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机械设计基础
机械设计基础考研笔记，包含滚动轴承、联轴器和离合器、平面机构的自由度和速度分析、平面连杆机构、带传动和链传动等内容。
编辑于2021-10-12 16:39:19- 机械设计基础
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机械设计基础
0.绪论
机械
机器
是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。
组成
四个基本组成部分：一般由动力部分、传动部分、控制部分、执行部分组成。
机器的主体部分由机构组成，一部机器可以包含一个或若干机构。除构件系统外还包含电气、液压等其他装置。
三个特征（属性）
1.人为的实物组合
2.各运动单元具有确定的运动
3.能实现能量的转换
机构
一个构件系统
构件
构件，是运动的单元。可以是一个整体，也可以是几个零件组成的刚性结构。
零件，是制造的单元。有时一个单独的零件也是一个简单的构件。
构件和零件的区别
运动副
只传递运动和力
1.平面机构的自由度和速度分析
运动副及分类
两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接，称为运动副。
分类
高副
通过点或线接触组成的运动副
滚动
凸轮与从动件
齿轮齿接触
球面副
螺旋副
常见的高副
低副
通过面接触组成的运动副
转动副
移动副
自由度
k为平面机构总构件数目（不算机架），n为活动构件数目
低副数目
高幅数目
含义：在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。
自由度应与原动件数相等，且大于零个。 是机构具有确定运动的条件。
自由度>原动件数，不具有确定对的相对运动
自由度<原动件数，机构中最弱的构件必将损坏
F=0,不可能产生相对运动
注意事项
复合铰链
两个以上构件同时在一处用转动副相连接，就构成复合铰链。 K个构件具有(K-1)个转动幅。
局部自由度
与输出构件运动无关的自由度，应排除。
虚约束
重复而对机构不起限制的约束，应排除。
速度瞬心及其在机构速度分析上的应用(复试)
瞬心
两刚体上绝对速度相同的重合点(简称同速点)
相对瞬心
两刚体都运动
绝对瞬心
一个刚体静止，一个刚体运动
所以也是运动刚体上顺势绝对速度等于零的点。
瞬心数
瞬心数
瞬心位置
两构件组成转动幅时，瞬心为转动幅中心
两构件组成移动副时，瞬心位于导路垂线的无穷远处
两构件组成纯滚动高副时，瞬心为接触点
两构件组成滑动兼滚动高副时，瞬心位于过接触点的公法线上
不直接接触的各个构件，用三心定理：作相对平面运动的三个构件共有三个瞬心，位 于同一直线上。
速度分析
2.平面连杆机构
优缺点
优点：
1.可实现给定的运动规律和运动轨迹； 2.低副以圆柱面或平面相接触，承载力高、耐磨损、制造简便、易获得较高的制造精度
缺点
1.不易实现复杂的运动规律，设计较复杂； 2.当构件数和运动副数较多时，效率较低；
类型及应用
铰链四杆机构
全部用转动副相连的平面四杆机构
组成
机架：机构的固定构件
连架杆：与机架用转动副相连接的构件
曲柄：与机架组成整转副的连架杆
整转副：组成转动副的两个构件能作整周相对运动
摇杆：与机架组成摆动副的连架杆
摆动副：组成转动副的两个构件不能作整周相对运动
连杆：不与机架直接连接的构件
基本形式
曲柄摇杆机构，连架杆一曲柄一摇杆，例如：颚式破碎机、雷达天线调整机构
双曲柄机构，双连架杆整转，例如旋转式水泵、机车驱动轮联动机构
双摇杆机构，双连架杆摇摆，例如飞机起落架、轮式车辆前轮转向机构
含一个移动副的四杆机构
曲柄滑块机构，
当滑块为原动件时，曲柄与连杆共线有死点
对心曲柄滑块机构：无急回特性
偏置曲柄滑块机构：有急回特性
连架杆AB为曲柄的条件：1.BC≥e+AB 2.BC=e+AB(会出现死点) 3.最小传动角出现位置（AB与水平面垂直）
导杆机构
摇块机构和定块机构
基本特性
铰链四杆机构有整转副的条件
杆长条件：最长杆+最短杆≤其余两杆长度之和
整转副是由最短杆与相邻杆组成的
存在曲柄的条件：哪个杆为机架?
