《机械设计基础》
第1章机械设计概论
复习重点
1. 机械零件常见的失效形式
2. 机械设计中，主要的设计准则
习题
1-1 机械零件常见的失效形式有哪些？
1-2 在机械设计中，主要的设计准则有哪些？
1-3 在机械设计中，选用材料的依据是什么？
第2章润滑与密封概述
复习重点
1. 摩擦的四种状态
2. 常用润滑剂的性能
习题
2-1 摩擦可分哪几类？各有何特点？
2-2 润滑剂的作用是什麽？常用润滑剂有几类？
第3章平面机构的结构分析
复习重点
1、机构及运动副的概念
2、自由度计算
平面机构：各运动构件均在同一平面内或相互平行平面内运动的机构，称为平面机构。
3.1 运动副及其分类
运动副：构件间的可动联接。（既保持直接接触，又能产生一定的相对运动）
按照接触情况和两构件接触后的相对运动形式的不同，通常把平面运动副分为低副和高副两类。
3.2 平面机构自由度的计算
一个作平面运动的自由构件具有三个自由度，若机构中有n个活动构件(即不包括机架)，在未通过运动副连接前共有3n个自由度。当用P L个低副和P H个高副连接组成机构后，每个低副引入两个约束，每个高副引入一个约束，共引入2P L+P H个约束，因此整个机构相对机架的自由度数，即机构的自由度为
F=3n-2P L-P H (1-1)
下面举例说明此式的应用。
例1-1 试计算下图所示颚式破碎机机构的自由度。
解由其机构运动简图不难看出，该
机构有3个活动构件，n=3；包含4个
转动副，P L=4；没有高副，P H=0。因
此，由式(1-1)得该机构自由度为
F=3n-2P L-P H =3×3-2×4-0=1
3. 2.1 计算平面机构自由度的注意事项
应用式(1-1)计算平面机构自由度时，还必须注意以下一些特殊情况。
1. 复合铰链
2. 局部自由度
3. 虚约束
例3-2 试计算图3-9所示大筛机构的自由度。
解机构中的滚子有一个局部自由度。顶杆与机架在E和E′组成两个导路平行的移动副，其中之一为虚约束。C处是复合铰链，3个构件组成两转动副。今将滚子与顶杆焊成一体，去掉移动副E′，
如图1-9b所示。该机构有7个活动构件，n=7，P L =9 (7个转动副和2个移动副)，P H =1，由式(1-1)得
F=3n-2P L-P H =3×7-2×9-1=2
此机构的自由度等于2。
3.3 机构具有确定运动的条件
机构的自由度也即是平面机构具有独立运动的个数。机构要运动，其自由度F必大于零。机构中每个原动件具有一个独立运动，因此，机构自由度必定与原动件的数目相等。
习题
3-1 一个在平面内自由运动的构件有多少个自由度？
3-2 运动副所产生的约束数与自由度有何关系？
3-3 机构具有确定运动的条件是什么？
3-4 计算图3-14所示机构的自由度，指出机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束。
第4章平面连杆机构
复习重点
1. 四杆机构的基本类型及其演化；
2. 平面四杆机构的基本特性
平面连杆机构是由若干构件用低副（转动副和移动副）联接而成，所以又称为低副机构。
习题
一. 正误判断(正确的在题后括号内划“√”，错误的划“×”.)
