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第二章机械结构和机械零件

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机械结构和机械零件 第二章机械零件 第二章机械结构和机械零件 章 机械结构 第二章 机械 第二章 机械零件 机械零件结构
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第二章 机械结构和机械零件 2.1 机械的基本概念 一、机械的定义与常用术语 机械是各类机器、仪器、设备的通称。简单的机械只有少数零件组成,如夹钳、手电 钻等。而复杂的机械则由许多零部件组成,如汽车、拖拉机、机床等。 (1)零件 组成机械或机器的不可分拆的单个制件。它是机械制造过程中的基本单 元。 (2)部件 由若干个零件装配组成的独立体。它是机械的一部分。有时将若干个部 件组成并具有独立功能的更大部件称为总成。 (3)机构 各组成部分间具有一定的相对运动的装置。能传递、转换运动或实现某 种特定的运动,如钟表的齿轮机构、车床的走刀机构和起重机的变幅机构等。 (5) 仪器 以通过某种方式实现信息转变和形成一种信息流为主要目的的技术系统。如 数据仪、测量仪、打字机等。 (6) 设备 以通过某种方式实现物料转变和形成一种物料流为主要目的的技术系统。如 机床、纺织机、粉碎机、分选机等。 二、机械的分类 机械的种类繁多,按其功能和用途大致划分为18大类,包括动力机械、起重运输机械 、工程机械、交通运输机械、农业机械、林业机械、矿山机械、冶金机械、化工 机械、轻纺机械、各类加工机床、通用机械和生活用机械等等。 2.2 机械机构 一、机构的定义 1)机构是有确定相对运动的构件组合体; 2)机构是机械系统的组成单元。 二、机构的分类 机构能传递、转换运动或实现某种特定的运动。常用的机构有:连杆机构、凸轮机构 、齿轮机构、带传动机构、链传动机构、螺旋机构、步进机构等。 (一)连杆机构 连杆是联接两个及两个以上运动副(转动或移动副)的构件。用运动副按顺序把几个 构件联接起来则组成连杆机构(connecting rod gear)。其作用是传递动力和完成 一定规律的运动。连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构。 1、平面连杆机构 平面连杆机构(planar linkage)是由若干个互相作平面运动的刚性构件用运动副联接 起来的机构。其运动副多为面接触的低副,所以又称平面低副机构。最常用的平 面连杆机构是四杆机构 ,如图 返回 图2.1-1 铰链四杆机构的类型 (a)曲柄摇杆机构;(b)双曲柄机 构;(c)双摇杆机构;(d)曲柄滑 块机构;(e)双滑块机构 (二) 凸轮机构 凸轮机构(cam mechanism)是由凸轮的回转或往复运动推动从动件作一定的往复移 动或摆动的高副机构,如表2.1-1。凸轮具有曲线轮廊或凹槽,有平面凸轮和空间 凸轮等。从动件(推杆)与凸轮作点接触或线接触,其接触端的形状有尖头式、 滚子式和平底式等。为了保持推杆与凸轮始终相接触,可采用弹簧或依靠重力。 不同类型的凸轮与推杆组合起来,即可得到各种类型的凸轮机构,通常凸轮是主 动件,但有时可作从动件使用。 凸轮机构的特点是结构紧凑,运动可靠。但制造要求高,易磨损、有噪声。它最适用 于从动件作间歇运动的场合。如在内燃机中的应用。 (三) 间歇运动机构 间歇运动机构(intermittent motion mechanism)是将主动件的连续运动变成从动件有 停歇的周期性运动的机构。