2024-2025学年《汽车机械基础》课件

项目一 静力学基础 静力学的基本概念 1.1 约束和约束反力 1.2 力矩和力偶矩 1.3 平面力系的简化与平衡 1.4 1.1 静力学的基本概念 1.1.1 力的概念 1.1.2 刚体的概念 1.1.3 平衡的概念 1.1.4 静力学公理 1．力的概念 力是物体之间相互的机械作用，这种作用将使物体的机械运动状态发生变化，或者使物体产生变形。 2．刚体的概念 所谓刚体是指在受力状态下保持其几何形状和尺寸不变的物体。显然，这是一个理想化的模型，实际上并不存在这样的物体。但是，工程实际中的机械零件和结构构件，在正常工作情况下所产生的变形，一般都是非常微小的。这样微小的变形对于研究物体的外效应的影响极小，是可以忽略不计的。当然，在研究物体的变形问题时，就不能把物体看作是刚体，否则会导致错误的结果，甚至无法进行研究。 3．平衡的概念 平衡是指物体在力系作用下相对于惯性参考系处于静止或作匀速运动状态。 4．静力学公理 1、二力平衡公理 2、加减平衡力系公理 3、作用与反作用定律 4、力的平行四边形法则 1.2 约束和约束反力 那些限制物体某些运动的条件，称为约束。 约束限制了物体本来可能产生的某种运动，故约束有力作用于被约束体，这种力称为约束反力。 1、约束类型与约束反力的确定 1、常见的约束类型 (1) 柔性约束（2）光滑接触约束（3）光滑铰链约束 2、约束反力的确定 （1）约束反力的方向与该约束所阻止的运动趋势相反。 （2）约束反力的作用点在约束与物体的相互接触点处。 （3）约束反力是未知力，其大小需根据平衡条件计算确定，方向可根据约束类型来确定。一般使物体产生运动或运动趋势的力，如重力、推力、压力等都是已知的。 2、受力图与受力分析 （一）、画受力图的步骤 （1）明确研究对象，解除约束，画出分离体。所谓分离体就是人为地将所研究物体的所有约束全部解除，从与其相联系的周围物体中分离出来而得到的图形。研究对象既可以是一个物体，也可以是几个物体的组合。 （2）分析并在分离体上画出主动力。 （3）分析并在分离体上画出约束反力。先找出研究对象与周围物体的接触处，分析每个接触处的约束类型，在根据约束类型正确画出约束反力。 （二）、画受力图的注意事项 （1）必须画出分离体图，分离体的形状、方位应与原图保持一致。 （2）画每个力都要有根据。画约束反力时，必须严格按约束类型的性质去画，不能凭空想象。 （3）不能多画，每画一个力都要考虑这个力的施力物体和受力物体各是什么，只画研究对象受的力，不画研究对象作用于其它物体的力；不能少画，凡是解除约束的地方（研究对象与周围物体接触处）都要分析有无约束反力。 （4）应准确地找出二力杆并从二力杆入手。 （5）注意作用力与反作用力的关系。 1.3 力矩和力偶矩 （1）由两个等值、反向的平行力构成的力系，叫力偶。 （2）力偶矩的大小、作用面方位和转向决定力偶对刚体的作用效果，称为力偶的三要素。 （3）力偶矩的正负号及单位的规定：若力偶使物体产生逆时针转动的趋势为正，反之为负，力偶矩的单位与力矩的单位相同。 1.4平面力系的简化与平衡 （一）、平面力系简化结果的讨论 1、力系简化结果为一个力偶。 2、力系简化结果为一个力。 3、力系是一个平衡力系。 4、利用力偶等效变换，可将主矢和主矩进一步简化。 （二）平面力系的平衡条件： （1）基本形式 （2）二矩式 （3）三矩式 项目二 材料力学基础 拉伸与压缩 2.1 剪切与挤压 2.2 圆轴的扭转 2.3 平面弯曲 2.4 组合变形 2.5 2.1 拉伸与压缩 拉伸和压缩是杆件基本变形中最简单的一种，也是构件中最常发生的变形形式。如发动机中的连杆在工作中发生压缩变形，气缸盖螺栓在工作中发生拉伸变形。 2.1 拉伸与压缩 2.1.1 拉伸与压缩的概念 2.1.2 拉伸与压缩力 2.1.3 拉伸与压缩变形 2.1.4 拉伸（压缩）时的强度计算 1、拉伸与压缩的概念 构件在外力作用下发生了伸长或缩短变形，这种在外力作用下发生伸长或缩短的变形称为拉伸或压缩。把外力沿轴线方向作用，构件只发生轴线方向的伸长或缩短的变形称作轴向拉伸或轴向压缩。 2、拉伸与压缩力 （1）内力的概念 拉(压)杆在外力作用下产生变形，内部材料微粒之间的相对位置发生了改变，其相互作用力也发生了改变。这种由外力引起的杆件内部相互作用力的改变量，称为内力。 （2）截面法 将杆件用假想截面在要求内力的截面处截开，任取一部分作为研究对象，根据平衡情况确定该截面上内力的形式，并应用静力学平衡方程求出内力的大小和方向。 截面法解决决问题的步骤是： ①假想沿所要求内力的截面将杆件分成两部分。 ②任取其中一部分作为研究对象，画出受力图，并用内力代替另一部分。 ③列平衡方程，求解内力。 3、拉伸与压缩变形 （1）绝对变形 直杆在轴向载荷作用下，既产生沿轴线方向的变形，也产生垂直于轴线方向的变形。 （2）相对变形 相对变形就是单位长度的变形量。把杆件沿轴线方向单位长度的伸长量称为杆件的轴向相对变形或轴向线应变。 （3）胡克定律 拉伸或压缩实验表明，大多数工程材料制成的杆件，在弹性变形范围内，其纵向绝对变形 △L与轴力N、杆件长度L成正比 ，而与横截面积A成反比。 4、拉伸（压缩）时的强度计算 根据强度条件可解决以下三个方面的问题： (1)校核强度  (2)设计截面 (3)确定许可载荷 2.2 剪切与挤压 2.2.1 剪切的概念与实用计算 2.2.2 挤压的概念与实用计算 1、剪切的概念与实用计算 （1）剪切的概念 在工程实际中，常会有构件受到两组大小相等、方向相反且彼此非常接近的力作用，这时构件会在两组力间的截面处发生相对错动变形，这种变形称为剪切变形。 剪切变形的受力特点是外力大小相等，方向相反，作用线相距很近。变形特点是沿与外力的方向平行的截面发生相对错动。 构件受到剪切力的作用时，在它的剪切面上就要产生沿截面作用的抵抗剪切变形的内力，这个内力称为剪力， （2）剪切应力 构件受到剪切力的作用时，在它的剪切面上就要产生沿截面作用的抵抗剪切变形的内力，这个内力称为剪力。 （3）剪切的强度条件 τ＝FQ/A≤[τ] 2、挤压的概念与实用计算 （1）挤压的概念 挤压变形是两杆件在相互传递压力的接触面上，由于局部受较大的压力，而出现塑性变形的现象——压陷、起皱 （2）挤压应力 由挤压力引起的应力称为挤压应力。 （3）挤压强度的实用计算 2.3 圆轴的扭转 2.3.1 圆轴扭转的概念 2.3.2 圆轴扭转外力偶矩、扭矩 2.3.3 圆轴扭转时的应力 2.3.4 圆轴扭转的强度计算 2.3.5 圆轴扭转的刚度计算 1、圆轴扭转的概念 载荷是一对力偶，力偶作用面均垂直杆的轴线，但方向相反，因而产生相同的变形形式，各横截面绕杆轴线发生相对转动，这种变形称为扭转变形。 2、圆轴扭转外力偶矩、扭矩 （1）外力偶矩的计算 （2）圆轴横截面上的内力——扭矩、扭矩图 ①扭矩 ②扭矩图 3、圆轴扭转时的应力 圆轴表面的变形情况： (1)各圆周线绕轴线发生了相对转动，但形状、大小及相互之间的距离均无变化； (2)所有纵向线倾斜了同一微小角度φ，原来的矩形均变为平行四边形，但纵向线仍近似为直线。 4、圆轴扭转的强度计算 τmax=Tmax/WF 5、圆轴扭转时的应力 （1）圆轴扭转变形 把截面间相对转过的角度称为扭转角。 （2）扭转刚度条件 为了表示圆轴扭转的变形程度，引入单位长度的变形量，即单位长度的扭转角。 2.4 平面弯曲 2.4.1 平面弯曲的概念 2.4.2 剪力与弯矩 2.4.3 纯弯曲时的正应力 2.4.4 梁的弯曲强度计算 1、平面弯曲的概念 （1）平面弯曲的概念 外力垂直于轴线或在轴线的平面内受到力偶的作用，因而发生相同形式的变形——轴线由直线弯为曲线，这种变形称为弯曲。 （2）梁的基本类型 ①简支梁 ②外伸梁 ③悬臂梁 2、剪力与弯矩 （1）梁的外力 ①集中力 ②集中力偶 ③分布载荷 （2）剪力和弯矩——截面法 （3）剪力与剪力图、弯矩方程与弯矩图 弯矩图可总结为： （1）梁受集中力或集中力偶作用时，弯矩图为直线，并且在集中力作用处，弯矩发生转折；在集中力偶作用处，弯矩发生突变，突变量为集中力偶的大小 。 （2）梁受到均布载荷作用时，弯矩图为抛物线，且抛物线的开口方向与均布载荷的方向一致 。 （3）梁的两端点若无集中力偶作用，则端点处的弯矩为0；若有集中力偶作用时，则弯矩为集中力偶的大小。 3、纯弯曲时的正应力 （1）纯弯曲的概念 若梁只有弯曲变形，无剪切变形，则这种平面弯曲称为纯弯曲。 （2）横截面上应力分布规律 梁发生纯弯曲变形后，所有横截面仍保持平面，只是绕中性轴相对转动，截面上各点伸长处受拉，缩短处受压，其大小与该点到中性轴的距离成正比分布，正应力的分布规律是横截面上各点正应力的大小与该点到中性轴的距离成正比。 （3）正应力计算公式 σ=My/IZ 4、梁的弯曲强度计算 梁的强度条件只考虑外力作用下梁内产生的最大正应力不能超过材料的弯曲许用应力。即 ： σmax=Mmax/WZ≤[σ] 2.5 组合变形 2.5.1 组合变形的概念 2.5.2 拉（压）与弯组合变形的 强度计算 2.5.3 弯曲与扭转组合变形的 强度计算 1、组合变形的概念 工程实际中,构件在载荷作用下往往同时产生两种或两种以上的基本变形。这种构件同时发生的两种或两种以上基本变形，称为组合变形。 2、拉（压）与弯组合变形的 强度计算 （1）拉（压）与弯组合变形。同时发生拉伸（压缩）和弯曲的变形称为拉（压）-弯组合变形 （2）拉(压)与弯组合变形的强度计算 ①外力分析 ②内力分析 ③应力分析 ④强度计算 3、弯曲与扭转组合变形的 强度计算 （1）弯曲与扭转组合变形：同时发生弯曲和扭转变形的称为弯—扭组合变形。 （2）弯曲与扭转组合变形的强度计算 ①外力分析 ②内力分析 ③应力分析 ④强度计算 项目三 联 接 螺纹的形成、类型及主要参数 3.1 螺纹连接的预紧与防松 3.2 键连接、花键连接及销连接 3.4 3.1 螺纹的形成、类型及主要参数 3.1.1 螺纹的形成原理和其主要 参数 3.1.2 常用螺纹的类型和特点 3.1.3 螺纹联接的基本类型与 标准螺纹联接件 1、螺纹的形成原理和其主要参数 如果用一个平面图形（梯形、三角形或矩形）沿着螺旋线运动，并保持此平面图形始终在通过圆柱轴线的平面内，则此平面图形的轮廓在空间的轨迹便形成螺纹。 2、常用螺纹的类型和特点 （1）螺纹的类型 ①普通螺纹 ②非螺纹密封的管螺纹 ③用螺纹密封的管螺纹 ④矩形螺纹 ⑤梯形螺纹 ⑥锯齿形螺纹 （2）特点 见配套教材表（3----1） 3、螺纹联接的基本类型与标准螺纹联接件 （1）螺纹联接的基本类型有螺栓联接、双头螺栓联接、螺钉联接和紧定螺钉联接 。 （2）标准螺纹联接件 ①六角头螺栓 ②双头螺栓 ③螺钉 ④紧定螺钉 ⑤自攻螺钉 ⑥六角螺母 ⑦圆螺母 ⑧垫圈 3.2 螺纹连接的预紧与防松 3.2.1 螺纹连接的预紧 3.2.2 螺纹连接的防松 1、螺纹连接的预紧 螺纹联接装配时，一般都要拧紧螺纹，使联接螺纹在承受工作载荷之前，受到预先作用的力，这就是螺纹联接的预紧，预先作用的力称为预紧力。螺纹联接预紧的目的在于增加联接的可靠性、紧密性和防松能力。 2、螺纹连接的防松 松动是螺纹联接最常见的失效形式之一。在静载荷条件下，普通螺栓由于螺纹的自锁性一般可以保证螺栓联接的正常工作，但是，在冲击、振动或者变载荷作用下，或者当温度变化很大时，螺纹副间的摩擦力可能减少或者瞬时消失，致使螺纹联接产生自动松脱现象，特别是在交通、化工和高压密闭容器等设备、装置中，螺纹联接的松动可能会造成重大事故的发生。 螺纹联接防松的本质就是防止螺纹副的相对运动。按照工作原理来分，螺纹防松有摩擦防松、机械防松、破坏性防松以及粘合法防松等多种方法。 3.3 键连接、花键联接及销联接 3.3.1 键连接 3.3.2 花键联接 3.3.3 销联接 1、键连接 键联接由键、轴和轮毂组成，它主要用以实现轴和轮毂的周向固定和传递转矩。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接。（它们均已标准化） 2、花键联接 花键联接是由周向均布多个键齿的花键轴与带有相应键齿槽的轮毂孔相配而成。花键齿的侧面为工作面，工作时有多个键齿同时传递转矩，所以花键联接的承载能力比平键联接高得多。花键联接的导向性好，齿根处的应力集中较小，适用于传递载荷大、定心精度要求高或者经常需要滑移的联接。 花键按齿形可分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键。 3、销联接 销联接主要用于固定零件之间的相对位置，并能传递较小的载荷，它还可以用于过载保护。按形状的不同，销可分为圆柱销、圆锥销和槽销等。 项目四 带传动 带传动的类型和应用 4.1 V带传动的工作能力分析 4.2 普通V带传动的设计计算 4.3 V带轮的结构和材料 4.4 V带传动的张紧和维护 4.5 4.1 带传动的类型和应用 4.1.1 带传动的组成和工作原理 4.1.2 带传动的类型、特点及应用 4.1.3 V带的类型和结构 1、带传动的组成和工作原理 带传动是由两个带轮和一根紧绕在两轮上的传动带组成，利用传动带与带轮摩擦或啮合来传递运动和动力的一种挠性传动，是一种常用的机械传动装置。 两种类型的带传动工作原理不同，摩擦型带传动是利用带和带轮间的摩擦力，主动轮曵引从动轮一起转动，实现运动和动力的传递（平带和Ｖ带传动）。啮合型带传动是利用传动带和带轮的相互啮合，从动轮随主动轮同步转动，实现运动和动力的传递（同步带传动）。 2、带传动的类型、特点及应用 （1）带传动的类型 带传动按工作原理分为摩擦型带传动和啮合型带传动两种类型，其中摩擦型带传动，根据传动带的截面形状不同，又可分为平带传动、V带传动、多楔带传动和圆带传动。 （2）带传动特点 带传动的优点主要有可实现中心距较大的传动。带具有挠性，可缓和冲击、吸收振动，运行平稳，低噪音。过载时带与带轮之间会出现打滑，起到安全保护作用，避免了其它零件的损坏。制造安装维护方便、成本低廉。带传动的主要缺点表现在带传动的装置的外廓尺寸较大。传动比不稳定。带的寿命较短。传动效率较低。需要额外的张紧装置，张紧力较大（与啮合传动相比），轴上压力较大。 3、V带的类型和结构 普通V带传动是应用最广的带传动，普通V带已经标准化，是无接头的环形带。普通V带主要有顶胶、抗拉体、底胶和包布层。顶胶和底胶是弹性层，V带在带轮上张紧后产生弯曲，顶胶层受拉，因此又称为伸张层，底胶层受压，因此又称为压缩层。抗拉体是V带传动中拉力的主要作用对象，因此又称为强力层或承载层，由几层帘布或一层粗线绳组成，分别称为帘布芯结构和绳芯结构，前者制造方便，后者柔韧性好、抗弯强度大。包布层由橡胶帆布组成，是V带的最外层，起保护作用。 普通V带为标准零件，其标记形式为：型号+基准长度+标准编号。 4.2 V带的工作能力分析 4.2.1 带传动的受力分析 4.2.2 带传动的应力分析 4.2.3 弹性滑动和打滑 4.2.4 带传动比 1、带传动的受力分析 （1）初拉力和有效拉力 为保证带传动正常工作，在安装传动带时，传动带必须以一定的张紧力(预紧力)套在带轮上。带传动尚未工作时，传动带两边承受的拉力相等，称为初拉力 （2）最大有效拉力 在带传动工作中，当总摩擦力达到极限值时，带传动的有效拉力即达到最大有效拉力。 （3）离心拉力 2、带传动的应力分析 带传动工作时，带是处于变应力状态下工作的，产生的应力较为 复杂，主要有拉应力、弯曲应力和离心应力等。 （1）拉应力 根据拉力不同，拉应力可分为初拉应力、紧边拉应力和松边 拉应力。 （2）弯曲应力 当带绕过带轮轮时,发生弯曲变形，产生弯曲应力，由材料力学 知识得带的弯曲应力。 （3）离心应力 当带以切线速度沿带轮轮缘作圆周运动时，产生离心力，离心 力作用在传动带上产生离心应力。 3、弹性滑动和打滑 带沿带轮的运动是一面绕进，一面向前伸长，出现带 的速度高于带轮圆周速度现象。这种由于带的弹性变形 而引起的带与带轮间的滑动，称为弹性滑动。这种滑动 是带传动工作时的固有特性，是不可避免的现象。 