机械学基础

阐述了与通用机械零部件设计相关力学基本知识和概念、机械工程常用材料的性能及热处理方法、公差与技术配合的基本概念、机械零部件的结构工艺性等内容。同时本书还阐述了通用机构及通用机械零部件的工作原理与设计理论，内容包括：机构的组成原理及平面杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇机构、带传动与链传动、轴承、轴及联轴器等。

机械学基础

绪论

初识机械（以单缸四冲程内燃机为例）

主要构成---气缸体（机架），活塞，进气阀，排气阀，连杆，曲轴，凸轮，气门挺杆，小齿轮，大齿轮

工作构成---进气，压缩，点火，排气

机械与机械原理

构件与零件

构件---独立的运动单元体---机械学课程研究的对象

零件---加工制造的单元体---机械设计课程研究的内容

机械---机器与机构的总称

机器

由许多构件组成

构件间有确定的相对运动

做有用的机械功或转化机械能

机构

由许多构件组成

构件间有确定的相对运动

能实现多种运动形式的变换--

机器与机构的区别与联系

机器的研究重点是功能问题；机构的研究重点是运动问题

机器与机构在具体问题中实际上是一种事物

多数机器都包含若干个不同的机构

内燃机的机构组成

曲柄滑块机构---实现移动与转动之间的运动变换

凸轮机构---启闭进气阀，排气阀

齿轮机构---保证进气阀，排气阀和活塞之间的协调动作

机械设计的一般过程

初期规划设计阶段

选题

调研预测

可行性论证

确定设计任务

总体方案设计阶段

目标分析

创新构思

方案拟定

方案评价

方案决策

结构技术设计阶段

结构设计

尺寸设计

图纸绘制

生产施工设计阶段

工艺设计

工装设计

施工设计

机构的组成原理

基本概念

平面机构

构件

原动件

从动件

固定件（机架）

运动副---直接接触且具有相对运动

运动副元素

低副--高副

转动副--移动副--凸轮副--齿轮副

平面运动副--空间运动副

运动链

平面运动链--空间运动链

闭链（组成运动链的每个构件至少包含两个运动副元素）--开链（有的只包含一个）

机构

运动链成为机构的条件

运动链中出现一个称之为机架的固定结构

具有一个或少数几个做独立运动的构件--主动件

从动件的运动规律应完全确定

低副机构--高副机构

平面机构--空间机构

平面机构中的运动副一定是平面运动副，但只含有平面运动副的机构也可能是空间机构

机构运动简图

定义

作用

反应机构的结构原理

反应各个构件的运动情况

作为机构运动分析和力分析的依据

表达与运动有关的因素--尺寸，运动类型

画法

绘制步骤

分析机构运动，弄清构件数目

判定运动副的类型和数目---按接触情况和相对运动

表达运动副和构件---选视图，选比例，选位置

标注---构件编号，运动副字母，原动件箭头

注意问题

忽略构件外形，关注运动副关系

视图平面一般选择为构件的运动平面

同一构件上的不同零件尽可能用同一数码标注

平面机构自由度

构件的自由度

运动副的约束特点

平面机构的自由度计算

机构具有确定运动的条件

计算机构自由度时应注意的问题

局部自由度

凸轮机构中滚子引入的局部自由度

复合铰链---两个以上构件在同一处以转动副相连

虚约束---改善构件的受力，增加构件的刚度，提高运动的可靠性

平面机构的组成原理和结构分析

机构的组成原理

基本杆组---最简单的，不能再拆的，自由度为0的构件组

机构=机架+主动件+从动件组

对于一个运动链来说，若选取不同构件作机架或选取不同构件作主动件，会得到不同类型甚至是不同级别的机构

基本杆组的级别

二级杆组---RRR---RRP---RPR---PRP---RPP

三级杆组

四级杆组

机构的结构分析

任务

步骤

机架变换与主动件的选择

平面机构长的高副低代

条件

代替前后机构的自由度必须完全相同

代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度必须完全形同

方法

空间机构的自由度

计算公式

空间运动副

球副---三个约束

