02第二章 机械设计概论2.5-2.6

2.5机构运动简图及平面机构的自由度平面机构：所有构件都在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2.5.1运动副及其分类运动副：使两构件直接接触并能产生一定的相对运动的联接称为运动副运动副分为：低副、高副1、低副：两构件通过面接触组成的运动副（1）转动副(铰链）组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动（2）移动副组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动2、高副：两构件通过点或线接触组成的运动副球面高副

柱面高副空间运动副球面副螺旋副圆柱套筒副一切机械都是由运动副相联接并具有确定相对运动的若干构件的组合体.2.5.2平面机构运动简图机构运动简图：实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时,为使问题简化，撇开与运动无关的构件外形和运动副具体构造,仅用简单线条和符号来表示构件和运动副。

这种用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，以说明机构中各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简图（1）固定件（机架）：是用来支承活动构件的构件。（2）原动件：是运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，故又称为输入构件。（3）从动件:

随着原动件的运动而运动的其余活动构件，其中输出机构的预期运动的从动件称为输出构件。任何一个机构中，必有一个固定件，一个或几个原动件，其余的都是从动件。

机构中的构件分三类：固定件（机架）原动件(主动件）

从动件绘制机构运动简图的方法和步骤1.确定机构的原动件和输出构件，两者之间为传动部份，分析确定传动部份的构件及构件间运动副的类型，从而确定整个机构的构件及运动副。2.为将机构运动简图表示清楚，恰当地选择投影面。一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面，必要时也可以就机械的不同部分选择两个或两个以上的投影面，然后展开到同一平面上。还可用局部简图。总之，绘制机构运动简图要以正确、简单、清晰为原则。3.选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便绘制出机构的运动简图。机构运动简图中的常用符号名称符号名称符号运动简图中的常用符号名称符号名称符号例2-1绘制如图所示颚式破碎机的机构运动简图一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动。相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动称为构件的自由度运动副限制构件的独立运动即为引入约束2.5.3平面机构的自由度（1）转动副(铰链）（2）移动副各种运动副引入的约束高副：1平面机构自由度的计算公式对于具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了PL个低副和PH个高副，则它们共引入(2PL+PH)个约束。机构的自由度F显然应为:F=3n－(2PL+PH)=3n－2PL－PH2机构自由度的意义及具有确定运动的条件例2.2例2.3例2.4例2.5两个原动件综上所述，机构的自由度Ｆ、机构原动件的数目和机构的运动有着密切的关系：1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动；2)若Ｆ>０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的，因此，机构具有确定运动的条件是：机构的自由度Ｆ>０且机构的原动件数等于机构的自由度数；3)若Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不确定的;4）若Ｆ>０，而原动件数>F，则构件间不能运动或产生破坏。机构的自由度的意义就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数的数目。3计算机构自由度时应注意的事项（1）复合铰链例由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。（2）局部自由度

不影响机构输入与输出运动关系的个别构件的独立运动称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。在运动副的约束中，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。（3）虚约束在计算机构的自由度时，应将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。虚约束对运动不起作用，但可以增加构件的刚性、使构件受力均衡。常见的虚约束有以下几种情况:１）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。带虚约束的凸轮机构２）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。带虚约束的曲轴3）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。带虚约束的行星轮系自由度：F=3*3-2*3-2*1=1机构自由度计算举例例1图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，以达到刨削加工目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？图1解：首先计算设计方案草图的自由度改进措施：1、增加一个低副和一个活动构件；2、用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。图1-1图1-2图1-3图1-4图1-5图1-6图1-7图1-8例2如图2所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。图2局部自由度复合铰链虚约束图2-1例3计算图3所示机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。图3局部自由度虚约束例4如图4所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。

图4局部自由度复合铰链虚约束2.6现代设计方法简介1．计算机辅助设计计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），简称CAD。它是把计算机技术引入设计过程，利用计算机来完成计算、选型、绘图及其它作业的一种现代设计方法。智能CAD2．优化设计优化设计（OptimalDesign）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，得到工程设计问题的最优设计方案。优化计算方法：随机方向搜索法；单纯形法；复合形法；拉格朗日乘子法；惩罚函数法；共轭梯度法；变尺度法等。遗传算法举例：内燃机阀门压缩弹簧的优化设计

已知最大工作载荷F2及变形λ,工作频率fr及寿命N,弹簧指数C>6及刚度K,试求弹簧质量最轻时的钢丝直径d、中径D2和工作圈数n。解：㈠建立数学模型⑴设计变量为d,D2,n⑵目标函数为弹簧重量，

