機械設(shè)計基礎(chǔ)課件

機械設(shè)計基礎(chǔ)知識

2.1.1載荷和應(yīng)力◆

應(yīng)力靜應(yīng)力變應(yīng)力smax─最大應(yīng)力；

smin─最小應(yīng)力Sm─平均應(yīng)力；

sa─應(yīng)力幅值r─應(yīng)力比（循環(huán)特性r）

◆有關(guān)名詞:名義載荷和名義應(yīng)力載荷系數(shù)計算載荷和計算應(yīng)力非對稱循環(huán)變應(yīng)力2.1機械零件應(yīng)力及設(shè)計準則隨機變應(yīng)力循環(huán)變應(yīng)力載荷和應(yīng)力3對稱循環(huán)脈動循環(huán)常見的循環(huán)應(yīng)力

對稱循環(huán)變應(yīng)力

脈動循環(huán)變應(yīng)力靜應(yīng)力靜應(yīng)力（可看作是循環(huán)應(yīng)力的一個特例）

靜應(yīng)力只在靜載荷作用下產(chǎn)生，循環(huán)應(yīng)力可由變載荷產(chǎn)生，也可由靜載荷產(chǎn)生。2.1.2許用應(yīng)力和極限應(yīng)力◆靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力和極限應(yīng)力靜應(yīng)力作用下，零件常表現(xiàn)的破壞形式為塑性變形或斷裂塑性材料sBes玻璃鋼灰口鑄鐵esspsSsBABCDE◆脆性材料取屈服極限取強度極限疲勞極限：材料經(jīng)過N0次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生破壞的應(yīng)力最大值。◆變應(yīng)力下的許用應(yīng)力和極限應(yīng)力在變應(yīng)力條件下，零件的損壞形式是疲勞斷裂。與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)?！?/p>

壽命系數(shù)

m—

指數(shù)與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)：對稱循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞極限：脈動循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞極限式中：

kσ、εσ、β——有效應(yīng)力集中系數(shù)、絕對尺寸系數(shù)及表面狀況系數(shù)以上系數(shù)請查材力書籍或相關(guān)手冊對應(yīng)表格。許用應(yīng)力應(yīng)力是對稱循環(huán)變化：應(yīng)力是脈動循環(huán)變化：◆

安全系數(shù)安全系數(shù)↑→許用應(yīng)力↓→結(jié)構(gòu)笨重安全系數(shù)↓→許用應(yīng)力↑→不夠安全◆接觸應(yīng)力的產(chǎn)生——點或線接觸所產(chǎn)生的應(yīng)力接觸應(yīng)力局部應(yīng)力不同與擠壓應(yīng)力◆接觸應(yīng)力的性質(zhì)接觸應(yīng)力呈半橢圓形分布，接觸點處應(yīng)力最大兩物體上應(yīng)力大小相等2.1.3接觸應(yīng)力赫茲公式：◆接觸應(yīng)力的計算公式影響接觸應(yīng)力的因素：曲率半徑材料接觸線長度接觸許用應(yīng)力：外接觸內(nèi)接觸◆機械零件常見失效形式斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕：工作表面片狀剝落塑性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形表面破壞過大振動和噪聲、過熱等例如軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振剛度問題耐磨性問題Fn強度問題2.1.4機械零件的主要失效形式和設(shè)計準則σ≤[σ]或

τ≤[τ]

1、強度準則：

2、剛度準則：

y≤[y]θ≤[θ]φ≤[φ]

3.耐磨性準則：

p≤[p]

或pv≤[pv]

4.振動穩(wěn)定性準則：

f＜0.85fp

和f＞1.15fp

5.可靠性準則：機器或零件在規(guī)定的使用時間內(nèi)和預(yù)定環(huán)境條件下，正常完成其工作能力的概率對零件設(shè)計，針對其主要失效形式選擇適合的工作能力準則進行設(shè)計具體有：強度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩(wěn)定性準則、可靠性準則等2.2.1金屬材料力學性能指標強度極限：sb屈服極限：sS(s0.2)HBW:布氏硬度HRC、HRB、HRA:洛氏硬度spsSsbesABCDE◆強度疲勞極限：σr

◆

剛度◆硬度2.2機械設(shè)計中常用材料及其選擇◆塑性延伸率：收縮率：◆沖擊韌性沖擊韌度（含碳量小于2%,大于0.7%的鐵、碳合金）◆鋼碳素鋼碳素工具鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼:優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼wC＜0.25%，如20中碳鋼0.6%＜wC＜0.25%，如45

高碳鋼0.6%＜wC

，如60牌號=Q+屈服極限+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號牌號=兩位數(shù)字

牌號=T+數(shù)字

如Q235AF2.2.2常用金屬材料

如T8◆合金鋼在碳素鋼中有目的地加入一定量的其他合金元素增大了鋼的淬透性，提高了合金鋼的力學性能，增加了耐磨性，但合金鋼冶煉工藝復(fù)雜，價格較高如鉻、鉬、錳、鎳、鎢、鈦等◆

鑄鐵（含碳量大于2%的鐵、碳合金）灰鑄鐵：牌號由“HT+數(shù)字”，“數(shù)字”表示最低抗拉強度如HT250可鍛鑄鐵：KTH300-06，其中：KTH表示黑心可鍛鑄鐵、前一組數(shù)字表示最低抗拉強度=300MPa、后一組數(shù)字表示最低延伸率為6%。

球墨鑄鐵：牌號與可鍛鑄鐵相似QT600-03，其中：QT表示球墨鑄鐵、最低抗拉強度=600MPa,最低延伸率為3%。

鑄鐵◆

有色金屬及其合金有特殊性能，價昂→少用鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金空冷（1）退火降低硬度、提高韌性、細化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力（2）正火用于處理低中碳鋼，代替低中碳鋼的退火。提高硬度，增加韌性，易于切削，減少應(yīng)力（3）淬火提高硬度和耐磨性、但內(nèi)應(yīng)力增大，會發(fā)脆，應(yīng)再回火（4）回火

消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力，以獲得零件所需的性能，提高韌性低溫回火：高強度、高硬度及良好的耐磨性中溫回火：高彈性、硬度中等高溫回火：強度、塑性、韌性都較好(調(diào)質(zhì)——淬火+高溫回火)正火爐冷回火加熱保溫淬火時間溫度臨界溫度退火空冷

水冷或油冷

2.2.3鋼的熱處理

1.普通熱處理2.表面熱處理表面熱處理：表面增硬，芯部韌表面淬火法（火焰加熱、感應(yīng)加熱…）化學熱處理（滲碳、氮化、氰化...）使用要求：使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、重要程度...工藝要求：零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法...經(jīng)濟要求：材料價格結(jié)合加工費用、材料利用率...2.2.4機械設(shè)計中常用材料的選用原則

2.3公差與配合、表面粗糙度和優(yōu)先系數(shù)2.3.1極限與配合公稱尺寸：由設(shè)計圖紙給定的零件理論尺寸；為確定值。實際尺寸：制造加工后測量所得零件尺寸；由于測量有誤差，所以實際尺寸并非真值。相對于基本尺寸而言，總是有誤差。實際尺寸Φ25.1軸實際尺寸實際尺寸公稱尺寸實際尺寸Φ24.9孔Φ25.1孔φ25孔公稱尺寸軸φ25軸Φ24.9◆

尺寸公差的基本概念上偏差：ES,es下偏差：EI,ei孔的公差Th=Dmax-Dmin=ES-EI=es-ei軸的公差Ts=dmax-dmin最大極限尺寸：Dmax,dmax最小極限尺寸:Dmin,dmin公差帶：由代表上、下偏差的兩條直線所限定的區(qū)域；基本偏差：靠近基本尺寸的那個偏差。規(guī)定：孔的EI為基本偏差，軸的es為基本偏差?；酒钕盗?/p>

