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(共18张PPT)
第1章 机械设计概论
机械设计的基本要求及一般程序
1.1
机械零件的主要失效形式及计算准则
1.2
机械零件的设计方法及步骤
1.3
机械零件材料的选用原则
1.4
现代机械设计方法
1.5
机械的概念
1.6
【学习目标】
了解机械设计的基本要求和一般程序
理解机械零件的主要失效形式及计算准则
理解机器、机构、构件的概念
1.1 机械设计的基本要求及一般程序
1．设计机器的基本要求
（1）使用功能要求
（2）经济性要求
（3）劳动保护要求
（4）可靠性要求
（5）其他专用要求
2．设计机械零件的基本要求
（1）工作能力要求
（2）结构工艺性要求
（3）经济性要求
（4）质量小的要求
（5）可靠性要求
3．设计机器的一般程序
一部新机器的设计过程大致有以下几个阶段。
（1）计划阶段
（2）方案设计阶段
（3）技术设计阶段
（4）技术文件编制阶段
1.2 机械零件的主要失效形式及计算准则
1．机械零件的主要失效形式
机械零件由于某种原因不能正常工作，称为失效。
（1）整体断裂
（2）过大的残余变形
（3）表面破坏
（4）破坏正常工作条件引起的失效
2．机械零件的计算准则
在设计时，应根据其主要的失效形式而采用相应的计算准则。
（1）强度准则 （最主要的准则）：应力
（2）刚度准则 ：变形
（3）寿命准则 ：工作时间
（4）振动稳定性准则 ：共振频率
1.3 机械零件的设计方法及步骤
1．设计方法
（1）理论设计
（2）经验设计
（3）模型实验设计
（4）参照“三化”设计
2．设计步骤
（1）选择零件的类型和结构 （2）分析和计算载荷 （3）选择合适的材料 （4）确定零件的主要尺寸和参数 （5）零件的结构设计 （6）校核计算 （7）绘制零件的工作图 （8）编写设计计算说明书
1.4 机械零件材料的选用原则
（1）使用性能要求 ：是指零件的受载情况、工作条件、零件的尺寸和质量的限制等。
（2）工艺性要求 ：是指零件所用材料应使其在毛坯制造、热处理和冷加工时都易于进行。
（3）经济性要求：尽可能选择价格低廉利用率高、加工费用低的材料。
1.5 现代机械设计方法
（1）常规设计 ：以经验总结为基础进行设计。
（2）现代设计 ：动态分析、精确计算为基础，优化设计和CAD为特征的设计。
（3）创新设计：利用人类已有的相关科学技术知识进行创新构思设计。
1.6 机械的概念
机械是机器和机构的总称。
1．机器
（1）机器的组成
① 动力装置部分。
② 执行装置部分。
③ 传动装置部分。
④ 操纵、控制及辅助装置部分。
简单的机器往往由前三部分组成，有时甚至只有动力部分和执行部分，如水泵、排风扇等。
（2）机器的特征
内燃机
1—活塞 2—连杆 3—曲轴 4—曲轴齿轮 5—凸轮轴齿轮 6—凸轮轴 7、8—气门推杆 9—缸体
① 机器是若干人为实体的组合。
② 各实体间具有确定的相对运动。
③ 能够代替或减轻人类劳动，有效完成机械功，变换或传递能量、物料和信息等。
2．机构
从机器的运动原理角度分析，机器的主体通常由一个或几个机构组成。
机器的种类很多，但组成机器的机构并不太多，常用的机构有连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、螺旋机构等。
随着机械技术的发展，一些新型传动机构也正在得到开发和应用。
3．构件、零件和部件
内燃机连杆
1—连杆体 2—螺栓 3—螺母 4—开口销 5—连杆盖 6—轴瓦 7—轴套(共16张PPT)
