机械设计课件（清华大学出版社）

机械设计课件概述欢迎学习清华大学出版社的机械设计课程本课程是机械工程专业的核心课程，旨在培养学生掌握机械设计的基本理论、方法和技能本课件全面涵盖机械设计的关键知识点，包括机械零件的强度计算、疲劳分析、各类连接和传动设计等内容通过系统学习，您将能够独立完成机械产品的设计与计算工作本课程基于清华大学多年的教学经验，结合工程实践案例，既有理论深度，又注重实用性，是机械工程学习的重要参考资料课程目标和学习要求掌握基础理论培养设计能力12深入理解机械设计基本原理能够独立完成机械零部件和，包括强度、刚度、稳定性简单机械系统的设计，包括等理论基础，能够运用力学方案构思、计算分析、结构知识解决工程问题学习者设计等环节通过课程学习需具备材料力学、理论力学，能够将理论知识应用于实等先修课程知识际工程问题掌握设计方法3熟悉机械设计的标准流程和方法，包括需求分析、功能分解、结构设计、性能验证等，培养系统的设计思维和创新能力机械设计的基本概念机械设计是运用工程技术原理，将产设计准则包括功能性、可靠性、经济机械系统通常由多个子系统组成，包品功能需求转化为具体结构和零件的性、制造性和环保性等因素优秀的括动力系统、传动系统、执行系统和过程它是一门综合性学科，需要应机械设计应当满足使用功能的同时，控制系统等设计师需要考虑各系统用力学、材料、制造工艺等多方面知具有良好的可靠性和经济性，便于制之间的协调配合，确保整体性能最优识造和维护机械设计的一般程序需求分析阶段明确产品功能、性能指标、工作条件等需求，进行市场调研和技术可行性分析，制定设计任务书这一阶段对整个设计过程具有指导性作用方案设计阶段提出多种可行的技术方案，通过对比分析选择最优方案此阶段需进行功能分解，确定总体结构和关键参数，绘制原理图和布局图技术设计阶段进行详细的结构设计和强度计算，确定零件的具体尺寸和材料，绘制装配图和零件图，编写技术文件样机试验与优化制造样机进行性能测试和可靠性试验，发现问题并进行设计修改和优化，最终形成生产文件机械零件的失效形式静载荷失效疲劳失效当零件承受的静载荷超过材料由于长期承受循环载荷而导致强度极限时发生主要包括塑的失效形式即使应力水平低性变形和脆性断裂两种形式于材料的屈服极限，也可能因塑性变形是材料产生永久性变累积损伤而导致疲劳断裂疲形，而脆性断裂则是材料在几劳断裂通常从表面微裂纹开始乎没有明显塑性变形的情况下，逐渐扩展直至完全断裂突然断裂磨损失效零件接触表面由于相对运动和压力作用而逐渐损耗的现象包括粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等多种形式磨损会导致零件精度下降、配合间隙增大机械零件的强度计算静强度计算应力分析安全系数确定用于确保零件在静态载荷作用下不会发生通过理论计算或有限元分析确定零件的应根据载荷性质、材料特性、工作环境和失塑性变形或断裂根据材料类型和工作条力分布，找出应力集中部位应力分析是效后果等因素选择合适的安全系数安全件选择适当的强度理论，如最大正应力理进行强度设计的基础，需考虑各种载荷工系数选择过高会导致材料浪费，过低则可论、最大剪应力理论或莫尔强度理论等况下的应力状态能引发安全隐患机械零件的疲劳强度疲劳机理分析疲劳极限测定疲劳破坏通常经历裂纹萌生、扩展和通过标准试验确定材料的疲劳极限或1断裂三个阶段裂纹多在应力集中区疲劳强度，为设计计算提供基础数据2域萌生，在循环载荷作用下逐渐扩展影响因素分析疲劳寿命评估4零件尺寸、表面质量、载荷类型、环根据载荷谱和材料特性预测零件的疲3境条件等都会影响疲劳寿命，需在设劳寿命，确保满足设计要求计中综合考虑机械零件的刚度和振动刚度概念1刚度是指零件在载荷作用下抵抗变形的能力，对保证机械精度和工作性能至关重要刚度不足会导致零件过度变形，影响工作精度和动态特性刚度计算2根据零件的几何形状和载荷类型，计算变形量并与允许值比较对轴类零件通常计算弯曲和扭转刚度，对壳体类零件则需计算局部和整体刚度振动分析3确定系统的固有频率，避免与工作频率产生共振振动分析包括自由振动和强迫振动两个方面，需要考虑系统的质量、刚度和阻尼特性减振设计4通过改变结构参数、增加阻尼、使用隔振装置等方法降低有害振动合理的减振设计可以提高设备精度和使用寿命摩擦、磨损与润滑基础摩擦机理磨损过程润滑技术摩擦是两个相对运动的表面之间产生磨损是材料表面因摩擦作用而逐渐损润滑的目的是在摩擦表面之间形成油的阻力它由表面微观几何形状、材失的过程主要包括粘着磨损、磨料膜，减小摩擦系数和磨损率润滑状料特性和接触状态等因素决定摩擦磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损等类型态包括流体润滑、边界润滑和混合润既可能是有害的（如增加能耗），也磨损速率受材料特性、表面粗糙度、滑润滑剂的选择应考虑工作温度、可能是有益的（如制动系统）接触压力和滑动速度等因素影响载荷和速度等因素机械零件的材料选择材料选择原则常用金属材料材料选择应综合考虑工作条件钢材是最常用的工程材料，包、性能要求、制造工艺、成本括碳素钢、合金钢、不锈钢等和环保等因素主要选择原则；铸铁具