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机械设计 （不全，缺2，3，4，5，8，9，10，13，14，15） 前言     《机械设计》 课程是机械工程类诸专业的主干课程之一，是培养学生机械设计能力的重要技术基础课。通过本课程的学习，可使学生了解、掌握系统的机械设计理论和方法，并具有综合运用有关课程、标准和规范等知识，进行机械设计的基本知识和初步能力。     《机械设计》 课程的主要内容包含以创新精神为核心的机械设计的指导思想、基本理论和基本知识，以及机械中通用零部件的工作原理、结构类型和特点、运动特性、受载情况和失效形式、设计准则及设计者计算的基本理论和方法。还包括相关的标准和规范、以及使用和维护方法。在典型零部件的设计中，主要介绍联接零件（包括螺栓联接、键联接等），传动零件（包括齿轮传动、蜗杆传动和带传动），轴系零件（包括轴、轴承、联轴器和离合器），以及其它零件的设计。通过本课程的学习，将为进一步学习有关专业课和今后从事机械设计工作，直接服务于社会奠定良好的基础。     《机械设计》 课程目前采用的主教材是：高等教育出版社出版，邱宣怀主编的 《机械设计（第四版）》。辅助 教材是：机械工业出版社出版，黄珊秋主编的 《机械设计课程设计》；地震出版社 出版，程建辉主编的 《机械原理及机械设计试验》。     另外，向学习者推荐的参考书有： 青岛海洋大学出版社出版，吕先起主编的 《机械设计》； 高等教育出版社出版，濮良贵、纪名刚主编的 《机械设计（第六版）》； 高等教育出版社出版，吴宗泽主编的 《机械设计》等。     《机械设计》 课程目前安排：讲授学时约为 60h ，另外安排（ 4 ～ 8)h 的实验。一般学习者自修、复习时间与课内时间之比约为（ 1 ～ 1.8 ） :1 。课程计划讲授十章 , 具体学时分配见表 1 。此外，课程学完后，为使学习者得到系统、综合性的训练，还应安排进行三周的课程设计。 第一章 机械设计概论（绪论）     机器是现代文明的主要标志，是人类进行经济、文化等各项活动的主要工具。现代的机器不仅可以减轻体力劳动强度、提高劳动生产率，而且还能极大地扩大、延伸人体自身的功能，使人们飞得更高、跑得更快、潜得更深、看得更远、听得更广、想得更多、记得更细、算得更准…总之，人类依靠机器把“上九天揽月”的幻想变成了现实。     机械设计是应用某种原理、方法开发创造新的机器或机构的研究性脑力劳动过程，它也包含在原有机械的基础上重新设计，对整体或局部进行改进，以提高原有机械的性能。这其中，通用机械零件的设计构成了机械设计工作的主要内容之一，也是本课程的主题。 一、本章课时按排 本章约为 2 课时讲完。具体安排如下： 1.1 机械设计课程的性质和任务 1.2 设计机器的基本原则和程序   1.2.1 设计机器时应满足的要求   1.2.2 设计方法   1.2.3 设计程序   1.2.4 技术经济评价 1.3 机械零件设计概述   1.3.1 设计机械零件时应满足的要求   1.3.2 设计步骤   1.3.3 设计计算和校核计算   1.3.4 标准化、系列化、通用化 1.4 结构设计 1.5 设计的审查 1.6 设计人员的素质 1.7 机械设计的新发 二、基本内容和教学要求 1. 掌握的内容 (1) 设计机器的基本原则和程序。 (2) 设计机械零件要满足的要求和步骤。 2. 一般了解的内容 (1) 机械设计课程的性质和任务。 (2) 机械系统、机械、机器、器械、仪器、零件、通用零件等概念。 (3) 机械零件的设计计算和校核计算。 三、本章思考题 1. 本课程的研究对象是什么？通过本课程的学习应达到什么要求？ 2. 设计机器的基本原则和设计程序有哪些？ 3. 设计机械零件要满足的要求和具体步骤有哪些？ 第六章 螺纹联接     螺纹联接是利用螺纹联接件（也称紧固件）和被联接件构成的的可拆联接。应用十分广泛。     通过本章学习的内容有：螺纹的类型和主要参数；螺纹连接的主要类型、拧紧和防松；螺栓及螺栓组联接的工作原理和设计计算方法；提高螺栓联接强度的措施等。 