机械设计基础自学指导

机械设计基础自学指导

本部分内容包含课程简介及与其他课程之间的关联，课程的知识体系，课程教学的内容

结构及教材与多媒体课件的关联，并对自学方法提出一些参考意见。

1.1课程简介

《机械设计基础》要素研究机械中的常用机构与通用零件的工作原理、机构特点、基本

的设计理论与计算方法，是工科院校机械类、机电类专业的一门必修主干课程，是对学生的

设计能力、创新能力、工程意识进行培养训练的一门重要的技术基础课。将为有关专业的学

生学习专业课程提供必要的基础。通过本课程的学习与课程设计实践，能够培养学生初步具

备运用有关知识、手册设计简单传动装置的能力。

《机械设计基础》是机械工程类专业的一门必修主干技术基础课，综合了应用工程图学、

工程力学、材料与热处理、金属工艺学、机械制造基础、公差与技术测量等学科与课程。具

有鲜明的工程实践性。是先修基础课的综合应用，又是后继专业课的基础，在基础课与专业

课间起着承上启下的桥梁过渡作用。

1.2课程的知识体系

《机械设计基础》综合浓缩了《机械原理》与《机械设计》两门课程的内容，而这两门

课程是机械类专业本科必修的专业基础课。《机械设计基础》课程的内容包含《机械原理》

课程中的平面机构自由度及运动分析；常用机构运动原理与设计方法（平面连杆机构、凸轮

机构、齿轮机构、轮系）；间歇运动机构：机器动平衡问题，与《机械设计》课程中常用联

接、常用传动装置与轴系零部件的设计等部分内容。

因此，本课程的知识体系包含：

（1）、机器与机构，机械零件设计准则一基本概念；

（2）、常用机构的运动原理及运动系统设计一确定机械功能与运动原理；

（3）、常用联接与传动及轴系零部件的设计一确定机械零件的具体形状尺寸及材料。

1.3课程的内容结构

第一章平面机构的自由度与速度分析

第二章平面连杆机构

第三章凸轮机构

第四章齿轮机构

第五章轮系

*第六章间歇运动机构

*第七章机械运转速度波动的调节

*第八章回转件的平衡

第九章机械零件设计概述

第十章联接

第十一齿轮传动

第十二章蜗杆传动

第十三章带传动与链传动

第十四章轴

第十五章滑动轴承

第十六章滚动轴承

*第十七章联轴器、离合器与制动器

*第十八章弹簧

（带星号的章节为自学内容）

1.4自学方法

L4.1懂得课程的性质与任务

为了学好本课程，首先要具有正确的学习目的与态度，在学习中要刻苦钻研、踏踏实实、

虚心求教、持之以恒。在学习时要懂得基本概念、基本原理，要注意各部分内容之间的联系，

不要孤立地去看待每一部分的内容。重在懂得，能提出问题，积极思考，不要死记；关于设

计部分，着重掌握设计的原理与方法。通过习题能够巩固与加深对所学理论的懂得，并培养

分析问题与设计能力。

深刻领会课程的性质与任务，把整体课程内容分界为若干个知识体系，掌握基本知识、

基本理论与基本方法，分清主次，抓住问题的关键与本质，围绕总纲、目标与体系进行学习。

通过各个学习环节，培养分析与解决问题的能力与创新精神。

1.4.2使用合理的学习方法

在学习过程中，关于机构要着重懂得对其工作原理、运动特性、特点、应用与设计的分

析；对任一机械零部件要着重懂得其构成、工作原理、特点、失效形式、工作能力计算与结

构设计的内容。

本型科的研究对象多，内容繁杂，课程内容多、公式多、参数多、系数多,需要查找的

数据资料多。因此务必对每一个研究对象的基本知识、基本原理、基本设计思路方法进行归

纳总结，并与其他研究对象进行比较，掌握其共性与个性，只有这样才能有效提高分析与解

决设计问题的能力。

学习机械设计不仅在于继承，更重要的是应用创新，机械科学产生与进展的历程，就是

不断创新的历程。只有学会创新，才能把知识变成分析问题与解决问题的能力。

第2部分课程学习计划

顺次教材章节重点难点必做工题

绪论运动副与自由度的概念复合皎链、局部自由度

11-5〜1-12

1.1〜1.3平面机构自由度计算与虚约束的识别

2.1较链四杆机构的基本型式及特性急回运动特性

22-1、2-3、2-4

2.2校地四杆机构有整转副的条件死点的产生

2.3图解法设计平面四杆机

3平面四杆机构的设计2-5>2-9、2-10

2.4构

3.1凸轮机构的应用与类型

4

3.2从动件的常见运动规律

3.3凸轮机构的压力角

5凸轮机构的压力角3-1、3-2

3.4图解法设计凸轮机构

4.1齿轮机构的特点与类型齿廊实现定角速比传动

6

4.2齿廓实现定角速比传动的条件的条件

4.3渐开线齿廓

74-1、4-2

4.4优轮各部分名称及基本尺寸

4.5渐开线齿轮啮合

8

4.6切齿原理

4.7

根切、最少齿数

94.8根切产生的原因

斜齿轮机构与圆锥齿轮机构的特点

4.9

5.1

10定轴轮系传动比

5.2

5.3

周转轮系传动比差动轮系传动比5-1、5-2、5-4、

II5.4

史合轮系传动比复合轮系传动比5-11、5-12

5.5

126.1~6.4间歇运动机构的工作原理

138.1-8.3回转件平衡计算的目的

9.1〜