有良好的铸造性能和包括满足功能要求、适应工减振性能；有色金属如铝、铜作环境、便于加工制造、经济、钛合金等则具有特殊的物理合理且符合可持续发展理念和化学性能，适用于特定场合非金属材料工程塑料具有重量轻、耐腐蚀、易加工等特点；复合材料可以实现多种性能的有机结合；陶瓷材料则具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性非金属材料在机械设计中的应用越来越广泛连接件概述连接件是用于将两个或多个零件连接成一个整体的元件，是机械结构中不可或缺的部分根据连接方式可分为可拆连接（如螺纹连接、键连接）和不可拆连接（如焊接、铆接）连接方式的选择取决于多种因素，包括载荷性质、工作环境、装配要求、维修便利性和成本等在设计中，需要确保连接强度满足要求，同时考虑防松、防腐和应力集中等问题连接件设计应遵循标准化原则，尽量采用标准件，以降低成本并方便维护更换对于特殊工况，如高温、高压、振动等环境，需要进行专门设计和验证螺纹连接的类型和特点螺纹类型紧固件种类防松装置按照螺纹剖面形状，可分为三角形螺纹常用的螺纹紧固件包括螺栓、螺钉、螺螺纹连接在振动条件下容易松动，常用、梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹等柱和螺母等螺栓连接需要螺母配合，的防松措施包括弹簧垫圈、锁紧螺母、三角形螺纹主要用于紧固连接，而梯用于连接有通孔的零件；螺钉直接旋入点焊、胶粘剂等防松设计是确保螺纹形和矩形螺纹则多用于传动按照旋向带有内螺纹的零件中；螺柱则是一端固连接可靠性的重要环节，应根据工作条可分为右旋和左旋螺纹，右旋是标准形定在零件中，另一端用螺母紧固件选择合适的防松方式式螺纹连接的强度计算拉伸强度校核1计算螺纹连接在轴向载荷下的应力，确保不超过许用应力剪切强度校核2验证螺纹在横向载荷作用下的抗剪切能力复合载荷分析3考虑拉伸与扭转的组合应力状态，综合评估安全性预紧力设计4确定合适的预紧力，以保证连接的可靠性和防松性能螺纹连接的强度计算是确保连接可靠性的基础计算时需考虑载荷类型、螺纹规格、材料特性和工作条件等因素对于承受动态载荷的连接，还需进行疲劳强度校核预紧力的确定尤为重要，它直接影响连接件的工作状态预紧力过小会导致连接松动，过大则可能导致螺栓屈服合理设计的预紧力应当能够产生足够的摩擦力以防止连接面滑移键连接和花键连接平键连接花键连接平键是插入轴和轮毂上的键槽中的一种长方体零件，花键连接由轴上的外花键和轮毂上的内花键啮合组成用于传递转矩平键连接结构简单，装拆方便，但承，能够传递较大转矩与键连接相比，花键连接的接载能力有限，且键槽对轴的强度有削弱作用主要用触面积大，载荷分布均匀，强度高，适用于大功率传特殊键连接于中小功率传动场合动和频繁轴向移动的场合半圆键适用于锥形轴端连接；楔键通过楔形结构实现自锁；切向键则用于传递较大转矩的场合不同类型的键连接有各自的适用范围，应根据工作条件和载荷特性选择合适的类型过盈连接过盈连接原理过盈量计算12过盈连接是通过零件之间的干过盈量的确定需考虑连接的功涉配合，利用材料的弹性变形能要求、材料特性、工作温度产生界面压力和摩擦力，从而和装配方法等因素过盈量过实现零件连接的方法过盈量小会导致连接不可靠，过大则的大小直接决定了连接的紧固会导致零件变形过度或产生裂程度和承载能力纹计算时应考虑表面粗糙度的影响装配方法3过盈连接的装配方法主要有压力装配、热装配和冷装配三种压力装配适用于小过盈量；热装配是将外零件加热膨胀后装配；冷装配则是将内零件冷却收缩后装配不同方法适用于不同尺寸和精度要求销连接和铆接销连接类型铆接原理铆接强度计算销连接主要包括圆柱销、圆锥销、弹性铆接是利用铆钉塑性变形将连接件牢固铆接强度计算包括抗剪强度、抗拉强度销等类型圆柱销结构简单，主要承受连接的方法铆接具有结构简单、成本和接合面挤压强度等方面计算时需考剪切载荷；圆锥销具有自定心和自锁功低、可靠性高等优点，但不可拆卸，且虑铆钉排列方式、间距和边距等因素能；弹性销则具有较好的减振和防松性对被连接件有损伤铆接常用于飞机、对于多排铆钉连接，还需考虑载荷分布能销连接广泛应用于定位、防转和传船舶和压力容器等领域，特别是在焊接不均匀性，通常采用修正系数进行调整递小载荷场合不适用的场合弹性连接弹簧设计计算弹簧设计的核心是确定弹簧的几何参数和材料，以满足刚度和强度要求对于螺旋弹簧，主要计算弹簧直径、线径、弹簧类型2节距和有效圈数；对于片弹簧，则需计常见的弹簧包括圆柱螺旋弹簧、圆算叶片厚度、宽度和长度等参数锥螺旋弹簧、片弹簧、碟形弹簧和扭转弹簧等不同类型弹簧具有不1弹性元件应用同的特性和适用场合，选择时应考弹性元件广泛应用于减振、储能、测量虑载荷类型、工作空间、刚度要求和控制等场合在减振系统中，弹簧与3等因素阻尼器配合使用，可有效隔离振动；在控制系统中，弹簧常用作回位元件；在测量装置中，则利用弹簧的变形与力成正比的特性转动件概述轴系1包括各类轴、轴承和其他支撑元件传动部件2齿轮、带轮、链轮等转动传动元件连接元件3联轴器、离合器等连接和控制部件支撑结构4机座、支架等为转动系统提供支撑的结构转动件是机械系统中实现旋转运动的