一、 本章课时按排（ 8 学时 ） 补充内容：螺纹的种类和主要参数 6.1 螺纹连接的主要类型、材料和精度   6.1.1 主要类型（表 6.1 ）     1. 螺栓联接        受拉螺栓        受剪螺栓     2. 双头螺柱联接     3. 螺钉联接     4. 紧定螺钉联接   6.1.2 螺纹紧固件的性能等级和材料     1. 紧固件定义     2. 性能等级和材料   6.1.3 螺纹公差和精度     1. 公差     2.精度 6.2 螺栓联接的拧紧和防松   6.2.1 螺栓联接的拧紧     1. 拧紧的目的     2. 拧紧力矩和预紧力     3. 拧紧力矩的控制   6.2.2 螺栓联接的防松     1. 防松的目的     2. 防松的原理     3. 防松的分类 6.3 单个螺栓联接的受力分析和强度计算   6.3.1 受拉螺栓联接     1. 受拉松螺栓联接     2. 受拉紧螺栓联接   6.3.2 受剪螺栓联接     1. 抗剪强度条件     2. 抗挤压强度条件   6.3.3 许用应力 6.4 螺栓组联接的受力分析   6.4.1 受轴向力 F Q 的螺栓组联接   6.4.2 受横向力 F R 的螺栓组联接     1. 受拉螺栓组联接     2. 受剪螺栓组联接   6.4.3 受旋转力矩 T 的螺栓组联接     1. 受拉螺栓组联接     2. 受剪螺栓组联接   6.4.4 受翻转力矩 M 的螺栓组联接 * 螺栓组典型受载小结 6.5 提高螺栓联接强度的措施   6.5.1 改善螺纹牙受力分配   6.5.2 减少附加应力   6.5.3 减轻应力集中   6.5.4 降低应力幅   6.5.5 选择适当的预紧力并保持不减退   6.5.6 改良制造工艺 二、基本内容和教学要求 1. 重点掌握的内容    (1) 单个螺栓联接的受力分析和强度计算：尤其是同时受轴向工作载荷和预紧力作用的受拉紧螺栓联接的受力分析，及受力－变形图；掌握受拉螺栓联接、受剪螺栓联接的力学模型及强度计算方法；。    (2) 螺栓组联接的受力分析：以螺栓联接为例，求解螺栓组受 4 种基本的外载荷及其组合作用时各螺栓联接所受的工作载荷。 2. 掌握的内容    (1) 螺纹的主要类型、联接（紧固）螺纹的主要特点、与传动螺纹的比较。    (2) 螺纹连接的 4 种主要类型及其工作原理和适用场合。    (3) 螺栓联接的拧紧和防松：掌握拧紧及计算和实施方法；防松的目的、原理、分类及结构。    (4) 提高螺栓联接强度的措施：分析提高联接强度的原理、结构及措施。 三、本章小结     螺纹联接的设计是否正确、合理，螺纹联接件能否正常工作不仅关系到整个机电产品的质量，而且与整个机电系统的可靠性息息相关，因此本章是本课程的重点章节之一。     由于本章中螺栓组联接的受力分析与单个螺栓强度计算密切相关，并且与受力－变形图相对应的计算变化较巧妙，因此，要把螺栓组、单个螺栓、受力－变形图计算交叉、反复进行。     本章大量用到螺纹传动原理基础，请根据自己情况安排补充。 1. 单个螺栓联接的受力分析和强度计算 单个螺栓受力 2. 螺栓组四种典型受载计算     工程上常见的螺栓组典型受载情况有四种：     (1) 受轴向力 F a ；     (2) 受横向力 F R ；     (3) 受旋转力矩 T ；     (4) 受翻转力矩 M 。     各种情况的计算公式和应用情况见表 2 。 相同： 为 与 的组合 不同： 表 2 螺纹联接计算公式 计算分类 计算公式 单 个 螺 栓 联 接 受拉螺栓联接 松联接 （ 6.3 ）   紧联接 工作前 （ 6.4 ） （介绍 F ‘ 放大 30 ％的来由） 通过讲解单个受拉螺栓拧紧前、拧紧，受工作载荷三个过程表征和被联接件的受力变形过程，介绍受力—变形图 ，螺栓载荷由 F ‘ ～ F 0 的变化 工作后 （ 6.9 ） （介绍 F 0 放大 30 ％的来由） 受剪螺栓联接 抗剪切强度条件 （ 6.11 ） 抗挤压强度条件 （ 6.12 ） （介绍 、 值的取法） 螺 栓 组 的 四 种 典 型 受 载 情 况 受轴向力 F a （ 6.13 ） 受横向力 F R 受拉螺栓 （ 6.14 ） 受剪螺栓 （ 6.15 ） 受旋转力矩 T 受拉螺栓 （ 6.16 ） 受剪螺栓 （ 6.17 ） 受翻转力矩 M 受拉螺栓 （ 6.18 ） 相同：总载荷仅有 或 不同： 四、本章思考题 1. 