机械设计基础复习

机械设计基础复习（第五版）

绪论

几个概念的区别：

机器：执行机械运动的装置，确定运动、构建的组合体、转换能量、物料、信息。 机构：构建的组合体传递力和运动

用来传递运动和力的、有一个构件为机架的、用构件见能够相对运动的连接方式组成的额构件系统成为机构。 构件：运动的基本单元

零件之间没有相对运动，构成一个运动单元，成为一个构件 零件：制造的基本单元 通用零件、专用零件

凡将其他形式能量变换为机械能的机器成为原动机。

凡利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器成为工作机。 常用的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇机构 机器的四个基本组成部分：动力部分、传动部分、执行部分。

机构与机器的区别：机构只是一个构件系统，而机器出构件系统之外，还包括电气、液压等其他装置；机构只用于传递运动和力，而机器除传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。但是，再研究构件的运动和受力情况时，机器与构件并无差别。因此，习惯上用“机械”作为机器和机构的总称。

*部件：为完成共同任务而结合起来的一组零件成为部件，时装配的单元，eg.滚动轴承、联轴器 机械设计的基本要求：

（1）良好的使用性能；（2）安全；（3）可靠、耐用；（4）经济；（5）符合环保要求（6）市场竞争力；（8）造型美观；

机械设计的主要内容：1.确定机械的工作原理，选择合适的机构；2.拟定设计方案；3.进行运动分析和动力分析，计算作用在各构件上的载荷；4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。

明确设计要求（设计对象的预期功能、有关指标及限制条件）

提出设计方案（拟定可供比较评价的多种设计方案，从中提取最佳方案）

总体设计（进行分析计算和经济评价，绘制总体设计图） 信息反馈 结构设计（完成施工所需的总装图、零件图和技术文件） 试制、鉴定（从技术上经济上作出全面评价） 产品定型

第一章 平面机构的自由度和速度分析

所有构件都在相互平行的平面内运动的机构成为平面机构，否则成为空间机构 一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动 两个移动、一个转动 构件相对于参考系的独立运动成为自由度

一个作平面运动的自由构件具有三个自由度，空间6个 相对运动—>约束—>接触—>构件间的可动连接自由度减少 按照接触特性：高副、低副

低副：面接触（转动副、移动副）限制 2个自由度

转动副：组成运动副的两构件只能在平面内相对转动（铰链）两个移动 移动副：组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动

构件的自由度等于确定构件的运动所需给定的独立参变量的数目

高副：两构件通过点或线接触组成的运动副成为高副。限制了1个自由度

*运动副两构件之间的相对运动是空间运动，属于空间运动副。限制3个方向自由度 ★平面机构运动简图：表明机构各构件间相对运动关系的简化图形

方法：用圆圈表示转动副，其圆心代表相对转动轴线，代表计价的构件上加阴影线，移动副的导路必须与相对运动方向一致 Page8

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机构的构件分类：1.固定构件（机架）：用来支承活动构件（运动构件）的构件 2.原动件（主动件）：运动规律一致的活动构件。输入构件

3.从动件：机构中随原动件运动而运动的其余活动构件。其中输出预期运动的从动件称为输出构件，其他从动件则其传递运动的作用 注意：齿轮之间组成的运动是高副（线接触） 平面机构的自由度Page10-Page11 计算公式F=3n-2PL-PH

说明：n构件-固定构件；PL低副数目；PH高副数目

通常每个运动件具有一个独立运动，机构的自由度应当与原动件数相等。 机构具有确定运动的条件是：机构自由度F>0，且F等于原动件数 1.原动件数小于机构自由度，不能确定相对运动 2.原动件数大于机构自由度，机构其他部件会损坏 计算平面机构自由度的注意事项： 1.复合铰链：（出现于多个转动副）

两个以上构件同时在一处用转动副相连接就构成复合铰链。

K个构件（并不要求移动或固定包括机架+活动构件）交汇而成的复合铰链具有（K-1）个转动副。 2.局部自由度（减去）

一种与输出构件运动无关的自由度

局部自由度虽然不影响整个机构的运动，但滚子可是高副接触处的滑动摩擦变成滚动摩擦，减少磨损 3.虚约束/消极约束（去除）作用：增加构件的刚性，改变受力情况

在运动副引入的约束中，有约束对机构自由度的影响是重复的，对机构运动不起任何限制作用。 平面机构中的虚约束出现的场合：

（1）两构件之间组成多个导路平行的移动副时，只有一个移动副起作用，其余都是虚约束。 （2）两个构件之间组成多个轴线重合的转动副时，只有一个转动副起作用，其余都是虚约束 （3）机构中传递运动不起独立作用的对称部分 作用：可以增加构件的刚性或使构件受力均衡

