机械设计基础-2008

1、Fundamentals of Machine Design课程指导课程指导普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材北京高等教育精品教材北京高等教育精品教材高等院校现代机械设计系列教材高等院校现代机械设计系列教材（非机类专业适用）（非机类专业适用）内内 容容：机械原理机械原理（Theory of Machines)：1717 学时学时机械零件机械零件（Machine Elements)： 3939 学时学时 共共5656学时。其中实验学时。其中实验4 4学时学时目目录录第一章第一章绪绪论论第二章第二章平面机构的结构分析平面机构的结构分析第三章第三章平面连杆机构平面连

2、杆机构第四章第四章凸轮机构凸轮机构第五章第五章间歇运动机构间歇运动机构第六章第六章机械的调速与平衡机械的调速与平衡第七章第七章连接连接目目录录第八章第八章挠性传动挠性传动第九章第九章啮合传动啮合传动第十章第十章轮系轮系第十一章第十一章轴轴第十二章第十二章轴承轴承第十三章第十三章联轴器、离合器和制动器联轴器、离合器和制动器第十四章第十四章弹簧弹簧一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求二、学习指导二、学习指导三、典型实例分析三、典型实例分析四、复习题四、复习题五、复习题参考答案五、复习题参考答案第一章第一章 绪绪论论回目录 1 1基本内容基本内容 (1) (1) 机械的组成；机械的组成； (

3、2) (2) 机械设计的基本要求和一般程序；机械设计的基本要求和一般程序； (3) (3) 机械零件的主要失效形式和计算准则；机械零件的主要失效形式和计算准则； (4) (4) 机械零件的常用材料及选择原则；机械零件的常用材料及选择原则； (5) (5) 机械零件的制造工艺性及标准化；机械零件的制造工艺性及标准化； (6) (6) 机械设计的新发展；机械设计的新发展； (7) (7) 本课程的内容、性质和任务。本课程的内容、性质和任务。一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求 2 2学习要求学习要求(1) (1) 了解了解机械的组成、基本要求和设计的一般程序机械的组成、基本要求和设计的一般

4、程序；(2) (2) 掌握掌握机械零件设计机械零件设计和计算方法；和计算方法；(3) (3) 机械零件的常用材料及选择原则；机械零件的常用材料及选择原则； (4) (4) 了解了解机械零件工艺性及标准化的意义机械零件工艺性及标准化的意义。 一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求 1. 1. 机械的概念机械的概念 (1) (1) 定义：机械是机器和机构的总称。定义：机械是机器和机构的总称。(2) (2) 机器的特征：机器的特征： 机器的主体是若干机构的组合；机器的主体是若干机构的组合； 用于传递运动和动力；用于传递运动和动力； 具有变换和传递能量、物料和信息的功能。具有变换和传递能量、物料

5、和信息的功能。(3) (3) 机构的特征：机构的特征： 机构是若干构件的组合；机构是若干构件的组合； 各构件间具有确定的位置。各构件间具有确定的位置。 (4) (4) 机器和机构的不同点：机构不具有变换能量、物机器和机构的不同点：机构不具有变换能量、物料、信息的功能。料、信息的功能。(5) (5) 构件和零件：构件是运动的单元；零件是制造的构件和零件：构件是运动的单元；零件是制造的单元。单元。 二、学习指导二、学习指导二、学习指导二、学习指导 在学习时，应把注意力集中在了解本课程研究的对在学习时，应把注意力集中在了解本课程研究的对象和内容上象和内容上 ，不要机械地理解机器和机构的区别，因为，不

6、要机械地理解机器和机构的区别，因为二者实际上并没有本质区别。我们有时把它们加以区分，二者实际上并没有本质区别。我们有时把它们加以区分，只是研究的重点不同。对机器来说，主要是研究其做功只是研究的重点不同。对机器来说，主要是研究其做功或能量转化及其运转的过程；而对机构，则主要是研究或能量转化及其运转的过程；而对机构，则主要是研究其运动及受力的情况，以及某些性能指标的确定等，所其运动及受力的情况，以及某些性能指标的确定等，所以说它们之间并没有本质的不同。当我们利用某种机构以说它们之间并没有本质的不同。当我们利用某种机构来做功或转化能量时，它就成了机器；当我们只从组成来做功或转化能量时，它就成了机器；

7、当我们只从组成情况和运动学角度来研究机器的传动系统时，它可以视情况和运动学角度来研究机器的传动系统时，它可以视为机构。为机构。 2. 2. 机器的组成机器的组成 机器的种类繁多，其结构形式和用途各不相同。一部完机器的种类繁多，其结构形式和用途各不相同。一部完整的机器的基本组成主要有下面三个部分：整的机器的基本组成主要有下面三个部分： (1) (1) 原动部分。它是驱动整个机器完成预定功能的动力原动部分。它是驱动整个机器完成预定功能的动力源，如电动机、内燃机等。源，如电动机、内燃机等。 (2) (2) 执行部分（又称工作部分）。它是机器中直接完成执行部分（又称工作部分）。它是机器中直接完成工作任

8、务的部分，如起重机的吊钩、车床的刀架、磨床的砂工作任务的部分，如起重机的吊钩、车床的刀架、磨床的砂轮、轧钢机的压辊等。轮、轧钢机的压辊等。 (3) (3) 传动部分。它是介于原动部分和执行部分之间，用传动部分。它是介于原动部分和执行部分之间，用来完成运动和动力参数转换的部分。利用它可以实现减速、来完成运动和动力参数转换的部分。利用它可以实现减速、增速、调速、改变运动形式及转矩等，从而满足执行部分的增速、调速、改变运动形式及转矩等，从而满足执行部分的各种要求。此部分是本课程研究的主要内容。各种要求。此部分是本课程研究的主要内容。 二、学习指导二、学习指导 带式运输机带式运输机1 1电动机电动机

