機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識總結(jié)

目錄

1.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識概述....................................4

1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程....................................4

1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的概念和重要性................................6

1.3機(jī)械設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容....................................6

2.機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論......................................8

2.1力的基本概念..........................................9

2.1.1力的三要素.......................................11

2.1.2力的作用效果.....................................11

2.2力學(xué)定律..............................................13

2.2.1牛頓運(yùn)動定律.....................................13

2.2.2力的平衡條件.....................................14

2.3材料力學(xué).............................................15

2.3.1拉壓應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系............................17

2.3.2扭轉(zhuǎn)、剪切和振動中的應(yīng)力分析......................18

3.機(jī)械零件的設(shè)計(jì)..........................................20

3.1標(biāo)準(zhǔn)件與常用非標(biāo)準(zhǔn)件.................................21

3.1.1標(biāo)準(zhǔn)件的種類和應(yīng)用...............................22

3.1.2非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)過程...............................23

3.2軸的設(shè)計(jì).............................................25

3.2.1軸的載荷分析.....................................26

3.2.2軸的材料選擇和尺寸計(jì)算...........................27

3.3輪轂的設(shè)計(jì)...........................................28

3.3.1輪轂的基本要求..................................30

3.3.2輪轂的材料和幾何設(shè)計(jì)............................31

4.機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)........................................32

4.1齒輪傳動.............................................33

4.1.1齒廓的形狀和牙齒的失效...........................35

4.1.2齒輪的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................36

4.2鏈條和帶傳動.........................................37

4.2.1鏈條的類型和選擇.................................38

4.2.2帶傳動的設(shè)計(jì)考慮因素............................39

4.3變速器的設(shè)計(jì)........................................40

4.3.1變速器的類型和工作原理..........................42

4.3.2變速器齒輪的設(shè)計(jì)................................44

5.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)..........................................45

5.1電氣控制系統(tǒng).........................................47

5.1.1控制指令的來源...................................48

5.1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇和控制電路的設(shè)計(jì)..................49

5.2液壓與氣壓系統(tǒng).......................................50

5.2.1液壓與氣壓傳動的原理.............................52

5.2.2液壓系統(tǒng)與氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)....................52

6.機(jī)械設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范.................................53

6.1國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)..................................54

6.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本規(guī)范..................................56

7.動平衡與補(bǔ)償...........................................57

7.1動平衡的原理........................................59

7.2振動與沖擊的補(bǔ)償方法................................60

8.機(jī)械故障診斷與預(yù)防.....................................61

8.1故障診斷技術(shù)........................................62

8.2預(yù)防性維護(hù)策略......................................64

9.機(jī)械設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)...............................66

9.1CAD/CAM/CAE在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用......................68

9.2數(shù)據(jù)庫管理和知識工程................................69

10.機(jī)械設(shè)計(jì)的環(huán)保與節(jié)能..................................70

10.1材料選擇與能源節(jié)約.................................72

10.2機(jī)械設(shè)備的全生命周期評估..........................73

11.機(jī)械設(shè)計(jì)的案例分析....................................75

11.1典型案例介紹.......................................76

11.2分析與討論.........................................77

12.機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)題目和練習(xí)..............................79

12.1基礎(chǔ)題目............................................79

12.2設(shè)計(jì)練習(xí)題..........................................80

13.機(jī)械設(shè)計(jì)的未來發(fā)展趨勢.................................81

13.1智能制造與自動化....................................83

13.2可持續(xù)設(shè)計(jì)及綠色機(jī)械................................84

1.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識概述

機(jī)械制圖與表達(dá)：掌握機(jī)械零件的基本形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸及其相

互關(guān)系的正確表達(dá)，能夠繪制符合國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的工程圖。

材料選擇與力學(xué)分析：了解各種常用材料的性能特點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械

零件的工作條件和要求合理選材，并進(jìn)行必要的力學(xué)計(jì)算和分析。

公差與配合：熟悉機(jī)械零件的公差標(biāo)準(zhǔn)，掌握公差與配合的基本

原理和方法，以確保機(jī)械零件之間的互換性和協(xié)調(diào)性。

機(jī)械運(yùn)動與動力學(xué)：了解機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動副的類型、特點(diǎn)及其

傳動力學(xué)特性，能夠進(jìn)行簡單的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析。

機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：掌握機(jī)械系統(tǒng)的組成、功能及其設(shè)計(jì)原則，

了解控制系統(tǒng)的基本原理和方法，能夠進(jìn)行簡單的機(jī)械系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。

機(jī)械創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計(jì)：具備創(chuàng)新意識和優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，能夠運(yùn)用

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1.1機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程

機(jī)械設(shè)計(jì)主要基于手工制作和簡單工具的使用，古埃及和古希臘

的文明中就有許多機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)例，包括橋梁、灌溉系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備

等。這些設(shè)計(jì)往往是為了滿足當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)和生活需求。

工業(yè)革命前，機(jī)械設(shè)計(jì)主要集中在手動工具和簡單的機(jī)械裝置上。

隨著手工業(yè)的繁榮，一些基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)計(jì)原則開始形成，例如齒輪傳

動、連桿機(jī)構(gòu)和杠桿原理等。這些原則為后來的機(jī)械設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

工業(yè)革命期間，機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)歷了重大變革。蒸汽機(jī)的發(fā)明和廣泛

應(yīng)用促使了對機(jī)械效率和動力傳輸系統(tǒng)的高要求。這一時(shí)期機(jī)械設(shè)計(jì)

開始注重材料的選擇、機(jī)械的可靠性和生產(chǎn)效率。液壓和氣壓技術(shù)的

應(yīng)用也使得機(jī)械設(shè)計(jì)向著更高級的方向發(fā)展。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)得益于持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助

設(shè)計(jì)（CAD）的應(yīng)用極大地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。新材料如合金、

塑料和復(fù)合材料的使用也提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的性能和功能。隨著自動化

和信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)還涉及到計(jì)算機(jī)控制、機(jī)器人技術(shù)和物

聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

當(dāng)代機(jī)械設(shè)計(jì)更加注重環(huán)境影響、可持續(xù)性和智能化。設(shè)計(jì)師們

不僅追求機(jī)械的功能性和效率，還要考慮到對環(huán)境的友好和對資源的

合理利用。機(jī)械設(shè)備也變得越來越智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)自我診斷和維護(hù)，

提高運(yùn)行的可靠性和壽命。

機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程是一條不斷探索、創(chuàng)新和進(jìn)步的道路。隨著

技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)將繼續(xù)在適應(yīng)新興需求和技術(shù)挑戰(zhàn)中前進(jìn)。

1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的概念和重要性

機(jī)械設(shè)計(jì)是將工程創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實(shí)際可行的物理產(chǎn)品和系統(tǒng)的一

門學(xué)科。它涵蓋一系列涉及功能需求、材料選擇、結(jié)構(gòu)分析、制造工

藝和成本優(yōu)化等方面的知識和技能。機(jī)械設(shè)計(jì)師們是通過精確的計(jì)算

和分析，將產(chǎn)品構(gòu)思從最初的想法逐步演變?yōu)閷?shí)體化的產(chǎn)品。

機(jī)械設(shè)計(jì)的重要性在于它為現(xiàn)代社會斃供了基礎(chǔ)性的支持。無論

是交通出行、醫(yī)療保健、智能家居、能源利用，還是日常生活中的無

數(shù)應(yīng)用，都離不開各種精心設(shè)計(jì)的機(jī)械系統(tǒng)和產(chǎn)品。

機(jī)械設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的功能性、可靠性和安全性，以

及其在市場上的競爭力。優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)不僅能夠滿足用戶需求，還

能帶來創(chuàng)新、效率提升和成本降低等方面的益處。

1.3機(jī)械設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：研究不同類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)和組件，包括齒輪承以

及傳動系統(tǒng)等。通過對不同的材料和結(jié)構(gòu)形式的分析，設(shè)計(jì)出既安全

又高效的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

機(jī)械動力與自動控制：涉及機(jī)械系統(tǒng)中的動力傳遞與控制，包括

電動機(jī)、液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)等。此部分包含了對機(jī)械系統(tǒng)效率和性

能的優(yōu)化，以及如何通過自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制和可靠性。

材料選擇與性能分析：評估不同材料?（金屬、非金屬、復(fù)合材料

等）的物理和力學(xué)性能，選取最適合特定機(jī)械系統(tǒng)和環(huán)境的材料。致

力于提升機(jī)械零件的耐用性、強(qiáng)度和抗疲勞能力。

熱力學(xué)與力學(xué)分析：研究機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的熱能交換和力學(xué)行

為。包括如何設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)以防止過熱，以及對機(jī)械零件進(jìn)行強(qiáng)度、

剛度和疲勞壽命的計(jì)算和評估。

振動與噪聲控制：設(shè)計(jì)和應(yīng)用減振系統(tǒng)和隔離設(shè)施來減少機(jī)械的

振動和發(fā)聲。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，降低振動和噪聲對于提升用戶滿意

度和減少環(huán)境影響尤為關(guān)鍵。

人機(jī)工程學(xué)：關(guān)注機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的用戶體驗(yàn)，結(jié)合人體工程學(xué)

原理創(chuàng)建符合人體生理和心理特征的產(chǎn)品。

可靠性與壽命評估：通過對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析和壽命預(yù)測,

設(shè)計(jì)確保機(jī)器在預(yù)定條件下穩(wěn)定、連續(xù)工作。

制造工藝與生產(chǎn)效率：考慮生產(chǎn)過程中所需的機(jī)械設(shè)備和制造工

藝流程，以及如何通過改進(jìn)設(shè)計(jì)簡化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率和降低