但是虚约束要求较高的制造精度，如果加工误差太大，不能满足某些特殊几何条件，虚约束便会变成实际约束阻碍构件运动。 速度瞬心（瞬时回转中心）及其在机构速度分析上的而应用 瞬心是该两刚体上绝对速度相同的重合点

如果这两个刚体都是运动的，则其瞬心成为相对瞬心，如果两刚体之一是静止的，则其顺心成为绝对瞬心。因静止构件的绝对速度为零，所以绝对瞬心是运动刚体上瞬时绝对速度等于零的点。 发生相对运动的任意两构件间都有一个瞬心：N=Ck2 1.两个速度向量垂线的交点便是构件的瞬心

2.当两构件组成转动副时，转动副的中心便是他们的瞬心

3.当两构件组成移动副时，由于所有重合点的相对速度方向都平行于移动方向，所以其瞬心位于导路垂线的无穷远处 4.当两构件组成纯滚动高副时，接触点相对速度为零，所以接触点就是瞬心

5.当两构件组成滚动兼滑动的高副时，由于接触点的相对速度沿切线方向，因此其瞬心应位于过接触点的公法线上，具体位置还要根据其他条件才能确定

三心定理：对于不直接接触的各个构件，其瞬心可用三心定理寻求：作相对平面运动的三个构件共有三个瞬心，这三个瞬心位于同一直线上。 *瞬心在速度分析上的应用：两构件的角速度与其绝对瞬心至相对瞬心的距离成反比。Page16 注意：机架只表示一个构件 第二章 平面连杆机构

低副的优点：低副以圆柱面或平面相接触，承载能力高，乃磨损，制造简便，易于获得较高的制造精度。 连杆机构的缺点是：不易精确实现复杂的运动规律，且涉及较为复杂；当机构数和运动副数较多时效率较低 最简单的平面连杆机构由四个构件组成，成为平面四杆机构

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平面四杆机构的基本类型及其应用 铰链四杆机构 机架 连架杆 连杆

与机器组成整转副的连架杆成为曲柄；与机架组成摆动副的连架杆成为摇杆 铰链四杆机构的三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构 含一个移动副的四杆机构：曲柄滑块机构、摇块机构和定块机构 具有偏心轮的四杆机构 ★平面四杆机构的基本特性

铰链四杆机构有整转副的条件：if（Lmin+Lmax≤L1+L2）可能有曲柄机构

else if（最短杆为机架） 双曲柄机构

else if（最短杆的相邻杆为机架）曲柄摇杆机构 否则

双摇杆机构

平面四杆机构为整转副：最短杆与最长干长度之和小于或等于其余两杆长度之和；整转副是由最短杆与其邻边组成的。 急回特性：供给时间长速度慢；回程时间短速度快

Conclusion:摇杆往复的摆角相同但曲柄转角不同；曲柄匀速运动摇杆来回摆动的速度摇杆摆动的速度不同 极位夹角：θ=180（k-1）/（k+1）k行程速度变化系数（行程速比系数） θ越大，K越大，急回特性越明显 压力角和传动角

作用在从动件上的驱动力F与盖里作用点绝对速度v之间所夹的锐角α：压力角 压力角的余角γ（即连杆和从动摇杆之间所夹的锐角）传动角 连杆一般为二力杆件γ

min

○

≥40

曲柄摇杆机构的最小传动角必须出现在曲柄与机架共线的位置 对于四杆机构来说，最小传动角出现在曲柄与机架两次共线位置之一 死点位置

以原来的从动件为原动件，从动件为原动件传动角为0的位置：死点位置 一般在四杆机构中，若以曲柄作为从动件都会出现死点位置 ★平面四杆机构的设计page32-37

导杆机构的极位夹角与导杆的摆角一定相等。 曲柄摇杆机构，有急回特性 双曲柄机构，没有急回特性 对心曲柄滑块机构，没有急回特性 偏心曲柄滑块机构，有急回特性 导杆机构，有急回特性 第三章 凸轮机构 凸轮的分类 凸轮的优点和缺点 从动件的常用运动规律

以凸轮轮廓的最小向径r0为半径所绘的圆称为基圆 推程 推程运动角 远休止角 近休止角 回程 推程运动角+回程运动角+远休止角+近休止角=2л 凸轮机构的压力角 压力角与作用力的关系

