三峡大学机械设计基础全课件

三峡大学,大家好,机械设计基础,专业：2012级核工程与核技术专业,三峡大学,为什么要学习这门课？,本专业培养具备工程热物理及核工程技术基础知识，能在各相关领域从事核工程及核技术方面的研究、设计、制造、运行、应用和管理的高级工程技术人才。毕业生能较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括工程力学、电工与电子学、机械学、工程热物理、流体力学、核技术与核工程等基础知识；,三峡大学,上课方式、考核方法,授课安排：40学时讲课,8学时实验，共48学时学习方法：课前预习；课堂讲授；课后作业；课外实验参考资料：机械设计基础杨可桢，机械设计基础（第五版）高等教育出版社机械原理孙桓主编机械设计彭文生主编高等教育出版社考核方法：平时成绩20%（考勤和作业)、实验10%期末考试70%,三峡大学,机械的重要性,1、日常生活离不开机械-洗衣机、缝纫机、冰箱、电梯、电脑等。2、现代生产中起重要作用-汽车、生产自动线、机床等。3、机械发展程度是一个国家工业水平的重要标志。4、工程技术人员必须掌握一定机械基础知识。,三峡大学,机械概述,机器（machine)的种类繁多，其构造、性能和用途各不相同。但从机器的组成分析，又有其共同点，他们都是由一些典型的机构和零件所组成。,机械是机器与机构的总称。,三峡大学,一、机器（machine),机器的定义：一种由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，用来完成一定的工作过程，以替代人类的劳动。机器的组成（ComposingofaMachine):一台发展完善的现代化机器可由四部分组成：原动机、传动机构、执行机构和控制系统。,三峡大学,机器的组成,1）原动机（PrimingMover):为机器运转提供动力，常用的原动机有电动机、内燃发动机、气动机等。电动机可以把电能转化成机械能；内燃机可把燃料燃烧的化学能转换成机械能。2）传动机构（TransmissionMechanism):按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。如：常用的各种减速和变速装置均可作为传动机构。,三峡大学,机器的组成,3）执行机构（ExecutiveMechanism):它是一部机器中最接近作业工作段的机构，它通过执行构件与被作业件相接触，以完成作业任务。如：起重机和挖掘机中的起重吊运和挖掘机构。4）控制系统（ControlSystem):用来处理机器各组成部分之间，以及与外部其它机器之间的工作协调关系，它通常由各种计算机和控制器组成。,三峡大学,卧式车床，用来加工机械,三峡大学,德国BRABUS博速,三峡大学,瑞典JAS-39“鹰狮”战斗机,三峡大学,“神舟七号”发射时的情景。发射塔、运载火箭都是庞大的机器。,三峡大学,军舰,三峡大学,美国“企业”号航空母舰,三峡大学,机器的特征,内燃机,三峡大学,机器的特征,三峡大学,机器的特征,机器-具有的特征为：（1）它们都是由零件人为装配组合而成的实物体；（2）各构件之间具有确定的相对运动；（3）能完成有用的机械功或转换机械能。,机构,机器,机械,三峡大学,根据工作类型的不同，机器分为：,机器,动力机器,工作机器,信息机器,是能量变换的装置，即可将某种形式的能量变换成机械能，或者把机械能变换成其他形式的能量。例如，内燃机、涡轮机、电动机、发电机等。,是完成有用的机械功或者是搬运物品。例如金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车、飞机、起重机、输送机等。,是用来获得和变换信息。例如，复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。,三峡大学,机构：它是一个具有相对机械运动的构件系统，用来传递与变换运动和动力的可动装置。它是机器的重要组成部分。机器与机构的主要区别是：机器：是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量，物料和信息。机器由若干个机构组成。机构：是由构件以可动连接方式连接起来，用来传递运动和力的构件系统。,三峡大学,机器的特征,三峡大学,构件与零件的区别,构件：机器中每一个独立的运动单元体。构件可以是单一的整体，也可是由几个零件组成的刚性结构。,三峡大学,关系：,机械,组成,组成,组成,零件,构件,机构,机器,零件：最小的不可分割的制造单元。如：轴、连杆体、连杆盖、轴瓦、螺栓、螺母等。,三峡大学,机器是由机构组成的。