最短杆为机架：机架上有两个整转副，双曲柄机构
最短杆临边为机架：机架上只有一个整转副，曲柄摇杆机构
最短杆对边为机架：机架上没有整转副（机构有），双摇杆机构
急回特性
摇杆往复摆动的快慢不同
曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构 可利用急回特性缩短非生产时间，提高生产率，应用：牛头刨床、往复式输送机
行程速度变化系数（行程速比系数）
极位夹角
摇杆的摆角Ψ，摇杆在两极限位置的夹角
压力角和传动角
压力角α
作用在从动件上的驱动力F与该力作用点绝对速度Vc之间的锐角α为压力角
曲柄摇杆机构的最小传动角必出现在曲柄与机架共线的位置（Φ=0°/Φ=180°）
传动角γ
压力角α的余角（连杆和从动摇杆之间的锐角）
对于一般机械，γ≥40°；对于大功率机械（如颚式破碎机、冲床等），γ≥50°
为评价机构传力性能的指标: α越小，γ越大，机构传力性能越好； α越大，γ越小，机构传力越费劲、传利效率越低；
死点位置
传动角γ=0°的位置
与原动件的选取有关
曲柄滑块机构：滑块为原动件时出现死点
四杆机构：摇杆为原动件时出现死点
消除死点的方法
对从动曲柄施加外力
利用飞轮
通过构件自身的惯性
死点位置虽然对传动不利，但是可用于某些加紧装置的放松
设计
曲柄摇杆机构
摆动导杆机构
3.凸轮机构
应用和类型
通常用于传力不大的控制机构，例如：内燃机配气机构、绕线机的排线
基本组成：凸轮、从动件、机架
类型
按凸轮形状分：盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮
按从动件形式分：顶尖从动件、滚子从动件、平底从动件
顶尖从动件不会发生失真现象
优缺点
优点：结构简单、紧凑、设计方便
缺点：凸轮理论轮廓与从动件之间为点接触或线接触、易磨损
从动件的运动规律
等速运动
从动件速度0→v→0 加速度a从+∞突变至-∞
产生刚性冲击，不宜单独使用，适用于低速轻载
简谐运动
也叫等加速等减速运动、余弦加速度运动
产生柔性冲击，适用于中低速轻载
正弦加速度运动
也叫五次多项式运动
无冲击，适用于高速凸轮机构； 但加速度a最大值较大，导致惯性力较大，加工精度要求高
凸轮机构的压力角
压力角α：接触轮廓法线与从动件速度方向所夹锐角
压力角α与作用力F的关系
F可分解为沿从动件运动方向的有用分力F'和使从动件压紧导路的有害分力F''
当F'一定时，α越大F''越大，机构效率越低 当F''对导路的摩擦力>F'时，导致从动件不能运动，出现自锁现象 对于直动从动凸轮机构[α]=30° 对于摆动从动凸轮机构[α]=45°
压力角α与凸轮机构尺寸的关系
基圆半径R越小，压力角α越大
偏距e越小，压力角α越大
故在最大压力角允许的前提下，选取尽可能小的基圆半径， 以缩小凸轮尺寸
相对速度顺心：过凸轮与从动件的接触点B作公法线n-n，它与过凸轮轴心O且垂直于从动件导路方向的直线相较于点P，P为凸轮和从动件的相对速度瞬心
设计
4.齿轮机构
齿轮机构的特点和类型
优点：1.使用的圆周速度和功率范围广 2.效率高 3.传动比稳定 4.寿命长 5.工作可靠性高 6.可实现平行轴、任意角相交轴、任意角交错轴之间的传动
缺点：1.制造和安装精度要求高、成本高 2.不适宜于远距离两轴之间的传动
分类
齿廓定角速比传动的条件（齿轮传动的基本要求）
瞬时角速度之比必须保持不变
不论齿廓在任何位置接触，过接触点所作的公法线n-n都必须与连心线交于一定点C
点C在两轮运动平面上的轨迹为两个相切的圆，称为节圆
渐开线齿廓
渐开线的特点
发生线在基圆上滚过的线段长度等于基圆上相应的弧长
渐开线上任意一点的法线必与基圆相切
渐开线上某点的法线，与齿廓上该点速度方向线之间的锐角为该点的压力角αk
渐开线的形状取决于基圆的大小
基圆之内无渐开线
渐开线齿廓满足定角速比要求（可传动）
渐开线齿轮的传动比等于两轮基圆半径的反比
