机械设计基础课件合集.ppt

第1章绪论 1 1机械 机器 机构及其组成 1 2本课程研究的内客 性质和任务 本章概要 人类为了满足生产和生活的需要 设计和制造了各种各样的机械设备 如机床 汽车 起重机 电动机 洗衣机 机器人和航天器等 在现代生产和日常生活中 机械已成为代替或减轻人类劳动 提高劳动生产率和产品质量的主要手段 机械的发展程度是衡量一个国家工业水平的重要标志之一 本章主要介绍机械 机器 机构和零件等基本概念 以及机械 机器和机构的组成 说明本课程的研究内容 性质与任务 1 1机械 机器 机构及其组成1 1 1现代机械及其组成现代机械是传统机械技术与不断涌现的相关新技术的集成 是以计算机技术协调控制的 用于完成包括机械力 运动和能量流传递任务的 由光 机 电 液压等部件组成的装置与系统 现代机械主要由以下系统或部分组成 1 驱动系统 2 传动系统 3 执行系统 4 控制和信息处理系统 1 1 2机器与机构机器 能实现确定的机械运动 又能做有用的机械功或实现能量 物料 信息的传递与变换的装置 它是根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体 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 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 循环运动的结果 使曲轴输出连续的旋转运动 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 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作用 机器的分类 动力机器 实现能量转换 如内燃机 蒸汽机 电动机 种类有限 工作机器 完成有用功 如机床等 种类繁多 信息机器 完成信息的传递与变换 如复印机 传真机等 机器的组成 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 其关系如下 原动机 传动 工作 控制 从结构上来看 机器的传动部分和执行部分都是由各种机构组成的 一部机器可以包含一个或若干个机构 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 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 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 机构 只能实现运动和力的传递与变换的装置 如 连杆机构 凸轮机构 齿轮机构等 种类有限 1 1 3机构的组成 一个构件是由一个零件或由几个零件组成的刚性结构 从制造观点来看 机构由许多独立加工的单元体组成 这些单元体称为零件 机构是由一些相对独立运动的单元体组成的 这些单元体称为构件 机械 机器 机构 构件 零件 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 人造的组合体 有确定的相对运动 零件 构件 机构 机器 1 2 1本课程研究的内容研究的内容主要有以下几个方面 1 机械设计基础知识 2 常用机构及传动设计 3 通用零件设计 4 有关机械总体设计中的一些问题 5 机械现代设计方法与手段的概念和特点 作为一名工程技术人员 同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械 因此必须掌握机械方面的基础知识 1 2本课程研究的内客 性质和任务 1 2 2本课程的性质和任务课程性质 技术基础课作用 承前启后本课程的主要任务是 通过本课程的学习 可为今后学习诸如机床夹具设计 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 革新装备创造条件 为了实现我国的国防现代化 必然要有大量的机械化 自动化的武器装备于部队 这些武器从何来 恐怕大多数只能靠我国自力更生解决 这是一项十分艰巨的任务 设计 制造 使用 维护现代化的武器装备 需要大批的机械方面专业人才 在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干 掌握好本课程的有关知识 将为你们未来的工作打下一个良好的基础 最后希望我们共同努力 把这门课程教好学好 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 讲授82学时 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 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章机械及机械零件设计基础知识 2 1机械设计的基本要求和一般设计程序 2 2机械零件的主要失效形式和工作能力 2 3机械零件的设计准则和一般设计步骤 2 4机械零件的材料及选择 2 5摩擦 磨损与润滑 2 6机械零件的结构工艺性及标准化 本章概要 机械设计是指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 本章扼要阐明机械设计中的共同性问题 如机械设计的基本要求和一般设计程序 机械零件的主要失效形式和设计准则 