机械设计基础教案

1、教 案 2013 - 2014 学年第 1 学期二 级学院（部）_建筑工程学院_ 教 研 室 _基础教研室_ _课程名称及代码 _ 机械设计基础_ _课 程 类 别 _ _学 分 及 总 学 时 _ 48学时_ _授 课 专 业 班 级 建筑环境与设备工程_1101_主 讲 教 师 _白莹莹_ _职 称 职 务 _无_ _ _使 用 教 材 _机械设计基础 陈立德主编山东英才学院教务处制授课时间第 1 周 第 1、2 节课时安排2授课题目(教学章、节或主题)：第1章 机械设计概述教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：本章概括地论述了两大部分：第一部分为关于机械总体设计的概述，第二部分为

2、关于机械零件的设计概述。具体的教学要求如下：1）初步理解机械设计和设计机械零件应满足的基本要求。2）了解机械设计和零件设计的步骤。3）理解机械零件工作能力的判定方法和设计准则。4）了解机械设计的标准化、系列化及通用化教学内容（包括基本内容、重点、难点）：1. 机械设计的基本要求2. 机械设计的内容与步骤3. 机械零件的失效形式及设计计算准则4. 机械零件设计的标准化、系列化及通用化重点：机械设计基本要求及机械零件的失效形式及设计计算准则。难点：从整体上建立起机械设计，尤其是机械零件设计的整体概念。讨论、思考、作业：常见的失效形式有哪几种？参考资料（含参考书、文献等）：濮良贵、纪名刚等.机械设计

3、（第八版）,北京：高等教育出版社,2007.教学过程设计：复习10分钟，授新课60分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型： 理论课教学方式： 讲授教学资源： 多媒体 第 1 次课的教学整体安排62备课内容 共 3 页1.1 机械设计的基本要求一台机器进行设计包括以下两种设计：1）应用新技术，新方法开发创造新机器。2）在原有机器基础以上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原有机器的性能。设计质量的高低直接关系到机械产品的性能、价格及经济效益。机械零件是组成机器的基本单元，在讨论机械设计的基本要求之前，我们首先应了解一下设计机械零件的基本要求。1.1.1 设计机械零件的基本要求有二条：可

4、靠，成本低。什么叫可靠，什么叫成本低，说明一下。为此要注意以下三点：1）合理选择材料，降低材料费用。2）保证良好工艺性，减少制造费用。3）尽量采用标准化，通用化设计零件，简化设计过程，从而降低成本。1.1.2 机械设计的基本要求有五条：1.实现预定功能；2.满足可靠性要求；3.满足经济性要求；4.操作方便，工作安全；5.造型美观，减少污染。1.2 机械设计的内容与步骤机械设计是一项复杂、细致、创造性和科学性很强的工作，随着科学技术的发展，对设计的理解也在不断深化，设计方法也在不断发展，近年来发展起来的有：“优化设计”，“有限元计算”，“计算机辅助设计”等等。即使如此，常规设计方法仍然是工程技术

5、人员进行机械设计的重要方法，必须要很好掌握，常规设计方法有理论设计、经验设计和模型实验设计等三种。机械设计的过程通常分为以下四个阶段：1） 产品规划阶段 主要工作为提出设计任务和明确设计要求。2） 方案设计阶段 在满足设计任务书中具体要求的前提下，由设计人员构思出各种可行方案进行分析比较，选出较优者。 3） 技术设计阶段 完成机械产品的总体设计、部件设计、零件设计、设计结果以工程图及设计书形式表达出来。4） 制造与试验阶段 进行试运行，发现问题反馈给设计人员，经修改、完善，最后鉴定。与设计机械一样，设计机械零件也需拟定出几种方案，分析比较、选优，那么设计零件的一般步骤如下几点。教材共有五点，分

6、析之。对于不同的零件的工作条件，以上这五点可以有所不同，互相交错，反复进行，不能作机械分割。最后提出一点，什么叫条件性计算，这一点是大家所不大了解的，生疏的，但这是工程实际所需作的。1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则失效形式在工程力学中已学过，结合到机械零件应该如何，它的理论基础还是一样的，进行机械零件设计必须要根据零件的失效形式分析失效原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计计算准则。1.3.1 失效形式1） 断裂 常见的有二种：断裂，疲劳断裂，解释一下。2） 过量变形 应力超过屈服极限，发生塑性变形。3） 表面失效 主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。4）

7、 破坏正常工作零件引起的失效，例带传动。1.3.2 设计计算准则同一零件对于不同失效形式的承载能力是各不相同的。这个承载能力就是零件的工作能力，它的计算方法就是设计计算准则。下面对以上失效形式，谈一下设计计算准则。1. 强度准则 是零件必须满足的基本计算准则。可分为整体强度，表面强度二种。（1）整体强度的准则 , 或可用安全系数来表示，ss（2）表面强度的准则接触强度HH；挤压强度pp在进行强度计算时，一般有如下两种计算形式1）设计计算 可求出零件的主要几何尺寸。2）校核计算 判断一下是否符合强度条件；已有零件能否承受如此大的载荷，是否安全。2. 刚度准则3. 耐磨性准则4. 散热性准则5.

