機械設計的基礎知識

　　在我們平凡無奇的學生時代，不管我們學什么，都需要掌握一些知識點，知識點就是學習的重點。那么，都有哪些知識點呢？以下是小編整理的機械設計的基礎知識，僅供參考，大家一起來看看吧。

　　機械設計（machine design），根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。

　　機械設計的基礎知識

　　零件：獨立的制造單元

　　構件：獨立的運動單元體

　　機構：用來傳遞運動和力的、有一個構件為機架的、用構件間能夠相對運動的連接方式組成的構件系統

　　機器：是執行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料、信息

　　機械：機器和機構的總稱

　　機構運動簡圖：用簡單的線條和符號來代表構件和運動副，并按一定比例確定各運動副的相對位置，這種表示機構中各構件間相對運動關系的簡單圖形稱為機構運動簡圖

　　運動副：由兩個構件直接接觸而組成的可動的連接

　　運動副元素：把兩構件上能夠參加接觸而構成的運動副表面

　　運動副的自由度和約束數的關系f=6-s

　　運動鏈：構件通過運動副的連接而構成的可相對運動系統

　　高副：兩構件通過點線接觸而構成的運動副

　　低副：兩構件通過面接觸而構成的運動副

　　平面運動副的最大約束數為2，最小約束數為1；引入一個約束的運動副為高副，引入兩個約束的運動副為平面低副

　　平面自由度計算公式：F=3n-2PL-PH

　　機構可動的條件：機構的自由度大于零

　　機構具有確定運動的條件：機構的原動件的數目應等于機構的自由度數目

　　虛約束：對機構不起限制作用的約束

　　局部自由度：與輸出機構運動無關的自由度

　　復合鉸鏈：兩個以上構件同時在一處用轉動副相連接

　　速度瞬心：互作平面相對運動的兩構件上瞬時速度相等的重合點。若絕對速度為零，則該瞬心稱為絕對瞬心

　　相對速度瞬心與絕對速度瞬心的相同點：互作平面相對運動的兩構件上瞬時相對速度為零的點；不同點：后者絕對速度為零，前者不是

　　三心定理：三個彼此作平面運動的構件的三個瞬心必位于同一直線上

　　機構的瞬心數：N=K(K-1)/2

　　機械自鎖：有些機械中，有些機械按其結構情況分析是可以運動的，但由于摩擦的存在卻會出現無論如何增大驅動力也無法使其運動

　　曲柄：作整周定軸回轉的構件；

　　連桿：作平面運動的構件；

　　搖桿：作定軸擺動的構件；

　　連架桿：與機架相聯的構件；

　　周轉副：能作360?相對回轉的運動副

　　擺轉副：只能作有限角度擺動的運動副。

　　鉸鏈四桿機構有曲柄的條件：

　　1.最長桿與最短桿的長度之和應≤其他兩桿長度之和，稱為桿長條件。

　　2.連架桿或機架之一為最短桿。

　　當滿足桿長條件時，其最短桿參與構成的轉動副都是整轉副。

　　鉸鏈四桿機構的三種基本形式：

　　1.曲柄搖桿機構

　　取最短桿的鄰邊為機架

　　2.雙曲柄機構

　　取最短桿為機架

　　3.雙搖桿機構

　　取最短桿的對邊為機架

　　在曲柄搖桿機構中改變搖桿長度為無窮大而形成曲柄滑塊機構

　　在曲柄滑塊機構中改變回轉副半徑而形成偏心輪機構

　　急回運動：當平面連桿機構的原動件（如曲柄搖桿機構的曲柄）等從動件（搖桿）空回行程的平均速度大于其工作行程的平均速度

　　極位夾角：機構在兩個極位時原動件AB所在的兩個位置之間的夾角θ

　　θ=180°（K-1）/(K+1)

　　行程速比系數：用從動件空回行程的平均速度V2與工作行程的平均速度V1的比值

　　K=V2/V1=（180°+θ）/(180°—θ)