BCCDDEEFAFFGGHKMNPRSTUVXYZZAZBZCJS孔+0-公稱尺寸

bccddeefaffgghkmnprstuvxyzzazbzcjs軸+0-公稱尺寸

配合：同一基本尺寸的孔與軸的結(jié)合稱為配合。標記方法：公差帶符號后跟阿拉伯數(shù)字表示。如：H7。國標規(guī)定，孔與軸的公差帶位置各有28個，用字母表示，孔用大寫，軸用小寫；公差等級20個，用數(shù)字表示，數(shù)字越小，精度越高。（IT1～IT18，IT01，IT0）零件尺寸的表達：50D9◆

配合的基本概念及其類別根據(jù)孔、軸公差帶的相對位置，配合分為：過盈配合；過渡配合；間隙配合。配合制度有基孔制和基軸制兩種。H零線D孔公差kjshgefrpms間隙配合過渡配合過盈配合基孔制配合：孔是基準孔，下偏差EI=0，代號為:H，通過改變軸的公差帶來或得各種不同的配合特性。零線hD軸公差KJSHGEFRPMS間隙配合過渡配合過盈配合基軸制配合：軸是基準軸，上偏差es=0，代號為:h，通過改變孔的公差帶來或得各種不同的配合特性。公差帶在圖紙上的標注2.3.2表面粗糙度輪廓峰谷線輪廓峰頂線輪廓峰高yp輪廓谷深yv中線lyx定義：零件表面的微觀幾何形狀誤差。評定參數(shù)：輪廓算術(shù)平均偏差----取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上各點至輪廓中線偏距絕對值的算術(shù)平均值：符號含義及說明基本圖形符號，表示未指定工藝方法的表面。擴展圖形符號，表示用去除材料方法獲得的表面。擴展圖形符號，表示用不去除材料的表面。表面粗糙度符號及說明示例意義用去除材料的方法獲得的表面的的上限值為3.2，“16%規(guī)則”（默認）。用去除材料的方法獲得的表面的的最大值為1.6，“最大規(guī)則”。加取樣長度，表示非標準取樣長度為0.8

給定的下限值。給定的上、下限值。表面結(jié)構(gòu)要求的圖形標注說明0.0120.0250.050.10.20.40.81.63.26.312.52550100用不同加工方法得到的Ra

加工方法Ra

μm精

粗刨削鉆孔鉸孔精

粗鏜孔精

粗車精

粗磨精

粗研磨滾、銑精

粗2.3.3優(yōu)先數(shù)系◆優(yōu)先數(shù)系是用來使型號、直徑、轉(zhuǎn)速、承載量和功率等量值得到合理的分級。這樣可便于組織生產(chǎn)和降低成本。◆GB321—2005規(guī)定的優(yōu)先數(shù)系有四種基本系列，即R5、R10、R20、R40系列，其公比分別為1.6、1.25、1.12、1.06?！魞?yōu)先數(shù)系中任何一個數(shù)值稱為優(yōu)先數(shù)?！魞?yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系是一種科學的數(shù)值制度，在確定量值的分級時，必須最大限度地采用上述優(yōu)先數(shù)及優(yōu)先數(shù)系。29

一、工藝性設(shè)計機械零件，不僅要滿足使用要求（即具備所要求的工作能力），同時還應(yīng)滿足生產(chǎn)要求，否則有可能制造不出來或是雖能制造但費工費料，不經(jīng)濟。好的零件（設(shè)計），需要具有良好的工藝性（便于加工，加工費用又很低）。

具體要求：1）毛坯選擇合理；

2）結(jié)構(gòu)簡單、合理；

3）規(guī)定適當?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙取?.4機械零件的工藝性和標準化二、標準化

包括：●產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化（制成系列化產(chǎn)品）；●零部件的通用化（如螺栓、聯(lián)軸器、減速器等）●產(chǎn)品質(zhì)量標準化我國標準分四級：1）國家標準，又分強制性（GB）和推薦性（GB/T）

2）行業(yè)標準

3）地方標準

4）企業(yè)標準本章小結(jié)平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析圖所示為一簡易沖床的初擬設(shè)計方案簡圖，設(shè)計者的思路是：動力由凸輪2輸入，驅(qū)動杠桿3使沖頭4上下往復(fù)運動以達到?jīng)_壓的目的。試問該設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)沖壓功能嗎？若不能，該如何進行修改？

1-機架2-凸輪3-杠桿4-沖頭

案例

分析3.1平面機構(gòu)的運動簡圖

3.1.1運動副及其分類運動副：使兩構(gòu)件直接接觸而保留一定相對運動的連接稱為運動副。運動副分類:低副——面接觸（轉(zhuǎn)動副、移動副）高副——點、線接觸（凸輪副、齒輪副)平面運動副轉(zhuǎn)動副：只允許兩構(gòu)件作相對轉(zhuǎn)動，又稱作鉸鏈。移動副：只允許兩構(gòu)件作相對移動。高副：兩構(gòu)件以點或線接觸而構(gòu)成的運動副。

“機構(gòu)中兩構(gòu)件互作一定相對運動的連接稱為運動副”這種說法對不對？為什么？

【思考題3.1】3.1.2構(gòu)件機架(固定構(gòu)件)：主動件(原動件)：從動件：是用來支承活動構(gòu)件的構(gòu)件。又稱為輸入構(gòu)件，是運動規(guī)律已知的活動構(gòu)件。它的運動是由外界輸入的。是機構(gòu)中隨著原動件的運動而運動的其余活動構(gòu)件。相對于機架有確定的相對運動。動畫動畫3.1.3平面機構(gòu)的運動簡圖

常用一些簡單的線條和規(guī)定的符號來表示構(gòu)件和運動副，并按比例定出各運動副的位置。這種說明機構(gòu)各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的簡單圖形，稱為機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)運動簡圖構(gòu)件均用直線或小方塊等來表示，畫有斜線的表示機架?！魳?gòu)件和運動副的表示方法（國標GB4460－84）1.構(gòu)件2.轉(zhuǎn)動副一個構(gòu)件具有多個轉(zhuǎn)動副時，則應(yīng)在兩條交叉處涂黑，或在其內(nèi)畫上斜線。表示轉(zhuǎn)動副的圓圈，圓心須與回轉(zhuǎn)軸線重合。兩構(gòu)件組成平面高副時，其運動簡圖中應(yīng)畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓，對于凸輪、滾子，習慣劃出其全部輪廓；對于齒輪，常用點劃線劃出其節(jié)圓。兩構(gòu)件組成移動副，其導(dǎo)路必須與相對移動方向一致。3.移動副4.高副一般構(gòu)件的表示方法

固定構(gòu)件

同一構(gòu)件

兩副構(gòu)件

三副構(gòu)件

運動副符號轉(zhuǎn)動副移動副121212121212121212122121低副2121高副◆繪機構(gòu)運動簡圖的步驟

(1)分析機器的功能和組成，判定所用機構(gòu)的類型，認清機架、主動件和從動件，按運動傳遞順序，確定構(gòu)件的數(shù)目（如l、2、3…）及運動副的類型和數(shù)目（如A、B、C…）；(2)選擇視圖平面，并確定機器的一個瞬時的工作位置；(3)選擇合適的比例尺，測量出各運動副之間的相對位置和尺寸，按選定的比例尺和規(guī)定的符號繪制機構(gòu)運動簡圖。例3.1繪制單缸內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖1）分析運動，確定構(gòu)件的類型和數(shù)量

2）確定運動副的類型和數(shù)目

3）選擇視圖平面

4）選取比例尺，根據(jù)機構(gòu)運動尺寸，定出各運動副間的相對位置

5）畫出各運動副和機構(gòu)符號，并表示出各構(gòu)件解：例3.2繪制顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖ABCD

顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖中桿AB為什么實際應(yīng)用中要用偏心軸2替代？【思考題3.2】3.2平面機構(gòu)的自由度3.2.1構(gòu)件的自由度和約束

構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目?！粢粋€作平面運動的自由構(gòu)件有三個自由度（x，y,θ）。自由度：對構(gòu)件的獨立運動所加的限制稱為約束。約束：◆運動副引入的約束數(shù)等于兩構(gòu)件相對自由度減少的數(shù)目。yxθ(x,y)動畫沿軸向和垂直于軸向的移動均受到約束，它只能繞其軸線作轉(zhuǎn)動。所以，平面運動的一個轉(zhuǎn)動副引入兩個約束，保留一個自由度。轉(zhuǎn)動副：限制了構(gòu)件一個移動和繞平面的軸轉(zhuǎn)動，保留了沿移動副方向的相對移動，所以平面運動的一個移動副也引入兩個約束，保留一個自由度。移動副：動畫動畫一個平面高副引入一個約束，保留兩個自由度。高副：

