机械设计总论ppt课件(完整版)

1、机械设计总论 0.1 任务引入 0.2 解决任务的方法 0.3 相关知识点介绍 0.4 知识拓展 现代设计方法 0.5 思考及练习题 0.1 任务引入 机械是人类在长期生产实践中创造出来的重要生产工具 。 它用来减轻人的劳动强度，改善劳动条件，提高产品质量，提高劳动生产率，帮助人们创造更多的社会财富，在现代化生产中尤其离不开机械 。 机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志 。 任何机械都是若干装置、 部件和零件组成的一个特定的系统 。 机械零件是成机械系统的基本要素， 部件、 装置是组成机械系统的子系统 。 下一页返回0.1 任务引入 如图 0-1 所示卷扬机， 图 0-2 牛头

2、刨床都是由若干装置、 部件和零件组成的两种功能和构造各异的机械系统 。 机械零件和构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统 。 上一页返回0.2 解决任务的方法 在现代化生产中，几乎没有一个领域不使用机械，这就需要大批具有一定机械基础知识的技术人员 。 高职机械类专业正是顺应这一需要而设置的， 其培养目标是培养从事现代机械工业生产、 建设、 管理、 服务第一线的技术应用型专门人才 。 本课程是一门高职机械类专业的主干专业基础课，专业培养目标中，起承上启下的作用 。 返回0.3 相关知识点介绍课题一 机械设计的基本概念 一、 机器的概念 本课程的研究对象是

3、机械 。 机械是机器和机构的总称 。 1. 机器的组成 现代机器一般有四大部分组成： （ 1 ） 动力装置部分 它是驱动整台机器完成预定功能的动力来源， 其作用是把其他形式的能量转换为机械能，以驱动机器各部件，如电动机、 内燃机、 液压马达等 。 下一页返回0.3 相关知识点介绍（ 2 ） 执行装置部分 它是机器中直接完成工作任务的组成部分 。 如机床的刀架、 汽车的车轮、 船舶的螺旋桨、 工业机器人的手臂等 。 （ 3 ） 传动装置部分 它是将动力装置的运动和动力传递给执行装置的中间 环节，利用它可以减速、 增速、 调速、 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 。 （ 4

4、 ） 操纵、 控制及辅助装置部分 操纵装置如启 动、 停车、 正反转、 运动和动力参数的改变及各执行装置间的动作协调等 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍2. 机器的特征 如图 0-3 所示的内燃机由活塞 2 、 连杆 1 、 凸轮轴 6 和缸体 9 （ 机架） 组成机器的主要部分 。 汽缸内燃烧的膨胀气体，推动活塞在气缸内作往复移动时，通过连杆使曲轴作连续转动 。 凸轮轴 6 、 进排气门推杆 7 、 8 和机架组成控制部分 。 凸轮转动，通过推杆推动进、 排气阀启闭，实现可燃混合气定时进入气缸，废气定时排出气缸的功能 。 齿轮 10 和 d 轴上的齿轮 5 及机架组成传动部分，从而

5、把燃料燃烧产生的热能转换为机械能 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍由上述实例及日常生活中常见的其他机器可以看出，尽管机器的种类繁多，构造和差别很大，但注意观察，就会发现机器都有着下列共同特征：（ 1 ） 机器是若干人为实体的组合；（ 2 ） 各实体间具有确定的相对运动；（ 3 ） 能够代替或减轻人类劳动， 完成有用机械功， 变换或传递能量、 物料和信息等 。 二、 机构的概念 这些由若干具有确定相对运动的实体组成，用来传递力、 运动或转换运动形式的系统称为机构 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍组成机构的具有确定相对运动的实体， 称为构件， 如上述活塞 2 、 连杆 1 、缸

6、体（ 机架） 等 。 组成机构的构件可以是刚性的， 也可以是挠性的、 弹性的， 或是液压、 气动、 电磁件 。 从机器的运动原理角度分析，机器的主体通常由一个或几个机构组成 。 三、 构件、 零件和部件 从机构运动的角度看，构件是机构中不可分割的相对运动单元体，即运动单元 。 从制造加工的角度来看，机器是由若干零件组装而成的，零件是机器的最小制造单元，是机器的基本组成要素 。 构件可以是一个单独的零件，如内燃机中的曲轴；也可以由几个零件刚性地连接在一起组成， 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍课题二 机械设计的基本准则及一般步骤 一、 机械零件的失效形式及设计准则 为了使设计零件能在预定时

7、间内和规定工作条件下正常工作，设计机械零件时应满足下面的基本要求： 1. 强度 强度是保证机械零件正常工作的基本要求 。 为了避免零件在工作中发生断裂，必须使零件工作时满足下面的设计准则： 或 式中， 、 分别为零件工作时的正应力和剪应力； 、 分别为零件材料的许用正应力和许用剪应力 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍2. 刚度 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力 。 若零件刚度不够， 将产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作，例如若车床主轴的弹性变形过大，会影响加工精度，为了使零件具有足够的刚度，设计时必须满足下面的设计准则： y y 式中， y 、 、 分别为零件工作时的挠

8、度、 偏转角和扭转角； y 、 、 分别为零件的许用挠度、 许用偏转角和许用扭转角 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍3. 寿命 机械零件应有足够的寿命 。 影响零件寿命的主要因素有腐蚀、 磨损和疲劳 。 但至今还没有提出实用且有效的腐蚀寿命计算方法 。4. 可靠性 满足强度和刚度要求的一批相同的零件，由于零件的工作应力是随机变量，故在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有的零件都能完成规定的功能，零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率称为该零件的可靠度 。 可靠度是衡量零件工作可靠性的一个特征量，不同零件的可靠度要求是不同的 。 设计时应根据具体零件的重要程