其中，为死圈，ρ为密度。⑶约束条件①

剪切强度条件:②

弹簧指数限制:③

稳定性条件：

H0/D2>5.3;④

无共振条件：自振频率;㈡选择优化方法。㈢编写源程序。㈣优化计算结果：d,D2,n,W。

⑤刚度条件:最大变形允许的载荷3．可靠性设计可靠性设计（ReliabilityDesign）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。产品可靠性的定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力。可靠性设计包括：（1）机械零件的可靠性设计（2）系统的可靠性设计规定的功能：如强度、精度、效率、稳定性等规定的条件：如载荷、温度、压力、振动、润滑、腐蚀等规定的时间：如寿命、循环次数、周期数、距离等（1）机械零件的可靠性设计传统的设计方法采用许用应力和安全系数法，它们把设计变量（零件尺寸、材料特性、工作载荷等）当成常量，安全系数的大小由经验来确定，判断设计结果只能用“安全”或“不安全”，为了保险，往往采用较大的安全系数，导致结构尺寸被人为地放大。而实际情况是尺寸、强度、应力等都是离散的和随时间变化的，机械零件的可靠性设计方法正是将设计变量看作离散变量的概率设计方法。系统的可靠性设计是：选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。（2）系统的可靠性设计机械可靠性设计的基本指标：常用的有：可靠度、失效率、失效密度、平均寿命和平均无故障时间等有许多力学和场问题，如复杂构件的变形与受力，弹流问题等，都很难得出解析解，通常只能求出数值解。常用的数值解法有：有限差分法和有限元法。差分法虽简单但采用的是正交网格，不宜逼近曲线边界；有限元法的网格则可逼近任何曲线边界，因而它是一种较通用的数值算法。4．有限元法（FiniteElementMethod）有限元法是以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态分析，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。有限元法是将求解区域划分成有限个一定形状的简单单元（如三角形等），单元间由节点联接，并传递力、位移、温度和其它参量。根据基本方程和边界条件，可求出所有节点的参量值。单元内任一点的参量值都可由插值而得。有限元法随计算机的发展很快，对求解大型复杂问题（如汽车、飞机等）极为有效。有限元法的解题步骤大体如下：⑴建模凭经验或试算，建立起最佳的计算模型。⑵计算模型的离散先选定单元的类型和形状（如三角形、四边形、杆、梁、四面体、三棱柱、六面体、板壳等单元）；然后，按力变化的程度和位置的重要性选定单元的大小和密度；再按试算结果决定单元是否需要逐步加密。⑶单元特性分析包括单元位移模式的选择和刚度矩阵的推导。⑷有限元方程的求解。⑸有限元分析的自动前、后处理。5．工业艺术造型设计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。实用和美观的最佳统一是工业艺术造型设计的基本原则。最终应使产品在保证实用的前提下，具有美的、富有表现力的审美特性。6．反求工程设计反求工程是消化吸化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。它是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作机理，以进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。反求工程包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。7．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，通过模块的不同选择和组合就可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。产品模块设计的主要目标之一是用尽可能少种类和数量的模块组成尽可能多种类和规格的产品。模块化设计相对传统设计具有如下优点：能减少产品的设计和制造时间，缩短供货周期，有利于争取客户；有利于产品的更新换代和新产品的开发，增强企业对市场的快速应变能力；有利于提高产品质量，降低生产成本，增强产品的市场竞争能力；便于产品的维修。相似设计是相似性理论在机械领域的具体应用。它可以解决模型试验如何进行，系列产品如何设计以及计算机仿真原理等问题。模型试验：是指不直接研究自然现象或过程本身，而是用与这些现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法。系列产品的相似设计：设计系列产品时，首先选定某一中档型号的产品为基型，对它进行最佳方案设计，定出其材料参数和尺寸。然后通过相似性原理求出系列中其它产品的参数和尺寸。仿真（实物仿真）：是对所研究和设计系统的模型进行试验的过程。仿真模型和实际现象一般是不同的物理过程，但过程的本质是能用相同的数学方程描述的。仿真（虚拟设计）：计算机仿真8．相似设计9．设计方法学设计方法学（DesignMethodology）是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性学科。它所研究的内容包括：（1）设计过程及程序。设计方法学从系统观点出发来研究产品的设计过程，它将产品（即设计对象）视为由输入、转换、输出三要素组成的系统，重点讨论将功能要求转化为产品结构图纸的这一设计过程，并分析设计过程的特点，总结设计过程的思维规律，寻求合理的设计程序。（2）设计思维。设计是一种创新，设计思维应是创造性思维。设计方法学通过研究设计中的思维规律，总结设计人员科学的创造性的思维方法和技术。（3）设计评价。设计方案的优劣如何评价？其核心取决于设计评价指标体系。设计方法学研究和总结评价指标体系的建立，以及应用价值工程和多目标优化技术进行各种定性、定量的综合评价方法。（4）设计信息。设计方法学研究设计信息库的建立和应用，即探讨如何把分散在不同学科领域的大量设计信息集中起来，建立各种设计信息库，使之可通过计算机等先进设备方便快速地