机械设计讲义全集

任务分析
（1）掌握机器和机构的特征。 （2）掌握构件和零件、通用零件和专用零件等概念。
任务目标
夯实理论
机器的特征
（1）它们都是人为实体（构件）的组合； （2）各个运动实体（构件）之间具有确定的相对运动； （3）能够代替或减轻人类劳动，完成有用功或实现能量转换，能进行信息处理、影像处理等功能。
任务实施
识别机器与机构 机械钟表、打字机、发报机用于传递信息都属于机器。
培养技能
机械钟表 打字机 发报机
球磨机的铁球，摇奖机不强调构件间具有确定的相对运动，它们也属于机器。
平面运动副的分类
转动副
夯实理论
转动副
夯实理论
2)移动副 只允许两构件作相对移动。
移动副
夯实理论
移动副
夯实理论
(2)高副 两构件以点或线接触而构成的运动副。
凸轮副
齿轮副
夯实理论
机构中构件按运动性质分类
机 架 用来支承运动构件，相对于地面固定不动的构件。 原动件 按给定的运动规律独立运动的构件。 从动件 除原动件以外的所有活动构件。
B
4
3
2
A
D
C
计算实例
n = 3, PL = 4, PH = 0
F = 3n - 2PL- PH =3×3 – 2×4 – 0 = 1
n：机构中活动构件数； PL ：机构中低副数； PH ：机构中高副数； F ：机构的自由度数；
构件的图样长度
构件的实际长度
夯实理论
单缸四冲程内燃机
任务实施
任务实施
1.设计要求与数据
单缸四冲程内燃机主体机构。
2.设计内容
绘制单缸四冲程内燃机的运动简图。

F Fo y Sa KFt YFa YSa [ F ] bm (10- 4)
YSa ── 应力校正系数，考虑上述各应力的的影响。 P.200.表 10-5. 7．设计公式： 将 Ft = 2T1/d1 ，d1 = mz1 代入（10-4） 并令 φ 得：
d
= b/d1 ── 齿宽系数，推荐值见： P.205. 表 10-7.
§10—3 齿轮的材料及其选择原则： 轮齿材料的基本要求： 一．常用的齿轮材料： 1．钢： 韧性好，耐冲击，可通过热处理改善性能，最适用于制造齿轮。 除尺寸太大或结构太复杂者，一般齿轮都用锻钢制造，C% = 0.15～0.6% ① 热处理后切齿的齿轮所用的锻钢： a. 常用者： b. 热处理方法： c. 制造过程： e．适用： a. 常用者： b. 热处理： 中碳钢，如 45、35SiMn 调质，常化。 毛坯 → 热处理 → 切齿 → 成品。 强度、速度和精度都要求不高的齿轮 低、中碳钢，如 20Cr、40Cr、45 表面淬火，渗碳，氮化等。
§１０—５ 标准直齿圆柱齿轮传动的强度计算 一．受力分析： 齿轮传动一般均予润滑，摩擦力很小，可不计， 这样，沿啮合线作用的法向载荷 Fn 在节点 P 处 可分解成径向力 Fr 和圆周力 Ft，其值按平衡方 程得： Ft = 2T1/d1 Fr = Ft· tgα Fn = Ft/cosα 与分圆 d1 相切，矩与 T1 反向 指向轮心。 垂直指向齿面。
p ca Kp KFn L N/mm
（10-1）
式中： Fn ── 作用于齿面接触上的法向载荷， N L ── 齿面间接触线的总长， mm K ── 载荷系数，包括以下四部分： K = KA KV Kα Kβ 1．使用系数 KA： 考虑齿轮传动的外部因素（如原动机及工作机的特性等）的影响。 参考值见： 2．动载系数 KV： 主要考虑齿轮的制造精度和圆周速度对 动载荷的影响 1）成因：各种误差、受载弹变、单双齿啮 合过渡中啮合齿对的刚度变化→ pb1≠pb2 → i 波动 → 角加速度 → 动载 2）措施： ① 制造精度↑，小轮 d1↓ ∵ d1↓ → 周速 v↓ → i 波动引起的角加速度↓ → 动载↓ ② 齿顶修缘。 3．齿间载荷分配系数 Kα ： 考虑齿距误差及弹变等引起的载荷在齿对接触线间非均匀分布的影响。 1）成因： 齿间误差、弹变 → 总载荷在不同齿对（二对及二对齿以上同时啮合 时）接触线上的分布不均匀 → 某对齿接触线上载荷＞平均值 p=Kn/L 2）Kα 值： 分 KHα 、KFα ， 4．齿向载荷分布系数 Kβ ： 考虑支承非对称布置，轴和支承的受载变形及其制造、装配误差引起的齿面上 载荷分布不均的影响。 （见下图）

