1、廊坊职业技术学院 机械工程系 机械设计基础 绪论一、本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容 1 研究对象机械应用实例：内燃机机械 是机构和机器的总称。机构 是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。机器 是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息 绪论（1）机构指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等等（2）机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息。由实例可看出，各种机器的主要组成部分都是各种机构。所以可以说，机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合体。（3）
2、机器的结构 传统的机器由如下三个部分组成：原动件传动部分执行部分 现代机器一般由如下四个部分组成 原动件传动部分执行部分 绪论2研究内容 1）机构的组成及其自由度的计算 2）机构的运动分析 3）机构的力分析和机器动力学分析 4）常用机构的分析与设计 5）机构的选型与组合*3 3学习的目的学习的目的 为学习后续课程和掌握专业知识大好基础 为毕业设计提供机械设计知识 4 4掌握本课程的特点掌握本课程的特点 本课程是一门技术基础课，其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合。绪论二、械设计基本要求和一般程序 1.机器应该满足的基本要求机器应该满足的基本要求 (1)使用性要求 实现预定的功能，满足运动和
3、动力性能的要求）（功能性要求）(2)经济性要求 这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。(3)安全性要求 有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。绪论 (4)工艺性要求 这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。(5)可靠性要求 要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限
4、内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。2.2.机械零件设计的基本准则及一般步骤机械零件设计的基本准则及一般步骤 (1)根据零件的使用要求（如功率、转速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。(2)分析作用在零件上的载荷（拉、压力，剪切力）。(3)根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。绪论(4)分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。(5)按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。(6)绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。廊坊职业技术学院 机械工程系 第一章平面机构运动简图及自由度1-1 1-1 平面机构的组
5、成平面机构的组成1.1.构件构件 从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件构件。从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为零件零件。构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它
6、们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。1-1 1-1 平面机构的组成平面机构的组成2.2.运动副运动副1 1）运动副定义）运动副定义 机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。接触的活动连接称为运动副。2 2）运动副的分类运动副的分类 （1 1）按两个构件运动关系分为）按两个构件运动关系分为平面运动副平面运动副和和空间运动副空间运动副 （2 2）按其接触形式分：高副）按