当带传递的功率增大到所需的有效拉力达到最大有效 拉力时，如果最大有效拉力超过接触圆周上的摩擦力总 和的极限值，带与带轮表面就会发生明显的相对滑动， 这种现象称为“打滑”。打滑是一种由于过载引起的一种 失效，是一种有害现象。 4.3 普通V带的设计计算 4.3.1 带传动的失效形式和设计 准则 4.3.2 普通V带传动的设计 1、带传动的失效形式和设计准则 带传动主要失效形式是打滑和疲劳断裂，因此带传动的设计准则是在保证带不打滑的条件下，具有足够的疲劳强度和寿命 。 2、普通V带传动的设计 V带传动的设计基本步骤如下： ①确定设计功率 ②选择V带型号 ③计算带轮基准直径 ④验算带的速度 ⑤计算中心距和V带基准长度 ⑥验算小带轮上的包角 ⑦确定V带根数 ⑧计算初拉力 ⑨计算作用在传动轴上的压力 4.4 V带轮的结构和材料 带轮材料主要考虑其圆周速度和传递功率大小。通常采用铸铁，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、工程塑料或木材等。 V带带轮结构由三部分组成：轮缘部分，轮辐部分和轮毂部分。带轮的典型结构有三种形式：实心式、腹板式和轮辐式。 4.5 V带传动的张紧和维护 4.5.1 带传动的张紧 4.5.2 V带的安装与维护 1、V带传动的张紧 普通V带不是完全弹性体，在张紧状态下工作一定时间后，会因塑性变形而松弛，使带传动的初拉力减小，传动能力下降，严重时会产生打滑，故必须重新张紧，才能保证正常工作。常用的张紧装置有 ： （1）定期张紧装置 （2）自动张紧装置 （3）张紧轮张紧装置 2、V带传动的安装与维护 传动带的安装应注意以下几点： （1）安装时，主、从动轮的中心线应与轴中心线重合，两轮中心线必须保持平行，两轮的轮槽必须对准调整在同一平面内，误差不应超过20’。 （2）安装带时应先缩小中心矩后再套上带，而后慢慢加大中心距张紧之，不要硬撬，应顺势盘上，以免损坏带，降低使用寿命。 （3）必须保证V带在轮槽中的正确位置。 （4）安装V带时，应按规定的初拉力张紧。 在使用和维护带传动过程中，应注意以下几点： （1）新带使用前，最好预先拉紧一段时间后再使用。 （2）带传动装置外面应加防护罩，以保证人员安全，防止带与酸、碱或油接触而腐蚀传动带。带也不宜在阳光下曝晒。 （3）带传动不需润滑，禁止往带上加润滑油或润滑脂，应及时清理带轮槽内及传动带上的油污。 （4）应定期检查胶带，如有一根松弛或损坏，不要立即补齐，否则由于旧带已有永久变形，新旧带一起使用，载荷分配不均，反而加速新带的损坏，应继续使用或全部更新。 （5）带传动的工作温度不应超过60℃，以防带的迅速老化。 （6）如果带传动装置需闲置一段时间后再用，应将传动带放松。 （7）对于多跟V带传动，为受力均匀，应选择带基准长度公差值在同一级别的带分组使用，分组代号标记在带的顶层包布上。 项目五 链传动 链传动的特点和应用 5.1 链传动的运动分析和受力分析 5.2 链传动的主要参数及其选择 5.3 滚子链传动的设计计算 5.4 5.1 链传动的特点和应用 5.1.1 链传动的特点和应用 5.1.2 链传动的主要类型 5.1.3 滚子链传动的结构与选择 5.1.4 齿形链 5.1.5 链轮 1、链传动的特点和应用 链传动是具有中间挠性体（链条）的啮合传动，结构简单，耐用、维护容易，运用于中心距较大的场合。与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比；没有弹性滑动和打滑；需要的张紧力小；能在温度较高，有油污等恶劣环境条件下工作。与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低；成本低廉；能实现远距离传动；但瞬时速度不均匀，瞬时传动比不恒定；传动中有一定的冲击和噪音。 2、链传动的主要类型 （1）按用途来分，链有三大类： ①传动链 用于一般机械传动。 ②输送链 在各种输送装置和机械化装卸设备中，用以输送物品。 ③起重链 在起重机械中用以提升重物。 （2）按照链条的结构不同，传递动力用的链条主要有滚子链和齿形链 。 3、滚子链传动的结构与选择 滚子链的结构，由内链板和套筒、外链板和销轴分别用过盈配合固联在一起，分别称为内、外链节。内、外链节构成铰链。滚子与套筒、套筒与销轴均为间隙配合。当链条啮入和啮出时，内、外链节作相对转动；同时，滚子沿链轮轮齿滚动，可减少链条与轮齿的磨损。 设计时，要根据载荷大小及工作条件等选用适当的链条型号；确定链传动的几何尺寸及链轮的结构尺寸。 4、齿形链 齿形传动链是由一组齿形链板并列铰接而成，工作时，通过链片侧面的两直边与链轮轮齿相啮合。齿形链具有传动平稳、噪音小，承受冲击性能好，工作可靠等优点。但结构复杂，重量较大，价格较高。齿形链多用于高速（链速v可达40m/s）或运动精度要求较高的传动。 5、链轮 （一）链轮结构 链轮有整体式、孔板式、组合式等结构 （二）链轮齿形 轮齿的齿形应保证链节能平稳地进入和退出啮合，受力良好，不易脱链，便于加工。滚子链链轮的齿形已标准化（GB1244—1985），有双圆弧齿形和三圆弧一直线齿形两种，前者齿形简单，后者可用标准刀具加工。 （三）链轮材料 常用的链轮材料有碳素钢（如Q235、Q275、45、ZG310-570等），灰铸铁（如HT200）等。重要的链轮可采用合金钢。 5.2 链传动的运动分析和受力分析 5.2.1 链传动的运动分析 5.2.2 链传动的受力分析 1、链传动的运动分析 链条进入链轮后形成折线，因此链传动的运动情况和绕在正多边形轮子上的带传动很相似。实际上，由于多边形效应，瞬时链速和瞬时传动比都是变化的。 由于从动轮角速度的速度波动将引起链条与链轮轮齿的冲击，产生振动和噪音，并加剧磨损，随着链轮齿数的增加，传动中的速度波动、冲击、振动和噪音也都减小，所以链轮的最小齿数不宜太少，通常取主动链轮（即小链轮）的齿数大于17。 2、链传动的受力分析 链传动工作时，紧边和松边的拉力不相等。若不考虑动载荷，则紧边所受的拉力为工作拉力、离心拉力和悬垂拉力之和， 5.3 链传动的主要参数及其选择 5.3.1 链传动的主要失效形式 5.3.2 额定功率曲线 5.3.3 链传动主要参数选择 5.3.4 低速链传动的设计 1、链传动的主要失效形式 链传动的失效多为链条失效。主要有： （1）链条疲劳破坏 （2）链条铰链磨损 （3）销轴与套筒的胶合 （4）滚子和套筒的冲击疲劳破坏 （5）过载拉断 2、额定功率曲线 3、链传动的主要参数选择 链传动的主要参数选择有以下几点： （1）链轮齿数 （2）链的节距 （3）传动比 （4）中心距a和链节数 4、低速链传动的设计 对于v<0.6m/s的低速链传动，其失效形式主要是链条因过载被拉断；故应按抗拉静强度条件进行计算，根据已知的传动条件，初选链条型号，然后校核安全系数。 5.4 滚子链传动的设计计算 5.4.1 链传动的布置 5.4.2 链传动的润滑 5.4.3 链传动的设计计算 1、链传动的布置 在链传动中，两链轮的转动平面应在同一平面内，两轴线必须平行，最好成水平布置，如需倾斜布置时，两链轮中心连线与水平线的夹角应小于45。 为防止链条垂度过大造成啮合不良和松边的颤动，需用张紧装置。如中心距可以调节时，可用调节中心距来控制张紧程度；如中心距不可调节时，可用张紧轮。张紧轮应安装在链条松边靠近小链轮处，放在链条内，外侧均可 2、链传动的润滑 链传动良好的润滑将会减少磨损、缓和冲击，提高承载能力，延长使用寿命，因此链传动应合理地确定润滑方式和润滑剂种类。常用的润滑方式有几种： （1）人工定期润滑 （2）滴油润滑 （3）油浴润滑 （4）飞溅润滑 （5）压力油循环润滑—用油泵将油喷到链上，喷口应设在链条进入啮合之处。 