第2章 平面机构的结构分析
结构分析的意义
2.1
平面机构的组成原理
2.2
平面机构运动简图的绘制
2.3
机构具有确定运动的条件
2.4
【学习目标】
理解并掌握自由度、运动副的概念
了解机构运动简图的绘制方法
理解并掌握平面机构自由度的计算
理解机构具有确定运动的条件
2.1 结构分析的意义
机构是用来传递或变换运动的构件系统，且组成机构的各构件彼此间具有确定的相对运动。
然而，任意拼凑的构件组合不一定能够运动，即使能够运动，也不一定具有确定的运动。
讨论构件应如何组合才能成为机构以及机构在什么条件下才具有确定的相对运动就成为必要问题，这对分析现有机构或设计新机构具有重要意义。
实际上机械的外形和结构都很复杂，为便于分析和研究机构，在工程上常用到由简单线条和规定符号表示的机构运动简图，机械技术人员应能绘制和看懂机构运动简图。
三构件组合体
五构件组合体
若组成机构的所有构件都在同一平面或平行平面中运动，则称该机构为平面机构。
目前工程上常见的机构大多属于平面机构，故本节仅限于讨论平面机构。
2.2 平面机构的组成原理
平面机构是由多个构件通过一定的约束关系有机地组合而成的。
为了正确地分析或设计平面机构，必须了解构件的自由度、运动副和构件类型的概念。
1．构件的自由度
构件的自由度
2．运动副
机构是具有确定相对运动的构件组合体，为传递运动，各构件之间必须以一定的方式连接起来，并且能有一定的相对运动。
两构件只能相对作平面运动的运动副称为平面运动副。
两构件之间不外乎通过点、线、面来实现接触。
按两构件间的接触特性，平面运动副通常可分为低副和高副。
（1）低副
平面低副
（2）高副
平面高副
空间运动副
3．组成机构的构件类型
（1）固定构件
（2）原动件
（3）从动件(共23张PPT)
第2章 平面机构的结构分析
结构分析的意义
2.1
平面机构的组成原理
2.2
平面机构运动简图的绘制
2.3
机构具有确定运动的条件
2.4
【学习目标】
理解并掌握自由度、运动副的概念
了解机构运动简图的绘制方法
理解并掌握平面机构自由度的计算
理解机构具有确定运动的条件
2.3 平面机构运动简图的绘制
1．机构运动简图的概念
2．机构运动简图的绘制
具体绘制可按以下步骤进行。
① 分析机构的组成，确定机架、原动件和从动件。
② 由原动件开始，顺着运动传递路线，依次分析构件间的相对运动形式，再确定运动副的类型、数目和相对位置。
③ 选择适当的绘图面和原动件位置，以便清楚地表达各构件间的运动关系。平面机构通常选择与构件运动平行的平面作为投影面。
④ 选择适当的比例尺： l =
（单位为m/mm或mm/mm）。按照各运动
副间的距离和相对位置，以规定的线条和
符号绘图。
常用构件和运动副的符号见下表，一些常用机构的表示符号将会在后面各节中介绍。
2.4 机构具有确定运动的条件
1．平面机构的自由度
2．计算机构自由度的注意事项
（1）复合铰链
（2）局部自由度
（3）虚约束
复合铰链
直线机构
虚约束常出现在下列场合。
① 两构件形成多个轴线重合的转动副。
② 两构件形成多个导路平行或重合的移动副。
③ 两构件上连接点的运动轨迹互相重合。
④ 机构中具有对运动不起作用的对称部分。
局部自由度
转动副轴线重合的虚约束
移动副导路重合的虚约束
（a） （b）
运动轨迹互相重合的虚约束
对称结构引入的虚约束
3．机构具有确定运动的条件
机构的自由度即平面机构所能有的独立运动的数目。
通常机构的原动件只能输入一个独立运动。
显然，只有机构自由度大于零，机构才有可能运动。