,常用的机构,连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构带传动和链传动机构螺旋机构组合机构,三峡大学,常用的机构,连杆机构齿轮机构,三峡大学,常用的机构,平面凸轮机构,三峡大学,常用的机构,空间凸轮机构,三峡大学,常用的机构,槽轮机构,双爪棘轮机构,三峡大学,常用的机构,螺旋机构,三峡大学,常用的机构,缝纫机踏板机构齿凸连组合压力机构,组合机构,三峡大学,组合机构,常用的机构,三峡大学,组合机构：锥齿轮槽轮机构,常用的机构,三峡大学,组合机构：螺旋齿轮单十字万向机构,常用的机构,三峡大学,第一章平面机构的自由度和速度分析,三峡大学,1-1运动副及其分类,机构：是将构件以可动联接方式（运动副）联接起来，用来传递运动和力的构件系统。其中有一个构件为机架。,三峡大学,一、运动副（KineticPair）,定义：机构中两构件直接接触并仍能产生某些相对运动的可动联接。运动副元素：两构件上能够参加接触而构成运动副的部分。例：轴1与轴承2的配合例：滑块1与导轨2的接触例：两齿轮轮齿啮合,运动副元素：圆柱面、圆孔面,运动副元素：棱柱面、棱孔面,运动副元素：两齿廓曲面,三峡大学,二、运动副的分类,两个构件在平面用运动副联结前共有六个独立运动。,三峡大学,1.按两构件间的接触形式分,高副（highpair)：点、线接触的运动副，引入1个约束。柱面高副球面高副,三峡大学,低副（lowpair):面接触的运动副，引入2个约束,转动副,移动副,三峡大学,2.按两构件的相对运动形式,转动副（revolutepair),移动副（slidingpair),三峡大学,1-2平面机构运动简图,机构运动简图（kinematicaldiagrams)用线条和简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，按比例作出的图形。不按比例来绘制的图形，则称为机构示意图。,三峡大学,常用机构构件、运动副代表符号,三峡大学,常用机构构件、运动副代表符号,三峡大学,常用机构构件、运动副代表符号,三峡大学,例题一：内燃机,三峡大学,例题二：压力机,压力机,三峡大学,绘制机构运动简图的步骤,1.分析机构传动路线，定出其原动部分、工作部分，弄清传动部分。（即可确定构件数；运动副性质）2.合理选择投影面及原动件适当的瞬时位置3.选择适当的比例尺=实际长度m/图示长度mm4.定出各运动副相对位置，用规定的符号和线条绘出简图，原动件上标上箭头（指示运动方向）5.检验。,三峡大学,1-3平面机构的自由度,一、平面机构自由度的一般公式构件独立运动的数目称为自由度对构件运动的限制作用称为约束机构自由度：机构中各活动构件相对于机架的可能独立运动的数目做空间运动的自由构件有6个独立运动（自由度），平面运动的自由构件有3个独立运动（自由度）。,三峡大学,一、平面机构自由度的一般公式,机构的自由度=机构的独立运动数目平面机构独立运动的数目为：所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和。若平面机构中有n个活动构件，各构件之间共构成了Pl个低副和Ph个高副，则它们共引入（2Pl+Ph）个约束。则机构的自由度F为,三峡大学,二、机构具有确定运动的条件,结论：1.机构可能运动的条件是：机构自由度数F=12.机构具有确定运动的条件是：输入的独立运动数目等于机构自由度数F。即机构自由度数F大于或等于1且等于主动件数。,三峡大学,三、计算机构自由度时应注意的问题,1.复合铰链由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件在一处组成轴线重合的转动副。实际上有（m-1)个转动副。m构件数。,三峡大学,1.复合铰链,三峡大学,例题：计算机构自由度,如图所示F、B、D、C处是复合铰链,F点,三峡大学,2.局部自由度,局部自由度机构中个别构件所具有的不影响其它构件运动，即与整个机构运动无关的自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。,三峡大学,3.虚约束,虚约束机构中那些对构件间的相对运动不起独立限制作用的重复约束。或称消极约束。,三峡大学,在计算中将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。,三峡大学,常见的虚约束,（1）机构中联接构件与被联接构件的轨迹重合。,三峡大学,（2）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。,三峡大学,（3）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余的转动副都是虚约束。,三峡大学,（4）机构运动过程中，其中某两构件上两点之间的距离始终不变，则将两点以构件联接，将会引入一个虚约束。,三峡大学,（5）机构中对运动起重复限制作用的对称部分引入虚约束。,三峡大学,（6）如果两构件在多处接触而构成平面高副，且各接触点的公法线彼此重合，则只能算一个平面高副，其余为虚约束。,三峡大学,虚约束的本质是什么？