3、链传动的设计计算 链传动的设计步骤有以下几点： （1）选择链轮齿数 （2）求计算功率 （3）确定中心距a0及链节数 （4）确定链条型号和节距 （5）验算链速 （6）确定链长L和中心距 （7）求作用在轴上的力 （8）选择润滑方式 （9）结构设计 项目六 齿轮传动 齿轮传动的基本类型、特点和齿廓啮合基本定律 6.1 渐开线直齿圆柱齿轮 6.2 渐开线直齿圆柱齿轮啮合传动 6.3 渐开线齿轮的加工方法 6.4 项目六 齿轮传动 标准斜齿圆柱齿轮传动 6.7 直齿锥齿轮传动 6.8 齿轮常见的失效形式与设计准则 6.5 标准直齿圆柱齿轮传动的设计计算 6.6 齿轮的结构设计及齿轮传动的润滑和效率 6.9 6.1 齿轮传动的基本类型、特点和齿廓啮合基本定律 6.1.1 齿轮传动的分类 6.1.2 齿轮传动的特点 6.1.3 齿廓啮合基本定律 1、齿轮传动的分类 （1）按照轴线位置、啮合方式和齿向划分，可将齿轮传动分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和交错轴三大类。 （2）按照齿轮齿廓曲线的不同齿轮又可分为渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮 （3）按照工作条件的不同，齿轮传动又可分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动两种。 （4）按照齿廓表面的硬度可分为软齿面(硬度≤350HBS)齿轮传动和硬齿面(硬度＞350HBS)齿轮传动两种。 2、齿轮传动的特点 优点有：(1)传递动力大、效率高；(2)寿命长，工作平稳，可靠性高；(3)能保证恒定的传动比，能传递两轴间成任意夹角的运动。 缺点有：(1)制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；(3)不宜作轴间距离过大的传动。 3、齿廓啮合基本定律 相互啮合传动的一对齿廓，它们的瞬时接触点的公法线，必与两齿轮的连心线交于节点，该节点将齿轮的连心线所分成的两个线段与该对齿轮的角速度比成反比。两轮齿廓不论在任何位置接触，过接触点所作的齿廓公法线都必须通过中心连线的一定点，这一规律就是齿廓啮合基本定律。 6.2 渐开线直齿圆柱齿轮 6.2.1 渐开线齿廓 6.2.2 渐开线标准直圆柱齿轮的基本参数 6.2.3 标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 1、渐开线齿廓 （1）渐开线的形成 一直线在一圆上作纯滚动，该直线上任一点的轨迹称为该圆的渐开线。 （2）渐开线的性质 ①发生线在基圆上滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长。 ②因为发生线在基圆上作纯滚动，所以它与基圆的切点就是渐开线上任意点的瞬时速度中心，发生线就是渐开线在此点的法线。 ③切点是渐开线上任意点的曲率中心。离基圆越近，曲率半径越小； ④渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径无穷大时，渐开线为直线； ⑤基圆内无渐开线。 2、渐开线标准直圆柱齿轮的基本参数 渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数有5个： (1)模数 (2)压力角 (3)齿数 (4)齿顶高系数和顶隙系数 3、标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 如果一个齿轮的模数m、压力角a、齿顶高系数ha*和顶隙系数c*均为标准值，并且分度圆上齿厚s等于齿槽宽e，则该齿轮称为渐开线标准直齿圆柱齿轮。 6.3 渐开线直齿圆柱齿轮传动 6.3.1 渐开线齿廓的啮合特点 6.3.2 渐开线直齿圆柱齿轮的正 确啮合条件 6.3.3 渐开线齿轮传动的重合度 6.3.4 渐开线齿轮传动的正确安装 1、渐开线齿廓的啮合特点 渐开线齿廓的啮合特点 ： （1）传动比恒定 （2）中心距可分性 （3）啮合角不变 （4）齿面的滑动 2、渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件 由于渐开线齿轮的模数和压力角均为标准值，所以两轮的正确啮合条件为两轮的模数和压力角分别相等。 3、渐开线齿轮传动的重合度 齿轮连续传动的条件为： ε=B1B2/Pb≥1 ε称为重合度，它表明同时参与啮合轮齿的对数。ε大表明同时参与啮合轮齿的对数多，每对齿的负荷小，负荷变动量也小，传动平稳。因此ε是衡量齿轮传动质量的指标之一。 4、渐开线齿轮传动的正确安装 （1）外啮合传动 标准齿轮分度圆上的齿厚等于齿槽宽，即，而两齿轮要正确啮合必须保证两齿轮模数相等，若要保证无侧隙啮合，就要求分度圆与节圆重合,将分度圆与节圆重合时的安装，称为标准安装。 （2）齿轮齿条啮合 齿条是基圆为无穷大的渐开线齿轮，其齿廓为直线。当齿轮齿条啮合时，相当于齿轮的节圆与齿条的节线作纯滚动。 6.4 渐开线齿轮的加工方法与变位齿轮传动 6.4.1 仿形法 6.4.2 展成法 6.4.3 根切现象 6.4.4 变位齿轮传动 1、仿形法 仿形法是在普通铣床上用轴向剖面形状与被切齿轮齿槽形状完全相同的铣刀切制齿轮的方法。铣完一个齿槽后，分度头将齿坯转过3600/Z，再铣下一个齿槽，直到铣出所有的齿槽。 2、展成法 展成法是利用一对齿轮无侧隙啮合时两轮的齿廓互为包络线的原理加工齿轮的。展成法切制齿轮常用的刀具有三种： (1)齿轮插刀 (2)齿条插刀 (3)齿轮滚刀 3、根切现象 用展成法加工齿轮时，若刀具的齿顶数(或齿顶圆)超过理论啮合线极限点时，被加工齿轮齿根附近的渐开线齿廓将被切去一部分，这种现象称为根切 。标准外啮合直齿轮不发生根切现象的最少齿数为17。 4、变为齿轮传动 渐开线标准齿轮，设计计算简单，互换性好。但标准齿轮传动存在着一些局限性： (1)受根切限制，齿数不得少于17，使传动结构不够紧凑； (2)不适用于安装中心距不等于标准中心距的场合。 (3)一对标准齿轮传动时，小齿轮的齿根厚度小而啮合次数又较多，故小齿轮的强度较低，齿根部分磨损严重，因此小齿轮容易损坏，同时也限制了大齿轮的承载能力。 为了改善齿轮传动的性能，出现了变位齿轮。 6.5 齿轮常见的失效形式与设计准则 6.5.1 齿轮传动的失效形式 6.5.2 设计准则 6.5.3 齿轮常用材料及热处理 1、齿轮传动的失效形式 齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。 2、设计准则 设计齿轮传动时，应根据实际工作条件分析其可能发生的主要失效形式，以确定相应的设计准则。 （1）对于软齿面（硬度≤350HBS）的闭式齿轮传动，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式，在设计时，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。 （2）对于硬齿面（硬度＞350HBS）的闭式齿轮传动，抗点蚀能力较强，轮齿折断的可能性大，在设计计算时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。 （3）开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损。但由于磨损的机理比较复杂，目前尚无成熟的设计计算方法。故只能按齿根弯曲疲劳强度计算 3、齿轮常用材料及热处理 由轮齿失效形式可知，选择齿轮材料时，应考虑以下要求：轮齿的表面应有足够的硬度和耐磨性，在循环载荷和冲击载荷作用下，应有足够的弯曲强度。即齿面要硬，齿芯要有韧性，并具有良好的加工性和热处理性。 6.6 标准直齿圆柱齿轮的强度计算 6.6.1 齿轮的受力分析 6.6.2 齿面接触疲劳强度计算 6.6.3 齿根弯曲疲劳强度计算 6.6.4 设计参数的选择 1、齿轮的受力分析 直齿圆柱齿轮传动的受力分析 ： （1）圆周力 （2）径向力 （3）法向力 2、齿面接触疲劳强度计算 σH= ≤[σH] 3、齿根弯曲疲劳强度计算 σF= YFS≤[σF] 4、设计参数的选择 （1）主要参数的选择 ①传动比 ②模数 ③齿数 ④齿宽系数 （2）设计步骤 闭式软齿面齿轮传动，按齿面接触疲劳强度设计，确定齿轮传动几何尺寸，再校核轮齿齿根弯曲疲劳强度。