動畫動畫3.2.2平面機構(gòu)自由度計算公式

指機構(gòu)所具有的獨立運動的個數(shù)。機構(gòu)的自由度:

F=3n-2PL-PHn：機構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)，n=N-1;PH：機構(gòu)中高副數(shù)；PL

：機構(gòu)中低副數(shù)；F：機構(gòu)的自由度數(shù)；3.2.3機構(gòu)具有確定運動的條件

F

=3×4-2×5=21個原動件F>0，但原動件數(shù)目小于自由度數(shù)目，運動鏈運動不確定，不能成為機構(gòu)。

F

=3×3-2×4=12個原動件F>0，但原動件數(shù)目大于自由度數(shù)目，運動鏈被破壞，不能成為機構(gòu)。F=3×4-2×6=0F=0,運動鏈不能運動，不成為機構(gòu)1）機構(gòu)自由度數(shù)F≥1;平面機構(gòu)具有確定運動的條件：2）原動件數(shù)目等于機構(gòu)自由度數(shù)F。先看例子：按照之前的算法下圖機構(gòu)的自由度為為什么？3.2.4計算機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的幾種情況F=3n－2PL－PH

=3×10－2×13－2=21.復(fù)合鉸鏈

兩個以上構(gòu)件在同一軸線處用轉(zhuǎn)動副連接，就形成了復(fù)合鉸鏈。

解決方案:k

個構(gòu)件在同一處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈，實際上構(gòu)成了(k-1)個轉(zhuǎn)動副。注意：復(fù)合鉸鏈只存在于轉(zhuǎn)動副中。

慣性篩機構(gòu)例3.3計算圖示慣性篩機構(gòu)的自由度。解：此機構(gòu)C處由三個構(gòu)件組成復(fù)合鉸鏈，則n=5，PL=7，PH=0。由機構(gòu)自由度公式得單擊上圖動畫演示處理辦法：在計算自由度時，拿掉這個局部自由度，即可將滾子與裝滾子的構(gòu)件固接在一起。ABC321ABC321F=3x3-2x3-1x1=2F=2x3-2x2-1x1=1n=3PL=3PH=1n=2PL=2PH=12.局部自由度

機構(gòu)中個別構(gòu)件不影響其它構(gòu)件運動，即對整個機構(gòu)運動無關(guān)的自由度。兩構(gòu)件間形成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副，則只能算一個轉(zhuǎn)動副；兩構(gòu)件形成多個導(dǎo)路平行的移動副，則只能算一個移動副。虛約束之一：

3.虛約束

在特定的幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運動副所引入的約束可能與其它運動副所起的限制作用是一致的。這種不起獨立限制作用的重復(fù)約束稱為虛約束。虛約束虛約束

虛約束之二：

高副接觸點公法線重合——兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副且各接觸點處的公法線彼此重合時，只有一個高副起約束作用。AB虛約束虛約束兩構(gòu)件上某兩點之間的距離在運動中保持不變。

虛約束之三：虛約束之四：機構(gòu)中存在對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分。虛約束對機構(gòu)的影響：

機構(gòu)中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時也提高了對制造和裝配精度的要求。虛約束

既然虛約束對機構(gòu)的運動不起直接的限制作用，為什么在實際機器中還要設(shè)計出虛約束？【思考題3.3】

例3.4計算沖壓機構(gòu)的自由度。F=3n－2PL－PH=3×9－2×12－2=1解：虛約束局部自由度復(fù)合鉸鏈3.2.5計算機構(gòu)自由度的實用意義

1．判定機構(gòu)運動設(shè)計方案是否合理

2．改進不合理的運動方案使其具有確定的相對運動改進前設(shè)計方案簡圖改進后設(shè)計方案簡圖

3．判斷測繪的機構(gòu)運動簡圖是否正確五桿機構(gòu)

【思考題3.4】簡易沖床改進后設(shè)計方案除了圖所示設(shè)計方案外，是否還有其它方案？本章小結(jié)平面連桿機構(gòu)若干構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）連接而成的平面機構(gòu)。4.1概述

◆平面連桿機構(gòu)：◆平面連桿機構(gòu)的特點：優(yōu)點：①運動副是低副，接觸面積大、壓強小、磨損?。恢圃烊菀?。缺點：①設(shè)計復(fù)雜；②各構(gòu)件因是低副聯(lián)接，存在間隙，傳動精度低；③一般適用于速度較低場合。②能實現(xiàn)多種運動形式的轉(zhuǎn)換和比較復(fù)雜的運動規(guī)律的要求；◆四連桿機構(gòu)是最基本的平面連桿機構(gòu)，即平面四桿機構(gòu)4.2平面四桿機構(gòu)的基本形式及其演化

4.2.1平面四桿機構(gòu)的基本形式

AD—機架AB、CD—連架桿BC—連桿連架桿往復(fù)擺動—搖桿能整圈回轉(zhuǎn)—曲柄ADCB由四個桿狀構(gòu)件及四個轉(zhuǎn)動副組成。鉸鏈四桿機構(gòu)：◆鉸鏈四桿機構(gòu)有三種基本形式：曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)。1）曲柄搖桿機構(gòu)

特征：曲柄＋搖桿作用：將曲柄的整周回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動。（曲柄主動）雷達天線俯仰機構(gòu)攪拌機構(gòu)縫紉機踏板機構(gòu)（搖桿主動）動畫動畫動畫2）雙曲柄機構(gòu)特征：兩個曲柄作用：將等速回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

等速或變速回轉(zhuǎn)。慣性篩機構(gòu)

特例：平行四邊形機構(gòu)特征：兩連架桿等長且平行，連桿作平動。機車車輪聯(lián)動機構(gòu)動畫動畫平行四邊形機構(gòu)存在運動不確定位置?？刹扇煞N措施予以克服：2）添加輔助構(gòu)件。

1）依靠構(gòu)件慣性；◆反平行四邊形機構(gòu)--車門開閉機構(gòu)車門啟閉機構(gòu)

車門啟閉機構(gòu)

動畫3）雙搖桿機構(gòu)

特點：兩連架桿都是搖桿飛機起落架機構(gòu)電風扇搖頭機構(gòu)動畫動畫特例：等腰梯形機構(gòu)

—

汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)

動畫↓∞

4.2.2鉸鏈四桿機構(gòu)的演化

1.轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副

曲柄搖桿機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)BA1234CBA1234CA1234CB3A214CBA234CB1取1為機架取2為機架取3為機架增加1的長度2．取不同的構(gòu)件為機架

對心曲柄滑塊機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)定塊機構(gòu)(d’)曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)牛頭刨床應(yīng)用實例:小型刨床（擺動導(dǎo)桿機構(gòu)）（轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)）平面連桿機構(gòu)的類型、特點和分類

動畫動畫手動唧筒機構(gòu)自動卸料機構(gòu)動畫動畫3．其他演變

◆變化含有兩個移動副的四桿機構(gòu)的機架正弦機構(gòu)縫紉機跳針機構(gòu)

動畫雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)雙滑塊機構(gòu)動畫動畫◆擴大回轉(zhuǎn)副偏心輪機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)將轉(zhuǎn)動副B加大，直至把轉(zhuǎn)動副A包括進去，成為幾何中心是B，轉(zhuǎn)動中心為A的偏心圓盤。觀察天平機構(gòu)，它利用了哪種四桿機構(gòu)的哪種特性？【思考題4.1】

要使桿AB成為曲柄，轉(zhuǎn)動副A就應(yīng)為周轉(zhuǎn)副，由AB桿與AD桿兩次共線的位置可分別得到ΔDB′C′和ΔDB"C"

將上式兩兩相加4.3平面四桿機構(gòu)的基本特性

4.3.1鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件

即AB桿為最短桿。

1.最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和，此條件為桿長條件。

2.最短桿必為機架或連架桿。分析上述各式，可得出曲柄存在的條件是：雙搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)以最短桿相鄰桿為機架以與最短桿相對的桿為機架以最短桿為機架NY◆鉸鏈四桿機構(gòu)類型的判斷方法：C”B”1）a為最短桿2)a+e≤be曲柄滑塊機構(gòu)有曲柄的條件?AabBCC’B’【思考題4.2】例4.1

a=100,b=150,c=200,d=300取不同的桿為機架是否有曲柄?

