机械设计基础配套课件

1、机 械 设 计 基 础 第一章 绪 论 从一个机械设计师的角度出发，运用本课程的内容和方法去分析问题和解决问题。 本章要点包括： 1. 机械的组成。 2. 机械设计的基本要求和一般程序。 3. 机械零件设计的基本知识和设计方法。本课程的研究对象：机械 机械为机器与机构的总称第一节 机械的组成一、机器 工厂中：车床、刨床、铣床、磨床等机加工设备。 农村中：拖拉机、收割机等。 家庭中：冰箱、洗衣机、自行车等。 机器具有以下共同特征：（1）机器的主体是若干机构的组合；（2）用于传递运动和动力；（3）具有变换或传递能量、物料或信息的功能。二、机构 机构是若干构件的组合，各构件间具有确定的相对运动，但不

2、具备机器的变换或传递能量、物料、信息的功能。 常用机构： 连杆机构、凸轮机构、间歇机构、齿轮机构等。连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇机构三、构件和零件1. 构件 机构中作相对运动的各个运动单元称为构件。 构件是运动的单元：可能是单一的刚体或是多个零件的刚性组合。如；内燃机中的连杆。连杆1连杆体；2连杆盖；3、4、5轴瓦；6螺栓；7螺母；8销2. 零件零件是机器中的制造单元。零件分为两类： （1）通用零件：各种机器中普遍使用的零件，如螺栓、键、带轮、齿轮等。 （2）专用零件：特定类型机器中所使用的零件，如内燃机中的活塞、凸轮、洗衣机中的波轮、叶片、吊钩等。 2. 研究各种通用机械零件（连接件、传动件

3、、轴系件等）的结构、特点及工作原理、选用原则、设计和计算方法、使用及维护等。四、本课程研究的内容 1. 常用机构（平面连杆机构、齿轮机构、凸轮机构、间歇运动机构）的组成形式和运动特性、选用原则，以及机器动力学基础知识。2. 零件零件是机器中的制造单元。零件分为两类： （1）通用零件：各种机器中普遍使用的零件，如螺栓、键、带轮、齿轮等。 （2）专用零件：特定类型机器中所使用的零件，如内燃机中的活塞、凸轮、洗衣机中的波轮、叶片、吊钩等。第二节 机械设计的基本要求和一般程序 机械设计是根据用户的需求，创造性地设计和制造出具有预期功能的新机械或改进现有机械的功能。一、机械设计的基本要求 （1）使用要求

4、：根据预期的使用功能，确定机构的组合。 （2）经济性要求：机械的经济性体现在设计、制造和使用的全过程。 （3）人、机和环境要求：所设计的机械应使人、机和环境所组成的系统关系协调。 （4）可靠性要求：机械在规定的环境条件下和规定的使用期限内，完成规定功能的一种特性。 （5）其它要求：不同的机械还有一些特殊的要求：如机床有长期保持精度的要求；飞机有减轻质量的要求；食品机械有防止污染的要求等。产品规划结构方案设计原理方案设计技术设计施工设计可行性报告设计任务书原理方案图结构设计草图总装配图部装图、零件图技术文档投产和售后服务二、机械设计的一般程序 二、机械设计的一般过程 1.产品规划阶段 根据市场预

5、测、用户需求调查和可行性分析，制定出机器的设计任务书。 2.方案设计阶段 方案设计是在功能分析的基础上，确定机器的工作原理和技术要求，拟定机器的总体布置、传动方案和机构运动简图。 3.技术设计阶段 将机器的功能原理方案具体化为机械及零部件的合理结构，最后画出总体设计图。 4.施工设计阶段 进行总装配图、部件装配图和零件工作图的设计，完成全部生产图纸并编制设计和使用说明书等技术文件。第三节 机械零件的主要失效形式和计算准则 一、机械零件的主要失效形式 失效：机械零件由于各种原因造成丧失正常工作能力的现象。1. 断裂1）过载断裂 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，造成过

6、载断裂失效。 2）疲劳断裂 零件在循环变应力作用下，长时间工作的零件，容易发生疲劳断裂。如：齿轮轮齿根部的折断。2. 过大的残余变形 当作用在零件上的应力超过材料的屈服极限s时，零件将产生塑性变形。塑性变形改变零件的形状和尺寸，破坏零件间的配合关系。 3. 表面失效磨损1) 2) 腐蚀3) 疲劳点蚀4. 破坏正常工作条件而引起的失效1) 带传动的过载打滑2) 重载齿轮传动、 蜗杆传动的齿面胶合与磨损磨损疲劳点蚀二、机械零件的计算准则 计算准则：针对不同失效形式建立的判定零件工作能力的条件，称为工作能力计算准则。 1. 强度准则：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。 由于强度

7、不足会引起机械零件断裂、塑性变形、疲劳点蚀。强度条件： 2. 刚度准则：机械零件抵抗弹性变形的能力。刚度条件：3. 寿命准则影响零件寿命的主要因素是磨损、疲劳和腐蚀。1）耐磨性 摩擦与磨损与零件的结构、摩擦副材料、热处理方式、润滑条件等诸多因素有关，设计时应运用摩擦学原理，综合考虑上述因素。2）疲劳寿命应按使用寿命的疲劳极限进行计算。3）腐蚀寿命 目前尚无计算方法，选材时应根据防腐要求确定。 4. 振动稳定性准则：设计时使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振频率错开，以避免产生共振。 剧烈振动会影响机器的工作质量和运转精度，当机器的自振频率与干扰频率一致时，会发生共振，振幅急剧增大，使零件

8、失去稳定性，使机器或零件损坏。 对高速转动零件应作振动稳定性计算，避开共振区。 5. 热平衡准则：零件的工作温度过高或由于摩擦生热而形成高温，会使零件产生热变形、热应力，破坏正常的润滑条件，造成胶合破坏。 对连续工作的蜗杆传动、滑动轴承通常需进行热平衡计算。 三、机械零件设计的一般步骤 机械零件设计的一般步骤为： （1）根据零件的使用要求，选择零件的类型并设计零件的结构。 （2）根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择材料和热处理方式。 （3）根据零件的工作情况建立零件的计算简图，计算作用在零件上的载荷。 （4）分析零件工作时可能出现的失效形式，确定满足零件工作能力的计算准则，并计算出零件的