8、可靠性准则1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化作一般性介绍，说明其重要性。第 2 次课的教学整体安排授课时间第 1 周 第 1、2 节课时安排2授课题目(教学章、节或主题)：第2章 摩擦、磨损及润滑概述教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：本章主要内容为对摩擦、磨损、润滑、密封的基本问题作简单扼要的介绍。具体的教学要求如下：1）了解摩擦、磨损、润滑、密封的基本概念和四者之间的联系。2）了解干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦的特点与区别。3）初步了解磨损的一般规律及各种磨损的机理、物理特征和影响因素。4）了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标。5）了解密封的作用及密封装置。教学内

9、容（包括基本内容、重点、难点）：1. 摩擦与磨损2. 润滑3. 密封方法及装置重点：1）各类摩擦的机理、物理特征及其影响因素 2）各类磨损的机理、物理特征及其影响因素 3）润滑与密封难点：如何根据工作情况，合适地选择润滑剂和密封装置。讨论、思考、作业：按摩擦副表面间的润滑状态，摩擦可分为哪几类？各有何特点？参考资料（含参考书、文献等）：濮良贵、纪名刚等.机械设计（第八版）,北京：高等教育出版社,2007.教学过程设计：复习10分钟，授新课60分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型： 理论课教学方式： 讲授教学资源： 多媒体备 课 笔 记 共3 页第2章 摩擦、磨损及润滑概述2.1 摩擦

10、与磨损在人们生活中都存在摩擦与磨损，各种机械零件因磨损失效的占全部失效零件的一半以上。2.1.1 摩擦及其分类在法向力作用下，一个物体相对于另一个物体，有相对运动或运动趋势时，两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦，这一对摩擦物体称为摩擦副。根据二物体接触时润滑状态的不同，可将摩擦状态分为四种情况：放课件（摩擦副的表面润滑状态），一种一种解释一下。1. 干摩擦（图2.1a） 解释后，可得出库仑定律 F=f·FN2. 流体摩擦（图2.1b）3. 边界摩擦（图2.1c）4. 混合摩擦（图2.1d）2.1.2 磨损及其过程表面物质在摩擦过程中不断损失的现象称

11、为磨损。一般情况下磨损是有害的。磨损过程，可分为三个阶段，放课件（零件磨损过程），图2.2所示，一个过程，一个过程解释一下。1. 跑合磨损阶段（oa阶段）跑合磨损到一定程度后，表面上尖峰逐渐被磨平，磨损速度却逐渐减慢，这阶段对机械零件而言是十分必要的。2. 稳定磨损阶段（ab阶段）磨损缓慢，磨损稳定下来，零件进入正常工作阶段。3. 剧烈磨损阶段（bc阶段）此阶段的特征为磨损速度及磨损率都急剧增大，直至零件失效。最后指出一点，在跑合结束后，一定要清洗零件，更换润滑油，这样才能正常地进入稳定磨损阶段。2.1.3 磨损分类按照磨损的机理以及零件磨损状态的不同，可分为四种基本类型：粘着磨损、磨粒磨损、

12、表面疲劳磨损（点蚀）、腐蚀磨损，教材中具体说明，略之。2.2 润滑首先说明一下润滑的作用2.2.1 润滑剂的性能与选择润滑剂有几种：油、脂、固体（石墨、二硫化铜）、气体（空气、氢气、水蒸汽）。1. 润滑油为目前使用得最多的润滑剂，有矿物油、合成油、动植物油等，矿物油为应用最广的。物理性能指标为粘度：表示液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度大，内摩擦阻力就越大，液体流动性就越差。粘度有三种表示，解释一下。（1）动力粘度 （2）运动粘度 我国采用的为运动粘度（3）条件粘度（恩氏粘度）E还有一些性能指标，如凝点、闪点、燃点等，表2.1列出。要指出一下：压力、温度对粘度有影响的。2. 润滑脂在润滑油中加

13、入稠化剂（钙、钠、锂、金属皂）而成的脂状润滑剂，又称为黄油。主要物理性能指标为滴点、针入度、耐水性。目前使用最多的为钙基润滑脂，它的耐水性强，耐热性差，还是钠基，锂基的。使用时要注意使用条件，不要乱用，性能列于表2.2之中。3. 固体润滑剂4. 气体润滑剂润滑剂的选用原则为低速、重载、高温、间隙大，应选用粘度大的润滑油；对脂主要用于速度低、载荷大，不需经常加油，使用要求不高或灰尘较高的场合；气体、固体的主要用于高温、高压，防止污染等一般润滑油不能适用的场合。对润滑剂选用一定要严肃对待，不能乱用。2.2.2 润滑方法和润滑装置为了获得良好的润滑效果外，除了正确选择润滑剂外，还应选择适当的润滑方法

