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2222第一章机械基础知识
§1—1金属材料的机械性能
工业上使用的金属材料主要是合金材料。所谓合金是指由两种或两种以上的元素( 其中至少有一种是金属) 所组成的具有金属特性的物质。
金属材料的机械性能一般又称为力学性能。它的主要指标是强度、 塑性、 韧性、 硬度和疲劳强度等。以上指标既是选用材料的重要依据, 又是控制、 检验材质的重要参数。
一、 强度是指材料在外力作用下抵抗破坏或变形的能力。材料的强度越大, 其抵抗外力的能力就越大。材料的强度可分为抗拉, 抗压, 抗弯曲, 抗扭和抗剪切等强度。
二、 塑性是指材料受力时变形而不破坏, 当力除去后, 变形依然保持的能力。
三、 硬度是材料抵抗其它更硬的物体压入其表面的能力。它是衡量材料软硬程度的指标。一般来说, 材料的硬度值越大, 材料的强度就越大, 且其耐磨性就越好。测定金属材料硬度的方法一般有布氏硬度和洛氏硬度试验。
四、 韧性是材料抵抗冲击破坏的能力。常见材料受冲击破坏时所吸收的功来表示。
五、 疲劳强度在规律性变化应力长期作用下, 材料抵抗破坏的能力。一般材料的疲劳强度与材料的抗拉强度成正比的关系。
§1—2常见金属材料
建筑机械中常见的金属材料有铸铁、 钢、 铜及铝等, 其中钢的应用最为主要。
一、 钢是指含碳量少于2．11％并含有少量其它元素的铁碳合金。一般钢中含碳量增多, 钢的硬度、 强度会增大, 但塑性、 韧性会降低。工业上应用的碳钢的含碳量一般不超过1．4％, 这是因为含碳量超过此值后, 钢表现出很大的硬脆性, 而且锻造、 切削等工艺性能也很差, 失去了生产和使用的价值。
为了改进钢的某些性能, 在钢的冶炼过程中掺入了合金元素。这种掺有合金元素的钢称为合金钢, 没有掺入合金元素的钢为碳素钢。
1．合金钢: 由于合金元素的存在, 合金钢的性能比碳钢好, 它的主要特点是有好的渗透性和较高的综合力学性能。使用合金钢时要进行热处理, 以便充分发挥其潜在能力。合金钢常见于制造受载荷较大的重要零件。合金钢按用途可分为合金结构钢、 合金工具钢和特殊性能钢三类。
合金结构钢的编号是在钢号前用两位数字表示平均含碳量的万分数, 紧接着是合金元素的化学符号, 其后的数字表示该元素平均含量的百分数, 当合金元素的含量少于1．5％时, 牌号中只表明元素符号而不标其含量。若合金钢是高级优质钢则在牌号的最后加有”A”。如12CrNi3A表示此钢的平均含碳量为0．12％, 含Cr量少于1．5％, 含Ni量为3％的高级优质合金结构钢。
合金结构钢按照用途分为普通低合金结构钢和机械制造结构钢。普通低合金结构钢又称低合金高强度钢, 它是一种低碳结构用钢, 合金元素含量较少, 但强度却比同等含碳量的碳素结构钢要高得多, 并有良好的焊接性和耐腐蚀性。用它来做机械零件和结构, 在相同受载条件下可使结构的重量减轻20％～30％。
2．普通碳素结构钢该类钢对化学成分要求不甚严格, 碳、 锰含量可在较大范围内变动, 有害杂质磷、 硫的允许含量相对较高, 但必须保证其力学性能。普通碳素结构钢的牌号表示方法是用屈服极限”屈”字汉语拼音首位字母Q、 屈服极限数值、 质量等级符号( A、 B、 c、 D) 、 脱氧方法( 镇静钢z、 特殊镇静钢TZ、 半镇静钢b、 沸腾钢F) 等四部分按顺序组成。例如: Q235一A．F, 即表示此钢屈服极限为235MPa, 质量等级为A的沸腾钢。若为镇静钢或特殊镇静钢, 其符号”z”和”TZ”可省略。碳素结构钢按屈服极限值的大小分为五个牌号, 即Q195、 Q215、 Q235、 Q25S和Q275。随着牌号的增大, 钢中含碳量由小到大, 抗拉强度逐渐提高。塑性和韧性则随着牌号的增大而降低。碳素结构钢的质量等级, 取决于钢中有害元素硫( S) 和磷( P) 含量。硫、 磷含量越低, 钢的质量就越好, 其焊接性能和低温抗冲击性能都得到提高。随质量等级从A往D方向递增, 钢中含硫和磷量逐渐减少。
二、 铸铁: 一般把含碳量大于2．11％的铁碳合金称为铁。由于铁多用铸造方法制成机械零件, 故又称为铸铁。与钢相比较铸铁含杂质多, 机械性能差, 性脆。但铸铁的铸造性好, 消振性好, 且其抗压强度远高于其抗拉强度, 价格低廉。因此一般用来铸造成机床的床身来承受压力。
根据碳在铸铁中存在的形式不同, 铸铁可分为灰口铸铁和球墨铸铁。
