电子教案机械基础(第4版)电子教案3.机械传动概述课件

1、02机械传动第二篇 机器是人类经过长期生产实践创造出来的重要工具。利用机器进行生产可以减轻或代替体力劳动，大大提高劳动生产率和产品质量，便于对生产进行严格分工与科学管理，便于实现机械化和自动化生产。随着科学技术的发展，使用机器进行生产的水平已经成为衡量一个国家工业技术水平和现代化程度的重要标志之一。 机器在工作时，靠其内部的各种机构和零部件来传递动力和运动。机械传动采用机械方式来传递动力和运动。在生产实际中，机械传动是一种最基本的传动方式。因为机械传动总是通过各种机构和零部件的运动来实现的，所以本篇将对机械及机械传动的一些基本概念，常用传动机构和零部件的结构原理、性能特点及机械传动系统的分析方

2、法等作必要的叙述。 本篇主要介绍“ 经典传动” 如齿轮传动、带轮传动、凸轮传动等，然而“现代传动”随着电气传动技术、数控技术的迅速发展日趋完善，应用越来越广泛。“现代传动” 如数控机床主轴由内装式电动机直接驱动，基本上取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，其机械结构得到极大的简化，为此，对现代传动技术进行了简要介绍。封面页 （设计好之后可以删掉这个文本框哦） 第三章机械传动概述机械基础高等教育出版社目录CONTENTS基本概念 3机械传动的特性与参数 32机构的运动简图 33平面机构的自由度 34复习题 31 基本概念3-13-1基本概念一、机器、机构、机械 图3-1所示的

3、单缸内燃机是由气缸体1、活塞2、进气阀3、排气阀4、推杆5、凸轮6、连杆7、曲柄8 和大小齿轮9、10 等构件所组成的。活塞的上下往复移动通过连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和推杆是用来打开或关闭进气阀和排气阀的。为了保证曲轴每转两周进、排气阀各开闭一次，在曲轴和凸轮之间安装了齿数比为1:2的一对齿轮。这样，当燃气推动活塞运动时，进、排气阀有规律地开闭，把燃气的热能转换为曲轴转动的机械能。图单缸内燃机3-1基本概念从这个例子可以看出，机器具有以下三个特征：第一，由多个构件组成；第二，各构件间具有确定的相对运动，能够实现预期的机械运动；第三，能够完成有效的机械功（如金属切削机床的切削加工）或进行能

4、量转换（如内燃机把热能转换成机械能）。具有机器前两个特征的多构件组合体，称为机构。机构能实现一定规律的运动。例如在图3-1中，由曲轴、连杆、活塞和气缸所组成的曲柄滑块机构可以把往复直线运动转变为连续转动； 由大、小齿轮和气缸体所组成的齿轮机构可以改变转速的大小和方向；由凸轮推杆和气缸体所组成的凸轮机构可以将连续转动变为有规律的往复运动。3-1基本概念机构和机器一般统称为机械。机器的种类繁多，其结构形式和用途各不相同。然而，一部完整的机器就其基本组成来讲， 一般都有下面三个部分： （）原动部分它是驱动整个机器完成预定功能的动力源。各种机器广泛使用的原动机有电动机（交流和直流）、内燃机等。（）执行

5、部分它是机器中直接完成工作任务的组成部分，如起重机的吊钩、车床的刀架、磨床的砂轮、轧钢机的轧辊等。（）传动部分它是机器中介于原动机和执行部分之间，用来完成运动形式、运动和动力参数转换的组成部分。利用它可以减速、增速、调速（如机床变速箱）、改变转矩以及改变运动形式等，从而满足执行部分的各种要求。3-1基本概念二、零件、构件、部件 任何机器都是由许多零件（如齿轮、螺钉等）组成的。所谓零件，是指机器中不可拆的每一个最基本的制造单元体。机械中的零件通常分为两类：一类是通用零件，它们在各种类型的机械中都可能用到；另一类是专用零件，只用于某些类型的机械中。但是，当分析机器的运动时可以看到，并不是所有的零件

