机械设计基础机电(第二版)123章电子教案

1、第1 章 概 论第一讲：1.1 本课程的研究对象、主要内容及任务课 题：1.1.1 本课程的研究对象1.1.2 本课程研究的主要内容1.1.3 本课程的主要任务教学目标 ：1. 使学生了解本课程研究的对象、内容以及其在培养高级机械人才 全局中的地位、作用和任务，从而明确学习本课程的目的。2. 了解本学科的重要性在课程结构中的重要性。3. 掌握本课程研究对象、内容、增强感性认识。教学重点：机器与机构、构件与零件的区别教学方法 ：利用工程案例等多种教学软件，展示本门课研究的对象、内容。教学内容：1.1.1 本课程的研究对象1. 主要研究的对象；（ 1）机械 ：是机器和机构的统称。从研究机器工作原理

2、、分析运动特点和设计机器的角度看，机器可视为若干机构的组合体。图 1-1 的单缸内燃机图1-1单缸内燃机2. 机器的主要特征是：（1）它们都是人为实体（构件）的组合；（2）各个运动实体（构件）之间具有确定的相对运动 ；（3）能够实现能量的转换，代替或减轻人类完成有用的机械功。3. 机构：是由构件组成的。4. 构件：是指机构的基本运动单元。它可以是单一的零件，也可以是几个零件联接而 成的运动单元。5. 零件：是组成机器的最小制造单元。实例:图1-2齿轮机构图1-3凸轮机构图1-4连杆机构6.机器：是由各种机构组成的，可以完成能量的转换或做有用功；而机构则仅仅是起着运动的传递和运动形式的转换作用。

3、机构的主要特征是：（1）它们都是人为实体（构件）的组合；（2）各个运动实体之间具有确定的相对运动。1.1.2本课程研究的主要内容（1）机构的运动简图和自由度计算（2）平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构等的组成原理、运动分析及设计（3）各种联接零件（如螺纹联接、键销联接等）的设计计算方法和标准选择（4）各种传动零件（如带传动、齿轮传动等）的设计计算和参数选择（5）轴系零件（如轴、轴承等）的设计计算及轴承参数类型选择。1.1.3本课程的主要任务（1）培养学生运用基础理论解决简单机构和零件的设计问题，掌握通用机械 零件的工作原理、特点、选用及计算方法，初步具有分析失效原因和提高 改进措施的能力。（

4、2）培养学生树立正确的设计思想，具有设计简单机械传动部件和简单机械的 能力。（3）学会使用手册、标准、规范等设计资料第二讲 1.2 机械零件的常用材料与结构工艺性课 题： 1.2.1 机械零件常用材料1.2.2 材料的选择原则1.2.3 机械零件的结构工艺性教学目标： 1. 了解机械零件常用的材料及选择原则2. 掌握机械零件的结构工艺性教学重点 ： 机械零件常用的材料教学难点： 机械零件的结构工艺性教学方法 ： 课件教学内容： 1.2 机械零件的常用材料与结构工艺性1.2.1 机械零件常用材料机械零件常用材料有碳素结构钢、合金钢、铸铁、有色金属、非金属 材料及各种复合材料。其中，碳素结构钢和铸

5、铁应用最广。1.2.2 材料的选择原则1. 满足使用性能要求（1）零件的受力状况。 （2）零件的环境状况及特殊要求。2. 有良好的加工工艺性（1）热加工工艺性。（2）切削加工性能。3. 选择材料要综合考虑经济性要求（ 1）材料价格（ 2）提高材料的利用率（ 3）零件的加工和维修费等要尽低。 （ 4）采用组合结构 （ 5）材料的合理代用。1.2.3 机械零件的结构工艺性1. 铸造零件的结构工艺性（1）为了防止浇铸不足， 对于不同铸造方法， 铸件壁厚有一允许的最小值。（2）零件箱壁交叉部分要有过渡圆角，以避免尖角处产生裂纹，图1-5（a）但是圆角不可太大，以免交点处尺寸太大，金属积聚产生缩孔或缩松

