机械设计基础知识点总结

1.构件：独立的运动单元/零件：独立的制造单元机构：用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件间能有确定相对运动的连接方式组成的构件系统（机构=机架（1个）+原动件（≥1个）+从动件（若干））机器：包含一个或者多个机构的系统注：从力的角度看机构和机器并无差别，故将机构和机器统称为机械1. 机构运动简图的要点：1）构件数目与实际数目相同2）运动副的种类和数目与实际数目相同3）运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例（该项机构示意图不需要）2. 运动副（两构件组成运动副）：1）高副（两构件点或线接触）2）低副（两构件面接触组成），例如转动副、移动副3. 自由度（F ）=原动件数目，自由度计算公式：为高副数目）（为低副数目）（为活动构件数目）（H H L L P P P P n n F --=23 求解自由度时需要考虑以下问题：1）复合铰链2）局部自由度3）虚约束4. 杆长条件：最短杆+最长杆≤其它两杆之和（满足杆长条件则机构中存在整转副）I ） 满足杆长条件，若最短杆为机架，则为双曲柄机构 II ） 满足杆长条件，若最短杆为机架的邻边，则为曲柄摇杆机构III ） 满足杆长条件，若最短杆为机架的对边，则为双摇杆机构IV ） 不满足杆长条件，则为双摇杆机构5. 急回特性：摇杆转过角度均为摆角（摇杆左右极限位置的夹角）的大小，而曲柄转过角度不同，例如：牛头刨床、往复式输送机急回特性可用行程速度变化系数（或称行程速比系数）K 表示 11180180180//21211221+-︒=⇒-︒+︒=====K K t t t t K θθθϕϕψψωω θ为极位夹角（连杆与曲柄两次共线时，两线之间的夹角）6. 压力角：作用力F 方向与作用点绝对速度c v 方向的夹角α7. 从动件压力角α=90°（传动角γ=0°）时产生死点，可用飞轮或者构件本身惯性消除8. 凸轮机构的分类及其特点：I)按凸轮形状分：盘形、移动、圆柱凸轮（端面） II ）按推杆形状分：1）尖顶——构造简单，易磨损，用于仪表机构（只用于受力不大的低速机构）2）滚子——磨损小，应用广3）平底——受力好，润滑好，用于高速转动，效率高，但是无法进入凹面 III ）按推杆运动分：直动（对心、偏置）、摆动 IV)按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等）、几何形状封闭（凹槽、等宽、等径、主回凸轮）9. 凸轮机构的压力角：从动件运动方向与凸轮给从动件的力的方向之间所夹的锐角α（凸轮给从动件的力的方向沿接触点的法线方向）压力角的大小与凸轮基圆尺寸有关，基圆半径越小，压力角α越大（当压力角过大时可以考虑增大基圆的半径）10. 凸轮给从动件的力F和使从动件压紧导路的有害分力F ’’（F ’’=F ’11. 凸轮机构的自锁现象：在α角增大的同时，F 摩擦力大于有用分力F ’即发生自锁，【α】在摆动凸轮机构中建议35°-45°，【α】在直动凸轮机构中建议30°，【α】在回程凸轮机构中建议70°-80°12. 凸轮机构的运动规律与冲击的关系：I ）多项式运动规律：1）等速运动（一次多项式）运动规律——刚性冲击2）等加等减速（二次多项式）运动规律——柔性冲击3）五次多项式运动规律——无冲击（适用于高速凸轮机构） II ）三角函数运动规律：1）余弦加速度（简谐）运动规律——柔性冲击2）正弦加速度（摆线）运动规律——无冲击 III ）改进型运动规律：将集中运动规律组合，以改善运动特性13. 