1．灰口铸铁断口呈灰色, 其中碳以片状石墨存在。灰口铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能, 在工业中应用广泛。灰口铸铁的代号为HT, 后面的数字表示其最低抗拉强度极限。
2.球墨铸铁是经过向一定成分的铁水中加入球化剂( 镁或镁合金) , 使铸铁中石墨呈球状。球状石墨与片状石墨相比, 它具有最小的表面积, 使石墨割裂基体组织和应力集中的现象大为减轻, 因此球墨铸铁的强度、 塑性和韧性都较高, 常见来替代钢制造曲轴、 齿轮连杆、 缸体等较重要的零件。球墨铸铁的代号为QT, 后面的两组数字分别表示其最低抗拉强度极限和最低延伸率。
三、 有色金属除铁碳合金以外的金属以及这些金属的合金统称为有色金属, 如铝、 铜、 锡、 铅、 锌等。由于有色金属具有某些特殊性质, 因此成为现代各行各业不可缺少的材料之一。
1．纯铜( 紫铜) 它具有良好的导电性、 导热性和塑性, 但强度低, 不易制造机械零件; 主要用于各种导电材料。
2．黄铜以铜和锌为主组成的合金统称黄铜。其强度、 硬度和塑性随含锌量增加而升高, 当含锌量为30％～32％时, 塑性达到最大值, 含锌量为45％时强度最高。在普通的铜锌合金中再加入其它元素可组合成特殊黄铜, 如锡黄铜、 铅黄铜等。黄铜一般用于制造耐蚀和耐磨零件。
3．青铜是人类历史上应用最早的合金。青铜有锡青铜和无锡青铜之分。锡青铜在耐腐蚀耐磨及强度等方面具有很好的性能, 是一种很重要的减摩材料。主要用于制造摩擦零件和耐蚀零件, 如蜗轮、 轴瓦、 阀门等。
4．铝及铝合金纯铝是银白色金属, 导电、 导热性能仅次于铜, 塑性好, 可是其强度和硬度低。工业上很少直接用纯铝做机械零件, 而应用它的合金。当在纯铝中加入Si, Cu, Mg, Mn等合金元素后, 就组成了铝合金。铝合金保留了密度小的特点, 但强度和硬度却大为提高, 是当前轻质结构的主要材料, 广泛地应用于航空工业上。
§1—3钢的热处理简介
钢的热处理意义: 合理地运用热处理使零件便于加工, 可提高零件的工作能力, 延长零件的使用寿命, 还能降低成本, 节约钢材。
一、 普通热处理: 普通热处理工艺主要有退火、 正火、 淬火和回火。
1.退火将钢加热( 约700℃～900℃) , 保温一定时间, 然后缓慢冷却( 一般是随炉冷却) 的热处理过程, 称为退火。退火的目的是: 调整硬度以利于切削加工; 细化晶粒, 改进组织, 以提高力学性能或为最终热处理作准备; 消除内应力, 防止零件变形或开裂, 并稳定其尺寸。
2.正火将钢加热( 约700℃～900℃) , 保温一定时间, 然后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火是退火的一种特殊形式。与退火相比, 正火的冷却速度较快, 因此钢的组织更细, 强度和硬度都有所提高。另外, 正火操作简便, 生产周期短, 生产效率高, 比较经济。因此正火工艺应用广泛。
3.淬火是将钢加热( 约700~C～900℃) , 保温一定时间, 然后在水中或油中急速冷却的热处理工艺。淬火的目的是为了提高钢的硬度和耐磨性; 有的零件的淬火, 是使钢的强度和韧性得到良好的配合, 以适应不同工作条件的需要。钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为淬透性。淬硬层越厚, 淬透性越好。钢在淬火的同时其内应力和脆性会增加, 易变形和开裂。
4.回火把淬火后的工件重新加热( 低于淬火温度) , 保温一定时间, 然后在空气或油中冷却的热处理工艺, 称回火。回火的目的是为了稳定钢在淬火后的组织, 消除因淬火冷却过快而产生的内应力并稳定其尺寸, 调整强度、 硬度, 提高塑性, 使工件获得较好的综合机械性能。故回火总是淬火后必须的热处理工艺。
淬火钢回火后的性能, 与回火的加热温度有关, 硬度和强度随回火温度的升高而降低。根据加热温度的不同, 回火可分为低温回火、 中温回火和高温回火。
( 1) 低温回火( 加热温度一般为150℃～250℃) 可减小工件的淬火应力、 降低脆性并保持高硬度。用于要求硬度高、 耐磨性好的零件, 如刀具、 模具等。
( 2) 中温回火( 加热温度为350C～500℃) 可显著减小淬火应力, 提高弹性。常见于各种弹簧和某些模具。
