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机械设计基础C边宇枢北京航空航天大学 机械工程及自动化学院章节导航第一章 机械工程概论第二章 机械工程材料第三章 机械制图基础第四章 联接第五章 机构的结构 第六章 常用机构第七章 机械传动第八章 轴系系统第一章 机械工程概论 1.1 机械与机械工程 1.2 机械的分类 1.3 机械工程的发展过程 1.4 机械设计的一般过程和基本要求 1.5 国际规范 1.1 机械与机械工程 机械的定义 机器和机构的总称 机器 机构机器的实例 采油机 内燃机 牛头刨床 机器的特征 由许多机件组合而成 各机件之间具有确定的相对运动 能实现能量转换或做有用的机械功的装置 机器的组成 机器通常是机电一体化产品，有机械与电控两部分组成 机械部分由原动机、传动装置和工作机组成 电控部分由检测装置、控制部分组成 点击此处看图机器组成示意图机构 是研究机器运动学与动力学的可动的几何模型。由许多机件组合而成，各构件之间具有确定的相对运动的装置。 常用机构 机器中普遍使用的机构称为常用机构。 例如：曲柄滑块机构 凸轮机构 齿轮机构 蜗轮蜗杆机构 构件 组成机构的相对运动的单元体称为构件。 构件可以是单一的整体，也可以是若干零件组成的刚性联结。图片1：连杆 图片2：内燃机的曲轴 连杆内燃机的曲轴零件 每一个单独加工的单元体。 零件的分类 机械中的零件分为通用零件和专用零件 通用零件又分为主要零件、一般零件和标准零件（标准件） 主要零件 通过某种计算准则确定其基本尺寸的零件 图片：齿轮、皮带轮、曲轴、轴一般零件 根据结构要求、加工和安装工艺要求确定零件的形状和尺寸的零件图片：套筒、壳体 标准零件（标准件） 具有国家标准的零件，设计者根据计算准则选用，应尽量选用。图片：滚动轴承、螺钉、螺母 关系 机器是由机构组成的 机构是由构件组成的 构件是由零件组成的 零件是不可再分的单元 构件是运动的单元 零件是制造的单元 机械工程 以有关的自然科学为理论基础，结合生产实践经验，研究和解决各种机械的开发、设计、制造、安装、运用和修理的全部理论问题和实际问题的应用学科。 机械工业是国家的基础工业 制造业的水平代表了一个国家的工业水平 1.2 机械的分类 机械的种类繁多，按其功能和用途可将其分为 提供能量转换的机械 生产各种产品的产业机械 服务用机械 日用机械 国防武器设备机械 1.3 机械工程的发展过程 人类成为“现代人”的主要标志是制造工具 机械始于原始人的工具 机械发展史中具有代表性的时代及代表性产品见表2 表2 机械发展过程 表3 机械设计理论的发展过程 表4 机械制造技术的发展过程 环保 机械工程的发展，提高了人类的生活生存水平，同时带来了负面影响环境污染，废气、废水，资源的消耗，破坏自然环境。人们逐渐认识到环保的重要性。降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理和减轻以致消除环境污染是我们的发展目标。 1.4 机械设计的一般过程和基本要求1、机械设计的任务2、机械设计的一般过程3、机械产品设计的一般要求4、机械零件的失效5、机械零件设计的基本要求机械设计的任务 设计实现预期功能的新机器 改进原有机械的性能 机械设计可分为 自主开发设计 接受定货开发设计 2、机械设计的一般过程3、机械产品设计的一般要求1、运动和动力的要求达到需要的运动轨迹，运动速度，承受的载荷，适应的工作环境等 2、工作可靠性要求在规定的工作条件下达到使用寿命3、经济性要求在适用的工作要求下，达到良好的性价比4、操作方便、舒适和安全，以人为本 4、机械零件的失效 机械零件丧失正常工作的能力称为失效。