7、其接触形式分：高副点线接触的运动副点线接触的运动副 低副低副面接触的运动副。面接触的运动副。（3 3）按其相对运动形式分）按其相对运动形式分 转动副转动副（回转副回转副或或铰链铰链）移动副、螺移动副、螺旋副、球面副。旋副、球面副。1-1 1-1 平面机构的组成平面机构的组成3.3.机构机构具有固定构件的运动链称为具有固定构件的运动链称为机构机构。机机 架架机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动，机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动，原动件：原动件：按给定已知运动规律独立运动的构件；按给定已知运动规律独立运动的构件；从动件从动件 机构中其余活动构件。其运动规律决定于原机构中其余活动构件
8、。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。机构常分为机构常分为平面机构平面机构和和空间机构空间机构两类，其中平面机两类，其中平面机构应用最为广泛构应用最为广泛 1-2 平面机构运动简图一、用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。二、绘制：1、运动副的符号转动副：表1-12、构件符号：表表1-23、机构运动简图的绘制，（模型，鄂式破碎机）1）分析机构，观察相对运动；2）找出所有的构件与运动副；3）选择合理的位置，即能充分反映机构的特性；4）确定比例尺，5）用规定的符号和线条绘制成间图。（从原动
9、件开始画）【例【例2-12-1】如图2-6所示为以颚式碎矿机。当曲轴2绕其轴心O连续转动时，动颚板3作往复摆动，从而将处于动颚板3和固定颚板6之间的矿石7轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。解：解：（1）运动分析右图所示右图所示 此碎矿机由原动件曲轴2（构件1为固装于曲轴2上的飞轮）、动颚板3、摆杆4、机架5等4个构件组成，固定颚板6是固定安装在机架上的。曲轴2于机架5在O点构成转动副（即飞轮的回转中心）；曲轴2与动颚板3也构成转动副，其轴心在A点（即动颚板绕曲轴的回转几何中心）；摆杆4分别与动颚板3和机架5在B、C两点构成转动副。其运动传递为：电机 皮带 曲轴 动颚板 摆杆所以，其机构原动件
10、为曲轴，从动件为摆杆、构件3、机架5共同构成曲柄摇杆机构。（2）按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定O、A、B、C四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图。最后标出原动件的转动方向。由图可以看出，O、C在同一垂直线上。量取OA=3mm，AB=25mm，BC=14mm，OC=22mm.1-3 平面机构的自由度机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。一、计算机构自由度（设n个活动构件，PL个低副，PH个高副）F=3n-2PL-PH 二、机构具有确定运动的条件 （原动件数F，机构破坏）铰链四杆机构 F=3*3-2*4-0=1 原动件数=机构自由度铰链五杆机构ab F=3*4-2*
11、5-0=2 原动件数机构自由度原动件数机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是：机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。三、计算机构自由度时应注意的问题 1 1复合铰链复合铰链 三个或三个以上构件在同一处构成共轴线转动副的铰链，我们称为复合铰链复合铰链（如图所示）。若有m个构件组成复合铰链，则 复合铰链处的转动副数应为（m-1）个。复合铰链2 2局部自由度局部自由度 机构中某些构件具有局部的、不影响其它构件运动的自由度，同时与输出运动无关的自由度我们称为局部自由度局部自由度。对于含有局部自由度的机构在计算
12、自由度时，不考虑局部自由度。如图凸轮机构：如认为：F=3x3-2x3-1=2 是错误的。n=2，Pl=2，Ph1，由公式得：F=3x2-2x2-1=1。1A4B2D（3）虚约束：在特殊的几何条件下，有 些约束所起的限制作用是 重复的，这种不起独立限 制作用的约束称为虚约束。虚约束1虚约束2虚约束虚约束2虚约束虚约束1廊坊职业技术学院 机械工程系 第二章 平面连杆机构 一、定义：一、定义：若干构件通过低副（转动副或移若干构件通过低副（转动副或移 动副）联接所组成动副）联接所组成 的机构称作连杆机构的机构称作连杆机构。连杆机构中各构件的相对运动是平面 运动还是空间运动，连杆机构又可以分为 平面连杆
13、机构和空 间连杆机构。平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动 副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传 送动力。2.1 平面四杆机构的类型及应用 在此机构中，AD固定不动，称为机架机架；AB、CD两构件与机架组成转动副，称为连架杆连架杆；BC称为连杆连杆。在连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄曲柄，而只能在一定角度范围内摆动的构件称为摇杆摇杆。一、铰链四杆机构基本类型根据机构中有无曲柄和有几个曲柄，铰链四杆机构又有三种基本形式：1 1曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。雷达调整机构雷达调整机构缝纫机踏板机构缝纫机踏板机构当曲柄为原动件时，可
