机械设计基础(哈理工大学编)

1、目目 录录n第第1章章 绪论绪论n第第2章章 机械制图基础机械制图基础 n第第3章章 机械常用材料和制造工艺性机械常用材料和制造工艺性n第第4章章 静力学简介静力学简介n第第5章章 材料力学简介材料力学简介n第第6章章 机械原理概论机械原理概论n第第7章章 平面机构的自由度平面机构的自由度n第第8章章 平面连杆机构平面连杆机构n第第9章章 凸轮机构凸轮机构n第第10章章 齿轮机构齿轮机构n第第11章章 轮系轮系n第第12章章 机械设计概论机械设计概论n第第13章章 联接联接n第第14章章 带传动带传动n第第15章章 链传动链传动n第第16章章 齿轮传动齿轮传动n第第17章章 蜗杆传动蜗杆传动n

2、第第18章章 轴轴n第第19章章 滑动轴承滑动轴承n第第20章章 滚动轴承滚动轴承n第第21章章 联轴器和离合器联轴器和离合器结束结束n第第1章章 绪论绪论n计划学时：计划学时：0.5h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n1.1 课程的性质和任务课程的性质和任务n1.2 机器的基本组成机器的基本组成n1.3 机械设计的基本原则和设计程序机械设计的基本原则和设计程序n1.4 设计人员的素质设计人员的素质n1.5 机械设计的新发展机械设计的新发展n基本要求基本要求: :n1) 搞清楚“学什么”、“为什么学”和“如何学”这三个大问题。 n2) 机器的基本组成。n

3、3) 机械设计的一般程序。n4) 设计人员的素质。n重点、难点：重点、难点：n1) 本课程的性质、特点和学习方法。n2) 机器的基本组成，机械和机构、零件和构件的概念与区别。n3) 机械设计的一般程序。机械设计基础讲义机械设计基础讲义返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回继续继续返回返回n第第2章章 机械制图基础知识机械制图基础知识n计划学时：计划学时：2.5h 制作人：向敬制作人：向敬忠忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n2.1 机械制图基本标准机械制图基本标准n2.2 投影与视图投影与视图n2.3 公差与配合和表面粗糙度公差与配合和表面粗糙度n2.4 零件图和装配图零件图和装配

4、图n基本要求基本要求:n1) 了解机械制图中的国家标准规定。n2) 掌握投影与视图的规律。n3) 掌握基孔制、基轴制、间隙配合、过渡配合、过盈配合的概念。n4) 能够读懂简单零件图、装配图。n重点、难点：重点、难点：n1) 投影与视图。n2) 零件图与装配图。n作业作业: 2.3、2.4、2.7、2.10机械设计基础讲义机械设计基础讲义返回返回2.1 机械制图基本标准机械制图基本标准n2.1.1 图纸幅面图纸幅面n2.1.2 图样比例图样比例n2.1.3 字体字体n 图样和技术文件中书写的汉字、数字、字母都应遵循GB/T1469193规定。n 字体高度代表字体号数，其公称尺寸系列为：1.8，2

5、.5，3.5，5，7，10，14，20mm。 n2.1.4 图线图线n2.1.5 剖面符号剖面符号 n2.1.6尺寸标注尺寸标注n 1基本规则基本规则 n 机件的实际大小应以图上所注尺寸数值为依据，与图形的大小和绘图的准确度无关。n 图样中的尺寸以毫米为单位，不需标注计量单位的代号或名称。如采用其他单位则必须注明其相应的计量单位的代号或名称。n 图样中标注的尺寸为该图所示机件的最后完工尺寸，否则应加以说明。机件的每一尺寸，一般只标注一次，并应标注在表示该结构最清晰的图形上。 n 2尺寸组成尺寸组成n 一个完整的尺寸由尺寸界线、尺寸线、尺寸线终端（多用箭头）和尺寸数字四部分组成。n 3几种常见要