渐开线齿轮传动的可分性：一对渐开线齿轮制成后，基圆半径固定不变，因制造安装误差或轴承磨损，导致中心距稍有改变，但其角速比仍保持不变，仍能保持良好的传动性能。
一大优点
齿轮各部分名称及渐开线齿轮的基本尺寸
齿轮各部分名称
图
渐开线齿轮的基本参数
图
渐开线标准齿轮的啮合
正确啮合条件
两轮的模数和压力角必须分别相等
齿轮的传动比
标准中心距
标准安装要求
分度圆与节圆重合（即两分度圆相切）
尺侧间隙为零
标准安装下的中心距为标准中心距a
标准齿轮传动只有在分度圆与节圆重合时，压力角和啮合角才相等， 而渐开线齿轮的啮合角始终等于分度圆上的压力角
重合度
啮合弧：一对齿从开始啮合到终止啮合，分度圆上任意一点所经过的弧线距离
重合度
齿轮连续传动的条件
重合度>1
含义与联系
重合度越大，表示同时啮合的齿的对数越多
对于标准齿轮传动，重合度都大于1
重合度与m（模数）无关
1.齿定高系数ha*越大，ε越大 与重合度有关的参数：2.压力角α越小，ε越大 3.齿数z越大，ε越大
渐开线齿轮的切齿方法
成型法
用渐开线齿形的成型刀具直接切出齿形，常用盘型铣刀、指状铣刀
优缺点
优点：切齿方法简单，不需要专用机床
缺点：生产效率低、精度差，仅适用于单件生产、精度要求不高的齿轮或不完全齿轮的加工
展成法（范成法）
利用一对齿轮互相啮合时，其共轭齿廓互为包络线的原理（就是用一个齿轮切另一个）
优点：只要两齿轮模数压力角分别相等，即可使用同一把滚刀
根切、最少齿数及变位齿轮
根切
刀具齿顶超过N1点，刀具会将齿轮根部的渐开线切去，这种现象成为根切
根切使齿根削弱，严重时还会减小重合度，应当避免
避免根切的方法
限制最小齿数（Zmin=17）
标准齿轮不发生根切的最小齿数， 若略微允许根切，Z可取14
采用变位齿轮
通过刀具远离轮胚中心（正变位）或趋近轮胚中心（负变位），使刀具齿顶线 刚好通过N1点，这种改变刀具相对位置的方法切制的齿轮为变位齿轮
齿轮变位前后，其齿距P、模数m、压力角α、分度圆和基圆、角速比和定角速比也保持不变
平行轴斜齿轮机构
斜齿轮正确啮合的条件
两轮的模数和压力角必须分别相等
两轮分度圆柱螺旋角β也必须大小相等、方向相反，即一个左旋、一个右旋
几何尺寸计算
国家标准规定斜齿轮的法向参数为标准值
图
重合度
斜齿轮传动的重合度随齿宽b和螺旋角β的增大而增大
εt为端面重合度，即与斜齿轮端面齿廓相同的直齿轮传动的重合度 btanβ/Pt为齿轮倾斜而产生的附加重合度
当量齿数
z为斜齿轮的实际齿数
标准斜齿轮避免根切的方法
优缺点
优点：1.运转平稳，噪声小 2.承载能力高，适于高速转动 3.斜齿轮不发生根切的齿数数目小于直齿轮
缺点：1.斜齿齿面受法向力F时会产生轴向分力，需要安装推力轴承，从而使结构复杂化 2.螺旋角β的大小对斜齿轮的传动性能影响很大（β太小优点受限，β太大会产生很大轴向力），故一般取β=8°~20°
锥齿轮机构
直齿锥齿轮齿数
当量圆柱齿轮齿数
直齿锥齿轮最少齿数
δ为圆锥角
直齿锥齿轮的正确啮合条件
两轮大端模数必须相等，压力角必须相等
两轮外锥距还必须相等
5.轮系
轮系的类型
定轴轮系：传动时每个齿轮的几何轴线都是固定的
周转轮系：至少有一齿轮的几何轴线绕另一齿轮的几何轴线转动的轮系
行星轮：轴线位置变化的齿轮，既自转又公转
行星架（转臂）：支持行星轮作自转和公转的构件
太阳轮（中心轮）：轴线位置固定的齿轮
行星轮系：只有一个中心轮能转动
差动轮系：两个中心都能转动
轮系计算
定轴轮系及其传动比
1与k转向相同取+，相反取-
周转轮系及其传动比
G与k转向相同取+，相反取-
1.一般由周转轮系传动比得出n1与nH的关系式 2.算出i1H与nH
6.间歇运动机构
主动件连续运动（转动或往复运动）时，从动件作周期时动时停运动的机构称为间歇运动机构
棘轮机构
槽轮机构
不完全齿轮机构
凸轮间歇运动机构
总结
7.机械运转速度波动的调节
目的
当输入功大于输出功时，出现盈功 盈功转化为动能，促使机械能增加