球销副---四个约束

圆柱副---四个约束

螺旋副---五个约束

平面运动副的约束

平面低副---五个约束

平面高副---四个约束

平面机构运动分析

机构运动分析的目的与方法

方法

图解法（速度瞬心法，矢量方程图解法）

解析法---基本杆组分析法

速度瞬心及其在机构速度分析中的应用

速度瞬心---作相对运动两构件的瞬时等速重合点

绝对瞬心---两构件之一静止

相对瞬心---两构件均运动

瞬心数目

瞬心求法

以运动副相连接的两构件的瞬心求法

不以运动副相连接的两构件的瞬心求法

三心定理--作平面运动的三个构件共有三个瞬心，它们位于同一直线上

速度瞬心法在机构速度分析中的应用

矢量方程图解法

解析法

封闭矢量多边形投影法

矩阵法

复数矢量法

杆组法

力分析

机构力分析的目的和方法

作用在机械上的力

驱动力

阻力

有效阻力

有害阻力

重力

惯性力

运动副反力

法向反力

切向反力

目的

方法---动态静力分析（图解法，解析法）

机构动态静力分析的基本原理

平面机构运动副反力的未知要素

杆组的静定条件

机构动态静力分析的步骤

摩擦力分析

机械效率与机组效率

机械的自锁---自锁是由于驱动构件运动的外力本身所产生的摩擦力约束了相对运动

平面连杆机构及其设计

平面连杆机构的特点及应用

连杆机构---全部构件都以低副连接而成的机构

平面连杆机构的特点

优点

能实现多种形式的运动变换

连续转动---往复摆动

连续转动---往复移动

连续转动---连续转动

低副（面接触）连接承载能力强，易加工

运动副保证构件接触，不需外力锁合，工作可靠，寿命长

缺点

连杆机构平衡困难，尤其对于高速运转的机构

运动传递路线较长，易产生累积误差

四杆机构的运动变换功能和性能指标

铰链四杆机构

机架--连架杆--连杆

曲柄--摇杆---是否能绕固定轴线整周转

曲柄存在条件

最短杆和最长杆的长度和应小于或等于其余两杆的长度和---杆长条件

连架杆与机架之中必有一个是最短杆

铰链四杆机构的判断方法

满足杆长条件时

最短杆为连架杆---曲柄摇杆机构

最短杆为机架---双曲柄机构

最短杆为连杆---双摇杆机构

不满足杆长条件---双摇杆机构

急会特性问题

原动件匀速回转，从动件往复运动速度不同的性质

曲柄摇杆机构才存在的急会特性

机构极位---曲柄与连杆两次共线时的位置

摆角---从动件摇杆两极限位置的夹角

极位夹角---原动件曲柄在极位夹角时所夹的锐角

表现---往复经过相同的夹角但所用时间不同

急回系数K

已知急回系数的曲柄摇杆机构的设计

压力角---从动件上所受驱动力方向与与力的作用点速度方向的夹角

传动角---连杆和从动件之间的夹角

死点---压力角为90或传动角为0的位置---对于铰链四杆机构，死点是连杆与从动件共线的位置

曲柄滑块机构

对心曲柄滑块机构

偏置曲柄滑块机构

定块机构

摆块机构

导杆机构

摆动导杆机构

回转导杆机构(a>b)---匀速转动转化为变速转动

几种其他类型的四杆机构

多杆机构

对心曲柄滑块机构+回转导杆机构---要求机构有较大行程的往复移动时，且有显著的急会特性

增力机构---要求机构能克服很大的工艺阻力

间歇机构---要求机构行程的某一位置有一间歇段

连杆机构设计概论

凸轮

凸轮机构的特点及类型

按凸轮形状

盘形凸轮

移动凸轮

圆柱形凸轮

按从动件形式

尖顶

平底

滚子

按保持接触

力锁合

几何锁合

凸轮机构的运动形式和从动件运动规律

凸轮机构的运动形式

运动关系描述(两端休止运动形式)

·最低点到最高点---推程

在最高点停留---远休止

最高点到最低点---回程

在最低点停留---近休止

基本术语

基圆---以理论廓线的最小向径r0为半径的圆

对滚子从动件而言

理论廓线---滚子中心的运动轨迹

基圆---理论廓线的最小向径为半径的圆

偏距e

偏距圆---以凸轮转动轴为圆心，e为半径的圆

行程h

推程/推程运动角δ0

远休止/远休止角δs

回程/回程运动角δ0'

近休止/近休止运动角δs’