1) 处于死点位置的机构是不可能运动的。（×）
2) 曲柄摇杆机构中，当摇杆为从动件时，机构才有死点位置出现。（√）
3）曲柄摇杆机构中死点位置可能出现在曲柄与连杆共线的位置上。（√）
二.选择填空
1.铰链四杆机构中的运动副是（C）。
A）高副 B）移动副C）转动副D）点接触的具有一定相对运动的联接
2. 铰链四杆机构ABCD中，已知AB＝50、BC＝115、CD＝120、DA＝30，若该机构属于双曲柄机构，则机架是（A ）。
A）AB杆 B ）BC杆 C ）CD杆 D）DA杆
第5章凸轮机构
复习重点
1、常用运动规律的特点，刚性冲击，柔性冲击，S-δ曲线绘制
2、凸轮轮廓设计原理—反转法，自锁、压力角与基圆半径的概念
习题
5-1某直动对心从动件盘状凸轮沿顺时针方向转动时，从动件以等速上升，其行程h=30mm，回程等速返回处；从动件各运动阶段凸轮的转角为：δ1=120o，δ2=60o，δ3=120o，δ4=60o。试绘制从动件的位移线图。
第6章间歇运动机构
复习重点
了解四种常用间歇机构的工作原理及应用
习题
6-1 什么叫间歇运动机构? 常用的间歇运动机构有哪几种？
第7章螺纹连接
复习重点
1. 螺纹的基本知识
2. 螺纹连接
习题
7-1 常用的螺纹牙型有几种？说明各自的特点和应用场合。
7-2 螺纹的公称直径指哪一直径？螺栓强度计算使用哪一直径？螺纹几何尺寸计算使用哪一直径？
7-3 螺纹联接为什么要预紧？常用控制预紧力的方法有哪些？
7-4 螺纹联接为什么要防松？防松的根本问题是什么？按照防松原理，举例说明如何实现防松。
7-5满足何种条件时，螺旋传动具有自锁特性？
第8章轴毂联接
轮毂联接是实现轴和轴上零件之间的周向定位，主要方式有：键联接、花键联接和过盈配合。
复习重点
1. 键连接
习题
8-1 在一直径为80 mm的轴上，安装齿轮，轴与轮毂材料均为45钢，轮毂宽度为120mm，有轻微冲击。试选择键的尺寸，并计算传递的最大转矩。
第9章带传动和链传动
复习重点
1. 带传动的组成、工作原理、传动特点
2. 链传动的组成、工作原理、传动特点
9.1带传动的结构特点：
1、组成：主动轮、从动轮、传动带
2、分类：
㈠按工作原理分：摩擦型、啮合型带传动
㈡按带的截面形状分：
a.平型带传动——最简单，适合于中心距a较大的情况
b.V 带传动——三角带
c.多楔带传动——适于传递功率较大要求结构紧凑场合
d.同步带传动——啮合传动，高速、高精度，适于高精度仪器装置中带比较薄，比较轻。
㈢按带的传动形式分：
开口传动：两轮转向相同
交叉传动：两轮转向相反
半交叉传动：用于交错轴
二、工作原理、工作特点、应用
1、工作原理：靠摩擦和靠啮合两种
2、工作特点：适宜布置在高速级
优点：可远距离传动、缓冲吸振、过载保护、结构简单、维护方便
缺点：传动比不准确、传动效率低、带的寿命短、压轴力大
η带=0.92～0.95 、η链=0.95～0.97、η齿轮=0.97～0.99
3、应用：功率（P≤100 KW）、带速（V=5～25 m/s）、传动比（i≤7）
三、受力分析
工作前:两边初拉力Fo=Fo
工作时:两边拉力变化：
①紧力 Fo→F1；②松边Fo→F2
F1—Fo = Fo—F2
F1—F2 = 摩擦力总和Ff = 有效圆周力Fe
所以: 紧边拉力：F1=Fo + Fe/2
松边拉力：F2=Fo—Fe/2
另外：带受到的弯曲拉力：σb1和σb2
离心拉力：Fc=qv2 （应力σc）
带传动的应力分布图：如下
带的弹性滑动和打
滑
㈠弹性滑动：带与轮缘之间会发生不显著的相对滑动称为---。
滑动的结果：V1＞V＞V2
㈡打滑：当带传动的有效圆周力超过了带的极限摩擦力时，带
和带轮之间发生显著的相对滑动，称为---。
㈢弹性滑动和打滑的区别：
⑴弹性滑动是不显著的相对滑动，只发生在部分包角范围内；
而打滑是显著的相对滑动，发生在全部包角范围内。
⑵弹性滑动是带工作时的固有特性，是不可避免的；
而打滑是带过载时的一种失效形式，是可以避免的。
