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机械设计基础：第 11–20 页

机械设计基础 课堂笔记
• 整体断裂、塑性变形、腐蚀、磨损、胶合、接触疲劳
• 失效形式与材料、零件类型及使用工况有关
• 本课程重点讲解：静强度、疲劳强度、摩擦磨损
注意
疲劳强度失效难以预先察觉，危险性较大，需特别重视。
静强度与疲劳强度
• 静强度：针对螺纹连接、键等进行正应力和剪应力计算，应小于等于许用值
• 疲劳强度： 针对齿轮、 链传动、 滚动轴承、 轴等， 正应力和剪应力应小于等于许
用值，由疲劳极限和安全系数确定
定义
静应力：不随时间变化的应力。变应力：随时间变化的应力，与疲劳强度相关。
摩擦学设计
• 对压强、压强与速度、速度三方面进行条件性计算
• 滑动轴承中摩擦磨损问题较多，应用摩擦学设计
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机械设计基础 课堂笔记
其他设计计算
• 刚度：涉及挠度、偏转角、扭转角，细长轴等对刚度要求高的场合需特别关注
• 可靠性：零件在规定工作条件和规定使用时间内完成规定功能的概率，在轴承
部分详细讲解
定义
可靠性：机械零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概
率。
机械零件的基本要求
• 功能要求：满足预定功能（如压力容器需满足温度、压力等要求）
• 安全性：符合安全规则和标准
• 经济性：降低整体成本
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机械零件设计的一般程序
• 明确任务，确定要实现的功能
• 进行整体设计，给出技术设计方案
• 样机试制或批量生产
课程设计与减速器绘制
• 前期制图课画减速器时，尺寸由老师给定，学生按图抄画
• 本次课程设计（第 19-20 周）中，所有尺寸需通过本课程 48 学时所学知识自行
设计计算得出
• 每个学生的设计数据已通过公告下发
注意
课程设计与前期制图练习的最大区别：前期是给定尺寸抄画，本次是自行设计
所有尺寸。 装配图、 零件图的标注需结合互换性课程知识 （如公差、 配合标注） 。
课程设计任务概述
• 本次课程设计为一级减速器设计，只有一对齿轮啮合（小齿轮 + 大齿轮）
• 每位同学的初始数据不同（公告中已下发） ，因此设计结果各不相同
• 减速器装置包含两根轴：高速轴和低速轴
• 轴和轴上零件最终都安装在 箱体中，箱体分为上箱盖和下箱体，通过螺栓、螺
母连接
• 设计完成后需提交三视图（左视图必画） 、标题栏和明细栏
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减速器的主要组成零件
• 轴：高速轴、低速轴（第十五章讲解轴的设计）
• 齿轮：小齿轮、大齿轮
• 轴承：滚动轴承，安装在箱体的轴承座上（第十三章讲解选型与校核）
• 轴承盖：用于封闭轴承
• 垫片：用于调整和密封
• 螺栓、螺母：连接上下箱体
• 键连接：实现齿轮与轴之间的周向固定，传递转矩
• 润滑与密封：涉及垫片等零件的润滑密封问题
齿轮轴（小齿轮直接加工在轴上）
定义
齿轮轴：小齿轮直接加工在轴上，轴与齿轮为一体，不再单独加工齿轮零件。
• 当小齿轮的齿根圆直径与轴段直径相差不大时，无法单独加工齿轮再与轴配合
• 若单独加工，齿轮的孔会很大，与轴配合时轮缘太薄，强度不足
• 因此小齿轮设计为齿轮轴，高速轴即齿轮轴
• 大齿轮尺寸较大，作为独立零件单独加工，再与轴通过键连接配合
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例
小齿轮齿根直径与轴径接近 → 做成齿轮轴；大齿轮尺寸大 → 单独加工，用键
与轴连接。
键连接的作用
• 键连接实现齿轮与轴之间的周向固定
• 传递转矩（从电动机传来的转矩经齿轮传动传递）
• 齿轮上有键槽，轴上也有键槽，键装入后实现连接
• 齿轮轴（小齿轮）不需要键连接，因为齿轮与轴为一体
大齿轮的轴向定位
• 大齿轮从下方装入轴（从轴环一侧装入）
• 轴环的作用：实现齿轮的轴向定位，保证齿轮在传动中有准确的工作位置
• 齿轮另一侧通过套筒（此处称为导流环）进行轴向定位
• 轴的结构设计需同时考虑轴向定位和周向固定
注意
轴向定位（轴环、套筒）与周向固定（键连接）是两个不同的概念，不要混淆。
轴向定位保证零件在轴上的轴向位置，周向固定保证零件与轴一起转动并传递
转矩。
课程设计解决的问题
• 给定工作机三个初始数据：
– F：工作拉力（约 3000∼4200 N）