( 3) 高温回火( 加热温度为500℃～650℃) 可消除淬火应力, 使零件获得优良的综合力学性能。一般把”淬火加高温回火”称为调质。调质广泛用于处理各种重要的中碳钢零件, 特别是承受动载荷的零件, 如各种轴、 齿轮等。
二、 表面热处理
表面热处理包括表面淬火和化学处理等。
1.表面淬火是将钢件表面迅速加热至淬火温度, 而心部温度依然较低的情况下用水喷射在钢件表面, 使之急冷的过程称为表面淬火。表面淬火能使零件表面具有高硬度和耐磨性, 心部保持有足够的强度和韧性。它常见于动载荷和摩擦条件下工作的零件, 如齿轮, 曲轴, 销轴等。表面淬火后要进行低温回火来消除内应力。
按表面加热方法不同, 表面淬火可分为感应加热表面淬火、 火焰加热表面淬火和接触电阻加热表面淬火等。由于感应加热速度快, 生产效率高, 产品质量好, 易实现机械化和自动化, 因此感应加热表面淬火应用广泛。
2.钢的化学热处理是将钢件置于某种化学介质中和保温, 使介质中的一种或几种元素渗入零件的表层, 以改变表层的化学成分和组织, 从而使零件获得所需的性能。常见的化学热处理有渗碳( 用于低碳钢) 、 渗氮、 渗铝和惨铬等。
§1—4公差与配合及表面粗糙度
一、 互换性: 一批规格相同的零件中, 任意取出一件, 不经过任何修配或辅助加工, 就能立即装到机器上去, 并能完全符合规定的使用性能和技术要求, 这种性质叫做互换性。
二、 公差: 了保证零件具有互换性, 就必须把零件的制造误差控制在一定范围内, 这个尺寸允许的最大误差范围就称为公差。
四、 极限尺寸: 许尺寸变化的两个界限值。大的一个称为最大极限尺寸, 用Dmax(孔), dmax(轴)表示; 小的一个称为最小极限尺寸, 用Dmin(孔), dmin(轴)表示。
五、 极限偏差是上、 下偏差的统称。
六、 公差带图: 由于公差、 极限偏差与基本尺寸的数值相差甚大, 因此往往以简洁的公差带图来表示上述关系, 它是零线与公差带所组成。1.是在公差带图中确定偏差的一条基准直线, 它由基本尺寸确定。正偏差位于零线的上方, 负偏差位于零线的下方。2.差带是在公差带图中, 由上、 下偏差的两条直线所限定的一个区域。
七、 标准公差系列与基本偏差系列
1．标准公差是用以确定公差带大小的标准值, 以IT表示。2．基本偏差是用以确定公差带位置的标准值。
八、 配合是指基本尺寸相同的、 相互结合的孔和轴公差带之间的关系。按照相结合的孔和轴的松紧程度可把配合分为如下三种:
1．间隙配合: 轴装在孔内存在间隙(包括最小间隙等于零)的配合。在公差带图上表现为孔的公差带在轴的公差带的上方。2．过盈配合: 轴安装在孔内存在过盈(包括最小过盈等于零)的配合。在公差带图上表现为轴的公差带在孔的公差带的上方。3．过渡配合指装在孔中轴的尺寸可能比孔的尺寸大, 也可能比孔的尺寸小的一种配合。在公差带图中过渡配合表现为孔的公差带与轴的公差带有一部分是重叠的。
4．配合公差配合公差是间隙或过盈允许的变动量, 用Tf表示。
5.基准制新国标对配合规定有基孔制和基轴制作为配合的基准制。
( 1) 基孔制基孔制是指基本偏差为一定的孔公差( 基本偏差等级为H, EI=O) 与不同基本偏差的轴公差带相结合, 形成不同松紧程度的各种配合的一种制度。
( 2) 基轴制基轴制是指基本偏差为一定的轴公差带( 基本偏差为h, es=O) 分别与不同基本偏差的孔公差带相结合.形成不同松紧程度的各种配合的一种制度。
九 公差与配合的代号
1.公差带代号: 公差带代号是由基本尺寸, 基本偏差等级和标准公差等级组成。分别是孔和轴的公差带代号在图纸上的标注, 代号中的”φ”为直径的符号, 接着就是基本尺寸, 基本偏差和标准公差等级。
2.配合代号: 是由孔、 轴公差带代号按分数形式组成。分子为孔公差带代号, 分母为轴公差带代号,
十、 公差与配合的选用: 公差与配合的选用是机械设计和制造中很重要的问题。它的选择恰当与否将直接影响到机械产品的使用性能、 质量和制造成本。选用时主要应综合考虑以下三个方面。
1.基准制的选择
因为加工一定精度的孔比加工同样精度的轴困难, 因此一般情况下应优先选用基孔制。

十二、 表面粗糙度
表面粗糙度( 原表面光洁度) 是指被加工零件表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。它使本应光滑的表面显得粗糙不平, 并对零件的使用性能和寿命影响很大。表面粗糙的零件易磨损, 易受腐蚀, 疲劳强度也低。表面粗糙度数值的大小, 也影响到零件加工的费用的高低。因此应在满足使用要求的前提下, 尽可能选用较大的粗糙度值。