关键部件，主要包括轴、轴承、联轴器、离合器等这些部件共同构成了动力传递的通道，保证机械系统的正常运转在设计转动件时，需要特别关注运动精度、动平衡性、振动特性和润滑条件等因素良好的设计应当确保系统在额定工况下平稳运行，具有足够的可靠性和使用寿命转动件的失效通常表现为疲劳断裂、磨损过度或振动异常等形式因此，设计中需要进行充分的强度计算、刚度校核和动力学分析，以预防可能的失效轴的类型和结构设计传动轴曲轴凸轮轴主要用于传递转矩和将往复运动转换为旋通过凸轮轮廓将旋转运动，通常带有多个转运动的特殊轴类，运动转换为特定规律传动元件如齿轮、带广泛应用于发动机和的直线或摆动运动轮等传动轴需要有压缩机等设备曲轴凸轮轴设计的关键是足够的强度和刚度，的设计需考虑复杂的凸轮轮廓曲线的精确以承受弯曲和扭转载应力状态，尤其要注计算和表面硬化处理荷轴的结构应便于意疲劳强度和平衡性，以确保运动精度和传动元件的装配和定耐磨性位轴的强度计算轴的强度计算是确保轴可靠工作的基础计算时首先需要分析轴所承受的各种载荷，包括弯矩、扭矩和轴向力等然后根据载荷性质选择适当的强度计算方法，如静强度计算或疲劳强度计算对于交变载荷，需考虑应力幅值和平均应力对疲劳寿命的影响，通常采用修正的疲劳极限进行计算应力集中是轴设计中的关键问题，台阶、键槽、螺纹等结构会导致局部应力升高，需使用应力集中系数进行修正轴的刚度校核弯曲刚度1分析轴在工作载荷下的挠度，确保不超过允许值对精密机械，挠度控制尤为重要，通常要求轴的最大挠度不超过轴长的

0.0003倍计算时需考虑轴上各种载荷和支撑方式扭转刚度2计算轴在扭矩作用下的角变形，评估传动精度对于长距离传动轴，扭转变形可能导致明显的角度误差，影响系统性能通过增大轴径或选用高模量材料可提高扭转刚度临界转速3分析轴的固有频率，避免共振现象当轴的转速接近其固有频率时，会发生共振，导致振幅急剧增大设计中应确保工作转速与固有频率有足够的安全裕度轴承概述轴承的功能轴承的分类轴承是支承旋转轴或其他运动部按照工作原理可分为滑动轴承和件的机械元件，其主要功能是支滚动轴承滑动轴承依靠滑动摩撑转动件、确定其位置并传递载擦工作，结构简单但起动摩擦大荷良好的轴承设计应当具有足；滚动轴承利用滚动体减小摩擦够的承载能力、运动精度和使用，摩擦系数低但结构复杂不同寿命，同时摩擦损失小、噪声低类型的轴承适用于不同的工况条件选择原则轴承选择应综合考虑载荷大小和性质、转速范围、工作温度、空间限制、噪声要求、成本等因素在高速轻载条件下，滚动轴承通常更适用；而在重载、冲击载荷或要求吸震的场合，滑动轴承可能是更好的选择滑动轴承的工作原理流体动力润滑流体静压润滑1轴高速旋转形成油楔，产生压力支撑轴外部压力源提供油膜，适合低速大载荷2混合润滑边界润滑43流体动力润滑和边界润滑并存的过渡状态表面微凸体接触，润滑膜很薄，摩擦较大滑动轴承的工作原理基于流体润滑理论，当轴承内的轴旋转时，粘性润滑剂被带入轴与轴承的楔形间隙，形成压力油膜支撑轴并承受载荷这种工作状态称为流体动力润滑，是滑动轴承理想的工作状态轴承的载荷能力与转速、润滑剂粘度、间隙大小等因素有关间隙过大会导致油膜承载能力下降，而间隙过小则会增加摩擦损失和发热正确设计的轴承应当在预期工况下保持稳定的流体动力润滑状态滑动轴承的设计计算

0.001-

0.003间隙比范围轴承间隙与轴径之比，影响润滑效果和稳定性10-50相对长度轴承长度与直径之比，影响承载能力和磨损

0.3-

0.8偏心率轴心偏移量与间隙之比，反映载荷水平60-90°C工作温度影响润滑油粘度和轴承材料性能的关键参数滑动轴承的设计计算主要包括几何参数确定、承载能力计算、温升计算和稳定性分析等方面设计者首先需要根据载荷、转速和润滑条件选择合适的轴承类型，如径向轴承、推力轴承或推力-径向组合轴承轴承的主要几何参数包括内径、长度、间隙和结构形式等其中间隙的确定尤为关键，它直接影响轴承的承载能力、刚度和温升一般而言，轴承间隙随着转速的增加而增大，随着载荷的增加而减小滚动轴承的类型和特点球轴承滚子轴承推力轴承以球形滚动体为特征，具有较小的摩擦使用圆柱形、圆锥形、球面或针状滚子专门设计用于承受轴向载荷的轴承，分系数和良好的高速性能深沟球轴承可作为滚动体，具有较高的承载能力圆为推力球轴承和推力滚子轴承两大类同时承受径向和轴向载荷，结构简单，柱滚子轴承主要承受径向载荷；圆锥滚推力轴承通常只能承受单向轴向载荷，使用范围广角接触球轴承则具有较高子轴承可承受径向和单向轴向组合载荷安装时需注意方向对于大型设备中的的轴向承载能力，适用于需要承受组合；调心滚子轴承则适用于轴与轴承座不重载推力轴承，经常采用推力滚子轴承载荷的场合同心的情况滚动轴承的选择载荷条件分析1根据载荷的大小、方向和性质选择合适的轴承类型径向载荷主要选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承；轴向载荷主要选用推力轴承；组合载荷则可选择角接触球轴承或圆锥滚子轴承冲击载荷和重载条件通常选用滚子轴承转速要求2高速工况通常选用球轴承，其摩擦系数小、发热量低超高速条件下，可能需要陶瓷球轴承或专门的高速设计对于精密仪器等