成本。

機(jī)械設(shè)計(jì)不僅僅是圖紙的勾畫，這也包含從市場調(diào)研、用戶需求

分析到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測試、優(yōu)化直至生產(chǎn)的全過程。一個(gè)完整的機(jī)械設(shè)

計(jì)方案應(yīng)當(dāng)是各項(xiàng)元素協(xié)同工作的結(jié)果，且始終圍繞著提升機(jī)械系統(tǒng)

的性能、安全性和經(jīng)濟(jì)效益這一核心目標(biāo)。通過不斷的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，

設(shè)計(jì)師能夠更好地掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的藝術(shù)，創(chuàng)造出既美觀又實(shí)用的產(chǎn)品。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論

機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于設(shè)計(jì)原理與方法的掌握與應(yīng)用，這些原理和

方法是指導(dǎo)設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升的核心。常見

的設(shè)計(jì)原理包括功能原理、結(jié)構(gòu)原理、人機(jī)工程學(xué)原理等。設(shè)計(jì)方法

如歸納法、類比法、模型法等也是機(jī)械設(shè)計(jì)中不可或缺的工具。

機(jī)械零件的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)零件的

功能要求和使用條件，選擇合適的材料、形狀和尺寸，并進(jìn)行強(qiáng)度、

剛度、穩(wěn)定性等性能的校核C還需要考慮零件的制造工藝性、成本和

裝配等因素。

機(jī)械系統(tǒng)是由多個(gè)零件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)涉及到動力學(xué)、

運(yùn)動學(xué)、摩擦學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的知識。設(shè)計(jì)師需要運(yùn)用控制理論、系統(tǒng)

工程等方法對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)

計(jì)。還需要考慮系統(tǒng)的可靠性、維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性等方面。

機(jī)械制造是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，它決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效

率。設(shè)計(jì)師需要了解各種制造工藝的特點(diǎn)和適用范圍，選擇最適合的

制造工藝來生產(chǎn)零件和組件。還需要考慮加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)

效率等因素。

在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行測試與評估以確保其性能滿足

設(shè)計(jì)要求。這包括功能測試、性能測試、可靠性測試等。測試與評估

的結(jié)果可以為設(shè)計(jì)師提供寶貴的反饋信息，以便對設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)

化。

機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論涵蓋了設(shè)計(jì)原理與方法、機(jī)械零件的設(shè)計(jì)、

機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、機(jī)械制造與工藝以及機(jī)械系統(tǒng)的測試與評估

等多個(gè)方面。掌握這些基礎(chǔ)理論對于從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作的人員來說至

關(guān)重要。

2.1力的基本概念

力的概念：力是影響物體運(yùn)動狀態(tài)和形狀的外力作用。它可以通

過對物體施加作用來改變物體的速度、方向或形狀。力是影響力的物

理量，由大小和方向組成，通常用向量表示。

力的性質(zhì)：力是相互作用的，即一個(gè)物體對另一個(gè)物體的作用會

引發(fā)一個(gè)相等反作用力。這是牛頓第三定律的內(nèi)容。

力的作用效果：力可以沿直線或曲線作用，也可以有不同的作用

點(diǎn)。力的作用效果包括：

使物體產(chǎn)生加速度：當(dāng)一個(gè)力作用在一個(gè)物體上時(shí)，物體會開始

加速或改變運(yùn)動方向。

產(chǎn)生形變：當(dāng)力的作用足夠大時(shí)，物體會發(fā)生形狀的改變，比如

作用在對稱的物體上會產(chǎn)生形變。

產(chǎn)生轉(zhuǎn)動：當(dāng)力作用在物體中心或特定點(diǎn)時(shí)，會在物體上產(chǎn)生旋

轉(zhuǎn)效應(yīng)。

力的分類：按照力和物質(zhì)的相互作用原則，力可以分為萬有引力、

電場力、磁場力、彈力等，每種力都有其獨(dú)特的表現(xiàn)形式和作用規(guī)律。

力的合成的概念：當(dāng)多個(gè)力作用于一個(gè)物體上時(shí)，可以通過幾種

方法得到合力的效果。平行四邊形法則、三角形法則和矢量圖解法等。

力和運(yùn)動的平衡：在機(jī)械設(shè)計(jì)中，力的平衡對于確保機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)

定運(yùn)行至關(guān)重要。平衡力包括靜摩擦力、作用力與反作用力、向心力

與離心力等。平衡狀態(tài)就是所有的合力為零，物體保持靜止或勻速直

線運(yùn)動的狀態(tài)。

力的矩（力矩）：力矩是力作用在一個(gè)物體上的效果，與力的大

小、作用點(diǎn)和力與力的作用點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離三個(gè)因素都有關(guān)。

力矩可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)，這也是設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要

因素。

通過這些基本概念，機(jī)械設(shè)計(jì)人員能夠理解和分析機(jī)械系統(tǒng)中力

的作用和作用效果，從而設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、可靠的機(jī)械系統(tǒng)。

2.1.1力的三要素

力是物體受到的外界作用，導(dǎo)致其運(yùn)動或變形的一種物理量。力

既具有大小，也具有方向，并且會對物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應(yīng)。因此，力的

完整描述需要三個(gè)要素:

大小：表示力的大小。力的大小用數(shù)值表示，通常用“牛頓（N）”

作為單位。

方向：指示力的作用方向。力有五個(gè)基本方向：垂直向上、垂直

向下和沿著指定直線的加入或離開。

作用線：描述力作用的直線。力通過一個(gè)點(diǎn)作用于物體，稱為力

的作用點(diǎn)。力的作用線是連接力的作用點(diǎn)直線。

理解力的三要素是掌握力學(xué)基本原理的關(guān)鍵，也是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、

分析和研究的基礎(chǔ)。因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)計(jì)中，我們總是需要分析和處理各

種力的作用，才能保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定、可靠和有效。

2.1.2力的作用效果

力是能夠改變物體運(yùn)動狀態(tài)或產(chǎn)生形變的外界作用，在機(jī)械設(shè)計(jì)

中，力的描述通常通過力和力矢量來進(jìn)行C力的大小用強(qiáng)度（通常是

牛頓，N）來量度；力的方向則由矢量表示，即力的大小和方向均重

要。

加速度：當(dāng)力作用于一個(gè)物體時(shí)，會使得物體產(chǎn)生加速度，根據(jù)

牛頓第二定律（Fma）（力等于質(zhì)量乘以加速度）可知，施加在物體上

的力越大，加的速度也越大。

速度變化：在沒有外力作用時(shí)，物體的運(yùn)動狀態(tài)保持不變；反之，

一旦外力作用于物體，物體的速度和運(yùn)動方向就會發(fā)生變化。

拉伸與壓縮：當(dāng)力沿物體某一方向施加時(shí)，這種力會導(dǎo)致物體的

形狀發(fā)生拉伸或壓縮。這種變化通常表現(xiàn)在彈性體上，其形狀可通過

移除力后部分恢復(fù)。

剪切和扭轉(zhuǎn)：當(dāng)力作用于物體同時(shí)施加扭矩或造成剪切應(yīng)力時(shí)，

物體可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)或者沿截面的法線方向產(chǎn)生形變。

常見的力單位有：牛頓（N）、達(dá)因（dyn）、公斤力（kgf）。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，常使用牛頓進(jìn)行力的計(jì)算和表達(dá)。

力的示意圖通常包括一個(gè)起點(diǎn)、一個(gè)終點(diǎn)和線段中部的方向標(biāo)記。

這種方法可以幫助直觀理解力的方向，且在草繪制圖紙時(shí)非常有用。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，深入理解力的作用效果對預(yù)測機(jī)械組件的行為以

及保證系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。正確計(jì)算和評估作用在組件

上的力，以及如何通過設(shè)計(jì)和材料選擇最小化不利效果，是機(jī)械工程

師必須掌握的核心技能。

2.2力學(xué)定律

除了牛頓運(yùn)動定律，我們還需要了解其他相關(guān)的力學(xué)原理，如動

能定理、動量定理、功能原理和機(jī)械能守恒定律等。總功等于系統(tǒng)動

能的變化加上系統(tǒng)勢能的變化；機(jī)械能守恒定律指出，在沒有非保守

力做功的情況下，系統(tǒng)的總機(jī)械能（動能和勢能之和）保持不變。

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)具體的工程問題和環(huán)境條件，靈

活運(yùn)用這些力學(xué)定律來分析和解決問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮材

料的強(qiáng)度和剛度，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性；在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中，

需要利用流體力學(xué)定律來優(yōu)化泵、風(fēng)機(jī)和渦輪機(jī)等設(shè)備的性能。

力學(xué)定律在機(jī)械設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，它們?yōu)榉治龊徒鉀Q

各種機(jī)械問題提供了理論基礎(chǔ)。通過深入理解和應(yīng)用這些定律，機(jī)械

設(shè)計(jì)師能夠確保設(shè)計(jì)的有效性和可靠性，滿足工程應(yīng)用的需求。

2.2.1牛頓運(yùn)動定律

牛頓的運(yùn)動定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，這些定律分別是慣性定律、

牛頓第二定律和牛頓第三定律，有時(shí)稱為牛頓的“三定律”。

牛頓的第一定律，又稱為慣性定律，描述了物體保持靜止或勻速

直線運(yùn)動狀態(tài)的特性。這個(gè)定律可以被表述為：除非作用在物體上的

外力迫使它改變這種狀態(tài)，否則它將保持這種狀態(tài)。慣性是物體保持

其速度不變的性質(zhì)，即若不受外力作用，物體將繼續(xù)保持勻速直線運(yùn)

