《机械设计基础》PPT课件.ppt

1、廊坊职业技术学院 机械工程系 机械设计基础,绪论 一、本课程研究的对象及内容 1研究对象 机械应用实例：内燃机 机械 是机构和机器的总称。 机构 是指一种用来 传递与变换运动和力的 可动装置。 机器 是指一种执行机械运动装置， 可用来变换和传递能量、物料和信息,绪论,（1）机构指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等等 （2）机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息。 由实例可看出，各种机器的主要组成部分都是各种机构。所以可以说，机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合体。 （3）

2、机器的结构 传统的机器由如下三个部分组成： 原动件传动部分执行部分 现代机器一般由如下四个部分组成 原动件传动部分执行部分,绪论,2研究内容 1） 机构的组成及其自由度的计算 2） 机构的运动分析 3）机构的力分析和机器动力学分析 4）常用机构的分析与设计 5）机构的选型与组合* 3学习的目的 为学习后续课程和掌握专业知识大好基础 为毕业设计提供机械设计知识 4掌握本课程的特点 本课程是一门技术基础课，其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合。,绪论,二、械设计基本要求和一般程序 1.机器应该满足的基本要求 (1)使用性要求 实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求）（功能性要求） (2)经济

3、性要求 这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。 (3)安全性要求 有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。,绪论,(4)工艺性要求 这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。 (5)可靠性要求 要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这

4、就称为可靠性。 2.机械零件设计的基本准则及一般步骤 (1)根据零件的使用要求（如功率、转速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。 (2)分析作用在零件上的载荷（拉、压力，剪切力）。 (3)根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。,绪论,(4)分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。 (5)按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。 (6)绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。,廊坊职业技术学院 机械工程系 第一章平面机构运动简图及自由度,1-1 平面机构的组成 1.构件 从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独

5、立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。 从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为零件。 构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。,1-1 平面机构的组成,2.运动副 1）运动副定义 机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。 2） 运动副的分类 （

6、1）按两个构件运动关系分为平面运动副和空间运动副 （2）按其接触形式分：高副点线接触的运动副 低副面接触的运动副。 （3）按其相对运动形式分 转动副（回转副或铰链）移动副、螺旋副、球面副。,1-1 平面机构的组成,3.机构 具有固定构件的运动链称为机构。 机 架机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动， 原动件： 按给定已知运动规律独立运动的构件； 从动件 机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。 机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛,1-2 平面机构运动简图 一、用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反

7、映机构特征的简图。 二、绘制： 1、运动副的符号 转动副：,表1-1,2、构件符号：,表1-2,3、机构运动简图的绘制，（模型，鄂式破碎机） 1）分析机构，观察相对运动； 2）找出所有的构件与运动副； 3）选择合理的位置，即能充分反映机构的特性； 4）确定比例尺， 5）用规定的符号和线条绘制成间图。（从原动件开始画） 【例2-1】如图2-6所示为以颚式碎矿机。当曲轴2绕其轴心O连续转动时，动颚板3作往复摆动，从而将处于动颚板3和固定颚板6之间的矿石7轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。,解：（1）运动分析 右图所示 此碎矿机由原动件曲轴2 （构件1为固装于曲轴2 上的飞轮）、动颚板3、 摆杆4

8、、机架5等4个构件 组成，固定颚板6是固定 安装在机架上的。,曲轴2于机架5在O点构成转动副（即飞轮的回转中心）；曲轴2与动颚板3也构成转动副，其轴心在A点（即动颚板绕曲轴的回转几何中心）；摆杆4分别与动颚板3和机架5在B、C两点构成转动副。 其运动传递为：电机 皮带 曲轴 动颚板 摆杆 所以，其机构原动件为曲轴，从动件为摆杆、构件3、机架5共同构成曲柄摇杆机构。 （2）按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定O、A、B、C四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图。最后标出原动件的转动方向。 由图可以看出，O、C在同一垂直线上。量取OA=3mm，AB=25mm，BC=14mm，OC=22mm.,1

9、-3 平面机构的自由度 机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。 一、计算机构自由度（设n个活动构件，PL个低副，PH个高副） F=3n-2PL-PH 二、机构具有确定运动的条件 （原动件数F，机构破坏） 铰链四杆机构 F=3*3-2*4-0=1 原动件数=机构自由度 铰链五杆机构,a,b,F=3*4-2*5-0=2 原动件数机构自由度 原动件数机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）,机构具有确定运动的条件是：机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。 三、计算机构自由度时应注意的问题 1复合铰链 三个或三个以上构件在同一处构成共轴

10、线转动副的铰链，我们称为复合铰链（如图所示）。 若有m个构件组成复合铰链，则 复合铰链处的转动副数应为（m-1）个。,复合铰链,2局部自由度 机构中某些构件具有局部的、不影响其它构件运动的自由度，同时与输出运动无关的自由度我们称为局部自由度。对于含有局部自由度的机构在计算自由度时，不考虑局部自由度。 如图凸轮机构： 如认为：F=3x3-2x3-1=2 是错误的。 n=2，Pl=2，Ph1， 由公式得：F=3x2-2x2-1=1。,（3）虚约束： 在特殊的几何条件下，有 些约束所起的限制作用是 重复的，这种不起独立限 制作用的约束称为虚约束。,虚约束1,虚约束2,虚约束2,虚约束1,廊坊职业技术