14机械零件的强度、接触强度变应力下的许用应力

9.7

10.1螺纹的要紧参数

1510.3常用螺纹的种类与特点

10.4螺纹联接的基本类型及应用场合

螺纹联接扬紧的目的及防松方法：普通螺

10.5紧螺栓联接承受轴向载

16栓联接承受横向载荷与轴向载荷时的强10.5、10.6、10.9

10.6荷时的强度计算

度计算、钱制孔螺栓联接的强度计算

10.7

螺栓材料的强度等级、提高螺栓联接强度

1710.8

的措施

10.9

10.10键联接的工作原理与设计方法

18

10.11花键联接的特点、销联接的应用

11.1齿轮传动常见的失效形式、制造齿轮

19直齿圆柱齿轮受力分析11-1

11.2常用的材料及其特点、直齿圆柱齿轮的受

第3部分课程学习指导

第1章平面机构的自由度及其计算

本章基本要求与重点、难点

i.本章基本要求

（1）掌握下列基本概念：

自由度、运动副、高副、低副、复合较链、虚约束、局部自由度

（2）绘制平面机构的运匆简图

（3）计算平面机构的自由度。掌握机构具有确定运动的条件，能识别机构中的复合校链、

局部自由度与虚约束。能熟练运用自由度计算公式计算平面机构的自由度。

2.本章重点

（1）绘制平面机构的运动简图

（2）计算平面机构的自由度。

3.本章难点

复合皎链、局部自由度与虚约束的正确推断。

要紧知识点归纳

§1.1基本概念

1.1.1自由度

构件是机构中运动的单元体，因此它是构成机构的要紧要素。构件的自由度是构件可

能出现的独立运动。

自由度：构件相关于参考坐标系所具有的确定运动的数目。

平面上的构件1：具有3个自由度。

空间中的构件2：具有6个自由度。

1.1.2运动副

I.什么是运动副？

平面机构中每个构件都不是自由构件，而以一定的方式与其他构件构成动联接。这种使

两构件直接接触并能产生运动的联接，称之运动副。两构构成运动副之后，就限制了构件的

独立运动，两构件构成运动副时构件上参加接触的点、线、面称之运动副元素，显然运动副

也是构成机构的要紧要素，

2.运动副的分类

1）根据构成运动副的两构件的接触情况分：

低副：面接触

高副：点或者线接触

2）根据构成运动副的两构件的运动范围分：

平面副：构成运动副的两构件都在同一或者平行平面内运动。

空间副：构成运动副的两构件不在同•或者平行平面内运动。

3）根据构成运动副的两构件的相对运动分：

移动副：构成运动副的两构件作相对移动。

转动副：构成运动副的两构件作相对转动。

螺旋副：构成运动副的两构件作螺旋运动。

球面副：构成运动副的两构件作球面运动。

3.平面运动副

平面低副：两个构件通过面接触形成的运动副。如：移动副、转动副（皎链）

面接触——接触面积大，承载能力大。

接触面为平面或者柱面——便于加工，成木低，便于涧滑。

平面高副：两个构件通过点、线接触形成的运动副.如齿轮啮合

点、线接触一接触面积小，承载能力小。

接触面为曲面一不便于加工与润滑.

§1.2平面机构的运动简图

根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，用国标规定的运动副及

常用机构运动简图的符号与简单的线条将机构的运动情况表示出来，与原机构运动特性完全

相同的，表示机构运动情况的简化图形。

1.构件的分类

固定构件（机架）：用于支承活动构件

原动件（主动件）：运动规律已知的构件，运动的输入构件。

从动件：机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。

2.运动副的表示

(h)

abc转动副;defghi移动副；j平面高副

图1-1运动副的我达方法

3.构件的表示

图1-2构件的表达方法

机构运动简图中构件表示方法如右图所示，图a、b表示能构成两个运动副的一

个构件，图a、构成两个副动副一个构件，图b构成一个转动副与一个移动副的一个构

件；图c、d表示能构成三个转动副的一个构件。

4.平面机构运动简图的绘制

绘制步骤：

1）分析机构运动，FI的：确定构件及运动副的类型及数目。

实际尺寸（〃。

2）恰当选择投影面适当选择比例尺打

图示尺寸（〃加Z）

3）审核

§1.3平面机构的自由度

1.机构自由度的计算公式

设某机构共有〃个构件、PL个低副、PH个高副，见该机构的自由度应为：

/=3〃-（2丹+%）

2.机构具有确定运动的条件

F<0运动链不能运动。

尸>原动件数目运动不确定。

F>0〈原动件数目，不能动。

产=原动件数目，运动确定

3.计算机构自由度应注意的问题

（1）复合钱链一两个以上的构件同在一处以转动副相联接。

（2）局部自由度一某些不影响整个机构运动的自由度。

（3）虚约束一两个以上的构件同在一处以转动副相联接。

出现虚约束的情况：两个构件之间构成多个导路平行的移动副，只有移动副起作用，其

余都是虚约束；两个构件之间构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：机构中传递运动不起独立作用的对称部分。