11.2 轮齿材料及热处理
特点及应用：
调质、正火处理后的硬度低，HBS ≤ 350，属软齿 面，工艺简单、用于一般传动。
➢ 当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强
度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高: 20~50HBS
表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属 硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于 结构紧凑的场合。
H
MPa
3.
开式齿轮传动：按弯曲强度设计。
其失效形式为磨损，点蚀形 成之前齿面已磨掉。
m
3
2KT1
d z12
YFaYSa
F
11.7 圆柱齿轮的设计准则和设计参数的选取
二、主要参数的选取
1. 齿数比 u u=z2/z1由传动比 i=n1/n2确定，一般 i≤7 以避免径向 尺寸过大。
2. 齿数 z 取z1≥17；z 重合度 传动平稳；当分度圆d一定， z m 轮齿弯曲强度不够；调整a值，通过调整z1、 z2值实现，此时u与 i的误差不超过±3%~5%。
11.2 轮齿材料及热处理
一、齿轮材料
1. 钢
中(碳、合金)钢整体、表面淬火+低温回火
1) 锻钢 低(碳、合金)钢渗碳、淬火、回火(20Cr)
氮化钢(如30CrMoAlA)调质、渗氮
氰化钢碳、氮共渗
2) 铸钢 ZG270-500(ZG35)、ZG310-570(ZG45)、
ZG40Cr
2. 铸铁 常用HT250、HT350、QT500-7、QT600-3
解：（1）选择材料及确定许用应力
小齿轮用40MnB调质，齿面硬度 241~286HBS，
Hlim1 730MPa FE 600MPa (由表11-1)

§９—２ 传动链的结构特点： 一．滚子链： 1．结构： 1——滚子： 2——套筒： 3——销轴： 4——内链板 5——外链板
44
p
与 2 间隙配合。 与 3 间隙配合， 与 4 过盈配合。 与 5 过盈配合。
图9-2 滚子链的结构
b1
5 4 3 2 1
d2 d1
h2
《机械设计》 （第八版）濮良贵主编
《机械设计》 （第八版）濮良贵主编
第九章 链传动
第九章 链传动
§９—１ 链传动的特点及应用： 1．组成： 3．特点： 优： 链条，主、从动链轮，机架。 与带传动相比 1）平均传动比准确（∵无弹性滑动和打滑） ，效率较高（97～98%） 。 2）结构紧凑，压轴力 FP 小（∵无需张得很紧） 。 3）易安装，成本低，可远距传动。 （相对于齿轮） 4）可在高温、低速、多尘、润滑差的恶劣条件下工作。 缺： 4．适用： 5．分类： 1）只能用于平行轴间的同向传动。 2）瞬时传动比不恒定，冲击、噪音较大。 要求工作可靠，两轴相距较远，及其它不宜用齿轮传动处。 如： 农业、矿山、运输等机械中。 按用途不同可分三类： 又分： ①滚子链（主要介绍） ②齿形链 等几种。 2）输送链： 主要用于传送装置等（如：自动生产线的输送装置） 3）起重链： 主要用于起重机械中。 1）传动链： 使用最广，适用于： P＜100kw. v＜15m/s. i＜imax=8 的埸合。 P.165. 图 9-1. 2．工作原理： 靠链轮轮齿与链节的啮合传动。
50
p d sin(180 z)
（载荷平稳时，可达： i=10）
《机械设计》 （第八版）濮良贵主编
第九章 链传动
尽量选较小节距的单排链. ① 高速大功率：
并推荐:

授课方案0教案用纸No 1 授课内容导入新课1.分析机器的特征2.机构的组成3.平面机构的运动简图一、分析机器的特征1.机器和机构相同的特征（1）都是一种人为的实体构件的组合；（2）各实体构件之间具有确定的相对运动；2.机器和机构不同的特征（1）机器能实现能量转换或完成有用的机械功进行信息处理、影像处理。

（2）机构起着运动的传递和运动形式的转换作用。

3.机器的组成原动机部分+执行部分+传动部分+控制系统+辅助系统构件机构运动的最小单元。

零件机械制造中不可拆的最小单元。

一个构件可以只由一个零件组成，也可由多个零件组成。

零件按作用分为通用零件是各种机器中常使用的零件，如螺栓、齿轮、轴承、弹簧、皮带等；专用零件只在一些特定的机器中使用的零件，如曲轴、阀、活塞、叶片、飞轮等。

二、机构的组成（一）.运动副1.运动副的概念运动副是两构件之间直接接触并能产生一定相对运动的联接。

2.平面运动副的分类（按两构件接触性质不同）转动副低副（按两构件形成面与面接触的特点）分为分类移动副高副（按两构件形成点或线接触的特点）转动副移动副机器与机构的区别关键是机器有能量转换，做有用功，机构不作功。

信息处理、影像处理是光机电一体化机械设备。

相关的英文单词mechanism机构machine机器machinery机械link构件part零件a kinematic pair运动副lower pair低副简写为P Lturning pair转动副sliding pair移动副higher pair高副简写为P Hthe coupler 连杆the frame 机架a link connectedwith the frame连架杆skeleton diagrams 机构运动简图0教案用纸No 2 授课内容凸轮副齿轮副（二）构件的分类（按运动性质不同）机架只能有一个。

分类原动件一个或多个。

从动件多个。

三、平面机构的运动简图（一）机构运动简图的概念机构运动简图用规定的线条和符号表示构件和运动副，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，表明机构的组成和各构件间运动关系的简单图形。

1第三章 机械零件的强度一．静应力及其极限应力：1．静应力： 在使用期内恒定或变化次数很少（＜103次）的应力。

2．极限应力σlim： 静应力作用下的σlim取决于材料性质。

1）塑性材料： σlim =σs （屈服极限）2）脆性材料： σlim=σB (强度极限)3．静强度准则： σ≤σlim/S （S —静强度安全系数）-10max§３－１ 材料的疲劳特性：1．材料的疲劳特性：可用最大应力σmax、应力循环次数N和应力比r表示。

2．材料疲劳特性的确定：用实验测定，实验方法是：1）在材料标准试件上加上一定应力比的等幅变应力，应力比通常为：r=-1或r=02）记录不同最大应力σmax下试件破坏前经历的循环次数N，并绘出疲劳曲线。

3．材料的疲劳特性曲线：有二种1）σ—N疲劳曲线：即一定应力比r下最大应力σmax与应力循环次数N的关系曲线2）等寿命曲线：即一定应力循环次数N下应力幅σa 与平均应力σm的关系曲线2）C点对应的N约为：NC≈1043）这一阶段的疲劳称为应变疲劳或低周疲劳4、CD段：有限寿命疲劳阶段。

试件经历一定的循环次数N后会疲劳破坏实验表明，有限疲劳寿命σrN与相应的循环次数N之间有如下关系：23σm rN ·N = C ( N ≤N D ) （3-1）5、D 点以后： 无限寿命疲劳阶段。