100+300>150+200例4.2a=100,b=250,c=200,d=300取不同的桿為機架是否有曲柄?故無論取何桿為機架均為雙搖桿機構(gòu)100+300<250+200故取a作機架為雙曲柄機構(gòu)。

取b或d作機架則為以a為曲柄的曲柄搖桿機構(gòu)。取c作機架則為雙搖桿機構(gòu)。解：解：例4.3

在鉸鏈四桿機構(gòu)ABCD中，若AB、BC、CD三桿的長度分別為：a=120mm，b=280mm,c=360mm，機架AD的長度d為變量。試求；

(1)當此機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)時，d的取值范圍；

(2)當此機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)時，d的取值范圍；

(3)當此機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)時，d的取值范圍。解：而搖桿擺角均為所以，搖桿往復(fù)運動的快慢不同。從C1D→C2D：從C2D→C1D：4.2.2急回特性

曲柄以由AB1順時針轉(zhuǎn)到AB2，曲柄轉(zhuǎn)角由AB2順時針轉(zhuǎn)到AB1，曲柄轉(zhuǎn)角搖桿的這種特性稱為急回運動。極位夾角：為搖桿位于兩極限位置時，對應(yīng)的曲柄所夾的銳角。

設(shè)計機械時，一般先根據(jù)機械的急回要求給出K值，再求出極位夾角，最后確定各構(gòu)件尺寸。最大擺角:搖桿往復(fù)擺過的最大角度。稱K為行程速比系數(shù)?！羟瑝K機構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機構(gòu)的急回特性

對心曲柄滑塊機構(gòu)中，由于其θ=0o，K=1，故無急回作用

偏置曲柄滑塊機構(gòu)，因其θ≠0o,故有急回作用。

擺動導(dǎo)桿機構(gòu)中，當曲柄AC兩次轉(zhuǎn)到與導(dǎo)桿垂直時，導(dǎo)桿處于兩側(cè)極位。由于其θ≠0o，故也有急回作用。

圖所示小型刨床機構(gòu)中的轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)有無急回特性?

【思考題4.3】機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，傳動角是變化的，通常規(guī)定最小傳動角的下限。作用在從動件3上的驅(qū)動力F與該力作用點絕對速度vc之間所夾的銳角。有效分力Ft=Fcos

,

越小，有效分力越大壓力角的余角。4.3.3壓力角與傳動角◆一般機械，取

min≥40°；大功率機械，取

min≥50°。壓力角

：傳動角：◆出現(xiàn)最小傳動角

min的位置分析對于曲柄搖桿機構(gòu)，γmin出現(xiàn)在主動曲柄與機架共線的兩位置之一

對于曲柄搖桿機構(gòu)，當搖桿為主動件時，在連桿與曲柄兩次共線的位置，機構(gòu)均不能運動。機構(gòu)的這種位置稱為：“死點”（機構(gòu)的死點位置）在“死點”位置，機構(gòu)的傳動角

γ＝04.3.4死點位置

◆可以利用“死點”位置進行工作，例如：飛機起落架、鉆夾具等?！簟八傈c”位置的過渡方法：1.依靠飛輪的慣性（如內(nèi)燃機、縫紉機等）。2.兩組機構(gòu)錯開排列，如火車輪聯(lián)動機構(gòu)。動畫動畫1.雙搖桿機構(gòu)有無死點位置？2.雙曲柄機構(gòu)有無死點位置？（無）（有）【思考題4.4】4.4平面四桿機構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)給定的使用要求，選擇機構(gòu)的類型，確定機構(gòu)的尺寸參數(shù)。

設(shè)計的基本問題:1.按給定的運動規(guī)律（如急回特性、對應(yīng)位置等）設(shè)計；2.按給定的運動軌跡設(shè)計

設(shè)計方法：

圖解法、解析法和實驗法設(shè)計任務(wù)：4.4.1按給定的行程速比系數(shù)Ｋ設(shè)計四桿機構(gòu)已知條件：

擺角

設(shè)計關(guān)鍵：找鉸鏈中心A

點的位置。C1

D

A

？搖桿長度和行程速比系數(shù)Ｋ。

C2

◆曲柄搖桿機構(gòu)

B1

θ

1)畫出搖桿CD兩極限位置，且∠C1DC2=ψ;N

C2

C1

D

A

B2E

ψ

θ

2)畫輔助圓;3)根據(jù)機架長度或位置確定A點;4)連接AC1、AC2，∠C1AC2=θ;5)確定曲柄、連桿長度。設(shè)計方法：90－θE2θ2ae◆曲柄滑塊機構(gòu)

H已知K，滑塊行程H，偏距e，設(shè)計此機構(gòu)。①計算:θ＝180°(K-1)/(K+1);②作C1C2

＝H③作射線C1O使∠C2C1O=90°－θ,

④以O(shè)為圓心，C1O為半徑作圓。⑥以A為圓心，AC1為半徑作弧交于E,得：作射線C2O使∠C1C2O=90°－θ。⑤作偏距線e，交圓弧于A，即為所求。C1C290°-θO90°-θAl1=EC2/2l2=AC2－EC2/2mnφ=θD◆導(dǎo)桿機構(gòu)由于θ與導(dǎo)桿擺角φ相等，設(shè)計此機構(gòu)時，僅需要確定曲柄a

。①計算θ＝180°(K-1)/(K+1);②任選D作∠mDn＝φ＝θ，③取A點，使得AD=d，則:a=dsin(φ/2)。Ad作角分線;已知：機架長度d，K，設(shè)計此機構(gòu)。分析：ADθφ=θ◆

給定連桿兩組位置有唯一解。B2C2AD將鉸鏈A、D分別選在B1B2，C1C2連線的垂直平分線上任意位置都能滿足設(shè)計要求。◆給定連桿上鉸鏈BC的三組位置有無窮多組解。A’D’B2C2B3C3ADB1C1B1C14.4.2按給定的連桿位置設(shè)計四桿機構(gòu)

熱處理電爐爐門開關(guān)機構(gòu)的設(shè)計

D1)首先在一張紙上取固定軸A的位置，作原動件角位移φi位置φiψi位置φiψi1→215010.804→515015.802→315012.505→615017.503→415014.206→715019.202)任意取原動件長度AB3)任意取連桿長度BC，作一系列圓弧;4)在一張透明紙上取固定軸D，作角位移ψiDk15)取一系列從動件長度作同心圓弧。6)兩圖疊加，移動透明紙，使ki落在同一圓弧上。

φiψiAC1B14.4.3實驗法設(shè)計四桿機構(gòu)

本章小結(jié)

凸輪機構(gòu)5.2

從動件的運動規(guī)律一、凸輪機構(gòu)的運動過程二、推桿常用運動規(guī)律機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)A5.2.1凸輪運動規(guī)律簡述從動件的運動規(guī)律是指從動件的位移、速度、加速度等隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化的規(guī)律基圓(以凸輪輪廓最小向徑所組成的圓)，基圓半徑r0推程，推程運動角

t遠休止，遠休止角

s

回程，回程運動角

h

近休止，近休止角

s’

行程（升程），h運動線圖:

從動件的位移、速度、加速度等隨時間t或凸輪轉(zhuǎn)角

變化關(guān)系圖

t

s

h

s’r0

t推程

s遠休止

h回程

s’近休止t

sBCD

1hB’機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)

