50個(gè)最基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)

1、機(jī)械零件常用材料：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼看Q后的屈服強(qiáng)度；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼像20鋼，平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是萬(wàn)分之20；合金結(jié)構(gòu)鋼比如20Mn2，錳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約2%；鑄鋼ZG230-450，屈服點(diǎn)不小于230MPa、抗拉強(qiáng)度不小于450MPa；灰鑄鐵HT200主要看抗拉強(qiáng)度。

常用材料是設(shè)計(jì)的底子，接下來(lái)得說(shuō)說(shuō)零件加工里關(guān)鍵的熱處理方法。

2、常用熱處理方法：退火是隨爐緩冷；正火放空氣中冷卻；淬火往水或油里迅速冷卻；回火是把淬火后的零件再加熱到低于臨界溫度的溫度，保溫后空冷；調(diào)質(zhì)就是淬火加高溫回火；化學(xué)熱處理包括滲碳、滲氮、碳氮共滲。

熱處理直接影響材料性能，而零件的結(jié)構(gòu)工藝性則關(guān)系到制造效率——結(jié)構(gòu)合理才能好做。

3、機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)工藝性要滿足什么？得便于毛坯制造、便于機(jī)械加工，還要便于裝卸和可靠定位。

結(jié)構(gòu)沒(méi)問(wèn)題了，設(shè)計(jì)時(shí)還得避免零件失效——這是關(guān)鍵。

4、機(jī)械零件常見(jiàn)失效形式有哪些？強(qiáng)度不夠斷了；彈性變形或塑性變形太大；摩擦表面過(guò)度磨損、打滑或過(guò)熱；連接松動(dòng)；容器管道漏了；運(yùn)動(dòng)精度達(dá)不到要求。

失效往往和應(yīng)力有關(guān)，先搞清楚應(yīng)力分類(lèi)。

5、應(yīng)力分靜應(yīng)力和變應(yīng)力。*基本的變應(yīng)力是穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力，具體又分非對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)、對(duì)稱循環(huán)三種。

變應(yīng)力是疲勞破壞的根源，接下來(lái)看看疲勞破壞的特點(diǎn)。

6、變應(yīng)力作用下的破壞叫疲勞破壞，特點(diǎn)有三個(gè)：某類(lèi)變應(yīng)力多次作用后突然斷裂；斷裂時(shí)的*大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服極限；就算是塑性材料，斷裂時(shí)也沒(méi)明顯變形。確定疲勞極限得考慮應(yīng)力大小、循環(huán)次數(shù)和循環(huán)特征。

疲勞破壞有不同類(lèi)型，接觸疲勞是齒輪、軸承的“常見(jiàn)病”。

7、接觸疲勞破壞是怎么回事？零件在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，表面或表層先出初始裂紋，然后滾動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油擠進(jìn)去形成高壓，裂紋慢慢擴(kuò)展，最后表層金屬掉小碎片，表面出現(xiàn)小坑——這就是疲勞點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕的危害挺明顯：接觸面積變小，光滑表面被破壞，承載能力下降，還會(huì)振動(dòng)、有噪聲。齒輪、滾動(dòng)軸承這些零件*容易出這問(wèn)題。

虛約束不是沒(méi)用，是為了改善機(jī)構(gòu)性能才加的。

8、為什么要引入虛約束？比如多個(gè)行星輪是為了改善受力；軸和軸承用虛約束是增強(qiáng)剛度；還有保證機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

虛約束用來(lái)增強(qiáng)剛度，再說(shuō)說(shuō)螺紋的種類(lèi)。

9、螺紋分五類(lèi)：普通螺紋、管螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋。

螺紋的關(guān)鍵是自鎖——這決定了用途。

10、自鎖條件是什么？螺旋升角λ≤當(dāng)量摩擦角ψ，也就是λ不大于ψ。

自鎖條件定了螺紋用途：普通螺紋用于連接，傳動(dòng)螺紋用于傳動(dòng)。

11、螺旋機(jī)構(gòu)怎么分傳動(dòng)和連接？普通螺紋牙斜角β大，自鎖性好，所以用來(lái)連接；矩形、梯形、鋸齒形螺紋β小，傳動(dòng)效率高，所以用來(lái)傳動(dòng)。