11、学院 机械工程系,第二章 平面连杆机构 一、定义： 若干构件通过低副（转动副或移 动副）联接所组成 的机构称作连杆机构。 连杆机构中各构件的相对运动是平面 运动还是空间运动，连杆机构又可以分为 平面连杆机构和空 间连杆机构。 平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动 副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传 送动力。, 2.1 平面四杆机构的类型及应用 在此机构中，AD固定不动， 称为机架；AB、CD两构件 与机架组成转动副，称为 连架杆；BC称为连杆。在 连架杆中，能作整周回转的 构件称为曲柄，而只能在一 定角度范围内摆动的构件称为 摇杆。 一、铰链四杆机构基本类型,根据

12、机构中有无曲柄和有几个曲柄，铰链四杆机构又有三种基本形式： 1曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。 雷达调整机构 缝纫机踏板机构 当曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动，如图中的雷达天线机构； 反之，当摇杆为原动件时，可 将摇杆的往复摆动转变为曲柄的 整周转动，如图所示的缝纫机踏板。,雷达调整机构,缝纫机踏板机构,2双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。 可将原动曲柄的等速转动转换成从动曲柄的等速或变速转动，如图所示的惯性筛驱动机构； 构的相对两杆平行且相等时， 则成为平行四边形机构， 如图所示。 注意：平行四边形机构 在运动过程中，当两曲 柄与机架共线

13、时，在原 动件转向不变、转速恒 定的条件下，从动曲柄会出现运动不确定现象。可以在机构中添加飞轮或使用两组相同机构错位排列。,3双摇杆机构：两连架杆都是 摇杆的机构，如图所示的鹤式 起重机构，保证货物水平移动。,二、机构的演化 机构的演化方法有三种：1）通过改变构件的形状和相对尺寸进行演化，如图28的演化；2）通过改变运动副尺寸进行演化；3）通过选用不同构件作为机架进行演化。 1滑块机构 如图所示，当构件1能整周回转成为曲柄时，该机构称为曲柄滑块机构；否则该机构称为摆杆滑块机构。,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,2导杆机构 在图a所示的对心曲 柄滑块机构中，若改取 构件1为机架，则机构演 化为导杆机

14、构。图 b。 3曲柄摇块与曲柄转块机构 在图a中若改取构件2为机架， 当l1 l2时，则滑块3可作整周转动，我们称为曲柄转块机构。 4移动导杆机构 在图 a中，如取滑块3为机架，则该机构演化成移动导杆机构,2.3四杆机构特性 一、四杆机构存在曲柄的条件 铰链四杆机构的三种基本型式的区别在于它的连架杆是否为曲柄。而且一般原动件为曲柄 。而在四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各构件间的相对尺寸关系。 设ad，若AB杆能绕A整周 回转，则AB杆应能够占据与AD 共线的两个位置AB和AB”。 由图可见，为使AB杆能转至 位置AB，各杆长度应满足：,a+d b+c 而为使AB杆能转至AB”，各杆长度关

15、系应满足 b (d-a)+c c (d-a)+b 可得： a+b d+c a+c d+b 由可以得出铰链四杆机构曲柄存在条件为： 1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆； 2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。（称为杆长条件） 上述两个条件必须同时满足，否则机构不存在曲柄。 二、急回特性和行程速比系数 1） 当主动件曲柄等速转动时，从动件摇杆摆回的平均速度大于摆出的平均速度，摇杆的这种运动特性称为急回特性,2）行程速比系数K 当机构存在极位夹角 时，机构便具有急回运动特性。且角越大，K值越大，机构的急回性质也越显著 例 牛头刨床机构,三、压力角与传动角 连杆BC与从动件CD之间所夹

16、的锐角 称为四杆机构在此位置的传动角。 显然越大，有效分力Pt越大，Pn越小， 对机构的传动就越有利。所以，在连杆 机构中也常用传动角的大小及变化情况 来描述机构传动性能的优劣。为了保证 机构传力性能良好，应使min40 50 最小传动角的确定： 对于 曲柄摇杆机构， min出现在主动 件曲柄与机架共线的两位置之一。,三、死点 如图：当以摇杆CD为主动件， 则当连杆与从动件曲柄共线时， 机构的传动角0，这时主 动件CD通过连杆作用于从动件 AB上的力恰好通过其回转中心， 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” 在工程上，为了使机构能够顺利通过死点而正常运转，必须采

17、用 适当的措施，如发动机上安装飞轮加大惯性力，或利用机构的组合 错开死点位置，例如机车车轮的联动装置。,但是，也应注意到，在工程上也长有利用死点来实现一定工作要求的，例如飞机起落架、各类夹具中，如下图,飞机起落架,2.4四杆机构设计,2.4 四杆机构设计 连杆机构的设计方法有：作图法、实验法及解析法。图解法和实验法比较直观易懂，但设计精度要低。解析法精度高，但计算要复杂，有时利用手工几乎无法完成。 一、按连杆预定位置设计四杆机构,二、按给行程速比系数K设计四杆机构 如图2-21所示，已知摇杆CD长度及摆角， 行程速比系数K。要求设计曲柄摇杆机 构。步骤如下： 1）由公式，求出极位夹角 。 2）

18、任选固定铰D的位置，并作出摇杆 两极限位置C1D和C2D，夹角为。 3）连接C1C2，作C1C2O =C2C1O = 90- ，得交点O，以O为圆心，OC1为半径作圆。 4）在圆上任取一点A为固定铰。 5）连接AC1、AC2，则AC1、AC2分别为曲柄与连杆重迭拉直共线位置，即：AC1=BC-AB AC2=BC+AB 可分别求得AB与BC,第三章 凸轮机构,3.1 凸轮机构的应用和分类 一凸轮机构的应用 凸轮机构是由凸轮、从动件、机架以及附属装置组成的一种 高副机构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，通常作连续的等 速转动、摆动或移动。从动件在凸轮轮廓的控制下，按预定的运动 规律作往复移动或摆

