50个最基础的机械设计知识点

1、机械零件常用材料：普通碳素结构钢看Q后的屈服强度；优质碳素结构钢像20钢，平均碳质量分数是万分之20；合金结构钢比如20Mn2，锰的平均质量分数约2%；铸钢ZG230-450，屈服点不小于230MPa、抗拉强度不小于450MPa；灰铸铁HT200主要看抗拉强度。

常用材料是设计的底子，接下来得说说零件加工里关键的热处理方法。

2、常用热处理方法：退火是随炉缓冷；正火放空气中冷却；淬火往水或油里迅速冷却；回火是把淬火后的零件再加热到低于临界温度的温度，保温后空冷；调质就是淬火加高温回火；化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗。

热处理直接影响材料性能，而零件的结构工艺性则关系到制造效率——结构合理才能好做。

3、机械零件的结构工艺性要满足什么？得便于毛坯制造、便于机械加工，还要便于装卸和可靠定位。

结构没问题了，设计时还得避免零件失效——这是关键。

4、机械零件常见失效形式有哪些？强度不够断了；弹性变形或塑性变形太大；摩擦表面过度磨损、打滑或过热；连接松动；容器管道漏了；运动精度达不到要求。

失效往往和应力有关，先搞清楚应力分类。

5、应力分静应力和变应力。*基本的变应力是稳定循环变应力，具体又分非对称循环、脉动循环、对称循环三种。

变应力是疲劳破坏的根源，接下来看看疲劳破坏的特点。

6、变应力作用下的破坏叫疲劳破坏，特点有三个：某类变应力多次作用后突然断裂；断裂时的*大应力远低于材料屈服极限；就算是塑性材料，断裂时也没明显变形。确定疲劳极限得考虑应力大小、循环次数和循环特征。

疲劳破坏有不同类型，接触疲劳是齿轮、轴承的“常见病”。

7、接触疲劳破坏是怎么回事？零件在接触应力反复作用下，表面或表层先出初始裂纹，然后滚动时润滑油挤进去形成高压，裂纹慢慢扩展，最后表层金属掉小碎片，表面出现小坑——这就是疲劳点蚀。点蚀的危害挺明显：接触面积变小，光滑表面被破坏，承载能力下降，还会振动、有噪声。齿轮、滚动轴承这些零件*容易出这问题。

虚约束不是没用，是为了改善机构性能才加的。

8、为什么要引入虚约束？比如多个行星轮是为了改善受力；轴和轴承用虚约束是增强刚度；还有保证机械运转性能。

虚约束用来增强刚度，再说说螺纹的种类。

9、螺纹分五类：普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。

螺纹的关键是自锁——这决定了用途。

10、自锁条件是什么？螺旋升角λ≤当量摩擦角ψ，也就是λ不大于ψ。

自锁条件定了螺纹用途：普通螺纹用于连接，传动螺纹用于传动。

11、螺旋机构怎么分传动和连接？普通螺纹牙斜角β大，自锁性好，所以用来连接；矩形、梯形、锯齿形螺纹β小，传动效率高，所以用来传动。

传动螺纹要效率高，螺旋副的效率计算得会。

12、螺旋副的效率=有效功/输入功=tanλ/tan（λ+ψv），一般螺旋升角不超过40°。当螺纹中径d2和螺距P一定时，线数n越多，λ越大，效率也越高。所以要提高传动效率，多用多线螺旋。

效率和螺旋升角有关，再说说螺旋机构的类型和应用。

13、螺旋机构有两类应用：一类是把回转运动变直线运动，比如传力螺旋（千斤顶、压力机、台虎钳）、传导螺旋（车床进给）、调整螺旋（测微计、分度机构）；另一类是直线变回转。

螺旋机构的特点是减速比大、能自锁。

14、螺旋机构还有这些特点：减速比大；能放大作用力；反行程可以自锁；传动平稳、噪声小、可靠；但不同螺旋效率差别大——能自锁的效率高。

螺旋机构用于传动，连杆机构则更常用在运动转换上。

15、连杆机构为什么应用广？能实现多种运动转换；运动副都是低副，压强小、磨损轻、好润滑、寿命长；接触表面是圆柱面或平面，好制造、精度高。

连杆机构的关键是曲柄存在——没有曲柄就没法连续转动。

16、曲柄存在的条件：一是*短杆长度+最长杆长度≤其他两杆之和；二是*短杆得是连架杆或机架。

曲柄问题解决了，凸轮的运动规律也得注意——关系到冲击。

17、凸轮运动规律和冲击特性对应：等速运动有刚性冲击，适合低速轻载；等加速等减速是柔性冲击，中速轻载；余弦加速度也是柔性冲击，中速中载；正弦加速度没冲击，适合高速轻载。