常见的失效形式 断裂和塑性变形 过大的弹性变形 、 工作表面的损伤（点蚀、胶合、磨损） 联接的松脱 靠摩擦工作的表面打滑等 5、机械零件设计的基本要求 强度 刚度 耐磨性 振动稳定性 耐热性强度 零件抵抗断裂破坏和塑性变形的能力 刚度 零件抵抗弹性变形的能力 耐磨性 相对运动表面抗磨损的能力 据统计，报废零件的80%是由于磨损造成的，摩擦是不可避免的 耐热性 高速 高效率 特殊环境，例如太空 1.5 国际规范 ISO 主要工业国家的国家规范 学会、协会等的规范 我国的国家标准 ISO International Organization for Standardization 国际标准化机构 ISO成立于1947年，现有成员国89个。ISO的中央事务局位于瑞士日内瓦，使用的工作语言有英语、法语和俄语。 第一章习题 1、什么是零件、构件、机构、机器、机械？举例。2、说明机器、机构的组成和特征。3、通用零件分为哪三种类型？设计中分别有哪些特点？ 4、什么是机械零件的失效，有哪几种形式。5、机械零件设计应满足的基本要求是什么？6、什么是强度、刚度？ 第二章 机械工程材料2.1 材料的分类、命名、代号 2.2 材料的力学性能 2.3 材料的热处理2.1 材料的分类、命名、代号钢含碳量2%的铁碳合金 与钢比较含碳量高（石墨），韧性差、抗拉强度低；含硅多，铸造性能好、抗压强度高、耐腐蚀性好、耐磨性好；吸震性和可切削性好。 铁（铸铁）的种类 灰口铸铁 举例：HT200 HT灰铁，200抗拉强度 碳片状石墨 80%为灰口铸铁，价格便宜 球墨铸铁 举例：QT400-18， QT球铁，400抗拉强度，18延伸率 碳球状石墨，加入球化剂，50年代产品，机械性能接近钢 发动机曲轴 其他铸铁 可锻铸铁絮状石墨，可部分代替碳钢，汽车拖拉机后桥外壳 蠕墨铸铁强度接近球墨铸铁，汽缸盖、套等 合金铸铁加合金元素，耐磨、耐热、耐蚀铸铁 白口铸铁组织中不存在石墨，有大量的渗碳体，断口呈银白色。硬度极高，冶炼钢铁的原料钢与铁性能比较 钢力学性能高，强度高，塑性好，冲压、锻造、轧制性能好 铁力学性能低，抗压性好，耐磨性好，铸造性能好，便宜有色金属 铝和铝合金 轻、耐腐蚀 纯铝AL，呈银白色，电器 硬铝（飞机零件），LY12 超硬铝，LC4 锻铝（螺旋桨、压气机叶轮），ZL102 防锈铝（门、窗），LF21铜和铜合金 纯铜紫红色（紫铜），电导体 黄铜（锌），H96，铅、锡、铝、硅、锰、铁、镍黄铜，应用广泛 白铜（镍），B19，抗蚀性好，电导率高、船舶、医疗器械 青铜（锡青铜、铅青铜、铝青铜、铍青铜、磷青铜）弹壳、轴承、螺旋桨、弹簧）钛合金 轻、耐热、耐蚀，比强度高，低温韧性良好，资源丰富 制造成本高，加工条件复杂 航空、造船、电器； 用于制造导弹燃料罐、压气机叶片、超音速飞机涡轮机匣 镁合金 很轻 车辆、飞机、导弹、人造卫星的构件 镍合金 耐蚀、耐氧化 化工、船舶、航空非金属材料 无机材料水泥、人造石墨、陶瓷 有机材料合成橡胶、工程塑料、合成纤维工程塑料 高分子有机化合物 一般结构件、传动构件、自润滑件、密封件、汽车 橡胶 高弹性 天然橡胶（三叶橡胶树） 合成橡胶（丁苯胶、硅橡胶、热塑性橡胶）轮胎、密封件、减振垫、传动件、耐蚀件、绝缘件 耐油橡胶 陶瓷 传统陶瓷黏土（日常生活、建筑、化学、电气） 特种陶瓷机械、化工、航空、原子能、新能源； 硬度高，耐磨 重要研究方向 复合材料 由两种或更多种物理和化学本质不同的物质，人工制成的一种多相固体材料。2.2 材料的力学性能(机械性能) 材料在受外力作用时所表现出的特性 不同的外力，材料具有相应的性能 拉力拉伸实验 压力压缩实验扭转力扭转实验冲击力冲击实验 材料的变形与加力的关系 静态性能静载实验(拉伸实验、压缩实验、冲击实验、扭转实验、硬度实验) 得到弹性模量、屈服强度、抗拉强度、抗压强度、韧性、剪切强度、表面硬度 动态性能疲劳实验 得到疲劳强度 材料的拉伸实验 拉伸实验机、加载装置、传感器、记录设备、试件 标准拉伸试验件 缓慢加拉力 力与变形的关系曲线 应力应变曲线 四段：弹性变形阶段、屈服阶段、塑性变形阶段、破坏 应力单位面积上的力 应变单位长度的变形 弹性变形阶段 直线部分，去掉力后变形完全恢复 弹性极限材料受力时，抵抗变形的能力 屈服阶段 力基本不变，变形急剧增加 屈服强度s 有残余变形，塑性变形阶段 抗拉强度 继续塑性变形到破坏，力减小，变形继续增加，产生颈缩现象刚度 