闭式硬齿面齿轮传动，按齿根弯曲疲劳强度设计计算，确定齿轮传动几何尺寸，再校核齿面接触疲劳强度。开式齿轮传动通常只进行轮齿弯曲疲劳强度计算，并将所求的模数适当加大10%～30%。 6.7 标准斜齿圆柱齿轮传动 6.7.1 斜齿圆柱齿轮的形成及其 啮合特点 6.7.2 斜齿轮的基本参数和几何 尺寸计算 6.7.3 斜齿轮正确啮合的条件和重 合度 6.7.4 斜齿圆柱齿轮的当量齿数 6.7.5 斜齿圆柱齿轮的强度计算 1、斜齿圆柱齿轮的形成及其啮合特点 一对平行轴斜齿圆柱的齿轮啮合时，斜齿轮的齿廓是逐渐进入啮合、逐渐脱离啮合的。斜齿轮齿廓接触线的长度由零逐渐增加，又逐渐缩短，直至脱离接触，载荷也不是突然加上或卸下的，因此斜齿轮传动工作较平稳。 2、斜齿轮的基本参数和几何尺寸 计算 （1）螺旋角 （2）模数 （3）压力角 （4）齿顶高系数、顶隙系数和变位系数 3、斜齿轮正确啮合的条件和重合度 （1）正确啮合条件 一对外啮合斜齿圆柱齿轮传动的正确啮合条件为： ①两斜齿轮的法面模数相等； ②两斜齿轮的法面压力角相等； ③两斜齿轮的螺旋角大小相等，方向相反。 （2）斜齿轮传动的重合度 斜齿轮传动的重合度与直齿轮的相比较，有两部分组成，一部分与直齿轮传动相同的部分，称为端面重合度；另一部分是由螺旋角而产生的纵向重合度。 4、斜齿圆柱齿轮的当量齿数 过斜齿轮分度圆柱上齿廓的任一点作齿的法面，该法面与分度圆柱的交线为一椭圆。以此长度为分度圆半径，以斜齿轮法面模数为模数，取压力角为标准压力角作一直齿圆柱齿轮，则其齿轮形近似于斜齿轮的法面齿形。该直齿圆柱齿轮称为斜齿圆柱齿轮的当量齿轮，其齿数称为斜齿圆柱齿轮的当量齿数 5、斜齿圆柱齿轮的强度计算 （1）轮齿的受力分析 ①切向力 ②径向力 ③轴向力 ④法向力 （2）齿面接触疲劳强度计算 斜齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲强度计算方法与直齿圆柱齿轮相似，但由于斜齿啮合时齿面接触线的倾斜以及传动重合度的增大等因素的影响，使斜齿轮的接触应力和弯曲应力降低。 （3）齿根弯曲疲劳强度计算 6.8 直齿锥齿轮传动 6.4.1 锥齿轮传动概述 6.4.2 锥齿轮的齿廓曲线、背锥 和当量齿数 6.4.3 直齿锥齿轮传动的几何尺 寸计算 6.4.4 直齿锥齿轮的强度计算 1、锥齿轮传动概述 锥齿轮传动传递的是相交两轴的运动和动力。锥齿轮的轮齿有直齿和曲齿两种类型。直齿锥齿轮易于制造，适用于低速、轻载传动的场合，而曲齿锥齿轮传动平稳，承载能力强，常用于高速、重载传动的场合，但其设计和制造较为复杂。 2、锥齿轮的齿廓曲线、背锥和当 量齿数 （1）锥齿轮的齿廓曲线 以半球截面的圆平面为发生面，与基圆锥相切。既是圆平面的半径，又是基圆锥的锥距，圆平面的圆心 (球心)又是基圆锥的锥顶。当发生面绕基圆锥作纯滚动时，该平面上任一点的空间轨迹是位于以锥距为半径的球面上的曲线，曲线则称为球面渐开线。 （2）背锥和当量齿数 过分度圆锥上的点作为球面的切线与分度圆锥的轴线交于一点。以次为轴，另一为母线作一圆锥体，它的轴截面为截面，此圆锥称为背锥。 3、直齿锥齿轮传动的几何尺寸计算 （1）基本参数 直齿锥齿轮的各参数一般以大端参数为标准值，大端分度圆上的模数和压力角为标准值， 标准压力角为20°，齿顶高系数为1，顶隙系数为0.25。 （2）正确啮合的条件 直齿锥齿轮的正确啮合条件可以从当量圆柱齿轮的正确啮合条件得到，即两齿轮的大端模数必须相等，压力角也必须相等。 4、直齿锥齿轮的强度计算 （1）受力分析 ①切向力 ②径向力 ③轴向力 （2）齿面接触疲劳强度计算 直齿圆锥齿轮的失效形式及强度计算的依据与直齿圆柱齿轮基本相同，可近似按齿宽中点的一对当量直齿圆柱齿轮来考虑。 （3）齿根弯曲疲劳强度计算。 6.9 齿轮的结构设计及齿轮传动的润 滑和效率 6.9.1 齿轮的结构设计 6.9.2 齿轮传动的润滑 6.9.3 齿轮传动的效率 1、齿轮的结构设计 齿轮的结构形式主要依据齿轮的尺寸、材料、加工工艺、经济性等因素而定，各部分尺寸由经验公式求得。 常用的齿轮结构形式有以下几种： （1）齿轮轴 （2）实体式齿轮 （3）盘式齿轮 （4）腹板式和轮辐式齿轮 （5）组合式的齿轮结构 2、齿轮传动的润滑 齿轮啮合传动时，相啮合的齿面间既有相对 滑动，又承受较高的压力，会产生摩擦和磨损， 造成发热、影响齿轮的使用寿命。因此，必须考 虑齿轮的润滑，特别是高速齿轮的润滑更应给予 足够的重视。良好的润滑可提高效率，减少磨损 ，还可以起散热及防锈蚀等作用。 （1）齿轮传动的润滑方式 （2）齿轮润滑油的选择 3、齿轮传动的效率 齿轮传动中的功率损失，主要包括啮合中的摩擦损失、轴承中的摩擦损失和搅动润滑油的功能损失。进行有关齿轮的计算时通常使用的是齿轮传动的平均效率。当齿轮轴上装有滚动轴承，并在满载状态下运转时，传动的平均总效率η列于（本书表6-12）中，供设计传动系统时参考。 项目七 轮 系 轮系及其分类 7.1 定轴轮系及其传动比计算 7.2 周转轮系及其传动比计算 7.3 复合轮系及其传动比计算 7.4 7.1 轮系及其分类 齿轮机构是应用最广的传动机构之一。如果用普通的一对齿轮传动实现大传动比传动，不仅机构外廓尺寸庞大，而且大小齿轮直径相差悬殊，使小齿轮易磨损，大齿轮的工作能力不能充分发挥。为了在一台机器上获得很大的传动比，或是获得不同转速，常常采用一系列的齿轮组成传动机构，这种由齿轮组成的传动系称为轮系。采用轮系，可避免上述缺点，而且使结构较为紧凑。 7.1 轮系及其分类 7.1.1 轮系的分类 7.1.2 传动比 7.1.3 从动轮转动方向 1、轮系的分类 轮系可由圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮蜗杆等各种齿轮组成。根据轮系在运转过程中各轮几何轴线在空间的相对位置关系是否变动，轮系分三种类型： （1）定轴轮系——所有齿轮几何轴线的位置在运转过程中均固定不变的轮系,又称为普通轮系。 （2）周转轮系或称为动轴轮系——在运转过程中至少有一个齿轮几何轴线的位置并不固定，而是绕着其它定轴（3）齿轮轴线回转的轮系。 复合轮系——既含定轴轮系部分又含周转轮系部分、或由几部分周转轮系所组成的复杂轮系，称混合轮系或复合轮系。 2、传动比 传动比的定义为：所谓轮系的传动比，指的是轮系中输入轴与输出轴的角速度（或转速）之比。 3、从动轮转动方向 （1）箭头表示 轴或齿轮的转向一般用箭头表示。当轴线垂直于纸面时，表示背离纸面。当轴线在纸面内，则用箭头表示轴或齿轮的转动方向， （2）符号表示 当两轴或齿轮的轴线平行时，可以用正号“+”或负号“”表示两轴或齿轮的转向相同或相反，并直接标注在传动比的公式中。 （3）判断从动轮转向的几个要点 ①内啮合的圆柱齿轮的转向相同。 ②外啮合的圆柱齿轮或圆锥齿轮的转动方向要么同时指向啮合点，要么同时指离啮合点。 ③蜗杆蜗轮的转向的速度矢量之和必定与螺旋线垂直。 7.2 定轴轮系的概念 7.2.1 定轴轮系的概念 7.2.2 定轴轮系的传动比计算 1、定轴轮系的概念 所谓定轴轮系指的是所有齿轮几何轴线的位置在运转过程中均固定不变的轮系,又称为普通轮系。 2、定轴轮系的传动比计算 7.3 周转轮系及其传动比计算 7.3.1 周转轮系的概念 7.3.2 周转轮系的传动比计算 1、周转轮系的概念 所谓周转轮系指的是在运转过程中至少有一个齿轮几何轴线的位置并不固定，而是绕着其它定轴齿轮轴线回转的轮系。 据周转轮系自由度数目不同可分为： （1）行星轮系 （2）差动轮系 2、周转轮系的传动比计算 需要指出：周转轮系的传动比计算一般只适用于平行轮系，在一些特殊情况下（如下例）才能用于空间轮系。 