《机械设计基础 》课件-项目一 机械基础知识

任务液压挖掘机机构运动简图的绘制任务情境机器是人类生产和生活中的重要工具,使用机器生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志。图111所示是我们生活中常见的脚踏缝纫机,它的工作原理是利用脚在踏板上的摆动带动大带轮驱动缝纫机运动。机器包括一个或若干个机构,驱动每个机构的原动件可能有一个或多个。图112所示为常见的液压挖掘机,其工作装置由三个油缸作为驱动原动件。任务提出与任务分析1.任务提出为什么有的机构需要一个原动件,有的则需要多个?机构的确定运动与原动件的个数有什么关系?2.任务分析本任务要求结合生活实际,正确认识更多的机器,区分在实际生产和生活中哪些是机器,哪些不是机器,同时能区分机器和机构,认识构件和零件。不仅要了解机构的组成部分及连接方式,而且要了解该机构具有哪些条件才能完成有关动作。1.机器的组成、特征及分类1)机器的组成图1-13所示为单缸内燃机结构图,它由机架(汽缸体)1、曲轴2、连杆3、活塞4、进气阀5、排气阀6、推杆7、凸轮8、齿轮9和齿轮10组成。当燃烧的气体推动活塞4做往复运动时,通过连杆3使曲轴2做连续转动,从而将燃气的压力能转换为曲柄的机械能。齿轮、凸轮和推杆的作用是按一定的运动规律按时开闭阀门,完成吸气和排气。这种内燃机中有三种机构:①曲柄滑块机构,由活塞4、连杆3、曲轴2和机架1构成,作用是将活塞的往复直线运动转换成曲柄的连续转动;②齿轮机构,由齿轮9、10和机架1构成,作用是改变转速的大小和方向;③凸轮机构,由凸轮8、推杆7和机架1构成,作用是将凸轮的连续转动变为推杆的往复移动,完成有规律地启闭阀门的工作。这样,当燃气推动活塞运动时,各构件协调地动作,加上汽化、点火等装置的配合,就可以将燃气的热能转化为曲轴转动的机械能。图114所示为数控铣削加工机床,通过将零件的加工程序输入机床的数控装置中,数控装置控制伺服系统和其他驱动系统,再驱动机床的工作台、主轴等装置的运动,从而完成零件的加工。2)机器的特征由以上实例可以看出,尽管机器的种类很多,其结构、功能和用途各异,但从组成和作用上来分析,机器都具有以下共同的特征:①任何机器都是由许多实体组合而成的;②各运动实体之间具有确定的相对运动;③能实现能量的转换,代替或减轻人类的劳动,完成有用的机械功。我们把同时具有以上三个特征的实物组合称为机器。3)机器的分类(1)机器按照构造、用途、性能等可分为以下四类。①动力机器:如电动机、发电机、内燃机等,用来实现机械能与其他形式能量间的转换。②加工机器:如普通机床、数控机床、工业机器人等,主要用来改变物料的结构形状、性质和状态。③运输机器:如汽车、飞机、输送机等,主要用来改变物料的空间位置。④信息机器:如计算机、摄像机、复印机、传真机等,主要用来获取或处理各种信息。(2)机器按其基本组成可以分为以下四类。①动力源:机械动力的来源。②传动机构:把原动机的运动和功率传递给工作机的中间环节。③执行机构:能完成机械预期的动作。④自动控制装置:实现机、电、气、液、计算机的综合控制。在各种机器中,传动机构和执行机构在使用中最主要的目的是实现速度、方向或运动状态的改变,或实现特定运动规律的要求。毫无疑问,传动机构和执行机构在实现机器的各种功能中承担着非常重要的作用。2.机构机构是用来传递机械运动和动力的各实体的组合。机构具有机器的前两个特征,是机器的组成部分。机器与机构的区别在于:机器的主要功用是利用机械能做功或实现能量的转换;机构的主要功用在于传递或转变运动的形式,不能做机械功,也不能实现能量转换。通常的机器必包含一个或一个以上的机构。如果不考虑做功或实现能量转换,只从结构和运动的观点来看,机器和机构没有区别,所以将它们总称为机械,即机械是机器与机构的总称。3.构件与零件构件是机构中参加运动的单元体,具有独立的运动特性。它是机器或机构中最小的运动单元,一个构件可以是不能拆开的单一整体,也可以是几个相互之间没有相对运动的物体组合而成的刚性体。零件是机械中的制造单元,是组成机械的不可拆开的基本单元,如图115中的连接螺钉、连杆体、连杆盖等。机械中的零件按功能和结构特点又可分为通用零件和专用零件。