程中，应结合实物、模型、多媒体课件及工程案例进行讲解，鼓励学生积极思考与实践，以达到良好的教学效果。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主要研究机械中常用机构的工作原理、运动特性以及通用零件的设计理论与方法。具体内容包括：机构的组成与分析、常用机构（如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）的设计、机械零件的强度、刚度、耐磨性等基本设计准则，以及轴、齿轮、轴承、连接、带传动、链传动等典型零件和部件的设计计算。1.2机械设计的基本要求与一般程序机械设计应满足使用要求（功能、性能、可靠性、寿命等）、经济性要求（制造成本、使用维护成本等）和工艺性要求（易于制造、装配、维修等）。一般设计程序包括：产品规划（明确设计任务和要求）、方案设计（构思多种可行方案并进行筛选）、技术设计（确定具体结构和尺寸，进行必要的计算和校核）、试制与试验（制作样机并进行性能测试，发现问题并改进）。1.3本课程的学习方法与意义学习本课程应注重理论联系实际，理解基本概念和原理，掌握设计方法，并通过一定的设计练习培养动手能力。本课程是机械类专业的核心技术基础课，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。第二章机械设计中的力学基础2.1静力学基本概念力是物体间的相互作用，其效应是使物体的运动状态发生改变（外效应）或使物体产生变形（内效应）。力的三要素包括大小、方向和作用点。力系是指作用于物体上的所有力的总和。平衡是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运动的状态。2.2约束与约束力限制物体某些可能运动的几何条件称为约束。约束对物体的作用力称为约束力，其方向与被限制的运动方向相反，大小由平衡条件确定。常见的约束类型有柔性约束（如绳索、胶带）、光滑接触面约束、铰链约束（如固定铰链、活动铰链）等。2.3物体的受力分析与受力图受力分析是解决力学问题的基础，其步骤为：确定研究对象并将其从周围物体中分离出来（取分离体）；画出作用于研究对象上的全部主动力；根据约束类型画出相应的约束力。所得到的图形称为受力图。2.4平面力系的平衡方程及其应用平面力系是指各力的作用线都在同一平面内的力系。其平衡方程有多种形式，基本形式为：力系中所有力在x轴上的投影代数和为零；力系中所有力在y轴上的投影代数和为零；力系中所有力对任一点之矩的代数和为零。应用平衡方程可以求解构件在平面力系作用下的未知约束力。第三章平面机构的结构分析3.1机构的组成机构是由若干个构件通过运动副连接而成的，能够实现预期运动的构件系统。构件是机构中独立运动的单元体，可以是单一的零件，也可以是由若干零件刚性连接而成的整体。运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的连接。3.2运动副的类型根据两构件接触形式的不同，运动副可分为低副和高副。低副是指两构件通过面接触形成的运动副，根据相对运动形式的不同，又可分为转动副（铰链）和移动副。高副是指两构件通过点或线接触形成的运动副，如凸轮副、齿轮副等。3.3平面机构的运动简图为了便于分析机构的运动特性，通常用简单的线条和符号表示构件和运动副，按一定比例绘制出机构的运动简图。绘制运动简图时，应首先确定机构的原动件和机架，然后循着运动传递路线，确定各构件的类型、运动副的类型和数目，并测量各运动副间的相对位置尺寸。3.4平面机构的自由度计算机构的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。平面机构自由度的计算公式为：F=3n-2PL-PH，其中n为机构中活动构件的数目，PL为低副的数目，PH为高副的数目。机构具有确定运动的条件是：机构的自由度F大于零，且原动件的数目等于机构的自由度F。在计算自由度时，还需注意复合铰链、局部自由度和虚约束对自由度的影响，并进行相应处理。第四章平面连杆机构4.1铰链四杆机构的基本形式及其演化铰链四杆机构是由四个构件通过四个转动副连接而成的平面连杆机构，是平面连杆机构的最基本形式。其基本形式包括曲柄摇杆机构（两连架杆中一为曲柄，一为摇杆）、双曲柄机构（两连架杆均为曲柄）和双摇杆机构（两连架杆均为摇杆）。通过改变构件的形状、相对长度或选择不同的构件作为机架等方式，可以将铰链四杆机构演化出其他形式的四杆机构，如曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构等。