　　平面四桿機構中有無急回特性取決于極為夾角的大小

　　θ越大，K就越大急回運動的性質也越顯著；θ=0，K=1時，無急回特性

　　具有急回特性的四桿機構：曲柄滑塊機構、偏置曲柄滑塊機構、擺動導桿機構

　　壓力角：力F與C點速度v正向之間的夾角（銳角）α

　　傳動角：與壓力角互余的角（銳角）γ

　　曲柄搖桿機構中只有取搖桿為主動件時，才可能出現死點位置，處于死點位置時，機構的傳動角γ為0

　　死點位置對傳動雖然不利，但在工程實踐中，有時也可以利用機構的死點位置來完成一些工作要求

　　剛性沖擊：出現無窮大的加速度和慣性力，因而會使凸輪機構受到極大的沖擊（如從動件為等速運動）

　　柔性沖擊：加速度突變為有限值，因而引起的沖擊較小（如從動件為簡諧運動）

　　在凸輪機構機構的幾種基本的從動件運動規律中等速運動規律使凸輪機構產生剛性沖擊，等加速等減速，和余弦加速度運動規律產生柔性沖擊，正弦加速度運動規律則沒有沖擊

　　在凸輪機構的各種常用的推桿運動規律中，等速只宜用于低速的情況；等加速等減速和余弦加速度宜用于中速，正弦加速度可在高速下運動

　　凸輪的基圓：以凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑所繪的圓稱為基圓

　　凸輪的基圓半徑是從轉動中心到凸輪輪廓的最短距離，凸輪的基圓的半徑越小，則凸輪機構的壓力角越大，而凸輪機構的尺寸越小

　　凸輪機構的壓力角α：從動件運動方向v與力F之間所夾的銳角

　　偏距e：從動件導路偏離凸輪回轉中心的距離

　　偏距圓：以e為半徑，以凸輪回轉中心為圓心所繪的圓

　　推程：從動件被凸輪輪廓推動，以一定運動規律由離回轉中心最近位置到達最遠位置的過程

　　升程h：推程從動件所走過的距離

　　回程：從動件在彈簧或重力作用下，以一定運動規律，由離回轉中心最遠位置回到起始位置的過程

　　運動角：凸輪運動時所轉的角度

　　齒廓嚙合的基本定律：相互嚙合傳動的一對齒輪，在任一位置時的傳動比，都與其連心線O1O2被其嚙合齒廓在接觸點處的公法線所分成的兩線段長成反比

　　漸開線：當直線BK沿一圓周作純滾動時直線上任一一點K的軌跡AK

　　漸開線的性質：

　　1、發生線上BK線段長度等于基圓上被滾過的弧長AB

　　2、漸開線上任一一點的發線恒于其基圓相切

　　3、漸開線越接近基圓部分的曲率半徑越小，在基圓上其曲率半徑為零

　　4、漸開線的形狀取決于基圓的大小

　　5、基圓以內無漸開線

　　6、同一基圓上任意弧長對應的任意兩條公法線相等

　　漸開線齒廓的嚙合特點：

　　1、能保證定傳動比傳動且具有可分性

　　傳動比不僅與節圓半徑成反比，也與其基圓半徑成反比，還與分度圓半徑成反比

　　I12=ω1/ω2=O2P/O1P=rb2/rb1

　　2、漸開線齒廓之間的正壓力方向不變

　　漸開線齒輪的基本參數：模數、齒數、壓力角、（齒頂高系數、頂隙系數）

　　模數：人為規定：m=p/π只能取某些簡單值。

　　分度圓直徑：d=mz， r = mz/2

　　齒頂高：ha=ha*m

　　齒根高：hf=(ha*+c*)m

　　齒頂圓直徑：da=d+2ha=(z+2ha*)m

　　齒根圓直徑：df=d-2hf=(z-2ha*-2c*)m

　　基圓直徑：db= dcosα= mzcosα

　　齒厚和齒槽寬： s=πm/2 e=πm/2

　　標準中心距：a=r1+ r2=m(z1+z2)/2

　　一對漸開線齒輪正確嚙合的條件：兩輪的模數和壓力角分別相等

　　一對漸開線齒廓嚙合傳動時，他們的接觸點在實際嚙合線上，它的理論嚙合線長度為兩基圓的內公切線N1N2

　　漸開線齒廓上任意一點的壓力角是指該點法線方向與速度方向間的夾角

　　漸開線齒廓上任意一點的法線與基圓相切