14、将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动，如图中的雷达天线机构；反之，当摇杆为原动件时，可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周转动，如图所示的缝纫机踏板。雷达调整机构缝纫机踏板机构2 2双曲柄机构双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。可将原动曲柄的等速转动转换成从动曲柄的等速或变速转动，如图所示的惯性筛驱动机构；构的相对两杆平行且相等时，则成为平行四边形机构，如图所示。注意：注意：平行四边形机构平行四边形机构在运动过程中，当两曲在运动过程中，当两曲柄与机架共线时，在原柄与机架共线时，在原动件转向不变、转速恒动件转向不变、转速恒定的条件下，从动曲柄会出现运动不确定现象。定的条件下，从动曲柄会出现运动不
15、确定现象。可以在机构中添加飞轮或使用两组相同机构错位排列。3双摇杆机构双摇杆机构：两连架杆都是摇杆的机构，如图所示的鹤式起重机构，保证货物水平移动。二、机构的演化二、机构的演化机构的演化方法有三种：机构的演化方法有三种：1）通过改变构件的形状和相对尺寸进行演化，如图28的演化；2）通过改变运动副尺寸进行演化；3）通过选用不同构件作为机架进行演化。1 1滑块机构滑块机构如图所示，当构件1能整周回转成为曲柄时，该机构称为曲柄滑块机构；否则该机构称为摆杆滑块机构。曲柄滑块机构曲柄滑块机构2 2导杆机构导杆机构在图a所示的对心曲柄滑块机构中，若改取构件1为机架，则机构演化为导杆机构导杆机构。图 b。3
16、 3曲柄摇块与曲柄转块机构曲柄摇块与曲柄转块机构在图a中若改取构件2为机架，当l1 l2时，则滑块3可作整周转动，我们称为曲柄转块机构曲柄转块机构。4 4移动导杆机构移动导杆机构在图 a中，如取滑块3为机架，则该机构演化成移动导杆机构移动导杆机构 2.32.3四杆机构特性 一、四杆机构存在曲柄的条件一、四杆机构存在曲柄的条件 铰链四杆机构的三种基本型式的区别在于它的连架杆是否为曲铰链四杆机构的三种基本型式的区别在于它的连架杆是否为曲柄。而且一般原动件为曲柄柄。而且一般原动件为曲柄。而在四杆机构中是否存在曲柄，而在四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各构件间的相对尺寸关系。取决于机构中各构件间的
17、相对尺寸关系。设a350）（是发展趋势）20Cr，20CrMnTi，40Cr，30CrMoAlA，表面淬火，渗碳淬火，氮化和氰化，先切齿表面硬化磨齿精切齿形5、6级适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等）2、铸铁脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平稳、低速和小功率场合。铸铁：灰铸铁；球墨铸铁有较好的机械性能和耐磨性3、非金属材料工程塑料（ABS、尼龙）、夹布胶木 6.9 直齿圆柱齿轮传动的设计一、受力分析 在不计及齿面摩擦力时，即为作用于齿面法线方向上的法向载荷Fn。渐开线齿形任何一点上的法线均与基圆相切，如图所示。则小齿轮名义转距T为二、计算载荷
18、考虑原动机和工作机的不平稳，轮齿啮合时产生的动载荷，1119550nPT 应对名义载荷进行修正 Fnc=KFn系数K可由表6-7查得。三、齿根弯曲疲劳强度计算防止弯曲疲劳折断其依据是材料力学中的悬臂梁的应力分析。齿根上的弯矩最大，轮齿的弯曲疲劳强度齿根处最弱 即 2maxcos6ShpWMFcos)(cos)(6coscos622mSmhbmKFbShKFttF校核公式 设计公式YFa齿形系数，只与齿形有关 令 齿宽系数 FFSdYYZKTm2211FdsaFaFZmYYYKT221311/dbd四、齿面接触疲劳强度计算 直齿圆柱齿轮接触疲劳强度计算是防止齿面点蚀破坏的计算方法，其其理论依据是
19、两平行圆柱体的接触应力理论理论依据是两平行圆柱体的接触应力理论 接触应力 对于标准直齿轮，校核公式222121211111EEqHHtEHuubdKFZZ15.21 205.2HZ1/dbd设计公式五、齿轮传动强度计算说明 1、弯曲强度计算，要求，）对大小齿轮，其它参数均相同只有 不同，应将其中较大者代入计算。2、接触强度计算公式中，许用值取小的。3、轮齿面按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度 硬齿面按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核齿面接触疲劳强度 321132.2HEdZZuuKd11FF22FF222FSaFaYY21HH六、参数选择 1、齿数Z1 闭式软齿面齿轮（点蚀）Z1可取多
