机械原理-东南大学-高等教育出版社

SEU-QRM1Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign机械设计SEU-QRM2Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.1MachineanditsComposition机器及其组成1.1.1Machine,MechanismandStructuralComposition机器、机构及其结构组成人类在长期生产实践中创造了各种各样的机械，并成为人类改造自然、发展进步的主要工具。机械(Machinery)是机器(Machine)与机构(Mechanism)的统称。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。在日常生活和工作中，我们接触到很多机器，例如：洗衣机、缝纫机、绘图仪、汽车、起重机、包装机、电脑刺绣机、各种工业机床、机械加工中心、工业机器人等。SEU-QRM3Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign

18世纪发明的世界上 第一辆蒸汽动力车18世纪发明的纺纱机SEU-QRM4Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1898年问世的“雷诺”牌汽车“圣路易斯精神”号飞机1927年美国人林德伯格驾驶着它完成了人类首次不着陆飞越大西洋的壮举。SEU-QRM5Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign国际太空站航天飞机正在利用机械臂 施放哈勃空间望远镜SEU-QRM6Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign用光刻技术做成的微米尺寸的微机械蜘蛛形探雷机器人SEU-QRM7Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM8Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM9Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM10Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign

内燃机车高速列车SEU-QRM11Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM12Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM13Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM14Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign机械设计竞赛获奖作品——“机器鱼”、“自适应可翻转太阳能探测车”曾被江苏电视台、南京电视台等多家新闻媒体报导。SEU-QRM15Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM16Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM17Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM18Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign机器的种类繁多、外形万变、用途各异。从机器的结构组成、机械运动的特点进行分析，不同的机器都是由能产生相对运动的单元体组合而成，这些单元体称为构件(link)。机器中实现预期机械运动、具有特定结构形状和运动特征的构件组合称为机构(mechanism)。SEU-QRM19Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign图示内燃机(internalcombustionengine)包含六个机构:一个曲柄滑块机构(slider-crankmechanism)——由汽缸体4、活塞5、连杆12和曲轴3等构件组成，将活塞的往复移动转化为曲轴的连续转动；SEU-QRM20Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign图示内燃机(internalcombustionengine)包含六个机构:两个齿轮机构(gearmechanism)——齿轮1、2以及齿轮6、7，SEU-QRM21Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign图示内燃机(internalcombustionengine)包含六个机构:两个凸轮机构(cammechanism)——由凸轮8和阀门摇杆9组成，SEU-QRM22Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign图示内燃机(internalcombustionengine)包含六个机构:带传动机构(beltdrivingmechanism)——由皮带轮10、13和皮带11等构件组成，实现转动的传递。六个机构的协调工作将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。SEU-QRM23Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign机器是由机构组成的。一部机器可能由多种机构组成，也可能仅由一个最简单的机构组成。上述内燃机就是由曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构和带传动机构等组合而成；而电动机就是只包含一个由定子和转子所组成的双杆回转机构。SEU-QRM25Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign另外，从制造和装配的观点看，机器是由许多独立加工、独立装配的单元体所组成，称为零件(element)。一个构件(link)可以是一个零件，如下图曲轴；但往往由于结构、工艺等方面的原因，构件也可由几个被刚性地连接在一起成为一个运动整体的零件所组成，如下图连杆就是由单独加工的连杆体7、连杆头2、轴瓦3和4、轴套6、螺栓5、螺母1等零件组成的一个刚性构件，各个零件之间没有相对运动。ACrankshaftCompositionofaLinkSEU-QRM26Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign需要指出，随着科学技术的的进步，组成机构的构件已不能都简单地作为刚体处理，某些构件可以是挠性的或弹性的；有时侯液体、气体及电磁也参与实现机械运动的传递和变换。构件为基本运动单元(basicelementofmotion)，一般由若干个零件组成，同一构件中的各个零件采用一定方式的连接使得相互之间不能产生运动.零件是不可再拆分的基本加工单元(basicelementofmanufacture)在工程中，常常把组成机器的某一部分的零件组合体称为部件(parts)，如减速器、变速器、联轴器、离合器、制动器等。这些部件用以完成特定的工作，企业往往把它们独立加工装配。构件(link)与零件(element)的区别？DrivingSystemExecutiveSystemFrameandSupportingSystemSEU-QRM27Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.1.2FunctionCompositionofMachines机器的功能组成作为一部完整的机器，仅具有上述的机械部分是不够的，它不能完成预期的工作。从功能和系统的角度来看，机器一般主要由五部分组成，如下图所示。ManipulatingSystem andControlSystemPowerSystemSEU-QRM28Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.PowerSystem动力系统包括动力机及其配套装置；它的功能是向机器提供运动和动力，是机械系统的动力源。原动机(primemover)如电动机，另外还有内燃机、液压马达、气马达、液压缸、气缸及电磁驱动等。执行系统包括执行机构(executivemechanism)和执行构件(executiveorworkinglink)，它的功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动，实现预期的工作。执行系统一般处于机械系统的末端，执行构件直接与工作对象接触。执行系统可以只包含一个执行机构和执行构件，也可以由几个执行机构组成。传动系统是把动力系统的运动和动力传递给执行系统的中间装置。2.ExecutiveSystem3.TransmissionorDrivingSystemSEU-QRM29Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign4.ManipulatingSystemandControlSystem操纵系统和控制系统都是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此协调工作，并准确可靠地完成整机功能的装置。操作系统多指通过人工操作以实现上述要求的装置，如起动、制动、变速、换向等装置；控制系统是指通过人工操作或测量元件获得的控制信号，经由控制器，使控制对象改变其工作参数或运行状态而实现上述要求的装置。5.FrameorSupportingSystemandOtherSupplementarySystem框架支撑系统包括基础件（如床身、底座、立柱等）和支撑构件（如支架、箱体等）。它用于安装和支承动力系统、传动系统和操作系统等。机器各部分的位置精度、运动精度及机器的承载能力等主要依靠框架支撑系统来保证，该系统是机械系统中必不可少的部分。此外，根据机械系统的功能要求，还有一些辅助系统，如润滑、冷却、显示、照明等。SEU-QRM30Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign曲柄冲压机动力系统——电动机1执行系统——曲柄6、连杆7、滑块8及冲头9等组成的曲柄滑块机构为冲压执行机构，滑块8及冲头9是执行构件传动系统——齿轮2、3操纵系统和控制系统——离合器4通过由构件10-11-12等组成的踏板机构控制其离合，实现传动的接入和分离；制动器5框架支撑系统及其他的辅助系统——机身13SEU-QRM31Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign自动曲柄冲压机动力系统——电动机1执行系统——除构件13-14-15组成的曲柄冲压机构外，还有由气缸20及推料头21组成的送料机构，它们配合完成冲压-送料工作传动系统——皮带轮2、3及齿轮4、5、9、10操纵系统和控制系统——电磁铁8、12，电控换向阀22和电控箱24等组成了控制系统，协调冲压、送料等动作配合，实现自动化操作框架支撑系统及其他的辅助系统——机身25SEU-QRM32Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.1.3ModernMachinesandtheirmainCharacteristics现代机器及其主要特征1.ModernMachinesandtheirCompositions随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密机械技术、系统总体技术等的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现代机械工业。现代机器已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。可以给出现代机器的定义：由计算机信息网络协调与控制的、用于完成包括机械力、运动和能量转换等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。这个定义突出计算机在现代机器中的协调控制的核心作用，同时也强调了现代机器的主要功能仍然是执行机械运动、完成有用功和能量的转换。SEU-QRM33Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign2.MainCharacteristicsofModernMachines现代机器是由机械技术与电子技术有机组合的一个全新系统。它与传统机器比较，具有以下主要特征：功能增加，柔性提高结构简化，改善性能效率提高，成本降低

