全套电子课件：机械基础-第五套

1、第1章 绪 论 （时间：2次课，4学时）第1章 绪 论 教学目标： 本章阐述机械和机器的概念，从结构和功能的角度分析机器的组成，给出机构、构件、零件及部件的概念；明确机械设计的基本要求和机械设计的类型，概述开发型设计一般过程的五个阶段及其工作内容；简述机械系统方案设计和零部件设计的要求及内容、零件失效的常见形式和六个计算准则；概述标准化的意义、内容及我国的标准；明确零件材料选用应从使用要求、工艺性及经济性等3个方面综合考虑；在分析传统机械设计的局限性的基础上，综述现代机械设计的两个思想和主要设计方法。特别强调了创造力及其开发与创新思维的6个法则以及“人机环境”系统观与可持续发展战略。 第1章

2、绪 论 重点与难点：机械设计的基本概念和机械零件的设计原则本课程的作用第1章 绪 论 案例导入： 用内燃机和颚式破碎机作为案例导入。提出机器的共同特征、机器与机构的区别、通用零件和专用零件的概念，介绍机械设计的基本要求及机械设计的一般过程。 1.1 机器及其组成 1.2 课程的内容、地位、学习目的和学习方法 1.3 机械设计的基本要求及一般过程 1.4 机械零件设计的基本要求及一般方法 1.5 机械零件的失效分析及设计计算准则 1.6 机械零件的常用材料及选用 1.7 本章实训 机械设计现场教学(含陈列室参观) 1.8 习题与练习 第1章 绪 论1.1 机器及其组成1.1.1 机器与机构 1.

3、1.2 零件、部件和构件 1.1.3 机器的组成 1.1.4 机器的种类 1.1.1 机器与机构在人们的生产和生活中广泛地使用着各种类型的机器。常见的如内燃机、机床、汽车、火车、发电机、洗衣机等。什么是机器，其定义如何？下面分析一个实例。如图1.1所示为单缸内燃机工作原理，当燃气推动活塞7在气缸6内运动，通过连杆8使曲轴9作连续转动。曲轴上的齿轮1带动凸轮轴上的齿轮2，再由齿轮2带动两个凸轮3，控制排气阀4和进气阀5启闭，可燃混合气体通过进气阀5定时进入气缸6，废气通过排气阀4定时排出气缸6，从而燃料燃烧产生的热能不断转化为机械能。机器的种类繁多，各类机器的功用不同，工作原理和结构特点也不相同

4、。但是，各类机器都有着共同的特征：1.1.1 机器与机构(a) 结构简图 (b) 机构运动简图1、2齿轮；3凸轮；4排气阀；5进气阀；6气缸体；7活塞；8连杆；9曲轴图1.1 单缸四冲程内燃机1.1.2 零件、部件和构件从制造和装配的观点看，机器由许多独立加工、独立装配的单元体组成，这些单元体称为零件。若干个零件组成机构，若干个机构组成机器。零件是组成机器的最小制造单元，是机器的基本组成要素。概括地讲机械零件可分为两大类：一类是在各种机器中都能用到的零件，叫做通用零件，如齿轮、螺栓、轴承、带、带轮等；另一类则是在特定类型的机器中才能用到的零件，叫做专用零件，如曲轴、吊钩、叶片、叶轮等。1.1.

5、3 机器的组成1. 按功能分析机器的组成机器种类繁多，形状各异，但就其功能而言，机器是由动力部分(原动机)、控制部分、传动机构、支撑及辅助部分和执行机构等5个部分组成，如图1.2所示。图1.2 机器的组成 1.1.3 机器的组成2. 现代机器及其主要特征(1) 现代机器及其组成随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密机械技术、系统总体技术的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现代机械工业。现代机器已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。 现代机器的定义。由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包

6、括机械力、运动和能量转换动力学任务的机械和(或)机电部件相互联系的系统。 现代机器的组成。焊接机器人就是典型的现代机器，它的执行系统是操作机，由它来完成焊接操作。 1.1.3 机器的组成(2) 现代机器的主要特征现代机器是由机械技术与电子技术有机结合的一个全新系统。它与传统机器比较，具有以下主要特征。 功能增加，柔性提高。 结构简化，性能改善。 效率提高，成本降低。 1.1.4 机器的种类机器是我们生产与生活中不可缺少的产品。人类已设计、制造出各种各样的机器，如自行车、摩托车、汽车、内燃机、金属切削机床和吊车等。从结构或功能上看，这些机器的差异十分明显，但从机械设计的角度看，这些机器却具有许多

7、共同的特点。 1.2 课程的内容、地位、学习目的和学习方法1.2.1 本课程的内容1.2.2 本课程的地位1.2.3 学习本课程的目的1.2.4 学习方法1.2.1 本课程的内容机器是由若干机构及零部件组成，机器的功能指标取决于机构类型及零部件的工作能力。为此，本课程内容在简要介绍有关整部机器设计的基本知识的基础上，重点讨论常用机构的组成原理、传动特点、功能特性、设计方法等基本知识；重点讨论通用机械零件在一般工作条件下的工作原理、结构特点、选用及设计计算问题。1.2.2 本课程的地位 本课程是一门技术基础课，它综合运用了工程力学、金属工艺学、机械制图、公差配合等先修课程知识，解决常用机构及通用

