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机械设计基础B(2)
机械设计基础B下学期知识体系总结，与机械设计基础思维导图互相配合，助力奋斗学子取得理想成绩！
编辑于2020-12-29 15:18:53
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机械设计基础B(2)
第九章 机械零件设计概论
机械零件设计概述
机械零件的失效形式
注意点
失效不等于损坏
常见的失效形式
整体断裂
过大残余变形
零件的表面破坏
破坏正常工作条件引起的失效
机械零件的设计准则
强度准则
刚度准则
寿命准则
振动稳定性准则
可靠性准则
耐磨性准则
机械零件的强度
相关概念
强度指零件在载荷作用下抵抗破坏的能力
载荷和应力
载荷
分类
一种分类
静载荷
动载荷
另一种分类
名义载荷
计算载荷
应力
分类
静应力
由静载荷产生
变应力
由静载荷或变载荷产生
类型
稳定变应力
对称循环变应力
非对称循环变应力
脉动循环变应力
稳定性变应力的描述
非稳定变应力
规律性非稳定变应力
随机变应力
机械零件的疲劳强度
对待不同材料的区别
塑性材料取屈服极限作为极限应力
脆性材料取强度极限作为极限应力
疲劳失效的机理
疲劳曲线与循环次数关系图
影响零件疲劳强度的主要因素
应力集中
绝对尺寸
表面质量
综合影响系数
安全系数S
S越大，零件尺寸越大，零件越笨重
注意：S可不是面积
机械零件的接触强度
接触应力
概念
当零件以点、线相接触时，产生的局部应力
计算
用赫兹公式
失效形式
载荷为静载荷时，失效形式为塑性变形和压碎
载荷为变载荷时，失效形式为疲劳点蚀
机械零件材料的选用
常用材料
选用原则
机械零件的标准化
摩擦、磨损和润滑
磨损
第十章 联接
第一节 螺纹
螺纹的类型与主要参数
主要参数
大径、小径、中径、线数、螺距、导程、牙型角、牙侧角、螺纹升角
注意表示符号和大小中径的符号区别
螺纹的类型、特点和应用
螺旋副的受力分析、效率和自锁
矩形螺纹
拧紧螺母和放松螺母的推导例子
非矩形螺纹
推导例子与当量摩擦角/因数的引入
第二节 螺纹联接的类型和螺纹联接件
螺纹联接的四种基本类型
螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接、紧定螺钉联接的适用情况
螺纹紧固件
螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母、垫圈等
分清楚简略示意图之间的差别
第三节 螺纹联接的预紧和防松
螺纹联接的预紧
预紧力、紧联接/松联接的概念
预紧的目的
拧紧力矩的公式
控制拧紧力矩的三个办法
测力矩扳手、定力矩扳手、测定螺栓伸长量
螺纹联接的防松
防松的根本问题在于防止螺纹副的相对转动
防松的办法（按照工作原理的不同）
摩擦防松
弹簧垫片
对顶螺母
自锁螺母
机械防松
开口销和槽形螺母
止动垫片
圆螺母和带翅垫片
串联钢丝
永久防松
冲点法
粘结法
焊接法
第四节 单个螺栓联接的强度计算
在外载荷作用下的失效形式
普通螺栓
螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断
铰制孔用螺栓
螺栓和被联接件孔壁接触面被压溃或螺栓杆被剪断
松螺栓联接
紧螺栓联接
承受横向工作载荷
普通螺栓联接
铰制孔用螺栓联接
承受轴向工作载荷
强度条件/疲劳强度条件
注意公式中F的不同
第五节 螺栓组联接的设计计算
结构设计
受力分析
承受横向载荷
承受转矩
承受轴向载荷
承受翻转力矩
概要
普通螺栓联接
铰制孔用螺栓联接
强度计算
第六节 螺纹联接件的材料及许用应力
性能等级与抗拉/屈服强度极限值的换算
螺纹联接的三个许用应力
第七节 提高螺纹联接强度的措施
降低影响螺栓疲劳强度的应力幅
改善螺纹牙上载荷分布不均的现象
减小应力集中的影响
避免附加弯曲应力
采用合理的制造工艺
第八节 键联接和花键联接
键连接的功能与类型
功能
主要用来实现轴和轴上零件之间的周向固定以传递运动和转矩，有些键还可以实现轴上零件的轴向固定或轴向导向移动
类型
平键联接
普通平键联接
特点
用于静联接，即轴与轮毂之间无轴向相对运动的联接
分类（按构造）
圆头平键
平头平键
半圆头平键
强度不够的时候
采用两个普通平键，相隔180°布置
导向平键联接
滑键联接
异同点
异
零件移动距离不大的用导向平键，距离大的用滑键
同
都可以用于动联接，即轴与轮毂之间有轴向相对运动的联接
平键联接优缺点
优点
结构简单、装拆方便、对中性好、应用广泛
缺点
不能承受轴向力，对轴上零件不能起到轴向固定作用
注意点
工作面所在位置（记住图示，上面留缝隙、两侧工作面）
半圆键联接
特点及应用场合
键在其键槽中能绕其几何中心摆动，以适应轮毂中键槽的斜度
常用于锥形轴端与轮毂的联接
缺点
轴上键槽较深，键槽对轴的削弱较大，一般只用于轻载联接
强度不够时
采用两个半圆键时，一般布置在轴的同一母线上
相同点
工作面均是两侧面，都具有定心较好的优点
楔键连接
分类
普通楔键
圆头
平头
半圆头
钩头楔键
特点
上下两面是工作面，键的上表面和与它相配合的轮毂键槽底面均有1：100的斜度
