机械设计课件

机械设计基础,主讲人：,目录,绪论,平面机构,平面连杆机构,导言,导言,早年的杠杆、滑轮，近代的汽车、轮船，到现代的机器人、航天器，机械不断更新换代，发展日新月异，在生产力发展中一直扮演着重要角色。,不论传统产业还是新兴产业，其进步与发展都离不开机械技术的支持。机械是国民经济发展的基础技术，是衡量国家经济实力和科技水平的重要标志。,机械设计是一种创造性思维活动。按照设计目标，进行分析、计算、决策，并通过文字、数据、图形等信息形成机械产品的设计方案。,素质教育是现代教育的目标，创新能力是素质教育的核心。机械科学博大精深，应扎实掌握基本原理、技能和方法，要努力培养机械设计创新能力。,记里鼓车,蒸汽机车,内燃机车,磁浮列车,高速列车,电力机车,火车发展历史,世界第一台智能机器人Shakey,绪论,在人们的生产和生活中广泛使用着各种机器。,机器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。,能实现能量转换或完成有用的机械功。,是一种人为的实物组合；,各部分形成运动单元，各单元之间具有确定的相对运动；,机器的种类繁多，结构形式和用途也各不相同，但总的来说，机器有三个共同的特征：,1.机器的特征,2.机构、零件、构件机构：机器的前两个特征，机构中的运动单元，能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。如内燃机中连杆零件：机械制造单元体构件：运动单元体机器机构机械,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,活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸,工作过程：,点击观看动画,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动,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,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,齿轮机构,各部分协调动作的结果：,颚式破碎机,功用：压碎物料,组成：见右图,电动机,工作过程,点击观看动画,什么是机械？,信息机,现代机器一般由动力装置、传动装置、执行装置和操纵控制装置四个部分组成。此外，还有必要的辅助装置。,动力机器用来实现其他形式的能量与机械能间的转换；,工作机器用来做机械功或搬动物品，即变换物料；,信息机器用来获取或变换信息；,半自动钻床实现确定的机械运动，又作有用的机械功,内燃机转换能量,机械手传递物料,照相机传递信息,机器的组成,动力部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。,执行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。,动力,传动,执行,控制,辅助,轿车组成：,控制器(控制),电动机(原动),带(传动),减速器(传动),波轮(工作),分析自动洗衣机的组成,机构的分类：通用机构和专用机构。,通用机构-用途广泛，齿轮机构、连杆机构等。,专用机构-只能用于特定场合，如曲轴、吊钩等。,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。,由机器与机构的共有特征可知：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。,齿轮机构,通用零件包括：齿轮、链传动、带传动、蜗杆传动、螺旋传动；轴、联轴器、离合器；滚动轴承、滑动轴承；螺栓、键、花键、销；弹簧等。,常用机构:,连杆机构,凸轮机构,部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合。,零件：组成机器的不可拆的基本单元（即制造的基本单元）。,如：滚动轴承,、联轴器。,课程的内容、性质和任务,一、内容,阐述常用机构的工作原理、运动特性及设计方法。,阐述常用零部件的工作原理、结构特点及设计方法。,介绍机械系统的设计思路和设计方法。,二、性质,本课程是一门技术基础课。旨在培养工程技术人员从事机械设计所需的基本知识、理论和技能，使之具备分析、设计、运行和维护机械设备和机械零件的能力，为今后解决生产实际问题及学习有关新的科学技术打下基础,本课程综合运用数学、力学、制图、金属材料及热处理、互换性与技术测量、算法语言等课程的知识，去解决常用机构通用零部件的设计问题。涉及的知识面广，实践性强，侧重于工程实际。,三、任务,使学生了解常用机构及通用零、部件的工作原理、类型、特点及应用等基本知识。,使学生掌握常用机构的基本理论及设计方法，掌握通用零、部件的失效形式、设计准则与设计方法。,使学生具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。,四、学习方法,本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点，应注意几个特点：,1.本课程将多门先修课程的基本理论应用到实际中去。,2.本课程的各部分内都是按照工作原理、结构、强度计算、使用维护的顺序介绍的。,3.常采用很多经验公式、参数以及简化计算（条件性计算）。,4.计算步骤和计算结果不像基础课那样具有唯一性。,5.逐步培养把理论计算与结构设计、工艺等结合起来解决设计问题的能力。,一、机器应满足的要求,(1)实现预定功能：,(2)满足可靠性要求：,(3)符合经济合理性要求：,(4)确保安全性要求：,(5)推行标准化要求,(6)体现工艺造型美观要求：,新产品从设计到投放市场，一般要经过以下六个阶段。,1可行性研究阶段,2方案设计阶段,3技术设计阶段,4施工设计阶段,5样机试制阶段,6投产销售阶段,机械设计-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。,基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。,机械设计的内容：,1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构；,2.拟定设计方案；,3.进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；,4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。