8、零部件的分析设计问题，较之以往的先修课程更接近工程实际，但也有别于专业课程，它主要是研究各类机械所具有的共性问题，在机电类专业课程体系中占有重要位置。1.2.3 学习本课程的目的 (1) 熟悉常用机构的工作原理、运动特性及机械设计的基本理论和方法，基本掌握通用零件的工作原理、选用和维护等方面的知识。(2) 具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。(3) 培养学生初步具有运用标准手册，查阅相关技术资料进行一般参数的通用零件和简单机械传动装置的设计计算能力，为学习后续专业课程打好基础。总之，本课程是理论性和实践性都很强的机械类及近机类专业的主干课程之一，在教学中具有承上启下的作用，

9、是机械工程技术人才培养的必修课程。1.2.4 学习方法 本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点。 1.3 机械设计的基本要求及一般过程 1.3.1 机械设计的基本要求 1.3.2 机械设计的类型 1.3.3 机械设计的一般过程 1.3.1 机械设计的基本要求 机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品；没有经济观念的设计者，绝不可能设计出性能价格比好的产品。1.3

10、.1 机械设计的基本要求 1. 满足社会需求机械产品的设计总是以社会需求为前提，一项产品的性能应尽量满足用户的需求。没有需求就没有市场，也就失去了产品存在的价值和依据。社会的需求是变化的，不同时期、不同地点、不同的社会环境就会有不同的市场行情和需求。产品应不断地更新改进，适应市场的变化；否则就会滞销、积压，造成浪费，影响企业的经济效益，严重时甚至导致企业的倒闭。所以，设计师必须确立市场观念，以社会需求和为用户服务作为最基本的出发点。1.3.1 机械设计的基本要求 2. 可靠性要求可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。这里所指的“产品”可以是零件、部件等，也可以是整机系统

11、。“规定条件”是指对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力、强度、湿度、粉尘及腐蚀等，也包括操作规程、维修方法等。“规定时间”是指对产品可靠性考核时所规定的时间，如运行时间、应力循环次数、行驶的里程等。“规定功能”是指对产品考核的具体功能，产品规定功能的丧失称为失效，对可修复产品的失效也称为故障。1.3.1 机械设计的基本要求 3. 经济性要求提高产品的经济性，既是增加产品市场竞争力、赢得用户的需要，也是节约社会劳动、提高社会效益的需要。提高产品的经济性是以寿命周期成本最低为目标的。寿命周期成本是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所支出

12、费用的总和。寿命周期成本=生产成本+使用成本生产成本=直接成本+间接成本1.3.1 机械设计的基本要求 4. 安全性要求机器的安全性包括两方面。(1) 机器执行预期功能的安全性。即机器运行时系统本身的安全性，如满足必要的强度、刚度、稳定性、耐磨性等要求。(2) 人机环境系统的安全性。机器是为人类服务的，同时它又在一定的环境中工作，人、机、环境三者构成一个特定的系统。 劳动安全。为了保障操作人员的安全，应在机器的醒目位置标明有关安全方面的警告，尤其是机器运行时可能对人体造成伤害的危险部位，实行切实有效的保护。 环境保护。所设计的机器应符合环境保护法规及标准，如“三废”治理、除尘、防爆、防火、防毒

13、及噪声控制等方面的要求。1.3.1 机械设计的基本要求 5. 推行标准化要求在机械设计中应尽可能地遵循标准化的原则。机械产品标准化的内容包括标准化、系列化和通用化等三方面，简称机械产品的“三化”。标准化是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造及修配中共同遵照使用。如螺栓、螺母、垫圈等的标准化。1.3.1 机械设计的基本要求 6. 体现工艺造型美观要求重视产品的工艺造型设计，不仅要功能强、价格低，而且外形美观、实用，使产品在市场上富有竞争力。1.3.2 机械设计的类型 机械设计是一项创造性劳动，同时也是对已有成功经验的继

14、承过程。根据实际情况的不同可以分成三种类型。(1) 开发性设计机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。(2) 适应性设计在现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。(3) 变形设计机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构。1.3.3 机械设计的一般过程 机械产品设计的过程是一个复杂的过程，不同类型的产品、不同类型的设计，其产品的设计过程不尽相同。产品的开发性设计过程大致包括规划设

15、计、方案设计、技术设计、施工设计及改进设计等五个阶段。1.4 机械零件设计的基本要求及一般方法 1.4.1 机械零件设计的基本要求1.4.2 机械零件设计的一般方法1.4.1 机械零件设计的基本要求 机械零部件设计是机械设计的重要组成部分，机械运动方案中的机构和构件只有通过零部件设计才能得到用于加工的零件工作图和部件装配图，同时它也是机械总体设计的基础。 1.4.2 机械零件设计的一般方法机械零件的设计方法可分为常规设计方法和现代设计方法。1. 常规设计方法常规设计方法是目前广泛和长期采用的设计方法。也是本课程中机械零件设计时所采用的设计方法。常规设计方法有以下三种。(1) 理论设计理论设计是

16、根据现有的设计理论和实验数据所进行的设计。按照设计顺序的不同，零件的理论设计计算可分为设计计算和校核计算。(2) 经验设计经验设计是根据同类机器及零件已有的设计和长期使用累积的经验而归纳出的经验公式，或者是根据设计者的经验用类比法所进行的设计。(3) 模型实验设计对于尺寸特大、结构复杂、难以进行理论计算的重要零件可采用模型实验设计。1.4.2 机械零件设计的一般方法2. 现代设计方法简介机械设计在近30年来发生了相当大的变化，设计方法更趋于科学、完善，计算精度更高、计算速度更快。现代设计的主要方法有以下几种。(1) 计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer Aided Design，CA