必须指出，在现代机器中机械系统是不可缺少的重要面的特性，使系统各部分合理匹配，实现整体的最佳化。组成部分，机械系统和电子系统在不同的场合具有不同的优势。因此，现代机器要求综合考虑机、电、硬、软等方SEU-QRM36Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign自动电脑刺绣机由如下部件组成：Z向传动系统，X向传动系统，Y向传动系统，机头（含针杆运动机构，挑线运动机构，钩线机构），旋梭座（含剪线机构，压梭机构），剪线传动系统，换色传动系统，夹线器（含断线检测），线架，台板，绷架框，机座，拉杆开关。Z向调速主电机线架拉杆开关绷架框，X向、Y向运动

台板机头夹线器控制系统总体框图SEU-QRM37Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign

上位计算机图案管理、图形编辑、刺绣控制 下位计算机XX向分配管理XX向步进电机YY向分配管理YY向步进电机离合器及制动器ZZ向调速电机绷架框X-Y平面运动控制针杆、挑线杆运动控制针高检测钩线压缩剪线控制控色控制针位检测X-Y向越位控制断线检测SEU-QRM38Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign自动电脑刺绣机监控界面图形编辑状态与工具箱SEU-QRM39Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM40Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM41Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignSEU-QRM42Chapter1AnIntroductiontoMachineDesignMotoman-CIMSystem:“ComputersandRobotsMakeRobots”SEU-QRM43Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.2Contents,PropertiesandTasksoftheCourse本课程的内容、性质和任务1.2.1ContentsoftheCourse机械设计课程是一门研究机械基本理论和设计技术的课程。本课程研究的对象是机器和机构,课程的主要内容有以下几个方面。(1)BasicTheoryforDesign主要介绍机械设计的要求和设计的一般过程，机构结构学、运动学和动力学的基础知识，机械零部件的工作能力和设计准则，机械零件的强度理论，摩檫、磨损和润滑理论，机械结构设计准则、方法以及零件材料选用等。另外，扼要地介绍现代机械设计思想和方法。SEU-QRM44Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign常用机构包括连杆机构、凸轮机构、齿轮传动、蜗杆传动、带传动、链传动、间歇运动机构及其他常用机构等。这些机构是传动系统和执行系统的基本组成单元，用于实现运动和动力的传递及运动形式的改变。常用机构及其传动设计主要包括以下三个方面：①运动设计：包括机构的类型、工作原理、运动特点、运动参数及几何尺寸计算等内容；②工作能力设计：受力分析、失效分析、设计准则及承载能力设计计算；③零件结构设计、材料选择及润滑等。(2)DesignofMechanismsandDrivesinCommonUse(3)DesignofElementsandPartsinGeneralUse通用零部件主要指用于连接和支承的常用零部件，介绍它们的类型、特点、工作原理、工作能力设计、结构设计、组合设计以及标准零部件的选用等。(4)DesignofMechanicalSystems概述机械系统总体设计，重点介绍执行系统方案设计和传动系统设计、典型的传动装置以及机械系统的动力学问题。简略介绍动力机选择等其他系统的基础知识。SEU-QRM45Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.2.2PropertiesandTasksoftheCourse机械设计课程是培养机械工程类专业学生掌握通用机械设计能力的主干技术基础课，是学习专业课程和从事机械产品设计的必备基础。本课程的主要任务是：1）树立正确的设计思想，培养基本设计能力，开发创造性思维和创新能力，了解现代机械设计技术，应对经济全球化和知识经济的挑战。2）掌握机械系统设计的基础知识，初步具备一般机械方案设计和分析的能力。3）掌握常用机构运动设计和工作能力设计的基本知识，掌握通用零部件设计计算和选用的基本知识，初步具备一般通用机械的设计能力，特别是常用执行机构和传动装置的设计能力。4）培养学生运用标准、规范、手册、图册及网络信息等技术资料的能力。5）初步掌握基本机械实验技术。SEU-QRM46Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.2.3StudyMethodsoftheCourse认识机械，了解机械——KnowingandUnderstandingMachinery掌握方法，分析机构——GraspingMethodandAnalyzingMechanism开阔思路，设计与创新机械——BroadeningIdea,DesigningandCreatingaMachinery更新观念，发展机械学科——UpdatingOpinion,DevelopingMachine本课程的学习方法主要有：1）理论联系实际，注意用所学的基本知识和创新思维法则分析解决工程实际问题。2）在对学习内容泛读的基础上，抓住重点、难点及分析处理问题的思路和基本方法。3）及时复习总结并认真完成布置的作业。SEU-QRM47Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.3AnIntroductiontoMachineDesign