9、度选择适的可靠度 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍二、 机械设计的基本要求 虽然不同的机械其功能和外形都不相同，但它们设计的基本要求大体是相同的，机械应满足的基本要求可以归纳为两方面：1. 功能要求 2. 安全可靠性要求 3. 经济性要求 4. 其他要求 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍三、 机械设计的一般程序 机械设计就是建立满足功能要求的技术系统的创造过程 。 机械设计一般过程如图 0-5 所示 。 1. 明确设计任务 产品设计是一项为实现预定目标的有目的的活动，因此正确地决定设计目 标（ 任务） 是设计成功的基础 。明确设计任务包括定出技术系统的总体目标和各项具体的技术要

10、求， 这是设计、 优化、 评价、 决策的依据 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍2. 总体设计 机械系统总体设计根据机器要求进行功能设计研究 。 总体设计包括确定工作部分的运动和阻力，选择原动机的种类和功率，选择传动系统，机械系统的运动和动力计算，确定各级传动比和各轴的转速、 转矩和功率 。 3. 技术设计 技术设计又称结构设计 。 其任务是根据总体设计的要求，确定机械系统各零部件的材料、 形状、 数量、 空间相互位置、 尺寸、 加工和装配，并进行必要的强度、 刚度、 可靠性设计， 若有几种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍4. 样机试制

11、 样机试制阶段是通过样机制造、 样机试验、 检查机械系统的功能及整机、 零部件的强度、 刚度、 运转精度、 振动稳定性、 噪声等方面的性能，随时检查及修正设计图纸，以更好地满足设计要求 。 5. 批量正式生产 批量正式生产阶段是根据样机试验、 使用、 测试、 鉴定所暴露的问题， 进一步修正设计，以保证完成系统功能，同时验证各工艺的正确性，以提高生产率、降低成本，提高经济效益 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍课题三 机械零件常用材料与选择 一、 机械零件常用材料 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、 橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应用 。1. 金属

12、材料 （ 1 ） 铸铁 。 常用的铸铁有灰铸铁、 球墨铸铁、 可锻铸铁、 合金铸铁等 。 （ 2 ） 钢 。钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、 锻造、 冲压、 焊接和铸造方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面处理方法提高机械性能，因此其应用极为广泛 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍（ 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、 抗磁性、 导电性等特殊的性能，在工业中应用最广的是铜合金、 轴承合金和轻合金，但有色金属合金比黑色金属价格贵 。 2. 非金属材料 非金属材料是现代工业和高技术领域中不可缺少和占有重要地位的材料， 非金属材料包括除金

13、属材料以外几乎所有的材料 。 机械制造中应用的非金属材料种类很多， 有塑料、 橡胶、 陶瓷、 木料、 毛毡、 皮革、 棉丝等 。 （ 1 ） 橡胶 。 （ 2 ） 塑料 。 上一页下一页返回0.3 相关知识点介绍（ 3 ） 复合材料 。 （ 4 ） 陶瓷 。 二、 机械材料选用的原则 从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则：（ 1 ） 载荷的大小和性质 。 （ 2 ） 零件的工作条件 。 （ 3 ） 零件的尺寸及质量 。 （ 4 ） 经济性 。 上一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 一、 计算机辅助设计 在机械设计中，计算机可以帮助设计人员担

14、负计算、 信息存储和制图等项工作 。 1.CAD 简介 计算机辅助设计（ CAD ： Computer Aided Design ） 是指工程技术人员利用计算机的硬件和软件系统，对产品进行总体设计、 绘图、 分析和编写技术文档等设计活动的总称。下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 如图 0-6 所示， CAD 是一个设计过程， 它是 “ 在计算机环境下完成产品的创造、 分析和修改， 以达到预期设计目 标的过程 ”。 一般认为， CAD 功能可归纳为： 几何建模、 工程分析、 模拟仿真、 自动绘图四大类 。 CAD 硬件系统的典型组成分为三大部分： 计算机（ 键盘、 鼠标、 显示器和主机）、

15、 图形输入设备（ 如扫描仪等）、 绘图输出设备（ 如打印机、 绘图机等） 。 上一页下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 2. 常用的 CAD 软件 （ 1 ） 解决几何图形设计问题 。 在几何图形设计中，通常有以下四种方法 。 交互式绘图 。 程序参数化绘图 。 尺寸驱动式参数化绘图 。 三维实体造型 。（ 2 ） 解决工程分析与计算问题此类软件针对机械领域的需要，一般配置有计算方法库、 优化方法库及常用零部件优化模型库、 机构分析及机构综合软件、 机械系统动态分析软件、 模具分析软件等模块 。 上一页下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 （ 3 ） 商品化软件简介除了 AutoCA

16、D 之外， 近年来国内外比较流行的软件有开目机械零件设计系统（ 国产）、 美国 SDRC 公司 推出 的 IDEAS 、 PTC 公司 推出 的 Pro/Engineer 、 CNCSoftware 公司的 MasterCAM 等 。 开目机械零件设计系统 。 I-DEAS 设计系统 。 Pro/Engineer 实体设计系统 。 MasterCAM 设计及制造系统 。 上一页下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 二、 有限元法设计 有限元法（ Finite Element Method ） 是以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法 。目 前， 该法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、 非