17、D)是借助计算机运算快速准确、存贮量大和逻辑判断功能强等特点，通过人与计算机的交互方式来完成设计工作的。(2) 优化设计优化设计是将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学理论，选用适当的优化方法，并借助计算机求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种设计方法。(3) 可靠性设计机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而形成的一种综合性设计技术。1.4.2 机械零件设计的一般方法(4) 模块化设计模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合来构成不同的产品，以满足市场的不同

18、需求的一种设计制造方法。(5) 机械系统设计机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。其过程一般包括计划、外部系统设计(简称外部设计)、内部系统设计(简称内部设计)和制造销售四个阶段。(6) 价值分析价值分析(Value Analysis，简称VA)又叫价值工程(Value Engineering，简称VE)，它是一种使产品达到物美价廉的一种有效的现代管理技术，由于它应用于产品设计卓有成效，已发展成为现代设计方法中的一个重要内容。1.4.2 机械零件设计的一般方法(7) 专家系统专家系统是一种能够在专家水平上工作的计算机程序系统。由于它具有领域专家的丰富知识，又能进行逻辑演绎

19、推理，因此，它能够在特定的领域和范围内，运用领域专家的专门知识和推理能力，解决各种问题。(8) 机械动态设计机械动态设计是现代机械设计区别于传统机械设计的重要特征之一。(9) 并行设计对机械产品的设计，长期以来一直采用串行工程(又叫顺序工程)的方法。这种方法的缺点在于：在产品的设计、制造等过程中，后一个环节必须等待前一个环节结束后才能开始。1.5 机械零件的失效分析及设计计算准则1.5.1 机械零件的失效分析 1.5.2 机械零件的设计计算准则 1.5 机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低至许用值以下的现象，称为机械零件的失效。强度不够所引起的破坏是最常见的零

20、件失效形式，但不是零件失效的唯一形式。设计零件所依据的计算准则，是与零件的失效形式紧密联系在一起的，针对不同的失效形式，应提出不同的计算准则。 1.5.1 机械零件的失效分析 零件失效与破坏是两个概念，失效并不一定意味着破坏，如塑性材料制造的零件，工作时虽未断裂，但由于其过度变形而影响其他零件的正常工作也是失效；齿轮由于齿面发生点蚀丧失了工作精度；带传动由于摩擦力不足而发生打滑等都是失效。机械零件的常见失效形式有：断裂或过大的塑性变形；过大的弹性变形；工作表面失效(如磨损、疲劳点蚀、表面压溃、咬合等)；发生强烈的振动以及破坏正常工作条件引起的失效(如联接松动、摩擦表面打滑等)。1.5.1 机械

21、零件的失效分析 1. 磨损相对运动的零件表面因摩擦的存在，而导致零件表面材料的逐渐丧失。2. 表面压溃零件表面质量不高或硬度不够时，在外载荷作用下出现的碎裂现象。3. 过量变形机械零件受载工作时，必然会发生弹性变形。在允许范围内的微小弹性变形，对机器工作影响不大，但过量的弹性变形会使零件或机器不能正常工作，有时还会造成较大振动，致使零件损坏。4. 打滑靠表面摩擦力保持工作能力的带传动等，当传递的有效切向力超过临界摩擦力时，就将发生打滑失效。1.5.1 机械零件的失效分析 5. 疲劳点蚀作用在零件上的脉动交变应力超过其接触疲劳极限时，出现疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大使表面金属小片剥落形成疲劳点蚀。6.

22、 咬合两相对运动的零件在高速重载的作用下，常因接触区温升过高而使润滑油失效，使两零件直接接触，以至局部相互黏结，又被撕裂的现象。7. 断裂零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时便发生断裂。8. 振动失效高速运转的零件，当其转速等于或接近零件的自振频率时，会发生共振，使振幅急剧增大，导致零件及系统在短时期破坏。1.5.2 机械零件的设计计算准则 零件抵抗失效的安全工作限度称为零件的工作能力。在实际工作中，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，就会有不同的工作能力。根据不同失效原因建立起来的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。主要有以下几种。1. 强度

23、准则 2. 刚度准则 3. 耐磨性准则 4. 振动稳定性准则 5. 散热性准则 6. 可靠性准则 1.6 机械零件的常用材料及选用 1.6.1 选择材料所要考虑的因素 1.6.2 机械零件常用的材料种类 1.6.3 机械零件材料的使用条件及要求 1.6.1 选择材料所要考虑的因素 (1) 基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况(所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况)的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。(2) 对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。(3) 进行实验室试验以检验选用

24、材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。1.6.2 机械零件常用的材料种类 1. 黑色金属(1) 铸铁。铸铁和钢都是铁碳合金，它们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。(2) 钢。与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性，并可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。2. 有色金属(1) 铝合金。比重轻、导热导电性较好、塑性好、抗氧化性好，高强度铝合金强度可与碳素钢相近。(2) 铜合金。(3) 巴氏合金。也称轴承合金。有锡基巴氏合金和铅基巴氏合金之分。(4) 锌基合

25、金。铸造锌合金以锌和铝为主，可部分代替铸造青铜和巴氏合金以降低成本。1.6.2 机械零件常用的材料种类 3. 非金属材料(1) 塑料。轻、易加工成形、减摩性好，强度低，可作为普通机械零件、绝缘体。(2) 陶瓷。电热性好，硬度高。(3) 橡胶。弹性、绝缘性好，常用作弹性元件和密封元件、减震元件。4. 复合材料具有抗疲劳性能好，减振性好，耐高温，强度较高等优点。1.6.3 机械零件材料的使用条件及要求 机械零件所用的材料是各种各样的，即使同一种零件也可以选择不同的材料。因此，如何选择零件的材料是零件设计的重要一环。选用材料时主要考虑使用要求、工艺要求和经济要求。1.7 本章实训 机械设计现场教学(

