50个机械设计基础知识点

50个机械设计基础知识点

机械设计是工程领域的重要分支，涵盖了从材料选择到机构设计的广泛知识体系。本文总结了50个机械设计基础知识点，旨在为从事或学习机械工程的读者提供全面的参考指南。

1. 机械零件常用材料

• 普通碳素结构钢（Q屈服强度）
• 优质碳素结构钢（20平均碳的质量分数为万分之20）
• 合金结构钢（20Mn2锰的平均质量分数约为2%）
• 铸钢（ZG230-450屈服点不小于2230，抗拉强度不小于450）
• 铸铁（HT200灰铸铁抗拉强度）

2. 常用的热处理方法

• 退火（随炉缓冷）
• 正火（在空气中冷却）
• 淬火（在水或油中迅速冷却）
• 回火（把淬火后的零件再次加热到低于临界温度的一定温度，保温一段时间后在空气中冷却）
• 调质（淬火+高温回火的过程）
• 化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）

3. 机械零件的结构工艺性

• 便于零件毛坯的制造
• 便于零件的机械加工
• 便于零件的装卸和可靠定位

4. 机械零件常见的失效形式

• 因强度不足而断裂
• 过大的弹性变形或塑性变形
• 摩擦表面的过度磨损、打滑或过热
• 连接松动
• 容器、管道等的泄露
• 运动精度达不到设计要求

5. 应力的分类

• 分为静应力和变应力
• 基本的变应力为稳定循环变应力，稳定循环变应力有非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力三种

6. 疲劳破坏及其特点

• 变应力作用下的破坏称为疲劳破坏
• 特点：在某类变应力多次作用后突然断裂；断裂时变应力的最大应力远小于材料的屈服极限；即使是塑性材料，断裂时也无明显的塑性变形
• 确定疲劳极限时，应考虑应力的大小、循环次数和循环特征

7. 接触疲劳破坏的特点

• 零件在接触应力的反复作用下，首先在表面或表层产生初始疲劳裂纹，然后再滚动接触过程中，由于润滑油被基金裂纹内而造成高压，使裂纹扩展，最后使表层金属呈小片状剥落下来，在零件表面形成一个个小坑，即疲劳点蚀
• 疲劳点蚀危害：减小了接触面积，损坏了零件的光滑表面，使其承载能力降低，并引起振动和噪声
• 疲劳点蚀使齿轮。滚动轴承等零件的主要失效形式

8. 引入虚约束的原因

• 为了改善构件的受力情况（多个行星轮）
• 增强机构的刚度（轴与轴承）
• 保证机械运转性能

9. 螺纹的种类

• 普通螺纹
• 管螺纹
• 矩形螺纹
• 梯形螺纹
• 锯齿形螺纹

10. 自锁条件

• λ≤ψ即螺旋升角小于等于当量摩擦角

11. 螺旋机构传动与连接

• 普通螺纹由于牙斜角β大，自锁性好，故常用于连接
• 矩形螺纹梯形螺纹锯齿形螺纹因β小，传动效率高，故常用于传动

12. 螺旋副的效率

• η=有效功/输入功=tanλ/tan（λ+ψv）
• 一般螺旋升角不宜大于40°
• 在d2和P一定的情况下，锁着螺纹线数n的增加，λ将增大，传动效率也相应增大
• 因此，要提高传动效率，可采用多线螺旋传动

13. 螺旋机构的类型及应用

• 变回转运动为直线运动，传力螺旋（千斤顶、压力机、台虎钳）、传导螺旋（车窗进给螺旋机构）、调整螺旋（测微计、分度机构、调整机构、道具进给量的微调机构）
• 变直线运动为回转运动

14. 螺旋机构的特点

• 具有大的减速比
• 具有大的里的增益
• 反行程可以自锁
• 传动平稳，噪声小，工作可靠
• 各种不同螺旋机构的机械效率差别很大（具有自锁能力的的螺旋副效率高）

15. 连杆机构广泛应用的原因

• 能实现多种运动形式的转换
• 连杆机构中各运动副均为低副，压强小、磨损轻、便于润滑、寿命长
• 其接触表面是圆柱面或平面，制造比较简易，易于获得较高的制造精度