1）无论经历多少次应力循环都不会疲劳破坏。

2）D 点对应的循环次数N 约为：N D =106～25×107 3）D 点对应的应力记为：σr ∞—— 叫持久疲劳极限。

σrN =σr∞( N ＞N D ) （3-2）4）循环基数N O 和疲劳极限σrN D 很大，疲劳试验很费时，为方便起见，常用人为规定一个循环次数N O （称 为循环基数）和与之对应的疲劳极限σrNo（简记为σr ）近似代替N D 和σr ∞6、有限寿命疲劳极限σrN ： 按式（3-1）应有： σm rN·N = σm r ·N O = C （3-1a ）于是：K N ──寿命系数m, N O ──1）钢材（材料）： m = 6～20 ， N O =（1～10）×106 2）中等尺寸零件： m = 9 ， N O = 5×106 3）大尺寸零件： m = 9 ， N O = 107 注： 高周疲劳——曲线CD 及D 点以后的疲劳称作高周疲劳二、等寿命疲劳曲线 图3-2等寿命疲劳曲线——一定循环次数下的疲劳极限的特性。

3
4
D
机架
连 曲柄：可回转360°的连架杆 架 摇杆：摆角小于360°的连架杆 杆 滑块：作往复移动的连架杆
一.铰链四杆机构基本类型 （按连架杆类型）
铰链四杆机构
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
双摇杆机构
一曲一摇
二曲
二.(铰链四杆机构)演变类型
二摇
1.曲柄摇杆机构： 连架杆 ┌曲柄→(一般)原动件→匀速转动
本章重点:平面四杆机构主要特性和设计 本章难点:平面四杆机构的设计
第二章 平面连杆机构
铰链四杆机构的基本型式 铰链四杆机构有整转副的条件 铰链四杆机构的演变 平面四杆机构的设计
§2-1铰链四杆机构的基本型式 p.20
平面连杆机构－平面机构+低副联接 (转动、移动副) 最常用→平面四杆机构（ 四个构件→四根杆)
(3)过C1、C2、 B1 A
D
P 作圆
O
在圆上任选一点A (4)AC1=L2－L1,
AC2=L2+L1→
θ
→无数解
L1=1/2(AC2－AC1)
以L1为半径作圆,交B1,B2点
P
→曲柄两位置
NM
2.导杆机构: P.31
已知:机架长L4 , K
解:
180
K
1
n
m
K 1
(1)任选固定铰链中心C→
B A
C D
解: (1)连接B1B2,C1C2并作其垂直平分线b12,c12
(2)在b12线上任取一点A, 在C12...任取一点D
步骤：
B1
1、连接B1B2, C1C2
2、作B1B2, C1C2中垂线
3、在中垂线上取一点作A, D

有色金属：黑色金属以外的金属。 ②有色金属：黑色金属以外的金属。 a) 铝合金 铝合金——重量轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化 重量轻、 重量轻 导热导电性较好、塑性好、 性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近。 性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近。 航空、汽车） （航空、汽车）
σmin γ= σmax
σ
σ t
σ 0 t 脉动循环： 脉动循环：r=0 σm =σa=σmax/2 σmin =0
t
0
对称循环变应力 r = -1 σm = 0 静应力r 静应力r = 1 σmax=σmin=σm σa=0 σa= σmax=-σmin
σm =
σa =
σmax +σmin
2
σ 0 t
设计计算法
校核计算法
5
§9-2 机械零件的强度
一、基本概念 名义载荷： 名义载荷：在理想的平稳工作条件下作用在 零件上的载荷。 零件上的载荷。 载荷系数：实际计算载荷与名义载荷的比值。 载荷系数：实际计算载荷与名义载荷的比值。 它考虑的是机械工作时， 它考虑的是机械工作时，零件受到的各种 附加载荷。 附加载荷。 计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积。 计算载荷：载荷系数与名义载荷的乘积。 名义应力:当载荷为名义载荷时计算出的应力。 名义应力:当载荷为名义载荷时计算出的应力。 计算应力：按计算载荷求得的应力。 计算应力：按计算载荷求得的应力。
17
§9–4 机械零件的耐磨性
磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。 磨损：磨擦表面物质不断损失的现象。 耐磨性：零件抵抗磨损的能力。 耐磨性：零件抵抗磨损的能力。
在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时， 在预定使用期限内，零件的磨损量不超过允许值时， 认为是正常磨损。出现剧烈磨损时． 认为是正常磨损。出现剧烈磨损时．运动副的间隙增 机械精度丧失，效率下降；振动、 大，机械精度丧失，效率下降；振动、冲击和噪声增 应立即停车检修、换零件。 大；应立即停车检修、换零件。 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。 的损坏零件是因磨损而报废的。 据统计，约有 的损坏零件是因磨损而报废的 机械磨损的主要类型： 机械磨损的主要类型： 磨粒磨损 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，在摩擦过程 硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸蜂，