26、含陈列室参观) 实训目的1. 初步认识机构的组成以及组成机构的构件和运动副。增强感性认识为下一章的学习打下一个良好的基础。注意以下一些名词术语。 (1) 构件：机架、活动构件、原动件、从动件、执行件。(2) 运动副：平面副、空间副、高副、低副、回转副、移动副。2. 初步了解常用机构的类型、组成及运动特点。3. 熟悉常用机构的应用实例。 实训过程1. 内容机构示范陈列室是为了加强学生对机构的直观认识，配合机械原理课程理论教学设置的。机构示范陈列室由14个示教板组成。陈列有平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等四大类共100余个常用机构模型，并配有文字说明和运动简图。可实现点动或顺序控制

27、运动演示，具有形象、直观的特点。2. 实训步骤按如图1.6所示的机构示范陈列室平面图中的序号从115逐板观察。 1.8 习题与练习 1. 填空题(1)习惯上，常用机械一词表示和的总称。(2)就其功能而言，机器是由、和等五个部分组成。(3)、和构成了机器的核心。(4)机械产品的设计总是以社会需求为前提，一项产品的性能应尽量满足用户的需求。所谓需求，就是对的需求，用户购买产品就是购买产品的。 1.8 习题与练习 2. 选择题(1)( )是指产品从规划、设计、制造、使用直至报废的整个寿命周期内所支出费用的总和。A生产成本 B使用成本 C间接成本 D寿命周期成本(2)机械产品标准化的内容包括( )。A

28、标准化B通用化 C规模化D系列化(3)产品的开发性设计过程大致包括( )、施工设计及改造设计等五个阶段。A规划设计 B方案设计 C技术设计 D强度设计(4)工艺性要求强调加工、装配具有良好的工艺性及( )。A强度高B维修方便C使用寿命长D方案设计周期短(5)怎样能更方便容易地选择我们所需要的材料？我们需要什么样的材料？建议从满足( )入手来选择材料。A功能要求，降低成本B强度要求C外观要求D成本要求1.8 习题与练习 3. 判断题(1)现代机器的定义突出计算机在现代机器中的协调控制的核心作用，同时也强调了现代机器的主要功能已不再是执行机械运动、完成有用功和能量的转换。( )(2)使用成本主要包

29、括管理、销售、广告、公用事业、保险福利、研究开发及利息等各项非直接生产环节的支出分摊到该产品的成本。( )(3)技术寿命是指机器从开始使用至因技术落后而被淘汰所经历的时间。( )(4)人-机-环境系统的安全性主要强调机器本身的安全。( )(5)在机械零件设计中，精度要求是需要满足的零件工作能力要求之一。( )1.8 习题与练习 4. 简答题(1)简述机器的共同特征。(2)指出零件、部件、构件的异同点。(3)现代机器有哪些主要特征？(4)机械设计应满足哪些基本要求？(5)如何提高设计与制造的经济性？1.8 习题与练习 5. 实作题进行机械制造工厂或机电五金商场进行实地调查，选择下列标题之一整理出

30、一份调查报告。(1) 机器的组成和功能。(2) 机器的设计过程。(3) 浅析各企业生产的(机电产品)功能及其性价比。(4) 工程材料市场调查报告。第2章 平面机构运动简图及自由度 （时间：1次课，2学时）第2章 平面机构运动简图及自由度教学目标： 平面机构是指各构件均在互相平行的平面内运动的机构。本章将主要讲解平面机构的组成、运动简图、机构具有确定运动的条件、自由度计算。重点介绍机构、运动副、自由度与约束等基本概念，机构运动简图的绘制和机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。复合铰链、局部自由度和虚约束的判断是正确计算自由度的关键。讲解机构运动简图绘制时，应安排一次机构运动简图测绘实验，以提

31、高教学效果。第2章 平面机构运动简图及自由度重点与难点：机构具有确定运动的条件机构运动简图的绘制平面机构自由度的计算机构中虚约束的确定第2章 平面机构运动简图及自由度案例导入： 绘制和阅读平面机构运动简图是机械类工程技术人员的基本能力之一，是进行机械产品的设计、分析的基础。 冲床是机械产品中常见的一种机械装置。学习者可以通过冲床机构运动简图的测绘，学习机构自由度的计算方法及其计算机构自由度时应注意的复合铰链、局部自由度和虚约束事项，以及机构运动简图测绘的基本步骤。2.1 机构组成及运动副 2.2 平面机构运动简图 2.3 平面机构具有确定运动的条件 2.4 本章实训 绘制机构运动简图和自由度计

32、算2.5 习题与练习 第2章 平面机构运动简图及自由度2.1 机构组成及运动副2.1.1 构件及其自由度 2.1.2 运动副与约束 2.1.3 运动副的分类 2.1 机构组成及运动副若组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动，则称该机构为平面机构，否则称为空间机构。大多数机构为平面机构，故本章只讨论平面机构。 2.1.1 构件及其自由度 机械中每一个独立的运动单元体称为一个构件。它可以是若干个零件(机械中不可拆卸的基本单元体)的刚性组合体。也可以是一个单独的刚性零件。例如齿轮、轴与键组成的齿轮轴。构件的独立运动称为自由度。一个作平面运动的自由构件具有3个独立的运动，如图2.1所示。