工作时依靠键的楔紧作用传递转矩，同时还可以承受单向的轴向载荷
楔紧时破坏了轴与轮毂的对中性，使轴和轮毂产生偏心，加之依靠摩擦传力，不宜用于对中要求严格或者高速、精密的配合
强度不够时
两个楔键呈90°~120°放置
切向键联接
特点
由一对斜度为1：100的楔键组成，两个楔键沿着斜面拼合后互相平行的两个窄面是工作面
装配时，把一对楔键分别从轮毂的两端打入，其中一个的工作面通过轴心线的平面，使工作面上的压力沿着轴的切线方向作用，能传递很大的转矩
工作时，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂之间的摩擦力来传递转矩
采用一个切向键时只能传递单向转矩，当传递双向转矩时需采用两个切向键，两个切向键应呈120°到130°布置（为了不至于严重削弱轴和轮毂之间的强度）
键的选择
尺寸选择
bxhxL（键宽、键高、键长）
类型选择
需要传递转矩的大小
联接于轴上的零件是否需要沿着轴向滑动及滑动距离的长短
联接的对中性要求
键是否需要具有轴向固定作用
键在轴上的位置（在轴的中部还是端部）
平键联接的强度校核
主要失效形式
键、轴与轮毂上的键槽三者中最薄弱零件的工作面被压溃（静联接）或磨损（动联接）
除非有严重过载，一般不会出现键的剪断
普通平键联接通常只按工作面上的挤压强度进行校核计算
导向键为动联接，其主要的失效形式为工作面的过度磨损，通常只按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算
计算注意点
若强度不够采用双键时，考虑到载荷分布的不均匀性，在强度校核中可采用1.5个键计算
花键联接
组成
由具有周向均匀分布的多个键齿的花键轴和具有相同数目键槽的轮毂组成
优点
可以承受较大的载荷、各齿受力均匀、齿根处应力集中较小、轴上零件对中性好、导向性好
缺点
齿根处仍有应力集中，加工时需用专用设备
注意点
花键已经实现标准化
应用场合
可以用于静联接和动联接，适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接
分类（按照齿形的不同）
矩形花键
定心方式为小径定心
渐开线花键
由齿形自动定心
第九节 销联接
分类（根据用途）
定位销（主要用来固定零件之间的相对位置）
联接销（当载荷不大时也可以用作传递载荷的联接）
安全销（作为安全装置中的过载剪断元件）
分类（根据形式）
圆柱销
利用微量过盈固定在销孔中，适宜于不经常装拆处
圆锥销
1：50的锥度，装拆方便，多次装拆副作用小
特殊形式
大端有内螺纹或者外螺纹的，用于不通孔
开尾圆锥销，防止松脱，用于振动冲击场合
小端外螺纹可以螺母锁紧的，适用于有冲击的场合
开口销
各种类型的销都是标准件
第十一章 齿轮传动
第一节 概述
齿轮传动的分类
按齿轮类型分类
直齿圆柱齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
人字齿轮传动
锥齿轮传动
按工作条件分类
闭式传动
齿轮封闭在箱体中
开式传动
齿轮完全暴露或者只有简单的防护罩
半开式传动
有油池、防护罩的齿轮传动
按使用情况分类
动力齿轮
以传输动力为主，承载能力是设计的主要问题
传动齿轮
以传递运动为主，精度是设计的主要问题
按齿面硬度分类
软齿面齿轮
齿面硬度小于等于350HBW或者38HRC
硬齿面齿轮
齿面硬度大于350HBW或者38HRC
对齿轮传动的基本要求
传动平稳
承载能力强
第二节 齿轮传动的主要失效形式及其设计准则
齿轮传动的主要失效形式
轮齿折断
概念
是指受载齿轮的一个或多个轮齿的整体或局部的断裂，一般发生在齿根部分
形式及原因
疲劳折断
过载折断
提高抗断齿能力的主要措施
增大齿根过渡圆角半径，消除刀痕以减小应力集中
增大轴及支承的刚度，使轮齿受载均匀
在齿根处进行强化处理，如喷丸请安、滚压等
选用韧性好的材料，如低碳钢或低碳合金钢
采用正变位齿轮，以增大齿根厚度
齿面损伤
齿面疲劳点蚀（润滑良好的闭式软齿面齿轮传动）
形成原因
发生部位
首先出现在节线附近的齿根面上
危害
损伤渐开线齿面，引起振动，增大噪声，降低传动平稳性
提高抗疲劳点蚀能力的措施
提高齿面硬度，降低表面粗糙度值
选用较高粘度的润滑油
采用正传动，增大综合曲率半径，减小齿面接触应力
齿面磨损（开式齿轮传动）
形成原因
研磨磨损
磨粒磨损
危害
渐开线齿廓失真，齿形破坏，传动比不再等于常数，运动精度降低，齿侧间隙增大，引起振动冲击，增大噪声，轮齿变薄，易发生轮齿折断
减轻齿面磨损的措施
改开式传动为闭式传动
提高齿面硬度，降低表面粗糙度值
注意润滑油的清洁，定时更换
齿面胶合/粘着磨损（高速重载的闭式齿轮传动）
形成原因
主要发生部位
齿顶、齿根等滑动速度较大的部位
提高抗胶合能力的措施
提高齿面硬度，降低表面粗糙度值
低速传动中用粘度较大的润滑油，高、中速及重载低速传动中采用极压润滑油
采用变位齿轮，减小滑动系数
适当减小模数，降低齿高，减小滑动系数
减小滑动系数
塑性变形
形成原因
特点
在主动轮上形成凹槽，在从动轮上形成凸脊
避免齿面塑性变形的措施
提高齿面硬度
采用粘度较大的润滑剂
齿轮传动的设计准则
准则
齿根弯曲疲劳强度
齿面接触疲劳强度
实例
高速重载齿轮传动
+齿面抗胶合能力
闭式软齿面齿轮传动