凸轮滚子机构半径的确定：为滚子半径、为理论轮廓的曲率半径、为工作轮廓的曲率半径T a r ρρI ）轮廓内凹时：T a r +=ρρ II ）轮廓外凸时：T a r -=ρρ（当0=-=T a r ρρ时，轮廓变尖，出现失真现象，所以要使机构正常工作，对于外凸轮廓要使T r >min ρ）注：平底推杆凸轮机构也会出现失真现象，可以增大凸轮的基圆半径来解决问题14. 齿轮啮合基本定律：设P 为两啮合齿轮的相对瞬心（啮合齿轮公法线与齿轮连心线21O O 交点），12122112b b r r P O P O i ===ωω（传动比需要恒定，即需要P O PO 12为常数）15. 齿轮渐开线（口诀）：弧长等于发生线，基圆切线是法线，曲线形状随基圆，基圆内无渐开线啮合线：两啮合齿轮基圆的内公切线啮合角：节圆公切线与啮合线之间的夹角α’（即节圆的压力角）16. 齿轮的基本参数：（弧长）弧长）齿槽宽齿厚、——齿根圆、——齿顶圆kk f f a a e s d r d r ( 基圆上的弧长）法向齿距（周节）齿距（周节）：(b n k k k p p e s p =+=f a h h 高度）齿根高（分度圆到齿根高度）齿顶高（分度圆到齿顶分度圆：人为规定（标准齿轮中分度圆与节圆重合），分度圆参数用r 、d 、e 、s 、p=e+s 表示（无下标）B h h h f a ）齿宽（轮齿轴向的厚度全齿高+= 轮齿的齿数为zmz r mz d p m p zp d zp d m 21,,///====⇒==有故定义只能取某些简单的值，，人为规定：分度圆的周长模数ππππ齿轮各项参数的计算公式：mz d =）短齿制正常齿齿顶高系数.80,1(****===a a a a a h h h m h h).3025.0()(*****==+=c c c m c h h a f 短齿制正常齿顶隙系数m c h h h h a f a )2(**+=+=m h z h d d a a a )2(2*+=+= m c h z h d d a f f )22(2**--=-=17. 分度圆压力角α=arcos （b r /r ）（b r 为基圆半径，r 为分度圆半径）所以ααcos cos mz d d b== 所以ααπαππcos cos cos p m zmz z d p p bb n ===== 18. 齿轮重合度：表示同时参加啮合的轮齿的对数，用ε（ε≥1才能连续传动）表示，ε越大，轮齿平均受力越小，传动越平稳19. m c c c e s *21,00==-为标准值即顶隙即理论上齿侧间隙为标准安装时的中心距2121r r r c r a fa +⇒=++= 20. 渐开线齿轮的加工方法：1）成形法（用渐开线齿形的成形刀具直接切出齿形，例如盘铣刀和指状铣刀），成形法的优点：方法简单，不需要专用机床；缺点：生产效率低，精度差，仅适用于单件生产及精度要求不高的齿轮加工2）范成法（利用一对齿轮（或者齿轮与齿条）互相啮合时，其共轭齿阔互为包络线的原理来切齿的），常见的刀具例如齿轮插刀（刀具顶部比正常齿高出m c *，以便切出顶隙部分，刀具模拟啮合旋转并轴向运动，缺点：只能间断地切削、生产效率低）、齿条插刀（顶部比传动用的齿条高出m c *，刀具进行轴向运动，切出的齿轮分度圆齿厚和分度圆齿槽宽相等，缺点：只能间断地切削、生产效率低）、齿轮滚刀（其在工作面上的投影为一齿条，能够进行连续切削）21. 最少齿数和根切（根切会削弱齿轮的抗弯强度、使重合度ε下降）：对于α=20°和*a h =1的正常齿制标准渐开线齿轮，当用齿条加工时，其最小齿数为17（若允许略有根切，正常齿标准齿轮的实际最小齿数可取14）如何解决根切？