同时，只有给机构输入的独立运动数目与机构的自由度数相等，该机构才能有确定的运动。
四杆机构
综上所述，当机构的自由度小于原动件数时，机构不能运动；当机构的自由度大于原动件数时，机构的相对运动不确定；只有当机构的自由度大于零且等于主动件数时，机构才具有确定的相对运动。
简易冲床机构设计方案及改进(共19张PPT)
第3章 平面连杆机构
铰链四杆机构的基本类型
3.1
铰链四杆机构的演化
3.2
平面四杆机构的工作特性
3.3
图解法设计平面四杆机构
3.4
【学习目标】
理解平面四杆机构的应用特点
理解并掌握铰链四杆机构基本类型及判别方法
理解平面四杆机构的运动特性
理解并掌握平面四杆机构的传力特性
了解平面四杆机构的图解法设计
平面连杆机构是许多构件用低副连接组成的平面机构。
3.1 铰链四杆机构的基本类型
1．曲柄摇杆杆机构
铰链四杆机构
牛头刨床横向自动进给机构
雷达天线调整机构
2．双曲柄机构
旋转式水泵
平行四边形机构
3．双摇杆机构
飞机起落架机构
曲柄滑块机构
3.2 铰链四杆机构的演化
1 曲柄滑块机构
2．导杆机构
导杆机构
3.摇块机构和定块机构
摇块机构及其应用
定块机构及其应用
3.3 平面四杆机构的工作特性
1．急回运动
2．死点位置
3．压力角和传动角
曲柄摇杆机构
死点的利弊
（a） （b）
机构的压力角与传动角
3.4 图解法设计平面四杆机构
四杆机构的设计方法有图解法、试验法、解析法三种。本节仅简介图解法。
1．按连杆的预定位置设计四杆机构
2．按给定的行程速比系数设计四杆机构(共23张PPT)
第4章 凸轮机构
凸轮机构的特点和类型
4.1
从动件的常用运动规律
4.2
盘形凸轮轮廓曲线的设计
4.3
凸轮机构基本尺寸的确定
4.4
【学习目标】
理解凸轮机构的应用特点和类型
理解凸轮机构从动件的常用运动规律
了解盘形凸轮轮廓曲线的图解法设计
理解并掌握凸轮机构基本参数的确定方法
凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。
在自动化和半自动化机械中应用非常广泛。
凸轮具有曲线轮廓，它通常做连续等角速转动，也有做摆动或往复直线移动的；从动件则在凸轮轮廓驱动下按预定的运动规律作往复直线移动或摆动。
内燃机配气凸轮机构
4.1 凸轮机构的特点和类型
凸轮机构的主要优点是：只要正确地设计凸轮轮廓曲线，就能使从动件实现任意给定的运动规律，且结构简单、紧凑、工作可靠、易于设计。
缺点是：由于凸轮机构属于高副机构，故凸轮与从动件之间为点或线接触，不便润滑、易磨损。
因此，凸轮机构多用于传力不大的控制机构和调节机构。
凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。
1．按凸轮的形状分类
（1）盘形凸轮
它是凸轮的最基本型式。
盘形凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件。　
（2）移动凸轮
当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架做直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。
（3）圆柱凸轮　
将移动凸轮卷成圆柱体即成为圆柱凸轮。
2．按从动件形状分类
（1）尖顶从动件
（2）滚子从动件
（3）平底从动件　
凸轮机构的从动件形状
3．按从动件运动形式
可分为直动从动件（对心直动从动件和偏置直动从动件）和摆动从动件两种。
