机械设计原理与方法

机械设计原理与方法 第一章绪论 绪论中将介绍三个问题 一 学什么二 为什么要学三 怎样学 学什么 内容 要求 术语 区别 1 本课程的主要内容 机械设计原理与方法课程 是将传统的和以及三门课程的主要内容有机结合的一门课程 本课程的研究对象是机械 而机械则是机器与机构的总称 在后面的3 术语中再详细说明 本课程的研究内容大体为以下三部分 1 机械的组成原理及机械运动学与动力学 机械系统方案设计理论与方法 2 机械零部件的参数设计及结构设计的基本原理与方法 3 机械精度设计的基本原理与方法 2 本课程的基本要求 了解平面机构的组成原理能对简单机构进行运动分析及力分析能按几种常见已知条件设计平面四杆机构了解盘形凸轮轮廓曲线的设计方法掌握几种常用传动基本参数和结构设计方法了解轮系设计方法了解几种其他常用机构掌握飞轮转动惯量之简易计算法了解刚性转子静动平衡原理掌握简单机械运动方案设计的步骤与方法能按国家标准在简单机械装置的装配图和零件图上标注尺寸公差和形位公差 3 术语 机器 机器是执行机械运动的装置 它用来变换或传递能量 物料与信息 动力机器 有电动机 内燃机工作机器 有机床和汽车等信息机器 有打字机等机构 是实现预期的机械运动的实物组合体例如 内燃机由连杆机构 凸轮机构 齿轮机构组成 4 机构与机器的特征有何不同 机器有三个特征机构具有机器的前两个特征机器的三个特征是 1 它们都是一种人为的实物 机件 的组合体 2 组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动 3 能够完成有用的机械功或转换机械能 为什么要学 本课程是本专业的一门必修的重要专业基础课本课程是学习许多后续课程和从事机械设备设计的基础 怎样学 本课程需要综合应用数学 机械制图 工程材料 机械制造基础 工程力学等先修课程的知识 偏重于应用 不强调系统地理论分析及公式推导 着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握 着重理解公式建立的前提及意义和应用 认真及时独立完成每一次作业 理论联系实际 充分重视结构设计 多观察现有实物或图样 上好实验课 注重运用标准 规范 手册 图册等有关技术资料 要早为课程设计作准备 注重创新意识的形成 打好基础 积极自学 注意发展 结合实际 第二章 平面机构的结构分析 2 平面机构的结构分析 2 1机构结构分析的内容及目的判断所设计的机构能否运动判断机构在什么条件下才具有确定的相对运动 不能任意拼凑 对机构的结构进行分类 2 2机构的组成 2 2 1构件构件是运动的单元零件是制造的单元构件可能是一个零件 也可能是几个零件刚性组合在一起而形成实例1曲轴单一整体实例2连杆刚性组合 各零件间无相对运动 有连杆体 连杆盖 螺栓 螺母等几个零件 曲轴 单一 连杆 组合 运动副 2 2 2运动副及其分类运动副定义 两构件直接接触组成能相对运动的联接称为运动副实例 轴承 轮齿啮合 见图2 3 2 4 运动副元素 构成运动副的点 线 面高副与低副 点或线接触 高副面接触 低副 低副 高副 平面机构和空间机构 平面机构与空间机构 平面机构 所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构空间机构 构件之间相对运动为空间运动的机构本课程主要研究平面机构及其运动副 运动副 低副又分为转动副和移动副转动副 回转副 相对运动为转动实例 固定铰链 图2 3 活动铰链 图2 5 移动副 相对运动为直线移动实例 图2 6 平面高副实例 图2 4齿轮轮齿构成的 图2 7凸轮和推杆构成的 转动 回转 副 移动副 高副 2 2 3运动链 若干构件通过运动副联接起来所构成的系统 称为运动链运动链分为闭式和开式闭式运动链 每个构件至少包含两个运动副元素 图2 9c 2 9d 开式运动链 运动链中有的构件只包含一个运动副元素 图2 9a 2 9b 生产中通常应用闭式链少数机械也有采用开式链的 如机械手和机器人 2 2 4机构 将运动链中的一个构件加以固定 成为机架 则这种运动链便可能成为机构注意 不能运动或无规则乱动的这种运动链并不能成为机构研究机构运动 一般可以机架为参照系原动件 驱动机构运动的外力所作用的那个构件从动件 其余的构件 2 3机构运动简图 2 3 1机构运动简图的用途使分析或设计机械的问题简化不考虑与运动无关的因素 构件外形和断面尺寸 组成构件的零件数目 