傳動(dòng)螺紋要效率高，螺旋副的效率計(jì)算得會(huì)。

12、螺旋副的效率=有效功/輸入功=tanλ/tan（λ+ψv），一般螺旋升角不超過(guò)40°。當(dāng)螺紋中徑d2和螺距P一定時(shí)，線數(shù)n越多，λ越大，效率也越高。所以要提高傳動(dòng)效率，多用多線螺旋。

效率和螺旋升角有關(guān)，再說(shuō)說(shuō)螺旋機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和應(yīng)用。

13、螺旋機(jī)構(gòu)有兩類(lèi)應(yīng)用：一類(lèi)是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變直線運(yùn)動(dòng)，比如傳力螺旋（千斤頂、壓力機(jī)、臺(tái)虎鉗）、傳導(dǎo)螺旋（車(chē)床進(jìn)給）、調(diào)整螺旋（測(cè)微計(jì)、分度機(jī)構(gòu)）；另一類(lèi)是直線變回轉(zhuǎn)。

螺旋機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是減速比大、能自鎖。

14、螺旋機(jī)構(gòu)還有這些特點(diǎn)：減速比大；能放大作用力；反行程可以自鎖；傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、可靠；但不同螺旋效率差別大——能自鎖的效率高。

螺旋機(jī)構(gòu)用于傳動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)則更常用在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換上。

15、連桿機(jī)構(gòu)為什么應(yīng)用廣？能實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換；運(yùn)動(dòng)副都是低副，壓強(qiáng)小、磨損輕、好潤(rùn)滑、壽命長(zhǎng)；接觸表面是圓柱面或平面，好制造、精度高。

連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵是曲柄存在——沒(méi)有曲柄就沒(méi)法連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

16、曲柄存在的條件：一是*短桿長(zhǎng)度+最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度≤其他兩桿之和；二是*短桿得是連架桿或機(jī)架。

曲柄問(wèn)題解決了，凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也得注意——關(guān)系到?jīng)_擊。

17、凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沖擊特性對(duì)應(yīng)：等速運(yùn)動(dòng)有剛性沖擊，適合低速輕載；等加速等減速是柔性沖擊，中速輕載；余弦加速度也是柔性沖擊，中速中載；正弦加速度沒(méi)沖擊，適合高速輕載。

凸輪的壓力角和基圓半徑有關(guān)系，這是設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

18、凸輪機(jī)構(gòu)壓力角與基圓半徑的關(guān)系：r0=v2/(ωtanα)-s，其中r0是基圓半徑，s是推桿位移量。

基圓半徑影響壓力角，滾子半徑也不能亂選——要避免變尖和失真。

19、滾子半徑怎么選？ρa(bǔ)=ρ-r（ρ是凸輪理論廓線曲率半徑，r是滾子半徑）。如果ρ=r，實(shí)際廓線會(huì)出尖點(diǎn)，容易磨損；如果ρr，通常r≤0.8ρ，實(shí)在不行就增大基圓半徑讓?duì)炎兇蟆?/p>

滾子半徑搞定，再說(shuō)說(shuō)齒輪傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

20、齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：適用圓周速度和功率范圍廣；傳動(dòng)比精確；效率高；可靠；壽命長(zhǎng)；能實(shí)現(xiàn)平行軸、相交軸、交錯(cuò)軸傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)也明顯：制造安裝精度要求高，成本高；不適合遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。