9、2 2齿轮传动齿轮传动 3 3运输运输带带 电动机电动机（动力部分）（动力部分）通过齿轮传动减速后，带动运输通过齿轮传动减速后，带动运输机滚轮转动机滚轮转动（传动部分），（传动部分），从而实现胶带运动从而实现胶带运动（执行部分）（执行部分）。二、学习指导二、学习指导 3. 3. 机械设计机械设计 (1) (1) 机械设计应满足的基本要求是：使用要求、经机械设计应满足的基本要求是：使用要求、经济性要求、人机和环境的要求、可靠性要求等。济性要求、人机和环境的要求、可靠性要求等。 (2) (2) 机械设计的一般过程：机械设计的一般过程： 一般机械产品的设计分为以下几个阶段：一般机械产品的设计分为以下

10、几个阶段： 产品规划阶段：制定出机器的设计任务书。产品规划阶段：制定出机器的设计任务书。 方案设计阶段：拟定机器的总体布置、传动方案方案设计阶段：拟定机器的总体布置、传动方案和机构运动简图等。和机构运动简图等。 技术设计阶段：完成全部图样、说明书等技术文技术设计阶段：完成全部图样、说明书等技术文件。件。 施工设计阶段：制定工艺规划，完成生产准备。施工设计阶段：制定工艺规划，完成生产准备。 投产和售后服务。投产和售后服务。二、学习指导二、学习指导 4 4机械零件的失效形式和计算准则机械零件的失效形式和计算准则 (1) (1) 机械、机构、零件等由于某种原因丧失正常工机械、机构、零件等由于某种原因

11、丧失正常工作能力的现象称为失效。作能力的现象称为失效。 (2) (2) 失效与损坏概念不同。以自行车为例，作为零件失效与损坏概念不同。以自行车为例，作为零件的车轮辐条损坏了几根，并不影响乘骑，即自行车作为机的车轮辐条损坏了几根，并不影响乘骑，即自行车作为机器并未失效；如果其链条因磨损而掉链，此时自然不能乘器并未失效；如果其链条因磨损而掉链，此时自然不能乘骑了，即失效了。骑了，即失效了。 (3) (3) 失效与断裂破坏概念不同。机械零件由于强度不失效与断裂破坏概念不同。机械零件由于强度不够造成断裂，属于一种失效；除此之外，如机床主轴的刚够造成断裂，属于一种失效；除此之外，如机床主轴的刚度不足，零

12、件表面过度磨损及其他各种破坏正常工作条件度不足，零件表面过度磨损及其他各种破坏正常工作条件的因素，又如带传动打滑等均属于失效。的因素，又如带传动打滑等均属于失效。 二、学习指导二、学习指导 主要失效形式有：主要失效形式有： (1) (1) 断裂：例如，齿轮轮齿根部的折断、螺栓的断断裂：例如，齿轮轮齿根部的折断、螺栓的断裂等。裂等。 (2) (2) 过大的残余变形：零件受载后产生过量的弹性过大的残余变形：零件受载后产生过量的弹性变形；当零件的应力超过材料的屈服极限，将产生塑变形；当零件的应力超过材料的屈服极限，将产生塑性变形。性变形。 (3) (3) 表面失效：磨损、腐蚀和接触疲劳等都会导致表面

13、失效：磨损、腐蚀和接触疲劳等都会导致零件表面失效。零件表面失效。 (4) (4) 破坏正常工作条件而引起的失效：例如，带传破坏正常工作条件而引起的失效：例如，带传动发生打滑、齿轮传动噪声过大等。动发生打滑、齿轮传动噪声过大等。 二、学习指导二、学习指导 5. 5. 机械零件的计算准则机械零件的计算准则根据零件的失效分析，设计时为防止零件失效，保证其工根据零件的失效分析，设计时为防止零件失效，保证其工作能力所依据的基本原则称为计算准则。主要有强度准则和刚作能力所依据的基本原则称为计算准则。主要有强度准则和刚度准则等。度准则等。 (1) (1) 强度准则：零件在外载荷作用下所产生的最大应力强度准则

14、：零件在外载荷作用下所产生的最大应力不超过零件的许用应力不超过零件的许用应力 。其表达式为。其表达式为 工作应力工作应力 许用应力，即许用应力，即 许用应力材料极限应力许用应力材料极限应力/ /安全系数，即安全系数，即limlimS S 材料的极限应力应根据工作应力类型的不同来选择。工作材料的极限应力应根据工作应力类型的不同来选择。工作应力为静应力时，极限应力对于脆性材料为强度极限，对于塑应力为静应力时，极限应力对于脆性材料为强度极限，对于塑性材料为屈服极限；工作应力为变应力时，极限应力为其相应性材料为屈服极限；工作应力为变应力时，极限应力为其相应应力循环状态的疲劳极限。应力循环状态的疲劳极限

15、。 二、学习指导二、学习指导 计算载荷与名义载荷之间的关系为：计算载计算载荷与名义载荷之间的关系为：计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数。荷等于名义载荷乘以载荷系数。 复习材料力学中学过的非对称循环应力、脉复习材料力学中学过的非对称循环应力、脉动循环应力和对称循环应力的分类及特征，能绘动循环应力和对称循环应力的分类及特征，能绘出应力时间曲线，并能写出最大应力、最小应出应力时间曲线，并能写出最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特性的计算公式。力、平均应力、应力幅和循环特性的计算公式。 二、学习指导二、学习指导 （2 2）刚度准则：零件在载荷作用下将产生弹性）刚度准则：零件在载荷作用下将产生弹性