20、一些（2040 闭式硬齿面齿轮（弯曲疲劳）a一定时，宜取Z1少 一些（使m），Z1=1720 2、许用弯曲应力 3、许用接触应力 XNFSTFFYYSYmin2,1lim2,1WNHmimHHZZSlim4、传动比单级闭式传动，一般取 （直齿）、（斜齿 6.10 斜齿圆柱齿轮传动设计 一齿面形成及啮合特点 斜齿圆柱齿轮齿面形成的原理与直齿轮相似，所不同的是直线 与轴线不平行，而有一个夹角 5i7iKKb啮合特点：啮合特点：1）当两直齿轮啮合时，其齿面接触线是与整个齿轮轴线平行的直线。因此，直齿轮啮合时，整个齿宽同时进入和退出啮合，所以容易引起冲击、振动和噪声，从而影响传动的平稳性，不适宜于高速
21、传动。2）当两斜齿轮啮合时，由于轮齿的倾斜，一端先进入啮合，另一端后进入啮合，其接触线由短变长，再由长变短，极大地降低冲击、振动和噪声，改善了传动的平稳性。相对于直齿轮而言更适合高速传动。3）斜齿圆柱齿轮相对于直齿圆柱齿轮而言，可以增大重合度、降低根切齿数，可以提高齿轮承载能力，减小结构尺寸。二、斜齿轮的基本参数及尺寸计算 1法面模数与端面模数 由上面两式可以得到 所以一般ldtanddbtcostbcostantancostnmm 2072法面压力角与端面压力角3法面、端面齿高系数与顶隙系数式中 、为标准值。三斜齿圆柱齿轮的几何尺寸计算三斜齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 见教材表(6-13)。其中
22、特别要注意：公式中的法面参数为标准值。costantantntatnanamhmhh*ttatnnanfmchmchh)()(*anh*nc四、斜齿圆柱齿轮的当量齿数 为确定当量齿数，如图所示。过斜齿轮分度圆上C点，作斜齿轮法面剖面，得到一椭圆。该剖面上C点附近的齿型可以视为斜齿轮的法面齿型。以椭圆上点C的曲率半径作为虚拟直齿轮的分度圆半径，并设该虚拟直齿轮的模数和压力角分别等于斜齿轮的法面模数和压力角，该虚拟直齿轮即为当量齿轮，其齿数即为当量齿数。32coscos2zmdmznnv五、斜齿圆柱齿轮传动正确啮合条件 6.11 直齿圆锥齿轮传动 圆锥齿轮机构主要用来传递两相交轴之间的运动和动力,
23、如图6-44。圆锥齿轮的轮齿是分布在一个截锥体上的，nnnnnnmmm212121 一对圆锥齿轮两轴之间的夹角可根据传动的需要来决定。但通常情况下，工程上多采用的是 的传动 一、直齿圆锥齿轮齿廓的形成 锥齿轮的齿廓是发生面S在基圆锥上作纯滚动时形成的，发生面上K点将在空间展开成一渐开线AK。显然，渐开线是在以锥顶O为中心，锥距R为半径的球面上。背锥是过锥齿轮的大端，其母线与锥齿轮分度圆锥母线垂直的圆锥。将两锥齿轮大端球面渐开线齿廓向两背锥上投影，得到近似渐开线齿廓。接下来将两背锥展成两扇形齿轮，设想把扇形齿轮补足成一个完整的圆柱齿轮。该假想的圆柱齿轮称作圆锥齿轮的当量齿轮当量齿轮 90齿数称作
24、圆锥齿轮的当量齿数当量齿数，用 表示 四、直齿圆锥齿轮传动的参数及几何尺寸 1基本参数 压力角一般为 圆锥齿轮传动的传动比为 2几何参数计算 书表6-15 vz111coszzv201*ah2.0*c1212122112sinsinrrzzi 6.12 齿轮结构设计及齿轮传动的润滑一、齿轮结构设计 1、齿轮轴 当齿轮的齿根直径与轴径很接近时，如图，可以将齿轮与轴作成一体的，称为齿轮轴 2、实体式齿轮 齿顶圆直径小于160mm（当轮缘内径D与轮毂外径相差不大时，而轮毂长度要大于等于1.6倍的轴径尺寸）时可以采用这种实体式结构，如图所示 3、腹板式结构 当直径大于160mm时，为了减轻重量，节约材
25、料，同时由于不易锻出辐条，常采用腹板式结构 4、对于齿轮齿顶圆直径小于500mm的齿轮，一般采用锻或铸造轮辐式 二、齿轮传动润滑 1 1、润滑方法及油量选择开式齿轮传动速度较低，一般采用润滑脂或定时滴油润滑。闭式齿轮传动常利用浸油法或喷油法润滑：1）浸油法：大齿轮浸入一个齿高，对于多级齿轮传动的高速级，可以采用带油轮。由于大齿轮或带油轮可以将油带起，溅落到被润滑处，也称为飞溅润滑。此时要求齿轮线速度不高于。对于单级，每传递1Kw功率约需要0.35L或更多的油量，多级传动可以按比例（级数）增加。2）喷油润滑：在线速度超过上述数值使用时，要求齿轮宽度大时增加喷嘴的数目。在节圆线速度不大于时，直接由