lOC = e
lCP = ds/d φ - e
S0= r2min - e2
ω
lCP = (S+S0 ) tan α
ds/d φ - e tanα = S + r2min - e2 rmin ↑ → α↓
D rmin α O e C
n
ds/d φ
若发现设计结果α〉[α]，可增大 rmin
3-3 凸轮机构的压力角
摩擦轮 4 4
皮带轮 皮带轮
录音机卷带机构
3-1 凸轮机构的应用和类型
2
3
1 送料机构
3-1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构组成： 凸轮、从动件、机架。 凸轮机构的优点:
只需设计适当的凸轮轮廓
结构简单、紧凑，设计方便
凸轮机构的缺点:
高副机构，易磨损
3-1 凸轮机构的应用和类型
凸轮机构的分类
按照凸轮的形状：
盘形凸轮
圆柱凸轮 移动凸轮
按照从动件的型式：
尖顶从动件 平底从动件 滚子从动件
3-2 从动件的常用运动规律
一、凸轮机构设计的基本任务
1) 2) 3) 4) 根据工作要求选定凸轮机构的形式； 从动件运动规律； s 合理确定结构尺寸； h 设计轮廓曲线。
B’ A
02
二、基本概念与名称
• 基圆 • 升程 • 远休止角 • 推程运动角 • 近休止角 • 回程运动角
s vdt C0 C1t
v C1 dv a 0 dt
刚性冲击：
由于加速度发生无穷大突 度而引起的冲击称为刚性 冲击。
3-2 从动件的常用运动规律
2. 简谐运动
h s 1 cos 2 h v sin 2

图5-22 受横向载荷的螺栓组联接 FΣ FΣ FΣ FΣ
（5-8）
为避免相对滑动，必须使预紧后接合面间的最大摩擦力≥FΣ，即：
fFo z i K S F
或
Fo
K S F f z i
P.76. 表 5-5.
(5 - 9)
f ── 接合面间的摩擦系数。 i ── 接合面数（上图 i = 2） 。 KS── 防滑系数。 2．受转矩的螺栓组： 1）普通螺栓联接： 各螺栓的 Fo 产生的摩擦力 fFo 对形心 O 的矩之和应大 于 T， 即： 或： ΣfFori = fFo·Σri ≥KST Fo≥KST/f·Σri
a．倾覆力矩 M 作用于通过 x-x 轴且垂直接合面的平面中，图 a） b. 已受 Fo，但未受倾覆力矩 M 作用，图 b) 螺栓： 均匀受拉，拉力为 Fo 地基： 均匀受压，压强 σP 底板： 其上 Fo 的合力与 σP 的合力相等，底板所受的总作用力为零。 c. 已受 M 作用，底板绕 O-O 轴向右倾侧，图 c) 在 O-O 轴左侧：螺栓：拉力由 Fo 增大到 F2 地基：挤压应力由 σP 下降为 σP1，右侧压紧 σP↗σP2 底板：螺栓的合力＞地基的合力，总合力为 F，方向向下 在 O-O 轴右侧：螺栓：拉力由 Fo 减小到 F2m
14
以图 5-1 的外螺纹为例.
螺纹的最大直径（外螺纹牙顶所在的圆柱面直径） 。
《机械设计》 （第八版） 濮良贵主编
第五章 螺纹联接和螺旋传动
4．线数 n：
螺纹的螺旋线数目。 单线螺纹： 沿一根螺旋线形成的螺纹。 多线螺纹： 沿多根螺旋线形成的螺纹。
5．螺距 P： 6．导程 S：
相邻两螺牙对应点间的轴向距离。 沿同一条螺旋线转一周移动的轴向距离。 ψ= arctg(S/πd2) S = nP