17、稳态问题（ 如结构力学、 流体力学、 热传导、 电磁场等方面问题） 的求解， 而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析， 并能准确地计算形状复杂零件（ 如机架、 汽轮机叶片、 齿轮等） 的应力分布和变形， 成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具 。 上一页下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 三、 优化设计 优化设计（ Optimal Design ） 是把最优化数学原理应用于工程设计问题， 在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法 。 进行工程优化设计， 首先需将工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，

18、 得到工程设计问题的最优设计方案 。 四、 可靠性设计 可靠性设计（ Reliability Design ） 是以概率论和数理统计为理论基础；以失效分析、 失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法 。 上一页下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 五、 工业艺术造型设计 工业艺术造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一门新学科 。 它是指在保证产品实用功能的前提下， 用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动，对工业产品的结构尺寸、 体面形态、 色彩、 材质、 线条、 装饰及人机关系等因素进行有机的综合处理，从而设计出优质美观的产品造型 。六、 设计方法学 设

19、计法学（ Design Methedology ） 是研究设计的一般性方法、 技巧、 手段、进程及规律的一门新型综合学科；目前国际上对设计方法学的研究主要分为两大学派，即德国学派和英美学派 。 上一页下一页返回0.4 知识拓展 现代设计方法 七、 反求工程设计 反求工程（ Reverse Engineering ） 是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和 。 它对提高我国的科技和管理水平有着重要的意义 。 八、 现代设计方法的特点 通过上述几种典型现代设计方法的内容介绍可知，现代设计方法的基本特点如下：（ 1 ） 程式性 。 （ 2 ） 创造性 。 （ 3 ） 系统性 。

20、上一页返回0.5 思考及练习题 0-1 试述机械、 机构、 构件、 零件的含义 。 0-2 试述机械零件失效、 失效主要形式及机械零件设计准则的含义 。 0-3 机械中常用哪些材料？试简述钢和铸铁的主要性能及其应用 。 0-4 试各举出具体有下述功能的机器的两个事例： （ 1 ） 原动机； （ 2 ） 将机械能变换为其他形式能的机器；（ 3 ） 实现物料变换的机器； （ 4 ） 变换或传递信息的机器； （ 5 ） 传递物料的机器； （ 6 ） 传递机械能的机器 。 下一页返回0.5 思考及练习题 0-5 指出下列的机器的原动部分、 工作部分、 传动部分、 支承部分、 控制部分： （ 1 ） 汽

21、车； （ 2 ） 自行车； （ 3 ） 电风扇； （ 4 ） 缝纫机 。 0-6 指出汽车中三个通用零件和专用零件 。 0-7 CAD 是什么？ 常用的 CAD 软件有哪些？ 上一页返回图 0-1 卷扬机 1 电动机； 2 、 4 联轴器； 3 齿轮减速器； 5 卷筒 返回图 0-2 牛头刨床 返回图 0-3 内燃机 返回图 0-5 机械设计过程 返回图 0-6 机械 CAD 的工作过程 返回项目 一 平面连杆机构 1.1 任务引入 1.2 解决任务的方法 1.3 相关知识点介绍 1.4 知识拓展 机构的组合与应用 1.5 思考及练习题 1.1 任务引入 在起重机等设备中， 都会包含平面连杆机

22、构 。 如图 1-1 所示的起重机中， AB 、 BC 、 CD 、 DA 组成的是一个平面连杆机构 。 通过摇杆 AB 的摆动， 带动 BE 运动，吊起重物 Q 。 返回1.2 解决任务的方法 要完成起重机的平面连杆机构设计，需要掌握以下内容： （ 1 ） 平面连杆机构有哪些构件构成？（ 2 ） 各构件间采用何种连接方式？（ 3 ） 平面连杆机构有哪些运动和动力特性？（ 4 ） 平面连杆机构的设计方法 。返回1.3 相关知识点介绍 课题一 平面机构的结构分析 一、 运动副及其分类 1. 运动副 机构由若干个相互连接起来的构件组成 。 机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动连接， 称为运

23、动副 。 下一页返回1.3 相关知识点介绍 2. 运动副的分类 （ 1 ） 低副 。 两构件通过面接触构成的运动副称为低副 。 根据两构件间的相对运动形式，低副又分为移动副和转动副 。 两构件间的相对运动为直线运动的， 称为移动副，如图 1-2 所示； 两构件间的相对运动为转动的， 称为转动副或铰链， 如图 1-3 所示 。 （ 2 ） 高副 。两构件通过点或线接触构成的运动副称为高副 。 如图 1-4 ， 凸轮 1 与尖顶推杆 2 构成高副，如图 1-5 ，两齿轮轮齿啮合处也构成高副 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 二、 平面机构运动简图 实际构件的外形和结构往往很复杂， 在研究

24、机构运动时， 为了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉，保留与运动有关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例表示各种运动副的相对位置 。 这种表示机构各构件之间相对运动的简化图形，称为机构运动简图 。 机构中的构件可分为三类： （ 1 ） 固定件或机架 。 （ 2 ） 原动件 。 （ 3 ） 从动件 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 绘制机构运动简图的一般方法和步骤：（ 1 ） 分析机构的运动及组成，确定机架、 原动件和从动件 。 （ 2 ） 识别运动副的类型 。 由原动件开始， 依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目 。（ 3 ） 选择投影平面