四、失效形式: 1、带的疲劳破坏 2、打滑
习题
9-1 带传动中的弹性滑动与打滑有何区别？对传动有何影响？影响打滑的因素有哪些？如何避免打滑？
9-2 在V带传动设计时，为什么要限制带的根数？
9-3 带传动的主要失效形式是什么？
9-4 带传动工作中，带上所受应力有哪几种？如何分布？最大应力在何处？
第10章链传动
复习重点
1. 链传动的组成、工作原理、传动特点
链传动的组成、工作原理、传动特点
1、组成：主动链轮、从动链轮、传动链
2、工作原理：靠啮合。
（滚子链：靠链节和链轮轮齿的啮合。齿形链：靠链齿和轮齿的啮合）
3、传动特点：
㈠优点：（和带比）⑴无弹性滑动、打滑现象、i平均=常数⑵压轴力小⑶可在恶劣环境（如高温、油污、潮湿）中工作⑷传动效率比带高
（和齿轮比）易安装、远距离传动轻便。
㈡缺点：⑴i瞬时≠常数⑵传动时有振动、冲击、噪声⑶只能用于两平行轴之间的传动⑷传动急速反转时性能较差。
4.传动链结构特点：
按链条的结构不同分：⑴套筒滚子链：（简称滚子链）⑵齿型链
⑴滚子链：）
①结构：由外链板、内链板、套筒、滚子、销轴五部分组成。
各部分关系：销轴与套筒、套筒与滚子为间隙配合。
销轴与外链板、套筒与内链板为过盈配合。
另外：内、外链板之间留有一定间隙，以便润滑油渗入到铰链的摩擦面间。
内、外链板均制成“∞”型。（从减轻重量和等强度两方面考虑）
链的排数：一般不超过4排。
连结数通常取偶数(∵接头方便, 无过渡链节)
②链条的参数与标记：参数已标准化，分A、B系列。表11-1给出了A系列的一些参数。
主要参数为：节距P （相邻销轴之间的中心距）
③标记如：滚子链20A--2×60 GB/T/243-1997
表示：A系列、节距P=20×25.4/16=31.75 mm 、双排、60节的滚子链。
⑵齿形链：（无声链）
是由一组齿形链板由铰链联接而成。
按铰链的形式不同又分圆销式、轴瓦式、滚柱式等）
5、受力分析：
㈠静止时：通过控制松边垂度而使链条保持一定的张紧力（即：悬垂拉力F3）如图
F3=kfqga
（kf---垂度系数，当垂度f=0.02a时，kf---垂度系数可查表11-3、q---每米长链的质量、g--重力加速度、a--中心距）
㈡工作时:与带相似，也分松紧边，但注意，松边在下，紧边在上。（与带传动正好相反）松边拉力=F3+F2 （F2---离心拉力F2=qv2；F3---张紧力或悬垂拉力）
紧边拉力=F3+F2+F1 （F1---有效工作拉力，F1=1000P/V KW）
注意与带的区别：⑴初拉力F3没有再变大或变小，∵链板之间可以相对转动，∴不像带有伸长收缩的明显改变。
⑵没有弯曲应力σb ∵链包在链轮上，链板可以自由转动，∴不受弯曲应力。
由链条的受力分析可知：链条受交变应力的作用，且受附加的动载荷作用，∴链条会发生疲劳破坏。习题
10-1 影响链传动速度不均匀性的主要因素是什么？
10-2 链传动为何要适当张紧？常用的张紧方法有哪些？
10-3 链传动与带传动的张紧目的有何区别？
第11章齿轮机构
复习重点
1、齿轮机构的类型
2、渐开线齿廓的啮合特性
3、标准渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸计算
4. 齿轮传动的失效形式
5. 齿轮传动中的受力分析（齿轮的转向及轮齿旋向分析）
11.1 齿轮机构的类型
齿轮机构的类型很多，按两齿轮轴线间的相互位置、齿向和啮合情况不同，齿轮机构可分为以下几种基本类型，如表11-1所示。
表11-1 齿轮机构的类型
11.2 渐开线齿廓的啮合特性
渐开线齿廓啮合传动具有如下几个特性：
(1) 能够保证定传动比传动
(2) 中心距变动不影响传动比
(3) 齿廓上压力方向不变
11.3 标准渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸计算
11.3.1 齿轮各部分名称和符号
11.3.2 渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数
