基础知识

机械零件的主要失效形式

  1. 过载断裂和疲劳断裂
  2. 变形过大
  3. 表面破坏：磨损，点蚀，冷胶合，热胶和

表面处理

  1. 表面淬火
  2. 化学处理，例如渗碳

摩擦类型

  1. 干摩擦
  2. 边界摩擦
  3. 流体摩擦
  4. 混合摩擦

磨损类型

  1. 黏着磨损
  2. 磨粒磨损
  3. 表面疲劳磨损
  4. 腐蚀磨损

润滑剂 固体、半固体（润滑脂）、液体（润滑油）和气体。

运动副，自由度和约束。运动链和机构。

自由度的计算

  1. 未构成运动副的构件有3个自由度
  2. 每个高副引入一个约束，每个低副引入两个约束
  3. 某个构件不影响其它构件的运动为局部自由度
  4. 虚约束对机构运动不起限制作用，但可以改善受力情况

原动件数目等于机构的自由度时，机构才具有确定的运动。

第一章 运动与传动

第一节 平面四连杆机构

基本形式
  1. 曲柄摇杆机构
  2. 双曲柄机构
  3. 双摇杆机构
演化形式
  1. 曲柄滑块机构
  2. 导杆机构：曲柄转动导杆机构，曲柄摆动导杆机构，摇块机构，移动导杆机构
  3. 偏心轮机构
急回特性和行程速比系数

曲柄等速转动，摇杆往复摆动的平均速度不同，这种运动特性称为急回特性。

压力角和传动角

传动角越大，压力角越小，传力性能越好。压力角和传动角互余。传递功率较大时，应使最小传动角更较大。

死点位置

原动件对从动件的力矩为零的位置为机构的死点位置。可以通过从动件的惯性 或者机构错位排列的方式通过死点。

第二节 凸轮机构

分类
  1. 盘型凸轮
  2. 移动凸轮
  3. 圆柱凸轮
基本术语
  1. 基圆
  2. 推程，回程，行程
  3. 推程角，回程角，远休止角，近休止角
  4. 从动件的位移
从动件运动规律

多项式类运动规律

  1. 一次多项式(等速运动规律)：位移为凸轮转角的一次函数；刚性冲击
  2. 二次多项式(等加速等减速运动规律)：位移为凸轮转角的二次函数；柔性冲击。
  3. 五次多项式运动规律：无冲击，运动平稳性号，适用于高速凸轮机构

三角函数类运动规律

  1. 简谐运动(余弦加速度运动规律)：柔性冲击，中速中载
  2. 摆线运动规律(正弦加速度运动规律)：无冲击，适用于高速场合

运动规律组合原则

  1. 在行程的起点和终点处，有较好的边界条件
  2. 运动规律的连接点处，应满足位移、速度、加速度甚至更高阶导数的连续条件，以减少冲击
从动件运动规律选择与设计原则
  1. 从动件的最大速度应尽量小
  2. 从动件的最大加速度应尽量小，且无突变
  3. 从动件的最大跃度应尽量小。跃度是加速度的一阶导数，反映了惯性率的变化率，直接影响机构的振动和运动平稳性。
压力角和基本尺寸的确定

基圆半径越大，压力角越小，应使运动过程中的最大压力角小于许用压力角。滚子半径越大，强度越高，但更可能出现运动失真。

第三节 间歇运动机构

棘轮机构

不能传递较大的力。齿式棘轮的棘爪在齿背上的滑行引起噪声、冲击和磨损，不宜用于高速，摩擦式棘轮传动平稳、无噪声，但接触表面容易发生华东，传动精度不高，适用于低速轻载场合。应用有棘条式千斤顶、卷扬机制动机构等。

槽轮机构

加速度变化较大，冲击较严重，不适用于高速。

不完全齿轮机构

很容易实现一个周期中多次动、停时间不等的间歇运动。缺点是加工复杂，在进入和退出时会因速度突变产生刚性冲击。不宜用于高速转动，且主从动轮不能互换。

第四节 齿轮传动

类型
  1. 平面齿轮传：直齿圆柱齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动，人字齿轮传动
  2. 空间齿轮：圆锥齿轮传动，蜗杆传动，交错轴斜齿轮传动
齿廓啮合的基本定律