25、，画机构草图 。 （ 4 ） 确定比例尺，绘制机构运动简图 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 例 1-1 试绘制图 1-6 （ a ） 所示颚式破碎机的机构运动简图 。 解 颚式破碎机的主体机构由机架 1 、 偏心轴 2 、 动颚 3 、 肘板 4 共四个构件组成 。 偏心轴是原动件，动颚和肘板都是从动件 。 偏心轴在与它固连的带轮 5 的拖动下绕轴线 A 转动，驱使输出构件动颚 3 作平面运动，从而将矿石轧碎 。 偏心轴 2 与机架 1 绕轴线 A 作相对转动， 故构件 1 、 2 组成以 A 为中心的转动副； 动颚 3 与偏心轴 2 绕轴线 B 作相对转动， 故构件 2 、 3

26、组成以 B 为中心的回转副； 肘板 4 与动颚 3 绕轴线 C 相对转动， 故构件 3 、 4 组成以 C 为中心的转动副； 肘板与机架绕轴线 D 作相对转动， 故构件 4 、 1 组成以 D 为中 心的转动副 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 选定适当比例尺， 根据图 1-6 （ a ） 尺寸定出 A 、 B 、 C 、 D 的相对位置， 用构件和运动副的规定符号绘出机构运动简图， 如图 1-6 （ b ） 所示 。 最后， 将图中的机架画上斜线，在原动件上标出指示运动方向的箭头 。 三、 平面机构的自由度 为了使所设计的机构能够运动并具有运动的确定性，必须研究机构的自由度和机构具

27、有运动确定性的条件 。1. 平面机构自由度的计算 （ 1 ） 自由度 。 自由度是构件可能出现的独立运动 。 任何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 （ 2 ） 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，对于相对运动所加的限制称为约束 。 （ 3 ） 机构自由度的计算 。 机构相对于机架所具有的独立运动数日， 称为机构的自由度 。2. 平面机构具有确定运动的条件 机构的自由度即机构所具有的独立运动的个数 。 由前所述可知， 从动件是不能独立运动的，只有原动件才能独立运动 。 通常每个原动件只具有一个独立运动，因此，机构自由

28、度必定与原动件的数目相等 。 机构具有确定运动的条件是：机构自由度必须大于零、 且原动件数与其自由度必须相等 。上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 3. 计算平面机构自由度的注意事项 （ 1 ） 复合铰链 。 两个以上构件组成两个或更多个共轴线的转动副， 即为复合铰链 。 图 1-9 （ a ） 为三个构件在 A 处构成的复合铰链，由其侧视图1-9 （ b ） 可知， 此三构件共组成两个共轴线转动副 。 当由 K 个构件组成复合铰链时，则应当组成（ K -1 ） 个共轴线转动副 。 （ 2 ） 局部自由度 。 机构中常出现一种与输出构件运动无关的自 由度， 称为局部自由度或多余自由度 。在

29、计算机构自由度时， 可 预 先 排 除 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 （ 3 ） 虚约束 。 机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束， 称为虚约束 。 虚约束常出现在下列场合： 两构件间形成多个具有相同作用的运动副，分为下列三种情况 。 a. 两构件在同一轴线上形成多个转动副 。 b. 两构件形成多个导路平行或重合的移动副 。 c. 两构件组成多处接触点公法线重合的高副 。 两构件上连接点的运动轨迹互相重合 。 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分， 也为虚约束 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 综上所述，在计算平面机构自由度时，必须考虑是否存在复合铰

30、链，并应将局部自由度和虚约束除去不计，才能得到正确的结果 。例 1-2 试计算图 1-14 中，发动机配气机构的自由度 。 解 此机构中， G ， F 为导路重合的两移动副， 其中一个是虚约束； P 处的滚子为局部自由度 。 除去虚约束及局部自由度后， 该机构则有n=6;PL=8;PH=1,其自由度为: F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1例 1-3 试计算图 1-15 （ a ） 所示的大筛机构的自由度， 并判断它是否有确定的运动 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 解 机构中的滚子有一个局部自 由度 。 顶杆与机架在 E 和 E 组成两个导路平行的移动副， 其中之一为虚约

31、束 。 C 处是复合铰链 。 今将滚子与顶杆焊成一体，去掉移动副 E ， 并在 C 点注明回转副的个数， 如图 1-15 （ b ） 所示， 由此得，n=7;PL=9;PH=1,其自由度为: F=3n-2PL-PH=3*7-2*9-1=2因为机构有两个原动件，其自由度等于 2 ，所以具有确定的运动 。上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 课题二 常用设备的平面连杆机构形式分析 一、 铰链四杆机构的基本形式 全部由回转副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构， 如图 1-16 所示 。 机构的固定件 4 称为机架；与机架用转动副相连接的杆 1 和杆 3 称为连架杆；不与机架直接连接的杆 2 称为连

32、杆 。 能作整周转动的连架杆， 称为曲柄 。 仅能在某一角度内摆动的连架杆， 称为摇杆 。 1. 曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中，若两个连架杆一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构 。 曲柄摇杆机构的特点是它能将曲柄的整周回转运动变换成摇杆的往复摆动，或将摇杆的往复摆动变换成曲柄的连续回转运动 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 2. 双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构 。 双曲柄机构的特点之一就是能将等角速度转动变为周期性变角速度转动 。 通常主动曲柄作等速转动，从动曲柄作变速转动 。 在双曲柄机构中，若两曲柄平行且相等，称为平行四边形机构

