史上最全的 机械设计基础 PPT.ppt

湖南科技大学用 第1章绪论 1 1本课程研究的对象和内容 1 2本课程在教学中的地位 1 3机械设计的基本要求和一般过程 湖南科技大学用 顾名思义 本课程研究对象为 机械 机械 机器 斜面 任何机械都经历了 简单 复杂的发展过程 机械 人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体 机构 包括 龙门吊 鹤式吊 汽车吊 卷扬机 叉车 电梯 电脑控制 杠杆 起重轱辘 滑轮组 手动 电动 葫芦 现代起重机 起重机的发展历程 1 1本课程研究的对象和内容 湖南科技大学用 机器 根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体 机构 能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物的组合体 如 连杆机构 凸轮机构 齿轮机构等 如 缝纫机 洗衣机 各类机床 运输车辆 农用机器 起重机等 机器的种类繁多 结构 性能和用途等各不相同 但具有相同的基本特征 湖南科技大学用 典型机器的分析 1 内燃机 内燃机 组成 汽缸体1 活塞2 进气阀3 排气阀4 连杆5 曲轴6 凸轮7 顶杆8 齿轮9 10 工作原理 1 活塞下行 进气阀开启 混合气体进入汽缸 2 活塞上行 气阀关闭 混合气体被压缩 在顶部点火燃烧 3 高压燃烧气体推动活塞下行 两气阀关闭 4 活塞上行 排气阀开启 废气体被排出汽缸 湖南科技大学用 设计 潘存云 进气 压缩 爆炸 排气 内燃机的工作过程 活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动 该组合体称为 内燃机各部分的作用 曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀 称为 凸轮机构 两个齿轮用来保证进 排气阀与活塞之间形成协调动作 称为 齿轮机构 各部分协调动作的结果 湖南科技大学用 机器的共有特征 人造的实物组合体 各部分有确定的相对运动 代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换 机器的分类 原动机 实现能量转换 如内燃机 蒸汽机 电动机 工作机 完成有用功 如机床等 湖南科技大学用 工作机的组成 原动部分 是工作机动力的来源 最常见的是电动机和内燃机 工作部分 完成预定的动作 位于传动路线的终点 传动部分 联接原动机和工作部分的中间部分 控制部分 保证机器的启动 停止和正常协调动作 原动机 传动 工作 控制 湖南科技大学用 控制器 控制 电动机 原动 带 传动 减速器 传动 波轮 工作 分析自动洗衣机的组成 湖南科技大学用 机构的共有特征 人造的实物组合体 各部分有确定的相对运动 用来传递力或实现运动的转换 机构的分类 通用机构和专用机构 通用机构 用途广泛 如齿轮机构 连杆机构等 专用机构 只能用于特定场合 如钟表的擒纵机构 机器与机构的关系 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的 由机器与机构的共有特征可知 机器与机构在结构和运动方面并无区别 仅作用不同 故统称为机械 湖南科技大学用 课程性质 技术基础课 作用 承前启后 本课程的特点 是工程制图 工程材料及机械制造基础 理论力学 材料力学 金工实习等理论知识和实践技能的综合运用 同时 通过本课程的学习 可为今后学习诸如自动武器原理 机床夹具设计 机床 机械制造工艺学等专业课程打下基础 通过本课程的学习和课程设计实践 可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力 为今后操作 维护 管理 革新武器装备创造条件 1 2本课程在教学中的地位 湖南科技大学用 机械设计 规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能 基本要求 在满足预期功能的前提下 性能好 效率高 成本低 安全可靠 操作方便 维修简单和造型美观 机械设计的内容 1 确定机械的工作原理 选择合宜的机构 2 拟定设计方案 3 进行运动分析和动力分析 计算各构件上的载荷 4 进行零部件工作能力计算 总体设计和结构设计 1 3机械设计的基本要求和一般过程 湖南科技大学用 3 仔细观察实物和模型 欢迎到实验室参观 并动手组装各种机构 课程安排 共48学时 其中讲授42学时 实验6学时 要求 1 作业必须按时完成 绘图准确 字迹工整 作业量未达到规定者不能参加考试 2 上课认真听讲 及时消化 不主张占用较多的课外时间 第2章平面机构的运动简图及自由度计算 2 1运动副及其分类 2 2平面机构运动简图 2 3平面机构的自由度 名词术语解释 1 构件 独立的运动单元 2 1运动副及其分类 内燃机连杆 零件 独立的制造单元 2 运动副 a 两个构件 b 直接接触 c 有相对运动 运动副元素 直接接触的部分 点 线 面 例如 凸轮 齿轮齿廓 活塞与缸套等 定义 运动副 两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接 三个条件 缺一不可 运动副的分类 1 按相对运动范围分有 平面运动副 平面运动 平面机构 全部由平面运动副组成的机构 例如 球铰链 拉杆天线 螺旋 生物关节 空间运动副 空间运动 空间机构 至少含有一个空间运动副的机构 2 按运动副元素分有 高副 点 线接触 应力高 低副 面接触 应力低 例如 滚动副 凸轮副 齿轮副等 例如 转动副 回转副 移动副 3 运动链 运动链 两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统 