机械设计基础课程指导

,机 械 设 计 基 础,Fundamentals of Machine Design,课程指导,高等院校现代机械设计系列教材,（非机类专业适用）,内容包括：机械原理（Theory of Machines):17 学时机械零件（Machine Elements)： 39 学时,共56学时。其中实验4学时,目录,第一章绪论第二章平面机构的结构分析第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章间歇运动机构第六章机械的调速与平衡第七章连接,目录,第八章挠性传动第九章啮合传动第十章轮系第十一章轴第十二章轴承第十三章联轴器、离合器与制动器第十四章弹簧,一、基本内容及学习要求二、学习指导三、典型实例分析四、复习题五、复习题参考答案,第一章  绪论,回目录,1基本内容   机械的组成；   机械设计的基本要求和一般程序；   机械零件常见失效形式、计算准则和设计方法；   机械制造中常用材料的性能及选用方法；   机械零件的制造工艺性及标准化；   机械设计的新发展；   本课程的内容、性质和任务。,一、基本内容及学习要求,2学习要求 了解本课程研究的对象； 熟悉本课程的内容、性质、特点，与先修、后续课程的关系及相应的学习方法； 掌握有关机械零件设计和计算的基本概念； 掌握机械制造中常用材料的性能及选用原则； 了解机械零件工艺性及标准化的意义。,一、基本内容及学习要求,1.   机械的概念 定义：机械是机器和机构的总称。 机器和机构的相同点：由若干构件组合而成；各构件间具有确定的相对运动。 机器和机构的不同点：机构不具有变换或传递能量、物料、信息的功能。 构件和零件：构件是运动的单元；零件是制造的单元。,二、学习指导,二、学习指导,在学习本节时，应把注意力集中在了解本课程研究的对象和内容上 ，不要机械地理解机器和机构的区别，因为二者实际上并没有本质区别。我们有时把它们加以区分，只是研究的重点不同。对机器来说主要是研究其做功或能量转化及其运转的过程；而对机构则主要是研究其运动及受力的情况，以及某些个别性能指标的确定等，所以说它们之间并没有本质的不同。当我们利用某种机构来做功或转化能量时，它就成了机器；当我们只从组成情况和运动学角度来研究机器的传动系统时，它可以视为机构。,2. 机器的组成        机器的种类繁多，其结构形式和用途各不相同。然而，一部完整的机器就其基本组成来讲，主要有下面三个部分：         原动部分。它是驱动整个机器完成预定功能的动力源，如电动机、内燃机等；         执行部分（又称工作部分）。它是机器中直接完成工作任务的部分，如起重机的吊钩、车床的刀架、磨床的砂轮、轧钢机的压辊等；     传动部分。它是介于原动部分和执行部分之间，用来完成运动和动力参数转换的部分。利用它可以实现减速、增速、调速、改变运动形式及转矩等，从而满足执行部分的各种要求。此部分是本课程研究的主要内容。,二、学习指导,带式运输机1电动机  2齿轮传动  3胶带            电动机（动力部分）通过齿轮传动减速后，带动运输机滚轮转动（传动部分）从而实现胶带运动（执行部分）。,二、学习指导,3. 失效和失效形式         机械、机构、零件等由于某种原因丧失正常工作能力的现象称为失效；而上述 “某种原因” 的具体内容称为失效形式。         失效与损坏概念不同。以自行车为例，作为零件的车轮辐条损坏了几根，并不影响乘骑，即自行车作为机器并未失效；如果其链条因磨损而掉链，此时自然不能乘骑了，即失效了。     失效形式与断裂破坏概念不同。机械零件由于强度不够造成断裂，属于一种失效形式；除此之外，如机床主轴的刚度不足，零件表面过度磨损及其他各种破坏正常工作条件的因素，又如带传动打滑等均属于失效形式。,二、学习指导,主要失效形式有：          断裂：例如，齿轮轮齿根部的折断、螺栓的断裂等。         过大的残余变形：零件受载后产生过量的弹性变形；零件的应力如果超过材料的屈服极限，零件将产生残余塑性变形。         表面失效：磨损、腐蚀和接触疲劳等都会导致零件表面失效。     破坏正常工作条件而引起的失效：例如，带传动发生打滑、齿轮传动噪声过大等。,二、学习指导,4. 机械零件的设计准则根据零件的失效分析，设计时为防止零件失效，保证其工作能力所依据的基本原则称为设计准则。主要有强度准则和刚度准则等。         强度准则：零件在外载荷作用下所产生的最大应力不超过零件的许用应力 。其表达式为工作应力 许用应力，即许用应力材料极限应力/安全系数，即limS    材料的极限应力应根据工作应力类型的不同来选择。工作应力为静应力时，极限应力对于脆性材料为强度极限，对于塑性材料为屈服极限；工作应力为变应力时，极限应力为其相应应力循环状态的疲劳极限。,二、学习指导,计算载荷与名义载荷之间的关系为：计算载荷等于名义载荷乘以载荷系数。    复习材料力学中学过的非对称循环应力、脉动循环应力和对称循环应力的分类及特征，能绘出应力时间曲线，并能写出最大应力、最小应力、平均应力、应力幅和循环特性的计算公式。,二、学习指导,（2）刚度准则：零件在载荷作用下将产生弹性变形。