9、主要尺寸。 （5）根据工艺性及标准化等原则，进行零件的结构设计。 （6）绘制出零件工作图，编制设计计算说明书。 四、机械零件的设计方法 （1） 理论设计 1）设计计算 ：按设计公式直接求得零件的主要尺寸。 2）校核计算 ：已知零件的各部分尺寸，校核其是否能满足有关的设计准则。 （2） 经验设计：根据对同类零件已有的设计与使用实践，归纳出经验公式和数据，或者用类比法进行的设计称为经验设计。 机械设计方法：常规设计方法、现代设计方法。 1常规设计方法以经验为基础，以力学分析或实验形成的公式、经验数据、标准和规范作为设计依据，采用经验公式、模型或类比等的设计方法。 （3） 模型实验设计：对于尺寸很大

10、，结构复杂，工况条件特殊，又难以进行理论计算和经验设计的重要零件，可采用模型或样机设计。 2现代设计方法 随着新材料、新工艺、新技术等的不断涌现，推动机械产品向大功率、高速度、高精度和自动化方向发展，产生了机械设计的现代设计方法。 主要表现在： （1）发展光机电一体化技术，提高机器的效率、生产率和自动化程度。 （2）采用断裂力学、有限元方法、摩擦学、统计强度理论、相似理论、模拟仿真技术、模态分析技术、监测技术等新的理论和技术，使设计结果更加符合实际。 （3）采用优化设计、可靠性设计和价值设计等方法，提高机械的性能，降低成本。 （4）利用计算机运算快速、准确，具有存储和逻辑判断功能等特点，并与图

11、形分析、自动绘图等相结合，在人机交互作用下进行计算机辅助设计（CAD）。 第五节 机械制造中常用材料及选择一、常用材料1. 金属材料1）铸铁铸铁和钢都是铁碳合金，区别在于含碳量不同。 铸铁是脆性材料，强度低、耐磨性差、不能碾压和锻造。但易熔性、流动性好，具有良好的铸造工艺性。另外具有减震性，价格便宜。 铸铁的抗拉强度与抗压强度之比为1：4，故铸件在结构上应尽量受压不受拉。 铸铁常用于制造大型、形状复杂的零件。如：机床床身、机座、箱体等。第五节 机械零件的常用材料和选择原则一、机械零件的常用材料 机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌号、性能及热处理可查阅机械设计手册。1

12、. 钢 钢的种类很多，按化学成分分为碳素钢和合金钢；按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按质量分为普通钢、优质钢和高级优质钢；按脱氧程度分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。钢是机械制造中应用最广泛的材料，制造机械零件时可以轧制、锻造、冲压、焊接和铸造，并且可以用热处理方法获得较高的力学性能或改善加工性能。 铸铁是碳的质量分数大于2.11的铁碳合金。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁分为白口铸铁、灰铸铁和麻口铸铁，根据铸铁中石墨形态的不同分为：灰铸铁，石墨呈片状；可锻铸铁，石墨呈团絮状；球墨铸铁，石墨呈球状；蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。3. 有色金属合金 有色金属合金具有良好的减摩性、跑合性、抗腐蚀性、

13、抗磁性和导电性等，在机械制造中常用的有铜合金、铝合金和轴承合金等。由于产量少、价格较贵，应节约使用。2. 铸铁 灰铸铁属脆性材料，抗拉性差，但抗压性、耐磨性和抗振性较好，价格便宜，通常用作机架和壳体。 球墨铸铁是使铸铁中的石墨呈球状，球墨铸铁的强度较灰铸铁高，且有一定的塑性，可代替铸钢和锻钢制造零件。4非金属材料 橡胶是在生胶（天然橡胶或合成橡胶）中加入适量的硫化剂和配合剂组成的高分子弹性体。 机械制造中的非金属材料有塑料、橡胶、陶瓷、木料、皮革等。 （1）工程塑料 工程上用于制造机械零件、工程结构件的塑料，称为工程塑料。优点为：质轻、比强度高，耐腐蚀性能、减摩性与自润滑性能良好，绝缘性、耐电

14、弧性、隔声性、吸振性优，工艺性好。缺点为：强度、硬度、刚度低，耐热性、导热性差，热膨胀系数大，易燃烧，易老化等。 工程塑料可用于制造齿轮、蜗轮、轴承、密封件、各种耐磨、耐腐、绝缘等零件。（2）橡胶 橡胶具有高弹性、较高的韧性、化学稳定性、耐蚀性、耐磨性、吸振性、密封性，能与金属、线织物、石棉等材料相连接。 橡胶按用途分为通用橡胶和特种橡胶两类。通用橡胶用于制造传动件、减振、防振件和密封件等；特种橡胶用于制造在特殊环境下工作的制品，如耐磨件、散热管、电绝缘件、高级密封件、耐热零件等。5新材料 近年来出现了许多新型材料，如复合材料、纳米材料和其他功能材料。 （1） 复合材料：复合材料由基体材料与增

15、强材料组成，它具有：密度小，比强度、比弹性模量高；抗疲劳性能、高温性能好；具有隔热、耐磨、耐蚀、减振性及特殊的光、电、磁方面的特性。 常用复合材料有碳纤维树脂复合材料、玻璃钢、金属陶瓷等。 （2）金属陶瓷是一种将颗粒状的增强体均匀分散在基体内得到的复合材料。 金属陶瓷常用作耐高温零件及切削加工刀具的材料。 （3）纳米材料又称超微细材料，其核子粒径范围在1100nm（1nm=10-9m）之间，纳米材料具有优异的电、磁、光、力学、化学等特性，作为一种新型材料，在机械、电子、冶金、宇航、生物等领域有广泛的应用前景。二、机械零件常用材料的选择原则 机械零件的使用性能、工作可靠性和经济性与材料的选择有很