为什么联接用螺纹采用单线三角形螺纹？机床传动丝杠采用单线梯形螺纹？摩擦压力机螺杆采用多线梯形、矩形螺纹？ 2. 说明螺栓联接、双头螺柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接的结构和使用场合。 3. 什么叫松螺栓联接？什么叫紧螺栓联接？ 4. 为什么说螺栓受力和联接所受的载荷既有联系又有区别？螺栓组受横向力时，螺栓是否一定受剪力？ 5. 螺栓组联接受力分析中，联接受什么载荷、采用什么螺栓时，螺栓只受预紧力 F ‘ ？联接受何种载荷时，螺栓同时受到预紧力 F ‘ 和工作载荷 F ？ 6. 对于受翻转力矩 M 作用的螺栓组联接，保证其可靠工作的条件有哪些？怎样决定螺栓的预紧力 F ‘ ？如果受 M 的同时还受到轴向力 F Q ，怎么决定预紧力 F ‘ ？ 7. 在紧螺栓联接中，为何把预紧力 F ‘ （或总拉力）加大 30 ％后按纯拉伸计算螺栓的螺纹直径 d 1 ？ 8. 在受轴向力 F Q 的紧螺栓联接中、保持一定的剩余预紧力 F ” 有何意义？ 9. 用力 - 变形关系图分析受轴向工作载荷 F Q 作用的紧螺栓联接中、单个螺栓受到的 F 0 与 F ‘ 、 F 、 F ” 的关系以及 F ‘ 与 F ” 、 F 的关系？ 10. 说明应用公式（ 6.6 ）～（ 6.9 ）对受不变轴向力的螺栓组联接进行校核计算和设计计算的步骤。 11. 试述受轴向变载荷螺栓联接的设计方法。 12. 螺栓和被联接件的刚度对螺栓的总拉力 F 0 有何影响？采用什么措施可以减小螺栓的刚度和提高被联接件的刚性？ 13. 联接螺纹都是自锁的，为何螺纹联接中大多数联接仍采用防松措施？说明各种防松方法的原理和常用结构。 14 ．为避免螺栓受到附加应力的影响，在结构上可采用哪些措施？ 15. 当工作载荷 F 及剩余预紧力 F ” 不变时，如何提高轴向变载荷螺栓的疲劳强度。 第七章 键、花键联接     键和花键是实现轴与轴上零件轮毂之间的周向定位与固定以传递转矩的轴毂联接。其中，有的还能起到轴向固定作用，传递一定的轴向力；有的则能构成轴向动联接。     键联接和花键联接多被应用于机械传动装置等场合。 一、本章课时按排 本章约为 2 课时讲完。具体安排如下： 7.1 键联接   7.1.1 键联接的典型构造、工作原理、特点与分类     1. 平键联接     2. 半圆键联接     3. 楔键联接     4. 切向键联接   7.1.2 平键联接的设计计算     1. 平键联接的选择设计     2. 平键联接的强度校核计算 7.2 花键联接   7.2.1 花键联接的分类、构造和特点     1. 矩形花键联接     2. 渐开线花键联接     3. 与平键联接的比较   7.2.2 花键联接的设计计算     1. 花键联接的选择设计     2. 花键联接的强度验算 二、基本内容和教学要求 1. 重点掌握的内容 平键联接的选择设计和强度校核计算 2. 掌握的内容 (1) 平键联接、半圆键联接的典型构造、工作原理、特点与应用。 (2) 花键联接的分类、构造和特点。 3. 一般了解的内容 (1) 楔键联接、切向键联接的构造、工作原理、特点与应用。 (2) 花键联接的设计计算。 三、本章小结     键和花键联接是机器的传动装置常用的零件之一。本章具体介绍四大方面的内容： 1. 键联接的典型构造、工作原理、特点与分类     根据键联接的工作原理不同将其分为松联接和紧联接两大类：以平键、半圆键为代表的松联接中键的两侧面是工作面，靠键的工作面与被联接件间的互压传递转矩，对定心精度影响小，可实现动联 。 以楔键为代表的紧联接中键的上下面是工作面，安装楔紧后，靠键、轴、毂之间的摩擦力和键的工作面与被联接件间的偏压来传递转矩，可实现被联接件间的轴向固定 , 但对定心精度影响较大 。 2. 