限制零件受载后产生的弹性变形量不超过机器正常工作所允许的弹性变形量。其表达式为         弯曲刚度： 挠度 yy， 偏转角         扭转刚度： 扭转角                           弹性变形量可按理论计算或实验方法确定，而许用变形量则应随不同的使用场合，按理论或经验确定其合理数值。        了解刚度对零件工作能力的影响和提高刚度的措施等有关知识。,二、学习指导, 其他设计准则        振动稳定性准则：了解机器产生振动的主要原因和避免共振的方法。        寿命准则：影响零件寿命的主要因素是磨损、腐蚀和疲劳。        热平衡准则：在工作中发生摩擦的零件会产生热量，故应对发热较大的零件进行热平衡计算。        可靠性准则：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率称为可靠度，机器的可靠度取决于零部件的可靠度及它们的组合关系。了解设计时提高系统可靠度的措施。    同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各种失效形式就有不同的工作能力，设计时，应对满足零件上述准则的各种工作能力进行比较，取其较小者作为设计依据。,二、学习指导, 机械零件材料的选用原则        机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。    在机械设计中选择材料是重要问题。设计者在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用要求、工艺要求和经济性要求等。     6.机械零件的制造工艺性及标准化         机械零件的工艺性        零件的工艺性是指在既定的生产条件和规模下，能用较少的劳动和较低的成本把零件制造和装配出来。为此，设计者必须了解零件的制造工艺，能从材料选择、毛坯制造、机械加工、装配以及维修等环节考虑有关的工艺问题。,二、学习指导, 机械设计中的标准化        零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化是我国实行的一项重要的技术经济政策。        标准化的意义在于：减轻设计工作量，有利于把主要精力用于关键零部件的创新设计；可安排专门工厂集中生产标准零部件，有利于降低成本，提高互换性；有利于改进和提高产品质量，扩大和开发新产品，便于修理和更换。    我国现行标准分为国家标准（GB）、部颁标准（如JB、YB等）和企业标准三级。出口产品应采用国际标准（ISO）。,二、学习指导,1.  零件受静载荷产生变应力    零件所受的载荷是静载荷还是变载荷比较容易判别，但在分析零件应力类型时，有时易发生错误，特别是在静载荷作用下（此时可能产生静应力也可能产生变应力）。在静载荷下作回转或周期运动的零件就会产生变应力，这种情况经常遇到。几种常用零件受静载荷时产生变应力的举例见下表。,三、典型实例分析,三、典型实例分析,1是非题  受静载荷作用的零件中产生的应力称为静应力-(   )  零件本身重量在零件中产生的应力，因为重力的方向是一定的，所以产生的应力都是静应力-(   )  根据机器的额定功率计算出作用在零件上的载荷称为名义载荷-(   )  合金钢是塑性材料- (   )  灰铸铁的抗拉和抗压的能力是相近似的- (   ),四、复习题,  填空题      机械是和      的总称。      举出三种机械设计的新方法：；     ；  。      标准代号GB代表   ，ISO代表。    选择题      计算载荷等于        。（A）机械零件的外载荷；（B）载荷系数与名义载荷的乘积；（C）动载荷加名义载荷；（D）零件必要的承载能力。,四、复习题,  零件在         长期作用下将引起疲劳破坏。（A）交变应力；        （B）静应力；（C）切应力；                 （D）正应力。    45号钢的含碳量为    。（A）4.5% （B）42 % 50%（C）0.045%（D）0.45%    对大量生产、强度要求高、尺寸不大、形状较简单的零件，应选择          。（A）自由锻造毛坯；（B）冲压毛坯；（C）模锻毛坯；（D）铸造毛坯。    对于大型齿轮减速器的箱体，单件生产时最好采用。（A）灰铸铁铸造； （B）钢板焊接；（C）球墨铸铁铸造；                （D）铸钢。,四、复习题,  问答题  本课程的性质与任务是什么？和前面学过的几门技术基础课相比，本课程有什么特点？应采取怎样的学习方法？    机器与机构有何区别？试举例说明。    构件与零件有何区别？试举例说明。  什么叫一般尺寸和参数的通用零件？试就一台机器中的连接零件、传动零件、轴系零件和其他零件各举两例。    指出缝纫机中若干专用零件和通用零件。  指出下列机器的动力部分、传动部分、控制部分和执行部分:   汽车；自行车；车床；电风扇；录音机,四、复习题,  对具有下述功用的机器各举出两个实例：  原动机；将机械能变换为其他形式能量的机器；  传递物料的机器；传递机械能的机器。    