16、变形。限制零件受载后产生的弹性变形量不超过机变形。限制零件受载后产生的弹性变形量不超过机器正常工作所允许的弹性变形量。其表达式为器正常工作所允许的弹性变形量。其表达式为 弯曲刚度：弯曲刚度： 挠度挠度 yyyy， 偏转角偏转角 扭转刚度：扭转刚度： 扭转角扭转角 弹性变形量可按理论计算或实验方法确定，而弹性变形量可按理论计算或实验方法确定，而许用变形量则应随不同的使用场合，按理论或经验许用变形量则应随不同的使用场合，按理论或经验确定其合理数值。确定其合理数值。 了解刚度对零件工作能力的影响和提高刚度的了解刚度对零件工作能力的影响和提高刚度的措施等有关知识。措施等有关知识。二、学习指导二、学习指

17、导 (3) (3) 其他计算准则其他计算准则 振动稳定性准则：了解机器产生振动的主要原因和避免共振的振动稳定性准则：了解机器产生振动的主要原因和避免共振的方法。方法。 寿命准则：影响零件寿命的主要因素是磨损、腐蚀和疲劳。寿命准则：影响零件寿命的主要因素是磨损、腐蚀和疲劳。 热平衡准则：在工作中发生摩擦的零件会产生热量，故应对发热平衡准则：在工作中发生摩擦的零件会产生热量，故应对发热较大的零件进行热平衡计算。热较大的零件进行热平衡计算。 可靠性准则：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定可靠性准则：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度，机器的可靠度取决于零部件的可靠

18、度及它功能的概率称为可靠度，机器的可靠度取决于零部件的可靠度及它们的组合关系。了解设计时提高系统可靠度的措施。们的组合关系。了解设计时提高系统可靠度的措施。 同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各种失效形式同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各种失效形式就有不同的工作能力，设计时，应对满足零件上述准则的各种工作就有不同的工作能力，设计时，应对满足零件上述准则的各种工作能力进行比较，取其较小者作为设计依据。能力进行比较，取其较小者作为设计依据。 二、学习指导二、学习指导 6 6机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则 机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属机械零件常用的材

19、料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，其牌号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。等，其牌号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。 在机械设计中选择材料是重要问题。设计者在选择材在机械设计中选择材料是重要问题。设计者在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用要求、工艺要求和经济性要求等。使用要求、工艺要求和经济性要求等。 7. 7.机械零件的制造工艺性及标准化机械零件的制造工艺性及标准化 (1) (1) 机械零件的工艺性机械零件的工艺性 零件的工艺性是指在既定的生产条件和规模下，能用零件的工艺性是指在既定的生产条件和规模下，能用

20、较少的劳动和成本把零件制造和装配出来。为此，设计者较少的劳动和成本把零件制造和装配出来。为此，设计者必须了解零件的制造工艺，能从材料选择、毛坯制造、机必须了解零件的制造工艺，能从材料选择、毛坯制造、机械加工、装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题。械加工、装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题。 二、学习指导二、学习指导 (2) (2) 机械设计中的标准化机械设计中的标准化 零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一项重要的技术经济政策。实行的一项重要的技术经济政策。 标准化的意义在于：减轻设计工作量，利于把主要精标准化的意义在于：减轻设计

21、工作量，利于把主要精力用于关键零部件的创新设计；可安排专门工厂集中生产力用于关键零部件的创新设计；可安排专门工厂集中生产标准零部件，有利于降低成本，提高互换性；有利于改进标准零部件，有利于降低成本，提高互换性；有利于改进和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于修理和更换。和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于修理和更换。 我国现行标准分为国家标准（我国现行标准分为国家标准（GBGB）、部颁标准（）、部颁标准（JBJB、YBYB等）和企业标准。出口产品采用国际标准（等）和企业标准。出口产品采用国际标准（ISOISO）。）。 二、学习指导二、学习指导 1. 1. 零件受静载荷产生变应力零件受静载荷产

22、生变应力 零件所受的载荷是静载荷还是变载荷比较容零件所受的载荷是静载荷还是变载荷比较容易判别，但在分析零件应力类型时，有时易发生易判别，但在分析零件应力类型时，有时易发生错误，特别是在静载荷作用下（此时可能产生静错误，特别是在静载荷作用下（此时可能产生静应力也可能产生变应力）。在静载荷下作回转或应力也可能产生变应力）。在静载荷下作回转或周期运动的零件就会产生变应力，这种情况经常周期运动的零件就会产生变应力，这种情况经常遇到。几种常用零件受静载荷时产生变应力的举遇到。几种常用零件受静载荷时产生变应力的举例见下表。例见下表。 三、典型实例分析三、典型实例分析1T三、典型实例分析三、典型实例分析1T

23、1T1T1T整整 体体 强强 度度 表表 面面 强强 度度 带带 传传 动动 转转 动动 心心 轴轴 齿齿 轮轮 传传 动动滚滚 动动 轴轴 承承 齿根弯曲齿根弯曲齿面接触齿面接触 带受不对称循带受不对称循环拉应力环拉应力T T1 1带运动周期带运动周期 转动心轴受对称转动心轴受对称循环弯曲应力循环弯曲应力T T1 1轴转动周期轴转动周期 双向回转齿轮齿根受双向回转齿轮齿根受对称循环弯曲应力对称循环弯曲应力 单向回转齿轮齿根受单向回转齿轮齿根受脉动循环弯曲应力脉动循环弯曲应力T T1 1齿轮受力周期齿轮受力周期 齿面受脉动循环齿面受脉动循环接触应力接触应力T T1 1轮齿受力周轮齿受力周期期