凸轮给予从动件的力F是沿法线方向的，从动件运动方向与力F 之间的锐角α压力角 α过大时出现自锁现象

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直动从动件凸轮机构α=30摆动从动件凸轮机构α=45

在其他条件不变的情况下，基圆r0越小，压力角α越大，基圆半径过小，压力角就会超过许用值，因此实际设计中应在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，考虑缩小凸轮的尺寸 图解法设计凸轮轮廓

直动从动件盘型凸轮轮廓的绘制—反转法（-ω转动）按选定的分度值等分基圆,过等分点作偏距圆的切线.这些切线即为从动件在反转运动中占据的各个位置,将位移图线上各分点的位移值直接在偏距圆切线上由基圆开始向外量取,即为从动件尖顶在复合运动中依次占据的位置. 自交现象的避免：扩大基圆 解析法设计凸轮轮廓原理：反转法 滚子直动从动件盘型凸轮 运动规律 动力特性 冲击性质 等速运动 等加速等减速运动 余弦加速度运动 刚性冲击 柔性冲击 柔性冲击 发生位置 开始点\\终止点 开始点\\中点\\终止点 开始点\\终止点 低速轻载 中速轻载 中高速重载 适用场合 摆动平底从动件盘型凸轮机构的压力角恒等于常数

对于直动从动件盘形凸轮机构来讲,在其他条件相同的情况下,偏置直动从动件与对心直动从动件相比,两者在推程段最大压力角的关系为不一定 正弦加速运动既不会产生柔性冲击也不会产生刚性冲击,可用于高速场合

当凸轮机构的从动件推程按等加速等减速规律运动时,推程开始和结束的位置受到柔性冲击.

设计滚子从动件盘状凸轮轮廓线时,若将滚子半径加大,那么凸轮凸型轮廓线上各点曲率半径一定变小. 第四章 齿轮机构 齿轮机构的特点和类型

主要优点:1.使用的圆周速度和功率范围广；2.效率较高；3.传动比稳定；4.寿命长；5.工作可靠性高6.可实现平行轴、任意角相交轴和任意角之间的传动。

缺点是：1.要求较高的制造和安装精度，成本比较高；2.不适宜于远距离两轴之间的传动 齿轮机构的分类：page54 ★齿廓实现定角速比传动的条件 过节点C所作的两个相切的圆：节圆

由于节点的相对速度等于零，所以一对齿轮传动时，它的一对节圆在作纯滚动。 一对啮合齿轮的中心距恒等于其节圆半径之和，角速比恒等于其节圆半径的反比。 渐开线齿廓

★渐开线的特性page55 渐开线齿廓满足定角速比要求 传动比i≥1

定角速比、可分性、渐开线齿廓的啮合线、渐开线齿廓的啮合角（与公切线的夹角）是constant说明齿廓间压力方向不变,若齿轮传递的力矩恒定，则轮齿之间，轴和轴承之间压力角的大小和方向均不变 齿轮各部分名称及渐开线标准齿轮的基本尺寸

几个重要的概念：齿顶圆da、齿槽、齿根圆df、齿厚sk、齿距pk、分度圆d、模数m=p/л齿顶（齿顶高ha）、齿根（齿根高hf）全齿高ha+hf=h、齿顶高和齿根高的标准值ha=ha*m和hf=（ha*+c*）m，ha*齿顶高系数、c*顶隙系数 压力角一般为20

渐开线圆柱齿轮的齿顶高系数和顶隙系数 ha* c* 正常齿制 1.0 0.25 短齿制 0.8 0.3 顶隙c= c*m，一对齿轮啮合时，一个齿轮的齿顶圆到另一个齿轮的齿根圆的径向距离。顶隙有利于润滑油的流动。分度圆上齿厚与齿槽宽相等，且齿顶高和齿根高均为标准值的齿轮为标准齿轮

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渐开线标准齿轮的啮合：

正确的啮合条件：渐开线齿轮的正确啮合条件是两轮的模数和压力角必须分别相等 齿侧间隙 理论要求为零，消除反向传动空程和减小撞击

一对标准齿轮分度圆相切时的中心距为标准中心距a=m（z1+z2）/ 2 理论啮合线段、实际啮合线段

正确啮合条件只是连续传动的必要条件，而不是充分条件。欲实现连续传动，须满足实际啮合线段>两啮合点间的距离лmcosα 实际啮合线段与两啮合点间的距离之比:重合度 ε=实际啮合线段/两啮合点间的距离>1 ε越大，轮齿平均受力越小，传动越平稳 渐开线齿轮的切齿原理 成形法、范成法

