机械设计基础复习总结

自由度计算小结

自由度计算公式:F ＝3n －2Pl －Ph

机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)

计算步骤:

（1）确定活动构件数目

（2）确定运动副种类和数目

（3）确定特殊结构: 局部自由度、虚约束、复合铰链

（4）计算、验证自由度

例 计算图所示机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。

键联接和花键联接

● 键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接等。

1、平键联接

键工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩。

成对使用:承载能力不够时采用, 按 180°布置两个键。一对平键按1.5 个键计算。

2、半圆键联接

工作原理: 两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩。

3、楔键联接

工作原理: 上下表面为工作面，靠摩擦力传递转矩。

4、切向键联接

工作原理:键的窄面是工作面，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递转矩。 一个切向键只能传递单向力矩，双向力矩时，需要采用两个切向键，两键的夹角为??130~120。

● 花键联接是有外花键和内花键组成。

花键联接可用于静联接或动联接。按齿形不同可以分为矩形花键和渐开线花键两类，两种花键均已标准化。矩形花键定心方式为小径定心，特点是定心精度高，定心稳定性好。渐开线花键定心方式为齿形定心，具有自动定心作用，有利于各齿间的均匀承载。

螺纹联接

1、螺栓联接按其受力状况不同，分为普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接。

2、普通螺栓，其主要失效形式为螺栓杆和螺纹部分发生断裂（受拉）；

铰制孔用螺栓联接，其主要失效形式为螺栓杆和孔壁见压溃或螺栓杆被剪断（受剪）。

3、防松的根本问题是防止螺旋副的相对转动。

（1）摩擦防松 对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母

（2）机械防松 槽型螺母和开口销、圆螺母和带翘垫圈、止动垫圈、串联钢丝

4、螺纹联接的预紧目的：在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。

5、提高螺纹联接强度的措施：改善螺纹牙间的载荷分配；减小螺栓的应力幅；采用合理的制造工艺；避免附加弯曲应力；减小应力集中的影响。

7A C 12B 3D E F G H I

456虚约束 局部自由度 118263231

;8;6=-?-?=--====H H L P P n F P P n L

平面连杆机构

●铰链四杆机构

平面连杆机构的基本形式是铰链四杆机构。

1、铰链四杆机构由机架、连杆、连杆架组成。

机架：固定不动的构件

连架杆：直接与机架相连的构件

连杆：不与机架相连的构件

曲柄：能作整周转动的连架杆

摇杆：不能作整周转动的连架杆

2、铰链四杆机构的演化

1)改变构件的形状和尺寸。（适当的改变构件的形状和尺寸，可以将转动副演化成移动副）

2)变更机架（倒置）（对曲柄滑块机构进行倒置可得到导杆机构、摇块机构、定块机构）

3)扩大转动副（将曲柄做成偏心轮）

●平面四杆机构的工作特性

1、曲柄存在条件：

（1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和

（2）最短杆是连架杆或机架

最短杆参与构成的转动副都是整周副，其余均为摆转副。

推论1：

当Lmax+Lmin≤ L(其余两杆长度之和)时

最短杆是连架杆之一——曲柄摇杆机构

最短杆是机架——双曲柄机构

最短杆是连杆——双摇杆机构

推论2：

当Lmax+Lmin > L(其余两杆长度之和)时——双摇杆机构

2、急回运动特性（当曲柄等速回转的情况下，通常把从动件往复运动速度快慢不同的运动特性称为急回运动特性。）

为了描述从动摇杆的急回运动特征，引入行程速比系数K（K≥1）。K值的大小反映了急回运动的急回程度。K=1, 无急回特性。极位夹角θ↑，行程速比系数K↑，急回特征越显著。极位夹角是摇杆两极限位置对应的曲柄两位置之间所夹的锐角。