机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用 下，首先在表层内约20µm处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润 滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈 小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑。
油
初始疲劳裂纹 金属剥落出现小坑 裂纹的扩展与断裂
9.3 机械零件的接触强度
[σ ] =σ lim 9.2 机械零件的强度
一、应力的种类
静应力: 静应力: σ = 常数 变应力: 变应力: σ 随时间变化 变应力的循环特性: 变应力的循环特性:
静应力是变应力的特例
平均应力: 平均应力: 应 力 幅:
σm =
σ max + σ min
σa =
σ
σ max − σ min
2
而[σ H ] =
σ H lim
SH
9.4 机械零件的耐磨性
运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。 磨 损 — 运动副中，摩擦表面物质不断损失的现象。 磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。 磨损会逐渐改变零件尺寸和摩擦表面形状。 零件抗磨损的能力。 耐磨性 — 零件抗磨损的能力。 振动↑、冲击 、噪音 振动 、冲击↑、噪音↑ 间隙↑、精度↓、 效率↓、 间隙 磨损↑ 磨损 →间隙 、 精度 、 效率 、 据统计，约有80%的损坏零件是因磨损而报废的。 的损坏零件是因磨损而报废的。 据统计，约有 的损坏零件是因磨损而报废的 磨损的主要类型 ： 1) 磨粒磨损
σ-1N
N
σ-1
N0 N
表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限 对称循环应力下的弯曲疲劳极限。 用σ-1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限。
有近似公式： 当N<N0 时，有近似公式： 对应于N 的弯曲疲劳极限： 对应于 的弯曲疲劳极限：

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第一章$：电机的选取一．数据及示意图输送带拉力F 2700N输送带速度V 1.5m/s滚筒直径D 450mm每日工作时数 24h传动工作年限 10年二：选择电动机系列按工作要求及工作条件选用三相异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y系列。

三：选取电动机功率卷筒所需功率P w=FV/1000=2700*1.5/1000KW=4.05KW。

按表2.2取v带效率η1=0.96，轴承效率η2=0.98，斜齿轮啮合效率η3=0.98，卷筒效率η4=0.96，V带效率η5=0.97。

.传动装置的总效率ηa为ηa=η1*η22*η3*η4*η2*0.97*0.99*0.96=0.85。

5=0.96*0.98所以电动机所需功率为P d=P w/ηa=4..05/0.85KW=4.76KW。

四：确定电动机的转速、卷筒轴转速n w=60V/πD=60*1.5/(π*0.4)r/min=63.8r/min。

现以同步转速为1000r/min及1500r/min两种方案进行比较，由表16-1查得电动机数据，计算出总传动比如下所示：i1=n m1/n w=960/63.8=15.05。

同理i2=22.6。

电动机轴转矩T d1=9550*P d/n m1=9550*4.76/960=47.35N.m。

同理T d2=31.57N.m。

五：各轴输入功率Ⅰ轴：PⅠ=P d*1=4.76KW。

Ⅱ轴：PⅡ=PⅠ*η1=4.76*0.96KW=4.57KW。

Ⅲ轴：PⅢ=PⅡ*η2*η3=4.57*0.98*0.97=4.34KW。

卷筒轴：PⅣ=PⅢ*η2*η4=4.34*0.98*0.99=4.21KW。

六：选择方案以同步转速为1000r/min电机进行计算，初选皮带传动的传动比i=3.76，齿轮传动比i齿=i1/i=4，卷筒传动比为1。

七：各轴的转速Ⅰ轴：nⅠ=n m/i0=960/1 r/min=960r/min。