机械设计基础_期中考试习题课

1、 1.了解机械的发展历史；了解机械的发展历史； 1.掌握机器、机构和机械的基本概念；掌握机器、机构和机械的基本概念； 2.掌握构件和零部件的基本概念；掌握构件和零部件的基本概念； 3.了解课程的研究对象、内容及特点了解课程的研究对象、内容及特点 绪论绪论 机械设计基础，是一门研究机械设计基础，是一门研究 一般机械中一般机械中常用机构常用机构和和通用零件通用零件 的工作原理、结构特点、基本的的工作原理、结构特点、基本的 设计设计理论理论和计算方法的和计算方法的技术基础技术基础 课课。在现代工程设计中，占有极。在现代工程设计中，占有极 其重要的地位。其重要的地位。 机器的共有特征：机器的共有特征：

2、 人造的实物（构件）组合体；人造的实物（构件）组合体； 各个运动实物之间具有各个运动实物之间具有确定的相对运动确定的相对运动； 代替或减轻人类劳动代替或减轻人类劳动完成有用功完成有用功或或实现能量实现能量 的转换的转换 2. 机器的组成：机器的组成： 原动部分原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动是工作机动力的来源，最常见的是电动 机和内燃机。机和内燃机。 工作部分工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启

3、动、停止和正常协调动作。 原动机原动机 传动传动 工作工作 控制控制 机构的共有特征：机构的共有特征： 人为的实物组合体；人为的实物组合体； 各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动； 用来传递力或实现运动的转换。用来传递力或实现运动的转换。 机构机构具有确定相对运动的多件实物的组合体，具有确定相对运动的多件实物的组合体， 仅用来传递或转换运动和力。如仅用来传递或转换运动和力。如连杆机构连杆机构、凸轮机凸轮机 构构、齿轮机构齿轮机构等。等。 二、机构二、机构 只具有机器的前两个特征而不具有机器第三个特征的只具有机器的前两个特征而不具有机器第三个特征的 装置称为装置称为“机构机构” 由机器

4、与机构的共有特征可知：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），故统称为同），故统称为机械机械。 机器与机构的关系：机器与机构的关系： 三、机械三、机械 机械是机器和机构的总称。机械是机器和机构的总称。 机器机器是能够完成机械功或转化机械能的机构或是能够完成机械功或转化机械能的机构或 机构的组合，任意复杂的机器都是由若干复杂机构的组合，任意复杂的机器都是由若干复杂 的机构按一定的规律组合而成的。的机构按一定的规律组合而成的。 零件零件是机械最基本的组成单元。是机械最基本的组成单元。 四、零件四、零件 专用零件：

5、专用零件：只在某些机械中出现。如：只在某些机械中出现。如：飞机的螺旋飞机的螺旋 桨、涡轮机的叶片桨、涡轮机的叶片等。等。 零件是制造的单元。零件是制造的单元。 机器和机构都是由零件组成的。机器和机构都是由零件组成的。 零件的分类：零件的分类：通用零件通用零件和和专用零件专用零件。 通用零件：通用零件：各种机器中都经常遇到的零件。各种机器中都经常遇到的零件。 如：如：联接件、传动件、转动件联接件、传动件、转动件和和其他件其他件等。等。 联接件：联接件：螺纹、键、销等。螺纹、键、销等。 传动件：传动件：带、链、齿轮、蜗杆等。带、链、齿轮、蜗杆等。 转动件：转动件：滑动轴承、滚动轴承、轴等。滑动轴承

6、、滚动轴承、轴等。 其它件：其它件：弹簧、密封件、润滑件等。弹簧、密封件、润滑件等。 构件是运动的单元，构件是运动的单元，是由零件组成的刚性组合是由零件组成的刚性组合 体。各零件间无相对运动，形成一个运动的整体。各零件间无相对运动，形成一个运动的整 体。体。 五、构件五、构件 构件构件 固定固定： 活动活动 原动件：原动件：驱动力作用的构件驱动力作用的构件 从动件：从动件：由其它构件驱动由其它构件驱动 相对固定坐标系静止的构件相对固定坐标系静止的构件 构件的分类：活动构件和固定构件。构件的分类：活动构件和固定构件。 1.运动副及其分类；运动副及其分类； 2.平面机构运动简图；平面机构运动简图；