各种机械中普遍使用的零件称为通用零件,如螺钉、键、齿轮、轴承等。仅在某些专门行业中才用到的零件称为专用零件,如内燃机活塞、机床床身、汽轮机叶片等。1.1.2平面机构及其运动简图1.运动副及其分类1)运动副构件和运动副是机构中最基本的组成部分。如前所述构件是运动的单元体。机构中任一构件与另一构件都是直接以一定方式相连接的,这种连接是一种具有相对运动的活动连接。两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接称为运动副。2)运动副的分类两构件组成运动副,其接触部分不外乎是点、线或面,而构件间允许产生的相对运动与它们的接触情况有关。运动副可分为平面运动副和空间运动副,按照组成运动副两构件的接触形式不同,常见的平面运动副又可分为低副和高副两大类。(1)低副。两构件以面接触所形成的运动副称为低副。根据组成低副的两构件间相对运动的形式又可分为两种:①转动副。组成运动副的两构件间的相对运动为转动,称为转动副(或回转副),也称为铰链,如图116(a)所示。②移动副。组成运动副的两构件间的相对运动为移动,称为移动副,也称为滑块,如图116(b)所示。(2)高副。以点或线接触所形成的运动副称为高副。如图117中所示的齿轮啮合(图(a))以及凸轮与从动件(图(b))、车轮与钢轨(图(c))等均为高副。此外,常用的运动副还有球面副、螺旋副等,它们都属于空间运动副,即两构件的相对运动为空间运动,如图118(a)、(b)所示。2.运动链和机构两个以上的构件以运动副连接而构成的系统称为运动链。构成首末相连的封闭环的运动链称为闭链(如图119(a)所示),否则称为开链(如图119(b)所示)。在运动链中选取一个构件加以固定(称为机架),当另一构件(或少数几个构件)按给定的规律独立运动时,其余构件均随之做一定的运动,这种运动链就称为机构。机构中输入运动的构件称为原动件,其余的可动构件则称为从动件。由此可见,机构是由原动件、从动件和机架三部分组成的。3.平面机构的运动简图1)机构运动简图的概念对机构进行分析,目的在于了解机构的运动特性,即组成机构的各构件是如何工作的,故只需要考虑与运动有关的构件数目、运动副类型及相对位置,而无需考虑机构的真实外形和具体结构,因此常用一些简单的线条和符号画出图形进行方案讨论和运动、受力分析。这种撇开实际机构中与运动关系无关的因素,并用按一定比例及规定的简化画法表示各构件间相对运动关系的工程图形称为机构运动简图。如图1110所示为内燃机的运动简图。只要求定性地表示机构的组成及运动原理,而不严格按比例绘制的机构图形称为机构示意图。2)运动副及构件的规定表示方法常用构件和运动副的简图符号见表111。3)机构运动简图的绘制(1)机构运动简图的功用。运用机构运动简图可方便地分析机械机构的原理、运动特性及受力情况。(2)绘制机构运动简图的要求。(3)绘制机构运动简图的步骤。①分清构件。②确定构件数目、运动副的类型和数目。③选取视图平面。④选择适当的比例尺,绘制机构运动简图。⑤选定机构运动简图的比例尺。⑥检验机构是否满足运动确定的条件。1.1.3平面机构的自由度1.自由度由上述分析可知,两个构件以不同的方式相互连接,就可以得到不同形式的相对运动。而没有用运动副连接的做平面运动的构件,独自的平面运动有三个,即沿x轴方向和y轴方向的两个移动以及在xOy平面上绕任意点的转动(见图1112),构件的这种独立运动称为自由度。做平面运动的自由构件具有三个独立的运动,即具有三个自由度。2.约束当两构件之间通过某种方式连接而形成运动副时(如图1113所示),构件2与固联在坐标轴上的构件1在A点铰接,构件2沿x轴方向和沿y轴方向的独立运动受到限制。这种限制构件独立运动的作用称为约束。对平面低副,由于两构件之间只有一个相对运动,即相对移动或相对转动,说明平面低副构成受到两个约束,因此有低副连接的构件将失去两个自由度。对平面高副,构件2既可相对构件1绕接触点转动,又可沿接触点的切线方向移动,只是沿公法线方向的运动被限制。可见组成高副时的约束为1,即失去一个自由度。3.机构自由度的计算机构相对机架(固定构件)所具有的独立运动数目,称为机构的自由度。在平面机构中,设机构的活动构件数为n,在未组成运动副之前,这些活动构件共有3n个自由度。