闭式链 开式链 4 机构 定义 具有确定运动的运动链称为机构 机架 作为参考系的构件 如机床床身 车辆底盘 飞机机身 机构的组成 机构 机架 原动件 从动件 原 主 动件 按给定运动规律运动的构件 从动件 其余可动构件 2 2平面机构运动简图 机构运动简图 用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形 作用 1 表示机构的结构和运动情况 机构示意图 不按比例绘制的简图现摘录了部分GB4460 84机构示意图如下表 2 作为运动分析和动力分析的依据 常见运动副符号的表示 国标GB4460 84 常用运动副的符号 运动副名称 运动副符号 两运动构件构成的运动副 转动副 移动副 两构件之一为固定时的运动副 平面运动副 平面高副 螺旋副 空间运动副 构件的表示方法 一般构件的表示方法 杆 轴构件 固定构件 同一构件 三副构件 两副构件 一般构件的表示方法 注意事项 画构件时应撇开构件的实际外形 而只考虑运动副的性质 常用机构运动简图符号 机构运动简图应满足的条件 1 构件数目与实际相同 2 运动副的性质 数目与实际相符 3 运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例 绘制机构运动简图 顺口溜 先两头 后中间 从头至尾走一遍 数数构件是多少 再看它们怎相联 步骤 1 运转机械 搞清楚运动副的性质 数目和构件数目 4 检验机构是否满足运动确定的条件 2 测量各运动副之间的尺寸 选投影面 运动平面 绘制示意图 3 按比例绘制运动简图 简图比例尺 l 实际尺寸m 图上长度mm 思路 先定原动部分和工作部分 一般位于传动线路末端 弄清运动传递路线 确定构件数目及运动副的类型 并用符号表示出来 举例 绘制破碎机的机构运动简图 绘制图示鳄式破碎机的运动简图 2 3平面机构的自由度 给定S3 S3 t 一个独立参数 1 1 t 唯一确定 该机构仅需要一个独立参数 若仅给定 1 1 t 则 2 3 4均不能唯一确定 若同时给定 1和 4 则 3 2能唯一确定 该机构需要两个独立参数 定义 保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度 原动件 能独立运动的构件 一个原动件只能提供一个独立参数 机构具有确定运动的条件为 自由度 原动件数 一 平面机构自由度的计算公式 作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数 x y 才能唯一确定 x y 运动副自由度数约束数回转副1 2 x y 3 R 2 F 1 R 2 F 1 R 1 F 2 结论 构件自由度 3 约束数 移动副1 x 2 y 3 高副2 x 1 y 3 经运动副相联后 构件自由度会有变化 自由构件的自由度数 约束数 活动构件数n 计算公式 F 3n 2PL Ph 要求 记住上述公式 并能熟练应用 构件总自由度 低副约束数 高副约束数 3 n 2 PL 1 Ph 计算曲柄滑块机构的自由度 解 活动构件数n 3 低副数PL 4 F 3n 2PL PH 3 3 2 4 1 高副数PH 0 推广到一般 计算五杆铰链机构的自由度 解 活动构件数n 4 低副数PL 5 F 3n 2PL PH 3 4 2 5 2 高副数PH 0 计算图示凸轮机构的自由度 解 活动构件数n 2 低副数PL 2 F 3n 2PL PH 3 2 2 2 1 1 高副数PH 1 二 计算平面机构自由度的注意事项 计算图示圆盘锯机构的自由度 解 活动构件数n 7 低副数PL 6 F 3n 2PL PH 高副数PH 0 3 7 2 6 0 9 计算结果肯定不对 1 复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联 计算 m个构件 有m 1转动副 两个低副 上例 在B C D E四处应各有2个运动副 计算图示圆盘锯机构的自由度 解 活动构件数n 7 低副数PL 10 F 3n 2PL PH 3 7 2 10 0 1 可以证明 F点的轨迹为一直线 圆盘锯机构 计算图示两种凸轮机构的自由度 解 n 3 PL 3 F 3n 2PL PH 3 3 2 3 1 2 PH 1 对于右边的机构 有 F 3 2 2 2 1 1 事实上 两个机构的运动相同 且F 1 2 局部自由度 F 3n 2PL PH FP 3 3 2 3 1 1 1 本例中局部自由度FP 1 或计算时去掉滚子和铰链 F 3 2 2 2 1 1 定义 构件局部运动所产生的自由度 出现在加装滚子的场合 计算时应去掉Fp 滚子的作用 滑动摩擦 滚动摩擦 解 n 4 PL 6 F 3n 2PL PH 3 4 2 6 0 PH 0 3 虚约束对机构的运动实际不起作用的约束 计算自由度时应去掉虚约束 FE AB CD 故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧 增加的约束不起作用 应去掉构件4 重新计算 n 3 PL 4 PH 0 F 3n 2PL PH 3 3 2 4 1 特别注意 此例存在虚约束的几何条件是 1 2 3 4 A B C D E F 虚约束 出现虚约束的场合 1 两构件联接前后 联接点的轨迹重合 2 两构件构成多个移动副 且导路平行 如平行四边形机构 火车轮 椭圆仪等 4 运动时 两构件上的两点距离始终不变 3 两构件构成多个转动副 且同轴 5 对运动不起作用的对称部分 如多个行星轮 6 两构件构成高副 两处接触 且法线重合 如等宽凸轮 注意 法线不重合时 变成实际约束 虚约束的作用 1 改善构件的受力情况 如多个行星轮 2 增加机构的刚度 如轴与轴承 机床导轨 3 使机构运动顺利 避免运动不确定 如车轮 注意 各种出现虚约束的场合都是有条件的 