26、进入啮合的一侧向啮合处喷油。油量按10mm齿宽用0.45L/min或者每千瓦用8.5L/s来计算，喷油压力一般为0.010.2MPa。对于非金属齿轮，载荷较小时可以不进行润滑。有时也可加入适量油以改善摩擦性能，提高承载能力，或改善材料使其具有自润滑能力。2 2）润滑剂的选择）润滑剂的选择润滑剂有三大类：（1）液体润滑剂（常用）（2）润滑脂：用于低速传动，无法使用液体润滑剂时使用。（3）固体润滑剂：其使用取决于使用条件及工艺水平。第七章 蜗杆传动 7.1 蜗杆传动 的类型和特点 蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成。常用于交错轴90的两轴之间传递运动和动力。一般蜗杆为主动件，作减速运动。一、蜗杆传动的特点
27、一、蜗杆传动的特点 与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大，在动力传递中传动比在8100之间，在分度机构中传动比可以达到1000；传动平稳、噪声低；结构紧凑；在一定条件下可以实现自锁等优点而得到广泛使用。但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重，涡轮齿圈部分经常用减磨性能好的有色金属（如青铜）制造，成本高等缺点。二、蜗杆传动的类型二、蜗杆传动的类型 按蜗杆分度曲面的形状不同，蜗杆传动可以分为：圆柱蜗杆传动（如图a）、环面蜗杆传动（如图b）、锥蜗杆传动（如图c）三种类型。1 1、圆柱蜗杆传动、圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆 柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动根据齿廓曲线主要分
28、为三种：阿基米德圆柱蜗杆（阿基米德圆柱蜗杆（ZAZA蜗杆）蜗杆）渐开线圆柱蜗杆（渐开线圆柱蜗杆（ZIZI蜗杆）蜗杆）法向直廓圆柱蜗杆（法向直廓圆柱蜗杆（ZNZN蜗杆）蜗杆）本章只讨论阿基米德圆柱蜗杆，加工时，梯形车刀切削刃的顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面具有直线齿廓，法向剖面N-N上齿廓为外凸线，端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简单，但难以用砂轮磨削出精确齿形，精度较低。7.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 如图所示，在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动故此，在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数（如模数、压力角）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的
29、计算关系，一、主要参数一、主要参数 1、模数m和压力角 蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样，也是以模数m作为计算的主要参数。在中间平面内蜗杆传动相当于齿轮和齿条传动，蜗杆的轴向模数和轴向压力角分别与涡轮的端面模数和端面压力角相等，为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值，标准模数见书中所附表格，标准压力角为20。2 2、蜗杆头数、蜗杆头数z z1 1和传动比和传动比 蜗杆头数z1可根据要求和的传动比和效率来选定。单头蜗杆传动的传动比可以较大，但效率较低。如果要提高效率，应增加蜗杆的头数。但蜗杆头数过多，又会给加工带来困难。所以，通常蜗杆头数取为1、2、4、6。通常蜗杆为主动件，蜗杆与蜗轮之间的传
30、动比为其中：z2为蜗轮的齿数3 3、导程角、导程角 蜗杆的直径系数q和蜗杆头数z1选定之后，蜗杆分度圆柱上的导程角也就确定了 1221zznni qzdmzdmzdpzdpaz11111111tan4 4、蜗杆的分度圆直径、蜗杆的分度圆直径d d1 1 在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆相同尺寸的蜗轮滚刀来加工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就需要一种对应的蜗轮滚刀。对于同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然，这样很不经济。为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，而把
31、比值 称为蜗杆直径系数。5 5、蜗杆传动的标准中心距、蜗杆传动的标准中心距 mdq1mzqdda)(21)(21221 7.3蜗杆传动的失效形式、材料和结构一、蜗杆传动的失效形式、设计准则一、蜗杆传动的失效形式、设计准则 和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，再润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式。蜗杆传动的设计准则为蜗杆传动的设计准则为：闭式蜗杆传动按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度进行设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核，并进行热平衡验算；开式蜗杆传动，按保证齿根弯曲疲劳强度进行设计。二、蜗杆和蜗轮