7.4 复合轮系及其传动比计算 7.4.1 复合轮系的概念 7.4.2 复合轮系的传动比计算 1、复合轮系的概念 即含定轴轮系部分又含周转轮系部分、或由几部分周转轮系所组成的复杂轮系，称混合轮系或复合轮系。 2、复合轮系的传动比计算 求解复合轮系的传动比时，首先必须正确地把复合轮系划分为定轴轮系和周转轮系，并分别写出它们的传动比计算公式，然后联立求解。具体计算步骤有： （1）首先正确区分各个基本轮系。 （2）分别列出各基本轮系传动比计算方程式。 （3）找出各基本轮系之间的联系（桥梁）。 （4）联立求解。 划分周转轮系的方法是：先找出具有动轴线的行星轮，再找出支持该行星轮的转臂，最后确定与行星轮直接啮合的一个或几个中心轮。每一简单的周转轮系中，都应有中心轮、行星轮和转臂，而且中心轮的几何轴线与转臂的轴线是重合的。在划出周转轮系后，剩下的就是一个或多个定轴轮系。 项目八 蜗杆传动 蜗杆传动的特点和类型 8.1 普通圆柱蜗杆传动的主要参数 8.2 蜗杆传动的失效形式、材料和结构 8.3 圆柱蜗杆传动的受力分析和强度计算 8.4 圆柱蜗杆传动的效率、润滑和热平衡 8.5 8.1 蜗杆传动的特点和类型 蜗杆传动主要由蜗杆和蜗轮组成，蜗杆传动用于传递空间交错成90的两轴之间的运动和动力。 与其他机械传动比较，蜗杆传动具有以下特点： 1、传动比大，结构紧凑。 2、传动平稳，无噪音。 3、具有自锁性。 4、蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。 5、发热量大，齿面容易磨损，成本高。 8.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 8.2.1 模数和压力角 8.2.2 蜗杆头数、蜗轮齿数和传 动比 8.2.3 蜗杆直径系数和导程角 8.2.4 蜗杆传动的滑动速度 1、模数和压力角 为了方便加工，规定蜗杆的轴向模数为标准模数。蜗轮的端面模数等于蜗杆的轴向模数，因此蜗轮端面模数也应为标准模数。标准模数系列见见本教材（表8-1）。压力角标准值为20。 2、蜗杆头数、蜗轮齿数和传动比 选择蜗杆头数z1时，主要考虑传动比、效率及加工等因素。通常蜗杆头数z1=1、2、4。若要得到大的传动比且要求自锁时，可取z1=1；当传递功率较大时，为提高传动效率，可采用多头蜗杆，通常取z1=2或4。 蜗轮齿数z2=iz1，为了避免蜗轮轮齿发生根切，z2不应小于26，但不宜大于80。 对于蜗杆为主动件的蜗杆传动，其传动比为： i=n1/n2= z2/z1 3、蜗杆的直径系数和导程角 蜗杆螺旋面和分度圆柱的交线是螺旋线，展开的螺旋线与水平线之间的夹角为蜗杆分度圆柱上的螺旋线导程角。 在蜗杆传动中，规定q=d1/m称为蜗杆直径系数，表示蜗杆分度圆直径与模数的比。 4、蜗杆传动的滑动速度 蜗杆传动即使在节点处啮合，齿廓之间也有较大的相对滑动。设蜗杆的圆周速度为v1，蜗轮的圆周速度为v2，v1和v2呈90角，而使齿廓之间产生很大的相对滑动，此时的速度可称之为相对滑动速度。 相对滑动速度是沿蜗杆螺旋线方向。齿廓之间的相对滑动引起磨损和发热，导致传动效率降低。 8.3 蜗杆传动的失效形式、材料和结构 8.3.1 蜗杆传动的主要失效形式 8.3.2 蜗杆传动的材料 8.3.3 蜗杆和蜗轮的结构 1、蜗杆传动的主要失效形式 由于材料方面的原因，蜗杆螺旋部分的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，故失效常发生在蜗轮齿上。因此轮齿强度计算是针对蜗轮进行的。蜗杆传动的相对滑动速度大，因摩擦引起的发热量大、效率低，故主要失效形式为胶合，其次才是点蚀和磨损。 2、蜗杆传动的材料 蜗杆传动材料时不仅要满足强度要求，更重要的是具有良好的减摩性、抗磨性和抗胶合的能力。蜗杆一般用碳素钢或合金钢制造。 蜗轮常用锡青铜、无锡青铜或铸铁制造。近年来，随着塑料工业的发展，也可用尼龙或增强尼龙来制造蜗轮。 3、蜗杆和蜗轮的结构 蜗杆通常与轴做成一体，除螺旋部分的结构尺寸取决于蜗杆的几何尺寸外，其余的结构尺寸可参考轴的结构尺寸而定。 蜗轮的结构有整体式和组合式两类。 8.4 圆柱蜗杆传动的受力分析和强 度计算 8.4.1 蜗杆传动的受力分析和计 算载荷 8.4.2 圆柱蜗杆传动的强度计算 1、蜗杆传动的受力分析和计算载荷 蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似。齿面上的法向力Fn可分解为三个相互垂直的分力：圆周力Ft，径向力Fr和轴向力Fa。由于蜗杆轴与蜗轮轴交错成90角，所以蜗杆圆周力Ft1等于蜗轮轴向力Fa2，蜗杆轴向力Fa1等于蜗轮圆周力Ft2，蜗杆径向力Fr1等于蜗轮径向力Fr2。 2、圆柱蜗杆传动的强度计算 （1）蜗轮齿面的接触强度计算 蜗轮齿面的接触强度计算与斜齿轮相似，以蜗杆蜗轮在节点处啮合的相应参数代入赫芝公式，可得青铜或铸铁蜗轮轮齿齿面接触强度的校核公式。 （2）蜗轮轮齿弯曲强度计算 因蜗轮轮齿接触强度和热平衡计算所限定的承载能力，通常都能满足弯曲强度的要求，因此只有对于受强烈冲击、振动的传动，或蜗轮采用脆性材料时，才需要考虑蜗轮轮齿的弯曲强度。其计算公式可参阅有关书籍。 8.5 圆柱蜗杆传动的效率、润滑和 热平衡计算 8.5.1 蜗杆传动的效率 8.5.2 蜗杆传动的润滑 8.5.3 蜗杆传动的热平衡计算 1、蜗杆传动的效率 闭式蜗杆传动工作时，功率的损耗有三部分：轮齿啮合损耗、轴承摩擦损耗和箱体内润滑油搅动的损耗。所以闭式蜗杆传动的总效率为： =123 式中：1为考虑轮齿啮合损耗的效率；2为考虑轴承摩擦损耗的效率；3为考虑搅油损耗的效率。 2、蜗杆传动的润滑 由于蜗杆传动的相对滑动速度大，效率低，发热量大，因此必须注意蜗杆传动的润滑；否则会进一步导致效率显著降低，并会带来剧烈的磨损，甚至产生胶合。蜗杆传动的润滑方法和润滑油粘度可参考本教材（表8-5）。 3、蜗杆传动的热平衡计算 由于蜗杆传动的效率较低，工作时将产生大量的热。若散热不良，会引起温升过高而降低油的粘度，使润滑不良，导致蜗轮齿面磨损和胶合。所以对连续工作的闭式蜗杆传动要进行热平衡计算。 项目九 轴和轴承 轴的用途、类型和材料 9.1 轴的结构设计 9.2 轴的强度计算 9.3 滚动轴承的结构、类型和特点 9.4 滚动轴承的代号 9.5 滚动轴承的润滑 9.6 9.1 轴的用途和类型 9.1.1 轴的功用和类型 9.1.2 轴的材料 1、轴的功用和类型 轴是机器中的重要零件之一，用来支持旋转零件。根据承受载荷的不同，轴可分为转轴、传动轴和心轴三种。 （1）心轴只承受弯矩而不传递转矩。 （2）转轴既承受转矩又承受弯矩 （3）传动轴主要承受转矩，不承受或承受很小的弯矩。 2、轴的材料 轴的材料常采用碳素钢和合金钢。 碳素钢有35、45、50等优质中碳钢。 合金钢具有较高的机械性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢。 轴的毛坯一般用圆钢或锻件。有时也可采用铸钢或球墨铸铁。 9.2 轴的结构设计 9.2.1 制造安装要求 9.2.2 零件轴向和周向定位 9.2.3 结构工艺性要求 9.2.4 强度要求 1、制造安装要求 为了方便轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形。为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。 轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。 2、零件轴向和周向定位 （1）轴上零件的轴向定位和固定 阶梯轴上截面变化处叫轴肩，利用轴肩和轴环进行轴向单位，其结构简单、可靠，并能承受较大轴向力。有些零件依靠套筒定位。无法采用套筒或套筒太长时，可采用圆螺母加以固定，在轴端部可以用圆锥面定位，挡圈和弹性挡圈定位结构简单、紧凑，能承受较小的轴向力，但可靠性差，可在不太重要的场合使用。