计算图示大筛机构的自由度 位置C 2个低副 复合铰链 局部自由度 1个 虚约束 E n 7 PL 9 PH 1 F 3n 2PL PH 3 7 2 9 1 2 本章重点 1 机构运动简图的测绘方法 2 自由度的计算 第3章平面连杆机构 3 1平面连杆机构的特点及应用 3 2平面四杆机构的基本类型和特性 3 3铰链四杆机构的演化 3 4平面四杆机构的设计 应用实例 内燃机 鹤式吊 火车轮 手动冲床 牛头刨床 椭圆仪 机械手爪 开窗户支撑 公共汽车开关门 折叠伞 折叠床 牙膏筒拔管机 单车制动操作机构等 特征 有一作平面运动的构件 称为连杆 特点 采用低副 面接触 承载大 便于润滑 不易磨损形状简单 易加工 容易获得较高的制造精度 改变杆的相对长度 从动件运动规律不同 连杆曲线丰富 可满足不同要求 定义 由低副 转动 移动 连接组成的平面机构 3 1平面连杆机构的特点及应用 缺点 构件和运动副多 累积误差大 运动精度低 效率低 产生动载荷 惯性力 不适合高速 设计复杂 难以实现精确的轨迹 3 2平面四杆机构的基本类型和特性概述 连杆机构分类 平面连杆机构 空间连杆机构 常以构件数命名 四杆机构 多杆机构 本章重点内容是介绍四杆机构 平面四杆机构的基本型式 基本型式 铰链四杆机构 其它四杆机构都是由它演变得到的 名词解释 曲柄 整周定轴回转的构件 三种基本型式 1 曲柄摇杆机构 特征 曲柄 摇杆 作用 将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动 如雷达天线 连杆 作平面运动的构件 连架杆 与机架相联的构件 摇杆 作定轴摆动的构件 周转副 能作360 相对回转的运动副 摆转副 只能作有限角度摆动的运动副 曲柄 连杆 摇杆 设计 潘存云 设计 潘存云 2 双曲柄机构 特征 两个曲柄 作用 将等速回转转变为等速或变速回转 雷达天线俯仰机构曲柄主动 缝纫机踏板机构 应用实例 如叶片泵 惯性筛等 设计 潘存云 设计 潘存云 旋转式叶片泵 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 实例 火车轮 特例 平行四边形机构 特征 两连架杆等长且平行 连杆作平动 摄影平台 天平 播种机料斗机构 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 反平行四边形机构 车门开闭机构 平行四边形机构在共线位置出现运动不确定 采用两组机构错开排列 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 3 双摇杆机构 特征 两个摇杆 应用举例 铸造翻箱机构 特例 等腰梯形机构 汽车转向机构 风扇摇头机构 设计 潘存云 1 急回运动 在曲柄摇杆机构中 当曲柄与连杆两次共线时 摇杆位于两个极限位置 简称极位 当曲柄以 逆时针转过180 时 摇杆从C1D位置摆到C2D 所花时间为t1 平均速度为V1 那么有 曲柄摇杆机构3D 此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角 180 设计 潘存云 当曲柄以 继续转过180 时 摇杆从C2D 置摆到C1D 所花时间为t2 平均速度为V2 那么有 180 显然 t1 t2V2 V1 摇杆的这种特性称为急回运动 称K为行程速比系数 且 越大 K值越大 急回性质越明显 只要 0 就有K 1 设计新机械时 往往先给定K值 于是 设计 潘存云 当 BCD 90 时 BCD 2 压力角和传动角 压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角 设计时要求 min 50 min出现的位置 当 BCD 90 时 180 BCD 切向分力 F Fcos 法向分力 F Fcos F 对传动有利 Fsin 称 为传动角 此位置一定是 主动件与机架共线两处之一 可用 的大小来表示机构传动力性能的好坏 当 BCD最小或最大时 都有可能出现 min 设计 潘存云 由余弦定律有 B1C1D arccos l42 l32 l4 l1 2 2l2l3 B2C2D arccos l42 l32 l4 l1 2 2l2l3 若 B1C1D 90 则 若 B2C2D 90 则 1 B1C1D 2 180 B2C2D 机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量 min B1C1D 180 B2C2D min 设计 潘存云 设计 潘存云 3 机构的死点位置 摇杆为主动件 且连杆与曲柄两次共线时 有 此时机构不能运动 避免措施 两组机构错开排列 如火车轮机构 称此位置为 死点 0 靠飞轮的惯性 如内燃机 缝纫机等 0 0 设计 潘存云 设计 潘存云 钻孔夹具 飞机起落架 也可以利用死点进行工作 飞机起落架 钻夹具等 设计 潘存云 平面四杆机构具有整转副 可能存在曲柄 杆1为曲柄 作整周回转 必有两次与机架共线 l2 l4 l1 l3 则由 B C D可得 则由 B C D可得 l1 l4 l2 l3 l3 l4 l1 l2 AB为最短杆 4 转动副为整转副的条件 l1 l2 l3 l4 l4 l1 将以上三式两两相加得 l1 l2 l1 l3 l1 l4 l1 l3 l2 l4 设计 潘存云 2 连架杆或机架之一为最短杆 可知 当满足杆长条件时 其最短杆参与构成的转动副都是整转副 曲柄存在的条件 1 最长杆与最短杆的长度之和应 其他两杆长度之和 此时 铰链A为整转副 若取BC为机架 则结论相同 可知铰链B也是整转副 称为杆长条件 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 1 改变构件的形状和运动尺寸 3 