19、动。 如图所示为以内燃机的配气凸轮机构， 凸轮1作等速回转，其轮廓将迫使推杆2作往 复摆动，从而使气门3开启和关闭， 以控制可燃物质进入气缸或 废气的排出。 由上述例子可以看出，从动件的运动规律 是由凸轮轮廓曲线决定的。,二、凸轮分类 1按凸轮的形状分类 （1）盘形凸轮：如上图所示，这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件，当他绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。 （2）移动凸轮：当盘状凸轮的径向尺寸为无穷大时，则凸轮相当于作直线移动，称作移动凸轮。 （3）圆柱凸轮：这种凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓或在圆柱面上开出曲线凹槽。当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面内运动

20、。,2按从动件的形状分类可分为三类： （1）尖顶从动件：这种从动件结构简单，但尖顶易于磨损（接触应力很高），故只适用于传力不大的低速凸轮机构中。 （2）滚子从动件：由于滚子与凸轮间为滚动摩擦，所以不易磨损，可以实现较大动力的传递，应用最为广泛。 （3）平底从动件：这种从动件与凸轮间的作用力方向不变，受力平稳。而且在高速情况下，凸轮与平底间易形成油膜而减小摩擦与磨损。其缺点是：不能与具有内凹轮廓的凸轮配对使用；而且，也不能与移动凸轮和圆柱凸轮配对使用。,此外，按维持高副接触分（锁合）； 1）力锁合弹簧力、重力 2）几何锁合：等径凸轮；等宽凸轮 三、凸轮机构的特点： 优点：结构简单、紧凑、设计方便

21、，可实现从动件任意预期运 动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电 一体化装配中大量应用。 缺点：1）点、线接触易磨损； 2）凸轮轮廓加工困难； 3）行程不大。,3.2 凸轮从动件的运动规律 凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律 基圆凸轮理论轮廓曲线最小矢径 所作的圆。 行程从动件由最低点到最高点的 位移h（式摆角） 推程运动角从动件由最低运行到 最高位置，凸轮所转过的角。 回程运动角高低凸轮转过的 转角。 远休止角从动件到达最高位置停 留过程中凸轮所转过的角。 近休止角从动件在最低位置停留过程中所转过的角。,从动件位移线图从动件位移S与凸轮转角（或时间t）之间的对 应关系曲线 一、

22、等速运动规律 从动件开始和最大行程加速度有 突变则有很大的冲击。这种冲击称 刚性冲击。实质材料有弹性变形不 可能达到，但仍然有强烈的冲击。 只适用于低速轻载。,二、等加速度、等减速度 加速度有有限突变，柔性冲击， 适用于中等速度轻载 三、余弦加速,当推杆作停、升、停型运动时，推杆在O、A两点位置加速度有突变也有柔性冲击产生。但对降、升、降型运动规律，则无冲击出现。,3.3 凸轮轮廓曲线设计 设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度，使其绕凸 轮轴心o转动。根据相对运动原理，我们知道凸轮与推杆 间的相对运动关系并不发生改变，但此时凸轮将静止不 动，而推杆则一方面和机架一起以角速度绕凸轮轴心O转 动，

23、同时又在其导轨内按预期的运动规律运动。可见， 推杆在复合运动中，其尖顶的 轨迹就是凸轮廓线。利用 这种方法进行凸轮设计的 称为反转法，,一、利用作图法设计凸轮廓 1对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构 （1）选取适当的比例尺，取为半径作圆； （2）先作相应于推程的一段凸轮廓线。 为此，根据反转法原理，将凸轮机构 按进行反转，此时凸轮静止不动，而 推杆绕凸轮顺时针转动。按顺时针方 向先量出推程运动角，再按一定的分 度值（凸轮精度要求高时，分度值取 小些，反之可以取小些）将此运动角 分成若干等份，并依据推杆的运动规 律算出各分点时推杆的位移值S。,（3）确定推杆在反转运动中所占据的每个位置。为此，根据反转

24、法原理，从A点开始，将运动角按顺时针方向按一个分点进行等份，则各等份径向线01，02，08即为推杆在反转运动中所依次占据的位置。 （4）确定出推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。根据表中所示数值s，沿径向等分线由基圆向外量取，得到点，即为推杆在复合运动中其尖顶所占据的一系列位置。 （5）用光滑曲线连接，即得推杆升程时凸轮的一段廓线。 （6）凸轮再转过时，由于推杆停在最高位置不动，故该段廓线为一圆弧。以O为圆心，以为半径画一段圆弧。,2对心直动滚子推杆盘形凸轮机构 对于这种类型的凸轮机构，由于凸轮转 动时滚子（滚子半径）与凸轮的相切点不一定 在推杆的位置线上，但滚子中心位置始终处 在该线，

25、推杆的运动规律与滚子中心一致， 所以其廓线的设计需要分两步进行。 （1）将滚子中心看作尖顶推杆的尖顶， 按前述方法设计出廓线，这一廓线称为 理论廓线。 （2）以理论廓线上的各点为圆心、以滚子 半径为半径作一系列的圆，这些圆的内包络线 即为所求凸轮的实际廓线，如图所示。,3.5 凸轮机构轮廓校核 一、凸轮机构的压力角和自锁 有用力 有害力 压力角凸轮机构从动件速度方向与该点受力方向的夹角称为压力角 ，机构传动不利。 ，则机构自锁，所谓自锁即无论凸轮施加多大的力都无法使机构运动，这种现象必须避免。为之必须规定一个许用的 对直动从动件凸轮机构=3038 摆动从动件凸轮机构=4050 工作行程 =70