要求高精度低噪声的场合，通常选用预载荷的精密轴承环境因素3高温环境需选用耐热材料或特殊润滑剂的轴承；潮湿或腐蚀环境需选用密封型或不锈钢轴承；振动和冲击条件下应选择具有良好抗冲击性能的轴承类型，如圆柱滚子轴承或调心滚子轴承安装与维护4考虑安装空间限制、安装方式和维护便利性等因素分离式轴承便于安装和拆卸；密封型轴承减少维护工作；而调心轴承则可适应安装不精确的情况，降低安装难度滚动轴承的寿命计算基本额定寿命修正寿命计算可靠度设计滚动轴承的寿命通常以完成的转数或实际应用中需要考虑材料、润滑、工根据机械设备的重要性和维修难度，工作小时数表示，基本额定寿命是作温度和污染等因素对轴承寿命的影选择不同的可靠度要求关键设备通L₁₀指在相同条件下的同批轴承在失响，引入修正系数对基本寿命进行调常要求更高的可靠度，这意味着需要90%效前能达到或超过的寿命轴承寿命整良好的润滑和清洁环境可显著延选择更大尺寸的轴承或采用更高质量与载荷和转速密切相关，通常载荷越长轴承寿命，而高温和污染则会加速等级的轴承，以延长使用寿命和减少大、转速越高，寿命越短轴承失效故障风险联轴器和离合器概述联轴器是连接两根轴以传递转矩的机械元件，可分为刚性联轴器、挠性联轴器和万向联轴器三大类刚性联轴器连接紧固，传动精确但不能补偿轴的偏差；挠性联轴器能补偿轴的轻微偏差并具有一定的减振能力；万向联轴器则能传递两根轴线成角度的转动离合器是用于控制动力传递的机械元件，能够在不停止原动机的情况下使工作机械停止或接合按工作原理可分为摩擦式、齿式、液力和电磁式等类型离合器的关键性能参数包括最大传递转矩、接合平稳性和散热能力等联轴器和离合器的选择应综合考虑传递功率、转速、使用环境和控制方式等因素，并进行必要的强度和热平衡计算，以确保其可靠工作常用联轴器的类型和选用刚性联轴器挠性联轴器包括套筒式、法兰式和夹壳式等利用弹性元件连接两轴，能补偿类型，结构简单，传动刚性好，轴的径向、轴向和角向偏差，并但要求两轴高精度对中主要用具有缓冲减振作用常见类型包于低速、轻载和要求传动精确的括销齿式、轮胎式、膜片式、蛇场合法兰联轴器是最常用的刚形弹簧式等挠性联轴器广泛应性联轴器，它通过两个法兰盘和用于中小功率传动系统，特别适连接螺栓实现轴的连接用于有振动冲击的场合万向联轴器能传递两根不共线轴之间的转动，主要用于两轴有较大角度偏差的场合单个万向节在传动过程中输出轴的角速度不均匀，需要使用双万向节组合才能保证等速传动万向联轴器广泛应用于汽车传动系统和工业设备离合器的工作原理和应用摩擦式离合器通过摩擦面之间的压力和摩擦力传递扭矩常见的有单片式、多片式和锥形式等摩擦式离合器工作时产生的热量较大，对摩擦材料要求高，但结构简单，控制方便，应用最为广泛齿式离合器通过啮合齿的接触传递扭矩，传动效率高，无滑动损失齿式离合器只能在停止状态下接合，不能平稳起动，主要用于需要精确传动位置的场合或作为安全装置防止过载液力离合器利用液体的动量传递扭矩，具有自动化程度高、起动平稳的特点液力离合器传动效率较低，但能有效减少振动和冲击，广泛应用于大功率传动设备和需要平稳起动的场合电磁离合器通过电磁力控制摩擦片接合或分离，实现扭矩传递电磁离合器控制灵活、响应迅速，适用于频繁起停和精确控制的场合，如自动化生产线和精密机床等机械传动概述直接传动1如联轴器和离合器等摩擦传动2如带传动和摩擦轮传动啮合传动3如齿轮传动和链传动液压传动4利用液体压力传递动力气动传动5利用压缩空气传递动力机械传动是将动力从原动机传递到工作机械的各个环节，同时可以改变运动速度、转矩和运动形式不同的传动方式具有各自的特点和适用范围，设计时需根据具体需求选择合适的传动类型传动系统的选择需要考虑多种因素，包括传递功率、传动比、工作条件、空间限制、噪声要求、成本等传动系统的效率、可靠性和使用寿命也是重要的评价指标现代机械传动系统通常是多种传动方式的组合，以实现最佳的性能和经济性例如，在汽车传动系统中，结合使用了摩擦传动、齿轮传动和液压传动等多种方式带传动的工作原理摩擦力传递1依靠带与轮之间的摩擦力传递动力预紧力设计2通过初始张紧确保足够的摩擦力弹性滑动3带在运行中会产生弹性滑动现象功率传递4实际传递功率受多种因素影响带传动是利用柔性带环绕主动轮和从动轮，通过摩擦力传递运动和动力的机构带传动的工作依赖于带与轮之间的摩擦力，该摩擦力由预紧力和摩擦系数共同决定带传动在运转过程中会产生弹性滑动，使传动比存在微小变化带传动的主要特点包括结构简单、工作平稳、能缓冲冲击和减振、过载保护能力强、噪声低等它适用于轴距较大的传动场合，能够实现多轴传动带传动的效率一般在94%~98%之间，主要损失来自带的弹性变形和摩擦带传动的设计计算传动效率%最大线速度m/s带传动的设计计算主要包括带型选择、传动比确定、带长计算和预紧力设定等步骤选择带型时需考虑传递功率、转速范围和工作环境；计算传动比时需兼顾速度要求和空间限制；带长计算则基于轮径和中心距预紧力的确定尤为关键，它直接影响传动能力和带的使用寿命预紧力过小会导致打滑，过大则会加重轴承负荷和带的磨损通常预紧力设为有效拉力的