齒輪傳動(dòng)用得多，漸開(kāi)線的特性是基礎(chǔ)。

21、漸開(kāi)線有這些特性：①發(fā)生線在基圓上滾過(guò)的長(zhǎng)度等于基圓上被滾過(guò)的弧長(zhǎng)；②漸開(kāi)線上任一點(diǎn)的法線都和基圓相切，N點(diǎn)是K點(diǎn)的曲率中心，NK是曲率半徑；③cosαk=rb/rk（rb是基圓半徑，rk是K點(diǎn)向徑），所以漸開(kāi)線上各點(diǎn)壓力角不一樣，向徑越大壓力角越大，基圓上壓力角是0；④漸開(kāi)線形狀由基圓大小決定，基圓越大，對(duì)應(yīng)點(diǎn)曲率半徑越大，基圓無(wú)限大時(shí)漸開(kāi)線就是直線——所以漸開(kāi)線齒條齒廓是直線；⑤基圓以內(nèi)沒(méi)有漸開(kāi)線。

漸開(kāi)線定了齒廓形狀，齒輪嚙合得滿足模數(shù)和壓力角相等。

22、齒輪嚙合條件：得保證嚙合線上的齒都能正確嚙合，所以m1=m2=m（模數(shù)相等）、α1=α2=α（壓力角相等）；斜齒輪還得螺旋角大小相等、旋向相反；錐齒輪要錐距相等；渦輪蝸桿得蝸桿導(dǎo)程角和渦輪螺旋角大小相等、旋向相同。

嚙合條件滿足了，還要連續(xù)傳動(dòng)——得重合度大于1。

23、輪齒連續(xù)傳動(dòng)條件：重合度ε=B1B2/ρb>1（實(shí)際嚙合線段B1B2比輪齒法向齒距長(zhǎng)）。

連續(xù)傳動(dòng)解決了，齒廓嚙合基本定律是理論基礎(chǔ)。

24、齒廓嚙合基本定律：平面嚙合的一對(duì)齒廓，瞬時(shí)接觸點(diǎn)的公法線必定和兩齒輪連心線交于節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)把連心線分成的兩段長(zhǎng)度和齒輪角速度成反比。

基本定律搞懂，再說(shuō)說(shuō)根切——小齒數(shù)齒輪加工時(shí)的問(wèn)題。

25、根切是怎么來(lái)的？用齒條型或齒輪型刀具加工齒輪時(shí)，如果齒數(shù)太少，刀具齒頂線超過(guò)輪坯嚙合極限點(diǎn)，就會(huì)把齒輪根部的漸開(kāi)線齒廓切去一部分——這就是根切。根切的后果：齒輪根部被削弱，抗彎能力下降，重合度減小。解決方法？用正變位齒輪。

正變位齒輪好處不少。

26、正變位齒輪的優(yōu)點(diǎn)：能加工齒數(shù)小于Zmin而不根切的齒輪，縮小結(jié)構(gòu)尺寸；可以調(diào)整變位量滿足實(shí)際中心距；提高小齒輪抗彎能力，增強(qiáng)整體強(qiáng)度。

正變位改善了強(qiáng)度，齒輪失效形式也得考慮。

27、齒輪失效形式有：齒輪折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合、齒面磨損。開(kāi)式齒輪主要是磨損和折斷；閉式齒輪主要是點(diǎn)蝕和折斷；蝸桿傳動(dòng)則是膠合、點(diǎn)蝕、磨損。

失效形式定了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——得保證接觸疲勞和彎曲疲勞強(qiáng)度。

28、齒輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：一般齒輪傳動(dòng)，只要算齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度就行。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有了，參數(shù)選擇也影響性能。

29、參數(shù)怎么選？①齒數(shù)：分度圓直徑不變的話，齒數(shù)多些好——重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，省制造費(fèi)，只要滿足彎曲疲勞強(qiáng)度就行；閉式選20~40，開(kāi)式選17~20。②齒寬系數(shù)：大齒輪齒寬b2=b，小齒輪b1=b2+2~10mm。③齒數(shù)比：直齒不超過(guò)5，斜齒6~7，開(kāi)式或手動(dòng)的能到8~12。

參數(shù)選對(duì)，斜齒輪比直齒輪傳動(dòng)更平穩(wěn)。

30、直齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性差，沖擊和噪聲大；斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊噪聲小，適合高速傳動(dòng)。