当输入功小于输出功时，出现亏功 亏功需要性能补偿，导致机械能减小
调节方法
周期性速度波动
当机械动能周期变化时，机械主轴的角速度也作周期变化，这种有规律的周期性的速度变化称为周期性速度波动
调节方法是在高速主轴上增加飞轮
仅能调节减弱，不能完全消除
非周期性速度波动
速度波动随机的、不规则的，没有一定周期的变化称为非周期性速度波动
调节方法是采用调速器使输入功率与输出功率趋于平衡
飞轮设计
额定转速
机械运转速度不均匀系数
δ是衡量机械周期项速度变化幅度的重要参数
飞轮设计基本原理(复试)
8.回转件的平衡
目的
消除附加动压力，尽可能减轻有害的机械振动
原因
1.材质不均匀
2.结构不对称
3.制造不精确
条件
静平衡条件（单面平衡）
分布于该回转件上各个质量的离心力（或质径积）的向量和等于零， 即回转件的质心与回转件轴线重合
动平衡条件（双面平衡）
分布于该回转件上各个质量的离心力（或质径积）的向量和等于零， 即回转件的质心与回转件轴线重合，且离心力所引起的力偶矩的向量和也等于零
9.机械零件设计概论
失效与破坏
失效：机械零件由于某种原因不能正常工作
疲劳点蚀是齿轮、滚动轴承等零件的主要失效形式
破坏：机械零件发生解体（断裂）或失去原有的几何形态（塑性变形）
失效原因
1.断裂或塑性形变 2.过大的弹性变形 3.工作表面过度磨损或损伤 4.发生强烈的振动 5.连接的松弛 6.摩擦传动的打滑
机械零件的应力（σ）的种类
静应力：不随时间变化
变应力：随时间变化的应力
平均应力
应力幅
变应力的循环特性
σmax=-σmin，r=-1
对称循环变应力
σmax≠0，σmin=0，r=0
脉动循环变应力
σmax=σmin，r=±1
静应力可看作变应力
影响机械零件疲劳强度的主要因素
应力集中、零件尺寸、表面状态 环境介质、加载顺序和频率等
机械零件磨损的主要类型
磨粒磨损：硬质颗粒或摩擦表面上硬的凸峰，在摩擦过程中引起的材料脱落现象
粘着磨损（胶合）：若接触处发生粘着，滑动时会使接触表面材料由一个表面转移到另一个表面的现象
疲劳磨损：表层金属呈小片状剥落，而在零件表面形成小坑的现象
腐蚀磨损：摩擦过程中与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损
10.连接
螺纹类型
按平面图形形状：矩形螺纹（β=0°）。三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹（β≠0°）
β为牙侧角：牙型侧边与轴线垂线的夹角，不一定为α/2
按螺旋线旋向：左旋螺纹、右旋螺纹（一般采用）
按螺旋线数目：单线螺纹、等距排列的多线螺纹
按作用分：连接螺纹、传动螺纹（相应的传动为螺旋传动）
螺旋的自锁
螺纹升角Ψ≤当量摩擦角ρ'，螺旋具有自锁特性
自锁性：三角形螺纹>梯形螺纹>矩形螺纹 标准β：60° >15° >0°
机械制造常用螺纹
三角形螺纹
普通螺纹（多用于紧固连接）
管螺纹（用于各种管道的紧密连接）
普通螺纹：把牙型角α=60°的三角形米制螺纹（以大径d为公称直径）
粗牙螺纹（螺距最大的）（应用最广）
细牙螺纹：适用于薄壁管件、受动载荷的连接和微调相对位置的机构
梯形螺纹（β=15°）
锯齿形螺纹（工作面β=3°）
都用于传动，但传动效率：矩形螺纹>锯齿形螺纹>梯形螺纹
螺纹连接的基本类型
螺栓连接
普通螺栓连接
优点：加工简便，对孔的尺寸精度和表面粗糙度要求低，一般用钻头粗加工即可，故应用最广
较制孔用螺栓连接
适用于承受垂直于螺栓轴线的横向载荷
双头螺柱连接
允许多次拆装而不损坏连接件
螺钉连接
适用于比较薄的零件，不宜经常拆装
紧定螺钉连接
常用于两零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩
螺钉连接的特点是不用螺母，螺栓也可以不用螺母和螺钉使用
螺纹连接的预紧和防松
预紧力控制方法
用测力矩扳手或定力矩扳手拧紧力矩