33、即沿x轴、y轴移动及绕垂直于xoy面的轴线的转动。 图2.1 构件的自由度 2.1.2 运动副与约束 我们已经看到，在机构中每一构件都以一定方式与其他构件相互联接，这种使两构件直接接触的可动联接称为运动副。如图2.2所示，图中轴与轴承、滑块与导轨、轮齿与轮齿等都构成运动副。(a) 轴与轴承 (b) 滑块与导轨 (c) 轮齿与轮齿图2.22.1.3 运动副的分类 当一个构件与另一构件组成运动副后，两构件间约束的多少和约束的特点完全取决于运动副的型式。图2.2(a)所示运动副，构件2沿x轴和y轴两个方向的相对移动受到约束，构件2只能沿绕垂直xoy平面的z轴转动。这种具有一个独立相对转动的运动副称为

34、转动副。其相对自由度数为1，而约束条件数为2。如图2.2(b)所示运动副，构件2沿y轴的相对移动和绕垂直于xoy平面的z轴转动受到约束，构件2只能沿x轴方向相对移动。这种具有沿一个方向独立相对移动的运动副称为移动副，其相对自由度数为1，而约束条件数为2。如图2.2(c)所示，当两构件组成运动副后，构件2沿公共法线n-n方向的移动受到约束，但可以沿触点切线t-t方向相对移动，还可以同时绕接触点(或线)转动。其运动副的相对自由度数为2，约束条件数为1，称为高副。2.2 平面机构运动简图 2.2.1 平面机构运动简图 2.2.2 平面机构运动简图的绘制 2.2.1 平面机构运动简图 在进行机械的研究

35、或设计时，需要运用能够表明某一机构运动情况的机构运动简图。机构各构件间的相对运动，是由原动件的运动规律、机构中所有运动副的类型、数目及其相对位置决定，而与构件和运动副的具体结构无关。因此可以撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，用简单的线条和规定的符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副的相对位置。这种能准确表达机构运动情况的简化图形称为机构运动简图。2.2.2 平面机构运动简图的绘制 机构运动简图所要表示的主要内容包括运动副的类型和数目、构件的数目及运动尺寸。绘制机构运动简图步骤如下。(1) 分析机构的组成，判断机构的原动件、从动件及原动件运动方向。(2) 分析机构运动，判断机构中各构件的

36、运动尺寸及运动副的类型。(3) 恰当地选择投影面，以能够简明地把机械的结构及运动情况表示清楚为原则。(4) 选择适当的比例尺用简单的线条和各种运动副的代号将机构运动简图画出来。 2.3 平面机构具有确定运动的条件 2.3.1 平面机构的自由度 2.3.2 平面机构具有确定运动的条件2.3.3 计算平面机构自由度的注意问题 2.3.1 平面机构的自由度 机构具有确定运动的独立运动参数称为机构的自由度。机构自由度与机构中构件的个数、运动副的个数及类型有关。设平面机构共有n个活动构件(不包括机架)，当此机构的各构件尚未通过运动副连接时，显然它们共有3n个自由度。用PL个低副和PH个高副把活动构件之间

37、、活动构件与机架之间连接起来。当两构件构成运动副之后，它们的运动就将受到约束，其自由度将减少，一个低副有两个约束条件，一个高副有一个约束条件，自由度减少的数目等于运动副引入的约束(2PL+PH )，因此，机构的自由度计算公式为(2-1) 2.3.2 平面机构具有确定运动的条件 如图2.4所示为一曲柄滑块机构。n=3，PL=4，PH=0，由式(2-1)得 F=32-24-0=1图2.4 曲柄滑块机构2.3.3 计算平面机构自由度的注意问题 为了改善机构的使用机能，机构中有时采用一些特殊结构。在计算平面机构的自由度时，这些特殊结构，必须加以适当的处理。1. 复合铰链如图2.8(a)所示的六杆机构中

38、，机构2、3分别与机构4组成转动副，如图2.8(b)所示。当用公式(2-1)计算该机构的自由度时，往往容易把B处的转动副当作一个转动副来计算，使计算的机构自由度与实际情况不相符。例如认为n=5，PL =6，PH=0，由式(2-1)得F=35-26=3(a) (b)图2.8 复合铰链2.3.3 计算平面机构自由度的注意问题 2. 局部自由度在有些机构中，某些构件所能产生的局部运动的自由度称为局部自由度。3. 虚约束对机构的运动不起限制作用的约束称为虚约束。在计算机构自由度时，虚约束应当除去不计。2.4 本章实训 绘制机构运动简图和自由度计算 实训目的 1. 培养根据实际机构模型绘制机构运动简图的

39、能力。 2. 熟悉并掌握机构自由度的计算方法。 3. 正确处理机构自由度计算时应注意的三个问题。 实训设备 1. 油泵、牛头刨、冲床等机构模型。 2. 自备绘图工具(圆规、三角板、铅笔、橡皮等)。 2.4 本章实训 绘制机构运动简图和自由度计算 实训内容1. 机构运动简图绘制 (1) 确定构件类型及其数目 转动原动件，按传动顺序仔细观察构件之间的相对运动关系，认清机架、原动件、从动件和执行件并确定构件数目(活动构件的数目和构件总数目)。 (2) 确定运动副类型及数目 重复以上操作，根据构件之间的相对运动性质认清移动副、回转副、高副、低副，并数清其数目。(3) 选择机构运动瞬时位置 选择能清楚表