斜齒輪適合高速，輪系的功用也得知道。

31、輪系有什么用？能獲得大傳動(dòng)比（比如減速器）；實(shí)現(xiàn)變速、變向（汽車(chē)變速箱）；合成或分解運(yùn)動(dòng)（差速器、汽車(chē)后橋）；實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的大功率傳動(dòng)（發(fā)動(dòng)機(jī)主減速器、行星減速器）。

輪系用于變速變向，帶傳動(dòng)是另一種常見(jiàn)傳動(dòng)方式。

32、帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是彈性好，能緩沖吸振，尤其是V帶沒(méi)接頭，傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲??；過(guò)載時(shí)帶會(huì)打滑，保護(hù)其他零件；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造維護(hù)方便，成本低；適合中心距大的傳動(dòng)。缺點(diǎn)是有彈性滑動(dòng)，效率低，不能準(zhǔn)確保持轉(zhuǎn)速比；外廓尺寸大；張緊后軸受力大；可能摩擦起電有火花，不能用在易燃易爆場(chǎng)合。

帶傳動(dòng)的承載能力受什么影響？

33、影響帶傳動(dòng)承載能力的因素：初拉力Fo、包角α、摩擦系數(shù)f、帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量q、速度v。

承載能力知道了，失效形式是打滑和疲勞破壞。

34、帶傳動(dòng)主要失效形式：打滑和疲勞破壞。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是——不打滑，還有足夠的疲勞強(qiáng)度和壽命。

失效和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則清楚了，得分清彈性滑動(dòng)和打滑。

35、彈性滑動(dòng)和打滑的區(qū)別：打滑是超載引起的帶在帶輪上全面滑動(dòng)，能避免；彈性滑動(dòng)是帶的彈性變形導(dǎo)致的滑動(dòng)，沒(méi)法避免。

帶傳動(dòng)說(shuō)完，再說(shuō)說(shuō)螺紋連接的基本類(lèi)型。

36、螺紋連接基本類(lèi)型：螺栓連接（普通螺栓、鉸制孔用螺栓）、雙頭螺柱連接、螺釘連接、緊定螺釘連接。

螺紋連接得防松——不然容易松。

37、螺紋連接怎么防松？分三類(lèi)：摩擦防松（彈簧墊圈、雙螺母、橢圓口自鎖螺母、橫向切口螺母）；機(jī)械防松（開(kāi)口銷(xiāo)+槽形螺母、止動(dòng)墊圈、圓螺母止動(dòng)墊圈、串聯(lián)鋼絲）；防松（沖點(diǎn)、端焊、黏結(jié)）。

防松搞定，還得提高螺栓連接強(qiáng)度。

38、提高螺栓連接強(qiáng)度的方法：避免附加彎曲應(yīng)力；減少應(yīng)力集中。

螺栓強(qiáng)度解決了，鍵連接是另一種常用連接方式。

39、鍵連接類(lèi)型：平鍵（靠側(cè)面）、半圓鍵（靠側(cè)面）、楔鍵（靠上下面）、花鍵（靠側(cè)面）。

平鍵的尺寸怎么定？

40、平鍵的剖面尺寸是b×h（鍵寬×鍵高），還有鍵長(zhǎng)L——這兩個(gè)得確定。

平鍵尺寸定了，再分清聯(lián)軸器和離合器的區(qū)別。

41、聯(lián)軸器和離合器都是連兩軸（或軸與回轉(zhuǎn)零件），一起轉(zhuǎn)傳遞扭矩，但區(qū)別很明顯：聯(lián)軸器連的兩軸，得停機(jī)拆才能分開(kāi)；離合器不用停機(jī)，隨時(shí)能接合或分離。

聯(lián)軸器分剛性和撓性——看有沒(méi)有補(bǔ)償能力。

42、聯(lián)軸器分類(lèi)：剛性聯(lián)軸器（沒(méi)補(bǔ)償能力）、撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）。