　　切齒方法按其原理可分為：成形法（仿形法）和范成法。

　　根切：采用范成法切制漸開線齒廓時發生根切的原因是刀具齒頂線超過嚙合極限點N1（標準齒輪不發生根切的最少齒數直齒輪為17、斜齒輪為14）

　　重合度：B1B2與Pb的比值ε；

　　齒輪傳動的連續條件：重合度ε大于等于1

　　變位齒輪：

　　以切削標準齒輪時的位置為基準，刀具的移動距離xm稱為變位量，x稱為變為系數，并規定刀具遠離輪坯中心時x為正值，稱正變位；刀具趨近輪坯時x為負值，稱負變位。

　　變位齒輪的齒距、模數、壓力角、基圓和分度圓保持不變，但分度線上的齒厚和齒槽寬不在相等

　　齒厚：s=πm/2+ 2xmtgα

　　齒槽寬：e=πm/2－2xmtgα

　　斜齒輪：

　　一對斜齒圓柱齒輪正確嚙合的條件：

　　mn1=mn2，αn1=αn1外嚙合:β1＝-β2

　　或mt1=mt2，αt1＝αt2外嚙合:β1＝-β2

　　法面的參數取標準值，而幾何尺寸計算是在端面上進行的

　　模數：mn=mtcosβ

　　分度圓直徑：d=zmt=z mn/ cosβ

　　斜齒輪當量齒輪定義：與斜齒輪法面齒形相當的假想的直齒圓柱齒輪稱為斜齒輪當量齒輪

　　當量齒數：Zv=Z/cos3β

　　輪系：一系列齒輪組成的傳動系統

　　定軸輪系：如果在輪系運轉時其各個輪齒的軸線相對于機架的位置都是固定的

　　周轉輪系：如果在連續運轉時，其中至少有一個齒輪軸線的位置并不固定，而是繞著其它齒輪的固定軸線回轉

　　復合輪系：定軸輪系+周轉輪系

　　自由度為1的周轉輪系稱為行星輪系，自由度為2的周轉輪系稱為差動輪系

　　定軸輪系的傳動比等于所有從動輪齒數的連乘積與所有主動輪齒數的連乘積的比值

　　i1m＝(-1)m所有從動輪齒數的乘積/所有主動輪齒數的乘積

　　周轉輪系傳動比：

　　或

　　中介輪：不影響傳動比的大小而僅起著中間過渡和改變從動輪轉向的作用

　　復合輪系傳動比的計算：

　　1.分清輪系：先找軸線位置不固定的齒輪即行星輪，其軸就是行星架，與該齒輪直接嚙合且軸線位置固定的齒輪是中心輪，這就是一個基本周轉輪系，把所有周轉輪系分出后。剩下的就是定軸輪系

　　2.對周轉輪系和定軸輪系分別列傳動比計算公式及周轉輪系與定軸輪系的聯系方程式

　　3.聯立上述公式求解

　　間歇運動機構：

　　止回棘爪作用：防止棘輪反轉

　　槽輪機構運動特性系數：

　　為了保證槽輪運動，槽輪機構的槽數應大于等于3

　　機械運轉速度波動的調節：

　　機械運轉速度波動的調節目的：是使機械的轉速在允許范圍內波動，而保證正常工作。

　　調節周期性速度波動的常用方法是在機械中加上一個轉動慣量很大的回轉件—飛輪。

　　裝在主軸上飛輪的轉動慣量：

　　機械運轉速度不均勻系數：

　　由于J≠∞，而Amax和ωm又為有限值，故δ不可能

　　為“0”，即使安裝飛輪，機械運轉速度總是有波動的。

　　非周期性速度波動的調節，不能依靠飛輪進行調節，而用調節器進行調節。

　　回轉件的平衡：

　　平衡的目的：研究慣性力分布及其變化規律，并采取相應的措施對慣性力進行平衡，從而減小或消除所產生的附加動壓力、減輕振動、改善機械的工作性能和提高使用壽命。

　　靜平衡：回轉件可在任何位置保持靜止，不會自行轉動。

　　靜平衡條件：回轉件上各個質量的離心力的合力等于零。

　　動平衡：靜止和運動狀態回轉件都平衡。

　　動平衡條件：回轉件上各個質量離心力的合力等于零且離心力所引起的力偶距的合離偶距等于零。

　　需要指出的是動平衡回轉件一定也是靜平衡的，但靜平衡的回轉件卻不一定是動平衡的。

　　對于圓盤形回轉件，當D/b＞5（或b/D≤0.2）時通常經靜平衡試驗校正后，可不必進行動平衡。當D/b＜5（或b/D≥0.2）時或有特殊要求的回轉件，一般都要進行動平衡。