動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。慣性大小與物體的質(zhì)量成正比，慣性越大。

牛頓的第二定律定義了力與物體運(yùn)動狀態(tài)改變之間的關(guān)系，它指

出力的作用效果是通過對物體的加速度來體現(xiàn)的。這個(gè)定律通常被表

述為：一個(gè)物體的加速度與作用在它身上的合外力成正比，與物體的

質(zhì)量成反比，力的方向與加速度的方向相同。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為F

ma,其中F是合外力，m是物體的質(zhì)量，a是物體的加速度。

牛頓的第三定律，又稱為作用與反作用定律，表述為：當(dāng)兩個(gè)物

體互相作用時(shí).，它們之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相

反，且作用在兩個(gè)物體的兩個(gè)相反方向上。無論在任何相互作用中，

總是存在一對大小相等、方向相反的力。當(dāng)你用手推墻壁，墻壁也以

同樣的力向相反方向推你的手。

這三個(gè)定律構(gòu)成了機(jī)械設(shè)計(jì)中的基本用架，幫助工程師們在設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)時(shí)分析力和運(yùn)動的關(guān)系。通過這些定律，工程師可以計(jì)算物

體在受力情況下的運(yùn)動狀態(tài)，預(yù)測和設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的行為，確保機(jī)械

的安全和效率。

2.2.2力的平衡條件

力的平衡條件是指，當(dāng)力的合力等于零、合力矩等于零時(shí)，系統(tǒng)

處于靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。

合力等于零:所有作用在物體的力之和必須為零。數(shù)學(xué)表達(dá)為F

Oo

合力矩等于零:所有作用在物體的力矩之和必須為零。數(shù)學(xué)表達(dá)

為MOo合力矩由力的大小、方向和作用點(diǎn)距離合力軸的垂直距離決

定。

通過應(yīng)用力的平衡條件，我們可以分析固體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、確定

懸掛或支撐力的值、設(shè)計(jì)機(jī)械部件的受力情況等。

在分析力平衡時(shí)，需要將所有作用力（包括外部力和內(nèi)部力）明

確列出，并應(yīng)用矢量運(yùn)算將其分解為水平、垂直方向的力分量。

2.3材料力學(xué)

彈性：當(dāng)材料所受應(yīng)力在其彈性極限范圍內(nèi)時(shí)，材料會恢復(fù)其原

始形狀。此狀態(tài)下的應(yīng)力和變形遵循胡克定律。

塑性：當(dāng)施加于材料上的應(yīng)力超過其彈性極限時(shí)，材料會發(fā)生永

久變形。塑性變形對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的。

應(yīng)力：材料內(nèi)部單位面積上所承受的力。通常以帕斯卡（Pa）為

單位。

應(yīng)力的三種基本形式：拉應(yīng)力（拉伸時(shí)產(chǎn)生）、壓應(yīng)力（壓縮時(shí)

產(chǎn)生）和切應(yīng)力。

應(yīng)變：材料響應(yīng)于應(yīng)力而產(chǎn)生形變，通常以長度變化與原有長度

的比例表示，用微應(yīng)變或百分率應(yīng)變表示。

應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系可通過應(yīng)力應(yīng)變曲線描述，該曲線展示了材

料在不同應(yīng)力水平下的行為。

抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度：這兩個(gè)概念也用于描述材料在均勻受力情

況下的彈性極限或破壞條件。

應(yīng)力集中：在設(shè)計(jì)中某些部位（如孔、切槽或截面急劇變化處）

附近的應(yīng)力值會顯著增加，這些位置可能會成為斷裂的危險(xiǎn)點(diǎn)。

強(qiáng)度安全系數(shù)：在設(shè)定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)，通常會引入一個(gè)安全系數(shù)，

將材料強(qiáng)度除以工作負(fù)載產(chǎn)生的應(yīng)力，以保證即使在突發(fā)狀況下，構(gòu)

件仍不會損壞。

疲勞：材料在持續(xù)交變應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力水平始終低于材料

的靜態(tài)強(qiáng)度極限，也會逐漸形成裂紋并最終導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。

疲勞壽命：材料在特定應(yīng)力循環(huán)下表現(xiàn)出斷裂的預(yù)估次數(shù)，通常

以循環(huán)次數(shù)或應(yīng)力周期數(shù)表示。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用材料力學(xué)來選擇合適的材料，以確保在不同的

操作條件下結(jié)構(gòu)都能安全可靠地運(yùn)行。

通過合適的加工和熱處理工藝優(yōu)化材料性能，如通過強(qiáng)化處理提

高抗疲勞性能。

采用成分和微觀結(jié)構(gòu)有特殊要求的高性能材料，例加鈦合金或復(fù)

合材料，以滿足更高要求的機(jī)械性能。

認(rèn)識并應(yīng)用材料力學(xué)的基本原則對機(jī)械設(shè)計(jì)師構(gòu)建安全、有效和

耐久的機(jī)械系統(tǒng)至關(guān)重要。通過對材料特性、應(yīng)力分布以及疲勞行為

的深入埋解和技術(shù)掌握，設(shè)計(jì)師能夠確保設(shè)計(jì)出的機(jī)械組件不僅能承

受正常使用下的力，也能I?對可能的意外載荷。

2.3.1拉壓應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系

在材料力學(xué)中，拉壓應(yīng)變與應(yīng)力是核心概念，它們之間存在緊密

的關(guān)系。當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力分布。應(yīng)力是單

位面積上的內(nèi)力，而應(yīng)變則是材料在受力后產(chǎn)生的形變程度。

在拉伸（拉）狀態(tài)下，應(yīng)力與應(yīng)變之間呈正比關(guān)系。隨著應(yīng)力的

增加，材料的應(yīng)變也會相應(yīng)地增加。這種關(guān)系可以通過胡克定律來描

述，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)為材料的彈性模量。

在壓縮（壓）狀態(tài)下，拉壓應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。

隨著應(yīng)力的增加，材料的應(yīng)變會減小。這同樣可以用胡克定律來解釋,

只是在壓縮情況下，比例系數(shù)變?yōu)椴牧系膲嚎s彈性模量。

需要注意的是，拉壓應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系并非線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)

用中，材料的性質(zhì)如彈性模量、屈服強(qiáng)度等都會影響這種關(guān)系。溫度、

加載速度等因素也可能對材料的應(yīng)變和應(yīng)力關(guān)系產(chǎn)生影響。

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮這些因素，以確保設(shè)計(jì)的合理

性性和可靠性。通過對拉壓應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系的深入理解，可以更好地

預(yù)測和控制材料的性能，為機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力支持。

2.3.2扭轉(zhuǎn)、剪切和振動中的應(yīng)力分析

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，了解和分析各種機(jī)械組件在實(shí)際工作條件下的應(yīng)

力和強(qiáng)度對于保證其安全、可靠運(yùn)行至關(guān)重要。本節(jié)將重點(diǎn)介紹扭轉(zhuǎn)、

剪切和振動過程中常見的應(yīng)力分析方法。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，軸、傳動齒輪和其他旋轉(zhuǎn)部件通常面臨扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

這種應(yīng)力是由于組件旋轉(zhuǎn)所受的法向力和扭矩引起的，會在圓周方向

上產(chǎn)生應(yīng)力分布。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的計(jì)算通常需要考慮以下因素：

剛度(GJ)：材料的扭轉(zhuǎn)剛度乘以段的截面積積，單位為牛頓米

(Nm)o

角位移()：由于扭矩作用，軸段彎曲產(chǎn)生的角度變化，單位為弧

度(rad)o

轉(zhuǎn)速(N)：旋轉(zhuǎn)速度，單位為轉(zhuǎn)每分鐘Gpm)或弧度每秒(rads)。

其中(tau)表示扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa),(J)表示扭轉(zhuǎn)慣性矩(m)。

剪切應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力類似，發(fā)生在部件在平行于截面平面的力量

作用下彎曲時(shí)。剪切應(yīng)力通常是基于剪切強(qiáng)度模量(G)(材料剛度)

和剪切力(F)來計(jì)算。

其中(y)代表剪應(yīng)力的作用點(diǎn)到軸線的高度，(I)表示截面的慣性

矩。

剪切力的計(jì)算通常涉及多次替換，計(jì)算軸或剛性結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)承受

剪切力。

振動中的應(yīng)力分析需要考慮動態(tài)力的作用，如汗擊、碰撞和不規(guī)

則運(yùn)動。振動響應(yīng)通常會導(dǎo)致焊接點(diǎn)斷裂、疲勞裂紋等現(xiàn)象。動態(tài)應(yīng)

力通常以沖因子(sigma)和循環(huán)次數(shù)(N)來描述：。其中(sigma_o)是

靜態(tài)應(yīng)力，(sigma_m)是法向振幅，(omega)是角頻率，(t)是時(shí)間。

疲勞壽命計(jì)算考慮到了材料承受多個(gè)應(yīng)力循環(huán)的能力，常用的疲

勞壽命評估法包括米爾斯循環(huán)理論和赫茲理論等。

在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，必須結(jié)合這些應(yīng)力分析方法來合理選擇材料、