平键联接的设计计算     平键联接的选择设计是根据被联接的轴径查标准选择键的截面尺寸 b × h ； 由被联接的轮毂长度 B 查标准选择键的长度尺寸 L=B- (5 ～ 10) 。     平键联接的强度校核计算是针对联接中较弱零件的工作面被压溃 ( 静联接 ) 或磨损 ( 动联接 ) 这一主要失效形式进行的，由挤压强度计算或耐磨的条件性计算，确定键联接所能传递的转矩，具体计算公式见表 3 。 3. 花键联接的类型、构造 花键联接 4. 花键联接的设计计算 ??? 与平键联接类似，先根据联接的要求、条件选择花键联接的类型，并查标准确定其尺寸。再验算齿面的挤压强度 ( 静联接 ) 或耐磨性 ( 动联接 ) ，确定并校验该花键联接所能传递的转矩，具体计算公式见表 3 。 表 3 平键联接、花键联接的强度校核计算公式 联接形式 平键联接所能传递的 转矩 T 花键联接所能传递的 转矩 T 静联接 动联接 四、本章思考题 1. 试述普通平键联接、楔键联接、花键联接的工作原理及结构特点。 2. 平键联接分为哪三类？导向平键、滑键各用于什么场合？它们是如何固定的？ 3. 圆头、方头、圆方头普通平键各用于什么场合？轴上的键槽是如何加工的？ (1) 举例说明键联接中的动联接和静联接。 (2) 试述普通平键联接的设计步骤。 (3)平键联接的主要失效形式是什么？应用表 3 的强度计算公式验算它的工作能力时，许用挤压应力 或许用压强 是依据什么确定的？ 第十一章 带传动     带传动是由紧绕在两个（或两个以上的）带轮上的传动带和带轮组成，靠带与带轮接触面之间的摩擦力来传递运动和动力的一种挠性摩擦传动。 一、 本章课时按排 本章约为 7 课时讲完。 1. 第一次讲课内容 (2 课时 ) 11.1 概述   11.1.1 传动形式   11.1.2 优缺点   11.1.3 应用范围 11.2 带和带轮   11.2.1 平带和带轮   11.2.2 V 带和带轮   11.2.3 带轮轮辐计算 11.3 带传动的几何计算 11.4 带传动的计算基础   11.4.1 作用力分析 2. 第二次讲课内容 (2 课时 )   11.4.2 带的应力   11.4.3 弹性滑动、打滑和滑动率   11.4.4 带传动的疲劳强度   11.4.5 提高带传动工作能力的措施 3. 第三次讲课内容 (2 课时 )   11.5 V 带传动设计     11.5.1 V 带传动和平带传动的比较     11.5.2 传动参数的选择   11.6 平带传动设计 4. 第四次讲课内容 (1 课时 )   11.7 带传动的张紧装置   11.8 同步带传动设计   11.9 其他带传动简介     11.9.1 高速带传动     11.9.2 多楔带传动 二、基本内容和教学要求 1. 基本内容     本章主要内容是带传动的类型、工作原理、特点及应用，带传动的受力情况、带的应力、弹性滑动和打滑，以及 v 带传动的设计准则和设计方法等。最后对高速带传动和同步带传动作了简要介绍。 2 ．教学要求 1 ）． 掌握带传动的工作原理，从而对带传动的优缺点及其应用范围有所了解，以便正确选用。 2 ）．重点掌握带传动的力和应力分析、弹性滑动和打滑的原因及二者间的本质区别，从中了解影响带传动能力和疲劳寿命的各个因素，以便正确选择有关参数。 3 ）． 理解并重点掌握带传动的主要失效形式和计算准则，掌握带传动传递能力计算公式的物理意义和有关参数的正确选择以及 V 带传动的设计计算。 4 ）．对其他带传动简介只要求一般了解。另对反映挠性体摩擦基础理论的欧拉公式的物理意义及其应用、带轮结构及 V 带传动的张紧装置等作一般了解。 三、本章小结 1 ．带传动的有效拉力     带传动中，带以一定的拉力 ( 称为张紧力 F o) 张紧在一对带轮上，使带和带轮相互压紧。不工作时，带中的拉力相等，均为 F o ；当工作时，由于带与轮面间的摩擦力使其一边拉力增大到 F 1 ，称为紧边拉力；另一边拉力减小到 F 2 ，称为松边拉力，两者之差 F ＝ F 1 - F 2 即为带的有效拉力，它等于沿带轮接触弧上摩擦力的总和，这也是摩擦型带传动的工作原理。