6、之间都具有相对运动，由于结构和工艺上的需要，常常把几个零件刚性地连接在一起，作为一个整体进行运动。例如在图3-1所示的单缸内燃机中，运动件连杆7 就是由连杆体、连杆头、螺栓和螺母等零件刚性连接在一起而构成的（图3-2）。在机器中，由一个或几个零件所构成的刚性单元体称为构件。图2连杆3-1基本概念显然，构件和零件的区别就在于构件是运动的单元，而零件是制造的单元。构件按其运动性质可分为固定件（又称机架）、原动件和从动件，固定件是用来支承的活动构件的构件。构件可能是由多个零件刚性连接而成，也可能是一个单独零件。还应当指出，构件和通常所说的部件（或组件）是有区别的。部件是指机器中由若干零件所组成的装配

7、单元体，部件中的各零件之间不一定具有刚性连接。把一台机器划分为若干个部件，其目的是有利于设计、制造、运输、安装和维修。3-1基本概念三、机械传动的组成与任务 由机器的组成可知，传动部分是机器的重要组成部分之一。常用的传动方式有机械传动、电动传动、气压传动、液压传动，其中以机械传动应用最广。机械传动通常是由各种机构、传动装置（以及各种零件配合完成的。机械传动的作用是将原动机的运动和动力传递给执行机构。传动的任务有： （1）将原动机输出的速度降低或提高，以适合执行机构的需要。 （2）用原动机直接进行调速不经济或不可能时，采用变速传动来满足执行机构经常变速的要求。 （3）将原动机输出的转矩变换为执行

8、机构所需要的转矩或力。 （4）将原动机输出的等速旋转运动转变为执行机构所要求的，速度按某种规律变化的旋转或非旋转运动。 （5）实现由一个或多个原动机驱动若干个速度相同或不同的执行机构。 （6）由于受到原动机或执行机构机体外形、尺寸等的限制，或为了安全和操作方便，执行机构不宜与原动机直接联系，此时也需要用传动装置来连接。 32 机械传动的特性与参数3-23-2机械传动的特性与参数简述：机械传动是利用各种机构（或传动装置）来传递运动和动力的。机械传动的运动特性通常用转速、速比、变速范围等参数表示；动力特性通常用功率、转矩、效率等参数表示。一、转速、传动比及变速范围 当机械传动传递回转运动时（如一对

9、齿轮传动），主动轮的转速 与从动轮的转速 之比称为该传动的传动比，用i12（或i）表示3-2机械传动的特性与参数 在传动比可调的机械传动中，当输入轴转速 一定时，经调速后能输出的最高转速nc，max 与最低转速nc，min 之比称为变速范围，用Rb 表示3-2机械传动的特性与参数二、功率与转矩 图3-3 为卷扬机传动系统简图。卷筒直径为D（mm），起升质量为m（kg），钢丝绳的牵引力F=mg（N），卷筒轴上的驱动转矩T（Nm）为图3-3卷扬机传动系统简图3-2机械传动的特性与参数设卷筒的工作转速为（r min），以速度v（ms）起升重物，略去摩擦阻力不计，起升载荷所需的驱动功率P（kW）为3-

10、2机械传动的特性与参数三、机械效率 机器工作时，由于摩擦阻力消耗一部分功率，使输入功率不能完全得到利用。为了度量机器输入功率被利用的程度，必须引入机械效率的概念。机械效率用 表示，如机器的输入功率为Pi，输出功率为Po，则由于输入功率总是大于输出功率（因为有一部分输入功率要消耗于摩擦），所以机械效率 总是小于。机械效率的大小是衡量机器性能的一个很重要的指标。在机械传动中，通过实验测定，一般常见机构和轴承的机械效率大致数值为：一对齿轮传动， 0.920.985（包括轴承损失）；平带传动， 0.920.98 （包括轴承损失）；V 带传动， 0.900.94 （包括轴承损失）；一对滚动轴承， 0.9