3铰链四杆机构的演化 偏心曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构 双滑块机构 正弦机构 lsin 设计 潘存云 2 改变运动副的尺寸 3 选不同的构件为机架 偏心轮机构 设计 潘存云 设计 潘存云 牛头刨床 应用实例 小型刨床 设计 潘存云 3 选不同的构件为机架 设计 潘存云 3 选不同的构件为机架 手摇唧筒 这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为 机构的倒置 例 选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构 椭圆仪机构 正弦机构 3 4平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基本问题 机构选型 根据给定的运动要求选择机构的类型 尺度综合 确定各构件的尺度参数 长度尺寸 同时要满足其他辅助条件 a 结构条件 如要求有曲柄 杆长比恰当 运动副结构合理等 b 动力条件 如 min c 运动连续性条件等 设计 潘存云 设计 潘存云 飞机起落架 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 函数机构 要求两连架杆的转角满足函数y logx 设计 潘存云 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 2 满足预定的连杆位置要求 如铸造翻箱机构 要求连杆在两个位置垂直地面且相差180 设计 潘存云 设计 潘存云 鹤式起重机 搅拌机构 要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线 要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 2 满足预定的连杆位置要求 如铸造翻箱机构 3 满足预定的轨迹要求 如 鹤式起重机 搅拌机等 给定的设计条件 1 几何条件 给定连架杆或连杆的位置 2 运动条件 给定K 3 动力条件 给定 min 设计方法 图解法 解析法 实验法 设计 潘存云 一 按给定的行程速比系数K设计四杆机构 1 曲柄摇杆机构 计算 180 K 1 K 1 已知 CD杆长 摆角 及K 设计此机构 步骤如下 任取一点D 作等腰三角形腰长为CD 夹角为 作C2P C1C2 作C1P使 作 PC1C2的外接圆 则A点必在此圆上 选定A 设曲柄为l1 连杆为l2 则 以A为圆心 AC2为半径作弧交于E 得 l1 EC1 2l2 AC1 EC1 2 AC2 l2 l1 l1 AC1 AC2 2 C2C1P 90 交于P AC1 l1 l2 设计 潘存云 设计 潘存云 2 导杆机构 分析 由于 与导杆摆角 相等 设计此机构时 仅需要确定曲柄a 计算 180 K 1 K 1 任选D作 mDn 取A点 使得AD d 则 a dsin 2 作角分线 已知 机架长度d K 设计此机构 设计 潘存云 3 曲柄滑块机构 已知K 滑块行程H 偏距e 设计此机构 计算 180 K 1 K 1 作C1C2 H 作射线C1O使 C2C1O 90 以O为圆心 C1O为半径作圆 以A为圆心 AC1为半径作弧交于E 得 作射线C2O使 C1C2O 90 作偏距线e 交圆弧于A 即为所求 l1 EC2 2 l2 AC2 EC2 2 设计 潘存云 二 按预定连杆位置设计四杆机构 a 给定连杆两组位置 有唯一解 将铰链A D分别选在B1B2 C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求 b 给定连杆上铰链BC的三组位置 有无穷多组解 设计 潘存云 三 给定两连架杆对应位置设计四杆机构 给定连架杆对应位置 构件3和构件1满足以下位置关系 建立坐标系 设构件长度为 l1 l2 l3 l4 在x y轴上投影可得 机构尺寸比例放大时 不影响各构件相对转角 l1coc l2cos l3cos l4 l1sin l2sin l3sin i f i i 1 2 3 n设计此四杆机构 求各构件长度 令 l1 1 代入移项得 l2cos l4 l3cos cos 则化简为 coc P0cos P1cos P2 代入两连架杆的三组对应转角参数 得方程组 l2sin l3sin sin coc 1 P0cos 1 P1cos 1 1 P2 coc 2 P0cos 2 P1cos 2 2 P2 coc 3 P0cos 3 P1cos 3 3 P2 可求系数 P0 P1 P2 以及 l2 l3 l4 举例 设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置 代入方程得 cos90 P0cos80 P1cos 80 90 P2 cos135 P0cos110 P1cos 110 135 P2 解得相对长度 P0 1 533 P1 1 0628 P2 0 7805 各杆相对长度为 选定构件l1的长度之后 可求得其余杆的绝对长度 cos45 P0cos50 P1cos 50 45 P2 l1 1 l4 l3 P1 1 442 l2 l42 l32 1 2l3P2 1 2 1 783 l3 P0 1 553 设计 潘存云 实验法设计四杆机构 1 首先在一张纸上取固定轴A的位置 作原动件角位移 i 2 任意取原动件长度AB 3 任意取连杆长度BC 作一系列圆弧 4 在一张透明纸上取固定轴D 作角位移 i 5 取一系列从动件长度作同心圆弧 6 两图叠加 移动透明纸 使ki落在同一圆弧上 设计 潘存云 设计 潘存云 四 按预定的运动轨迹设计四杆机构 搅拌机构 设计 潘存云 四 按预定的运动轨迹设计四杆机构 连杆作平面运动 