表面粗糙度一般用表面轮廓算术平均偏差R。在加工表面标注, 用▽表示, ××Ra数值( 或称为粗糙度数值) , 其值越大, 表示粗糙度越大, 这与旧标准中的表面光洁度正好相反。

第二章常见机构
§2—1机械的组成
一、 机械
机械是能把能量( 如热能、 电能等) 转换成机械能, 并利用机械能完成某些工作的装置。一般一部完整的机械总是由原动机部分、 传动装置部分和工作装置部分组成。当然, 另外还有操纵、 控制装置及机架等。一般机械又是机器和机构的总称。
1.原动机是能把其它形式的能量转换成机械能的机器。如电动机、 内燃机等, 它为机械提供机械能。
2.传动装置主要是起传递动力和运动的作用, 如一般机械中的三角皮带传动、 齿轮传动等, 它们把原动机的高速传动转化为工作装置所要求的运动。
3.工作装置是直接完成工作的部件, 如卷扬机的卷筒、 起重机的起重钩、 混凝土搅拌机的滚筒等。
二、 机器是人们用来进行生产劳动的工具, 它具有如下三条基本特征。
1.机器是由许多构件所组成; 2.各构件之间有相对确定的运动; 3.机器能利用机械能来完成有效的功或实现不同形式能量之间的转化。机器的作用体现在它的第三条基本特征上。
三、 机构是具有机器的前两条基本特征的组合体。机构的作用是传递运动和实现不同形式的运动的转化, 这就是它与机器的不同之处。
四、 机械零件及部件: 机械零件是组成构件的元件, 又称零件。而构件是运动的单元, 零件是制造单元。部件是为了完成同一工作任务而协调工作的若干个机械零件的组合体。如滚动轴承、 离合器、 联轴器等。
§2—2运动副及机构运动简图
一、 运动副
机构是由若干构件组合而成的每个构件都以一定的方式与其它构件柱互联接, 这类联接不同于铆接和焊接等刚性联接。它能使相互联接的两构件之间存在着一定危式的相对运动。这种使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接就称为运动副。
在运动副中, 两构件的联接可能是面与面接触, 线与线接触, 或点与点接触; 按两构件的接触形式可把运动副分为低副和高副。
1.低副: 两构件之间为面与面的接触称为低副。低副一般有转动副、 移动副等。
2.高副: 两构件之间为线与线或点与点的接触为高副。如齿轮副、 凸轮等。
二、 机构运动简图: 用以分析机构的组成情况、 运动规律和受力特点等问题的示意图就是机构运动简图。
§2—3平面四连杆机构
平面四连杆机构是在同一平面上的四个杆件彼此用转动副联接起来组成的机构。
优点: 由于两杆件的联接是低副, 因此接触是面接触, 单位面积所受的压力较小, 且便于润滑, 磨损也相应减小, 因而可承受较大的荷载。而且加工简单, 易于实现转动等基本运动形式及其转换, 连杆上各点的轨迹形状多样可满足各种不同轨迹的要求。
一、 平面四连杆机构的基本形式
平面四连杆机构, 四个杆件中有一个上面画有斜剖线的杆件是相对地面不动的, 我们把它称为静件或机架; 与静件相联的杆件, 若能绕静件作整周转动的杆件被称为曲柄, 不能绕静件作整周转动的杆件则被称为摇杆或摆杆; 而与静件相正确杆件被称为连杆。
根据平面四连杆机构中是否存在曲柄, 有一个曲柄或两个曲柄, 可把它分为下面三种基本形式。
1．曲柄摇杆机构2．双曲柄机构: 平面四连杆机构中若有两个曲柄存在, 这样的机构称为双曲柄机构。
这种机构一般可将主动件的匀速整周转动转换成从动件的非匀速或匀速整周转动。双曲柄机构中, 若两曲柄的长度相等, 且连杆与静件的长度也相等, 则此机构为平行四边形机构。其运动特点是两曲柄的角速度始终保持相等, 连杆在运动过程中始终作平行移动。若改变平行四边形机构, 使其两个曲柄转动方向相反, 这时的机构称为反向双曲柄机构。
3．双摇杆机构: 在平面四连杆机构中, 若与静件相联的两杆件均为摇杆, 则此机构称为双摇杆机构。
二、 平面四连杆机构的几个基本问题
1．平面四连杆机构的三种基本型式的区分方法
平面四连杆机构的三种基本型式的组成规律为:
1．如果平面四连杆机构中最长杆长加最短杆长之和小于或等于其余两杆长度之和时, 具有下列三种情况。
(1)以最短杆件相邻的任一杆件为静件时, 机构为曲柄摇杆机构; (2)以最短杆件为静件时, 机构为双曲柄机构; (3)以最短杆件相正确杆件为静件时, 机构为双摇杆机构。