16. 曲柄存在条件

• *短杆长度+最长杆长度≤其他两杆之和
• *短杆为连架杆或机架。

17. 凸轮运动规律及冲击特性

• 等速：刚性冲击、低速轻载
• 等加速等减速：柔性冲击、中速轻载
• 余弦加速度：柔性冲击、中速中载
• 正弦加速度：无冲击、高速轻载

18. 凸轮机构压力角与基圆半径关系

• r0=v2/(ωtanα)-s，其中r0为基圆半径，s为推杆位移量

19. 滚子半径选择

• ρa=ρ-r
• 当ρ=r时，在凸轮实际轮廓上出现尖点，即变尖现象，尖点很容易被磨损
• 当ρ＜r时，实际廓线发生相交，交叉线的上面部分在实际加工中被切掉，使得推杆在这一部分的运动规律无法实现，即运动失真
• 所以应保证ρ＞r，通常取r≤0.8ρ，一般可增大基圆半径以使ρ增大

20. 齿轮传动的优缺点

• 优点：适用的圆周速度和功率范围广；传动比精确；机械效率高；工作可靠；寿命长；可实现平行轴、相交轴交错轴之间的传动；结构紧凑
• 缺点：要求有较高的制造和安装精度，成本较高；不适宜于远距离的两轴之间的传动

21. 渐开线的特性

• 发生线在基圆上滚过的一段长度等于基圆上被滚过的弧长
• 渐开线上任一点的法线必与基圆相切，且N点位渐开线在K点的曲率中心，线段NK为其曲率半径
• cosαk=ON/OK=rb/rk 渐开线上各点的压力角不等，向径rk越大，其压力角越大，基圆上压力角为零
• 渐开线的形状取决于基圆大小，随着基圆半径增大，渐开线上对应点的曲率半径也增大，当基圆无限大时，渐开线成为直线，故渐开线齿条的齿廓为直线
• 基圆以内无渐开线

22. 齿轮啮合条件

• 必须保证处于啮合线上的各对齿轮都能正确的进入啮合状态
• m1=m2=m；α1=α2=α即模数和压力角都相等
• 斜齿轮还要求两轮螺旋角必须大小相等，旋向相反
• 锥齿轮还要求两轮的锥距相等
• 涡轮蜗杆要求蜗杆的导程角与涡轮的螺旋角大小相等，旋向相同

23. 轮齿的连续传动条件

• 重合度ε=B1B2/ρb＞1（实际啮合线段B1B2的长度大于轮齿的法向齿距）

24. 齿廓啮合基本定律

• 作平面啮合的一对齿廓，它们的瞬时接触点的公法线，必于两齿轮的连心线交于相应的节点C，该节点将齿轮的连心线所分的两个线段的与齿轮的角反比。

25. 根切

• 产生原因：用齿条型刀具（或齿轮型刀具）加工齿轮时。若被加工齿轮的齿数过少，道具的齿顶线就会超过轮坯的啮合极限点，这时会出现刀刃把齿轮根部的渐开线齿廓切去一部分的现象，即根切
• 后果：使得齿轮根部被削弱，齿轮的抗弯能力降低，重合度减小
• 解决方法：正变位齿轮

26. 正变位齿轮优点

• 可以加工出齿数小于Zmin而不发生根切的齿轮，使齿轮传动结构尺寸减小
• 选择适当变位量来满足实际中心距得的要求
• 提高小齿轮的抗弯能力，从而提高一对齿轮传动的总体强度

27. 齿轮的失效形式

• 齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损
• 开式齿轮主要失效形式为齿轮磨损和轮齿折断
• 闭式齿轮主要是齿面点蚀和轮齿折断
• 蜗杆传动的失效形式为轮齿的胶合、点蚀和磨损

28. 齿轮设计准则

• 对于一般使用的齿轮传动，通常只按保证齿面接触疲劳强度及保证齿根弯曲疲劳强度 进行计算。

29. 参数选择

• 齿数：保持分度圆直径不变，增加齿数能增大重合度，改善传动的平稳性，节省制造费用，故在满足齿根弯曲疲劳强度的条件下，齿数多一些好
• 闭式z=2040开式z=1720
• 齿宽系数：大齿轮齿宽b2=b；小齿轮b1=b2+（2~10）mm
• 齿数比：直齿u≤5；斜齿u≤67；开式齿轮或手动齿轮u可取到812

30. 直齿轮传动平稳性差，冲击和噪声大；斜齿轮传动平稳，冲击和噪声小，适合于高速传动

31. 轮系的功用

• 获得大的传动比（减速器）
• 实现变速、变向传动（汽车变速箱）
• 实现运动的合成与分解（差速器、汽车后桥）
• 实现结构紧凑的大功率传动（发动机主减速器、行星减速器）

32. 带传动优缺点

• 优点：具有良好的弹性，能缓冲吸振，尤其是V带没有接头，传动较平稳，噪声小；过载时带在带轮上打滑，可以防止其他器件损坏；结构简单，制造和维护方便，成本低；适用于中心距较大的传动
• 缺点：工作中有弹性滑动，使传动效率降低，不能准确的保持主动轴和从动轴的转速比关系；传动的外廓尺寸较大；由于需要张紧，使轴上受力较大；带传动可能因摩擦起电，产生火花，故不能用于易燃易爆的场合

