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机械设计基础 1 机械的概念及其组成 一 机械的概念首先 我们先看2个例子 内燃机 见课件 牛头刨床 见课件 挖掘机 上述机械的共同特征 a 由许多人为实体组成 b 各实体之间具有确定的相对运动C 做有用的机械功或进行能量转换 1 机器 满足上面三个特征的实物组合体 机器是由若干机构组成的 用来变换或传递能量 物料和信息的装置 将其它形式的能量变换为机械能的机器称为原动机 利用机械能去变换或传递能量 物料 信息的机器称为工作机 机器的组成 机器的主体部分是由机构组成的 一般机器包含四个基本组成部分 动力部分 传动部分 控制部分 执行部分 2 机构 满足上面前两个特征的实物组合体 机构与机器的区别 机构只有一个构件系统 而机器除构件系统之外还包含电气 液压等其它装置 机构只用于传递运动 或改变运动形式 和力 而机器除传递运动和力之外 还具有变换或传递能量 物料 信息的功能 3 机械 机器和机构的统称 4 构件 组成机构的人为实体 构件是机构运动的最小单元体 是组成机构的基本要素 构件可能是一个零件 也可能是由若干零件固联在一起的一个独立运动的整体 见连杆 曲轴图 5 零件 制造的最基本单位 若将一部机器进行拆卸 拆到不可再拆的最小单元就是零件 有通用零件与专用零件之分 通用零件 各种机械都使用的零件 如螺栓 轴 键等 专用零件 只在某一类机械中使用的零件 如曲轴 吊钩 钢丝绳等 构件与零件的区别 构件是运动单元 零件是制造单元 6 部件 由一些零件组成的实体 具有特定的功能 如 连轴器 离合器 7 装置 静止的实物组合体 具有贮存或转换能量的功能 如 压力容器 2 平面连杆机构 一 运动副的概念1 构件的自由度 构件所具有的独立运动数目 在三维空间内自由运动的构件具有六个自由度 作平面运动的构件则只有三个自由度 这三个自由度可以用三个独立的参数x y和角度 表示 2 约束 对构件的独立运动所加的限制 3 运动副 使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接 是由两构件组成的可动联接 运动副是约束运动的 构件组成运动副后 其独立运动受到约束 自由度便随之减少 运动副的基本特征是 具有一定的接触形式 并把两构件上直接参与接触而构成运动副的部分称为运动副元素 能产生一定形式的相对运动 按运动副元素接触形式可将运动副分为低副和高副 运动副按其所能产生相对运动形式分为转动副 移动副 螺旋副和球面副等 如果构成运动副的两构件间相对运动是平面运动 则称为平面运动副 如果构成运动副的两构件间相对运动是空间运动 则称为空间运动副 4 运动副的种类 a 低副 两运动副元素通过面接触所构成的运动副 转动副和移动副都属于低副 转动副 两构件间只能作相对转动的低副称为转动副或铰链 转动副及其简图符号表示如下图所示 如果转动副中的一个构件为固定构件 则该转动副又称为固定铰链 否则称为活动铰链 转动副 转动副的表示方法 移动副 两构件间只能作相对移动的低副称为移动副 移动副及其简图符号表示如下图所示 2 高副 两运动副元素通过点或线接触所构成的运动副 如图所示 用简图表示高副时 应将两构件接触处的几何形状绘出 图1 4 对于齿轮与齿轮啮合及齿轮与齿条啮合的高副 可按规定的简图表示 二 机构的组成 运动链 两个以上的构件通过运动副连接而组成的系统 其中 若构件构成首末封闭的系统称为闭链 反之 称为开链 一般机构都是闭链 构件种类 1 原动件 运动规律已知的构件 2 