机械设计基础课件合集

第1章绪论,1.1机械、机器、机构及其组成,1.2本课程研究的内客、性质和任务,本章概要：人类为了满足生产和生活的需要，设计和制造了各种各样的机械设备，如机床、汽车、起重机、电动机、洗衣机、机器人和航天器等。在现代生产和日常生活中，机械已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率和产品质量的主要手段。机械的发展程度是衡量一个国家工业水平的重要标志之一。本章主要介绍机械、机器、机构和零件等基本概念，以及机械、机器和机构的组成，说明本课程的研究内容、性质与任务。,1.1机械、机器、机构及其组成1.1.1现代机械及其组成现代机械是传统机械技术与不断涌现的相关新技术的集成，是以计算机技术协调控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流传递任务的，由光、机、电、液压等部件组成的装置与系统。现代机械主要由以下系统或部分组成：（1）驱动系统（2）传动系统（3）执行系统（4）控制和信息处理系统,1.1.2机器与机构机器能实现确定的机械运动，又能做有用的机械功或实现能量、物料、信息的传递与变换的装置。它是根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体。,如:缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。,机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。,典型机器的分析：,1.内燃机,内燃机,组成：,汽缸体1、,活塞2、,进气阀3、,排气阀4、,连杆5、,曲轴6、,凸轮7、,顶杆8、,齿轮9、10,工作原理：,1.活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸；,2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；,3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；,4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。,循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动,进气,压缩,爆炸,排气,内燃机的工作过程：,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：,内燃机各部分的作用：,曲柄滑块机构,凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：,凸轮机构,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：,齿轮机构,各部分协调动作的结果：,机器的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换机器的作用,机器的分类：,动力机器实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）种类有限,工作机器完成有用功（如机床等）种类繁多,信息机器完成信息的传递与变换（如复印机、传真机等）,机器的组成：,原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。,工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。,传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。其关系如下,原动机,传动,工作,控制,从结构上来看，机器的传动部分和执行部分都是由各种机构组成的。一部机器可以包含一个或若干个机构。任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。,机构的共有特征：,人造的实物组合体；,各部分有确定的相对运动；,机构的分类：通用机构和专用机构。,通用机构-用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。,专用机构-只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。,机构只能实现运动和力的传递与变换的装置。如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。种类有限,1.1.3机构的组成,一个构件是由一个零件或由几个零件组成的刚性结构,从制造观点来看，机构由许多独立加工的单元体组成，这些单元体称为零件。,机构是由一些相对独立运动的单元体组成的，这些单元体称为构件。,机械、机器、机构、构件、零件,机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同），故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动,零件,构件,机构,机器,1.2.1本课程研究的内容研究的内容主要有以下几个方面：(1)机械设计基础知识(2)常用机构及传动设计(3)通用零件设计(4)有关机械总体设计中的一些问题(5)机械现代设计方法与手段的概念和特点,作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。,1.2本课程研究的内客、性质和任务,1.2.2本课程的性质和任务课程性质：技术基础课作用：承前启后本课程的主要任务是：通过本课程的学习，可为今后学习诸如机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础，,通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为今后操作、维护、管理、革新装备创造条件。,为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共同努力，把这门课程教好学好。,3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手组装各种机构。,课程安排：讲授82学时,本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。要求：1）作业必须按时完成，绘图准确，字迹工整，作业量未达到规定者不能参加考试。