32、材料二、蜗杆和蜗轮材料 由失效形式知道，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合（跑合）、减磨性、耐磨性和抗胶合能力等。蜗杆蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成：一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40、45钢，并经调质处理。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火。蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1,ZCuSn5Pb5Zn5），铸造铝铁青铜（ZCuAl1010Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度大于3m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于滑动速度小于4m/s的传
33、动；如果滑动速度不高（小于2m/s），对效率要求也不高时，可以采用灰铸铁 7.3蜗杆传动的强度计算蜗杆传动的强度计算一、受力分析一、受力分析 1 1、蜗轮转向判断 蜗杆蜗轮转向关系可以用“主动轮左（右）手法则”判断，即蜗杆为右（左）旋时用右（左）手，并以四指弯曲方向表示蜗杆转向，则拇指所指的反方向为蜗轮上节点的速度方向。2、轮齿上的作用力 蜗杆传动的受力与斜齿圆柱齿轮相似，弱不计齿面间的摩擦力蜗杆作用于蜗轮齿面上的法向力Fn2在节点C处可以分解成三个互相垂直的分力 12222xtFdTF1222tanrttrFFF21112xtFdTF 二、强度计算 蜗轮齿面接触疲劳强度计算公式和斜齿圆柱齿轮
34、相 似，也是以节点啮合处的相应参数歹徒赫兹公式导出的。当用青铜蜗轮和钢蜗杆配用时，蜗轮齿面接触疲劳强度 校核公式为：设计公式为：K为载荷系数，一般取K=1.11.3。当载荷平稳，蜗杆圆周速度小于3m/s，7级以上精度时取小值，否则取大值。HHddKT500122222212500KTzdmH 7.5 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡计算 一、传动效率一、传动效率 闭式蜗杆传动的总效率包括：轮齿啮合效率、轴承摩擦效率（0.980.995）和搅油损耗效率（0.960.99），即：=当蜗杆主动时，可近似按螺旋副的效率 闭式传动，当z11时，0.70.75；当z12时，0.750.82；当z14时，0.8
35、70.92；自锁时0.5开式传动，当z11、2时，0.60.7；123)tan(tan1v二、润滑二、润滑 由于蜗杆传动时的相对滑动速度大、效率低、发热量大，故润滑特别重要。对于闭式蜗杆传动，根据工作条件和滑动速度参考表格中推荐值选定润滑油和润滑方式。当采用油池润滑时，在搅油损失不大的情况下，应有适当的油量，以利于形成动压油膜，且有助于散热。对于下置式或侧置式蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆圆周转速大于4m/s时，为减少搅油损失，常将蜗杆上置，其浸油深度约为蜗轮外径的三分之一。三、热平衡计算三、热平衡计算 由于蜗杆传动效率较低，发热量大，润滑油温升增加，粘度下降，润滑状态恶劣，导致
36、齿面胶合失效。所以对 连续运转的蜗杆传动必须作热平衡计算。摩擦损耗功率为 箱体外壁散发的热量折合的相当功率为 热平衡的条件是：即 为箱体表面散热系数，一般取8.517.5W/(m2C)A为箱体散热面积（m2）)1(10001PPs)(01ttAKPsc011)1(1000tAKPtsecPP sK75.110033.0aA复习：在齿轮传动中传动比是很重要的一个参数 一对齿轮传动比计算公式：,122112zzi 但是实际应用中往往是多个齿轮组成的一个系统，这些齿轮的传动比如何计算呢？8-1轮系的类型与应用轮系的类型与应用一、轮系的分类一、轮系的分类1定轴轮系定轴轮系轮系运转时，如果各齿轮轴线的位
37、置都固定不动，则称之为轮系运转时，如果各齿轮轴线的位置都固定不动，则称之为定轴轮系（或称为普通轮系）。定轴轮系（或称为普通轮系）。2143 第八章第八章 轮系轮系2周转轮系周转轮系 轮系运转时，至少有一个齿轮轴线的位置不固定，而是绕轮系运转时，至少有一个齿轮轴线的位置不固定，而是绕某一固定轴线回转，则称该轮系为周转轮系。某一固定轴线回转，则称该轮系为周转轮系。按照自由度数目的不同，又可将周转轮系分为两类：按照自由度数目的不同，又可将周转轮系分为两类：1）差动轮系）差动轮系 自由度为自由度为2系杆系杆中心轮中心轮（主动）（主动）行星轮行星轮行星轮行星轮系杆系杆中心轮中心轮（主动）（主动）行星轮系