先接触疲劳强度，后弯曲疲劳强度
闭式硬齿面齿轮传动
先弯曲疲劳强度，后接触疲劳强度
开式齿轮传动
主要失效形式是磨损、断齿，一般不会出现点蚀
按照齿根弯曲疲劳强度设计，将计算出的模数m增大百分之10到百分之20，以考虑磨损后轮齿减薄的影响
第三节 齿轮的材料及其选择
对齿轮材料性能的要求
齿面硬，齿芯韧
常用齿轮材料和热处理
钢
锻钢（轧制钢材）
力学性能更好，是首选的齿轮材料
软齿面齿轮
应用场合
通常用于对结构尺寸、强度、速度、精度要求不高的齿轮传动
常用材料
主要有中碳钢或中碳合金钢
45、50、40Cr、40MnB、42SiMn、38SiMnMo等
热处理方法
一般是调质或正火（常化）处理
注意点
小齿轮的硬度高于大齿轮30~50HBW（一对齿轮啮合时，小齿轮的啮合次数多于大齿轮，所以小齿轮容易失效，为了使大小齿轮寿命接近相等）
硬齿面齿轮
应用场合
用于高速、重载、要求结构尺寸紧凑的齿轮传动
特点
齿面硬度一般为40~62HRC，强度和精度较高
加工方法
常用的齿面硬化处理方法
整体淬火、表面淬火、渗碳淬火、渗氮、碳氮共渗等
铸钢
特点及应用场合
力学性能较好，但应进行退火和正火处理，必要时可进行调质，多用于结构尺寸较大的齿轮d大于等于400~500mm，如ZG340-640，ZG310-570等
铸铁
灰铸铁较脆，其抗弯、抗拉强度较低，抗冲击性和耐磨性较差，但其抗胶合及抗点蚀能力较强，易加工，灰铸铁中的石墨起自润滑作用，因此对于开式传动、低速、轻载且平稳等次要场合，常采用HT300、HT350、QT550-5、QT600-3等
球墨铸铁的抗冲击等力学性能比灰铸铁要高得多
有色金属如铜合金、铝合金在特殊要求情况下也可以作为齿轮材料
非金属材料
对于高速、轻载、精度要求不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料如夹布胶木、尼龙等制作小齿轮
由于非金属材料的耐热性和导热性都较差，大齿轮仍采用钢或铸铁制作，以利于散热
为了使大齿轮具有足够的抗磨损和抗点蚀能力，齿面硬度应为250~350HBW
第四节 直齿圆柱齿轮传动的强度计算（齿轮传动传递的转矩公式）
轮齿上的作用力
直齿圆柱齿轮受力分析
注意点：圆周力Ft在主动轮齿和从动轮齿的不同
计算载荷
载荷系数的引入及其公式
注意点
应将齿轮布置在距离转矩输入较远的一端
（当轴承相对于齿轮非对称布置时，轴的弯曲变形引起轴上齿轮的轴向偏斜，载荷沿齿宽接触线方向分布不均匀，称为偏载）
（轴传递转矩而产生的扭转变形，引起轴上齿轮的周向偏斜，也会使载荷沿齿宽接触线的方向上分布不均匀）
为了改善载荷沿齿宽接触线的方向上分布不均匀的程度
提高齿轮制造和安装的精度
增大轴、轴承、支座的刚度
两轴承相对齿轮对称布置
适当限制轮齿的宽度
尽量避免齿轮悬臂布置
将其中一个齿轮的轮齿修形
把轮齿沿齿宽方向制作成腰鼓形（可以减小齿向载荷分布的不均匀性）
轮齿弯曲疲劳强度的计算
危险截面的位置
将轮齿近似简化为悬臂梁，30°切线法确定危险截面的位置（与轮齿对称中心线成30°夹角的两条直线，并与齿根圆角过渡曲线相切，过两切点与齿轮轴线平行的截面即为齿根的危险截面）
力的作用点
对于直齿圆柱齿轮传动，重合度大于1小于2
当齿顶受载时，虽然弯矩的力臂最大，但因处于双对齿啮合区，作用力并不是最大，所以齿根的弯曲应力不一定是最大值
单对齿啮合区，虽然作用力较大但力臂不是最大，齿根的弯曲应力也不一定最大
需要特别注意的地方（纠正错误主观臆断）
对于一般精度的齿轮传动，在进行轮齿弯曲疲劳强度计算时，近似认为一个轮齿的全部载荷作用在一个轮齿的齿顶
强度计算
齿面接触疲劳强度的计算
公式及其分析
注意事项
一对啮合齿轮，齿面接触应力相等，但许用应力一般不等，按许用应力较小值进行校核或者计算即可
小齿轮分度圆直径d1或者中心距a（齿数比u一定）反映齿轮传动尺寸对齿面接触应力的影响（在齿宽系数、材料、齿数比已定的情况下，d1或a是决定齿面接触疲劳强度的主要因素，而不论齿数或者模数如何选择组合）
强度计算说明
当配对两齿轮的齿面均为硬齿面时，可取相同的材料、热处理方法及硬度
当配对两齿轮的齿面均为软齿面时，小齿轮的材料应较大齿轮好些
第五节 齿轮传动的主要参数、精度选择和许用应力
齿轮传动的参数选择
齿数比u
注意点
不宜过大，否则尺寸相差悬殊会增大传动装置的结构尺寸
一般直齿圆柱齿轮u<=5,斜齿圆柱齿轮u可以适当大一点
传动比过大，可采用两级或多级齿轮传动
齿数z
注意点
注意避免根切
满足条件的情况下，齿数应该尽量取得多一些
对于闭式软齿面齿轮传动
增大重合度、提高传动平稳性
降低齿高、减小滑动系数
对于高速传动齿轮（在闭式软齿面的那些基础上+）
减小齿面磨损和胶合的危险
减轻齿轮的重量
减少金属切削量（模数小则齿槽小），延长刀具使用寿命，减少加工工时等
但是模数的减小会使齿厚随之变薄，降低齿根的弯曲强度
一般取小齿轮的齿数20~40
对于闭式硬齿面齿轮传动
模数不宜过小，齿数可以适当少一些
小齿轮齿数17~25或30
对于开式或半开式齿轮传动
主要失效形式为磨损，为使磨损后的轮齿不至于过小，要求有较大的模数，齿数不宜过多，小齿轮的齿数17~20
当小齿轮齿数选定后，按齿数比确定大齿轮的齿数（圆整）