14、和相应的润滑装置，具体情况学生自学教材内容，不作讲解。2.3 密封方法及装置学生自学，不作讲解。授课时间第 2 周 第 1、2 节课时安排2授课题目(教学章、节或主题)：1. 机构的组成2. 平面机构的运动简图教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：本章内容是学习机构设计的基础，为各类机构的运动分析和设计打下一定的基础，同时也为机械系统设计和新机构设计提供了一种结构分析的方法。具体的教学要求如下：1）了解平面机构的基本概念。2）掌握平面机构运动简图的绘制方法。3）熟练掌握平面机构自由度的计算方法，能够准确地识别机构中的局部自由度，复合铰链和虚约束。教学内容（包括基本内容、重点、难点）：1

15、. 1）运动副 2）自由度和运动副的约束 3）运动链和机构2. 1）运动副及构件的表示法2）绘制机构运动简图的步骤机构具有确定运动的条件平面机构自由度的计算计算机构自由度的注意事项重点：1）有关机构组成的概念及机构具有确定运动的条件。 2）机构运动简图及其绘制。 3）机构的自由度。难点：1）机构运动简图的绘制。 2）机构中虚约束的正确判别。讨论、思考、作业：机构具有确定运动的条件是什么？参考资料（含参考书、文献等）：濮良贵、纪名刚等.机械设计（第八版）,北京：高等教育出版社,2007.教学过程设计：复习10分钟，授新课60分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型： 理论课教学方式： 讲授

16、教学资源： 多媒体第3次课的教学整体安排备 课 笔 记 共6 页第3章 平面机构的结构分析放课件，说明一下。机构运行时，除机架外其余所有构件都按照某种运动规律运动，如果机构中的所有构件都在相同或相互平行的平面内运动，这种机构称为平面机构，否则称为空间机构，工程中常见的为平面机构，本章就是研究平面机构。3.1 机构的组成3.1.1 运动副图3.1说明一下。使两个构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。因此，副一定是一对接触构件，但还要保持相对运动关系，同学以前见到过的，能举例吗？例如螺纹副，导轨副等。接触情况有三种：点接触，线接触，面接触，这点、线、面称为运动副元素。根据运动副各构件间

17、的相对运动是平面运动，还是空间运动，这样把运动副可分为平面运动副，空间运动副。本章讨论的为平面运动副，它又可分为低副、高副二大类型。3.1.2 自由度和运动副约束一个空间自由状态的构件，具有6个独立运动的参数，作平面运动的构件就具有三个独立运动参数，放课件（平面运动构件的自由度），这个独立运动参数的数目称为构件的自由度。两个构件通过运动副连接，这样相对运动必会受到限制，这个限制称为约束，引入一个约束条件将减少一个自由度。下面分析一下具体的运动副的运动、约束情况：1. 低副 什么叫低副说明一下。构件之间以面接触形成的运动副称为低副，放课件（转动副）说明一下低副定义。根据形成低副的两个构件之间的可

18、以产生的相对运动的形式不同，低副又可分为转动副与移动副两种。转动副（转动副） 图3.3所示，这运动副只能在某一平面内作相对转动，相对运动形式为转动。移动副（移动副） 只能沿某一方向作相对移动，相对运动形式为移动，图3.4所示。2. 高副 以点或线接触组成的运动副，图3.5所示，分析一下运动情况。那么约束如何：分析一下。对于转动副：引入二个约束，保留了一个自由度。对于移动副：引入二个约束，保留了一个自由度。故平面低副的运动副，引入二个约束，保留一个自由度。对于平面高副，引入一个约束，保留了二个自由度。3.1.3 运动链和机构图3.6所示，放课件（运动链），两个以上构件以运动副连接而成的系统称为运

19、动链，如果运动链中有的构件只包括一个运动副元素称为开链（图3.6a）。如每个构件至少包括两个运动副元素，则构件形成了封闭系统称为闭链（图3.6b）。如在闭链中将其中一个构件固定，就成为机架，这运动链就成为机构。当它的一个或几个构件具有独立运动，也就是这构件的运动规律为已知的，这机构的运动和动力由这一个构件输入，这构件称为原动件（主动件），其余构件称为从动件。3.2 平面机构的运动简图课件（粉碎机）放一下，我们分析运动，这图就很复杂。为了使问题简单化，在研究机构运动时，可以不考虑那些与运动无关的因素（如具体结构、外形等等），仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示出各运动副的相对

20、位置，这种说明机构各构件间的相对运动关系的简单图形称为机构运动简图，课件（运动副简图表示）放一下。这简图有二个作用：1）可以简明地表达一部复杂机器的传动原理。2）可以用图解法求机构上各点的轨迹、位移、速度、加速度等。3.2.1 运动副及构件的表示方法1. 构件2. 转动副 图3.7 课件（转动副）3. 移动副 图3.8 课件（移动副）4. 平面高副 图3.9 课件（平面高副）3.2.2 绘制机构运动简图的步骤作图时，因为实物很大，无法按11绘制，只得选用一个比例尺，有位置比例尺，速度、加速度比例尺，下面只谈位置比例尺如何表达 物体实际长度/构件图示长度 （m/mm）绘制步骤教材中已谈了，可自学