16、大关系。因此，设计师在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用、工艺和经济性等要求。 1使用要求 为保证机械零件不失效，应根据零件所承受载荷的大小、性质以及应力状态，对零件尺寸及质量的限制，针对零件的重要程度，对材料提出强度、刚度、弹性、塑性、冲击韧度、吸振性能等力学性能方面的要求。同时，由于零件工作环境等其他要求，对材料可能还有密度、导热性、抗腐蚀性、热稳定性等物理性能和化学性能方面的要求。 2工艺要求 选择零件材料时必须考虑到制造工艺的要求。 3经济性要求 从经济观点出发，在满足性能要求的前提下，应尽可能地选用价格低廉、资源丰富的材料。第六节机械零件的制造工艺性及标准化

17、 一、 机械零件的工艺性 设计师在设计机械零部件的结构时，必须考虑结构的工艺性。在保证使用功能的前提下，力求所设计的零部件在制造过程中生产率高、材料消耗少、生产成本低、能源消耗少。同时，设计师还必须了解零件的制造工艺，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。 零件结构工艺性的好坏关系机器的性能和经济性，关于零件工艺性方面的知识，读者可以查阅机械设计手册和相关书籍。二、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实行的一项重要的技术经济政策。 1通用化是在设计系列产品时，采用同一结构和尺寸的零部件。它可以减少产品的规格、形状、尺寸和材料品种等，

18、实现通用互换。 2系列化是将产品尺寸和结构按尺寸大小分档，按一定规律优化组合成产品系列，以减少产品型号数目，系列化是标准化的重要内容。 3标准化是为了减轻设计工作量，把主要精力用于关键零部件的创新设计；由专门工厂集中生产标准零部件，利于降低成本，提高互换性；改进和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于维修和更换。 我国现行标准分为国家标准（强制性标准：GB，推荐性标准：GB/T）、行业标准（如JB、YB等）和企业标准三个等级。随着我国加入 WTO 后，为了增强我国产品在国际市场的竞争力，我国的标准化工作正在与国际标准化组织的标准ISO接轨。 在机械设计中采用标准零件，在试验和检验中采用标准方法，

19、对零件的设计参数采用标准数值，将会提高产品的设计质量和经济效益。 一、课程性质 “机械设计基础”是一门技术基础课程，主要研究机器中常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计原理和计算方法。通过本课程的学习，可以使学生能综合运用先修课程的知识（如机械制图、机械制造基础、理论力学、材料力学等），培养学生初步具有简单机械传动装置的设计能力，为进一步学习专业课和今后从事机械设计工作打下基础。第七节 本课程的内容、性质和任务二、基本要求 （1）掌握常用机构的组成、运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力。对机械动力学的基本知识有所了解。 （2）掌握通用机械零件的工作原理、结构特点、设计计算和维

20、护等知识，并具有设计简单机械传动装置的能力。 （3）具有应用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。 （4）获得实验技能的初步训练。 第二章 平 面 机 构 的 结 构 分 析第二章 平面机构的结构分析机构平面机构：机构中所有构件都位于同一平 面内或相互平行平面内的机构 空间机构本章只介绍平面机构。重点内容： 2绘制机构简图 3计算机构的自由度1机构的组成原理 机构是由若干构件用运动副相互连接组成的，因此，构件和运动副是组成机构的两大基本要素。第一节 平面机构的组成一、构件：构件是组成机构的最小运动单元。机构中的构件分为机架、原动件和从动件三类。 在一个机构中，只有一个构件作为机架。在活动

21、构件中至少有一个构件为原动件，其余的活动构件为从动件。 （1）机架（固定件） ：用来支承活动构件的构件称为机架。如：内燃机的缸体。 （2）原动件：驱动力所作用的构件，其运动规律已知。如：内燃机的活塞。 （3）从动件：机构中随原动件运动的其余活动构件。如：内燃机中的连杆、曲柄。二、构件的自由度和约束1构件的自由度定义：构件可能出现的独立自由运动。 （1） 空间的自由构件 具有六个自由度如：飞行着的飞机 （2）平面的自由构件 具有三个自由度xyz 2约束 约束：对构件独立运动所加的限制。 约束是由两构件直接接触而产生的，不同的接触方式可产生不同的约束。当构件受到约束时，其自由度随之减少。三、运动副

22、及其分类 运动副：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。 （1）转动副 约束了两个方向的移动自由度，只保留一个在平面内转动的自由度。（2）移动副 约束了沿一个方向的移动自由度和在平面内的转动自由度，只保留一个方向的移动的自由度。 根据两构件间接触方式的不同，运动副可分为低副和高副两大类。1低副：两构件通过面接触所构成的运动副称为低副2高副高副：构件通过点或线接触组成的运动副。平面高副a) 车轮与钢轨 b) 凸轮副 c) 齿轮副机械中常见高副：如车轮1与钢轨组成的运动副、 凸轮副和齿轮副。3空间运动副（1）球面副（2） 螺旋副球面副和螺旋副a) 球面副 b) 螺旋副 四、高副与低副

23、的比较 1. 在高副连接中，构件间为点接触或线接触，接触应力大，易磨损。 低副连接中，构件间为面接触，承载能力高。故重型机械中多采用低副连接。如：轧钢机中的滑动轴承。 2. 在传递和转换各种复杂运动方面，高副比低副优越，且结构简单，在自动机床中多采用高副连接。如：凸轮机构。 3. 低副构件的加工面多为圆柱面或平面，易于加工。第二节 平面机构的运动简图 机构运动简图：用简单的线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置。这种表示机构中各构件间相对运动关系的简单图形，称为机构运动简图。其图形未按照精确比例绘制的简图称为机构示意图。1运动副表示方法平面运动副的表示符号一、构件与