1.5~2倍，可通过调整中心距或使用张紧装置来实现在高速或变速工况下，还需进行带的动态特性分析，评估振动和共振风险对于精密传动，同步带通常是更好的选择，它能保证精确的传动比链传动的特点和应用传动精确效率高适应性强链传动由于链与链轮链传动的效率通常可链传动可在高温、潮的啮合传动，不存在达，高于许湿、多尘等恶劣环境97%~98%弹性滑动，能保持恒多其他传动方式这下工作，只需提供适定的传动比这使得是因为链与链轮之间当的润滑此外，链链传动在需要精确传主要是啮合接触而非条可以任意加长或缩动关系的场合具有优摩擦接触，能量损失短，便于维修和更换势，如机床进给系统较小因此，链传动这些特点使链传动和计时装置等在需要高效传动的场在农业机械、矿山设合如自行车和摩托车备和冶金设备等恶劣驱动系统中广泛应用环境中得到广泛应用链传动的设计计算链型选择1根据传递功率、转速和工作条件选择链条类型，常用的有滚子链、套筒链、齿形链等滚子链应用最广泛，具有结构简单、标准化程度高的特点；齿形链噪声小，传动平稳，但成本较高；套筒链结构紧凑，适用于空间有限的场合链轮设计2确定链轮的齿数、节圆直径和轮廓形状链轮齿数不宜过少，一般主动轮不少于17齿，从动轮不超过120齿齿数过少会加剧多边形效应，导致传动不平稳；齿数过多则增加成本和空间需求中心距计算3合理的中心距应使链条节数为整数，且链条下边缘与地面间隙足够中心距通常取链节距的30~50倍，过大会增加链条自重和惯性载荷，过小则可能导致链条松弛时接触链轮的包角不足润滑系统设计4根据链速和功率选择适当的润滑方式，包括手动润滑、滴油润滑、油池润滑和喷油润滑等良好的润滑不仅可以减少磨损，延长链传动的使用寿命，还可以降低噪声和改善传动效率齿轮传动概述齿轮传动是利用轮齿啮合传递运动和动力的机构，是机械传动中应用最广泛的一种形式齿轮传动具有传动比准确、效率高、寿命长、可靠性好等优点，能够传递大功率并适应各种安装位置按照轴的相对位置，齿轮传动可分为平行轴传动（如直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮）、交错轴传动（如螺旋齿轮）和相交轴传动（如锥齿轮）此外，还有特殊传动形式如蜗杆传动和行星轮系等齿轮传动的主要缺点是制造精度要求高、成本较高、噪声和振动较大，且不适合远距离传动在设计齿轮传动时，需要综合考虑强度、刚度、精度和噪声等因素齿轮的基本参数模数1模数是齿轮设计的基本参数，表示齿轮大小的比例系数，等于节圆直径与齿数之比模数越大，齿轮尺寸越大，承载能力越强标准模数系列已经规定，设计时应优先选用标准模数压力角2压力角是啮合线与节圆切线的夹角，影响齿轮的传动性能标准压力角有20°和25°两种，压力角越大，齿根越粗壮，承载能力越高，但啮合平稳性略差大多数工业齿轮采用20°压力角齿数3齿数影响齿轮尺寸和传动性能齿数过少会导致根切现象和啮合冲击；齿数过多则增加制造难度和成本一般情况下，直齿轮最小齿数为17，斜齿轮因为重合度大，最小齿数可略低齿宽系数4齿宽系数是齿宽与分度圆直径之比，影响齿轮的接触强度和弯曲强度对于直齿圆柱齿轮，齿宽系数通常为8~12；对于斜齿轮，可取10~16齿宽系数过大会导致载荷分布不均渐开线齿形生成方法渐开线定义渐开线特性渐开线齿轮通常采用展成法（又称滚切法）渐开线是圆上一点在绷紧的拉线绕圆运动时渐开线齿轮啮合时，接触点在啮合线上移动加工，这种方法以刀具和工件之间的相对运，拉线端点的轨迹在齿轮中，渐开线作为，啮合线与基圆相切且通过节点这种啮合动模拟齿轮啮合过程，能够高效地加工出精齿廓形状被广泛采用渐开线齿轮的主要优特性使得渐开线齿轮传动平稳，噪声小此确的齿形常用的加工工具包括齿轮滚刀、点是中心距变化时仍能保持恒定的传动比，外，渐开线齿形对加工误差和装配误差有一插齿刀和剃齿刀等，它们通过不同的运动方这一特性使得渐开线齿轮在工程应用中非常定的适应性，减小了制造和安装的难度式生成渐开线齿形实用齿轮传动的受力分析法向力啮合齿面上的接触力，垂直于接触点的共同切面法向力是齿轮力系的基本力，其他分力都可由法向力分解得到法向力的大小与传递的转矩成正比，与分度圆半径成反比切向力法向力在节圆切线方向的分量，是产生转矩的有效力切向力与转矩和齿轮半径有直接关系，F_t=2T/d，其中T为转矩，d为分度圆直径齿轮强度计算主要基于切向力径向力法向力在径向的分量，对轴产生附加弯曲载荷径向力与切向力之比等于压力角正切值，对于标准20°压力角，径向力约为切向力的36%径向力在轴的强度计算中需要考虑轴向力斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动中存在的沿轴向的力分量轴向力会对轴和轴承产生附加载荷，在传动设计中需特别注意轴向力的大小与齿线倾角（或螺旋角）有关齿轮传动的强度计算接触疲劳弯曲疲劳齿面在循环接触应力作用下产生的疲齿根在循环弯曲应力作用下产生的疲劳点蚀或剥落接触疲劳通常是齿轮劳断裂弯曲疲劳主要发生在齿根过失效的主要形式，特别是对于硬齿面渡曲线处，这里是应力集中部位弯12齿轮接触应力计算基于赫兹接触理曲应力计算通常采用公式并考Lewis论，与载荷、齿轮几何参数和材料特虑各种修正因素性有关塑性变形胶合磨损齿面在过载条件下产生的永久变形齿面在