2.如果平面四连杆机构中最长杆长与最短杆长之和大于其余两杆长度之和, 则不论以哪一杆为静件, 机构都是双摇杆机构。
以摆动慢的行程作为工作行程, 以摆动快的行程作为空回行程, 这就是曲柄摇杆机构的急回特性。
4．死点位置: 曲柄摇杆机构, 若以摇杆为主动件而曲柄为从动件, 当摇杆摆到极限位置C1D和C2D时, 连杆BC与曲柄AB重叠共线和拉直共线, 这时连杆作用于从动曲柄的力经过曲柄的转动中心A, 此力对A点不产生力矩, 因此不能使曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。
§2—4曲柄滑块机构及其演化机构
一、 曲柄滑块机构可把曲柄的圆周转动转化为滑块的往复直线移动, 或把滑块的往复直线移动转化为曲柄的圆周转动。在内燃机、 压气机、 冲床等机械中常采用这种机构。

§2—5凸轮机构和棘轮机构
一、 凸轮机构主要由凸轮、 从动件和机架三个基本构件组成, 可将凸轮的转动或移动转变成从动件的预期的运动。
凸轮机构的优点是: 只须设计适当的凸轮轮廓, 便可使从动件得到预期的运动规律, 而且结构简单、 紧凑, 设计方便, 因此在各种自动机中广泛应用。凸轮的缺点是: 凸轮与从动件间为点或线接触, 易于磨损, 因此多用于传力不大的控制机构中。
二、 棘轮机构: 棘轮机构一般由摇杆, 棘爪, 棘轮, 止动爪和机架等构件组成, 棘轮机构常见在各种机床和自动的进给机构以及某些千斤顶上; 另外, 在卷扬机、 提升机及运输设备中还常作停止器或制动器用。

第三章带传动及链传动
§3—1带传动的基本理论
一、 带传动的工作原理及类型 带传动是由主动带轮1、 从动带轮2和紧套在两轮上的传动带3所组成, 由于传动带张紧在带轮上, 当主动轮转动时, 主动轮与传动带之间的摩擦力就驱使带运动, 而传动带与从动轮之间的摩擦力又带动从动轮转动。因此, 带传动是一种摩擦传动。
二、 带传动的特点和应用
带传动的主要优点是: ( 1) 适用于中心距较大的两轴间的传动; ( 2) 当过载时, 带与带轮间会出现打滑, 从而可防止机器中其它零件损坏, 起过载保护作用; ( 3) 带传动结构简单, 制造、 安装精度要求低, 成本低; ( 4) 带是弹性体, 因此能缓和冲击和吸收振动。
带传动的主要不足是: ( 1) 由于带与带轮之间存在弹性滑动, 因此不能保证有准确的传比; ( 2) 传动的外廓尺寸较大; ( 3) 带的寿命较短; ( 4) 传动效率低; ( 5) 由于带与带轮间有较大压力, 因此带轮对轴产生较大的轴压力。
打滑: 但在一定条件下, 这个摩擦力有一极限值。因此带传递的功率也有一相应的极限值。当带传递的功率超过此极限时, 带与带轮就产生相对滑动, 这种现象称为打滑, 打滑使传动失效。但打滑可保护其它机械零件免受损坏, 起过载保护作用。
分析影响最大有效拉力( 圆周力) 的因素:
1.预拉力F0越大, 带与带轮间的压力越大, 产生的摩擦力也就越大, 最大有效拉力就越大, 带不易打滑。2.包角越大, 带与带轮间的接触弧就越长, 因而产生的摩擦力就越大, 传动能力就越高。3.摩擦系数f增大, 有效拉力也随之增大。
四、 带传动的弹性滑动和传动比
这种由于带的弹性伸缩而引起的带与带轮间的相对滑动, 称为带的弹性滑动。这是带传动正常工作时固有的特性, 是无法避免的。弹性滑动随着有效拉力的增大而增大, 因此使带传动不能保证准确的传动比, 并引起带的磨损和使传动的效率降低。
§3—3滚子链传动
链传动是一种应用较广的机械传动。它由装在平行轴上的主、 从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成, 它以链条作为中间挠性元件, 靠链条与链轮轮齿的啮合传递动力和运动, 因此, 它是啮合传动。
滚子链传动的优缺点: 与带传动相比, 链传动无弹性滑动和打滑现象, 能保证准确的平均传动比, 传动效率较高, 可达O.98; 链不需要像带那样张紧在带轮上, 因此作用在轴上的压力较小; 结构紧凑; 可在高温低速、 有油污的场合工作。链传动的主要缺点是: 瞬时链速和瞬时传动比不恒定, 因此传动的平稳性较差, 工作中有一定的冲击和噪声。
内链板与套筒, 外链板与销轴为过盈配合, 滚子与套筒间是间隙配合, 套筒与销轴为间隙配合。