圆锥销也可以用作轴向定位，它结构简单，用于受力不大且同时需要轴向定位和固定的场合， （2）轴上零件的周向固定 轴上零件周向固定的目的是使其能同轴一起转动并传递转矩。轴上零件的周向固定，大多采用键、花键或过盈配合等联接形式。 3、结构工艺性要求 轴的形状，从满足强度和节省材料考虑，最好是等强度的抛物线回转体。但这种形状的轴既不便于加工，也不便于轴上零件的固定；从加工考虑，最好是直径不变的光轴，但光轴不利于轴上零件的装拆和定位。由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和装拆，所以实际上轴的形状多呈阶梯形。为了能选用合适的圆钢和减少切削加工量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差太大。 4、强度要求 在零件截面发生变化处会产生应力集中现象，从而消弱材料的强度。因此，进行结构设计时，应尽量减小应力集中。特别是合金钢材料对应力集中比较敏感，应当特别注意。在阶梯轴的截面尺寸变化处应采用圆角过渡，且圆角半径不宜过小。另外，设计时尽量不要在轴上开横孔、切口或凹槽，必须开横孔须将边倒圆。在重要的轴的结构中，可采用卸载槽、过渡肩环或凹切圆角增大轴肩圆角半径，以减小局部应力。在轮毂上做出卸载槽，也能减小过盈配合处的局部应力。 9.3 轴的强度计算 9.3.1 按钮转强度估算最小轴径 9.3.2 按弯扭合成强度计算 1、按钮转强度估算最小轴径 τ=T/WT= 2、按弯扭合成强度计算 9.4 滚动轴承的结构、基本类型 和特点 9.4.1 滚动轴承的结构 9.4.2 滚动轴承的类型 1、滚动轴承的结构 滚动轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。通常内圈随轴颈转动，外圈装在机座或零件的轴承孔内固定不动。内外圈都制有滚道，当内外圈相对旋转时，滚动体将沿滚道滚动。保持架的作用是把滚动体沿滚道均匀地隔开， 滚动体与内外圈的材料应具有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。一般用含铬合金钢制造，经热处理，工作表面须经磨削和抛光。保持架一般用低碳钢板冲压制成，高速轴承多采用有色金属或塑料保持架 2、滚动轴承的类型 滚动轴承的主要类型 ： （1）双列角接触球轴承 （2）调心球轴承 （3）调心滚子轴承 （4）推力调心滚子轴承 （5）圆锥滚子轴承 （6）双列深沟球轴承 （7）推力球轴承 （8）深沟球轴承 （9）角接触球轴承 （10）推力圆柱滚子轴承 （11）圆柱滚子轴承 （12）滚针轴承 9.5 滚动轴承的代号 滚动轴承的类型很多，而各类轴承又有不同的结构、尺寸、精度和技术要求，为便于组织生产和选用，应规定滚动轴承的代号。滚动轴承的代号表示方法如下： （1）内径尺寸代号 （2）尺寸系列代号 （3）类型代号 （4）前置代号 （5）后置代号 9.6 滚动轴承的润滑 滚动轴承的润滑剂可以是润滑脂、润滑油或固体润滑剂。润滑的主要目的是减小摩擦与磨损。滚动接触部位形成油膜时，还有吸收振动、降低工作温度等作用。密封的目的是防止灰尘、水分等进入轴承，并阻止润滑剂的流失。 项目十 联轴器、离合器和制动器 联轴器 10.1 离合器 10.2 制动器 10.3 10.1 联轴器 10.1.1 联轴器的功用和分类 10.1.2 常用联轴器 10.1.3 联轴器的选用 1、联轴器的功用和分类 联轴器是用来联接两轴使其一同回转并传递运动和转矩的一种机械装置。在回转过程中，被联接的两轴不能分离，必须在机器停车时将联接拆卸后两轴才能分离。 用联轴器联接的两轴，由于制造和安装误差，受载后的变形以及温度变化等因素的影响，往往不能保证严格地对中，两轴间会产生一定程度的相对位移或偏斜。因此，联轴器除了能传递所需的转矩外，还应在一定程度上具有补偿两轴间偏移的性能。 2、常用联轴器 （1）刚性联轴器 刚性联轴器结构简单，制造方便，承载能力大，成本低，但没有补偿轴线偏移的能力，适用于载荷平稳、两轴对中良好的场合。 ①凸缘联轴器 ②套筒联轴器 ③夹壳联轴器 2、常用联轴器 （2）挠性联轴器 挠性联轴器具有补偿轴线偏移的能力，用于载荷和转速有变化及两轴线有偏移的场合。 ①弹性套柱销联轴器 ②滑块联轴器 ③梅花形弹性联轴器 ④齿式联轴器 ⑤万向联轴器 ⑥链条联轴器 3、联轴器的选用 联轴器已经标准化，选用时根据工作条件选择合适的类型，然后根据转矩、轴径及转速选择型号。 （1）联轴器类型的选择 根据工作载荷的大小和性质、转速高低、两轴相对偏移的大小和形式、环境状况、使用寿命、装拆维护和经济性等方面的因素，选择合适的类型。 （2）联轴器的型号选择 根据计算转矩、轴的直径和工作转速，确定联轴器的型号和相关尺寸。 10.2 离合器 10.2.1 离合器的功用和分类 10.2.2 常用离合器 1、离合器的功用和分类 离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合。以满足机器变速、换向、空载启动、过载保护等方面的要求。离合器的要求有：接合平稳，分离迅速而彻底；调节和修理方便；外轮廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操纵方便省力。 离合器应当接合迅速、分离彻底、动作准确、调整方便。一般采用操纵离合与自动离合两种方式 。 2、常用离合器 常用离合器的类型有： （1）牙嵌离合器 （2）摩擦离合器 （3）自动式离合器 （4）离心离合器 10.3 制动器 制动器是用来降低机械的运转速度或停止机械的运转，保证机器正常安全工作的重要部件，在提升机构中还可以用来支持重物。机械制动器是利用摩擦副中产生的摩擦力来工作的。 10.3 制动器 10.3.1 块式制动器 10.3.2 带式制动器 10.3.3 内涨蹄式制动器 1、块式制动器 块式制动器是一种较常见的制动器，各种型式的块式制动器的区别主要在于制动杠杆系统和操纵系统不同。一般多为常闭式，利用弹簧与重锤合闸，利用电磁铁或人力操纵松闸。 块式制动器结构简单可靠，散热性好，调整制动块与制动轮的退距方便。但用电磁铁驱动时冲击大、噪声大、启动电流大、寿命较短，单位时间内接电次数不能多。 2、带式制动器 带式制动器的结构型式有简单式、差动式和综合式三种，其中综合式可用于双向制动。 简单带式制动器主要由制动轮、制动带、制动杠杆和重锤组成。在重锤的重力作用下，制动带抱紧在制动轮上，处于制动状态，用电磁铁实现松闸。 带式制动器结构简单，尺寸紧凑，制动转矩大，但制动带磨损不均匀，散热性差，对制动轮轴有较大压力。带式制动器常用于起重机械中。 3、内涨蹄式制动器 内涨蹄式制动器有双蹄、多蹄和软管多蹄等型式，其中双蹄式应用较广。左、右两制动蹄分别通过两支承销与制动底板联接，制动鼓与需制动的轴相联接。当压力油进入液压缸时，推动左、右两个活塞分别向左、右移动，带动两制动蹄压紧在制动鼓的内表面上，实现抱闸制动。油路卸压后，弹簧弹力使两制动蹄与制动鼓分开，制动器处于松闸状态。内涨蹄式制动器结构紧凑，散热好，密封容易，广泛用于各种车辆和安装空间受到限制的场合。 项目十一 凸轮机构 凸轮机构的应用和分类 11.1 从动件常用运动规律 11.2 图解法设计盘形凸轮轮廓 11.3 11.1 凸轮机构的应用和分类 11.1.1 概述 11.1.2 凸轮机构的分类 1、概述 凸轮机构能将主动件的连续等速运动变为从动件的往复变速运动或间歇运动。在自动机械、半自动机械中应用非常广泛。凸轮机构是机械中的一种常用机构。 凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。 凸轮机构的优点为：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便。它的缺点是凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以，通常多用于传力不大的控制机构。 