为使各个互相啮合的齿对磨损均匀，传动平稳，应该使两齿数互为质数
齿宽b及齿宽系数
齿宽系数不宜过大过小
过大
齿宽系数大，齿轮的轴向尺寸大，沿齿宽载荷分布不均匀性变大
过小
根据强度计算公式可知，齿宽系数越大，齿轮径向尺寸越小，传动装置结构越紧凑，承载能力越强
尺寸分配要点
齿宽按照公式计算
适当圆整作为大齿轮的齿宽
而小齿轮的齿宽在此基础上加5~10mm（防止因装配误差导致大小齿轮的轴向错位进而导致实际接触（啮合）齿宽的减小）
齿轮传动的精度等级及其选择
圆柱齿轮的13个精度等级，从高到低依次是0~12
锥齿轮12个精度等级，从高到低依次是1~12，常用的是6~9级
齿轮的许用应力
第六节 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算
轮齿上的作用力
受力分析及其图示公式
左右手法则（看清是主动还是从动）
齿根弯曲疲劳强度计算
齿面接触疲劳强度计算
注意点
齿廓节点处的曲率半径应按法向曲率半径计算
第七节 直齿锥齿轮传动的强度计算
直齿锥齿轮受力分析
几何参数
齿根弯曲疲劳强度计算
齿面接触疲劳强度计算
直齿锥齿轮的齿根弯曲、齿面接触疲劳强度计算，按齿宽中点的当量直齿圆柱齿轮计算
第八节 齿轮的结构设计
第九节 齿轮传动的润滑
原因
啮合齿面间存在相对滑动，产生摩擦磨损，增加功耗，降低传动效率
对策
啮合齿面间加注润滑剂，减少摩擦损失，散热和防锈
齿轮传动的润滑方式
开式、半开式或速度较低的闭式齿轮传动，通常采用人工定期加油润滑
一般闭式齿轮传动的润滑方式，当齿轮的圆周速度v<=12m/s,常采用浸油润滑
当速度大于12m/s时，不宜采用浸油润滑
圆周速度过高，轮齿上的油大多被甩出而不能到达啮合区
搅油激烈，增加油的温升，使润滑性能降低
搅起油池底部的沉淀杂志，加速齿面磨损
所以应采用喷油润滑
润滑剂及其选择
润滑油
润滑脂
第十二章 蜗杆传动
第一节 蜗杆传动的受力分析、设计准则、常用材料
受力分析
注意点
只能蜗杆带动蜗轮
蜗杆蜗轮旋向相同
受力分析图示解析及公式、字母解析
失效形式与设计准则
失效形式
（由于材料和结构的因素，蜗杆螺旋齿的强度要比蜗轮轮齿强度高，因此蜗杆传动的主要失效多发生在蜗轮上）
常见的失效形式（胶合、点蚀、磨损、断齿）
（由于蜗杆传动的齿面之间有很大的相对滑动速度）
传动效率低、发热量大，容易导致润滑油温度升高而粘度降低，润滑条件变差，因齿面胶合而失效的可能性更大
设计准则（针对不同情况）
闭式传动（多发生胶合或点蚀失效）
通常按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核（由于温升较高，还需进行热平衡计算）
开式传动（磨损速度大于点蚀速度，主要发生齿面磨损和轮齿折断失效）
只需按弯曲强度进行设计
细长蜗杆或重载蜗杆
必要时应对蜗杆进行刚度计算
常用材料
蜗杆一般采用碳素钢或合金钢制造，并经淬火处理获得较高的齿面硬度
高速重载、载荷变化时
低碳合金钢渗碳淬火（20Cr、20CrMnTi、12CrNi3A）
高速重载、载荷平稳时
中碳钢、中碳合金钢表面淬火（40Cr、45钢、40CrNi、42SiMn等）
一般不太重要的低速中载蜗杆
调质处理（40钢或45钢）
蜗轮一般采用青铜类材料
一般允许滑动速度
高速或重要的蜗杆传动中，蜗轮材料常采用铸锡青铜ZCuSn10P1（该材料减摩和耐磨性好，抗胶合能力强，但其强度较低价格较贵）
滑动速度
含锡量低的铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5
铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3（抗胶合能力远比锡青铜差，但强度较高价格便宜）
低速轻载，
蜗轮可用球墨铸铁或灰铁（HT150或HT200）
第二节 蜗杆传动的设计
蜗杆传动的强度计算
蜗轮齿面接触疲劳强度计算
蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算
蜗杆的刚度计算
蜗杆传动的效率
闭式蜗杆传动的功率损耗
啮合摩擦损耗
轴承摩擦损耗
浸入油池零件的搅油损耗
蜗杆传动的润滑及热平衡计算
润滑
热平衡计算
蜗杆和蜗轮的结构
第十三章 带传动和链传动
第一节 带传动的特点和类型
类型
摩擦型带传动
按照传动带的截面形状分类
平带传动
结构简单、带轮容易制造、用于中心距较大的场合
V带传动
摩擦力大、应用广泛
平带与V带的比较
V带具有楔形增压作用，较平带承载能力强
传递同样载荷时，V带的张紧力较小
传动比相同时，V带中心距可以比较小，传动装置尺寸小
V带无接头，运行较平稳
V带一般是多根带同时工作，其中一根带破坏，机器不会立即停车
V带价格较平带高
多楔带传动
摩擦力大、受力均匀、结构紧凑
尤其注意区分，切记不可望文生义
圆带传动
牵引力小，用于仪器
通过带和带轮间的摩擦力传递动力
啮合型带传动
同步带
无滑动，能保证固定的传动比
通过带和带轮间的齿啮合传递动力
组成
带轮1、带轮2、传动带3、张紧轮
特点和应用
摩擦型带传动的优缺点
优点
带是弹性体，能缓冲吸振，故传动平稳、噪声小
过载时，带在带轮上打滑，可防止其他零件损坏
适用于两轴中心距较大的场合