11、9；一对滑动轴承， 0.940.98 ；滑动丝杠， 0.300.60。3-2机械传动的特性与参数 机械传动效率显示动力机驱动功率的有效利用程度，是反映机械传动装置性能指标的重要参数之一。 式中： 12、 34、 56 分别为第一级、第二级、第三级传动的机械效率。 33 机构的运动简图3-33-3机构的运动简图简述：机械传动离不开各种机构，而所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。工程中应用较多的是平面机构。实际机构的外形和结构大都比较复杂，为了便于分析和研究，工程中常用简单的线条和符号表示构件及运动副来绘制机构的运动简图。一、运动副的分类及其表示方法 使

12、两构件直接接触而又彼此有一定的相对运动的联接称为运动副。只允许被联接的两构件在同一平面或相互平行的平面内做相对运动的运动副称为平面运动副，平面机构中的运动副都属平面运动副。 一个作平面运动的自由构件有 个独立运动的可能性沿x 轴、y 轴方向移动和绕垂直xOy 平面的任意轴线的转动，即具有 个自由度。当构件用运动副联接后，其独立运动便受到约束，自由度也随之减少。3-3机构的运动简图 移动副使构件失去沿一轴线方向的移动和在平面内的转动两个自由度，只保留了沿另一轴线方向移动的自由度（图3-4）。转动副使构件失去两个移动的自由度，只保留一个转动的自由度（图3-5）。移动副和转动副可以用图3-6所示的符

13、号表示。通常把这种两构件由面接触形成的运动副叫低副。图3-4移动副 图3-5转动副图3-6表示移动副和转动副的符号3-3机构的运动简图 两构件通过点接触或线接触组成的运动副，如图3-7a中凸轮1 与从动件2，图3-7b 中齿轮1与齿轮2 在接触点A处组成的运动副。这类运动副使构件失去了沿接触点公法线n-n 方向移动的自由度，保留了绕接触点转动和沿接触点公切线t-t 方向移动的两个自由度。用符号表示时，一般需把两构件在接触点处的曲线轮廓画出（图3-7a）。这种两构件由点或线接触形成的运动副叫高副，如图3-7 所示。图3-7高副3-3机构的运动简图 实际构件的外形和结构可以是各式各样的。在绘制机构

14、运动简图时，构件的表达原则是撇开那些与运动无关的构件外形和结构，仅把与运动有关的尺寸用简单的线条表示出来。例如，图3-8a中的构件3 与滑块2组成移动副，构件3的外形和结构与运动无关，因此可用图3-8b 所示的简单线条来表示。图3-9b 所示为偏心轮机构中的偏心轮2 和连杆3，它们的外形和结构与运动无关，与运动有关的只是A 与B 及B 与C 间的距离，因此构件2、3 可以用图3-9b 所示的简单线条表示。图3-8构件的简化示例 图3-9偏心轮机构3-3机构的运动简图二、平面机构运动简图 用构件和运动副的特定符号（附表）绘制的表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形，称为机构示意图。按一定比例绘

15、制的机构示意图称为机构运动简图。机构运动简图不仅可以用来简明地反映原机构的运动情况，而且还可以用来对机构进行运动分析和动力分析。 机构运动简图的绘制方法和一般步骤见例3-1。例3-1绘出图3-10a所示抽水唧筒的机构运动简图。图3-10抽水唧筒及其机构运动简图3-3机构的运动简图 解（1）分析机构的运动，判别构件的类型及数目图示抽水唧筒由手柄1、杆件2、活塞（图中未画出）及活塞杆3 和抽水筒4 等构件组成，其中抽水筒4 是固定件，手柄1 是原动件，其余构件是从动件。 （2）分析各构件间运动副的类型和数目手柄1 绕固定件4 上A 点转动，二者在A 点形成转动副。手柄1 和杆件2 在B 点以及杆件

16、2 和活塞及活塞杆3 在C 点也为转动副连接。活塞及活塞杆3与抽水筒4 之间则以移动副连接。 （3）选择视图平面为了能清楚地表明各构件间的相对运动关系，通常选择平行于构件运动的平面作为视图平面。图3-10抽水唧筒及其机构运动简图3-3机构的运动简图 （4）确定比例尺比例尺应根据实际机构和图幅大小来适当选取。 （5）用规定的构件和运动副符号绘制机构运动简图（图3-10b）先画出固定件4 和手柄1的转动副中心A 和活塞及活塞杆3的移动导路直线x 轴，然后按比例画出手柄1 和杆件2 的转动副中心B 及杆件2 和活塞及活塞杆 3的转动副中心C，最后用构件和运动副的符号把各点连接起来，并在原动件上用箭头