6、素的尺寸的标注几种常见要素的尺寸的标注n （1 1）圆和圆弧尺寸的标注）圆和圆弧尺寸的标注 n n（2 2）角度尺寸的标注）角度尺寸的标注n（3 3）窄小尺寸的标注）窄小尺寸的标注 返回返回2.2 投影与视图投影与视图n2.2.1 投影的基本概念投影的基本概念n 1正投影法正投影法n 光源距物体无穷远时，投射线相互平行，这种投影称为平行投影。若投射线的方向与投影面倾斜，称为斜投影（图a）；如果垂直则称为正投影（图b），机械制图中主要应用正投影方法绘图。n n 2正投影的基本性质正投影的基本性质n （1）不变性不变性 n （2）积聚性积聚性n （3）类似性类似性n2.2.2 物体的三视图物体的三

7、视图n 1三视图三视图n 2三面投影的投影规律三面投影的投影规律n 主视图与俯视图，长对正；主视图与俯视图，长对正； n 主视图与左视图，高平齐；主视图与左视图，高平齐； n 俯视图与左视图，宽相等。俯视图与左视图，宽相等。 n 3基本形体的三面投影基本形体的三面投影n 棱柱 n 圆柱体 n 棱锥n2.2.3 机件的表达方法机件的表达方法n 1视图视图n （1）基本视图）基本视图 正六面体的6个面规定为基本投影面，把机件放在其中。向6个基本面投影所得的视图称为基本视图。6个基本视图分别为：主视图；俯视图；左视图；右视图；仰视图；后视图。n n（2）斜视图）斜视图n（3）局部视图）局部视图 n

8、2剖视图和剖面图剖视图和剖面图n （1）剖视图）剖视图n n （2）剖面图）剖面图n 剖面剖面 剖视剖视 n （3）局部放大图）局部放大图返回返回2.3 公差与配合和表面粗公差与配合和表面粗糙度糙度n2.3.1 公差与配合公差与配合n 设计给定的尺寸称为基本尺寸。零线代表基本尺寸的位置。由代表上下偏差的两条直线所限定的区域称为公差带。同一基本尺寸的孔与轴的结合称为配合。根据公差带的相对位置，配合分为间隙配合、过渡配合和过盈配合三大类。n 国家标准规定，孔与轴的公差带位置各有28个，分别用大写和小写拉丁字母表示。还规定了20个公差等级（即尺寸精度等级），用阿拉伯数字表示。n 配合制度有基孔制和基

9、轴制两种。 n n2.3.2 表面粗糙度表面粗糙度n 指零件表面的微观几何形状误差。它主要是加工后在零件表面留下的微细而凹凸不平的刀痕。 n表表2.5 用不同加工方法得到的用不同加工方法得到的 值值加工方法表面粗糙度 （m） 0.0120.0250.050.10.20.40.81.63.26.312.5刨削精粗钻削铰孔镗孔精粗滚铣精粗车精粗磨精粗研磨精粗返回返回2.4 零件图和装配图零件图和装配图n2.4.1 零件工作图零件工作图n 零件工作图是零件制造、检验和制订工艺规程的基本技术文件。它既要反映出设计意图，又要考虑到制造的可能性和合理性。因此零件工作图应包括制造和检验零件所需全部内容，如图

10、形、尺寸及其公差、表面粗糙度、形位公差、对材料和热处理的说明及其他技术要求、标题栏等。n2.4.2 装配图装配图n 表达机器或部件的工作原理、结构和零件之间的装配关系的工程图样称为装配图。它是机械设备设计、制造、安装、检验和使用的重要技术文件之一。n 1装配图的内容装配图的内容n （1 1）一组图形）一组图形 n （2 2）必要的尺寸）必要的尺寸n （3 3）技术要求）技术要求n （4 4）零件的序号、标题栏和明细表）零件的序号、标题栏和明细表返回返回n 2装配图的规定画法装配图的规定画法n （1 1）相邻零件相邻零件 n （2 2）剖面线的画法剖面线的画法 n （3 3）紧固件及实心零件的表