高接触压力和滑动条件下产生43塑性变形通常出现在冲击载荷作用下的粘着磨损胶合常发生在低速重载或材料硬度不足的情况预防措施包条件下，特别是润滑不良时预防措括选用高强度材料、进行表面硬化处施包括选用耐磨材料、改善润滑条件理和合理控制载荷等和增大接触面积等圆柱齿轮传动设计参数确定材料选择根据传动比、功率和转速等要求，常用的齿轮材料包括碳素钢、合金确定齿轮的基本参数，包括模数、钢、铸铁和非金属材料等材料选压力角、齿数、齿宽等参数选择择应考虑载荷大小、工作环境、制应考虑标准化要求、制造工艺能力造工艺和成本等因素对于中高载和空间限制等因素对于大多数工荷工况，通常选用调质钢或渗碳钢业应用，推荐选用标准模数和20°压并进行热处理；对于低载荷场合，力角可选用铸铁或塑料材料强度校核进行接触强度和弯曲强度校核，确保齿轮在工作载荷下不会发生接触疲劳和弯曲疲劳失效强度计算应考虑各种影响因素，如载荷性质、使用寿命要求、温度条件和精度等级等必要时还需进行修形设计，以优化载荷分布斜齿轮传动设计斜齿角选择当量齿数计算轴向力补偿斜齿角通常选在范围内，常用斜齿轮的当量齿数大于实际齿数，计斜齿轮传动会产生轴向力，增加轴和8°~20°值为斜齿角越大，啮合重合度越算公式为，其中为斜齿轴承的载荷为减小这一影响，可采15°z_v=z/cos³ββ高，传动越平稳，但轴向力也越大角当量齿数的增加使得斜齿轮相比用双斜齿（人字齿）设计，使左右两对于高速传动，宜选用较大的斜齿角同等条件下的直齿轮具有更好的抗根部分的轴向力相互抵消双斜齿设计以减小噪声；对于重载传动，则应考切能力和更高的承载能力这使得斜还能减小轴向振动，但制造成本较高虑轴向力对轴和轴承的影响齿轮可以在同样模数下设计更小的齿，主要用于高精度或高速传动场合数锥齿轮传动设计安装调整设计制造工艺考虑锥齿轮的安装精度对传动质量至关重基本参数确定锥齿轮的制造精度对传动性能影响很要设计时应考虑轴向位置调整机构齿轮类型选择确定锥齿轮的模数、齿数、压力角和大常用的加工方法包括铣削法、展，确保齿轮安装在正确的位置此外根据速比、转速和载荷条件选择合适锥角等参数锥齿轮的大锥角和小锥成法和磨削法等对于精度要求高的，还需考虑轴承布置和箱体结构，以的锥齿轮类型直齿锥齿轮结构简单角之和等于轴交角（通常为90°）场合，应选用展成法或磨削法；对于保证足够的刚度和适当的热膨胀余量，适用于低速场合；弧齿锥齿轮啮合齿数的选择应考虑避免根切，一般主普通精度要求，可采用铣削法制造性能好，适用于高速重载场合；螺旋动轮不少于17齿锥齿轮的模数通常方法的选择会影响齿形修正和成本锥齿轮传动平稳，但制造复杂，主要指大端模数用于高性能要求的场合蜗杆传动的特点和应用大传动比自锁性能平稳传动蜗杆传动能实现很大的传动比，单级蜗当蜗杆的导程角小于摩擦角时，蜗杆传蜗杆传动具有良好的平稳性和低噪声特杆传动的传动比可达或更高，远超过动具有自锁性能，即蜗轮不能驱动蜗杆性，特别是采用高精度加工和合适的润60普通齿轮传动这使得蜗杆传动在需要转动这一特性在需要防止反向传动的滑条件时这使得蜗杆传动适用于对噪大减速比的场合具有独特优势，例如起场合非常有用，如升降机构和调节装置声和振动敏感的场合，如测量仪器、医重机、电梯和精密控制机构等等但自锁也会降低传动效率，在设计疗设备和精密机床等中需要权衡考虑蜗杆传动的设计计算几何参数设计1确定蜗杆的模数、螺旋角、头数和蜗轮的齿数蜗杆头数通常为1~4，蜗轮齿数通常为40~80中心距取决于传递功率和允许空间，一般模数在2~10mm范围内选择材料配对选择2常用的蜗杆材料为调质钢或渗碳钢，而蜗轮材料多选用青铜或锡青铜这种硬软材料配对能减少摩擦和磨损，提高耐磨性对于重载场合，可选用黄铜或铝青铜以提高承载能力效率计算3蜗杆传动的效率受螺旋角、摩擦系数和头数影响效率计算公式为η=tanγ/tanγ+μ/[1+μtanγ]，其中γ为导程角，μ为当量摩擦系数单头蜗杆的效率通常在30%~70%之间热平衡校核4蜗杆传动的热问题尤为突出，需进行热平衡校核计算公式为Q=P1-η=kAt-t_0，其中Q为热量，A为散热面积，t为工作温度，t_0为环境温度，k为传热系数轮系的类型和应用定轴轮系周转轮系12各齿轮轴的位置固定不变的轮系具有周转臂的轮系，其中部分齿，是最基本的轮系形式定轴轮轮轴绕另一轴做整体转动周转系结构简单，易于制造和维护，轮系能实现较大的传动比，且结但传动比受到单级传动的限制，构紧凑最常见的周转轮系是行通常需要多级串联以获得较大的星轮系，它由太阳轮、行星轮、传动比定轴轮系广泛应用于各行星架和内齿圈组成行星轮系类机械传动，如机床变速箱和减应用于自动变速箱、风电增速器速器等和精密仪器等领域复合轮系3由多个基本轮系组合而成的轮系，可以实现复杂的传动功能复合轮系包括定轴复合轮系和周转复合轮系两种通过合理设计复合轮系，可以获得更加灵活的传动比变化、更紧凑的空间布局或更复杂的运动关系，广泛应用于变速装置和差动机构等轮系传动比的计算定轴轮系行星轮系差动轮系混合轮系定轴轮系的传动比计算相对简单，等于末轮与首轮角速度之比，也等于所有主动轮齿数乘积与所有从动轮齿数乘积之比在计算中，需注意中间轮对传动比的方向有影响，但对大小无影响