機械設計基礎知識總結(jié)

目錄

1.機械設計基礎知識概述....................................4

1.1機械設計的發(fā)展歷程....................................4

1.2機械設計的概念和重要性................................6

1.3機械設計的主要內(nèi)容....................................6

2.機械設計的基礎理論......................................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力學定律..............................................13

2.2.1牛頓運動定律.....................................13

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

2.3材料力學.............................................15

2.3.1拉壓應變與應力的關系............................17

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

3.機械零件的設計..........................................20

3.1標準件與常用非標準件.................................21

3.1.1標準件的種類和應用...............................22

3.1.2非標準件的設計過程...............................23

3.2軸的設計.............................................25

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

3.2.2軸的材料選擇和尺寸計算...........................27

3.3輪轂的設計...........................................28

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

3.3.2輪轂的材料和幾何設計............................31

4.機械傳動系統(tǒng)設計........................................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)設計............................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帶傳動的設計考慮因素............................39

4.3變速器的設計........................................40

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

4.3.2變速器齒輪的設計................................44

5.控制系統(tǒng)的設計..........................................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)行機構(gòu)的選擇和控制電路的設計..................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)的設計要點....................52

6.機械設計的標準化和規(guī)范.................................53

6.1國家標準和行業(yè)標準..................................54

6.2機械設計的基本規(guī)范..................................56

7.動平衡與補償...........................................57

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

7.2振動與沖擊的補償方法................................60

8.機械故障診斷與預防.....................................61

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

8.2預防性維護策略......................................64

9.機械設計的計算機輔助技術(shù)...............................66

9.1CAD/CAM/CAE在機械設計中的應用......................68

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

10.機械設計的環(huán)保與節(jié)能..................................70

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

10.2機械設備的全生命周期評估..........................73

11.機械設計的案例分析....................................75

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

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

12.機械設計的基礎題目和練習..............................79

12.1基礎題目............................................79

12.2設計練習題..........................................80

13.機械設計的未來發(fā)展趨勢.................................81

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

13.2可持續(xù)設計及綠色機械................................84

1.機械設計基礎知識概述

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

互關系的正確表達，能夠繪制符合國家標準和規(guī)范的工程圖。

材料選擇與力學分析：了解各種常用材料的性能特點，根據(jù)機械

零件的工作條件和要求合理選材，并進行必要的力學計算和分析。

公差與配合：熟悉機械零件的公差標準，掌握公差與配合的基本

原理和方法，以確保機械零件之間的互換性和協(xié)調(diào)性。

機械運動與動力學：了解機械系統(tǒng)中各運動副的類型、特點及其

傳動力學特性，能夠進行簡單的機械系統(tǒng)動力學分析。

機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：掌握機械系統(tǒng)的組成、功能及其設計原則，

了解控制系統(tǒng)的基本原理和方法，能夠進行簡單的機械系統(tǒng)控制設計。

機械創(chuàng)新與優(yōu)化設計：具備創(chuàng)新意識和優(yōu)化設計能力，能夠運用

現(xiàn)代設計方法和技術(shù)手段對機械系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。

1.1機械設計的發(fā)展歷程

機械設計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械設計的實例，包括橋梁、灌溉系統(tǒng)和機械設備

等。這些設計往往是為了滿足當時的生產(chǎn)和生活需求。

工業(yè)革命前，機械設計主要集中在手動工具和簡單的機械裝置上。

隨著手工業(yè)的繁榮，一些基礎的機械設計原則開始形成，例如齒輪傳

動、連桿機構(gòu)和杠桿原理等。這些原則為后來的機械設計提供了基礎。

工業(yè)革命期間，機械設計經(jīng)歷了重大變革。蒸汽機的發(fā)明和廣泛

應用促使了對機械效率和動力傳輸系統(tǒng)的高要求。這一時期機械設計

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

應用也使得機械設計向著更高級的方向發(fā)展。

現(xiàn)代機械設計得益于持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和科學的進步，計算機輔助

設計（CAD）的應用極大地提高了設計和生產(chǎn)效率。新材料如合金、

塑料和復合材料的使用也提高了機械設計的性能和功能。隨著自動化

和信息技術(shù)的發(fā)展，機械設計還涉及到計算機控制、機器人技術(shù)和物

聯(lián)網(wǎng)等領域。

當代機械設計更加注重環(huán)境影響、可持續(xù)性和智能化。設計師們

不僅追求機械的功能性和效率，還要考慮到對環(huán)境的友好和對資源的

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

提高運行的可靠性和壽命。

機械設計的發(fā)展歷程是一條不斷探索、創(chuàng)新和進步的道路。隨著

技術(shù)的飛速發(fā)展，機械設計將繼續(xù)在適應新興需求和技術(shù)挑戰(zhàn)中前進。

1.2機械設計的概念和重要性

機械設計是將工程創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為實際可行的物理產(chǎn)品和系統(tǒng)的一

門學科。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。機械設計師們是通過精確的計算

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

機械設計的重要性在于它為現(xiàn)代社會斃供了基礎性的支持。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)應用，都離不開各種精心設計的機械系統(tǒng)和產(chǎn)品。