26、80 回程,二、滚子半径的选择： 滚子从动件凸轮的实际轮廓曲线，是以理论轮廓上各点为圆心作一 系列滚子圆的包络线而形成，滚子选择不当，则无法满足运动规律。 对于图b中的外凸轮， ，则实际轮廓 的曲率半径为零实际轮廓上将出现尖 点。当时 ，这时实际的轮廓出 现交叉，从动轮将不能按照预期的运 动规律运动，这种现象称为“失真” 因此，对于外凸的凸轮，应使滚子 的半径小于理论轮廓的最小曲率半径。 另一方面，要考虑强度、结构等因素， 滚子的半径也不能太小，通常取： 其中为rb基圆半径。,第四章 间歇运动机构,4.1 棘轮机构 一、棘轮机构的工作原理 曲柄摇杆机构中：曲柄AB匀速连续转动摇杆CD左右 摆动

27、，当摇杆左摆时，棘爪3插入棘轮2的齿内推动棘轮 转过某一角度。 当摇杆右摆时，棘爪3滑过棘轮2， 而棘轮静止不动，往复循环。制动爪 防止棘轮反转。 这种有齿的棘轮其进程的变化最少 是1个齿距，且工作时有响声。,二、棘轮机构的其它类型 1摩擦棘轮（无声棘轮） 由摩擦轮3和摇杆1及由 摇杆驱动的偏心块2及制动块4组成。 摇杆顺时针转动驱动2与3间摩擦力， 使摩擦轮3转动反向时制动块起作用。 由于摩擦传动会出现打滑现象，不适于从动件转有要求精确的地方。 2. 可变向棘轮机构 棘轮采用矩形齿，棘爪单侧面成90度并可旋转，通过改变棘爪方向可实现变向。例如：牛头刨床进给机构,三、棘轮机构的特点及应用 有齿

28、的棘轮机构运动可靠，从动棘轮容易实现有级调节，但是有噪声、冲击，轮齿易摩损，高速时尤其严重，常用于低速、轻载的间歇传动。 如：牛头刨床的横向进给机构和计数器 起重机、绞盘常用棘轮机构使提升的重物能停在任何位置，以防止由于停电等原因造成事故,4.2 槽轮机构 一、组成、工作原理 1组成：具有径向槽的槽轮，具有圆销的构件，机架 2工作原理： 构件1连续转动；构件2（槽轮）时而转动，时而静止 当构件1的圆销A尚未进入 槽轮的径向槽时，槽轮的内凹 锁住弧被构件1的外凸圆弧卡住， 槽轮静止不动。,当构件1的圆销A开始进入槽轮径向槽的位置，锁住弧被松开，圆销驱使槽轮传动。 当圆销开始脱出径向槽时，槽轮的另

29、一内凹锁住弧又被构件1的外凸圆弧卡住，槽轮静止不动。 二、槽轮机构的特点和应用 优点：结构简单，工作可靠，能准确控制转动的角度。常用于要求恒定旋转角的分度机构中。 缺点：对一个已定的槽轮机构来说，其转角不能调节。在转动始、末，加速度变化较大，有冲击。 应用：应用在转速不高，要求间歇转动的装置中。 电影放映机中，用以间歇地移动影片。 自动机中的自动传送链装置。,第六章 齿轮传动,6.1齿轮机构的应用和分类 齿轮机构是历史上应用最早的传动机构之一，被广泛地 应用于传递空间任意两轴间的运动和动力。它与其它机械 传动相比，具有传递功率大、效率高、传动比准确、使用 寿命长、工作安全可靠等特点。但是要求有

30、较高的制造和 安装精度，成本较高；不宜在两轴中心距很大的场合使用。 一、齿轮传动类型 按齿轮轴线位置分：平面齿轮机构（圆柱齿轮）；空 间（用来传递两相交轴或交错轴 ） 平面齿轮机构： 1、直齿圆柱齿轮机构（直齿轮）外啮合；内啮合；齿轮齿条,平行轴斜齿齿轮机构（斜一）：外；内；齿轮齿条 2、空间齿轮机构： 圆锥齿轮机构直齿；斜一；曲线齿交错轴斜齿轮机构： 二、基本要求 对齿轮传动提出了以下的要求： 1、传动平稳、可靠，能保证实现瞬时角速比（传动比）恒定；即对不同用途的齿轮，要求不同程度的工作平稳性指标，使齿轮传动中产生的振动、噪声在允许的范围内，保证机器的正常工作。 2、有足够的承载能力。即要求

31、齿轮尺寸小、重量轻，能传递较大的力，有较长的使用寿命。也就是在工作过程中不折齿、齿面不点蚀，不产生严重磨损而失效。,6.2 齿廓啮合基本定理 对齿轮传动的基本要求之一，是两齿轮的瞬时角速度 之比必须恒定 我们可以得到齿廓啮合基本定理：任意一瞬时相互啮 合传动的一对齿轮，其传动比与两啮合齿轮齿廓接触点 公法线分两轮连心线的两线段长成正比。 若要求两齿轮的传动比为常数，P点应为定点。所以 我们得到两齿轮作定传动比传动的齿廓啮合条件是：两 齿廓在任一位置接触点处的公法线必须与两齿轮的连心 线始终交于一固定点。,当两轮作定传动比传动时，节点P在两轮的运动平面 上的轨迹是两个圆，我们分别称其为轮1和轮2