机械设计概述1.3.1BasicRequirementsforMachineDesign机械设计的最终目的是为市场提供优质高效、价廉物美的机械产品，在市场竞争中取得优势，赢得用户，取得良好的经济效益。满足社会需求——用户购买产品就是购买产品的功能可靠性要求——产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能经济性要求——设计和制造的经济性，使用和维修的经济性安全性要求——机器执行预期功能的安全性，人-机-环境系统的安全性机械设计的基本要求SEU-QRM48Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign可靠性(reliability)——是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。产品(product)——可以是零件、部件等，也可以是整机系统。规定条件(prescribedconditions)——是指对产品进行可靠性考核时所规定的使用条件和环境条件，包括载荷状况、工作制度、应力、强度、湿度、粉尘及腐蚀等，也包括操作规程、维修方法等。规定时间(prescribedtime)——是指对产品可靠性考核所规定的时间，包括运行时间、应力循环次数、行驶的里程等。规定功能(prescribedfunction)——是指对产品考核的具体功能，产品规定功能的丧失称为失效(failure)，对可修复产品的失效也称为故障(fault)。SEU-QRM49Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign机械产品常用的可靠性指标：可靠度R——是指产品在规定的条件下和规定的时间内（寿命）完成规定功能而不发生故障或失效的概率，0≤R≤1。失效概率F——是指在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能时发生故障或失效的概率。失效概率也称不可靠度，0≤F≤1。因为失效和不失效是对立事件，所以F=1-R。失效率λ——是指产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生失效或故障的概率，失效率也称为故障率。SEU-QRM50Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign机械产品典型故障率曲线(浴盆曲线)SEU-QRM51Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.3.2TypesofMachineDesign机械设计是一项创造性劳动，同时也是对已有成功经验的继承过程。根据实际情况的不同可以分成三种类型：（1）开发性设计——机械产品的工作原理和具体结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，开发设计新产品，这是一种完全创新的设计。（2）适应性设计——对现有机械产品的工作原理、设计方案不变的前提下，仅作局部变更或增加附加功能，在结构上作相应调整，使产品更能满足使用要求。（3）变形设计——机械产品的工作原理和功能结构不变，为了适应工艺条件或使用要求，改变产品的具体参数和结构。SEU-QRM52Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.3.3GeneralProcessofMachineDesignNNNNN规划设计阶段明确任务市场调查评价决策