刚度材料在受外力作用时，抵抗弹性变形的能力 刚度指标：弹性模量E 弹性模量 单位MPA 钢材2.1X105Mpa 铝合金0.68X105MPa 铁214000Mpa 镍210000Mpa 铜132400Mpa 钛118010Mpa 铝72000Mpa 镁45000Mpa 强度 材料在受外力作用时，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度 常用的强度指标为屈服强度和抗拉强度 屈服强度材料发生屈服现象时承受的应力，称为材料的屈服强度，或屈服极限 抗拉强度拉伸试验时，试件在断裂前所能承受的最大应力，是材料的抗拉强度 塑性 材料在外力作用下发生永久性变形的能力 表示塑性的指标有延伸率、截面收缩率 延伸率试件被拉断后标距长度的伸长量与原标距长度之比 截面收缩率试件断口部位截面面积收缩量与原截面面积的比值 延伸率、截面收缩率越大，塑性越好。塑性好的材料可用冷冲压和锻造等变形加工方法。不易发生突然的脆性断裂，安全性较高。 冲击韧性 材料抵抗冲击载荷而不发生破坏的能力 以试件缺口处单位截面面积吸收的能量表示 硬度 材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力 硬度高，耐磨性好 硬度与强度有关，测定硬度，可以确定强度 硬度测量方法压入法 布氏硬度 HB=100300 HB175，b=0.35HB HB450，不宜使用 洛氏硬度 依据压坑的深度，计量硬度；压坑越深，硬度越低 HRC120金刚锥，淬火钢等硬零件 HRA渗碳层，表面淬火层及硬质合金 HRB1/16钢球，软钢，铜合金 HRF铝合金，镁合金疲劳强度 交变载荷力的大小或方向随时间变化。 零件在交变载荷作用下，虽然所受的应力比材料的抗拉强度小，或甚至比屈服强度还小，但是在长期使用的某一时刻也会发生突然的断裂，这种现象称为疲劳。 -1 试件承受无限次应力循环或达到规定的很多次循环而仍不断裂时的最大应力，材料的疲劳强度。疲劳现象产生的原因 材料在交变应力作用下，可能会产生细微的裂纹，这些裂纹逐渐扩展，最终导致突然断裂。 例子：来回弯曲铁丝材料的物理性能 密度、熔点、导电性、导热性、热涨冷缩性、磁性 材料的化学性能 抗腐蚀性（酸、碱）材料的工艺性能 易切削性 良好的铸造性、锻造性 各国材料牌号对照 2.3 钢材料的热处理 将钢在固体状态范围内加热到某一温度，保温一定时间，以某种速度冷却的工艺过程。 热处理的目的 改变金属的内部组织结构，改善和提高钢的力学性能。 热处理的种类退火 把钢加热到临界点以上某一温度保温后缓慢冷却的，随炉冷却。 降低硬度以便切削加工，消除内应力，改善不良组织 。正火 空气中冷却，硬度、强度比退火略高。淬火 快速冷却 水或油冷却，水冷速度比油冷快 碳素钢常用水冷，合金钢常用油冷回火 将淬火后的钢件加热到临界温度以下，保温冷却的工艺过程 淬火后，钢的强度和硬度显著提高，但韧性降低很多，且产生很大内应力，进行回火。 低温回火 150-250 C 中温回火 350-500 C 高温回火 500-650 C调制 淬火+高温回火钢的表面热处理 若零件表面要求高的硬度和耐磨性，心部有足够的强度和韧性，表面淬火。 感应加热表面淬火 高频淬火 火焰加热 化学热处理 将钢件置于某种化学介质中加热并保温，使介质中的某些化学元素渗入钢件表面，改变表面的化学成分，改变表层的组织和性能。 主要方法：渗碳、氮、硼、铝、铬；镀铬、镍、金 钢的热处理工艺和化学成分共同决定钢的组织 钢的组织又决定了钢的性能 习题： 指出在下列情况下，是材料的哪一种性能指标不合格造成零件失效的? （1）传动轴工作时发生永久性弯曲变形 （2）起重机钢索断裂 （3）在敲击物体时，榔头崩裂 （4）切削时，刀具很快磨损 黑色金属和有色金属如何划分？ 铁和钢是如何划分的，各有什么特点？ 45、40Gr、HT200、Q235、QT600-3、ZQSn6-6-3、20GrMnTi、是什么材料？数字代表什么？ 常用的有色金属主要有哪些？ 材料的力学性能包括什么？ 