21、一下。第2讲 教案3.3 平面机构的自由度3.3.1 平面机构的自由度计算设某一平面运动机构，其中包括N个构件，PL个低副，PH个高副，现以平面四杆机构为例，说明一下N，PL，PH值=？这N个构件中有一个构件被看作为固定不动的为机架，所以其余均为活动的构件，则活动构件数就为n=N-1，这n个活动构件，在未用运动副将它们连接起来以前，共具有3n个自由度。在黑板上写上3n。当用PL个低副，PH个高副将构件连接起来，便会使构件活动受到影响，也就是3n个自由度就要被减少。以前已讲过：加入一个低副，就引入二个约束，自由度只有1个。即 3n-2PL 在黑板上写成 3n-2PL 加一个高副，就引入一个约束，

22、自由度只有2个。即 3n-PH 最后黑板上就写成 3n-2PL-PH这式子就可说明为：整个机构相对机架的自由度数就应为活动构件的自由度的总数减去（2PL+PH）个约束 机构的自由度数为F 则 这就是机构的自由度计算公式3.3.2 机构具有确定运动的条件一般要求一个机构，当原动件给定一个运动规律运动时，从动件也就得到按某一个运动规律进行运动，不允许从动件乱动，无规律地运动。图3.1.3所示，课件（曲柄滑块机构）放一下，计算一下机构自由度F=1，也就是这机构能具有独立运动的数目为1，主动件为1，输入运动，从动件就按确定规律运动，这就是机构运动的确定性。结论为机构自由度 = 原动机数图3.12所示，

23、课件（五杆铰链机构）放一下，计算出机构自由度为2，如给机构一个独立运动构件，那么其它构件运动如何，从图中可见出运动是不确定的，构件2，3，4位置不确定，当构件1占AB位置时，构件2，3，4可占位置BC、CD、DE或BC、CD、DE或其它位置。如再给定一个原动件（二个原动件运动规律可以相同，也可以不同）这时其它构件运动就确定了，这时机构自由度数等于原动件数。结论：1）当F0 这机构不可能产生相对运动，为一刚体 2）F>0 当原动件数小于机构自由度数时，构件间的相对运动就为无规则的。 当原动件数大于机构自由度数时，机构不能运动。 当原动件数等于机构自由度数时，构件间才能确定的相对运动，这就是

24、机械运动的确定条件。3.3.3 应用公式时注意事项1. 局部自由度图3.16所示，放课件（局部自由度）滚子绕其本身轴线作自由转动，丝毫不会影响其它构件的运动，这在进行自由度计算时，要将局部自由度去除，改为图3.16b)。2. 复合铰链图3.14所示，放课件（复合铰链）什么叫复合铰链，如何进行计算结论：由m个构件汇成的复合铰链应当作为m-1的转动副，如图3-1所示。图3-1 复合铰链计算3. 虚约束在运动副所加的约束中，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束，在计算自由度时，虚约束应当除去不计，图3.17所示，放课件（图3.17），说明一下图3.17b）中EF为虚约

25、束，简化成图3.17a）虚约束是很难找出，一般可从下面二点来找1）运动状态不改变2）虚约束去掉前后F不同，图3.17a中F=1，图3.17b中F=0，故EF为虚约束。接下来放课件（图3.183.22）说明一下。那么虚约束有什么用途？它可提高构件的刚性，改善其受力情况，因此，在现场，还是被广泛地使用。第 4、5次课的教学整体安排授课时间第 2、3 周 第 1、2 节课时安排4授课题目(教学章、节或主题)：第4章 平面连杆机构教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：本章主要内容为对摩擦、磨损、润滑、密封的基本问题作简单扼要的介绍。具体的教学要求如下：1）了解摩擦、磨损、润滑、密封的基本概念和

26、四者之间的联系。2）了解干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦的特点与区别。3）初步了解磨损的一般规律及各种磨损的机理、物理特征和影响因素。4）了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标。5）了解密封的作用及密封装置。教学内容（包括基本内容、重点、难点）：1. 概述2. 平面机构的运动分析3. 平面机构的力分析4. 铰链四杆机构的基本型式及演化5. 平面四杆机构的基本特性6. 平面四杆机构的设计。重点：平面四杆机构的基本型式、演化及其基本特性。难点：1）平面四杆机构相关的基本概念。 2）平面四杆机构的力分析。 3）平面四杆机构的设计讨论、思考、作业：机构运动分析时速度多边形的特性是什么？参考资料（含参

27、考书、文献等）：濮良贵、纪名刚等.机械设计（第八版）,北京：高等教育出版社,2007.教学过程设计：复习10分钟，授新课60分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型： 理论课教学方式： 讲授教学资源： 多媒体备课笔记 共 11 页第1讲 第4章 平面连杆机构4.1 概述放课件（铰链四杆机构）平面连杆机构是由若干个构件以低副连接形成的平面机构。若干个构件可以是4杆、5杆等，其中平面四杆机构是平面连杆机构中最常用的一种形式。平面连杆机构的优缺点（教材中有，说明一下）4.2 用图解法作平面机构的运动分析一个机构必须要有确定运动及其一定的运动规律，因此必须要进行机构的运动分析。其任务：根据机构原

