机械设计基础 课件 金鑫 第1、2章 机械设计概论、平面机构的运动简图及自由度

《机械设计基础》1.1机械及其组成第1章机械设计概论1.1.1机器及其特征机械：机构和机器的总称。推杆凸轮推杆凸轮齿轮齿轮齿轮曲轴连杆活塞内燃机工件自动载送装置工业机器人机器的特征(重点)：1）人为的实体组合；----结构观点2）各运动单元之间有确定的相对运动；----运动观点3）代替或减轻人类的体力和脑力劳动，完成有效的机械功或实现能量、物料、信息的传递与变换。------能量观点1.1.2机器的功能组成传动系统驱动系统执行系统控制系统例如自动洗衣机控制器(控制)电动机(驱动)带(传动)减速器(传动)波轮(执行)1.机构与机器机构的特征：1）人为的实体组合；----结构观点2）各运动单元之间具有有确定的相对运动。----运动观点1.1.3机器机构的结构组成

机器由一个机构或若干机构组成，并按一定规律相互协调组合，通过有序的运动和力的传递与变换来实现预期功能。常用机构：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、带传动、链传动、间歇运动机构等。2.构件与零件1.1.3机器机构的结构组成

机器中作为一个整体运动的结构实体称为构件，是组成机器的最小运动单元。机构实质上就是两个以上构件相互可动连接组成的构件系统。

构件可以是单一实体，也可以是由若干彼此没有相对运动的实体连接而成。螺栓内燃机连杆套筒连杆体垫圈螺母轴瓦连杆盖内燃机2.构件与零件1.1.3机器机构的结构组成

机器中单一的实体称为零件，是组成机器的最小制造单元。如轴、齿轮（整体式）、螺钉、螺母等。

零件通常分为两大类：（1）通用零件和（2）专用零件。小结零件构件机构机器（一个或多个）（两个以上）（一个或多个）静连接动连接协调组合1.1.4本课程的研究对象、内容及任务1.研究对象2.研究内容3.任务：掌握基础知识和技能。

常用机构：运动特性、动力特性、设计计算。

通用零部件：工作原理、结构特点、设计计算。机械设备中常用的机构、通用性的机械传动装置及普通条件下工作的通用机械零、部件。1.2机械设计的基本要求和一般过程（了解）1.2.1机械设计的基本要求1.实现预期功能要求2.经济性要求3.操作方便及安全要求4.美学及环保要求5.其它特殊要求1.2.2机械设计的一般过程原理方案设计确定设计任务技术设计样机试制1.3机械零件的工作能力（1）作用在零件上的载荷

变载荷：随时间变化。

静载荷：不随时间变化或变化很小。（2）设计计算载荷1.3.1载荷应力分类1.载荷分类

名义载荷：按额定功率计算出来的。

计算载荷：考虑实际作用情况。名义载荷*载荷系数K①非对称循环②脉动循环③对称循环2.应力分类1)稳定循环2)非稳定循环（1）静应力：不随时间变化（2）变应力：随时间变化零件的失效和应力类型有关

正应力单位Pa（N/m2）工程上用MPa——静应力曲线t

Oσm

a

m

max

min——稳定循环应力的公式t

O（1）平均应力（2）应力幅（3）循环特性T——稳定循环应力的3种类型（1）非对称循环①定义②循环特性

a

m

max

minTt

O（2）对称循环①定义②循环特性

a

max

minTtO（3）脉动循环①定义②循环特性

a

max

mTtO1.3.2工作能力计算准则●失效：零件不能正常工作。●失效形式：断裂、过量弹性变形、塑性变形、点蚀、磨损、压溃、过热。●工作能力：零件不发生失效时的安全工作限度。●承载能力：零件不发生失效时的安全载荷限度。●计算准则：为防止失效而制定的判定条件。计算准则主要类型1.强度准则：针对断裂、塑性变形、表面损伤。或——最大工作正应力——许用正应力——最大工作切应力——许用切应力2.刚度准则：针对弹性变形失效形式。（弹性变形≤许用弹性变形）3.寿命准则：针对磨损、腐蚀、疲劳失效形式。