在一定条件下，摩擦力有一极限值 F max , 如果工作载荷超过此极限值，带就在轮面上打滑，传动不能正常工作。摩擦力的极限值取决于带的张紧程度、包角大小、带及带轮的材料、状态等因素。 2 ．带的应力     带传动工作时的应力有：     1). 拉应力：分布于整个带长，分为由紧边与松边拉力所产生的紧边拉应力 σ 1 与松边拉应力 σ 2 ，其中包含由离心拉力产生的离心拉应力 σ c 。     2). 弯曲应力 σ b ：由于带绕过带轮弯曲而产生的弯曲应力 σ b1 、 σ b2 只分布于带绕上带轮处。为使 σ b1 不过大，要限制小带轮直径 d dmin 不可过小。     由带的应力沿带长的分布图可直观地得出如下两点结论：     ①带工作时最大应力一般发生在紧边绕入小带轮处，其值为： σ max ＝ σ 1 十 σ b1     ②带中某一截面的应力是随工作位置不同而异，即带工作时受周期性循环变应力作用。因此，当应力循环次数达到一定值后，带将发生疲劳破坏。 3 ．带传动中的弹性滑动和打滑     要正确区分弹性滑动和打滑这两种既有区别又有联系的物理现象。从产生的原因来讲，弹性滑动是由带本身的弹性和带传动两边的拉力差 ( 未超过极限值 ) 引起的，带传动只要传递动力，两边就必然出现拉力差，所以弹性滑动是不可避免的；而打滑则是由于带传动载荷过大使两边拉力差超过极限摩擦力时引起的，因此，打滑是可以避免的。从现象上来讲，弹性滑动是带与带轮在局部接触弧面上发生的微量相对滑动；打滑则是整个带在带轮的全部接触弧面上发生的显著相对滑动。二者的内在的联系在于：打滑是弹性滑动从量变到质变的飞跃。从产生的后果来讲，由于滑动率很小，所以弹性滑动只导致传动比的细微变化（使从动轮的线速度降低）和不准确，造成带的轻微磨损；打滑则使得带传动丧失传动能力，造成带的严重磨损，所以打滑是带传动主要失效形式之一。 4 ．带传动的主要失效形式与设计准则     带传动的主要失效形式是打滑和疲劳破坏，所以其设计准则是：在保证不打滑的前提下，使带具有一定的疲劳强度和寿命。同时满足这两个条件的单根 v 带传动所能传递的功率为      kW     可见，带所能传递的功率与摩擦系数 μ 、包角 α 、带的型号 ( 带的截面积 A) 、带速 v 、小带轮直径以及带的材质 ( 许用应力 [ σ ]) 有关。特殊条件（工作载荷平稳、包角 180 o即传动比为 1 、特定带长）下，单根普通 V 带所能传递的功率 P o 可查手册。对不同工况、包角、带长和材质的实际工作条件下的单根 V 带所能传递的功率应对 Po 作相应修正；用总的计算功率除以实际条件下单根 V 带所能传递的功率即可得到带的根数。 5.V 带传动参数的选择     V 带传动的设计中，关键应注意传动参数的合理选择，主要包括以下几点：     1）. 最小带轮直径 D min , 限制最小带轮基准直径主要是因为，带轮直径愈小，弯曲应力愈大，为不致使弯曲应力过大加剧带的破坏，规定了不同型号的带轮最小直径，在设计时还应尽量采用标准直径系列中的带轮直径。     2） . 最佳带速，因为带速过高会使带的离心力加大，这会降低带与带轮间的正压力，使摩擦力下降，传动能力下降 , 同时单位时间内带的循环次数增加，会降低带的寿命；而带速过低，会使圆周力加大，导致增加带的根数。一般要求最佳带速为 5 ～ 25m/s 。     3） . 中心距 a, 中心距愈小，则带的长度愈短，在一定速度下，单位时间内带的应力循环次数愈多，会加速带的疲劳破坏；而中心距过大，当带速较高时易引起颤动，所以应根据经验公式选取。     4） . 包角 α , 带传动设计中应尽量增大包角 α ，一般不小于 120 ° o。增大包角的措施有：合理布置松紧边（即紧边在下的原则）；减小传动比；增大中心距；采用张紧轮等。 　　5）. 张紧力 F 0 , 张紧力的大小对带传动的正常工作和使用寿命影响很大，张紧力不足则摩擦力小，带传动易出现打滑；而张紧力过大，则带的寿命短，轴和轴承受力过大，所以应根据公式计算，既能保证传动功率又不出现打滑。 四、本章思考题 1.  与齿轮传动相比，带传动的优缺点何在？ 2.  与平带传动比较， v 带传动有何优缺点 ? 3.  