3、死点位置就是指从动件的传动角等于零或者压力角等于90°时机构所处的位置。

在曲柄摇杆机构中，当以摇杆为原动件时，从动件会出现卡死或运动不确定的现象，机构的这种位置称为死点位置。

“死点”、“自锁”与机构的自由度F≤0的区别。

自由度小于或等于零，表明该运动链不是机构而是一个各构件间根本无相对运动的桁架；死点是在不计摩擦的情况下机构所处的特殊位置，利用惯性或其他办法，机构可以通过死点位置，正常运动；而自锁是指机构在考虑摩擦的情况下，当驱动力的作用方向满足一定的几何条件时，虽然机构自由度大于零，但机构却无法运动的现象。死点、自锁是从力的角度分析机构的运动情况，而自由度是从机构组成的角度分析机构的运动情况。

● 凸轮机构按从动件的类型分类：尖端从动件、滚子从动件、平底从动件、曲面从动件。 理论轮廓线：对尖端从动件而言，理论轮廓线为尖端点在凸轮平面上描出的轨迹；对滚子从 动件而言，理论轮廓线为滚子中心在凸轮平面上描出的轨迹；对平底从动件而言，理论轮廓线为平底上一点在凸轮平面上描出的轨迹。

实际轮廓线：是与从动件工作表面直接接触的凸轮轮廓。

基圆：盘形凸轮中，以凸轮轴为圆心，理论轮廓的最小向径为半径所做的圆。

凸轮机构中，凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。

● 运动失真

原因：理论轮廓线的最小曲率半径＜滚子半径 避免方法：

螺旋传动

1、螺纹的类型主要有：普通螺纹（三角螺纹）、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹

2、螺纹的主要参数

大径：与螺纹牙顶相重合的假象圆柱面的直径，在标准中定为公称直径。

小径：与螺纹牙底相重合的假象圆柱面的直径，在强度计算中常作为螺杆的危险截面的计算直径。

中径：中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。

线数：螺纹的螺旋线数目。

螺距：螺纹相邻两牙上对应点间的轴向距离。

导程：螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动轴向距离。

螺纹升角：螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。

牙型角 接触高度

滚动轴承

1、滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。

滚动轴承内圈与轴颈的配合采用 基孔 制,外圈与轴承孔的配合采用 基轴 制。

2、滚动轴承按照所承受外载荷的不同可以分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三类。

3、滚动轴承代号

基本代号表示轴承内径、直径系列、宽度系列和类型。

代号举例：

6208-表示内径为40mm ，深沟球轴承，尺寸系列为02，正常结构，0级公差、0组游隙。 7310AC/P5-表示内径50mm ，角接触球轴承，尺寸系列03，接触角?=25α，5级公差、0组游隙。

深沟球轴承性能特点：主要承受径向载荷，也可同时承受不大的轴向载荷，高转速时可用来代替推力轴承承受轴向载荷，价格最低，应用最广。

间歇运动机构：棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构。

???→≤min 0min 0增大增大)8.0(ρb r ρr r 减小滚子半径r

齿轮啮合基本定律：两轮传动比等于连心线被齿廓啮合点的公法线所分两段长度的反比。 凡是能满足齿廓啮合基本定律而相互啮合的一对齿廓称为共轭齿廓。

● 渐开线的特性

1)发生线在基因上滚过的一段长度等于基因上被滚过的弧长；

2)渐开线上任一点的法线必与基因相切；

3)渐开线上各点的压力角不等，向径rk 越大，其压力角也越大;基圆上的压力角为零;

4)渐开线的形状取决于基因的大小 ,随着基因半径增大，渐开线上对应点的曲率半径也增大，当基圆半径无穷大时，渐开线则成为直线 ;