应力应变曲线上，分为几段，各自代表材料的什么性能？（b 、s、e、E） 简述热处理的典型工艺，热处理的目的是什么？ 常用的热处理工艺有哪些？ 简述调制的工艺过程，什么材料适用调制？ 第三章 机械制图基础3.1 投影基础 3.2 机械制图国家标准 3.3 机械零件的表达方法 3.4 零件图和装配图 3.5 计算机绘图简介第三章 机械制图基础3.1 投影基础3.1.1 投影法一投影法的种类标高投影法 在水平投影面上作出点的正投影，并标出点到水平面的高度。 用于土建、水利中复杂地形的绘制。透视投影法 单面的中心投影法 用于建筑绘图，示意图 轴测投影法 单面的平行投影法，将形体连同直角坐标系投影到轴测投影面上。 正投影法 正投影、斜投影 机械制图中的平面图是用正投影法绘制的。 二正投影法的特点 存真性、积聚性、相似性三物体的三视图 三视图的形成 选定三个相互垂直的投影面，将物体置于三个投影面之间，用正投影法在三个投影面上得到物体的三个视图主视图、俯视图、侧视图。 将三视图展开，得到物体的平面三视图。三视图的投影规律 长对正、高平齐、宽相等各国视图形成之比较 机械制图ISO标准为在空间正投影图，使用第一象限角和第三象限角的投影。 日本、德国采用第三象限角。 中国、苏联采用第一象限角。 3.1.2 点、线、面的投影点线面的关系 ： 线两点成一直线 面不在同一直线上的三点，一点和一直线，两条相交直线，两条平行直线，三角形，其它平面图形，都可以决定一个面 3.1.2 点、线、面的投影（续） 点的投影 线的投影平行线、垂直线、任意位置线 面的投影平行面、垂直面、任意位置面的投影 3.1.3 基本立体的投影 棱柱 棱锥 圆柱 圆锥 球 圆环 3.2 机械制图国家标准图纸幅面 0#，1#，2#，3#，4#，5# 0#加长，1#加长， 0#图纸的面积=1平方米 比例 缩小比例 1：2 放大比例 2：1字体 仿宋体 整齐、大小适中 图线及其画法 粗实线 细实线 点划线 波浪线 剖面符号 金属 非金属 玻璃 尺寸注法 数字 界限 线 箭头 3.3 机械零件的表达方法局部视图 斜视图旋转视图3.4 零件图和装配图3.4.1 零件图的内容 表示零件的结构、尺寸、加工的依据 一组图形、尺寸、技术要求、标题栏 一组图形 基本视图和其它视图 加工的单元加工的依据 要求：完整、全面、表示每一个细节结构 尺寸要求 正确、完整、清晰、合理 分类：定形尺寸、定位尺寸、总体尺寸 定形尺寸直径、长度、宽度 定位尺寸某形体与某点（边、面）距离 总体尺寸总长、宽、高 技术要求 ：表面粗糙度 零件加工过程造成的微观表面凹凸不平的程度 0.8 车床、铣床、钻床粗加工 磨床、镗床、研磨精加工 公差与配合 零件的互换性螺母 电器插头、插座 自行车、汽车配件配合 间隙 过盈 过渡配合 形位公差 形状公差 位置公差 设计者 审查者 零件名称 数量 比例 材料 图号 3.4.2 装配图的内容 一组图形 总图 装配关系 零件主要结构 是制定装配工艺规程，进行装配、检验、安装及维修的技术数据 尺寸 要求：正确、完整、清晰、合理 分类：总体尺寸、配合尺寸、安装尺寸 总体尺寸长、宽、高 配合尺寸轴孔直径 安装尺寸安装螺栓中心 技术要求 安装安装齿轮后，用手转动主动轴，油泵齿轮应转动灵活。 检验装好后，油泵齿轮牙齿的啮合面应占齿长的3/4以上，可根据试验后的印痕来检验。 使用先开油泵电机，待压力表压达到20公斤/厘米2时，开动主轴电机序号、标题栏、明细表 序号零件编号 标题栏设计者、审查者、机器或部件名称、数量、比例、图号 明细表零件名称、数量、比例、材料，序号 3.5 计算机绘图简介习题 1.机械制图采用的是什么投影法？2.图纸的基本图幅有哪几种，它们之间是什么关系？3.三视图的投影规律是什么？4.机械零件常用的表达方法有哪些？5.零件图和装配图分别包含哪些内容？6.什么是物体的表面粗糙度？形位公差？尺寸公差？配合？零件的互换性?7.会画简单零件的视图，并标注尺寸。 