对于一些更重要和大型的螺栓连接：可用控制螺栓在拧紧前后发生的伸长变形量来达到更精确的预紧力控制
螺纹连接防松
根本问题：防止螺纹副的相对转动
常用方法
摩擦方法：弹簧垫圈、对顶螺母、尼龙圈锁紧螺母
机械方法：槽形螺母和开口销、圆螺母用带翅垫片、止动垫片
破坏螺旋副的永久防松：冲点和粘合
螺栓的失效
1.螺栓杆拉断 2.螺纹的压溃和剪断 3.经常装拆因磨损发生滑扣（双头螺栓）
提高螺栓连接强度的措施
1.降低螺栓总拉伸载荷Fa的变化范围
减小螺栓刚度Kb
a.减小螺栓光杆部分直径或采用空心螺杆 有时也可增加螺栓长度
b.采用软垫片
增大被连接件刚度
2.改善螺纹牙间的载荷分布
3.减小应力集中
4.避免或减小附加应力
键连接和花键连接
键主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递转矩
键的材料：常用中碳钢；键槽常用铣削加工而成
键的类型
平键连接
以两侧面为工作面
优点：定心较好、拆装方便
类型
普通平键
端部形状有：圆头（A型）、方头（B型）、单圆头（C型）
导向平键
长度较长，需要用螺钉固定在轴槽中，为了拆装方便，键上有起键螺孔。这种键能实现轴上零件的轴向移动，构成动连接（如变速箱的滑移齿轮）
失效形式：压溃（静连接：平键） 磨损（动连接：导向平键）
注意
平键连接中，键的截面尺寸是根据轴的直径按标准选用 键的长度是根据（轮毂长度）选用并标准化
半圆键连接
以两侧面为工作面
优点：定心较好
缺点：键槽对轴的削弱大
只适用于轻载连接
楔键连接
上下面为工作面
仅适用于定心精度要求不高、载荷平稳和低速的连接 （如轮毂的静连接）
切向键连接
键的窄面为工作面
能传递很大的转矩
当双向传递转矩时，需用两对切向键并分布成120°~130°
花键连接
轴和轮毂孔周向分布的多个键齿构成的连接 齿的侧面是工作面
优点
承载能力高、对轴的削弱成程度小、定心好 导向性能好
适用于定心精度要求高、载荷大 或经常滑移的连接
缺点
成本较高
销连接
销的主要用途是固定零件之间的相互位置，并传递不大的载荷
基本形式
圆柱销
适宜于经常装拆、精度低的
圆锥销
经常装拆不影响精度
常用材料为35钢、45钢
11.齿轮传动
齿轮传动的形式
闭式传动：齿轮封闭在刚性箱体内，因而能保证良好的润滑和工作条件，如变速箱
开式传动：齿轮是外露的，不能保证良好的润滑，且宜落入灰尘、杂质，故齿轮宜磨损，只适用于低速传动，如类似自行车
齿轮的失效形式
齿轮折断
齿轮受力时齿根弯曲应力最大，而且有应力集中
齿面点蚀
齿面的接触应力是按脉动循环变化的， 疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处 因为该处同时啮合齿数较少，接触应力较大
采取措施：提高轴系刚度
齿面胶合
发生在齿顶、齿根等速度较大的地方
齿面磨损
磨粒磨损、跑合磨损
齿面塑性变形
齿轮常用热处理（复试）
可提高接触疲劳强度
直齿圆柱齿轮转矩
P为所传递的功率（kW） ω为齿轮上的角速度（rad/s） n为齿轮转速（r/min）
直齿圆柱齿轮齿面接触强度
主要取决于中心矩a和齿宽b
b和[σH]（接触应力）取最小值
直齿圆柱齿轮齿面弯曲强度
主要取决于模数m和齿宽b
b取最小值
公式会给，要会算 下标1为小齿轮 下标2为大齿轮 正号为外啮合 负号为内啮合
圆柱齿轮参数
齿数比u=z2/z1，由传动比确定一般取≤7
齿数z
齿宽系数Φd及齿宽b
设计计算方法
闭式软齿面齿轮传动：1.先按接触强度进行设计计算→2.校核齿根弯曲疲劳强度
闭式硬齿面齿轮传动：1.先按齿根弯曲强度进行设计计算→2.校核齿面接触强度
开式齿轮传动：按齿根弯曲疲劳强度进行设计计算
斜齿圆柱齿轮受力分析
圆周力Ft
Ft的方向：在主动轮上与运动方向相反（异向） 在从动轮上与运动方向相同（同向）
径向力Fr
都是指向各自的轴心
轴向力Fa
取决于轮齿螺旋方向和齿轮回转方向
