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第1章机械设计概要1-1机械设计的基本要求一、设计机器的基本要求1.机器功能的要求2.经济性要求3.劳动保护要求4.环境保护要求5.可靠性要求二、设计机械零件的基本要求1.强度要求2.刚度要求3.耐磨性要求4.结构工艺性要求5.减小质量的要求1-2机械设计的一般程序一、明确设计任务二、方案设计三、技术设计1.运动学设计2.动力学设计3.零件设计4.总装配草图设计5.总装配图与零件工作图设计四、编写技术文件1-3机械零件的主要失效形式与设计准则机械零件由于某些原因而丧失工作能力称为失效。一、机械零件的主要失效形式1.断裂2.过大的变形3.表面破坏二、机械零件的设计准则1.强度准则2.刚度准则3.耐磨性准则4.振动准则1-4机械零件的设计方法与步骤一、机械零件的设计方法1.理论设计2.经验设计3.模型实验设计4.现代设计方法（1）优化设计（2）可靠性设计二、机械零件设计的步骤1-5机械零件设计的基本原则一、选择材料的基本原则1.强度2.刚度3.磨损4.制造工艺性5.材料经济性二、标准化的原则第2章机械零件的强度与耐磨性2-1机械零件的疲劳强度一、机械零件的载荷根据机器的额定功率或负载，按理论力学的方法求出的作用在零件上的载荷称为名义载荷，用符号𝐹𝑛或𝑇𝑛表示。在机械设计过程中，通常用一个修正系数来补偿名义载荷与零件实际载荷之间的差异，这个修正系数称为载荷系数，用符号K表示。名义载荷乘以载荷系数就是设计计算时使用的计算载荷𝐹𝑐𝑎，即𝐹𝑐𝑎=𝐾𝐹𝑛。二、材料的疲劳曲线材料的真实疲劳机械对应的循环次数都比较大，因此工程上规定一个循环基数𝑁0，而𝑁0对应的应力就视为材料的疲劳极限𝜎𝑟。材料的疲劳曲线公式：𝜎𝑟𝑁𝑚𝑁=𝜎𝑟𝑚𝑁0=C(𝑁𝑐𝑁𝑁0)三、材料的极限应力图循环极限应力𝜎𝑚+𝜎𝑎=𝜎𝑟，屈服极限应力𝜎𝑚+𝜎𝑎=𝜎𝑠。四、影响机械零件疲劳强度的因素1.应力集中的影响𝑘𝜎=𝜎−1𝜎−1𝑒2.尺寸效应的影响𝜀𝜎=𝜎−1𝑑𝜎−13.表面质量的影响β=𝜎−1𝑞𝜎−1综合影响系数𝐾𝜎=𝑘𝜎𝜀𝜎𝛽用零件的工作应力幅𝜎𝑎乘以综合影响系数𝐾𝜎或材料极限应力的幅值除以综合影响系数𝐾𝜎来考虑上述因素对零件疲劳强度的影响。五、单向稳定变应力下零件的疲劳强度1.对称循环变应力2.非对称循环变应力六、单项不稳定变应力下零件的疲劳强度1.疲劳损伤累积假说∑𝑁𝑖′𝑁𝑖=1𝑛𝑖=12.不稳定变应力下零件的疲劳强度计算（1）计算当量应力（2）计算当量循环次数七、复合应力状态下的疲劳强度计算2-2机械零件的接触强度2-3机械零件的耐磨性一、摩擦的分类1.干摩擦2.边界摩擦3.流体摩擦4.混合摩擦二、磨损零件的磨损阶段可分为：1.初期磨损阶段2.稳定磨损阶段3.剧烈磨损阶段零件的磨损种类可分为：1.粘着磨损（胶合）2.腐蚀磨损3.磨料磨损4.接触疲劳磨损（点蚀）第3章螺纹连接3-1螺纹一、螺纹的类型和应用二、螺纹的主要参数大径𝑑—螺纹的最大直径，在标准中规定为公称直径，表示螺纹大小。小径𝑑1—螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。中径𝑑2—通过螺纹轴向截面内牙型上的牙厚等于牙间宽处的假想圆柱面的直径，它近似等于螺纹的平均直径，𝑑2≈(𝑑+𝑑1)/2。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。线数𝑛—螺纹的螺旋线数目。螺距𝑃—螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。导程𝑆—螺纹上任意一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离，𝑆=𝑛𝑃。螺纹升角ψ—螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面间的夹角。牙型角𝛼—螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。接触高度ℎ—内外螺纹旋合后的接触面的径向高度。三、常用螺纹的类型、特点和应用1.普通螺纹(α=60°)当量摩擦系数也较大，自锁性能好，主要用于连接。