2ABCDA5.2.2從動件的常用運動規(guī)律1等速運動2等加速等減速運動3

簡諧運動（余弦加速度運動）4擺線運動(正弦加速度運動）注意：為便于理解各種運動規(guī)律特性,本章將運動規(guī)律單獨應(yīng)用于推程或回程機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)1等速運動——一次多項式運動規(guī)律推程(0

t)運動方程：位移方程：速度方程：加速度方程：運動線圖沖擊特性：始點、末點剛性沖擊適用場合：低速輕載hs2

0

tv2

0a2

0-

+

機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)等速運動（續(xù)）回程(0

’

h)運動方程位移方程：速度方程：加速度方程：運動線圖沖擊特性：始點、末點剛性沖擊適用場合：低速輕載s2

0v2

0a2

0

h-

++

-

th機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)2等加速等減速運動推程運動方程:運動線圖沖擊特性：起、中、末點柔性沖擊適用場合：低速輕載s2

0

tv2

0a2

0h(0

t/2)(

t/2t)加速段減速段位移方程速度方程加速度方程機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)111494O’δs2δa23簡諧運動（余弦加速度運動）123456δv2123456Vmax=1.57hω1/2δthδt推程：運動線圖沖擊特性：柔性沖擊適用場合：中低速中載4擺線運動（正弦加速度運動）推程運動方程：運動線圖沖擊特性：無沖擊適用場合：中高速輕載a2dv2dδt012345678s2dhA2ph機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)δtδt5.3

圖解法設(shè)計凸輪輪廓一、反轉(zhuǎn)法原理二、直動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制三、擺動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)AAAAAAAAAAAAA一、反轉(zhuǎn)法原理相對運動原理法(也稱反轉(zhuǎn)法)對整個系統(tǒng)施加-w1運動此時，凸輪保持不動推桿作復(fù)合運動=反轉(zhuǎn)運動(-

1)+預(yù)期運動(s2)AAr0

1-

1r0機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)二、直動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制作圖步驟：1

根據(jù)從動件的運動規(guī)律：作出位移線圖S2-δ1，并等分角度2定基圓3作出推桿在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置4據(jù)運動規(guī)律，求出從動件在預(yù)期運動中依次占據(jù)的位置5將兩種運動復(fù)合，就求出了從動件尖端在復(fù)合運動中依次占據(jù)的位置點6將各位置點聯(lián)接成光滑的曲線7在理論輪廓上再作出凸輪的實際輪廓1

直動尖頂從動件盤形凸輪2

直動滾子推桿盤形凸輪3

直動平底推桿盤形凸輪機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)1

.直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)已知：對心，r0，推桿運動規(guī)律，凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動設(shè)計：凸輪輪廓線步驟：

1.定比例尺

l

2.初始位置及推桿位移曲線3.確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置4.確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置5.推桿高副元素族6.推桿高副元素的包絡(luò)線s

0h機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)s

0h上述其它條件不變，對心式改為偏置式。偏置圓半徑e步驟：1.定比例尺

l

2.初始位置及推桿位移曲線、

偏距圓、基圓3.確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的

各位置4.確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的

各位置5.推桿高副元素族6.推桿高副元素的包絡(luò)線機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)2.直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)已知：對心式，r0，推桿運動規(guī)律，滾子半徑rr,凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動設(shè)計：凸輪輪廓線解：

1.定比例尺

l

2.初始位置及推桿位移曲線注：兩條廓線，理論／實際廓線實際廓線基圓rmin理論廓線基圓r03.確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置4.確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置5.推桿高副元素族6.推桿高副元素的包絡(luò)線s

0h理論輪廓實際輪廓機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)s

0h3

.直動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)已知:對心式，r0，推桿運動規(guī)律，凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動設(shè)計：凸輪廓線解：

1.定比例尺

l

2.初始位置及推桿位移曲線3.確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置4.確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置5.推桿高副元素族6.推桿高副元素的包絡(luò)線機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)實際輪廓三.擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)分析：r0

r0

-w機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)設(shè)計已知：r0，機架長度，推桿運動規(guī)律，凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動設(shè)計：凸輪廓線解：

1.定比例尺

l

2.初始位置及推桿位移曲線3.確定推桿反轉(zhuǎn)運動占據(jù)的各位置4.確定推桿預(yù)期運動占據(jù)的各位置5.推桿高副元素族6.推桿高副元素的包絡(luò)線f2

10F

f21f22f23f24f25f26f27f28f29f210f211f212機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)5.4

凸輪設(shè)計中的幾個問題一、凸輪機構(gòu)的壓力角和基圓半徑二、滾子半徑的選擇機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)壓力角：正壓力與推桿上力作用點B速度方向間的夾角αOBω1→機構(gòu)發(fā)生自鎖。一.凸輪機構(gòu)的壓力角和基圓半徑αnnFFyFxFf>FyFf為了保證凸輪機構(gòu)正常工作，要求：α

<[α][α]=30?---直動從動件；v2s2rnv2vB1vr0α→→r0↑α↓→二、滾子半徑的選擇實際廓線曲率半徑：a理論廓線曲率半徑：滾子半徑：rr1內(nèi)凹凸輪廓線

a=+rr理論廓線最小結(jié)論：無論滾子半徑多大，總能由理論廓線得到實際廓線2外凸凸輪廓線

a=-rr

>rr，a>0，實際廓線平滑

=rr，a=0，實際廓線變尖

<rr，a<0，實際廓線出現(xiàn)交叉，切割，運動失真

a=-rr＝0

arr理論實際

a

a=+rrrr

>rrrr

a=-rr<0rr

=rr

a=-rr>0

<rr機械設(shè)計基礎(chǔ)——凸輪機構(gòu)本章小結(jié)間歇運動機構(gòu)6.1槽輪機構(gòu)具有徑向槽的槽輪2帶有圓銷的撥盤1機架特點：構(gòu)造簡單，機械效率高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。應(yīng)用舉理：電影放映機卷片機構(gòu)組成6.1.1槽輪機構(gòu)的工作原理6.1.2槽輪的主要參數(shù)及基本尺寸槽數(shù)z和撥盤圓銷數(shù)K設(shè)z為均勻分布的徑向槽數(shù)目，則當槽輪轉(zhuǎn)過2φ2=2π/z弧度時，撥盤1的轉(zhuǎn)角2φ1

為：運動特性系數(shù)τ：槽輪的運動時間tm與撥盤的運動時間t的比值。上式對應(yīng)只有一個圓銷的槽輪機構(gòu)，有：z>3τ<0.5如有K個圓銷，則當z=3時，圓銷的數(shù)目可為1-5；當z=4或5時，圓銷的數(shù)目可為1-3；當z>6時，圓銷的數(shù)目可為1或2；6.2棘輪機構(gòu)

棘輪機構(gòu)的工作原理：當搖桿逆時針擺動時，棘爪便插入棘輪3的齒間，推動棘輪轉(zhuǎn)過一定的角度。當搖桿順時針擺動時，止動爪阻止棘輪順時針轉(zhuǎn)動，同時棘爪在棘輪的齒背上滑過，棘輪便得到單向的間歇運動。O擺桿棘爪棘輪制動棘爪棘輪機構(gòu)可變方向式棘輪機構(gòu)B′O1BO2摩擦式棘輪機構(gòu)

ttFfNR

k超越離合器6.3不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇運動機構(gòu)6.3.1不完全齒輪機構(gòu)6.3.2凸輪式間歇運動機構(gòu)圓柱形凸輪間歇運動機構(gòu)

蝸桿形凸輪間歇運動機構(gòu)小結(jié)間歇運動機構(gòu)6.1槽輪機構(gòu)具有徑向槽的槽輪2帶有圓銷的撥盤1機架特點：構(gòu)造簡單，機械效率高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。應(yīng)用舉理：電影放映機卷片機構(gòu)組成6.1.1槽輪機構(gòu)的工作原理6.1.2槽輪的主要參數(shù)及基本尺寸槽數(shù)z和撥盤圓銷數(shù)K設(shè)z為均勻分布的徑向槽數(shù)目，則當槽輪轉(zhuǎn)過2φ2=2π/z弧度時，撥盤1的轉(zhuǎn)角2φ1