从动件 随原动件运动而运动的构件 3 固定件 固定不动的构件 也称机架 三 平面连杆机构 1 平面连杆机构的概念连杆机构 构件间全部由低副连接组成的机构 平面连杆机构 连杆机构中的构件在同一平面内或在相互平行的平面内运动称其为平面连杆机构 平面四杆机构 由四个构件组成的平面连杆机构是最简单的平面连杆机构 简称平面四杆机构 平面四杆机构是具有转换运动功能而构件数目最少的平面连杆机构 图2 1铰链四杆机构 2 平面连杆机构的特点 具有多种运动形式的转换 如转动变摆动或逆运动 转动变转动 转动变直线或逆运动 转动变特殊轨迹等 运动副为低副 制造容易 寿命长 润滑方便 承载能力强 结构复杂 运动误差积累大 3 平面连杆机构的应用搅拌机 压力机 内燃机等 四 平面连杆机构的类型及演化 1 铰链四杆机构所有运动副都是转动副的平面四杆机构 图2 1铰链四杆机构 2 铰链四杆机构各部分名称 杆 构件 机架 固定构件 连架杆 与机架相连的杆 a 曲柄 360 转动的连架杆 b 摇杆 在某角度 摆动的连架杆 连杆 不与机架相连的杆 3 铰链四杆机构的基本类型 a 曲柄摇杆机构b 双曲柄机构c 双摇杆机构 4 平面四杆机构的基本特性 a 曲柄摇杆机构两连架杆中一个是曲柄 一个是摇杆的铰链四杆机构 当曲柄为原动件时 可将曲柄的连续转动 转变为摇杆的往复摆动 下图所示的雷达天线俯仰机构和颚式破碎机机构即为曲柄摇杆机构的应用 曲柄摇杆机构 雷达天线调整机构和颚式破碎机 颚式破碎机机构 急回特性 在曲柄摇杆机构中 当曲柄为原动件并作等速转动时 从动摇杆空回行程的平均角速度大于其工作行程的平均角速度 摇杆的这种运动特性称为急回特性 曲柄摇杆机构的运动过程如图所示 摇杆在两极限位置间的夹角 称为摇杆的摆角 摇杆处于两极限位置时 主动件曲柄所夹的锐角 称为极位夹角 图2 4曲柄摇杆机构的急回特性 死点位置 如图所示 曲柄摇杆机构以摇杆CD作为主动件 而曲柄AB为从动件时 则当摇杆处于极限位置时 连杆BC与曲柄AB共线 此时在主动件上无论施加多大的驱动力 连杆加给曲柄的力均通过铰链中心A 此力对A点不产生力矩 所以都不能使曲柄转动 机构的这种位置称为死点位置 摇杆作为主动件时曲柄摇杆机构固有的特性 在此位置从动件会出现 顶死 现象 还可能出现运动不确定现象 机构是否有死点取决于从动件与连杆是否有共线的位置 为使机构正常运转 应设法避开死点 在机构设计时 一般采用安装飞轮加大惯性或采用相同机构错位排列的方法 使机构闯过死点 在机车车轮联动机构中 则是利用第三个平行曲柄来消除平行四边形机构在这种死点位置的运动不确定性 例如 缝纫机 例如 机车联动装置 工程上也常利用死点来工作 压力角和传动角 在不计运动副中摩擦和构件质量的情况下 机构中从动件受力F方向和受力点绝对速度vC方向间所夹的锐角 称为机构在此位置的压力角 如图2 7所示 压力角是衡量机构传力效果的一个标志 力F在vC方向的有效分力F Fcos 即压力角愈小 有效分力愈大 对机构的传动愈为有利 机构运转时 压力角是变化的 为了保证机构具有较好的传动特性 在设计四杆机构时 要求最大压力角小于许用压力角 即 max 通常取50 此条件称为机构的传力条件 压力角的余角 900 称为机构在此位置的传动角 如图2 7所示 对于连杆机构 传动角往往表现为连杆与从动件之间所夹的锐角 比较直观 所以有时用传动角来反映机构的传力性能较为方便 即压力角 越小 传动角 越大 机构的传力性能越好 反之 越大 越小 机构传力越费劲 传动效率越低 b 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 