11、达方法紧固件及实心零件的表达方法n 3尺寸标注尺寸标注n （1 1）规格（性能）尺寸规格（性能）尺寸 n （2 2）配合尺寸配合尺寸 n （3 3）安装尺寸安装尺寸 n （4 4）外形尺寸外形尺寸 n （5 5）其他重要尺寸其他重要尺寸 在装配图中，除上述尺寸外还有其他一些重要尺寸需要标注，如某些重要零件之间及到尺寸基准的定位尺寸、主要运动件的运动行程及极限位置等。机器不同，这类尺寸的多少也不同。n 4. 技术要求技术要求n （1 1）装配要求）装配要求 机器在装配过程中应注意的事项，如构件的间隙量、接触率等。n （2 2）检验要求）检验要求 机器装配后的试验、性能检验、操作等方面的要求等。n

12、 （3 3）使用要求）使用要求 对于机器的使用、维修、保养等方面提出的要求。n 5. 读装配图读装配图n （1 1）概括了解）概括了解 根据标题栏、明细表及有关使用说明和工作说明等，概括了解部件的名称、性能和工作原理等。 n （2 2）分析视图）分析视图 根据明细表中零件的序号和名称，在装配图中找到各个零件的位置和范围，对照各个视图弄清零件的作用及该零件与其他零件的装配关系等。n （3 3）尺寸关系和技术要求）尺寸关系和技术要求 根据装配图中的尺寸和公差配合代号，可以进一步了解零件之间联接和装配关系。n （4 4）归纳总结）归纳总结 在对零件的形状、尺寸及各零件之间装配关系反复进行分析的基础上

13、，经归纳和总结，再结合部件的工作原理和技术要求，进一步深入分析部件的结构，就会得到一个完整、清楚的认识，达到读懂装配图的目的。 返回返回继续继续n第第3章章 机械常用材料机械常用材料和制造工艺性和制造工艺性n计划学时计划学时：2h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点 n3.1 机械常用材料机械常用材料n3.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能n3.3 影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素n3.4 材料的选用材料的选用n3.5 机械零件制造工艺性机械零件制造工艺性n基本要求基本要求: :n1) 机械中常用材料及其力学性能。 n2) 热处理中

14、与本课相关的基本概念。n3) 毛坯的制取方法和常用的切削加工方法。n重点、难点：重点、难点：n1) 金属材料的力学性能。n2) 热处理工艺对钢材综合机械性能的影响。n3) 机械零件的制造工艺性。n作业作业: : 3.1；3.3；3.4；3.5；3.6机械设计基础讲义机械设计基础讲义返回返回3.1 机械常用材料机械常用材料 机械常用材料机械常用材料 3.1 返回返回3.2 金属材料的力学性能金属材料的力学性能n3.2.2 材料的性能材料的性能 n （1）弹性）弹性 材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后材料恢复其原来形状的性能。n （2）刚度）刚度 材料在受力时抵抗弹性变形的能力。n （3）强度

15、）强度 材料在受力时抵抗塑性变形和断裂的能力。n （4）延伸性）延伸性 延伸性是衡量材料塑性性能的指标，它包括延伸率和断面收缩率两项。n 延伸率延伸率：试件拉断后，标距内的伸长量与标距原长之比的百分率。5%者为塑性材料，5%者为脆性材料。n 断面收缩率断面收缩率：试件拉断后，断裂处面积的缩小量与原面积之比的百分率。n （5）冲击韧性）冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力。在有缺口的试件上，缺口底部单位截面积所能承受的冲击功称为冲击韧度。n （6）硬度）硬度 硬度表示材料表面在一个小面积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常用的有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）。n （7）疲劳