针对磨损：通过选材、结构设计、增加表面光洁度、选择适当润滑油等途经增加耐磨性。

针对腐蚀：选择适当途经增加耐磨性。（没研究透）针对疲劳：或此时的许用应力用疲劳极限计算。4.散热性准则：针对发热。热平衡计算。1.3.3许用应力、极限应力及安全系数——材料的极限正应力——材料的极限切应力S——安全系数或●许用应力：容许的最大应力。●极限应力脆性材料：

lim为强度极限Rm1.静极限应力：针对断裂或塑性变形。塑性材料：

lim为屈服极限Re原始横截面积d断后最小横截面积原始标距断后标距圆形横截面试样试验前后的情况F伸长量ΔL

应变ε●极限应力脆性材料：

lim为强度极限Rm1.静极限应力：针对断裂或塑性变形。塑性材料：

lim为屈服极限Re弹性阶段屈服阶段强化阶段&颈缩阶段

●极限应力2.疲劳极限应力：针对疲劳断裂。

lim、

lim

为疲劳极限

r（如

-1、

0）

疲劳极限：在一定的循环特性r下，当应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力。

rN(rN)：循环N次的疲劳极限。

r(r)：无限循环的疲劳极限。4.安全系数查表法计算法3.接触疲劳极限应力：针对疲劳点蚀。

lim、

lim

为接触疲劳极限

Hlim

疲劳点蚀（简称点蚀）：接触表面局部剥落。1.4机械制造常用材料和热处理（自学）常用材料钢铸铁有色金属合金与非金属普通碳素结构钢优质碳素结构钢合金结构钢铸钢灰口铸铁球墨铸铁wc<2.11%wc>2.11%Q235AF45钢、65Mn20CrMnTi（强度高、韧性好、耐蚀性强）ZG270-500HT（带轮、机座、箱体）QT（曲轴、凸轮轴、阀门等）铜、锡、铝以及铝合金、铜合金、轴承合金橡胶、塑料、陶瓷、木材等金属热处理普通热处理1.4机械制造常用材料和热处理（自学）表面热处理退火正火淬火及回火调质及时效处理表面淬火渗碳渗氮氰化（碳氮共渗）渗金属1.5机械零件的工艺性及标准化（自学）机械零件的结构应具有良好的工艺性，即在满足使用要求的前提下，能用最简单的工艺和最少的时间、劳动量、设备、工具、费用生产出来。零件工艺性毛坯选择合理结构简单合理规定适当的制造精度及表面粗糙度1.5机械零件的工艺性及标准化（自学）机械零件的结构应具有良好的工艺性，即在满足使用要求的前提下，能用最简单的工艺和最少的时间、劳动量、设备、工具、费用生产出来。标准化产品品种规格的系列化零、部件的通用化产品质量的标准化第2章

平面机构的运动简图及自由度第2章平面机构的运动简图及自由度平面机构：所有构件都在同一平面或平行平面内运动的机构。机构：能够做相对运动的构件系统，且各构件具有确定的运动规律。空间机构：各构件的运动平面彼此不平行或不重合的机构。第2章平面机构的运动简图及自由度2.1运动副及其分类2.2平面机构运动简图2.3平面机构的自由度2.1运动副及其分类ASyxo●一个平面运动构件自由度：3个。sysx●自由度：独立运动参数的个数。●运动副定义：两个构件直接接触，且具有一定相对运动的可动连接。●运动副作用：提供约束。●约束：对运动所加的限制。●运动副的分类2.高副：点、线接触。1.低副：面接触。分为，例如齿轮副、凸轮副1)转动副

2)移动副12121221ttnn高副提供1个约束，保留2个自由度。低副提供2个约束，保留1个自由度。●空间运动副简介（了解）球副螺旋副球销副圆柱副线高副点高副2.2平面机构运动简图2.2.1平面机构的组成机架：通常也称为固定件，相对固定构件。主动件：通常称为原动件，有驱动力或给定运动规律构件。从动件：跟随主动件的运动而运动的其他活动构件。