第2章平面连杆机构及其设计

本章的基本要求与重点、难点

1.本章基本要求

（1）熟悉平面连杆机构的构成及其要紧优缺点；

（2）熟悉平面连杆机构的基本形式及其演化与应用：

（3）掌握曲柄存在条件、急同运动、行程速比系数、传动角、压力角、死点等概念。

（4）掌握按给定行程速比系数设计四杆机构与按给定连杆位置设计四杆机构的方法。

2.本章重点

（1）平面四杆机构的基本特性

（2）平面四杆机构的图解法设计

3.本章难点

平面连杆机构的压力角与传动角。

要紧知识点归纳

§2.1铁链四杆机构

钱链四杆机构一一全部由回转副构成的平面四杆机构。

机架：固定构件

校链四杆机构的构成：连架杆」能作整周回转――曲柄

1只能在一定角度范围雌动——摇杆

连杆：连接两连架杆

2.1.1较链四杆机构的基本型式

1.曲柄摇杆机构：若两连架杆之一为曲柄，另一连架杆为摇杆,则该较链四杆机构称之曲柄

摇杆机构。它能使整周回转运动变为往复摆动，也能把往复摆动变为整周回转运动。

2.双曲柄机构：当钱链四杆机构的两个连架杆都是曲柄时，则该机构称之双曲柄机构

3.双摇杆机构：当较链四杆机构的两连架都是摇杆时，该机构称之双摇杆机构；双摇杆机

构可把主动摇杆的摆动变为从动摇杆的摆动。

2.1.2曲柄摇杆机构的运动特性

I.急回运动特性

名词解释

1）极限位置：摇杆的两个极限位置

2）摆角：摇杆的两极限位置所夹的锐角

3）极位：当摇杆处于两极限位置时，机构所处的这两个位置。

4）极位夹角：当机构在两极限位置时，原动件八鸟所处两个位置之间所夹的锐角，用e

表示。

5）急回运动：摇杆摆回的速度大于工作行程的速度，摇杆的这种运动性质称之急回运动。

6）行程速比系数：用来说明急回运动的急回程度，用K表示。

u180°+，

A=-------

180°-夕

上式说明，K随。的增大而增大。因此，能够通过分析机构中是否存在极位夹角。及极

位夹角e的大小来判定是否存在急回运动及急回运动的程度。

2.压力角与死点位置

1）压力角与传动角

压力角——作用在从匆件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角，用表示。

传动角——压力角的余角，用表示。=90°-

压力角能够做为推断机构传动性能的标志。

2）死点位置

曲柄摇杆机构以曲柄为从动件时，当曲柄与连架杆共线时，若不计各杆质量，则曲柄不

能转动，将出现死点位置，

§2.2铁链四杆机构有整转副的条件

1.钱链四杆机构有整转副的条件

（1）最短杆与最长衿长度之与小于或者等于其余两杆长度之与；

（2）整转副是由最短杆与其邻边构成的。

2.当机构有整转副时，取穴一致构件为机架能够得到不一致类型的四杆机构，通常我们根据

下列原则进行推断：

（1）取最短杆为机架时,机架上有两个整转副.得双曲柄机构。

（2）取最短杆邻边为机架时，机架上只有一个整转副，得曲柄摇杆机构。

（3）取最短杆对边为机架时，机架上没有整转副，得双摇杆机构。

但注意，若较链四杆机构中的最短杆与最长杆长度之与大于其余两杆长度之与，则该机

构中没有整转副，不管取哪个构件为机架都只能得到双摇杆机构。

§2.3车交链四杆机构的演化形式

通常生产中广泛应用的四杆机构，都可看作是从钱链四杆机构演化而来的。

对心曲柄滑块机构

1、曲柄滑块机书把原动件的回转运动转换为滑块的往复移动。

偏置曲柄滑块机构

偏置曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构

图2-1曲柄滑块机构

转动导杆机构

2、导杆机构改变曲柄滑块机构中的固定构件

摆动导杆机构

3、摇块机构与定块机构

§2-4平面四杆机构的设计

平面四杆机构的设计要紧是根据给定的运动条件，确定机构运动简图的尺寸参数。设计

方法有作图法、解析法与实验法，其中作图法是重点。

1.用作图法设计平面四杆机构

根据不-•致的设计要求，作图法能够分为下列两种；

(1)按给定的行程速比系数K设计平面四杆机构

关于曲柄摇杆机构设计，已知条件通常有：从动件逐杆长度/3,从动件摆角0,机构的

行程速比系数K。作图步骤的基本步骤如下(如图2-4a)：

①通过K求出极位夹角。

e=130°(K-l)/(K+l)；

②确定一个固定较链中心。，然后根据几何条件作出摇杆的两个极限位置；

③作NC2clp=90°-q,ZC1C2P=9O°；

④作作AC2clp的外接圆，则另一个固定钗链中心便在该外接圆上。最后由其他附

加条件能够把这个固定较链中心位置定下来，从而四杆机构设计完成。

关于曲柄滑块机构或者是导杆机构，基本方法同上，只是在曲柄滑块机构中滑块行程与

曲柄摇杆机构中摇杆的摆角作用是相对应的（作图见图2-4b）；在导杆机构中从动件导杆的

摆角与机构的极位夹角

大小相等（作图见图2-4c）。

图2—4按行程速比系数设计平面四杆机构

（2）按给定的连杆位置设计四杆机构

这类设计通常是已如连杆长度，并明白连杆在运动过程中的二个位置，要求确定固定较

链中心。两个活动钱链的运动轨迹是绕各自固定较链中心的圆的一部分，因此我们可用求圆

心法来解决问题（见图2-6）。

假如只给定连杆的两个位置，则可根据其他附加条件得到确定解。

图2.5按给定连杆位置设计平面四杆机构

第3章凸轮机构及其设计

本章的基本要求与重点

1.本章基本要求

（1）熟悉凸轮机构的分类及应用；

（2）熟悉从动件常用的运动规律及位移线图的绘制方法：

（3）掌握压力角与自锁的关系；