,机械设计的基本要求和一般过程,结束！,返回目录,返回,返回,返回,返回,返回,返回,机械手,半自动多轴钻床,凸轮机构,齿轮机构,照相机,零件装配,爆炸,返回,组合,返回,设计的机器应能实现预定功能，并在规定的工作条件下、规定的工作期限内能正常运转。正确选择机器的工作原理、机构的类型和机械传动方案，合理设计零件，满足强度、刚度、耐磨性等方面的要求。,返回,机械产品的可靠性是由组成机械的零、部件的可靠性保证的。只有零、部件的可靠性高，才能使系统的可靠性高。机械系统的零、部件越多，其可靠度越低。为此，要尽量减少机械系统的零件数目，并对系统可靠性有关键影响的零件，必须保证其必要的可靠性。,返回,设计的机械产品应先进、功能强、生产效率高、成本低、使用维护方便、在产品寿命周期内用最低的成本实现产品的预定功能。,返回,要能保证操作者的安全和机械设备的安全，以及保证设备对周围环境无危害，要设置过载保护安全互锁等装置,返回,设计的机械产品规格、参数符合国家标准，零部件应最大限度的与同类产品互换通用，产品应成系列发展，推行标准化、系列化、通用化，提高标准化程度和水平。,返回,重视产品的工艺造型设计，不仅要功能强、价格低，而且外型美观、实用，使产品在市场上富有竞争力。,返回,第二章平面机构的结构分析,2.1机构的组成及运动副,2.1.1机构的组成,机构是具有确定相对运动的构件的组合,名词术语解释:1.构件独立的运动单元，机构中的（最小）运动单元零件独立的制造单元,2.机架固定不动的构件原动件：输入运动规律的构件从动件：其它的活动构件,平面机构：机构中各构件都在同一平面或相互平行的平面中运动。,空间机构：机构中各构件的运动平面不平行或不重合。,2.1.1机构的组成,2.1.2自由度和约束,自由度：把构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度,约束：对独立运动的限制,两构件间直接接触并能产生运动的联接。,运动副元素：两构件上直接参加接触构成运动副的部分。,2.1.3运动副,运动副：,按两构件接触情况，常分为低副、高副两大类。,1.低副两构件以面接触而形成的运动副。,(1)转动副：只允许两构件作相对转动，又称作铰链。,a)固定铰链,一、平面运动副,2.1.3运动副,b)活动铰链转动副,一、平面运动副,2.1.3运动副,(2)移动副：只允许两构件作相对移动。,移动副,一、平面运动副,2.1.3运动副,二.高副两构件以点或线接触而构成的运动副。,凸轮副,2.1.3运动副,齿轮副,二.高副,2.1.3运动副,三、空间运动副,若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。,螺旋副,球面副,2.1.3运动副,2.2平面机构的运动简图,2.2.1运动副及构件的表示方法,构件均用直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。,1.构件,2.2平面机构的运动简图,2.转动副,构件组成转动副时，如下图表示。图垂直于回转轴线时用图a表示；图面不垂直于回转轴线时用图b表示。表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线，如图c所示。,2.2平面机构的运动简图,3.移动副,两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。,2.2平面机构的运动简图,4.平面高副,两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。,2.2平面机构的运动简图,2.2.2绘制机构运动简图的步骤,一、定义：,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。,和运动有关的：运动副的类型、数目、相对位置、构件数目和运动无关的：构件外形、截面尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体构造,作用：1.表示机构的结构和运动情况。,2.作为运动分析和动力分析的依据。,常用机构运动简图符号,常用机构运动简图符号,机构运动简图应满足的条件：1.构件数目与实际相同,2.运动副的性质、数目与实际相符,3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。,常用机构运动简图符号,1）分析机构运动，找出固定件、原动件与从动件。,2）从原动件开始，按运动传递的顺序分析各构件的相对运动情况运动副、构件数目。,3）选适当视图和适当的机构瞬时位置，取适当比例尺，用规定符号绘出。,4）完善机械系统运动简图。,二、步骤：,2.2平面机构的运动简图,例2.1试绘制偏心泵的机构运动简图,2.2平面机构的运动简图,偏心泵,例2.2试绘制内燃机的机构运动简图,2.2平面机构的运动简图,解：1）分析运动，确定构件的类型和数量,2）确定运动副的类型和数目,3）选择视图平面,4）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置,5）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件,2.2平面机构的运动简图,2.2平面机构的运动简图,作业题：试绘制牛头刨床的机构运动简图,2.3平面机构的自由度,一.实例分析,不能产生运动,2.3.1机构具有确定运动的条件,二.结论,机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称机构的自由度。,平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于机构的自由度数目。,原动件数自由度数，机构无确定运动,原动件数自由度数，机构在薄弱处损坏,2.3平面机构的自由度,二.平面机构自由度的计算,1.构件自由度,一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有三个自由度。,当用运动副连接后，失去一些自由度。运动副不同，失去的自由度数目和保留的自由度数目也不同。,2.3平面机构的自由度,2.3平面机构的自由度,限制一个自由度：（一个移动）保留两个自由度（一个移动，一个转动）,限制两个自由度：（一个移动，一个转动）保留一个自由度（移动）,移动副,2.3平面机构的自由度,移动副,2.3平面机构的自由度,限制两个自由度：（两个移动）保留一个自由度（转动）,2.