机械设计基础知识点总结

机械设计基础知识点

1、循环应力下，零件的主要失效形式是疲劳断裂。

疲劳断裂过程：

裂纹萌生、裂纹扩展、断裂

2、疲劳断裂的特点：

▲omaxW。B甚至omaxWaS

▲疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果

▲断口通常没有显著的塑性变形。不论是脆性材料，还

是塑性材料，均表现为脆性断裂。更具突然性，更危险。

▲断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。

3、应力集中产生的主要原因：零件截面形状发生的突然变化。有效应力集中系

数总比理论应力集中系数小

4、影响疲劳强度的主要因素

—.应力集中的影响

1.应力集中产生的主要原因：零件截面形状发生的突然变化

2.名义应力O和实际最大应力。max

3.理论应力集中系数与有效应力集中系数

二.尺寸效应

1.零件尺寸越大，疲劳强度越低

2.尺寸及截面形状系数£a、£T

三.表面状态的影响

1.零件的表面粗糙度的影响

2.表面质量系数B

四.表面处理的影响

1.零件表面施行不同的强化处理的影响

2.表面质量系数Bq

五.弯曲疲劳极限综合影响系数

5、可能发生的应力变化规律

应力比为常数r=C绝大多数转轴的应力状态

平均应力为常数Om=C振动着的受载弹簧

最小应力为常数omin=C紧螺栓连接受轴向载荷6、

6、不稳定变应力

规律性按疲劳损伤累积假说进行疲劳强度计算

非规律性用统计方法进行疲劳强度计算

7、提高机械零件疲劳强度的措施

▲尽可能降低零件上应力集中的影响

▲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

▲综合考虑零件的性能要求和经济性，采用具有高疲劳强度的材料及适当的热处

理和各种表面强化处理

▲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

▲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（探伤检验）

8、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，这

种现象称为低应力脆断。

9、通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应

力断裂的内在原因。

10、两个零件在受载前是点接触或线接触。受载后，由于变形其接触处为一小面

积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。这

时零件强度称为接触强度。接触失效形式常表现为疲劳点蚀

11、普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最

大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。粗牙螺纹应用最广。

12、细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高

缺点：不耐磨，易滑扣。

应用：薄壁零件、受动载荷的连接和微调机构。

13、孔和螺栓杆多采用基孔制过渡配合,能精确固定被连接的相对位置，能承受

横向载荷，孔加工精度高

14、螺钉连接用于结构简单，省了螺母，不宜经常拆装，以免损坏螺孔而修复困

难。双头螺柱连接连接件厚，允许拆装。紧定螺钉连接用于固定两个零件的相对

位置并可传递不大的力或转矩。

15、垫圈作用：增加支撑面积以减小压强，避免拧紧螺母擦伤表面、防松。

16、预紧力：大多数螺纹连接在装配时都需要拧紧，使之在承受工作载荷之前，

预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力。

预紧的目的：增强连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

发生相对移动。

预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限

ss的80%o

17、预紧力控制方法：（1）凭手感经验⑵测力矩扳手⑶定力矩扳手（4）测定伸长

量

18、防松——防止螺旋副相对转动。防松的方法：1.利用附加摩擦力防松2.采

用专门防松元件防松3冲点防松法、粘合法防松

19、螺栓连接的主要失效形式

受拉螺栓：塑性变形——螺纹部分

疲劳断裂——轴向变载荷

受剪螺栓：剪断

压溃——螺杆和孔壁的贴合面

经常拆卸：滑扣——因经常拆装

20、紧螺栓连接强度计算：

1.仅承受预紧力的紧螺栓连接

改进措施：

(1)采用键、套筒、销承担横向工作载荷。螺栓仅起连接作用

(2)采用无间隙的较制孔用螺栓。

2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接

3.承受工作剪力的紧螺栓连接

21、基本原则(六项)：

▲1、为了便于加工制造和对称布置螺栓，保证连接结合面受力均匀，通常连接

接合面的儿何形状都设计成

▲2、螺栓布置应使各螺栓的受力合理

(1)对于钱制孔用螺栓连接，不要在平行于工作载荷的方向上成排地布置8个以

上的螺栓，以免载荷分布过于不均；

(2)当螺栓连接承受弯矩或转矩时，应使螺栓的位置适当靠近连接接合面的边缘,

以减少螺栓的受力。

(3)当同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时，采用抗剪零件来承受横向载荷。

(键、套筒、销等)