其上各点的轨迹均不相同 B C点的轨迹为圆弧 其余各点的轨迹为一条封闭曲线 设计目标 就是要确定一组杆长参数 使连杆上某点的轨迹满足设计要求 连杆曲线 设计 潘存云 设计 潘存云 本章重点 1 四杆机构的基本形式 演化及应用 2 曲柄存在条件 传动角 压力角 死点 急回特性 极位夹角和行程速比系数等物理含义 并熟练掌握其确定方法 3 掌握按连杆二组位置 三组位置 连架杆三组对应位置 行程速比系数设计四杆机构的原理与方法 第3章平面连杆机构 3 1平面连杆机构的特点及应用 3 2平面四杆机构的基本类型和特性 3 3铰链四杆机构的演化 3 4平面四杆机构的设计 应用实例 内燃机 鹤式吊 火车轮 手动冲床 牛头刨床 椭圆仪 机械手爪 开窗户支撑 公共汽车开关门 折叠伞 折叠床 牙膏筒拔管机 单车制动操作机构等 特征 有一作平面运动的构件 称为连杆 特点 采用低副 面接触 承载大 便于润滑 不易磨损形状简单 易加工 容易获得较高的制造精度 改变杆的相对长度 从动件运动规律不同 连杆曲线丰富 可满足不同要求 定义 由低副 转动 移动 连接组成的平面机构 3 1平面连杆机构的特点及应用 缺点 构件和运动副多 累积误差大 运动精度低 效率低 产生动载荷 惯性力 不适合高速 设计复杂 难以实现精确的轨迹 3 2平面四杆机构的基本类型和特性概述 连杆机构分类 平面连杆机构 空间连杆机构 常以构件数命名 四杆机构 多杆机构 本章重点内容是介绍四杆机构 平面四杆机构的基本型式 基本型式 铰链四杆机构 其它四杆机构都是由它演变得到的 名词解释 曲柄 整周定轴回转的构件 三种基本型式 1 曲柄摇杆机构 特征 曲柄 摇杆 作用 将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动 如雷达天线 连杆 作平面运动的构件 连架杆 与机架相联的构件 摇杆 作定轴摆动的构件 周转副 能作360 相对回转的运动副 摆转副 只能作有限角度摆动的运动副 曲柄 连杆 摇杆 设计 潘存云 设计 潘存云 2 双曲柄机构 特征 两个曲柄 作用 将等速回转转变为等速或变速回转 雷达天线俯仰机构曲柄主动 缝纫机踏板机构 应用实例 如叶片泵 惯性筛等 设计 潘存云 设计 潘存云 旋转式叶片泵 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 实例 火车轮 特例 平行四边形机构 特征 两连架杆等长且平行 连杆作平动 摄影平台 天平 播种机料斗机构 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 反平行四边形机构 车门开闭机构 平行四边形机构在共线位置出现运动不确定 采用两组机构错开排列 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 3 双摇杆机构 特征 两个摇杆 应用举例 铸造翻箱机构 特例 等腰梯形机构 汽车转向机构 风扇摇头机构 设计 潘存云 1 急回运动 在曲柄摇杆机构中 当曲柄与连杆两次共线时 摇杆位于两个极限位置 简称极位 当曲柄以 逆时针转过180 时 摇杆从C1D位置摆到C2D 所花时间为t1 平均速度为V1 那么有 曲柄摇杆机构3D 此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角 180 设计 潘存云 当曲柄以 继续转过180 时 摇杆从C2D 置摆到C1D 所花时间为t2 平均速度为V2 那么有 180 显然 t1 t2V2 V1 摇杆的这种特性称为急回运动 称K为行程速比系数 且 越大 K值越大 急回性质越明显 只要 0 就有K 1 设计新机械时 往往先给定K值 于是 设计 潘存云 当 BCD 90 时 BCD 2 压力角和传动角 压力角从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角 设计时要求 min 50 min出现的位置 当 BCD 90 时 180 BCD 切向分力 F Fcos 法向分力 F Fcos F 对传动有利 Fsin 称 为传动角 此位置一定是 主动件与机架共线两处之一 可用 的大小来表示机构传动力性能的好坏 当 BCD最小或最大时 都有可能出现 min 设计 潘存云 由余弦定律有 B1C1D arccos l42 l32 l4 l1 2 2l2l3 B2C2D arccos l42 l32 l4 l1 2 2l2l3 若 B1C1D 90 则 若 B2C2D 90 则 1 B1C1D 2 180 B2C2D 机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量 min B1C1D 180 B2C2D min 设计 潘存云 设计 潘存云 3 机构的死点位置 摇杆为主动件 且连杆与曲柄两次共线时 有 此时机构不能运动 避免措施 两组机构错开排列 如火车轮机构 称此位置为 死点 0 靠飞轮的惯性 如内燃机 缝纫机等 0 0 设计 潘存云 设计 潘存云 钻孔夹具 飞机起落架 也可以利用死点进行工作 飞机起落架 钻夹具等 设计 潘存云 平面四杆机构具有整转副 可能存在曲柄 杆1为曲柄 作整周回转 必有两次与机架共线 l2 l4 l1 l3 则由 B C D可得 则由 B C D可得 l1 l4 l2 l3 l3 l4 l1 l2 AB为最短杆 4 转动副为整转副的条件 l1 l2 l3 l4 l4 l1 将以上三式两两相加得 l1 l2 l1 l3 l1 l4 l1 l3 l2 l4 设计 潘存云 2 连架杆或机架之一为最短杆 可知 当满足杆长条件时 其最短杆参与构成的转动副都是整转副 曲柄存在的条件 1 最长杆与最短杆的长度之和应 其他两杆长度之和 此时 铰链A为整转副 若取BC为机架 