机械零件的材料等 介绍摩擦 磨损与润滑 零件的结构工艺性及标准化等机械零件设计所需的基础知识 2 1机械设计的基本要求和一般设计程序 2 1 1机械设计的基本要求 2 2 2机械设计的一般设计程序 机械设计应满足的基本要求 功能要求 可靠性与安全性要求 经济性要求 社会性要求 其它特殊要求 在满足预期功能的前提下 性能好 效率高 成本低 在预定使用期限内安全可靠 操作方便 维修简单和造型美观等 产品规划 概念设计 构形设计 编制技术文件 技术审定和产品鉴定 2 2机械零件的主要失效形式和工作能力 零件的失效形式 断裂 过大的弹性变形或塑性变形 工作表面损伤失效 腐蚀 磨损和接触疲劳 发生强烈的振动 联接的松弛 摩擦传动的打滑等 失效并不简单地等同于零件的破坏 如轴 齿轮 轴瓦 轴颈 螺栓 带传动等 机械零件虽然有多种可能的失效形式 归纳起来最主要的为 2 2 1机械零件的主要失效形式 机械零件的失效 机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时 称为失效 对于各种不同的失效形式 也各有相应的工作能力判定条件 强度条件 计算应力 许用应力 防止失效的判定条件是 计算量 许用量 工作能力计算准则 失效原因 强度 刚度 耐磨性 振动稳定性 温度等原因 刚度条件 变形量 许用变形量 载荷系数K 考虑各种附加载荷因素的影响 名义载荷 在理想的平稳工作条件下作用在零件上的载荷 计算载荷 载荷系数与名义载荷的乘积 计算应力 按计算载荷计算所得之应力 名义应力 按名义载荷计算所得之应力 然而在机器运转时 零件还会受到各种附加载荷 通常用引入 工作能力 在不发生失效的条件下 零件所能安全工作的限度 通常此限度是对载荷而言 所以习惯上又称为 承载能力 工作载荷 在某种工作条件下零件实际承受的载荷 2 2 2机械零件的工作能力 2 2 3许用应力和极限应力 接触应力 应力的种类 脉动循环变应力 r 0 静应力 常数 变应力 随时间变化 平均应力 应力幅 循环变应力 变应力的循环特性 对称循环变应力 r 1 脉动循环变应力 对称循环变应力 静应力 min r 1 静应力是变应力的特例 静应力下的许用应力 静应力下 零件材料的破坏形式 断裂或塑性变形 塑性材料 取屈服极限 S作为极限应力 许用应力为 脆性材料 取强度极限 B作为极限应力 许用应力为 变应力下的许用应力 变应力下 零件的损坏形式是疲劳断裂 疲劳断裂具有以下特征 1 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低 甚至比屈服极限低 2 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂 3 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果 它的初期现象是在零件表面或表层形成微裂纹 这种微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展 直至余下的未断裂的截面积不足以承受外载荷时 就突然断裂 疲劳断裂不同于一般静力断裂 它是损伤到一定程度后 即裂纹扩展到一定程度后 才发生的突然断裂 所以疲劳断裂是与应力循环次数 即使用期限或寿命 有关的断裂 不管脆性材料或塑性材料 1 疲劳曲线 由图可知 应力越小 试件能经受的循环次数就越多 试验表明 当N N0以后 曲线趋于水平 可认为在无限次循环时试件将不会断裂 应力 与应力循环次数N之间的关系曲线称为 疲劳曲线 当N N0时 试件将不会断裂 N0 循环基数 N0对应的应力称为 当N N0时 有近似公式 对应于N的弯曲疲劳极限 疲劳极限 用 1表示材料在对称循环应力下的弯曲疲劳极限 2 许用应力 在变应力 应取材料的疲劳极限作为极限应力 同时还应考虑零件的切口和沟槽等截面突变 绝对尺寸和表面状态等影晌 为此引人应力集中系数k 尺寸系数 和表面状态系数 等 当应力是对称循环变化时 许用应力为 当应力是脉动循环变化时 许用应力为 0为材料的脉动循环疲劳极限 S为安全系数 以上各系数均可机械设计手册中查得 以上所述为 无限寿命 有限寿命时 用 1N代入得 3 安全系数安全系数定得正确与否对零件尺寸有很大影响 1 静应力下 塑性材料的零件 S 1 2 5铸钢件 S 1 5 S 典型机械的S可通过查表求得 无表可查时 按以下原则取 零件尺寸大 结构笨重 S 可能不安全 静应力下 脆性材料 如高强度钢或铸铁 S 3 4 3 变应力下 S 1 3 1 7材料不均匀 或计算不准时取 S 1 7 2 5 接触应力 若两个零件在受载前是点接触或线接触 受载后 由于变形其接触处为一小面积 通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大 这种应力称为接触应力 这时零件强度称为接触强度 如齿轮 凸轮 滚动轴承等 机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的 在载荷重复作用下 首先在表层内约20 m处产生初始疲劳裂纹 然后裂纹逐渐扩展 润滑油被挤迸裂纹中将产生高压 使裂纹加快扩展 终于使表层金属呈小片状剥落下来 而在零件表面形成一些小坑 这种现象称为渡劳点蚀 发生疲劳点蚀后 减小了接触面积 损坏了零件的光滑表面 因而也降低了承载能力 