為：運動特性系數(shù)τ：槽輪的運動時間tm與撥盤的運動時間t的比值。上式對應(yīng)只有一個圓銷的槽輪機構(gòu)，有：z>3τ<0.5如有K個圓銷，則當z=3時，圓銷的數(shù)目可為1-5；當z=4或5時，圓銷的數(shù)目可為1-3；當z>6時，圓銷的數(shù)目可為1或2；6.2棘輪機構(gòu)

棘輪機構(gòu)的工作原理：當搖桿逆時針擺動時，棘爪便插入棘輪3的齒間，推動棘輪轉(zhuǎn)過一定的角度。當搖桿順時針擺動時，止動爪阻止棘輪順時針轉(zhuǎn)動，同時棘爪在棘輪的齒背上滑過，棘輪便得到單向的間歇運動。O擺桿棘爪棘輪制動棘爪棘輪機構(gòu)可變方向式棘輪機構(gòu)B′O1BO2摩擦式棘輪機構(gòu)

ttFfNR

k超越離合器6.3不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇運動機構(gòu)6.3.1不完全齒輪機構(gòu)6.3.2凸輪式間歇運動機構(gòu)圓柱形凸輪間歇運動機構(gòu)

蝸桿形凸輪間歇運動機構(gòu)小結(jié)齒輪傳動7.6漸開線圓柱齒輪的加工

7.7齒輪的失效形式及齒輪材料

7.8漸開線直齒圓柱齒輪傳動的強度計算

7.9平行軸漸開線斜齒圓柱齒輪傳動

7.10直齒圓錐齒輪傳動

7.11齒輪的結(jié)構(gòu)和潤滑

7.1概述7.1.1特點優(yōu)點：傳動比準確穩(wěn)定，傳動平穩(wěn)；功率和圓周速度適用范圍廣；傳動效率高；工作可靠、壽命長。

缺點：制造安裝精度高、成本高、不適宜傳遞遠距離的運動。

齒輪傳動通過輪齒的嚙合來傳遞空間任意兩軸的運動和動力，是應(yīng)用最廣的傳動機構(gòu)之一。7.1.２分類直齒圓柱齒輪傳動斜齒圓柱齒輪傳動人字齒輪傳動外嚙合齒輪傳動內(nèi)嚙合齒輪傳動齒輪與齒條傳動平行軸圓錐齒輪傳動(直齒、曲齒)交錯軸斜齒輪、蝸桿傳動相交軸：交錯軸:非平行軸☆按照軸線間相互位置、齒向和嚙合情況分—齒輪機構(gòu)齒輪傳動☆按照齒輪輪齒的齒廓曲線，可分為漸開線齒輪傳動、擺線齒輪傳動和圓弧齒輪傳動。其中以漸開線齒輪傳動應(yīng)用最廣泛?！畎凑正X輪傳動的工作條件不同，可分為開式齒輪傳動和閉式齒輪傳動。開式齒輪傳動的齒輪完全外露，而閉式齒輪傳動的齒輪則封閉在密閉箱體內(nèi)，具有良好的潤滑和工作條件。☆按照齒輪傳動齒輪齒面的硬度不同，可分為軟齒面（HBW

≤350）齒輪傳動和硬齒面（HBW＞350）齒輪傳動。[思考題7.1]圓形齒輪機構(gòu)傳動最大的特點和優(yōu)勢是瞬時傳動比準確恒定，觀察齒輪傳動過程，試分析傳動比準確恒定可能和齒輪機構(gòu)哪些要素有關(guān)？7.2齒廓嚙合基本定律

某一瞬時主動齒輪和從動齒輪的角速度（或轉(zhuǎn)速）比值，稱為瞬時傳動比，用來表示。

齒輪傳動基本要求之一就是要保證瞬時傳動比準確恒定。

什么形狀的齒廓，能保證瞬時傳動比準確恒定？o1ω1一對齒廓在任意點K接觸時，作法線n-nnnPo2ω2kvk2vk1若要滿足兩輪齒廓高副接觸，連續(xù)運動，則Vk1和Vk2投影在公法線n-n上的分量相等，否則兩輪齒廓接觸點將在公法線n-n方向上相互嵌入或分離，無法連續(xù)運動。αk2αk1齒廓嚙合基本定理：不論兩齒廓在何位置接觸，過接觸點所作的兩齒廓公法線必須與兩齒輪的連心線相交于一定點。

要使兩齒輪作定傳動比傳動，則兩齒廓必須滿足的條件是：節(jié)點和節(jié)圓過兩齒廓嚙合點所作的齒廓公法線與兩輪連心線O1O2的交點C稱為節(jié)點。當兩齒輪作定傳動比傳動時，節(jié)點C在輪1和輪2的運動平面上的軌跡分別是以O(shè)1、O2為圓心，以O(shè)1C、O2C為半徑的兩個圓，此圓稱為節(jié)圓，齒輪的節(jié)圓半徑分別記作、?，F(xiàn)實生活中有沒有這樣形狀的齒廓呢？

？7.3漸開線與漸開線齒廓7.3.1漸開線的形成和性質(zhì)

一條直線（稱為發(fā)生線）沿著半徑為rb的圓周（稱為基圓）作純滾動時，直線上任意點K的軌跡AK稱為該基圓的漸開線。

tt發(fā)生線Bk基圓OArkθkrb漸開線的性質(zhì)：1）當發(fā)生線從初始位置滾到結(jié)束位置時，因它與基圓之間為純滾動，沒有相對滑動，所以。2）當發(fā)生線在位置Ⅱ沿基圓作純滾動時，B點是它的速度瞬心，因此直線BK是漸開線上K點的法線，且線段BK為其曲率半徑，B點為其曲率中心。又因發(fā)生線始終切于基圓，故漸開線上任意一點的法線必與基圓相切。3）漸開線上各點的壓力角不相等。漸開線上任一點法線壓力的方向線，與該點速度方向線所夾的銳角，稱為該點的壓力角。今以表示基圓半徑，由圖可知4）漸開線的形狀取決于基圓的大小。大小相等的基圓其漸開線形狀相同，大小不等的基圓其漸開線形狀不同。5）基圓以內(nèi)無漸開線。

7.3.2漸開線齒廓滿足齒廓嚙合基本定理故漸開線上任一點的法線必與基圓相切→兩齒廓公法線n-n即為兩基圓內(nèi)公切線→唯一→n-n與連心線交點C→定點→滿足齒廓嚙合基本定理。并有，7.3.3漸開線齒廓的嚙合特性（1）四線合一嚙合線：齒輪傳動時其齒廓嚙合點的軌跡線過嚙合點齒廓公法線內(nèi)公切線正壓力作用線同一直線N1N2

，稱為四線合一。（2）齒輪傳遞的壓力方向不變

過節(jié)點C作兩節(jié)圓的公切線tt，它與嚙合線N1N2間的夾角稱為嚙合角。

計。傳動時，嚙合角保持不變。

（3）中心距可分性指瞬時恒等于兩基圓直徑的反比，故即使兩輪中心距稍有改變，傳動比仍保持恒定。？漸開線齒廓形狀滿足齒廓嚙合基本定理，但是齒輪上除了齒廓外，還有很多其他幾何要素，那么我們應(yīng)如何來構(gòu)造一個漸開線齒廓齒輪呢？

7.4漸開線標準直齒圓柱齒輪的參數(shù)及幾何尺寸計算7.4.1齒輪參數(shù)與幾何尺寸計算O☆齒厚－sk（在半徑為rk同心圓弧上截得）同一齒兩側(cè)齒廓之間弧長☆齒槽寬－ek相鄰兩齒間的空間弧長☆齒距－pk相鄰兩齒同側(cè)齒廓間弧長

pk=sk+ek

skekrkrb基圓pk齒距☆輪齒☆齒廓－漸開線☆基圓－db、rb由齒數(shù)為z齒輪上直徑為dK的圓周的周長：Ohskekra齒頂圓rf齒根圓rkrb基圓pk齒距h假設(shè)對于不同齒輪，我們都取其上一個直徑為d（齒距為p）的特定圓作為基準，則有為了便于這個齒輪的計算和測量（基準圓計算中含有無理數(shù)“π”）并方便齒輪的互換使用和簡化加工刀具