,从运动的角度看，虚约束就是“重复的约束”，或者是“多余的约束”,三峡大学,三峡大学,计算图示大筛机构的自由度。,位置C，2个低副,复合铰链:,局部自由度,1个,虚约束,E,n=,7,PL=,9,PH=,1,F=3n2PLPH=37291=2,三峡大学,机构自由度计算举例,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,第二章平面连杆机构,平面连杆机构（planarlinkagemechanism)-低副机构由若干刚性构件用低副（转动副、移动副、球面副、圆柱副及螺旋副等）联接而成的机构。至少包含一个不直接与机架相连的中间构件连杆。,三峡大学,三峡大学,优点：1）其运动副为低副面接触，压强较小，可以承受较大的载荷。便于润滑，不易产生大的磨损，几何形状较简单，便于加工制造。2）从动件能实现各种预期的运动规律。3）连杆上各不同点的轨迹是各种不同形状的，从而可以得到各种不同形状的曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。,三峡大学,缺点：1）有较长运动链，使连杆机构产生较大的积累误差，降低机械效率。2）连杆及滑块的质心都在作变速运动，它们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，增加机构的动载荷。,三峡大学,铰链四杆机构,连架杆曲柄（crank):能绕其轴线转360度的连架杆。A、B周转副摇杆（rocker):能绕其轴线作往复摆动的连架杆。C、D摆动副,三峡大学,一、铰链四杆机构的基本类型,曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构,三峡大学,1曲柄摇杆机构,在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。在机构中，当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动。反之也可。,三峡大学,2双曲柄机构,在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。,三峡大学,虚约束,三峡大学,三峡大学,3双摇杆机构,铰链四杆机构机构的两连架杆都是摇杆，则称为双摇杆机构。飞机起落架,三峡大学,三峡大学,取不同的构件为机架,对铰链四杆机构：,三峡大学,曲柄存在的条件,观察下列机构的运动，注意连杆和连架杆在运动中的位置曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构,2.2平面四杆机构的基本特性,三峡大学,AB杆必须占据与BC杆共线的两个位置,铰链四杆机构存在曲柄的条件,以曲柄摇杆机构为例分析有一个曲柄的条件,曲柄摇杆机构,三峡大学,AB杆必须占据与BC杆共线的两个位置,在ACD中（曲柄与连杆重迭位置）,l4(l2-l1)+l3,在ACD中（曲柄与连杆拉直位置）,即l1+l4l2+l3(1),即l1+l3l4+l2(2),将式(1)、(2)、(3)两两相加，可得,AB杆（曲柄）为最短杆,铰链四杆机构存在曲柄的条件,以曲柄摇杆机构为例分析有一个曲柄的条件,l3(l2-l1)+l4,l1+l2l4+l3(3),最短杆与最长杆长度之和其它两杆长度之和,三峡大学,铰链四杆机构有整转副的条件：,(1)最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和；,(2)整转副是由最短杆与其邻边组成的。,2.2平面四杆机构的基本特性,1）如果：lmin+lmax其它两杆长度之和满足曲柄存在的条件（满足杆长和条件）,2）如果：lmin+lmax其它两杆长度之和不满足曲柄存在的条件，则不论选哪个构件为机架，都为双摇杆机构。,三峡大学,判断由不同杆作机架时四杆机构类型的方法,双摇杆机构,曲柄摇杆机构,双摇杆机构,双曲柄机构,以最短杆相邻杆为机架,以与最短杆相对的杆为机架,以最短杆为机架,N,Y,三峡大学,例题,例：AB=30,BC=50,CD=40,AD=45,取不同杆为机架时，分别为何种机构,三峡大学,在杆长不等的铰链四杆机构中，若L1=L2=L3L4，且四边长顺序铰接，则：以L4为机架时，该机构是机构；以L3为机架时，该机构是机构；以L2为机架时，该机构是机构。,三峡大学,急回运动和行程速比系数K,牛头刨床,当AB运动到与连杆重合共线位置AB1时，摇杆运动到左极限C1D位置当AB运动到与连杆拉直共线位置AB2时，摇杆运动到右极限C2D位置从动件运动到两极限位置时，曲柄之间所夹得锐角称为极位夹角,2.2平面四杆机构的基本特性,三峡大学,行程速比系数K,为了表示工作件往复运动时的急回程度，用V2和V1的比值K来描述。,由上式可得：,可见：K急回特性越显著导致机器动载冲击,一般：k2，为锐角。