32、的节圆， 节圆半径分别为和。由于两节圆在P点相切，并且P点处 两轮的圆周速度相等，即：，故两齿轮啮合传动可视为 两轮的节圆在作纯滚动。 目前常用的齿廓曲线有渐开线、摆线和变态摆线等，随着生产和科学的发展，新的齿廓曲线将会不断出现。 6.3 渐开线齿廓 一渐开线的形成 直线BC沿一圆周作纯滚动时，直线上任意点I的轨迹AI，称为该圆的渐开线。这个圆称为渐开线的基圆，其半径用表示。直线NI称为渐开线的发生线。,二渐开线的特性 根据渐开线的形成过程， 可知渐开线具有下列特性： （1）发生线沿基圆滚过的长度，等于该 基圆上被滚过圆弧的长度，即 。 （2）发生线NI是渐开线在任意点I的法线， 也就是说：渐

33、开线上任意点的法线，一定是基圆的切线（发生线）。 （3）发生线与基圆的切点N是渐开线在点I的曲率中心，而线段是渐开线在I点的曲率半径。渐开线上越接近基圆的点，其曲率半径越小，渐开线在基圆上点A的曲率半径为零。,（4）同一基圆上任意两条渐开线之间各处的公法线长度相等。 5）渐开线的形状取决于基圆的大小。在相同展角处，基圆半径越大，其渐开线的曲率半径越大，当基圆半径趋于无穷大时，其渐开线变成直线。故齿条的齿廓就是变成直线的渐开线。 （6）基圆内没有渐开线。 三、渐开线齿廓啮合特点 1、渐开线齿廓满足啮合基本定理并能保证定传动比传动,2、渐开线齿廓传动中心距可分性 渐开线齿轮的传动比又与两轮基圆半径

34、成反比。，其 基圆的大小是不变的，所以当两轮的实际中心距与设计 中心距不一致时，而两轮的传动比却保持不变。这一特 性称为传动的可分性。,6.4 渐开线标准齿轮的参数和几何尺寸 一齿轮各部分名称和符号 其主要包含以下部分。 （1）齿顶圆：齿轮所有各齿的顶端都在同一个圆上，这个过齿轮各齿顶端的圆称作齿顶圆，用 表示其直径。 （2）齿根圆：齿轮所有各齿之间的齿槽底部也在同一圆上，这个圆称作齿根圆，用 表示其直径。 （3）基圆：前面我们已经提到过这个圆。也就是形成渐开线的基础圆，其直径用 表示。 （4）分度圆：为便于齿轮几何尺寸的计算、测量所规定的一个基准圆，其直径 表示。,（5）齿厚：轮齿在任意圆周

35、上的弧长，用S表示。 （6）齿槽宽：又称齿间宽，齿槽在任意圆周上的弧长，用e表示。 （7）齿距：任意圆周上相邻两齿间同侧齿廓之间的弧长，用 P表示 （9）齿顶高：分度圆与齿顶圆之间的径向高度，用 表示。 （10）齿根高：分度圆与齿根圆之间的径向高度，用 表示。 （11）齿全高：齿顶圆与齿根圆之间的径向高度，用h表示。,二、齿轮基本参数 （1）齿数：在齿轮整个圆周上轮齿的总数，用z表示。它将影响传动比和齿轮尺寸。 （2）模数：模数是分度圆作为齿轮几何尺寸计算依据的基准而引入的参数。 m= （3）压力角 我们通常所说的齿轮压力角是指在分度圆上的压力角，国家标准（GB1356-88）中规定分度圆压力

36、角为标准值，一般情况下为,（4）齿顶高系数和顶隙系数：为了以模数m表示齿轮的几何尺寸，规定齿顶高和齿根高分别为： 两个参数也已经标准化，其值分别为 三、几何尺寸计算 如书表6-2 （略）,6.5 渐开线圆柱直齿轮的啮合传动 一、一对渐开线齿轮正确啮合的条件 两对齿分别在K，K点啮合，根据啮合基本定律（也可根据渐开线齿廓啮合特点） K在N1N2上 , K在N1N2上 KK法向齿距 在齿轮1上：KK=Pb1 在齿轮2上：KK=Pb2 Pb1=Pb2, 所以 即:正确啮合条件是 二、渐开线齿轮连续传动的条件 对齿轮的啮合只能推动从动轮转过一定的角度，而要使 齿轮连续地进行转动，就必须在前一对轮齿尚未

37、脱离啮合 时，后一对轮齿能及时地进入啮合。显然，为此必须使，,我们用符号 表示 与 的比值，称为重合度 一般可在1.11.4范围 三、无侧隙啮合条件 在齿轮传动中，为避免或减小轮齿的冲击，应使两轮 齿侧间隙为零；而为防止轮齿受力变形、发热膨胀以及 其它因素引起轮齿间的挤轧现象，两轮非工作齿廓间又 要留有一定的齿侧间隙。 这个齿侧间隙一般很小，通常由制造公差来保证。所 以在我们的实际设计中，齿轮的公称尺寸是按无侧隙计 算的。,由于轮齿传动时，仅两轮节圆作纯滚动，故无侧隙 啮合条件是：一个齿轮节圆上的齿厚等于另一个齿轮节圆上的齿槽宽，即： 与 一对标准外啮合齿轮传动的情况，当保证标准顶隙 时，两轮