（4）掌握凸轮机构设计的反转法原理，能按照给定的运动规律设计凸轮的轮廓曲线。

2.本章重点

盘形凸轮机构轮廓曲线的设计。

3.本章难点

凸轮机构的压力角与传动角。

要娱知识点归纳

§3.1凸轮机构的应用与分类

3.1.1凸轮机构的应用

构成：凸轮：从动件；机架

特点：优点：可使从动件得到各类预期的运动规律；结构紧凑。

缺点：高副接触，易于磨损，多用于传递力不太大的场合：加工比较困难：从动

件行程不宜过大，否则会使凸轮变得笨重。

3.1.2凸轮机构的分类

按凸轮的形状分：盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮

按从动件的形状分：尖端从动件、滚子从动件、平底从动件

按从动件运动形式分：直动从动件、摆动从动件

按从动件与凸轮保持接触的方式分：力封闭（弹簧力或者重力）、形封闭（形状锁合）

§3.2从动件的运动规律

321基本概念

基圆一一以凸轮的最小曲率半径为半径所作的圆称之基圆，基圆半径用m表示。

推程，推程运动角机；

远休止，远休止角久；

回程，回程运动角如；

近休止，近休止角久；

行程一一从动件在推程或者回程中移动的距离，用人表示。

3.2.2从动件运动规律

从动件的运动规律，是指从动件在运动时，即在推程或者回程时，其位移s、速度小与

加速度4随时间/变化的规律。凸轮通常为等速运动，即其转角明与时间，成正比，因此从动

件的运动规律更常表示为从动件的运动参数随凸轮转角%变化的规律。

常用运动规律有：

等速运动规律有刚性冲击。

等加等减速运动规律有柔性冲击。

简谐运动规律亦有柔性冲击，只是冲击的次数有所减少。

§3.3凸轮机构的压力角

当不计凸轮与从动件之间的摩擦时，凸轮给从动件的力F与从动件的运动方向之间所夹

的锐角，称之凸轮机构的压力角a。

力F可分解为沿从动件运动方向的有效分力与垂直于从动件运动方向的有害分力。压力

角越大，有害分力越大，当压力角增大到一定程度时，将出现自锁现象，即不管凸轮施加给

从动件的力有多大，从动件都不能运动。

为保证机构有一定的传动效率，防止自锁，务必限制压力角的大小。

图3—1凸轮机构的压力角

§3.3凸轮机构轮廓曲线的设计

3.3.1凸轮廓线设计方法的基本原理——反转法

图3—2反转法原理

不管是使用作图法还是解析法设计凸轮轮廓曲线，所根据的基本原理都是反转法原理。

该原理可归纳如下：

在凸轮机构中，假如对整个凸轮机构绕凸轮轴心O加上一个与凸轮转动角速度®大小

相等方向相反的公共角速度(-3》这时凸轮与从动件之间的相对运动关系并不改变。但如

今凸轮将固定不动，而移动从动件将一方面随导路一起以等角速度(-⑼)绕0点转动，同时

又按已知的运动规律在导路中作往复移动；摆动从动件将一方面随其摆动中心一起以等角速

度(-®)绕0点转动，同时又按已知的运动规律绕其摆动中心摆动。由于从动件尖端应始终

与凸轮廓线相接触，故反转后从动件尖端相关于凸轮的运动轨迹，就是凸轮的轮廓曲线。根

据这一原理求作出从动件尖顶在从动件作这种复合运动中所占据的一系列位置点，并将它们

连接成光滑曲线，即得所求的凸轮轮廓曲线。这种设计方法称之反转法。

3.3.2用图解法设计凸轮轮廓曲线

参阅教材中图3/0,3-11,3-12,3-14

第4章齿轮机构

本章的基本要求与重点

1.本章的基本要求

(1)熟悉齿轮机构的特点及要紧类型；

(2)懂得齿廓实现定角速比传动的条件•；

(3)掌握渐开线的性质；

(4)掌握渐开线齿廓的特点；

(5)掌握渐开线标准直齿圆柱齿轮及其啮合传动；

(6)掌握渐开线齿轮的切齿原理、方法及根切现象；

(7)懂得变位齿轮的特点及几何尺寸计算；

(8)掌握斜齿圆柱齿轮及其啮合传动的特点；

(9)掌握直齿圆锥齿轮及其啮合传动的特点。

2.本章重点

渐开线直齿圆柱齿轮外啮合的基本理论与几何尺寸计算;

斜齿圆柱齿轮、锥齿轮啮合传动的特性。

3.本章难点

范成法加工渐开线齿轮发生根切的原因；

渐开线齿廓的啮合特性。

要紧知识点归纳

§4.1齿轮机枸的特点与应用

4.1.1齿轮传动的特点

I.齿轮机构的要紧优点

①适用速度与效率范围广；

②效率高；

③传动比稳固；

④寿命长；

⑤工作可靠；

⑥可实现平行轴、相交轴、任意交错轴之间的传动。

2.齿轮机构的要紧缺点：

①制造与安装精度要求高、成本高；

②不能实现远距离两轴之间的传动。

4.1.2齿轮传动的分类

按照一对齿轮轴线的相互位置，可分为：

1.两轴平行的圆柱齿轮传动，如直齿圆柱齿轮传动(外啮合、内啮合)、齿轮与齿条传动、

斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动等；

2.两轴相交的圆锥齿轮传动（直齿、曲齿）；两轴交错的齿轮传动，如交错轴斜齿轮传动、

蜗轮蜗杆传动。

§4.2齿廓实现定角速比传动的条件

要使两齿轮作定传列比传动，则两齿廓务必满足的条件是：不论两齿廓在何位置接触,

过接触点所作的两齿廓公法线务必与两齿轮的连心线相交于一定点。称此定点为节点。能实

现预期运动要求的一对齿廓称之共扼齿廓，在机械中，最常用的齿廓是渐开线齿廓。

§4.3渐开线齿廓

I.渐开线的形成

直线在基圆上做纯滚动，直线上任意一点的轨迹就是渐开线。

2.渐开线的性质

I）BK=A6,如图4—4。

2）渐开线上任•点的法线恒与基圆相切。切点8是点K的曲率中心，而线段而是渐开线

在点K的曲率半径。

3)

cosaK

OKrk

4）渐开线的形状取决于基圆大小，如图4—lb。

5）基圆内没有渐开线.