16、强度）疲劳强度 在长时间交变载荷的作用下，有些零件会在应力远远小于屈服强度时发生突然断裂，这种现象称为疲劳疲劳。疲劳强度是指金属材料经无数次交变载荷作用仍不断裂的最大应力。返回返回3.3 影响钢材力学性能的影响钢材力学性能的主要因素主要因素n（1 1）含碳量的影响）含碳量的影响 n（2 2）合金元素的影响）合金元素的影响n（3 3）温度的影响）温度的影响n（4 4）热处理工艺的影响）热处理工艺的影响 n 热处理热处理将工件加热到一定温度，进行必要的保温，然后以一定的方法冷却(冷却方法不同，其冷却速度则不同，如水冷、空冷)，以改善其组织结构，从而得到所需的综合机械性能(如强度、韧性、硬度等) 的

17、工艺方法。n 退火退火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，然后随炉冷却的工艺方法；n 正火正火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，在空气中冷却的工艺方法；n 淬火淬火将工件加热到临界温度以上，进行必要的保温，如果在水或油中冷却称之为淬火。n 回火回火如果加热到临界温度以下，保温后空冷或油冷，称之为回火。n 调质调质淬火后高温回火称为调质。n 表面淬火表面淬火如果将工件表面迅速加热到临界温度以上，不等热量传至工件中心就快速冷却的工艺方法称之为表面淬火。n 除此之外还有化学热处理化学热处理，即将不同元素的活性原子渗入到工件表面的热处理方法，如渗碳渗碳、氮化氮化和氰化氰化等。热处理工艺的

18、目的和应用见书中 表表3.2。返回返回3.4 材料的选用材料的选用n 选择材料主要应考虑3个方面问题：使用要求、工使用要求、工艺要求和经济要求艺要求和经济要求。n 表表3.33.3列出了几种常用材料的机械性能指标，以供选材时参考。 3.5 机械零件的制造工艺性机械零件的制造工艺性n 1毛坯的制取毛坯的制取 n（1 1）型材）型材 型材的种类很多，如圆钢、方钢、钢管、钢板等，均可直接作为毛坯。n（2 2）铸造）铸造 铸造是将液态合金浇铸到具有与零件形状相适应的铸型的孔腔中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯的加工方法。n（3 3）压力加工）压力加工 压力加工是在外力的作用下，通过使金属在固态下发生塑

19、性变形，而获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的加工方法。锻造、冲压和轧制均为压力加工的一种生产方式n （4）焊接）焊接 焊接实质是通过加热或加压，或两者并用，并且用（有时可不用）填充材料，使焊件达到原子结合的一种加工方法。 返回返回n 2常见的切削加工方法常见的切削加工方法n （1 1）车削加工）车削加工 车削加工是指在车床上用车刀加工工件的工艺过程。n（2 2）铣削加工）铣削加工 铣削加工是指在铣床上用铣刀加工工件的工艺过程。它是平面加工的主要方法之一，常用于加工各类沟槽。n（3 3）刨削加工）刨削加工 刨削加工是指在刨床上用刨刀加工工件的工艺过程。它是平面加工的主要方法之

20、一，常用于加工各类直槽。n（4 4）磨削加工）磨削加工 磨削加工是用砂轮或其他磨具切除工件多余材料的加工方法，是零件精加工的主要方法之一。n（5 5）钻削加工）钻削加工 钻削加工是指在钻床上用钻头加工工件的工艺过程。它是孔加工的一种基本方法，称为钻孔。n 3零件的热处理及装配零件的热处理及装配n为了避免热处理时变形、开裂或降低热处理质量，零件的几何形状应简单、对称、长径比不可太大，应尽量减少应力集中源，截面均匀，无锐边和尖角，应避免盲孔、配作孔和局部渗碳、局部渗氮等。零件也应有足够的刚度。n机器工作一定期限之后，需要进行检修。因此，工艺性还必须包括零件装拆的可能性和方便性。 返回返回继续继续返