左右手法则判断主动轮轴向力方向： 左旋用左手，右旋用右手，拇指与轴线平行，其余四指沿回转方向握住轴线，拇指方向即为主动轮轴向力方向，从动轮取反向
概要
图
螺旋角β
β角越大，重合度越大，使转动平稳，但轴向力会增加，增加轴承的负载。 一般取β=8°~20°
12.蜗杆传动
蜗杆传动的特点
蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，用于传递交错轴之间的回转和动力， 蜗杆是主动件，蜗轮是从动件
优点：能得到很大的传动比、结构紧凑、传动平稳、噪声小 缺点：传动效率低；为了减磨耐磨，蜗轮齿圈常用青铜制造，成本高
圆柱蜗杆传动的主要参数
模数m和压力角α
蜗杆用角标a1、蜗轮用角标t2表示
蜗杆直径系数q和导程角γ
齿轮d1=mz1 蜗轮d1=mq 蜗轮与齿轮d1不同
d1越小（或q越小）导程角γ越大，传动效率越高
蜗轮分度圆柱螺旋角β
正确啮合条件：ma1=mt2=m αa1=αt2 γ=β（且旋向相同）
传动比i12、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2
通常蜗杆头数z1=1、2、4 z1=1时，得到最大传动比，但效率低 z1=2、4，为多头蜗杆，传递功率较大，效率提高
为了避免蜗轮轮齿发生根切：26≤z2≤80 取26是为了保证平稳传动
中心距a
与直齿轮不同 直齿轮a=m(z1+z2)/2
蜗杆传动的材料和失效形式
蜗杆传动的主要失效形式有：胶合、点蚀、磨损和齿根的弯曲疲劳 失效主要发生在蜗轮轮齿上
蜗杆材料：碳钢、合金钢、甚至铸铁（低速或人力传动） 蜗轮材料：锡青铜
圆柱蜗杆传动的受力分析
以接触点为受力分析点，使用右手定则：拇指与轴线平行，其余四指沿回转方向握住轴线，拇指方向即为蜗杆轴向力方向，蜗轮取反向。
圆周力与径向力判断与斜齿轮相似
概要
图
圆柱蜗杆传动的自锁性和热平衡计算
蜗杆导程角γ≤当量摩擦角ρ'时，蜗杆传动具有自锁性， 但效率很低η＜50% 其他条件相同，减少蜗杆头数z1，有利于实现蜗杆传动的自锁
热平衡计算
原因：由于蜗杆传动效率低、发热量大，若不及时散热，会引起箱体油温升高润滑失效，导致轮齿磨损加剧，甚至出现胶合
当不满足热平衡时采取的措施
1.箱体外增加散热片，促进散热 2.在蜗杆轴端设置风扇 3.加装蛇形冷水管
13.带传动和链传动
带传动和链传动通过中间挠性件（带或链）传递运动和动力，适用于两轴中心距较大的场合，结构简单，成本低廉
带传动
常用张紧方法是调节中心距
优缺点
优点：1.使用于中心距较大的传动 2.带具有良好的挠性，可缓和冲击、吸收振动 3.过载时带与带轮间会出现打滑，打滑虽使传动失效，但可防止损坏其他零件 4.结构简单，成本低廉
缺点：1.传动的外廓尺寸较大 2.需要张紧装置 3.由于带的滑动，不能保证固定不变的传动比 4.带的寿命较短 5.传动效率较低
带的分析
速度分析
V1(主动轮圆周速度)>V3(带速)>V2(从动轮圆周速度)
受力分析
应力分析
带的应力分布图
图
失效形式
打滑、带的疲劳破坏
弹性滑动
因为紧边和松边的拉力差造成带在从动轮边缘上产生向前的相对滑动，导致从动轮的圆周转速V2逐渐小于带速，无法避免
滑动率e
传动比
打滑现象
当外载荷所需的圆周力大于带与主动轮轮缘之间的极限摩擦力时，带与轮缘表面将产生显著的相对滑动，这一现象称为打滑
因为小带轮上包角较小，故打滑多发生在小带轮上
打滑将使带的磨损加剧，导致传动失败，应当避免
(V)带传动
设计依据
V带两侧面夹角均为40° V带轮轮槽角规定为32°34°36°38°
因为带在带轮上弯曲，截面变形会使夹角变小 为了使带能紧贴带轮槽
截面图
链传动
优点
1.没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比
2.需要的张紧力小，作用在轴上的压力也小，可减少轴承的摩擦损失
3.结构紧凑