则结论相同 可知铰链B也是整转副 称为杆长条件 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 设计 潘存云 1 改变构件的形状和运动尺寸 3 3铰链四杆机构的演化 偏心曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构 双滑块机构 正弦机构 lsin 设计 潘存云 2 改变运动副的尺寸 3 选不同的构件为机架 偏心轮机构 设计 潘存云 设计 潘存云 牛头刨床 应用实例 小型刨床 设计 潘存云 3 选不同的构件为机架 设计 潘存云 3 选不同的构件为机架 手摇唧筒 这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为 机构的倒置 例 选择双滑块机构中的不同构件作为机架可得不同的机构 椭圆仪机构 正弦机构 3 4平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基本问题 机构选型 根据给定的运动要求选择机构的类型 尺度综合 确定各构件的尺度参数 长度尺寸 同时要满足其他辅助条件 a 结构条件 如要求有曲柄 杆长比恰当 运动副结构合理等 b 动力条件 如 min c 运动连续性条件等 设计 潘存云 设计 潘存云 飞机起落架 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 函数机构 要求两连架杆的转角满足函数y logx 设计 潘存云 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 2 满足预定的连杆位置要求 如铸造翻箱机构 要求连杆在两个位置垂直地面且相差180 设计 潘存云 设计 潘存云 鹤式起重机 搅拌机构 要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线 要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线 三类设计要求 1 满足预定的运动规律 两连架杆转角对应 如 飞机起落架 函数机构 2 满足预定的连杆位置要求 如铸造翻箱机构 3 满足预定的轨迹要求 如 鹤式起重机 搅拌机等 给定的设计条件 1 几何条件 给定连架杆或连杆的位置 2 运动条件 给定K 3 动力条件 给定 min 设计方法 图解法 解析法 实验法 设计 潘存云 一 按给定的行程速比系数K设计四杆机构 1 曲柄摇杆机构 计算 180 K 1 K 1 已知 CD杆长 摆角 及K 设计此机构 步骤如下 任取一点D 作等腰三角形腰长为CD 夹角为 作C2P C1C2 作C1P使 作 PC1C2的外接圆 则A点必在此圆上 选定A 设曲柄为l1 连杆为l2 则 以A为圆心 AC2为半径作弧交于E 得 l1 EC1 2l2 AC1 EC1 2 AC2 l2 l1 l1 AC1 AC2 2 C2C1P 90 交于P AC1 l1 l2 设计 潘存云 设计 潘存云 2 导杆机构 分析 由于 与导杆摆角 相等 设计此机构时 仅需要确定曲柄a 计算 180 K 1 K 1 任选D作 mDn 取A点 使得AD d 则 a dsin 2 作角分线 已知 机架长度d K 设计此机构 设计 潘存云 3 曲柄滑块机构 已知K 滑块行程H 偏距e 设计此机构 计算 180 K 1 K 1 作C1C2 H 作射线C1O使 C2C1O 90 以O为圆心 C1O为半径作圆 以A为圆心 AC1为半径作弧交于E 得 作射线C2O使 C1C2O 90 作偏距线e 交圆弧于A 即为所求 l1 EC2 2 l2 AC2 EC2 2 设计 潘存云 二 按预定连杆位置设计四杆机构 a 给定连杆两组位置 有唯一解 将铰链A D分别选在B1B2 C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求 b 给定连杆上铰链BC的三组位置 有无穷多组解 设计 潘存云 三 给定两连架杆对应位置设计四杆机构 给定连架杆对应位置 构件3和构件1满足以下位置关系 建立坐标系 设构件长度为 l1 l2 l3 l4 在x y轴上投影可得 机构尺寸比例放大时 不影响各构件相对转角 l1coc l2cos l3cos l4 l1sin l2sin l3sin i f i i 1 2 3 n设计此四杆机构 求各构件长度 令 l1 1 代入移项得 l2cos l4 l3cos cos 则化简为 coc P0cos P1cos P2 代入两连架杆的三组对应转角参数 得方程组 l2sin l3sin sin coc 1 P0cos 1 P1cos 1 1 P2 coc 2 P0cos 2 P1cos 2 2 P2 coc 3 P0cos 3 P1cos 3 3 P2 可求系数 P0 P1 P2 以及 l2 l3 l4 举例 设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置 代入方程得 cos90 P0cos80 P1cos 80 90 P2 cos135 P0cos110 P1cos 110 135 P2 解得相对长度 P0 1 533 P1 1 0628 P2 0 7805 各杆相对长度为 选定构件l1的长度之后 可求得其余杆的绝对长度 cos45 P0cos50 P1cos 50 45 P2 l1 1 l4 l3 P1 1 442 l2 l42 l32 1 2l3P2 1 2 1 783 l3 P0 1 553 设计 潘存云 实验法设计四杆机构 1 首先在一张纸上取固定轴A的位置 作原动件角位移 i 2 任意取原动件长度AB 3 任意取连杆长度BC 作一系列圆弧 4 在一张透明纸上取固定轴D 