当原动曲柄连续转动时 从动曲柄也作连续转动 右图所示为不等双曲柄机构 在双曲柄机构中 若其相对两杆相互平行如右图所示 则成为平行双曲柄机构 或平行四边形机构 不等双曲柄机构 平行双曲柄机构 惯性筛的四杆机构ABCD便是双曲柄机构的应用 机车车轮联动机构及下图均为平行四边形机构的应用实例 反向双曲柄机构 反向双曲柄机构 c 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 如下图 右下图所示为双摇杆机构在鹤式起重机中的应用 双摇杆机构 鹤式起重机 在双摇杆机构中 若两摇杆长度相等 则形成等腰梯形机构 下图所示的汽车前轮转向机构 即为其应用实例 飞机起落机轮收藏机构 加热炉炉门启闭机构 自动翻斗机构 5 平面四杆机构的演化 曲柄滑块机构通过将摇杆改变为滑块 摇杆长度增至无穷大 可得到曲柄滑块机构 进而还可演化出双滑块机构和正弦机构等 下图所示为曲柄摇杆机构 图a 演化为曲线导轨的曲柄滑块机构 图b c 偏置曲柄滑块机构 图d 和对心曲柄滑块机构 图e 的过程 曲柄滑块机构广泛应用于压力机 往复泵 压缩机等装置中 导杆机构 摇块机构和定块机构 双滑块机构 双滑块机构是具有两个移动副的四杆机构 可以认为是由铰链四杆机构中的两杆长度趋于无穷大而演化成的 按照两个移动副所处位置的不同 可将双滑块机构分成四种型式 两个移动副不相邻 如图2 19所示 从动件3的位移与原动件转角的正切成正比 故称为正切机构 两个移动副相邻 且其中一个移动副与机架相关联 如图2 20所示 从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比 故称为正弦机构 偏心轮机构 曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构通过扩大转动副尺寸 可得到偏心轮机构 如图2 23所示为由曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构中曲柄的转动副B的半径扩大至超过曲柄的长度时 得到的偏心轮机构 偏心距e即是曲柄的长度 当曲柄长度很小时 通常都把曲柄做成偏心轮 这样不仅增大了轴颈的尺寸 提高偏心轴的强度和刚度 而且当轴颈位于中部时 还可安装整体式连杆 使结构简化 因此 偏心轮广泛应用于传力较大的剪床 冲床 颚式破碎机 内燃机等机械中 3 带传动 一 带传动的类型和应用1 组成带传动是由固联于主动轴上的主动带轮1 固联于从动轴上的从动带轮2和张紧在两带轮上的封闭环形带3所组成 图13 1 当原动机驱动主动带轮回转时 由于带和带轮间的摩擦 或啮合 便拖动从动带轮一起回转 并传递一定的运动和动力 2 工作原理 摩擦传动 V带传动 轮齿啮合 同步齿型带 3 类型根据带的截面形状 可分为平带传动 V带传动 圆形带传动 多楔带传动和同步带传动等 图13 2带传动的主要类型 平带传动 V带传动 带传动多用于两轴平行 且回转方向相同的场合 这种传动亦称为开口传动 如图13 3所示 当带的张紧力为规定值时 两带轮轴线间的距离a称为中心距 带与带轮接触弧所对的中心角 称为包角 包角是带传动的一个重要参数 4 V带传动特点 带的弹性好 吸震缓和冲击 V带无接头 平稳噪音小 过载打滑 对其它零件起保护作用 适合中心距大的两平行轴的运动和动力的传递 构造简单 制造容易 维修方便 成本低 弹性滑动使瞬时传动比不准确 结构尺寸大 不紧凑 传动效率低 耐久性差 寿命短 带工作时要张紧 轴和轴承受力大 5 适用条件 