可行性报告功能分析功能原理解确定原理方案最佳原理方案图评价决策

技术设计参数设计总体设计结构设计人机工程设计环境系统设计

评价决策

施工设计零件设计部件设计结构设计编制技术文件评价决策零件工作图部件装配图

改进设计样机试制与检测工艺设计小批生产

综合评价Y装配草图方案设计阶段YcYY产品定型SEU-QRM53Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.4MainRequirementsforDesignofScheme,Elements&Parts方案设计和零部件设计的主要要求机械系统的方案设计和机械零部件设计是机械设计过程的核心，是决定机械产品质量、水平、性能和经济效益的关键。1.4.1MainContentsandRequirementsforSchemeDesign机械系统方案 设计内容方案设计的主要内容和要求机械运动原理方案设计机械运动简图设计机械系统方案 基本要求运动要求动力要求经济性要求功能原理设计SEU-QRM54Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.4.2MainRequirementsforDesignofMachineElementsandParts机械零部件设计的主要要求1.MainContentsandRequirementsforDesign主要内容设计的主要内容和要求 根据运动方案设计和总体设计的要求，明确零部件的工作要求、性能、参数等，选择零部件的结构构形、材料、精度等，进行失效分析和工作能力计算，画出零件结构图和部件装配图。主要要求工作能力要求——强度、刚度、寿命、耐磨性、耐热性、振动稳定性及精度等工艺性要求——加工、装配具有良好的工艺性及维修方便经济性要求——主要指生产成本要低SEU-QRM55Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign2.WorkingCapacity,FailureFormsandCalculationRulesofElements零件的工作能力、失效形式和计算准则机械零件的工作能力——在一定的运动、载荷和环境条件下，在预定的使用期限内，不发生失效，安全实现规定功能的限度。机械零件的主要失效形式——断裂、表面压碎、表面点蚀、塑性变形、过度弹性变形、共振、过热及过度磨损等。为了保证零件能正常工作，在设计零件时应首先进行零件的失效分析，预估失效的可能性，采取相应措施，其中包括理论计算，计算所依据的条件称为计算准则，常用的计算准则有：强度准则——强度是零件抵抗断裂、表面疲劳破坏或过大塑性变形等失效的能力。强度准则为零件工作应力不超过许用应力刚度准则——刚度是零件在载荷的作用下抵抗弹性变形的能力。刚度准则为零件实际弹性变形不超过许用值振动稳定性准则——对于高速运动或刚度较小的机械，在工作时应避免发生共振。振动稳定性准则要求所设计的零件的固有频率应与其工作时所受激振源的频率错开。SEU-QRM56Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign耐热性准则——机械零部件在高温工作条件下，由于过度受热，会引起润滑油失效、氧化、胶合、热变形、硬度降低等问题，使零件失效或机械精度降低。因此，为了保证零部件在高温下正常工作，应合理设计其结构及合理选择材料，必要时须采用水冷或气冷等降温措施。耐磨性准则——耐磨性是指相互接触并运动零件的工作表面抵抗磨损的能力。当零件过度磨损后，将改变其结构形状和尺寸，削弱其强度，降低机械精度和效率，以致零件失效报废。因此，机械设计时应采取措施，力求提高零件的耐磨性。关于磨损的计算，目前尚无简单可靠的理论公式，常采用条件性计算。一是验算压强p不超过许用值[p]，以保证工作面不致因油膜破坏而产生过度磨损；二是对滑动速度v比较大的摩擦表面，为防止胶合破坏，要限制单位接触表面上单位时间产生的摩擦功不能过大。当摩擦系数f为常数时，可验算pv值不超过许用值[pv]可靠性准则——机械系统的可靠性是靠零件的可靠性要求来保证的。对于重要的机械零件要求计算其可靠度R，并作为可靠性的指标。SEU-QRM57Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign3.DesignandCalculationofMachineElements机械零件的设计计算机械零件的主要尺寸常常需要通过理论计算确定。理论设计计算是根据零件的结构特点和工作情况，将它合理简化成一定的物理模型，运用理论力学、材料力学、流体力学、摩擦学、热力学、机械振动学等理论或利用这些理论推导出设计公式、实验数据进行设计。理论设计计算可分为设计计算和校核计算两种。4.StandardizationofMachineElementsandParts机械零部件的标准化机械产品标准化的内容包括：标准化——是对机械零件的种类、尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、公差配合及制图规范等制定出相应的标准，供设计、制造及修配中共同遵照使用。系列化——是指产品按主要参数分档，形成一定系列的产品，这样可用较少规格的产品满足不同的需要。系列化是标准化的重要组成部分。通用化——是对不同规格的同类产品或不同类产品，在设计中尽量采用相同的零件或部件。通用化是广义的标准化。SEU-QRM58Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.4.3SelectingRulesofMaterialsofMachineElements机械零件的材料选用原则

满足零件的使用要求满足零件的工艺性要求满足经济性要求材料选用 原则SEU-QRM59Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.5IntroductiontoDesignThinkingandMethodsforModernMachinery现代机械设计思想和方法简介1.5.1LimitationsofRoutineMechanicalDesign

传统机械设计的局限性传统机械设计是以长期经验积累为基础，运用力学、数学及实验等而形成的经验公式、图表等为设计依据，通过条件性计算或类比等方法进行设计。传统设计在长期运用中得到不断地完善和提高，目前在大多数情况下仍然是有效的设计方法。但是，由于过于偏重于经验和类比，对于现代机械产品设计就显示出很大的局限性。SEU-QRM60Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign主要表现为：①方案设计时凭借设计者有限的直接经验或间接经验，通过计算、类比分析等，以收敛思维方式，过早地确定方案。这种方案设计既不充分又不系统，不强调创新，因此很难得到最优方案。②零部件设计中，仅对重要的零部件根据简化的力学模型或经验公式进行静态的或近似的设计计算，其他零部件只作类比设计，与实际工况有时相差较远，难免造成失误。③传统设计偏重于考虑产品自身功能的实现，忽略人―机―环境之间关系的重要性。④传统设计采用手工计算、绘图，设计的准确性差、工作周期长、效率低。SEU-QRM61Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.5.2ThinkingofModernMechanicalDesign

现代机械设计思想近30年来，由于科学和技术迅速发展，特别是计算机技术和信息技术的发展和应用，给机械产品设计和制造带来革命性的变化。另一方面，随着社会进步和人类文明的发展，对现代机械产品设计已不能仅考虑产品本身，而且还要充分考虑对系统和环境的影响；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。例如，汽车设计不仅要考虑汽车本身的有关技术问题，还要考虑使用者的安全、舒适、操作方便等；此外，还需考虑燃料供应、废气排放污染、车辆存放、道路发展、报废处理等，甚至要考虑地球有限的能源和原料的合理利用问题。总之，在机械设计已进入现代设计阶段，它要求在继承和发展传统设计的基础上，将自然科学、技术科学、社会科学及艺术科学等有关知识有机的融合在一起，形成一门崭新的设计知识体系。SEU-QRM62Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.CreativeThinkingandMethods(创新思维和方法)(1)CreativeThinkingThinkinginimagesandabstractthinking(形象思维和抽象思维)Divergentthinkingandconvergentthinking(发散思维和收敛思维)Logicalthinkingandnonlogicalthinking(逻辑思维和非逻辑思维)Brainstorm(智力激励法)Questionnaire(置疑法或设问探求法)Imitation(类比法)Listingdrawbacks(缺点列举法)Transplantation(移植法)(2)CreativeMethods现代机械设计思想方法：SEU-QRM63Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign2.IdeaforHuman-Machine-EnvironmentSystem(人-机-环境系统观)现代机械设计是以“人―机―环境”系统观统一处理设计中的问题。该系统观要求设计者不仅要考虑机器功能实现，而且要考虑人的因素和环境因素，协调融合三者的关系，将机械设计发展成为“人―机―环境”系统的设计。