什么是机械设计中的三化？它有什么意义？    以自行车为例说明如何推行系列化、通用化、标准化。    设计机器应满足哪些要求？  机器的机架可用铸铁、铸钢、铸铝或钢板焊接而成，分析它们的优缺点和适用场合。    本课程研究的主要内容是什么？    通过本课程学习应达到哪些要求？,四、复习题,5分析题由于电子计算器的发展，使计算尺退出了产品市场。请你举出一种机械产品，分析由于有新产品出现而退出市场的原因。,四、复习题, 错 错  对    对    对 机器，机构 计算机辅助设计，优化设计，可靠性设计 国家标准，国际标准  B    A    D    C    B,五、复习题参考答案,一、基本内容及学习要求二、学习指导三、典型实例分析四、复习题五、复习题参考答案,第二章  平面机构的结构分析,回目录,1基本内容(1) 平面运动副及其分类；(2) 平面机构运动简图的绘制方法；(3) 平面机构自由度的计算。,一、基本内容及学习要求,2学习要求        (1)  熟悉构件自由度、约束和运动副的概念，掌握各种平面运动副和高副的一般表示方法。能搞懂教材中的机构运动简图，通过实践初步掌握将实际机构绘制成机构运动简图的技能。        (2)  能识别平面机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，会运用公式计算平面机构的自由度并判断其运动是否确定。,一、基本内容及学习要求,3. 重点(1)  运动副的概念及分类，能看懂并能绘制平面机构运动简图；(2)  机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。 4. 难点复合铰链、局部自由度和虚约束的判断。,一、基本内容及学习要求,二、学习指导,1. 运动副  两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。两构件通过面接触所构成的运动副称为低副，见图2-1；两构件通过点或线接触所构成的运动副称为高副，见图2-2 。  为方便学习和记忆，将平面机构常用运动副及其特性列于下表中。,二、学习指导,二、学习指导,低副： a. 面接触；           b. 有一个自由度，转动或移动。                （约束了二个自由度）,图2-1,二、学习指导,高副： a. 点或线接触；           b. 有两个自由度，转动 + 移动。                （约束了一个自由度）,图2-2,1-构件1    2-构件2,二、学习指导,2. 机构运动简图的绘制方法    绘制机构运动简图时，要用简单的线条表示构件，用规定的符号表示运动副。为了反映机构的真实运动，代表转动副的小圆，其圆心必须与相对回转中心重合；代表移动副的滑块，其导路方向必须与相对移动方向一致；如两构件组成高副，应画出两构件接触处的轮廓曲线；应特别注意合理选择视图平面，并确定一个瞬时的机构位置，通常选取平行于机构的运动平面为视图平面，必要时还可以再补充辅助视图；一个机构运动简图一般只表示出一个瞬时的机构位置，如无特殊指明某一位置要求，则应选择各构件不相互重叠的机构位置，以使图面简单清晰。    要求学生能对实际机构进行测量并绘制出机构运动简图，同时能较熟练地看懂教材中的平面机构运动简图。,二、学习指导,  平面机构自由度的计算          (1) 平面机构自由度的计算公式：F=3n-2PL -PH          (2) 在计算平面机构自由度时应注意的问题         复合铰链。如果m个构件在一处组成铰链，则该处的转动副数目应为(m1) 个。应注意复合铰链是指两个以上构件同时在一处用转动副相连，而不应仅仅根据若干构件汇交来判断。见图2-3，铰链C处构件2、3、4构成复合铰链，C处要按两个转动副计算；而铰链E处虽有4、5、6三个构件汇交，其中构件5、6 构成移动副，构件 构件4、5构成的是转动副，因此E处三个构件构成一个移动副和一个转动副，不存在复合铰链。,二、学习指导,6,E,a),b),图2-3,c),二、学习指导, 局部自由度(图2-4)。与整个机构运动无关的自由度即为局部自由度，在计算机构自由度时应除去不计。在平面机构中，局部自由度主要出现在有滚子的场合，见图2-4c处，滚子绕其回转中心的运动是局部自由度，为了防止误判构件数和运动副数，建议将滚子与安装件假设焊在一起，计算时要将滚子与构件2作为一个构件来处理。,二、学习指导, 虚约束。 虚约束的判别是本章的难点。我们知道，在机构中，当两构件构成运动副时，将引入约束来限制两构件间的相对运动。但是，有的运动副所引入的某些约束，可能与其他约束重复，即这些约束对机构运动的限制与其他约束对机构运动的限制重复，因而对机构的运动实际上起不到约束作用，这样的约束称为“虚约束”。在计算机构自由度时，应将虚约束除去不计。虚约束比较复杂，故只要求理解和熟悉以下几种场合中的虚约束。,二、学习指导,a) 由两构件组成多个导路平行的移动副而产生的虚约束，见图2-5 H、G处，这种虚约束出现的情况最多，应引起足够的重视。  