– v：物料移动的线速度（约 1 m/s）
– d：卷筒直径
• 任务：将物料从 A 点输送到 B 点
• 解决方案有多种（机械手、气缸推动等） ，本课程统一采用电动机驱动 + 带传动
+ 齿轮传动的方案
传动方案（统一方案）
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• 电动机 → V 带传动（一级减速）→ 齿轮传动（二级减速）→ 联轴器 → 卷筒 →
输送物料
• 电动机转速较快（同步转速 1000 或 1500 r/min） ，而卷筒转速较慢（约75∼100
r/min） ，因此需要减速装置
例
电动机 1500 r/min， 卷筒约75 r/min， 转速相差大， 必须通过带传动和齿轮传动
逐级减速。
带传动的类型
• 摩擦型带传动：如 V 带传动，靠摩擦力传递动力（本设计选用）
• 同步带传动：靠齿啮合传动，如汽车、3D 打印机中的同步带
联轴器的作用
定义
联轴器： 连接两根轴 （减速器低速轴与卷筒轴） ， 使其一起转动并传递转矩的装
置。
• 减速器低速轴与卷筒轴若做成一体，安装不方便，因此分别制造后用联轴器连
接
• 联轴器由两个半联轴器组成：主动端（连接低速轴） 、从动端（连接卷筒轴）
• 两个半联轴器通过螺栓连接，称为凸缘联轴器
• 联轴器有专门章节讲解
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电动机的选择
• 工作机所需功率：Pw = F × v
• 电动机所需功率：Pd = Pw / η （η 为总效率）
• 总效率 η 包含各环节效率：
– V 带传动效率
– 齿轮传动效率
– 轴承效率（高速级轴承、低速级轴承）
– 联轴器效率
– 运输机与滑动轴承效率（ηw ≈ 0.96 ）
注意
效率值需查教材附录（课本第 16 页传动效率表） ，不要凭记忆估算。
• 选择电动机型号时，额定功率必须大于等于电动机所需功率 Pd
• 建议选择同步转速为 1000 r/min 或 1500 r/min 的电动机
• 电动机参数（额定功率、同步转速、满载转速）在课本最后一页附录中查找
传动比的计算与分配
• 总传动比 = 电动机满载转速 / 工作机转速
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机械设计基础 课堂笔记
• 总传动比分配给带传动和齿轮传动两部分
• 传动比分配在讲完带传动和齿轮传动后再进行，暂不要求
注意
传动比分配暂不做，等讲完带传动和齿轮传动后再完成。当前只需完成电动机
的选择。
课程设计进度安排
• 当前阶段：完成电动机的选择（可参考教材例题）
• 后续：讲完带传动和齿轮传动后，提交前期初步数据
• 计算过程需用纸张保存，后续提交
• 疑问可通过雨课堂或课堂讨论解决
09 月 04 日
运动副的定义
• 运动副：两构件之间直接接触，并能做相对运动的可动连接。
• 内燃机曲柄滑块机构中， 曲柄与连杆、 连杆与活塞、 曲柄与机架、 活塞与机架之
间均构成运动副。
定义
运动副是两构件之间直接接触，并且能做相对运动的可动连接。
运动副的分类依据
• 运动副以接触特性为依据进行分类。
• 接触类型分为：面接触、点接触、线接触。
• 按接触类型将运动副分为两大类：低副和高副。
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低副
• 低副：两构件通过面接触构成的运动副。
• 低副分为两种：移动副和转动副。
定义
低副是两构件通过面接触构成的运动副。
移动副
• 构件一相对构件二只能在 X 方向（或 Y 方向）上移动。
• 两构件之间为面接触，属于低副。
• 具体称为移动副。
转动副
• 转动副也称铰链副。
• 两构件间的相对运动为转动。
• 类比：门与门框（机架）之间构成转动副，门可绕其在一定角度范围内摆动。
• 在 xoy 平面内，相当于绕 z 轴在平面内转动。
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例
门与门框之间构成转动副，门可绕转动副在一定角度范围内摆动。
高副
• 高副：两构件通过点接触或线接触构成的运动副。
• 典型高副有两种：凸轮高副和齿轮高副。
定义
高副是两构件通过点接触或线接触构成的运动副。
凸轮高副
• 凸轮机构中，凸轮做整周回转，推动从动件做直线往复运动。
• 凸轮与从动件之间为点接触，构成凸轮高副。
齿轮高副
• 一对齿廓在啮合过程中为线接触。
• 该线接触构成齿轮高副。
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