机械设计9.3教程
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机械设计 第九章 轮系
5．实现分路传动
6、 实现运动的合成
利用行星轮系中差动轮系的特点，可以将两个输 入转动合成为一个输出转动。在如图的由圆锥齿轮组 成的差动轮系中，若轮1及轮3的齿数z1=z3。
可见这种轮系可用作机械式加、减法机构，它 具有不受电磁干扰的特点，可用于处理敏感信号， 其广泛应用于运算机构、机床等机械传动装置中。
例题1 周转轮系 定轴轮系 例题2
9.3.1 周转轮系传动比的计算
周转轮系 反转法 定轴轮系 （转化机构）
定轴轮系传动 比计算公式
求解周转轮 系的传动比
行星轮系的传动比，可以采用“转化机构法”。
nA nH A至K间各从动轮齿数的连乘积 nK nH A至K间各主动轮齿数的连乘积
9.3.2 使用公式时需注意的问题
当汽车绕瞬时回转中心C转动时，左、右
两车轮滚过的弧长s1及s3应与两车轮到瞬心C的 距离成正比，即
(4)
H i1k i1k
例9-2 如图为一大传动比行星减速器。已知其中各轮的齿 数为z1=100、z2=101、z2′=100、z3=99。试求传动比i H1 。
解 齿轮1为活动中心轮，齿轮3为固 定中心轮。双联齿轮为行星轮，H为行星 架。
例9-4 如图所示由锥齿轮组成的行星轮系中，各齿轮的 齿数为z1=21、z2=18、z2′=42、z3=48，转速n1=100r/min， 试求行星架H的转速nH。
9.5 轮系的应用
1、 实现相距较远的两轴之间的传动
当两轴间距离较远时， 如果仅用一对齿轮传动， 如图中虚线所示，则两轮 的尺寸 图为实现相距较远的 两轴之间传动的定轴轮系 必然很大，从而使机构总 体尺寸也很大，结构不合 理;如果采用一系列齿轮传 动，如图中实线所示，就 可避免上述缺点。
哈工大 机械设计 教材 第九章 轴
高速输入轴的直径d可按与其相联的电动机轴的直径D估算
d=(0.8~1.2)D
各级低速轴的直径d可按同级齿轮传动中心a估算
d=(0.3~0.4)a
机电工程学院 张锋
《机械设计》第九章
9.3.3 按扭转强度计算
计算公式
或
当最小直径剖面上有一个键槽时增大5%，当有两个 键槽时增大10%，然后圆整为标准直径
σ max,τmax——尖峰载荷时轴的最大弯曲应力和扭转剪应力 S0 σ S0 σ——只考虑弯矩和只考虑转矩时的安全系数
机电工程学院 张锋
静强度安全系数条件:
2 2 S S 2.静强度的安全系数校核计算 0 0
S0
S0 S0
《机械设计》第九章
[ S0 ]
《机械设计》第九章
若强度不够：换材料、增大尺寸、热处理、修改结构 若强度富裕：想要减小尺寸时，要综合考虑刚度、结 构等要求 许用安全系数：
S 和[S0 ]
查P208表9.13
机电工程学院 张锋
《机械设计》第九章
应力集中系数： 影响因素： 圆角半径 键槽、孔
过盈配合
机电工程学院 张锋
《机械设计》第九章
表面质量系数： 影响因素：
表面强化处理
表面粗糙度
腐蚀情况
尺寸系数：
影响因素：
尺寸大小
材料性能
机电工程学院 张锋
《机械设计》第九章
《机械设计》第九章
第九章 轴
9.1 轴的概述
9.1.1 轴的分类
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
1 按照承受载荷的不同，轴可分为：
◆
心
轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。
◆
传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。 转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。
d=(0.8~1.2)D
各级低速轴的直径d可按同级齿轮传动中心a估算
d=(0.3~0.4)a
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《机械设计》第九章
9.3.3 按扭转强度计算
计算公式
或
当最小直径剖面上有一个键槽时增大5%，当有两个 键槽时增大10%，然后圆整为标准直径
σ max,τmax——尖峰载荷时轴的最大弯曲应力和扭转剪应力 S0 σ S0 σ——只考虑弯矩和只考虑转矩时的安全系数