▲3、螺栓的排列应有合理的间距、边距，以保证扳手空间

▲4、为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数

目取成4、6、8等偶数。同一螺栓组中的螺栓的材料、直径、长度应相同

▲5、避免螺栓承受附加的弯曲载荷

▲6、合理选择螺栓组的防松装置

22、螺栓组连接的受力分析时所作假设：

(1)所有螺栓的材料、直径、长度和预紧力均同；

(2)螺栓组的对称中心与连接接合面的形心重合；

(3)受载后连接接合面仍保持为平面。

23、受力分析的类型：受横向载荷、受转矩、受轴向载荷、受倾覆力矩

24、承受轴向变载荷时，螺栓的损坏形式：疲劳断裂

25、提高螺栓连接强度的措施

一、降低影响螺栓总拉伸载荷F2的变化范围

措施一：降低螺栓刚度(。b<Cb,0'b<6b)

措施二：提高被连接件刚度(C'm>Cm,9,m>0m)

措施三：综合措施(C'b<Cb,C'm>Cm,F'0>F0)

宜采取措施：采用柔性结构：加弹性元件、或采用柔性螺栓(腰杆、空

心螺栓)。有密封要求时，宜采用刚度较大的金属垫片或密封环

二、改善螺纹牙间的载荷分布：加厚螺母不能提高连接强度！

措施：采用均载螺母

三、减小应力集中1.增大过渡圆角2.切制卸载槽3.卸载过渡结构

四、避免或减小附加应力

采用凸台或沉孔结构切削加工支承面采用球面垫圈和腰环螺栓可以保证螺

栓的装配精度。

五、采用特殊制造工艺冷锁头部、滚压螺纹

26、滚动螺旋

优点：(1)摩擦损失小、效率在90强以上；

⑵磨损很小，传动精度高；

(3)不自锁，可实现直线——旋转运动转换；

缺点：(1)结构复杂、制造困难；

(2)有些机构为防止逆转需要另加自锁机构。

27、键连接作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的

轴向固定或移动。

28、,平键连接

特点：定心好、装拆方便。种类：普通平键导向平键

主要失效形式：压溃(静连接)、磨损(动连接)、剪断。

若强度不足时，可采用双键连接。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按

1.5个键计算。

一、导向平键

结构特点：长度较长，需用螺钉固定。为便于装拆，制有起键螺孔。零件可以

在轴上移动，构成动连接。

二、双钩头滑键

结构特点：两端有钩头，键固定在轮毂上，键短，槽长。

三、单圆钩头滑键

结构特点：单圆钩头，嵌入轮毂中。

29、半圆键连接

优点：定心好，装配方便。

缺点：对轴的削弱较大，只适用于轻载连接。

特别适用于锥形轴端的连接。

30、楔键连接和切向键连接

结构特点：键的上表面有I：100的斜度，轮毂槽的底面也有1:100的斜度。

缺点：定心精度不高。

应用：只能应用于定心精度不高，载荷平稳和低速的连接。

类型：普通楔键、钩头楔键。

31＞花键连接

优点：(1)均匀受力；(2)对轴的削弱程度小；(3)承载能力高；(4)轴上零件与

轴的对中性好；(5)导向性好；(6)可用磨削方法提高加工精度及连接质量。

缺点：齿根仍有应力集中，需专用设备制造，成本高。

32、渐开线花键：有a=30°a=45°两种，对应的齿顶高分别为0.5m、0.4m

与渐开线齿轮相比，花键齿短，齿根宽，不产生根切的最小齿数较少。

定心方式：齿形定心：具有自动定心作用，受力均匀。

特点：制造工艺性好，精度高，齿根强度高，易于定心。常用于传递大扭矩和

大轴径的场合。a=45。的花键工作面高度较小，承载能力较低，多用于载荷较

轻，直径较小的静连接。特别适用于薄壁零件的连接。

33、型面连接的特点：

⑴装拆方便，对中性好；

(2)连接面上没有应力键槽和尖角，减少了应力集中；

(3)可传递较大的扭矩；

(4)切削加工有难度，不易保证配合精度。

34、胀套连接的优点：定心好、装拆方便，引起的应力集中较小，承载能力较高，

并且有安全保护作用。缺点：由于轴与毂孔之间要安装胀套，有时应用受结构

尺寸的限制。

35、销连接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。

36、带传动的优点：

⑴适用于中心距较大的传动；

(2)间接的柔性传动，挠性好，可缓和冲击、吸收振动；

(3)过载时带与带轮之间会出现打滑，避免了其它零件的损坏；

(4)结构简单、成本低廉。

缺点：传动的外廓尺寸较大，需要张紧装置，传动比不稳定、效率较低，

寿命较短,传动功率一般PW50kW、线速度v=5〜25(40)m/s、传动比3〜5(10)