结构简单、易于制造和安装，故成本较低
缺点
有弹性滑动和打滑的现象，传动比不恒定
传动效率较低
带的寿命较短
需较大张紧力，轴和轴承受力较大
外廓尺寸较大
应用
平带以其内面为工作面，带轮结构简单，容易制造，在中心距较大的场合应用较多
V带以其两侧面为工作面，由于楔形增压原理，在相同张紧力下，比平带传动能产生更大的摩擦力，从而具有较大的传动能力
多楔带传动兼有V带传动和平带传动的优点，不但摩擦力大，而且带的绕曲性好，载荷沿带宽分布较均匀
带传动的应用总结
用于精确度要求不高的场合，功率P<100kw,带速5~25m/s，传动比i<7
传动形式
开口传动
两轴平行、转向同向
交叉传动
两轴平行、转向反向
半交叉传动
两轴交错、不能逆转
第二节 带传动工作情况分析
受力分析
有效拉力Fe
P=FeV/1000
除以1000目的是变成kw
Fe=F1-F2
等于包弧上摩擦力的总和
工作能力取决于摩擦力
初拉力F0
松边F2
紧边F1
F1+F2=2F0
联立
F1=F0+0.5Fe
F2=F0-0.5Fe
离心拉力Fc
Fc作用于带的全长
Fc=qv^2
q---单位带长的质量，kg/m
v---带速，m/s
极限有效拉力Fec
欧拉公式（带即将打滑时F1与F2之间的关系）
相关结论
结论1
F0增大，Fec增大，但F1增大，F1作用于带产生的应力增大，导致寿命减小
F0减小，Fec减小，导致打滑
当已知带传递的载荷时，可根据欧拉公式确定应保证的最小初拉力F0
结论2
摩擦系数增大，最大有效拉力增大，摩擦系数和带与带轮的材料、表面状态和工作环境等有关（V带，用μν代替μ）
结论3
包角增大，最大有效拉力Fec增大
增大包角的方法
增大中心距
松边在上
与此相反的是，链传动则是紧边在上
减小传动比
i2/i1
注意张紧轮的位置
可以放在松边外侧
引申结论
打滑先发生在小轮上，因为包角小摩擦力小
应力分析（带传动的应力有三部分）
拉应力
σ1=F1/A
离心拉应力
σc=Fc/A=qv^2/A
弯曲应力(带绕在带轮上产生的弯曲应力)
σb=2Ey/d=Eh/d
σb1>σb2
为了不使带所受到的弯曲应力过大，应限制带轮的最小直径
带传动的应力分布
运动分析
弹性滑动
概念
由于拉力差和带的弹性变形而引起的带与带轮之间局部的相对滑动
公式
紧边
ε1=F1/AE
松边
ε2=F2/AE
因为F1>F2,所以ε1>ε2
引申结论
V1>V带>V2
原因
带绕过主动轮时，带的变形逐渐缩短，使带速落后于轮速：V带<V1
带绕过从动轮时，带的变形逐渐伸长，使带速超前于轮速：V带>V2
公式
V1=πd1n1/60000 m/s
V2=πd2n2/60000 m/s
接触弧分为两部分
静弧
静弧总是在带进入带轮的这一边
滑动弧
弹性滑动发生在滑动弧上
弹性滑动与载荷F有关
F=0，没有弹性滑动
F越大，弹性滑动的范围越大
F=Fec时，就发生打滑现象，传动失效
正确认知
带传动工作时，F1与F2总是不等的，所以弹性滑动不可避免
弹性滑动与打滑的区别
滑动率ε
第三节 普通V带传动的设计计算
V带结构
材料结构
绳芯结构
帘布芯结构
定义结构
节面
带在弯曲和自由状态下，宽度保持不变的面（相当于梁的中性层）
节宽bp
带节面的宽度
节圆直径dp
与V带轮相配的节宽处的直径
楔角ψ
带两侧面夹角，等于40°
基准直径d
与所配用V带的节面宽度相对应的带轮直径
基准宽度bd
等于所配用V带节宽的名义尺寸，bd=bp
基准长度Ld
V带在规定的张紧力下，位于带轮基准直径上的周线长度
V带型号
V带传动的失效形式和设计准则
主要失效形式
打滑和传动带的疲劳破坏
设计准则
保证传动在不打滑的条件下，使带具有一定的疲劳强度和寿命
三个适宜范围
第四节 V带传动的张紧装置
布置
松边在上，有利于增大包角
张紧
张紧轮放在松边，松边力小，张紧轮受力小摩擦小
向内张紧，带受循环变应力，易疲劳破坏，靠小轮
向外张紧，带受单向变应力，张紧轮应靠近大带轮
常见的张紧装置
中心距可调张紧装置
定期张紧装置
自动张紧装置
中心距不可调张紧装置
采用张紧轮张紧装置（目的是调节带的初拉力）
张紧轮一般布置
松边内侧
使带只受单向弯曲
尽量靠近大轮
以免过分影响在小带轮上的包角
向外张紧
张紧轮的轮槽尺寸与带轮相同
第五节 V带轮的设计
带轮的材料
通常采用铸铁，常用牌号为HT150和HT200
转速较高时宜采用铸钢或用钢板冲压后焊接而成
小功率时可用铸铝或塑料
结构与尺寸
典型结构
实心式
孔板式
轮辐式
腹板式
第六节 链传动的特点和应用
组成及工作原理
组成
链条、主从动链轮
工作原理
依靠链轮轮齿和链节的啮合来传递运动和动力
特点（与带、齿轮传动相比）
无弹性滑动和打滑，平均传动比为常数
传动效率较高
径向压轴力小
安装精度要求较高
可远距离传动
结构紧凑
能在高温、高湿、粉尘等恶劣条件下工作
瞬时传动比不为常数
有冲击和振动（不适用于急速反向和频繁启动的场合）
主要缺点
磨损后易发生跳齿
工作时有噪声
无过载保护作用
缺点
应用场合
传动比i<=8
功率P<=100kw
圆周速度v<=15m/s
适用于低速情况下工作
第七节 传动链的结构特点
类型
滚子链（套筒滚子链）
节距p
概念
滚子链上相邻两滚子中心的距离
影响
p越大，链条各零件尺寸越大，所能传递的功率越大