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静强度安全系数条件:
2 2 S S 2.静强度的安全系数校核计算 0 0
S0
S0 S0
《机械设计》第九章
[ S0 ]
《机械设计》第九章
若强度不够：换材料、增大尺寸、热处理、修改结构 若强度富裕：想要减小尺寸时，要综合考虑刚度、结 构等要求 许用安全系数：
S 和[S0 ]
查P208表9.13
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《机械设计》第九章
应力集中系数： 影响因素： 圆角半径 键槽、孔
过盈配合
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表面质量系数： 影响因素：
表面强化处理
表面粗糙度
腐蚀情况
尺寸系数：
影响因素：
尺寸大小
材料性能
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《机械设计》第九章
《机械设计》第九章
第九章 轴
9.1 轴的概述
9.1.1 轴的分类
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
1 按照承受载荷的不同，轴可分为：
◆
心
轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。
◆
传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。 转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。
机械设计第九版课件完整版附带习题答案
传动部分是把原动机的运动形式、运动及动力参数转 变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。
以上是从功能上分析机械的组成，下面从结构上看：
零件：是机械的制造单元，机器的基本组成要素就是机 械零件。
部件：按共同的用途组合起来的独立制造或独立装配的 组合体。 如减速器、离合器等。
按大小来分：
机械（机器）
技术文件编制：编制设计计算说明书。
三、零件的设计步骤
失效的定义：在正常的工作条件下，机械零件丧失工作能力或达 不到工作性能要求时，就称为零件失效。 整体断裂 机械零件的失效形式 过大的残余变形 腐蚀、磨损和接触疲劳
强度
机械零件的工作能力 刚度 寿命（耐磨性、耐腐蚀性）
机械零件计算准则
强度准则：
lim
七、水平
1）掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具 有设计机械传动装置和简单机械的能力；
2）树立正确的设计思想，了解国家当前的有关技术经济政策； 3）具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；
《机械设计手册》—其中的一个标准是查手册的能力； 4）掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技术的基本训练； 5）对机械设计的新发展有所了解。
Smin
刚度准则： yy
寿命准则：（表示耐磨程度）
下面我们以设计千斤顶立柱为例，来说明机械零件的设计步骤：
车自重W=2000kg=2吨 s为屈服极限
l d
4W
d2
s
Smin
由此可求出d；其中Smin根据工作环境来定。
机械零件的设计大体要经过以下几个步骤：
1、载荷分析（受力分析）：W
2、应力分析：
r0.919
36
b
0
机械设计基础-第9章-轴和联轴器
碳素钢
500许用弯曲应力170
75
45
600
200
95
55
700
230
110
65
800
合金钢
900
270
130
75
300
140
80
1000
330
150
90
铸钢
400
500
100
50
30
120
70
40
折合系数取值：α=
0.3 ----转矩不变； 0.6 ----脉动变化； 1 ----频繁正反转。
设计公式： d 3 M d
滑动轴承 向心球轴承 调心球轴承 圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 安装齿轮处轴
