机械基础课件.ppt

绪论一、本课程研究的对象及内容 1研究对象机械应用实例：内燃机机械 是机构和机器的总称。机构 是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。机器 是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息,绪论,（1）机构指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、螺旋机构等等（2）机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、物料和信息。 由实例可看出，各种机器的主要组成部分都是各种机构。所以可以说，机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合体。（3）机器的结构 传统的机器由如下三个部分组成： 原动件传动部分执行部分 现代机器一般由如下四个部分组成 原动件传动部分执行部分,绪论,2研究内容 1） 机构的组成及其自由度的计算 2） 机构的运动分析 3）机构的力分析和机器动力学分析 4）常用机构的分析与设计 5）机构的选型与组合*3学习的目的 为学习后续课程和掌握专业知识大好基础 为毕业设计提供机械设计知识 4掌握本课程的特点 本课程是一门技术基础课，其最显著的特点是基础理论与工程实际的结合。,绪论,二、械设计基本要求和一般程序 1.机器应该满足的基本要求 (1)使用性要求 实现预定的功能，满足运动和动力性能的要求）（功能性要求） (2)经济性要求 这是一个综合性指标，表现在设计制造和使用两个方面。提高设计制造的经济性的途径有三条：1）使产品系列化、标准化、通用化；2）运用现代化设计制造方法；3）科学管理。提高使用经济性的途径有四条：1）提高机械化、自动化水平；2）提高机械效率；3）延长使用寿命；4）防止无意义的损耗。 (3)安全性要求 有三个含义：1）设备本身不因过载、失电以及其它偶然因素而损坏；2）切实保障操作者的人身安全（劳动保护性）；3）不会对环境造成破坏。,绪论,(4)工艺性要求 这包含两个方面1）装配工艺形2）零件加工工艺性。 (5)可靠性要求 要求机械系统在预定的环境条件下和寿命期限内，具有保持正常工作状态的性能，这就称为可靠性。 2.机械零件设计的基本准则及一般步骤 (1)根据零件的使用要求（如功率、转速等），选择零件的类型及结构型式，并拟定计算简图。 (2)分析作用在零件上的载荷（拉、压力，剪切力）。 (3)根据零件的工作条件，按照相应的设计准则，确定许用应力。,绪论,(4)分析零件的主要失效形式，按照相应的设计准则，确定零件的基本尺寸。(5)按照结构工艺性、标准化的要求，设计零件的结构及其尺寸。(6)绘制零件的工作图，拟定必要的技术条件，编写计算说明书。,第一章平面机构运动简图及自由度,1-1 平面机构的组成1.构件 从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。 从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为零件。 构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。,1-1 平面机构的组成,2.运动副1）运动副定义 机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。2） 运动副的分类 （1）按两个构件运动关系分为平面运动副和空间运动副 （2）按其接触形式分：高副点线接触的运动副 低副面接触的运动副。 （3）按其相对运动形式分 转动副（回转副或铰链）移动副、螺旋副、球面副。,1-1 平面机构的组成,3.机构具有固定构件的运动链称为机构。机 架机构中的固定构件；一般机架相对地面固定不动，原动件： 按给定已知运动规律独立运动的构件；从动件 机构中其余活动构件。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。 机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛,1-2 平面机构运动简图一、用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。