7、 3.平面机构的自由度平面机构的自由度 4.速度瞬心及其在机构运动分析上的速度瞬心及其在机构运动分析上的 应用应用 第一章第一章 平面机构的自由度和平面机构的自由度和 速度分析速度分析 机构运动简图：机构运动简图：指根据机构的运动尺寸指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定按一定的比例尺定 出各运动副的位置出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代表构并用国标规定的简单线条和符号代表构 件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。 机构的示意图：机构的示意图：指为了表明机构结构状况指为了表明机构结构状况, 不要求严格地按不要求严格地按 比

8、例而绘制的简图。比例而绘制的简图。 机构的运动：机构的运动：与与原动件运动规律原动件运动规律、运动副类型运动副类型、机构运动尺机构运动尺 寸寸有关有关, 而与机构的结构尺寸和形状以及运动副的具体构造而与机构的结构尺寸和形状以及运动副的具体构造 无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的 因素。因素。 三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 机构运动简图中构件的表示方法机构运动简图中构件的表示方法: 机构运动简图中平面运动副符号的表示机构运动简图中平面运动副符号的表示: 机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件：

9、条件： 1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、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运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。成比例。 绘制机构运动简图的步骤与方法绘制机构运动简图的步骤与方法 1、分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部、分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部 分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。 2、循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定、循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运

10、动的性质，确定 运动副的类型和数目运动副的类型和数目;还应确定与机构运动特性相关的运动要素：运还应确定与机构运动特性相关的运动要素：运 动副间的相对位置。如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副动副间的相对位置。如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副 的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。 3、恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的、恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的 平面作为投影面。平面作为投影面。 4、选择适当的比例尺、选择适当的比例尺, 用规定的简单线条和各种运动副符号用规定的简单线条和各种运

11、动副符号, 将机构运动将机构运动 简图画出来。简图画出来。 定块机构定块机构 1 1 2 2 3 3 4 4 A B O 1 1 2 2 3 3 4 4 转动导杆机构转动导杆机构 O1 O2 A 1 1 2 2 3 3 4 4 转动导杆机构转动导杆机构 A C B 2 2 3 3 4 4 1 1 摇块机构摇块机构 A B C B 2 2 1 1 3 3 4 4 A C 定义定义：机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参：机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参 数数( (即机构的位置得以确定必须给定的独立的广义坐即机构的位置得以确定必须给定的独立的广义坐 标的数目标的数目) )称为称为机构的自

12、由度机构的自由度，其数目用，其数目用F F表示。表示。 原动件原动件能独立运动的构件。能独立运动的构件。 由于一个原动件只能提供一个独立参数，由于一个原动件只能提供一个独立参数， 所以机构具有确定运动的条件为：所以机构具有确定运动的条件为： 自由度原动件数自由度原动件数 活动构件数活动构件数 n 因此，平面机构的自由度计算公式：因此，平面机构的自由度计算公式： 要求：要求：记住上述公式，并能熟练应用。记住上述公式，并能熟练应用。 构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 3n 2 PL 1 Ph 推广到一般平面机构：推广到一般平面机构： F=3n(2PL +Ph )

13、 机构的自由度机构的自由度F = 所有活动构件的自由度数所有活动构件的自由度数 所有运动副的约束数所有运动副的约束数 1.复合铰链复合铰链两个以上的构件在同一处以转动两个以上的构件在同一处以转动 副相联。副相联。 计算：计算：m个构件个构件, 有有m1转动副。转动副。 两个低副两个低副 2.局部自由度局部自由度 F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1 本例中局部自由度本例中局部自由度 FP=1 或计算时去掉滚子和铰链：或计算时去掉滚子和铰链： F=32 22 1 =1 定义：构件局部运动所产生的自由度。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，出现在加装滚子的