24、运动副的表示方法 常用的运动副类型及表示符号见表2-1。其余运动副和构件的表示方法可参见国家标准GB/T 4460-1984。2构件表示方法两副构件三副构件机架同一构件3. 机构简图圆柱齿轮机构锥齿轮机构蜗杆蜗轮机构齿轮齿条机构二、机构运动简图的绘制方法 机构的运动仅与组成机构的构件数目、运动副的类型和数目及相对位置有关，而与机构的复杂外形和具体结构无关。连杆简图绘制机构简图的步骤： （1）分析机构的运动，认清固定件、原动件和从动件。 （2）按照运动的传递顺序，确定构件的数目及运动副的类型和数目。 （3）合理选择视图，并确定一个瞬时的机构位置。 （4）选择适当的比例尺，测定各运动副中心之间的相

25、对位置和尺寸。 （5）从原动件开始，按照活动构件间运动传递的顺序，用选定的比例尺和规定的构件与运动副的符号，绘制机构运动简图。举例：内燃机1汽缸 2活塞 3连杆 4曲轴 5、6齿轮 7凸轮 8顶杆压力机a）结构图 c）机构运动简图1电动机 2、3带轮 4连杆 5曲轴 6、7齿轮 8滑块第三节 平面机构的自由度 平面机构的自由度：机构的总自由度数目。 构件组成机构后，由于运动副的约束作用，自由度数减少。 影响机构自由度的因素: a. 自由构件数目； b. 运动副（数目、类型）。123三杆不能动 (桁架) 01234512五杆机构2四杆机构123411 在平面机构中，每个低副使构件失去两个自由度；

26、每个高副使构件失去一个自由度。 平面机构自由度计算公式为：F = 3n - 2PL - PH n 活动构件数 PL 机构中低副数目 PH 机构中高副数目 三杆桁架：F=3223=0 四杆机构：F=3324=1 五杆机构：F=3425=2二、 平面机构具有确定运动的条件 机构的原动件数目机构的自由度数。 机构能够运动的条件：机构的自由度大于零。 三、计算机构自由度时应注意的问题 1复合铰链：两个以上的构件在同一轴线上组成的转动副。复合铰链处的回转副数为（K-1）个。K构件数1234惯性筛机构5F=35 - 26 = 3 F=35 - 27 = 1 2局部自由度：与整个机构运动无关的自由度。计算机

27、 构自由度时应予排除。 目的：变滑动磨擦为滚动磨擦，以减少磨损。 计算时应将该构件连同运动副一起除去。F=33 - 23 -1 = 2 F=32 - 22 -1 = 1 3虚约束：对机构运动起不到限制作用的重复约束 目的：改善受力情况，必须加工、安装准确。 齿轮2为虚约束（1）轨迹相同（2）移动副导路平行（3）转动副轴线重合（4）对称结构 平面机构的自由度等于机构中活动构件的自由度总数减去由运动副引入的约束总数。结论： 1机构的自由度取决于机构中活动构件的数量和运动副的类型及数目。 2机构的自由度F1，否则不能运动，不成为机构。 3要使机构运动确定，必须使机构原动件的数目等于机构的自由度数。

28、解题步骤： 1) 首先找出复合铰链、局部自由度、虚约束。 2) 确定 n=? PL=? PH=? 3）代入公式 F = 3n - 2PL - PH 计算。 例题1.已知一机构如图所示，求其自由度？解：n=3 PL= 4 PH= 0 F = 3n - 2PL - PH=33-2 4=1 即该机构只有一个自由度，F0, 与原动件数相同（构件4为原动件）。所以，满足机构具有确定运动的条件。 例题2.计算图示六杆机构的自由度,并判定机构运动是否确定。解：n = 5 PL= 712345611 PH = 0 因为机构的自由度数与给定的原动件数相等，所以该机构具有确定运动。例题3.计算图示牛头刨床主传动机

29、构的自由度。解：n = = 6PL = 8PH = 1F = 3n -2 PL - PH =36 - 28 - 1= 1例题4. 已知一机构如图所示，求其自由度。解：1. A、B、C、D处为复合铰链 2. n=7 PL= 10 PH=0 F=3n-2PL-PH=37-210-0=1 即该机构只有一个自由度，与原动件数相同（杆8为原动件）。所以,满足机构具有确定运动的条件。例题5. 已知一机构如图所示，求其自由度。解：n=4 PL= 6 PH=0 F=3n-2PL-PH=34-26-0=0 即该机构自由度为0 ，它的各构件之间不能产生相对运动。12345例题6. 计算大筛机构的自由度？解：E或

30、E 为虚约束，C为复合铰链，F为局部自由度。 n=7 PL= 9 PH=1 F=3n-2PL-PH=37-29-1=2 即该机构自由度为2 ，所以有两个原动件，即AB、凸轮O。 第 三 章 平 面 连 杆 机 构 第三章 平面连杆机构 平面连杆机构中以四个构件组成的平面四杆机构（简称四杆机构）应用最为广泛，本章主要介绍四杆机构的设计方法。 平面连杆机构由若干构件通过低副连接组成，所有构件在同一平面或相互平行平面内运动的机构，又称平面低副机构。曲柄234连杆1摇杆机架 优点是：运动副为面接触，压强较小，磨损较轻，便于润滑，故可承受较大载荷；低副几何形状简单，加工方便；能实现较复杂的运动轨迹。 缺

31、点是：运动副的制造误差会引起误差累积较大，致使惯性力较大；不易实现精确的运动规律，因此，连杆机构不适宜高速传动。 第一节 铰链四杆机构的基本形式及应用铰链四杆机构运动副均采用转动副的四杆机构组成：曲柄1：作整周转动 连杆2：平面运动（平动+转动） 摇杆3： 角内作变速摆动 机架4：固定杆 铰链四杆机构按两连架杆的运动形式不同分为三种基本形式：即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。一、曲柄摇杆机构若铰链四杆机构的两个连架杆，一个为曲柄，另一个为摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。 曲柄和摇杆均可作为原动件，当曲柄为原动件时，摇杆作变速往复摆动。铰链四杆机构a)曲柄摇杆机构b) 双曲柄机构c) 双摇杆