28、动件的已知运动规律，分析确定该机构其它构件上的某些点的位移、速度、加速度或角位移、角速度、角加速度等。研究这些有什么用途：1）如研究位移，就能看出构件是否能到达这个位置、构件间会不会发生互相碰撞。2）如知道了机构的速度，就可求出机构的功率等。分析方法有图解法、解析法，这里只谈图解法，而图解法中又有速度瞬心法、相对运动法、线图法，本章只谈相对运动图解法，现只介绍应用相对运动图解法进行同一构件点的速度分析。这里就要指出一点：这些运动分析是在不考虑引起机构运动外力的影响下进行的。放课件（同一构件上各的运动分析），图4.1所示，这种四杆机构构件间用铰链相连的，又称为铰链四杆机构。已知：1）各构件的尺寸

29、，位置 2）原动件1以等转动求：1. 图示位置时的机构中C点、E点的、。2. 、分析时理论依据为工程力学，即刚体作平面运动时可分解为随基点的平动和绕基点的转动，因此基点的选择是一个关键问题，一定要选这个点上的速度为已知的，下面分析一下同一构件上各点的速度求法。放课件，并按图4-1所示的，一边讲，一边徒手在黑板上作图。图4-1 同一构件上点的速度分析选一个比例尺，做出机构位置图。步骤：（1）求取基点为A点，大小为，方向，指向与相同。取比例尺作图，取一极点P，作一线段作矢量为。（2）求因为B点与C点同为构件2上的点，物体2作平面运动，基点取在B点，这是为什么？问一下学生，根据工程力学可知： ：为基

30、点的速度。 ：为C点绕B点相对转动的速度。 大小 ？ ？方向 下面说明二点：1）为什么的方向为？在构件3上，C点的速度为在构件2上，C点的速度为这C点为同一点，在二个构件上，因此=，由于方向为，所以方向也为。2）为什么方向？C点相对于B点的速度，即为B点不动，C点的速度，构件2作转动，相对于B点作转动，因此方向必定于BC。一边作图，一边讲解，根据相对运动矢量方程，就可得出pbc图形，求出大小及大小。量出线段长度 、 ， （3）求、 从速度多边形中可见出，因为方向方向图示，则为顺时转。 同上法，可得出为逆时转。、标在图上。（4）求因为B、C、E为同上构件上的点，同样道理可得出下列矢量方程 这方程

31、是以B点为基点，列出的。 这方程是以C点为基点，列出的。二者同等于则 大小 ？ ？ ？方向 ？ AB BE CE CE这矢量方程为二个未知数，就可用速度图解法求出。这二线交于e点过b点作的方向线，beBE 过c点作的方向线，ceCE矢量代表，大小为，pbec为速度矢量多边形，p为极点，根据上述，我们可得出速度多边形的特性。1）极点p代表该构件上速度为零的点。2）在速度多边形中连接p点和任一点的矢量，便代表该点在机构图中的同名点的绝对速度，其指向是从p点指向该点。3）在速度多边形中，连接其他任意两点的矢量，便代表该两点在机构图中的同名点间的相对速度，其指向与速度下标的顺序相反。如代表而不是。4）

32、从图中可见出，代表各相对速度的矢量分别于机构图中的。因此BCE bce，且字母顺序一致，（图示的为顺时针方向）。图形bce称为机构图中BCE的速度影像，这样我们就可利用图形相似原理求出同一构件上某一点的速度。最后要强调一下，这原理只能用于同一个构件上的各点速度求法，而不能用于机构的不同构件上各点速度求法。4.3 平面机构的力分析作用于机构上的力有5种类型1. 驱动力 驱使机构产生运动的力，这力所作的功为正值，称输入功。2. 阻力 阻止机构运动之力，其功为负值，阻力又可分为二种。 1）有效阻力：这个与生产工作直接相关的阻力，其功称有效功或输出功，又称工作阻力。 2）有害阻力：除了有效阻力外的无效

33、部分，其功对生产没有用，反而有害的。3. 运动副反力。 当机构运转时，在运动副中产生的反作用力简称为反力，在进行力分析时，反力可分为沿运动副两构件接触处的法向和切向两个分力。法向反力：又称正压力，它与运动副元素的相对运动方向相的。此力不作功。切向反力：即为运动副中的摩擦力，因它是由于正压力而产生的，起到阻止运动的作用，一般情况下摩擦力对生产是无效的，有害的，但有些机构中摩擦力是起到有利的作用，如带传动中的摩擦力。考虑到摩擦力后的运动副的反力称为总反力。4. 重力。5. 惯性力 （在高速时才考虑它）。为了保证机构作持续的预先确定运动，根据此运动条件与作用在机构上的已知外力，就可求出与之相平衡的未