確定部件尺寸和形狀，以滿足各種機(jī)械組件的工作要求，并確保產(chǎn)品

的安全性和可靠性。

3.機(jī)械零件的設(shè)計(jì)

機(jī)械零件的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，它要求綜合運(yùn)用材料學(xué)、

力學(xué)、熱學(xué)等學(xué)科的知識，并結(jié)合制造技術(shù)和成本控制等因素，對其

形狀、尺寸、材料等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠滿足特定功能需求。

公用化和標(biāo)準(zhǔn)化:采用通用零件和標(biāo)準(zhǔn)件，可以降低設(shè)計(jì)難度、

縮短設(shè)計(jì)周期、減低生產(chǎn)成本。

耐久性:零件應(yīng)能夠承受預(yù)期的工作負(fù)載和環(huán)境條件，具有足夠

的壽命和可靠性。

經(jīng)濟(jì)性:零件的材料、加工工藝和生產(chǎn)成本應(yīng)盡量控制在合理范

圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

圖紙法:傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，以圖紙為主體，用二維圖形和尺

寸標(biāo)注來描述零件的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。

三維建模法:利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件，建立零件的三維

模型，可以更加直觀地進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

有限元分析法:利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，對零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,

預(yù)測其在載荷作用下的變形、應(yīng)力、溫度等狀態(tài)。

連接零件:螺栓、銷釘、銷制I、鍵槽、嵌入式連接等，用于將多

個(gè)零部件連接在一起。

調(diào)節(jié)零件:調(diào)節(jié)螺母、壓緊環(huán)、彈簧等，用于調(diào)節(jié)零件的間隙、

壓力和位置。

3.1標(biāo)準(zhǔn)件與常用非標(biāo)準(zhǔn)件

標(biāo)準(zhǔn)件是指滿足特定尺寸、形狀、公差和表面處理標(biāo)準(zhǔn)的零件，

它們可互換使用，常用于機(jī)械的通用部件。標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一優(yōu)點(diǎn)包括提

高生產(chǎn)效率、便于維護(hù)和減少設(shè)計(jì)上的限制，并且廠家能夠長期生產(chǎn)

和供應(yīng)。常用標(biāo)準(zhǔn)件包括螺栓、螺釘、螺母、鍵、墊圈等，這些零件

在幾乎所有機(jī)械設(shè)計(jì)中都會用到。

在選擇標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，需考慮設(shè)計(jì)的要求，包括力量需求、尺寸公差、

材料特性以及機(jī)械設(shè)備的總體兼容性。高性能機(jī)械通常還會在標(biāo)準(zhǔn)件

上定制保護(hù)區(qū)或加注特定的油脂，以保證部件運(yùn)行的平穩(wěn)及長效維護(hù)。

當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)中需要如有特殊尺寸要求或功能定制的需求，且沒有

現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件能夠滿足時(shí)，則需要采用非標(biāo)準(zhǔn)件，或?qū)ΜF(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)

行修改。對機(jī)械設(shè)計(jì)師來說，了解何時(shí)需要非標(biāo)準(zhǔn)件是重要的設(shè)計(jì)技

能。非標(biāo)準(zhǔn)件的制造可能更加昂貴，且有時(shí)因難于找到供應(yīng)商而造成

時(shí)間上的延誤。非標(biāo)準(zhǔn)件能夠?yàn)樘囟☉?yīng)用量身定制，實(shí)現(xiàn)超越常規(guī)標(biāo)

準(zhǔn)件的功能。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師需權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)準(zhǔn)件的優(yōu)缺點(diǎn)。確保

設(shè)計(jì)的機(jī)械既滿足了適量功能性又提高了經(jīng)濟(jì)效益，是設(shè)計(jì)師的責(zé)任

所在。使用最新的設(shè)計(jì)軟件和參考行業(yè)內(nèi)的最佳實(shí)踐來指導(dǎo)選擇標(biāo)準(zhǔn)

件或非標(biāo)準(zhǔn)件，都是設(shè)計(jì)高效且經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵因素。

3.1.1標(biāo)準(zhǔn)件的種類和應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)件是指那些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的機(jī)械零件。它們

廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的制造和維修中，因?yàn)樗鼈兛梢蕴岣呱a(chǎn)效

率，簡化設(shè)計(jì)工作，便于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和批量訂購。標(biāo)準(zhǔn)件包括多種類

型，諸如螺紋連接件、鍵和銷、軸承、齒輪、特殊功能部件等。

螺紋連接件是最常用的標(biāo)準(zhǔn)件之一，如螺栓、螺釘、螺母等C螺

紋連接件通過螺紋配合將零件連接在一起，具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于拆卸

和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。特別是在機(jī)械零件組裝時(shí)，螺紋連接件是不可或缺的。

鍵和銷是用于連接軸和軸上的裝配件（齒輪、軸等）的標(biāo)準(zhǔn)件。

鍵具有傳遞扭矩和工作配合的作用，而銷用來固定軸上零件的相對位

置。不同類型的鍵，如槽鍵、木樺鍵和開槽鍵，適用于不同的機(jī)械結(jié)

構(gòu)和工作條件。

軸承是承受機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)或移動部件之間接觸應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)件，按

照使用環(huán)境的不同，軸承可以分為滑動軸承和滾動軸承。滾動軸承因

其壽命長、承載能力大、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械

設(shè)備中。

齒輪是傳遞機(jī)械運(yùn)動和扭矩的標(biāo)準(zhǔn)件，齒輪種類繁多，包括直齒

輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿等。齒輪的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要考慮其齒的類型、

尺寸、制造工藝、傳遞扭矩的能力等因素。

標(biāo)準(zhǔn)件的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際工況和工作要求進(jìn)行綜合考慮，以確

保機(jī)械設(shè)備的可靠性和使用壽命。正確使用標(biāo)準(zhǔn)件不僅能夠提高機(jī)械

設(shè)計(jì)的效率，還能夠降低制造成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)周期。在機(jī)械設(shè)

計(jì)過程中，理解和掌握標(biāo)準(zhǔn)件的種類、規(guī)格及其應(yīng)用對于提高設(shè)計(jì)水

平非常重要。

3.1.2非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)過程

非標(biāo)準(zhǔn)件是指不能直接從標(biāo)準(zhǔn)件庫購買到，需專門設(shè)計(jì)并制造的

零件。由于其特殊性和多樣性，非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)過程要更加謹(jǐn)慎和細(xì)

致。

確定應(yīng)用需求:明確非標(biāo)準(zhǔn)件的用途、尺寸、工作環(huán)境、性能要

求等關(guān)鍵信息。

進(jìn)行功能分析:分析非標(biāo)準(zhǔn)件在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中的作用，以及與

其他部件的交互關(guān)系，確定其需要滿足的力學(xué)、結(jié)構(gòu)、熱學(xué)等性能要

求。

材料選擇:根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)件的工作條件、性能需求和成本預(yù)算，選

擇合適的材料，對其強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等方面進(jìn)

行考量。

幾何尺寸設(shè)計(jì):確定非標(biāo)準(zhǔn)件的形狀、尺寸、公差等參數(shù)，需要

兼顧與其他部件配合的緊密性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。可以使用CAD軟件進(jìn)行

建模和繪圖，并進(jìn)行有限元分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。

工藝分析：了解現(xiàn)有的制造工藝，并根據(jù)非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)選

擇合適的加工方法，如開槽、銃削、鉆孔等，以確保其可制造性。

制造圖紙準(zhǔn)備:制成詳細(xì)的制造圖紙，包含零件圖、尺寸表、材

料要求、表面處理要求、加工工藝等信息，以便于后續(xù)的生產(chǎn)制造。

樣件制作與測試:根據(jù)制定的生產(chǎn)圖紙，制作樣件進(jìn)行測試，驗(yàn)

證設(shè)計(jì)的合理性和性能指標(biāo)是否滿足要求。

非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)應(yīng)注重降成本和提高效率，通過合理的設(shè)計(jì)和工

藝選擇，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮可維護(hù)性和裝配性，以便于后續(xù)的維

修和更換。

需要與生產(chǎn)廠家保持密切溝通，充分了解技術(shù)的可行性，并及時(shí)

進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

3.2軸的設(shè)計(jì)

軸材料選擇：根據(jù)軸的受力特性、工作溫度和應(yīng)用環(huán)境選擇合適

的材料。常用的軸材料包括鋼材（如碳鋼、合金鋼等）、鋁合金以及

復(fù)合材料。

軸的尺寸與形狀：軸的直徑、長度和形狀的確定依據(jù)其所承受的

載荷、轉(zhuǎn)速要求以及與連接部件的配合。通常需要確保軸的直徑經(jīng)驗(yàn)

證不至于因彎曲或扭曲而失效。

強(qiáng)度和剛度校核：軸的強(qiáng)度包括抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度以及抗沖擊