凸轮的压力角和基圆半径有关系，这是设计要点。

18、凸轮机构压力角与基圆半径的关系：r0=v2/(ωtanα)-s，其中r0是基圆半径，s是推杆位移量。

基圆半径影响压力角，滚子半径也不能乱选——要避免变尖和失真。

19、滚子半径怎么选？ρa=ρ-r（ρ是凸轮理论廓线曲率半径，r是滚子半径）。如果ρ=r，实际廓线会出尖点，容易磨损；如果ρr，通常r≤0.8ρ，实在不行就增大基圆半径让ρ变大。

滚子半径搞定，再说说齿轮传动的优缺点。

20、齿轮传动的优点：适用圆周速度和功率范围广；传动比精确；效率高；可靠；寿命长；能实现平行轴、相交轴、交错轴传动；结构紧凑。缺点也明显：制造安装精度要求高，成本高；不适合远距离传动。

齿轮传动用得多，渐开线的特性是基础。

21、渐开线有这些特性：①发生线在基圆上滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长；②渐开线上任一点的法线都和基圆相切，N点是K点的曲率中心，NK是曲率半径；③cosαk=rb/rk（rb是基圆半径，rk是K点向径），所以渐开线上各点压力角不一样，向径越大压力角越大，基圆上压力角是0；④渐开线形状由基圆大小决定，基圆越大，对应点曲率半径越大，基圆无限大时渐开线就是直线——所以渐开线齿条齿廓是直线；⑤基圆以内没有渐开线。

渐开线定了齿廓形状，齿轮啮合得满足模数和压力角相等。

22、齿轮啮合条件：得保证啮合线上的齿都能正确啮合，所以m1=m2=m（模数相等）、α1=α2=α（压力角相等）；斜齿轮还得螺旋角大小相等、旋向相反；锥齿轮要锥距相等；涡轮蜗杆得蜗杆导程角和涡轮螺旋角大小相等、旋向相同。

啮合条件满足了，还要连续传动——得重合度大于1。

23、轮齿连续传动条件：重合度ε=B1B2/ρb>1（实际啮合线段B1B2比轮齿法向齿距长）。

连续传动解决了，齿廓啮合基本定律是理论基础。

24、齿廓啮合基本定律：平面啮合的一对齿廓，瞬时接触点的公法线必定和两齿轮连心线交于节点C，节点把连心线分成的两段长度和齿轮角速度成反比。

基本定律搞懂，再说说根切——小齿数齿轮加工时的问题。

25、根切是怎么来的？用齿条型或齿轮型刀具加工齿轮时，如果齿数太少，刀具齿顶线超过轮坯啮合极限点，就会把齿轮根部的渐开线齿廓切去一部分——这就是根切。根切的后果：齿轮根部被削弱，抗弯能力下降，重合度减小。解决方法？用正变位齿轮。

正变位齿轮好处不少。

26、正变位齿轮的优点：能加工齿数小于Zmin而不根切的齿轮，缩小结构尺寸；可以调整变位量满足实际中心距；提高小齿轮抗弯能力，增强整体强度。

正变位改善了强度，齿轮失效形式也得考虑。

27、齿轮失效形式有：齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损。开式齿轮主要是磨损和折断；闭式齿轮主要是点蚀和折断；蜗杆传动则是胶合、点蚀、磨损。

失效形式定了设计准则——得保证接触疲劳和弯曲疲劳强度。

28、齿轮设计准则：一般齿轮传动，只要算齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度就行。

设计准则有了，参数选择也影响性能。

29、参数怎么选？①齿数：分度圆直径不变的话，齿数多些好——重合度大，传动平稳，省制造费，只要满足弯曲疲劳强度就行；闭式选20~40，开式选17~20。②齿宽系数：大齿轮齿宽b2=b，小齿轮b1=b2+2~10mm。③齿数比：直齿不超过5，斜齿6~7，开式或手动的能到8~12。

参数选对，斜齿轮比直齿轮传动更平稳。

30、直齿轮传动平稳性差，冲击和噪声大；斜齿轮传动平稳，冲击噪声小，适合高速传动。

斜齿轮适合高速，轮系的功用也得知道。

31、轮系有什么用？能获得大传动比（比如减速器）；实现变速、变向（汽车变速箱）；合成或分解运动（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）。

轮系用于变速变向，带传动是另一种常见传动方式。

32、带传动的优缺点：优点是弹性好，能缓冲吸振，尤其是V带没接头，传动平稳、噪声小；过载时带会打滑，保护其他零件；结构简单，制造维护方便，成本低；适合中心距大的传动。缺点是有弹性滑动，效率低，不能准确保持转速比；外廓尺寸大；张紧后轴受力大；可能摩擦起电有火花，不能用在易燃易爆场合。