　　D—圓盤直徑 b—圓盤厚度

　　機械中的聯接

　　1、聯接分為：可拆聯接和不可拆聯接。

　　2、螺紋聯接分為：螺栓聯接、雙頭螺柱聯接、螺釘聯接。

　　3、螺紋聯接防松措施：摩擦防松、機械防松、永久防松。

　　4、銷聯接分類：定位銷、聯接銷、安全銷。

　　5、鍵聯接分為：平鍵聯接、半圓鍵聯接、花鍵聯接。

　　軸

　　1、軸功用分類：傳動軸、心軸、轉軸。

　　2、聯軸器分類：剛性聯軸器和撓性聯軸器。

　　3、軸承有：滑動軸承和滾動軸承；滑動軸承按承受載荷分為：向心軸承和推力軸承。

　　4、①含油軸承定義：一般將青銅、鐵或鋁等金屬粉末與石墨調勻，壓形成軸瓦，經高溫燒結，即得到類似陶瓷結構的非致密、多孔性軸瓦，把它在潤滑油中充分侵潤后，微孔中充滿了潤滑油，故稱為含油軸承。含油軸承用粉末冶金材料制成。②含油軸承特點：強度較低、不耐沖擊，結構簡單、價格便宜。

　　5、滾動軸承 :

　　優點：①、摩擦阻力小，起動靈敏，效率高，發熱少溫升低；②、軸向尺寸有利于整機機構的緊湊和簡化；③、徑向間隙小，并且可以用預緊方法調整間隙，因此旋轉精度高；④、潤滑簡單，耗油量小，維護保養方便；⑤、標準件，大批量生產供應市場，性價比高，使用更換也方便。