它可以分为单向运动和往复(双向)运动两类。 1、单向间歇运动机构 (1)棘轮机构(ratchet and pawl) 它可将连续转动或往复运动变成单向的步进运 动。主要由棘轮和棘爪等组成 。棘轮机构常用在各种机床和自动机构的间歇进 给或回转工作台的转位上 。 (2)槽轮机构(geneva gear)它有外啮合和内啮合两种形式。工程中最常见的是单臂 外啮合槽轮机构。它由带圆柱销的转臂、具有四条径向槽的槽轮和机架组成。 (3)不完全齿轮机构 它是由齿轮机构演变而来的间歇机构。主动轮1只在一段圆周 上有4个齿,从动轮2共有16个齿间,当主动齿轮作等速转动时,从动轮转动一周 可有4次间歇运动,轮2停歇期间,两轮的锁止弧起定位作用。不完全齿轮机构多 用在专用机床中,如专用靠模铣床。 第三节 机械传动与典型传动方式 机械传动是原动机与执行机构之间传递运动与动力的子机械系统。常见的机械传动有 带传动、链传动与齿轮传动。 一、带传动与链传动 1.带传动 带传动(图2.3-1)由主动带轮2、挠性带3、从动带轮4、机架1和张紧装置5组成。 它的工作原理是利用摩擦传动。即,张紧装置使从动轮的轴向外移动,从而使带张紧 ,带与带轮之间产生正压力,主动轮通过摩擦驱动带运动(紧边受力F1大于松边 受力F2),带又靠摩擦带动从动轮转动。带传动的传动比 i24=n2/n4=d4/d2 带传动的特点: 1)由于带是弹性件,在运动过程中它的受力变形特性使它传递运动不稳定,因而 带传动的传动比是不稳定的; 2)由于带有弹性,使它具有吸振的作用。 3)有过载打滑、起安全保护的作用。 因此,带传动一般用于高速级传动。且功率不`大的场合(一般75KW),带的工 作速度一般为5~25m/s, 传动比i7(少数可达10)。 按截面形状,传送带可分为为:矩形截面的平型带,梯形截面的V带,圆形截面的 圆形带和具有楔形截面的多楔带。 2.链传动 链传动由主、从动链轮,链和机架组成。链传动属于一种轮齿啮合传动。其中,链作 为中间挠性件在主、从动轮之间传递运动。链轮轮齿不能保证链条的速度是恒定 值。因此链传动的传动比不是恒定值。 链传动的平均传动比 i12=n1/n2=Z2/Z1 链传动的特点: 可以作较远距离传动,传力能力大,机械效率较高,在恶劣环境中亦能正常工作,但 有振动、噪声较大。通常用做低速级传动。 二、齿轮传动 1. 齿轮传动的特点和类型 齿轮传动是应用最广的一种机械传动。其主要优点是:1)适用的圆周速度和功率范 围广;2)传动比准确;3)机械效率高;4)工作可靠;5)寿命长;6)可实现 平行轴、相交轴、交错轴之间的传动;7)结构紧凑。其主要缺点是:1)要求有 较高的制造和安装精度,成本较高;2)不适宜于远距离两轴之间的传动。 按照工作条件的不同,齿轮传动可分为闭式传动和开式传动。闭式传动的齿轮封闭在 有润滑油的箱体内,因而能保证良好的润滑和洁净的工作条件,闭式传动多用于 重要场合。开式传动的齿轮是外露的,不能保证良好的润滑和防止灰尘等的侵入 ,因此齿轮易于磨损,开式传动多用于低速级和不重要的场合。 齿轮传动的类型很多,按照两齿轮轴线的相对位置和齿向的不同,齿轮传动可分类如 下: (a)外啮合齿轮传动 (b)内啮合齿转传动 (c)齿轮与齿条传动 圆柱齿轮传动 斜 齿轮传动 人字齿轮传动 圆柱齿轮传动 圆锥齿轮传动 直齿圆锥齿轮的设计、制造和安装比较简便、应用最广泛;曲齿圆锥齿轮传动平稳、 承载能力较高,常用于汽车、工程机械等高速重载传动上。 螺旋齿轮传动 蜗杆蜗轮传动 蜗杆为主动件,蜗轮为从动 蜗杆蜗轮传 动亦可以具有反向自锁 的功能 。 传动比特别大 2.