普通螺纹有粗牙和细牙之分。2.管螺纹(α=55°)主要用于管件连接的紧密螺纹。管螺纹有圆柱管螺纹和圆锥管螺纹之分。3.矩形螺纹(α=0°)主要用于传动。4.梯形螺纹(α=30°)主要用于传动。5.锯齿形螺纹(𝛼1=3°,𝛼2=30°)主要用于传动。四、螺纹精度标准中规定三种精度：精密、中等、粗糙。3-2螺纹连接的类型及应用一、螺纹连接的基本类型1.螺栓连接普通螺栓连接的结构特点是被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单，装拆方便，因此应用广泛。铰制孔用螺栓连接能精确固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。2.双头螺柱连接适用于结构上下不能采用螺栓连接的场合，如连接件之一太厚不宜制成通孔，材料又比较软，且需要经常拆装时。3.螺钉连接这种连接的特点是螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，在结构上比双头螺柱连接简单、紧凑，但不宜经常拆卸。4.紧定螺钉连接紧定螺钉连接常用来固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。二、标准螺纹连接件1.螺栓2.双头螺柱3.螺钉4.螺母5.垫圈3-3螺纹连接的预紧和防松一、螺纹连接的预紧受载之前，拧紧螺母使得螺栓沿其轴线方向受到拉力作用，这个拉力称为预紧力。二、螺纹连接的防松防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动。螺纹连接常用的防松方法1.摩擦防松对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母2.机械防松开口销与六角开槽螺母、止动垫圈、串联钢丝3.铆冲防松端铆、冲点3-4螺栓组连接的设计一、螺栓组连接的结构设计1.连接结合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状。2.螺栓的排列应有合理的间距、边距，以便扳手转动。3.分布在同一圆周上的螺栓数目，应取成偶数。4.当连接受转矩或倾覆力矩作用时，螺栓的布置应靠近边缘，以减小螺栓的受力。二、螺栓组连接的受力分析1.受横向载荷2.受转矩3.受轴向载荷4.受倾覆力矩3-5单个螺栓连接的强度计算一、受拉螺栓连接的强度计算1．仅承受预紧力的紧螺栓连接的强度计算计算时可只按照拉伸强度计算，并将所受的拉力增大30%来考虑。2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓连接的强度计算计算时可只按照拉伸强度计算，并仍可将所受的拉力增大30%来考虑。𝑐𝑏𝑐𝑏+𝑐𝑚称为螺栓的相对刚度二、受剪螺栓连接的强度计算3-6提高螺纹连接强度的措施一、降低影响螺栓疲劳强度的应力幅受轴向变载荷的紧螺栓连接，在最大应力不变的条件，应力幅越小，螺栓连接的疲劳强度越高。采取适当减小螺栓刚度、增大被连接件刚度及增大预紧力的方法，减小应力幅。减小螺栓刚度的措施：适当增加螺栓的长度、采用腰状杆螺栓、空心螺栓、螺母下安装弹性元件。二、改善螺纹牙上载荷分布不均的现象1.悬置螺母、槽环螺母2.内斜螺母3.钢丝螺套三、减小应力集中的影响采用较大的圆角和卸载结构或将螺纹的收尾改为退刀槽。四、避免附加弯曲应力五、采用合理的制造工艺方法3-7螺纹连接件的材料及其许用应力第4章轴与轮毂的连接和其他连接4-1键连接一、键连接的类型及其结构形式1.平键连接普通平键、导向平键、滑键平键连接具有结构简单、拆装方便、对中性好等优点，因而应用广泛。2.半圆键连接半圆键连接的结构简单，制造和装拆方便，但由于轴上键槽较深，对轴的强度削弱较大。3.楔形连接楔形键连接用于低俗、载荷平稳、定心精度要求不高的场合。4.切向键连接常用于对中性要求不高且载荷较大的重型机械中。二、键的选择和键连接的强度计算1.键的选择键的选择包括类型和尺寸两方面。键的截面尺寸可根据轴径的大小适当选取；键的长度可根据轮毂的宽度确定，可去键长等于或略短于轮毂的宽度。2.平键连接的强度计算对于普通平键连接只需进行挤压强度计算；对于导向平键或滑键连接还需进行耐磨性的条件性计算。