滚子链的标记为: 链号-排数×整链链节数国标号; 链轮齿数不能太少, 一般规定最少齿数=9; 也不能过多, 一般最多齿数=120。一般传动中, 为了避免链轮与偶数节的链产生不均匀的磨损, 小链轮齿数可取17、 19或21等奇数齿。
从上式可见, 若传动比过大, 则小轮同时参加啮合的齿数就少, 将因接触应力过大而加速链的磨损。一般传动比i<6, 推荐i=2～3.5。
3.链节距p
链节距p是决定链的工作能力, 链及链轮尺寸的主要参数。正确地定出户是进行链传动设计时所要解决的主要问题。在一定条件下, 户值越大, 链的承载能力就越高, 但传动的尺寸就增大, 且传动中的速度波动、 冲击、 振动和噪声也随之增加。因此, 在设计链传动时, 应在保证承载能力的条件下, 尽量选用较小的节距。
4.链轮的极限转速: 为了控制链传动的动载荷与噪声, 必须对链的速度加以限制, 一般要求v≤12m／s～15m／s根据极限链速, 也就能够求得相应小链轮的极限转速n1( r／min) 。

第四章 齿轮传动
§4—1齿轮传动的类型和特点
齿轮的要求是: 一要运转平稳, 即要求齿轮在传动过程中, 任何瞬时的传动比都不变, 以减少噪声、 冲击和振动; 二是要有足够的承载能力, 即要求齿轮强度高、 耐磨损, 不易折断, 有足够的寿命。
一、 齿轮传动的类型
按照两齿轮轴的相对位置和齿向, 齿轮传动可分类如下:
1.平面齿轮传动: 是指两齿轮轴彼此平行的齿轮传动。按齿向又可分为: 直齿圆柱齿轮传动( 其中包括外啮合、 内啮合及齿轮与齿条的啮合传动、 斜齿圆柱齿轮传动及人字齿圆柱齿轮传动
2.空间齿轮传动: 是指两个齿轮的轴线彼此不平行的齿轮传动。有齿轮轴线相交的直齿圆锥齿轮和曲齿圆锥齿轮传动; 以及齿轮轴交错的齿轮传动。
按照齿廓曲线分类, 还有渐开线齿轮、 摆线齿轮、 圆弧齿轮、 摆线针轮等。
另外按照工作条件, 齿轮传动还可分为闭式齿轮传动和开式齿轮传动。闭式传动的齿轮封闭在刚性齿轮箱体内, 润滑和工作条件良好。重要的齿轮传动都采用闭式传动。而所谓的开式传动的齿轮是外露的, 不能保证良好润滑, 且易落入灰尘、 杂质, 故齿面易磨损, 只宜用于低速传动。
二、 齿轮传动的特点
与其它机械传动相比, 齿轮传动的主要优点是:
1.能保证恒定的传动比, 因此传动平稳, 这是齿轮传动获得广泛应用的主要原因之一; 2.传递功率和圆周速度范围广, 功率能够从很小到几十万千瓦, 圆周速度可由很低到300m／s; 3.传动效率高, 一对齿轮的传动效率可达98%～99.5％; 4.工作可靠, 使用寿命长, 结构紧凑。
齿轮传动的主要缺点是:
1.制造和安装的精度要求比较高, 而且需要专门的加工、 测量设备, 成本较高; 2.不宜用于轴间距离较大的传动。
§4-2渐开线齿廓及其特性
1、 基圆里面没有渐开线2、 渐开线齿廓能够保证传动比为恒定值3、 中心距可分性: 两轮的中心距稍有改变, 也不会影响两轮的传动比。4、 齿廓间的正压力方向不变。

§4—3标准直齿圆柱齿轮的基本尺寸及其啮合传动条件
一、 齿轮各部分名称及其尺寸关系
在齿轮整个圆周上轮齿的总数称为齿轮的齿数用z表示。其余各部尺寸为:
1.齿顶圆: 齿轮各齿顶所确定的圆称为齿顶圆, 其直径为da。
2.齿根圆: 齿轮各齿槽底部尺寸所确定的圆称为齿根圆, 其直径用df表示。
3.分度圆: 分度圆是设计齿轮的基准圆。在分度圆上, 齿厚、 齿槽宽和齿距分别用s, e和户表示, 且齿厚等于齿槽宽即s=e。在分度圆上齿距与π的比值被规定为标准值, 并使该圆上的压力角也为标准值。分度圆的直径为: d=ρz／π
4.模数: 为了便于设计、 制造和互换, 国家标准将ρ／π的比值规定为标准值, 并称之为模数, 以mm为单位, 用代号”m”表示, 即: m=ρ／π
可得齿轮分度圆直径、 齿距与模数间的关系为: d=mz
二、 渐开线圆柱齿轮的正确啮合条件: 齿轮传动是靠两齿轮的齿轮依次啮合来实现连续转动的, 因此必须是两齿轮的全部齿轮都能依次啮合, 保证前一对齿轮分离前, 后一对齿轮不中断地接替转动, 这种要求称之为正确啮合。只有两齿轮的法向齿距相等, 才能保证两齿轮的相邻齿廓正确啮合。
三、 渐开线齿轮连续传动的条件: 为了使一对齿轮能连续啮合传动, 就要求前一对啮合的轮齿尚未脱离啮合时, 后一对齿轮已经进入啮合或刚好进入啮合。
对于标准渐开线齿轮传动, 重合度恒大于1, 不必进行验算。
三、 渐开线齿轮的加工和最少齿数.