33、。 此外，在双曲柄机构中， 若对边的长度分别相等， 但连杆 BC 和机架 AD 不平行，则称其为反平行四边形机构， 如图 1-21 所示 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 3. 双摇杆机构 两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构 。 双摇杆机构的特点主要是： 通过适当的设计， 将主动摇杆的摆角放大或缩小，使从动摇杆得到所需的摆角； 或者利用连杆上某点的运动轨迹实现所需的运动 。图 1-23 所示为大型造型机的翻箱机构， 这是一个典型的双摇杆机构的应用实例 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 二、 铰链四杆机构曲柄存在的条件 设四个构件中最长杆的长度为L1 ， 最短杆的长

34、度为L2 ， 其余两杆长度分别为L3和L4 ，则整转副存在的条件可表示为： 若 L1+L2L3+L4， 则机构中存在整转副 。 取最短杆的相邻杆为机架时， 得到曲柄摇杆机构， 如图 1-26 （ a ） 和图 1-26 （ b ）所示 。 取最短杆为机架时， 得到双曲柄机构， 如图 1-26 （ c ） 所示 。 取最短杆的相对杆为机架时， 得到双摇杆机构，如图 1-26 （ d ） 所示 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 三、 铰链四杆机构的演化 1. 曲柄滑块机构 图 1-27 （ a ） 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 为半径

35、的圆弧 。 如在机架上按 C 点的轨迹做成一弧形槽， 摇杆 3 做成与弧形槽相配的弧形块，图 1-27 （ a ） 所示机构演化成图 1-27 （ b ） 所示机构，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 1-27 （ c ） 所示 。上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 此时滑块导路线不通过曲柄回转中心，故称为偏置曲柄滑块机构 。 曲柄转动中心至滑块导路线的垂直距离称为偏距 e ，

36、滑块导路线通过曲柄转动中心 A 时（ 即 e =0 ），则称为对心曲柄滑块机构， 如图 1-27 （ 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 。 2. 导杆机构 导杆机构可以看作是在曲柄滑块机构中选取不同构件为机架演化而成 。 图 1-28 （ 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 转动， 如图 1-28 （ b ） 所示。上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 若 AB BC ，则杆 4 只能作往复摆动， 故称为摆动导杆机构 。图 1-29 为牛头刨床中的摆动导杆机构

37、； 图 1-30 的牛头刨床中的导杆机构为转动导杆机构，当 BC 杆绕 B 点作等速转动时， AD 杆绕 A 点作变速转动， DE 杆驱动刨刀作变速往返运动 。 3. 摇块机构 在图 1-28 （ a ） 所示的曲柄滑块机构 中， 若取杆 2 为 固 定 件， 即 可 得图 1-28 （ c ）所示的摆动滑块机构， 或称摇块机构 。 这种机构广泛应用于摆动式内燃机和液压驱动装置内 。 图 1-31 所示为自卸卡车翻斗机构及其运动简图， 在该机构中，因为液压油缸 3 绕铰链 C 摆动，故称为摇块 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 4. 定块机构 在图 1-28 （ a ） 所示曲柄滑块

38、机构中，若取杆 3 为固定件，即可得图 1-28 （ d ）所示的固定滑块机构或称定块机构 。 这种机构常用于如图 1-32 所示抽水唧筒等机构中 。 一、 急回运动 图 1-33 所示为曲柄摇杆机构， 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 的位置分别为C1D和C2D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 。 上一页下一页返回1.3 相关知识点介绍 急回运动特性可用行程速比系数 K 表示， 即 式中， 为摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的

39、锐角，称为极位夹角 。 将上式整理后，可得极位夹角的计算公式为 由以上分析可知：极位夹角 越大， K 值越大，急回运动的性质也越显著 。 但机构运动的平稳性也越差 。 因此在设计时， 应根据其工作要求， 恰当地选择 K 值，在一般机械中 1 rT 时， a 0 ， 如图 2 - 18 （ b ） 所示，实际轮廓为一平滑曲线 。 当 min rT 时， a 0，如图 2 - 18 （ c ） 所示，在凸轮实际轮廓曲线上产生了尖点，这种尖点极易磨损，磨损后就会改变从动件预定的运动规律 。 当 min 0 ， 如图 2 - 18 （ d ） 所示， 这时实际轮廓曲线发生相交，图中阴影部分的轮廓曲线在

40、实际加工时被切去， 使这一部分运动规律无法实现 。 上一页下一页返回2.3 相关知识点介绍 二、 压力角的校核 凸轮机构也和连杆机构一样，从动件运动方向和接触轮廓法线方向之间所夹的锐角称为压力角 。 在一般情况下，既要求凸轮有较高效率、 受力情况良好， 又要求其机构尺寸紧凑，因此，压力角不能过大，也不能过小，应有一许用值，这个许用值用 表示 。 三、 基圆半径的确定 在设计凸轮机构时， 凸轮的基圆半径取得越小， 所设计的机构越紧凑 。 但是，必须指出，基圆半径过小会引起压力角增大，致使机构工作情况变坏，可知 上一页下一页返回2.3 相关知识点介绍 显然，在其他条件不变的情况下， 基圆半径 rm