变位齿轮可以制成齿数少于最少齿数而无根切的齿轮，可以实现非标准中心距的无侧隙传动，可以使大小齿轮的抗弯能力比较接近，还可以增大齿厚，提高轮齿的抗弯强度(以切削标准齿轮时的位置为基准，刀具移动的距离xm 称为变位量，x 称为变为系数，并规定远离轮坯中心时x 为正值，称为正变位，反之为负值，称为负变位)22. 轮系的分类：定轴轮系（轴线固定）、周转轮系（轴有公转）、复合轮系（两者混合） 一对定轴齿轮的传动比公式：ab b a b a ab z z n n i ===ωω 对于（定轴）齿轮系，设输入轴的角速度为1ω，输出轴的角速度为m ω，所有主动轮齿数的乘积所有从动轮齿数的乘积==m m i ωω11 齿轮系中齿轮转向判断（用箭头表示）：两齿轮外啮合时，箭头方向相反，同时指向或者背离啮合点，即头头相对或者尾尾相对；两齿轮内啮合时，箭头方向相同蜗轮蜗杆判断涡轮的转动方向：判断蜗杆的螺纹是左旋还是右旋，左旋用左手，右旋用右手，用手顺着蜗杆的旋转方向把握蜗杆，拇指指向即为涡轮的旋转方向周转轮系（包括只需要一个原动件的行星轮系和需要两个原动件的差动轮系）的传动比：所有主动轮齿数的乘积至转化轮系从所有从动轮齿数的乘积至转化轮系从）（K G K G n n n n n n i H H K H H G H K H G HGK ±=--== 注：不能忘记减去行星架的转速，此外，判断G 与K 两轮的转向是否相同，如果转向相同，则最后的结果符号取“+”，如果转向相反，则结果的符号取“-”复合轮系的传动比计算，关键在于找出周转轮系，剩下的均为定轴轮系，计算时要先名明确传递的路线是从哪一个轮传向下一个轮23. （周期性）速度波动：当外力作用（周期性）变化时，机械主轴的角速度也作（周期性的）变化，机械的这种（有规律的、周期性的）速度变化称为（周期性）速度波动（在一个整周期中，驱动力所做的输入功和阻力所作的输出功是相等的，这是周期性速度波动的重要特征）24. 调节周期性速度波动的常用方法是在机械中加上一个转动惯量很大的回转件——飞轮（选择飞轮的优势在于不仅可以避免机械运转速度发生过大的波动，而且可以选择功率较小的原动机）对于非周期性的速度波动，我们可以采用调速器进行调节（机械式离心调速器，结构简单，成本低廉，但是它的体积庞大，灵敏度低，近代机器多采用电子调速装置）26．飞轮转动惯量的选择：δω2m ax m A J =注：1） δωωω22min 2max min max max )(21m J J E E A =-=-=（max A 为最大功亏，即飞轮的动能极限差值，max A 的确定方法可以参照书本99页）2）2min max ωωω+=m （m ω为主轴转动角速度的算数平均值） 3）mωωωδmin max -=（δ为不均匀系数） 27.（刚性）回转件的平衡：目的是使回转件工作时离心力达到平衡，以消除附加动压力，尽可能减轻有害的机械振动。

（平面）平衡的方法：安装平衡质量，使得配重对轴的离心力（或质径积）的矢量和与要平衡的重量的离心力（或质径积）矢量和为0注：对于一些轴向尺寸较小的回转件，如叶轮，飞轮，砂轮等，可近似地认为其质量分布在同一平面内，但是对于一些轴向尺寸较大的回转件，如多缸发动机曲柄，电动机转子，汽轮机转子和机床主轴等，其质量分布于多个平面内，不可以看作在同一平面内进行质量平衡的计算28．