b) 由两构件组成多个轴线重合的转动副而出现的虚约束，见教材图2-14，齿轮轴2由机架1上的两个轴承支承，在计算自由度时，应按一个转动副计算。,二、学习指导,c) 机构中对传递运动起重复作用的对称部分，将引起虚约束。见图2-6，中心轮1经过行星轮2、2和2驱动内齿轮3，为了使机构受力均匀和改善动平衡性能，常对称安装行星轮，从运动传递的角度来说仅有一个行星轮2起作用，其余两个行星轮2和2引入的约束为虚约束，计算机构自由度时应除去不计。该周转轮系的自由度按 n=3，PL=3，PH =2来计算。所以F=3n2PLPH=33232=1,二、学习指导,d)  在平行四边形机构中加入一个与某边平行且相等的构件，造成轨迹重合而产生的虚约束，见图2-7构件5引入的运动副为虚约束，计算机构的自由度时要将构件5及运动副都除去不计。此时 n=3，PL =4，PH =0，故机构的自由度数为F=3n2PLPH=33240=1,其他类型的轨迹重合比较复杂，可参见有关资料。,二、学习指导,(3) 机构具有确定运动的条件    机构原动件的数目N必须等于机构自由度的数目F。如果FN，则机构运动不确定；如果FN，则机构不能运动。    在进行平面机构的结构分析时，有时会遇到这样的问题，即所设计或分析的机构，经过计算，其自由度数F0。显然，该构件组合不能运动，故也不能称其为机构。,三、典型实例分析,例2-1  图2-8为简易冲床设计方案，画结构简图并分析其能否运动，设法改正错误。,图2-8,三、典型实例分析,解：由图2-9a 得  n=3，PL=4，PH=1。         机构自由度为F = 3 n2PLPH =3 32 41 = 0        计算结果表明：该构件组合不能运动，原方案需要按以下方法修改。 (1) 在机构的适当位置增加一个活动构件和一个低副； (2) 在机构的适当位置用一个高副代替一个低副。         按 (1)、(2) 修改后的机构能满足工作的要求，其运动简图见图2-9 b、c、d，它们的机构自由度数F均为1，即当机构具有一个原动件时，该机构具有确定的运动。,三、典型实例分析,例2-2 计算图2-10中牛头刨床传动机构的自由度。,解：n=6，PL= 8，PH=1。        F=3n-2PL-PH=36-28-1=1    即该机构只有一个自由度，与原动件数相同（齿轮3为原动件）。所以,满足机构具有确定运动的条件。,三、典型实例分析,图2-10,例2-3. 已知一机构如图2-11所示，求其自由度。,解：1. A、B、C、D处为复合铰链    2. n=7  PL= 10  PH=0F=3n-2PL-PH=37-210-0=1    即该机构只有一个自由度，与原动件数相同（杆8为原动件）。所以,满足机构具有确定运动的条件。,三、典型实例分析,图2-11,例题2-4 已知一机构如图2-12所示，求其自由度。,解：n=4  PL= 6  PH=0    F=3n-2PL-PH=34-26-0=0        即该机构自由度为0，它的各构件之间不能产生相对运动。,三、典型实例分析,例2-5 计算图2-13所示大筛机构的自由度。,解：E或 E 为虚约束     C为复合铰链     F为局部自由度     n=7  PL= 9  PH=1     F=3n-2PL-PH=37-29-1=2         即该机构自由度为2 ，具有两个原动件，即杆AB、凸轮O。,三、典型实例分析,三、典型实例分析,例2-6   图2-14为电动铰车上的周转轮系传动机构。试分别计算闸瓦 K制动和未制动时机构的自由度。,图2-14,三、典型实例分析,解：(1) 当闸瓦K未制动时，机构中的活动构件有齿轮1、2、3及转臂H，A、B、C三处为转动副，其中B处有复合铰链，D、E两处为高副。即n =4，PL=4，PH=2故该机构的自由度为F = 3 n2PLPH =3 42 42 = 2         计算表明，机构有两个自由度。这种具有两个自由度的周转轮系称为差动轮系。机构为获得确定的相对运动，需要给定两个原动件。        (2) 当闸瓦K制动时，齿轮3成为机架，此时n =3，PL=3，PH=2，则F = 3 n2PLPH =3 32 32 = 1         此时周转轮系具有一个自由度。这种具有一个自由度的周转轮系称为行星轮系。只要给定一个原动件，该机构就具有确定的相对运动。, 填空题  （1）两构件通过          接触组成的运动副称为低副，低副又分为          副和            副两种。  （2）两构件通过点或线接触的运动副叫作         。  （3）机构中存在着与整个机构运动无关的自由度称为          。在计算机构自由度时应          。  （4）在任何一个机构中，只能有        个构件作为机架。,四、复习题, 选择题   （1）一个作平面运动的自由构件具有         自由度。     (A) 一个；       (B) 二个；       (C) 三个；       (D) 四个。   （2）平面机构中的高副所引入的约束数目为         。     (A) 一个；       (B) 二个；       (C) 三个；       (D) 四个。   （3）平面机构中的低副所保留的自由度数目为         。     (A) 一个；       (B) 二个；       (C) 三个；       (D) 四个。   （4）当机构的原动件数         机构的自由度数时，该机构具有确定的相对运动。     (A) 大于；       (B) 等于；       (C) 小于。,四、复习题, 问答题      （1）何谓运动副？何谓高副和低副？每种运动副各引入几个约束？     （2）何谓机构运动简图？它有何实际意义？由实际机械绘制机构运动简图的步骤如何？     （3）平面机构自由度的计算公式是什么？应用公式计算机构自由度时应注意哪些问题？     （4）平面机构具有确定运动的条件是什么？,四、复习题, 计算题         指出图2-15图2-21机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算机构自由度并判断机构是否具有确定的运动。,四、复习题,图2-15,图2-16,四、复习题,图 2-17,图 2-18,图 2-19,四、复习题,图 2-20,图 2-21,      面，转动副，移动副    高副      局部自由度，应去掉                      ,五、复习题参考答案,一、基本内容及学习要求二、学习指导三、典型实例分析四、复习题五、复习题参考答案,第三章  平面连杆机构,回目录,1基本内容(1) 铰链四杆机构的基本型式及应用；(2) 铰链四杆机构的传动特性；(3) 铰链四杆机构的曲柄存在条件；(4) 铰链四杆机构的演化；(5) 平面四杆机构的设计。,一、基本内容及学习要求,2学习要求(1) 掌握铰链四杆机构的基本型式、应用和演化；(2) 熟悉曲柄存在的条件、压力角、传动角、死点位置、极限位置、极位夹角、行程速比系数等基本概念，并能绘图表示；     (3) 了解四杆机构设计的基本问题，掌握设计平面四杆机构的基本方法。,一、基本内容及学习要求,3. 重点铰链四杆机构的传动特性和曲柄存在条件；平面四杆机构的设计。        4难点四杆机构的基本型式及其演化、铰链四杆机构的传动特性、曲柄存在条件和图解法设计平面四杆机构。,一、基本内容及学习要求,二、学习指导,1.  平面连杆机构  平面连杆机构是由多个刚性构件用低副（转动副和移动副）连接组成的机构。  平面连杆机构中以四个构件组成的平面四杆机构应用最为广泛。图3-1所示为搅拌机机构，图 3-2所示为缝纫机的踏板机构，图3-3所示为开关教室钢窗的导杆机构，图3-4所示为内燃机的曲柄滑块机构等。对这些日常生活中随处可见的四杆机构，应注意观察，以巩固和扩大关于四杆机构应用的知识，进一步加深对机构运动简图的理解。,二、学习指导,二、学习指导,2铰链四杆机构的基本型式    图3-5为铰链四杆机构。其中构件4为机架；作整周转动的构件1为曲柄；作往复摆动的构件 3为摇杆；不与机架直接相连的构件2为连杆，它通常作平面复合运动。注意，通过这些判断说明了每个构件的运动性质，对以后的分析非常重要。,二、学习指导,图3-5,二、学习指导,选择不同构件为机架可将曲柄摇杆机构演化为双曲柄机构和双摇杆机构。即可用一个基本机构型式表示三种不同的铰链四杆机构。实质上 ，根据相对运动原理，当给整个机构加一个共同的运动时，各构件之间的相对运动并不发生变化，而各构件的绝对运动却改变了，这样就形成与原机构所不同的机构。在图3-5所示的曲柄摇杆机构中，构件4为机架，曲柄1以角速度1转动，现如给整个机构加一个角速度为“-1”的公共运动，显然各构件间的相对运动并不发生改变，但此时原曲柄1却因其角速度变为1-1= 0而成为“机架”，原机架4则变为以角速度“-1”转动的连架杆，于是整个机构演化成双曲柄机构。,3铰链四杆机构的传动特性     (1) 急回运动性质和行程速比系数  图3-6所示为曲柄摇杆机构，当曲柄为原动件并作等速回转时，从动摇杆作往复变速摆动，具有急回运动的性质。用行程速比系数K来表示急回运动的相对程度，即,二、学习指导,在图3-5中，为极位夹角(当曲柄与连杆两次共线时，曲柄所夹的锐角)；为摆角(摇杆在两极限位置间的夹角) 。    上式表明，曲柄摇杆机构有无急回运动性质，取决于有无极位夹角。对于一个机构，若=0，K=1，则该机构没有急回运动性质；若>0 ，K>1，则该机构具有急回运动性质，且角越大，K 值越大，急回运动性质也越显著。,或,二、学习指导,图3-6,二、学习指导,(2) 压力角和传动角（见图3-7）     压力角 ：从动件所受的压力F与受力点绝对速度方向线vc之间所夹的锐角称为压力角。压力角可作为判断一个连杆机构是否具有良好传力性能的标志。     传动角：连杆和从动摇杆之间所夹的锐角称为传动角，传动角是压力角的余角，即= 90o 。    由于是用锐角表示的，当BCD为锐角时， =BCD，BCD的最小值即为min；但当BCD为钝角时，传动角就应当以 =180 oBCD表示，BCD的最大值也对应于min。曲柄摇杆机构的最小传动角min可能出现在曲柄与机架两次共线处，见图3-6。,二、学习指导,图3-7,二、学习指导,(3) 死点位置  图3-6所示的曲柄摇杆机构，当以摇杆3作为原动件、曲柄1作为从动件，在摇杆摆到两极限位置时，连杆与曲柄出现两次共线的位置即为死点位置。