的截面
允许偏转角 [θ](rad)
0.001 0.005 0.05 0.0025 0.0016
0.001~0.00 2
四、轴的设计
类比法 根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画出 轴的零件图。
设计计算法
根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。 按扭转强度估算出轴的最小直径。 设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。包括
第九章 轴和联轴器
§9.1 轴的分类和材料 §9.2 轴的结构 §9.3 轴的计算 §9.4 轴毂联结 §9.5 联轴器和离合器
§9-1 轴的分类和材料
轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是支持作回转 运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等)，并传递运动和动力。
分类： 按承受载荷分有：
类 型
按轴的形状分有：
为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径
有一个键槽
有两个键槽
轴径d＞ 100mm
机械设计第九版第三章3
微裂纹 扩展区
断裂区
s－N疲劳曲线(应力比r恒定，不同的σmax对应的循环次数N)
多数零件在此阶段 破坏，即承受交变 应力1万次以上
静载 破坏
低周 疲劳
高周疲劳
无限寿命
任取一点， 横坐标为N，纵坐标为σrN
机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线的CD段，可用 下式描述：
s N C ( NC N ND )
若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则 应力 σ1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次 的σ1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的σ2 对材料的损伤率即为n2/N2，……。
当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应 于极限状况有：
n1 n2 n3 1 N 1 N 2 N3
为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了 应力强度因子KI（或KⅡ、KⅢ）和断裂韧度KIC (或KⅡC、 KⅢC）这两个新的度量指标来判别结构安全性，即： KI＜KIC时，裂纹不会失稳扩展。
KI≥KIC时，裂纹失稳扩展。 基于断裂力学的强度分析的步骤： (1)以无损探伤确定裂纹的形状、大小及分布(类似B超) (2)分析工作载荷，确定应力强度因子
设
σad=Kσσa+υσσm
安全系数计算公式改写为
s 1 Sca s ad
机械零件的疲劳强度计算3
三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力 非规律性 规律性 用统计方法进行疲劳强度计算 按损伤累积假说进行疲劳强度计算
规律性不稳定变应力示意图
s 4小于无限寿命时对应的应力s -1，可忽略
(2)在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采 用减载槽来降低应力集中的作用。
断裂区
s－N疲劳曲线(应力比r恒定，不同的σmax对应的循环次数N)
多数零件在此阶段 破坏，即承受交变 应力1万次以上
静载 破坏
低周 疲劳
高周疲劳
无限寿命
任取一点， 横坐标为N，纵坐标为σrN
机械零件的疲劳大多发生在s－N曲线的CD段，可用 下式描述：
s N C ( NC N ND )
若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则 应力 σ1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次 的σ1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的σ2 对材料的损伤率即为n2/N2，……。