5)基圆以内无渐开线。

● 渐开线齿廓的啮合特点

1．能满足定传动比传动要求

2．啮合线和啮合角在啮合过程中保持不变

3．具有传动的可分性

● 具有标准模数、标准压力角、标准齿顶高系数、标准顶隙系数，且分度圆上齿厚等于齿

槽宽的齿轮称为标准齿轮。

● 一对渐开线齿轮的啮合传动

1. 渐开线齿轮正确啮合条件为：两齿轮的模数和压力角必须分别相等。

2. 连续传动条件 重合度（实际啮合线长度与基圆齿距的比值称为重合度）

3. 标准齿轮传动的中心距 两轮的中心距a 等于两轮分度圆半径之和，这种中心距称为标准中心距。

● 用展成法加工齿轮时，如果刀具齿顶线超过极限啮合点，则超过极限啮合点的切削刃部

分将包络出一条长幅外摆线，这条外摆线与已形成的渐开线相交，并将渐开线齿廓中接近基圆的一段切去，这种现象叫“根切”。

根切会使轮齿根部变薄，削弱其弯曲强度，而且还可能使此轮啮合时的重合度变小，因此应设法避免。

● 齿轮传动的失效形式：轮齿折断、齿面点蚀、胶合、磨损、塑性流动。

点蚀常发生于润滑状态良好、齿面硬度较低（HB ≤350 HBS ）的闭式传动中。

在开式传动中，特别是在粉尘浓度大的场合下，齿面磨损将是主要的失效形式。 ● 计算载荷：

载荷系数齿向载荷分配系数，动载系数，使用系数，----==K K K K KF K K K K K F A n

n v A ca βαβv

'1'21

2122112r r c o c o r r i b b ====ωω121>=b p B B αε()21212

2z z m d d a +=+=

带传动

根据传动带的截面形状不同，带传动可以分为平带传动、V 带传动、多楔带和同步带传动等类型。

● 带的应力分析

1、拉应力

紧边拉应力A F /11=σ

松边拉应力A F /22=σ

2、弯曲应力d a b d E h /2=σ h a -带的中性层至最外层的距离 E-带的弹性模量

3、离心拉应力A qv A F c c //2==σ

带的最大拉应力发生在带的紧边进入小带轮处c b σσσσ++=11max

● 带传动的打滑与弹性滑动有何区别？各对带传动有何影响？

（1）由于带的弹性变化而引起的滑动称为弹性滑动。带传动工作时，带在带轮的两边总是有拉力差，因此弹性滑动是带传动的固有属性，是不可避免的一种现象。

带的弹性滑动的原因及结果

滑动率 带的传动比不稳定 一般情况下滑动率不超过2%，故可以忽略起对传动比的影响，取带的传动比 （2）当所需有效拉力超过带传动所能提供的极限摩擦力时，带与带轮之间将发生显著的相对滑动称为打滑。打滑会使带传动丧失传动能力，加剧带的磨损，最终可能导致传动失效。 当传动力不足时打滑将首先发生在小带轮，因此小带轮的包角不宜过小，一般要求?≥1201α（至少90）。