4.2铰链四杆机构的基本特性铰链四杆机构的基本特性包括：急回特性（当曲柄为原动件并作等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不同，返回速度大于工作行程速度的特性）、压力角与传动角（压力角是指从动件上某点所受驱动力的方向与该点速度方向之间的夹角，传动角是压力角的余角，传动角越大，机构传力性能越好）、死点位置（当机构出现传动角为零度时的位置，此时机构不能运动或运动方向不确定）。4.3铰链四杆机构的设计铰链四杆机构的设计主要是根据给定的运动要求（如实现预期的连杆位置、实现预期的从动件运动规律等），确定机构各构件的长度尺寸。常用的设计方法有图解法和解析法。对于实现连杆三个位置的设计，通常采用图解法中的刚化反转法。第五章凸轮机构5.1凸轮机构的组成、特点及应用凸轮机构由凸轮、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推动下，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，能实现复杂的运动规律；缺点是凸轮与从动件之间为点或线接触，易磨损，承载能力较低。凸轮机构广泛应用于各种自动化机械、仪器和操纵控制装置中。5.2凸轮机构的类型凸轮机构的类型繁多，按凸轮的形状可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮；按从动件的形状可分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件；按从动件的运动形式可分为直动从动件和摆动从动件；按凸轮与从动件维持接触的方式可分为力封闭型凸轮机构和几何封闭型凸轮机构（如凹槽凸轮机构、等宽凸轮机构、等径凸轮机构）。5.3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、速度、加速度随时间（或凸轮转角）的变化规律。常用的运动规律有等速运动规律（存在刚性冲击）、等加速等减速运动规律（存在柔性冲击）、简谐运动规律（又称余弦加速度运动规律，在运动起始和终止点存在柔性冲击）和摆线运动规律（又称正弦加速度运动规律，无冲击）等。选择运动规律时，应根据机器的工作要求、运转速度等因素综合考虑。5.4凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计是凸轮机构设计的核心。对于尖顶从动件盘形凸轮机构，其轮廓曲线的设计最简便，常用的方法是反转法。反转法的原理是：假设凸轮固定不动，而从动件连同其导路一起绕凸轮轴心以与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度转动，同时从动件在其导路内按预定的运动规律作相对移动或摆动，此时从动件尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓曲线。滚子从动件和平底从动件凸轮轮廓曲线的设计可在尖顶从动件凸轮轮廓曲线的基础上进行修正。第六章齿轮机构6.1齿轮机构的特点及类型齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动机构，它可以用来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、效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长。齿轮机构的类型很多，按两齿轮轴线的相对位置可分为平行轴齿轮传动（如直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮传动）、相交轴齿轮传动（如直齿锥齿轮、斜齿锥齿轮传动）和交错轴齿轮传动（如蜗杆蜗轮传动、交错轴斜齿轮传动）。6.2齿廓啮合基本定律齿廓啮合基本定律是指：相互啮合的一对齿轮齿廓，在任一瞬时的传动比，等于该瞬时两齿廓接触点的公法线分两轮连心线所得两线段的反比。要使齿轮传动的传动比恒定不变，则要求两齿廓接触点的公法线始终与两轮连心线交于一固定点（节点）。凡能满足齿廓啮合基本定律的一对齿廓称为共轭齿廓。6.3渐开线齿廓渐开线是指当一直线在一圆周上作纯滚动时，此直线上任意一点的轨迹。渐开线齿廓具有良好的传动性能，如能保证恒定的传动比，传动平稳；齿廓间的正压力方向不变；具有可分性（即当中心距略有变化时，传动比仍保持不变）等优点，因此在机械传动中得到广泛应用。渐开线的特性包括：发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长；渐开线上任意一点的法线必与基圆相切；渐开线的形状取决于基圆的大小；渐开线上各点的曲率半径不同，离基圆越远，曲率半径越大；基圆以内无渐开线。