作角位移 i 5 取一系列从动件长度作同心圆弧 6 两图叠加 移动透明纸 使ki落在同一圆弧上 设计 潘存云 设计 潘存云 四 按预定的运动轨迹设计四杆机构 搅拌机构 设计 潘存云 四 按预定的运动轨迹设计四杆机构 连杆作平面运动 其上各点的轨迹均不相同 B C点的轨迹为圆弧 其余各点的轨迹为一条封闭曲线 设计目标 就是要确定一组杆长参数 使连杆上某点的轨迹满足设计要求 连杆曲线 设计 潘存云 设计 潘存云 本章重点 1 四杆机构的基本形式 演化及应用 2 曲柄存在条件 传动角 压力角 死点 急回特性 极位夹角和行程速比系数等物理含义 并熟练掌握其确定方法 3 掌握按连杆二组位置 三组位置 连架杆三组对应位置 行程速比系数设计四杆机构的原理与方法 第4章凸轮机构 4 1凸轮机构的应用 类型和特点 4 2从动件的常用运动规律 4 3凸轮机构基本尺寸的确定 4 4图解法设计凸轮的轮廓 4 5解析法设计凸轮的轮廓 4 6凸轮的制造 4 1凸轮机构的应用 类型和特点 结构 三个构件 盘 柱 状曲线轮廓 从动件呈杆状 作用 将连续回转 从动件直线移动或摆动 优点 可精确实现任意运动规律 简单紧凑 缺点 高副 线接触 易磨损 传力不大 应用 内燃机 牙膏生产等自动线 补鞋机 配钥匙机等 分类 1 按凸轮形状分 盘形 移动 圆柱凸轮 端面 2 按推杆形状分 尖顶 滚子 平底从动件 特点 尖顶 构造简单 易磨损 用于仪表机构 滚子 磨损小 应用广 平底 受力好 润滑好 用于高速传动 实例 3 按推杆运动分 直动 对心 偏置 摆动 4 按保持接触方式分 力封闭 重力 弹簧等 内燃机气门机构 机床进给机构 几何形状封闭 凹槽 等宽 等径 主回凸轮 r1 r2 const 等宽凸轮 优点 只需要设计适当的轮廓曲线 从动件便可获得任意的运动规律 且结构简单 紧凑 设计方便 缺点 线接触 容易磨损 作者 潘存云教授 主回凸轮 设计 潘存云 绕线机构 应用实例 设计 潘存云 设计 潘存云 送料机构 设计 潘存云 4 2从动件的常用运动规律 凸轮机构设计的基本任务 1 根据工作要求选定凸轮机构的形式 名词术语 一 推杆的常用运动规律 基圆 推程运动角 基圆半径 推程 远休止角 回程运动角 回程 近休止角 行程 2 推杆运动规律 3 合理确定结构尺寸 4 设计轮廓曲线 设计 潘存云 运动规律 推杆在推程或回程时 其位移S2 速度V2 和加速度a2随时间t的变化规律 形式 多项式 三角函数 S2 S2 t V2 V2 t a2 a2 t 边界条件 凸轮转过推程运动角 t 从动件上升h 一 多项式运动规律 一般表达式 s2 C0 C1 1 C2 21 Cn n1 1 求一阶导数得速度方程 v2 ds2 dt 求二阶导数得加速度方程 a2 dv2 dt 2C2 21 6C3 21 1 n n 1 Cn 21 n 21 其中 1 凸轮转角 d 1 dt 1 凸轮角速度 Ci 待定系数 C1 1 2C2 1 1 nCn 1 n 11 凸轮转过回程运动角 h 从动件下降h 在推程起始点 1 0 s2 0 代入得 C0 0 C1 h t 推程运动方程 s2 h 1 t v2 h 1 t 在推程终止点 1 t s2 h 刚性冲击 s2 C0 C1 1 C2 21 Cn n1 v2 C1 2C2 1 nCn 1 n 11 a2 2C2 21 6C3 21 1 n n 1 Cn 21 n 21 同理得回程运动方程 s2 h 1 1 h v2 h 1 h a2 0 a2 0 1 等速运动 一次多项式 运动规律 2 等加等减速 二次多项式 运动规律 位移曲线为一抛物线 加 减速各占一半 推程加速上升段边界条件 起始点 1 0 s2 0 v2 0 中间点 1 t 2 s2 h 2 求得 C0 0 C1 0 C2 2h 2t 加速段推程运动方程为 s2 2h 21 2t v2 4h 1 1 2t a2 4h 21 2t 设计 潘存云 推程减速上升段边界条件 终止点 1 t s2 h v2 0 中间点 1 t 2 s2 h 2 求得 C0 h C1 4h t C2 2h 2t 减速段推程运动方程为 s2 h 2h t 1 2 2t v2 4h 1 t 1 2t a2 4h 21 2t 柔性冲击 3 五次多项式运动规律 位移方程 s2 10h 1 t 3 15h 1 t 4 6h 1 t 5 s2 v2 a2 无冲击 适用于高速凸轮 设计 潘存云 二 三角函数运动规律 1 余弦加速度 简谐 运动规律 推程 s2 h 1 cos 1 t 2 v2 h 1sin 1 t 1 2 t a2 2h 21cos 1 t 2 2t 回程 s2 h 1 cos 1 h 2 v2 h 1sin 1 h 1 2 h a2 2h 21cos 1 h 2 2h 在起始和终止处理论上a2为有限值 产生柔性冲击 2 正弦加速度 摆线 运动规律 无冲击 设计 潘存云 正弦改进等速 三 改进型运动规律 将几种运动规律组合 以改善运动特性 设计 潘存云 定义 正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角 F 若 大到一定程度时 会有 机构发生自锁 4 3凸轮机构基本尺寸的确定 一 压力角与作用力的关系 不考虑摩擦时 作用力沿法线方向 F 有用分力 沿导路方向 F 有害分力 垂直于导路 F F tan F 一定时 Ff F 为了保证凸轮机构正常工作 要求 设计 潘存云 二 压力角与凸轮机构尺寸之间的关系 P点为速度瞬心 于是有 v lOP 1 rmin 30 直动从动件 35 45 摆动从动件 70 80 回程 lOP v2 1 ds2 d 1 lOC lCP lCP lOC e lCP ds2 d 1 e S2 S0 tan 若发现设计结果 可增大rmin 设计 潘存云 同理 当导路位于中心左侧时 