機械設計的好壞直接關系到產(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)秀的機械設計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機械設計的主要內(nèi)容

機械結(jié)構(gòu)設計：研究不同類型的機械結(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，設計出既安全

又高效的機械結(jié)構(gòu)。

機械動力與自動控制：涉及機械系統(tǒng)中的動力傳遞與控制，包括

電動機、液壓系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)等。此部分包含了對機械系統(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、復合材料

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

力于提升機械零件的耐用性、強度和抗疲勞能力。

熱力學與力學分析：研究機械在運轉(zhuǎn)過程中的熱能交換和力學行

為。包括如何設計散熱系統(tǒng)以防止過熱，以及對機械零件進行強度、

剛度和疲勞壽命的計算和評估。

振動與噪聲控制：設計和應用減振系統(tǒng)和隔離設施來減少機械的

振動和發(fā)聲。在現(xiàn)代機械設計中，降低振動和噪聲對于提升用戶滿意

度和減少環(huán)境影響尤為關鍵。

人機工程學：關注機械產(chǎn)品設計中的用戶體驗，結(jié)合人體工程學

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：通過對機械系統(tǒng)進行可靠性分析和壽命預測,

設計確保機器在預定條件下穩(wěn)定、連續(xù)工作。

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

藝流程，以及如何通過改進設計簡化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率和降低

成本。

機械設計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)品設計、測試、優(yōu)化直至生產(chǎn)的全過程。一個完整的機械設

計方案應當是各項元素協(xié)同工作的結(jié)果，且始終圍繞著提升機械系統(tǒng)

的性能、安全性和經(jīng)濟效益這一核心目標。通過不斷的學習和實踐，

設計師能夠更好地掌握機械設計的藝術(shù)，創(chuàng)造出既美觀又實用的產(chǎn)品。

2.機械設計的基礎理論

機械設計的基礎在于設計原理與方法的掌握與應用，這些原理和

方法是指導設計師進行產(chǎn)品創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升的核心。常見

的設計原理包括功能原理、結(jié)構(gòu)原理、人機工程學原理等。設計方法

如歸納法、類比法、模型法等也是機械設計中不可或缺的工具。

機械零件的設計是機械設計的基礎環(huán)節(jié)，設計師需要根據(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，并進行強度、

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。

機械系統(tǒng)是由多個零件組成的復雜系統(tǒng)，其設計涉及到動力學、

運動學、摩擦學等多個領域的知識。設計師需要運用控制理論、系統(tǒng)

工程等方法對機械系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，以實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設

計。還需要考慮系統(tǒng)的可靠性、維護性和經(jīng)濟性等方面。

機械制造是機械設計的重要環(huán)節(jié)，它決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效

率。設計師需要了解各種制造工藝的特點和適用范圍，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。

在機械系統(tǒng)設計完成后，需要進行測試與評估以確保其性能滿足

設計要求。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)果可以為設計師提供寶貴的反饋信息，以便對設計進行改進和優(yōu)

化。

機械設計的基礎理論涵蓋了設計原理與方法、機械零件的設計、

機械系統(tǒng)的設計與優(yōu)化、機械制造與工藝以及機械系統(tǒng)的測試與評估

等多個方面。掌握這些基礎理論對于從事機械設計工作的人員來說至

關重要。

2.1力的基本概念

力的概念：力是影響物體運動狀態(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，即一個物體對另一個物體的作用會

引發(fā)一個相等反作用力。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。力的作用效果包括：

使物體產(chǎn)生加速度：當一個力作用在一個物體上時，物體會開始

加速或改變運動方向。

產(chǎn)生形變：當力的作用足夠大時，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：當力作用在物體中心或特定點時，會在物體上產(chǎn)生旋

轉(zhuǎn)效應。

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，每種力都有其獨特的表現(xiàn)形式和作用規(guī)律。

力的合成的概念：當多個力作用于一個物體上時，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。

力和運動的平衡：在機械設計中，力的平衡對于確保機械系統(tǒng)穩(wěn)

定運行至關重要。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

線運動的狀態(tài)。

力的矩（力矩）：力矩是力作用在一個物體上的效果，與力的大

小、作用點和力與力的作用點到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離三個因素都有關。

力矩可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應，這也是設計機械機構(gòu)時需要考慮的一個重要

因素。

通過這些基本概念，機械設計人員能夠理解和分析機械系統(tǒng)中力

的作用和作用效果，從而設計出穩(wěn)定、可靠的機械系統(tǒng)。

2.1.1力的三要素

力是物體受到的外界作用，導致其運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。因此，力的

完整描述需要三個要素:

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。力通過一個點作用于物體，稱為力

的作用點。力的作用線是連接力的作用點直線。

理解力的三要素是掌握力學基本原理的關鍵，也是進行工程設計、

分析和研究的基礎。因為在機械設計中，我們總是需要分析和處理各

種力的作用，才能保證設計的穩(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動狀態(tài)或產(chǎn)生形變的外界作用，在機械設計

中，力的描述通常通過力和力矢量來進行C力的大小用強度（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：當力作用于一個物體時，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，物體的運動狀態(tài)保持不變；反之，