6、,图 1-5 (b)建议 D 1.3d，图 1-5 (c)(3)铸件应有明显的分型面(图图1-5铸件过渡圆角大小应适当图1-6铸件应有明显的分型面(4) 铸件应有必要的斜度以便于取出模型。(5) 为避免采用活块，可将凸台加长，如图 1-7 (b)所示引至分型面STST仿)ft理罔令珅图1-7避免采用活块(6) 铸铁抗拉强度差而抗压强度高，在设计零件形状时应尽可能把拉应力(或弯曲应力)化作压应力(图1-8)。图1-8避免铸铁受拉力2. 热处理零件的结构工艺性(1) 避免锐边尖角，应将其倒钝或改成圆角，圆角半径要大些。(2) 零件形状要求简单、对称。(3) 轴类零件的长度与直径之比不可太大。(4)

7、 提高零件的结构刚性，必要时增加加强肋。(5) 形状复杂或者不同部位有不同性能要求时，可用组合结构(如机床铸 铁床身上镶装钢导轨)。3. 切削加工零件的结构工艺性（1）加工表面的几何形状应尽量简单，尽可能布局在同一平面上或同一轴 线上，尽可能统一尺寸，以便于加工。图1-9图1-9减速箱侧面加工（2）有相互位置精度要求的各表面最好能在一次安装中加工。图1-10（a）的零件须从两端加工。图1-10两孔在一次安装中加工（3）加工时应能准确定位、可靠夹紧，并便于加工、易于测量。（4）应尽量减少加工面的数目，图1-11（5）形状应便于刀具进刀、退刀，如螺纹应该有退刀槽。（6） 被加工表面形状应有助于提高

8、刀具的刚性和延长刀具寿命。如1-12（）不合玦图1-11减少不必要的配合面 D 1图1-12避免在斜面上钻孔4. 零件装配的结构工艺性（1）零件应该有正确的装配基面，图 1-13（a）汽缸盖用螺纹联接，由于 螺纹间有间隙，对中不好，活塞杆易产生偏移。图 1-13 （b）将螺纹联接改为配 合，使工作情况有了改进。1 u) A i?1创不件理图1-13不应以螺纹面对中图1-14应使拆卸方便(2)应使装配方便，如图1-11所示，D、D 1处均有配合，装配困难(3) 应使拆卸方便，如图1-14所示,第三讲 1.3机械零件设计的基本准则及设计步骤课 题：1.3.1机械零件的主要失效形式1.3.2机械零件

9、的设计准则1.3.3机械零件设计的一般步骤1.4当前机械设计制造技术的新发展教学目标：1.熟悉机械零件的主要失效形式2. 掌握机械零件的设计准则及一般步骤3. 了解当前机械设计制造技术的新发展教学重点：机械零件的主要失效形式教学难点：机械零件的设计准则及一般步骤教学方法：例举实例教学内容：1.3机械零件设计的基本准则及设计步骤1.3.1机械零件的主要失效形式失效：机械零件由于某种原因丧失正常工作能力称为失效，零件的主要失 效形式图1-15学昨效空慎兰呼確度斗氓宗吒霑：呻击曲皑丸戟i駆材如賤-伸隹吏憩过大先效捲动一鼻魁損动矣聂、桌声超标失皱您龙杜一夫如販杆)先菠苯件失姓一*挤压强戏娄塑T无相对*

10、曼力滾疝卜- M对迅动一-婕萌头就- 辑毡光效-1过幣先敷1图1-15零件的主要失效形式1.3.2机械零件的设计准则(1)强度设计准则：要求零件在工作时不产生强度失效，强度准则应取在零件中的危险截面 处，应力不超过许用应力。用公式表示为cWc!=日im /S (T (1-1 )tW图2-4杆状构件截面形状2.具有移动副元素和转动副元素的构件图2-5单缸内燃机第二讲：2.2平面机构的运动简图课 题：2.2.1机构运动简图的概念2.2.2平面机构运动简图的绘制教学目标：1弄清机构运动简图的概念2.掌握平面机构运动简图的绘制的方法教学重点：机构运动简图绘制的基本方法教学难点：能绘制常用平面机构的运动

11、简图 教学方法:多媒体课件教学内容：2.2.1机构运动简图的概念1. 机构运动简图：能表明机构的组成和各构件间运动关系的简单图形2.机构示意图：不严格按比例绘制的机构运动简图称为。222平面机构运动简图的绘制（1）分析机构的组成，确定机架、原动件和从动件。（2）由原动件开始，依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型 和数目。（3）选择适当的视图平面和原动件位置，以便清楚地表达各构件间的运动 关系。通常选择与构件运动平面平行的平面作为投影面。（4）选择适当的比例尺卩l =构件实际长度/构件图样长度（单位：m.mm或 mm.mm），按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的线条和符号绘图。例2