排数
分为单排链和多排链，排数越多承载能力越大
为避免各排受载不均匀，排数不宜过多
链节数的要求
链节数取偶数，避免过渡链节
过渡链节
会产生附加弯矩，链板易疲劳断裂
链条接头形式
滚子链已经标准化，分为A、B两个系列，常用的是A系列（如08A、16A等）
节距与链号的关系
节距P=链号*25.4/16
齿形链
第八节 链传动的工作情况分析
链传动的运动分析
正多边形传动
链传动的运动不均匀性
概念
链条的前进速度和上下抖动速度周期性变化的
影响因素
链轮的节距越大，齿数越少，链速的变化就越大
产生原因
是由于围绕在链轮上的链条形成了正多边形（链传动的多边形效应）
链传动的动载荷
产生原因
链传动的多边形效应造成了链条和链轮都做周期性的变速运动
影响因素
链节距越大、链轮的转速越高、链轮齿数越少（总而言之就是多边形效应越明显），动载荷越大，冲击越强烈，噪声越大
第九节 滚子链传动的设计计算
失效形式
链板疲劳破坏
滚子、套筒的冲击疲劳破坏
销轴与套筒铰链的胶合
链条铰链磨损
过载拉断
滚子链传动的参数选择和设计计算
选择小链轮齿数Z1，然后由Z2=iXZ1计算大链轮齿数
注意点
由于链节数为偶数，为考虑磨损均匀，链轮齿数一般应取为与链节数互为质数的奇数
传动比的影响
链的节距的影响
链节距大承载能力高，但多边形效应大，动载荷大
原则
满足承载能力的前提下，尽可能选用较小的节距
一般
高速重载选用小节距多排链
低速重载选用大节距单排链
链传动的中心距的影响
第十节 链传动的润滑、布置和张紧
链传动的布置
布置原则
链传动的两轴应平行，两链轮应位于同一平面内，一般宜水平或者接近水平布置，并使松边在下方
容易理解错误
链传动的张紧
目的
主要是为了避免在链条垂度过大时产生的啮合不良和链条振动现象；同时也为了增加链条与链轮的啮合包角
链传动的润滑
润滑方式
人工润滑
油浴润滑
压力供油
飞溅润滑
滴油润滑
第十一节 滚子链链轮的结构和材料
链轮的齿形
链轮常用的齿形是一种三圆弧一直线的齿形
链轮的材料和结构
材料
低中碳钢、合金钢、灰铁
结构
小直径的链轮可以制成整体式
中等尺寸的链轮可以制成孔板式
大直径的链轮可以制成组装式
常考经典问题
带传动与链传动对比
为什么带传动用在高速级？
带传动有弹性，可以缓冲吸振
不易打滑
过载保护
为什么链传动用在低速级？
为减小动载荷，提高传动平稳性（设计中应选用较小链节距，适当增加链轮的齿数，并限制链轮的最高转速，通常Z1>17）
第十四章 轴
第一节 概述
轴的功用
支撑传动零件
传递运动和力
轴的分类
按照承载情况分
转轴
同时承受弯矩和扭矩
心轴
只承受弯矩
分类
固定心轴
转动心轴
传动轴
只承受扭矩
按照轴线形状分
直轴
曲轴
钢丝软轴
第二节 轴的材料
一般用途的轴
优质中碳钢---30、40、45、50
次要的轴
Q235、Q255、Q275
重要的轴
合金钢
形状复杂的轴
QT600、ZG45
第三节 轴的结构设计
典型的轴系结构
轴上零件的定位
轴向定位
轴肩或轴环
轴肩
轴肩的尺寸要求
轴肩的特点
结构简单、定位可靠，可承受较大轴向力
套筒
套筒的特点
结构简单、定位可靠，用于零件间距较小场合，轴转速较高时不宜选用
弹性挡圈
弹性挡圈的特点
结构简单只能承受很小的轴向力
圆螺母加止动垫圈、双圆螺母
圆螺母加止动垫片
特点
固定可靠、装拆方便，可承受较大轴向力，但螺纹对轴削弱较大
双圆螺母
紧定螺钉、锁紧挡圈、销钉
特点
适用于轴向力很小，转速很低或为防止零件偶然沿轴向滑动的场合，亦可用于周向固定
轴端挡圈
特点
适用于固定轴端零件
易错点
轴端挡圈随轴一起转动，日久后可能松动而不能随轴转动
圆锥面
特点
能消除轴与轮毂之间的径向间隙，装拆较为方便，对中性好，可兼作周向固定，但加工较困难
周向定位
键
特点
装拆方便、互换性好，但对轴强度有削弱
花键
特点
精度要求较高，定心性好，拆装方便，但制造需用专用的设备和工具
销
特点
只能传递较小扭矩，互换性好，对轴的强度削弱较大，拆装方便
过盈联接
成型联接
各轴段直径的确定
各轴段长度的确定
注意点
轮毂比轴长2~3mm
轴的结构工艺性
轴端应该制作出45°的倒角
轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，需留出砂轮越程槽、退刀槽
不同轴段的键槽宽度尽可能一致，并布置在同一母线上（加工方便）
轴段的阶梯数量应尽可能少
一根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角尽量取同样尺寸
提高轴的强度和刚度的措施
第四节 轴的工作能力计算
轴的强度校核计算
按扭转强度条件计算
按弯扭合成强度条件计算
第十五章 滚动轴承
第一节 概述
功用
支承传动零件
减小摩擦
组成
内圈
外圈
有时无
滚动体
保持架
材料
内外圈和滚动体
铬锰高碳钢
GCr15、GCr15SiMn，淬火，HRC61~65，工作表面磨削，抛光
保持架
软钢片冲压而成，也可用铜、铝合金或工程塑料
特点
摩擦阻力小，功率损耗少，启动容易，效率高，润滑简便，轴向尺寸小，标准化程度高，互换性好，成本低
抗冲击能力差，高速时噪音较大，径向尺寸大，高速重载下寿命较短
第二节 滚动轴承的类型、代号及选择