分類(lèi)知道了，怎么選類(lèi)型？

43、聯(lián)軸器類(lèi)型選擇：低速、剛性大的短軸用剛性聯(lián)軸器；低速、剛性小的長(zhǎng)軸用無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器；傳遞大轉(zhuǎn)矩的重型機(jī)械用齒式聯(lián)軸器；高速、有振動(dòng)沖擊的用有彈性元件的撓性聯(lián)軸器；軸線位置變動(dòng)大的兩軸用十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器。

聯(lián)軸器選對(duì)，滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài)也得了解。

44、滑動(dòng)軸承的摩擦狀態(tài)：干摩擦、邊界摩擦、液體摩擦、混合摩擦——邊界和混合統(tǒng)稱為非液體摩擦。

摩擦狀態(tài)清楚了，非液體摩擦滑動(dòng)軸承得驗(yàn)算什么？

45、非液體摩擦滑動(dòng)軸承的驗(yàn)算項(xiàng)目：①驗(yàn)算壓強(qiáng)p——控制單位面積壓力，防止軸瓦過(guò)度磨損；②驗(yàn)算pv——控制單位時(shí)間單位面積的摩擦功耗fpv，防止膠合；③驗(yàn)算v——如果壓力小，p和pv都合格，但滑動(dòng)速度太高也會(huì)磨損快，所以v得≤[v]（注：原文“演算”應(yīng)為“驗(yàn)算”，保留）。

驗(yàn)算項(xiàng)目知道了，非液體摩擦滑動(dòng)軸承的失效形式是磨損和膠合。

46、非液體摩擦滑動(dòng)軸承主要失效形式：磨損、膠合。

軸承說(shuō)完，再說(shuō)說(shuō)軸的分類(lèi)。

47、軸分三類(lèi)：心軸（只受彎矩不受扭矩，有轉(zhuǎn)動(dòng)心軸和固定心軸）、轉(zhuǎn)軸（又受彎矩又受扭矩）、傳動(dòng)軸（主要受扭矩，彎矩很小或沒(méi)有）。

軸的分類(lèi)清楚了，計(jì)算時(shí)得注意鍵槽的影響。

48、軸的計(jì)算注意點(diǎn)：①軸上有鍵槽的話，得放大軸徑——一個(gè)鍵槽放大3%~5%，兩個(gè)放大7%~10%；②彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力如果是靜應(yīng)力，折合系數(shù)α取0.3；脈動(dòng)循環(huán)取0.6；對(duì)稱循環(huán)取1。

計(jì)算要點(diǎn)知道了，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得遵循原則。

49、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則：受力要合理，滿足強(qiáng)度條件；軸和軸上零件要可靠固定在準(zhǔn)確位置；軸得好加工；零件要便于拆裝調(diào)整；盡量減少應(yīng)力集中。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好了，滾動(dòng)軸承類(lèi)型怎么選？

50、滾動(dòng)軸承類(lèi)型選擇得考慮這些因素：轉(zhuǎn)速高低、受軸向力還是徑向力、載荷大小、安裝尺寸要求。

滾動(dòng)軸承選對(duì)，最后再說(shuō)說(shuō)機(jī)械速度波動(dòng)的事。

51、機(jī)械速度波動(dòng)是怎么來(lái)的？原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和工作機(jī)的阻抗力都是變化的，兩者沒(méi)法時(shí)刻匹配，就會(huì)速度波動(dòng)——驅(qū)動(dòng)功大于阻抗功時(shí)，機(jī)器有盈功，動(dòng)能增加，角速度變大；反之則變小。速度波動(dòng)的危害：運(yùn)動(dòng)副里產(chǎn)生附加動(dòng)壓力，引起振動(dòng)，降低壽命，影響效率和工作質(zhì)量。怎么調(diào)節(jié)？周期性波動(dòng)加飛輪（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的回轉(zhuǎn)件）；非周期性波動(dòng)用調(diào)速器。