失效形式常表现为 疲劳点蚀 后果 减少了接触面积 损坏了零件的光滑表面 降低了承载能力 引起振动和噪音 由弹性力学可知 应力为 对于钢或铸铁取泊松比 1 2 0 3 则有简化公式 上述公式称为赫兹 H Hertz 公式 用于外接触 用于内接触 H 最大接触应力或赫兹应力 b 接触长度 Fn 作用在圆柱体上的载荷 综合曲率半径 综合弹性模量 E1 E2分别为两圆柱体的弹性模量 接触疲劳强度的判定条件为 2 3机械零件的设计准则和一般设计步骤 2 3 1零件的设计计算准则 强度准则 刚度准则 耐磨性准则 抗振稳定性准则 或 耐热性准则可靠性准则 1 15f fp 1 确定零件的计算简图 2 根据机器的工作要求和简化的计算方案确定作用在零件上的载荷 3 根据零件工作情况的分析 选择合适的材料 4 分析零件的可能失效形式 选定相应的设计准则进行有关计算 确定零件的形状和主要尺寸 应当注意 零件尺寸的计算值一般并不是最终的采用值 设计者还要根据制造零件的工艺要求和标准 规格加以圆整 5 绘制零件工作图 制订技术要求 编写计算说明书及有关技术文件 2 3 2一般设计步骤 2 4机械零件材料及其选择 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁 其次是有色金属合金 非金属材料如塑料 橡胶等 一 金属材料 1 铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁等 2 钢 结构钢 工具钢 特殊钢 不锈钢 耐热钢 耐酸钢等 碳素结构钢 合金结构钢 铸钢等 铸铁 常用金属材料 钢 铜合金 含碳量 2 含碳量 2 铁碳合金 特点 良好的液态流动性 可铸造成形状复杂的零件 较好的减震性 耐磨性 切削性 指灰铸铁 成本低廉 应用 应用范围广 其中灰铸铁最广 球墨铸铁次之 选用原则 优选碳素钢 其次是硅 锰 硼 钒类合金钢 特点 与铸铁相比 钢具有高的强度 韧性和塑性 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能 零件毛坯获取方法 锻造 冲压 焊接 铸造等 应用 应用范围极其广泛 价格便宜且供应充分 我国资源丰富 3 铜合金 铜锌合金 并含有少量的锰 铝 镍 特点 具有良好的塑性和液态流动性 青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性 零件毛坯获取方法 辗压 铸造 应用 应用范围广泛 种类 青铜 黄铜 轴承合金 巴氏合金 含锡青铜 不含锡青铜 二 非金属材料 1 橡胶橡胶富于弹性 能吸收较多的冲击能量 常用作联轴器或减震器的弹性元件 带传动的胶带等 硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬 2 塑料塑料的比重小 易于制成形状复杂的零件 而且各种不同塑料具有不同的特点 如耐蚀性 绝热性 绝缘性 减摩性 摩擦系数大等 所以近年来在机械制造中其应用日益广泛 3 其它非金属材料 皮革 木材 纸板 棉 丝等 选材因素 设计机械零件时 选择合适的材料是一项复杂的技术经济问题设计者应根据零件的用途 工作条件和材料的物理 化学 机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑 用途 工作条件 物理 化学 机械工艺性能 经济性 零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标 行标和机械设计手册中查得 为了材料供应和生产管理上的方便 应尽量缩减材料的品种 载荷及应力的大小和性质 零件的工作情况 零件的结构及加工性 材料的经济性 零件的尺寸及重量 三 机械零件材料的选用原则 适用于制作机械零件的材料种类非常之多 在设计机械零件时 如何从各种各样的材料中选择出合适的材料 是一项受多方面因素所制约的复杂的工作 设计者应根据零件的用途 工作条件和材料的物理 化学 机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑 选材的一般原则 脆性材料 只适用于制造在静载荷下工作的零件 1 载荷及应力的大小和性质 2 零件的工作情况 指零件所处的环境特点 工作温度 摩擦磨损程度等 这方面的因素主要是从强度观点来考虑的 应在充分了解材料的机械性能的前提下来进行选择 金属材料的性能一般可以通过热处理加以提高和改善 因此 要充分利用热处理手段来发挥材料的潜力 对于常用的调质钢 由于其回火温度的不同 可得到机械性能不同的毛坯 塑性材料 适用于在有冲击情况下工作的零件 在湿热环境下工作的零件 其材料应具有良好防腐蚀能力 可选用不锈钢 铜合金等 零件的尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关 3 零件的尺寸及重量 两配合零件的线性膨胀系数不能相差过大 一面在温度变化时产生过大热应力或使配合松动 另一方面要考虑材料机械性能随温度而变化的情况 零件在工作中可能发生磨损的表面 应提高其表面硬度 增加耐磨性 因此应选择淬火钢 渗碳钢 氮化钢 用铸造材料制造毛坯时 一般可以不受尺寸及质量大小的限制 而用锻造材料制造毛坯时 则须注意锻压机械及设备的生产能力 应尽可能选用强重比大的材料 以便减小零件的尺寸和质量 材料的加工费用 4 材料的经济性 