　　缺點：徑向尺寸較大，承受沖擊載荷的能力不高，高速運轉時聲響較大，工作壽命不長。

　　6、滾動軸承的組成：外圈、內圈、滾動體和保持架。

　　7、a、滾動軸承的代號：由前置代號、基本代號、后置代號；b、基本代號由軸承類型代號、尺寸系列代號、內徑代號組成。

　　8、滾動軸承結構形式：雙支點單向固定支承、單支點雙向固定支承、雙支點游動支承。

　　9、滾動軸承的密封分為：接觸式和非接觸式。

　　10、滑動軸承的基本形式：①整體式滑動軸承、②部分式滑動軸承、③調心式滑動軸承、④推力滑動軸承。

　　彈簧

　　1、彈簧的功用：a、緩和沖擊，吸收振動；b、控制運動；c、儲存和釋放能量；d、測量指示；e、維持彈性接觸。

　　2、彈簧按形狀分：螺旋彈簧、板彈簧、盤簧、碟形彈簧、環形彈簧。

　　3、a、彈簧的卷燒方法：冷卷和熱卷。b、圓柱螺旋彈簧的制造工序：卷繞成形、端部加工或掛鉤制作、熱處理。

　　機械構件構造運動

　　1、機構中的構件分為三種類型：機架，原動件，從動件。

　　2、機械中的構件之間既保持接觸，又能產生確定相對運動的可動聯接稱為運動副。

　　3、若運動副構件間的相對運動發生在同一平面或互相平行的平面內，則稱為平面運動副；否則為空間運動副。

　　4、平面運動副根據接觸形式的不同，分為平面低副和平面高副。

　　5、常見的空間運動副有：螺旋副、球面副。

　　6、低副按兩構件間相對運動形式可分為：轉動副和移動副。

　　7、日常生活中的低副和高副：

　　①、低副：門窗合頁、吊扇，接觸為面接觸，能承受較大載荷，磨損慢，壽命長，壓強低，故為低副；

　　②、高副：齒輪的嚙合、滾動軸承的滾珠跟環、火車輪與鋼軌之間、凸輪與推桿之間，接觸都為線或點接觸，壓強大，能夠實現較精確運動，制造要求高，故為高副。

　　10、鉸鏈四桿機構的三種基本形式

　　①曲柄搖桿機構（農用人力脫粒機、液體攪拌機、兒童游樂場中的搖馬、縫紉機）

　　②雙曲柄機構（火車車輪的聯動機構、雨傘）

　　③雙搖桿機構（電風扇搖頭機構、汽車刮水器）。

　　14、a、凸輪機構形狀分類：移動凸輪、盤形凸輪、圓柱凸輪；

　　15、b、按從動件形狀分類：尖頂從動件、滾子從動件、平底從動件；

　　16、c、按從動件的運動形式分類：直動從動件、擺動從動件。

　　17、常見的間歇運動機構：棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構。

　　18、帶傳動的特點：優點 ：

　　①、能夠緩和沖擊，吸收振動，傳動平穩，噪聲小；

　　②、結構簡單，維護和更換方便，成本低；

　　③、 能簡便實現大中心距間的傳動 ；

　　④、過載時傳送帶會在輪子上打滑，避免機器損壞。

　　缺點 ：

　　①、帶傳動不能保證精確不變的傳動比；

　　②、機械傳動效率低；

　　③、軸與軸受到較大的徑向力對機器運行不利。

　　①V帶構造：分簾布芯結構和線芯結構，均有頂膠層(1)、抗拉層(2)、底膠層(3)和包布層(4)；

　　②中性層：位于頂膠層與底膠層之間，長度、寬度不因V帶在帶輪上繃緊而變化的層；

　　③節面寬度：V帶中性層的寬度；

　　④V帶輪按其基準直徑的大小不同有三種：實心式、輻板式、輻條式。

　　機械傳動　　

　　1、帶傳動的主要失效形式:帶的疲勞損壞和打滑。

　　2、帶傳動的主要類型：平帶傳動、V帶傳動、圓帶傳動和同步帶傳動。

　　3、鏈傳動的特點：優點：①嚙合傳動，能保證平均傳動比恒定；②不需要初始拉緊力，基本不產生軸彎曲力；③強度比帶傳動大，可以傳遞更大的載荷；④適應性強，可以用于工作條件惡劣的場合。缺點：①不能像齒輪那樣保證瞬時傳動比恒定； ②噪聲和振動較大； ③制造、安裝要求比帶傳動高； ④鏈輪軸的方向受限制。

　　4、齒輪傳動的特點：優點：①、傳動精度高；②、適用范圍寬；③、可以實現空間任意兩軸間的傳動；④、工作可靠，使用壽命長；⑤、傳動效率高。不足：①、制造安裝要求高，成本高；②、對環鏡條件要求較嚴，一般需要安置在箱罩中防塵防垢，還需要重視潤滑；③、不適于遠距離傳動；④、減震性和抗沖擊性不如帶傳動。

　　5、機械傳動中，為保證齒輪傳動平穩，齒輪的輪廓通常采用漸開線；

　　6、漸開線齒輪傳動具有恒定的傳動比。

　　7、力的作用方向和物體上力作用點的運動方向間的夾角，稱為壓力角。

　　8、一對漸開線齒輪，必須模數相等、壓力角相等才能嚙合傳動。

　　9、齒輪損壞主要失效形式：齒輪從齒根處斷裂、齒面疲勞點蝕、齒面磨損和齒面膠合。

　　10、輪系類型：定軸輪系和周轉輪系。

　　11、輪系的功用：①、獲得大傳動比，②、實現變速、換向傳動；③、實現多路傳動；④、實現較大距離的齒輪傳動；⑤實現運動的合成和分解。

　　12、由一系列相互嚙合齒輪機構所構成的傳動系統稱為：輪系。

　　13、螺旋傳動有：螺桿、螺母和機桿組成。

　　14、鏈傳動主要由：主動鏈輪、鏈條、從動鏈輪、機架等部分組成。

　　15、閉式齒輪傳動常用的潤滑形式：侵油潤滑和噴油潤滑。

　　16、常見齒輪結構類型：齒輪軸、實心式齒輪、輻板式與輪輻式齒輪。

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