在相同条件下，为什么 v 带比平带的传动能力大 ? 4.  我国生产的普通 v 带有哪几种型号 ? 型号与截面尺寸关系怎样？ 5.  带传动的工作原理是什么？并作图具体分析。 6.  为什么普通 v 带楔角为 40 °，而其带轮的槽形角常制成 34 °、 36 °或 38 ° ? 7.  何为带的紧边拉力和松边拉力 ? 它们与带传动的有效拉力之间关系如何 ? 8.  带的外表面有“ A 1400 GB/T 11544-1997 ”标号，代表何意？ 9.  何为带传动的弹性滑动及打滑 ? 是什么原因引起的 ? 对传动的影响如何 ? 二者的性质有何不同 7 10. 计及带传动的弹性滑动率时，如何计算其传动比 ? 与理论传动比相比，其实际传动比有什么变化？ 11. 何为滑动率 ? 滑动率如何计算 ? 12. 带传动在什么情况下才发生打滑 ? 打滑先发生在大轮上还是小轮上 ? 13. 如何提高带传动的工作能力？ 14. 如何增大带传动中小带轮上的包角？为什么要限制小带轮的最小基准直径？ 15. 作出带的应力分布图，并指出最大应力发生在什么位置 ? 由哪些应力组成 ? 研究带内应力变化的目的何在 ? 16. 带传动的主要失效形式是什么 ? 单根 v 带所能传递的功率是根据什么准则确定的 ? 17. v 带传动的设计计算方法和步骤如何？通常已知哪些数据 ? 需求出哪些结果 ? 18. 如果设计得到带的根数过多，可采取什么措施以减少根数？ 19. 带轮多用哪些材料制造 ? 选择材料时应考虑哪些因素 ? 在制造带轮时有那些要求 ? 安装带传动时，为什么要把带张紧 ? 常用的张紧装置有哪几种 ? 第十二章 齿轮传动     齿轮传动是最重要的机械传动之一，齿轮的啮合原理、几何尺寸计算、切齿方法等已在前期课程中论述过，本章着重论述齿轮传动的强度计算。 一、本章课时按排 本章约为 8 课时讲完。 1. 第一次讲课内容 (2 课时 ) 12.1 齿轮材料及热处理   12.1.1 齿轮的材料   12.1.2 热处理 12.2 齿轮传动的精度 12.3 齿轮传动的失效形式   12.3.1 轮齿折断   12.3.2 齿面失效   12.3.3 计算准则 2. 第二次讲课内容 (2 课时 ) 12.4 直齿圆柱齿轮传动强度计算   12.4.1 受力分析   12.4.2 计算载荷   12.4.3 齿面接触疲劳强度计算 3. 第三次讲课内容 (2 课时 )   12.4.4 齿根弯曲疲劳强度计算 12.5 斜齿圆柱齿轮传动强度计算   12.5.1 受力分析   12.5.2 强度计算 4. 第四次讲课内容 (2 课时 ) 12.6 圆锥齿轮传动强度计算   12.6.1 受力分析   12.6.2 强度计算 12.7 齿轮结构 12.8 齿轮传动的效率和润滑   12.8.1 效率   12.8.2 润滑 二、基本内容和教学要求 1. 重点掌握的内容 (1) 直齿和斜齿圆柱齿轮传动、直齿圆锥齿轮传动的受力分析，包括各分力的大小和方向。 (2) 齿轮传动的主要失效形式及相应的计算准则。 (3) 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触疲劳强度计算、齿根弯曲疲劳强度计算的原理和方法，主要影响参数的影响与选择。 2. 掌握的内容 (1) 齿轮的常用材料及热处理及其特点。 (2) 斜齿圆柱齿轮传动的强度计算。 (3) 齿轮结构的形式及其使用条件。 3. 一般了解的内容 (1) 直齿圆锥齿轮传动的强度计算。 (2) 开式传动和闭式传动采用的润滑方式。 (3) 齿轮传动的效率。 三、本章小结     齿轮传动是机电设备中最常用的机械传动形式之一，其设计计算就显得十分重要，所以本章是本课程的重点章节。    在本章中，由于齿轮传动的强度计算公式中系数比较多，在进行计算时注意各种图表的使用条件和要求，正确使用各种图表。 1. 齿轮传动的受力分析 表 4 圆柱齿轮的强度计算 传动形式 圆柱齿轮形式   齿面硬度   计算公式   计算 准则   齿面接触疲劳强度计算   齿根弯曲疲劳强度计算             闭式传动 直齿圆柱齿轮 软齿面 验算式： 设计式： 验算式： 设计式： 软齿面齿轮传动按齿面接触疲劳强度设计，齿根弯曲疲劳强度验算。 