一旦外力作用于物體，物體的速度和運動方向就會發(fā)生變化。

拉伸與壓縮：當力沿物體某一方向施加時，這種力會導致物體的

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。

剪切和扭轉(zhuǎn)：當力作用于物體同時施加扭矩或造成剪切應力時，

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）、達因（dyn）、公斤力（kgf）。

在機械設計中，常使用牛頓進行力的計算和表達。

力的示意圖通常包括一個起點、一個終點和線段中部的方向標記。

這種方法可以幫助直觀理解力的方向，且在草繪制圖紙時非常有用。

在機械設計中，深入理解力的作用效果對預測機械組件的行為以

及保證系統(tǒng)的安全性和可靠性至關重要。正確計算和評估作用在組件

上的力，以及如何通過設計和材料選擇最小化不利效果，是機械工程

師必須掌握的核心技能。

2.2力學定律

除了牛頓運動定律，我們還需要了解其他相關的力學原理，如動

能定理、動量定理、功能原理和機械能守恒定律等?？偣Φ扔谙到y(tǒng)動

能的變化加上系統(tǒng)勢能的變化；機械能守恒定律指出，在沒有非保守

力做功的情況下，系統(tǒng)的總機械能（動能和勢能之和）保持不變。

在實際應用中，設計師需要根據(jù)具體的工程問題和環(huán)境條件，靈

活運用這些力學定律來分析和解決問題。在結(jié)構(gòu)設計中，需要考慮材

料的強度和剛度，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性；在流體機械設計中，

需要利用流體力學定律來優(yōu)化泵、風機和渦輪機等設備的性能。

力學定律在機械設計中起著至關重要的作用，它們?yōu)榉治龊徒鉀Q

各種機械問題提供了理論基礎。通過深入理解和應用這些定律，機械

設計師能夠確保設計的有效性和可靠性，滿足工程應用的需求。

2.2.1牛頓運動定律

牛頓的運動定律是經(jīng)典力學的基礎，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

直線運動狀態(tài)的特性。這個定律可以被表述為：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

動狀態(tài)或靜止狀態(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動狀態(tài)改變之間的關系，它指

出力的作用效果是通過對物體的加速度來體現(xiàn)的。這個定律通常被表

述為：一個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)學表達式表示為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：當兩個物

體互相作用時.，它們之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相

反，且作用在兩個物體的兩個相反方向上。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。

這三個定律構(gòu)成了機械設計中的基本用架，幫助工程師們在設計

機械系統(tǒng)時分析力和運動的關系。通過這些定律，工程師可以計算物

體在受力情況下的運動狀態(tài)，預測和設計機械系統(tǒng)的行為，確保機械

的安全和效率。

2.2.2力的平衡條件

力的平衡條件是指，當力的合力等于零、合力矩等于零時，系統(tǒng)

處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)。

合力等于零:所有作用在物體的力之和必須為零。數(shù)學表達為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)學表達

為MOo合力矩由力的大小、方向和作用點距離合力軸的垂直距離決

定。

通過應用力的平衡條件，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、設計機械部件的受力情況等。

在分析力平衡時，需要將所有作用力（包括外部力和內(nèi)部力）明

確列出，并應用矢量運算將其分解為水平、垂直方向的力分量。

2.3材料力學

彈性：當材料所受應力在其彈性極限范圍內(nèi)時，材料會恢復其原

始形狀。此狀態(tài)下的應力和變形遵循胡克定律。

塑性：當施加于材料上的應力超過其彈性極限時，材料會發(fā)生永

久變形。塑性變形對應力應變關系是非線性的。

應力：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。

應力的三種基本形式：拉應力（拉伸時產(chǎn)生）、壓應力（壓縮時

產(chǎn)生）和切應力。

應變：材料響應于應力而產(chǎn)生形變，通常以長度變化與原有長度

的比例表示，用微應變或百分率應變表示。

應力與應變間的關系可通過應力應變曲線描述，該曲線展示了材

料在不同應力水平下的行為。

抗壓強度與抗剪強度：這兩個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。

應力集中：在設計中某些部位（如孔、切槽或截面急劇變化處）

附近的應力值會顯著增加，這些位置可能會成為斷裂的危險點。

強度安全系數(shù)：在設定設計準則時，通常會引入一個安全系數(shù)，

將材料強度除以工作負載產(chǎn)生的應力，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)交變應力作用下，即使應力水平始終低于材料

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

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

以循環(huán)次數(shù)或應力周期數(shù)表示。

在機械設計中應用材料力學來選擇合適的材料，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

合材料，以滿足更高要求的機械性能。

認識并應用材料力學的基本原則對機械設計師構(gòu)建安全、有效和

耐久的機械系統(tǒng)至關重要。通過對材料特性、應力分布以及疲勞行為

的深入埋解和技術(shù)掌握，設計師能夠確保設計出的機械組件不僅能承

受正常使用下的力，也能I?對可能的意外載荷。

2.3.1拉壓應變與應力的關系

在材料力學中，拉壓應變與應力是核心概念，它們之間存在緊密

的關系。當材料受到外力作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生應力分布。應力是單

位面積上的內(nèi)力，而應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，應力與應變之間呈正比關系。隨著應力的