6.4标准直齿圆柱齿轮的基本参数与几何尺寸计算标准直齿圆柱齿轮的基本参数包括：齿数、模数（模数是人为规定的标准值，它决定了齿轮的大小和轮齿的强度）、压力角（标准压力角为20°）、齿顶高系数和顶隙系数。根据这些基本参数，可以计算出齿轮的各部分几何尺寸，如齿顶圆直径、齿根圆直径、分度圆直径、基圆直径、齿距、齿厚、齿槽宽等。6.5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。齿轮传动的中心距是指两齿轮轴线之间的距离。标准安装时，两齿轮的分度圆相切，此时的中心距为标准中心距。在传动过程中，一对轮齿的啮合是从齿根部分开始，到齿顶部分脱离，实际啮合线段的长度称为实际啮合线。为保证齿轮传动的连续性，应使实际啮合线长度大于或等于齿轮的法向齿距（基圆齿距），其比值称为重合度。重合度越大，同时参与啮合的轮齿对数越多，传动越平稳。6.6齿轮轮齿的失效形式与材料选择齿轮轮齿的常见失效形式有轮齿折断（包括疲劳折断和过载折断）、齿面磨损（包括磨粒磨损和胶合）、齿面点蚀（主要发生在闭式软齿面传动中）、齿面塑性变形（主要发生在低速、重载、软齿面的传动中）等。选择齿轮材料时，应根据齿轮的工作条件（如速度、载荷、精度要求、环境等）、失效形式和经济性等因素综合考虑，常用的齿轮材料有锻钢（如45钢、40Cr等）、铸钢、铸铁以及非金属材料（如夹布胶木）等。6.7其他类型齿轮简介除直齿圆柱齿轮外，常见的齿轮还有斜齿圆柱齿轮（传动平稳、承载能力高，用于高速、重载场合）、直齿锥齿轮（用于相交轴之间的传动）、蜗杆蜗轮传动（用于交错轴之间的传动，具有大传动比、自锁性，但效率较低）等。它们各有其特点和应用场合，其几何尺寸计算和啮合特性与直齿圆柱齿轮既有联系又有区别。第七章轮系7.1轮系的类型轮系是由一系列相互啮合的齿轮组成的传动系统。根据轮系在运转过程中各齿轮轴线的位置是否固定，轮系可分为定轴轮系（各齿轮轴线位置固定不动）和周转轮系（至少有一个齿轮的轴线绕另一固定齿轮的轴线转动）。周转轮系又可分为行星轮系（自由度为1）和差动轮系（自由度为2）。此外，还有由定轴轮系和周转轮系组合而成的复合轮系。7.2定轴轮系的传动比计算定轴轮系的传动比是指轮系中首末两轮的角速度（或转速）之比，其大小等于组成轮系的各对啮合齿轮传动比的连乘积，也等于各对齿轮中所有从动轮齿数的连乘积与所有主动轮齿数的连乘积之比。传动比的正负号表示首末两轮的转向关系，对于平行轴齿轮传动，可用（-1）^m来确定（m为外啮合的次数）；对于空间齿轮传动，其转向关系需用箭头法在图上标出。7.3周转轮系的传动比计算周转轮系传动比的计算采用反转法（又称转化机构法）。其基本思路是：给整个周转轮系加上一个与行星架角速度大小相等、方向相反的公共角速度，使行星架固定不动，此时周转轮系转化为一个假想的定轴轮系（称为转化机构）。然后利用定轴轮系传动比的计算方法，列出转化机构中各构件间的传动比关系式，再根据已知条件求解周转轮系的实际传动比。7.4轮系的应用轮系的主要应用包括：实现大传动比传动；实现变速和换向传动（如汽车变速箱）；实现运动的合成与分解（如差动轮系用于运动合成）；传递相距较远的两轴之间的运动和动力等。第八章带传动与链传动8.1带传动的类型、特点及应用带传动是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形带组成，依靠带与带轮之间的摩擦力或啮合来传递运动和动力。带传动的类型主要有平带传动、V带传动（三角带传动）、多楔带传动和同步带传动等。V带传动由于当量摩擦系数大，能传递较大的功率，应用最为广泛。带传动的优点是：结构简单，成本低廉，传动平稳，能缓冲吸振，过载时带会在带轮上打滑，可防止其他零件损坏。缺点是：传动比不准确（存在弹性滑动），传动效率较低，带的寿命较短，外廓尺寸较大。带传动常用于两轴中心距较大、传动比要求不十分精确的场合。8.2V带与V带轮的结构V带是横截面为梯形的环形胶带，其工作面为两侧面。V带分为普通V带、窄V带等类型，普通V带已标准化，其型号分为多种。V带轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成。轮缘上制有与V带型号相适应的轮槽。V带轮的材料通常为铸铁，也可采用钢、铝合金或工程塑料等。8.3带传动的受力分析与应力分析带传动工作时，由于带的张紧，带与带轮接触面上产生正压力。当主动轮转动时，通过摩擦力带动带运动，带又通过摩擦力带动从动轮转动。带中的应力包括由紧边和松边拉力产生的拉应力、由离心力产生的离心应力以及带在带轮上弯曲时产生的弯曲应力。带中最大应力发生在紧边开始绕上小带轮处。8.4带传动的弹性滑动与打滑由于带是弹性体，在拉力作用下会产生弹性变形。当带在带轮上由紧边向松边运动时，带的