17、标明运动方向。 在绘制机构运动简图时，选择机构的瞬时位置不同，所绘出的机构运动简图位置也不同。若选择不当，则会出现构件相互重叠或交叉的现象，使得简图既不易绘制也不易辨认。因此，要想清楚地表示各构件间的相互关系，必须恰当地选择机构运动的瞬时位置。图3-10抽水唧筒及其机构运动简图 34 平面机构的自由度3-43-4平面机构的自由度简述：机构的各构件之间应具有确定的相对运动。不能产生相对运动或虽能产生相对运动但运动无规律的一堆构件不能成为机构。为了使组合起来的构件能产生相对运动并具有运动确定性，有必要探讨机构自由度和构件系统成为机构的条件。一、平面机构自由度及其计算公式 如图3-11所示，一个作平

18、面运动的自由构件具有三个独立运动的可能性（两个移动和一个转动），这种可能出现的独立运动称为构件的自由度。当两个构件组成运动副之后，它们的相对运动就会受到约束，自由度数目也随之减少。图3-11构件的自由度3-4平面机构的自由度 设平面机构共有N 个构件，低副和高副数目分别为PH 和PL， 如将机构中某一构件固定为机架，则机构中的活动构件数为n=N-1。由于活动构件给机构带入3n个自由度，而机构中全部运动副所引入的约束总数为2PLPH 。因此活动构件的自由度总数减去由运动副引入的约束总数就是该机构的自由度，用F 表示，即 式（3-8）是平面机构自由度的计算公式。由式（3-8）可知，机构自由度的大小

19、取决于活动构件的数目以及高副和低副的数目。3-4平面机构的自由度二、构件系统成为机构的条件 机构是具有确定相对运动的构件系统。机构的自由度也就是机构所具有的独立运动的个数。为了使构件系统成为机构，即要使机构具有确定的相对运动，应使给定的独立运动数目等于机构的自由度。而给定的独立运动规律是由原动件提供的，通常每个原动件只具有一个独立运动规律（如电动机转子具有一个独立转动，内燃机活塞具有一个独立移动）。所以构件系统成为机构的条件是：F0 且原动件的数目等于构件系统的自由度数。 当构件系统不具有以上条件时，则其运动性质可分析如下： （1）当F0 且原动件的数目小于机构的自由度时，该构件系统不具有确定

20、运动，故不能成为机构。 （2）当F0或者构件系统的原动件数大于构件的自由度时，该构件系统卡死，也不能成为机构。3-4平面机构的自由度 例3-2计算图3-12所示颚式破碎机主机体的自由度。 解在颚式破碎机主体机构中，活动构件数n=3，低副数PL=4，高副数PH=0。所以有 F=3n-2PL-PH=33-24=1 此构件系统具有一个原动件（曲轴1），故原动件数与构件系统自由度数相等，此构件系统具有确定的相对运动。图3-12颚式破碎机及其机构简图3-4平面机构的自由度三、计算平面机构自由度注意的事项 应用式（3-1）计算平面机构自由度时，要注意以下几种情况。 1.复合铰链 两个以上的构件在同一轴线上

21、用转动副连接起来形成复合铰链。图3-13c 为三个构件组成的复合铰链，图3-13a为其俯视图，图3-13b 为其侧视图。从图3-13b可以看出，复合铰链具有两个转动副。不难推算，由K 个构件组成的复合铰链应当包含（K-1）个回转副。图3-13复合铰链3-4平面机构的自由度 例3-3计算图3-14 所示圆盘锯主体机构的自由度。 解机构中有7个活动构件，n =7；A、B、C、D四处都是三个构件汇交成的复合铰链，各有两个回转副，E、F 处各有一个回转副，故PL =10。由式（3-1）可得 F=3n-2PL-PH=37-210=1 F与机构原动件个数相等。因此，当原动件8 转动时，圆盘中心E 将确定地