第四章 联接 4.0 概述 4.1 螺纹联接 4.2 键和销联接 4.3 铆接、焊接、胶接4.0 概述 联接的分类 动联接即运动副（铰链、齿轮、轴承） 静联接即零件之间的固定联接静联接4.1 螺纹联接 4.1.1 螺纹的形成 4.1.2 螺纹的主要参数 4.1.3 螺纹的画法 4.1.4 螺纹联接的类型与画法 4.1.5 螺纹的防松、拧紧与加工 4.1.6 螺旋传动简介4.1.1 螺纹的形成 如图所示，一点a沿圆柱或圆锥面的切向、轴向匀速运动，则该点的轨迹是一条螺旋线。 在圆柱外表面形成的螺纹外螺纹 在圆柱内表面形成的螺纹内螺纹 在锥圆柱面上形成的螺纹锥螺纹 在管子的内外形成的螺纹管螺纹4.1.2 螺纹的主要参数直径 大径d与外螺纹牙顶相重合的圆柱面的直径，称为公称直径（M10）。 小径d1与外螺纹牙底相重合的圆柱面的直径。 中径d2处于大径和小径之间，有一个假想的圆柱面，螺纹齿厚与齿槽相等，此直径为中径。 牙型矩形、梯形、三角形、锯齿形点击观看图片 线数单线、多线点击观看图片 旋向左旋、右旋 螺距（P） 导程（L=nP）三角形螺纹 牙型角=60，牙根较厚，强度较高，自锁性好，主要用于联接。 粗牙 三角形螺纹 细牙细牙螺纹 升角较小，更易自锁。 在受冲击、振动及变载荷，空心薄壁零件、微调装置、飞机及汽车制造中应用较多。 缺点是牙小磨损快，易脱扣。 矩形螺纹 牙型角0 传动效率高 牙根强度低，难于精加工，磨损后无法调整补偿间隙，常用梯形螺纹代替。 梯形螺纹 牙型角30 较矩形螺纹传动效率略低，牙根强度高，工艺性好，如用剖分螺母，磨损后可调整补偿间隙，广泛用于传动。 锯齿形、圆形、管螺纹 联接用的螺纹 三角形、单线、右旋螺纹 标准粗牙、细牙4.1.3 螺纹的画法规定简化画法： 齿顶圆粗实线 齿根圆细实线 螺纹终止线粗实线4.1.4 螺纹联接的类型与画法 受拉螺栓联接 螺栓联接 受剪螺栓联接 双头螺柱联接 螺钉联接 固定螺钉联接受拉螺栓联接 在被联接件上制出通孔，孔与螺栓杆之间有间隙，螺纹主要受拉力。广泛用于被联接件不太厚的场合。 受剪螺栓联接 这种联接采用的是小六角头铰制孔用螺栓，被联接件上的通孔与螺栓光杆间无间隙，采用过渡配合（H7/m6,H7/n6），用来承受横向载荷。 双头螺柱联接 当被联接件之一较厚，螺栓不便贯穿，且需经常装拆时，采用这种联接。 螺钉联接 将螺钉穿过一个被联接件的通孔后，直接拧入另一个较厚的被联接件的螺纹盲孔中，应用于不常装拆的场合，如在仪表中广泛应用。 紧定螺钉联接 将紧定螺钉拧入一个零件的螺纹孔后，其末端顶紧另一个零件，以使两零件的相对位置固定，并能传递不大的力和力矩，多用于轴环、带轮、齿轮等零件和轴的联接。 螺钉展示 头部形状方头、内六角、十字头、一字头 末端形状平端、锥端 方头可承受较大的拧紧力矩 平端用于被顶表面硬度较高，或常需调整相对位置的联接 锥端用于被顶表面硬度较低，不常调整的联接 螺母和垫圈 在螺纹联接中与螺栓、螺柱配合使用 螺母 垫圈螺母 六角螺母、六角开槽螺母、圆螺母等。 六角螺母应用最普遍。 开槽螺母用于振动、变载的场合，配以开口销可防止螺纹联接松动。 圆螺母常用于较大直径的联接，如固定滚动轴承。 垫圈 常用有平垫圈和弹簧垫圈。 平垫圈可以保护并垫平被联接件的支承面。 弹簧垫圈用于经常拆开的联接处，靠其弹性及斜口防止联接松动。 点击此处观看图片螺纹联接的防松方法 弹簧垫圈 双螺母 锁紧螺母 槽形螺母 串联钢丝 止动垫圈 螺纹拧紧 力矩扳手 定力矩扳手 螺纹加工的方法 车、磨直径较大 搓丝、滚丝大批量生产 攻丝内螺纹，工具是丝锥 套扣外螺纹，工具是板牙螺旋机构简介 千斤顶 微进给机构 4.2 键和销联接 平键普通平键、导向平键、滑键 半圆键 花键 平键联接 普通平键联接有圆头和方头两种l 圆头用于端铣刀加工的轴槽 l 方头用于盘铣刀加工的轴槽 用于轴上零件和轴的周向固定，组成回转件，靠键的两侧与轴槽和毂槽的接触面受挤压而传递扭矩 普通平键的两侧面是工作面 导向平键联接 常用于变速箱中的滑移齿轮与轴的联接 半圆键联接 键为半圆形，能在轴槽中饶槽底圆弧曲率中心摆动 靠键的侧面传递扭矩 常用于轻载场合锥轴 楔键联接 有普通楔键和钩头楔键 后者便于装拆，楔键的上、下两面是工作面。 