机械设计工具箱 (Mechanical Design Toolkit)

你是一个专业的机械设计助手。当用户提出以下任何需求时，使用本SKILL提供的计算引擎和数据库：

🎯 触发场景

• 齿轮设计、强度校核、公差查询
• 螺栓连接强度计算
• 轴承选型、寿命计算
• 带传动、链传动、螺旋传动设计
• 联轴器选型
• 截面强度校核
• 材料参数查询
• 梁的挠度计算
• 硬度换算

📦 功能模块

1. 齿轮计算 (Gear Calculation)

文件: {baseDir}/scripts/gear_calculator.py, {baseDir}/scripts/cylindrical_gear_calculator.py

锥齿轮计算 (Bevel Gear)

• 几何计算: 齿顶圆、齿根圆、节锥角、顶锥角
• 公差查询: Gleason/GB标准公差等级
• 强度校核: GB/T 10062 标准
  • 齿面接触强度
  • 齿根弯曲强度

圆柱齿轮计算 (Cylindrical Gear)

• 几何计算: 分度圆、基圆、齿顶/齿根圆、中心距
• 公差查询: GB/T 10095 公差等级 (IT5~IT10)
• 强度校核: GB/T 10095 标准
  • 齿面接触强度 (S≈ZH·ZE·Zε·Zβ)
  • 齿根弯曲强度 (S≈YF·YS·Yε·Yβ)
• 螺旋角: 支持0°~45°螺旋角计算

使用示例:

计算模数3、齿数20的锥齿轮几何参数
校核锥齿轮接触强度：扭矩500N·m，转速1500rpm
计算圆柱齿轮模数4、齿数30的几何参数
校核圆柱齿轮弯曲强度：扭矩800N·m
查询7级精度的齿轮公差

2. 螺栓强度校核 (Bolt Strength)

文件: {baseDir}/scripts/bolt_calculator.py

8种校核场景

1. 普通螺栓 - 拉伸强度
2. 普通螺栓 - 拉伸+扭转复合
3. 铰制孔螺栓 - 剪切强度
4. 铰制孔螺栓 - 挤压强度
5. 预紧力计算
6. 扭矩系数计算
7. 高强度螺栓摩擦型
8. 高强度螺栓承压型

使用示例:

M16螺栓抗拉强度校核，拉力20kN
计算8.8级M20螺栓的预紧力

3. 截面强度校核 (Cross Section Strength)

文件: {baseDir}/scripts/section_calculator.py

10种截面类型

• 矩形、空心矩形
• 圆形、空心圆
• 工字钢 (GB/T 706)
• H型钢
• 槽钢
• 角钢
• T型钢
• 自定义截面

4种强度校核

• 拉伸/压缩强度
• 剪切强度
• 扭转强度
• 弯曲强度
• von Mises组合应力

使用示例:

计算200×200×8 H型钢的强度
校核矩形截面50×100mm的弯曲应力

4. 带传动设计 (Belt Drive)

文件: {baseDir}/scripts/belt_calculator.py

V带设计

• 选型: Y、Z、A、B、C、D、E型
• 功率曲线: P0双线性插值
• 带轮参数: 基准直径、槽型尺寸
• 校核计算: 包角、带数、中心距

使用示例:

设计功率7.5kW、转速1450rpm的A型V带传动
查询A型V带P0功率表

5. 链传动设计 (Chain Drive)

文件: {baseDir}/scripts/chain_calculator.py, {baseDir}/scripts/silent_chain_calculator.py

滚子链选型

• 系列: A系列、B系列
• 规格: 06B、08B、10A、12A等
• 链轮参数: 齿数、节距、直径
  • 奇数齿公式
  • 偶数齿公式
• 功率计算: 输送辊道功率

齿形链选型 (Silent Chain)

• 链号: CL06、CL08、CL10、CL12等
• 链宽: 多规格可选
• 链轮参数: 分度圆、齿顶圆、量柱测量距
• 特点: 传动平稳、噪音低

使用示例:

选型10kW、转速960rpm的滚子链
计算20齿A系列链轮的几何参数
选型滚子链传动7.5kW、转速720rpm
查询CL12齿形链参数
计算齿形链轮21齿的几何参数

6. 螺旋传动 (Screw Drive)

文件: {baseDir}/scripts/screw_calculator.py

螺纹计算

• 螺纹类型: M、Tr、S系列
• 强度校核: 拉伸、剪切、挤压
• 扭矩计算: 驱动扭矩、效率
• 功率计算: 推力、速度、功率
• 速查表: 标准参数查询

使用示例:

Tr40×7螺旋传动的驱动扭矩计算
校核M20螺栓的螺纹强度

7. 轴承计算 (Bearing Calculation)

文件: {baseDir}/scripts/bearing_calculator.py, {baseDir}/data/bearings.json

8种轴承类型 (596规格)

• 深沟球轴承 — 115规格 (GB/T 276-2013)
• 角接触球轴承 — 51规格 (GB/T 292-2007)
• 调心球轴承 — 37规格 (GB/T 281-2013)
• 圆柱滚子轴承 — 55规格 (GB/T 283-2007)
• 圆锥滚子轴承 — 70规格 (GB/T 297-2015)
• 推力球轴承 — 55规格 (GB/T 301-1995)
• 滚针轴承 — 158规格 (GB/T 5801-2006)
• 调心滚子轴承 — 55规格 (GB/T 288-2013)

计算功能

• 寿命计算: L10寿命、修正寿命(a1/a2/a3)
• 选型查询: 按型号/内径/类型查询
• 游隙查询: C2、CN、C3、C4游隙等级(含选型指南)
• 静强度校核: 额定静载荷校核

使用示例:

计算6208轴承在径向力5000N下的寿命
查询NU2208轴承的尺寸参数
查询内径40mm的所有轴承规格
查询内径40mm的C3游隙范围

8. 联轴器选型 (Coupling Selection)

文件: {baseDir}/scripts/coupling_calculator.py

联轴器类型

• LX型: 弹性柱销联轴器
• SWC型: 十字轴万向联轴器
• 伺服联轴器: 高精密型

计算功能

• 工况系数: KA系数查询
• 扭矩计算: 计算扭矩、选型扭矩
• 规格选型: 根据参数自动匹配

使用示例:

选型传递扭矩500N·m的弹性柱销联轴器
计算SWC100万向联轴器的承载能力

9. 气缸计算 (Cylinder Calculation)

文件: {baseDir}/scripts/cylinder_calculator.py

SC系列气缸

• 缸径: 32、40、50、63、80、100、125mm
• 推力计算: 推出力、拉回力
• 耗气量: 单程耗气量、每分钟耗气量
• 电磁阀选型: 配管口径推荐

使用示例:

计算SC63×200气缸的推力和拉力
SC80气缸每分钟空气消耗量是多少

10. 材料数据库 (Material Database)

文件: {baseDir}/data/materials.json

154种材料数据

• 黑色金属: 碳素结构钢、合金钢、不锈钢
• 有色金属: 铜合金、铝合金
• 非金属: 工程塑料、橡胶、复合材料

材料参数

• 弹性模量 E
• 泊松比 ν
• 密度 ρ
• 屈服强度 σs
• 抗拉强度 σb
• 硬度 HB/HRC

使用示例:

查询45号钢的材料参数
推荐用于齿轮材料的合金钢

11. 挠度计算 (Deflection Calculation)

文件: {baseDir}/scripts/deflection_calculator.py

5种支承条件

• 简支梁
• 悬臂梁
• 两端固定梁
• 一端固定一端简支
• 连续梁

6种载荷类型

• 集中力
• 均布载荷
• 三角形载荷
• 集中力偶
• 多载荷叠加
• 自定义载荷

使用示例:

计算简支梁在跨中集中力作用下的挠度
悬臂梁自由端受均布载荷的挠度计算

12. 硬度换算 (Hardness Conversion)

文件: {baseDir}/scripts/hardness_converter.py

换算类型

• 布氏硬度 (HB)
• 洛氏硬度 (HRA、HRB、HRC)
• 维氏硬度 (HV)
• 肖氏硬度 (HS)

使用示例:

HRC30换算成HB是多少
HV300相当于多少HRC

13. 公差配合查询 (Tolerance and Fit)

文件: {baseDir}/scripts/tolerance_fit_calculator.py

公差等级查询

• ISO公差等级: IT01~IT18共20个等级
• 标准公差计算: 根据基本尺寸和等级自动计算
• 适用标准: GB/T 1800.1、GB/T 1801

基本偏差查询

• 轴偏差: c, d, e, f, g, h, js, k, m, n, p, r, s, t, u
• 孔偏差: C, D, E, F, G, H, JS, K, M, N, P, R, S
• 偏差值计算: 根据基本尺寸和偏差代号查询

配合类型

• 间隙配合: H7/g6, H7/f7, H8/f8等
• 过渡配合: H7/k6, H7/m6, H7/n6等
• 过盈配合: H7/p6, H7/r6, H7/s6等

配合推荐

• 滚动轴承配合: 内圈k6/外圈H7
• 齿轮配合: 推荐过盈配合
• 精密轴配合: 推荐过渡配合

使用示例:

查询基本尺寸50mm、公差等级IT7的标准公差
查询轴偏差h7（基本尺寸30mm）
查询孔偏差H7（基本尺寸50mm）
计算配合H7/g6的间隙范围
推荐滚动轴承的配合

14. 键连接计算 (Key Connection)

文件: {baseDir}/scripts/key_calculator.py

功能

• 平键强度校核: 挤压、剪切强度
• 楔键强度校核: 预紧力、摩擦力
• 花键计算: 渐开线花键承载能力
• 键槽尺寸查询: GB/T 1095、GB/T 1096

使用示例:

校核键12×8×50的强度
计算花键连接的承载能力

15. 轴强度计算 (Shaft Calculation)

文件: {baseDir}/scripts/shaft_calculator.py

功能

• 结构参数: 轴径、轴肩、过渡圆角
• 强度校核: 按第三/第四强度理论
• 刚度计算: 挠度、转角、临界转速
• 疲劳强度: 无限寿命、有限寿命设计

使用示例:

计算轴的疲劳强度
校核轴的刚度

16. 弹簧计算 (Spring Calculation)

文件: {baseDir}/scripts/spring_calculator.py

功能

• 圆柱螺旋弹簧: 压缩、拉伸、扭转
• 弹簧参数: 刚度、变形、应力
• 稳定性校核: 长细比、失稳临界载荷
• 疲劳强度: S-N曲线、无限寿命

使用示例:

设计圆柱压缩弹簧
计算弹簧的疲劳寿命

17. 螺纹规格查询 (Thread Specification)

文件: {baseDir}/scripts/bearing_calculator.py (ThreadDatabase类), {baseDir}/data/threads.json

公制普通螺纹 (GB/T 196)

• 22种规格: M1~M48
• 参数: 螺距、中径d2、小径d1、钻孔直径
• 示例: M10×1.5 → d2=9.026, d1=8.376, drill=8.5

管螺纹 (GB/T 7307)

• 9种规格: G1/8"~G2"
• 参数: 外径、螺距、每英寸牙数(TPI)

螺栓推荐场景

• 法兰盘连接螺栓推荐
• 电机安装螺栓推荐
• 轴承端盖螺栓推荐

使用示例:

查询M10螺纹的中径和小径
查询G1/2管螺纹的参数
推荐法兰连接螺栓规格

🚀 使用方法

方式1: 直接调用Python脚本

# 齿轮计算
python {baseDir}/scripts/gear_calculator.py --type bevel --module 3 --teeth 20

# 螺栓校核
python {baseDir}/scripts/bolt_calculator.py --grade 8.8 --diameter M16 --force 20000

# 轴承寿命
python {baseDir}/scripts/bearing_calculator.py --model 6208 --Fr 5000 --life

方式2: Python API调用

from scripts.gear_calculator import BevelGear
from scripts.bolt_calculator import BoltStrength
from scripts.bearing_calculator import BearingLife

# 锥齿轮计算
gear = BevelGear(module=3, teeth=20, pressure_angle=20)
result = gear.calculate_geometry()

# 螺栓校核
bolt = BoltStrength(grade='8.8', diameter='M16')
result = bolt.check_tension(force=20000)

# 轴承寿命
bearing = BearingLife(model='6208', Fr=5000, Fa=2000)
life = bearing.calculate_life()

方式3: 自然语言交互

直接向AI提问，AI会自动选择合适的计算引擎：

"帮我设计一个功率5.5kW、转速1450rpm的V带传动"
"M20的8.8级螺栓能承受多大的拉力？"
"查询6208轴承的外形尺寸"
"计算工字钢200×100×7×11的截面惯性矩"

📊 计算精度

• 公式标准: 采用GB国家标准、ISO国际标准
• 材料数据: 基于真实材料手册
• 公差等级: IT01~IT18共20个等级
• 数值精度: 保留4位有效数字

🔧 依赖要求

• Python 3.8+
• NumPy (用于矩阵运算)
• JSON (数据文件解析)

📝 数据文件

所有数据文件位于 {baseDir}/data/ 目录：

• materials.json - 154种材料数据库
• bearings.json - 596种轴承规格(8类型) + 游隙数据 + 可靠度系数
• threads.json - 22种公制螺纹 + 9种管螺纹 + 螺栓场景推荐

⚠️ 注意事项

1. 安全系数: 所有强度计算均需考虑安全系数，本SKILL提供的是理论计算值
2. 工况条件: 实际工况可能超出标准适用范围，需人工判断
3. 材料离散性: 材料性能存在离散性，计算结果为名义值
4. 标准更新: 关注相关标准的最新版本

📚 参考标准

• GB/T 10062 锥齿轮强度计算
• GB/T 3077 合金结构钢
• GB/T 5780 六角头螺栓
• GB/T 276 深沟球轴承
• GB/T 706 热轧型钢
• ISO 6336 齿轮强度计算
• DIN 3965 锥齿轮公差

🎉 示例对话

用户: "我要设计一个锥齿轮传动，模数3，小齿轮20齿，大齿轮40齿，传递功率7.5kW，转速1450rpm，帮我计算几何参数并校核强度"

AI响应:

我将使用机械设计工具箱帮您计算锥齿轮传动。

【几何参数计算】
- 小齿轮节圆直径: d1 = m×z1 = 3×20 = 60 mm
- 大齿轮节圆直径: d2 = m×z2 = 3×40 = 120 mm
- 传动比: i = z2/z1 = 40/20 = 2
- 节锥角: δ1 = arctan(z1/z2) = 26.565°
- 顶锥角: δa1 = δ1 + arctan(ha*/R) = ...

【强度校核】
- 小齿轮扭矩: T1 = 9550×P/n1 = 49.3 N·m
- 接触应力: σH = ZE×√(FH×KT/(bd12)×(u+1)/u) = ...
- 弯曲应力: σF = (FE×KT)/(b×m×Y) = ...
- 结论: 强度满足要求 ✓

需要我提供详细计算过程吗？

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📄 版本信息

• 版本: 2.0.0
• 更新日期: 2026-04
• 作者: MechaBao Team
• 许可: MIT License

🔗 相关链接

• GitHub: https://github.com/mechabao/mechanical-design-toolkit
• ClawHub: https://clawhub.ai/skills/mechanical-design-toolkit
• 问题反馈: https://github.com/mechabao/mechanical-design-toolkit/issues