,2.2平面四杆机构的基本特性,三峡大学,对心偏置,三峡大学,例题分析1、对心曲柄滑块机构,K=1（滑块在正反行程中平均速度相等）,故，没有急回运动,三峡大学,例题2.偏置曲柄滑块机构,只要使偏置方位、曲柄转向、输出件工作行程方向正确匹配，就能保证：输出件具有急回特性,三峡大学,牛头刨床,三峡大学,由此得出平面连杆有急回特性的条件1、原动件等角速度整周转动。2、输出件有正、反行程的往复运动。3、极位夹角大于零。,三峡大学,三峡大学,压力角：外力作用方向与被推动件在力的作用点处的绝对速度方向间所夹的锐角。,传动角是压力角的余角,越小,传力性能越好。,越大,传力性能越好。,有效分力,法向分力,三峡大学,三峡大学,三峡大学,克服死点的方法,若以夹紧、增力等位目的，则机构的死点位置可以加以利用。死点对传动机构来说，有死点是不利的，应采取措施使其顺利通过。措施：加装飞轮，增大惯性，使之闯过死点；家用缝纫机安装辅助连杆几组机构错位排列,三峡大学,作业：1求图示位置的压力角和传动角，2并观察机构是否存在死点位置，如果有，重新画出死点位置的机构简图,三峡大学,四杆机构的设计任务是：1、按工作要求（运动、使用、传力）选定机构的型式；2、根据给定的运动要求确定机构的几何尺寸（空间尺寸、运动副位置、曲柄存在条件等），并绘出机构运动简图。3、为使设计合理。还应满足一些附加条件，例如：结构条件，最小传动角条件等。,2.3平面四杆机构的设计,三峡大学,四杆机构的设计，一般可以归纳为两种：,1）按照给定从动件的位置设计四杆机构，称为位置设计。2）按照给定点的运动轨迹设计四杆机构，称为轨迹设计。图解法；解析法；实验法。,四杆机构的设计方法有：,三峡大学,1、按给定的行程速比系数K设计四杆机构,（1）铰链四杆机构设已知摇杆的长度CD、摆角及行程速比系数K,设计此曲柄摇杆机构。1）计算2)选比例尺，作出已知位置3）作直角C1C2P,使C1C2P=90，C2C1P=90-，C1PC2=。,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,平面四杆机构的设计,已知：机架的长度d和行程速比系数。,按给定速度变化系数K设计导杆机构,三峡大学,2.按给定连杆位置设计四杆机构,三峡大学,分析：该机构设计的主要问题是确定两固定铰链A和D的位置。由于B、C两点的运动轨迹是圆，该圆的中心就是固定铰链的位置，因此A、D的位置应分别位于B1B2和C1C2的垂直平分线上。垂直平分线法,三峡大学,第三章凸轮机构,3.1凸轮机构的应用和类型凸轮（cam）：具有某种曲线和凹槽的构件。凸轮机构：由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。,三峡大学,一、凸轮机构的应用,内燃机,凸轮组合机构,三峡大学,二、凸轮机构的分类,1）按凸轮的形状分,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,三峡大学,二、凸轮机构的分类,2）按从动件的形状分：,三峡大学,三峡大学,3）按从动件的运动形式分：,移动从动件对心移动从动件偏置移动从动件,三峡大学,3）按从动件的运动形式分：,摆动从动件,三峡大学,4）按凸轮高副的锁合方式分：力锁合,三峡大学,4）按凸轮高副的锁合方式分：形锁合,沟槽凸轮等宽凸轮等径凸轮,三峡大学,三峡大学,三、凸轮机构的优缺点,优点：构件少，运动链短，结构简单紧凑；易使从动件得到各种预期的运动规律。缺点：点、线接触，易磨损；所以凸轮机构多用在传递动力不大的场合。视频,三峡大学,3.2从动件常用运动规律,一、凸轮机构的基本名词术语,凸轮的基圆以凸轮理论轮廓线上的最小向径rb所作的圆称为基圆,三峡大学,回程运动角近休止角s从动件运动规律（从动件位移线图）,基圆以理论凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆升程从动件上升的最大距离h推程运动角远休止角s,A,B,C,D,A,三峡大学,凸轮机构的设计任务：,为满足凸轮机构输出件提出的运动要求、动力要求等，凸轮机构的设计可分为以下四步：（1）从动件运动规律的设计（2）凸轮机构基本尺寸的设计（3）凸轮机构轮廓曲线的设计（4）绘制凸轮机构工作图,三峡大学,二、从动件运动规律,1、等速运动规律V=V0=常数S=V0ta=0从动件在运动起始位置和终止两瞬时的加速度在理论上由零值突变为无穷大，惯性力也为无穷大。由此的冲击称为刚性冲击。适用于低速场合。,三峡大学,2、等加速等减速运动规律,（0t/2)作等加速运动（t/2)作等减速运动加速度和减速度的绝对值相等。a=a0=常数V=a0tS=1/2a0t2在运动规律退成的始末点和前后中点的交接处，加速度虽为有限值，但加速度对时间的变化率理论上位无穷大。由此引起的冲击称为柔性冲击。适用于中、低速。,三峡大学,3、简谐运动（余弦加速度运动）,该运动规律在推程的起、止瞬时，从动件的加速度有突变，故存在柔性冲击。适用于中、低速场合。