38、）行星轮系 自由度为自由度为行星轮行星轮系杆系杆中心轮中心轮（主动）（主动）中心轮中心轮（固定）（固定）二、轮系的功用二、轮系的功用1实现相距较远的两轴之间的传动实现相距较远的两轴之间的传动2实现分路传动实现分路传动3实现变速变向传动实现变速变向传动1n4n3n 3n 3n4实现大速比和大功率传动实现大速比和大功率传动两组轮系传动比相同，但是结构尺寸不同两组轮系传动比相同，但是结构尺寸不同5实现运动的合成与分解实现运动的合成与分解运动输入运动输入运动输出运动输出8-2 定轴轮系的传动比计算定轴轮系的传动比计算定轴轮系的传动比定轴轮系的传动比1 5 输入轴与输出轴之间的传动比为输入轴与输出轴之间
39、的传动比为:515115nni 轮系中各对啮合齿轮的传动比大小为：轮系中各对啮合齿轮的传动比大小为：,122112zzi 233223zzi ,344343 zzi 455454 zzi 51 5432432154432312 iiii33 44 4321543215 zzzzzzzzi一般定轴轮系的传一般定轴轮系的传动比计算公式为：动比计算公式为：所所有有主主动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积到到从从所所有有从从动动轮轮齿齿数数连连乘乘积积到到从从BABAiBAAB 传动比计算中要注意两个问题：传动比计算中要注意两个问题：一、主从动齿轮的判断一、主从动齿轮的判断方法：根据齿轮间的啮合关系写出传动线
40、方法：根据齿轮间的啮合关系写出传动线1 2 33=4=4 5主主 从从主主 从从主主 从从主主 从从二、如何确定平面定轴轮系中的转向关系？二、如何确定平面定轴轮系中的转向关系？一对外啮合圆柱齿轮传动一对外啮合圆柱齿轮传动两轮的转向相反，其传动两轮的转向相反，其传动比前应加比前应加“”号号122112zzi 一对内啮合圆柱齿轮传动两一对内啮合圆柱齿轮传动两轮的转向相同，其传动比前轮的转向相同，其传动比前应加应加“+”号号233223zzi 该轮系中有该轮系中有3对外啮对外啮合齿轮，则其传动比合齿轮，则其传动比公式前应加公式前应加(1)3 43215432315)1(zzzzzzzzi若传动比的计
41、算结果为若传动比的计算结果为正，则表示输入轴与输正，则表示输入轴与输出轴的转向相同，为负出轴的转向相同，为负则表示转向相反。则表示转向相反。如何确定空间定轴轮系中的转向关系？如何确定空间定轴轮系中的转向关系？空间定轴轮系传动比前空间定轴轮系传动比前的的“+”、“”号没有实号没有实际意义际意义空间定轴轮系中含有轴空间定轴轮系中含有轴线不平行的齿轮传动线不平行的齿轮传动不不平平行行不平行不平行“+”、“”不能表示不平不能表示不平行轴之间的转向关系行轴之间的转向关系如何表示一对平行轴齿轮的转向？如何表示一对平行轴齿轮的转向？机构运机构运动简图动简图投影方向投影方向齿轮回转方向齿轮回转方向线速度方向线
42、速度方向用线速度方用线速度方向表示齿轮向表示齿轮回转方向回转方向机构运机构运动简图动简图投影方向投影方向如何表示一对圆锥齿轮的转向？如何表示一对圆锥齿轮的转向？向方影投向方影投齿轮回转方向齿轮回转方向线速度方向线速度方向表示齿轮回表示齿轮回转方向转方向机构运机构运动简图动简图投影投影线速度方向线速度方向用线速度方用线速度方向表示齿轮向表示齿轮回转方向回转方向如何表示如何表示蜗杆蜗轮传动蜗杆蜗轮传动的转向？的转向？向方影投向方影投蜗杆回转方向蜗杆回转方向蜗轮回转方向蜗轮回转方向蜗杆上一点蜗杆上一点线速度方向线速度方向机构运机构运动简图动简图右旋蜗杆右旋蜗杆表示蜗杆、蜗轮表示蜗杆、蜗轮回转方向回转
43、方向蜗杆旋向影响蜗轮的回转方向蜗杆旋向影响蜗轮的回转方向如何判断如何判断蜗杆、蜗轮蜗杆、蜗轮的转向？的转向？右旋蜗杆右旋蜗杆左旋蜗杆左旋蜗杆以左手握住蜗杆，四指以左手握住蜗杆，四指指向蜗杆的转向，则拇指向蜗杆的转向，则拇指的指向为啮合点处蜗指的指向为啮合点处蜗轮的线速度方向。轮的线速度方向。左左手手规规则则右右手手规规则则以右手握住蜗杆，四指以右手握住蜗杆，四指指向蜗杆的转向，则拇指向蜗杆的转向，则拇指的指向为啮合点处蜗指的指向为啮合点处蜗轮的线速度方向。轮的线速度方向。蜗杆的转向蜗杆的转向例题 机床变速箱，通过中间轴上的双联齿轮3、4和5、6可以实现四档转速。已知各齿轮齿数按顺序为20、40
44、、44、24、20、25、50、45求各档传动比？解：1、分析传动，写出啮合顺序线2、分清主从，计算传动比档位啮合线传动比123413=5724=5713=6824=68i=（-1）2.(z3.z7./z1.z5)=5.5i=（-1）2.(z3.z8./z1.z6)=3.96i=（-1）2.(z4.z7./z2.z5)=1.5i=（-1）2.(z4.z8./z2.z6)=1.08总结：1、轮系分类：定轴轮系、周转轮系2、轮系功能：远距传输、分路传动、变速变向、大功率达速度传动、运动合成分解3、定轴轮系传动比计算：计算公式：从动/主动方向判断（-1）n 或箭头作业：习题7.5 第九章 螺纹联接和