14、场合， 计算时应去掉计算时应去掉Fp。 滚子的作用：滑动摩擦滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。滚动摩擦。 1 2 3 1 2 3 解：解：n=4， PL=6， F=3n 2PL PH =34 26 =0 PH=0 3.虚约束虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。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。计算自由度时应去掉虚约束。 由于由于 FEAB CD ，故增加构件故增加构件4前后前后E 点的轨迹都是圆弧。点的轨迹都是圆弧。 增加的约束不起作用，应去掉构件增加的约束不起作用，应去掉构件4。 已知：已知：ABCDEF，计算图示平行四边形，计算图示平行四边形 机构的自由度。机构的

15、自由度。 1 2 34 A BC D E F 出现虚约束的场合：出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，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，且两构件构成多个移动副，且 导路平行。导路平行。 如如平行四边形机构平行四边形机构，火车轮火车轮椭圆仪椭圆仪等。等。 4.运动时，两构件上的运动时，两构件上的 两点距离始终不变。两点距离始终不变。 3.两构件构成多个转动副，两构件构成多个转动副， 且同轴。且同轴。 5.对运动不起作用的对对运动不起作用的对 称部分。如多个行星轮。称部分。如多个行星轮。 EF 6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。两构件构成高副

16、，两处接触，且法线重合。 如如等宽凸轮等宽凸轮 W 注意：注意： 法线不重合时，法线不重合时， 变成实际约束！变成实际约束！ A A n1 n1 n2 n2 n1 n1 n2 n2A A 不考虑局部自由度，即把滚子不考虑局部自由度，即把滚子7 7与构件与构件6 6作为作为 一个整体，则有一个整体，则有6 6个活动构件，个活动构件，7 7个转动副，个转动副，1 1个个 移动副，移动副，1 1个高副。个高副。 则其自由度为：则其自由度为： 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 1 1 高高 1 18263 23 HL PPnF 1-

17、61-6 1 12224 111283 23 HL PPnF 把滚子和与之形成转动副把滚子和与之形成转动副 的构件焊接成整体，则活动构的构件焊接成整体，则活动构 件数为，件数为，1010个转动副，个转动副，1 1个移个移 动副，和动副，和1 1个高副。个高副。 局部自由度局部自由度 复合铰链复合铰链加药泵加药机构加药泵加药机构 32 3 82 11 2 L FnP 1 22427 2112293 23 HL PPnF 自由度为：自由度为： 局部自由度局部自由度 复复 合合 铰铰 链链 虚约束虚约束 12 A2(A1) B2(B1) 14 速度瞬心及其在机构速度分析中的应用速度瞬心及其在机构速度

18、分析中的应用 一、一、速度瞬心及其求法速度瞬心及其求法 绝对瞬心绝对瞬心重合点绝对速度为零。重合点绝对速度为零。 P21 相对瞬心相对瞬心重合点绝对速度不为零。重合点绝对速度不为零。 VA2A1 VB2B1 Vp2=Vp10 Vp2=Vp1=0 作平面运动的两个构件上作平面运动的两个构件上瞬时相对瞬时相对 速度等于零或者绝对速度相等速度等于零或者绝对速度相等的一的一 对对重合点（等速重合点）重合点（等速重合点），该点称，该点称 速度瞬心。速度瞬心。 1)1)速度瞬心的定义速度瞬心的定义 特点：特点： 该点涉及两个构件。该点涉及两个构件。 绝对速度相同，相对速度为零。绝对速度相同，相对速度为零。

19、 相对回转中心。相对回转中心。 2）瞬心数目）瞬心数目 每两个构件就有一个瞬心每两个构件就有一个瞬心 根据排列组合有根据排列组合有 P12P23 P13 构件数构件数 4 5 6 8 瞬心数瞬心数 6 10 15 28 1 2 3 若机构中有若机构中有n个构件，则个构件，则 Nn(n-1)/2 1 2 12 3）机构瞬心位置的确定）机构瞬心位置的确定 1.直接观察法直接观察法 适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。 P12 P12 2.三心定律三心定律 定义：定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬三个瞬 心心，且它