计算公式,n：机构中活动构件数；Pl：机构中低副数；,Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；,F=3n-2Pl-Ph,3.计算实例,n=3,Pl=4,Ph=0,F=3n-2Pl-Ph,=33-2Pl-Ph,=33-24-0,设,则：,=1,2.3平面机构的自由度,计算实例,n=5,Pl=6,Ph=0,F=3n2PlPh,=35270,=3,解：,2.3平面机构的自由度,n=5,Pl=7,Ph=0,F=3n2PlPh,=1,改正：,=35260,2.3.2自由度计算时应注意的几种情况,1.复合铰链,2.局部自由度,3.虚约束,2.3平面机构的自由度,说明,说明,说明,说明,设计实例图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。,结束！,返回目录,三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m1个转动副。,2.3平面机构的自由度,惯性筛机构,C处为复合铰链,计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现计算错误。,n=5,Pl=7,Ph=0,=35-270=1,F=3n-2PlPh,2.3平面机构的自由度,滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度。,计入局部自由度时n=3,Pl=3,Ph=1F=33-2-1=2与实际不符,2.3平面机构的自由度,应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作一个构件。,处理方法,实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不计入，并非实际拆除。,N=2,Pl=2,Ph=1,F=32-221=1,结果：与实际相符,2.3平面机构的自由度,n=4,Pl=6,Ph=0,构件CD给机构引入三个自由度，四个约束。多出的一个约束对机构的运动不起独立的限制作用，是虚约束。,结论与实际不符,F=34-260=0,2.3平面机构的自由度,n=3,Pl=4,Ph=0F=33-240=1,处理方法,结论与实际相符,应除去虚约束，即将产生虚约束的构件及运动副除去不计。,2.3平面机构的自由度,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,1.两构件未组成运动副前，连接点处的轨迹已重合为一，组成的运动副存在虚约束。,计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。,虚约束常见情况及处理,2.3平面机构的自由度,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,1,3,3,A,B,E,F,计算中只计入一个移动副。,2.两构件组成多个移动副，且导路相互平行或重合时，只有一个移动副起约束作用，其余为虚约束。,2.3平面机构的自由度,虚约束常见情况及处理,F=3n-2PL-PH=3*3-2*5-0=-1,3.两构件组成多个转动副，且轴线重合，只有一个转动副起约束作用，其余为约束。,计算中只计入一个转动副。,2.3平面机构的自由度,虚约束常见情况及处理,计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。,4.两构件两点间未组成运动副前距离保持不变，两点间用另一构件连接时，将产生虚约束。,2.3平面机构的自由度,1,2,3,A,B,C,D,虚约束常见情况及处理,计算中应将对称部分除去不计。,5.机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。,2.3平面机构的自由度,虚约束常见情况及处理,F=3n-2PL-PH=3*5-2*5-4=1,F=3n-2PL-PH=3*4-2*4-2=2,2.3平面机构的自由度,虚约束对机构的影响,机构中虚约束是实际存在的，计算中所谓“除去不计”是从运动观点分析做的假想处理，并非实际拆除。,1、虚约束是在一些特定的几何条件下引入的，如“平行”、“重合”、“距离不变”等。如果几何条件不满足，虚约束会转化为有效约束。,2、机构中引入虚约束是为了受力均衡，增大刚度等，同时也提高了对制造和装配精度的要求。,2.3平面机构的自由度,既然虚约束对机构的运动不起作用，为何机构中仍然要使用虚约束？,第三章平面连杆机构,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1.1平面连杆机构的概述,平面连杆机构是构件全部由平面低副连接而构成的机构。,应用实例：,内燃机、鹤式起重机,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,火车轮,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,手动冲床,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,牛头刨床,椭圆仪,折叠伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,机械手爪,公共汽车开关门,共同特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。,定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,优点：,改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。,连杆曲线丰富。可满足不同要求。,采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,缺点：,连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。,有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速,低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。,分类:,平面连杆机构,空间连杆机构,常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1.2四杆机构的基本形式,含有移动副的平面四杆机构，如曲柄滑块机构。