37、当带与带轮之间出现打滑趋势时，摩擦力达到最大值，有效拉力也达到最大。

38、影响最大有效拉力因素：

1)预紧力F0F0t——Feet

F0过大，——带的磨损加剧，加快松弛，降低寿命。

F0过小，——影响带的工作能力，容易产生打滑。

2)包角at——总摩擦力Fft——Feet，对传动有利。

3)摩擦系数ftFeef,对传动有利。

39、最大应力cmax出现在紧边与小轮的接触处。

40、带的弹性滑动与打滑

带绕过主动轮时，将逐渐缩短并沿轮面滑动，使带速落后于轮速。

带经过从动轮时，将逐渐被拉长并沿轮面滑动，使带速超前于轮速。

这种因材料的弹性变形而产生的滑动被称为弹性滑动。

若带的工作载荷进一步加大，有效圆周力达到临界值Fee后，则带与带轮间会发

生显著的相对滑动，即产生打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急速降低，

带传动失效，这种情况应当避免。

41、带传动的主要失效形式是打滑和传动带的疲劳破坏。设计准则：在不打滑的

条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。

42、V带轮设计的要求：

各轮槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使带的载荷分布较为均匀。

结构工艺性好、无过大的铸造内应力、质量分布均匀。

轮槽工作面要精细加工，以减少带的磨损。

轮槽楔角随带轮直径的减小而减小。

带轮的材料：

通常采用铸铁，常用材料的牌号为HT150和HT200。转速较高时宜采用铸钢或用

钢板冲压后焊接而成。小功率时可用铸铝或塑料。

带轮的结构与尺寸

四种典型结构：实心式、腹板式、孔板式、轮辐式

43、带传动的张紧的目的

(1)根据摩擦传动原理，带必须在预张紧后才能正常工作；

(2)运转一定时间后，带会松弛，为了保证带传动的能力，必须重新张紧，才能

市堂'T作

带传通的张紧方法

1.调整中心距2.采用张紧轮3.自动张紧

44、同步带传动

组成：同步带(同步齿形带)是以钢丝为抗拉体，外包聚氨脂或橡胶。

结构特点：横截面为矩形，带面具有等距横向齿的环形传动带，带轮轮面也制成

相应的齿形。

传动特点：靠带齿与轮齿之间的啮合实现传动，两者无相对滑动，而使圆周速度

同步，故称为同步带传动。

优点：1.传动比恒定；2.结构紧凑；3.由于带薄而轻，抗拉强度高，故带速高达

40m/s,传动比可达10,传递功率可达200kw；4.效率高，高达0.98。

缺点：成本高；对制造和安装要求高。

45、齿轮传动的特点：传动效率高；结构紧凑、工作可靠，寿命长；传动比稳

定；制造及安装精度要求高，价格较贵。

46、直齿圆柱齿轮：齿数z,模数m,尺宽b,变位系数x,分度圆压力角a=20

°，齿顶高系数ha*=l,顶隙系数c*=0.25；不变位齿轮中心矩a=（dl+d2）/2、

分度圆直径d=zm；

斜齿圆柱齿轮：法向模数mn（标准值），螺旋角0,其余同直齿圆柱齿轮，

端面模数mt=mn/cosP

47、轮齿的失效形式：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性

变形

（齿面磨损）措施：1.减小齿面粗糙度2.改善润滑条件，清洁环境3.提

高齿面硬度

提高轮齿抗折断能力的措施：

（1）增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，减小齿根应力集中；

（2）增大轴及支承的刚度，使轮齿接触线上受载较为均匀；

（3）采用合适的热处理，使轮齿芯部材料具有足够的韧性；

（4）采用喷丸、滚压等工艺，对齿根表层进行强化处理。

（齿面胶合）措施：1.提高齿面硬度2.减小齿面粗糙度3.增加润滑油粘度（低

速）4.加抗胶合添加剂（高速）

48、齿轮的设计准则

▲保证足够的齿根弯曲疲劳强度，以免发生齿根

▲保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀

▲对高速重载齿轮传动，除以上两设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进

行设计

由工程实践得知：

▲闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主

▲闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主

▲开式齿轮传动按弯曲疲劳强度设计，将计算所得的模数m适当加大，以补偿磨

损的影响。

49、对齿轮材料性能的要求齿轮的齿体应有较高的抗折断能力，齿面应有较

强的抗点蚀、抗磨损和较高的抗胶合能力，即要求：齿面硬、芯部韧。

常用齿轮材料（钢材的韧性好，耐冲击，通过热处理和化学处理可改善材料

的机械性能，最适于用来制造齿轮。）

锻钢含碳量为0.15%~0.6卿）碳素钢或合金。一般用齿轮用碳素钢，重要

齿轮用合金钢。

铸钢耐磨性及强度较好，常用于大尺寸齿轮。

铸铁常作为低速、轻载、不太重要的场合的齿轮材料；

非金属材料适用于高速、轻载、且要求降低噪声的场合。

49、齿轮材料的热处理和化学处理

表面淬火、渗碳淬火、调质、正火、渗氮

特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，BBSW350,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。