12、-1绘制如图2-6 （a）所示的颚式破碎机主体机构的运动简图图2-6颚式破碎机主体机构解 （1）由图可知，偏心轴2为原动件、动颚3和肘板4为从动件，（2）偏心轴2与机架1、偏心轴2与动颚3、动颚3与肘板4、肘板4与 机架1均构成转动副，其转动中心分别为 A、B、C、D。选择构件的运动平面为视图平面，图示机构运动瞬时位置为原动件位置，图 2-6 （c）例2-2 绘制如图2-5所示单缸内燃机的机构运动简图。已知L AB =75mmL BC =300mm图2-7单缸内燃机机构运动简图解 （1在内燃机中，活塞为原动件，曲轴 AB为工作构件。活塞的往复运动 经连杆BC变换为曲轴AB的旋转运动。（2）活塞

13、与缸体（机架）组成移动副，与连杆 BC在C点组成转动副；曲轴与缸体在A点组成转动副，与连杆BC在B点组成转动副。（3）选长度比例尺卩l =0.01m.mm，按规定符号绘制机构运动简图，图2-7第三讲：2.3平面机构的自由度课题：2.3.1自由度和约束的概念2.3.2自由度的计算和机构具有确定运动的条件233复合铰链、局部自由度和虚约束教学目标：1. 了解约束和自由度的概念2. 能计算平面机构的自由度3. 机构自由度计算中复合铰链、局部自由度、虚约束的识别4. 能正确运用平面机构具有确疋运动的条件教学重点：平面机构的自由度的计算。教学难点：机构自由度计算中有关虚约束的识别及处理教学方法：多媒体和

14、演示柜教学内容：2.3.1自由度和约束的概念1自由度运动构件相对于参考系所具有的独立运动的数目，称为构件的自由度。做平面运动的自由构件有三个自由度。2.约束当两构件组成运动副后，它们之间的某些相对运动受到限制，2.3.2自由度的计算和机构具有确定运动的条件设一个平面机构由N个构件组成，活动构件数为n=N-1，若机构中有P L个 低副、PH个高副，则平面机构的自由度F的计算公式为F=3 n-2P L -P H（ 2-1）2.3.3复合铰链、局部自由度和虚约束1. 复合铰链两个以上的构件在同一处以同轴线的转动副相连，称为复合铰链图2-9复合铰链图图2-10直线机构图2-9为三个构件在A点形成复合铰

15、链。k个构件形成复合铰链应具有(k-1) 个转动副，计算自由度时应注意找出复合铰链。实例：图2-10为直线机构，该机构 n=7，P L =10, P H =0,其自由度为F=3n-2P L -P H =3X7-2 x10-0=12. 局部自由度机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动。这些构件所 产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应略去不计。图2-11 (a)凸轮机构，该机构的自由度为图2-11凸轮机构F=3n-2P L -P H =3X2-2 X2-1=13.虚约束机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束，称为虚约束虚约束常出现

16、在下列场合(1)两构件间形成多个具有相同作用的运动副，分为下列三种情况： 两构件在同一轴线上组成多个转动副。图2-12 (a)，计算机构自由度时应按一个转动副计算。 两构件组成多个导路平行或重合的移动副。图2-12 (b)，构件1与机架组成了A、B、C三个导路平行的移动副，计算自由度时应只算作一个移动副。 两构件组成多处接触点公法线重合的高副。图2-12 (c),同样应只考虑一处高副，其余为虚约束2rriI图2-12两构件组成多个运动副(2)两构件上连接点的运动轨迹互相重合。图 2-13的机车车轮联动机构,即F=3n-2P L -PH =3 X3-2 X4-0=1图2-13中的虚约束可以增加构