32、机构实例：曲柄为原动件 雷达天线俯仰机构 和面机机构实例：摇杆为原动件1234曲轴踏板连杆缝纫机的踏板机构二、双曲柄机构两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。 图示惯性筛中的铰链四杆机构就是双曲柄机构。 主动曲柄1等速转动，从动曲柄3变速转动，通过附加连杆5带动筛6作变速反复运动。1234 惯性筛机构56双曲柄机构的特殊情况1正平行四边形机构ABCD 当主动曲柄AB作等速转动时，从动曲柄CD以相同的角速度沿同一方向转动，连杆 BC作平动。 正平行四边形机构具有等传动比特点，故在机械中应用较多。实例：机车车轮联动机构；万能绘图仪等。 机车车轮联动 1、3、4曲柄；2连杆；5机架结构特点

33、：对边相等且平行。2反平行四边形机构结构特点：对边相等，但不平行。 当主动曲柄作等速转动时，从动曲柄作反向变速转动。ABDC汽车车门启闭机构正平行四边形机构的运动不确定性 正平行四边形机构在一个运动循环中，四个构件两次共线，致使机构可能两次出现运动不确定状态。此时，从动曲柄可能会发生变向转动，变成反正平行四边形机构。避免措施：a) 利用从动曲柄本身的质量或附加飞轮的惯性导向。 b) 采用两套相同机构，错开死点位置。三 、双摇杆机构 两个连架杆都是摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。实例： 飞机起落架机构 鹤式起重机机构等腰梯形机构结构特点：两个摇杆的长度相等。 汽车转弯时，要求整个车身绕一点转动

34、，使四个车轮均能在地面上做纯滚动，避免轮胎与路面滑动而损伤。等腰梯形机构能近似满足这一要求。汽车前轮转向机构第二节 铰链四杆机构的传动特性一、急回运动性质和行程速比系数 设计机器时，常要求机器的执行机构在工作行程以较低的速度运动，以获得较大的工作力。而回程以较高的速度运动，以提高机器的工作效率。这就是急回特性。曲柄摇杆机构 1摇杆的极限位置 曲柄摇杆机构，曲柄AB 转动一周，两次与连杆 BC共线。这两个位置为极限位置。2摆角 摆杆两极限位置间的夹角。 3极位夹角 曲柄与连杆两次共线时，曲柄两位置所夹的锐角。4行程速比系数K 曲柄沿顺时针方向匀速转动，ABCD为曲柄摇杆机构的任意工作位置。 当曲

35、柄转到 AB1位置时，曲柄与连杆重叠成一条直线；当曲柄转到 AB2位置时，曲柄与连杆拉直成一条直线。急回运动特性可用行程速比系数K 表示，即将上式整理后，可得极位夹角的计算公式： 注意：曲柄摇杆机构的急回运动性质，取决于极位夹角。若 0，K1，则该机构没有急回运动性质；若 0，K1，则该机构具有急回运动性质，且角越大，K值越大，急回运动性质也越显著。 对于要求具有急回运动性质的机械，可根据K值，计算出角，以便设计出各杆的尺寸。二、压力角和传动角FFtv1压力角 从动件所受压力F与受力点速度之间所夹的锐角称为压力角。有效分力： Ft = Fcos 是影响机构传力性能的主要因素压力角越小，机构的传

36、力性能越好，理想情况是=0 。2传动角压力角的余角称为传动角。 + =9003四杆机构的压力角及传动角 传动角是连杆与从动件（摇杆）间所夹的锐角。 越小， 越大，机构的传力性能越好。 4许用值一般传动： = 400 即： min 400 高速大功率传动：= 500 即：min 500四杆机构的压力角和传动角 机构运转过程中，传动角（或压力角）是变化的，为了保证机构能正常工作，常取最小传动角min大于或等于许用传动角 5最大压力角及最小传动角的确定 机构在运动过程中，压力角是变化的，是从动构件位置的函数。 曲柄摇杆机构的最小传动角min出现在图中的曲柄与机架共线时的其中一个位置即AB或AB处。四

37、杆机构的压力角和传动角三、死点位置 当摇杆主动时, 在摇杆处于极限位置C1D和C2D时，连杆与曲柄两次共线，机构的该位置称为死点位置。1死点位置的特性： （1）不动。 （2）运动不定 2克服死点位置的措施（1）利用飞轮的惯性冲过死点位置。（缝纫机大带轮）（2）使机构的死点错开。 3. 死点位置的应用 在曲柄摇杆机构中，只有以摇杆为主动件时才会出现死点位置，当以曲柄为主动件时，不存在死点问题。 钻床夹具的夹紧机构V型发动机机构第三节 铰链四杆机构的曲柄存在条件 一、曲柄摇杆机构存在曲柄的条件 如图：为使曲柄作整周转动，曲柄必须能顺利通过与机架共线的两个位置 AB 和AB。即必须在两次共线位置分别

38、形成BCD和BCD。 在BCD 中，根据三角形任意两边的长度之差必小于或等于第三边的长度。得： 铰链四杆机构的曲柄存在条件 在BCD中，根据三角形任意两边长度之和必大于或等于第三边的长度。得：（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）联解式 （3-4）、（3-5）、（3-6）得：图3-16 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为： （1）曲柄摇杆机构中，曲柄为最短杆； （2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。lmin + lmax l其余1 + l其余2 二、铰链四杆机构三种基本类型间的关系 当铰链四杆机构满足曲柄存在条件时，取不同杆为机架，即可得到不同形式的铰链