设计者需充分 考虑的问题明确“人―机―环境”系统运行情况及其相互作用人―机―环境系统的功能合理分配重视人的生理和心理因素及人的行为科学重视可持续发展的战略观SEU-QRM64Chapter1AnIntroductiontoMachineDesign1.5.3ModernMethodsforMachineDesign现代机械设计方法基于功能原理的机械系统设计，人机工程学，产品造型设计，绿色产品设计1.与“人―机―环境”的系统观及可持续发展战略相应的设计方法2.TheoryandMethodofMechanics(机械学理论和方法)3.ReliabilityDesign(可靠性设计)4.OptimalDesign(优化设计)5.ComputerAidedDesign(计算机辅助设计)机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等；有限元法、模态分析、专家系统等第二章

平面连杆机构及其设计二、连杆机构的分类1、根据构件之间的相对运动分为：平面连杆机构，空间连杆机构。2、根据机构中构件数目分为：四杆机构、五杆机构、六杆机构等。一、连杆机构是若干个构件全用低副（转动副、移动副、球面副、球销副、圆柱副及螺旋副）联接而成的机构，也称之为低副机构。三．平面连杆机构的特点1）适用于传递较大的动力，常用于动力机械。2）依靠运动副元素的几何形面保持构件间的相互接触，且易于制造，易于保证所要求的制造精度3）能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，工程上常用来作为直接完成某种轨迹要求的执行机构。4）可实现远距离传递的操纵机构。

不足之处：1）不易于传递高速运动。2）可能产生较大的运动累积误差。3）平面连杆机构的设计较为繁难。§2-1平面四杆机构的基本形式、演变

及其应用机架连架杆连架杆连杆

在连架杆中，能绕其轴线回转360°者称为曲柄；仅能绕其轴线往复摆动者称为摇杆。一、平面四杆机构的基本形式1）曲柄摇杆机构:两连架杆中，一个为曲柄，而另一个为摇杆。2）双曲柄机构

两连架杆均为曲柄。3）双摇杆机构

两连架杆均为摇杆。4123§2-2平面四杆机构设计中的共性问题一、平面四杆机构有曲柄的条件二、平面四杆机构输出件的急回特性三、平面机构的压力角和传动角、死点四、运动的连续性一、平面四杆机构有曲柄的条件BDAC1234abcdB2ACB1DE’F’GFEG’d+a|d-a||b-c|b+c平面连杆机构有曲柄的条件：1）连架杆与机架中必有一杆为四杆机构中的最短杆；2）最短杆与最长杆之和应小于或等于其余两杆的杆长之和。（杆长和条件）铰链四杆机构类型的判断条件：2）若不满足杆长和条件，该机构只能是双摇杆机构。注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：最长杆的杆长<其余三杆长度之和。1）在满足杆长和的条件下：（1）以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，即该机构为曲柄摇杆机构；（2）以最短杆为机架，则两连架杆为曲柄，该机构为双曲柄机构；（3）以最短杆的对边构件为机架，均无曲柄存在，即该机构为双摇杆机构。曲柄滑块机构有曲柄的条件1）a为最短杆2)a+e≤b.C”eabbbABCD∞B’’B’E导杆机构有曲柄的条件ACBade1)a为最短杆，a+e

d2)d为最短杆，且满足d+e

a摆动导杆机构转动导杆机构二、平面四杆机构输出件的急回特性摆角θψC1C2DAB1B2B1C

2∵:

1>

2,∴:t1>t2,

v1<v2极位夹角⌒v2=C1C2/t2

1=180°+θ,

2=180°-θ⌒v1=C1C2/t1

=v2/v1=（C1C2/t2）/

（C1C2/t1）

=t1/t2=

1/

2=（180°+θ）/（180°-θ）

输出件空回行程的平均速度

—————————————

输出件工作行程的平均速度K=θ=180°（K-1）/（K+1）行程速比系数连杆机构输出件具有急回特性的条件1）原动件等角速整周转动；2）输出件具有正、反行程的往复运动；3）极位夹角θ>0。BACB1B2C2C1B1C2AC1BB2CθθAB1DC∞B2

=AB三、平面机构的压力角和传动角、死点CDαγδFvcF1F2F1=FcosαF2=Fsinα1、机构压力角:在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下，机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受力点的速度方向间所夹的锐角，称为机构压力角，通常用α表示。,F1

传动角：压力角的余角。机构的传动角和压力角作出如下规定：γmin≥[γ]；[γ]=30°∽60°；αmax≤[α]。[γ]、[α]分别为许用传动角和许用压力角。vcABCDαγδFF1F2通常用γ表示.γ

F1

vB3ABCF123ααvFvB3ABCF123α=0°γ=90°ABCF231vB3αnαvF

δ=arccos{[b2+c2-d2-a2+2adcos]/2bc}.

=0,δmin=arccos{[b2+c2-(d-a)2]/2bc}

=180

,δmax=arccos{[b2+c2-(d+a)2]/2bc}γmin=[δmin,180-δmax]min2、最小传动角的确定F2F2ABCD

γδFvcF1B’B’’C’’C’δmaxδmin

abcd

γ

BACB’B’’C’C’’

minB’C’’AC’BB’’C

’

’’

min=’=arccos（a+e)/b

为提高机械传动效率，应使其最小传动角处于工作阻力较小的空回行程中。3机构的死点位置

在不计构件的重力、惯性力和运动副中的摩擦阻力的条件下，当机构处于传动角γ=0°（或α=90°）的位置下，无论给机构主动件的驱动力或驱动力矩有多大，均不能使机构运动，这个位置称为机构的死点位置。F1=FcosαF2=FsinαBDACFDABCFαv四、运动的连续性连杆机构的运动连续性：指该机构在运动中能够连续实现给定的各个位置。