图4-1渐开线的性质

3.渐开线齿廓啮合特性

1）渐开线齿廓能保证定传动比传动要求

沁=31/巴=常数

2）渐开线齿廓间的正压力方向不变

啮合线一一齿轮传动时其街廓啮合点的轨迹称之啮合线

3)渐开线齿廓传动具有可分性

当渐开线齿轮的中心距稍有改变，其角速度比仍保持原值不变。

§4.4齿轮各部分的名称及渐开线标准齿轮的基本尺寸

4.4.1各部分的名称与符号

I.齿顶圆：齿顶所在的圆，用a与%表示。

2.齿根圆：齿根所在的圆，用功与小表不。

3.齿厚：任意圆周上量得的齿轮两侧间的弧长，用睬表示。

4.齿槽宽：任意圆周上量得的相邻两齿齿廓间的弧长，用ek表示。

5.齿距：任意圆周上量得的相邻两齿同侧齿廓间的弧长，用pk表示。

i.Pk=Sk+ek

6.分度圆：计算基准圆，用d与点示。

7.齿顶高：介于分度圆与齿顶圆之间的轮齿部分的径向高度，用心表示。

8.齿根高：介于分度圆与齿根圆之间的轮齿部分的径向高度，用加表示。

9.全齿高：齿顶圆与齿根圆之间的轮齿部分的径向高度，用力表示。

i.h=ha+h(

4.2.2基本参数

齿数：用z表示。

模数：用〃？表示。单位：mm，d=zm

，〃是决定齿轮尺寸的基本参数，已标准化。

分度圆压力角：用。表示。

压力角也是决定齿轮尺寸的基本参数,国标规定的标准值,a=20°o

齿顶高系数

顶隙系数c，

4.2.3各部分尺寸的计算公式

1.分度圆直径d-mz

2.齿顶高ha=h\m

3.齿根高〃产(K+c*)〃？

4.齿全高力=九+/"=(2力:+/)〃？

5.齿顶圆直径&二d+2饱=(z+2

6.齿根圆直径df=d-2hf=mz-2(7兀+/)〃?=(z-2h*1r2c}m

式中，1*a与c•的标准值为:h\=1sc*=0.25

7.基圆直径4=dcosa=/??zcosa

8.齿距p=nm

9.标准齿轮一一m、a、K、c*均为标准值，且s=e的齿轮。

§4.5渐开线标准齿轮的啮合

4.5.1正确啮合条件

渐开线齿轮正确啮合的条件是：两轮的模数与压力定应分别相等。

4.5.2标准中心距

I.齿轮的正确安装条件

齿侧间隙为零，要使齿侧间隙为零，则务必使其分度圆与节圆重合。

具有标准顶隙，c=

2.当顶隙为标准值时，设两轮的中心距为。，则：

ZI

a=rai+c+ri'2=r\+h'jn+cni+r2-(=rj+r2=in(+Z2)/2

即两轮的中心距a应等于两轮分度圆半径之与，我们把这种中心距称之标准中心距。

4.5.3重合度

由图4-2

开始啮合点：从动轮齿顶与主动轮齿根接触点B1

终止啮合点：从动轮齿根与主动轮齿顶接触点B2

实际啮合线段：B1B2之间的线段

理论啮合线段：两齿轮基圆内公切线切点之间的线段NIN2.

重合度：为了保证连续传动，则

BB论

通常将BQ/为用£"表示，称之重合度。因此可得连续传动条件为：%=4为为,21

实际£<.?[£寻

式中：[£01——许用重合度。

啮合角：两轮传动时其节点C的圆周速度方向与啮合线NiM之间所夹的锐角，其值等于节

圆压力角。故用a'表示。

图4-2渐开线齿廓的啮合

§4.6渐开线齿轮的切齿原理

4.6.1成形法

用渐开线齿形的成形诜刀直接切出齿形，常用盘形铳刀与指状铳刀，加工方法简单，但

生产率低，精度差。

盘形铳刀指状铳刀

图4―3成形法加工轮齿

4.6.2范成法

利用一对齿轮（或者齿轮与齿条）互相啮合时其共捌齿廓互为包络线的原理来切齿，把

其中一个齿轮（或者齿条）做成刀具。

常用刀具：

（1）齿轮插刀

（2）齿条插刀

（3）齿轮滚刀

§4.7根切、最少齿数及变位齿轮

用范成法加工齿轮时若加刀具的齿顶线超出齿轮理论啮合线的极限点时，齿轮根部的渐

开线齿廓将被切去一部分，这种现象称之根切。在用范成法切齿时，假如刀具的齿顶线超过

了啮合线与轮坯基圆的切点（即啮合极限点）M，则被切齿轮的轮齿必将发生根切现象。根

切使齿根削弱，减小重合度，应避免。

不产生根切的最少齿数是/「a与a的函数。当a*a=l、。=20"时，Zmin=17o

图4一4根切现象

§4.8平行轴斜齿轮

4.8.1斜齿轮传动的特点

优点

①传动平稳。

齿廓接触线与齿轮轴线不平行，是斜线。其啮合过程是从轮齿的一端开始进入啮合，逐

步达到全齿宽，接触线由翅变长，再由长变短，直到另一端完全退出啮合为止，因而斜齿轮

传动平稳、噪声低。

②重合度大。

同时随着齿轮宽度与螺旋角的增大而增大，故传动平稳、承载能力强.