一堆齿轮的啮合传动相当于它们的节圆作纯滚动。相互接触并能实现预定传动比要求的一堆齿廓称为共轭齿廓。渐开线时定传动比齿轮传动中最常用的齿廓曲线。

渐开线齿廓
  1. 性质：渐开线在基圆上的点的曲率半径为零，基圆内没有渐开线；基圆半径越小，渐开线越弯曲。
  2. 啮合特性：瞬时传动比恒定不变；中心距变动不影响传动比；啮合线是一条直线；不计齿面摩擦时，齿面间作用力始终沿接触点的公法线方向；传递转矩一定时，齿面间的作用力大小也不变。
渐开线齿轮的基本参数
  1. 各部分名称：齿顶圆、齿根圆、分度圆、基圆；齿厚、齿槽宽、齿距；齿顶高、齿根高、齿高；法向齿距。
  2. 基本参数：齿数，齿轮分度圆模数，压力角(20°或15°)，齿顶高系数，顶隙系数
渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动
  1. 啮合条件：模数和压力角相等。
  2. 连续传动条件：实际啮合线段长度大于等于齿轮的法向齿距，即重合度大于1。重合度越大，传动越平稳。增加齿数和齿顶高系数可增大重合度。
标准齿轮安装
  1. 齿侧间隙通常由加工制造时齿轮公差保证。按照无侧隙啮合计算齿轮的几何尺寸和中心距。
  2. 顶隙能够存储润滑油
渐开线齿轮轮齿的加工

加工方法

  1. 仿形法：生产率和精度低，简单
  2. 范成法：利用一对齿轮在啮合传动时，齿廓互为包络线的原理。

根切
刀具顶部把被加工齿轮齿根部已经切制出来的渐开线齿廓切去一部分，称为根切。加工标准齿轮不出现根切应满足最小齿数要求。

变位齿轮

  1. 变位齿轮和同参数标准齿轮的渐开线相同。
  2. 高变位齿轮传动：适当选择变位系数，可使大小两齿强度趋于相等，改善承载能力和磨损情况。小齿轮齿顶易变尖，重合度比标准齿轮略小。
  3. 正传动：可提高承载能力；重合度降低；需校验齿顶厚度
  4. 负传动：除凑配中心距外，一般不采用
平行轴斜齿轮圆柱齿轮机构
  1. 特点：斜齿轮的轮齿时逐渐进入啮合，又逐渐脱离啮合。因此，传动平稳，冲击、振动、噪声小，重合度大，承载能力强，结构紧凑，会产生轴向推力。
  2. 基本参数：螺旋角，渐开线相关参数分为端面参数和法面参数
直齿圆锥齿轮机构

分类

  1. 正常收缩齿锥齿轮：齿顶圆锥、分度圆锥、齿根圆锥交于一点，顶隙由大端至小端逐渐收缩。小端润滑较差。
  2. 等顶隙收缩齿锥齿轮：分度圆锥于齿根圆锥交于一点，齿顶圆锥位于它们之下，顶隙由大端至小端相等。
齿轮传动的失效形式
形式 说明 原因 改善方案
齿轮折断 分为弯曲疲劳折断和过载折断 齿根强度不足 强化齿根；增大模数，减小齿根处应力集中
齿面点蚀 闭式齿轮传动最常见的失效形式；首先出现在轮齿节线附近 齿面接触疲劳强度不足；接触应力大；不易形成油膜 增加润滑油；减低表面粗糙度
齿面磨损 开式齿轮最常见的失效形式；硬颗粒进入齿面引起   改善润滑和密封
齿面胶合   齿面温度过高或压力过大 抗胶合材料或抗胶合润滑剂
齿面塑性变形   齿面材料沿着摩擦力防线发生塑性流动 提高齿面硬度
齿轮传动润滑
  1. 大齿轮浸入润滑油中，适用于齿轮圆周速度小于12m/s
  2. 喷油润滑，适用于齿轮圆周速度大于12m/s
  3. 人工定期加入润滑油

第五节 蜗杆传动

特点

蜗杆传动是由我敢和涡轮组成的，常用于传递两根交错轴之间的运动和动力。传动比大，常用传动比为10~80。摩擦磨损较严重，发热大，传动效率低。传动平稳，噪声小。齿面间滑动速度大。

几何尺寸

蜗杆的轴面模数、涡轮的端面模数和压力角应该取标准值。阿基米德圆柱蜗杆传动的标准压力角规定为20°。
蜗杆的齿数通常很小，一般为1~4，较低时，传动比大，效率低，较大时，传动效率和承载力更好。
分度圆直径为标准值，以减少加工需要的滚刀的数量。导程角时影响传动效率的关键因素。。