40、达机构运动特征的一般瞬时位置，不要选特殊位置。2.4 本章实训 绘制机构运动简图和自由度计算 (4) 合理选择投影面 选择能清楚表达机构运动特征的平面作为投影面，对平面机构应选运动平面为投影面。(5) 绘制机构运动简图 选择适当的比例尺，按GB4460-84中规定的构件和运动副的符号，画出机构运动简图。 (6) 构件和运动副编号 从原动件开始顺着传动路线在图中依次引序号1，2，3标出原动件；在回转副中心、移动副导路上或高副接触处引出A，B，C。 2.4 本章实训 绘制机构运动简图和自由度计算 实验报告要求 1. 实训结果 每人在实训报告纸上绘出10个测得的机构运动简图。 2. 实训结果分析与讨

41、论 (1) 计算上述机构的自由度。(2) 判定运动的确定性。(3) 指出每一个机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束。 3. 实训结论 实验总结 2.5 习题与练习 1. 选择题(1)当机构的自由度F0，且( )原动件数，则该机构即具有确定的相对运动。A. 小于B. 等于C. 大于 D. 大于或等于(2)有两个平面机构的自由度都等于1，现用一个带有两铰链的运动构件将它们串成一个平面机构，则其自由度等于( )。A. 0B. 1 C. 2 (3)机构中的构件是由一个或多个零件所组成，这些零件间( )产生任何相对运动。A. 可以 B. 不能 C. 不一定(4)原动件的自由度应为( )。A. 1B.

42、 +1C. 02.5 习题与练习 (5)平面机构中运动副引入的约束的数目最少为( )个。A. 一个 B. 两个 C. 三个(6)平面机构中自由度数目最多为( )个。A. 一个 B. 两个 C. 三个 (7)平面机构中若引入一个高副将带入( )个约束。A. 一个 B. 两个C. 三个(8)平面机构中若引入一个低副将带入( )个约束。A. 一个 B. 两个C. 三个(9)计算机构自由度时，若计入虚约束，则机构自由度就会( )。A. 增多B. 减少C. 不变2.5 习题与练习 2. 填空题(1)构件的自由度是指_。(2)两构件之间以线接触所组成的平面运动副，称为_副，它产生_个约束，而保留_个自由度

43、。(3)机构中的运动副是指_。(4)机构具有确定的相对运动条件是原动件数_机构的自由度。(5)平面运动副的最大约束数为_，最小约束数为_。(6)在平面机构中若引入一个高副将引入_个约束，而引入一个低副将引入_个约束，构件数、约束数与机构自由度的关系是_。2.5 习题与练习 (7)当两构件构成运动副后，仍需保证能产生一定的相对运动，故在平面机构中，每个运动副引入的约束至多为_，至少为_。(8)计算平面机构自由度的公式为=_，应用此公式时应注意判断：(A) _铰链，(B) _自由度，(C) _约束。(9)机构中的复合铰链是指_；局部自由度是指_；虚约束是指_。(10)计算机构自由度的目的是_。 2

44、.5 习题与练习 3. 判断题(1) 能成为机构的条件是，自由度大于零，且等于原动件的数目。( )(2) 任何具有确定运动的机构都是由构件和运动副组成的。( )(3) 一种相同的机构可以组成不同的机器。( )(4) 机构中的构件是由一个或多个零件所组成，这些零件间可以产生任何相对运动。( )(5) 机构运动简图与机构示意图相同。( )2.5 习题与练习 4. 简答题(1) 何谓自由度和约束？(2) 转动副与移动副的运动特点有何区别与联系？(3) 何谓复合铰链？计算机构自由度时应如何处理？(4) 机构具有确定运动的条件是什么？(5) 什么是虚约束？ (6) 两构件构成运动副的特征是什么？(7)

45、构件与零件的含义是否相同？试简述之。(8) 何谓机架、原动件和从动件？ 2.5 习题与练习 5. 实作题(1) 绘出以下列机构运动简图。(a) (b) (c)题1图第3章 平面连杆机构 （时间：2次课，4学时）第3章 平面连杆机构教学目标： 本章主要介绍平面四杆机构的基本形式、特性及其运动设计的方法等。教学目标主要有： (1) 掌握铰链四杆机构的基本形式。 (2) 掌握铰链四杆机构有曲柄的条件，能够分析铰链四杆机构的运动特性和传力特性。 (3) 掌握按给定行程速度变化系数及连杆的位置对平面四杆机构进行运动设计的方法。 第3章 平面连杆机构重点与难点： 平面四杆机构的基本形式 平面四杆机构的工作

46、特性 平面四杆机构的基本设计方法 第3章 平面连杆机构案例导入： 用缝纫机踏板机构、雷达调整机构等机构导入，提出平面连杆机构的概念、平面四杆机构有几种类型、平面连杆机构的基本特性是什么、铰链四杆机构是如何演化的及怎样设计平面连杆机构。 连杆机构是一种应用十分广泛的机构，利用连杆机构可以满足各种运动规律和轨迹的设计要求。根据构成连杆机构的各构件间的相对运动为平面运动还是空间运动，可分为平面连杆机构和空间连杆机构。一般机械中多数是采用平面连杆机构。 3.1 铰链四杆机构型式及曲柄存在条件 3.2 铰链四杆机构的演化 3.3 四杆机构传动特性 3.4 平面四杆机构的设计 3.5 本章实训 机械运动参

47、数测定 3.6 习题与练习 第3章 平面连杆机构3.1 铰链四杆机构型式及曲柄存在条件3.1.1 铰链四杆摇杆机构的基本型式 3.1.2 曲柄存在条件 3.1 铰链四杆机构型式及曲柄存在条件 全部用回转副组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，其他型式的平面四杆机构都可看作是在它的基础上通过演化而成的。在此机构中，机构的固定件4称为机架；与机架用回转副相连接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架直接连接的杆2称为连杆。若组成转动副的两构件能作整周相对转动，则该转动副称为整转副，仅能在某一角度作相对摆动的转动副称为摆动副。与机架组成整转副的连架杆称为曲柄，与机架组成摆动副的