33. 影响带传动承载能力的因素

• 初拉力Fo包角a 摩擦系数f 带的单位长度质量q 速度v

34. 带传动的主要失效形式

• 打滑和疲劳破坏
• 设计准则：在不打滑的前提下，具有一 定的疲劳强度和寿命

35. 弹性滑动与打滑

• 打滑：由于超载所引起的带在带轮上的全面滑动，可以避免
• 弹性滑动：由于带的弹性变形而引起的带在带轮上的滑动，不可避免

36. 螺纹连接的基本类型

• 螺栓连接（普通螺栓连接、铰制孔用螺栓连接）
• 双头螺柱连接
• 螺钉连接
• 紧螺钉连接

37. 螺纹连接的防松

• 摩擦防松（弹簧垫圈、双螺母、椭圆口自锁螺母、横向切口螺母）
• 机械防松（开口销与槽形螺母、止动垫圈、圆螺母止动垫圈、串连钢丝）
• 防松（冲点法、端焊法、黏结法）

38. 提高螺栓连接强度的方法

• 避免产生附加弯曲应力
• 减少应力集中

39. 键连接类型

• 平键连接（侧面）
• 半圆键连接（侧面）
• 楔键连接（上下面）
• 花键连接（侧面）

40. 平键的剖面尺寸确定

• 键的截面尺寸b×h（键宽×键高）以及键长L

41. 联轴器与离合器区别

• 连这都是用来连接两轴（或轴与轴上的回转零件），使它们一起旋转并传递扭矩的器件
• 用联轴器连接的两根轴，只有在停止运转后用拆卸的方法才能将他们分离
• 离合器则可在工作过程中根据工作需要不必停转随时将两轴接合或分离

42. 联轴器分类

• 刚性联轴器（无补偿能力）
• 挠性联轴器（有补偿能力）

43. 联轴器类型的选择

• 对于低速、刚性大的短轴可选用刚性联轴器
• 对于低速、刚性小的长轴可选用无弹性元件的挠性联轴器
• 对传递转矩较大的重型机械可选用齿式联轴器
• 对于高速、有振动和冲击的机械可选用有弹性元件的挠性联轴器
• 对于轴线位置有较大变动的两轴，则应选用十字轴万向联轴器

44. 轴承摩擦状态

• 干摩擦状态
• 边界摩擦状态
• 液体摩擦状态
• 混合摩擦状态
• 边界和混合摩擦统称为非液体摩擦

45. 验算轴承压强p

• 控制其单位面积的压力，防止轴瓦的过度磨损
• 演算pv：控制单位时间内单位面积的摩擦功耗fpv，防止轴承工作时产生过多的热量而导致摩擦面的胶合破坏
• 演算v：当压力比较小时，p和pv的演算均合格的轴承，由于滑动速度过高，也会发生因磨损过快而报废，因此需要保证v≤[v]

46. 非液体摩擦滑动轴承的主要失效形式为磨损和胶合

47. 轴的分类

• 心轴（转动心轴、固定心轴；只承受弯矩不承受扭矩）
• 转轴（即承受弯矩又承受扭矩）
• 传动轴（主要承受扭矩，不承受或承受很小弯矩）

48. 轴的计算注意

• 轴上有键槽时，放大轴径：一个键槽3°--5°；两个键槽7°--10°
• 式中弯曲应力为对称循环变应力
• 当扭转切应力为静应力时，取α=0.3
• 当扭转切应力为脉动循环变应力时，取α=0.6
• 若扭转切应力为对称循环变应力时，取α=1（α为折合系数）

49. 轴结构设计一般原则

• 轴的受力合理，有利于满足轴的强度条件
• 轴和轴上的零件要可靠的固定在准确的工作位置上
• 轴应便于加工
• 轴上的零件要便于拆装和调整
• 尽量减少应力集中等

50. 滚动轴承类型选择影响因素

• 转速高低
• 受轴向力还是径向力
• 载荷大小
• 安装尺寸的要求等

51. 机械速度波动

• 原因：原动机的驱动力和工作机的阻抗力都是变化的，若两者不能时时相适应，就会引起机械速度的波动。当驱动功大于阻抗功时，机器出现盈功，机器的动能增加，角速度增大，反之相反
• 危害：速度波动会导致在运动副中产生附加动压力，并引起机械振动，降低机械的寿命，影响机械效率和工作质量
• 调节方法：周期性：在机械中加上一个转动惯量较大的回转件飞轮；非周期性：采用调速器来调节