连杆机构的运动不连续的问题：错位不连续；错序不连续。A(B’)BCC1C2C’1C’C’2

1

2DB1B3B2C1C3C2AD2–3、平面四杆机构的运动设计1、基本问题根据机构所提出的运动条件，确定机构的运动学尺寸，画出机构运动简图。1）根据给定的运动规律（位移、速度和加速度）设计四杆机构；a实现连杆的几个位置c实现两连架杆的对应角位移、角速度和角加速度（颚式碎矿机、惯性筛）b实现输出构件的急回特性2）根据给定的运动轨迹设计四杆机构；3)综合功能一根据给定的连杆位置设计四杆机构B1B2B3C2C3C1DAc23c12b23b12二按给定行程速度变化系数设计四杆机构C1DB1C2B2O90

-

A

AB=(AC2-AC1)/2BC=(AC1+AC2)/2AC1=BC-ABAC2=BC+AB180°（K-1）（K+1）θ=确定比例尺已知:lCD,,K∞B2θAB1DC

=B1C2AC1BB2CθP900-

e曲柄滑块机构已知：C1、C2位置（行程H），K导杆机构已知：作直角

C1C2P,过三点作圆，A即在圆周上。三根据给定两连架杆的位置

设计四杆机构1、刚化反转法

如果把机构的第i个位置AiBiCiDi看成一刚体(即刚化)，并绕点D转过(-

1i)角度(即反转)，使输出连架杆CiD与C1D重合，称之为“刚化反转法”。DACiB1BiC1

1i

1

1

1iB’iA’

1iB1DB2B3E1E3AB2E2ADB3E3ADB3’E3，C1给定两连架杆上三对对应位置的设计问题E2112323B1DE1AB2’E2’A题2-235DCBA5030(1)AB为最短(2)AD为最短或AB为最长AB既为最长也为最短(3)只能考虑不满足杆长和条件下的机构AB为最短35DCBA5030或题2-3120DCBA801501双曲柄机构：AD为最短杆2曲柄摇杆机构：AB为最短杆3双摇杆机构：因不是最短杆的对边，故考虑不满足杆长和条件下的双摇杆机构或题2-5AeBC

Fv(1)AB为最短(2)AC为最短(3)AB为原动件，e>0时传动角为变数，而e=0时传动角为常数且

=90°，所以e=0时传力效果好。题2-8EC2B2DAB1C145º1、作DE

AB2；2、取EC2=EC1=AB题2-9eAB=(AC2-AC1)/2BC=(AC1+AC2)/2AC1=BC-ABAC2=BC+AB180°（K-1）（K+1）θ=确定比例尺B1C2AC1B2O900-

B’C’题2-11B1AC1ADHC2E1E2F1F2D’2C’21在AB位置线上任取一点F；2AF2C2D反向旋转90度，使AF2与AF1重合；3做C1C2’的中垂线，与AF1交于B1点。EF2F1’D’C2’B2B1题2-12C1DAC2F1F2C2’D’B1

题2-12题2：1把DF2逆时针转过角度至DF2’；2做F1F2’中垂线交DE1于点E1;3连接DE1、

DE2中点C1、

C2并延长与AD交于A点；4AB=(AC2-AC1)/2BC=(AC1+AC2)/2结束第三章凸轮机构§3

1凸轮机构的应用及其分类§3

2从动件常用运动规律

§3

3盘形凸轮机构基本尺寸的确定

§3

4

根据预定运动规律设计盘形凸轮轮廓曲线

§3

5空间凸轮机构简介

§3

6凸轮机构的结构设计

一、凸轮机构的应用二、凸轮机构的分类三．凸轮机构的工作原理四、凸轮机构的设计任务

§3

1凸轮机构的应用及分类1、凸轮机构：凸轮是一个具有曲线轮廓的构件。含有凸轮的机构称为凸轮机构。它由凸轮、从动件和机架组成。一、凸轮机构的应用2、凸轮机构的应用

内燃机配气凸轮机构进刀凸轮机构冲压机凸轮机构的优点：只需确定适当的凸轮轮廓曲线，即可实现从动件复杂的运动规律；结构简单，运动可靠。缺点：从动件与凸轮接触应力大，易磨损用途：载荷较小的运动控制一）按凸轮的形状分1、盘形凸轮2、移动凸轮3、圆柱凸轮4、圆锥凸轮二、凸轮机构的分类1、尖顶从动件2、滚子从动件3、平底从动件二）按从动件上高副元素的几何形状分三）、按凸轮与从动件的锁合方式分1、力锁合的凸轮机构2、形锁合的凸轮机构1）沟槽凸轮机构2）等宽凸轮机构3）等径凸轮机构4）主回凸轮机构四）、根据从动件的运动形式分摆动从动件凸轮机构

（对心、偏置）移动从动件凸轮机构h三、凸轮机构的工作原理S

(A)BCD(,S)

S

’

S’hSAB’O

eCDBOrb

基圆推程运动角远休止角近休止角回程运动角摆动从动件凸轮机构ABCDO1O2aB1rb

maxlS

h(

)(max)四、凸轮机构的设计任务3）凸轮机构曲线轮廓的设计4）绘制凸轮机构工作图1）从动件运动规律的设计2）凸轮机构基本尺寸的设计移动从动件：基圆半径rb，偏心距e;摆动从动件：基圆半径rb，凸轮转动中心到从动件摆动中心的距离a及摆杆的长度l;滚子从动件：除上述外，还有滚子半径rr。平底从动件：除上述外，平底长度L。O1O2a

lO1

erbrb§3―2从动件常用运动规律

一、基本运动规律二、组合运动规律简介三、从动件运动规律设计

升—停—回—停型(RDRD)升—回—停型(RRD)升—停—回型(RDR)升—回型(RR)运动循环的类型S

()S

()S

()S

()从动件的运动规律的数学方程式为位移速度加速度跃动度类速度类加速度类跃动度一、基本运动规律a=

2(2c2+6c3

+12c4

2

+……+n(n-1)cn

n-2)j=

3(6c3+24c4

+……+n(n-1)(n-2)cn

n-3)，式中，为凸轮的转角（rad）；c0，c1，c2，…，为n+1个待定系数。1、n=1的运动规律=0,s=0;