画构件时应忽略构件的实际外形，而只考虑运动副之间的尺寸(即构件尺寸)和运动副的性质。机构示意图：不按比例绘制的简图；术语机构运动简图：按精确比例绘制的简图。2.2.2平面机构运动简图1.构件的表示方法:2.常见运动副符号的表示:国标GB4460－84常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副21211221两构件之一为固定时的运动副平面运动副121212122121212112122121平面高副螺旋副1212球面副球销副空间运动副12122112121212211212213.常用机构运动简图符号

在机架上的电机齿轮齿条传动圆锥齿轮传动带传动链传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动圆柱蜗杆蜗轮传动内啮合圆柱齿轮传动棘轮机构【例2-1】

绘制颚式破碎机的机构运动简图。1.颚式破碎机1）分析机器的组成及运动情况，找出机架、主动件及从动件，并确定构件的数目。2）从主动件开始，按运动的传递线路，分析各构件间相对运动的性质，确定活动构件间运动副的类型及数目。3）选择视图平面。通常选择平行于构件运动的平面作为视图平面（必要时可补充辅助视图）。4）选择合适的运动位置和比例尺μl（m/mm），确定各运动副之间的相对位置，用规定的构件和运动副符号绘制机构运动简图。ABEDCFG【例2-2】绘制偏心泵的机构运动简图。偏心泵1234【解】2.3平面机构的自由度（重点）2.平面运动构件自由度:3个预备知识:1.自由度:相对于机架所具有的独立运动数目。3.约束:对运动所加的限制。4.运动副提供的约束（1）平面低副（2）平面高副：①转动副12②移动副提供2个约束提供2个约束1221ttnn提供1个约束F==1

3×3－2×4设：平面机构自由度的计算公式F=3n－2PL

－PH1234F=11234有n个活动构件，PL个低副，PH个高副，则2.3.1平面机构的自由度（重点）【例2-3】计算铰链五杆机构的自由度.【解】

n=4PL

=5F=3n－2PL

－PHPH

=0F=212345=3×4－2×5－0=22.3.2机构具有确定相对运动的条件（重点）主动件数＝自由度F0。

1

1

4F＝2

123451234F＝1ABCBADCE1Ddh2Ddh1231234F

=3×2-2×3=0F

=3×3-2×5=-1F＝0：静定桁架。F<0：超静定桁架。【例2-4】计算图示凸轮机构的自由度。【解】

n=2PL=2PH=1=3×2-2×2-1

=1

F=3n-2PL

-PH123【例2-5】计算图示机构的自由度。【解】n=5PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=36=3×5-2×6-0

12A15436EDCB1.复合铰链(简称复铰)若有m

个构件,2.3.3自由度计算中的注意事项三个及以上构件(含机架)在组成两个或更多共轴线的转动副，称为复合铰链。123123则有m－1

个转动副。三杆复铰【例2-5】重新计算图示机构的自由度。【解】n=5

PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=17=3×5-2×7

-0

2A15436EDCB12345678ACDEFB【例2-6】计算图示机构的自由度。n=7PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=110【解】=3×7-2×10-0【解】【例2-6】计算图示机构的自由度。n=3

PL

=3F=3n-2PL

-PH=2PH=1=3×3-2×3-112432.局部自由度F=3×2-2×2-1=1

12431243【例2-7】计算火车轮机构的自由度【解】n=6PL

=PH

=08F=3n-2PL

-PH

=3×6-2×8-0=2990154326AGFEDCB7与其他约束重复，不起独立限制运动的约束。计算自由度时要去除掉。3.虚约束(消极约束)其中：DE=BC=FG，DB=EC，BF=CG154326AGFEDCB7D4D3154326AGFECB7BFD15326AGEC74【解】n=5PL

=7F=3n-2PL-PH=1PH=0=3×5-2×7-0出现虚约束的场合(重点、难点)

例如上例的火车轮机构，下图的椭圆仪。

（1）

联接点与被联接点轨迹重合注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!DACB（2）两构件