带传动的承载能力受什么影响？

33、影响带传动承载能力的因素：初拉力Fo、包角α、摩擦系数f、带的单位长度质量q、速度v。

承载能力知道了，失效形式是打滑和疲劳破坏。

34、带传动主要失效形式：打滑和疲劳破坏。设计准则就是——不打滑，还有足够的疲劳强度和寿命。

失效和设计准则清楚了，得分清弹性滑动和打滑。

35、弹性滑动和打滑的区别：打滑是超载引起的带在带轮上全面滑动，能避免；弹性滑动是带的弹性变形导致的滑动，没法避免。

带传动说完，再说说螺纹连接的基本类型。

36、螺纹连接基本类型：螺栓连接（普通螺栓、铰制孔用螺栓）、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接。

螺纹连接得防松——不然容易松。

37、螺纹连接怎么防松？分三类：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+槽形螺母、止动垫圈、圆螺母止动垫圈、串联钢丝）；防松（冲点、端焊、黏结）。

防松搞定，还得提高螺栓连接强度。

38、提高螺栓连接强度的方法：避免附加弯曲应力；减少应力集中。

螺栓强度解决了，键连接是另一种常用连接方式。

39、键连接类型：平键（靠侧面）、半圆键（靠侧面）、楔键（靠上下面）、花键（靠侧面）。

平键的尺寸怎么定？

40、平键的剖面尺寸是b×h（键宽×键高），还有键长L——这两个得确定。

平键尺寸定了，再分清联轴器和离合器的区别。

41、联轴器和离合器都是连两轴（或轴与回转零件），一起转传递扭矩，但区别很明显：联轴器连的两轴，得停机拆才能分开；离合器不用停机，随时能接合或分离。

联轴器分刚性和挠性——看有没有补偿能力。

42、联轴器分类：刚性联轴器（没补偿能力）、挠性联轴器（有补偿能力）。

分类知道了，怎么选类型？

43、联轴器类型选择：低速、刚性大的短轴用刚性联轴器；低速、刚性小的长轴用无弹性元件的挠性联轴器；传递大转矩的重型机械用齿式联轴器；高速、有振动冲击的用有弹性元件的挠性联轴器；轴线位置变动大的两轴用十字轴万向联轴器。

联轴器选对，滑动轴承的摩擦状态也得了解。

44、滑动轴承的摩擦状态：干摩擦、边界摩擦、液体摩擦、混合摩擦——边界和混合统称为非液体摩擦。

摩擦状态清楚了，非液体摩擦滑动轴承得验算什么？

45、非液体摩擦滑动轴承的验算项目：①验算压强p——控制单位面积压力，防止轴瓦过度磨损；②验算pv——控制单位时间单位面积的摩擦功耗fpv，防止胶合；③验算v——如果压力小，p和pv都合格，但滑动速度太高也会磨损快，所以v得≤[v]（注：原文“演算”应为“验算”，保留）。

验算项目知道了，非液体摩擦滑动轴承的失效形式是磨损和胶合。

46、非液体摩擦滑动轴承主要失效形式：磨损、胶合。

轴承说完，再说说轴的分类。

47、轴分三类：心轴（只受弯矩不受扭矩，有转动心轴和固定心轴）、转轴（又受弯矩又受扭矩）、传动轴（主要受扭矩，弯矩很小或没有）。

轴的分类清楚了，计算时得注意键槽的影响。

48、轴的计算注意点：①轴上有键槽的话，得放大轴径——一个键槽放大3%~5%，两个放大7%~10%；②弯曲应力是对称循环变应力，扭转切应力如果是静应力，折合系数α取0.3；脉动循环取0.6；对称循环取1。

计算要点知道了，轴的结构设计得遵循原则。

49、轴结构设计的一般原则：受力要合理，满足强度条件；轴和轴上零件要可靠固定在准确位置；轴得好加工；零件要便于拆装调整；尽量减少应力集中。

结构设计好了，滚动轴承类型怎么选？

50、滚动轴承类型选择得考虑这些因素：转速高低、受轴向力还是径向力、载荷大小、安装尺寸要求。

滚动轴承选对，最后再说说机械速度波动的事。

51、机械速度波动是怎么来的？原动机的驱动力和工作机的阻抗力都是变化的，两者没法时刻匹配，就会速度波动——驱动功大于阻抗功时，机器有盈功，动能增加，角速度变大；反之则变小。速度波动的危害：运动副里产生附加动压力，引起振动，降低寿命，影响效率和工作质量。怎么调节？周期性波动加飞轮（转动惯量大的回转件）；非周期性波动用调速器。