自锁

当涡轮为主动，且导程角小于齿面当量摩擦角时，啮合效率为负值。即蜗杆传动发生自锁。这种蜗杆传动，当蜗杆为主动时传动效率极低。通常小于50%。蜗杆的自锁性常被用于和张提升设备、电梯、卷扬机等起重机械中，起安全保护作用。

设计
  1. 失效形式
    • 润滑不充分或散热不好，可能破坏油膜导致磨损和胶合
    • 开式传动更易磨损
    • 蜗杆轮齿强度较高直径较小。沿轴线方向长，容易出现刚度不足而影响啮合。
  2. 材料选择：足够的强度，良好的耐磨性能和抗胶合能力。
  3. 润滑方式：粘度较大的矿物油。根据滑动速度的变大，应该依次选择浸油润滑、部分浸入和喷油润滑。

第六节 带传动

带传动时一种通过中间挠性带，将主轴上的运动和动力传递给从动轴的机械传动形式，分为摩擦型和啮合型两种类型。摩擦型传动可分为平带传动、V带传动、多楔带传动、圆带传动。摩擦型带传动在过载时打滑，对其他机件起到安全保护作用。

带的应力
  1. 由拉力产生的拉应力
  2. 由离心力产生的拉应力
  3. 由弯曲产生的弯曲应力 带上的最大应力发生在带的紧边进入小带轮处。
    打滑
    • 打滑首先始于小带轮。
    • 弹性滑动是摩擦型带传动的特有现象，不可避免。
    • 带传动的滑动比一般为1%~2%。
      张紧装置
    • 定期张紧装置
    • 自动张紧装置
    • 利用张紧轮

第七节 轮系

分类
  1. 定轴轮系：通过多级齿轮传动实现较大的传动比。
  2. 周转轮系：自由度为1则为行星轮系，自由度为2则为差动轮系。可实现很大的传动比。
    主要功能
    • 轮系可以获得大的传动比。
    • 实现变速、变向传动：通过轮系的不同传动路线，得到不同的挡位
    • 实现运动的合成与分解： 例如差速器将主轴的转动分解为两个后轮的不同转动
    • 使一个主动构件同时带动若干个从动构件，实现分路传动

第八节 其它常见传动

链传动

瞬时传动比不恒定、平稳性差，产生噪声和冲击。有滚子链和齿形链两种传动类型。滚子链与链轮齿之间不是共轭啮合，齿形链和链轮齿之间是啮合关系。

摩擦传动

由两个互相压紧的摩擦轮及压紧装置等组成，依靠摩擦传递运动和动力。主动轮在进入区段受到压缩，在离开区段受到拉伸，从动轮则相反，从而导致不可避免的弹性滑动。

无级变速传动

摩擦式无级变速可在较大变速范围内具有传递恒定功率的特性。

螺旋传动

  1. 螺旋传动按用途可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。 传力螺旋：传力螺旋要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般间歇性工作，工作速度低，通常具有自锁能力，常用于起重或加压装置。 传导螺旋：以传递运动为主，有时承受较大的轴向力，连续工作，工作速度高，较高的传动精度，例如机床进给机构的螺旋。 调整螺旋：主要用于调整、固定零件的相对位置，不经常转动，一般在空载下调整。

  2. 按照螺旋副的摩擦性质，可分为滑动螺旋、滚动螺旋(滚珠丝杠)和静压螺旋。

第二章 连接与支撑

第一节 连接

螺纹连接

主要几何尺寸

  1. 基本大径，基本小径，基本中径
  2. 线数
  3. 螺距
  4. 导程
  5. 升角，牙型角，牙型斜角

连接类型

  1. 螺栓连接
  2. 双头螺柱连接
  3. 螺钉连接
  4. 紧定螺钉连接

常用紧固件

  1. 螺栓：六角头螺栓
  2. 双头螺柱
  3. 螺钉：紧定螺钉(锥端、平端、圆柱端)
  4. 螺母：六角螺母，圆螺母(常与止动垫圈配用)
  5. 垫片/垫圈

防松

  1. 摩擦防松：对顶螺母，弹簧垫圈
  2. 机械防松：开口销，止动垫圈
  3. 卯冲防松

失效

  • 受拉螺栓的主要失效形式
    • 在轴向静载荷的作用下，螺栓的失效多为螺纹部分的塑性变形和断裂
    • 在轴向变载荷的作用下，螺栓的失效多为螺栓的疲劳断裂、毁坏的地方是截面有剧烈变化而有应力集中之处。
    • 精度低或经常装拆，还叫你发生滑动失效
  • 受剪螺栓连接的主要失效形式
    • 螺栓杆和孔壁相接触的表面被压溃