几个概念
接触角
滚动体与外圈滚道接触点处的法线与半径方向的夹角α
游隙
滚动体与内外圈间的间隙
极限转速
滚动轴承允许的最大工作转速
偏位角
内外套圈轴线之间的夹角Φ
滚动轴承的分类
按滚动体形状分
球轴承
滚子轴承
按载荷方向或接触角α分
向心轴承
推力轴承
向心推力轴承
按轴承的结构形式不同分类
国家标准13类中的7类轴承
深沟球轴承（6类）
角接触球轴承（7类）
圆锥滚子轴承（3类）
调心球（滚子）轴承（1、2类）
圆柱滚子轴承（N类）
推力球（滚子）轴承（5类、8类）
极限转速很低
最为常用的6类
价格比深沟球轴承为1（即都和深沟球轴承对比）
滚针轴承（NA类）
滚动轴承的代号
滚动轴承类型的选择
依据
工作载荷（大小、方向、性质）
滚子轴承较球轴承承载能力大
载荷冲击大
滚子轴承
载荷冲击小
球轴承
α越大，承受轴向载荷的能力越强
纯轴向载荷
推力轴承
纯径向载荷
深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承
径向、轴向载荷
深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承与推力球轴承组合
转速
球轴承比滚子轴承极限转速高
外径越小，极限转速越高
保持架的材料和结构对转速影响极大，实体保持架比冲压保持架允许转速高
支承刚度
调心性能
轴承座孔不平行
轴承座孔不同轴
轴挠曲变形
安装要求
便于装拆和调整间隙
选用内外圈可分离轴承（圆锥滚子轴承、滚针轴承、圆柱滚子轴承等）
当轴承在长轴上安装时，可选用带内锥孔的轴承
经济性
一般的讲，球轴承比滚子轴承便宜
第三节 滚动轴承的载荷分布、失效形式及计算准则
轴承工作时轴承元件上的载荷分布
轴承工作时轴承元件上的载荷和应力的变化
轴向载荷对载荷分布的影响
两句看似废话但是仍然值得重视的知识点
角接触球轴承和圆锥滚子轴承总是在径向力和轴向力的联合作用下工作
在同样的径向载荷的作用下，当轴向力由最小值逐步增大时，同时受载的滚动体数目逐渐增多
角接触球轴承和圆锥滚子轴承中的派生轴向力Fs
滚动轴承的失效形式
疲劳点蚀
塑性变形
磨损
轴承元件破裂
滚动轴承的设计准则
对于回转的滚动轴承
接触疲劳寿命计算和静强度计算（针对点蚀和塑变失效）
对于摆动或转速很低的滚动轴承
只需做静强度计算
对于高速轴承
除进行疲劳寿命计算外，还需校核极限转速
第四节 滚动轴承的寿命及其计算
滚动轴承基本额定寿命
寿命
滚动轴承中任一元件出现疲劳点蚀前运转的总转速（10^6为单位）或在一定的转速下工作的小时数
基本额定寿命
一组轴承在相同条件下运转，其中百分之九十的轴承不发生疲劳点蚀前的转数或工作小时数
寿命的离散性
大量实验数据表明，一批完全相同的轴承在相同的条件下运转，可能有不同的寿命，最低寿命和最高寿命相差几十倍
额定寿命L10的物理意义
对一批轴承而言
L10指百分之九十的轴承能达到或超过的寿命
对于一个具体的轴承而言
指该轴承能达到或超过该寿命的概率为百分之九十
当可靠度不为百分之九十时，对L10进行修正，称为修正的额定寿命
滚动轴承基本额定动载荷
基本额定动载荷
概念
使轴承的基本额定寿命恰好为10^6转时，轴承所能承受的载荷值，用C表示
分类
对向心轴承
用Cr表示
指纯径向载荷
对推力轴承
用Ca表示
指纯轴向载荷
对角接触球轴承或圆锥滚子轴承
用Cr表示
说明
C是由实验得出的，查设计手册
不同型号的轴承，C不同
C越大，轴承承载能力越大
滚动轴承的当量动载荷
滚动轴承的载荷计算
装配形式
正装
反装
载荷计算
轴向力的计算方法
一般方法
经典例题
特殊情况
滚动轴承寿命计算公式（机械设计课程设计的重点同时也是机械设计基础考试的重点）
知识点（课程设计需要全部清楚但基础考试仅需记住公式）
经典例题
滚动轴承的静载荷
第五节 滚动轴承部件的组合设计
轴承装置设计的内容
轴承的定位和紧固
支承形式
两端固定（双支点各单向固定）
一端固定，一端游动（单支点双向固定）
两端游动
预紧
轴承游隙的调整
轴上零件位置的调整
润滑
密封
接触式密封
非接触式密封
组合式密封
滚动轴承的配合
支承方式对轴系刚度的影响
拆装
第十六章 滑动轴承
滑动轴承的类型和结构形式
轴承的功用
支承轴和轴上零件，保证旋转精度
减小转动轴与静止支承之间的摩擦、磨损，提高机器效率
轴承的分类
根据轴承中的摩擦性质
滑动轴承
根据润滑状态
液体摩擦滑动轴承
摩擦表面完全被润滑油隔开，摩擦系数很小
轴承表面不接触，避免了磨损
但要满足一定条件才能形成液体摩擦
用于高速、精度要求高、低速重载的场合
非液体摩擦滑动轴承
摩擦表面没有被润滑油完全隔开，摩擦系数大，摩擦表面易磨损
结构简单，制造精度低
用于一般转速，载荷不大及精度要求不高的场合
应用场合
高速、高精度，如汽轮发电机、精密磨床
特重型载荷，流体动压润滑轴承承载能力大、寿命长、造价低，所以一般大功率的如水轮发电机、汽轮机等采用滑动轴承
承受巨大的冲击与振动载荷，如轧钢机
特殊结构，如曲轴轴承必须制成部分式的；组合钻床径向尺寸受限制时
低速、低精度，如农机
在特殊条件下工作的轴承，如军舰推进器的轴承
设计内容
轴承的形式和结构选择
轴瓦的结构和材料选择
轴承的结构参数设计
润滑剂及其供应量的确定