4-2花键连接一、花键连接的特点及类型1.矩形花键连接采用小径定心2.渐开线花键连接采用齿形定心二、花键连接的强度计算花键连接的主要失效形式是工作面被压溃或磨损。4-3其他连接一、销连接销主要用于固定零件之间的相对位置，也用于轴与毂的连接或其他连接，可传递不大的载荷，还可作为安全装置中的过载保护元件。二、铆接三、焊接四、胶接五、过盈连接第5章带传动和链传动5-1概述带传动、链传动都是通过挠性件实现运动和动力的传递。带传动分摩擦传动和啮合传动。平带、V带、圆带为摩擦传动，同步带为啮合传动。5-2V带的类型普通V带制成环形，其结构由顶胶、承载层、底胶、包布层组成。顶胶和底胶之间的中性层称为节面。节面的节面宽度称为节宽𝑏𝑝，相应的带轮直径称为基准直径，位于带轮基准直径上的周线长度称为基准长度𝐿𝑑。5-3带传动的工作情况分析一、带传动中的力分析带传动所能传递的最大有效拉力：𝐹𝑒𝑐=2𝐹0𝑒𝑓𝛼−1𝑒𝑓𝛼+1与最大有效拉力有关的因素：1.初拉力𝐹0：最大有效拉力𝐹𝑒𝑐与𝐹0成正比。2.包角α：最大有效拉力𝐹𝑒𝑐随包角的增大而增大。3.摩擦系数𝑓：最大有效拉力𝐹𝑒𝑐随𝑓的增大而增大。二、带的应力分析1.拉应力2.弯曲应力3.离心应力最大应力发生在紧边小带轮包角处三、带传动的弹性滑动和打滑这种由于带的弹性变形引起的滑动现象，称带传动的弹性滑动。弹性滑动是带传动的固有特性。打滑开始于小带轮松边。5-4v带传动的设计一、单根V带的额定功率二、参数选择和设计计算三、V带轮设计四、带传动的张紧装置1.定期张紧装置2.自动张紧装置3.张紧轮装置当中心距不能调整时采用张紧轮，张紧轮放在松边。如设置在外侧，可设在靠近小带轮处，可以增加小带轮包角；如设置在内侧，应靠近大带轮，以减少对小带轮包角的影响。五、V带传动设计和使用时注意的问题5-5滚子链链条与链轮一、链条内链板与套筒之间、外链板与销轴之间分别用过盈配合。滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。滚子链两相邻链节铰链副理论中心的距离称链条的基本节距p。链长用链节数表示。链节数一般以偶数为宜，若节数为奇数则必须采用折曲的过渡链节。二、滚子链链轮1.链轮的基本参数和主要尺寸链轮的基本参数是节距p、齿数z、排数n。2.链轮齿形滚子链和链轮属于非共轭啮合，齿形有较大灵活性。3.链轮的结构小直径可制成实心式，中等尺寸可制成孔板式，大直径可制成装配式（常采用可更换的齿圈）。5-6滚子链传动的设计计算一、链传动的运动学和动力学特性由于链条围轮后形成多边形，致使链条中心线在运动中交替与链轮分度圆相切和相割，使链速周期性变化，这一运动特性称为链传动的多边形效应。二、链传动的主要失效形式1.铰链的磨损2.链条的疲劳破坏3.链条的胶合三、滚子链传动的额定功率曲线四、滚子链传动的设计计算五、链传动的张紧和润滑1.链传动的张紧链传动的倾角一般不大于60°，如果大于60°时，通常设有张紧装置。2.链传动的润滑第6章齿轮传动6-1齿轮传动的失效形式及计算准则一、齿轮传动的失效形式按工作条件齿轮分为：开式、半开式、闭式按材料和热处理工艺齿轮分为：软齿面、硬齿面齿轮的失效形式：1.齿轮折断2.齿面点蚀3.齿面磨损4.齿面胶合5.齿面塑性变形二、设计准则对于闭式软齿面齿轮传动，一般先按接触强度设计，然后验算其弯曲强度；对于闭式硬齿面齿轮传动，通常按弯曲强度设计，然后验算其接触强度。对于开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损。6-2齿轮材料一、钢中尺寸的齿轮用锻钢，尺寸较大的齿轮用铸钢。小齿轮的硬度比大齿轮高30-50HBS。软齿面齿轮经调质或正火处理，硬齿面齿轮经表面淬火、渗碳淬火、氮化等表面硬化处理。二、铸铁只用于制造低速、功率不大的开式齿轮。三、非金属材料6-3齿轮传动的计算载荷1.使用系数𝐾𝐴2.动载系数𝐾𝑉3.齿向载荷分布系数𝐾𝛽4.齿间载荷分配系数𝐾𝛼6-4直齿圆柱齿轮传动的强度计算一、轮齿的受力分析二、接触面疲劳强度计算增大齿轮直径或中心距，接触疲劳强度提高。三、齿根弯曲疲劳强度计算齿根危险剖面位置通常用30°切线法确定增大齿轮模数，齿轮弯曲疲劳强度提高。四、齿轮传动基本参数的选择1.齿数比uu=z2/z17-82.小齿轮齿数z1对于闭式软齿