曲柄摇杆机构产生死点位置的条件是必须以摇杆作为原动件，机构在该位置是不能运动的。    (4) 存在曲柄的条件  铰链四杆机构中存在曲柄的条件是： 曲柄为最短杆； 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。  在满足上述条件的前提下，机构中究竟有无曲柄，还需要根据取哪一个构件作为机架来判断。,二、学习指导,死点特性的应用(图3-8 ) ：a) 夹紧机构  b) 飞机起落架,二、学习指导,推论1  如果铰链四杆机构存在曲柄，那么： 若取最短杆作为机架，则该机构为双曲柄机构； 若取最短杆的相邻杆作为机架，则该机构为曲柄摇杆机构； 若取最短杆的相对杆作为机架，则该机构为双摇杆机构。  推论2  如果铰链四杆机构不存在曲柄，那么不论取哪一个杆作为机架，该机构均为双摇杆机构。  其判断思路见图 3-9。学习本节内容切忌不顾具体条件死记 “曲柄是最短构件”这个特殊结论（此结论只适用于曲柄摇杆机构）。,二、学习指导,lmax+lmin l余1+l余2,不存在曲柄,双摇杆机构,双摇杆机构,双曲柄机构,曲柄摇杆机构,可能有曲柄,固定件,是,否,最短构件,最短构件的邻边,最短构件的对边,图3-9,二、学习指导,4铰链四杆机构的演化铰链四杆机构可通过下列途径演化成其他形式的四杆机构：(1) 通过扩大转动副获得偏心轮机构；   (2) 通过改变构件的相对长度将转动副演变成移动副；   (3) 通过取不同的构件为机架获得不同的机构。以上三种演化方法应该牢固掌握。,二、学习指导,演化为曲柄滑块机构(图3-10)及偏心轮机构(图3-11)：,图3-10,图3-11,二、学习指导,5平面四杆机构的设计    要求掌握用图解法按给定行程速比系数和给定连杆位置设计四杆机构的方法。    本章还介绍了用“实验法”设计四杆机构，该方法带有试凑的性质，从理论上看来似乎不够严谨，但却是一种行之有效的设计方法。    随着计算机技术的发展，解析法越来越得到重视，可参阅有关文献。,三、典型实例分析,例3-1  见图3-12，在铰链四杆机构中，已知l2= 50mm，l3=35mm，   l4= 30mm，构件AD为机架，试问(1) 若此机构为曲柄摇杆机构，且构件AB为曲柄，求l1max；(2) 若此机构为双曲柄机构，求l1min；(3) 若此机构为双摇杆机构，求l1的数值。,图3-12,三、典型实例分析,解：由式得    lmax + lmin l余1 + l余2(1) 若此机构为曲柄摇杆机构，且构件AB为曲柄，应满足的条件是             l1 + l2 l3 + l4             l1 l3 + l4l2 =35 +3050 = 15mm             所以l1max =15mm(2) 若此机构为双曲柄机构，依题意AD应为最短杆。当AB为最长杆时，应满足的条件是：             l1 + l4 l2+ l3             l1 l2 + l3l4 = 50 +3530 = 55mm     当AB不为最长杆时，应满足的条件是：             l4 + l2 l1 + l3             l1 l4 + l2l3  = 30+5035 = 45mm     当45mml155mm时，该机构为双曲柄机构。     故l1min =45mm(3) 若此机构为双摇杆机构，只要l1不满足上述两种情况均能满足本题要求。即当15mm l145mm和55mml1115mm（极限情况，即l4+ l2+l3 = 115mm）时，机构均为双摇杆机构。,1. 填空题(1) 曲柄摇杆机构中行程速比系数K的大小取决于              ，K值越大，机构的           越显著。 (2) 在曲柄摇杆机构中，当           与           共线时，机构可能出现最小传动角min 。(3) 在铰链四杆机构中，与机架用转动副相连接的杆称为         。(4) 在曲柄滑块机构中，若滑块作为主动件，当            时，机构会出现死点位置。(5) 铰链四杆机构曲柄存在的条件是           ；           。,四、复习题,  选择题(1) 平面连杆机构是由         组成的机构。(A) 高副；      (B) 高副和低副； (C) 转动副；     (D) 低副。(2) 平面连杆机构，构件的最少数量是         。(A) 二件；      (B) 三件；       (C) 四件； (D) 五件。(3) 有急回运动性质的四杆机构是         。(A) 对心曲柄滑块机构；    (B) 偏置曲柄滑块机构；  (C) 摆动导杆机构。(4) 压力角可作为判断机构传力性能的标志，在平面连杆机构中，压力角越大，机构传力性能         。(A) 越差；      (B) 不受影响；    (C) 越好。(5) 曲柄摇杆机构的死点位置在         。(A) 原动杆与连杆共线；    (B) 原动杆与机架共线； (C) 从动杆与连杆共线；    (D) 从动杆与机架共线。