增加，材料的應變也會相應地增加。這種關系可以通過胡克定律來描

述，即應力與應變成正比，比例系數(shù)為材料的彈性模量。

在壓縮（壓）狀態(tài)下，拉壓應變與應力的關系則表現(xiàn)為負相關。

隨著應力的增加，材料的應變會減小。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，拉壓應變與應力的關系并非線性關系。在實際應

用中，材料的性質(zhì)如彈性模量、屈服強度等都會影響這種關系。溫度、

加載速度等因素也可能對材料的應變和應力關系產(chǎn)生影響。

在進行機械設計時，需要充分考慮這些因素，以確保設計的合理

性性和可靠性。通過對拉壓應變與應力關系的深入理解，可以更好地

預測和控制材料的性能，為機械系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供有力支持。

2.3.2扭轉(zhuǎn)、剪切和振動中的應力分析

在機械設計中，了解和分析各種機械組件在實際工作條件下的應

力和強度對于保證其安全、可靠運行至關重要。本節(jié)將重點介紹扭轉(zhuǎn)、

剪切和振動過程中常見的應力分析方法。

在機械設計中，軸、傳動齒輪和其他旋轉(zhuǎn)部件通常面臨扭轉(zhuǎn)應力。

這種應力是由于組件旋轉(zhuǎn)所受的法向力和扭矩引起的，會在圓周方向

上產(chǎn)生應力分布。扭轉(zhuǎn)應力的計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)應力(MPa),(J)表示扭轉(zhuǎn)慣性矩(m)。

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

作用下彎曲時。剪切應力通常是基于剪切強度模量(G)(材料剛度)

和剪切力(F)來計算。

其中(y)代表剪應力的作用點到軸線的高度，(I)表示截面的慣性

矩。

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

剪切力。

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

則運動。振動響應通常會導致焊接點斷裂、疲勞裂紋等現(xiàn)象。動態(tài)應

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)應力，(sigma_m)是法向振幅，(omega)是角頻率，(t)是時間。

疲勞壽命計算考慮到了材料承受多個應力循環(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。

在進行機械設計時，必須結(jié)合這些應力分析方法來合理選擇材料、

確定部件尺寸和形狀，以滿足各種機械組件的工作要求，并確保產(chǎn)品

的安全性和可靠性。

3.機械零件的設計

機械零件的設計是機械設計的核心環(huán)節(jié)，它要求綜合運用材料學、

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

形狀、尺寸、材料等進行優(yōu)化設計，使其能夠滿足特定功能需求。

公用化和標準化:采用通用零件和標準件，可以降低設計難度、

縮短設計周期、減低生產(chǎn)成本。

耐久性:零件應能夠承受預期的工作負載和環(huán)境條件，具有足夠

的壽命和可靠性。

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

圍內(nèi)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益。

圖紙法:傳統(tǒng)的機械設計方法，以圖紙為主體，用二維圖形和尺

寸標注來描述零件的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。

三維建模法:利用計算機輔助設計（CAD）軟件，建立零件的三維

模型，可以更加直觀地進行設計和分析。

有限元分析法:利用計算機模擬軟件，對零件的結(jié)構(gòu)進行分析,

預測其在載荷作用下的變形、應力、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標準件與常用非標準件

標準件是指滿足特定尺寸、形狀、公差和表面處理標準的零件，

它們可互換使用，常用于機械的通用部件。標準件的統(tǒng)一優(yōu)點包括提

高生產(chǎn)效率、便于維護和減少設計上的限制，并且廠家能夠長期生產(chǎn)

和供應。常用標準件包括螺栓、螺釘、螺母、鍵、墊圈等，這些零件

在幾乎所有機械設計中都會用到。

在選擇標準件時，需考慮設計的要求，包括力量需求、尺寸公差、

材料特性以及機械設備的總體兼容性。高性能機械通常還會在標準件

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

當機械設計中需要如有特殊尺寸要求或功能定制的需求，且沒有

現(xiàn)成的標準件能夠滿足時，則需要采用非標準件，或?qū)ΜF(xiàn)有標準件進

行修改。對機械設計師來說，了解何時需要非標準件是重要的設計技

能。非標準件的制造可能更加昂貴，且有時因難于找到供應商而造成

時間上的延誤。非標準件能夠為特定應用量身定制，實現(xiàn)超越常規(guī)標

準件的功能。

在機械設計中，設計師需權(quán)衡標準件與非標準件的優(yōu)缺點。確保

設計的機械既滿足了適量功能性又提高了經(jīng)濟效益，是設計師的責任

所在。使用最新的設計軟件和參考行業(yè)內(nèi)的最佳實踐來指導選擇標準

件或非標準件，都是設計高效且經(jīng)濟合理的關鍵因素。

3.1.1標準件的種類和應用

標準件是指那些已經(jīng)標準化、系列化、通用化的機械零件。它們

廣泛應用于各種機械設備的制造和維修中，因為它們可以提高生產(chǎn)效

率，簡化設計工作，便于標準化生產(chǎn)和批量訂購。標準件包括多種類

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準件之一，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

和維護的優(yōu)點。特別是在機械零件組裝時，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）的標準件。