17、件的刚性，改善受力状况(3)机构中传递运动不起独立作用的对称部分。图2-14 (b)的行星轮系,该机构的自由度为F=3n-2P L -P H =3X4-2 X4-2=2图2-14对称结构引入的虚约束例2-3 计算图2-15 (a)所示筛料机构的自由度解机构中 n=7, P L =9, P H =1,其自由度为F=3n-2P L -P H =3X7-2 X9-1=2BH图2-15筛料机构第3章平面连杆机构第一讲：3.1平面连杆机构的基本形式及其演化课 题：3.1.1铰链四杆机构的基本形式3.1.2铰链四杆机构的演化含有一个移动副的平面四杆机构教学目标：1.理解铰链平面四杆机构的各种类型2. 明确

18、四杆机构的特性在工程实际中的应用3. 掌握铰链四杆机构的演化及各种形式教学重点：铰链四杆机构类型教学难点：导杆机构类型教学方法：多媒体课件教学内容3.1.1铰链四杆机构的基本形式铰链四杆机构：运动副都是转动副的平面四杆机构，图3-1。机架：在铰链四杆机构中，固定不动的构件4是机架连架杆：与机架4相连的构件1和3称为连架杆连杆：不与机架相连的构件2称为连杆曲柄：连架杆相对于机架能做整周转动的称为曲柄摇杆：只能在一定角度范围内往复摆动的称为摇杆。A图3-1铰链四杆机构1. 曲柄摇杆机构定义：两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构实例：图3-2所示的 雷达天线俯仰角调整机构，图3-3

19、的脚踏砂轮机机构图3-2雷达天线俯仰角调整机构图3-3脚踏砂轮机机构2. 双曲柄机构 定义：两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构实例：图3-4插床六杆机构 平行四边形机构：当连杆与机架的长度相等、两个曲柄长度相等且转向相同的双曲柄机构，称为平行四边形机构，图3-5实例：，图3-6天平机构图3-4插床六杆机构图3-5平行四边形机构图3-6天平机构图3-7机车车轮联动机构平行四边形机构有以下三个运动特点(1 )两曲柄转速相等图3-7的机车车轮联动机构就是利用平行四边形机构的这一特性。(2)连杆始终与机架平行图3-8的摄影车升降机构，利用连杆始终做平动这一特点，可使与连杆固 连一体的座椅始

20、终保持水平位置，以保证摄影人员安全可靠地摄影。(3 )运动的不确定性图3-9在平行四边形机构中，当两曲柄转至与机架共线位置时，主动曲柄AB继续转动。G图3-8摄影车升降机构图3-9平行四边形机构为了克服运动的不确定性，也可以采用辅助曲柄等措施解决，图3-10图3-10带有辅助构件的平行四边形机构3-11定义：对于两个曲柄转向相反的情况，即连杆与机架的长度相等，两个曲柄长度相等所组成的转向相反的双曲柄机构称为反平行四边形机构。图实例：车门启闭机构图3-12。图3-11反平行四边形机构图3-12车门启闭机构3. 双摇杆机构定义：两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构，称为双摇杆机构实例：图3-13起重机变

21、幅机构图3-13起重机变幅机构图3-14车辆前轮转向机构定义：在双摇杆机构中若两摇杆长度相等，称为 等腰梯形机构等腰梯形机构的运动特性是两摇杆摆角不相等。图3-143.1.2铰链四杆机构的演化含有一个移动副的平面四杆机构1. 曲柄滑块机构定义：(1)由曲柄、连杆、滑块和机架组成的机构，称为曲柄滑块机构图3-15曲柄摇杆机构到曲柄滑块机构的演化(2) 滑块轨道中心线通过曲柄的转动中心A时，称为对心曲柄滑块机构图 3-16 。(3) 若滑块轨道中心线偏离曲柄的转动中心A，称为偏置曲柄滑块机构图 3-17。2. 偏心轮机构定义：在曲柄滑块机构中，由偏心轮、连杆、滑块和机架组成的机构称为偏心轮机构，图

22、3-18。图3-18偏心轮机构偏心轮机构的实质： 就是曲柄滑块机构的变形偏心轮的特点是：几何中心B和转动中心A不重合。3. 导杆机构定义：(1)在对心曲柄滑块机构中，由曲柄、导杆、滑块和机架组成的机构，称为导杆机构。(2) 由于导杆能做整周转动，因此称为转动导杆机构，此时机架长度小于 曲柄长度。(3) 若取机架长度大于曲柄长度，导杆4只能做往复摆动，形成 摆动导杆机构，图3-19 (b)c0*援就j导杆机构图3-19导杆机构应用:图3-20简易刨床的导杆机构图3-21牛头刨床的导杆机构4. 摇块机构定义：若将图3-16中的连杆BC作为机架，滑块只能绕 C点摆动，就得到曲柄摇块机构，简称摇块机构