根切、最少齿数、变位齿轮 根切和最少齿数zmin=17 变位齿轮及其齿厚的确定

正变位不仅可制出齿数小于zmin且无根切的齿轮，而且还能增大齿厚，提高轮齿的抗弯强度。 变为齿轮传动的类型：等移距变位齿轮传动和不等移距变位齿轮传动 平行轴斜齿轮机构

一对斜齿轮正确啮合的条件：1.法面模数与压力角分别相等2.两轮分度圆住螺旋角大小相等，旋向相反 斜齿上的轴向作用力：人字齿 锥齿轮机构以大端参数为标准值c*=0.2 第五章 轮系 定轴轮系和周转轮系 定轴轮系及其传动比 ★

定轴轮系的传旋向的判断：蜗杆传动方向判断动比计算 设定轴轮系的输入轴1，输出轴N，m为外啮合次数。

i1Nn1m所有从动轮齿数的乘积1nN所有主动轮齿数的乘积注意：上述判断转向的方法，只适于所有轴线都平行的定轴轮系。

对于不影响传动比数值大小，值其改变转向作用的齿轮为惰轮或者过桥齿轮 周转轮系的组成

行星轮：轴线位置变动的齿轮如齿轮2。 行星架（转臂）：支持行星轮的构件如H。 太阳轮（中心轮）：轴线位置固定的齿轮如1、3。

注意：单一周转轮系中转臂与两个中心轮的几何轴线须重合。 周转轮系的分类

1、行星轮系：自由度为1的周转轮系 2、差动轮系：自由度为2的周转轮系 周转轮系传动比的计算

周转轮系的传动比不能直接计算，可将整个周转轮系加上一个与转臂H的转速大小相等、方向相反的公共转速（-ωH）使其转化为假想的定轴轮系，这一定轴轮系称为原来的转化轮系。反转法原理

将周转轮系的传动比计算转化为定轴轮系的传动比计算。

既然周转轮系的转化机构为一定轴轮系，因此转化机构中输入和输出轴的传动比可用定轴轮系传动比的计算方法求出，转向也可用定轴轮系的判断方法确定。

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设nG和nk为周转轮系中任意两个齿轮G、K的转速，它们与转臂H的转速nH的关系应为： 注意：

上式只适用于输入、输出轴轴线与系杆H的回转轴线重合或平行时的情况。 将nG、nK、nH的数值代入上式时，必须同时带“±”号。 混合轮系的传动比

首先分清组成它的定轴轮系和周转轮系，再分别用定轴轮系和周转轮系传动比的计算公式写出算式，然后根据这些轮系的组合方式联立解出所求的传动比.

计算混合轮系传动比的首要问题是如何正确划分混合轮系中的定轴轮系和周转轮系，而其中关键是找出各个周转轮系。 找周转轮系的方法是：先找行星轮，支持行星轮的是系杆H，而与行星轮相啮合的定轴齿轮就是中心轮。 第六章 间歇运动机构 棘轮机构 槽轮机构 *不完全齿轮机构 *凸轮间歇运动机构

机构类型 工作特点 结构、运动及动力性能 结构简单、加工方便、运动可靠，棘轮机构 摇杆的往复摆动变成几轮的单向间歇转动 但冲击、噪音大，运动精度低 结构简单、效率高、传动角为平稳，槽轮机构 拨盘的连续传动变成槽轮的间歇转动 但有柔性冲击 从动轮的运动时间和静止时间的比例可在不完全齿轮机构 较大范围内变化 只要适当设计出凸轮的轮廓，就能获得预凸轮间歇运动机构 期的运动规律 在间歇运动机构中，棘轮机构可以获得不同转向的间歇运动

在间歇运动机构中圆柱式凸轮间歇运动机构既可以避免柔性冲击又可以避免刚性冲击 棘轮机构常用于低速轻载的场合

槽轮机构的运动特性系数τ的取值范围为0<τ<1

对于原动件转一周，槽轮只运动一次的槽轮机构来说，槽轮的槽数应不小于3

但结构较复杂 运转平稳、定位精度高、动荷小，可用于载荷较大的场合 需专用设备加工，有较大的冲击 用于具有特殊要求的专用机械中 用于转速不高的轻工机械 分度以及超越等 使用场合 适用于低速、转角不大场合，如转位iHGKHnGnnH积m从齿轮G至K间所有从动轮齿数的乘HG1nKnKnH从齿轮G至K间所有主动轮齿数的乘积

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