載荷的能力。通過強(qiáng)度校核（如使用材料力學(xué)或有限元分析）來保證

設(shè)計(jì)軸在受力下的安全。剛度則是對軸在受力時(shí)保持固定形態(tài)的能力

的評估，這影響到機(jī)械的精度和運(yùn)動穩(wěn)定性。

軸的支承與裝配：軸應(yīng)配有合適的軸承支承系統(tǒng)，減少摩擦與磨

損，并維持軸向定位。裝配時(shí)需考慮鍵連接、錐鍵連接、過渡配合、

間隙配合等不同的配合方式，這些方式根據(jù)具體的需求意圖減少丟失、

定位準(zhǔn)確性以及潤滑要求。

表面處埋與熱處埋：為了延長軸的使用壽命和提高耐磨性，軸的

特定區(qū)域可能需要進(jìn)行表面處理方法，例如噴丸、拋光、電鍍；或?qū)?/p>

施熱處理措施，如正火、淬火、回火等來漕加硬度和抗疲勞性。

軸的設(shè)計(jì)必須綜合考慮多方面因素，確保其在滿足機(jī)械系統(tǒng)的功

能需求同時(shí)，還應(yīng)具有適當(dāng)?shù)陌踩６群瓦m應(yīng)相關(guān)制造與安裝標(biāo)準(zhǔn)。

通過細(xì)致的設(shè)計(jì)程序和精確的計(jì)算，軸能夠成為任何機(jī)械體系中不可

或缺的一部分。

3.2.1軸的載荷分析

重量載荷：包括軸的自重、軸承的質(zhì)量、以及其他懸掛在軸上的

部件的質(zhì)量。這些載荷會隨著軸的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生慣性力，特別是在高速

運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更為顯著。

離心力：在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，離心力是隨著軸的速度增加而線性增加

的。它會對軸產(chǎn)生與軸的圓形截面相垂直的力，對于高速軸非常關(guān)鍵。

徑向力：徑向力是由軸承提供的支持力，它與軸的自重和重心在

軸承平面內(nèi)的相對位置有關(guān)。

切向力：切向力主要來自于轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)矩和軸向推力。在齒輪

傳動中，切向力包含有徑向和軸向的推力，以及與軸徑方向相同或相

反的力。

振動和沖擊載荷：這些載荷在機(jī)械運(yùn)行過程中是難以預(yù)測的，它

們可能會因嚴(yán)重故障、安裝問題或外部沖擊而產(chǎn)生，導(dǎo)致軸承受瞬間

極高的載荷。

溫度載荷：溫度的變化會影響材料的機(jī)械性能，可能導(dǎo)致材料變

形或應(yīng)力累積。在熱機(jī)械應(yīng)力作用下，軸可能會發(fā)生蠕變、熱膨脹或

應(yīng)力腐蝕。

在進(jìn)行軸設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮這些載荷因素，確保軸能夠承受

最大設(shè)計(jì)載荷，并留有一定的安全裕度。設(shè)計(jì)軸時(shí)還需考慮材料的剪

切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等性能參數(shù)。安全系數(shù)的選擇通常基于

滿意的安全性、合理的成本和魯棒性。在設(shè)計(jì)階段，對軸的載荷進(jìn)行

分析是必要的，以確保軸能夠滿足長期和反復(fù)循環(huán)載荷的要求。

3.2.2軸的材料選擇和尺寸計(jì)算

軸是機(jī)械傳動系統(tǒng)中最常見且重要的部件之一，承擔(dān)著傳輸力和

扭矩的重任。軸的材料選擇和尺寸計(jì)算直接影響其性能、壽命和可靠

性。

承受的載荷類型和大小:軸承受的載荷主要包括徑向力、軸向力

以及扭矩。不同的載荷類型對應(yīng)不同的材料選擇，承受主要徑向力的

軸，可選擇具有高抗壓強(qiáng)和抗疲勞性能的材料?，如淬火碳鋼、不銹鋼

等；承受主要軸向力的軸，則應(yīng)選擇具有高抗拉力和抗蠕變性能的材

料，如合金鋼、鈦合金等。

工作環(huán)境:軸的工作環(huán)境包括溫度、濕度、腐蝕性等因素。在高

溫度環(huán)境下工作，需選用高溫強(qiáng)度材料，如鍥基合金、高溫鋼等；在

腐蝕性環(huán)境下工作，需選用耐腐蝕材料，如不銹鋼、合金鑄鐵等。

成本和加工性能:不同的材料具有不同的成本和加工性能。在滿

足性能要求的前提下，應(yīng)選擇性價(jià)比高的材料。

鈦合金:強(qiáng)度高、密度低、具有良好的耐腐蝕性和耐高溫性能，

適用于航空航天領(lǐng)域和一些高要求的場合。

軸的尺寸計(jì)算應(yīng)保證其能夠承受預(yù)定的載荷，同時(shí)兼顧重量和成

本。常用的尺寸計(jì)算方法包括：

經(jīng)驗(yàn)公式:根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)，建立了多種軸尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式,

可用于快速估算軸尺寸。

分析計(jì)算:利用有限元分析等軟件，對軸的受力情況進(jìn)行精確分

析，從而確定最佳的軸尺寸。

標(biāo)準(zhǔn)尺寸:根據(jù)不同的用途和材質(zhì)，國際上已經(jīng)制定了許多軸的

標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可直接選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

合理選擇軸的材料和尺寸是設(shè)計(jì)可靠，經(jīng)濟(jì)和高效機(jī)械設(shè)備的重

要前提。

3.3輪轂的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與材料選擇：根據(jù)承重條件選擇合適的材料，如鑄鐵、

鍛造鋼、鋁合金或復(fù)合材料等，確保輪轂?zāi)艹惺茴A(yù)期的扭矩和力矩而

不發(fā)生變形或斷裂。表面的熱處理和涂層能夠進(jìn)一步提高疲勞強(qiáng)度和

抗腐蝕性能。

氣體流線型與空氣動力學(xué)：為了讓車輛在高速行駛時(shí)表現(xiàn)更佳,

輪轂應(yīng)具有流線型設(shè)計(jì)，以減少風(fēng)阻并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。輪轂表面可

能有特殊凹槽或隆起以增強(qiáng)空氣流通性。

裝配制造：輪轂上的連接螺栓、輪罩邊緣和輪胎安裝面等需要精

細(xì)設(shè)計(jì)以確保與輪胎和車輛懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固可靠的連接。通常會采

用浮動或固定軸承等技術(shù)減少磨損和提升精度。

制動系統(tǒng)接口:輪轂的設(shè)計(jì)必須滿足與制動系統(tǒng)（如剎車片、剎

車盤或剎車鼓）的正確匹配，從而保證最佳的制動效能和穩(wěn)定性。輪

轂上的通風(fēng)孔和制動散熱結(jié)構(gòu)也能幫助提高是剎車效能。

重量與平衡性：減輕輪轂重量有助于提升車輛的操控性和燃油效

率。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保輪轂重量分布均勻，從而最小化對懸掛系統(tǒng)的不良

影響，并減少輪胎的不對中問題。

耐疲勞與持久性：在重復(fù)載荷和溫度變化下，輪轂設(shè)計(jì)需維持高

抗疲勞強(qiáng)度，以防斷裂。長期使用應(yīng)具備良好的耐腐蝕性能，以便在

惡劣環(huán)境中仍能保證長期穩(wěn)定運(yùn)行。

輪轂設(shè)計(jì)需經(jīng)過多次迭代和嚴(yán)格測試以驗(yàn)證其功能性和可靠性。

設(shè)計(jì)師需綜合考慮每一個(gè)因素以實(shí)現(xiàn)功能、性能、安全、美學(xué)和成本

效益的平衡。隨著技術(shù)的進(jìn)步和材料科學(xué)的創(chuàng)新，未來的輪轂設(shè)計(jì)將

可能展現(xiàn)出更多創(chuàng)新性和功能性。

3.3.1輪轂的基本要求

輪轂是輪式機(jī)械的重要組成部分，其作用是將輪子與軸連接起來,

并保持輪子的固定位置。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，輪轂的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下

基本要求：

強(qiáng)度要求：輪轂應(yīng)在外載荷作用下具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以

防止變形或斷裂。計(jì)算輪轂的強(qiáng)度時(shí)，需要考慮徑向和軸向的載荷，

以及可能出現(xiàn)的沖擊載荷。

剛度要求：輪轂應(yīng)具備一定的剛度，以保證輪子在運(yùn)行過程中不

會發(fā)生大幅度的變形。剛度的不足可能導(dǎo)致輪子與軸之間的磨損加劇,

進(jìn)而影響機(jī)械的運(yùn)行質(zhì)量和使用壽命。

尺寸要求：輪轂的尺寸應(yīng)與輪子和軸的設(shè)計(jì)相匹配，以保證良好

的配合性能和裝配精度。輪轂的尺寸還應(yīng)考慮到與其他部件的互換性

和裝配的便利性。

密封要求：為了防止灰塵和其他異物進(jìn)入，輪轂上通常會設(shè)計(jì)有

密封措施，如橡膠密封圈或金屬密封條。

材料選擇：輪轂的材料應(yīng)具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、強(qiáng)度和

適宜的成本效益比。材料的選擇還應(yīng)考慮輪轂的使用環(huán)境和_1.作條件。

制造和組裝：輪轂的制造工藝和組裝過程應(yīng)確保尺寸精度和表面

粗糙度符合要求，避免在運(yùn)行過程中產(chǎn)生不必要的摩擦和磨損。

維護(hù)和檢查：輪轂必須設(shè)計(jì)有便于維護(hù)和檢查的特性，以期在發(fā)

現(xiàn)故障時(shí)能夠快速進(jìn)行修理或更換。

3.3.2輪轂的材料和幾何設(shè)計(jì)