③不发生根切的最少齿数更少。

缺点：产生轴向力，旦随着螺旋角的增大而增大，使轴系结构复杂，

4.8.2斜齿轮的要紧参数

斜齿圆柱齿轮的模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数有端面参数与法面参数之分，端

面是指垂直于齿轮回转轴线的平面I法面是指垂直于轮齿方向的截面。国家标准规定，斜齿

轮的法面参数mn、an,法向齿顶高系数、法向顶隙系数为标准值。

斜齿圆柱齿轮的齿面是螺旋形，基本参数共六个，与直齿轮相比多引入了一个螺旋角夕,

分度圆柱上轮齿的旋向有左旋与右旋两种。螺旋角的大小对斜齿轮传动性能影响很大，

若用0,斜齿轮就退化为直齿轮：

力越大，则斜齿轮的特点越明显如传动平稳、重合度大、承载能力强等：

但若夕太大，则会产生很大的轴向力，因此设计中通常取b=8。〜20。。

4.8.3斜齿轮的当量齿轮

斜齿轮的当量齿轮是一个虚拟的直齿轮，其齿形与斜齿轮的法面齿形相当。

过斜齿轮分度圆柱上齿廓的任一点C作轮齿螺旋线的法向平面，该法面与分度圆柱的

交线为一椭圆。以椭圆在C点处的曲率半径为分度圆半径，以斜齿轮法面模数为模数，取

标准压力角作一直齿圆柱齿轮。这一假想的直齿圆柱齿轮称之该斜齿轮的当量齿轮(如图

4-5)。引入当量齿轮、当量齿数的目的是：

(1)仿形法加工斜齿轮时，用于选择铳刀刀号；

(2)用于强度计算；

当量齿轮的齿数称之当量齿数，用益表示当量齿轮的齿数：

cos3P

§4.9圆锥齿轮传动

圆锥齿轮传动是用来传递两相交轴之间的运动与动力的。圆锥齿轮的轮齿分布在一个截

圆锥体上，其齿形从大端到小端逐步变小。为了计算与测最的方便，通常取圆锥齿轮大端的

参数为标准值。

第5章轮系

本章基本要求与重点

1.本章的基本要求

（1）熟悉轮系的分类，能正确划分轮系。

（2）熟悉各类轮系的功能。

（3）掌握定轴轮系、周转轮系与复合轮系的传动比计算

（4）掌握推断轮系中齿轮转向的方法。

2.本章难点、难点

掌握定轴轮系、周转轮系与复合轮系的传动比计算及从动轮转向的确定。

3.本章难点

兔合轮系中行星轮的推断及周转轮系与定轴轮系之间关系的确定。

§5.1转系的类型

由一系列齿轮构成的齿轮传动系统称之齿轮系。分为三种类型（图5—1）：

1.定轴轮系：各个齿轮的轴线相关于机架的位置都是固定的。

2.周转轮系：轮系中至少有一个齿轮的轴线是绕其它齿轮的固定轴线回转。周转轮系中的

耍紧构件有：

行星轮在周转轮系中，轴线位置变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮；

行星架支撑行星轮既作自转又作公转的构件，又叫转臂；

中心轮轴线位置固定的齿轮，又称之太阳轮。

其中行星架与中心轮的几何轴线务必重合。

3.复合轮系：轮系中含有定轴轮系与周转轮系。

图5-1轮系的类型

§5.2定轴轮系的传动比

5.2.1齿轮系传动比

齿轮系的首、末两构件的角速度之比（包含首、末两构件的角速度比的大小与两构件

的转向关系两个方面），称之轮系的传动比，用田表示。

定轴轮系中，每个齿轮的几何轴线位置都是固定的，因此其传动比计算比较容易。计算

传动比时不仅包含数值计算，还要有指明齿轮的转向。

1.一对齿轮的传动比

大小心="=三

■如马

转向：

外啮合齿轮：两齿轮转向相反

内啮合齿轮：两齿轮转向相同

圆锥齿轮：两箭头同时指向节点或者同时背离节点；

蜗杆传动：左手或者右手定则

同轴齿轮：转向相同。

图5-2各类传动的主从动轮转向关系

2.齿轮系的传动比

所有从动轮齿数的连乘积

数值计算:定轴轮系的传动比

所有主动轮齿数的连乘积

各轮方向判定：

（1）当首末两轮的轴线相平行时，两轮转向的异同可用传动比的正负表达。两轮转向相

同时，传动比为两轮转向相反时，传动比为

（2）但是假如首末两轮的轴线不平行，则只能计算传动比的大小，首末两轮的转向用箭

头表示。假定首轮的转向（或者依题意以给定的方向），用箭头在图示上表示，根据啮合情

况，依次将每个轮子的转向在图示上标志出来，最后能够得到末轮的转向。

（3）对所有齿轮轴线都平行的定轴轮系，也能够按照轮系中外啮合齿轮的对数来确定传

动比为或者设从首轮到末轮中外啮合的齿轮的对数为m对

.二.二轮1至轮K间所有从动轮齿数的乘积

“一工一「）轮1至轮K间所有主动轮齿数的乘积

当数值为“+”时，表示首末两轮的转向相同，为“」时，表示两轮的转向相反。

§5.3周转轮系及其传动比

5.3.1周转轮系的分类

差动轮系：F=3x4-2x4-2=2

［行星轮系：F=3x3-2x3-2=l

5.3.2传动比的计算

33.