图11-3 不同模数齿轮的齿形
1. 齿数z 在齿轮整个圆周上轮齿的总数称为该齿轮的齿数，符号为z。
2. 模数m
齿轮分度圆的直径d、齿距p与齿数z的关系有：πd=pz 或，为了便于设计、制造、检验和安装，令m称为齿轮的模数，其单位为mm。于是得到分度圆直径d=mz
模数反映了齿轮的轮齿及各部分尺寸的大小。当齿数不变时，模数越大，其齿距、齿厚、齿高和分度圆直径都相应增大。图11-3给出了不同模数齿轮齿形。
为了设计、制造、检验和使用的方便，齿轮的模数已经标准化。
3. 压力角α分度圆上的压力角简称压力角，以α表示。国家标准(GB/T1356-1988)中规定，分度圆上的压力角为标准值，通常取α=20°，在某些场合也采用α=15°、25°等值。
4. 其它齿形参数
1) 顶隙系数c*
在一对齿轮传动时，为避免一轮的齿顶与另一轮的齿槽底部相抵触，并有一定的空隙贮存润
滑油，故一轮的齿顶圆与另一轮的齿根圆留有径向间隙，称为顶隙，用c表示。标准的顶隙值取模数的倍数：c=c*m。
2) 齿顶高系数ha*
轮齿的高度取模数的倍数。对于标准齿轮，取：齿顶高ha= ha*m，则齿根高hf=( ha*+c*)m。
国家标准规定：正常齿ha*=1，c*=0.25；短齿ha*=0.8，c*=0.3。
11.3.3 标准渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算
标准齿轮是指m、α、ha*、c*均为标准值，并且s=e的齿轮。为便于计算和设计，现将渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式列于表4-3中。
表4-3 标准渐开线直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式
例11-1 已知标准直齿圆柱齿轮的模数m=3 mm和齿数z=20，试求齿轮的分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿顶高、齿根高、齿厚和齿槽宽。
解：由表4-3所列公式分别计算如下：
11.9 齿轮传动的失效形式
对齿轮失效形式的分析有助于准确选择齿轮传动强度设计方法，以及寻求防止或延缓失效最有效、最经济的对策。齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，其失效形式主要有以下五种：1. 轮齿折断2. 齿面点蚀3. 齿面磨损4. 齿面胶合5. 齿面塑性变形
11.10 齿轮材料
根据轮齿失效形式的分析可以知道，齿轮材料应具备如下性能：①齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合的能力；②齿芯有足够的韧性，以获得较高的抗弯曲和抗冲击能力；③良好的加工和热处理工艺性能；④经济性。
11.11 轮齿的受力分析
图11-6所示为一标准直齿圆柱齿轮传动，轮齿在节点C处接触。若忽略摩擦力，轮齿间相互作用的法向力Fn沿着啮合线方向并垂直于齿面。为了计算方便，将法向载荷Fn在节点C 处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力Ft与径向力Fr(单位均为N)。
由此可得：
(11-1)
式中 Tl——主动轮传递的名义转矩(N·m)；
dl——主动轮分度圆直径(mm)；
α——压力角。
(11-2)
式中 P1——主动轮传递的功率(kW)；
n1——主动轮的转速(r/min)。
作用于主动轮和从动轮上的各对应力等值反向。各分力的方向：①圆周力Ft，对于主动轮为阻力，与回转方向相反；对于从动轮为驱动力，与回转方向相同；②径向力Fr，分别指向各自轮心(外啮合齿轮)。
习题
11-1 何谓标准直齿圆柱齿轮？
11-2 渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件和连续传动条件是什么?