輪轂是車輛輪系中承載輪輛、輪胎以及傳力元件的重要結(jié)構(gòu)。其

材料和幾何設(shè)計(jì)直接關(guān)系到車輛的性能、安全性和耐久性。

輪轂材料的選擇主要取決于其承受的載荷、工作環(huán)境以及成本考

量。常見輪轂材料包括：

隨著輕量化設(shè)計(jì)需求的加強(qiáng)，鋁合金和復(fù)合材料作為高端輪轂材

料的應(yīng)用比例不斷增加。

強(qiáng)度和剛度:輪轂需要能夠承受高速行駛、制動和轉(zhuǎn)彎等載荷，

其形狀需要兼顧承受力與輕量化。

剛性:輪轂的強(qiáng)度需要能夠保證輪胎和車輛的精確連接，避免變

形影響行駛穩(wěn)定性。

氣動阻力:輪轂的設(shè)計(jì)需要配合車輛的其他空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)，減

少氣動阻力，提高燃料經(jīng)濟(jì)性。

重量:考慮到車輛重量分配和燃料消耗，輪轂的重量需要盡可能

輕，同時(shí)保證強(qiáng)度和剛度。

輻條式:通過將輪轂體與緣環(huán)相連的輻條提升強(qiáng)度和剛度，但成

本較高。

整體式:輪轂體和緣環(huán)一體化設(shè)計(jì)，強(qiáng)度和剛度最高，但制造工

藝復(fù)雜，成本高。

輪轂的材料和幾何設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要綜合考慮多種因

素，才能最終選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，以滿足車輛的性能要求。

4.機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

功能分析：首先明確傳動系統(tǒng)的詳細(xì)功能和要求，比如是用于加

速、減速還是換向。同時(shí)分析負(fù)載特性，包括負(fù)載大小、性質(zhì)和變化

的周期等。根據(jù)負(fù)載特性選擇合適的傳動類型和配置參數(shù)。

構(gòu)件選擇：根據(jù)功能需求和負(fù)載特性，選定適合的傳動機(jī)構(gòu)，如

齒輪系統(tǒng)、鏈條系統(tǒng)、帶傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)等。每一種

傳動類型都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和局限性，需根據(jù)具體情況權(quán)衡選擇。

布置設(shè)計(jì)：傳動系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)涉及到空間布局、安裝位置、維

修性和安全性等因素。設(shè)計(jì)師需要為傳動系統(tǒng)創(chuàng)造足夠的操作和維護(hù)

空間，同時(shí)考慮冷卻、潤滑等輔助系統(tǒng)的安排。

倍率計(jì)算：傳動比是表明輸入與輸出速度之間關(guān)系的參數(shù)，它由

所選取的具體傳動方式及其參數(shù)決定。準(zhǔn)確計(jì)算傳動比是確保機(jī)械系

統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期速度和動力要求的關(guān)鍵。

穩(wěn)定性和效率：設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重傳動系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及整體系統(tǒng)

效率。這涉及到對齒輪模數(shù)、齒寬等尺寸參數(shù)的精確計(jì)算，以及對材

料強(qiáng)度、熱處理方式的合理應(yīng)用，以提升傳動系統(tǒng)的壽命和性能。

安全保護(hù)措施:在設(shè)計(jì)中，需前瞻性地考慮傳動系統(tǒng)的安全問題,

并采取必要的防誤動、防誤操作等安全保護(hù)措施，確保機(jī)械在正常操

作和應(yīng)急情況下的安全。

協(xié)同與創(chuàng)新：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)往往需要集成多種技術(shù)和材料，設(shè)計(jì)

師應(yīng)常與工程團(tuán)隊(duì)及供應(yīng)商保持溝通，保持技術(shù)前沿性和創(chuàng)新性，確

保設(shè)計(jì)符合最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用趨勢。

4.1齒輪傳動

齒輪傳動是機(jī)械設(shè)計(jì)中極為重要的傳動方式，它能夠?qū)崿F(xiàn)兩種軸

之間運(yùn)動和動力的平滑傳遞，有著體積小、壽命長、效率高的特點(diǎn)。

齒輪傳動的基本原則包括嚙合要求、正確安裝與維護(hù)等方面。

齒輪傳動的類型主要包括平面齒輪、維齒輪和蝸輪蝸桿傳動等。

平面齒輪是最常見的齒輪類型，常用于低速傳動且載荷較大的場合。

錐齒輪適用于傳遞徑向和軸向力的場合，而蝸輪蝸桿傳動則常用于高

速輕載荷的傳動系統(tǒng)中。

設(shè)計(jì)齒輪傳動系統(tǒng)時(shí)，需要考慮齒輪的幾何尺寸、制造精度和載

荷條件。齒輪的精確制造是確保齒輪傳動平穩(wěn)、減少摩擦和磨損的關(guān)

鍵。理論分析和實(shí)驗(yàn)方法可以用來計(jì)算齒輪傳動的承載能力、振動和

噪音等。

齒輪傳動的常見失效形式包括磨損、斷裂和塑性變形。因此在設(shè)

計(jì)時(shí)，還要考慮齒輪的材料選擇和熱處理工藝，以提高齒輪的硬度和

耐磨性。正確安裝齒輪，避免過度過載，也是延長齒輪傳動系統(tǒng)壽命

的重要因素。

齒輪傳動的動態(tài)特性，如振動和噪聲，也是設(shè)計(jì)過程中需要考慮

的重要內(nèi)容。工程師需要了解齒形的選型和設(shè)計(jì)原則，如漸開線齒形

和圓弧齒形等，以便于優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)性能。

齒輪傳動的潤滑也是非常關(guān)鍵的，合理的潤滑可以減少摩擦，增

加齒輪的耐用性。潤滑介質(zhì)的選擇和潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是齒輪傳動設(shè)

計(jì)和使用過程中的重要環(huán)節(jié)。

在實(shí)際應(yīng)用中，齒輪傳動的設(shè)計(jì)和應(yīng)用還需要遵守相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和

規(guī)范，如ISO標(biāo)準(zhǔn)，以確保齒輪傳動的可靠性和安全性。

4.1.1齒廓的形狀和牙齒的失效

齒輪傳動的效率和可靠性很大程度上依賴于齒廓的精確形狀和

齒西服的服從性。齒廓形男犬主要確定由齒輪制造商規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，例如

ISO.DIN或AGMA標(biāo)準(zhǔn)。常見齒廓形狀包括：

直齒輪:最簡單的齒形，適用于低速、低載荷APPLTCATTONo

斜齒輪:齒面斜向與輪轂旋轉(zhuǎn)軸線，適用于高速、高載荷

APPLICATIONo

曲齒輪:齒面彎曲，能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的傳動，減少震動和噪音，適用

于精密傳動。

齒條:齒形為長條，與鏈條或履帶配合使用，適用于高速、高載

荷APPLICATIONo

減速或沖擊載荷:突然變動或沖擊載荷，會導(dǎo)致齒輪內(nèi)應(yīng)力集中,

引發(fā)疲勞破壞。

精度不足：齒輪加工精度不足，會導(dǎo)致不正、跳跳等問題，加速

齒輪磨損。

及時(shí)控制這些因素，并對齒輪進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和選用，可以有效

延長齒輪的使用壽命，確保傳動系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4.1.2齒輪的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪作為機(jī)械系統(tǒng)中的重要傳動零件，其設(shè)計(jì)和選材是保證機(jī)械

設(shè)備性能的關(guān)鍵。齒輪的材料通常需考慮其力學(xué)性能、加工難度、成

本及應(yīng)用環(huán)境。常見齒輪材料包括鋼材、鑄鐵、鋁合金、塑料等及其

口51Z.o

強(qiáng)度和硬度：齒輪應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和硬度以抵抗工作過程中的

載荷與磨損。常用的鋼材包括碳鋼、合金鋼等，而硬化處理可通過淬

火和回火獲得。

塑性和韌性：材料良好的塑性和韌性可以防止在沖擊載荷下產(chǎn)生

裂紋，尤其是對于高速運(yùn)行或重載的齒輪。高性能合金鋼通常用于高

需求場合。

耐磨性：在不同應(yīng)用場景下，例如重載、高溫、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境,

耐磨性是關(guān)鍵性能指標(biāo)。特制合金如圖表鋼或表面硬化材料（如噴丸

硬化）可能更為契合。

加工性：材料的加工性能影響齒輪的制造效率和成本。如鑄鐵和

鋁合金的可鑄性和可壓性相對較好，但強(qiáng)度和耐磨性相對較弱。

模數(shù)及壓力角：模數(shù)決定齒輪的尺寸大小，而壓力角影響齒輪嚙

合的空間位置以及齒輪的受力情況。應(yīng)當(dāng)根據(jù)嚙合要求和載荷預(yù)測選

擇合適的模數(shù)和壓力角。

齒廓形狀：不同的齒形，如漸開線和非圓等，對于齒輪的負(fù)載分

布、嚙合性能和制造復(fù)雜性均有影響。漸開線齒輪因制造容易、承載

能力優(yōu)異而成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

齒距和齒圈厚度：齒距要均勻分布，以保證齒輪嚙合的穩(wěn)定性；

齒圈厚度則需保證在強(qiáng)度和重量控制間取得平衡。

輪輻與輪緣厚度設(shè)計(jì)?：在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保齒輪的輪輻和輪緣有足

夠的厚度以支持持續(xù)運(yùn)作中的應(yīng)力。

熱處理與表面硬化：對于許多齒輪應(yīng)用場合，熱處理如滲碳、氮

化或表面淬火等是增加硬度和耐磨性的關(guān)鍵。

材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮應(yīng)用環(huán)境和制造工藝的要求，選擇最

合適的齒輪的材料與結(jié)構(gòu)，以確保整個(gè)零部件的長久可靠性和整個(gè)機(jī)

