机械设计基础知识点总结汇总.docx
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机械设计基础知识点总结汇总
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:
-L-H
F = 3n(n为活动构件数目) 2P(PL为低副数目) P(PH 为高副数目)
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
K =
ω1
ω2
=
ψ / t2
ψ / t1
= 1 = 1 =
t2
180︒ + θ
180︒ - θ
⇒ θ = 180︒
K - 1
K + 1
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 vc 方向的夹角 α
7. 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 可以如图分解为沿从动件的有用分力 F’
和使从动件压紧导路的有害分力 F’’(F’’=F’tanα)
’
11. 凸轮机构的自锁现象:
在 α 角增大的同时,F’’增大,使导
路摩擦力
大于有用分力 F’,系统无法运动,当压力角超过许用值
【α】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:
ρ a为工作轮廓的曲率半径、ρ为理论轮廓的曲率半径、rT 为滚子半径
I)轮廓内凹时:
ρ a = ρ + rT
II)轮廓外凸时:
ρa = ρ - rT (当
ρa = ρ - rT = 0 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 ρ min
> rT )
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 O1O2 交点), i12
=
ω1
ω2
=
O2 P
O1P
r
rb1
需要恒定,即需要
O2P
O1P
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:
k
齿顶圆 — —ra、d a齿根圆 — —rf 、d f 齿厚sk (弧长)齿槽宽e(弧长)
齿距(周节):
pk = sk + ek 法向齿距(周节)pn = pb (基圆上的弧长)
齿顶高(分度圆到齿顶高度)ha齿根高(分度圆到齿根高度)h f
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)
全齿高h = ha + h f 齿宽(轮齿轴向的厚度)B
轮齿的齿数为 z
模数m:
分度圆的周长 = πd = zp ⇒ d = zp / π,人为规定p / π只能取某些简单的值,
故定义m = p / π , 有d = mz, r =
1
2
mz
齿轮各项参数的计算公式:
d = mz
****
*
*
ha = ha m(齿顶高系数ha 正常齿ha = 1, 短齿制ha = 0.8)
h f = (ha + c* )m(顶隙系数c*正常齿c* = 0.25短齿制c* = 0.3)
h = ha + h f = (2ha + c* )m
d a = d + 2ha = (z + 2ha )m
d f = d - 2h f = (z - 2ha - 2c* )m
17. 分度圆压力角 α=arcos( rb /r)( rb 为基圆半径,r 为分度圆半
径)
所以 db = d cosα = mz cosα
所以 pn
= pb =
πdb
z
=
πmz cosα
z
= πm cosα = p cosα
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. 理论上齿侧间隙为0即s1 - e2 = 0, 顶隙c为标准值即c = c*m
标准安装时的中心距 a = ra1 + c + r2 f ⇒= r1 + r2
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 c*m ,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 c*m ,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 ha =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:
iab
=
ωa
ωb
n z
nb za
对于(定轴)齿轮系,设输入轴的角速度为 ω1 ,输出轴的角
ωm
=
所有从动轮齿数的乘积
所有主动轮齿数的乘积
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:
H
nG
H
nH - nH
nK - nH
转化轮系从G至K所有从动轮齿数的乘积
转化轮系从G至K所有主动轮齿数的乘积
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:
J =
Amax
2
ωmδ
J (ωmax -ωmin ) = Jωm2δ ( Amax 为最大功
注:
1)
Amax = Emax - Emin =
1
2
2 2
亏,即飞轮的动能极限差值, Amax 的确定方法可以参照书本
99 页)
2) ωm =
ωmax + ωmin
2
( ωm 为主轴转动角速度的算数平均值)
3) δ
=
ωmax - ωmin
ωm
( 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:
tanψ =
nP
πd2
d2为中径
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,
当量摩擦角ρ ' = arctan
f
cos β
( f为摩擦系数,β为牙侧角)
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
( Fr表示径向力 / Fa表示轴向力 / Ft表示圆周力 )
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
轴②曲轴(汽车发动机轴)③挠性钢丝轴②③不
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 α
37.1)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
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