提高螺栓强度

  • 应力幅越小，螺栓越不容易发生疲劳破坏
  • 适当增加螺栓长度以减小螺栓的刚度
  • 在螺母下安装弹性元件
  • 为增大被连接件的刚度，可以不用垫片或采用刚度较大的垫片
  • 改善螺纹牙间载荷分布不均的现象：悬置螺母，环槽螺母，内斜螺母
  • 减小应力集中
  • 避免附加弯曲应力：支承面不平，螺母孔不正
键连接

键连接主要用于轴和轴上零件的连接，实现周向固定以传递转矩。可分为平键、半圆键、楔键和花键等。

平键
上下面为非工作面，无预紧力，侧面为工作面。不同类型平键的作用：

  1. 普通平键
  2. 导向平键：需要轴向移动的场合；较长，用螺钉固定在轴的键槽中
  3. 滑键：需要轴向移动的场合；固定在轮毂上

半圆键
侧面为工作面。轴上的键槽较深，削弱了轴的强度，一般只用于轻载。

楔键
工作时靠预紧力产生的摩擦力来传递转矩，上下面是工作面。楔键的上表面和键槽的地面有1:100的斜度，因此楔键承受单方面的轴向力，可对轮毂产起到单方面的轴向固定作用。预紧力会使轴和传动件产生偏心和偏斜。

花键
受载均匀；键齿数较多，可承受较大的载荷；轴上零件与轴的对中性号；导向性好。有矩形花键和渐开线花键两种，且均已标准化。

销和过盈连接

用于固定零件之间的相对位置，称为定位销；用于连接，称为连接销，可传递不大的载荷；作为安全装置中的过载剪断元件，称为安全销。

销有圆柱销、圆锥销、槽销等，均已标准化。

圆柱销靠过盈配合固定在销孔中，多次拆装会影响定位精度。圆锥销在受横向力时自锁，定位精度高。

圆柱过盈连接和圆锥过盈连接可用高压油进行拆装。

第二节 轴

分类

心轴、传动轴和转轴。

结构设计

主要要求

  • 便于拆装和调整
  • 轴上零件定位准确，固定可靠
  • 良好的加工和装配工艺性
  • 受力合理，减少应力集中 轴上零件的定位与固定
    1. 轴向定位：利用轴本身的结构或附加零件，如套筒、圆螺母、轴端挡圈、弹性挡圈及紧定螺钉
    2. 周向定位：键、花键、销、弹性环、紧定螺钉、型面以及过盈连接。
      工艺性
  • 圆角和倒角
  • 砂轮越程槽和螺纹退刀槽
  • 键槽应在同一母线，以减少装夹工具的时间

第三节 联轴器、离合器

联轴器用于轴之间的连接，以实现不同轴之间运动和动力的传递。必须停车拆卸才能分离两轴。

离合器是在机器运转总将传动系统随时分离或接合。主要可分为嵌入式和摩擦式两类。

第三节 滑动轴承

高速、高精度、重载场合，例如大型电机，低速但有冲击的场合，例如破碎机、水泥搅拌机。

滑动轴承的典型结构
  1. 径向滑动轴承
  2. 止推滑动轴承，用来承受轴向载荷。
失效形式

主要失效形式为磨损和胶合，有时为疲劳损伤和刮伤。

第四节 滚动轴承

易于互换，可通过预紧提高轴承的刚度和旋转精度。抗冲击能力较差，高速时有噪声。工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。可分为球轴承和滚子轴承。

主要类型
  • 调心球轴承：极限转速高
  • 调心滚子轴承
  • 圆锥滚子轴承
  • 推力球轴承：只能承受轴向载荷
  • 深沟球轴承
  • 角接触球轴承
  • 圆柱滚子轴承：只能承受径向载荷，且径向载荷承载能力大，极限转速高
  • 滚针轴承：只能承受径向载荷，且径向载荷承载能力大，极限转速低
滚动轴承的组合设计

轴系的轴向固定

  1. 两端单向固定：支承跨距小、温升不高的场合。在一端轴承外圈端面和轴承盖之间留出热膨胀间隙以补偿轴的热伸长。
  2. 一端双向固定，一端游动：支承跨距大，温升高，因而轴受热伸长较大的场合 滚动轴承的轴向固定
  3. 内圈固定方法：弹性挡圈、轴端挡圈、圆螺母加止动螺母。
  4. 外圈固定方法：孔用弹性挡圈、轴承盖、螺纹环。