械系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。在設(shè)計(jì)階段做出合理的選材和結(jié)構(gòu)決策將直接影

響到設(shè)備的效能、壽命和維護(hù)成本。

4.2鏈條和帶傳動

鏈條和帶傳動是機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的傳潴運(yùn)動和動力的裝置，它們

具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合于長期連續(xù)工作的場

合。在這一節(jié)中，我們將討論鏈條和帶傳動的基本原理、類型、選擇

和使用方法。

鏈條傳動是一種比較古老的傳動方式，它主要由鏈條、齒輪和軸

等部件組成。鏈條是鏈條傳動的關(guān)鍵部件，它由多個(gè)鏈節(jié)組成，每個(gè)

鏈節(jié)由兩個(gè)鏈環(huán)（通常為鏈板）和一根連接鏈節(jié)之間的鏈鉤（或稱鏈

牙）所構(gòu)成。鏈條按照其構(gòu)型通常分為平行鏈、節(jié)距鏈等類型，而按

照材料則有鋼鏈和塑料鏈等。

帶傳動則是另一種重要的傳動方式，它由帶（或稱為皮帶）和帶

輪組成。帶傳動的帶子通常具有一定的彈性，可以在非接觸下傳動動

力。根據(jù)帶子的材料，帶傳動可分為棉帶、橡膠帶、金屬帶和合成帶

等類型。

在選擇鏈條或帶傳動時(shí)，需要綜合考慮傳動比、承載能力、使用

環(huán)境、維護(hù)要求等多個(gè)因素。無論是鏈條還是帶傳動，都應(yīng)確保鏈條

或帶與帶輪之間的嚙合正確，以免造成傳動失準(zhǔn)或鏈條過早磨損。

通過正確選擇和使用鏈條和帶傳動，可以確保機(jī)械系統(tǒng)可靠、平

穩(wěn)和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

4.2.1鏈條的類型和選擇

鏈條是一種傳遞動力并將運(yùn)動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動或推動的重要傳動元

件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中。

銷節(jié)鏈條：最常見的類型，由鏈板與銷子連接，銷子通過鏈板孔

穿過，實(shí)現(xiàn)連接。

彈性鏈條：由多塊不活動連節(jié)組成，通過彈性元件連接，實(shí)現(xiàn)柔

性傳送。

鏈板形狀分類:常見的鏈板形狀有附件鏈條、滾針鏈條、內(nèi)齒鏈

條等，每種形狀適用于不同的應(yīng)用場景。

選擇鏈條時(shí)，應(yīng)仔細(xì)閱讀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和手冊，并咨詢專業(yè)人士的技

術(shù)意見。

4.2.2帶傳動的設(shè)計(jì)考慮因素

在設(shè)計(jì)帶傳動時(shí)，有幾項(xiàng)關(guān)鍵的考慮因素需特別注意，這些因素

包括帶的類型選擇、傳動比確定、負(fù)載特性、材料選擇以及帶的張緊

和保護(hù)。

不同類型的帶適合的工況和應(yīng)用場景各不相同，常見的帶包括平

形帶、三角帶、多楔帶和同步帶。平形帶適用于一般的小到中等載荷

場合，而三角帶和同步帶則適用于需要傳輸較高功率及精確控制場合。

多楔帶則是兩者之間的一種折中方案。

根據(jù)傳動系統(tǒng)需求以及設(shè)備的功率要求，選擇合適的傳動比至關(guān)

重要。過大的傳動比可能會造成帶傳動系統(tǒng)的體積和重量增加，且?guī)?/p>

的磨損及壽命也會下降。通常在機(jī)械設(shè)計(jì)中會選擇合理的傳動比，以

達(dá)到最大的傳遞功率和效率。

帶傳動的負(fù)載特性，即帶和帶輪接觸部位的壓力分布情況，將直

接影響帶的磨損和壽命。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保帶的最大緊邊拉伸力與帶速、

帶型號以及傳動比相匹配。

選擇合適的帶材和帶輪材質(zhì)對于確保帶傳動的可靠性和磨損壽

命同樣重要。應(yīng)考慮帶材的抗拉強(qiáng)度、伸長率及耐磨損性能等，同時(shí)

還要確保帶輪的材料能夠承受相應(yīng)的離心力及摩擦力。

帶傳動系統(tǒng)需正確實(shí)施張力調(diào)節(jié)，以確保帶的穩(wěn)定運(yùn)行。過緊的

帶會產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致過快磨損；過松的帶則可能產(chǎn)生打滑

現(xiàn)象，影響傳動的精確性和效率。應(yīng)采取可靠的措施防止帶傳動系統(tǒng)

跳躍、脫離或發(fā)生異常情況，避免損壞設(shè)備或造成人身傷害。

在設(shè)計(jì)帶傳動時(shí)，還需充分考慮環(huán)境和應(yīng)用場景的特殊要求，如

溫度、濕度、震動和雜質(zhì)等對帶及其性能的影響。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)考慮和

優(yōu)化將有助于提高帶傳動系統(tǒng)的性價(jià)比和工作穩(wěn)定性。

4.3變速器的設(shè)計(jì)

變速器通過改變傳動齒輪的嚙合狀態(tài)，從而達(dá)到變速的目的。根

據(jù)其工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，變速器主要分為齒輪變速器、帶式變速器

和摩擦輪變速器等類型。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)機(jī)械設(shè)備的需求選擇

合適的類型。

變速器的主要參數(shù)包括變速范圍、傳動效率、轉(zhuǎn)速比、齒輪模數(shù)

等。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮變速器的性能要求，如變速平穩(wěn)、高效、可靠，同

時(shí)要滿足設(shè)備的空間布局和使用環(huán)境要求。

確定變速器的規(guī)格和類型：根據(jù)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際需求，確定變速

器的規(guī)格和類型，選擇適當(dāng)?shù)凝X輪、軸承等零部件。

設(shè)計(jì)變速器的傳動方案：根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行要求和空間布局，設(shè)計(jì)

合理的傳動方案，確保變速器的傳動效率和可靠性。

進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核：對變速器進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核，確保其在

工作過程中具有足夠的強(qiáng)度和耐用性。

進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低變速器的重量和成本，

提高其性能和使用壽命。

保證變速器的傳動精度和穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮齒輪的精度、

軸承的支撐剛度等因素，確保變速器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

充分考慮變速器的熱平衡：變速器在工作時(shí)會產(chǎn)生熱量，設(shè)計(jì)時(shí)

需考慮其熱平衡問題，避免過熱影響設(shè)備性能。

重視變速器的潤滑和密封：良好的潤滑和密封是確保變速器正常

運(yùn)行的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮潤滑方式和密封結(jié)構(gòu)。

考慮變速器的可維護(hù)性：設(shè)計(jì)時(shí)需考慮變速器的可維護(hù)性，方便

設(shè)備的維修和保養(yǎng)。

變速器的設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實(shí)際需求和設(shè)

備特點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。通過掌握變速器的基本原理和設(shè)計(jì)方法，可以

為我們在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中提供指導(dǎo)，幫助我們設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、使用

可靠的變速器。

4.3.1變速器的類型和工作原理

變速器是機(jī)械傳動系統(tǒng)中至關(guān)重要的部件，其主要功能是調(diào)節(jié)輸

出轉(zhuǎn)速和扭矩，以滿足不同工況下的需求。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能的不同，

變速器可分為多種類型，每種類型都有其獨(dú)特的工作原理。

定軸齒輪傳動式變速器是最常見的變速器類型之一，其主要由輸

入軸、輸出軸和一系列定軸齒輪組成。輸入軸上安裝有多組大小不同

的齒輪，與輸出軸上的齒輪嚙合。通過改變輸入軸上齒輪與輸出軸上

齒輪的嚙合關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和扭矩的調(diào)節(jié)。定軸齒輪傳動式變速

器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但其在換擋過程中可能會產(chǎn)生

較大的振動和噪音。

傾斜軸齒輪傳動式變速器與定軸齒輪傳動式變速器相似，但輸入

軸和輸出軸是傾斜的，這使得齒輪在嚙合時(shí)能夠承受更大的扭矩。傾

斜軸齒輪傳動式變速器具有較高的承載能力和較好的傳動效率，但其

結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造成本較高。

液力耦合器是一種利用液體的動量和壓力來傳遞扭矩的裝置，它

主要由泵輪、渦輪和外殼等部分組成。當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)動時(shí)，泵輪也隨之

旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高壓液體，高壓液體驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動輸出軸轉(zhuǎn)動。

液力耦合器具有過載保護(hù)、啟動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，但其傳動效率相對較低,

且存在一定的能量損失。

齒輪齒條傳動式變速器通過齒輪和齒條的嚙合來實(shí)現(xiàn)扭矩的傳

遞。其主要由輸入齒輪、輸出齒輪和齒條等部分組成。輸入齒輪與輸

入軸連接，輸出齒輪與輸出軸連接，齒條與齒輪嚙合。通過改變輸入

齒輪與輸出齒輪的嚙合關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和扭矩的調(diào)節(jié)。齒輪齒條

傳動式變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，但其承載能力

相對較低。

各種類型的變速器在工作原理上雖然有所不同，但都實(shí)現(xiàn)了將動

力從一個(gè)軸傳遞到另一個(gè)軸的目的，從而滿足不同工況下的需求。在

實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求和性能指標(biāo)來選擇合適的變速器類型。

4.3.2變速器齒輪的設(shè)計(jì)