50、齿轮材料选用的基本原则

（1）齿轮材料必须满足工作条件的要求，如强度、寿命、可靠性、经济性等；

（2）应考虑齿轮尺寸大小，毛坯成型方法及热处理和制造工艺；

（3）正火碳钢，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮；调质碳钢可

用于在中等冲击载荷下工作的齿轮；

（4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮；

（5）航空齿轮要求尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢；

（6）钢制软齿面齿轮，其配对两轮齿面的硬度差应保持在30-50HBS或更多。

51、改善齿向载荷不均匀的措施：

（1）增大轴、轴承及支座的刚度；（2）对称轴承配置；（3）适当限制轮齿宽度；

（4）尽可能避免悬臂布置；（5）轮齿修形（腰鼓齿）。

52、齿轮传动的误差的影响：

1.转角与理论不一致，影响运动的准确性；

2.齿形不是准确无误的渐开线，瞬时传动比不恒定，速度波动引起震动、冲击和

噪音，影响运动平稳性；

3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的不

均匀性。

53、高速齿轮传动采用喷油润滑的理由：

（1）V过高，油被甩走，不能进入啮合区；

⑵搅油过于激烈，使油温升高，降低润滑性能；

3）搅起箱底沉淀的杂质，加剧轮齿的磨损。

54、整体式向心滑动轴承

组成：轴承座、轴套或轴瓦等

特点：（1）结构简单，成本低廉。（2）因磨损而造成的间隙无法调整。（3）只能

从沿轴向装入或拆。

应用：低速、轻载或间歇性工作的机器中。

55、剖分式向心滑动轴承（将轴承座或轴瓦分离制造，两部分用螺栓联接）

特点：结构复杂，可以调整因磨损而造成的间隙，安装方便。

应用场合：低速、轻载或间歇性工作的机器。

56、滑动轴承常见失效形式

磨粒磨损——进入轴承间隙的硬颗粒有的随轴一起转动，对轴承表面起研磨作

用。

刮伤——进入轴承间隙的硬颗粒或轴径表面粗糙的微观轮廓尖峰，在轴承表面划

出线状伤痕。

胶合——当瞬时温升过高，载荷过大，油膜破裂时或供油不足时，轴承表面材料

发生粘附和迁移，造成轴承损伤。

疲劳剥落——在载荷得反复作用下，轴承表而出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹，

扩展后造成轴承材料剥落。

腐蚀——润滑剂在使用中不断氧化，所生成的酸性物质对轴承材料有腐蚀，材料

腐蚀易形成点状剥落。

57、轴承材料性能的要求

(1)减摩性——材料副具有较低的摩擦系数。

(2)耐磨性——材料的抗磨性能，通常以磨损率表示。

(3)抗胶合——材料的耐热性与抗粘附性。

(4)摩擦顺应性——材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不

良的能力。

(5)嵌入性——材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表