硬齿面齿轮传动按齿根弯曲疲劳强度设计，齿面接触疲劳强度验算。 硬齿面 斜齿圆柱齿轮 软齿面 验算式： 设计式： 验算式： 设计式： 硬齿面 开式传动 直齿圆柱齿轮 齿根弯曲疲劳强度计算 验算式： 设计式：   说明： 开式传动的齿轮，主要失效形式是弯曲疲劳折断和齿面磨损。磨损尚无完善的计算方法，故目前只进行弯曲疲劳弯曲强度计算，用适当加大模数的办法以考虑磨损的影响。   斜齿圆柱齿轮 齿根弯曲疲劳强度计算 验算式： 设计式：     齿轮传动的受力分析是强度计算和后续设计的基础，不仅要求计算出各个力的大小，而且要正确判断其方向，特别是斜齿圆柱齿轮传动的轴向力的方向；能正确画出齿轮传动的受力分析平面图。     2. 齿轮传动的强度计算     齿轮传动的强度计算有     (1) 齿面接触疲劳强度计算；     (2) 齿根弯曲疲劳强度计算。在这两种计算中又分验算公式和设计公式，分别适合于不同的设计要求，对闭式传动和开式传动、软齿面和硬齿面齿轮传动又有不同的计算准则。齿轮传动的强度计算准则和计算公式见表 4 。 四、本章思考题 1.  齿轮的常用材料有哪些？各有什么特点？ 2.  软齿面齿轮和硬齿面齿轮是如何划分的？ 3.  齿轮传动的失效形式有哪些？产生的主要原因是什么？ 4.  在圆柱齿轮传动的强度计算公式中，各参数的意义、单位是什么？ 5.  在齿轮的材料、齿数比、齿宽系数一定的情况下，齿面接触疲劳强度与什么参数有关、与什么参数无关？ 6.  在齿轮的材料、宽度、分度圆直径一定的情况下，齿轮的模数、齿数与齿面接触疲劳应力有什么关系？ 7.  齿轮传动中，两齿轮的齿面接触疲劳应力是否相等、齿根弯曲疲劳应力是否相等？ 8.  在开式齿轮传动中，为什么不发生齿面点蚀失效？ 9.  齿轮有几种结构形式？其相应的毛坯制作方法有哪些？ 10. 在什么情况下，齿轮结构采用齿轮轴？ 11. 齿轮传动的效率有哪几部分组成？ 12. 闭式齿轮传动的润滑方式有几种？各用于什么场合？ 第十六章 轴 ??? 作回转运动的零件必须由轴来支承，方能正常工作，同时轴还往往用来传递转矩和运动。因此轴是应用的最为广泛的重要零件之一。 一、本章课时按排 本章约为 7 课时讲完。具体安排如下： 1. 第一次讲课内容 (2 课时 ) 16.1 概述   16.1.1 轴的分类   16.1.2 轴的材料   16.1.3 轴设计的主要问题 16.2 轴的结构设计   16.2.1 轴的毛坯   16.2.2 轴颈、轴头、轴身   16.2.3 零件在轴上固定 2. 第二次讲课内容 (2 课时 ) 16.3 轴的强度计算   16.3.1 按许用切应力计算   16.3.2 按许用弯曲应力计算   16.3.3 安全系数校核计算 3. 第三次讲课内容 (2 课时 )   16.2.4 结构草图画法 ( 结合轴的大型例题 ) 16.4 轴的刚度计算   16.4.1 扭角的计算 4. 第四次讲课内容 (1 课时 )   16.4.2 弯曲变形的计算 16.5 轴的临界转速 16.6 提高轴的强度，刚度和减轻重量的措施 二、基本内容和教学要求 1. 重点掌握的内容 (1) 轴的结构设计 主要掌握零件在轴上的定位和固定 , 以及轴的结构工艺性。 (2) 轴的强度计算方法 在轴的设计过程中，在不同的设计阶段，或对于不同的轴，轴的强度计算有三种不同的方法，即：按扭转强度初步计算，按弯扭合成理论计算，按安全系数进行精确校核。要求重点掌握按弯扭合成理论计算方法的原理、特点、应用条件及范围。 2. 掌握的内容 (1) 转轴、心轴和传动轴的特点及应用。 (2) 按扭转强度计算和按安全系数进行精确校核计算方法的特点，应用条件及应用范围。 (3) 提高轴的疲劳强度及刚度的各种方法。 3. 一般了解的内容 (1) 等截面轴的弯曲刚度及扭转刚度的计算。 (2) 轴的振动概念及振动计算方法。 三、本章小结     轴是组成机器的重要零件之一，本章也是本课程较重要的章节之一。     由于本章中轴的计算与结构设计密切相关，结构设计时要以强度 ( 或刚度、振动 ) 计算的结果为依据，而计算又要求知道结构数据。