选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况 为了简化供应和贮存的材料品种 对于小批制造的零件 应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格 5 材料的供应状况 材料的经济性主要表现在以下几方面 材料本身的相对价格 材料的利用率 采用组合结构 节约稀有材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标 行标和机械设计手册中查得 为了材料供应和生产管理上的方便 应尽量减少一台机器所用材料的品种 2 5摩擦 磨损与润滑 摩擦学 研究相对运动的作用表面间的摩擦 磨损和润滑 以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘学科 摩擦 相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象 磨损 由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移 润滑 减轻摩擦和磨损所应采取的措施 关于摩擦 磨损与润滑的学科构成了摩擦学 Tribology 世界上使用的能源大约有1 3 1 2消耗于摩擦 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的 随着科学技术的发展 摩擦学的理论和应用必将由宏观进入微观 由静态进入动态 由定性进入定量 成为系统综合研究的领域 1 干摩擦 固体表面直接接触 因而 不用许出现干摩擦 2 边界摩擦 功耗 磨损 温度 烧毁轴瓦 运动副表面有一层厚度 1 m的薄油膜 不足以将两金属表面分开 其表面微观高峰部分仍将相互搓削 比干摩擦的磨损轻 f 0 1 0 3 有一层压力油膜将两金属表面隔开 彼此不直接接触 3 液体摩擦 摩擦和磨损极轻 f 0 001 0 01 2 5 1摩擦 4 在一般机器中 处于以上三种情况的混合状态 摩擦特性曲线 称无量纲参数 n p为轴承特性数 动力粘度 p 压强 n 每秒转数 磨损 由于摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移 磨损曲线 2 5 2磨损 磨损过程大致如图所示 磨合阶段 包括摩擦表面轮廓峰的形状变化和表面材料被加工硬化两个过程 稳定磨损阶段 零件在平稳而缓慢的速度下磨损 它标志着磨擦条件相对稳定 剧烈磨损阶段 在经过稳定磨损阶段后 零件表面遭到破坏 运动副间隙增大引起而外的动载荷和振动 零件即将进入报废阶段 后果 降低机器的效率和可靠性 甚至促使机器提前报废 设计机器时 要求缩短磨合期 延长稳定期 推迟剧烈磨损期的到来 它是磨损的不稳定阶段 在整个寿命周期内时间很短 磨粒磨损 磨损的分类 疲劳磨损 粘附磨损 冲蚀磨损 腐蚀磨损 微动磨损 磨损类型 按磨损机理分 按磨损表面外观可分为 点蚀磨损 胶合磨损 擦伤磨损 两种不同的称谓 磨损的机理 磨粒磨损 也简称磨损 外部进入摩擦面间的游离硬颗粒 如空气中的尘土或磨损造成的金属微粒 或硬的轮廓峰尖在软材料表面上犁刨出很多沟纹时被移去的材料 一部分流动到沟纹两旁 一部分则形成一连串的碎片脱落下来成为新的游离颗粒 这样的微粒切削过程就叫磨粒磨损 潘存云教授研制 磨损的机理 粘附磨损 也称胶合 当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生 冷焊 后 在相对运动时 材料从一个表面迁移到另一个表面 便形成粘附磨损 严重的粘附磨损会造成运动副咬死 潘存云教授研制 磨损的机理 疲劳磨损 也称点蚀 是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下 反复变形所产生的材料疲劳所引起的机械磨损 点蚀过程 产生初始疲劳裂纹 扩展 微粒脱落 形成点蚀坑 潘存云教授研制 磨损的机理 腐蚀磨损 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀 在摩擦副相对运动时所产生的磨损即为腐蚀磨损 2 5 3润滑 润滑是减小摩擦 降低或避免磨损的最有效的技术方法 润滑剂 润滑剂可分为气体 液体 半固体和固体四种基本类型 1 润滑油 2 润滑脂 衡量润滑油的主要指标有 粘度 动力粘度和运动粘度 粘度指数 闪点和倾点等 表2 5给出了工业常用润滑油的性质和用途 衡量润滑脂的指标是锥入度和滴度 表2 6给出了常见润滑脂的的性能和用途 润滑方法 油润滑的方法 1 手工加油润滑 2 滴油润滑 3 油环润滑 4 飞溅润滑 5 压力循环润滑 脂润滑的方法 润滑脂的加脂方式有人工加脂 脂杯加脂 脂枪加脂 润滑装置 1 油杯 针阀式油杯 旋盖式油杯脂用 压注式油杯 弹簧盖油杯 2 油环 2 6机械零件的结构工艺性及标准化 2 6 1工艺性 零件设计要求 使用要求 具备所要求的工作能力 制造要求 制造工艺可行 成本低 零件工艺性良好的标志 在具体的生产条件下 零件要便于加工而加工费用又很低 工艺性的基本要求 1 毛坯选择合理 制备方法 选用型材 铸造 锻造 冲压和焊接等 毛坯选择与生产批量 材料性能和加工可能性有关 单件或小批量生产时 选用棒料 板材 型材或焊件 大批量生产时 往往选用铸造 锻造 冲压等方法 2 结构简单合理 