。故可人為規(guī)定p/π取整數(shù)或簡單有理數(shù)并限制數(shù)目從而形成標準系列。☆模數(shù)

p/π標準化，稱為模數(shù)，記作m，單位mm。齒輪模數(shù)的標準系列見下表。第一系列1,1.25,1.5,2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,32,40,50第二系列1.125,1.375,1.75,2.25,2.75,3.5,4.5,5.5,(6.5),7,9,11,14,18,22,28,36,45注：1.本表適用于通用機械和重型機械用直齒和斜齒漸開線圓柱齒輪的法面模數(shù)。

2.優(yōu)先采用第一系列，括號內(nèi)的盡量不用。模數(shù)是齒輪的一個重要參數(shù)，是齒輪所有幾何尺寸計算的基礎(chǔ)。顯然，m越大，p越大，輪齒的尺寸也越大。

☆壓力角

漸開線齒廓上各點的壓力角不同。為了便于設(shè)計和制造，將壓力角標準化，記作α。規(guī)定齒輪基準位置的壓力角只能取標準值，我國標準規(guī)定α=20o。O☆分度圓上述基準圓就是分度圓，分度圓直徑以d表示，齒厚用s表示，齒槽寬用e表示，齒距用p表示（均不帶字母下標）。Bpser

分度圓可定義為齒輪具有標準模數(shù)和標準壓力角的那個圓。每個齒輪上有且只有一個。

Ora齒頂圓☆齒頂、齒頂高和齒頂圓

分度圓將輪齒分成齒頂和齒根兩部分齒頂?shù)膹较蚋叨确Q為齒頂高

—齒頂高系數(shù)正常齒制時，短齒制時，

輪齒的頂部，稱為齒頂圓

rh齒頂Orf齒根圓☆齒根、齒根高和齒根圓

分度圓將輪齒分成齒頂和齒根兩部分齒根的徑向高度稱為齒根高

輪齒的根部，稱為齒根圓

—頂隙系數(shù)

正常齒制時，短齒制時，

全齒高

r齒根7.4.2標準齒輪凡模數(shù)、壓力角、齒頂高系數(shù)與頂隙系數(shù)等于標準數(shù)值，且分度圓上齒厚與齒槽寬相等的齒輪稱為標準齒輪。因此，對于標準齒輪7.5漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動7.5.1正確嚙合條件正確嚙合→嚙合齒對┌不脫開└不重疊→前后兩對齒有可能同時在嚙合線上接觸。（此時前后兩對齒可能發(fā)生干涉）→兩輪相鄰兩齒同側(cè)齒廓沿公法線的距離相等(基圓齒距)即，漸開線直齒圓柱齒輪正確嚙合條件是：兩齒輪的模數(shù)和壓力角必須分別相等?！鷦t，齒輪的傳動比又可寫成7.5.2正確安裝條件和標準中心距齒側(cè)間隙——一對齒輪傳動時，一齒輪節(jié)圓上的齒槽寬與另一齒輪節(jié)圓上的齒厚之差。頂隙

——一對齒輪嚙合時，一個齒輪的齒頂圓到另一個齒輪的齒根圓的徑向距離。這樣既能消除反向轉(zhuǎn)動空間和減少沖擊

，又能避免一個齒輪的齒頂與另一個齒輪的齒槽底部發(fā)生頂死現(xiàn)象，和儲存潤滑油。正確安裝→保證齒輪傳動┌齒側(cè)間隙為零└有標準頂隙

∵標準齒輪(分度圓處e=s,ha*,c*為標準值)

∴當一對標準齒輪分度圓與節(jié)圓重合

d=d′→標準齒輪(正確)安裝條件→標準中心距(一對標準齒輪分度圓相切)7.5.3連續(xù)傳動條件和重合度嚙合

起始點--從動輪2齒頂圓與理論嚙合線N1N2的交點B2

→終止點--主動輪齒輪1的齒頂圓與嚙合線的交點B1

→嚙合點沿著嚙合線移動實際嚙合線--

B1B2

理論嚙合線--

N1N2

當一對輪齒在B2點開始嚙合時，前一對輪齒仍在K點嚙合，說明前一對齒終止嚙合之前后續(xù)的一對齒及時進入嚙合，則傳動就能連續(xù)進行。這時實際嚙合線段B1B2的長度大于單個齒輪的法向齒距。

連續(xù)傳動的條件:使實際嚙合線長度大于或至少等于齒輪的法向齒距pn（pn

=pb

）。也可表達為重合度大于等于1。即

重合度

重合度必須ε大于1。ε大，表明同時參加嚙合的齒對數(shù)多，傳動平穩(wěn)；且每對齒所受平均載荷小，從而能提高齒輪的承載能力。7.6漸開線圓柱齒輪的加工7.6.1漸開線齒輪加工方法1、成形法用與漸開線齒槽形狀相同的成形刀具直接切出齒形的方法稱為成形法。盤形銑刀加工指形銑刀加工精度低、生產(chǎn)率低加工時齒輪毛坯固定在銑床上，每切完一個齒槽，工件退出，分度頭使齒坯轉(zhuǎn)過360°/z（z為齒數(shù)）再進刀，依次切出各齒槽。2、展成法ωω0ωω0（1）插齒

切削運動ωω0范成運動讓刀運動利用一對齒輪（或齒輪齒條）嚙合時其共軛齒廓互為包絡(luò)線原理切齒的方法稱為展成法（又稱范成法或包絡(luò)線法）。目前生產(chǎn)中大量應(yīng)用的插齒、滾齒、剃齒、磨齒等都采用展成法原理。齒輪插刀加工齒輪

齒條插刀加工齒輪

齒輪插刀插齒機加工原理與齒輪插刀切削齒輪相同。

（2）滾齒由于滾刀軸向截面是齒條形狀，所以滾刀與輪坯分別繞本身軸線轉(zhuǎn)動時，在輪坯回轉(zhuǎn)面內(nèi)，齒條在移動，相當于齒條與齒輪的嚙合傳動。同時，滾刀還沿輪坯軸線作進給運動，從而切出一系列漸開線外形。滾齒機7.6.2漸開線標準齒輪的根切現(xiàn)象以及不發(fā)生根切的最少齒數(shù)標準刀具標準安裝采用展成法原理加工標準齒輪時，如果齒輪的齒數(shù)太少，會出現(xiàn)靠近輪齒根部的漸開線齒廓被刀具切削掉一部分的現(xiàn)象，稱為根切。分度圓基圓N1點為被加工齒輪基圓與嚙合線的切點，由于基圓內(nèi)部沒有漸開線，故該點為刀具齒條和被加工齒輪按范成原理做假想嚙合中齒廓上嚙合的理論極限點。

根切原因--刀具的頂線超出了N1，刀具與被加工齒輪嚙合到N1后沒有脫離，齒輪根部包含部分漸開線齒廓會被切掉而發(fā)生根切。

經(jīng)幾何推導(dǎo)可得不發(fā)生根切的條件為

不發(fā)生根切最少齒數(shù)的數(shù)值為：對直齒，當ha*=1和時，zmin=17。7.6.3變位齒輪若加工齒輪時，不采用標準安裝，而是將刀具相對于輪坯中心向外移出或向內(nèi)移近一段距離xm，x稱為變位系數(shù)，則刀具的的中線不再與輪坯的分度圓相切。x＞0、x=0、x＜0的變位分別稱為正變位、零變位和負變位。采用變位修正法加工出來的齒輪稱為變位齒輪。與標準齒輪相比，變位齒輪分度圓基圓不變，分度圓上模數(shù)和壓力角也不變，但齒厚和齒槽寬改變不再相等，齒頂高和齒根高也變了。齒廓曲線和標準齒輪的齒廓曲線是同一基圓形成的漸開線，只是截取的部位不同而已。7.7齒輪的失效形式及齒輪材料7.7.1齒輪輪齒的失效形式1.輪齒折斷一般發(fā)生在齒根處，嚴重過載突然斷裂——過載折斷，疲勞折斷：應(yīng)力集中--疲勞裂紋--擴展--折斷。原因：齒根彎曲應(yīng)力大；齒根應(yīng)力集中2.齒面點蝕齒面接觸應(yīng)力按脈動循環(huán)變化當超過疲勞極限時，表面產(chǎn)生微裂紋、高壓油擠壓使裂紋擴展、微粒剝落。點蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線處，齒面越硬，抗點蝕能力越強。軟齒面閉式齒輪傳動常因點蝕而失效。接觸疲勞產(chǎn)生的過程：小裂紋-擴展-脫落-凹坑。3.齒面膠合高速重載傳動中，常因嚙合區(qū)溫度升高而引起潤滑失效，致使齒面金屬直接接觸而相互粘連。當齒面相對滑動時，較軟的齒面沿滑動方向被撕下而形成溝紋。4.齒面磨損原因：相對滑動