4.能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作
5.与齿轮传动相比，其制造和安装精度要求较低，中心距大时传动结构简单
缺点
1.瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差
2.有一定的冲击和噪音
链条
链条的各零件由碳钢或合金钢组成，经过热处理提高强度和耐磨性
链条上各零件的尺寸越大所传递的功率也越大
根据链条排数不同可分为单排链和多排链
链条长度以链节数表示，链节数最好取偶数，以便链条成环时刚好为外链板与内链板相接，接头处可用开口销和弹簧夹锁紧，链节数为奇数需采用过渡链节
链传动
瞬时传动比恒定的原因：两链轮齿数z1=z2，且传动的中心距为链节的整数倍
瞬时传动比不恒定的原因：链传动的多边形效应
改善链传动的不均匀性的措施：1.选用较小的链节距 2.增加链轮齿数 3.限制链轮转速
链传动的主要参数
链轮齿数
过少运动不平稳，过大链轮直径太大
齿数越多，节圆外移量就越大，也容易发生跳齿和脱链（跳齿和脱链通常发生在大链轮上）
一般链条节数为偶数，链轮为奇数，这样磨损较均匀
链的节距p：相邻两滚子中心的距离
p=链号*25.4/16 mm
高速重载选择小节距多排链
若链传动中心距过小，则小链轮上的包角也小，同时啮合的链轮齿数也减少 若中心距过大，则易使链条抖动，包角越大中心距越大
14.轴
轴的功用和类型
支持旋转的机械零件和传递转矩
转轴：既传递转矩又承受弯矩
传动轴：只传递转矩而不承受弯矩
心轴：只承受弯矩而不传递转矩
轴的材料
碳钢、合金钢
采用合金钢或通过热处理不能提高轴的刚度
提高轴刚度的方法：1.增大轴径 2.减少跨距
对轴采用热处理：可提高轴的强度，特别是疲劳强度
合金钢对应力集中较敏感，设计合金钢轴时应从结构上避免或减小应力集中， 并减小表面粗糙度
轴的结构设计（改错题）
设计要求
轴应便于加工，轴上零件要易于拆装（制造安装要求）
阶梯轴
轴端及各轴段端部应有倒角
磨削轴段应有砂轮越程槽
轴和轴上的零件要有准确的工作位置（定位）
阶梯轴上尺寸变化处称为轴肩
各零件要牢固可靠的相对固定（固定）
轴向固定：轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈
装零件的轴段长度应比零件轮毂短2~3mm
周（和轴）向固定：键，键槽应在同一直线
改善受力状况，减小应力集中和提高疲劳强度
图
15.滑动轴承
轴承功能
支撑轴及轴上的零件，保持轴的旋转精确
为了减少轴承与支撑间的摩擦和磨损
摩擦状态
干摩擦
当两摩擦表面间无任何润滑剂或保护膜时，即出现固体表面间直接接触摩擦
边界摩擦
两摩擦表面有润滑油存在，因润滑油中的极性分子与金属表面的吸附作用形成极薄的边界油膜，但油膜不足以将两金属表面分开（微观高峰部分仍互相挫削）这种状态为边界摩擦
液体摩擦
两摩擦表面有充足的润滑油存在，形成几十微米的压力油膜，它能将相对运动的两表面分开，此时只存在液体之间的摩擦，称为液体摩擦
理想状态
一般情况为两种都有的混合摩擦状态（非液体摩擦）
滑动轴承的结构形式
按承受载荷的方向
向心滑动轴承（径向滑动轴承）——主要承受径向载荷
推力滑动轴承——承受轴向载荷
轴瓦及轴承衬材料
轴瓦性能要求
摩擦系数小
导热性好，热膨胀系数小
耐磨、耐蚀、抗胶合能力强
有足够的机械强度和可塑性
轴承合金（白合金、巴氏合金）
锡锑轴承合金
优点：摩擦系数小，抗胶合性能良好，对油的吸附性强，耐蚀性好，易跑合
缺点：价格高，机械强度较差
一般用于高速重载
铅锑合金
优点：各方面性能与锡锑轴承合金相似
缺点：材料较脆，不宜承受较大的冲击载荷
一般用于中速中载
青铜
优点：强度高，承载能力大，耐磨性和导热性都优于轴承合金
缺点：可塑性差，不易跑合，与之相配的轴颈必须淬硬
种类
锡青铜
中速重载
铅青铜
中速中载
铝青铜
低速重载
润滑剂
目的：降低摩擦功耗，减少磨损，同时有冷却、吸振、防锈的作用
分类