,2）上课认真听讲，及时消化，不主张占用较多的课外时间。,第2章机械及机械零件设计基础知识,2.1机械设计的基本要求和一般设计程序,2.2机械零件的主要失效形式和工作能力,2.3机械零件的设计准则和一般设计步骤,2.4机械零件的材料及选择,2.5摩擦、磨损与润滑,2.6机械零件的结构工艺性及标准化,本章概要：机械设计是指规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。本章扼要阐明机械设计中的共同性问题，如机械设计的基本要求和一般设计程序；机械零件的主要失效形式和设计准则；机械零件的材料等。介绍摩擦、磨损与润滑，零件的结构工艺性及标准化等机械零件设计所需的基础知识。,2.1机械设计的基本要求和一般设计程序,2.1.1机械设计的基本要求,2.2.2机械设计的一般设计程序,机械设计应满足的基本要求：功能要求可靠性与安全性要求经济性要求社会性要求其它特殊要求。,在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低，在预定使用期限内安全可靠，操作方便、维修简单和造型美观等。,产品规划,概念设计,构形设计,编制技术文件,技术审定和产品鉴定,2.2机械零件的主要失效形式和工作能力,零件的失效形式:断裂;过大的弹性变形或塑性变形;工作表面损伤失效（腐蚀、磨损和接触疲劳）；发生强烈的振动；联接的松弛;摩擦传动的打滑等。失效并不简单地等同于零件的破坏。如轴、齿轮、轴瓦、轴颈、螺栓、带传动等。机械零件虽然有多种可能的失效形式，归纳起来最主要的为,2.2.1机械零件的主要失效形式,机械零件的失效：机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时，称为失效。,对于各种不同的失效形式，也各有相应的工作能力判定条件,强度条件：计算应力许用应力；,防止失效的判定条件是：计算量N0时,试件将不会断裂。,N0-循环基数,N0对应的应力称为：,当NV1,摇杆的这种特性称为急回运动。用以下比值表示急回程度,称K为行程速比系数。,且越大，K值越大，急回性质越明显。,只要0，就有K1,所以可通过分析机构中是否存在以及的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。,设计新机械时，往往先给定K值，于是:,当BCD90时，BCD,4.3.3压力角和传动角,压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。,设计时要求:min50,min出现的位置：,当BCD90时，,180-BCD,切向分力:F=Fcos,法向分力:F”=Fcos,F,对传动有利。,=Fsin,称为传动角。,此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。,可用的大小来表示机构传动力性能的好坏,当BCD最小或最大时，都有可能出现min,为了保证机构良好的传力性能,由余弦定律有：B1C1Darccosb2+c2-(d-a)2/2bc,B2C2Darccosb2+c2-(d+a)2/2bc,若B1C1D90,则,若B2C2D90,则,1B1C1D,2180-B2C2D,机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。,minB1C1D,180-B2C2Dmin,4.3.4机构的死点位置,摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：,此时机构不能运动.,避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;,称此位置为：,“死点”,0,靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。,0,0,钻孔夹具,飞机起落架,也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。,4.4平面四杆机构的设计,连杆机构设计的基本问题,机构选型根据给定的运动要求选择机构的类型；,尺度综合确定各构件的尺度参数(长度尺寸)。,同时要满足其他辅助条件：,a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、运动副结构合理等）;,b)动力条件（如min）;,c)运动连续性条件等。,飞机起落架,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,函数机构,要求两连架杆的转角满足函数y=logx,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,要求连杆在两个位置垂直地面且相差180,鹤式起重机,搅拌机构,要求连杆上E点的轨迹为一条卵形曲线,要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线,三类设计要求：,1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如:飞机起落架、函数机构。,2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。,3)满足预定的轨迹要求，如:鹤式起重机、搅拌机等。,给定的设计条件：,1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）,2)运动条件（给定K）,3)动力条件（给定min）,设计方法：图解法、解析法、实验法,一、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,1)曲柄摇杆机构,计算180(K-1)/(K+1);,已知：CD杆长，摆角及K，设计此机构。步骤如下：,任取一点D，作等腰三角形腰长为CD，夹角为;,作C2PC1C2，作C1P使,作PC1C2的外接圆，则A点必在此圆上。,选定A，设曲柄为l1，连杆为l2，则:,以A为圆心，AC2为半径作弧交于E,得：l1=EC1/2l2=AC1EC1/2,AC2=l2-l1,=l1=(AC1AC2)/2,C2C1P=90,交于P;,AC1=l1+l2,2)导杆机构,分析：由于与导杆摆角相等，设计此机构时，仅需要确定曲柄a。,计算180(K-1)/(K+1);,任选D作mDn，,取A点，使得AD=d,则:a=dsin(/2)。,作角分线;,已知：机架长度d，K，设计此机构。