11-3现有一对标准直齿圆柱齿轮传动。已知齿数z1=21，z2=53，模数m=2.5 mm。分别求两齿轮的分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、中心距、齿距、齿厚、齿槽宽、传动比以及渐开线在分度圆处的曲率半径和齿顶圆上的压力角。
11-4 常见的齿轮失效形式有哪几种？
11-5 圆柱齿轮传动中大、小齿轮的齿宽是否相等？为什么？
11-6 齿轮传动中两齿轮的齿面接触应力和齿根弯曲应力是否相等？为什么？
11-7 齿轮润滑的意义何在？常用的润滑方法有何异同？
11-8 图示为二级展开式斜齿圆柱齿轮减速器，已
知主动轮1的转向和旋向，为使Ⅱ轴上两齿轮的
轴向力相互抵消。试确定：
（1）斜齿轮2、3、4的螺旋线方向；
（2）各轴的转向；
（3）画出中间Ⅱ轴上的2齿轮受力图（即标出Ft2、Fr2、Fx2的方向）。
第12章蜗杆传动
复习重点
1. 蜗杆传动的结构、特点
2. 蜗杆传动受力分析
12.1蜗杆传动的结构、特点：
1. 组成：蜗杆和蜗轮。
2. 形成：斜齿轮演化而成。
3. 蜗杆传动的类型：（根据蜗杆的形状不同分三类）
⑴圆柱蜗杆传动：
⑵环面蜗杆传动：（或称圆弧面蜗杆传动）
⑶锥蜗杆传动：（ZK型---）
12.2蜗杆传动的受力分析：
总法向力Fn分解为三个力：⑴切向力：Ft2=2T2/d2≈Fx1
⑵径向力：Fr2≈Fr1
⑶轴向力：Fx2≈Ft1
当蜗杆为主动件时，先以左右手定则定出蜗杆轴向力Fx1，在定蜗轮。应力分析：
主要为：⑴接触应力σH
⑵弯曲应力：σF
其次为：压应力、切应力、摩擦剪应力等。
第13章齿轮系
复习重点
1、掌握定轴轮系，周转轮系传动比的计算
2、定轴轮系转向判别，转化轮系法求解周转轮系传动比方法
3、熟练掌握复合轮系传动比的计算方法及轮系的组成分析
13.1 轮系的分类
轮系：用一系列互相啮合的齿轮将主动轴和从动轴连接起来，这种多齿轮的传动装置称为轮系。
定轴轮系（普通轮系）
周转轮系
复合轮系定+周（复杂轮系）
周+周
13.2定轴轮系及其传动比计算
13.3 周转轮系的传动比计算
13.4 复合轮系传动比的计算
第14章机械传动设计
复习重点
1、机械传动的组成
2、机械传动的类型
习题
14-1 传动装置的主要作用是什么？
14-2 选择传动类型时应考虑哪些主要因素？
第15章机械的调速与平衡复习重点
1、机器运转速度波动调节的目的
2、速度波动调节的方法
3、回转件平衡的目的
4、刚性回转件的平衡
15.1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。
通过相应的手段对两类速度波动进行调节，将上述不良影响限制在容许范围之内。
15.2机器周期性速度波动的调节方法
机器中某一回转轴上加飞轮
飞轮：能量存储器
15.3 机器非周期性速度波动的调节方法
采用调速器
15.4平衡的目的
平衡的目的：尽量减小惯性力所引起的附加动压力。
附加的动压力：①附加载荷；②振动（源）
习题
15-1 什么是速度波动？周期性与非周期性速度波动调节各采用什么方法？15-2 飞轮的作用有哪些？其调速的原理是什么？
15-3 什么是静平衡？什么是动平衡？各至少需要几个平衡平面？
静平衡、动平衡的力学条件各是什么？
15-4 动平衡的构件一定是静平衡的，反之亦然，对吗？为什么？
第16章轴
复习重点
1. 轴的分类
2. 轴的结构设计
16.1轴的分类
㈠按承载分：
⑴心轴（只受弯）
⑵传动轴：（只受扭矩）
⑶转轴：（既受弯又受扭矩）
㈡按轴的形状分：
⑴直轴：应用最广。