当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应 于极限状况有：
n1 n2 n3 1 N 1 N 2 N3
为了度量含裂纹结构体的强度，在断裂力学中运用了 应力强度因子KI（或KⅡ、KⅢ）和断裂韧度KIC (或KⅡC、 KⅢC）这两个新的度量指标来判别结构安全性，即： KI＜KIC时，裂纹不会失稳扩展。
KI≥KIC时，裂纹失稳扩展。 基于断裂力学的强度分析的步骤： (1)以无损探伤确定裂纹的形状、大小及分布(类似B超) (2)分析工作载荷，确定应力强度因子
设
σad=Kσσa+υσσm
安全系数计算公式改写为
s 1 Sca s ad
机械零件的疲劳强度计算3
三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力 非规律性 规律性 用统计方法进行疲劳强度计算 按损伤累积假说进行疲劳强度计算
规律性不稳定变应力示意图
s 4小于无限寿命时对应的应力s -1，可忽略
(2)在不可避免地要产生较大应力集中的结构处，可采 用减载槽来降低应力集中的作用。
机械设计(9.3.2)--流体动压润滑的基本理论思考题
10-3 第十章 液体动压润滑基本理理论1、简述形成稳定动压油膜的条件？答：1）两摩擦表面之间必须能够形成收敛的楔形间隙；2）两摩擦表面之间必须有充足的、具有一定粘度的润滑油；3）两摩擦表面之间必须有足够的相对运动速度。
2、径向液体动压润滑轴承和液体静压润滑轴承的承载机理有何不同？径向液体动力润滑轴承的承载机理是轴承与轴颈以一定的相对运动速度将润滑油带入两摩擦表面间的收敛间隙，形成动压油膜把两摩擦表面分开，油膜压力与外载平衡。
液体静压轴承是利用油泵将具有一定压力的润滑油通过一套供油系统将润滑油输入两滑动表面间，使两表面分离，形成油膜并承载。
3、如何选择普通径向滑动轴承的宽径比？宽径比选取过大时会发生什么现象？宽径比常用的范围是0.5~1.5。
宽径比选得小时可提高轴承运转平稳性，端泄流量大，功耗小，油的温升较低，但轴承承载能力要降低。
宽径比选得过大时，轴承宽度较大，易造成轴颈与轴承局部磨损严重。
4、相对间隙ψ对轴承性能有何影响？在设计时如果出现温升过高，应如何调整ψ的取值？相对间隙ψ对轴承的承载能力、摩擦功耗和温升都有重要影响。
ψ取大值时，则润滑油的流量增加，温升降低；ψ取小值时，则温升增加。
5、液体动力润滑油轴承在热平衡计算时为何要限制油的入口温度？在热平衡计算时限制油的入口温度是因为润滑油都是循环使用。
如果温度过低，必须加大存油容积，以保证能有较长时间使回油油温降低到所要求的入口温度。
入口温度过高，油在循环时带走热量少，散热效果降低。
6、设计液体动压向心滑动轴承时，在其最小油膜厚度不够可靠的情况下，应调整哪些参数方可能实现液体润滑？增加润滑油粘度，增加转动速度，适当增加相对间隙。
机械创新设计课件 第9章 基于TRIZ理论的创新设计
【例9.2】 自行车采用链轮与链条传动是一个采用空间分离原理的典型 例子。在链轮与链条发明之前，自行车存在两个物理冲突，其一为高速行 走需要一个直径大的车轮，而为了乘坐舒适，需要一个直径小的车轮，车 轮既要大又要小便形成物理冲突；其二骑车人既要快蹬脚蹬，以提高速度， 又要慢蹬以感觉舒适。链条、链轮及飞轮的发明解决了这两组物理冲突。
第9章
9.2 设计中的冲突及其解决原理
9.2.2 物理冲突及其解决原理 1.物理冲突的概念
所谓物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性， 但同时出现了与该特性相反的特性。
物理冲突是TRIZ理论需要解决的关键问题之一。当对一个子系统具有相反 的要求时就出现了物理冲突。例如，为了容易起飞，飞机的机翼应有较大的 面积，但为了高速飞行，机翼又应有较小的面积，这种要求机翼同时具有大 面积与小面积的情况，对于机翼的设计就是物理冲突，解决该冲突是机翼设 计的关键。
题的难度。当关键子系统冲突双方在某一时间段上只出现一方时，时间分 离是可能的。在应用该原理时，首先应回答如下两个问题。