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，適用于不同的機械結(jié)

構(gòu)和工作條件。

軸承是承受機械設備旋轉(zhuǎn)或移動部件之間接觸應力的標準件，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，廣泛應用于各種機械

設備中。

齒輪是傳遞機械運動和扭矩的標準件，齒輪種類繁多，包括直齒

輪、錐齒輪、蝸輪蝸桿等。齒輪的設計和應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。

標準件的選擇應當根據(jù)實際工況和工作要求進行綜合考慮，以確

保機械設備的可靠性和使用壽命。正確使用標準件不僅能夠提高機械

設計的效率，還能夠降低制造成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)周期。在機械設

計過程中，理解和掌握標準件的種類、規(guī)格及其應用對于提高設計水

平非常重要。

3.1.2非標準件的設計過程

非標準件是指不能直接從標準件庫購買到，需專門設計并制造的

零件。由于其特殊性和多樣性，非標準件的設計過程要更加謹慎和細

致。

確定應用需求:明確非標準件的用途、尺寸、工作環(huán)境、性能要

求等關鍵信息。

進行功能分析:分析非標準件在整個機械系統(tǒng)中的作用，以及與

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

求。

材料選擇:根據(jù)非標準件的工作條件、性能需求和成本預算，選

擇合適的材料，對其強度、硬度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等方面進

行考量。

幾何尺寸設計:確定非標準件的形狀、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?？梢允褂肅AD軟件進行

建模和繪圖，并進行有限元分析以驗證設計方案的合理性。

工藝分析：了解現(xiàn)有的制造工藝，并根據(jù)非標準件的設計特點選

擇合適的加工方法，如開槽、銃削、鉆孔等，以確保其可制造性。

制造圖紙準備:制成詳細的制造圖紙，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，制作樣件進行測試，驗

證設計的合理性和性能指標是否滿足要求。

非標準件的設計應注重降成本和提高效率，通過合理的設計和工

藝選擇，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

在設計過程中，應充分考慮可維護性和裝配性，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

進行設計調(diào)整。

3.2軸的設計

軸材料選擇：根據(jù)軸的受力特性、工作溫度和應用環(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

證不至于因彎曲或扭曲而失效。

強度和剛度校核：軸的強度包括抗彎強度、抗扭強度以及抗沖擊

載荷的能力。通過強度校核（如使用材料力學或有限元分析）來保證

設計軸在受力下的安全。剛度則是對軸在受力時保持固定形態(tài)的能力

的評估，這影響到機械的精度和運動穩(wěn)定性。

軸的支承與裝配：軸應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。

軸的設計必須綜合考慮多方面因素，確保其在滿足機械系統(tǒng)的功

能需求同時，還應具有適當?shù)陌踩６群瓦m應相關制造與安裝標準。

通過細致的設計程序和精確的計算，軸能夠成為任何機械體系中不可

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

運轉(zhuǎn)時更為顯著。

離心力：在旋轉(zhuǎn)機械中，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。

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：這些載荷在機械運行過程中是難以預測的，它

們可能會因嚴重故障、安裝問題或外部沖擊而產(chǎn)生，導致軸承受瞬間

極高的載荷。

溫度載荷：溫度的變化會影響材料的機械性能，可能導致材料變

形或應力累積。在熱機械應力作用下，軸可能會發(fā)生蠕變、熱膨脹或

應力腐蝕。

在進行軸設計時，需要綜合考慮這些載荷因素，確保軸能夠承受

最大設計載荷，并留有一定的安全裕度。設計軸時還需考慮材料的剪

切強度、拉伸強度和疲勞強度等性能參數(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。在設計階段，對軸的載荷進行

分析是必要的，以確保軸能夠滿足長期和反復循環(huán)載荷的要求。

3.2.2軸的材料選擇和尺寸計算

軸是機械傳動系統(tǒng)中最常見且重要的部件之一，承擔著傳輸力和

扭矩的重任。軸的材料選擇和尺寸計算直接影響其性能、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，應選擇性價比高的材料。

鈦合金:強度高、密度低、具有良好的耐腐蝕性和耐高溫性能，

適用于航空航天領域和一些高要求的場合。

軸的尺寸計算應保證其能夠承受預定的載荷，同時兼顧重量和成

本。常用的尺寸計算方法包括：

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

可用于快速估算軸尺寸。

分析計算:利用有限元分析等軟件，對軸的受力情況進行精確分

析，從而確定最佳的軸尺寸。

標準尺寸: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

標準尺寸，可直接選擇合適的標準尺寸。

合理選擇軸的材料和尺寸是設計可靠，經(jīng)濟和高效機械設備的重

要前提。

3.3輪轂的設計

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

鍛造鋼、鋁合金或復合材料等，確保輪轂能承受預期的扭矩和力矩而

不發(fā)生變形或斷裂。表面的熱處理和涂層能夠進一步提高疲勞強度和

抗腐蝕性能。

氣體流線型與空氣動力學：為了讓車輛在高速行駛時表現(xiàn)更佳,

輪轂應具有流線型設計，以減少風阻并提高燃油經(jīng)濟性。輪轂表面可

能有特殊凹槽或隆起以增強空氣流通性。

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

細設計以確保與輪胎和車輛懸掛系統(tǒng)實現(xiàn)堅固可靠的連接。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:輪轂的設計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。設計時應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：在重復載荷和溫度變化下，輪轂設計需維持高