行星轮系的传动比计算较为复杂，通常采用Willis公式ω_s-ω_c/ω_r-ω_c=-z_r/z_s，其中ω_s、ω_r、ω_c分别为太阳轮、内齿圈和行星架的角速度，z_s和z_r分别为太阳轮和内齿圈的齿数通过固定不同的构件，可得到不同的传动比复合轮系的传动比等于各基本轮系传动比的乘积对于复杂的差动轮系，可采用闭链法或Willis公式法进行分析，将复杂轮系分解为基本轮系进行计算平面机构运动简图平面机构运动简图是用于分析机构运动特性的简化图形表示，它忽略构件的具体形状，只保留运动副的类型和位置以及构件间的连接关系在简图中，构件通常用直线段表示，转动副用圆圈表示，移动副用矩形或三角形表示运动简图是机构学分析的基础，通过简图可以确定机构的自由度、速度和加速度分布，以及运动轨迹等特性自由度计算通常采用库兹巴赫公式F=3n-1-2p₁-p₂，其中n为构件数，p₁为低副数量，p₂为高副数量在平面机构设计中，首先需要根据功能要求确定机构类型，然后绘制运动简图并进行运动分析根据分析结果，可以优化机构参数以获得理想的运动特性运动简图是连接功能需求和详细设计的重要环节平面四杆机构机构分类运动特性1根据杆长关系分为曲柄摇杆、双曲柄、双摇不同类型有不同的摆角范围和轨迹特点2杆和三角形机构应用场景4设计要点3广泛用于转动-摆动转换和路径生成需考虑传动角、死点位置和运动平稳性平面四杆机构是最基本的闭环机构，由四个构件和四个转动副组成根据格拉索夫定理，当最短杆加最长杆的长度小于另外两杆长度之和时，机构具有完全旋转的构件根据构件的运动特性，可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构和三角形机构四杆机构的重要设计参数包括传动角和机构尺寸传动角是衡量力传递效率的重要指标，一般要求不小于30°机构尺寸的确定需要考虑运动轨迹、摆角范围和安装空间等因素，通常采用图解法或解析法进行设计计算凸轮机构凸轮类型从动件运动规律按形状可分为盘形凸轮、圆柱常用的运动规律包括等速运动凸轮和三维凸轮；按从动件运、等加速等减速运动、简谐运动形式可分为移动从动件和摆动和修正正弦运动等运动规动从动件；按接触方式可分为律的选择应考虑平稳性、冲击尖顶、滚子和平底从动件不性和加速度连续性高速工况同类型适用于不同的工况和空应优先选用加速度连续的规律间条件，如修正正弦运动轮廓设计凸轮轮廓设计是将从动件的位移规律转换为凸轮的几何形状设计方法包括图解法和解析法在设计中需考虑压力角、基圆大小和曲率半径等因素，以确保机构的可靠性和平稳性间歇运动机构棘轮机构日内瓦机构凸轮分割器棘轮机构由棘轮和棘爪组成，可实现单向日内瓦机构是最常用的间歇运动机构之一凸轮分割器利用凸轮的特殊轮廓实现间歇间歇传动当棘爪沿一个方向移动时，带，由驱动轮和从动轮组成驱动轮上的销运动通过设计合适的凸轮轮廓，可以实动棘轮转动；当棘爪沿相反方向移动时，钉进入从动轮的槽口，带动从动轮转动一现各种复杂的间歇运动规律凸轮分割器棘轮保持静止棘轮机构结构简单，适用定角度后退出日内瓦机构具有运动准确具有运动平稳、定位准确的特点，常用于于低速场合，常用于计数器、绞车和手动、结构紧凑的特点，广泛应用于自动化设自动包装机、印刷机和装配线等设备工具等设备备和精密仪器中机械系统方案设计需求分析明确设计目标、功能要求和性能指标，进行市场调研和技术可行性分析需求分析是方案设计的起点，应尽量全面考虑用户需求、技术条件和经济因素功能分解将系统总功能分解为若干子功能，建立功能结构图功能分解有助于简化设计过程，使设计更加系统化对于复杂系统，可采用层次分解方法，逐步细化功能需求方案生成针对各子功能提出多种技术方案，然后组合形成总体方案方案生成阶段应鼓励创新思维，运用头脑风暴、形态分析等方法产生多样化的解决方案方案评价与选择建立评价指标体系，对各方案进行综合评价，选择最优方案评价指标通常包括技术可行性、经济性、可靠性、制造性和环保性等方面，可采用加权评分法进行量化比较减速器的类型和应用齿轮减速器蜗杆减速器摆线针轮减速器利用齿轮传动实现减速的装置，包括圆利用蜗杆传动实现减速的装置，具有结利用摆线轮与针轮啮合原理工作的减速柱齿轮减速器、行星齿轮减速器和锥齿构紧凑、单级传动比大、运转平稳等特器，具有传动比大、效率高、结构紧凑轮减速器等齿轮减速器具有效率高、点蜗杆减速器的效率较低，一般为、承载能力强等优点摆线针轮减速器传动比准确、可靠性好等优点，但噪声，且发热量大，需要良好的的齿间接触为多齿同时啮合，因此具有30%~90%较大，制造精度要求高广泛应用于各散热条件主要应用于对噪声敏感、要良好的过载能力和使用寿命广泛应用类机械设备的传动系统求自锁性能或传动比较大的场合于机器人、精密设备等领域减速器的结构设计15-20%箱体壁厚比例相对于基准尺寸的典型壁厚范围

0.15-

