机械设计基础知识和方法

壹、机械设计基础知识重点总结

机械设计的基石：关键知识点概览

机械设计的世界由零件和机构构建，它们是造和运动的基本单元。 零件作为造的基本组件，构件则承载着运动的职责，通过精心设计的机构，我们可以创造出各种功能各异的机器。 理解平面机构的自由度和速度分析是入门的关键，这包括了低副（移动副和转动副）以及高副的运动特性。

平面机构的探索

在二维空间中，构件的运动限在平行平面内。 自由度的计算公式F=3n-2Pl-Ph，其中n代表构件数，Pl和Ph是低副和高副的数量。 要注意复合铰链和虚约束的影响，它们可能改变自由度的实际计算。 计算过程涉及识别要素、确定连接关系，并逐一分析。

连杆机构的奥秘

平面连杆机构，如铰链四杆和移动副四杆机构，是机构设计的基础。 铰链四杆机构有曲柄摇杆、双曲柄和双摇杆等类型，通过特定的运动条件来区分。 急回特性，如极位角、行程速比系数和压力角，影响了机构的作效率。

凸轮与齿轮的韵律

凸轮机构以其简单设计和广泛应用受到青睐，但磨损问题不容忽。 从动件的运动规律取决于凸轮的形状，如等速、简谐或正弦加速度。 压力角和效率则与基圆半径紧密相关。 齿轮机构，如涡轮蜗杆，遵循渐开线原理，传动比和压力角决定了其性能和精度。

齿轮的精密合作

渐开线齿轮的特性包括可分性、几何尺寸和模数，齿轮的模数和压力角相等时能实现正确啮合。 齿轮传动中的重合度是保证连续平稳的重要指标，而斜齿轮则因其运转平稳和承载力强而受到青睐。

复杂的轮系与间歇运动

轮系包括定轴和周转类型，涡轮蜗杆的规则确保了它们的高效工作。 间歇运动结构，如止回棘爪和槽轮机构，展现了独特的运动特性。

材料与连接的考量

在零件设计中，材料的极限应力和磨损类型是选择材料的重要依据。 连接部分，螺纹的几何参数、防松技术和螺栓的失效形式，都是机械设计中不容忽的细节。

齿轮传动的细致解析

齿轮传动通过一对齿承担荷载，常见的失效形式包括齿面点蚀和弯曲疲劳。 热处理工艺如退火、正火和淬火能优化齿轮的性能。 圆柱齿轮设计需考虑闭式和开式的区别，以及接触应力和材料特性的平衡。

轴承和轴的配合

V带和轴的设计要考虑中心距和角度限，滚动轴承则涉及其结构、性能和寿命计算。 轴的转矩折合系数和轴承的组件分析，是确保机械系统高效稳定运行的重要环节。

机械设计的每一个环节都紧密相连，掌握这些基础知识，就能更好地构建出功能强大、性能卓越的机械设备。

壹、机械设计基础知识重点总结

机械设计基础知识总结
机械设计中，零件是造的基本单元，而构件则是运动的基本单元。 机器可能包含一个或多个机构，而同一个机构亦能组成不同的机器。 在平面机构中，构件在平行平面内运动，两构件通过接触形成运动副，低副由面接触组成，包括移动副和转动副，而高副则由点或线接触组成。
平面机构的自由度计算为3n-2Pl-Ph，其中n为构件数，Pl为低副数，Ph为高副数。 计算自由度时，应注意复合铰链、部自由度、虚约束和多个平面高副的情况。 自由度的计算步骤包括识别复合铰链、虚约束和部自由度，指出活动构件、低副、高副，计算自由度，最后判断构件的运动情况。
平面连杆机构是由多个构件通过低副连接而成的平面机构，包括全转动副的铰链四杆机构、含一个移动副的四杆机构和含两个移动副的机构。 铰链四杆机构的固定构件为机架，与机架连接的构件为连架杆，不直接与机架连接的构件为连杆。 铰链四杆机构分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。 含一个移动副的四杆机构包括曲柄滑块机构、转动导杆机构、摆动导杆机构、定块机构、摇块机构及其倒置形式。
铰链四杆机构的整转副条件为最短杆和最杆度之和小于等于其余两杆度之和。 整转副位于最短杆及其邻边处。 机构是否存在曲柄取决于机架的选择：取最短杆为机架得到双曲柄机构，取最短杆邻边为机架得到曲柄摇杆机构，取最短杆对边为机架则得到双摇杆机构。 如果最短边与最边度之和大于其余两杆，则无论取哪个构件作为机架都会得到双摇杆机构。
极位角越大，机构的急回特性越明显。 急回运动特性可通过行程速比系数K表示，K为从动件回转角与驱动力作用角之比。 压力角是判断机构传力性能的重要标志，压力角的余角称为传动角，传动角越大，机构传力性能越好。
凸轮机构的优点包括结构简单、紧凑、设计方便，但凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易磨损，适用于传力不大的控机构。 凸轮机构的从动件运动形式影响机构的冲击特性，等速运动时产生刚性冲击，简谐运动时产生柔性冲击，正弦加速度运动时无冲击。
基圆半径越小，压力角越大，传动角越小，有分力越大，传动效率越低。 平底从动件凸轮的压力角为定值。 定轴轮系和周转轮系是根据轮系中齿轮轴线是否固定而分类的。 涡轮蜗杆的左右手定则通过四指弯曲方向确定蜗杆旋转方向，拇指反向确定涡轮转动方向。
轮系传动比的计算涉及各对齿轮的齿数。 复合轮系和周转轮系的计算方法有所不同。 间歇运动结构中止回棘爪用于防止棘轮反向运动，槽轮机构的运动特性系数描述了其运动特性。
齿轮设计中，塑性材料以屈服极限为极限应力，脆性材料以强度极限为极限应力。 运动副中摩擦表面的物质损失称为磨损，零件抗磨损的能力称为耐磨性。 齿轮传动中的失效形式包括齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和齿面塑性变形。 热处理通过加热、保温和冷却改变材料的组织结构。 齿轮传动的作用力分析包括圆周力和径向力。 齿轮接触应力的验算和设计准则取决于齿轮传动的类型和工作条件。
带传动的优点包括适用于大中心距、缓和冲击、吸收振动、结构简单、成本低廉等，缺点有外廓尺寸大、需要张紧装置、传动比不稳定、寿命短、传动效率低。 带传动的滑分为弹性滑动和显著滑动，弹性滑动不可避免，而显著滑动应避免。 带传动设计准则保证带不滑并具有足够的疲劳寿命。
轴的结构设计需要考虑转矩性质，轴的中心距过小会导致带寿命减短。 V带的夹角和小轮直径需满足特定条件以避免变形和提高寿命。
滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保架组成，常用类型包括圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承和角接触球轴承。 滚动轴承的代号包括类型、宽度系列、直径系列、内径尺寸系列、内部结构和公差等级。 轴承的基本额定寿命是指一组轴承在特定条件下运转时达到的可靠寿命。 轴承允许的最大径向荷载的计算确保了轴承的正常工作。