渐开线齿廓、分度圆、模数 为了便于齿轮各部分尺寸的计算,在齿轮上选择一个圆作为计算的基准,称该圆为齿 轮的分度圆。分度圆的直径、半径、齿厚、齿槽宽和齿距分别用d、r、s、e和p 表示,则p=s+e。 设齿轮的齿数用z表示,则在分度圆上,dπ=pz,于是得分度圆直径 d=pz/π 上式中π为一无理数,由此式计算出的d若也为无理数,这将给齿轮的设计、制造和 检验等带来很大不便。所以,工程上将比值p/π规定为一些简单的数值,并使之 标准化。这个比值称为模数,用m表示。即 m=p/π 标准模数系列表(摘自GB/T1357-87) mm 第一系列 … 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列 … 1.75 2.25 2.75 (3.25) 3.5 (3.75) 4.5 5.5 (6.5) 7 9 (11) 14 18 22 28 36 45 注:选用模数时,应优先选用第一系列,其次是第二系列,括号内的模数尽可能不用 。 模数是决定齿轮 尺寸的一个基本参数,齿数相同的齿轮 ,模数大则齿轮 尺寸也大 。 齿轮传动的传动比: i12=n1/n2=Z2/Z1 对齿轮齿条传动,齿轮1的转速n1与齿条2的速度V2的关系式如下: V2=mz1 n1/2 第四节 常用零件及应用 一、联接与联接件 在机械中,许多零、部件之间以一定的方式组合成一个整体,这就需要使用各种联接 。 联接的类型很多,常用的联接有螺纹联接、键联接、销联接、铆钉联接、焊接、胶接 、过盈配合联接及型面联接等。其中以螺纹联接、键联接、焊接在机械中应用最 为广泛。 联接可分为可折联接和不可拆联接。螺纹联接、键联接为可折联接,焊接为不可拆联 接。 在选择联接类型时,多以使用要求及经济要求为依据。一般地说,采用可拆联多系由 结构、安装、运输、维修上的原因。不可拆联接的制造成本通常较可拆联接低廉 。 1. 螺纹联接 螺纹联接是机械中应用极为广泛的一种可拆联接。它具有结构简单、装拆方便、联接 可靠、互换性强等特点。据统计在现代机械中具有螺纹结构的零件约占零件总数 的一半以上。 螺纹联接的基本类型和螺纹联接件 (1).螺纹联接的基本类型 螺纹联接的基本类型有螺栓联接(普通螺栓联接、铰制孔用螺栓联接)、双头螺 柱联接、螺钉联接和紧定螺钉联接。 螺栓联接:是利用一端有头,另一端制有螺纹的螺栓,穿过被联接件的通孔,旋上螺 母拧紧后将被联接件联成一体。被联接件上不必切制螺纹,结构简单,装拆方便 ,主要用于被联接件不太厚,并有足够装拆空间的场合。 双头螺柱联接:是利用两端均有螺纹的螺柱,将其一端拧入一被联接的螺纹孔中,另 一端则穿过另一被联接件的通孔,旋上螺母,拧紧后将被联接件联成一体。这种 联接多用于被联接件之一太厚而不便钻孔,或为了结构紧凑而必须采用盲孔的联 接。 螺钉联接:不用螺母,利用螺钉穿过一被联接件的通孔,拧入另一被联接件的螺纹孔 内而实现联接。 轴向预紧力Fp 为了保证螺证螺纹联接的可靠性或被联接件的气密性,螺纹联接一般需要预紧,即在 安装时必须把螺母或螺钉拧紧,使在螺杆中产生一定的轴向预紧力Fp。预紧力 应有适当的大小,预紧力太小达不到预紧的目的,预紧力太大又易使螺纹联接件失效 。预紧力Fp和拧紧力矩T的大小有关,对于常用的粗牙钢制螺纹联接可近似按下 式计算 T≈0.2Fpd 式中d为螺纹的公称直径(mm) 2. 键联接 安装在轴上的零件(如凸轮、飞轮、带轮、齿轮等)都是以它们的轮毂部分与轴联接 在一起的。键联接主要用来实现轴、毂之间的周向固定以传递扭矩。 键可分类平键、半圆键、楔键及花键等几大类,且大都是标准件。 (1).