① 是否冲突一方在整个时间段中“正向”或“负向”变化？ ② 在时间段中冲突的一方是否可不按一个方向变化？ 如果冲突的一方可不按一个方向变化，那么利用时间分离原理是可能的。
第9章
9.2 设计中的冲突及其解决原理
物理冲突出现的情况有以下两种。 (1) 一个子系统中有害功能降低的同时导致该子系统中有用功能的降低。 (2) 一个子系统中有用功能加强的同时导致该子系统中有害功能的加强。 物理冲突的表达方式较多，设计者可以根据特定问题，采用容易理解的表达 方法描述即可。
第9章
9.2 设计中的冲突及其解决原理
3.物理冲突的解决原理
（3）基于条件的分离原理 基于条件的分离原理是指冲突双方在不同的条件下分离，以降低解 决问题的难度。当关键子系统的冲突双方在某一条件下只出现一方时， 那么基于条件分离是可能的。在应用该原理时，首先应回答如下两个问 题。 ① 是否冲突一方在所有的条件下都要求“正向”或“负向”变化？ ② 在某些条件下，冲突的一方是否可不按一个方向变化？ 如果冲突的一方可不按一个方向变化，那么利用基于条件的分离原 理是可能的。
机械设计第九版第三章3
表面处理之一喷丸
(4)适当提高零件的表面质量，特别是提高有应力集中 部位的表面加工质量，必要时表面作适当的防护处理。
(5)尽可能地减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹 的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更 为显著的作用。
3-3机械零件的抗断裂强度
机械零件的抗断裂强度
低应力脆断：在工程实际中，往往会发生工作应力小 于许用应力时所发生的突然断裂。 原因：结构内部裂纹和缺陷。 本质原因：对于高强度材料，抵抗裂纹扩展的能力随 着强度的增高而下降。用传统的强度理论计算高强度材料 结构的强度问题，就存在一定的危险性。 断裂力学：研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件 的强度和变形规律的学科。
设
σad=Kσσa+υσσm
安全系数计算公式改写为
s 1 Sca s ad
机械零件的疲劳强度计算3
三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力 非规律性 规律性 用统计方法进行疲劳强度计算 按损伤累积假说进行疲劳强度计算
规律性不稳定变应力示意图
s 4小于无限寿命时对应的应力s -1，可忽略
给定任意两个参数， 其它三个可算出
r = -1 对称循环应力
r=0
脉动循环应力
r = 1 静应力
任意交变应力都可看作对称循环和静应力的叠加
任何交变应力的 研究可以转化为 对称循环和静应 力的研究
交变应力下，零件的主要损坏形式是疲劳断裂。 疲劳断裂过程： 1、零件表层产生微小裂纹 2、随着循环次数增加，微裂纹逐渐扩展 3、当剩余材料不足以承受载荷时，突然脆性断裂
纵坐标值=斜率×(横坐标值﹣直线与横坐标交点)
sm sS sa
3-2机械零件的疲劳强度
一、零件的极限应力线图
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第14章 零件的技术要求
式中：H、h js等为偏差代号（图9-11） 后跟数字为精度等级。 每一公差带代号均有对应的上下偏差值，可 查表得到。作业：题9-9 4. 公差与配合的标注 1）一般规定： 见机械制图相关规定。 2）一些工厂的习惯方法 （1）装配图的标注
第14章 零件的技术要求
（2）零件图的标注： 一般不同时标。 常用代号—量具、避免查表错误、工人已经 记住、与配合性质吻合 精密配合—装配与零件均标偏差值。 3）图中未注公差的尺寸其实也有公差— 未注尺寸公差老国标和企业有相应规定— 例：IT14（新国标有新标准） 孔H14、轴好4，长度尺寸js14、Js14或对 称偏差。
第14章 零件的技术要求
3. 公差与配合 1）实践证明：孔和轴的配合在间隙为 0.025~0.04转动灵活且不晃动，比同样精度的 0.04~0.065配合性质要好， 当然比0.025~0.065的配合性质也要好。 ——配合性质不仅与公差大小有关，还与 下偏差的大小有关。
第14章 零件的技术要求