24、外圈滚道表面受脉外圈滚道表面受脉动循环接触应力动循环接触应力T T1 1外圈滚道表面外圈滚道表面受力周期受力周期 T1tdcbbcdT1tOT1btOObT1HOt T1tOH 1 1是非题是非题(1) (1) 受静载荷作用的零件中产生的应力称为静应力。受静载荷作用的零件中产生的应力称为静应力。 ( )( )(2) (2) 零件本身重量在零件中产生的应力，因为重力的方向是一零件本身重量在零件中产生的应力，因为重力的方向是一定的，所以产生的应力都是静应力。定的，所以产生的应力都是静应力。 ( )( )(3) (3) 根据机器的额定功率计算出作用在零件上的载荷称为名义根据机器的额定功率计算出作用在

25、零件上的载荷称为名义载荷。载荷。 ( )( )(4) (4) 合金钢是塑性材料。合金钢是塑性材料。 ( )( )(5) (5) 灰铸铁的抗拉和抗压能力是相近似的。灰铸铁的抗拉和抗压能力是相近似的。 ( )( )四、复习题四、复习题 2 2填空题填空题 (1) (1) 机械是机械是 和和 的的总称总称。 (2) (2) 举出举出三种机械设计的新方法三种机械设计的新方法： ； ； 。 (3) (3) 标准代号标准代号GBGB代表代表 ，ISOISO代表代表 。 选择题选择题 (1) (1) 计算载荷等于计算载荷等于 。 a a机械零件的外载荷机械零件的外载荷 b b载荷系数与名义载荷的乘积载荷系数

26、与名义载荷的乘积 d d动载荷加名义载荷动载荷加名义载荷 c c零件必要的承载能力零件必要的承载能力四、复习题四、复习题 (2) (2) 零件在零件在 长期作用下将引起疲劳破坏。长期作用下将引起疲劳破坏。 a a交变应力交变应力 b b静应力静应力 d d切应力切应力 d d正应力正应力 (3) 45(3) 45钢的含碳量为钢的含碳量为 。 a a4.5%4.5% b b42%42%50%50%c c0.045%0.045%d d0.45%0.45% (4) (4) 对大量生产、强度要求高、尺寸不大、形状较简单的零件，对大量生产、强度要求高、尺寸不大、形状较简单的零件， 应选择应选择 。 a

27、a自由锻造毛坯自由锻造毛坯 b b冲压毛坯冲压毛坯 c c模锻毛坯模锻毛坯 d d铸造毛坯铸造毛坯 (5) (5) 对于大型齿轮减速器的箱体，单件生产时最好采用对于大型齿轮减速器的箱体，单件生产时最好采用 。 a a灰铸铁铸造灰铸铁铸造 b b钢板焊接钢板焊接 c c球墨铸铁铸造球墨铸铁铸造 d d铸钢铸钢 四、复习题四、复习题 问答题问答题(1) (1) 本课程的性质与任务是什么？和前面学过的几门技术基本课程的性质与任务是什么？和前面学过的几门技术基础课相比，本课程有什么特点？应采取怎样的学习方法？础课相比，本课程有什么特点？应采取怎样的学习方法？ (2) (2) 机器与机构有何区别？试举例

28、说明。机器与机构有何区别？试举例说明。 (3) (3) 构件与零件有何区别？试举例说明。构件与零件有何区别？试举例说明。(4) (4) 什么叫一般尺寸和参数的通用零件？试就一台机器中的什么叫一般尺寸和参数的通用零件？试就一台机器中的连接零件、传动零件、轴系零件和其他零件各举两例。连接零件、传动零件、轴系零件和其他零件各举两例。 (5) (5) 指出洗衣机中若干专用零件和通用零件。指出洗衣机中若干专用零件和通用零件。(6) (6) 指出下列机器的动力部分、传动部分、控制部分和执行指出下列机器的动力部分、传动部分、控制部分和执行部分：部分：汽车；汽车；自行车；自行车；车床；车床；电风扇；电风扇；电

29、梯。电梯。四、复习题四、复习题 (7) (7) 对对具有下述功用的机器各举出两个实例具有下述功用的机器各举出两个实例： 原动机；原动机； 将将机械能变换为其机械能变换为其他形式能量的机器；他形式能量的机器； 传递传递物料的物料的机器；机器； 传递传递机械能的机器机械能的机器。(8) (8) 什么什么是机械设计是机械设计中的三化？它有什么意义？中的三化？它有什么意义？(9) (9) 以以自行车为例说明如何推行系列化、自行车为例说明如何推行系列化、通用化和标准化？通用化和标准化？(10) (10) 设计设计机器应满足哪些要求机器应满足哪些要求？ (11) (11) 机器机器的机架可用铸铁、铸钢、铸

30、铝或钢板焊接而成，分析的机架可用铸铁、铸钢、铸铝或钢板焊接而成，分析它们的优缺点和适用场合它们的优缺点和适用场合。(12) (12) 机械设计的基本要求是机械设计的基本要求是什么什么？(13) (13) 通过通过本课程学习应达到哪些要求本课程学习应达到哪些要求？四、复习题四、复习题 5 5分析题分析题 由于电子计算器的发展，使计算尺退出由于电子计算器的发展，使计算尺退出了产品市场。请你举出一种机械产品，分析了产品市场。请你举出一种机械产品，分析其由于有新产品出现而退出市场的原因。其由于有新产品出现而退出市场的原因。四、复习题四、复习题 (1) (1) 错错 (2) (2) 错错 (3) (3)