,3)曲柄滑块机构,已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。,计算:180(K-1)/(K+1);,作C1C2H,作射线C1O使C2C1O=90,以O为圆心，C1O为半径作圆。,以A为圆心，AC1为半径作弧交于E,得：,作射线C2O使C1C2O=90。,作偏距线e，交圆弧于A，即为所求。,l1=EC2/2,l2=AC2EC2/2,二、按预定连杆位置设计四杆机构,a)给定连杆两组位置,有唯一解。,将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。,b)给定连杆上铰链BC的三组位置,有无穷多组解。,三、给定两连架杆对应位置设计四杆机构,给定连架杆对应位置：构件3和构件1满足以下位置关系：,建立坐标系,设构件长度为：l1、l2、l3、l4,在x,y轴上投影可得：,机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角.,l1coc+l2cos=l3cos+l4,l1sin+l2sin=l3sin,if(i)i=1,2,3n设计此四杆机构(求各构件长度)。,令：l1=1,带入移项得：l2cos=l4l3coscos,则化简为：cocP0cosP1cos()P2,代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：,l2sin=l3sinsin,coc1P0cos1P1cos(11)P2,coc2P0cos2P1cos(22)P2,coc3P0cos3P1cos(33)P2,可求系数:P0、P1、P2,以及:l2、l3、l4,将相对杆长乘以任意比例系数，所得机构都能满足转角要求。若给定两组对应位置，则有无穷多组解。,举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：,带入方程得：,cos90=P0cos80+P1cos(80-90)+P2,cos135=P0cos110+P1cos(110-135)+P2,解得相对长度:P0=1.533,P1=-1.0628,P2=0.7805,各杆相对长度为：,选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度。,cos45=P0cos50+P1cos(50-45)+P2,l1=1,l4=-l3/P1=1.442,l2=(l42+l32+1-2l3P2)1/2=1.783,l3=P0=1.553,实验法设计四杆机构,当给定连架杆位置超过三对时，一般不可能有精确解。只能用优化或试凑的方法获得近似解。,1)首先在一张纸上取固定轴A的位置，作原动件角位移i,2)任意取原动件长度AB,3)任意取连杆长度BC，作一系列圆弧;,4)在一张透明纸上取固定轴D，作角位移i,5)取一系列从动件长度作同心圆弧。,6)两图叠加，移动透明纸，使ki落在同一圆弧上。,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,搅拌机构,四、按预定的运动轨迹设计四杆机构,连杆作平面运动,其上各点的轨迹均不相同。,B,C点的轨迹为圆弧;,其余各点的轨迹为一条封闭曲线。,设计目标:就是要确定一组杆长参数,使连杆上某点的轨迹满足设计要求。,本章重点：,1.四杆机构的基本形式、演化及应用；,2.曲柄存在条件、传动角、压力角、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；,3.掌握按连杆二组位置、三组位置、连架杆三组对应位置、行程速比系数设计四杆机构的原理与方法。,第5章凸轮机构,5.1凸轮机构的应用、类型和特点,5.2从动件的常用运动规律,5.3用图解法设计凸轮的轮廓,5.4凸轮机构基本尺寸的确定,5.5用解析法设计凸轮的轮廓,5.6凸轮的制造,本章概要：凸轮机构是机械中常用的一种高副机构。它广泛应用于自动化和半自动化机械中。本章主要介绍凸轮机构的应用、类型特点；从动件的常用运动规律；凸轮轮廓曲线的设计；凸轮机构基本尺寸的确定凸轮的制造。,5.1凸轮机构的应用、类型和特点,结构：三个构件、盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。,作用：将连续回转=从动件直线移动或摆动。,优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。,缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。,应用：内燃机、牙膏生产等自动线、补鞋机、配钥匙机等。,分类：1)按凸轮形状分：盘形、移动、圆柱凸轮(端面)。,2)按推杆形状分：尖顶、滚子、平底从动件。,特点：尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；,滚子磨损小，应用广；,平底受力好、润滑好，用于高速传动。,实例,3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、摆动,4).按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等）,内燃机气门机构,机床进给机构,几何形状封闭(凹槽、等宽、等径、主回凸轮),r1+r2=const,主回凸轮,等宽凸轮,优点：只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。,缺点：线接触，容易磨损。,绕线机构,应用实例：,送料机构,5.2从动件的常用运动规律,凸轮机构设计的基本任务:1)根据工作要求选定凸轮机构的形式;,名词术语：,一、推杆的常用运动规律,基圆、,推程运动角、,基圆半径、,推程、,远休止角、,回程运动角、,回程、,近休止角、,行程。一个循环,而根据工作要求选定推杆运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。,2)推杆运动规律;,3)合理确定结构尺寸;,4)设计轮廓曲线。,运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S、速度V、和加速度a随时间t的变化规律。,形式：多项式、三角函数。,S=S(t)V=V(t)a=a(t),边界条件：凸轮转过推程运动角0从动件上升h,一、多项式运动规律,一般表达式：s=C0+C1+C22+Cnn(1),求一阶导数得速度方程：v=ds/dt,求二阶导数得加速度方程：a=dv/dt=2C22+6C32+n(n-1)Cn2n-2,其中：凸轮转角，d/dt=凸轮角速度,Ci待定系数。