机械设计基础第一章--概述

1、第一章概述 主编第一章概述第一节机械的构成第二节机械的运动可行性评价第一节机械的构成 机械是机器与机构的总称。 机器是用来变换或传递能量、物料和信息，能减轻或替代人类劳动的工具。 生活中的自行车、汽车、洗衣机、计算机，工业生产中的机床、机器人、自动生产线等都属于机器。显然，自行车能方便地助人变换能量，从而增加人的速率；汽车可以传递物料；而计算机则为人类传递、存储和处理信息开辟了无限广阔的应用领域。一、机器的组成 无论何种机器，一般都由三部分组成，即原动装置、传动装置和执行装置。 如图1-1a所示的台钻是用来在工件上加工孔的机器。由图1-1b可扼要分析其工作过程：电动机与其上左边的带轮连接，通过

2、带将动力与运动传递给右边的带轮，此带轮轴与变速箱输入轴连接，通过齿轮箱(内部结构将在后续章节分析)变速，从而使与变速箱输出轴相连接的钻头具有需要的转速与钻削力(转矩)。显然，台钻的原动装置是电动机，传动装置由带传动与变速箱组成，执行装置是完成切削任务的钻头。 如图1-2所示的牛头刨床是用来在工件上刨削平面的机器。由电动机1通过带传动装置3和齿轮传动装置2实现减速，其执行装置为摆动导杆机构9，通过它改变了运动形式，将齿轮传递的回转运动转变为滑枕5的直线移动，带动刨刀7作往复移动，实现对工件的刨削加工。一、机器的组成图1-1台钻a) 结构b) 传动部分1带传动2电动机3变速箱一、机器的组成图1-2

3、牛头刨床1电动机2齿轮传动装置3带传动装置4大齿轮5滑枕6床身7刨刀8工作台9摆动导杆观察分析表明，传动装置与执行装置都是由一些基本形式的机构与传动承担的。从运动的角度看，传动也属于机构范畴，所以说机构是构成机器的基本组元。 机构是具有确定相对运动的构件组合。图1-3所示是牛头刨床中为实现滑枕运动的摆动导杆机构，它由若干构件(大齿轮6，滑块1、3，导杆2，滑枕4)组合而成。构件是机器中运动的最小单元。三、机械零件与部件图1-3摆动导杆机构a) 机构示意图b) 机构运动简图1、3滑块2导杆4滑枕5小齿轮6大齿轮 从制造的角度看，机器是由许多零件组成的。零件是不可拆的最小制造单元。 一个零件可能是

4、一个构件(如图1-3所示的导杆)。多数构件是由若干零件固定连接而成的刚性组合。如图1-4所示的齿轮构件就是由轴、键和齿轮组合而成。三、机械零件与部件图1-4齿轮构件 部件是从装配视角对某些承担独立功能零件组合的统称，如图1-5所示的轴承、联轴器等都是典型的部件。三、机械零件与部件图1-5机械部件综前所述，归纳要点如下： 1) 构件与零件的区别在于：构件是机械运动的基本单元，零件是机械制造的基本单元。 2) 机器与机构的区别在于：虽然机器和机构都具有确定的相对运动，且机器可以是一个机构或由若干构件与零件组成，但机器具有能代替或减轻人类劳动、完成功能转换的特征，而机构则不具有此特征。第二节机械的运

5、动可行性评价一、运动副、约束与自由度1.运动副 构件与构件之间既保证相互接触和制约，又保持确定的运动，这样的可动连接称为“运动副”。 只允许被连接的两构件在同一平面或相互平行的平面内作相对运动的运动副称为平面运动副。 按照接触特性，平面运动副可分为低副和高副。构件间的接触形式为面接触的运动副称为低副。常见的平面低副有回转副和移动副。图1-6a所示为移动副及其运动简图符号；图1-6b、c所示为回转副及其运动简图，回转副有时也称为铰链。一、运动副、约束与自由度图1-6平面低副a) 移动副b) 回转副(固定铰链)c) 回转副(活动铰链) 构件间的接触形式为点、线接触的运动副称为高副，如图1-7所示。

6、在凸轮机构和齿轮机构中，构件1和构件2形成的运动副均为高副。一、运动副、约束与自由度图1-7平面高副a) 凸轮副b) 齿轮副2.自由度 作平面运动的构件相对于指定参考系的独立运动的数目，称为构件的自由度。任何作平面运动的自由构件都有三个独立的运动，如图1-8所示的xOy坐标系中，构件具有沿x轴和y轴的移动，以及绕任一垂直于xOy平面的轴线A的转动，因此作平面运动的自由构件有3个自由度。一、运动副、约束与自由度图1-8自由构件的自由度3.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，这种对于相对运动所加的限制称为约束。每加1个约束，自由构件便失去1个自由度，运动副的约束数目和约束特

7、点，取决于运动副的形式。 如图1-6所示，当两构件组成平面回转副时，两构件间只具有一个独立的相对转动；当两构件组成平面移动副时，两构件便只具有一个独立的相对移动。因此，平面低副实际引入了2个约束，保留1个自由度。二、平面机构自由度的计算图1-9颚式破碎机机构a) 主体机构运动简图b) B处的偏心轴结构c) 主体机构示意图 机构相对于机架所具有的独立运动数目称为机构的自由度。这里仅介绍最基本的平面机构自由度的计算方法，复杂机构自由度的计算均建立在此基础上。 设一个平面机构由N个构件组成，其中必有一个构件为机架，则活动构件数n=N-1。它们在未组成运动副之前，共有3n个自由度，用运动副连接后引入约

8、束，减少了自由度。若机构中共有PL个低副、PH个高副，则平面机构的自由度F的计算公式为 如图1-9所示的颚式破碎机机构，其活动构件数n=3，低副数PL=4，高副数PH=0，则该机构的自由度为 自由度计算的关键是准确分辨实际作用的活动构件与运动副的数目，计算中涉及局部自由度与虚约束等复杂情况的处理，这些知识可以在需要继续学习时获取，这里不再赘述。三、机械装置运动可行性评价图1-10牛头刨床主体机构 机械装置是由机构组成的，通过对机械装置所有机构自由度的计算，可以正确判别机械装置运动可行性，从而给机械装置运动设计以正确的评价。下文以典型机械装置颚式破碎机主体机构为例，说明运动可行性评价的过程。 例1-1对如图1-9所示的颚式破碎机主体机构进行运动可行性评价。三、机械装置运动可行性评价图1-11五杆机构例1-3试判别如图1-11所示五杆机构的运动可行性。习题配图一、概念自检题图1-12题1-6图一