有 lOP lCP lOC lCP ds2 d 1 e 用于导路和瞬心位于中心侧 用于导路和瞬心位于中心侧 显然 导路和瞬心位于中心同侧时 压力角将减小 注意 用偏置法可减小推程压力角 但同时增大了回程压力角 故偏距e不能太大 lCP S2 S0 tan 正确偏置 导路位于与凸轮旋转方向 1相反的位置 设计 潘存云 提问 对于平底推杆凸轮机构 0 1 凸轮廓线设计方法的基本原理 4 4图解法设计凸轮轮廓 2 用作图法设计凸轮廓线 1 对心直动尖顶从动件盘形凸轮 3 滚子直动从动件盘形凸轮 4 对心直动平底从动件盘形凸轮 2 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮 5 摆动尖顶从动件盘形凸轮机构 设计 潘存云 一 凸轮廓线设计方法的基本原理 反转原理 依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线 例如 给整个凸轮机构施以 1时 不影响各构件之间的相对运动 此时 凸轮将静止 而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线 尖顶凸轮绘制动画 滚子凸轮绘制动画 设计 潘存云 对心直动尖顶从动件凸轮机构中 已知凸轮的基圆半径rmin 角速度 1和从动件的运动规律 设计该凸轮轮廓曲线 设计步骤小结 选比例尺 l作基圆rmin 反向等分各运动角 原则是 陡密缓疏 确定反转后 从动件尖顶在各等份点的位置 将各尖顶点连接成一条光滑曲线 1 对心直动尖顶从动件盘形凸轮 二 直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制 设计 潘存云 偏置直动尖顶从动件凸轮机构中 已知凸轮的基圆半径rmin 角速度 1和从动件的运动规律和偏心距e 设计该凸轮轮廓曲线 2 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮 设计 潘存云 理论轮廓 实际轮廓 作各位置滚子圆的内 外 包络线 3 滚子直动从动件盘形凸轮 滚子直动从动件凸轮机构中 已知凸轮的基圆半径rmin 角速度 1和从动件的运动规律 设计该凸轮轮廓曲线 设计 潘存云 a 工作轮廓的曲率半径 理论轮廓的曲率半径 rT 滚子半径 rT a rT 0 对于外凸轮廓 要保证正常工作 应使 min rT 滚子半径的确定 a rT rT a rT 0 轮廓正常 轮廓变尖 rT a rT 轮廓正常 外凸 设计 潘存云 对心直动平底从动件凸轮机构中 已知凸轮的基圆半径rmin 角速度 1和从动件的运动规律 设计该凸轮轮廓曲线 作平底直线族的内包络线 4 对心直动平底从动件盘形凸轮 设计 潘存云 对平底推杆凸轮机构 也有失真现象 可通过增大rmin解决此问题 设计 潘存云 摆动从动件凸轮机构中 已知凸轮的基圆半径rmin 角速度 1 摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d 摆杆角位移方程 设计该凸轮轮廓曲线 三 摆动从动件盘形凸轮机构 设计 潘存云 4 5解析法设计凸轮的轮廓 结果 求出轮廓曲线的解析表达式 已知条件 e rmin rT S2 S2 1 1及其方向 理论轮廓的极坐标参数方程 原理 反转法 1 0 tan 0 e S0 tan e S2 S0 即B点的极坐标 参数方程 设计 潘存云 其中 tan 实际轮廓方程是理论轮廓的等距曲线 由高等数学可知 等距线对应点具有公共的法线 T 实际轮廓上对应点的T位置 位于理论轮廓B点法线n n与滚子圆的交线上 T点的极坐标参数方程为 由图有 4 6凸轮的制造 略 直角坐标参数方程为 x Tcos T y Tsin T 本章重点 1 常用从动件运动规律 特性及作图法 2 理论轮廓与实际轮廓的关系 3 凸轮压力角 与基圆半径rmin的关系 4 掌握用图解法设计凸轮轮廓曲线的步骤与方法 5 掌握解析法在凸轮轮廓设计中的应用 第5章齿轮传动 5 1齿轮传动的特点 分类和对它的基本要求 5 2齿廓啮合的基本定律 5 3渐开线齿廓及其啮合特性 5 4渐开线标准齿轮各部分的名称和几何尺寸 5 5渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 5 6渐开线齿轮的切制原理及根切现象 5 7齿轮的失效形式及设计准则 5 8齿轮传动的精度及齿轮的材料 5 9直齿圆柱齿轮传动的强度计算 5 10斜齿圆柱齿轮传动 5 11直齿圆锥齿轮传动 5 12齿轮的结构设计 5 1齿轮传动的特点 分类和对它的基本要求 作用 传递空间任意两轴 平行 相交 交错 的旋转运动 或将转动转换为移动 结构特点 圆柱体或圆锥体外 或内 均匀分布有大小一样的轮齿 优点 传动比准确 传动平稳 圆周速度大 高达300m s 传动功率范围大 从几瓦到10万千瓦 效率高 0 99 使用寿命长 工作安全可靠 可实现平行轴 相交轴和交错轴之间的传动 缺点 要求较高的制造和安装精度 加工成本高 不适宜远距离传动 如单车 平面齿轮传动 轴线平行 外齿轮传动 直齿 斜齿 人字齿 圆柱齿轮 非圆柱齿轮 空间齿轮传动 轴线不平行 按相对运动分 按齿廓曲线分 直齿 斜齿 曲线齿 圆锥齿轮 两轴相交 两轴交错 蜗轮蜗杆传动 交错轴斜齿轮 准双曲面齿轮 渐开线齿轮 1765年 摆线齿轮 1650年 圆弧齿轮 1950年 按速度高低分 按传动比分 按封闭形式分 齿轮传动的类型 高速 中速 低速齿轮传动 定传动比 变传动比齿轮传动 开式齿轮传动 闭式齿轮传动 球齿轮 抛物线齿轮 近年 分类 内齿轮传动 齿轮齿条 准双曲面齿轮 设计 潘存云 共轭齿廓 一对能实现预定传动比 i12 1 2 规律的啮合齿廓 5 2齿廓啮合的基本定律 1 齿廓啮合基本定