运动副的具体构造只考虑与运动有关的因素 构件数 运动副的类型和数目 运动副的相对位置 2 3 2机构运动简图的画法 机构运动简图 是用简单的线条和符号来代表构件和运动副 并按一定的长度比例尺表示各运动副的相对位置 这种用来说明机构各构件间相对运动关系的简单图形称之为机构运动简图要正确画出机构运动简图 首先要知道代表构件和运动副的规定符号 GB4460 84 1 运动副和构件的规定符号 表2 1为常用机构运动简图符号见课本P18 19表2 2见P7 8表1 15两构件组成转动副 其表示法如图2 10两构件组成移动副 其表示法如图2 11a b c两构件组成高副 在图中应画出两构件接触处的曲线轮廓 如图2 11d 1 运动副和构件的规定符号 二副构件见图2 12三副构件见图2 13 其中左图表示一个构件上的三个转动副中心位于一条直线上 2 画机构运动简图的步骤 注意 先分析 后画图 1 分析 构件数 固定件 活动件 原动件 从动件 每两构件之相对运动 2 画图注意五点 选视图一般可选平行于机构运动平面的平面 有时也酌情选择 确定机构的一个瞬时位置各构件应不重叠 使图面清晰 比例尺 l 实际尺寸 mm 图示尺寸 mm 几何作图 原动件用箭头标出运动 分析内燃机之连杆机构的运动 构件数 4 固定件 机架 原动件 活塞 从动件 连杆和曲轴 活动件数 3 每两个构件之间的相对运动 活塞 机架移动活塞 连杆转动曲轴 连杆转动曲轴 机架转动 选符号 内燃机中的连杆机构运动简图 机构模型的简图 请看课本下册P733 743 22 5机构具有确定运动的条件22 6平面机构的组成原理及结构分析 2 4平面机构自由度的计算 2 4 1平面机构自由度计算公式1 自由度与约束构件所具有的独立运动数目 或确定构件位置的独立参变量的数目 一个作平面运动的自由构件有3个自由度 见图2 15 约束是指对独立运动所加的限制当两个构件组成运动副后 受到约束 自由度减少低副引入2个约束高副引入1个约束 平面自由构件有三个自由度 2 平面机构自由度计算公式 设某平面机构共有N个构件 活动构件数n N 1 这些构件自由度总和为3n当用PL个低副和PH个高副联接 总约束数为 2PL PH 机构的自由度F 3n 2PL PH 2 1 2 1 式即平面机构自由度计算公式 要牢记 3 机构具有确定运动的条件 因为机构自由度还说明机构作确定运动所需给定的独立运动参数的数目 而一个原动件给定一个独立参数例如电动机转子给定一个独立参数 所以 机构具有确定运动的条件是 机构的原动件的数目 机构的自由度数 实例 图2 16 图2 14b 原动件数目小于机构自由度数 运动不确定原动件数目大于机构自由度数 不能运动原动件数目等于机构自由度数 运动是确定的 三个实例 2 4 2先找后算注意三个问题 1 复合铰链2 局部自由度3 虚约束 1 复合铰链 三个或更多个 m个 构件组成二个或 m 1 个共轴线的转动副称作复合铰链不要少算图2 17 复合铰链 2 局部自由度 是与运动无关的自由度或者说 是机构中不影响其输入与输出运动关系的个别构件的独立运动自由度典型实例 凸轮机构从动杆与滚子应看成固连在一起作为一个构件来考虑图2 18 不能多算 局部自由度 3 虚约束 难点 虚约束 所起的限制作用是重复的虚约束常出现于下列情况 图2 20 1 两构件构成多个转动副 其轴线互相重合时 只有一个转动副起约束作用 其余都是虚约束 2 两构件构成多个移动副 其导路互相平行时 只有一个移动副起约束作用 其余都是虚约束 1 2 两种虚约束 3 虚约束 难点 3 机构中对运动不起作用的对称部分 例如行星轮系 图2 21 4 被联接构件上点的轨迹和机构上联接点的轨迹重合 例如火车车轮用联动的平行四边形机构 图2 19 注意 虚约束要求构件有较高的制造精度和安装精度 否则虚约束就会成为真约束 F 3 4 2 4 2 2 F 3 3 2 4 1 F 3 4 2 6 0 例题F 3 7 2 9 1 2 2 5机构的组成原理及平面机构的结构分类 2 5 1机构的组成原理F 机构 F 原动件 F 从动件 一个原动件具有一个自由度机构自由度数 原动件数目 F 1 1 个 F 个 0因此 从动件系统的自由度为零从动件系统还可分解为若干个不可再分的自由度为零的运动链 杆组 机构由机架 原动件 杆组所组成 见图2 23 2 5 2平面机构的结构分类 设杆组由n个构件和PL个平面低副组成于是 F 3n 2PL 0 或者 PL 3