图5-3周转轮系的转化轮系

构件周转轮系角速度转化轮系角速度

H

1S(V)=<V|-3H

H

26?26?2=32-3H

33H=67-3H

3必3

H3H^HH=QH-3H

转化轮系的传动比噌可写作:

luH4

周转轮系传动比的通常公式为：

.H_婢_+转化轮系中由，〃至〃各从动轮齿数的乘积

“谭一丹一①H一一转化轮系中由〃?至〃各主动轮齿数的乘积

注：1）此式只适用于齿轮m、n与行星架H的轴线相平吁的场合。

2）等式右边齿数比前面的符号表示转化轮系中，〃与〃轮之间的转向关系，计算过程中，

式中的“+”与号一定不能省略。

3）此式多用于求解防、初、即或者各个齿轮的齿数中的未知数。

4）此式中的，北指的转化轮系中齿轮m与n的传动比。在用此式将未知数求解后，能够

求解周转轮系中的传动比，

假如我们研究的是行星轮系，则其中一个中心轮（设为〃轮）为固定轮，即以=0,则:

即:

§5.4复合轮系及其传动比

复合轮系是指轮系中既有周转轮系部分，又有定轴轮系部分，因此计算的关键是，正确

分解周转轮系与复合轮系，分别列出计算方程式，然后联立解出所要求的传动比。分解轮系

的关键在于正确找出各个基本的周转轮系。找周转轮系的通常步骤是：

I.找行星轮：即找轴线位置不固定的齿轮；

2.确定行星架：支撑行星轮运转的构件；

3.找中心轮：直接与行星轮相啮合的定轴齿轮。将周转轮系分出来后，剩下的就是定轴轮

系了。

§5.5轮系的应用

1.实现分路传动

2.获得较大传动比

3.实现变速传动

4.实现换向传动

5.用作运动的合成

6.用作运动的分解

7.在尺寸及重量较小的条件下，实现大功率传动

第9章机械零件设计概述

本章基本要求与重点

1.本章基本要求

（1）熟悉机械零件设计的基本要求与设计步骤；

（2）掌握零件失效的概念；

（3）掌握机械零件强度计算中载荷、应力的种类及相应的强度设计准则;

（4）熟悉接触强度及其设计准则；

（5）熟悉机械零件磨损的要紧类型、耐磨性设计准则；

（6）掌握机械制造常用材料及其选择原则；

（7）熟悉机械零件工艺性与标准化的概念。

2.本章重点

（1）变应力的种类

（2）变应力作用下零件的要紧失效形式。

3.本章难点

变应力的循环特性。

要紧知识点归纳

§9.1机械零件设计概述

9.1.1基本概念

失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时的现象。

零件的失效形式很多：

1.因强度不够发生断裂或者塑性变形；

2.因刚度不够而产生过大的弹性变形；

3.因耐磨性不足或者润滑不良而使工作表面过度磨损或者损伤；

4.因长细比（也称柔度）过大稳固性不足而发生失稳；

5.因失去振动稳固性而发生强烈的振动（或者共振）、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。

机械零件的工作能力：在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。对载荷而言,

称之承载能力；对磨损而言，称耐磨性。

9.1.2机械零件设计的计算准则

机械零件尽管有多种可能的失效形式，但归纳起来最要紧的是强度、刚度、耐磨性、稳

固性与温度的影响等几个方面的问题。

当强度为要紧问题时，按强度条件判定，即工作应力W许用应力；

当刚度为要紧问题时，按刚度条件判定，即变形量W许用变形量。

判定条件可概括为：计算量W许用量。

9.1.3机械零件设计的通常步骤

机械零件的设计计算常按下列步骤进行：

1）拟定零件的计算简图

2）确定作用在零件上的载荷

3）选择合适的材料

4）根据零件可能出现的失效形式，选用相应的判定条件

5）确定零件的形状与要紧尺寸

6）绘制工作图并标注必要的技术条件。

校核计算：参照实物（或者图纸）与经验数据，初步拟定零件的结构与尺寸，然后根据

判定条件进行验算。

§9.2机械零件的强度

名义载荷：在理想的平稳条件下作用在零件上的载荷称.

载荷系数：考虑零件受到的各类附加载荷的作用、载荷大小随时间的不均匀性、分布的不均

匀性等因素的影响。

计算载荷：载荷系数K与名义载荷的乘积

名义应力：按照名义载荷求得的应力

计算应力：按照计算载荷求得的应力

机械零件强度判定条件：

㈤[o-]=-^-r<[r],[r]=^-

J»

式中：Gim、用m分别为极限正应力与极限切应力，S为安全系数。

9.2.1应力的种类

按照应力随时间变化的情况

静应力：不随时间变化

变应力：随时间周期性或者非周期性变化

变应力的参数：5na*、/山、/、5”、「

静应力非对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力

图9一1应力的分类

各类应力的特性参数参阅表9—1。关于在简单应力状态下工作的零件，可根据尸/A、

M/W、T/W”进行计算；关于在复杂应力状态下工作的零件，则应根据材料力学中所述的

强度理论进行计算。

表9-1应力的特性

应力性质平均应力CT,“应力幅。“循环特性r

静应力a=a=

n,max『in5,=。1

r_bfnax+bfnin(7-(y.