48、连架杆称为摇杆。3.1.1 铰链四杆摇杆机构的基本型式 全部用回转副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如图3.1所示。它是平面四杆机构的最基本的型式，其他型式的平面四杆机构都可看作是在它的基础上通过演化而成的。 图3.1 铰链四杆机构 3.1.1 铰链四杆摇杆机构的基本型式1. 曲柄摇杆机构两连架杆一个为曲柄另一个为摇杆的四杆机构，称为曲柄摇杆机构。如图3.2所示的搅拌机及图3.3所示的缝纫机脚踏机构均为曲柄摇杆机构。 图3.2 搅拌机 图3.3 缝纫机 3.1.1 铰链四杆摇杆机构的基本型式2. 双曲柄机构当铰链四杆机构的两连架杆都是曲柄时，则该机构称为双曲柄机构，如图3.4所示。图中杆1

49、、2、3、4组成双曲柄机构，当曲柄1(主动件)等速回转一周时，曲柄3变速回转一周。 图3.4 双曲柄机构 3.1.1 铰链四杆摇杆机构的基本型式3. 双摇杆机构当铰链四杆机构的两连架杆都是摇杆时，该机构称为双摇杆机构。双摇杆机构可把主动摇杆的摆动变为从动摇杆的摆动，可应用于不需要整周回转的场合。 3.1.2 曲柄存在条件 通过对铰链四杆机构的三种基本形式的分析可以看到，三种基本形式的区别在于有无曲柄和有几个曲柄。在实际使用的机器中，大多数机器是由电动机及其他连续转动的动力装置来驱动，这便要求机器的原动件能作整周回转运动。但是在四杆机构中有的连架杆能作整周回转运动而成为曲柄，有的则不能。那么铰链

50、四杆机构在什么条件下有曲柄存在呢？下面讨论连架杆成为曲柄的条件。比较铰链四杆机构四个杆相对长度对机构类型的影响，可以观察到，铰链四杆机构的三种基本形式与机构中四个杆相对长度有关系。如图3.9所示的铰链四杆机构，AB为曲柄、BC为连杆、CD为摇杆、AD为机架。各杆长度分别为a、b、c、d。 3.1.2 曲柄存在条件 图3.9 有曲柄的铰链四杆机构 3.2 铰链四杆机构的演化 3.2.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构 3.2.2 导杆机构 3.2.3 移动导杆机构和曲柄摇块机构 3.2.4 曲柄移动导杆机构 3.2 铰链四杆机构的演化 在实际机械中，平面连杆机构的型式是多种多样的，但其中绝大多数是在铰

51、链四杆机构的基础上发展和演化而成。 3.2.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构 1. 曲柄滑块机构曲柄滑块机构可以看作是由曲柄摇杆机构演化而来的。如图3.10a所示的曲柄摇杆机构中，摇杆3上C点的轨迹是以D为圆心，杆3的长度L3为半径的圆弧m-m。如将转动副D扩大，使其半径等于L3，并在机架上按C点的近似轨迹m-m做成一弧形槽，摇杆3做成与弧形槽相配的弧形块，如图3.10(b)所示。此时虽然转动副D的外形改变，但机构的运动特性并没有改变。若将弧形槽的半径增至无穷大，则转动副D的中心移至无穷远处，弧形槽变为直槽，转动副D则转化为移动副，构件3由摇杆变成了滑块，于是曲柄摇杆机构就演化为曲柄滑块机构，如图

52、3.10(c)所示。此时移动方位线m-m不通过曲柄回转中心，故称为偏置曲柄滑块机构。曲柄转动中心至其移动方位线m-m的垂直距离称为偏距e，当移动方位线m-m通过曲柄转动中心A时(即e=0)，则称为对心曲柄滑块机构，如图3.10(d)所示。曲柄滑块机构广泛应用于内燃机、空压机及冲床设备中。 3.2.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构 图3.10 铰链四杆机构向曲柄滑块机构的演化 3.2.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构 2. 偏心轮机构偏心轮机构可以看成是由曲柄滑块机构演化而来的。如图3.11(a)所示为偏心轮机构。杆1为圆盘，其几何中心为B。因该圆盘绕偏心A转动，故称偏心轮。A、B之间的距离e称为偏心距

53、。按照相对运动关系，可画出该机构的运动简图，如图3.11(b)所示。由图可知，偏心轮是回转副B扩大到包括回转副A而形成的，偏心距e即是曲柄的长度。 (a) (b)图3.11 偏心轮机构 3.2.2 导杆机构 导杆机构可看作是在曲柄滑块机构中选取不同构件为机架演化而成。如图3.12(a)所示为曲柄滑块机构。如将其中的曲柄1作为机架，连杆2作为主动件，则连杆2和构件4将分别绕铰链B和A作转动，如图3.12(b)所示。 图3.12 曲柄滑块机构向导杆机构的演化3.2.3 移动导杆机构和曲柄摇块机构 1. 移动导杆机构如图3.12(a)所示曲柄滑块机构中，若取杆3为机架时，则演化为导杆在滑块中移动的移