31、 对对 (4) (4) 对对 (5) (5) 对对 (1) (1) 机器机器，机构，机构 (2) (2) 计算机辅助设计计算机辅助设计，优化设计，可靠性设计，优化设计，可靠性设计 (3) (3) 国家标准国家标准，国际标准，国际标准 (1) b (2) a (3) d (4) c (5) b (1) b (2) a (3) d (4) c (5) b五、复习题参考答案五、复习题参考答案一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求二、学习指导二、学习指导三、典型实例分析三、典型实例分析四四、复习题、复习题五、复习题参考答案五、复习题参考答案第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析回目录

32、 1 1基本内容基本内容(1) (1) 平面运动副及其分类；平面运动副及其分类；(2) (2) 平面机构运动简图的绘制方法；平面机构运动简图的绘制方法；(3) (3) 平面机构自由度的计算。平面机构自由度的计算。一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求 2 2学习要求学习要求 (1) (1) 熟悉构件自由度、约束和运动副的概念，掌握熟悉构件自由度、约束和运动副的概念，掌握各种平面运动副和高副的一般表示方法。通过实践初步各种平面运动副和高副的一般表示方法。通过实践初步掌握将实际机构绘制成机构运动简图的技能。掌握将实际机构绘制成机构运动简图的技能。 (2) (2) 能识别平面机构运动简图中的复

33、合铰链、局部能识别平面机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，会运用公式计算平面机构的自由度并自由度和虚约束，会运用公式计算平面机构的自由度并判断其运动是否确定。判断其运动是否确定。一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求3 3重点重点(1) (1) 运动副的概念及分类，能看懂并能绘制平运动副的概念及分类，能看懂并能绘制平面机构运动简图；面机构运动简图；(2) (2) 机构自由度的计算及机构具有确定运动的机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。条件。 4 4难点难点复合铰链、局部自由度和虚约束的判断。复合铰链、局部自由度和虚约束的判断。一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求二

34、、学习指导二、学习指导 1. 1. 运动副运动副 两构件直接接触并能产生一定相对运动的连两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。两构件通过面接触所构成的运动接称为运动副。两构件通过面接触所构成的运动副称为低副，见图副称为低副，见图2-12-1；两构件通过点或线接触；两构件通过点或线接触所构成的运动副称为高副，见图所构成的运动副称为高副，见图2-2 2-2 。 为方便学习和记忆，将平面机构常用运动副为方便学习和记忆，将平面机构常用运动副及其特性列于下表中。及其特性列于下表中。 二、学习指导二、学习指导 类类 别别引入约束数引入约束数保留自由度数保留自由度数特特 点点 转动转动移动移动

35、转动转动移动移动低低副副转动副转动副 0210 两构件间面接触，能两构件间面接触，能承受较大压力，易于润承受较大压力，易于润滑，经久耐用，具有运滑，经久耐用，具有运动可逆性动可逆性 移动副移动副1101高高副副凸轮副凸轮副0111 两构件间为点或线接两构件间为点或线接触，单位压力较大，易触，单位压力较大，易磨损，因具有较多自由磨损，因具有较多自由度，所以比低副易获得度，所以比低副易获得复杂运动规律复杂运动规律 齿轮副齿轮副0111二、学习指导二、学习指导转动副转动副 移动副移动副 低副：低副： a.a. 面接触；面接触； b. b. 有一个自由度，转动或移动。有一个自由度，转动或移动。 （约束

36、了二个自由度）（约束了二个自由度）图图2-1二、学习指导二、学习指导 高副：高副： a.a. 点或线接触；点或线接触； b. b. 有两个自由度，转动有两个自由度，转动 + + 移动。移动。 （约束了一个自由度）（约束了一个自由度）图图2-21 1构件构件1 2 2构件构件2二、学习指导二、学习指导 2. 2. 机构运动简图的绘制方法机构运动简图的绘制方法 绘制机构运动简图时，要用简单的线条表示构件，用规定的符绘制机构运动简图时，要用简单的线条表示构件，用规定的符号表示运动副。为了反映机构的真实运动，代表转动副的圆，其圆号表示运动副。为了反映机构的真实运动，代表转动副的圆，其圆心必须与相对回转

37、中心重合；代表移动副的滑块，其导路方向必须心必须与相对回转中心重合；代表移动副的滑块，其导路方向必须与相对移动方向一致；如两构件组成高副，应画出两构件接触处的与相对移动方向一致；如两构件组成高副，应画出两构件接触处的轮廓曲线；应特别注意合理选择视图平面，并确定一个瞬时的机构轮廓曲线；应特别注意合理选择视图平面，并确定一个瞬时的机构位置，通常选取平行于机构的运动平面为视图平面，必要时还可以位置，通常选取平行于机构的运动平面为视图平面，必要时还可以再补充辅助视图；一个机构运动简图一般只表示出一个瞬时的机构再补充辅助视图；一个机构运动简图一般只表示出一个瞬时的机构位置，如无特殊指明某一位置要求，则应