抗疲勞強度，以防斷裂。長期使用應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)定運行。

輪轂設計需經(jīng)過多次迭代和嚴格測試以驗證其功能性和可靠性。

設計師需綜合考慮每一個因素以實現(xiàn)功能、性能、安全、美學和成本

效益的平衡。隨著技術(shù)的進步和材料科學的創(chuàng)新，未來的輪轂設計將

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。在進行機械設計時，輪轂的設計應滿足以下

基本要求：

強度要求：輪轂應在外載荷作用下具有足夠的強度和穩(wěn)定性，以

防止變形或斷裂。計算輪轂的強度時，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：輪轂應具備一定的剛度，以保證輪子在運行過程中不

會發(fā)生大幅度的變形。剛度的不足可能導致輪子與軸之間的磨損加劇,

進而影響機械的運行質(zhì)量和使用壽命。

尺寸要求：輪轂的尺寸應與輪子和軸的設計相匹配，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入，輪轂上通常會設計有

密封措施，如橡膠密封圈或金屬密封條。

材料選擇：輪轂的材料應具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、強度和

適宜的成本效益比。材料的選擇還應考慮輪轂的使用環(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確保尺寸精度和表面

粗糙度符合要求，避免在運行過程中產(chǎn)生不必要的摩擦和磨損。

維護和檢查：輪轂必須設計有便于維護和檢查的特性，以期在發(fā)

現(xiàn)故障時能夠快速進行修理或更換。

3.3.2輪轂的材料和幾何設計

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

材料和幾何設計直接關系到車輛的性能、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：

隨著輕量化設計需求的加強，鋁合金和復合材料作為高端輪轂材

料的應用比例不斷增加。

強度和剛度: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:輪轂的設計需要配合車輛的其他空氣動力學設計，減

少氣動阻力，提高燃料經(jīng)濟性。

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，同時保證強度和剛度。

輻條式:通過將輪轂體與緣環(huán)相連的輻條提升強度和剛度，但成

本較高。

整體式:輪轂體和緣環(huán)一體化設計，強度和剛度最高，但制造工

藝復雜，成本高。

輪轂的材料和幾何設計是一個復雜的過程，需要綜合考慮多種因

素，才能最終選擇最佳的設計方案，以滿足車輛的性能要求。

4.機械傳動系統(tǒng)設計

功能分析：首先明確傳動系統(tǒng)的詳細功能和要求，比如是用于加

速、減速還是換向。同時分析負載特性，包括負載大小、性質(zhì)和變化

的周期等。根據(jù)負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)功能需求和負載特性，選定適合的傳動機構(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

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

布置設計：傳動系統(tǒng)的布置設計涉及到空間布局、安裝位置、維

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

空間，同時考慮冷卻、潤滑等輔助系統(tǒng)的安排。

倍率計算：傳動比是表明輸入與輸出速度之間關系的參數(shù)，它由

所選取的具體傳動方式及其參數(shù)決定。準確計算傳動比是確保機械系

統(tǒng)實現(xiàn)預期速度和動力要求的關鍵。

穩(wěn)定性和效率：設計時應注重傳動系統(tǒng)的運轉(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)的精確計算，以及對材

料強度、熱處理方式的合理應用，以提升傳動系統(tǒng)的壽命和性能。

安全保護措施:在設計中，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措施，確保機械在正常操

作和應急情況下的安全。

協(xié)同與創(chuàng)新：現(xiàn)代機械設計往往需要集成多種技術(shù)和材料，設計

師應常與工程團隊及供應商保持溝通，保持技術(shù)前沿性和創(chuàng)新性，確

保設計符合最新行業(yè)標準和應用趨勢。

4.1齒輪傳動

齒輪傳動是機械設計中極為重要的傳動方式，它能夠?qū)崿F(xiàn)兩種軸

之間運動和動力的平滑傳遞，有著體積小、壽命長、效率高的特點。

齒輪傳動的基本原則包括嚙合要求、正確安裝與維護等方面。

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。

設計齒輪傳動系統(tǒng)時，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

鍵。理論分析和實驗方法可以用來計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

計時，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，也是設計過程中需要考慮

的重要內(nèi)容。工程師需要了解齒形的選型和設計原則，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)的設計也是齒輪傳動設

計和使用過程中的重要環(huán)節(jié)。

在實際應用中，齒輪傳動的設計和應用還需要遵守相關的標準和

規(guī)范，如ISO標準，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)定的標準，例如

ISO.DIN或AGMA標準。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，會導致齒輪內(nèi)應力集中,

引發(fā)疲勞破壞。

精度不足：齒輪加工精度不足，會導致不正、跳跳等問題，加速

齒輪磨損。

及時控制這些因素，并對齒輪進行適當?shù)脑O計和選用，可以有效

延長齒輪的使用壽命，確保傳動系統(tǒng)的可靠運行。

4.1.2齒輪的材料和結(jié)構(gòu)設計

齒輪作為機械系統(tǒng)中的重要傳動零件，其設計和選材是保證機械

設備性能的關鍵。齒輪的材料通常需考慮其力學性能、加工難度、成

本及應用環(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

強度和硬度：齒輪應具備足夠的強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：在不同應用場景下，例如重載、高溫、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境,