凸轮机构中，采用重力、弹簧力使从动件端部与凸轮始终相接触的方式称为力锁合；采用特殊几何形状实现从动件端部与凸轮相接触的方式称为形锁合。
以上三种从动件都可以相对机架做往复直线移动或做往复摆动。
为了使凸轮与从动件始终保持接触，可以利用重力、弹簧力或依靠凸轮上的凹槽来实现。
4.2 从动件的常用运动规律
从动件位移线图
1．凸轮与从动件的运动关系
2. 从动件的常用运动规律
（1）等速运动
2. 从动件的常用运动规律
（2）等加速等减速运动
（3）简谐运动（余弦加速度）
4.3 盘形凸轮轮廓曲线的设计
1．尖顶对心直动从动件盘形凸轮
2．滚子直动从动件盘形凸轮
3．偏置从动件盘形凸轮
4.4 凸轮机构基本尺寸的确定
1．压力角
作用在从动件上的驱动力与该力作用点绝对速度之间所夹的锐角称为压力角。压力角越小，传动效率越高。
2．基圆
凸轮的基圆是指以凸轮最小理论向径所作的圆。增大基圆有助于减小压力角。
凸轮机构的压力角
3．滚子半径（不宜过大）
当ρmin>rT时［图（a）］，ρ‘ > 0，实际轮廓为一平滑曲线，可行。
当ρmin=rT时［图（b）］，ρ‘ = 0，实际轮廓曲线上产生尖点，加速磨损。
当ρmin滚子半径的大小影响(共14张PPT)
第5章 齿轮传动
齿轮传动的特点和分类
5.1
渐开线齿廓的形成及性质
5.2
直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
5.3
渐开线齿轮的啮合传动特性
5.4
齿轮的加工原理
5.5
变位齿轮传动
5.6
齿轮的失效形式与设计准则
5.7
齿轮常用材料及热处理
5.8
齿轮许用应力的确定
5.9
标准直齿圆柱齿轮传动的承载能力计算
5.10
斜齿圆柱齿轮传动
5.11
直齿锥齿轮传动
5.12
蜗杆传动
5.13
齿轮传动的润滑与维护
5.14
轮系
5.15
5.1 齿轮传动的特点和分类
（1）齿轮传动的特点
（2）齿轮传动的应用特点
与其他传动相比，齿轮传动具有如下优点。
齿轮传动机构
① 两轮瞬时传动比（角速度之比i12 = 1/ 2）恒定不变，运动传递准确可靠。
② 适用的圆周速度范围和功率范围较大。
③ 传动效率较高，一般为0.94～0.99。
④ 使用寿命长，结构紧凑，维护简单。
⑤ 能实现平行、相交、交错轴间的传动。
与其他传动相比，齿轮传动有如下缺点。
① 齿轮制造和安装精度要求较高，成本较高。
② 不适用于轴间距离较大的传动。
（3）齿轮传动的分类
① 齿轮传动是用来传递机器中两轴线间的运动。根据两轴线间的相对位置和轮齿齿向，齿轮传动可分为平行轴齿轮传动、相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动三大类。齿轮传动的具体类型和特点见表。
续表
② 根据工作条件的不同，齿轮传动可分为开式齿轮传动和闭式齿轮传动。
齿开式齿轮传动。
闭式轮传动。
③ 根据齿轮齿廓曲线的不同，齿轮传动还可分为渐开线齿廓齿轮传动、摆线齿廓齿轮传动和圆弧齿廓齿轮传动。由于渐开线齿廓齿轮容易制造、便于安装、互换性好，故应用最为广泛。本节只介绍渐开线齿廓齿轮传动。
（4）齿轮传动的基本要求
从传递运动和动力两方面考虑，齿轮传动应满足下列两个基本要求。
① 传动准确平稳。
② 承载能力强。(共15张PPT)
第5章 齿轮传动
齿轮传动的特点和分类
5.1
渐开线齿廓的形成及性质
5.2
直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
5.3
渐开线齿轮的啮合传动特性
5.4
齿轮的加工原理