,=C1+2C2+nCnn-1,凸轮转过回程运动角0从动件下降h,1.等速运动运动规律,在推程起始点：=0，s=0,代入得：C00，C1h/0,推程运动方程：sh/0,vh/0,在推程终止点：=0，s=h,刚性冲击,s=C0+C1+C22+Cnn,v=C1+2C2+nCnn-1,a=2C22+6C32+n(n-1)Cn2n-2,同理得回程运动方程：sh(1-/0),v-h/0,a0,a0,2.等加等减速（二次多项式）运动规律,位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。,推程加速上升段边界条件：,起始点：=0，s=0，v0,中间点：=0/2，s=h/2,求得：C00，C10，C22h/02,加速段推程运动方程为：,s2h2/02,v4h/02,a4h2/02,推程减速上升段边界条件：,终止点：=0，s=h，v0,中间点：=0/2，s=h/2,求得：C0h，C14h/0，C2-2h/02,减速段推程运动方程为：,sh-2h(-0)2/02,v-4h(-0)/02,a-4h2/02,柔性冲击,3.五次多项式运动规律,位移方程：s=10h(/0)315h(/0)4+6h(/0)5,s,v,a,无冲击，适用于高速凸轮。,二、三角函数运动规律,1.余弦加速度(简谐)运动规律,推程：sh1-cos(/0)/2,vhsin(/0)/20,a2h2cos(/0)/202,回程：sh1cos(/0)/2,v-hsin(/0)/20,a-2h2cos(/0)/202,在起始和终止处理论上a为有限值，产生柔性冲击。,2.正弦加速度（摆线）运动规律,无冲击,正弦改进等速,三、改进型运动规律,将几种运动规律组合，以改善运动特性。,1.凸轮廓线设计方法的基本原理,5.3用图解法设计凸轮的轮廓,2.用作图法设计凸轮廓线,1)对心直动尖顶从动件盘形凸轮,3)滚子直动从动件盘形凸轮,4)对心直动平底从动件盘形凸轮,2)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,5)摆动尖顶从动件盘形凸轮机构,一、凸轮廓线设计方法的基本原理,反转原理：,依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线，例如：,给整个凸轮机构施以-时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。,尖顶凸轮绘制动画,滚子凸轮绘制动画,对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆rmin。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮,二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制,偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。,2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,动画,理论轮廓,实际轮廓,作各位置滚子圆的内(外)包络线。,3.滚子直动从动件盘形凸轮,滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作平底直线族的内包络线。,4.对心直动平底从动件盘形凸轮,对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。,可通过增大rmin解决此问题。,摆动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。,三、摆动从动件盘形凸轮机构,设计凸轮机构时，除了要求从动件能实现预期的运动规律外，还希望凸轮机构结构紧凑，受力情况良好。而这与压力角有很大关系。,定义：正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角,F”，,若大到一定程度时，会有：,机构发生自锁。,5.4凸轮机构基本尺寸的确定,一、压力角与作用力的关系,不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。,F-有用分力,沿导路方向,F”-有害分力，垂直于导路,F”=Ftg,F一定时，,FfF,为了保证凸轮机构正常工作，要求：,rT,arT,rT,arT0,dda,三、内齿轮,3)为保证齿廓全部为渐开线，,，dad-2ha,dfd+2hf,结构特点：轮齿分布在空心圆柱体内表面上。,不同点：,要求dadb。,pb1pb2,pb1=pb2,不能正确啮合!,不能正确啮合!,能正确啮合!,一对齿轮传动时，所有啮合点都在啮合线N1N2上。,渐开线齿廓能满足齿廓啮合基本定律，那么，是否任意两个渐开线齿轮都能组成一对齿轮传动呢？,m1m2,从外观看齿1比齿2小,m1,提问：有可能20的齿轮和人字齿轮。,由db=mzcos可知，渐开线形状随齿数变化。要想获得精确的齿廓，加工一种齿数的齿轮，就需要一把刀具。这在工程上是不现实的。,成形法加工的特点：产生齿形误差和分度误差，精度较低，加工不连续，生产效率低。适于单件生产。,齿轮插刀加工,i=0/=z/z0,二、范成法,1.齿轮插刀,共轭齿廓互为包络线,Vrmz/2,2.齿条插刀,插齿加工过程为断续切削，生产效率低。,齿条插刀加工时齿廓包络过程,滚刀,Vrmz/2,滚刀轴剖面相当于齿条,相当于齿轮齿条啮合传动,3.齿轮滚刀,被加工齿轮,为什么滚刀要倾斜一个角度呢？,范成法加工的特点：一种模数只需要一把刀具连续切削，生产效率高，精度高，用于批量生产。,4.用标准齿条型刀具加工标准齿轮,标准齿条型刀具比基准齿形高出c*m一段切出齿根过渡曲线。非渐开线讨论切制原理时不考虑此部分。,GB1356-88规定了标准齿条型刀具的基准齿形。,4.1标准齿条型刀具,4.2用标准齿条型刀具加工标准齿轮,加工标准齿轮：刀具分度线刚好与轮坯的分度圆作纯滚动。,加工结果：sem/2,ha=h*am,hf=(h*a+c*)m,一、根切现象,图示现象称为轮齿的根切。,根切的后果：削弱轮齿的抗弯强度；,以下分析产生根切的原因:,使重合度下降。,6.7根切现象、最少齿数及变位齿轮,PB2PN1不根切,刀具在位置1开始切削齿间；,在位置2开始切削渐开线齿廓；,在位置3切削完全部齿廓；,当B2落在N1点的下方：PB2PN1,PB2=PN1不根切,刀具在位置1开始切削齿间；,在位置2开始切削渐开