砂粒、金屬屑、非金屬物等磨料性物質(zhì)5．塑性變形

產(chǎn)生機理：

當輪齒材料較軟，載荷及摩擦力又很大時，輪齒在嚙合過程中，齒面表層的材料就會沿著摩擦力的方向產(chǎn)生塑性變形。

原因：重載，齒面軟7.7.2齒輪傳動的設(shè)計準則針對不同的工作情況及失效形式，都應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計準則：即：最主要的失效形式—設(shè)計（進行強度計算，確定齒輪的主要參數(shù)和幾何尺寸）

對次要的失效形式--校核齒輪工作條件主要失效形式設(shè)計準則軟齒面閉式齒輪傳動齒面點蝕按齒面接觸疲勞強度設(shè)計校核齒根彎曲疲勞強度硬齒面閉式齒輪傳動齒根折斷按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計校核齒面接觸疲勞強度開式齒輪傳動磨損只按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計，確定模數(shù)m，再將m值加大10-15%，以考慮磨損的影響。齒輪傳動的設(shè)計準則重點7.7.3齒輪材料及熱處理要求：1）齒面硬2）齒芯韌3）有良好加工和熱處理性能熱處理方法表面淬火滲碳淬火調(diào)質(zhì)正火滲氮淬火常用齒輪材料優(yōu)質(zhì)碳素鋼4550合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr20Cr20SiMnTi鑄鋼ZG310-570鑄鐵QT600-2HT200材料材料牌號熱處理方法齒面硬度應(yīng)用范圍優(yōu)質(zhì)碳素鋼45正火156～217HBW低速輕載調(diào)質(zhì)197～286HBW低速中載表面淬火40～50HRC高速中載或沖擊很小合金鋼40Cr調(diào)質(zhì)217～286HBW中速中載表面淬火48～55HRW高速中載，無劇烈沖擊42SiMn調(diào)質(zhì)217～269HBW表面淬火45～55HRC20Cr滲碳淬火56～62HRC高速中載，承受沖擊20CrMnTi滲碳淬火56～62HRC鑄鋼ZG310-570正火163～197HBW中速、中載、小沖擊ZG340-640179～207HBW灰鑄鐵HT300─187～255HBW低速輕載，沖擊很小HT350197～269HBW球墨鑄鐵QT500-5正火147～241HBW低、中速輕載，小沖擊QT600-2220～280HBW齒輪常用材料選擇7.8漸開線直齒圓柱齒輪傳動的強度計算7.8.1受力分析和計算載荷O2O1tω1（主動）N1N2cα

α

d12α

FnT1圓周力：徑向力：法向力：小齒輪上的轉(zhuǎn)矩：各作用力的方向如圖O2ω2（從動）O1N1N2tω1（主動）T1cα

α

d12d22α

FtFrFnFn★各力間的關(guān)系★力的方向各種原因產(chǎn)生的附加動載荷，會令實際載荷大于名義載荷。用計算載荷KFn代替名義載荷Fn，K稱為載荷系數(shù)，見下表★計算載荷載荷狀態(tài)工作機舉例原動機電動機多缸內(nèi)燃機單缸內(nèi)燃機平穩(wěn)輕微沖擊均勻加料的運輸機、發(fā)電機、透平鼓風機和壓縮機、機床輔助傳動等。1～1.21.2～1.61.6～1.8中等沖擊不均勻加料的運輸機、重型卷揚機、球磨機、多缸往復(fù)式壓縮機等1.2～1.61.6～1.81.8～2.0較大沖擊沖床、剪床、鉆機、軋機、挖掘機、重型給水泵、破碎機、單缸往復(fù)式壓縮機等1.6～1.81.9～2.12.2～2.47.8.2齒面接觸疲勞強度計算b

計算模型：兩平行圓柱體相接觸的赫茲（1881年提出）公式：F——法向載荷（N）；ρv——綜合曲率半徑（mm）。b——接觸線長度（mm）；★思路：

——圓柱體材料泊松比。E——圓柱體材料彈性模量。此公式可以推廣到任意高副接觸構(gòu)件：此時ρ1ρ2分別代表高副輪廓接觸點處的曲率半徑。節(jié)點C作為計算點，由圖可知

設(shè)齒數(shù)比◆應(yīng)用到齒輪中（1908年威得克提出，一直沿用至今）：令

稱為彈性系數(shù)，其數(shù)值與材料有關(guān)，可查表7.5。令

稱為節(jié)點區(qū)域系數(shù)，對于標準直齒輪，ZH=2.5。

按現(xiàn)行國家標準：GB/T3480-1997和GB/T19406-2003的規(guī)定，齒輪齒面計算接觸疲勞計算應(yīng)力尚需引入多項修正系數(shù)，經(jīng)適當簡化（忽略近似為1的修正系數(shù)）?？傻脴藴数X輪傳動的齒面接觸疲勞強度校核公式為引入齒寬系數(shù)，見表7.6則上式可轉(zhuǎn)化為按齒面接觸疲勞強度設(shè)計公式注：1）一對齒輪嚙合，兩齒面接觸應(yīng)力相等

2）許用接觸應(yīng)力、可能不同，應(yīng)將其中之較小值代入式中進行計算。7.8.3齒根彎曲強度計算

基本假設(shè)①輪齒視為懸臂梁，載荷作用于齒頂時彎矩最大②載荷僅由一對輪齒承擔

③危險截面AB（30°切線法）④僅計水平力FncosαFFFαFFnsinαFncosαFn令

為齒形系數(shù)引入應(yīng)力修正系數(shù)，

可得齒根彎曲強度校核公式為按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計公式

注：1）一對齒輪嚙合，兩齒根彎曲應(yīng)力不相等，故齒面彎曲強度校核時應(yīng)兩個齒輪分別進行。

2）許用彎曲應(yīng)力、可能不同，按彎曲強度設(shè)計計算時，應(yīng)將和較大值代入式中進行計算。

3）齒輪模數(shù)按上式計算后，應(yīng)在標準模數(shù)系列中選取。對傳遞動力的齒輪，模數(shù)不應(yīng)小于2mm。標準齒輪齒形系數(shù)和應(yīng)力修正系數(shù)表z121416171819202122233.473.223.032.972.912.852.802.762.722.691.441.471.511.521.531.541.551.561.571.58z242526272829303540452.652.622.602.572.552.532.522.452.402.351.581.591.601.601.611.621.631.651.671.68z5060708090100120150200∞2.322.282.242.222.202.182.162.142.122.061.701.731.751.771.781.791.811.831.871.97注：表中z的取值，對直齒圓柱齒輪取其實際齒數(shù)；對斜齒圓柱齒輪取其當量齒數(shù)zv。7.8.4許用應(yīng)力1.許用接觸疲勞應(yīng)力式中：

—試驗齒輪的接觸疲勞極限，MPa，與材料及硬度有關(guān)，由表查取公式。

—接觸疲勞壽命系數(shù)，是考慮壽命內(nèi)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的修正系數(shù)，由圖查取

—安全系數(shù)，由表查取。

圖中：

2.許用彎曲應(yīng)力

式中：

—修正后的試驗齒輪的彎曲疲勞極限，。其中為試驗齒輪的彎曲疲勞極限，由表查得，若輪齒兩面工作時，應(yīng)將表中的數(shù)值乘以系數(shù)0.7；為試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，一般取2?！獜澢趬勖禂?shù)，是考慮壽命內(nèi)應(yīng)力