41、in 越小， 压力角 越大 。 基圆半径过小，压力角会超过许用值而使机构效率太低甚至发生自锁 。 因此实际设计中，只能在保证凸轮轮廓的最大压力角不超过许用值的前提下，考虑缩小凸轮的尺寸 。 课题五 凸轮常用材料和结构选择 一、 凸轮机构常用材料及热处理 对低速、 轻载的盘形凸轮机构， 可以选用 HT250 、 HT300 、 QT900 2 等作为凸轮材料 。 当使用球墨铸铁材料时，凸轮轮廓表面可以进行淬火处理，以提高凸轮表面耐磨性 。 上一页下一页返回2.3 相关知识点介绍 对中速、 中载的凸轮机构， 凸轮常使用 45 、 40Cr 、 20Cr 、 20CrMn 等材料，从动件可以用 20

42、Cr 等低碳合金钢，并经过表面淬火处理 。 对高速、 重载凸轮机构，通常选用无冲击的从动件运动规律 。 凸轮可以选用 40Cr 等中碳合金钢 。 表面高频淬火至 56 60HRC ， 或用 38CrMoAl ， 经过渗氮处理至 60 67HRC ， 但是， 渗氮表层性脆而不宜承受冲击 。 从动件则可以用 T8 、 T10 等碳素工具钢，经过表面淬火处理 。 上一页下一页返回2.3 相关知识点介绍 二、 凸轮机构的结构 对基圆半径小的凸轮， 常常与轴做成一体， 称为凸轮轴（ 图 2-20 ） 。 对基圆半径较大的凸轮，则做成套装结构，即把凸轮开孔套装在轴上（ 图 2-21 ） 。 上一页返回2.

43、4 知识拓展 改进型运动规律简介 在上述运动规律的基础上有所改进的运动规律称为改进型运动规律 。 例如，在推杆为等速运动的凸轮机构中，为了消除位移曲线上的折点，可将位移线图做一些修改 。 如图 2-22 所示， 将行程始、 末两处各取一小段圆弧或曲线 OA 及 BC ，并将位于曲线上的斜直线与这两段曲线相切，以使曲线圆滑 。 当推杆按修改后的位移规律运动时，将不产生刚性冲击 。 但这时在 OA 及 BC 这两段曲线处的运动将不再是等速运动 。 在实际应用时，或者采用单一的运动规律，或者采用几种运动规律的配合，应视推杆的工作需要而定 。 原则上应注意减轻机构中的冲击 。 返回2.5 思考及练习题

44、 2 - 1 图 2 - 23 所示为一偏置直动从动件盘形凸轮机构 。 已知 AB 段为凸轮的推程廓线，试在图上标注推程运动角 t 。 2 - 2 图 2 - 24 所示为一偏置直动从动件盘形凸轮机构 。 已知凸轮为以 C 为圆心的圆盘，问轮廓上 D 点与尖顶接触时压力角为多少？试作图加以表示 。 2 - 3 已知一凸轮以等角速度 =10 rad/s 顺时针转动， 直动推杆的运动规律及其对应的凸轮转角如表 2 - 22 所示 。 要求： （ 1 ） 作出 s- 、 v- 和 a- 线图；（ 2 ） 求出当 为 90 、 180 和 270 时， 推杆的 s 、 v 和 a 值 。 下一页返回2

45、.5 思考及练习题 2-4 图 2-25 所示为一对心尖端推杆单元弧凸轮（ 偏心轮）， 其几何中心 O 与凸轮转动中心 O 的距离为 LOO =15 mm ， 偏心轮半径 R =30 mm ， 凸轮以等角速度 顺时针转动，试作出推杆的位移线图 s- 。 2-5 设计一对心滚子直动推杆盘形凸轮 。 已知凸轮的基圆半径 r0 =35 mm ， 凸轮以等角速度 逆时针转动， 推杆升程 h =20 mm ， 滚子半径 rT =10 mm 位移线图 s- 如图2-26 所示 。 2-6 设计一偏置滚子直动推杆盘形凸轮 。 已知凸轮以等角速度 顺时针转动，凸轮转动中心 O 偏于推杆导路线的右方 10 mm

46、 处， 基圆半径 rmin =35 mm ， 推杆升程 h =32mm ， 滚子半径 rT =10 mm ， 其位移线图 s- 如图 2-27 所示 。 上一页下一页返回2.5 思考及练习题 2-7 如图 2-28 所示自动车床控制刀架移动的滚子摆动从动件凸 轮机构中， 已知 LOA = 60 mm ， LAB = 36 mm ， rmin =35 mm ， rT =8 mm ，从动件的运动规律如下： 当凸轮以等角速度 1 逆时针回转 90 时，从动件以等加速等减速运动向上摆 15 ； 当凸轮自 90 转到 180 时，从动件停止不动；当凸轮自 180 转到270 时， 从动件以简谐运动摆回原

47、处； 当凸轮自270 转到 360 时，从动件又停止不动，试绘制凸轮的轮廓 。 上一页返回下一页2.5 思考及练习题 2-8 设计一摆动平底从动件盘形凸轮机构， 其机构简图如图 2-29 所示 。 已知 LOA =80 mm ， rmin =50 mm 从动件最大摆角 2max =15 ，从动件的运动规律与题 2-7 相同，试绘出凸轮的轮廓曲线，并决定从动件最低限度应有的长度 。 上一页返回图 2-1 凸轮控制器 返回图 2-2 凸轮机构 返回图 2-3 内燃机配气凸轮机构 返回图 2-4 绕线机中排线凸轮机构 返回图 2-5 动力头用凸轮机构 返回图 2-6 冲床上的凸轮机构 返回图 2-7