功率P 100kw以内 带速V 5 25m s 传动比i 3 10 6 张紧装置 带张紧的原因带传动须保持在一定的张紧力状态下工作 长期张紧会使带产生永久变形而松弛 导致张紧力减小 传动能力下降 因此带传动要控制和及时地调整张紧力 常用的控制和调整张紧力的方法是 调节中心距 水平或接近水平的布置时用调节螺钉1使装有带轮的电动机沿滑轨2移动 图13 4a 垂直或接近垂直的布置时用螺杆及调节螺母1使电动机绕小轴2摆动 图b 若中心距不能调节时 可采用具有张紧轮的传动 图c 它靠重锤1将张紧轮2压在带上 以保持带的张紧 二 V带的结构与标准 V带有普通V带 窄V带 宽V带 大楔角V带 联组V带 齿形V带 汽车V带等多种类型 其中普通V带应用最广 1 结构 普通V带 抗拉体为帘布芯或绳芯 楔角为40度 相对高度近似为0 7 梯形截面环形带 窄V带 抗拉体为绳芯 楔角为40度 相对高度近似为0 9 梯形截面环形带 齿型V带 抗拉体为绳芯结构 内周制成齿型的 带 大楔角V带 抗拉体为绳芯 楔角为60度的聚氨酯环行带 宽V带 抗拉体为绳芯 相对高度近似为0 3梯形截面环形带 联组V带 将几根普通V带或窄V带的顶面用胶帘布等距粘接而成 2 3 4或5根联成一组 2 标准 楔角 为40 相对高度 h bd 约为0 7的V带称为普通V带 普通V带分为 Y Z A B C D E 国产Z A B C四种 V带轮上 与所配用V带的节宽bd相对应的带轮直径称为基准直径d V带轮的最小基准直径dmin及基准直径系列见下表 3 计算长度 基准长度 节线长度 打滑 当其它条件不变且张紧力F0一定时 这个摩擦力有一极限值 临界值 当带有打滑趋势时 这个摩擦力正好达到极限值 带传动的有效拉力F也就达到了最大值Fmax 如果再进一步增大带传动的工作载荷 就会出现打滑 打滑是带所需传递的圆周力超过带与轮面间的极限摩擦力总和时 带与带轮发生的显著的相对滑动现象 打滑将使带的磨损加剧 从动轮转速急剧降低 甚至使传动失效 应当避免 应力分布 弹性滑动 由于带的弹性变形而引起的带在带轮上的滑动称为弹性滑动 注意带的弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念 弹性滑动是由拉力差引起的 只要传递圆周力 出现紧边和松边 就一定会发生弹性滑动 所以是带传动工作时的固有特性 是不可避免的 而打滑是由于超载所引起的带在带轮上的全面滑动 是可以避免的 三 同步带传动简介 同步带是以钢丝为抗拉体 外面包覆聚氨脂或橡胶而组成 它是横截面为矩形 带面具有等距横向齿的环形传动带 图13 18 带轮轮面也制成相应的齿形 工作时靠带齿与轮齿啮合传动 由于带与带轮无相对滑动 能保持两轮的圆周速度同步 故称为同步带传动 它的缺点是 带及带轮价格较高 对制造 安装要求高 当带在纵截面内弯曲时 在带中保持原长度不变的任意一条周线称为节线 图13 18 节线长度为同步带的公称长度 在规定的张紧力下 带的纵截面上相邻两齿对称中心线的直线距离称为带节距pb 它是同步带的一个主要参数 4 齿轮传动 一 工作原理通过齿轮轮齿间的啮合来传递运动和动力 二 特点齿轮传动是用来传递任意两轴间的运动和动力的 它是应用最为广泛的一种机械传动 1 主要优点1 适用的圆周速度和功率范围广 2 机械效率高 3 可实现准确的传动比 且传动平稳 4 寿命长 5 工作可靠 6 可实现平行轴 相交轴 交错轴之间的传动 7 结构紧凑 2 主要缺点1 要求有较高的制造和安装精度 成本相对较高 2 不适宜于远距离两轴之间的传动 三 齿轮传动分类 按齿轮轮齿