38、的中心距应为 6.6 渐开线齿轮的加工方法 一、齿轮的加工方法 近代齿轮的加工方法很多，有铸造法、热轧法、冲压法、模锻法和切齿法等。其中最常用的是切削方法，就其原理可以概括分为仿形法和范成法两大类。,1仿形法 顾名思义，仿形法就是刀具的轴剖面刀刃形状和被切齿槽的形状相同。其刀具有盘状铣刀和指状铣刀等，如图所示。,切削时，铣刀转动，同时毛坯沿它的轴线方向移动一 个行程，这样就切出一个齿间，也就是切出相邻两齿的 各一侧齿槽；然后毛坯退回原来的位置，并用分度盘将 毛坯转过 ，再继续切削第二个齿间（槽）。依次进 行即可切削出所有轮齿。 在加工z不同的齿轮时，每一种齿数的齿轮就需要一 把铣刀。显然，这在

39、实际上是作不到的。所以，在工程 上加工同样m与的齿轮时，根据齿数不同，一般备有8把 或15把一套的铣刀，来满足加工不同齿数齿轮的需要。 书表6-4。,2范成法（又称展成法） 这种方法是加工齿轮中最 常用的一种方法。利用一对齿 轮互相啮合传动时，两轮的齿 廓互为包络线的原理来加工的。 将一对互相啮合传动的齿轮 之一变为刀具，而另一个作为轮 坯，并使二者仍按原传动比进行 传动，则在传动过程中，刀具的齿廓便将在轮坯上包络 出与其共轭的齿廓。,常用的刀具有齿轮插刀、齿条插刀和齿轮滚刀。,二、 根切与Zmin 用范成法加工齿轮时，有时会 发现刀具的顶部切入了轮齿的根部 ，而把齿根切去了一部分，破坏了 渐

40、开线齿廓，如图所示。这种现象 称为根切。 根切的齿轮会削弱轮齿的抗弯强度、降低传动的重 合度和平稳性。所以在设计制造中应力求避免根切。 用范成法加工齿轮，若刀具的齿顶超过啮合极限点 N1则被切齿轮必定发生轮齿根切。,不根切的条件可以表示为 ，即： 此，渐开线标准齿轮不根切的最少齿数为 ， 时，,6.8 齿轮传动失效形式及材料 一、失效形式 齿轮传动的失效主要是指齿轮轮齿的破坏，主要有以下5种形式： 1、轮齿折断 弯曲疲劳折断闭式硬齿面齿轮传动最主要的失效形式。 过载折断载荷过大或脆性材料 部分形式：齿根整体折断直齿，b较小时 局部折断斜齿或偏载时,提高轮齿抗折断能力的措施： 1） 减小齿根应力

41、集中（增加齿根过渡圆角，降低齿根部分表面粗糙度） 2） 高安装精度及支承刚性，避免轮齿偏载，设计时限制齿根弯曲应力小于许用值 3） 改善热处理，使其有足够的齿芯韧性和齿面硬度 齿根部分进行表面强化处理（喷丸、滚压） 2、齿面疲劳点蚀闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式 收敛性点蚀开始由于表在粗糙，局部接触应力较大 引起点蚀，过后经跑合，凸起磨平软齿面逐渐消失 扩展性点蚀硬齿面发生点蚀或软齿面时 位置：节线附近,原因：1）单齿对啮合接触应力较大；2）节线处相对滑 动速度较低，不易形成润滑油膜；3）另外油起到一 个媒介作用，润滑油渗入到微裂纹中，在较大接触应 力挤压下使裂纹扩展直至表面金属剥落。 防止

42、措施：1）提高齿面硬度；2）降低表面粗糙度；3） 采用角度变位（增加综合曲率半径）；4）选用较高 粘度的润滑油；5）提高精度（加工、安装）；6）改 善散热。 开式齿轮传动由于磨损较快，一般不会点蚀 3、齿面磨损开式齿轮的主要失效形式 类型齿面磨粒磨损,防止措施：1）提高齿面硬度；2）降低表面粗糙度；3）降低滑动系数；4）润滑油定期清洁和更换；5）变开式为闭式。 4、齿面胶合高速重载传动的主要失效形式热 胶合。 原因：高速、重载压力大，滑动速度高摩擦热大 高温啮合齿面粘结（冷焊结点）结点部位材料被 剪切沿相对滑动方向齿面材料被撕裂。 低速重载或缺油冷胶合（压力过大、油膜被挤破引 起胶合） 形式：

43、热胶合高速重载；冷胶合低速重载，缺 润滑油,防止措施：1）采用抗胶合能力强的润滑油（加极压添加剂）；2）采用角度变位齿轮传动，使滑动速度VS下降。3）减小m和齿高h，降低滑动速度VS；4）提高齿面硬度；5）降低表面粗糙度；6）配对齿轮有适当的硬度差；7）改善润滑与散热条件。 5、齿面塑性变形低速重载软齿轮传动的主要失效形式 齿面在过大的摩擦力作用下处于屈服状态，产生沿摩擦力方向的齿面材料的塑性流动，从而使齿面正确轮廓曲线被损坏。 防止措施：1）提高齿面硬度；2）采用高粘度的润滑油或加极压添加剂,二 、齿轮材料 选择齿轮材料总体上要考虑防止产生齿面失效和轮齿折断。 基本要求：齿面要硬，齿芯要韧

44、常用的齿轮材料 1、钢最常用，可通过热处理改善机械性能 （1）锻钢： 软齿面齿轮（HBS350） 如45、40Cr 热处理，正火调质，加工方法，热处理后精切齿形8、7级，适合于对精度、强度和速度要求不高的齿轮传动 （2）铸钢用于尺寸较大齿轮，需正火和退火以消除铸造应力。强度稍低,硬齿面齿轮（HBS350）（是发展趋势） 20Cr，20CrMnTi，40Cr，30CrMoAlA，表面淬火，渗碳淬火，氮化和氰化，先切齿表面硬化磨齿精切齿形5、6级 适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等） 2、铸铁脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平稳、低速和小功率场合