从动件位移s

从动件位移线图

从动件运动形式

两端休止运动形式

一端休止运动形式

两端无休止运动形式

从动件的运动规律（位移，速度，加速度）（两端休止--推程）

凸轮轮廓曲线设计

图解法

偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制

偏置直动滚子从动件盘形凸轮

直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制

摆动从动件

解析法

平面回转变换矩阵

凸轮机构设计中的几个基本问题

直动平底从动件平底长度b的确定

凸轮机构的压力角和自锁---尖顶从动件/滚子从动件

偏心距e的确定---减小推程压力角

遵循“顺左逆右”的原则---凸轮顺时针旋转，从动件在左；凸轮逆时针旋转，从动件在右

滚子从动件滚子半径rT的确定

滚子从动件rT应小于凸轮理论廓线最小曲率半径ρmin

工程上一般取rT<0.8ρmin

基圆半径r0的确定--与压力角有关

保证最大压力角不超过许用值的前提下尽可能取小值，使得凸轮机构结构紧凑

齿轮（定传动比）

齿轮机构的应用和分类

优点

传递空间任意两轴的运动和动力

能够实现定传动比传动

传动效率高，传动比准确

缺点

制造和安装精度要求高，成本高

不适于中心距较大的传动

分类

平面齿轮机构

直齿圆柱齿轮

齿轮与齿条

平行轴斜齿轮

人字齿轮

空间齿轮机构

圆锥齿轮---直齿，曲齿，斜齿

交错轴斜齿轮

蜗轮蜗杆传动

齿廓曲线

渐开线

圆弧

摆线

齿廓啮合基本定律

齿廓的形状决定了节点的位置，节点的位置决定了其瞬时传动比

啮合定律---两齿廓接触点的公法线必通过由传动比决定的节点位置P

实现定传动比的条件---节点P必是连心线上一固定节点

渐开线直齿圆柱齿轮

渐开线的形成与渐开线方程

渐开线的形成

当一直线在一圆周上作纯滚动时，该直线上任一点的轨迹称为该圆的渐开线

渐开线方程

渐开线在基圆上压力角为0，离基圆越远，压力角越大

渐开线的性质

渐开线齿轮尺寸参数

齿轮各部分名称

齿顶圆半径ra

齿根圆半径rf

齿宽B

任意圆半径rk

任意圆齿槽宽uk

任意圆齿厚sk

任意圆齿距pk=uk+sk

全齿高h=ra-rf

渐开线齿轮的标准参数和标准齿轮

压力角标准

我国现行标准---取α=20附近的一段渐开线作为齿轮的齿廓

标准压力角---α=20

分度圆---过α=20的点作的圆，分度圆上的尺寸是齿轮的基本参数

分度圆半径---r=rb/cosα

模数标准

分度圆周长l=zp=πd

d=z（齿数）m

p（齿距）=πm

模数m是表示齿轮大小的标准，齿轮的很多参数与模数有关

齿高及顶隙标准

齿顶高ha=ha*m（ha*---齿顶高系数ha*=1）

齿根高hf=（ha*+c*）m（c*---顶隙系数c*=0.25）

全齿高h=ha+hf=2.25m

标准齿轮

按标准参数设计，且分度圆上齿厚与齿槽宽相等的齿轮称为标准齿轮

标准齿条

压力角处处相等且等于齿形角

齿距处处相等---p=πm

内齿轮---内齿轮的齿顶圆小于齿根圆，齿顶圆应大于基圆

渐开线齿轮的啮合传动

渐开线齿廓满足齿廓啮合基本定律

渐开线---用于啮合传动

过度曲线---减小齿根部的应力集中

渐开线齿廓传动的特点

啮合线为直线，啮合角不变

啮合线（理论啮合线/实际啮合线）/啮合角

正压力方向和位置不变

中心距改变时传动比不变（渐开线啮合的可分性）

中心距变大，节圆半径变大，啮合角变大，但传动比不变

渐开线齿廓间的滑动

齿面间润滑不充分的条件下，齿面滑动导致磨损，滑动弧长较小的齿面所受的磨损比滑动弧长较大的齿面剧烈

一对渐开线齿轮啮合传动应满足的条件

正确啮合条件

相邻两齿同侧齿廓的法向齿距相等

即模数和压力角分别相等

连续传动条件

实际啮合线长度大于或等于基圆齿距

即重合度ε=B1B2/Pb>=1

重合度的意义---表明同时参与啮合的轮齿对数的平均值

间隙条件

无间隙条件

顶隙条件

保证顶隙值为标准值c=c*m

齿轮与齿条啮合传动

特点

节圆就是分度圆