38、选择各构件不相互重叠的位置，如无特殊指明某一位置要求，则应选择各构件不相互重叠的机构位置，以使图面简单清晰。机构位置，以使图面简单清晰。 要求学生能对实际机构进行测量并绘制出机构运动简图，同时要求学生能对实际机构进行测量并绘制出机构运动简图，同时能较熟练地看懂教材中的平面机构运动简图。能较熟练地看懂教材中的平面机构运动简图。 二、学习指导二、学习指导 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 (1) (1) 平面机构自由度的计算公式：平面机构自由度的计算公式：F F =3=3n n-2-2P PL L - -P PH H (2) (2) 在计算平面机构自由度时应注意的问题在计算平面机构自由度时

39、应注意的问题 复合铰链复合铰链。如果如果m m个构件在一处组成铰链，则该处个构件在一处组成铰链，则该处的转动副数目应为的转动副数目应为 ( (m m1) 1) 个。应注意复合铰链是指两个个。应注意复合铰链是指两个以上构件同时在一处用转动副相连，而不应仅仅根据若干以上构件同时在一处用转动副相连，而不应仅仅根据若干构件汇交来判断。如图构件汇交来判断。如图2-32-3所示所示，铰链，铰链C 处构件处构件2 2、3 3、4 4构构成复合铰链，成复合铰链，C 处要按两个转动副计算；而铰链处要按两个转动副计算；而铰链E 处虽有处虽有4 4、5 5、6 6三个构件汇交，其中构件三个构件汇交，其中构件5 5、

40、6 6 构成移动副，构件构成移动副，构件4 4、5 5构成转动副，因此构成转动副，因此E 处三个构件构成一个移动副和一处三个构件构成一个移动副和一个转动副，不存在复合铰链。个转动副，不存在复合铰链。 24312345C6Ea)a)b)b)图图2-3c)c)二、学习指导二、学习指导 局部自由度局部自由度( (图图2-4)2-4)。与整个机构运动无关的自由度称。与整个机构运动无关的自由度称为局部自由度，在计算机构自由度时应除去不计。在平面机构为局部自由度，在计算机构自由度时应除去不计。在平面机构中，局部自由度主要出现在有滚子的场合，见图中，局部自由度主要出现在有滚子的场合，见图 2-42-4C处，

41、滚处，滚子绕其回转中心的运动是局部自由度，为了防止误判构件数和子绕其回转中心的运动是局部自由度，为了防止误判构件数和运动副数，建议将滚子与安装件假设焊在一起，计算时要将滚运动副数，建议将滚子与安装件假设焊在一起，计算时要将滚子与构件子与构件2 2作为一个构件来处理。作为一个构件来处理。图图2-42-4c)二、学习指导二、学习指导 虚约束。虚约束。 虚约束的判别是本章的难点。我们知道，虚约束的判别是本章的难点。我们知道，在机构中，当两构件组成运动副时，将引入约束限制两构件在机构中，当两构件组成运动副时，将引入约束限制两构件间的相对运动。但是，有的运动副所引入的某些约束，可能间的相对运动。但是，有

42、的运动副所引入的某些约束，可能与其他约束重复，即这些约束对机构运动的限制与其他约束与其他约束重复，即这些约束对机构运动的限制与其他约束对机构运动的限制重复，因而对机构的运动实际起不到约束对机构运动的限制重复，因而对机构的运动实际起不到约束作用，这种约束称为作用，这种约束称为“虚约束虚约束”。在计算机构自由度时，应。在计算机构自由度时，应将虚约束除去不计。虚约束比较复杂，故只要求理解和熟悉将虚约束除去不计。虚约束比较复杂，故只要求理解和熟悉以下几种场合中的虚约束。以下几种场合中的虚约束。 二、学习指导二、学习指导 a) a) 由两构件组成多个导路平行的移动副而产生的虚约由两构件组成多个导路平行的

43、移动副而产生的虚约束，见图束，见图2-5 2-5 H、G处，这种虚约束出现的情况最多，应引起处，这种虚约束出现的情况最多，应引起足够的重视。足够的重视。 b) b) 由两构件组成多个轴线重合的转动副而出现的虚约由两构件组成多个轴线重合的转动副而出现的虚约束，见教材图束，见教材图2-142-14，齿轮轴，齿轮轴2 2由由机架机架1 1上的两个轴承支承，在上的两个轴承支承，在计算自由度时，应按一个转动副计算。计算自由度时，应按一个转动副计算。图图2-5 虚约束虚约束 H G二、学习指导二、学习指导 c) c) 机构中对传递运动起重复作用的对称部分，将引起机构中对传递运动起重复作用的对称部分，将引起

44、虚约束。见图虚约束。见图2-62-6，中心轮，中心轮1 1经过行星轮经过行星轮2 2、2 2和和2 2驱动内齿驱动内齿轮轮3 3，为了使机构受力均匀和改善动平衡性能，常对称安装行，为了使机构受力均匀和改善动平衡性能，常对称安装行星轮，从运动传递的角度来说仅有一个行星轮星轮，从运动传递的角度来说仅有一个行星轮2 2起作用，其余起作用，其余两个行星轮两个行星轮2 2和和2 2引入的约束为虚约束，计算机构自由度引入的约束为虚约束，计算机构自由度时应除去不计。该周转轮系的自由度按时应除去不计。该周转轮系的自由度按 n n =3=3，P PL L=3=3，P PH H =2 =2来来计算。所以计算。所以

45、F=3n2PLPH=33232=1 图图2-62-6二、学习指导二、学习指导 d) d) 在平行四边形机构中加入一在平行四边形机构中加入一个与某边平行且相等的构件，造成轨个与某边平行且相等的构件，造成轨迹重合而产生的虚约束，见图迹重合而产生的虚约束，见图2-72-7，构件构件5 5引入的运动副为虚约束，计算引入的运动副为虚约束，计算机构的自由度时要将构件机构的自由度时要将构件5 5及运动副及运动副均除去不计。此时均除去不计。此时 n n=3=3，P PL L =4 =4，P PH H =0=0，故机构的自由度数为，故机构的自由度数为F F=3=3n n2 2P PL LP PH H=3=33