轴承工作能力及热平衡计算
径向滑动轴承的结构
整体式径向滑动轴承
对开式径向滑动轴承
止推滑动轴承的结构
轴瓦的形式和结构
滚动轴承
滚动摩擦，摩擦系数小，机械效率高
径向尺寸较大，振动、噪声大
用于中低速及精度要求较高的场合
根据能承受载荷的方向
推力轴承
向心轴承
向心推力轴承
滑动轴承的失效形式和常用材料
常见失效形式
轴承表面的
磨粒磨损
刮伤
胶合
疲劳剥落
腐蚀
滑动轴承的材料
轴承材料性能应满足以下要求
减摩性、耐磨性、抗胶合性
良好的导热性
足够的强度
顺应性
材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力
嵌入性
材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能
磨合性
轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，形成相互吻合的表面形状和粗糙度的能力
抗腐蚀能力、工艺性、经济性
润滑剂和润滑装置
润滑的目的
减小摩擦功率损耗、减轻磨损、冷却轴承、吸振和防锈等
三种润滑方式
润滑脂
润滑油
固体润滑剂
非液体润滑滑动轴承的设计计算
失效形式与设计准则
径向滑动轴承的设计计算
液体动压润滑滑动轴承的设计计算
两相对运动表面间建立动压而保持连续油膜的条件
相对运动的两表面间形成收敛的楔形间隙
被油膜分开的表面必须有一定的相对运动速度，其运动方向使润滑油由大口流进，小口流出
润滑油必须有一定的粘度，供油要充分
第十七章 联轴器和离合器
联轴器
特点
只有在机器停止运转时，经过装拆后才能使两轴接合或分离
分类
根据两半联轴器间的联接和中间传力件是刚性还是弹性及能否缓冲减振
刚性联轴器
固定式
无中间传力件，由两半联轴器刚性联接，不能补偿两轴的相对位移和偏差
可移式
有中间刚性传力件，能补偿两轴间的相对位移与偏差
弹性联轴器
含有中间弹性传力元件，除了能补偿两轴间的相对位移外，还具有吸收振动和缓和冲击的能力
常用联轴器
刚性联轴器
固定式刚性联轴器
用于无位移补偿要求、轴的对中性好的场合
凸缘联轴器
可传递较大的转矩，但不能缓冲吸振，常用于载荷较平稳、两轴对中性较好的场合
还有一种安全销方式，销轴由较低强度的材料制造，起对中和传递转矩的作用，过载时，销被剪断，可确保机器中其他零件的安全
套筒联轴器
再加上安全销，被叫做安全式套筒联轴器
夹壳联轴器
靠夹壳与轴之间的摩擦力或键来传递转矩
优点（装拆方便，不用移动轴）
应用（主要用于低速、工作平稳的场合）
可移式刚性联轴器
两轴相对位移的补偿是利用联轴器中零件间的相对滑动、间隙等来实现的，不能实现缓冲和吸振
滑块联轴器
径向位移补偿能力较大，同时也有少量的角度和轴向补偿能力
齿式联轴器
优点
能传递很大的转矩，并可补偿适量的综合位移，工作可靠，安装精度要求不高
缺点
结构复杂、质量大，制造成本高，常用于重型机械中
万向联轴器
常用于合金钢制造，结构紧凑维修方便，能补偿较大的角位移
滚子链联轴器
具有一定的位移补偿和缓冲吸振能力
重点记忆应用特点及场合
弹性联轴器
包含弹性元件，利用弹性元件的弹性变形补偿两轴间的相对位移，还具有缓冲吸振的能力
弹性套柱销联轴器
常用于载荷平稳、正反转或起动频繁、转速高、传递中小转矩的场合
弹性柱销联轴器
缓和冲击、吸收振动，且能补偿较大的轴向位移，适用于正反向变化多、起动频繁的高速轴
梅花形弹性联轴器
补偿两轴相对位移、缓冲吸振、径向尺寸小
承载能力优于弹性柱销联轴器
轮胎式弹性联轴器
具有橡胶轮胎弹性元件，可补偿较大的径向位移，能缓冲吸振、绝缘性能好，运转时无噪声，故适用于潮湿多尘、冲击大、起动频繁及经常正反转的场合
离合器
特点
不用停车就能使两轴分离或接合
分类
按其工作原理
牙嵌离合器
摩擦离合器
按操纵方式
机械离合器
电磁离合器
液压离合器
气压离合器
按控制方式
操纵式
自动式
超越离合器
离心离合器
安全离合器
常用离合器
牙嵌离合器
矩形齿
三角形齿
梯形齿
应用广泛，齿数一般为3~15
锯齿形齿
一般离合操作只在低速或者静止状况下进行
结构简单、尺寸紧凑、工作可靠、承载能力大，传动准确
接合时有冲击，容易打坏齿
摩擦离合器
单片式圆盘摩擦离合器
多片式圆盘摩擦离合器
超越离合器
都是机器中常见的传动部件，大多数已经标准化，其功用是联接两轴一起转动，并在其间传递运动和转矩
总结齿轮传动设计计算中的特殊尺寸和参数
应该标准化的
斜齿轮的法向模数Mn
分度圆压力角
应该圆整的
齿宽B
斜齿轮中心距a
大齿轮的齿数Z2
没有标准化也不应该圆整的
斜齿轮的端面模数Mt
齿厚s
直齿轮中心距a
螺旋角
锥距R
齿顶圆直径da
综合易错点总结
在圆柱、圆锥齿轮组成的传动系统中,在高速级应布置圆柱齿轮（错）
一对齿轮啮合，小齿轮产生的应力比大齿轮大，所以大齿轮的弯曲强度高
轴承正反装的Fs方向不同，计算大题一定看清楚正反装
考前易忘部分
常用联轴器的分类树状图
滚动轴承的几个类型、代号表格（数字或字母分别代表什么）
外圈可以拿下来的三个轴承
斜齿圆柱齿轮及直齿锥齿轮的当量齿数计算公式
校核轴的强度时，折合系数的取值表格
普通平键A、B、C三种类型
轴的弯曲刚度和扭转刚度的表征
外圈可以拿下来的
注意区分点
轴上键槽
轮毂键槽