5.5
变位齿轮传动
5.6
齿轮的失效形式与设计准则
5.7
齿轮常用材料及热处理
5.8
齿轮许用应力的确定
5.9
标准直齿圆柱齿轮传动的承载能力计算
5.10
斜齿圆柱齿轮传动
5.11
直齿锥齿轮传动
5.12
蜗杆传动
5.13
齿轮传动的润滑与维护
5.14
轮系
5.15
5.2 渐开线齿廓的形成及性质
根据渐开线的形成过程，可知其具有如下性质。
① 发生线在基圆上滚过的长度，等于基圆上被滚过的弧长，即 。
② 渐开线上任一点的法线必与基圆相切。线段NK既是基圆的切线，同时也是渐开线在K点的法线和曲率半径。
③ 渐开线上K点的速度V与作用力Fn的夹角 K称为K点的压力角。渐开线上各点的压力角不同。离基圆越远，压力角越大。
④ 渐开线的形状取决于基圆的大小。基圆半径越大，渐开线越平直。当基圆趋于无穷大时，渐开线就成为直线，这就是渐开线齿条的齿廓。
⑤ 基圆内无渐开线。
渐开线的形成
渐开线齿廓的形成
5.3 直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
1．齿轮各部分名称
（1）齿顶圆和齿根圆
（2）分度圆
（3）齿厚、齿槽宽和齿距
（4）齿顶高、齿根高和齿高
（5）齿宽
齿轮各部分名称及代号
2．直齿圆柱齿轮的主要参数
（1）齿数
（2）模数
（3）压力角
齿轮齿形与模数的关系
3．标准直齿圆柱齿轮的主要几何尺寸
渐开线标准直齿圆柱齿轮外齿轮主要几何尺寸的计算公式见下表。(共14张PPT)
第5章 齿轮传动
齿轮传动的特点和分类
5.1
渐开线齿廓的形成及性质
5.2
直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
5.3
渐开线齿轮的啮合传动特性
5.4
齿轮的加工原理
5.5
变位齿轮传动
5.6
齿轮的失效形式与设计准则
5.7
齿轮常用材料及热处理
5.8
齿轮许用应力的确定
5.9
标准直齿圆柱齿轮传动的承载能力计算
5.10
斜齿圆柱齿轮传动
5.11
直齿锥齿轮传动
5.12
蜗杆传动
5.13
齿轮传动的润滑与维护
5.14
轮系
5.15
5.4 渐开线齿轮的啮合传动特性
（1）四线合一性
（2）能保证瞬时传动比恒定
（3）中心距可分性
（4）啮合角不变
实际啮合线B2 B1不小于齿轮的法向齿距KB2。因此渐开线齿轮的连续传动条件是：B2B1≥pb。
（5）传动的连续性
实际啮合线段与基圆齿距之比称为重合度，用 表示，即
重合度越大，说明同时参加啮合的轮齿越多，传动越平稳。
一般直齿圆柱齿轮重合度为1＜ ＜2。
6. 渐开线齿轮的正确啮合条件
由pb = πmcos ，可得出渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是：两齿轮的模数和压力角必须分别相等，即
m1= m2 = m
1= 2=
由此可进一步推出传动比公式为
5.5 齿轮的加工原理
1．渐开线齿轮的加工方法及原理
（1）仿形法
（2）范成法
仿形法加工齿轮
用范成法加工齿轮
根切现象
当ha*=1， =20°时，zmin=17；
当ha*=0.8， =20°时，zmin=14。(共17张PPT)
第5章 齿轮传动
齿轮传动的特点和分类
5.1
渐开线齿廓的形成及性质
5.2
直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
5.3
渐开线齿轮的啮合传动特性
5.4
齿轮的加工原理
5.5
变位齿轮传动
5.6
齿轮的失效形式与设计准则
5.7