最好采用平面 柱面 螺旋面等简单表面极其组合 尽量减少加工面数和加工面积 3 合理的制造精度和表面粗糙度 零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加 决不能盲目追求高精度 应在满足使用要求的前提下 尽量采用较低的精度和表面质量 尽量采用标准件 增加相同形状 相同元素 直径 圆角半径 配合 螺纹 键 齿轮模数等 的数量 4 尽量减小零件的加工量 毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸 力求使少或无切削加工 节约材料 降低成本 尽量采用精密铸造 精密锻造 冷轧 冷挤压 粉末冶金等先进工艺满足上述要求 欲设计出工艺性良好的零件 设计者必须虚心向工艺技术人员和一线工人学习 在实践中积累经验 2 6 2标准化 内容 1 产品品种规格的系列化将同一类产品的主要参数 型式 尺寸 基本结构等依次分档 制成系列化产品 以较少的规格品种满足用户的广泛要求 定义 标准化是在经济 技术 科学及管理等社会实践中 对重复事务和概念 通过制定 发布和实施标准 以获得最佳秩序和效益 2 零部件的通用化将用途 结构相近的零部件 如轴承 螺栓等 经过统一后实现互换 3 产品质量标准化要保证产品产品质量合格和稳定 就必须做好设计 加工工艺 装配检验 包装储运等环节的标准化 基本特征 统一 简化 意义 1 制造上可以实现专业化大批量生产 既可提高产品质量 又能降低成本 2 设计方面可减少设计工作量 3 管理维修方面可减少库存量 便于更换损坏的零件 标准化是组织社会化大生产的重要手段 是实施科学管理的基础 也是对产品设计的基本要求之一 通过标准化的实施 以获得最佳的社会经济成效 标准层次 国家标准 行业标准 地方标准 企业标准 推荐性标准 GB T 鼓励企业自愿采用 标准性质 强制标准 GB 必须强制执行 作为设计人员 要求必须熟悉现行的相关标准 学会查询和使用标准资料 无论设计何种产品 必须遵循相关标准 第3章平面机构基础知识 3 1平面机构运动副 3 2平面机构运动简图 3 3平面机构的自由度 3 4平面机构的速度分析 本章概要 本章介绍运动副 约束 机构 自由度 复合铰链 局部自由度 虚约束等基本概念 讲述如何运用规定的符号和表达方法绘制常用机构的运动简图 详细分析机构具有确定运动的条件和平面机构自由度的计算 并指出在计算自由度计算时应注意的问题 名词术语解释 1 构件 独立的运动单元 内燃机中的连杆 3 1平面机构运动副 内燃机连杆 零件 独立的制造单元 3 1 1运动副及其分类 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 滚子凸轮 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 按引入的约束数分有 III级副 I级副 II级副 III级副 IV级副 V级副 2 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 IV级副 例如 球铰链 拉杆天线 螺旋 生物关节 空间运动副 空间运动 V级副1 V级副2 V级副3 空间机构 至少含有一个空间运动副的机构 3 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 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 运动链 两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统 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 闭式链 开式链 3 运动链 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 机构是由若干构件经运动副联接而成的 很显然 机构归属于运动链 那么 运动链在什么条件下就能称为机构呢 即各部分运动确定 分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论 在运动链中 如果以某一个构件作为参考坐标系 当其中另一个 或少数几个 构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时 其余所有的构件都能得到确定的运动 那么 该运动链便成为机构 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 3 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 机动示意图 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 绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图 绘制图示鳄式破碎机的运动简图 绘制图示偏心泵的运动简图 偏心泵 3 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 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 需要证明 