=

,s=h.s=c0+c1

v=c1

a=0（一）多项式运动规律s=c0+c1

+c2

2

+c3

3

+……+cn

nv=

(c1+2c2

+3c3

2

+……+ncn

n-1)等速运动规律

0aa=02、n=2的运动规律

0sh

0vv

0j

0vvmax

0shamax

0a-amax等加速等减速运动规律刚性冲击柔性冲击柔性冲击增加多项式的幂次，可获得性能良好的运动规律

svaj

0000（二）余弦加速度规律

柔性冲击（三）正弦加速度规律v

0

aj00

s

0h

运动规律组合应遵循的原则：

1、对于中、低速运动的凸轮机构，要求从动件的位移曲线在衔接处相切，以保证速度曲线的连续。

2、对于中、高速运动的凸轮机构，则还要求从动件的速度曲线在衔接处相切，以保证加速度曲线的连续。二、组合运动规律简介

a

O

ABCDEFO梯形加速度运动规律a

改进型等速运动规律

0

0aa=0v

0sh从动件常用基本运动规律特性等速1.0¥刚性低速轻载等加速等减速2.04.00柔性中速轻载余弦加速度1.574.93柔性中速中载正弦加速度2.006.28

无高速轻载运动规律

vmax(hw/F)

amax冲击特性适用范围(hw2/F2)

三、从动件运动规律设计：1、从动件的最大速度vmax要尽量小；2、从动件的最大加速度amax要尽量小；3、从动件的最大跃动度jmax要尽量小。§3–3盘形凸轮机构基本尺寸的确定

一、移动从动件盘形凸轮机构的基本尺寸二、摆动从动件盘形凸轮机构的基本尺寸

一、移动从动件盘形凸轮机构的基本尺寸的设计，即移动从动件盘形凸轮机构的基本尺寸ttOPnnAeSS0v2Crrb

1123P13P23压力角

ttOPnAeC

1n

(P13)P23瞬心1、偏距e的大小和偏置方位的选择原则应有利于减小从动件工作行程时的最大压力角。为此应使从动件在工作行程中，点C和点P位于凸轮回转中心O的同侧，此时凸轮上C点的线速度指向与从动件工作行程的线速度指向相同。偏距不宜取得太大，一般可近似取为：2、凸轮基圆半径的确定加大基圆半径，可减小压力角，有利于传力1）机构受力不大，要求机构紧凑2）机构受力较大，对其尺寸又没有严格的限制根据实际轮廓的最小向径rm确定基圆半径rb，校核压力角根据结构和强度确定基圆半径rsrhrm二、摆动从动件盘形凸轮机构的基本尺寸整理得，

1

与

2同向凸轮的转向1

与从动件的转向

2相反nO1PKO2rb

1

2Bn

0+v2Lanv2O1PKO2rb

2

1B

ttanL

0+

1、摆动从动件盘形凸轮机构的压力角与从动件的运动规律、摆杆长度、基圆半径及中心距有关。LO1PLO2PLO2PLO2PLO2PLLL-=2、在运动规律和基本尺寸相同的情况下，

1

与

2异向，会减小摆动从动件盘形凸轮机构的压力角。§3‐4根据预定运动规律设计盘形凸轮轮廓曲线一、图解法设计盘形凸轮机构二、解析法设计盘形凸轮机构一、盘形凸轮机构的设计

——图解法

（1）尖顶移动从动件盘形凸轮机构（2）滚子移动从动件盘形凸轮机构（3）尖顶摆动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线设计的基本原理（反转法）

2S

1123s1s2hOrb-

1

1s122's23'3h1'

1s1偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）

2S

1123s1s2hOrb-

3'321

1s2s1h

11’2’es1s2偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）

2S

1123s1s2h-

11

11's1Orb

es22h3Fv

s1

1已知：S=S（

），rb，e，

偏置滚子从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）

2S

1123s1s2h-

11

11's1Orb

es22h3已知：S=S（

），rb，e，，rr摆动从动件盘形凸轮机构

S

S'

'91122334455667788

2-

B2B5B4B3C0B7B6B8C1C6C4C5C2C3C8C7

1

0已知：

=

（

），rb，L，a，

A0B0

0O

S'

'

S

A1A2A3A4A5A9A8A7A6B1

1C9B9二、盘形凸轮机构的设计

——解析法

（1）尖顶移动从动件盘形凸轮机构（2）尖顶摆动从动件盘形凸轮机构（3）滚子移动从动件盘形凸轮机构（4）平底移动从动件盘形凸轮机构（1）尖顶从动件盘形凸轮机构的设计x

2S

SOB1eSS0rby-

BC0CB0

尖顶移动从动件凸轮轮廓的求法尖顶从动件盘形凸轮机构xOB1eSS0rby-

BC0CB0

平面旋转矩阵注意：1）若从动件导路相对于凸轮回转中心的偏置方向与x方向同向，则e>0,反之e<0。2）若凸轮逆时针方向转动，则

>0，反之<0。（2）尖顶摆动从动件盘形凸轮机构若凸轮逆时针方向转动，则

>0，反之<0y

0

B0B1BrbAx-OaL（3）滚子从动件盘形凸轮机构的设计OnnB0Brb

’’

’

yx

rrC’C’’C’