,三峡大学,3.3凸轮机构的压力角,三峡大学,3.4图解法设计凸轮轮廓,一、基本原理（反转法）,三峡大学,3.4图解法设计凸轮轮廓,一、基本原理（反转法）,三峡大学,3.4图解法设计凸轮轮廓,一、基本原理（反转法）,三峡大学,二、对心直动尖顶从动件盘型凸轮轮廓的设计,1.尖顶从动件已知：基圆半径；凸轮逆时针转动；2.推杆的运动规律为：凸轮转过推程角90时，推杆等速上升h；凸轮转过推程角120时，推杆等加速等减速下降h；凸轮转过推程角150时，推杆静止不动；设计此凸轮轮廓曲线。,三峡大学,步骤：（1）取1，作出推杆运动规律位移线图（2）取1，作出基圆、并标出凸轮机构的初始位置,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,作业,设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮，已知：凸轮以等角速度顺时针回转，凸轮基园半径r0=40mm,0=1500,S=300,h=1200,S=600，从动件运动规律在推程作等加速等减速运动，在回程作匀速运动，行程h=20mm，试用图解解法绘出凸轮的轮廓。3-2,三峡大学,第4章齿轮机构,概述一、齿轮传动的优缺点优点：可用来传递空间任意两轴间的运动和动力传动；效率高、使用寿命长、工作安全可靠、传动比准确、机构紧凑；适用的速度和传递的功率范围大。缺点：制造精度要求高，成本高；精度低时噪声大；不宜用于轴间距离大的传动。,三峡大学,4.1齿轮机构的特点和类型,1、按传动轴线的相对位置分：1）平行轴齿轮机构,直齿圆柱齿轮传动,斜齿圆柱齿轮传动,人字齿圆柱齿轮传动,三峡大学,1）平行轴齿轮机构,直齿齿轮齿条传动,斜齿齿轮齿条传动,三峡大学,1）平行轴齿轮机构,直齿内齿轮传动,斜齿内齿轮传动,三峡大学,2)相交轴齿轮机构,直齿圆锥齿轮传动,斜齿圆锥齿轮传动,曲线齿圆锥齿轮传动,三峡大学,3)交错轴齿轮机构,交错轴斜齿轮传动,蜗杆蜗轮传动,三峡大学,二.齿轮机构的传动类型,按两轴线相对位置和齿向分类,齿轮传动,平面齿轮传动,空间齿轮传动,直齿圆柱齿轮传动,斜齿圆柱齿轮传动,传递相交运动,传递交错轴运动,内啮合,外啮合,齿轮齿条,内啮合,外啮合,齿轮齿条,直齿,斜齿,交错轴斜齿轮传动,蜗杆蜗轮,准双曲面齿轮,曲线齿,人字齿齿轮运动,4-1齿轮机构的特点和分类,三峡大学,三、齿轮传动的基本要求,1.必要的工作平稳性。即要求瞬时传动比为常数，为此要研究齿轮廓及啮合原理。2.足够的强度。即要求齿轮的尺寸小、重量轻，在保证承载能力条件下，寿命长。,4-1齿轮机构的特点和分类,三峡大学,P13,P23,(P12),传动比:两轮的瞬时角速度之比,1、分析一对齿轮的传动关系,上式表示了齿廓曲线与传动比的关系,则,三峡大学,可以推论，欲使两齿轮瞬时角速度比恒定不变，必须使p点成为连心线上的固定点。或者说，欲使齿轮保持定角速比，不论齿廓在任何位置接触，过接触点所作的齿廓公法线都必须与连心线交于一定点。,三峡大学,3、几个名词,、节点定点P,注：a、节点为两轮相对速度瞬心，在节点两轮相等两轮纯滚b、中心距，O1O2=r1+r2=aC、节点、节圆出现在一对齿轮上，单个齿轮无节点、节圆,、节圆半径r，以O1、O2为心，过P点（r）两相切圆,、圆形齿轮:i12=1/2=O2P/O1P=r2/r1,三峡大学,（一）渐开线的形成,渐开线形成2,三峡大学,（一）渐开线的形成,(2)渐开线上任意一点的法线必切于基圆，与基圆的切点为渐开线在K点的曲率中心，而线段NK是渐开线在点K处的曲率半径。离基圆越远曲率半径越大。,（二）渐开线的性质,渐开线上点的压力角,三峡大学,(4)渐开线的形状取决于基圆的大小，基圆越大，渐开线越平直，当基圆半径趋于无穷大时，渐开线成为斜直线。,(5)基圆内无渐开线。,三峡大学,基圆公切线是固定的，与连心线交于定点，因此渐开线齿廓齿轮传动比为定值。,齿轮的啮合过程,二、渐开线齿廓满足定角速比要求,一对齿在K1点接触，经过一段时间在K2接触；过K1作共法线NN，据渐开线性质,NN必为公切线；过K2作共法线NN,据渐开线性质,NN、NN为公切线。,三峡大学,2、渐开线齿轮啮合线,齿轮的啮合过程,啮合点都在N1N2上，N1N2称为啮合线。,啮合线是齿廓接触点轨迹（运动关系看）。,啮合线是力的作用线（受力状况看）。,啮合线是两基圆的公切线（几何关系看）。,二、渐开线齿廓满足定角速比要求,三峡大学,渐开线齿廓啮合的中心距可变性当两齿轮制成后，基圆半径便已确定，以不同的中心距(a或a)安装这对齿轮，其传动比不会改变。,3、中心距的变化不影响角速比,问题：a太大有何不好？,三峡大学,一、齿轮基本尺寸的名称和符号,4-4齿轮各部分名称及渐开线标准齿轮的基本尺寸,齿数（z）齿顶圆（ra,da）齿根圆（rf,df）任意圆（rk,dk）齿槽宽（ek）齿厚（sk）齿距（周节）（pk）,分度圆（r，d）在齿顶圆和齿根圆之间规定一个尺寸计算的基准圆，该圆上，齿厚s等于齿槽宽e，齿距（周节）p,显然，pkskek,由dkpkz,dk=(pk/)z,包含无理数，使齿轮计算、制造和测量颇为不便，调整pk/为有理数，则dk为有理数，该直径确定的圆叫分度圆。