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 改善构件的受力情况 如多个行星轮 增加机构的刚度 如轴与轴承 机床导轨 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 计算图示包装机送纸机构的自由度 分析 活动构件数n 9 2个低副 复合铰链 局部自由度 2个 虚约束 1处 去掉局部自由度和虚约束后 n 6 PL 7 F 3n 2PL PH 3 6 2 7 3 1 PH 3 3 4机构机构的速度分析 机构速度分析的图解法有 速度瞬心法 相对运动法 线图法 瞬心法尤其适合于简单机构的运动分析 一 速度瞬心及其求法 绝对瞬心 重合点绝对速度为零 相对瞬心 重合点绝对速度不为零 两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点 在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动 该点称瞬时速度中心 求法 1 速度瞬心的定义 特点 该点涉及两个构件 绝对速度相同 相对速度为零 相对回转中心 2 瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有 123 若机构中有N个构件 则 K N N 1 2 3 机构瞬心位置的确定 1 直接观察法适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置 2 三心定律 定义 三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心 且它们位于同一条直线上 此法特别适用于两构件不直接相联的场合 结论 P21 P31 P32位于同一条直线上 举例 求曲柄滑块机构的速度瞬心 解 瞬心数为 1 作瞬心多边形圆 2 直接观察求瞬心 3 三心定律求瞬心 K N N 1 2 6n 4 二 速度瞬心在机构速度分析中的应用 1 求线速度 已知凸轮转速 1 求推杆的速度 解 直接观察求瞬心P13 P23 求瞬心P12的速度 V2 VP12 l P13P12 1 长度P13P12直接从图上量取 根据三心定律和公法线n n求瞬心的位置P12 2 求角速度 解 瞬心数为 6个 直接观察能求出 4个 余下的2个用三心定律求出 求瞬心P24的速度 VP24 l P24P14 4 4 2 P24P12 P24P14 a 铰链机构已知构件2的转速 2 求构件4的角速度 4 VP24 l P24P12 2 方向 CW 与 2相同 相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧 两构件转向相同 b 高副机构已知构件2的转速 2 求构件3的角速度 3 解 用三心定律求出P23 求瞬心P23的速度 VP23 l P23P13 3 3 2 P13P23 P12P23 方向 CCW 与 2相反 VP23 l P23P12 2 相对瞬心位于两绝对瞬心之间 两构件转向相反 3 求传动比 定义 两构件角速度之比传动比 3 2 P12P23 P13P23 推广到一般 i j P1jPij P1iPij 结论 两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的距离之反比 角速度的方向为 相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧时 两构件转向相同 相对瞬心位于两绝对瞬心之间时 两构件转向相反 4 用瞬心法解题步骤 绘制机构运动简图 求瞬心的位置 求出相对瞬心的速度 瞬心法的优缺点 适合于求简单机构的速度 机构复杂时因瞬心数急剧增加而求解过程复杂 有时瞬心点落在纸面外 仅适于求速度V 使应用有一定局限性 求构件绝对速度V或角速度 本章重点 机构运动简图的测绘方法 自由度的计算 用瞬心法作机构的速度分析 第4章平面连杆机构 4 1平面连杆机构的特点及应用 4 2平面四杆机构的基本型式及其演化 4 3平面四杆机构的基本特性 4 4平面四杆机构的设计 本章概要 平面连杆机构是一种应用极为广泛的机构 本章将扼要阐明平面连杆机构的特点 重点介绍平面四杆机构的基本类型 演化形式以及基本特性 并详细介绍平面四杆机构的设计方法 应用实例 内燃机 鹤式吊 火车轮 急回冲床 牛头刨床 翻箱机 椭圆仪 机械手爪 开窗 车门 折叠伞 折叠床 牙膏筒拔管机 单车等 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 4 1平面四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 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 4 2平面四杆机构的基本型式及其演化 4 2 1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 作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 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 旋转式叶片泵 