39、四杆机构。 （1）若取最短杆为机架，该机构为双曲柄机构； （2）若取最短杆的任一相邻杆为机架，该机构为曲柄摇杆机构； （3）若取最短杆的相对杆为机架，该机构为双摇杆机构。 注意：在铰链四杆机构中，当最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和时，无论取那一杆为机架，该机构均为双摇杆机构。 第四节 铰链四杆机构的演化 一、演化为曲柄滑块机构 在铰链四杆机构中，铰链中心 C的运动轨迹为 mm圆弧，随着构件3的增长，mm弧越平直。当构件3无穷长时， mm圆弧变成直线，回转副转化为移动副，则曲柄摇杆机构演化成曲柄滑块机构。1演化过程2曲柄滑块机构的类型（1）对心曲柄滑块机构 滑块的导路中心线mm通过曲

40、柄的回转中心 A 。该机构无急回特性。 （2）偏置曲柄滑块机构 滑块的导路中心线mm与曲柄回转中心 A的偏距为 e 。该机构具有急回特性。 曲柄滑块机构广泛用于内燃机、冲床、空气压缩机及往复式水泵等机械中。二、变换机构的机架1导杆机构（1）演化方法 取曲柄滑快机构的曲柄为机架。（2）结构特点 构成移动副的两个构件均为活动构件，滑快相对杆4滑动，并随杆4转动。故称为导杆机构。（3）类型1）转动导杆机构杆2与杆4均作整周转动。2413六缸回转式油泵1机架； 2连杆； 3活塞； 4转动导杆。2）摆动导杆机构 杆4只能作往复摆动，故称摆动导杆机构 摆动导杆机构具有急回特性。 滑快3对导杆4的作用力始终

41、与导杆垂直，压力角=00,传力性能最好。1234Fv34牛 头 刨 床2摇块机构 构件1 和 4 均可作为主动件。工作时，构件3与4相对滑动，并一起绕C点转动。滑块3绕 C点摆动，故称摇块机构。 C卡车车厢自动翻转卸料机构1车身；2车厢；3液压缸；4推杆曲柄摇块机构3移动导杆机构（定块机构） 一般取构件1为原动件，构件2绕C点往复摆动，构件4相对构件3作往复移动。移动导杆机构 取曲柄滑块机构中的滑块为机架。如：手压抽水机1234三、演化成偏心轮机构 将图示机构中的回转副 B（曲柄销）的半径扩大，直至超过曲柄AB的长度。则曲柄变成几何中心与回转中心不重合的圆盘，两中心间的距离称偏心距，等于曲柄长

42、度。 由于演化后曲柄变成偏心轮，故称偏心轮机构。偏心轮机构是通过扩大回转副而演化出的新机构。偏心轮机构 当曲柄摇杆机构及曲柄滑块机构的曲柄较短时，或曲柄销承载较大时，通常将曲柄用偏心轮代替。可增大轴径尺寸，提高其强度和刚度。 另外，当机构需安装在轴的中部时，（偏心轮与轴一体）便于安装整体式连杆，使结构简化。 偏心轮机构广泛用于冲床、剪床、锷式破碎机、内燃机等机械中。四、平面四杆机构的演化关系 摆动导杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构曲柄滑块机构导杆机构摇块机构定块机构转动导杆机构偏心轮机构（改换机架）（变回转副为移动副）（改换机架）（扩大回转副）（改变构件尺寸）第五节 平面四杆机构的设计

43、平面四杆机构的设计主要是根据给定的工作要求，在满足几何条件、运动条件和动力条件情况下，选择机构的类型和确定机构各构件的几何尺寸。一、设计类型1实现已知的运动规律 如：要求曲柄摇杆机构的曲柄等速回转，而摆杆摆动一定角度并急速返回。2实现已知的运动轨迹如：电影放映机的过片机构二、设计方法 图解法、解析法、实验法三、图解法设计1. 按给定行程速比系数K设计 该方法用于设计具有急回运动性质的平面四杆机构，即：曲柄摇杆机构、偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构。一般设计方法：1）先根据工作要求确定行程速比系数 K； 2）根据机构在极限位置的几何关系，结合有关辅助条件，确定机构的运动简图及各构件的几何尺寸。 当

44、曲柄摇杆机构的摇杆处于两极限位置时各构件间的尺寸关系。 摇杆处于极限位置时，曲柄与连杆共线。极位夹角当摇杆处于 C1D位置时： AC1=BC-AB ( 1 ) 当摇杆处于 C2D位置时： AC2=BC+AB ( 2 )联解（1）、（2）得：AC2-AC1=2ABAC1+AC2=2BC偏置的曲柄滑块机构也满足上述关系。例1： 设计一曲柄摇杆机构，已知摇杆长度l,摆角，及行程速比系数K。设计此机构。设计步骤： 2. 由给定的行程速比系数 K，计算极位夹角。 3. 选定固定铰链D的中心位置，根据摇杆长度l和摆角作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D。1. 选取比例尺：L= Xmm/mm 5. 作C1C

45、2N=900-，使C2N与C1M交于P点。则C1PC2=。 4. 连接 C1C2，并作C1MC1C2。 6. 作C1PC2的外接圆，在圆周上任选一点 A作为曲柄与机架所组成铰链的中心。 7. 连接AC1和AC2，则C1AC2= C1PC2=。AC1和AC2为曲柄与连杆两次共线的位置。 8. 由机构在极限位置时各构件间的相互关系：曲柄长度： 9. 以A为圆心，l1 为半径作圆，与C1A的延长线交于B1 点，与 AC2交于B2点。连杆长度： l2=B1C1=B2C2机架长度：l4= AD按比例作图，各构件长度等于图中尺寸比例尺。 由于A点是在C1PC2外接圆上任选的一点，故按 K设计可得无穷多解。

46、A点的位置不同，机构的传动角不同。为获得良好的传动性能，可按最小传动角或其它辅助条件确定A点的位置。 A 点沿圆周上移，机构的压力角最大值减小。 例2. 按给定的连杆两位置及其长度设计铰链四杆机构 在没有其它辅助条件下，有无穷多解。 2. 按给定的连杆长度和工作位置设计图3-20 按给定连杆两位置设计四杆机构例3： 按给定的连杆三位置及其长度设计铰链四杆机构。 具有确定解。图3-21 按给定连杆三位置设计四杆机构3. 实验法 图示为描绘连杆曲线模型的机构简图。 各杆长度可调节，连杆扩展成一块板，板上的孔代表连杆上的不同位置，当机构运动时，各点就绘出不同形状的轨迹曲线。图3-22连杆曲线的绘制连