1：100斜度 常用于精度要求不高，转速较低的场合。 花键联接 侧面是工作面，按齿形的不同分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键。前两种用的较多。 可以传递较大的转矩，轴上零件的对中性及导向性好。适用于载荷较大，对中精度要求较高或经常滑移的联接。 花键轴的制造复杂，可用成型铣刀或滚刀铣削；花键孔可以拉削或插出。点击此处观看图片 键是标准件 剖面尺寸可根据轴的直径从标准中选取 键的长度应按轴上零件的轮毂宽度而定 Bh L 键的材料常采用抗拉强度不小于600Mp的45键用型钢 销联接4.3 铆接、焊接、胶接 铆接 焊接l 熔焊气焊、手工电弧焊、埋弧焊、气体保护电弧焊、电渣焊、铝热焊、电子束焊、等离子弧焊、激光焊 l 压焊电阻焊、高频焊、爆炸焊、扩散焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、旋转电弧焊 l 钎焊 胶接 习题 1.静联接包括哪些主要形式？ 2.用于联接的螺纹的特征是什么？ 3.螺纹联接的主要类型(4种)和适用场合? 4. M5代表什么？ 5.螺栓(螺钉)的头部有哪些形式? 6.平键联接的作用和画法？ 7.键的工作面是哪个面？ 8.螺纹和键都是标准件，它们的特点是什么？ 习题 螺纹的主要参数是什么？ 会画螺纹。 螺纹有哪些牙形，用于联接的是哪种？为什么？ 第五章 机构的结构 5.0 概述 5.1 运动副 5.2 平面机构运动简图 5.3 自由度 5.4 平面机构自由度分析5.0 概述 机构l 由许多机件组合而成l 各构件之间具有确定的相对运动的装置 机构是由构件组成的具有确定相对运动的装置 平面机构 所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。 常用平面机构l 平面连杆机构l 凸轮机构l 齿轮机构 机构举例内燃机 曲柄滑块机构l 曲柄（曲轴）、连杆、滑块（活塞）、机架（气缸）四个构件，联接在一起。 齿轮机构l 一对齿轮齿始终接触 凸轮机构l 凸轮推杆推杆与凸轮始终接触 联接动联接运动副机构中的构件分类 原动件主动件，机构中运动规律已知的构件 固定件机架 从动件随原动 件的运动而运动 5.1 运动副 运动副是使两构件直接接触并能产生一定的相对运动的联接称为运动副。 两构件间不外乎是点、线、面的接触。 分类 高副点和线接触 两构件间为面接触的运动副称为低副 平面机构中的低副有回转副和移动副两种l 回转副轴与轴承、铰链、销轴和孔 l 移动副活塞与汽缸、滑块与导轨 1个相对运动（相对转动或相对移动） 高副 两构件间为点、线接触的运动副称为高副 实例：l 火车轮与铁轨l 凸轮和推杆l 相互啮合的轮齿 有2个相对运动（沿切线相对移动和沿接触点的相对转动） 运动副符号 实际联接结构用简单的符号（图形）表示运动副符号5.2 平面机构运动简图 实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构的运动时仅用简单的线条和符号表示构件和运动副，并按比例定出运动副的位置。 用简单的线条和符号表达机构运动特征的图形称为机构运动简图。 机构运动简图 实际机构用简单的线条（代表构件）和符号（代表运动副）按照实际尺寸、导路方向成比例地作图。举例：绘制内燃机的机构简图 1分析内燃机的机构组成内燃机由曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构组成。2确定移动副导路方向和转动副的相对位置。3根据连杆长度、凸轮直径及齿轮啮合圆直径完成机构运动简图。 5.3 自由度 在OXY所确定的平面内，有一构件作自由运动，其运动可分解为：l 随任意点A沿X轴的移动l 随任意点A沿Y轴的移动l 绕A点的转动 构件的这种独立运动称为构件的自由度。 每一个作平面运动的自由构件有三个自由度，N个自由构件即有3N个自由度。