45、。 铸铁：灰铸铁；球墨铸铁有较好的机械性能和耐磨性 3、非金属材料工程塑料（ABS、尼龙）、夹布胶木,6.9 直齿圆柱齿轮传动的设计 一、受力分析 在不计及齿面摩擦力时，即为作 用于齿面法线方向上的法向载荷Fn。 渐开线齿形任何一点上的法线均与基 圆相切，如图所示。 则小齿轮名义转距T为 二、计算载荷 考虑原动机和工作机的不平稳， 轮齿啮合时产生的动载荷，,应对名义载荷进行修正 Fnc=KFn 系数K可由表6-7查得 。 三、齿根弯曲疲劳强度计算防止弯曲疲劳折断 其依据是材料力学中的悬臂梁的应力 分析。齿根上的弯矩最大，轮齿的 弯曲疲劳强度齿根处最弱 即,校核公式 设计公式 YFa齿形系数，只

46、与齿形有关 令 齿宽系数,四、齿面接触疲劳强度计算 直齿圆柱齿轮接触疲劳强度计算是防止齿面点蚀破坏 的计算方法，其理论依据是两平行圆柱体的接触应力理论 接触应力 对于标准直齿轮， ， ， 校核公式,设计公式 五、齿轮传动强度计算说明 1、弯曲强度计算，要求， ， ）对大小齿轮，其它参数均相同只有 不同，应将其中较大者代入计算。 2、接触强度计算公式中， ，许用值取小的。 3、轮齿面按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度 硬齿面按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核齿面接触疲劳强度,六、参数选择 1、齿数Z1 闭式软齿面齿轮（点蚀）Z1可取多一些（2040 闭式硬齿面齿轮（弯曲疲劳）a一定时，宜

47、取Z1少 一些（使m），Z1=1720 2、许用弯曲应力 3、许用接触应力,4、传动比 单级闭式传动，一般取 （直齿）、 （斜齿 6.10 斜齿圆柱齿轮传动设计 一齿面形成及啮合特点 斜齿圆柱齿轮齿面形成的 原理与直齿轮相似，所不同 的是直线 与轴线不平行， 而有一个夹角,啮合特点： 1）当两直齿轮啮合时，其齿面接触线是与整个齿轮轴线平行的直线。因此，直齿轮啮合时，整个齿宽同时进入和退出啮合，所以容易引起冲击、振动和噪声，从而影响传动的平稳性，不适宜于高速传动。 2）当两斜齿轮啮合时，由于轮齿的倾斜，一端先进入啮合，另一端后进入啮合，其接触线由短变长，再由长变短，极大地降低冲击、振动和噪声，改

48、善了传动的平稳性。相对于直齿轮而言更适合高速传动。 3）斜齿圆柱齿轮相对于直齿圆柱齿轮而言，可以增大重合度、降低根切齿数，可以提高齿轮承载能力，减小结构尺寸。,二、斜齿轮的基本参数及尺寸计算 1法面模数与端面模数 由上面两式可以得到 所以 一般,2法面压力角与端面压力角 3法面、端面齿高系数与顶隙系数 式中 、 为标准值。 三斜齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 见教材表(6-13)。其中特别要注意：公式中的法面参数为标准值。,四、斜齿圆柱齿轮的当量齿数 为确定当量齿数，如图所示。过 斜齿轮分度圆上C点，作斜齿轮 法面剖面，得到一椭圆。该剖面 上C点附近的齿型可以视为斜齿 轮的法面齿型。以椭圆上点C的

49、曲率半径作为虚拟直齿轮的分 度圆半径，并设该虚拟直齿轮 的模数和压力角分别等于斜齿轮的法面模数和压力角，该虚拟直齿轮即为当量齿轮，其齿数即为当量齿数。,五、斜齿圆柱齿轮传动正确啮合条件 6.11 直齿圆锥齿轮传动 圆锥齿轮机构主要用来传递 两相交轴之间的运动和动力, 如图6-44。圆锥齿轮的轮齿是 分布在一个截锥体上的，,一对圆锥齿轮两轴之间的夹角可根据传动的需要来决定。但通常情况下，工程上多采用的是 的传动 一、直齿圆锥齿轮齿廓的形成 锥齿轮的齿廓是发生面S在基圆锥上作纯滚动时形成的，发生面上K点将在空间展开成一渐开线AK。显然，渐开线是在以锥顶O为中心，锥距R为半径的球面上。 背锥是过锥齿

50、轮的大端，其母线与锥齿轮分度圆锥母线垂直的圆锥。 将两锥齿轮大端球面渐开线齿廓向两背锥上投影，得到近似渐开线齿廓。接下来将两背锥展成两扇形齿轮，设想把扇形齿轮补足成一个完整的圆柱齿轮。该假想的圆柱齿轮称作圆锥齿轮的当量齿轮,齿数称作圆锥齿轮的当量齿数，用 表示 四、直齿圆锥齿轮传动的参数及几何尺寸 1基本参数 压力角一般为 圆锥齿轮传动的传动比为 2几何参数计算 书表6-15,6.12 齿轮结构设计及齿轮传动的润滑 一、齿轮结构设计 1、齿轮轴 当齿轮的齿根直径与轴径很接近时，如图，可以将齿轮与轴作成一体的，称为齿轮轴,2、实体式齿轮 齿顶圆直径小于160mm （当轮缘内径D与轮毂外径相 差不

51、大时，而轮毂长度要大 于等于1.6倍的轴径尺寸） 时可以采用这种实体式结构，如图所示 3、腹板式结构 当直径大于160mm时， 为了减轻重量，节约材料， 同时由于不易锻出辐条， 常采用腹板式结构,4、对于齿轮齿顶圆直径小于500mm的齿轮，一般采用锻或铸造轮辐式,二、齿轮传动润滑 1、润滑方法及油量选择 开式齿轮传动速度较低，一般采用润滑脂或定时滴油润滑。 闭式齿轮传动常利用浸油法或喷油法润滑： 1）浸油法：大齿轮浸入一个齿高，对于多级齿轮传动的高速级，可以采用带油轮。由于大齿轮或带油轮可以将油带起，溅落到被润滑处，也称为飞溅润滑。此时要求齿轮线速度不高于。对于单级，每传递1Kw功率约需要0.