22、沿直线E E 移动。图3-14圆盘锯主体机构的自由度3-4平面机构的自由度 2.局部自由度 在机构中常出现不影响输出构件运动关系的个别构件自由度，称为局部自由度。在计算整个机构的自由度时，局部自由度应除去不计。 如图3-15a所示的凸轮机构中，滚子是平面机构中局部自由度最常见的形式。为了减少高副接触处的磨损，在原动件凸轮和从动件尖底之间安装了圆柱形滚子。滚子绕轴线C 的自由转动丝毫不影响从动件尖底的运动。为了防止计算错误，在计算机构自由度时，可以设想将滚子与从动件焊成一体，如图3-15b 所示，预先排除局部自由度，然后进行计算。图3-15局部自由度3-4平面机构的自由度 3.虚约束 在某些机构

23、中，有些运动副带入的约束对机构自由度的影响是重复的。这些对机构运动不起限制作用的重复约束称为虚约束，在计算机构自由度时应当除去。常见的虚约束经常出现在以下场合： （1）两构件构成若干个移动副，其导路均相互平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余为虚约束。如图3-16所示缝纫机引线机构中，装针杆3 在A、B 处分别与机架组成其导路重合的两移动副，计算机构自由度时只能算一个移动副，另一个为虚约束。图3-16导路重合的虚约束3-4平面机构的自由度 （2）两个构件之间组成多个轴线重合的回转副时，只有一个回转副起作用，其余都是虚约束。如图3-17 所示，构件1、2 在A、B 两处组成转动副，其中一

24、个转动副是虚约束，应按一个转动副对待。 （3）两构件组成多个高副且各高副接触点处公法线重合时，只应考虑一处高副所引入的约束，其余的为虚约束，如图3-18所示。图3-17两构件组成多个 转动副形成虚约束图3-18两构件组成多个 高副形成虚约束3-4平面机构的自由度 （4）“距离不变”引入的虚约束。若机构中某活动构件上一点在运动中与机架上一定点间的距离始终不变，此时用一构件和两个转动副将该两点连接，便引入虚约束。如图3-19a 所示机构中，lAD lBC ，lAB lCD lEF ，lBE lAF ，按活动构件数n =4， =6 计算，则 F=3n-2PL-PH= 34260 0，表明该机构不能运

25、动，显然与实际不符。因为当该机构运动时，动点E 与机架上点F 之间的距离始终不变，用构件E F 及两个转动副将E 、F 连接，其形成的约束并不影响该机构的运动，故为虚约束。计算自由度时应解除点E 、F 间引入的虚约束，即 F=3n-2PL-PH= 33240 1，与实际相符。图3-19“距离不变”引入的虚约束3-4平面机构的自由度 当用一个构件和两个转动副连接机构中任意两活动构件上距离不变的两点时，也将引入虚约束。如图3-19b所示机构中，AB=CD、AB/CD、AE=DF、AE/DF。当该机构运动时，两动点E 、F之间的距离始终不变，且等于AD。若用构件EF（图中虚线所示）及两个转动副将E

26、、F 连接，其形成的约束并不影响该机构的运动，故为虚约束。图3-19“距离不变”引入的虚约束3-4平面机构的自由度 （5）对运动无影响的对称部分引入的虚约束。如图3-20所示的行星齿轮系中，从传递运动的要求来看，只要一个行星轮2 即可，行星轮图3-20对称结构引入的虚约束2 、2 引入的约束为虚约束。图3-20对称结构引入的虚约束 在实际机构中，虚约束虽对机构的运动不起作用，但却可以保证机构顺利运动，或增加机构的刚性，改善机构的受力，所以虚约束的应用十分广泛。虚约束都是在一定的几何条件下形成的，如果几何条件不能满足，虚约束将成为约束，从而对机构的运动起限制作用，所以此类机构对工艺精度有较高的要求。 计算机构的自由度时，应仔细分析机构中是否存在虚约束，如存在则应先去