BC’’rrrrrm

a、轮廓曲线的设计

b、刀具中心轨迹方程砂轮滚子rrrcrc-rr

'

c钼丝滚子rrrcrr-rc

'

c上式中用|rc-rr|代替rr即得刀具中心轨迹方程

c、滚子半径的确定

当rr<

min时，实际轮廓为一光滑曲线。

当rr=

min时，实际轮廓将出现尖点，极易磨损，会引起运动失真。rr

bmin

minrr<

min

bmin

=

min

-rr>0rr=

min

min

bmin

=

min

-rr=0rr

当rr>

min时，实际轮廓将出现交叉现象，会引起运动失真。rr

bmin

min

bmin

=

min

+rr>0内凹的轮廓曲线不存在失真。

minrrrr>

min

bmin

=

min

-rr<0

bmin

=

min

-rr

3mm，rr

min

-3mmrr

0.8

min

rr

0.4rb

或一般1、轮廓曲线的设计（4）平底移动从动件盘形凸轮机构的设计v223OPB1SS0rrb

1B-

yx(1)基本尺寸的确定L

=Lmax+

L’max+(4~10)mmLmax=(OP)max=(ds/d)maxL为平底总长，Lmax和L’max为平底与凸轮接触点到从动件导路中心线的左、右两侧

的最远距离。543211’2’3’4’5’rbrb（2）凸轮轮廓的向径不能变化太快。2.平底长度的确定

OA

LmaxP凸轮机构的计算机辅助设计使用要求选择凸轮机构的类型设计从动件的运动规律确定基本尺寸建立凸轮廓线方程计算机仿真评价决策

建立直角坐标系，以凸轮回转中心为原点，y轴与从动件导路平行，凸轮理论廓线方程为：例一直动偏置滚子从动件凸轮机构，已知rb=50mm，rr=3mm，e=12mm，凸轮以等角速度逆时针转动，当凸轮转过=1800，从动件以等加速等减速运动规律上升h=40mm，凸轮再转过

=1500，从动件以余弦加速度运动规律下降回原处，其余

s

=300，从动件静止不动。试用解析法计算1=600，2=2400时凸轮实际廓线上点的坐标值。解：从动件运动规律：回程升程理论廓线上点的坐标：实际廓线上点的坐标:§3-5空间凸轮机构

rrRmLS102345679089’8’7’6’5’4’3’2’1’

2

S’

’

S102345679082

RmL

B0B1B2B3B4B5B6B7B8B9B0

v1-v1v2v21v1瞬心：互作平面相对运动的两构件上在任一瞬时其相对速度为零的重合点，即作平面相对运动的两构件上在任一瞬时其绝对速度相等的重合点。12P1212P12

P12P12高副瞬心在接触点的公法线上三心定律：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且必位于同一条直线上。题3-1

O

RArbrb=R-lOAhh=2R-2rb=2lOAB题3-2已知

=2，h=50mm等速运动等加速等减速运动等加速

0，2余弦加速度正弦加速度从动件运动规律：回程升程题3-4题3-4Orb-

732154

1s2s1h60

2S

1124s1s2h3567

S'

'(0)0题3-7R

COABalB0

0

A0

0

1=0-1R

COABal

0

C0

题3-7

OArbB0s

150°h

'题3-8

OAB0

OArbBB0题3-8s

B0

AO01500

'hO0

题3-9AO1rb

BO1rb

e45°s

45

A

题3-10AO1

B10°B1'rb

B1题3-13对心平底移动盘形凸轮机构。已知：rb=50mm，凸轮转速

（顺时针），从动件h=40mm，推程为等加速等减速运动，=180º。求lmax，=/6及=/2时凸轮廓线上点的直角坐标。解：计算时角度用负值代入！=/6时,x=-33.46,y=40.96=/2时,x=-70,y=-25.48结束第四章齿轮机构及其设计第四章

齿轮机构及其设计§4-1齿轮机构的类型与特点§4-2齿廓啮合基本定律及渐开线齿形§4-3渐开线直齿圆柱齿轮机构的基本参数和尺寸计算§4-4渐开线直齿圆柱齿轮机构的啮合传动§4-5渐开线斜齿圆柱齿轮机构外啮合直齿轮内啮合直齿轮1、两轴线平行的圆柱齿轮机构§4-1齿轮机构的传动类型和特点一、齿轮机构的传动类型斜齿圆柱齿轮人字齿圆柱齿轮齿轮齿条传动直齿圆锥齿轮传动2、相交轴齿轮传动3、两轴相交错的齿轮机构交错轴斜齿轮传动蜗轮蜗杆传动8avi多路齿轮机构传动③工作可靠性高；优点：①传动比稳定；②传动效率高；④结构紧凑；⑤使用寿命长。内容包括①齿轮齿廓形状的设计②单个齿轮的基本尺寸的设计③一对齿轮传动设计缺点：①制造和安装精度要求较高；②不适宜用于两轴间距离较大的传动。二、齿轮机构传动的特点三、齿轮机构设计内容o1o2ω2ω1nnp

对齿轮传动的基本要求是保证瞬时传动比：i12=

1/2=C

两齿廓在任一瞬时（即任意点k接触时）的传动比：i12=

1/2=？!3P13P23

点p是两齿轮廓在点K接触时的相对速度瞬心，故有Vp=

1o1p=2o2p2

由此可见，两轮的瞬时传动比与瞬时接触点的公法线把连心线分成的两段线段成反比。k(P12)1k1§

4-2齿廓啮合基本定律及渐开线齿形一、齿廓啮合基本定律齿廓啮合基本定律

要使两齿轮的瞬时传动比为一常数，则不论两齿廓在任何位置接触，过接触点所作的两齿廓公法线都必须与连心线交于一定点p

。

凡能满足齿廓啮合基本定律的一对齿廓称为共轭齿廓，理论上有无穷多对共轭齿廓，其中以渐开线齿廓应用最广。o1o2ω2ω1nnp2中心距k1k1又

节点节圆节圆(一)渐开线的形成

当直线沿一圆周作相切纯滚动时，直线上任一点在与该圆固联的平面上的轨迹k0k，称为该圆的渐开线。K