用运动副连接后便引入了约束,并失去了自由度,一个低副因有两个约束而将失去两个自由度,一个高副有一个约束而将失去一个自由度。若机构中共有PL个低副、PH个高副,则平面机构的自由度F的计算公式为F=3n-2PL-PH4.机构具有确定运动的条件机构能否实现预期的运动输出,取决于其运动是否具有可能性和确定性。如图1122所示,由3个构件通过3个转动副连接而成的系统就没有运动的可能性,因其自由度为F=3n-2PL-PH=3×2-2×3-0=0,故不能称其为机构。图1123所示的五杆系统,若取构件1作为主动件,则其自由度为F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-0=2当构件1处于图示位置时,构件2、3、4则可能处于实线位置,也可能处于虚线位置。显然,从动件的运动是不确定的,故也不能称其为机构。如果给出两个主动件,即同时给定构件1、4的位置,则其余从动件的位置就唯一确定了(即图1123中的实线),此时,该系统则可称为机构。当主动件的位置确定以后,其余从动件的位置也随之确定,则称机构具有确定的相对运动。那么究竟取一个还是几个构件作为主动件,这取决于机构的自由度。机构的自由度就是机构具有的独立运动的数目。由此可见,机构具有确定运动的条件为:机构的原动件数目W等于机构的自由度数目F,即W=F>0在分析机构或设计新机构时,一般可以用自由度计算来检验所作的运动简图是否满足具有确定运动的条件,以避免机构组成原理错误。如图1124(a)所示的构件组合体,其自由度为F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-1=0这说明此构件系统不是机构,从动件无法实现预期的运动。图1124(b)、(c)为改进方案,经计算,自由度为F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=1故满足机构具有确定运动的条件。1.1.4机械设计课程概述1.本课程的性质、内容和任务1)本课程的性质本课程是一门研究常用机构、通用零件与部件以及一般机器的基本设计理论和方法的课程,是机械工程类各专业中的主干课程,它介于基础课程与专业课程之间,具有承上启下的作用,是一门重要的技术基础课程。2)本课程的内容(1)研究机械中常用机构和机械零部件的工作原理、结构特点、基本设计理论和设计方法,并简要介绍机械系统方案设计的有关知识。(2)研究机械零部件选用和设计问题。3)本课程的任务(1)获得认识、使用和维护机械设备的一些基本知识。(2)运用有关设计手册、图册、标准、规范等有关设计资料的能力。(3)掌握常用机构和通用零件、部件的设计理论和方法。(4)通过课程设计的训练,了解机器设计原则和主要内容,用所学的有关知识设计机械传动装置和简单机械的能力。(5)掌握典型零件的实验方法和培养实验技能。(6)了解常用的现代设计方法及机械发展动向。2.机械设计的基本要求、一般程序和设计方法1)机械设计的基本要求机械设计包括两部分:一是在原有机械的基础上,重新设计或改造局部,从而改变或提高机械的性能;另一种是应用新技术、新方法开发创造新的机械,完成特定的工作任务。机械产品设计应满足以下几个基本要求:(1)实现预期的功能。

(2)满足可靠性要求。

(3)满足经济要求。

(4)操作方便、工作安全。(5)造型美观、污染要少。2)机械设计的一般程序一部新机器,从提出设计任务到形成定型产品,一般可分为以下几个阶段:(1)明确设计任务。

(2)方案设计。

(3)技术设计。

(4)制造及试验。3)机械零件的标准化、系列化和通用化机械零件的标准化是依据对零件尺寸、结构、材料等方面的要求,制定出各式各样的标准,设计者只需根据设计手册或产品目录选定型号和尺寸,向专业商店或工厂订购即可。我国的标准已经形成了一个庞大的体系,主要有国家标准、行业标准等。为了与国际接轨,我国的某些标准正在迅速向国际标准靠拢。常见的标准代号有GB、JB、ISO等,它们分别代表中华人民共和国国家标准、机械工业标准、国际标准化组织标准。系列化是指同一产品,为了满足不同的使用要求,在基本结构和基本尺寸相同的条件下,规定出若干个