面发生刮伤或磨粒磨损的性能。

(6)磨合性——轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，形成相互吻合的表面形状和

粗糙度的能力。

此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力、良好的导热性、工艺性和经济性。

工程上常用浇铸或压合的方法将两种不同的金属组合在一起，性能上取长补短。

57、常用轴承材料

一、金属材料•

轴承合金优点：f小，抗胶合性能好、对油的吸附性强、耐腐蚀性好、容易

跑合、是优良的轴承材料，常用于高速、重载的轴承。

缺点：价格贵、机械强度较差；

只能作为轴承衬材料浇注在钢、铸铁、或青铜轴瓦上。

铜合金优点：青铜强度高、承载能力大、耐磨性和导热性都优于轴承合金。

工作温度高达250℃0

缺点：可塑性差、不易跑合、与之相配的轴径必须淬硬。

青铜可以单独制成轴瓦，也可以作为轴承衬浇注在钢或铸铁轴瓦上。

铝基合金有相当好的耐腐蚀性和较高的疲劳强度，摩擦性能也较好。在部

分领域取代了较贵的轴承合金与青铜。

铸铁：用于不重要、低速轻载轴承。

二、非金属材料

工程塑料：具有摩擦系数低、可塑性、跑合性良好、耐磨、耐腐蚀、可用水、

油及化学溶液等润滑的优点。

缺点：导热性差、膨胀系数大、容易变形。为改善此缺陷，可作为轴承衬粘复

在金属轴瓦上使用O

碳-石墨：是电机电刷常用材料，具有自润滑性，用于不良环境中。

橡胶轴承：具有较大的弹性，能减轻振动使运转平稳，可用水润滑。常用于潜

水泵、沙石清洗机、钻机等有泥沙的场合。

木材：具有多孔结构，可在灰尘极多的环境中使用。

58、轴瓦的形式和结构

整体式需从轴端安装和拆卸，可修复性差。

对开式

。

修复

，可

拆卸

装和

部安

的中

从轴

直接

薄壁可以

高。

要求

精度

加工

孔的

承座

对轴

，故

不足

刚度

，但

材料

厚壁节省

。

要求

精度

加工

孔的

承座

对轴

降低

，可

刚度

度和

的强

足够

单材卷具有

铁。

灰铸

铜，

如黄

瓦，

成轴

接作

以直

料可

的材

足够

多材淞强度

。

轴瓦

制作

材料

用多

故采

足，

度不

衬强

铸造轴承

。

轴瓦

厚壁

用于

，适

均可

生产

大批

件、

，单

性好

工艺

轧制铸造

率。

生产

高的

有很

，具

轴瓦

薄壁

用于

只适

法

位方

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轴瓦

59、

。

移动

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和周

轴向

产生

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承座

与轴

轴瓦

防止

目的：

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副表