润滑油——液体润滑剂
1.粘度随着温度的升高而降低（温度越高越稀） 2.粘度随着压力的升高而增大（压力越高越稠），但压力＜10MPa忽略不计
载荷大温度高的轴承选粘度大的润滑油
载荷小速度高的选粘度小的润滑油
润滑脂——半固体润滑剂
密封简单、不流失，受温度影响不大 但摩擦损耗大、机械效率低，容易变质
适用低速、有冲击或有垂直摩擦表面的机器
钙基润滑脂，使用最多，有耐水性、应用于60℃以下各种机械设备中的轴承润滑
固体润滑剂
向心轴承非液体滑动摩擦参数
轴承压强p
限制p以保证润滑油不被过大压力挤出，避免轴瓦过度磨损
轴承pv值
与摩擦功率损耗成正比，表征轴承的发热因素 pv值越高，轴承温升越高，容易引起边界油膜的破裂
轴承速度v
防止因v过大而出现早期磨损
动压油膜存在的必要条件
两工作表面必须具有楔形间隙
两工作表面间必须连续充满润滑油或其他粘性流体
两工作表面间必须有相对滑动速度， 其运动方向必须保证润滑油从大截面流入，小截面流出
16.滚动轴承
由外圈、滚动体、内圈、保持架组成
优缺点
优点：摩擦阻力小、启动灵敏、效率高 润滑简便和易于互换
缺点：抗冲击能力较差，高速时出现噪声，工作寿命短
支点轴向固定的结构形式
1.两端单向固定 2.一端固定 3.一端游动 4.两端游动
预紧的目的
提高刚度和旋转精度
类型和性能特点
代号
失效形式
疲劳破坏
疲劳点蚀是滚动轴承和齿轮的主要失效形式
永久变形
早期磨损、胶合、内外圈和保持架破损
轴承寿命计算
可靠度R
一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分率
基本额定寿命L（百万转）或Lh（小时）
90%的轴承在发生疲劳点蚀前能达到或超过的寿命
基本额定动载荷C
当一套轴承进入运转并且基本额定寿命为一百万转时所能承受的载荷
当量动载荷P
温度系数ft（100℃取1）
载荷系数fp（无冲击或轻微冲击取1.0~1.2）
17.联轴器和离合器
作用
联轴器和离合器主要用于轴与轴之间的连接，一起回转并传递扭矩 联轴器连接的两根轴，只有机器停车才能分离 离合器连接的两根轴，在工作中就能实现分离
联轴器的分类
刚性联轴器，由刚性传力组件组成
固定式联轴器，不能补偿两轴相对位移
凸缘联轴器较常用
由两个具有凸缘和毂的半联轴器所组成
半联轴器的材料通常为铸铁 铸钢和锻钢（重载或圆周速度v≥30m/s）
结构简单、使用方便，可传递较大转矩 不能缓冲减震 适用：载荷低、转速平稳
可移式刚性联轴器，能补偿两轴相对位移
齿式联轴器
优点：大转矩，可补偿适量的综合位移 缺点：灵活性低，结构笨重、造价高
适用于低速重载（重型机械常用）
滑块联轴器
平行对心的两轴
只适用于低速（≤300r/min）
万向联轴器
单个万向联轴器会导致主从动轴的瞬时角速度不等 即当主动轴以等角速度回转时，从动轴作变角速度转动 从而引起动载荷，故成对使用
补偿位移的能力最强，用于交错或平行的两轴
使主从动轴角速度相等的条件
主动轴、从动轴与中间件C的夹角必须相等α1=α2
中间件两端的叉面必须位于同一平面内
弹性联轴器，包含弹性元件，能够补偿两轴的相对位移，并具有吸收振动和冲击的能力
弹性套柱销联轴器
适用于高速轴，缺点是易磨损，寿命短
弹性柱销联轴器
能补偿较大的轴向位移
梅花形弹性联轴器
弹性活块联轴器
轮胎式联轴器
离合器
牙嵌离合器
优点：结构简单，外廓尺寸小，能传递较大转矩
缺点：只宜在两轴不回转或转速差很小时进行结合， 否则牙齿可能因撞击而折断
结合最不平稳
圆盘摩擦离合器
靠工作面的摩擦来传递扭矩，分为单片式和多片式两种
优点
1.在任何不同转速条件下两轴都能接合
2.过载时摩擦面将发生打滑，可防止损坏其他零件
3.接合平稳，冲击振动较小
制动器
用来降低机械运转速度或迫使机械停止运转的装置
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2021复试
机器和机构的区别