二、绘制：1、运动副的符号转动副：,表1-1,2、构件符号：,表1-2,3、机构运动简图的绘制，（模型，鄂式破碎机） 1）分析机构，观察相对运动； 2）找出所有的构件与运动副； 3）选择合理的位置，即能充分反映机构的特性； 4）确定比例尺， 5）用规定的符号和线条绘制成间图。（从原动件开始画）【例2-1】如图2-6所示为以颚式碎矿机。当曲轴2绕其轴心O连续转动时，动颚板3作往复摆动，从而将处于动颚板3和固定颚板6之间的矿石7轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。,解：（1）运动分析右图所示 此碎矿机由原动件曲轴2（构件1为固装于曲轴2上的飞轮）、动颚板3、摆杆4、机架5等4个构件组成，固定颚板6是固定安装在机架上的。,曲轴2于机架5在O点构成转动副（即飞轮的回转中心）；曲轴2与动颚板3也构成转动副，其轴心在A点（即动颚板绕曲轴的回转几何中心）；摆杆4分别与动颚板3和机架5在B、C两点构成转动副。其运动传递为：电机 皮带 曲轴 动颚板 摆杆所以，其机构原动件为曲轴，从动件为摆杆、构件3、机架5共同构成曲柄摇杆机构。（2）按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定O、A、B、C四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图。最后标出原动件的转动方向。由图可以看出，O、C在同一垂直线上。量取OA=3mm，AB=25mm，BC=14mm，OC=22mm.,1-3 平面机构的自由度机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。一、计算机构自由度（设n个活动构件，PL个低副，PH个高副） F=3n-2PL-PH 二、机构具有确定运动的条件 （原动件数F，机构破坏）铰链四杆机构 F=3*3-2*4-0=1 原动件数=机构自由度铰链五杆机构,a,b,F=3*4-2*5-0=2 原动件数机构自由度原动件数机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）,机构具有确定运动的条件是：机构的自由度数等于机构的原动件数，既机构有多少个自由度，就应该给机构多少个原动件。三、计算机构自由度时应注意的问题 1复合铰链 三个或三个以上构件在同一处构成共轴线转动副的铰链，我们称为复合铰链（如图所示）。 若有m个构件组成复合铰链，则 复合铰链处的转动副数应为（m-1）个。,复合铰链,2局部自由度 机构中某些构件具有局部的、不影响其它构件运动的自由度，同时与输出运动无关的自由度我们称为局部自由度。对于含有局部自由度的机构在计算自由度时，不考虑局部自由度。如图凸轮机构： 如认为：F=3x3-2x3-1=2 是错误的。 n=2，Pl=2，Ph1， 由公式得：F=3x2-2x2-1=1。,（3）虚约束： 在特殊的几何条件下，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。,虚约束1,虚约束2,虚约束2,虚约束1,第二章 平面连杆机构 一、定义： 若干构件通过低副（转动副或移 动副）联接所组成 的机构称作连杆机构。 连杆机构中各构件的相对运动是平面 运动还是空间运动，连杆机构又可以分为 平面连杆机构和空 间连杆机构。 平面连杆机构是由若干构件用平面低副（转动副和移动 副）联接而成的平面机构，用以实现运动的传递、变换和传 送动力。, 2.1 平面四杆机构的类型及应用 在此机构中，AD固定不动，称为机架；AB、CD两构件与机架组成转动副，称为连架杆；BC称为连杆。在连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，而只能在一定角度范围内摆动的构件称为摇杆。一、铰链四杆机构基本类型,根据机构中有无曲柄和有几个曲柄，铰链四杆机构又有三种基本形式： 1曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。