,三峡大学,齿顶：分度圆以上部分齿根：分度圆以下部分齿顶高（ha）齿根高（hf）齿全高（h）h=ha+hf由dk=(pk/)z有d=(p/)z令p/m则d=mz,三峡大学,国标压力角的标准值为=20,分度圆上的参数分别用m、d、r、p、e及表示。,，,二、齿轮基本参数,模数,齿数，模数，压力角是决定渐开线形状的三个基本参数。,分度圆、压力角,齿数Z,齿顶高系数和顶隙系数,、c*分别称为齿顶高系数和顶隙系数，其标准值为：,人为规定：mp/标准模数系列，见附表4-1,齿轮大小和齿廓形状均与齿数Z有关,三峡大学,同一圆上,齿根圆（df和rf）,齿顶圆（da和ra）,分度圆（d和r）,基圆（db和rb）,四圆,齿厚si,齿槽宽ei,齿距pi,三、标准直齿轮的几何尺寸,三峡大学,以上讲了直齿圆柱齿轮各部分名称及几何尺寸确定，有了这些参数和尺寸就可以加工制造出齿轮，但制造的目的还在于传递运动和动力，下面学习啮合传动。满足啮合基本定律的啮合称为正确啮合，要保证正确啮合须具备一定条件。,卡死两个渐开线齿轮在啮合过程中，参加啮合的轮齿的工作一侧齿廓的啮合点都在啮合线N1N2上。而在动画中，工作一侧齿廓的啮合点H不在啮合线N1N2上，这就是两轮卡死的原因。,三峡大学,一、正确啮合条件,前面已证明一对渐开线齿廓符合啮合基本定律。但要连续平稳传动必须多对齿廓啮合交替时也满足啮合基本定律，保证传动比不变，也即K、K应同时在NN线上,（二）正确啮合条件,4-5渐开线标准齿轮的啮合,（一）啮合过程,则K1K1=K2K2,三峡大学,欲使两齿轮正确啮合，两轮的法节必须相等。,法节：齿轮上两相邻轮齿同侧齿廓在法线上的距离。用pn表示。,三峡大学,（一）安装要求,1.保证无侧隙啮合一个齿轮齿厚的两侧齿廓与其相啮合的另一个齿轮的齿槽两侧齿廓间不存在间隙。,二、标准中心距,三峡大学,顶隙一对相互啮合的齿轮中，一个齿轮的齿根圆与另一个齿轮的齿顶圆之间在连心线上度量的距离，用C表示。,2.保证标准顶隙：c=c*m,（一）安装要求,标准顶隙作用？,三峡大学,标准中心距（标准齿轮无侧隙传动中心距）,标准齿轮模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数为标准值，分度圆上的齿厚(S)等于齿槽宽(e)的齿轮。,分度圆与节圆重合的安装称为标准安装,啮合角等于分度圆压力角,（二)标准齿轮的安装,1.外啮合标准安装,保证标准顶隙：c=hf2-ha1=c*m,三峡大学,注意,分度圆与节圆的关系：,单个齿轮具有分度圆，一对齿轮啮合才出现节圆,标准齿轮标准安装时，节圆与分度圆重合；否则，不重合,三峡大学,动画1、动画2和动画3中相啮合的一对齿轮的法向齿距分别相等，即都满足正确啮合条件。但动画1中的齿轮传动是间断的，而动画2和动画3中的齿轮传动是连续的。可见，一对齿轮要连续传动除满足正确啮合条件外，还需满足别的条件，这个条件是什么？,动画1动画2动画3,三峡大学,(1）一对渐开线轮齿的啮合过程,齿轮的啮合过程,三、重合度,从动画中可以看出，在两轮轮齿的啮合过程中，并非全部渐开线齿廓都参加工作，而是图中阴影线所示的部分。实际参与啮合的这段齿廓称为齿廓工作段。,三峡大学,知道了轮齿的啮合过程，我们现在来研究齿轮连续传动的条件。从动画1中可以看出，虽然一对渐开线齿轮的法向齿距相等，但是，当前一对轮齿在点B1脱离啮合时，后一对轮齿尚未进入啮合，传动中断。在动画2中,，当前一对轮齿在B1点即将脱离啮合时，后一对轮齿正好在B2点啮合，传动刚好连续，在传动过程中，始终有一对轮齿啮合。在动画3中，当前一对轮齿尚未脱离啮合时，后一对轮齿已进入啮合，确保了传动的连续性。在传动过程中，有时是一对轮齿啮合，有时是两对轮齿啮合。,三峡大学,所以，齿轮连续传动的条件是实际啮合线大于或至少等于法向齿距。我们把与的比值用表示，称为齿轮传动的重合度，故齿轮连续传动的条件为：,从理论上讲重合度1就能保证齿轮的连续传动，但在实际应用中考虑到制造和安装的误差，为确保齿轮传动的连续，应大于或至少等于许用值。,三、重合度,(2）重合度概念,三峡大学,满足正确啮合条件只是连续传动的必要条件，而不是充分条件。欲实现连续传动，还必须满足重合度条件。,三峡大学,4-6渐开线齿轮的切齿原理,成形法是在普通铣床上用轴向剖面形状与被切齿轮齿槽形状完全相同的铣刀切制齿轮的方法。铣完一个齿槽后，分度头将齿坯转过360/z，再铣下一个齿槽，直到铣出所有的齿槽。,定义：,一、成形法,盘形铣刀,指状铣刀,三峡大学,制造铣刀考虑的因素由于渐开线齿廓的形状取决于模数、齿数和压力角的大小。压力角虽只有一个标准值(20度),但模数的标准值却有几十个，尤其是齿数的取值范围更广。