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 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 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 1 改变构件的形状和运动尺寸 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 4 2 2铰链四杆机构的演化 2 改变运动副的尺寸 3 选不同的构件为机架 偏心轮机构 导杆机构 摆动导杆机构 转动导杆机构 牛头刨床 应用实例 小型刨床 3 选不同的构件为机架 椭圆仪机构 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 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 三角形任意两边之和大于第三边 则由 B C D可得 l1 l4 l2 l3 l3 l4 l1 l2 AB为最短杆 最长杆与最短杆的长度之和 其他两杆长度之和 4 3平面连杆机构的基本特性 l1 l2 l3 l4 l4 l1 将以上三式两两相加的 l1 l2 l1 l3 l1 l4 l1 l3 l2 l4 4 3 1整转副的条件 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 当满足杆长条件时 说明存在整转副 当选择不同的构件作为机架时 可得不同的机构 如 曲柄摇杆 双曲柄 双摇杆机构 4 3 2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 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 因曲柄转角不同 故摇杆来回摆动的时间不一样 平均速度也不等 显然 t1 t2V2 V1 摇杆的这种特性称为急回运动 用以下比值表示急回程度 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 所以可通过分析机构中是否存在 以及 的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度 设计新机械时 往往先给定K值 于是 当 BCD 90 时 BCD 4 3 3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 为了保证机构良好的传力性能 由余弦定律有 B1C1D arccos b2 c2 d a 2 2bc B2C2D arccos b2 c2 d a 2 2bc 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 4 3 4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 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 4 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 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 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 前者要求两连架杆转角对应 后者要求急回运动 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 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 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 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 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 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 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 带入移项得 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 将相对杆长乘以任意比例系数 所得机构都能满足转角要求 若给定两组对应位置 则有无穷多组解 举例 设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置 带入方程得 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 实验法设计四杆机构 当给定连架杆位置超过三对时 一般不可能有精确解 只能用优化或试凑的方法获得近似解 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 四 按预定的运动轨迹设计四杆机构 搅拌机构 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