非对称循环变应力2-1<r<+1

ni42

%in

对称循环变应力(y=0“_°max_-1

m“22

£max__Gw

脉动循环变应力=0

/M2…2

9.2.2.静应力下的许用应力

3b3r

许用应力取决于应力的种类、零件材料的极限应力与安全系数等。

材料的极限应力通常都是在简单应力状态下用实验方法测出的。

静应力下，零件的损坏形式：断裂或者塑性变形。

关于塑性材料：取屈服强度极限做为极限应力CTlim=<TS

关于脆性材料：应取强度极限的作为极限应力，a,.m=

关于组织均匀的脆性材料，如淬火后低温回火的高强度钢，还应考虑应力集中的影响。

9.2.3变应力下的许用应力

变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。与静应力下零件的断裂不一致。

I）疲劳断裂的最大应力低于屈服极限；

2）无明显塑性变形的脆性突然断裂；

3）断口上明显地有两个区域：光滑区、粗糙区

4）疲劳断裂是损伤的积存的结果。

由于疲劳断裂裂纹扩展到一定程度后才发生的突然断裂，因此疲劳断裂与应力循环次数

（使用期限或者寿命）密切有关。因而许用应力就不能根据屈服极限或者强度极限来确定。

1.疲劳曲线

在循环特性r下的变应力，通过N次循环后，材料不发生破坏的应力最大值称之疲劳

极限。rN或者TrNo如图所示为表示应力。与应力循环次数N之间的关系曲线

图9-2疲劳寿命曲线

从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知，当循环次数N超过某一数值N。以后，曲线趋

向水平，即能够认为在“无限次”循环时试件将不可能断裂。

应力的循环特性为r,循环变应力循环N次后材料不发生疲劳破坏的最大应力。力V，称之

有限寿命疲劳极限。与循环基数NO相对应的疲劳极限，简写为＜.疲劳曲线方程为:

*N=b7N°=C

2.许用应力

当应力是对称循环变应力时，S[J血

当应力是脉动循环变应力时，“防

kjS

§9.3机械零件的接触强度

依靠表面接触工作的零件，如齿轮传动、滚动轴承、摩擦离合器等，它们的工作能力不

仅与整体强度有关，还与接触表面的强度有关。

初始疲劳裂纹

1

图9-3机械零件的点蚀

商副零件工作时理论上是点接触或者线接触，实际上由于接触部分的局部弹性变形而形

成面接触，由于接触面积很小，使表层产生的局部应力却很大，该应力称之接触应力；在表

面接触应力作用下的零件强度称之接触强度。接触应力的计算（H.Hertz公式）：

接触强度不足时的失效形式

静应力作用下：脆性材料一表面压碎

塑性材料一表面塑性变形

变应力：疲劳点蚀

§9.4机械零件的耐磨性

磨损：摩擦表面物质不断块失的现象

耐磨性：零件的抗磨损能力

磨损的要紧类型：

磨粒磨损

粘着磨损（胶合）

疲劳磨损（点蚀）

腐蚀磨损

有用耐磨计算：

1.限制运动副的压强PpW[p]

式中Ip]一—是由实验或者同类机器使用经验确定的许用压强。

2.限制运动副单位时间单位接触面积的发热量pv。在摩擦系数一定的情况下，

pvW【pv]

§9.7机械密件的工艺性及标准化

9.7.1工艺性

在一定的生产规模与生产条件下，花费劳动量最小，加工费用最少（工时少、设备少）

的零件，就认为具有良好的工艺性。

工艺性的基本要求：

1）毛坏选择合理

2）结构简单合理

3）规定适当的制造精度及表面粗糙度。

9.7.2标准化

标准化一一是指以制订标准与贯彻标准为要紧内容的全部活动过程。

对产品实行标准化具有重大的意义：

一一在制造上能够实行专业化大量生产，既可提高产品质量又能降低成本；

——在设计方面可减少设计工作量，缩短设计周期；

——在管理维修方面，可减少库存量与便于更换损坏的零件。

标准的分类：

我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准与企业标准四级。

第10章联接

本章基本要求与重点

1.本章基本要求

（1）掌握联接的作用；

（2）掌握螺纹联接的类型；

（3）掌握螺纹的基本参数（大径、小径、螺距、导程等）；

（4）掌握螺纹联接承受轴向与横向外载荷时的强度计算；

（5）掌握键联接的类型与设计方法；

（6）熟悉花键联接的特点。

2.本章重点

（1）螺纹联接的大径、小径的概念及其在不一致场合的应用;

（2）紧螺栓联接的强度计算

（3）螺纹联接防松的意义与方法

3.本章难点

（1）普通紧联接承受轴向工作载荷时的强度计算。

（2）较制孔螺栓联接的剪切与挤压强度计算。

要紧知识点归纳

基本要求：

§10.1螺纹参数

10.1.1螺纹的类型与分类

按照平面图形的形状：螺纹分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹与锯齿形螺纹等。

按照螺旋线的旋向：螺纹分为左旋螺纹与右旋螺纹。机械制造中通常使用右旋螺纹，有

特殊要求时，才使用左旋螺纹。

按照螺旋线的数目：螺纹还分为单线螺纹与多线螺纹，为了制造方便，螺纹的线数通常

不超过4。

按功能：联接螺纹；传动螺纹，调节螺纹，堵塞螺纹等

按标准：公制螺纹，英制螺纹

螺纹有内螺纹与外螺纹之分，两者旋合构成螺旋副或者称螺纹副。

按照母体形状，螺纹分为圆柱螺纹与圆锥螺纹。

10.1.2螺纹的基本参数：

以圆柱螺纹为例，

大径d、D中径d2、D2小径dl、D1线数n螺距P导程S螺纹升角中

牙型角a牙型斜角p（牙侧角）工作高度——H

图10-1螺纹的基本参数

§10.2机械制造常用螺纹

10.2.1三角形螺纹

普通螺纹：多用于紧固联接，a=60°以大径d为公称直径。同一公称直径能够有多种

螺距，螺距最大的称之粗牙螺纹，其余都称之细牙螺