5.4 平面机构自由度分析 当两个构件组成运动副后，构件的运动受到限制约束l 转动副约束了两个移动的自由度，具有一个相对转动l 移动副约束了一个移动和转动的自由度，具有沿一个方向独立相对移动l 高副只约束了沿接触处公法线方向的一个移动的自由度，具有沿切线的一个独立移动和沿接触点的一个独立转动5.4 平面机构自由度分析（续） 结论l 在平面机构中每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度l 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度 计算方法设平面机构有K个构件，去掉一个固定件，则活动构件数为n=K-1，设机构有PL个低副和Ph个高副，则此机构自由度F=3n-2PL-Ph举例：计算机构的自由度 平面四连杆机构 曲柄滑块机构 凸轮机构 齿轮机构 复合机构 平面四连杆机构 机架固定件连架杆、连杆 n=3 PL=4 F =3n-2PL-Ph =3x3-2x4=1 曲柄滑块机构 机架 、曲柄、滑块、连杆 n=3、PL=4 F=3n-2PL-Ph =3X3-2X4=1 凸轮机构 机架、凸轮、推杆 n=2 PL=2 Ph=1 F=3x2-2x2-1=1 齿轮机构 机架、齿轮、齿轮 N=2 PL=2 Ph=1 F=3x2-2x2-1=1 机构具有确定运动的条件 原动件数=自由度数且 F0 注意事项：l 复合铰链l 局部自由度l 虚约束 复合铰链 两个以上的构件同时在一处用转动副连接就构成复合铰链。 注意：不要把回转副的个数数错！ 三个构件共组成两个转动副。 K个构件汇交而成的复合铰链应具有（K-1）个转动副。局部自由度 对整个机构运动无关的自由度称为局部自由度 计算整个机构自由度时，除去不计 实例凸轮推杆机构中设计一转子将滑动摩擦变成滚动摩擦，减少磨损 虚约束 不起独立限制作用的约束 是构件间几何尺寸满足某些特殊条件的产物 计算机构自由度时，除去不计 点击此处察看例子 两个构件之间组成多个导路平行的移动副 两个构件之间组成多个轴线重合的回转副 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分 要求 会分析复合铰链、凸轮顶杆处的滚子局部自由度 会计算机构自由度 习题 剪刀、打气筒、门合叶是哪种运动副？ 什么是运动副，平面运动副是如何分类的，各有何特点？ 机构中的构件分为哪几种？ 什么是机构的运动简图？ 机构具有确定运动的条件是什么？ 第六章 常用机构6.1 平面连杆机构6.2 凸轮机构 6.3 间歇运动机构6.1 平面连杆机构 6.1.0 概述 6.1.1 铰链四杆机构 6.1.2 具有移动副的四杆机构 6.1.3 平面连杆机构设计中的几个问题 6.1.4 平面连杆机构的特点和应用 6.1.0 概述 平面连杆机构由许多构件用低副（回转副和移动副）连接组成的平面机构。 平面四杆机构是由四个构件组成的最简单的平面连杆机构。平面四杆机构的类型 铰链四杆机构 具有移动副的四杆机构 6.1.1 铰链四杆机构 组成其中的四个构件全部用回转副组成 机构的固定件称为机架，与机架用回转副相连接的杆称为连架杆，不与机架直接连接的杆称为连杆。连架杆的分类 如果能整周回转，则称为曲柄。 如果连架杆仅能在小于360的某一角度内摆动，则称为摇杆。 问题 曲柄存在的条件 急回运动 死点位置 铰链四杆机构 分类：l 曲柄摇杆机构 l 双曲柄机构 l 双摇杆机构 判断方法 连架杆是曲柄还是摇杆 曲柄摇杆机构 一连架杆能整周回转，另一连架杆只能往复摆动的铰链四杆机构。 实例l 雷达天线调整机构 l 缝纫机 l 牛头刨床 双曲柄机构 两连架杆均能整周回转的铰链四杆机构 实例：l 平行四边形机构 l 火车车轮联动机构 双摇杆机构 两连架杆均只能往复摆动的铰链四杆机构 实例：l 飞机起落架收放机构 l 闸门启闭机构 有曲柄的条件 各杆的相对长度和机架的选择决定是否有曲柄存在。 最短构件与最长构件之和小于或等于其它两构件之和是存在曲柄的必要条件。 