,四、复习题,   问答题       （1）何谓平面连杆机构？其基本型式有哪几种？       （2）铰链四杆机构的基本型式哪有几种？       （3）何谓曲柄摇杆机构急回运动性质？何参数反映了机构的急回运动程度？       （4）曲柄摇杆机构具有死点位置的条件是什么？       （5）铰链四杆机构存在曲柄的条件是什么？       （6）在曲柄摇杆机构中，作图标出极位夹角、摆角、压力角 和传动角、机构的极限位置、死点位置及最小传动角 min；并能叙述上述概念的含义。       （7）何谓平面连杆机构的压力角和传动角？压力角的大小对平面连杆机构的工作有何影响？       （8）铰链四杆机构有几种演化方式？演化后的机构有何特点？,四、复习题,四、复习题, 计算题          根据图3-13中注明的尺寸计算并判断各铰链四杆机构的类型。,图3-13,图3-14, 设计一脚踏轧棉机的曲柄摇杆机构( 见图3-14)。要求踏板 CD 在水平位置上下各摆 10o ，且 lCD= 500mm，lAD= 1000mm 。试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度。,  在铰链四杆机构中，各杆的长度分别为l1=28mm，l2=52mm，l3=50mm，l4=72mm，试用图解法求：          当取杆4为机架时，该机构的极位夹角和摇杆3的摆角；          求该机构的最小传动角 min；          试讨论该机构在什么条件下具有死点位置，并绘图表示。     (4)  设计一曲柄摇杆机构。已知摇杆长度l3=100mm，摆角=30o， 摇杆的行程速比系数K=1.2。试根据最小传动角min 40o 的条件确定其余三杆的尺寸。,四、复习题,  试设计一偏置曲柄滑块机构。已知滑块的行程速比系数 K=1.4，滑块的行程 lc1c2=60mm，导路的偏距e=20mm，试用图解法求曲柄AB和连杆BC的长度。,四、复习题,  在飞机起落架所用的铰链四杆机构中，已知连杆的两个位置见图3-15，lBC=300mm，lC2E=360mm。lC1E=320mm， =800，比例尺为l =20mm/mm，要求连架杆AB的铰链A位于B1D1方向线上，连架杆CD的铰链D位于B2C2方向线上，试设计该机构。,图3-15,   极位夹角，急回运动性质         曲柄， 机架   连架杆       曲柄与连杆共线           曲柄为最短杆 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和   C   C,五、复习题参考答案,一、基本内容及学习要求二、学习指导三、典型实例分析四、复习题五、复习题参考答案,第四章  凸轮机构,回目录,  基本内容(1) 凸轮机构的应用和分类；(2) 从动件的常用运动规律；(3) 按已知运动规律绘制平面凸轮轮廓；(4) 凸轮机构设计中应注意的几个问题。,一、基本内容及学习要求,一、基本内容及学习要求, 学习要求 了解凸轮机构的应用和分类方法。 掌握等速运动、等加速等减速运动规律的特点及位移线图的绘制方法，能分析凸轮机构产生刚性冲击或柔性冲击的原因。 掌握直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制方法。 掌握任意位置时凸轮机构压力角的绘制。了解选择滚子半径的原则、压力角与自锁的关系及基圆半径对压力角的影响等。,3. 重点从动件的常用运动规律；直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制。,一、基本内容及学习要求,二、学习指导,凸轮机构是一种高副机构。它主要由凸轮、从动件和机架三部分组成。    1. 凸轮机构的分类   按凸轮的形状可分为：盘形、移动和圆柱凸轮机构，见图4-1；   按从动件的型式可分为：尖顶、滚子和平底从动件凸轮机构，见图4-2；   按从动件的运动形式可分为：直动（移动）和摆动从动件凸轮机构；   按凸轮机构的锁合型式可分为：力锁合和几何锁合的凸轮机构。,二、学习指导,图4-1,图4-2,二、学习指导,2. 凸轮机构的特点   优点是：只需确定适当的凸轮轮廓就可使从动件得到任意预期的运动规律，结构简单，体积较小，易于设计。   缺点是：由于凸轮与从动件是高副接触，压力较大，易磨损，故不宜用于大功率传动；又由于受凸轮尺寸限制，凸轮机构也不适用于要求从动件工作行程较大的场合。,二、学习指导,3. 从动件的常用运动规律        学习从动件常用运动规律时，应掌握如下基本定义（参照教材图4-6a）： 盘形凸轮的基圆和基圆半径rb； 推程和推程运动角 h； 远休止角 s； 回程和回程运动角h ； 近休止角s ； 从动件的升程h。    掌握等速运动规律 (图4-3 )和等加速等减速运动规律位移(图4-4) 、速度和加速度线图的绘制方法。,二、学习指导,图4-3,等速运动规律的线图、等加速等减速运动规律的位移线图作图步骤，见图4-3和图4-4。,图4-4,二、学习指导,等加速等减速运动规律的速度曲线是连续的，不会出现刚性冲击。