耐磨性是關鍵性能指標。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。應當根據(jù)嚙合要求和載荷預測選

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，對于齒輪的負載分

布、嚙合性能和制造復雜性均有影響。漸開線齒輪因制造容易、承載

能力優(yōu)異而成為標準設計。

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度和重量控制間取得平衡。

輪輻與輪緣厚度設計?：在設計時需要確保齒輪的輪輻和輪緣有足

夠的厚度以支持持續(xù)運作中的應力。

熱處理與表面硬化：對于許多齒輪應用場合，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鍵。

材料和結(jié)構(gòu)設計需綜合考慮應用環(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)，以確保整個零部件的長久可靠性和整個機

械系統(tǒng)的優(yōu)化運行。在設計階段做出合理的選材和結(jié)構(gòu)決策將直接影

響到設備的效能、壽命和維護成本。

4.2鏈條和帶傳動

鏈條和帶傳動是機械設計中常用的傳潴運動和動力的裝置，它們

具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、壽命長等優(yōu)點，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鍵部件，它由多個鏈節(jié)組成，每個

鏈節(jié)由兩個鏈環(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，需要綜合考慮傳動比、承載能力、使用

環(huán)境、維護要求等多個因素。無論是鏈條還是帶傳動，都應確保鏈條

或帶與帶輪之間的嚙合正確，以免造成傳動失準或鏈條過早磨損。

通過正確選擇和使用鏈條和帶傳動，可以確保機械系統(tǒng)可靠、平

穩(wěn)和經(jīng)濟地運行。

4.2.1鏈條的類型和選擇

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

件，廣泛應用于機械設備中。

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用場景。

選擇鏈條時，應仔細閱讀相關標準和手冊，并咨詢專業(yè)人士的技

術(shù)意見。

4.2.2帶傳動的設計考慮因素

在設計帶傳動時，有幾項關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、負載特性、材料選擇以及帶的張緊

和保護。

不同類型的帶適合的工況和應用場景各不相同，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)需求以及設備的功率要求，選擇合適的傳動比至關

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。通常在機械設計中會選擇合理的傳動比，以

達到最大的傳遞功率和效率。

帶傳動的負載特性，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。設計時應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。應考慮帶材的抗拉強度、伸長率及耐磨損性能等，同時

還要確保帶輪的材料能夠承受相應的離心力及摩擦力。

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

帶會產(chǎn)生過大的彎曲應力，導致過快磨損；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，避免損壞設備或造成人身傷害。

在設計帶傳動時，還需充分考慮環(huán)境和應用場景的特殊要求，如

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

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

4.3變速器的設計

變速器通過改變傳動齒輪的嚙合狀態(tài)，從而達到變速的目的。根

據(jù)其工作原理和結(jié)構(gòu)特點，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。在實際設計中，應根據(jù)機械設備的需求選擇

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。設計時需考慮變速器的性能要求，如變速平穩(wěn)、高效、可靠，同

時要滿足設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)機械設備的實際需求，確定變速

器的規(guī)格和類型，選擇適當?shù)凝X輪、軸承等零部件。

設計變速器的傳動方案：根據(jù)設備的運行要求和空間布局，設計

合理的傳動方案，確保變速器的傳動效率和可靠性。

進行強度計算和校核：對變速器進行強度計算和校核，確保其在

工作過程中具有足夠的強度和耐用性。

進行優(yōu)化設計：通過優(yōu)化設計方案，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：設計時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轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性和可靠性。

充分考慮變速器的熱平衡：變速器在工作時會產(chǎn)生熱量，設計時

需考慮其熱平衡問題，避免過熱影響設備性能。

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

運行的關鍵，設計時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性：設計時需考慮變速器的可維護性，方便

設備的維修和保養(yǎng)。

變速器的設計是機械設計中的重要環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實際需求和設

備特點進行合理設計。通過掌握變速器的基本原理和設計方法，可以

為我們在實際設計過程中提供指導，幫助我們設計出性能優(yōu)良、使用

可靠的變速器。

4.3.1變速器的類型和工作原理

變速器是機械傳動系統(tǒng)中至關重要的部件，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

齒輪的嚙合關系，可以實現(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，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。當輸入軸轉(zhuǎn)動時，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)，進而帶動輸出軸轉(zhuǎn)動。

液力耦合器具有過載保護、啟動平穩(wěn)等優(yōu)點，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系，可以實現(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，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，但都實現(xiàn)了將動

力從一個軸傳遞到另一個軸的目的，從而滿足不同工況下的需求。在

實際應用中，需要根據(jù)具體需求和性能指標來選擇合適的變速器類型。

4.3.2變速器齒輪的設計

在機械設計中，齒輪是一種常見的傳動元件，其設計需要考慮多

種因素。變速器齒輪的設計是其中的一個重要部分，其設計直接影響

到變速器的性能和可靠性。

變速器齒輪的設計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。齒數(shù)過大會導致齒輪的體積增大，