23、，如图 3-22所示。应用图3-23图3-23 吊车5. 定块机构定义：若将图3-16中的滑块3作为机架，BC杆成为绕转动副C摆动的摇杆,AC杆成为滑块做往复移动，就得到摇杆滑块机构，又称为定块机构，图 3-24。应用：定块机构常用于如图3-25所示的手摇唧筒或双作用式水泵等机械中。图3-24定块机构图3-25手摇唧筒第二讲：3.2平面四杆机构存在曲柄的条件及基本特性课题：3.2.1铰链四杆机构存在曲柄的条件3.2.2急回特性3.2.3压力角和传动角3.2.4死点位置教学目标：对曲柄存在的条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等有 明确的概念教学重点：曲柄存在条件、传动角、死点、行程速比系

24、数教学难点：压力角和传动角、死点位置教学方法：利用动画辅助理解急回特性、死点位置概念，工程案例展示其应用教学内容：3.2.1 铰链四杆机构存在曲柄的条件图3-26铰链四杆机构曲柄存在条件1. 铰链四杆机构中曲柄存在的条件（1）连架杆和机架中必有一杆为最短杆（简称最短杆条件）（2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（简称长度和 条件）。此条件亦称杆长条件。通过分析可得如下结论：（1）铰链四杆机构中，如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两 杆长度之和，则根据机架选取的不同。可有下列三种情况： 取与最短杆相邻的杆为机架，则最短杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，组成 曲柄摇杆机构； 取最

25、短杆为机架，则两连架杆均为曲柄，组成双曲柄机构 ； 取最短杆对面的杆为机架，则两连架杆均为摇杆，组成双摇杆机构。（2）铰链四杆机构中，如果最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之 和，则不论取哪一杆为机架，都没有曲柄存在，均为双摇杆机构。322急回特性1. 定义:（1）在某些连杆机构中，种当主动件等速转动时，做往复运动的从动件在返回行程中的平均速度大于工作行程的平均速度的特性，称为急回特性。即 K=v2 /v1 =t1/ t2 =急回特性的程度用v 2和v 1的比值K来表示，K称为行程速比系数,(180 9) / (180 9)(3-3 )2. 结论：上式表明，机构的急回速度取决于极位夹角B

26、的大小。B越大， K值越大，机构的急回程度越明显，但机构的传动平稳性下降。3. 实例：偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构也具有急回特性。值得注意的是在摆动导杆机构中B =书，图3-28。图3-28机构急回特性的判定323压力角和传动角1. 定义：(1)在曲柄摇杆机构中，主动件曲柄 AB经连杆BC传递到从动件摇杆CD上的力F，与该力作用点C运动线速度vc之间所夹的锐角a，称为 机构在该位置的压力角。(2)压力角的余角丫称为 传动角。2. 结论：压力角越小或传动角越大，对机构的传动越有利 ；而压力角越大或传动角越小，会使转动副中的压力增大，磨损加剧，降低机构传动效率。由此 可见，压力角和传动角是反映机

27、构传力性能的重要指标。图3-29曲柄摇杆机构的压力角和传动角在曲柄滑块机构中，若曲柄 AB为主动件时，最小传动角丫min出现在曲柄AB垂直于滑槽中心线位置时，图 3-30图3-30偏置曲柄滑块机构的最小传动角3. 计算公式：对心曲柄滑块机构的最小传动角丫min:丫 min =arccos r l (3-4 )(3-5 )偏置曲柄滑块机构：ymin =arccos叶e l3.2.4死点位置1.定义:在曲柄摇杆机构中，若摇杆为主动件，当摇杆处于两极限位置时，从动 曲柄与连杆共线，主动摇杆通过连杆传给从动曲柄的作用力通过曲柄的转 动中心，此时曲柄的压力角a =90 ，传动角丫 =0，因此无法推动曲柄 转动，机构的这个位置称为死点位置。图3-32钻床夹具2. 应用：在工程上有时也需利用机构的死点位置来进行工作，图3-32图3-31曲柄摇杆机构的死点位置第三讲：3.3平面四杆机