34、知外力，这未知外力称为平衡力或平衡力矩，这一点学生一定要记牢，理解，以后就要用到这原理去求平衡力的。再说明一下未知外力与已知外力一起作用在机构上，使机构处于平衡状态，根据平衡条件就可求出未知外力（即平衡力，平衡力矩）。最后说明一下，研究机构力的分析的目的有两个。 确定机构运动副的反力； 确定机构需加的平衡力或平衡力矩。力的分析可为今后计算各构件零件的强度，确定机械效率及轴承型式等提供了必需的资料。因此这一内容不但是重点，也是一个难点，学生一定要掌握它。4.3.1 运动副中的摩擦1. 移动副中的摩擦力最常见的移动副中的摩擦可分为平滑块的摩擦和槽形滑块的摩擦二种，我们先谈平滑块的摩擦。图4.3所示

35、，放课件（平面摩擦），在黑板上按分析顺序作图。在外力F作用下，滑块1向左移动，滑块1和平面2组成一个移动副，因此分析一下滑块1上作用什么力：驱动力F；平面2给1的反力。下面分析讨论之。驱动力F：F力为作用在滑块1上的所有作用力的合力，它与接触面法线间所夹的角度为，将F力分解为法向分力Fn和切向分力Ft二部分。 Fn：使1滑块紧贴于平面上。 Ft：使1滑块在Ft作用下向左运动或具有向左运动趋势。从图中可得出 (4.4)反力：平面2加在滑块1上的反作用力，它有两部分组成。 正压力FN ：为法向反力，它与Fn关系是大小相等，方向相等的力，这是为什么？学生去想一下。 摩擦力Ff ：Ff的方向是与1相对

36、于2的运动方向相反，大小为fFN。FN与Ff的合力就是平面上加在滑块1上的总反作用力FR，又称总反力FR。 角称为摩擦角（FN与Ff之间夹角），在一定工作条件下，f（摩擦系数）为一定的，也为一定值，可得出式（4.9）。讨论一下：1）当>时，说明了外力F的作用线在摩擦角之外的情况，这时Ft>Ff，推动力Ft大于摩擦力，使滑块作加速运动。2）当=时，外力F的作用线与总反力FR作用线相重合。此时Ft=Ff，使滑块作等速运动，如滑块原来不动、静止，那么滑块1仍然保持静止不动状态。3）<时，外力F的作用线在摩擦角所包围区域的里面，此时Ft<Ff，滑块作减速运动，而终于静止。如滑块

37、1原来不动，那么无论外力F加得多大，滑块1都不能运动，这种现象称为自锁。下面谈一下楔形滑块在楔形槽中的摩擦情况。放一下课件（楔形滑块等速移动受力），图4.4所示，滑块1在楔形槽2中作等速滑移（图中沿z向移动）。图4.4 槽面摩擦分析方法同平滑块的，作图。驱动力为水平的F反力，滑块的两个接触面上同时承受正压、，和摩擦力Ff（画图加上这三个力）。根据平衡条件，经推导可得出式（4.6）F=fFr/sin=fvFr 4.6式中fv称为当量摩擦系数，其数值始终大于f，也就是说槽面摩擦的摩擦力总是大于滑块的摩擦力，这样引入fv概念后，就可将槽面摩擦简化为平面摩擦概念来处理。2. 转动副中的摩擦力轴承就是转

38、动副，轴在轴承孔中转动，轴安装在轴承孔的那一部分称为轴颈。根据作用在轴颈上载荷的方向可分为径向轴颈和轴向轴颈，本讲只讨论径向轴颈摩擦问题。图4.4所示，放课件（轴颈摩擦和摩擦圆、转动副）。作用力如何？轴颈上作用着径向载荷Fr及轴承孔2加在轴颈1上的总反力。在驱动力矩M作用下，使1在轴承孔2中作等速转动12，根据平衡条件可知：Fr与必须构成一个阻止轴颈转动的力矩，这力矩称为摩擦力矩Mf，这Mf大小必须与驱动力矩M相平衡。 M=Mf因此，必与Fr为大小相等，方向相反的二个力组成的一个力偶。其作用线间相距一个距离为，可得出Mf =·=Fr·。可推出： =r·f0 (4.

39、7)以轴心为圆心，为半径，所作的圆称为摩擦圆。总反力的作用线始终切于摩擦圆。下面总结一下，运动副中反力情况：1）移动副：不计摩擦时，反力方向于相对移动的导路；考虑摩擦时，反力方向与相对移动导路的方向之间偏转一个摩擦角，偏转方向与移动方向相反，反力的大小与作用点位置为未知，随着外力变化而变化的。2）转动副：不计摩擦时，反力作用线经过回转中心；考虑摩擦时，反力作用线与摩擦圆相切，且反力对回转中心的力矩的转向，与组成转动副的两构件间的相对转动方向相反，反力大小和方向均为未知。3）高副：不计摩擦时，反力作用线为沿接触点的公法线；考虑摩擦时，反力作用线为过接触点与公法线之间偏转个摩擦角，偏转方向与相对滑