雷达调整机构缝纫机踏板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，如图中的雷达天线机构； 反之，当摇杆为原动件时，可将摇杆的往复摆动转变为曲柄的整周转动，如图所示的缝纫机踏板。,雷达调整机构,缝纫机踏板机构,2双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。可将原动曲柄的等速转动转换成从动曲柄的等速或变速转动，如图所示的惯性筛驱动机构； 构的相对两杆平行且相等时，则成为平行四边形机构，如图所示。注意：平行四边形机构在运动过程中，当两曲柄与机架共线时，在原动件转向不变、转速恒定的条件下，从动曲柄会出现运动不确定现象。可以在机构中添加飞轮或使用两组相同机构错位排列。,3双摇杆机构：两连架杆都是摇杆的机构，如图所示的鹤式起重机构，保证货物水平移动。,二、机构的演化机构的演化方法有三种：1）通过改变构件的形状和相对尺寸进行演化，如图28的演化；2）通过改变运动副尺寸进行演化；3）通过选用不同构件作为机架进行演化。1滑块机构如图所示，当构件1能整周回转成为曲柄时，该机构称为曲柄滑块机构；否则该机构称为摆杆滑块机构。,曲柄滑块机构,曲柄滑块机构,2导杆机构在图a所示的对心曲柄滑块机构中，若改取构件1为机架，则机构演化为导杆机构。图 b。3曲柄摇块与曲柄转块机构在图a中若改取构件2为机架，当l1 l2时，则滑块3可作整周转动，我们称为曲柄转块机构。 4移动导杆机构在图 a中，如取滑块3为机架，则该机构演化成移动导杆机构,2.3四杆机构特性 一、四杆机构存在曲柄的条件 铰链四杆机构的三种基本型式的区别在于它的连架杆是否为曲柄。而且一般原动件为曲柄 。而在四杆机构中是否存在曲柄，取决于机构中各构件间的相对尺寸关系。 设a350）（是发展趋势）20Cr，20CrMnTi，40Cr，30CrMoAlA，表面淬火，渗碳淬火，氮化和氰化，先切齿表面硬化磨齿精切齿形5、6级适合于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等）2、铸铁脆、机械强度，抗冲击和耐磨性较差，但抗胶合和点蚀能力较强，用于工作平稳、低速和小功率场合。铸铁：灰铸铁；球墨铸铁有较好的机械性能和耐磨性3、非金属材料工程塑料（ABS、尼龙）、夹布胶木,6.9 直齿圆柱齿轮传动的设计一、受力分析 在不计及齿面摩擦力时，即为作用于齿面法线方向上的法向载荷Fn。渐开线齿形任何一点上的法线均与基圆相切，如图所示。则小齿轮名义转距T为二、计算载荷考虑原动机和工作机的不平稳，轮齿啮合时产生的动载荷，,应对名义载荷进行修正 Fnc=KFn系数K可由表6-7查得 。三、齿根弯曲疲劳强度计算防止弯曲疲劳折断其依据是材料力学中的悬臂梁的应力分析。齿根上的弯矩最大，轮齿的弯曲疲劳强度齿根处最弱 即,校核公式 设计公式YFa齿形系数，只与齿形有关 令 齿宽系数,四、齿面接触疲劳强度计算 直齿圆柱齿轮接触疲劳强度计算是防止齿面点蚀破坏的计算方法，其理论依据是两平行圆柱体的接触应力理论 接触应力 对于标准直齿轮， ， ，校核公式,设计公式五、齿轮传动强度计算说明 1、弯曲强度计算，要求， ， ）对大小齿轮，其它参数均相同只有 不同，应将其中较大者代入计算。 2、接触强度计算公式中， ，许用值取小的。 3、轮齿面按齿面接触疲劳强度设计，再校核齿根弯曲疲劳强度 硬齿面按齿根弯曲疲劳强度设计，再校核齿面接触疲劳强度,六、参数选择 1、齿数Z1 闭式软齿面齿轮（点蚀）Z1可取多一些（2040 闭式硬齿面齿轮（弯曲疲劳）a一定时，宜取Z1少 一些（使m），Z1=1720 2、许用弯曲应力 3、许用接触应力,4、传动比单级闭式传动，一般取 （直齿）、 （斜齿 6.10 斜齿圆柱齿轮传动设计 一齿面形成及啮合特点 斜齿圆柱齿轮齿面形成的原理与直齿轮相似，所不同的是直线 与轴线不平行，而有一个夹角,啮合特点：1）当两直齿轮啮合时，其齿面接触线是与整个齿轮轴线平行的直线。因此，直齿轮啮合时，整个齿宽同时进入和退出啮合，所以容易引起冲击、振动和噪声，从而影响传动的平稳性，不适宜于高速传动。2）当两斜齿轮啮合时，由于轮齿的倾斜，一端先进入啮合，另一端后进入啮合，其接触线由短变长，再由长变短，极大地降低冲击、振动和噪声，改善了传动的平稳性。相对于直齿轮而言更适合高速传动。 3）斜齿圆柱齿轮相对于直齿圆柱齿轮而言，可以增大重合度、降低根切齿数，可以提高齿轮承载能力，减小结构尺寸。