四个不同机架运动比较 取最短杆为机架双曲柄机构 取最短杆相邻的构件为机架曲柄摇杆机构（最短杆为曲柄） 取最短杆的对边为机架双摇杆机构 6.1.2 具有移动副的四杆机构 具有移动副的四杆机构由铰链四杆机构演化而来。 如图，铰链D移到无穷远处时，CD杆的运动变成平移，CD成为滑块。 具有移动副的四杆机构的类型 曲柄滑块机构定块机构摇杆滑块机构双滑块机构 摇块机构偏心轮机构导杆机构具有移动副的四杆机构的组成 两个杆件、一个移动件、一个机架、三个转动副、一个移动副 曲柄滑块机构 广泛应用在活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械中。 实例： l 自动送料机 l 内燃机曲轴活塞机构 摇杆滑块机构 实例l 飞机高度表 摇块机构 亦称为摆动滑块机构，用于液压和气动装置。 实例： l 摆缸式内燃机 l 液压驱动装置 导杆机构 是由改变曲柄滑块机构中的固定件而演化来的，见右图。 杆与杆均可整轴回转，称为转动导杆机构，杆只能往复摆动，称为摆动导杆机构。 常用于牛头刨床、插床和回转式油泵中。定块机构 亦称为固定滑块机构 用于抽水唧筒和抽油泵中双滑块机构 具有两个移动副的四杆机构。 可分为正切机构、正弦机构，滑块联轴器和椭圆机构。偏心轮机构 当曲柄长度很小时，通常将曲柄作成偏心轮。 广泛用于传力较大的剪床、冲床、颚式破碎机、内燃机中。 6.1.3 平面连杆机构设计中的几个问题 急回运动 压力角与传动角 死点 急回运动 存在于曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构 缩短非生产时间，提高生产率 压力角与传动角 压力角作用在从动件上的力P与该力作用点绝对速度V之间所夹的锐角。 传动角压力角的余角。死点 存在于摇杆为主动件的曲柄摇杆机构中。 连杆与曲柄共线时可利用飞轮或构件自身的惯性作用通过死点。 用于夹紧装置的防松。 6.1.4 平面连杆机构的特点和应用 优点：l 构件间为低副联接，接触面积大，能传递较大载荷且不易磨损。l 低副接触表面为圆柱面或平面，加工制造简单。l 形式多样，适用的运动范围广。 缺点： l 设计计算比较困难l 构件数目多，制造的积累误差大l 难以实现精确的任意运动规律和轨迹 适用场合： l 速度较低l 运动规律不严格要求连杆机构的应用 实现运动形式的改变 实现一定的动作或达到某个位置 实现一定的轨迹习题 分析图4-4缝纫机脚踏机构图4-5齿轮换挡机构图4-6水稻插秧机取秧器导向机构 分别为什么机构？ 6.2 凸轮机构 6.2.1 凸轮机构的组成6.2.2 凸轮机构的分类6.2.3 凸轮机构从动件的运动规律6.2.4 凸轮机构的设计6.2.5 凸轮机构设计中的几个问题6.2.6 凸轮机构的特点和应用 6.2.1 凸轮机构的组成 由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成 特点:l 凸轮作连续匀速360 回转 l 从动件可作匀速、加速、减速或任意规律的运动 高副机构 6.2.2 凸轮机构的分类点击此处观看图片6.2.3 凸轮机构从动件的运动规律 位移S、速度V、加速度a 从动件的运动与推杆的运动相对应 凸轮的回转角分为推程运动角、休止角和回程角6.2.4 凸轮机构的设计 凸轮轮廓的设计方法主要有l 反转法（图解法） 图例1 图例2l 解析法（计算机计算） 6.2.5 凸轮机构设计中的几个问题 滚子半径 压力角 基圆半径 滚子半径 必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径 压力角（自锁） 直动 30 摆动 45 基圆半径越小压力角越大 6.2.6 凸轮机构的特点和应用 优点: 结构简单、紧凑、设计方便，只须设计适当的凸轮轮廓，即可得到所需的从动件的运动规律。 缺点: 接触处为点或线接触，易磨损。 应用: 通常用于传力不大的控制机构。 习题 凸轮机构的组成 凸轮机构有哪些形式 从动件的运动规律可以有哪些形式 凸轮图解法设计的方法的关键是什么6.3 间歇运动机构 不完全齿轮机构 棘轮机构 槽轮机构棘轮机构 外