20、们，且它们位于同一条直线上位于同一条直线上。此法特别适用。此法特别适用 于两构件不直接相联的场合。于两构件不直接相联的场合。 转动副连接的两个构件转动副连接的两个构件 移动副连接的移动副连接的 两个构件两个构件 高副连接的两个构件高副连接的两个构件 （纯滚动）（纯滚动） 高副连接的两个构高副连接的两个构 件件(存在滚动和滑动存在滚动和滑动) P P14 14 P P34 34 P P12 12 23 P P P24 24 P P13 13 P P13 13是构件 是构件1 1、3 3的瞬心，即两者的同速点。的瞬心，即两者的同速点。 1334313141 PPPP 1 4 1314 1334 3

21、 1 PP PP srad /10 1 3 v P P14 14 P P23 23 12 P 34 P P P24 24 P P13 13 P P13 13是构件 是构件1 1、3 3的瞬心，即为两者该瞬时的同速点。的瞬心，即为两者该瞬时的同速点。 smmPPvv P /200020010 13141133 21 / P P13 13、 、P P14 14、 、P P34 34 P P24 24 P P23 23 P P12 12 P P24 24、 、P P14 14分别为构件 分别为构件2 2与构件与构件 1 1相对于机架的绝对瞬心。相对于机架的绝对瞬心。 瞬心为瞬心为P P12 12为构

22、件 为构件1 1、2 2在该在该 瞬时的同速点。瞬时的同速点。 1224212141 PPPP 1 2 1214 1224 2 1 2 r r PP PP smmlAB/100smmlBC/250 srad /10 1 3 v 2 4 4p p14 14 p p12 12 p p23 23 34 P P P13 13 P P24 24 在三角形在三角形ABCABC中：中： BCA ABBC sin45sin 0 5 2 sinBCA 5 23 cosBCA 0 45sinsin BC ABC AC mmAC7 .310 4 4p p14 14 p p12 12 p p23 23 34 P P

23、P13 13 P P24 24 smmBCAACPPvv P /565.916tan10 13141133 1224212141 PPPP srad ACPP PP /9 . 2 1002 10100 1 1224 1214 2 由瞬心由瞬心P P13 13可求得： 可求得： P P14 14、 、P P24 24分别是构件 分别是构件1 1和构和构 件件2 2对机架对机架4 4的绝对瞬心，的绝对瞬心， 而瞬心而瞬心P P12 12是构件 是构件1 1、2 2在该在该 瞬时的同速点。瞬时的同速点。 根据前面的计算，根据前面的计算， 还可以通过哪个瞬还可以通过哪个瞬 心点求心点求 ？ 2 sra

24、d PP v /9 . 2 7 .310 565.916 2423 3 2 1.平面四杆机构的基本类型及其应用；平面四杆机构的基本类型及其应用； 2.平面四杆机构的基本特性；平面四杆机构的基本特性； 3.平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 第二章第二章 平面连杆机构平面连杆机构 重要知识点重要知识点：整转副条件、急回特性条：整转副条件、急回特性条 件、压力角和传动角以及死点位置件、压力角和传动角以及死点位置 2) 组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 周转副存在的条件：周转副存在的条件： 1) 最长杆与最短杆的长度之和最长杆与最短杆的长度之和其他两杆长度

25、之和其他两杆长度之和 称为杆长条件称为杆长条件(Grashof(Grashof条件条件) )。 2) 最短杆为连架杆或机架最短杆为连架杆或机架。 铰链四杆机构有曲柄的条件：铰链四杆机构有曲柄的条件： 1) 各杆长度应满足杆长条件各杆长度应满足杆长条件 铰链四杆机构类型的判别（是否存在曲柄）: 当最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆长当最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其它两杆长 度之和度之和: 最短杆为连架杆最短杆为连架杆-曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 最短杆为机架最短杆为机架 -双曲柄机构双曲柄机构 最短杆为连杆最短杆为连杆-双摇杆机构双摇杆机构 当最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度