46、32 24 40=10=1其他类型的轨迹重合比较复杂，可参见有关资料。其他类型的轨迹重合比较复杂，可参见有关资料。图图2-75二、学习指导二、学习指导 (3) (3) 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 机构原动件的数目机构原动件的数目N N必须等于机构自由度的数目必须等于机构自由度的数目F F。如果如果F FN N，则机构运动不确定；如果，则机构运动不确定；如果F FN N，则机构不能，则机构不能运动。运动。 在进行平面机构的结构分析时，有时会遇到这样的在进行平面机构的结构分析时，有时会遇到这样的问题，即所设计或分析的机构，经过计算，其自由度数问题，即所设计或分析的机构，经过计算，

47、其自由度数F F0 0。显然，该构件组合不能运动，故也不能称其为机。显然，该构件组合不能运动，故也不能称其为机构。构。 二、学习指导二、学习指导三、典型实例分析三、典型实例分析 例例2-1 2-1 图图2-82-8为简易冲床设计方案，画结构简图并分析其为简易冲床设计方案，画结构简图并分析其能否运动，设法改正错误。能否运动，设法改正错误。图图2-8 解：由图解：由图2-9a 2-9a 得得 n n=3=3，P PL L=4=4，P PH H=1=1。 机构自由度为机构自由度为F F = 3 = 3 n n2 2P PL LP PH H =3=33 32 24 41 = 01 = 0 计算结果表明

48、：该构件组合不能运动，原方案需要按以下计算结果表明：该构件组合不能运动，原方案需要按以下方法修改。方法修改。 1) 1) 在机构的适当位置增加一个活动构件和一个低副；在机构的适当位置增加一个活动构件和一个低副； 2) 2) 在机构的适当位置用一个高副代替一个低副。在机构的适当位置用一个高副代替一个低副。 按按 1)1)、2)2)修改后的机构能满足工作的要求，其运动简图见修改后的机构能满足工作的要求，其运动简图见图图2-9 b2-9 b、c c、d d，它们的机构自由度数，它们的机构自由度数F F 均为均为1 1，即当机构具有，即当机构具有一个原动件时，该机构具有确定的运动。一个原动件时，该机构

49、具有确定的运动。三、典型实例分析三、典型实例分析 b a c d 图图2-9）三、典型实例分析三、典型实例分析 例例2-2 2-2 计算图计算图2-102-10中牛头刨床传动机构的自由度。中牛头刨床传动机构的自由度。 解：解：n n=6=6，P PL L= 8= 8，P PH H=1=1。 F F=3=3n n-2-2P PL L- -P PH H=3=3 6-26-2 8-1=18-1=1即该机构只有一个自由度，与原即该机构只有一个自由度，与原动件数相同（齿轮动件数相同（齿轮3 3为原动件）为原动件）。所以所以, ,满足机构具有确定运动满足机构具有确定运动的条件。的条件。图图2-10三、典型

50、实例分析三、典型实例分析 例例2-3 2-3 已知一机构如图已知一机构如图2-112-11所示，求其自由度。所示，求其自由度。 解：解：1. 1. A A、B B、C C、D D 处为复合铰链处为复合铰链 2. 2. n n =7 =7 P PL L= 10 = 10 P PH H=0=0 F F =3=3n n-2-2P PL L- -P PH H=3=3 7-27-2 10-0=110-0=1即该机构只有一个自由度，与原动件数即该机构只有一个自由度，与原动件数相同（杆相同（杆8 8为原动件）为原动件）。所以所以, ,满足机构满足机构具有确定运动的条件。具有确定运动的条件。图图2-11三、典

51、型实例分析三、典型实例分析 例例2-4 2-4 已知一机构如图已知一机构如图2-122-12所示，求其自由度。所示，求其自由度。 解：解：n n=4 =4 P PL L= 6 = 6 P PH H=0=0 F F=3=3n n-2-2P PL L- -P PH H=3=3 4-24-2 6-0=0 6-0=0 即该机构自由度为即该机构自由度为0 0，它的各构，它的各构件之间不能产生相对运动件之间不能产生相对运动。12345图图2-12三、典型实例分析三、典型实例分析 例例2-5 2-5 计算图计算图2-132-13所示大筛机构的自由度。所示大筛机构的自由度。 解：解：E E或或 E E 为虚约

52、束为虚约束 C C 为复合铰链为复合铰链 F F 为局部自由度为局部自由度 n n=7 =7 P PL L= 9 = 9 P PH H=1=1 F F=3=3n n-2-2P PL L- -P PH H=3=3 7-27-2 9-1=2 9-1=2 即该机构自由度为即该机构自由度为2 2 ，具有两个原动件，即杆，具有两个原动件，即杆ABAB、凸轮、凸轮O O。图图2-13三、典型实例分析三、典型实例分析 例例2-6 2-6 图图2-142-14为电为电动铰车上的周转轮系传动动铰车上的周转轮系传动机构。试分别计算闸瓦机构。试分别计算闸瓦K K 制动和未制动时机构的自制动和未制动时机构的自由度。由