但在教材图4-8中A、B、C三处加速度曲线有突变，会产生有限值的惯性力而导致柔性冲击。因此，这种运动规律只适用于中低速场合。    对于上述两种运动规律，应能熟练画出它们的位移线图，并能掌握两种运动规律分别对机构产生的影响。除上述两种常用的运动规律外，从动件的运动规律还有简谐运动规律（也称余弦运动规律）和摆线运动规律（也称正弦运动规律）等。简谐运动规律起点和终点也有柔性冲击；而摆线运动规律对机构没有任何冲击。    绘制从动件位移线图时，横坐标代表凸轮转角或时间，比例尺可任意选取，而不影响凸轮轮廓的设计。对于直动从动件，其纵坐标代表位移，它的比例尺最好与凸轮轮廓的比例尺相同，以便在位移线图上直接截取线段绘制凸轮轮廓。对于摆动从动件凸轮机构的绘制，本教材未作要求，如需了解可参阅机械原理教材。,二、学习指导,4. 图解法绘制凸轮轮廓        要求能应用反转法原理绘制直动从动件盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线。根据从动件的位置，可将直动从动件盘形凸轮机构分为对心和偏置两种结构（图4-5，图4-6）。,图4-5                  图4-6,“反转法”设计凸轮轮廓的原理，见图4-7：     假设凸轮静止不动，从动件一方面随导路以-1转动，同时从动件又沿导路作往复运动。可画出从动件的各对应位置，顶点的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。,二、学习指导,图4-7,二、学习指导,(1) 滚子从动件盘形凸轮机构，在绘制凸轮轮廓时要把滚子中心视为尖顶从动件的尖顶，按其作图方法绘出一条理论廓线0，再以0上各点为圆心，以滚子半径为半径，画一系列小圆，然后作这些圆的内包络线，便是滚子从动件盘形凸轮的实际廓线。滚子从动件盘形凸轮的基圆仍在理论轮廓上度量。这里需要说明的是，在设计滚子从动件盘形凸轮机构时，常会认为图4-8由理论廓线0画一系列滚子，再作包络线求实际廓线的方法太麻烦，而采用从理论轮廓上B0、B1、B2、B3 , 沿相应导路截取线段等于滚子半径得到各点，将这些点连接起来即可找到“实际轮廓曲线”。然而由图4-4a可以看出，当从动件上升或下降时，实际轮廓线与滚子的切点大多不在导路上。因此，上述作图方法是不正确的。        (2) 对于偏置从动件盘形凸轮机构的设计，正确地划分凸轮的运动角是非常重要的，见图4-9。,二、学习指导,图4-8,二、学习指导,图4-9,二、学习指导,  凸轮机构设计中应注意的几个问题      滚子半径的选择    运动失真产生的原因是当凸轮理论轮廓外凸部分的最小曲率半径小于或等于滚子半径时，凸轮实际轮廓曲线发生相交或出现尖点（尖点容易磨损），使从动件不能按原有的运动规律运动，致使造成运动失真。    在设计滚子从动件盘形凸轮机构时，由于设计不当，有时凸轮实际轮廓会出现尖点或相交，此时可采取下列措施解决，以避免凸轮机构运动失真：     通过减小滚子半径使凸轮轮廓在任何位置既不变尖又不相交；     若滚子半径无法减小则应通过增大凸轮的基圆半径，以保证凸轮实际轮廓的最小曲率半径大于零。,二、学习指导, 凸轮机构的压力角     压力角指的是从动件上所受的法向力与受力点速度方向间所夹的锐角。或从动件运动方向和接触轮廓法线方向所夹的锐角，用 表示，见图4-10。  要求能用图解法确定从动件与凸轮轮廓在任意点接触时的压力角大小。由于凸轮轮廓上各点的压力角是变化的，在设计时应使最大压力角不超过许用值，即 max。,二、学习指导,图4-10,三、典型实例分析,例4-1  试设计一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构。已知凸轮以等角速度1逆时针方向转动，偏距e =10mm，凸轮的基圆半径 rb= 50mm，从动件的升程h=20mm，滚子半径rT =10mm，h=120 o，s=90 o，h=90 o，s=60 o。从动件在推程作等加速等减速运动，回程作等速运动。试用图解法绘制凸轮的轮廓。,三、典型实例分析,解：见教材图4-4a。     1选定适当的比例尺，确定凸轮的回转中心O ，以rb为半径作基圆，以e为半径作偏距圆，过偏距圆的K点作直线沿从动件导路方向与偏距圆相切，此导路与基圆的交点A0便是从动件滚子中心的初始位置；     2.  用相同的比例尺绘制从动件的位移线图，见图4-4a，绘制步骤如下：   作一直角坐标系，横坐标为凸轮转角(取任意长度表示凸轮回转一周的角度1=360)，纵坐标为从动件的位移(与凸轮基圆比例相同)，其升程 h=20mm；   以相应的比例将横坐标分成 h=120，s=90，h=90，s=60；,三、典型实例分析,(3) 作从动件的位移线图   从动件在推程作等加速等减速运动，其位移线图按前述方法及步骤绘制。    a) 沿1(t)轴将推程运动角h=120 分为6等分，得1、2、6各点；    b) 过原点O向左上方作射线OO与S2轴成某个合适的角度；    c) 将OO线段分成相等的两段并按149对称分割；  d)连接OA，过OO线的各分割点分别作OA的平行线，与OA线段分别相交，得1、2、6；过1、2、6点作横坐标的平行线，过