47、杆曲线图谱 平面连杆机构的连杆曲线是高阶曲线，设计时使连杆上某点实现给定的运动轨迹是十分复杂的，工程中常用连杆曲线图谱设计。有7000条连杆曲线可供选择。图3-23四连杆机构分析图谱 图中以原动曲柄的长度为单位长度，其它各杆的长度以相对曲柄长度的比值表示。 图中每一条连杆曲线均由72根长短不等的线段组成，沿曲线测量相邻两线段间的距离，可得曲柄每转50时连杆上该点的位移。根据曲柄转速还可以计算该点位移的平均速度及加速度的近似值。图谱的应用： 根据要求实现的运动轨迹，先从图谱中查取与其相似的连杆曲线及各构件的长度比值，再求出实际曲线与图谱曲线间的倍数关系，从而确定出各构件的实际尺寸。 第 四 章

48、凸 轮 机 构推杆凸轮第一节 凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构的应用 凸轮机构能将主动件的连续等速运动变为从动件的往复变速运动或间歇运动。在自动机械、半自动机械中应用非常广泛。内燃机配气凸轮机构 组成：凸轮、从动件、机架三部分组成。二、凸轮机构的分类 1按凸轮的形状分（1）盘形凸轮 盘形凸轮是绕固定轴线转动并有变化轮廓向径的盘形零件，从动件在垂直于凸轮轴线的平面内运动。它是凸轮的基本形式。 内燃机配气机构图 自动钻床送进机构（2）移动凸轮 凸轮相对机架作往复直线运动。移动凸轮可看成是由盘形凸轮的半径趋于无穷大时演化而成的。缝纫机切断织物的移动凸轮机构（3）圆柱凸轮 圆柱凸轮是利用圆柱体的顶面或

49、圆周上的凹槽推动从动杆按预定规律运动。 圆柱凸轮可看成是将移动凸轮卷成圆柱体形成的。 盘形凸轮和移动凸轮属平面凸轮，圆柱凸轮属空间凸轮。自动送料机构2按从动件的型式分 （1）尖顶从动杆 由于从动杆的尖顶能与凸轮轮廓的各点接触，故可实现复杂的运动规律。但尖顶易磨损，只适用于低速、轻载的凸轮机构。（2）滚子从动杆 由于从动杆上安装了滚轮，故较尖顶耐磨损，可承受较大载荷，是常用的从动件形式。但可实现的运动规律有局限性，且滚子处有间隙，不宜用于高速。（3）平底从动杆 从动件与凸轮接触的一端是平面。传力性能好，当不计摩擦力时，压力角 = 0。有利于在接触面间形成润滑油膜，常用于高速凸轮机构中。 平底从动

50、杆只能与全部外凸轮廓凸轮作用，运动规律受到一定限制。三、凸轮机构的封闭装置 封闭装置是确保从动杆始终与凸轮保持接触，常用的封闭方法为：1.重力；2. 弹簧；3. 凸轮的凹槽。 四、凸轮机构的特点 1只需确定适当的凸轮轮廓就可使从动件得到预期的运动规律，结构简单，体积较小，易于设计，因此，广泛应用于各种机械、仪器和控制装置中。 2凸轮机构是高副接触，较易磨损。凸轮轮廓加工比较复杂。第二节 从动件的常用运动规律 凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律，因此，设计凸轮时应先根据工作要求确定从动件的运动规律，再绘制凸轮的轮廓曲线。一、从动件的运动分析1凸轮的基圆 凸轮的最小向径rb 称为基圆半径，以rb

51、 为半径所作的圆称为基圆。 图中基圆上的 A点是从动件上升的起点。从动件的位移线图2推程 在凸轮的作用下，从动件远离凸轮回转中心的过程。 3推程运动角 在推程过程中，凸轮对应转过的角度。 4升程 h 从动件在推程过程中所走过的距离。 6远休止角 从动件在最远位置停留，此间凸轮转过的角度。 5停歇凸轮转动而从动杆静止不动的过程。图4-6 从动件的位移线图7回程 凸轮在外力（重力、弹簧力）作用下，趋近凸轮回转中心的过程。8回程角 在回程过程中，凸轮相应转过的角度。 9近休止角从动件在最近位置停留，此间凸轮转过的角度。图4-6 从动件的位移线图二、从动件的位移线图 表明凸轮转角与从动件位移对应关系的

52、线图。 如图 b）横作标代表凸轮转角，纵作标代表从动件的位移。图4-6 从动件的位移线图 在设计凸轮机构时，首先应按其在机械中所要完成的工作任务，选用从动件合适的运动规律，绘制出位移线图，并以此作为设计凸轮轮廓的依据。三、从动件的常用运动规律 1等速运动规律 当凸轮等速回转时，从动件在推程（或回程）的速度v0为常数，称为等速运动规律。 （1）速度线图 速度线图为与横轴平行的直线。a2a)等 速 运 动C)s2（2）位移线图 位移方程为一次方程，故位移线图为一斜直线。（3）加速度线图 在A、B两点处，加速度的理论值为无穷大，因而产生极大的惯性力，对机构造成冲击。此种冲击称为刚性冲击。但实际上由于

53、材料的弹性变形，加速度不可能达到无穷大。 等速运动规律只适用于低速轻载的场合，且不宜单独使用，在运动开始和终止段应当用其他运动规律过渡，以减轻刚性冲击。图4-7等速运动 从动件在推程的起始位置 A和终止位置 B时，速度分别突然由 0上升到v0和由v0下降到 0。 2等加速、等减速运动规律（1）加速度线图 由于 a为常数，所以加速度线图为平行于横轴的直线。等加速部分位于横轴的上方，等减速部分位于横轴的下方。 在 o、B、C 三点处加速度有突然的有限值的变化，会产生有限的惯性力，引起柔性冲击。 等加速等减速运动规律是指从动件在推程（或回程）的前半程作等加速运动，后半程作等减速运动，通常加速度和减速