40、动方向相反，反力大小未知。4.3.2 机构受力分析在不考虑惯性力情况下，构件上受力后，要达到力的平衡，这些力有什么特点。教材中指出四个特点，说明一下就可以了。下面举例说明一下如何进行静力分析，放课件（静力分析）。例4.1 此曲柄滑块机构，在滑块3上受到驱动力F的作用，使1转动，也就是克服工作阻力矩Mq使1作等转动，具体解法见教材，这里不叙述，由教师们自编了。4.3.3 机械效率及自锁 1. 机械效率的计算在稳定运转的周期内，输入功=输出功+损失功 Wf值越小越好，表示出对能量的有效利用程度就越高。 这为效率用来衡量出对能量有效利用的程度，<1，不可能大于1。 2. 机械自锁 当=0，不管

41、驱动力加得多大，都不能使机械运动，这现象称为机械自锁。因此机械自锁条件为04.3.4 螺旋机构的效率放课件（矩形螺旋副的受力），图4.9所示为矩形螺纹，2为螺钉一部分螺纹，螺母画出一小块1，螺纹升角为，螺矩为P，将螺纹展开，就成为一斜面2，螺母为1滑块。作一图4.10a），边分析，边作图。现在拧螺母，相当于滑块在斜面上上升或下降，螺母1上受到轴向载荷Fa和驱动力Fd或矩Md，滑块1作用的外力为Fa、Fd，使螺母沿轴向移动。放课件（滑块等速上升受力），现在加上Fd，使滑块上升，相当于滑块在驱动力Fd作用下，克服阻力Fa沿斜面上升（移动方向与Fr方向相反），这种情况就相当于拧紧螺母情况。力分析：螺

42、母1上作用力为外力：Fd、Fa反力：根据移动副摩擦原理可知，这三个力Fd、Fa、作用下，根据平衡条件可得出若不考虑摩擦力（=0）拧紧后，如果螺母在作用力Fa作用下，会使滑块1沿斜面下滑，这时Fa为驱动力，Fd变为Fd为生产阻力（支持力），这时受力情况就成为图4.10c）情况，放课件（滑块等速下滑受力）同样可得出下列公式。如果要求螺母还能承受Fa作用，即拧紧后，不会在Fa作用下，自动使螺母下滑，这时螺母沿轴向移动方向与Fa方向相同，却螺母不会自动松开，这时就要求螺纹副自锁即，可得出自锁条件为 以上为矩形螺纹分析，对于螺纹分析方法一样，它相当于楔形滑块在楔形槽面内滑动，只要将改为就可以了，这里可说

43、明为什么螺纹用于连接之中，传动用的螺纹就用矩形螺纹。第2讲 4.4 铰链四杆机构的基本型式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式四个构件以转动副连接构成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的最基本的型式。放课件（铰链四杆机构），图4.11所示。铰链四杆机构的基本型式图4.11所示，说明一下机架、连架杆、连杆、曲柄、摇杆的定义。根据两连架杆为曲柄或摇杆的不同，铰链四杆机构可分为三种基本型式。曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，放课件（图4.12图4.18），说明一下。4.4.2 平面四杆机构的演化通过改变铰链四杆机构中一些构件的长度和形状、增大转动副的尺寸或取那一构件为机架等途径，可

44、将铰链四杆机构演化成其它型式机构。1. 扩大转动副，使转动副变成移动副放课件，图4.19、图4.20所示，说明一下。2. 取不同的构件为机架放课件（图4.21图4.25）所示，说明一下。3. 移动副代替转动副放课件（图4.264.28），说明一下。第3讲 4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.1 铰链四杆机构有曲柄的条件上面谈了铰链四杆机构的三种基本型式，其区别在于机构中是否有曲柄，取决于两个因素：各杆的相对长度；选哪个机构件为机架，下面谈一下存在一个曲柄的条件是什么？这时必须要在设定机架基础之上，谈一个存在曲柄的条件。图4.29所示，各杆长度分别为现假定构件1能作整周转动，即为曲柄，在回转过

45、程中，一定能实现与机架拉直共线或重叠共线两个特殊位置（图4.29 b、c），从三角形中可推导出： ab , ac , ad a+bd+c a+cd+b a+db+c 结论：1）曲柄为最短杆。 2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和。满足这二个条件，才能存在曲柄。4.5.2 压力角和传动角放课件（压力角与传动角），图4.31所示，在曲柄摇杆机构中，如果不考虑构件的摩擦力，则连杆是二力杆，它要平衡，二端作用力必为沿着BC方向，这样在C点作用于杆3上的力为F（图示），由F力推动3杆使作功，F力可分解成二个分力Ft、Fn。 Ft=Fcos 方向为CD，使3杆转。 Fn=Fsin 方向为沿