螺纹的用途：1）链接2）传动螺纹参数：S=nP(S 为导程，P 为螺距，n 为螺旋线数，注：P为相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离，S 为同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点的轴向距离)关于螺纹升角：为中径22,tan d d nP πψ=螺纹的类型：1）矩形螺纹（牙侧角β=0°）2）非矩形螺纹（牙侧角β≠0°）：三角形螺纹（牙型角α=60°为国家标准普通螺纹，牙型角α=55°为管螺纹）、梯形螺纹（牙型角α=75°，牙侧角β=15°）、锯齿形螺纹（牙型角α=33°，牙侧角β=3°）螺纹的效率（有效功与输入功的比）：螺旋副的效率仅与螺纹升角ψ有关，锯齿形螺纹的牙侧角比梯形螺纹的牙侧角小，所以锯齿形螺纹的效率比梯形螺纹的效率高，但是只适用于承受单方向的轴向载荷自锁条件：1)矩形螺纹当斜面倾角小于摩擦角时，发生自锁2）非矩形螺纹，当螺纹升角小于等于当量摩擦角时发生自锁 注：用于连接的紧固螺纹必须满足自锁条件，为牙侧角）为摩擦系数，当量摩擦角ββρf f (,cos arctan '= 29．螺纹链接的基本类型：1）螺栓连接（螺栓和螺母配合）①普通螺栓连接：螺栓与孔之间有间隙，孔中不切制螺纹，加工简便，成本低，应用最广②铰制孔用螺栓连接：其螺杆外径与螺栓孔的内径具有同一基本尺寸，螺栓与孔之见没有空隙，并常采用过渡配合，它适用于承受垂直螺栓轴线的横向载荷2）螺钉连接（螺钉直接旋入螺纹孔，省去螺母）：结构简单，但是不能经常拆装，经常拆装会使连接件的螺纹被磨损而失效3）双头螺柱连接：连接较厚的被连接件，或者为了结构紧凑而采用盲孔的连接，该连接允许多次拆装而不损坏被连接件4）紧定螺钉连接：固定两零件的相对位置，并可传递不大的力或者转矩常见的螺纹紧固件：螺栓（有多种头部形状）、双头螺柱（有座端和螺母端两个端）、（紧固）螺钉（末端有平端、锥端、圆尖端）、螺母、垫圈（增大被连接件的支承面积以减小接触的挤压应力）30．预紧：对于不承受轴向工作载荷的螺纹，轴向的力即为预紧力螺纹连接的拧紧力矩T等于克服螺纹副相对转动的阻力矩T1和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2之和为了充分发挥螺栓的工作能力和保证预紧可靠，螺栓的预紧应力一般可达材料屈服极限的50%~70%，小直径的螺栓装配时应施加小的拧紧力矩，否则容易将螺栓杆拉断，力矩的大小通常由经验判断，但是为了保证质量可以选择测力矩扳手或者定力矩扳手31．防松：连接用的三角形螺纹具有自锁性，一般情况下不会发生脱落，但是在冲击、振动、变载的作用下，预紧力可能在某一瞬间消失，另外高温螺纹连接有可能导致变形脱落，所以要进行防松常用的防松措施：①弹簧垫片：反弹力使螺纹间保持压紧力和摩擦力②对顶螺母：两个螺母的对顶作用，使得螺栓始终受到附加的拉力和附加的摩擦力，结构简单，适用于低速重载的场合③尼龙圈锁紧螺母：螺母中嵌有尼龙圈，拧上后尼龙圈内孔被胀大，箍紧螺栓④槽型螺母开口销⑤圆螺母用带翅垫片⑥止动垫片：垫片折边以固定螺母和被连接件的相对位置⑦其它方法：用冲头冲2-3点防松、粘合剂涂于螺纹旋合后粘合剂固化粘合达到防松效果32．齿轮失效形式：1）轮齿折断2）齿面点蚀3）齿面胶合4）齿面磨损5）齿面塑性变形①轮齿折断：一般发生在齿根处，因为齿根处受到的弯曲应力最大，淬火钢或铸铁制成的齿轮（闭式硬齿面齿轮）容易发生这种现象②齿面点蚀：最先出现在齿面节线处，细小裂纹扩展后颗粒剥落造成，通常发生在闭式软齿面齿轮上③齿面胶合：发生在齿顶、齿根等相对速度较大处，高速重载运动中，摩擦产生高温引润滑油失效，齿面金属粘连，相对运动时较软的齿面沿滑动方向被撕下形成沟纹（解决方法：1）提高齿面硬度2）减小齿面粗糙度3）增加润滑剂的粘度（低速）4）加抗胶合剂）④齿面磨损：1）磨粒磨损：颗粒进入齿面间引起磨粒磨损，开式传动中难以避免，齿阔变形，导致噪声和振动，最终传动失效2）跑合磨损：新制造的齿轮表面不光洁，刚开始运转时会有磨损，使得表面变光洁，跑合结束后应该清洗并更换润滑油⑤齿面塑性变形：重载导致齿面局部塑性变形，使齿阔失去正确的齿形，在过载严重和启动频繁的传动中常见33．