如果为不同模数、不同齿数的齿轮都准备一把刀具，刀具数量就会相当庞大，非常不经济。在实际生产中，对同一种模数，一般只备有1至8号八种铣刀。每一号铣刀的刀刃形状都是按对应的该组齿轮中齿数最少的那个齿轮的齿形制成的。优点：在普通铣床上即可加工齿轮，加工费用低。缺点：由于受到铣刀号数的限制，加工的大多数齿数的齿轮的渐开线齿廓形状不准确，因而加工出的齿轮的精度低。另外，由于只能逐个加工齿槽，生产效率低。这种加工方法适用于修配或小量生产。,三峡大学,三峡大学,二、范成法,常用的刀具,齿轮插刀,齿条插刀,齿轮滚刀,4-6渐开线齿轮的切齿原理,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,三峡大学,渐开线齿轮的切制原理,三峡大学,三峡大学,三峡大学,齿廓根切用范成法切制齿轮时，有时刀具会把轮齿根部已切制好的渐开线齿廓再切去一部分，这种现象称为齿廓根切。,产生根切的原因当刀具齿顶线与啮合线的交点超过啮合极限点N之外，便将根部已切制出的渐开线齿廓再切去一部分。动画2,一、根切和最少齿数,强度降低,重合系数降低,4-7根切、最少齿数及变位齿轮,三峡大学,要避免根切，应使齿条刀的齿顶线与啮合线的交点B2不超过啮合线与齿轮基圆的切点N。,(2)采用齿轮插刀Zmin变小,讨论,(1)上式只适用于齿条刀具,当，,zmin=17,（zmin=17）称为标准齿轮不产生根切的最小齿数。,标准齿条刀插制标准齿轮时，刀具分度线必须与分度圆相切。刀具m,ha*一定时，B2位置一定，N点位置在m,一定时与rb有关，故根切与否与z有关。,一、根切和最少齿数,三峡大学,当Z0负变位x0.5，则可以在拨盘上装数个圆销K,多销槽轮机构运动特性系数：,即槽轮的转动时间总小于停歇时间。,1/2,而z3,2）因=,1）因需要0即：,三峡大学,6-3不完全齿轮机构,(一)、不完全齿轮机构的工作原理和类型,外啮合不完全齿轮机构,三峡大学,6-3不完全齿轮机构,由普通齿轮机构演变而成的间歇运动机构。与齿轮机构区别：主动轮仅有一个或几个齿。,一、组成,二、原理：主动轮转一周，从动轮转1/8周。从动轮停歇时，主动轮上的锁住弧与从动轮上的锁住弧互相配合锁住，以保证从动轮停歇在预定位置上。,不完全锥齿轮,三峡大学,三、常用类型：,1、单齿不完全齿轮机构,2、多齿不完全齿轮机构,三峡大学,3、齿轮、齿条不完全啮合机构,主动轮连续转动时，从动轮作时动时停的往复移动。,三峡大学,从动轮每转一周的停歇时间、运动时间及每次转动的角度变化范围都较大，设计较灵活；但加工工艺复杂，从动轮在运动开始，终了时冲击较大，故一般用于低速、轻载场合。,内啮合不完全齿轮机构,三峡大学,6-4凸轮间歇运动机构,一、凸轮间歇运动机构常用两种型式：1、圆柱形凸轮间歇运动机构,原理：主动凸轮连续转动时，通过凸轮廓线推动柱销，使从动盘作间歇运动。,三峡大学,2、蜗杆形凸轮间歇运动机构,形状：如同圆弧面蜗杆,滚子均匀分布在转盘圆柱面上，犹如蜗轮的齿。优点：可通过调整凸轮与转盘的中心距来消除滚子与凸轮接触面间的间隙以补偿磨损。,三峡大学,二、凸轮间歇运动机构特点,优点：只要适当选择从动件运动规律，合理设计凸轮廓曲线：即可使机构动载荷下降、减少冲击。缺点：精度要求较高，加工比较复杂，安装调整比较困难。适合：高速运动较棘轮、槽轮机构的突出的优点,三峡大学,本章小结,间歇运动机构的类型很多，本章简单介绍了如下内容：棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮间歇机构本章着重了解各机构的工作原理和特点。,三峡大学,补充组合机构,前述连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构是工程常用基本机构。但对于比较复杂的运动，单独使用基本机构往往难以满足实际生产过程的需要。例:1、连杆机构难以实现某些特定运动规律，高速情况下的动平衡问题也十分突出；2、凸轮机构可实现任意运动规律，但行程不能太大，也不可调3、齿轮机构运动和动力性能良好，但运动形式简单；4、间歇运动机构的运动和动力特性均不理想，速度波动带来的冲击、振动在所难免。因此，把若干基本机构按一定的方式联接起来构成组合机构，从而得到单个基本机构所不具有的运动和动力性能。,三峡大学,第7章机械运转速度波动的调节,三峡大学,7-1机械运转速度波动调节的目的和方法7-2飞轮设计的近似方法,三峡大学,7-1机械运转速度波动调节的目的和方法,速度波动的原因？为什么要对速度波动进行调节？怎样调节？,三峡大学,机械的运转过程,稳定运转阶段的状况有：,匀速稳定运转：常数,周期变速稳定运转：(t)=(t+Tp),三个阶段：启动、稳定运转、停车。,非周期变速稳定运转,匀速稳定运转时，速度不需要调节。,7机械运转速度波动的调节,三峡大学,产生周期性速度波动的原因,当等效构件回转过角时，,机械动能的增量为：,三峡大学,速度波动产生的原因,速度波动！