平键联接 平键的两侧面是工作面,上表面与轮上的键槽底部之间留有空隙(图2.4-3a),键的 上、下表面为非工作面,工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩,故定心性较 差。根据其用途,平键又可分为普通平键、导向平键和滑键等。 (2).花键联接 将具有均布的多个凸齿的轴置于轮毂相应的凹槽中所构成的联接称花键联系(图2.4- 3b)。键齿侧是工作面。由于是多齿传递载荷,故花键联接比平键联接的承载能 力高,定心性和导向性好,对轴的削弱小(齿浅.应力集中小),花键联接一般 用于定心精度要求高和载荷较大的地方。但花键加工需用专门的设备和工具,成 本较高。 二、轴和轴承 1.轴 (1). 轴的功能 轴是机械中的重要零件,机械中作旋转运动的零件大都装在其上。它有以下两个功能 。 a.支承回转零件,如齿轮、带轮等; b.传递运动和动力。 (2). 轴的分类 按轴的作用和所承受的载荷情况,可将轴分为三类: a心轴 这种轴只受弯矩而不传递转矩,称为心轴。心轴可以是转动的,也可以是固定 不动的 b.传动轴 传动轴仅传递运动和动力,即只承受扭矩而不承受弯矩或弯矩很小。 c.转轴 转轴既支承回转零件又传递运动和动力,即同时承受弯矩和扭矩。转轴是机构 中最常见的轴。 轴的常用材料有优质碳素钢和合金钢等。优质碳素钢价格低廉,对应力集中的敏感性 小,并有良好的热处理性能,故应用很广。一般机械的轴常用35、40、45和50钢 ,其中以45钢应用最广。 2.轴承 轴承是用来支承轴的部件,有时也用来支承轴上的回转件。在机械中应用极为广泛。 根据轴承工作表面的摩擦性质不同,可分为滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)和滑动摩 擦轴承(简称滑动轴承)。 按其所能承受载荷的方向不同,又可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承。对于 滑动轴承,按油膜压力形成的方法不同,可分为动压滑动轴承和静压滑动轴承两 种。 滚动轴承磨擦阻力小,效率高,起动轻快且润滑简便,一般不需自行设计制造,因而 在各种机械中得到广泛应用。 (1).滚动轴承参见2.4-5所示,滚动轴承由外圈(环)1、内圈(环)2、滚动体3和保 持架4组成。内外圈上常制有凹槽,称为滚道。保持架的作用是把滚动体均匀隔 开。滚动体是滚动轴承的主体,工作时沿滚道自转并公转。它的大小、数量和形 状与轴承的承载能力密切相关。各种滚动体形状如图2.4-5所示。 (2).滚动轴承的代号 滚动轴承的类型、规格繁多,为了便于设计、制造和选用,国家标准对轴承的类型系 列、尺寸、结构特点、精度等级等用规定的代号(数字和字母)表示。通常在轴 承的端面打印其代号。 内径 右起第一、第二位数字表示轴承内径,它用代号00(10)、01(12)、02(15 )、03(17)、04~99分别表示轴承内径,其中括号内为该代号所表示的内径; 当轴承内径在20~495mm范围内时,其内径值为其代号的数值乘以5。 直径系列 右起第三位数字表示轴承直径系列。同一内径的轴承可有不同的外径和宽 度。 直径系列可分为特轻、轻窄、中窄、重窄、轻宽和中宽六个系列。 类型 右起第四位数字表示轴承的类型。如果第四位前面没有数字,则第四位数字为 “0”时,“0”可以不标出。其类型即为单列向心球轴承。 特殊结构 右起第五、六位数字表示轴承的特殊结构形式,其代号含义可查阅滚动轴 承的产品样本。 宽度系列 右起第七位数表示轴承的宽度系列。它表示相同的内径和外径的轴承的不 同宽度,其代号的具体含义可查阅滚动轴承产品样本。 