54、度的绝对值相等。等加速等减速运动（2）速度线图 速度线图是由两条直线组成的折线，前半行程作等加速运动，在行程中点速度达到最大值；后半行程作等减速运动，行程终点速度减小至零。从而避免了刚性冲击。（3）位移线图 位移曲线由两条反向的抛物线组成。 工程上常采用的运动规律还有简谐运动规律、摆线运动规律、多项式运动规律、组合运动规律等。 等加速、等减速运动规律适用于中、低速凸轮机构。等加速等减速运动第三节 按已知运动规律绘制凸轮轮廓 凸轮轮廓曲线的设计有图解法和解析法。图解法简便易行、直观，但精确度低。不过，只要细心作图，其图解的准确度是能够满足一般工程要求的。解析法精确度高，但设计工作量大，可利用计算

55、机进行计算。 用图解法绘制凸轮轮廓时，首先需要根据工作要求合理地选择从动件的运动规律，画出其位移线图，初步确定凸轮的基圆半径rb，然后绘制凸轮的轮廓。 由于当凸轮机构工作时，凸轮是转动的，而在绘制凸轮轮廓时，需要使凸轮与图纸相对静止。因此，凸轮轮廓设计采用了“反转法”原理。一、凸轮轮廓设计的反转法原理 设凸轮的角速度为1，使整个凸轮机构以 -1绕凸轮的回转中心转动。根据相对运动原理，凸轮机构中各构件间的相对运动关系不变，凸轮相对静止。 从动件在随机构转动的同时还相对导路作往复移动或摆动。 由于从动件的顶部始终与凸轮轮廓保持接触，所以，反转一周所得到的从动件的尖顶轨迹就是凸轮的轮廓曲线。图4-9

56、 反转法原理图二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制 1. 对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构a) 凸轮机构 b) 从动件位移线图 设计步骤： 1） 选定比例尺； 2）绘制从动件的位移线图； 3）确定凸轮基圆半径，画出基圆； 4）画出从动件的初始位置； 5）按-1的方向， 将基圆圆周按位移线图横坐标等分;6）过基圆上的各等分点作出导路中心线的各反转位置；7）自基圆开始量取从动杆的各相应位移，得A1、A2、A3；8）将A1、A2、A3连成光滑曲线，即所求凸轮轮廓。对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构a) 凸轮机构 b) 从动件位移线图2对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的绘制 （

57、1）将滚子中心视为尖顶从动件的顶点 （2）按尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制方法绘出凸轮的理论轮廓0。 （3）确定滚子半径，以凸轮理论轮廓的各点为圆心，画一系列滚子圆，这些圆的内包络线 便是滚子从动件盘形凸轮的实际轮廓。对心直动滚子从动件盘形凸轮 （4）滚子从动件盘形凸轮的基圆半径 rb 在理论轮廓上度量。 （5）同一理论轮廓的凸轮，当滚子半径不同时实际轮廓就不同。凸轮制成后，不得随意改变滚子半径，否则从动件的运动规律会改变。 （6）实际轮廓与理论轮廓为等距曲线。对心直动滚子从动件盘形凸轮3对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制 （1）将从动件的平底与导路中心线的交点视为尖顶从动件的尖顶。 （2）按

58、尖顶从动件凸轮轮廓的绘制方法，求出凸轮轮廓上的一系列点 A1, A2, A3 。 （3）过上述各点作相应位置处从动件的平底A1B1，A2B2，A3B3 ，即从动件平底的各反转位置。组成多边形。 对心直动平底从动件盘形凸轮 （4）作多边形的内包络线，便得到平底从动件盘形凸轮的实际轮廓。 （5）图中位置 3、7 是平底分别与凸轮轮廓切于平底最左和最右的位置。为了保证平底始终与凸轮轮廓接触，平底左侧的长度应大于 a，右侧的长度应大于b。 （6）平底从动杆盘形凸轮的实际轮廓应全部为外凸轮廓。4偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的绘制 （1）偏置直动从动件的导路与凸轮回转中心之间的偏距为e。 （2）以o点为

59、圆心，画出偏距圆和基圆。 （3）确定导路的初始位置，导路中心线与偏距圆相切。 （4）沿-1方向将偏距圆分成与位移线图相应的等分，并过这些点作偏距圆的切线。即反转后导路的一系列位置。 偏置尖顶直动滚子从动件盘形凸轮 （5）自基圆开始，在各导路中心线上截取从动件相应的行程。得A0，A1，A2， 各点。 （6）将上述各点连成光滑曲线，即偏置直动尖顶从动件盘形凸轮的轮廓曲线。第四节 凸轮机构设计中应注意的几个问题一、滚子半径的选择 滚子与凸轮轮廓之间是滚动摩擦，可减小磨损。从减小摩擦阻力和凸轮与滚子间的接触应力方面考虑，滚子半径不宜过小。但滚子半径影响凸轮的实际轮廓，故滚子半径也不宜过大。设：rT滚子

60、半径；凸轮理论轮廓外凸部分的最小曲率半径；凸轮实际轮廓外凸部分的最小曲率半径。a）当 实际轮廓为一平滑曲线。 b）当 实际轮廓产生尖点，尖点的接触应力大，易磨损，磨损后使运动规律改变，应避免。 c）当 实际轮廓发生交叉，交叉点以上部分加工时将被切去，使部分运动规律无法实现，这是不允许的。图4-14 滚子半径的选择a) 当minrT时 b) 当min=rT时 c) 当min0，故槽轮的槽数z。（ ，槽轮不动）b）单销槽轮机构 0.5 。多销槽轮机构：多销槽轮机构在一个运动循环中，槽轮的运动时间为单销时的K倍。的取值范围：运动系数的取值范围：=1表示槽轮作连续转动，不能实现间歇运动。圆柱销K和槽轮