齿轮常用材料及热处理
5.8
齿轮许用应力的确定
5.9
标准直齿圆柱齿轮传动的承载能力计算
5.10
斜齿圆柱齿轮传动
5.11
直齿锥齿轮传动
5.12
蜗杆传动
5.13
齿轮传动的润滑与维护
5.14
轮系
5.15
1.变位齿轮的形成
5.6 变位齿轮传动
2.变位齿轮的传动类型
（1）零传动（xΣ= 0）
① 标准齿轮传动
② 高变位齿轮传动
（2）正传动（xΣ=0）
（3）负传动（xΣ＜0）
3.变位齿轮的优点
（1）可以制出齿数小于zmin而无根切的小齿轮
（2）合理选择两轮的变位系数，使大小齿轮的强度接近并降低两轮齿根部位的磨损，从而提高了传动的承载能力和耐磨性能
（3）负等移距变位齿轮传动能保持标准中心距，故可取代标准齿轮传动并改善传动质量。
5.7 齿轮的失效形式与设计准则
1．齿轮的常见失效形式
下图所示为齿轮常见的失效形式。
（1）齿面点蚀
（2）轮齿折断
齿轮的失效形式
5.8 齿轮常用材料及热处理
1. 齿轮常用材料
制造齿轮的材料主要是各种钢材，其次是铸铁，还有其他非金属材料。钢常用45、40Cr等 ，铸铁常用材料有HT250、HT300等 ，非金属材料有加夹布胶木、尼龙等。
5.9 许用应力的确定
一般的齿轮传动，其接触疲劳许用应力、弯曲疲劳许用应力分别为：
试验齿轮接触疲劳极限σH lim
试验齿轮弯曲疲劳极限σFlim
接触疲劳寿命系数ZN
弯曲疲劳寿命系数YN(共19张PPT)
第5章 齿轮传动
齿轮传动的特点和分类
5.1
渐开线齿廓的形成及性质
5.2
直齿圆柱齿轮的主要参数及几何尺寸
5.3
渐开线齿轮的啮合传动特性
5.4
齿轮的加工原理
5.5
变位齿轮传动
5.6
齿轮的失效形式与设计准则
5.7
齿轮常用材料及热处理
5.8
齿轮许用应力的确定
5.9
标准直齿圆柱齿轮传动的承载能力计算
5.10
斜齿圆柱齿轮传动
5.11
直齿锥齿轮传动
5.12
蜗杆传动
5.13
齿轮传动的润滑与维护
5.14
轮系
5.15
5.10 标准直齿圆柱齿轮传动的承载
能力计算
1．直齿圆柱齿轮的受力分析
2．齿面接触疲劳强度的计算
（1）齿面接触疲劳强度的校核公式
（2）齿面接触疲劳强度的设计公式
直齿圆柱齿轮轮齿受力分析
≤
d1≥
由于相啮合大、小齿轮的齿面接触应力相
等，而两齿轮的材料和热处理方法不尽相同。
即由于两轮的许用接触疲劳应力[σH]1、[σH]2不同，因此在应用上两式时，应取两者中的较小值进行计算。
3．齿根弯曲疲劳强度的计算
（1）齿根弯曲疲劳强度校核公式
啮合齿轮的弯曲疲劳强度条件为齿根的弯曲应力σF小于或等于齿轮的许用弯曲疲劳应力[σF]。
简化计算的齿根弯曲疲劳强度校核公式为：
式中 d1—小齿轮分度圆直径，单位为mm；
m —齿轮的模数，单位为mm；
YFS—复合齿形系数，可从图中查取。
外啮合复合齿形系数
（2）弯曲疲劳强度的设计公式
4．齿轮传动主要参数的选择
（1）齿数（z）和模数（m）
（2）齿数比（u）
（3）齿宽因数（ψd）
5．圆柱齿轮的精度等级选择
齿轮在加工过程中，由于刀具和机床本身等原因，使加工成的齿轮不可避免地产生一定的误差。
齿轮传动的传动质量与其制造质量密切相关。
加工误差大、齿轮精度低，将严重影响齿轮的传动质量和承载能力。
反之，若精度要求太高，将会给加工带来困难，提高加工成本。
因此，根据使用要求选定恰当的精度等级至关重要。
6．圆柱齿轮的结构设计与工作图
续表
圆柱齿轮工作图示例

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