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，齒輪是一種常見的傳動元件，其設(shè)計(jì)需要考慮多

種因素。變速器齒輪的設(shè)計(jì)是其中的一個(gè)重要部分，其設(shè)計(jì)直接影響

到變速器的性能和可靠性。

變速器齒輪的設(shè)計(jì)主要涉及到齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、齒頂

高、齒根高、齒寬等參數(shù)的選擇。這些參數(shù)的選擇需要根據(jù)變速器的

使用工況、載荷特性、傳動效率等因素進(jìn)行綜合考慮。

齒數(shù)：齒輪的齒數(shù)直接影響到齒輪的傳動比和承載能力。齒數(shù)越

大，傳動比越小，承載能力越強(qiáng)。齒數(shù)過大會導(dǎo)致齒輪的體積增大，

不利于齒輪的制造和使用。齒數(shù)的選擇需要在滿足傳動比要求的同時(shí),

盡量減小齒輪的尺寸和重量。

模數(shù)：模數(shù)是齒輪的基本尺寸之一，它決定了齒輪的齒距和齒寬。

齒距越小，齒輪的承載能力和傳動效率越高。模數(shù)過大會導(dǎo)致齒輪的

制造難度增大，成本增加。模數(shù)的選擇需要在保證齒輪性能的前提下，

盡量降低生產(chǎn)成本。

壓力角：壓力角是齒輪嚙合時(shí)兩個(gè)齒輪齒面上接觸線與軸線的夾

角。壓力角的大小會影響到齒輪的傳動效率和噪音水平,壓力角越大，

傳動效率越高，噪音水平越低。壓力角過大會導(dǎo)致齒輪的強(qiáng)度降低,

容易產(chǎn)生振動和噪聲。壓力角的選擇需要在保證傳動效率和噪音水平

的前提下，盡量提高齒輪的強(qiáng)度。

齒頂高和齒根高：齒頂高和齒根高是齒輪的幾何參數(shù)，它們直接

影響到齒輪的安裝和定位精度。齒頂高和齒根高的設(shè)置可以提高齒輪

的安裝精度和穩(wěn)定性，過高或過低的齒頂高和齒根高會增加齒輪的制

造難度和成本。齒頂高和齒根高的選擇需要在保證安裝精度和穩(wěn)定性

的前提下，盡量降低生產(chǎn)成本。

齒寬：齒寬是齒輪的重要參數(shù)之一，它直接影響到齒輪的傳動效

率和噪音水平。齒寬越大，傳動效率越高，噪音水平越低。齒寬過大

會導(dǎo)致齒輪的體積增大，不利于齒輪的制造和使用。齒寬的選擇需要

在保證傳動效率和噪音水平的前提下，盡量減小齒輪的尺寸和重量。

5.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是確保機(jī)械設(shè)備能夠精確、穩(wěn)定、高

效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。控制系統(tǒng)通過接收來自機(jī)械的反饋信息，并根據(jù)

預(yù)設(shè)的參數(shù)和性能要求，控制機(jī)械的動作，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。控制系

統(tǒng)可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。

開環(huán)控制：開環(huán)控制系統(tǒng)不依賴于被控量的反饋信息。這種控制

系統(tǒng)中，輸入的變化直接影響到輸出，但是控制效果受擾動影響較大,

適應(yīng)性較弱。開環(huán)控制系統(tǒng)通常用于對環(huán)境變化不敏感的應(yīng)用。

閉環(huán)控制：閉環(huán)控制系統(tǒng)接收來自被控系統(tǒng)的反饋信息，根據(jù)反

饋信息調(diào)整控制動作以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作的準(zhǔn)確性。閉環(huán)控制

又分為比例（P）、積分（I）、微分（D）,以及比例積分微分（PID）

控制。

P1D控制是最常用的控制策略之一，其控制器能夠根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)

前狀態(tài)和歷史狀態(tài)調(diào)整控制信號，達(dá)到精確控制的目的。P1D控制器

通過計(jì)算比例、積分和微分三種元素對誤差信號的作用，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)

性能的有效提升。

傳感器是控制系統(tǒng)的重要組成部分，它們能夠檢測關(guān)鍵的機(jī)器參

數(shù)，如位置、速度、加速度、力、溫度等，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給

控制單元。傳感器的選擇和布置直接影響到控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。

控制器設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，設(shè)計(jì)控制器時(shí)需要考慮

系統(tǒng)的動態(tài)特性，包括系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、過渡過程特性、調(diào)節(jié)時(shí)間以

及噪聲抑制能力等。現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常利用數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)進(jìn)行

分析，并借助于現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制、魯棒控制等高級方法進(jìn)

行控制器的設(shè)計(jì)和校正。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制日益成為現(xiàn)代機(jī)械控制的主

流。計(jì)算機(jī)控制可以通過軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略，并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

分析和故障診斷功能。計(jì)算機(jī)控制能夠提高系統(tǒng)的靈活性和自動化水

平，同時(shí)降低操作人員的工作負(fù)荷。

5.1電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)接收來自傳感器

的信息，對機(jī)械運(yùn)動進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。其主要功能包括：

信號采集和處理:通過傳感器獲取機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)、溫度、

壓力等信息，并將信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理。

邏輯控制:根據(jù)預(yù)設(shè)程序和當(dāng)前狀態(tài)信號，進(jìn)行邏輯判斷和指令

發(fā)出，控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動:將邏輯控制命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電磁鐵、馬達(dá)、氣缸

等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號。

顯示和報(bào)警:將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以數(shù)字、文字或圖形等方式顯示，

并對異常情況發(fā)出報(bào)警。

控制器:是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收、處理信號并頒發(fā)指令。常見

種類包括PLC、嵌入式系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)等。

傳感器:用于測量機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)，例如位置傳感器、速度傳感

器、壓力傳感器、溫度傳感器等。

執(zhí)行機(jī)構(gòu):用于執(zhí)行控制指令，例如電動馬達(dá)、氣動氣缸、液壓

馬達(dá)等。

5.1.1控制指令的來源

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，控制指令是機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的重要指令。

這部分內(nèi)容主要討論控制指令的來源及其特點(diǎn)，以及它們對機(jī)械系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的影響。

用戶通過手動操作、自動化軟件或用戶界面對設(shè)備發(fā)出操作命令,

比如啟動、停止或者調(diào)整某一參數(shù)的設(shè)置。

傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，收集如位置、速度、壓力、溫度

等數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送到控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)

整機(jī)械性能，實(shí)現(xiàn)自動控制。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求，預(yù)設(shè)一系列操作步驟或參數(shù)設(shè)置，形成程序

并存儲在控制系統(tǒng)內(nèi)部或外部的存儲介質(zhì)中。設(shè)備啟動后，控制指令

按預(yù)設(shè)程序執(zhí)行。

在大型機(jī)械或有遠(yuǎn)程控制需求的設(shè)備中，控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)、

衛(wèi)星通信等方式接收來自遠(yuǎn)程控制臺或控制中心的指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程操

控。

當(dāng)今的智能機(jī)械設(shè)計(jì)還考慮了天氣和環(huán)境因素，根據(jù)環(huán)境濕度調(diào)

整加熱或除濕系統(tǒng)，根據(jù)日照程度調(diào)整自動追蹤和調(diào)節(jié)方向的應(yīng)用。

控制指令的多樣性和復(fù)雜性要求機(jī)械設(shè)計(jì)師必須深入理解這些

指令的來源和作用，以便設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、高效、用戶友好且易于維護(hù)的

機(jī)械設(shè)備。了解不同的指令來源也有助于設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的系統(tǒng)和兼容多

種操作模式的機(jī)械設(shè)備，以適應(yīng)不斷變化的需求和應(yīng)用場景。

5.1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇和控制電路的設(shè)計(jì)

功率與效率；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率必須滿足設(shè)計(jì)需求，以保證機(jī)器在

預(yù)定的工作負(fù)載下能夠正常運(yùn)行。高效率的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠減少能源浪

費(fèi)，降低運(yùn)營成本。

運(yùn)動特性：不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有不同的運(yùn)動特性，如速度、加速

度、運(yùn)動精度等。設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)機(jī)器的運(yùn)動要求選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

可靠性和耐用性：執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過程中可能會面臨各種復(fù)雜的

環(huán)境和條件，因此其可靠性和耐用性是關(guān)鍵考慮因素。

成本和維護(hù)：在滿足性能要求的前提下，還應(yīng)考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成

本和維護(hù)成本。

控制電路的設(shè)計(jì)是連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)核心部分的重要環(huán)

節(jié)。其主要任務(wù)是杈據(jù)控制指令，以適當(dāng)?shù)姆绞津?qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)

預(yù)期的運(yùn)動控制。控制電路的設(shè)計(jì)包括以下要點(diǎn)：

控制信號的接收與處理：設(shè)計(jì)合適的電路來接收并處理控制信號,

將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可識別的控制指令。

驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型和需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動電

路，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠按照控制指令正確動作。

保護(hù)與安全機(jī)制：在控制電路中應(yīng)設(shè)計(jì)必要的保護(hù)和安全機(jī)制，

以防止電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)因過載、短路等異常情況而損壞。

調(diào)試與優(yōu)化：完成設(shè)計(jì)后，需進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，確保控制電路的

性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速且準(zhǔn)確。

在選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，還需考慮其他因素如空間布

局、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容性等，以確保整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。隨著

技術(shù)的發(fā)展，智能化和數(shù)字化趨勢在機(jī)械設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)越來越明顯，

這也為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電路