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,

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兩個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。壓力角過大會導致齒輪的強度降低,

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)的設計

機械設計中，控制系統(tǒng)設計是確保機械設備能夠精確、穩(wěn)定、高

效運行的關鍵環(huán)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)通過接收來自機械的反饋信息，并根據(jù)

預設的參數(shù)和性能要求，控制機械的動作，實現(xiàn)預期的功能。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

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

通過計算比例、積分和微分三種元素對誤差信號的作用，實現(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，它們能夠檢測關鍵的機器參

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

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。

控制器設計是控制系統(tǒng)設計的關鍵步驟，設計控制器時需要考慮

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)時間以

及噪聲抑制能力等。現(xiàn)代控制系統(tǒng)設計常常利用數(shù)學模型對系統(tǒng)進行

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

行控制器的設計和校正。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機控制日益成為現(xiàn)代機械控制的主

流。計算機控制可以通過軟件實現(xiàn)復雜的控制策略，并提供實時數(shù)據(jù)

分析和故障診斷功能。計算機控制能夠提高系統(tǒng)的靈活性和自動化水

平，同時降低操作人員的工作負荷。

5.1電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是機械設備的關鍵組成部分，負責接收來自傳感器

的信息，對機械運動進行調(diào)節(jié)和控制。其主要功能包括：

信號采集和處理:通過傳感器獲取機械設備的運動狀態(tài)、溫度、

壓力等信息，并將信號進行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理。

邏輯控制:根據(jù)預設程序和當前狀態(tài)信號，進行邏輯判斷和指令

發(fā)出，控制相關執(zhí)行機構(gòu)的動作。

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

等執(zhí)行機構(gòu)的控制信號。

顯示和報警:將設備運行狀態(tài)以數(shù)字、文字或圖形等方式顯示，

并對異常情況發(fā)出報警。

控制器:是系統(tǒng)的核心，負責接收、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:用于測量機械設備的狀態(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)行機構(gòu):用于執(zhí)行控制指令，例如電動馬達、氣動氣缸、液壓

馬達等。

5.1.1控制指令的來源

在機械設計中，控制指令是機械設備實現(xiàn)預定功能的重要指令。

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

設計的影響。

用戶通過手動操作、自動化軟件或用戶界面對設備發(fā)出操作命令,

比如啟動、停止或者調(diào)整某一參數(shù)的設置。

傳感器實時監(jiān)測設備運行狀態(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)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)

整機械性能，實現(xiàn)自動控制。

根據(jù)機械設計要求，預設一系列操作步驟或參數(shù)設置，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。設備啟動后，控制指令

按預設程序執(zhí)行。

在大型機械或有遠程控制需求的設備中，控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡、

衛(wèi)星通信等方式接收來自遠程控制臺或控制中心的指令，進行遠程操

控。

當今的智能機械設計還考慮了天氣和環(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)方向的應用。

控制指令的多樣性和復雜性要求機械設計師必須深入理解這些

指令的來源和作用，以便設計出穩(wěn)定、高效、用戶友好且易于維護的

機械設備。了解不同的指令來源也有助于設計可擴展的系統(tǒng)和兼容多

種操作模式的機械設備，以適應不斷變化的需求和應用場景。

5.1.2執(zhí)行機構(gòu)的選擇和控制電路的設計

功率與效率；執(zhí)行機構(gòu)的功率必須滿足設計需求，以保證機器在

預定的工作負載下能夠正常運行。高效率的執(zhí)行機構(gòu)能夠減少能源浪

費，降低運營成本。

運動特性：不同的執(zhí)行機構(gòu)具有不同的運動特性，如速度、加速

度、運動精度等。設計時需根據(jù)機器的運動要求選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)。

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

環(huán)境和條件，因此其可靠性和耐用性是關鍵考慮因素。

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

本和維護成本。

控制電路的設計是連接執(zhí)行機構(gòu)與控制系統(tǒng)核心部分的重要環(huán)

節(jié)。其主要任務是杈據(jù)控制指令，以適當?shù)姆绞津?qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)

預期的運動控制?？刂齐娐返脑O計包括以下要點：

控制信號的接收與處理：設計合適的電路來接收并處理控制信號,

將其轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)可識別的控制指令。

驅(qū)動電路的設計：根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)類型和需求，設計相應的驅(qū)動電

路，確保執(zhí)行機構(gòu)能夠按照控制指令正確動作。

保護與安全機制：在控制電路中應設計必要的保護和安全機制，

以防止電路和執(zhí)行機構(gòu)因過載、短路等異常情況而損壞。

調(diào)試與優(yōu)化：完成設計后，需進行調(diào)試和優(yōu)化，確保控制電路的

性能穩(wěn)定、響應迅速且準確。

在選擇執(zhí)行機構(gòu)和設計控制電路時，還需考慮其他因素如空間布

局、熱設計、電磁兼容性等，以確保整個機械系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。隨著

技術(shù)的發(fā)展，智能化和數(shù)字化趨勢在機械設計中的體現(xiàn)越來越明顯，

這也為執(zhí)行機構(gòu)和電路