精度等级 代号中字母表示轴承的精度等级,目前我国生产的轴承有B、C、D、E、G 五个精度等级。其中B级精度最高,G级最低。G级精度应用最广,其代号可以 不标出。 轴承代号举例如下:C 205表示:单列向心滚动轴承轻窄系列,内径25,C级精度。 7306 单列圆锥滚子轴承,重系列,内径30,G级精度。 (3). 滑动轴承 滑动轴承由于是面接触,在接触面之间有油膜减振,所以具有承载能力大、抗振性能 好、工作平稳、噪声小等特点。若采用液体磨擦滑动轴承时,则可长期保持较高 的旋转精度。因此在高速、高精度、重载和结构上要求剖分等场合,滑动轴承仍 占有重要地位,是滚动轴承所不能完全替代的。另外,由于它结构简单、制造容 易、成本低,故也广泛应用于各种简单机械中。 (4). 推力滑动轴承 推力滑动轴承用来承受轴向载荷,如图2.4-7所示。推力滑动轴承的轴颈有三种形式。 实心推力轴颈、环形轴颈和多环形轴颈。 三、弹簧 弹簧是一种弹性元件,在外载荷作用下,弹簧能够产生弹性变形并吸收能量,载荷除 去后,它又能立即恢复原来的形状,同时释放出能量。在机械中应用很广,弹簧 主要功用有: a.控制机构的运动和构件位置: 利用弹簧的弹力保持零件之间的接触,以控制机构的运 动,如凸轮机构、阀门、离合器中的控制弹簧。 b.吸振和缓冲: 弹簧以变形能的形式吸收振动和冲击的能量,如车辆中的缓冲器弹簧。 c.储存能量: 利用弹簧变形所能储存的能量做功,如钟表的发条、游丝(用盘簧)的弹 簧。 d.测量载荷: 测量力的大小,如弹簧秤和测力器中的弹簧。 弹簧的基本类型如表2-2所示。按承受载荷的形式,弹簧可分为拉伸弹簧、压缩弹簧、 扭转弹簧和弯曲弹簧四种。按弹簧的形状,可分为螺旋弹簧、碟形弹簧、盘形弹 簧和板簧等。 弹簧常用的材料有:碳素弹簧钢、低锰合金钢(如65Mn)、硅锰弹簧钢(如60Si2Mn )、铬钒钢(如50CrVA)等。 第五节典型机械传动装置 一、减速器 将具有减速功能的轮系封闭在刚性壳体内而组成的独立部件称之减速器(亦称减速箱 )。通常装置在机械的原动机和工作机之间,用于降低转速、增大转矩。 减速器分类如下: 按传动原理可分为普通减速器和行星减速器两大类。 按齿轮传动的类型可分为:圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆减速器、圆锥— 圆柱齿轮减速器、蜗杆—圆柱齿轮减速器等。 按传动的级数可分为单级、双级及多级减速器。 减速器的结构特点: 减速器主要由齿轮(或蜗杆、蜗轮)、轴、轴承和箱体及其他附件组成。齿轮可为直 齿(传动比i≤4)、斜齿或人字齿(i≤6)。箱体常用铸铁铸造。支承多采用滚 动轴承,只有高速、重型减速器才采用滑动轴承。为了避免减速器外廓尺寸过大 ,限制单级减速器的最大传动比i≤10,否则采用双级减速器。 减速器的润滑: 减速器中,齿轮(或蜗杆、蜗轮)和轴承的润滑是非常重要的。润滑的目的主要 是为了减少摩擦和磨损,提高传动效率,通过润滑油带走热量。 当齿轮的圆周速度u12m/s减速器中的齿轮一般采用侵油润滑。为了避免搅油及飞 溅损失过大能量,齿轮的侵油深度一般不宜超过全齿高 。 左图为减速器原理图,右图为变速器原理图 二、行星齿轮传动。它由固定的齿轮1、行星齿轮2和系杆H三个构件组成。系杆输入 运动,齿轮2在随系杆绕轴线O1转动(称公传)的同时绕与系杆相连的轴线O2转动( 称自转)。即齿轮2作行星运动。因此,本传动称为行星齿轮传动。 下图中小齿轮标号错误,应为2
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