,平面四杆机构,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1.2四杆机构的基本形式,全部运动副都是回转副的平面四杆机构称为铰链四杆机构。,机架,曲柄,摇杆,连杆,连架杆,铰链四杆机构,曲柄作整周定轴回转的构件；,连杆作平面运动的构件；,连架杆与机架相联的构件；,摇杆作定轴摆动的构件；,周转副能作360度相对回转的运动副；,摆动副只能作有限角度摆动的运动副。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,名词解释：,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,1.曲柄摇杆机构：,在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。,应用举例：,牛头刨床横向进给机构、搅面机、卫星天线、飞剪,缝纫机脚踏板机构、自行车、走步机、送料机构,一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。,运动特点：,根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,搅拌机,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,钢材输送机,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,卫星接收装置雷达,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,缝纫机脚踏板机构,缝纫机踏板机构,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,汽车刮雨器,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,飞剪,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,曲柄摇杆机构应用实例：,跑步机,2.双曲柄机构两连杆架均为曲柄的四杆机构,应用举例：,惯性筛、插床机构,运动特点：从动曲柄变速回转,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,将等速回转转变为等速或变速回转。,作用：,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,双曲柄机构应用实例：,惯性筛,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,双曲柄机构应用实例：,插床机构,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,双曲柄机构应用实例：,平行双曲柄机构,特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.双摇杆机构两连杆架均为摇杆的四杆机构,港口起重机、飞机起落架、车辆的前轮转向机构,应用举例：,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,选择连杆上合适的点，轨迹为近似的水平直线,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,双摇杆机构应用实例：,起重机,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,双摇杆机构应用实例：,汽车前轮转向机构,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,双摇杆机构应用实例：,飞机起落架,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.3.2铰链四杆机构曲柄的条件,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,类型的判别关键在于：机构中有无曲柄，有几个曲柄,有无曲柄在于：机构中各构件的相对位置及最短杆所处的位置,3、铰链四杆机构存在曲柄的条件是：(1)、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。(2)、连架杆为最短杆。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,结论：,1、铰链四杆机构存在曲柄的条件是：(1)、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。(2)、机架为最短杆。,2、铰链四杆机构存在一个曲柄的条件是：(1)、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。(2)、曲柄为最短杆。,3.1四杆机构的基本形式及曲柄存在的条件,3.2.1平面四杆机构的演化,一.扩大转动副，使转动副变成移动副,3.2铰链四杆机构的演化形式,曲柄滑块机构,类型,对心曲柄滑块机构,偏置曲柄滑块机构,曲柄存在条件：对心曲柄滑块机构：L1L2行程S=2L1偏置曲柄滑块机构：L1+eL2,3.2铰链四杆机构的演化形式,3.2铰链四杆机构的演化形式,运动分析,继续演化,3.2铰链四杆机构的演化形式,偏心轮（扩大运动副),偏心轮机构结构简单，偏心轮轴颈的强度和刚度大，且易于安装整体式连杆，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击在和较大的机械中。,颚式破碎机,3.2铰链四杆机构的演化形式,二、铰链四杆机构中两个转动副转化为移动副,当主动件1等速回转时，从动件到导杆3的位移为y=LABsin，故又称正弦机构,3.2铰链四杆机构的演化形式,双滑块机构-曲柄移动导杆机构,3.2铰链四杆机构的演化形式,三.取不同的构件为机架,3.2铰链四杆机构的演化形式,1、导杆机构,(1)、演化过程,曲柄滑块机构中，当将曲柄改为机架时，就演化成导杆机构。,3.2铰链四杆机构的演化形式,(2)、类型,转动导杆机构：L1L2,L1,L2,：机架长度,：曲柄长度,3.2铰链四杆机构的演化形式,3.2铰链四杆机构的演化形式,(3)、应用,牛头刨床机构,简易刨床,3.2铰链四杆机构的演化形式,2、摇块机构,(1