2）轴的实际尺寸为59.970与孔的实际尺寸 59.995的配合性质与轴的实际尺寸为60.005与 孔的实际尺寸60.030的配合性质是一样的—— 对生产的尺寸要求就很混乱——需要确定基准 ——基孔制（机轴制作为补充）—见教P129 ——以孔为基准，例60.000为基准尺寸（基准 孔也有误差，使最小极限尺寸为零）设计者可 按配合性质再去确定轴的最小极限尺寸和最大 极限尺寸—确定下偏差，再加公差即得上偏差
第14章 零件的技术要求
3）上述论述的表达形象化—公差带图和公差 带代号表示法 （1）公差带图：图9-11（展示画法：已知靠 零线处的偏差为极限偏差值，再加公差） 图表示了：公差带、基准、基孔制、下偏差、 上偏差（注意孔与轴不一样）公差的图示法。 （2）公差带代号 见表9-3 常见为：H11、H9、H7、 H6 等 h11、h8、 f6、 js5 等
第14章 零件的技术要求
公差的数值划分为一些等级，就可以评判加工 的质量，同时可判断配合的质量。这个等级叫 精度（教材P128）（IT1~18）机械常用 （IT5~IT12） 注意：上下偏差有正负，公差总是正值。 2.配合的概念（P129） 机械是由不同零件组合而成的一个有机整体 组合就有连接，（或者叫配合）。连接就有连 接方式及连接的性质（或者叫配合性质）—紧 密、松散、有一定间隙等。这些配合性质会强
第14章 零件的技术要求
2）优先配合系列 实际运用中可采用优先配合系列： 机械设计手册相关资料 或见题9-9 注意：1. 其配合性质 2 . 其中最常用的有（建议）： 静配合：H7/n6、H7/s6 定心配合：H7/h6、H9/h8、H11/h11 过渡配合：H7/k6、H7/js6 动配合：H7/f6、 H9/d9
第14章 零件的技术要求
烈影响机械运动的特性。以孔和轴的连接为例 其配合就有间隙配合和过盈配合 配合性质中还有一种可能—既没有间隙，也 没有过盈（或者两者均很小）且配合性质与前 两种不同，能移动，不能转动；相互能固定， 但在一定量的力作用下，固定功能失效。即介 于动配合和间隙配合间的一种过渡区—过渡配 合。其特点是有少量过盈或少量间隙，极限点 为无间隙和过盈。
第10章 零件图
9.6 极限与配合、表面粗糙度和优先数列 概述 1. 零件的技术要求： 1） 零件尺寸的精确度 径向—配合；轴向—尺寸链 2）零件形状及组成零件的面线位置的精确度 3）零件表面的“光滑度” 1.和2.称为精度， 3及其他要求称为表面质量 精度和表面质量统称为零件的质量。
9.机械零件设计概述
9.6.1 极限与配合 1. 极限的基本概念（图9-10；P129） 机床在加工时，准确调到所需尺寸，加工出 来的零件尺寸却与理想尺寸有误差，且加工一 批零每个零件的尺寸均不一样大小，但会在一 定范围内，即有一最大极限尺寸，有一最小极 限尺寸—这就是极限的概念。 1）基本尺寸：设计需要的尺寸，例60 实际尺寸：零件加工实际获得的尺寸 极限尺寸：最大或最小的实际尺寸
第14章 零件的技术要求
例题9-12 25m6—第一种过渡配合 72H7/f9—非常不好，改H7/h6;或H7/js6 35k6— 第二种过渡配合—可作为过渡配合的 基本配合 40D11/k6-（1）为何这样标 （2）可采用+0.1标注 作业9-10 注意螺钉的画法。
第14章 零件的技术要求
3. 在满足装配和性能对零件的要求下尽量选 择最低的精度和粗糙度范围 1）各种加工方法的工时成本不一样 表9-4由下往上成本降低 2）在某种加工工艺中有一定范围的精度和粗 糙度成本相差不大。—经济精度与经济粗 糙度的概念 精度（粗糙度）—成本曲线 两端—均不经济，接近斜线部分为经济精 度（粗糙度）范围 3）粗糙度与精度有相应的对应关系（相适应）
第14章 零件的技术要求
最大极限尺寸，例：60.02 最小极限尺寸，例：59.99 偏差:极限尺寸与设计尺寸（公称尺寸）之差 （代数差） 上偏差、下偏差及其代号：见教材P129 公差：如前述：机床在加工加工一批零时， 实际尺寸会在一定范围内。机床好（精度高） 尺寸变化范围就小，就越符合设计要求。这个 尺寸变化范围叫做公差，等于最大极限尺寸— 最小极限尺寸。由于公差能反映加工质量，将
9.机械零件设计概述
9.6.2 表面粗糙度 关于表面结构、表面质量、表面粗糙度 展示图 1. 粗糙度的概念 图14-1 Ra Ra计算式 单位 关于 Rz （P272）
9.机械零件设计概述
9.6.3 优先数列 1. 什么是优先数列 2. 为什么要采用优先数列 3. 应用