2、凸轮机构的分类 （1）按凸轮的形状分类 ①盘形凸轮 ②圆柱凸轮 ③移动凸轮 （2）按从动件的形状分类 ①尖端从动件 ②滚子从动件 ③平底从动件 ④曲面从动件 （3）按从动件的运动形式分类 ①移动从动件 ②偏移放置 ③摆动从动件 11.2 从动件的常用运动规律 11.2.1 等速运动规律 11.2.2 等加速等减速运动规律 11.2.3 简谐运动规律 1、等速运动规律 从动件速度为定值的运动规律称为等速运动规律。当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数， 从动件在推程开始和终止的瞬时，速度有突变，其加速度在理论上为无穷大（实际上，由于材料的弹性变形，其加速度不可能达到无穷大），致使从动件在极短的时间内产生很大的惯性力，因而使凸轮机构受到极大的冲击。这种从动件在某瞬时速度突变，其加速度和惯性力在理论上趋于无穷大时所引起的冲击，称为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速轻载的凸轮机构。 2、等加速等减速运动规律 从动件在行程的前半段为等加速，而后半段为等减速的运动规律，称为等加速等减速的运动规律。 从动件在升程始末，以及由等加速过渡到等减速的瞬时，加速度出现有限值的突然变化，这将产生有限惯性力的突变，从而引起冲击。这种从动件在瞬时加速度发生有限值的突变时所引起的冲击称为柔性冲击。所以等加速等减速运动规律不适用于高速，仅用于中低速凸轮机构。 3、简谐运动规律 点在圆周上做匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。 由加速度线图可知，一般情况下，这种运动规律的从动件在行程的始点和终点有柔性冲击；只有当加速度曲线保持连续时，这种运动规律才能避免冲击。 11.3 图解法设计盘形凸轮轮廓 11.3.1 对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的 绘制 11.3.2 对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲 线的绘制 11.3.3 对心平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的 绘制 11.3.4 偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲 线的绘制 11.3.5 摆动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 1、对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制 2、对心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 3、对心平底从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 4、偏置移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 5、摆动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制 项目十二 间歇运动机构 棘轮机构 12.1 槽轮机构 12.2 12.1 棘轮机构 12.1.1 棘轮机构的组成和工作 原理 12.1.2 棘轮机构的类型和特点 12.1.3 棘轮机构的设计 12.1.4 棘轮机构的应用 1、棘轮机构的组成和工作原理 棘轮机构将主动摆杆的连续转动或往复运动转换成从动棘轮的单向间歇步进运动机构。棘轮机构主要由棘轮、棘爪、摆杆和机架组成。棘轮是具有齿形表面或摩擦表面的轮盘型构件，是从动件，由棘爪推动作步进运动。摆杆做连续转动或往复运动的构件，是原动件。棘爪有驱动棘爪和止回棘爪两种。是一种爪形中间构件，驱动棘爪推动棘轮旋转一定角度，止回棘爪阻止棘轮倒转。有时棘轮机构还使用弹簧紧压在止回棘爪背面上，以保证止回棘爪有效阻止棘轮倒转。 2、棘轮机构的类型和特点 常用的棘轮机构可分为齿啮式和摩擦式两大类。根据啮合方式分为外啮合式、内啮合式、棘条式和端齿式。外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块安装在棘轮的外部，加工、安装和维修方便，应用较广，其缺点是占用空间较大。内啮合式棘轮机构的棘爪或楔块安装在棘轮的内部，其特点为结构紧凑，外形尺寸小。棘条式棘轮机构，当棘轮半径为无穷大时，棘轮就成为了棘齿条，主动件往复摆动时，棘爪即推动棘齿条做单向间歇移动。 3、棘轮机构的设计 棘轮机构的设计主要是针对棘轮设计展开的，主要包括选择棘轮棘齿类型，计算棘轮的模数和齿数，确定棘轮轮齿齿面倾斜角以及棘轮机构的行程和动停比的调节方法等。现以外啮合齿式棘轮机构为例，说明其设计的主要方法和过程。 （1）选择棘轮轮齿齿形 （2）确定模数和齿数 （3）确定棘轮轮齿齿面倾斜角 （4）棘轮机构行程和动停比的调节方法 ①采用棘轮罩 ②改变摆杆摆角 ③采用多爪棘轮机构 4、棘轮机构的应用 棘轮机构种类繁多，运动形式多样，在工程实际中得到了广泛的应用，由其特点可知棘轮机构适用于速度较低和载荷不大的场合。可实现单向间歇送进，也可实现超越运动，此外棘轮机构还可实现制动（如卷扬机制动机构、杠杆控制的带式制动器）和转位、分度（手枪盘分度机构）、自动计数等运动。 12.2 槽轮机构 12.2.1 槽轮机构的组成和工作 原理 12.2.2 槽轮机构的类型 12.2.3 普通槽轮机构的运动系数及运动特性 12.2.4 槽轮机构设计 12.2.5 槽轮机构的特点和应用 1、槽轮机构的组成和工作原理 槽轮机构将主动拨盘的等速回转运动转变为槽轮时动时停的步进运动机构，又称马尔他机构。槽轮机构由拨盘、槽轮和机架等组成。主动拨盘逆时针作等速连续转动，当圆柱销未进入径向槽时，槽轮因内凹锁止弧被拨盘的外凸锁止弧锁住而静止。当圆柱销滑入槽轮的径向槽时，两锁止弧相互分离，槽轮开始在圆柱销的拨动下顺时针转动。当圆柱销脱离径向槽时，槽轮下一个内凹圆弧被拨盘的外凸圆弧锁住，槽轮停止转动，如此反复，实现了槽轮的间歇运动。 2、槽轮机构的类型 根据应用范围，槽轮机构可分为普通型和特殊型两大类。普通型槽轮机构分为外槽轮机构、内槽轮机构和槽条机构。特殊型槽轮机构种类很多，如不等臂多销槽轮机构、球面槽轮机构、偏置式槽轮机构和曲线式槽轮机构等。本章重点介绍普通型外槽轮机构。 3、普通槽轮机构的运动系数及运动特性 （1）槽轮机构的运动系数和静止系数 在一个运动循环内，槽轮的运动时间与主动拨盘转一周的总时间t之比，称为槽轮机构的运动系数。槽轮静止时间与主动拨盘转一周的总时间之比，称为槽轮的静止系数。 （2）槽轮机构的角速度和角加速度 槽轮机构的运动分析和曲柄导杆机构的运动分析相同。槽轮机构的角速度和角加速度的最大值随槽轮数的增多而减少。当轮槽数减少时，角加速度的变化增大，圆柱销开始进入和离开径向槽时所产生的冲击和磨损也增大。当机构运转速度较高，或槽轮轴承惯性较大时，这种变化就表现得更为突出。 4、槽轮机构设计 在机械中最常用的是径向槽均匀分布的外槽轮机构，该类槽轮机构的主要参数是槽轮的槽数和拨盘圆柱销数。故设计槽轮机构时，首先根据工作要求确定槽轮的径向槽数量和主动拨盘的圆柱销数量，再根据受力情况和实际的安装空间尺寸，确定中心距和圆销半径，然后逐步确定出其它结构几何尺寸。槽轮机构的运动参数和几何尺寸详细设计计算可参阅有关机械设计手册。 5、槽轮机构的特点和应用 槽轮机构可将主动拨盘的等速回转运动转变为从动槽轮的时动时停间歇运动，具有结构简单、紧凑，机械效率高等优点。与棘轮机构相比，运动较平稳，转位准确，但槽轮机构动程不能调节、转角不能太小，起停有冲击。工作时，存在加速度突变现象，产生较大惯性力，不宜用于转速过高的场合。常用于速度不高的场合，如自动机械、轻工机械或仪器仪表等。 $$