齿轮的接触强度由齿轮的模数和齿数乘积mz 决定，mz 越大，接触强度越大齿轮的弯曲强度由齿轮的模数m 决定34．齿轮径向力判断：所有齿轮的径向力都指向齿轮的轴心 齿轮圆周力向力判断：圆周力都沿齿轮旋转地切线方向，主动轮的圆周力与转动方向相反，从动轮圆周力与转动方向相同齿轮轴向力判断（斜齿轮有，直齿轮没有）：对于圆锥齿轮，轴向力从小端指向大端，判断一般斜齿轮主动轮的轴向力可用左右手法则，左旋用左手，右旋用右手，用对应的手四指沿主动轮的转向把握齿轮，拇指方向即为轴向力的方向，从动轮的轴向力方向与主动轮轴向力方向即可注：一对齿轮中，一齿轮的轴向力与另一齿轮的径向力是反作用里，也就是说等大（表示圆周力表示轴向力表示径向力t a r F F F //）35．轴：轴的作用是支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等轴的分类：1）按承受的载荷分：①转轴：传递扭矩又承受弯矩（减速器转轴）②只传递扭矩（卡车底部的传动轴）③只承受弯矩2）按轴的形状分：①直要求轴的设计：1）为了便于安装，轴一般设计成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状，装零件的轴端应该有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应该有退刀槽2）零件在轴向上的定位由轴肩或者套筒确定3）零件在轴向上的固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈（轴端上的零件多使用轴端挡圈固定）来实现（如果套筒过长或者无法使用套筒固定时可以采用双螺母进行固定），在轴向力比较小的时候还可以使用弹性挡圈或紧定螺钉实现4）周向固定大多采用键、花键或过盈配合等连接形式来实现轴设计时的注意点：①键槽应该设计成统一加工直线（即键槽应该在同一直线上），尽可能使用同一键槽截面②轴承上不能开键槽③轮毂上的键槽要开通④轴肩不能够过高（不能够高于轴承的内圈，方便抓取）⑤轴的直径要合适，使套筒、螺母等零件能够进入⑥键不能够太长（例如利用键固定齿轮，则键的长度不能超过齿轮的宽度⑦上述轴的设计中的一些其它要点36．（滚动）轴承的类型：I）按照承受载荷的方向（或接触角）分：1）向心轴承（主要用于承受径向力）：①径向接触轴承（α=0°，只能承受径向载荷）②角接触轴承（0°＜α≤45°）2）推力轴承（主要用于承受轴向力）：①角接触轴承（45°＜α＜90°）②轴向接触轴承（α=90°，只能承受轴向载荷）II）按照滚动体的形状分：1）球轴承2）滚子轴承：①圆柱滚子轴承②圆锥滚子轴承③球面滚子轴承④滚针轴承注：滚动体与轴承外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角为公称接触角α37．1）轴承的承载能力:相同尺寸外形下滚子轴承的承载能力比球轴承的承载能力高（前者约为后者的1.5-3倍，但是当轴承内径≤20mm时，两者差不多，但是球轴承价格较低2）轴承的极限转速：转速过高时，高温使润滑失效，滚动体回火或者胶合破坏，提高极限转速可以采取提高轴承精度、适当加大间隙、改善润滑和冷却条件等措施3）角偏差：由于安装误差或者轴变形会引起内外圈中心线发生相对倾斜，倾斜角称为角偏差，可以采用调心球轴承来保证正常运转。