46、着CD方向，不作功。Ft越大，对传动越有利，传动效率越高。从动件的受力方向与受力点速度方向，所夹的锐角称为压力角，在图中标上角，在不同位置上，值是不同的。讨论一下压力角： 当，Ft，传动有利，这时机构的传动性能越好。 当，如=90o，Ft =0，就传不动，机构发生了自锁，也就是这一处为机构的死点。为了测量方便起见，通常用压力角的余角来衡量机构传动性能的好、坏，称为传动角，传动。在不同位置上，也是不同的。为保证传动性能良好，设计时一般应使min40o，也就是机构有一个位置，这时=min，而min值一定要大于40o，这机构才能使用，经分析得出min值总是出现在图4.31所示的两虚线位置上，即曲柄与

47、机架两个共线位置上。计算在这二位置时的值，比较一下，取一个最小值min40o。4.5.3 急回特性图4.34所示，放课件（曲柄摇杆机构极位夹角），以曲柄为主动件，作等速转动，摇杆CD为从动件，作往复变速摆动。曲柄AB在回转一周的过程中，有两次与连杆BC共线，这时摇杆CD分别位于极限位置C1D、C2D，在此极限位置时，曲柄所在位置AB1、AB2之间所夹的锐角称为极位夹角。分析：1）当曲柄顺时针转过时，摇杆自C1D摆到C2D，其所需的时间为t1，而C点的平均速度为v1。2）当曲柄顺时针转过时，摇杆自C2D摆到C1D，其所需的时间为t2，而C点的平均速度为v2。由于曲柄作等速转动，>，t1&g

48、t; t2 则v2> v1。由此可见，当曲柄等速转动时，摇杆作来回摆动，其速度是不同的，返回时速度较大，这个性质称为机构的急回特性，这种特性用行程速度变化系数K来表示，教材中式（4.23）、式（4.24）表示了K、值。越大，K越大，急回特性越明显，一般在回程时，为不工作的，希望快些回去，这时就可利用急回特性，节省回程时间，提高生产率。4.5.4 死点图4.36所示说明一下。若曲柄为原动件，转，摇杆肯定能摇动，不会被卡住。若摇杆为原动件，能否驱动曲柄1转动，这就要分析一下：当摇杆在两极限位置（C1、C2）时，图示虚线位置，BC杆为平衡状态，它为二力杆，力作用于BC上（沿BC）那么作用在AB

49、杆上的力如何，必为由BA通过转动中心A的力，这力由于=90o，不能产生驱动AB的作用，这力矩就不是驱动力矩，这位置称为死点，如摇杆继续摆动，那么曲柄运动状态就会出现三种状态：继续转动下去；与原来相反方向转动下去；卡死。对传动而言，一定要设法克服之，但也有应用这特性去工作的，图4.39为夹紧机构，使夹紧工作牢固可靠。4.6 平面四杆机构设计平面四杆机构的设计方法，这里只谈图解法，本讲只介绍二种。4.6.1 . 按给定连杆位置设计平面四杆机构4.6.2. 按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构具体设计方法见教材。以上二种设计方法，在讲授时，边讲，边作图，不用课件来说明。第6、7 次课的教学整体安排授

50、课时间第 3、4 周 第 1、2 节课时安排4授课题目(教学章、节或主题)：第5章 凸轮机构教学目的、要求（分掌握、理解、了解三个层次）：本章的主要内容为凸轮机构的类型、特点和适用场合、从动件常用运动规律、凸轮的轮廓设计及凸轮机构基本尺寸的确定。具体的教学要求如下：1）了解凸轮机构的类型、特点和适合场合，学会根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型。2）掌握从动件常用运动规律及其选择时应考虑的因素，能根据工作要求选择或设计从动件运动规律。3）能根据给定的运动规律，应用反转法绘制出尖顶、滚子从动件盘形凸轮的轮廓曲线。4）掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则，学会根据这些原则确定尖顶、滚子从动件盘形凸轮

51、机构的压力角、基圆半径、滚子半径。教学内容（包括基本内容、重点、难点）：1. 凸轮机构的分类、特点及适用范围2. 常用的从动件运动规律3. 盘形凸轮轮廓的设计与加工方法4. 凸轮机构基本尺寸的确定5. 凸轮机构的结构和精度重点：1）从动件运动规律及其特性。 2）尖顶滚子从动件盘形凸轮机构的设计计算。难点：1）反转法。 2）凸轮机构的压力角与机构基本尺寸的关系讨论、思考、作业：凸轮机构常用的四种从动件运动规律中，哪种运动规律有刚性冲击？哪种运动规律有柔性冲击？哪种运动规律没有冲击？如何选择从动件的运动规律？参考资料（含参考书、文献等）：濮良贵、纪名刚等.机械设计（第八版）,北京：高等教育出版社,2007.教学过程设计：复习10分钟，授新课60分钟，安排讨论15分钟，布置作业5分钟授课类型： 理论课教学方式： 讲授教学资源： 多媒体备课笔记 共 5页第1讲 第5章 凸轮机构5.1 概述放课件（凸轮机构）说明其组成部件，凸轮以1转，依靠凸轮轮廓曲线形状不同，产生不同从动件运动规律，它为高副机构，为点接触。本章讨论