● 带传动的主要失效形式为打滑和带的疲劳破坏。

蜗杆传动

1、ZA 蜗杆，其轴向压力角为标准值，而ZI 、ZN 、ZK 三种蜗杆的法相压力角为标准值。

2、闭式传动中，蜗杆副的主要失效为齿面胶合和点蚀，其承载能力主要取决于蜗轮齿面的接触疲劳强度。开式传动中，主要失效为齿面磨损和齿根折断。

3、闭式蜗杆传动的效率主要包括啮合效率、轴承效率和搅油效率。

4、蜗杆传动的总效率主要取决于啮合效率。当摩擦角一定时，增大蜗杆的导程角可以提高效率，故常采用多头蜗杆。

5、蜗杆传动受力分析

蜗杆圆周力Ft1=Fa2=2T 1/d 1

蜗杆径向力Fr1=Fr1=Ft2αtan

蜗杆轴向力Fa1=Ft2=2T 2/d 2

%100112?-=v v v ε()ε-==1122112D D n n i 122112D D n n i ==

轴

●根据轴所承受的载荷不同，轴可分为心轴、转轴、传动轴三类。

转轴：工作中既承受弯矩又承受转矩的轴。

心轴：只承受弯矩二不承受转矩的轴。

传动轴：只承受转矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴。

●轴结构常见错误总结

㈠、轴本身的常见结构错误：

⑴、必须把不同的加工表面区别开来；

⑵、轴段的长度必须小于轮毂的长度；

⑶、必须考虑轴上零件的轴向、周向固定问题；

⑷、轴外伸处应考虑密封问题。

㈡、轴承安装的常见错误：

⑴、角接触轴承和圆锥滚子轴承

①、一定要成对使用；

②、方向必须正确，必须正装或反装；

③、外圈定位（固定）边一定是宽边。

⑵、轴承内外圈的定位必须注意内外圈的直径尺寸问题

①、内圈的外径一定要大于固定结构的直径；

②、外圈的内径一定要小于固定结构的直径。

⑶、轴上如有轴向力时，必须使用能承受轴向力的轴承。

⑷、轴承必须考虑密封问题；

⑸、轴承必须考虑轴向间隙调整问题。

㈢、键槽的常见错误：

⑴、同一轴上所有键槽应在一个对称线上；

⑵、键槽的长度必须小于轴段的长度；

⑶、半圆键不用于传动零件与轴的连接。

㈣、轴承端盖的常见错误

⑴、对于角接触和圆锥滚子轴承，轴承端盖一定要顶在轴承的大端；

⑵、和机体的联接处必须要考虑轴承的间隙调整问题；

⑶、轴承端盖为透盖时，必须和轴有间隙，同时，必须考虑密封问题。㈤、螺纹的常见错误

⑴、轴上螺纹应有螺纹退刀槽;

⑵、紧定螺钉应该拧入轴上被联接零件,端部应顶在轴上;

⑶、螺纹联接应保证安装尺寸;

⑷、避免螺纹联接件承受附加弯矩。

此题中轴的错误主要有：

①装轴承段不需用螺母定位；

②轴肩过高，轴承无法拆卸；

③齿轮轴向不能定位；

④齿轮无法装配；

⑤精加工轴过长，轴承不好装拆；

⑥轴承端盖和轴之间应留有间隙；

⑦联轴器无法轴向定位；

⑧键槽应开在同一母线上；

⑨齿轮周向无定位；

⑩轴承和轴颈之间属于过盈配合，不需键联接。

磨损失效过程

机械零件的磨损失效常经历一定的磨损阶段。图1a所示为典型的磨损过程曲线，图1b表示磨损过程曲线的斜率，即磨损率曲线。根据磨损率曲线，可以将磨损失效过程分为三个阶段。

(1)跑合磨损阶段（图中0a段）新的摩擦副在运行初期，由于对偶表面的表面粗糙度值较大，实际接触面积较小，接触点数少而多数接触点的面积又较大，接触点粘着严重，因此磨损率较大。但随着跑合的进行，表面微峰峰顶逐渐磨去，表面粗糙度值降低，实际接触面积增大，接触点数增多，磨损率降低，为稳定磨损阶段创造了条件。为了避免跑合磨损阶段损坏摩擦副，因此跑合磨损阶段多采取在空车或低负荷下进行；为了缩短跑合时间，也可采用含添加剂和固体润滑剂的润滑材料，在一定负荷和较高速度下进行跑合。跑合结束后，应进行清洗并换上新的润滑材料。

(2)稳定磨损阶段（图中ab段）这一阶段磨损缓慢且稳定，磨损率保持基本不变，属正常工作阶段，图中相应的横坐标就是摩擦副的耐磨寿命。

(3)剧烈磨损阶段（图中bc段）经过长时间的稳定磨损后，由于摩擦副对偶表面间的间隙和表面形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高，最终导致摩擦副完全失效。

磨损类型

1、粘着磨损：当摩擦表面的粗糙峰在互相作用的各点处发生“冷焊”后，相对滑动时材料从下一个表面转移到另一个表面形成的磨损。

2、磨粒磨损：由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。

3、疲劳磨损:当两摩擦表面作相对滚动兼滑动时，因周期性载荷作用是表面产生循环接触压力和变形，从而造成材料剥落而形成凹坑，称为疲劳磨损。

4、腐蚀磨损：在摩擦过程中，材料表面与周围介质发生化学或电化学反应，在表面上生成化学反应物，称为腐蚀磨损。

5、微动磨损：两个接触表面间经受振幅很小的相对振动，造成材料损失的一种磨损形式，叫做微动磨损。