,二、斜齿轮的基本参数及尺寸计算 1法面模数与端面模数 由上面两式可以得到 所以一般,2法面压力角与端面压力角3法面、端面齿高系数与顶隙系数式中 、 为标准值。三斜齿圆柱齿轮的几何尺寸计算 见教材表(6-13)。其中特别要注意：公式中的法面参数为标准值。,四、斜齿圆柱齿轮的当量齿数 为确定当量齿数，如图所示。过斜齿轮分度圆上C点，作斜齿轮法面剖面，得到一椭圆。该剖面上C点附近的齿型可以视为斜齿轮的法面齿型。以椭圆上点C的曲率半径作为虚拟直齿轮的分度圆半径，并设该虚拟直齿轮的模数和压力角分别等于斜齿轮的法面模数和压力角，该虚拟直齿轮即为当量齿轮，其齿数即为当量齿数。,五、斜齿圆柱齿轮传动正确啮合条件 6.11 直齿圆锥齿轮传动 圆锥齿轮机构主要用来传递两相交轴之间的运动和动力,如图6-44。圆锥齿轮的轮齿是分布在一个截锥体上的，,一对圆锥齿轮两轴之间的夹角可根据传动的需要来决定。但通常情况下，工程上多采用的是 的传动 一、直齿圆锥齿轮齿廓的形成 锥齿轮的齿廓是发生面S在基圆锥上作纯滚动时形成的，发生面上K点将在空间展开成一渐开线AK。显然，渐开线是在以锥顶O为中心，锥距R为半径的球面上。 背锥是过锥齿轮的大端，其母线与锥齿轮分度圆锥母线垂直的圆锥。 将两锥齿轮大端球面渐开线齿廓向两背锥上投影，得到近似渐开线齿廓。接下来将两背锥展成两扇形齿轮，设想把扇形齿轮补足成一个完整的圆柱齿轮。该假想的圆柱齿轮称作圆锥齿轮的当量齿轮,齿数称作圆锥齿轮的当量齿数，用 表示 四、直齿圆锥齿轮传动的参数及几何尺寸 1基本参数 压力角一般为 圆锥齿轮传动的传动比为 2几何参数计算 书表6-15,6.12 齿轮结构设计及齿轮传动的润滑一、齿轮结构设计 1、齿轮轴 当齿轮的齿根直径与轴径很接近时，如图，可以将齿轮与轴作成一体的，称为齿轮轴,2、实体式齿轮 齿顶圆直径小于160mm（当轮缘内径D与轮毂外径相差不大时，而轮毂长度要大于等于1.6倍的轴径尺寸）时可以采用这种实体式结构，如图所示 3、腹板式结构 当直径大于160mm时，为了减轻重量，节约材料，同时由于不易锻出辐条，常采用腹板式结构,4、对于齿轮齿顶圆直径小于500mm的齿轮，一般采用锻或铸造轮辐式,二、齿轮传动润滑 1、润滑方法及油量选择开式齿轮传动速度较低，一般采用润滑脂或定时滴油润滑。闭式齿轮传动常利用浸油法或喷油法润滑：1）浸油法：大齿轮浸入一个齿高，对于多级齿轮传动的高速级，可以采用带油轮。由于大齿轮或带油轮可以将油带起，溅落到被润滑处，也称为飞溅润滑。此时要求齿轮线速度不高于。对于单级，每传递1Kw功率约需要0.35L或更多的油量，多级传动可以按比例（级数）增加。,2）喷油润滑：在线速度超过上述数值使用时，要求齿轮宽度大时增加喷嘴的数目。在节圆线速度不大于时，直接由进入啮合的一侧向啮合处喷油。油量按10mm齿宽用0.45L/min或者每千瓦用8.5L/s来计算，喷油压力一般为0.010.2MPa。对于非金属齿轮，载荷较小时可以不进行润滑。有时也可加入适量油以改善摩擦性能，提高承载能力，或改善材料使其具有自润滑能力。2）润滑剂的选择润滑剂有三大类：（1）液体润滑剂（常用）（2）润滑脂：用于低速传动，无法使用液体润滑剂时使用。（3）固体润滑剂：其使用取决于使用条件及工艺水平。,第七章 蜗杆传动,7.1 蜗杆传动 的类型和特点 蜗杆传动是由蜗杆和蜗轮组成。常用于交错轴90的两轴之间传递运动和动力。一般蜗杆为主动件，作减速运动。 一、蜗杆传动的特点 与齿轮传动相比较，蜗杆传动具有传动比大，在动力传递中传动比在8100之间，在分度机构中传动比可以达到1000；传动平稳、噪声低；结构紧凑；在一定条件下可以实现自锁等优点而得到广泛使用。,但蜗杆传动有效率低、发热量大和磨损严重，涡轮齿圈部分经常用减磨性能好的有色金属（如青铜）制造，成本高等缺点。二、蜗杆传动的类型 按蜗杆分度曲面的形状不同，蜗杆传动可以分为：圆柱蜗杆传动（如图a）、环面蜗杆传动（如图b）、锥蜗杆传动（如图c）三种类型。