,三峡大学,速度波动的危害,返回,三峡大学,同样的动能变化量下，系统的转动惯量越大，角速度的变化量越小。,可以在系统中增加一个具有大转动惯量的飞轮，来抑制角速度的波动。,J：系统的转动惯量,周期性速度波动,三峡大学,周期性速度波动的调节,为了减少机械运转时产生的周期性速度波动，常用的方法是在机械中安装具有较大转动惯量JF的飞轮来进行调节。,飞轮相当于一个储能器。,当机械出现盈功时，它以动能的形式将多余的能量储存起来，使主轴角速度上升幅度减小；当出现亏功时，它释放其储存的能量，以弥补能量的不足，使主轴角速度下降的幅度减小。,三峡大学,非周期性速度波动,如果输入功在很长一段时间内总是大于输出功，则机械运转速度将不断升高，直至机械损坏。反之则速度不断降低，直至停车。,这种速度波动是随机、无规则的，或者周期过长。我们称之为非周期性速度波动。,三峡大学,非周期性速度波动不能依靠飞轮来调节，只能采用调速器。,工作机,原动机,非周期性速度波动,三峡大学,油箱供油,离心式调速器的工作原理,7机械运转速度波动的调节,三峡大学,一个周期内平均转速，称额定转速。工程上常用近似公式：,算术平均值代替几何平均值,机械运转的平均速度和不均匀系数,三峡大学,机械运转的平均速度和不均匀系数,三峡大学,不均匀系数的取值范围,机械运转的平均速度和不均匀系数,三峡大学,飞轮设计的基本原理,已知：作用在主轴上的驱动力矩和阻力矩的变化规律，速度不均匀系数确定：安装在主轴上的飞轮的转动惯量。,三峡大学,当最大盈亏功和平均转速一定时，J与成反比。,可见，取的小，转动惯量J很大，飞轮重,飞轮设计的基本原理,三峡大学,飞轮设计的基本原理,J与m一定时，Amax与成正比，即最大盈亏功越大，机械运转速度越不均匀,三峡大学,飞轮设计的基本原理,三峡大学,周期性速度波动的调节,能量指示图：以a点为起点，按一定比例用向量线段依次表示相应位置Med和Mer之间所包围的面积Aab、Abc、Acd、Ade和Aea的大小和正负的图形。,Amax代表最大盈亏功Wmax的大小,三峡大学,例题求解,已知某机械在一个运动周期内阻力矩MrMr（）如图。驱动力矩为常数，主动额定转速n800r/min，运动不均匀系数0.05，求所需飞轮的转动惯量.,解,求Wmax,求驱动力矩Md,能量守恒，动能不变,Md(10*3/2+70*/2)/2=25,三峡大学,+,-,+,求各盈亏功W1（2510）/2=7.5，W2(-70+25)/2=-22.5，W3=（2510）=15,作能量指示图,Wmax=22.5,三峡大学,关于飞轮调速的几个重要的结论：,1）如果过分追求机械运转速度的均匀性，即取值很小，则飞轮的转动惯量就需很大，将会使飞轮过于笨重。2）安装飞轮后机械运转的速度仍有周期波动，即其速度波动不可能达到消除，而只是波动的幅度减小了而已。3）为减小飞轮的转动惯量，最好将飞轮安装在机械的高速轴上。,三峡大学,第8章回转件的平衡,三峡大学,回转件的目的、类型及方法,三峡大学,8-1回转件平衡的目的8-2回转件的平衡计算8-3回转件的平衡试验,第8章回转件的平衡,三峡大学,回转件平衡的目的,不平衡的危害：,周期性的附加动压力，产生振动，产生噪声；降低精度，降低可靠性；降低轴承寿命，降低效率。,回转件不平衡的原因：,结构不对称制造不准确材质不均匀,三峡大学,精密机床主轴、电动机转子、汽轮机转子、汽车轮胎等都需要进行平衡。,回转件平衡的目的,目的：消除或减少运转机构产生的不平衡惯性力和惯性力矩方法：调整回转件的质量分布,但也有利用不平衡惯性力引起的振动来工作的。,三峡大学,径宽比D/b5的转子（砂轮、飞轮、齿轮）：可近似地认为其质量分布在同一回转平面内。,质量分布在同一回转面内,D,b,mb,rb,静平衡的条件是：各质量的离心力（或质径积）的向量和等于零，即回转件的质心与回转轴线重合,三峡大学,已知：分布于同一回转平面内的偏心质量为m1,m2和m3，从回转中心到各偏心质量中心的向径为r1，r2和r3,当转子以等角速度转动时，各偏心质量所产生的离心惯性力分别为：F1，F2，F3。,质量分布在同一回转面内,三峡大学,增加一个平衡质量mb，其向径为rb，所产生的离心惯性力为Fb。,要求平衡时，Fb,F1,F2,F3所形成的合力F应为零：F=F1+F2+F3+Fb=0,质量分布在同一回转面内,解：,三峡大学,m和e为转子的总质量和总质心的向径；mi和ri为转子各个偏心质量及其质心的向径；mb和rb为所增加的平衡质量及其质心的向径。,质量分布在同一回转面内,三峡大学,根据质径积mbrb，确定rb和平衡质量大小。安装方向：向量图上所指的方向。,为了使设计出来的转子质量不致过大，一般应尽可能将rb选大些，这样可使mb小些。,质量分布在同一回转面内,三峡大学,在向径rb的相反方向上去掉一部分质量来使转子得到平衡！,可在另外两个回转平面内分别安装平衡质量，以使转子得以平衡。,若在所需平衡的回转面内实际结构不允许安装或减少平衡质量？,质量分布在同一回