52、35L或更多的油量，多级传动可以按比例（级数）增加。,2）喷油润滑：在线速度超过上述数值使用时，要求齿轮宽度大时增加喷嘴的数目。在节圆线速度不大于时，直接由进入啮合的一侧向啮合处喷油。油量按10mm齿宽用0.45L/min或者每千瓦用8.5L/s来计算，喷油压力一般为0.010.2MPa。 对于非金属齿轮，载荷较小时可以不进行润滑。有时也可加入适量油以改善摩擦性能，提高承载能力，或改善材料使其具有自润滑能力。 2）润滑剂的选择 润滑剂有三大类： （1）液体润滑剂（常用） （2）润滑脂：用于低速传动，无法使用液体润滑剂时使用。 （3）固体润滑剂：其使用取决于使用条件及工艺水平。,第七章 蜗杆传动

53、,7.1 蜗杆传动 的类型和特点 蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成。 常用于交错轴90的两轴之间 传递运动和动力。一般蜗杆为主动 件，作减速运动。 一、蜗杆传动的特点 与齿轮传动相比较，蜗杆传动 具有传动比大，在动力传递中传动 比在8100之间，在分度机构中传动比可以达到 1000；传动平稳、噪声低；结构紧凑；在一定条件 下可以实现自锁等优点而得到广泛使用。,但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重， 涡轮齿圈部分经常用减磨性能好的有色金属（如 青铜）制造，成本高等缺点。 二、蜗杆传动的类型 按蜗杆分度曲面的形状不同，蜗杆传动可以分为： 圆柱蜗杆传动（如图a）、环面蜗杆传动（如图b）、锥 蜗杆传动（如

54、图c）三种类型。,1、圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆 柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动根据齿廓曲线主要分为三种： 阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆） 渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆） 法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆） 本章只讨论阿基米德圆柱蜗杆，加工时，梯形车刀 切削刃的顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面具有直线 齿廓，法向剖面N-N上齿廓为外凸线，端面上齿廓为阿基 米德螺线。这种蜗杆切制简单，但难以用砂轮磨削出精 确齿形，精度较低。,7.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 如图所示，在中间平面 上，普通圆柱蜗杆传动就相 当于齿条与齿轮的啮合传动 故此，在设计蜗杆传动时， 均取中间平面上的参

55、数（ 如模数、压力角）和尺寸 （如齿顶圆、分度圆等） 为基准，并沿用齿轮传动的 计算关系，,一、主要参数 1、模数m和压力角 蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样，也是以模数m作为计算的主要参数。在中间平面内蜗杆传动相当于齿轮和齿条传动，蜗杆的轴向模数和轴向压力角分别与涡轮的端面模数和端面压力角相等，为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值，标准模数见书中所附表格，标准压力角为20 。 2、蜗杆头数z1和传动比 蜗杆头数z1可根据要求和的传动比和效率来选定。单头蜗杆传动的传动比可以较大，但效率较低。如果要提高效率，应增加蜗杆的头数。但蜗杆头数过多，又会给加工带来困难。所以，通常蜗杆头数取为1、2、

56、4、6。,通常蜗杆为主动件，蜗杆与蜗轮之间的传动比为 其中：z2为蜗轮的齿数 3、导程角 蜗杆的直径系数q和蜗杆头数z1选定之后，蜗杆分度圆柱上的导程角也就确定了,4、蜗杆的分度圆直径d1 在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆相同尺寸的蜗轮滚刀来加工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就需要一种对应的蜗轮滚刀。对于同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然，这样很不经济。 为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1 ，而把比值 称为蜗杆直径系数。 5、蜗杆传动的标准中心距,7.3蜗

57、杆传动的失效形式、材料和结构 一、蜗杆传动的失效形式、设计准则 和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，再润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式。 蜗杆传动的设计准则为：闭式蜗杆传动按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度进行设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核，并进行热平衡验算；开式蜗杆传动，按保证齿根弯曲疲劳强度进行设计。,二、蜗杆和蜗轮材料 由失效形式知道，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合（跑合）、减磨性、耐磨性和抗胶合能力等。 蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成：一般不太重要的低速

58、中载的蜗杆，可采用40、45钢，并经调质处理 。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火 。 蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1,ZCuSn5Pb5Zn5），铸造铝铁青铜（ZCuAl1010Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度大于3m/s的重要传动；,铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般 用于滑动速度小于4m/s的传动；如果滑动速度不高（小 于2m/s），对效率要求也不高时，可以采用灰铸铁 7.3蜗杆传动的强度计算 一、受力分析 1、蜗轮转向判断 蜗杆蜗轮转向关系可以用“主动轮左（右）手法则”判断，即蜗杆为右（左）旋时用右（左）手，并以四指弯曲方向表示蜗杆转向，则拇指所