,1、圆柱蜗杆传动 圆柱蜗杆传动可以分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆 柱蜗杆传动 普通圆柱蜗杆传动根据齿廓曲线主要分为三种： 阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆） 渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆） 法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆） 本章只讨论阿基米德圆柱蜗杆，加工时，梯形车刀切削刃的顶平面通过蜗杆轴线，在轴向剖面具有直线齿廓，法向剖面N-N上齿廓为外凸线，端面上齿廓为阿基米德螺线。这种蜗杆切制简单，但难以用砂轮磨削出精确齿形，精度较低。,7.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸 如图所示，在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相当于齿条与齿轮的啮合传动故此，在设计蜗杆传动时，均取中间平面上的参数（如模数、压力角）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的计算关系，,一、主要参数 1、模数m和压力角 蜗杆传动的尺寸计算与齿轮传动一样，也是以模数m作为计算的主要参数。在中间平面内蜗杆传动相当于齿轮和齿条传动，蜗杆的轴向模数和轴向压力角分别与涡轮的端面模数和端面压力角相等，为此将此平面内的模数和压力角规定为标准值，标准模数见书中所附表格，标准压力角为20 。 2、蜗杆头数z1和传动比 蜗杆头数z1可根据要求和的传动比和效率来选定。单头蜗杆传动的传动比可以较大，但效率较低。如果要提高效率，应增加蜗杆的头数。但蜗杆头数过多，又会给加工带来困难。所以，通常蜗杆头数取为1、2、4、6。,通常蜗杆为主动件，蜗杆与蜗轮之间的传动比为其中：z2为蜗轮的齿数3、导程角 蜗杆的直径系数q和蜗杆头数z1选定之后，蜗杆分度圆柱上的导程角也就确定了,4、蜗杆的分度圆直径d1 在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与配对蜗轮的正确啮合，常用与蜗杆相同尺寸的蜗轮滚刀来加工与其配对的涡轮。这样，只要有一种尺寸的蜗杆，就需要一种对应的蜗轮滚刀。对于同一模数，可以有很多不同直径的蜗杆，因而对每一模数就要配备很多蜗轮滚刀。显然，这样很不经济。 为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化，就对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1 ，而把比值 称为蜗杆直径系数。 5、蜗杆传动的标准中心距,7.3蜗杆传动的失效形式、材料和结构一、蜗杆传动的失效形式、设计准则 和齿轮传动一样，蜗杆传动的失效形式主要有：胶合、磨损、疲劳点蚀和轮齿折断等。由于蜗杆传动啮合面间的相对滑动速度较大，效率低，发热量大，再润滑和散热不良时，胶合和磨损为主要失效形式。 蜗杆传动的设计准则为：闭式蜗杆传动按蜗轮轮齿的齿面接触疲劳强度进行设计计算，按齿根弯曲疲劳强度校核，并进行热平衡验算；开式蜗杆传动，按保证齿根弯曲疲劳强度进行设计。,二、蜗杆和蜗轮材料 由失效形式知道，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求有足够的强度，更重要的是具有良好的磨合（跑合）、减磨性、耐磨性和抗胶合能力等。 蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成：一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40、45钢，并经调质处理 。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr、20CrMnTi等，并经渗碳淬火 。 蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1,ZCuSn5Pb5Zn5），铸造铝铁青铜（ZCuAl1010Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度大于3m/s的重要传动；,铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于滑动速度小于4m/s的传动；如