因此，要把计算与结构设计交叉反复进行。     本章大量用到力学基础，请同学根据自己的情况安排学习。 1. 轴的结构设计    轴的结构设计主要是确定轴的合理外形和尺寸。轴的结构设计应满足： 1) 轴和轴上的零件应有准确的周向和轴向定位及可靠的固定； 2) 轴应具有良好的制造及装配工艺性，使轴上零件便于装拆和调整； 3) 轴的构造和外形应使其受载合理、避免应力集中。 4) 轴的结构和外形有利于节约材料和减轻重量。 表 5 轴的强度计算方法 计算方法 计算特点 计算公式 使用条件 应用范围 转矩、弯矩 应力集中、尺寸系数、表面光洁度 应力变化情况 按许用扭转剪应力计算 仅受转矩或主要承受转矩 ( 忽略弯矩 ) 用加大安全系数、降低许用应力的方法 不考虑 [ t ] r 、 C 值查教材表 16-2 应已知 (1) 轴的材料 (2) 外加转矩 T( 或 P 、 n) (1) 仅传递转矩的轴 ( 传动轴 (2) 初步估算转轴直径 (3) 不重要的转轴 按许用弯曲应力计算 受弯矩和转矩 当量弯矩 M e = 用加大安全系数、降低许用应力的方法 应力分三类，求当量弯矩时考虑应力校正系数 a 应已知 (1) 轴上载荷的位置大小 (2) 传动件尺寸 (3) 轴承跨度 一般重要的轴 (1) 计算转轴直径 (2) 轴结构设计后的校核计算 安全系数的校核计算 受弯矩和转矩由此求出危险截面的 s a 、 s m 及 t a 、 t m   按实际情况计算常用对称循环弯曲应力及脉动循环扭转剪应力 应已知 (1) 危险截面的应力数据 (2) 轴的详细结构尺寸 (3) 公差配合、表面粗糙度、过渡圆角等 重要的轴 , 要求作精确校核计算的轴 2. 轴的强度计算    工程上常用的轴的强度计算方法有三种： (1) 按许用切应力计算； (2) 按许用弯曲应力计算； (3) 安全系数的校核计算。这三种方法的计算精度不同，分别适合于不同的设计要求或在不同的设计阶段中使用，各种方法的计算特点和应用情况见表 5 。    第一种方法适用于传动轴的计算，也常用来初步估算转轴受扭轴段的最小直径，以便进行结构草图的设计，为进一步计算准备必要的尺寸数据。对一般的轴，可以在此基础上用第二种方法完成轴的设计或校核计算。重要的轴，则须进行轴的细致地结构设计，再用第三种方法求出各危险截面的应力和安全系数。对于安全系数不足的危险截面，可局部地修改结构，重新计算，直到满足强度要求为止。可见，第三种方法计算量较大，对轴的结构要求较细致，但也比较准确可靠。 3. 轴的刚度计算    轴的刚度计算，就是计算轴在工作时的变形量 ( 如挠度 y 、转角 q 及扭转角 y ) ，并判断这些变形量是否在允许的范围内。    轴的刚度计算方法有：按扭转刚度计算；按弯曲刚度计算。这两种方法的计算公式都不必记忆，只要会正确使用就可以了。 四、本章思考题 1. 轴的作用是什么？有几种类型？各类有什么区别？ 2. 自行车前轴受什么样的载荷？单纯弯矩，单纯转矩还是弯扭联合作用？后轴及中轴呢？ 3. 对轴的材料有什么要求？碳钢及合金钢各适用于什么要求？碳钢及合金钢各适用于什么情况？用合金钢代替碳钢对提高轴的强度和刚度效果如何？为什么？ 4. 轴上零件的轴向固定及周向固定各有哪些方法？这些方法各有何特点？各应用于什么场合？ 5. 齿轮减速机中，为什么低速轴的直径要比高速轴的直径大得多？ 6. 设计轴的结构，应该考虑哪些方面的问题？ 7. 降低轴上的应力集中可采取哪些措施？ 8. 影响轴的疲劳强度安全系数的因素有哪些？ 9. 轴的许用弯曲应力为什么分为 [ s +1 ] b 、 [ s 0 ] b 、 [ s - 1 ] b 三类？ 10. 在轴的强度计算时，当量弯矩公式 中， a 的含意是什么？其大小如何确定？ 11. 试区别在不同设计阶段用三种不同计算方法计算轴的强度时应具备的条件。 12. 提高轴的疲劳强度及刚度可采用哪些措施？ 13. 按公式 初步计算轴直径时，是否考虑为弯矩的影响？按弯扭合成理论计算轴直径时， 中，哪些地方体现了扭转剪应力的影响？ 14 ． 试指出图中轴系部件结构的错误并简要说明不合理原因。 ( 注：轴承支承型式为两端固定，其润滑方式不考