45、螺旋传动 9.1 常用螺纹一、螺纹的形成一、螺纹的形成 把一锐角为的直角三角形绕到一直径为d的圆柱体上，绕时底边与圆柱底边重合，则斜边就在圆柱体上形成一条空间螺旋线。如用一个平面图形K（如三角形）沿螺旋线运动并使K平面始终通过圆柱体轴线YY-这样就构成了三角形螺纹。同样改变平面图形K，同样可得到矩形、梯形、锯齿形、圆弧形（管螺纹）二、螺纹种类二、螺纹种类锯齿型螺纹：单向；梯形螺纹：双向传动传动螺纹：有矩形螺纹与圆锥管螺纹相似）圆锥螺纹：管路联接（高压管路。性。高温、圆锥管螺纹：具有自封圆柱管螺纹：管路联接管螺纹自锁性好。构。细牙：小载荷、调整机粗牙：普通联接使用普通螺纹联接螺纹螺纹三、螺纹的主
46、要参数三、螺纹的主要参数 1.大径d（D）：螺纹的最大直径在标准中也作公称直径。2.小径d1(D1)：即螺纹的最小直径 3.中径d2在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径d20.5(d+d1)4.螺距P相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离 5.导程（S）同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面的母线上的对应两点间的轴向距离 6.线数n螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：L=nP 7.螺旋升角：中径圆柱上，螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角 8.牙型角：螺纹牙型两侧边的夹角。四、常用螺纹特点应用四、常用螺纹特点应用 1、三角形
47、螺纹（普通螺纹）牙型角为60，可以分为粗牙和细牙，粗牙用于一般联接；与粗牙螺纹相比，细牙由于在相同公称直径时，螺距小，螺纹深度浅，导程和升角也小，自锁性能好，宜用于薄壁零件和微调装置。2、管螺纹 多用于有紧密性要求的管件联接，牙型角为55，公称直径近似于管子内径，属于细牙三角螺纹。3、梯形螺纹 牙型角为30，是应用最为广泛的传动螺纹。4、锯齿型螺纹 两侧牙型角分别为3和30，3的一侧用来承受载荷，可得到较高效率；30一侧用来增加牙根强度。适用于单向受载的传动螺纹。5、矩形螺纹 牙型角为0，适于作传动螺纹 9.2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 一、矩形螺纹一、矩形螺纹 螺旋副是由外螺纹（螺杆）和
48、内螺纹组成的运动副，经过简化可以看作推动滑块（重物）沿螺纹表面运动（如图所示）将矩形螺纹沿中径d2处展开得一倾斜角为（即螺纹升角）的斜面，斜面上的滑块代表螺母，螺母和螺杆的相对运动可以看作滑块在斜面上的运动。滑块在斜面上等速上升时。当量摩擦角滑块沿斜面等速下降时，摩擦力向上 由公式可知，若 ，说明此时无论轴向载荷有多大，滑块（即螺母）都不能沿斜面运动，这种现象称为自锁自锁螺旋副的效率螺旋副的效率 farctan)tan(QFF)tan(QFF)tan(tan)tan(22tan222112dFdFTsFWWQQQ 9.3 螺纹联接的基本类型和及预紧和防松一、螺纹联接主要类型一、螺纹联接主要类型
49、 1、螺栓联接普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装折方便，可多个装拆，应用较广。2、双头螺栓联接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。折装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。3、螺钉联接螺钉联接适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况。4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭 二、标准螺纹联接件二、标
50、准螺纹联接件1螺栓螺栓的头部有各种不同形状，但是我们最常见的是六角头，为了满足工程上的不同需要，六角头又有标准六角头和小六角头。一般情况下我们使用标准六角头，在空间尺寸受到限制的地方使用小六角头螺栓。但是，小六角头螺栓的支承面积较小，如果用于经常拆卸的场合时，螺栓头的棱角也易于磨圆。2双头螺柱 双头螺柱的两端都制有螺纹，两端的螺纹可以相同，也可以不同。其安装方式是一端旋入被联接件的螺纹孔中，另一端用来安装螺母。3.螺钉 螺钉的头部有各种形状。为了明确表示螺钉的特点，所以通常以其头部的形状来命名。4紧定螺钉紧定螺钉的工作面是在末端，所以对于重要的紧定螺钉需要淬火硬化后才能满足要求。5螺母与垫圈螺