48、 按从动件分类的凸轮机构 返回图 2-8 尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构和从动件位移线图 返回图 2-9 等速运动规律 返回图 2-10 等加速等减速运动规律 返回图 2-11 简谐运动规律 返回图 2-13 对心移动尖顶从动件盘形凸轮 返回图 2-14 滚子直从动件盘形凸轮图 返回图 2-15 平底直从动件盘形凸轮 返回图 2-16 偏置移动尖顶从动件盘形凸轮 返回图 2-18 滚子半径对轮廓的影响 返回图 2-20 凸轮轴 返回图 2-21 凸轮与轴用销连接 返回图 2-22 改进的等速运动位移曲线 返回图 2-23 题 2-1 图 返回图 2-24 题 2-2 图 返回表 2-22 返回

49、图 2-25 题 2-4 图 返回图 2-26 题 2-5 图 返回图 2-27 题 2-6 图 返回图 2-28 题 2-7 图 返回图 2-29 题 2-8 图 返回项目三 间歇运动机构 3.1 任务引入 3.2 解决任务的方法 3.3 相关知识点介绍 3.4 知识拓展 组合机构 3.5 思考及练习题 3.1 任务引入 在机械和仪表中，常常需要原动件作连续运动，而从动件则产生周期性时动 时停的间歇运动， 实现这种间歇运动的机构称为间歇运动机构 。 在设计牛头刨床进给系统中的间歇机构 - 如图 3-1 所示， 矩形齿棘轮机构与牛头刨床的丝杆固连在同一轴上， 工作台 3 的进给由螺母带动， 螺

50、母与丝杠 2 配合， 丝杠 2 的转动由棘轮 1 带动 。 当刨刀工作时， 棘轮 1 停歇， 工作台 3 不动； 当刨刀回程时， 棘轮 1 带动丝杠 2 转动， 从而使棘轮的间歇转动转变为工作台 3 的横向进给运动 。 返回3.2 解决任务的方法 要完成间歇机构的设计，需要掌握以下内容： 1. 间歇机构有哪几种类型，各有什么特点： 2. 间歇机构的设计、 选择方法 。 返回3.3 相关知识点介绍 课题一 棘轮机构的工作分析 一、 棘轮机构的工作原理及应用 图 3-2 所示为外啮合棘轮机构 。 它由摆杆 1 、 棘爪 2 、 棘轮 3 、 止回爪 4 和机架 5 组成 。 通常以摆杆为主动件、

51、棘轮为从动件 。 当摆杆 1 连同棘爪 2 顺时针转动时，棘爪进入棘轮的相应齿槽，并推动棘轮转过相应的角度；当摆杆逆时针转动时，棘爪在棘轮齿背上滑过 。 为了防止棘轮跟随摆杆反转， 设置止回爪 4 。 这样，摆杆不断地做往复摆动，棘轮便得到单向的间歇运动 。 下一页返回3.3 相关知识点介绍 棘轮机构除了常用于实现间歇运动外，还能实现超越运动 。 如图 3-6 所示为自行车后轮轴上的棘轮机构 。二、 棘轮机构的使用特点 （ 1 ） 棘轮机构结构简单， 容易制造， 常用 作防止转动件反转的附加保险机构 。（ 2 ） 棘轮的转角和动停时间比可调，常用于机构工况经常改变的场合 。 课题二 槽轮机构的

52、工作分析 一、 槽轮机构的工作原理 槽轮机构又称马耳他机构，它是由槽轮、 装有圆销的拨盘和机架组成的步进运动机构 。 上一页下一页返回3.3 相关知识点介绍 图 3-7 所示的槽轮机构，由带圆销 A 的主动拨盘 1 ， 具有径向槽的从动槽轮 2 和机架组成 。 拨盘作匀速转动时， 驱动槽轮作时转时停的单向间歇运动 。 当拨盘上圆销 A 未进入槽轮径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧 被拨盘的外凸圆弧 卡住，故槽轮静止 。 图 3 - 7 所示位置是圆销 A 刚开始进入槽轮径向槽时的情况，这时锁止弧刚被松开， 因此槽轮受圆销 A 的驱动开始沿顺时针方向转动； 当圆销 A 离开径向槽时， 槽轮的下一个内

53、凹锁止槽又被拨盘的外锁止槽卡住，致使槽轮静止， 直到圆销 A 在进入槽轮另一径向槽时， 两者又重复上述的运动循环 。 平面槽轮分为两种，一种是外槽轮机构， 如图 3-7 所示； 另一种是内槽轮机构，如图 3-8 所示 。 上一页下一页返回3.3 相关知识点介绍 图 3-9 所示为球面槽轮机构，它用于传递两垂直相交轴的间歇运动机构，从动槽轮呈半球形，主动构件的轴线与销的轴线都通过球心，当主动轴作连续运动时，槽轮作间歇转动 。 以上介绍的为单圆柱销槽轮机构，即拨盘转一周，槽轮转一次 。 但有些场合需要拨盘转一周，槽轮转动两次，此时可以采用双圆柱销槽轮机构， 如图 3-10 所示 。 二、 槽轮机构

54、的特点和应用 槽轮机构结构简单、 工作可靠，在进入和脱离啮合时运动比较平稳 。 但在运动过程中的加速度变化较大，冲击较严重，因而不适用于高速 。 上一页下一页返回3.3 相关知识点介绍 课题三 不完全齿轮机构的工作分析 图 3-13 所示为不完全齿轮机构 。 这种机构的主动轮 1 为只有一个齿或几个齿的不完全齿轮，从动轮 2 可以是普通的完整齿轮，也可以由正常齿和带锁止弧的厚齿彼此相间地组成（ 图 3-13 （ a ）、 图 3-13 （ b ） 。 当主动轮 1 的有齿部分作用时， 从动轮 2 就转动；当主动轮 1 的无齿圆弧部分作用时，从动轮停止不动，因而当主动轮连续转动时，从动轮获得时转