1.渐开线的加工方法: 如铸造法、 冲压法、 热轧法、 切削法等。其中最常见的为切肖法。切削法的工艺是多种多样的, 但就其原理可分为仿形法和范成法两种。
( 1) 仿形法仿形法是用与齿轮的齿槽形状相同的铣刀在铣床上加工齿轮轮齿的方法, 这种方法多用于修配和小批生产中。
( 2) 范成法范成法是利用齿轮的啮合原理来切削轮齿的。这种加工方法相当于一对齿轮的啮合, 或齿轮与齿条的啮合。加工精度和效率都较高, 是当前轮齿加工的主要方法。
2.根切现象和最少齿数
( 1) 渐开线齿廓的根切 用范成法加工齿轮时, 如果齿轮的齿数太少, 则刀具的齿顶会将被切齿轮的齿根渐开线切去一部分, 这种现象称为根切。轮齿根切后, 弯曲强度将大大减弱, 重合度也将下降, 使传动质量变差, 因此应避免发生相切。
( 2) 不发生根切的最少齿数 为了避免发生根切现象, 标准齿轮的齿数应有一个最少的限度度, 这个齿数称为最少齿数, 用Zmin表示。经过理论推导可得, 对于标准渐开线齿轮: α=20º及ha=1时, Zmin=17, α=20º及ha=0.8时, Zmin=14
一对齿轮传动, 要使小齿轮的齿数小于Zmin。而又不发生根切, 就必须采用变位齿轮。
§4—4齿轮失效与齿轮材料
一、 轮齿的失效
齿轮在传递动力时, 载荷作用在轮齿上, 使轮齿产生折断和齿面损坏现象, 这种现象称为轮齿的失效。常见的轮齿失效形式有五种: 轮齿的折断, 齿面的疲劳点蚀, 齿面的胶合, 齿面磨损和齿面塑性变形。
1.轮齿的折断有过载折断和疲劳折断两种, 在载荷的多次重复作用下, 轮齿危险截面的弯曲应力超过弯曲疲劳应力时, 齿根危险截面处就会产生疲劳裂纹。随着裂纹的不断扩展, 最终导致轮齿折断, 这种现象称为疲劳折断。轮齿因短时突然严重过载而引起的折断, 则称为过载折断。这种轮齿折断是开式齿轮传动的主要失效形式之一。增大齿根圆角半径, 采用较大的模数, 提高精度等级, 对齿根进行强化处理, 选用韧性较好的材料, 使齿根危险截面的弯曲应力不超过轮齿的抗弯强度, 都有利于提高轮齿的抗折断能力。
2.齿面疲劳点蚀是闭式齿轮传动中软齿面( 软齿面即齿面的布氏硬度小于或等于350) 上最常见的一种失效形式。
齿轮工作时, 齿面接触应力为脉动循环应力。当它超过轮齿材料的接触疲劳极限应力时, 在载荷的多次重复作用后, 齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹。随着裂纹的蔓延、 扩展而致使齿面上的小块金属剥落, 因而齿面出现凹坑, 这种失效称为疲劳点蚀。疲劳点蚀首先出现在齿根表面靠近节线处。点蚀形成后, 破坏了齿轮的正常工作, 传递载荷能力降低, 齿轮传动时会产生噪声和振动, 使啮合情况恶化而失效。在开式齿轮传动中, 由于齿面磨损较快, 一般不出现点蚀现象。
防止点蚀的有效措施是: 适当地提高齿面硬度、 降低齿面粗糙度和增大润滑油的粘度; 合理地选择齿轮的参数, 使齿面接触应力不超过齿面接触疲劳强度。
3.齿面胶合:在高速重载的齿轮传动中, 由于啮合区温度很高, 使润滑油的粘度降低, 致使两齿面金属直接接触并在瞬时相互粘连。在传动过程中当两齿面相互滑动时, 其中较软齿面上的金属沿滑动方向被撕下, 而形成沟纹痕迹, 这种现象称为胶合。防止齿面胶合的办法是: 选用粘性大或有添加剂的抗胶合润滑油; 选用抗胶合性能好的材料; 提高齿面硬度和减小表面粗糙度等。
4.齿面磨损:轮齿在啮合过程中, 两齿面间会产生一定的相对滑动, 因此轮齿在受力时, 两齿面间就产生滑动摩擦, 使齿面产生磨损。减少齿面磨损的措施: 采用闭式齿轮传动, 提高齿面硬度, 减少齿面粗糙度和保持良好的润滑条件, 都能够减轻齿面磨损。
5.齿面塑性变形:齿轮传动在承受重载时, 齿面在高压和很大摩擦力作用下, 如果齿面的硬度较低, 齿面金属层将发生塑性移动, 使齿面失去正确的齿形。这种失效形式称为齿面塑性变形。齿面塑性变形常发生在严重过载和启动频繁的传动中。减小齿面塑性变形的措施: 适当提高齿面硬度和润滑油粘度, 尽量避免频繁启动和过载, 都可防止或减轻齿面塑性变形。
从以上五种常见的失效形式可见, 除了轮齿折断是齿体失效( 可视为一悬臂梁折断) 外, 其余的四种失效均是齿面失效, 都是由于两齿面接触应力引起的齿面损坏。
二、 齿轮的材料: 齿轮材料的性能必须满足齿面硬度大而齿芯韧性好。