54、动导杆机构，也称定块机构，如图3.12(d)所示。这种机构常用于如图3.15所示的抽水唧筒等机构中，当摇动手柄1时，导杆4在滑块3中作移动。 图3.15 抽水唧筒机构及其运动简图 3.2.3 移动导杆机构和曲柄摇块机构 2. 曲柄摇块机构如图3.12(a)所示的曲柄滑块机构中，若取杆2为机架，则演化为曲柄摇块机构，或称摇块机构，如图3.12(b)所示。该机构中杆1绕B点回转时，杆4相对于滑块3滑动，并与滑块3一起绕C点摆动。这种机构广泛应用于摆动式内燃机和液压驱动装置内。如图3.16所示自卸卡车翻斗机构及其运动简图，在该机构中，摆动式油缸3内的压力油推动活塞杆4从油缸3中伸出，从而车厢1绕车身

55、2的B点反转，将货物自动卸下。因为液压油缸3绕铰链C摆动，故称为摇块。 图3.16 自卸卡车翻斗机构及其运动简图3.2.4 曲柄移动导杆机构 曲柄移动导杆机构是含有两个移动副的四杆机构。如图3.17所示，两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关连，这种机构从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，故称为正弦机构，也称曲柄移动导杆机构。铰链四杆机构中一个转动副如何转化为移动副，上面已做了研究。同理，如图3.17(a)所示的曲柄滑块机构中，将转动副B扩大，则图3.17(a)所示的曲柄滑块机构可等效为图3.17(b)所示的机构。若将图3.17(b)中圆弧槽m-m的半径逐渐增加至无穷大，则图3.17(

56、b)所示机构就演化为图3.17(c)所示的机构。此时连杆2转化为沿直线m-m移动的滑块2，转动副C则变成为移动副，滑块3转化为移动导杆。曲柄滑块机构便演化为具有两个移动副的四杆机构，此机构称为曲柄移动导杆机构，是含有两个移动副四杆机构的基本型式之一。3.2.4 曲柄移动导杆机构 图3.17 曲柄滑块机构向曲柄移动导杆机构的演化 3.3 四杆机构传动特性 3.3.1 急回特性 3.3.2 传力特性 3.3.3 死点位置 3.3 四杆机构传动特性平面连杆机构的传动特性包括运动特性和传力特性两方面。了解这些特性对于正确选择平面连杆机构的类型和设计平面连杆机构有重要意义。 3.3.1 急回特性 如图3

57、.22所示为一曲柄摇杆机构，其曲柄AB在转动一周的过程中，有两次与连杆BC共线。在这两个位置，铰链中心A与C之间的距离AC1和AC2分别为最短和最长，因而摇杆CD的位置C1D和C2D分别为两个极限位置。摇杆在两极限位置间的夹角称为摇杆的摆角。图3.22 曲柄摇杆机构的急回特性3.3.2 传力特性 在生产实际中往往要求连杆机构不仅能实现预期的运动规律，而且希望传力性能良好，即运转轻便，效率高。因此需要研究和认识机构的传力特性。 1. 压力角如图3.23所示的曲柄摇杆机构，如忽略各杆质量和运动副中的摩擦，则连杆BC为二力杆，它作用于从动摇杆3上的力P是沿BC方向的。作用在从动件上的驱动力P与该力作

58、用点绝对速度vc之间所夹的锐角称为压力角。由图可见，力P在vc方向的有效分力为Pt=Pcos，它可使从动件产生有效的回转力矩，显然Pt越大越好。而P在垂直于vc方向的分力Pn=Psin则为无效分力，它不仅无助于从动件的转动，反而增加了从动件转动时的摩擦阻力矩。因此，希望Pn越小越好。由此可知，压力角越小，机构的传力性能越好，理想情况是=0，所以压力角是反映机构传力效果好坏的一个重要参数。一般设计机构时都必须注意控制最大压力角不超过许用值。 3.3.2 传力特性 图3.23 压力角与传动角3.3.3 死点位置 如图3.22所示的曲柄摇杆机构，若以摇杆3为原动件，而曲柄1为从动件，则当摇杆摆到极限

59、位置C1D和C2D时，连杆2与曲柄1共线，若不计各杆的质量，则这时连杆加给曲柄的力将通过铰链中心A，即机构处于压力角=90(传力角=0)的位置，此时驱动力的有效力为0。此力对A点不产生力矩，因此不能使曲柄转动。机构的这种位置称为死点位置。死点位置会使机构的从动件出现卡死或运动不确定的现象。出现死点对传动机构来说是一种缺陷，这种缺陷可以利用回转机构的惯性或添加辅助机构来克服。如图3.3所示缝纫机的脚踏机构，就是利用皮带轮的惯性作用使机构能通过死点位置。但在工程实践中，有时也常常利用机构的死点位置来实现一定的工作要求，如图3.24所示的工件夹紧装置，当工件5需要被夹紧时，就是利用连杆BC与摇杆CD

60、形成的死点位置，这时工件经杆1、杆2传给杆3的力，通过杆3的传动中心D。此力不能驱使杆3转动。故当撤去主动外力P后，在工作反力N的作用下，机构不会反转，工件依然被可靠地夹紧。3.3.3 死点位置 图3.24 利用死点夹紧工件的夹具 3.4 平面四杆机构的设计 3.4.1 图解法设计平面四杆机构举例 3.4.2 解析法设计平面四杆机构举例 3.4.3 实验法设计平面四杆机构举例 3.4 平面四杆机构的设计 平面四杆机构的设计是指根据工作要求选定机构的型式，根据给定的运动要求确定机构的几何尺寸。其设计方法有图解法、解析法和实验法。图解法比较直观，解析法比较精确，实验法比较简便。3.4.1 图解法设