55、时停的间歇运动 。 不难看出， 每当主动轮 1 连续转过 1 周时， 图 3-12 （ a ）、 图 3-13 （ b ）、 图 3-13 （ c ） 所示机构的从动轮分别间歇地转过 1/8 、 1/4 和 1 周 。 为了防止从动轮在停歇期间游动， 两轮轮缘上各装有锁止弧 。 上一页下一页返回3.3 相关知识点介绍 对于转速较高的不完全齿轮机构， 可在两轮的端面分别装上瞬心线附加杆 L 和 K （ 图 3-13 （ c ） ， 使从动件的角速度由零逐渐增加到某一数值从而避免冲击 。 不完全齿轮机构有外啮合（ 图 3-13 ） 和内啮合（ 图 3-14 ） 两种形式，一般用外啮合形式 。 上一

56、页返回3.4 知识拓展 组合机构 一、 连杆 连杆 如图 3-15 所示的手动冲床是一个六杆机构 。 它可以看成是由两个四杆机构 组成的 。 第一个是由原动件（ 手柄） 1 、 连杆 2 、 从动摇杆 3 和机架 4 组成的双摇杆机构；第二个是由摇杆 3 、 小连杆 5 、 冲杆 6 和机架组成的摇杆滑块机构 。 图 3-16 所示为筛料机主机构的运动简图 。 这个六杆机构也可看成由两个四杆机构组成 。 第一个是由原动曲柄 1 、 连杆 2 、 从动曲柄 3 和机架 6 组成的双曲柄机构； 第二个是由曲柄 3 （ 原 动件）、 连杆 4 、 滑块 5 （ 筛子） 和机架 6 组成的曲柄滑块机构

57、 。 下一页返回3.4 知识拓展 组合机构 二、 凸轮 凸轮 图 3-17 所示为双凸轮机构，由两个凸轮机构协调配合控制十字滑块 3 上一点 M 准确地描绘出虚线所示预定的轨迹 。 三、 连杆 凸轮 图 3-18 为巧克力包装机托包用的凸轮连杆机构 。 主动曲柄 OA 回转时，B点强制在凸轮凹槽中运动，从而使托杆达到图示运动规律，托包时慢进，不托包时快退，以提高生产效率 。 因此，只要把凸轮轮廓线设计得当，就可以使托杆达到上述要求 。 上一页下一页返回3.4 知识拓展 组合机构 四、 连杆 棘轮 图 3-19 所示为连杆与棘轮两个基本机构组合而成的组合机构 。 棘轮的单向步进运动是由摇杆 3

58、的摆动通过棘爪 4 推动的，而摇杆的往复摆动又需要由曲柄摇杆机构 ABCD 来完成，从而实现将输入构件（ 曲柄 1 ） 的等角速度回转运动转换成输出构件（ 棘轮 5 ） 的步进转动 。 上一页返回3.5 思考及练习题 3-1 棘轮机构的运动设计主要包括哪些内容？ 3-2 为什么棘爪与棘轮轮齿接触处的公法线要位于棘轮与棘爪的转动中心之间？ 3-3 已知一棘轮机构，棘轮模数 m =5 mm ， 齿数 z=12 ，试确定机构的几何尺寸并画出棘轮的齿形 。 3-4 槽轮机构有什么特点？ 3-5 槽轮机构的槽数 z 和圆销数 n 的关系如何？ 3-6 如何避免不完全齿轮机构在啮合开始和终止时产生的冲击？

59、 从动轮停歇期间，如何防止其运动？ 3-7 已知一槽轮机构的槽数 z =6 ， 圆销数 n =1 ， 若主动转臂的转速为 n1 =60 r/min ，求槽轮的运动时间和静止时间及运动系数 的大小 。 返回图 3-1 牛头刨床进给传动机构 返回图 3-2 外啮合棘轮机构 返回图 3-6 超越式棘轮机构 返回图 3-7 外啮合槽轮机构 返回图 3-8 内啮合槽轮机构 返回图 3-9 球面槽轮机构 返回图 3-10 双圆柱销槽轮机构 返回图 3-12 刀架转位槽轮机构 返回图 3-13 外啮合不完全齿轮机构 返回图 3-14 内啮合不完全齿轮机构 返回图 3-15 手动冲床中的复合连杆机构返回图 3

60、-16 筛料机构的复合连杆机构 返回图 3-17 双凸轮机构 返回图 3-18 巧克力包装机托包用的连杆 - 凸轮机构 返回图 3-19 连杆 - 棘轮组合 返回项目 四 螺 旋 机 构 4.1 任务引入 4.2 解决任务的方法 4.3 相关知识点介绍 4.4 知识拓展 静压螺旋传动简介 4.5 思考及练习题 4.1 任务引入 在机械中，有时需要将转动变为直线移动，螺旋传动是实现这种转变经常采用的一种传动 。 如图 4-1 所示的机床进给机构中， 丝杠和刀架组成螺旋机构，实现刀具或工作台的直线进给 。 螺旋传动是由螺杆、 螺母和机架组成， 采用螺旋（ 螺杆） 和螺母实现传动的 。 螺旋传动一般