26、之当最短杆与最长杆的长度之和大于其它两杆长度之 和和双摇杆机构双摇杆机构 2-1试根据图中注明的尺寸判断下列铰链四杆机构是试根据图中注明的尺寸判断下列铰链四杆机构是 曲柄摇杆机构、双曲柄摇杆机构，还是双摇杆机构。曲柄摇杆机构、双曲柄摇杆机构，还是双摇杆机构。 题题1图图 题3图 2-3画出图中各机构的传动角和压力角。图中标注箭画出图中各机构的传动角和压力角。图中标注箭 头的构件为原动件。头的构件为原动件。 F F F F 压力角（压力角（）：）： 从动件驱动力从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。与力作用点绝对速度之间所夹锐角。 设计：潘存云 E 一、按给定的行程速比系数一、按给定的行

27、程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构 1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 计算计算180(K-1)/(K+1); 已知：已知：CD杆长，摆角杆长，摆角及及K， 设计此机构。步骤如下：设计此机构。步骤如下： 任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为; 作作C2PC1C2，作，作C1P使使 作作P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上。点必在此圆上。 选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为l1 ，连杆为，连杆为l2 ，则，则: : 以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得： l1 =EC1/ 2 l2

28、 = A = A C1EC1/ 2 ,A,A C2= =l2- - l1 l1 =( A A C1A A C2)/ 2 C2C1P=90, ,交于交于P;P; 90- P A A C1= = l1+ +l2 C1C2 DA 设计：潘存云 设计：潘存云 A D mn = D 2) 摆动导杆机构摆动导杆机构 分析：分析： 由于由于与与导杆摆角导杆摆角相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。 计算计算180180( (K K-1)/(-1)/(K K+1);+1); 任选任选D D作作mDnmDn， 取取 A A 点 ， 使 得点 ， 使 得 A D = d ,

29、A D = d , 则则 : : a=dsin(a=dsin(/2)/2)。 = A d 作角分线作角分线; ; 已知：机架长度已知：机架长度d，K，设计此机构。设计此机构。 设计：潘存云 E 22 2a e 3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 H 已知已知K K，滑块行程，滑块行程H H， 偏距偏距e e，设计此机构，设计此机构 。 计算计算: 180180( (K K-1)/(-1)/(K K+1);+1); 作作C1 C2 H H 作射线作射线C1O O 使使C2C1O=90, , 以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆。为半径作圆。 以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧

30、交于为半径作弧交于E,E,得：得： 作射线作射线C2O O使使C1C2 O=90。 作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求。，即为所求。 C1 C2 9090- o 9090- l1 =EC2/ 2l2 = A = A C2EC2/ 2 A 1.凸轮机构的应用和类型；凸轮机构的应用和类型； 2.从动件的运动规律；从动件的运动规律； 3.凸轮机构的压力角；凸轮机构的压力角； 4.图解法设计凸轮机构。图解法设计凸轮机构。 第三章第三章 凸轮机构凸轮机构 / 2(1 cos) sin 2 sh dsh d 6 15(1 cos) 5 6 18sin 5 s ds d 15,150

31、 , 120 ,30 , 60 s s h / 2(1 cos() sin() 2 s s sh dsh d 3 15(1 cos() 2 453 sin() 22 s ds d 3-43-4 01 11 22 11 1 1)30mm 2)60mm 3)0 4)37.08mm 5)arctan26.57 C D D rO A hOCO A hOOODO A OO OD 01T 1T1T 22 1T0 1 T 1)40mm 2)()()60mm 3)0 4)()36.16mm 5)arctan23.20 C D D rO Ar hOCrO Ar hOOODrr OO ODr 增大增大 不变不变 不变不变 减小减小 减小减小 s A0 t s O S 2 h 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 11 s K0 h t K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11A