53、度。图图2-14三、典型实例分析三、典型实例分析 KHABDCE 解：解：(1) (1) 当闸瓦当闸瓦K未制动时，机构中的活动构件有齿轮未制动时，机构中的活动构件有齿轮1 1、2 2、3 3及及转臂转臂H H，A、B、C 三处为转动副，其中三处为转动副，其中B 处有复合铰链，处有复合铰链，D、E 两处为两处为高副。即高副。即n n =4 =4，P PL L=4=4，P PH H=2=2，故该机构的自由度为，故该机构的自由度为F F = 3 = 3 n n2 2P PL LP PH H =3 =34 42 24 42 = 22 = 2 该机构具有两个自由度。这种具有两个自由度的周转轮系称为差该机

54、构具有两个自由度。这种具有两个自由度的周转轮系称为差动轮系。机构为获得确定的相对运动，需要给定两个原动件。动轮系。机构为获得确定的相对运动，需要给定两个原动件。 (2) (2) 当闸瓦当闸瓦K 制动时，齿轮制动时，齿轮3 3成为机架，此时成为机架，此时n n =3 =3，P PL L=3=3，P PH H=2=2，则则F F = 3 = 3n n2 2P PL LP PH H =3 =33 32 23 32 = 12 = 1 该周转轮系具有一个自由度。这种具有一个自由度的周转轮系称该周转轮系具有一个自由度。这种具有一个自由度的周转轮系称为行星轮系。只要给定一个原动件，机构就具有确定的相对运动。

55、为行星轮系。只要给定一个原动件，机构就具有确定的相对运动。三、典型实例分析三、典型实例分析 填空题填空题 （1 1）两构件通过）两构件通过 接触接触组成的运动副称为低副，低副又组成的运动副称为低副，低副又分为分为 副和副和 副副两种两种。 （2 2）两构件通过点或线接触的运动副叫作）两构件通过点或线接触的运动副叫作 。 （3 3）机构中存在与整个机构运动无关的自由度称为）机构中存在与整个机构运动无关的自由度称为 。在计算机构自由度时在计算机构自由度时应应 。 （4 4）在任何一个机构中，只能有）在任何一个机构中，只能有 个构件作为机架个构件作为机架。四、复习题四、复习题 选择题选择题 （1 1

56、）一个作平面运动的自由构件具有）一个作平面运动的自由构件具有 自由度。自由度。 a a一个一个 b b二个二个 c c三个三个 d d四个四个 （2 2）平面机构中的高副所引入的约束数目为）平面机构中的高副所引入的约束数目为 。 a a一个一个 b b二个二个 c c三个三个 d d四个四个 （3 3）平面机构中的低副所保留的自由度数目为）平面机构中的低副所保留的自由度数目为 。 a a一个一个 b b二个二个 c c三个三个 d d四个四个 （4 4）当机构的原动件数）当机构的原动件数 机构的自由度数时，该机构机构的自由度数时，该机构具有确定的相对运动。具有确定的相对运动。 a a大于大于

57、b b等于等于 c c小于小于四、复习题四、复习题 问答题问答题 （1 1）何谓运动副？何谓高副和低副？每种运动副各引入）何谓运动副？何谓高副和低副？每种运动副各引入几个约束？几个约束？ （2 2）何谓机构运动简图？它有何实际意义？由实际机械）何谓机构运动简图？它有何实际意义？由实际机械绘制机构运动简图的步骤如何？绘制机构运动简图的步骤如何？ （3 3）平面机构自由度的计算公式是什么？应用公式计算）平面机构自由度的计算公式是什么？应用公式计算机构自由度时应注意哪些问题？机构自由度时应注意哪些问题？ （4 4）平面机构具有确定运动的条件是什么？）平面机构具有确定运动的条件是什么？ 四、复习题四、

58、复习题 计算题计算题 指出图指出图2-152-15图图2-212-21机构运动简图中的复合铰链、局部机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算机构自由度并判断机构是否具有确定自由度和虚约束，计算机构自由度并判断机构是否具有确定的运动。的运动。图图2-15图图2-16四、复习题四、复习题图图 2-17图图 2-18图图 2-19四、复习题四、复习题图图 2-20图图 2-21四、复习题四、复习题 (1) (1) 面，转动副，移动副面，转动副，移动副 (2) (2) 高副高副 (3) (3) 局部自由度，应去掉局部自由度，应去掉 (4) (4) (1) c (2) a (3) a (4)

59、b (1) c (2) a (3) a (4) b五、复习题参考答案五、复习题参考答案一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求二、学习指导二、学习指导三、典型实例分析三、典型实例分析四、复习题四、复习题五、复习题参考答案五、复习题参考答案第三章第三章 平面连杆机构平面连杆机构回目录 1 1基本内容基本内容(1) (1) 铰链四杆机构的铰链四杆机构的基本形式基本形式及应用及应用；(2) (2) 铰链四杆机构的传动特性铰链四杆机构的传动特性；(3) (3) 铰链四杆机构的曲柄存在条件铰链四杆机构的曲柄存在条件；(4) (4) 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化；(5) (5) 平面四杆机构的

60、设计平面四杆机构的设计。一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求2 2学习要求学习要求(1) (1) 掌握铰链四杆机构的掌握铰链四杆机构的基本形式基本形式、应用和演化、应用和演化；(2) (2) 熟悉曲柄存在熟悉曲柄存在的条件、压力角、传动角、死点位的条件、压力角、传动角、死点位置、极限位置、极位夹角、行程速比系数等基本概念，并置、极限位置、极位夹角、行程速比系数等基本概念，并能绘图表示；能绘图表示； (3) (3) 了解四杆机构设计的基本问题，掌握设计平面四了解四杆机构设计的基本问题，掌握设计平面四杆机构的基本方法杆机构的基本方法。一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求 3. 3.