0.3mm表面粗糙度箱体配合面的典型加工精度要求20-50°C温升范围工作时箱体温度相对环境温度的典型升高3-5安全系数箱体结构设计的典型安全系数范围减速器的结构设计包括箱体设计、轴系布置、轴承选择和密封系统设计等方面箱体是减速器的基础部件，需要具有足够的刚度和强度，同时考虑制造工艺性和维修便利性箱体通常采用铸铁或铸钢材料，结构形式包括整体式和分体式两种轴系布置应考虑传动效率、空间利用率和制造装配便利性等因素对于多级减速器，应合理安排各级传动的位置关系，使整体结构紧凑且传动路线简短轴承的选择和布置需考虑载荷特性、转速条件和寿命要求，同时兼顾轴向定位和热膨胀问题减速器的装配设计装配基准选择合理选择装配基准，确保关键部件的位置精度常用的装配基准包括箱体内孔、轴承座孔和定位平面等基准选择应考虑加工精度、装配方便性和功能重要性等因素轴向定位设计确保传动部件的轴向位置准确可靠轴向定位通常采用轴肩、轴套、挡圈或轴承端盖等结构定位设计应考虑热膨胀、装配便利性和维修需求，必要时预留调整余量间隙调整设计提供必要的间隙调整机构，确保传动精度常用的调整方法包括垫片调整、螺纹调整和偏心套调整等调整机构设计应简单可靠，调整范围适当，且操作方便密封系统设计防止润滑油泄漏和外部污染物进入减速器常用的密封形式包括油封、密封垫、迷宫式密封等密封设计应考虑工作环境、压力差、温度条件和使用寿命等因素机械设计中的计算机应用计算机辅助设计计算机辅助工程产品数据管理CAD CAEPDM系统用于创建二技术用于产品性系统用于管理产CAD CAEPDM维图纸和三维模型，能模拟和分析，包括品全生命周期的数据大大提高了设计效率有限元分析、计算流和文档，实现设计信和精度现代软体力学和多体动力学息的共享和协同工作CAD件如、等通过分析，系统可以管理SolidWorks CAEPDM和等可以在实际制造前预设计变更、版本控制AutoCAD CATIA不仅支持几何建模，测产品的强度、刚度和工作流程，提高团还提供参数化设计、、振动特性和热性能队协作效率和数据安装配仿真和工程分析等，减少设计失误和全性，是企业数字化等功能，使设计过程试验成本转型的重要工具更加高效和可视化机械设计中的优化方法参数优化拓扑优化12调整设计参数以获得最佳性能的方法参数优化通常基于数学模型，通通过移除不承载或低效材料，得到最佳结构布局的方法拓扑优化基于过改变参数值，寻找使目标函数达到最优的参数组合常用的算法包括有限元分析，能够在给定的设计空间和载荷条件下，寻找最佳的材料分梯度法、遗传算法和粒子群算法等参数优化适用于已确定结构方案后布方式这种方法常用于轻量化设计和创新结构生成，已在航空航天和的细节优化汽车工业广泛应用多目标优化可靠性优化34同时考虑多个性能指标的优化方法在实际工程中，通常需要平衡强度考虑不确定性因素的优化方法可靠性优化将随机变量和概率模型引入、重量、成本等多个目标多目标优化通过建立帕累托前沿，帮助设计到优化过程中，目标是在保证可靠性的前提下获得最优设计这种方法者了解各目标之间的权衡关系，从而做出更合理的决策特别适用于安全关键型系统的设计，如航空航天和核工业等领域机械设计中的可靠性分析寿命预测失效模式分析估算产品或组件使用寿命的方法寿命识别和评估潜在失效方式及其影响的方预测通常基于疲劳理论、磨损模型或统法常用的工具包括失效模式与影响分计数据常用的方法包括曲线分析、S-N析和故障树分析通过系统FMEA FTA累积损伤理论和加速寿命试验等准确分析可能的失效原因和后果，帮助设计12的寿命预测有助于合理安排维护计划和者采取预防措施，提高产品可靠性更换周期维修性设计可靠度分配43考虑产品易于维修和保养的设计方法将系统可靠度目标分解到各子系统和组好的维修性设计包括合理的结构布局、件的过程可靠度分配考虑组件的复杂标准化零件、模块化设计和便捷的访问性、重要性、技术成熟度和维修性等因通道等高维修性可以减少停机时间，素，确保在满足系统可靠度要求的同时降低维护成本，延长设备使用寿命，各组件的可靠度目标合理可行机械设计实例分析通过分析典型机械设计实例，可以深化对设计理论的理解并获取实践经验本节将介绍几个不同领域的机械设计案例，包括工业减速器、机器人机械臂、数控机床和汽车变速箱等每个案例分析包括设计需求、方案选择、关键计算、材料选择和制造工艺等方面，重点展示设计思路和决策过程通过这些案例可以看到，成功的机械设计需要综合考虑功能需求、技术可行性、经济性和可靠性等多种因素案例研究也将探讨设计过程中遇到的挑战和解决方案，以及实际应用中的经验教训这些实例为理论知识的实际应用提供了宝贵参考，帮助读者建立系统的设计思维和方法论课程总结与展望设计创新1融合新技术、新理念推动机械设计变革智能制造2数字化设计与智能生产深度融合绿色设计3注重环保、节能和可持续发展基础理论4扎实的力学、材料和制造工艺知识本课程系统介绍了机械设计的基本理论、方法和技能，涵盖从机械零件设计到复杂机械系统集成的各个方面通过学习，您应已掌握常用机械零部件的设计计算方法、传动系统的分析与设计、机械系统方案设计等核心内容机械设计领域正在经历深刻变革，数字化设计、人工智能应用、绿色设计理念和新材料新工艺的发展，为传统机械设计注入了新的活力未来的机械设计将更加注重学科交叉融合，将机械工程与电子、信息、材料等领域紧密结合希望通过本课程的学习，您不仅掌握了机械设计的基础知识，更培养了系统的工程思维和创新意识在未来的学习和工作中，建议继续关注行业前沿动态，不断学习新知识、新技术，成为卓越的机械设计工程师。