1.锻钢是制造齿轮的主要材料, 因为它具有较高的强度和韧性。一般可分为软齿面及硬齿面( 1) 一般应用可选软齿面( HB≤350) , 热处理后切齿。为了便于切齿, 切齿刀具不致迅速磨损变钝, 这种齿轮是将齿轮毛坯经正火或调质处理后再进行切齿。
( 2) 重要应用可选硬齿面( HB>350) , 切齿后进行表面硬化处理, 热处理方法为表面淬火、 渗碳、 氮化等。处理后的齿面硬度较高而芯部韧性好, 故承载能力大且耐磨性又好。
2.铸钢的强度较高而耐磨性较好, 但由于铸造时内应力较大, 故应经过正火或退火处理。铸钢常见于尺寸较大而不宜锻造的齿轮。
3.铸铁性质较脆, 抗冲击及耐磨性较差, 但易于铸造和切削加工。因此铸铁常见于低速、 中载、 无冲击及无振动的开式齿轮传动中。球墨铸铁的机械性能及抗冲击性远比灰铸铁高, 故获得越来越多的应用。
§4—7斜齿圆柱齿轮传动和直齿圆锥齿轮传动
一、 斜齿圆柱齿轮齿面的形成及其啮合特点
1、 斜齿圆柱齿轮传动的特点: 与直齿圆柱齿轮传动相比, 斜齿圆柱齿轮传动有以下特点:
( 1) 传动平稳, 一对斜齿圆柱齿轮啮合时, 由于轮齿与齿轮轴线不平行, 因此两轮齿齿廓曲面沿着与轴线倾斜的直线接触, 在啮合传动过程中, 齿面接触线由短变长, 再由长变短, 直至脱离接触。因此, 轮齿受的载荷是逐渐由小到大再由大到小, 致使传动比较平稳, 冲击、 振动、 噪声也较小, 提高了传动的平稳性。( 2) 承载力高, 在斜齿轮传动中, 由于轮齿的倾斜, 当轮齿的一端进入啮合时, 另一端尚未进入啮合, 当轮齿的一端脱离啮合时, 另一端仍在继续啮合。如以端尺寸及宽度相同的斜齿轮传动与直齿轮传动相比, 斜齿轮同时参加啮合的轮齿对数比直齿轮多, 因此斜齿轮传动的重合度比直齿轮的重合度大, 这样既能够使传动平稳, 又能够提高齿轮的承载能力。

§4—8蜗杆传动
一、 蜗杆传动的特点和应用
蜗杆蜗轮传动是在螺旋传动与齿轮传动的基础上发展起来的, 它由蜗杆和蜗轮组成, 其中蜗杆常为主动件。
1.蜗杆传动的主要优点是:
( 1) 可实现大传动比传动在动力传动中, 单级传动比i=7～80; 在分度机构或手动机构中, 传动比可达300。由于用较少的零件可实现大传动比传动, 因此与齿轮传动相比, 蜗杆传动紧凑。( 2) 传动平稳由于蜗杆为螺旋齿, 它与蜗轮齿的啮合传动相当于螺旋传动, 同时啮合的齿对较多, 因此传动平稳、 噪声低。( 3) 有自锁作用当蜗杆螺旋升角小于齿面啮合的当量摩擦角时, 无论在蜗轮上加多大的力都不能使蜗杆转动, 这种现象称为自锁。这一性质在起重设备中能够起到安全作用, 因而得到广泛使用。
2.蜗杆传动的主要缺点是: 由于啮合齿面间滑动速度大, 因此摩擦损失大, 机械效率低。当工作条件不良时, 相对滑动甚至会导致齿面严重磨损; 为了减少啮合齿面的摩擦, 要求蜗轮的材料有较好的减摩性和耐磨性。因此, 一般选用较贵重的金属制作蜗轮, 使成本提高。

§4—9轮系
轮系: 多对齿轮组成的传动系统称为轮系。
定轴轮系: 在传动中, 轮系中每个齿轮的几何轴线是固定的称为定轴轮系。
周转轮系: 传动时, 轮系中至少有一个齿轮的轴线绕另一个固定轴线回转, 这种轮系称为周转轮系。
传动比: 轮系中首末两轮的转速之比称为传动比。

第五章轴系零部件
§5—1轴
由轴、 轴承、 联轴器和离合器及轴上的转动零件组合起来的系统, 常称为轴系零部件。轴系零部件是机器的重要组成部分。
一、 轴的分类和应用
1.按轴的承载情况分类: 按轴的受载情况可把轴分为心轴、 传动轴和转轴三类。
( 1) 心轴只承受弯矩作用的轴称为心轴。这类轴只起支承转动零件的作用, 不传递扭矩。心轴能够是转动的, 如火车车轴; 也能够是不转动的心轴, 如的滑轮轴。( 2) 传动轴既传递运动和动力, 又支承回转零件, 故只承受扭矩和自重引起的弯矩的轴。如的汽车传动轴。( 3) 转轴既受弯矩又受扭矩作用的轴称为转轴。如齿轮减速器的齿轮轴I、 Ⅱ和Ⅲ都是转轴。
2.按轴线形状分类: 按轴线形状可把轴分为直轴和曲轴。直轴又有光轴和阶梯轴之分。光轴是指全轴各处直径均相同的轴; 而阶梯轴的各段直径不相同, 以便于轴上零件的装拆、 定位和紧固, 应用广泛。另外, 还有钢丝软轴。
二、 轴的设计
( 1) 轴的结构工艺性应考虑的问题
为了便于轴上零件的装拆, 轴端应有45度倒角, 轴上零件装拆时所经过各段轴径都要小于零件的孔径。阶梯轴上相邻轴径的变化不宜过大, 定位轴肩的轴环的高度要适当。为了减少阶梯轴阶梯处过渡圆角处的应力集中, 提高轴的疲劳强度, 圆角半径r应尽可能大。但为了保证轴上零