啮合角等于压力角

当齿条位置向下平移一段距离时，P点位置不变，啮合角α'不变，传动比不变

渐开线齿轮的切制及变位原理

齿轮轮齿的切制方法

仿形法

铣齿法

拉齿法

冲齿法

范成法

齿轮插刀

齿条插刀

齿轮滚刀

用标准齿条形刀具切制渐开线齿廓

被切齿轮分度圆上的齿距与齿条刀具的齿距相等，亦即被切齿轮的模数等于齿条刀具的模数

被切齿轮的z取决于刀具与轮坯的相对运动

被切齿轮分度圆上的齿厚取决于刀具与轮坯的相对位置（被切齿轮分度圆上的齿厚等于刀具削切节线上的齿槽宽）

齿轮切制中产生根切的原因及避免根切的方法

根切---范成法加工齿轮时，刀具的顶部将齿廓根部的渐开线切去一部分的现象

产生根切的原因---如果刀具的齿顶线超过了啮合线与轮坯基圆的切点N1，则被切齿轮的齿廓必将发生根切

根切的后果

削弱轮齿的抗弯强度

使重合度ε下降

不根切的条件---刀具的齿顶线不超过极限啮合点N1

标准齿轮不根切的最小齿数zmin=17

变位齿轮的根切

渐开线直齿圆柱齿轮设计

变位齿轮的用途

标准齿轮的局限性

齿数不能少于最少齿数zmin=17

不适用于中心距不等于标准中心距的场合

一对啮合齿轮中，小齿轮的强度较低

变位齿轮的优点

可提高轮齿的强度和承载能力（正变位齿轮）

配凑安装中心距（a'>a正变位，a'<a负变位）

可以避免根切（z<17,正变位）

改善齿面滑动状况（大齿轮--负变位，小齿轮--正变位）

齿轮传动的类型及应用

正传动

零传动

标准齿轮传动

变位零传动

负传动

变位齿轮尺寸参数计算

任意圆齿厚计算

无侧隙啮合方程式

齿轮各部分尺寸计算

变为齿轮设计步骤

其他类型齿轮传动

平行轴斜齿圆柱齿轮

齿廓形成及啮合特点

斜齿

任意端面上的截线为渐开线

在基圆柱的切平面内其截线为直线

大于基圆柱的圆柱面内其截线为螺旋线

啮合特点

渐进啮合---点-->短线-->长线-->短线-->点

冲击和振动小，传动平稳，噪音小

重合度大

尺寸参数计算

啮合条件及参数选择

蜗杆传动

特点

传动比大，一般10~50，也可达500以上

可以自锁

结构紧凑，传动平稳

效率低

蜗杆有左旋和右旋之分，常用右旋蜗杆

圆锥齿轮啮合传动

用于传递两相交轴之间的运动和动力

其他齿廓齿轮传动简介

轮系

轮系的组成及其分类

定轴轮系---轮系转动时各齿轮轴线都固定不动

周转轮系---至少有一个行星轮的轮系

行星轮---轮系转动时，既能自转，又能公转的齿轮

为了平衡惯性力，提高承载能力，一般采用两个以上的行星轮

带动行星轮转动的构件称为系杆（行星架，转臂）

轴线固定且与行星轮相啮合的齿轮叫中心轮

组成

一个系杆

一个或几个行星轮

一个或几个中心轮

分类

按自由度

行星轮系---自由度为1

差动轮系---自由度为2

按中心轮个数分

2K-H型周转轮系

3K型周转轮系

复合轮系---由定轴轮系部分和周转轮系部分组成的轮系或由几个周转轮系部分组成的轮系

由两个周转轮系组成的复合轮系的关键---有两个系杆

定轴轮系的传动比

外啮合i12=ω1/ω2=-z2/z1

内啮合i12=ω1/ω2=+z2/z1

圆锥齿轮/蜗轮蜗杆i12=z2/z1（只表示大小，不表示方向）

计算

轮系中各轮轴线均互相平行的情况

轮系中包含圆锥齿轮或蜗轮蜗杆，但首末两轮的轴线平行

轮系中包含圆锥齿轮或蜗轮蜗杆，并且首末两端轴线不平行

轮系中出现圆锥齿轮或蜗轮蜗杆时，传动比计算公式中一定不能出现（-1）^m,尤其对第2种情况

惰轮/过轮/中介轮---轮系中只改变轮系传动比方向，不改变传动比大小的齿轮

周转轮系的传动比

假设将整个周转轮系加上一个公共角速度“-ωH”

复合轮系的传动比

步骤

确定单一周转轮系---行星轮--转臂--中心轮

确定定轴轮系

分别列方程并联立求解

汽车差速器

轮系的应用

实现分路传动

获得较大的传动比

用于距离较大的两轴间传动

用于变速装置或换向装置

用于运动的分解与合成

行星轮系的设计

传动比条件

同心条件

装配条件

邻接条件

其他齿廓齿轮传动简介

渐开线少齿差行星传动

谐波齿轮传动