21、回返回返回返回机械设计基础讲义机械设计基础讲义 n第第4章章 静力学简介静力学简介n计划学时：计划学时：1h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n4.1 静力学中的基本概念和公理静力学中的基本概念和公理n4.2 汇交力系汇交力系n4.3 力偶系力偶系n4.4 平面一般力系平面一般力系n基本要求基本要求:n1) 静力学中的公理、基本定律、基本概念。 n2) 了解平面汇交力系、力偶系、一般力系。n重点：重点：n1) 静力学中的公理、基本定律、基本概念。n难点：难点：n1) 平面一般力系的计算n作业作业: 4.1；4.2；4.4；4.5 返回返回返回返回4.2 汇

22、交力系汇交力系返回返回4.3 力偶系力偶系返回返回返回返回继续继续机械设计基础讲义机械设计基础讲义n第第5章章 材料力学简介材料力学简介 n计划学时计划学时：2h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n5.1 材料力学的基本概念材料力学的基本概念n5.2 轴向拉伸与压缩轴向拉伸与压缩n5.3 剪切剪切n5.4 圆轴扭转圆轴扭转n5.5 梁的平面弯曲梁的平面弯曲n5.6 强度理论强度理论n5.7 动载荷与交变应力动载荷与交变应力n基本要求基本要求:n1) 掌握变形体、内力、应力、应变、许用应力、动载荷与交变应力的概念。 n2) 掌握轴向拉伸与压缩、剪切、扭转、平

23、面弯曲的变形特点，并了解它们的内力、应力、变形的计算以及相应的强度、刚度条件。n3) 了解强度理论。n重点：重点：1)基本概念。2) 基本变形的特点。n难点：难点：1)基本变形的特点及内力、应力计算。n作业作业: 5.1；5.2；5.8 返回返回5.1 材料力学的基本概念材料力学的基本概念n5.1.1 5.1.1 材料力学的任务材料力学的任务n 在静力学中，研究了物体的受力分析和力系的平衡条件,分析组成机器和设备的构件的受力状态。分析这些构件在载荷作用下，是否能安全可靠地进行正常工作，这是材料力学所要研究的内容。n 保证机器和设备的每一个构件在载荷作用下能正常工作，构件必须满足下述几个要求：n

24、 构件在载荷作用下必须不致破坏，或者说，构件必须具有一定的强度强度。n 构件在载荷作用下的变形必须在许可的范围内，或者说，构件必须具有一定的刚度刚度。n 在载荷作用下，构件必须保持其原有的平衡状态，或者说，构件必须具有一定的稳定性稳定性。n 在保证满足上述三方面要求的同时，要尽量选用适当的材料和减少材料的消耗量，以达到节约资金的经济要求。n 综上所述，材料力学的任务就是对构件进行强度、对构件进行强度、刚度和稳定性的分析和计算，在保证构件能正常、安刚度和稳定性的分析和计算，在保证构件能正常、安全地工作的前提下最经济地使用材料全地工作的前提下最经济地使用材料。n5.1.2 5.1.2 变形体的性质

25、及其基本假设变形体的性质及其基本假设n 在材料力学中，主要研究材料在弹性阶段内的受力性质。下面对变形体介绍几个基本假设和概念，作为理论分析的基础。 n (1) (1) 材料的均匀连续假设材料的均匀连续假设 假设物体的性质在各处都是相同的，而且构成物体的物质是毫无间隙地充满了物体的整个几何容积。 n (2) (2) 材料的各向同性假设材料的各向同性假设 假定材料在各个不同的方向都具有相同的力学性质。 n (3) (3) 变形很小的假设变形很小的假设 假定物体的几何形状及尺寸的改变与其总尺寸相比较是很微小的。n5.1.35.1.3 构件及杆件变形的基本形式构件及杆件变形的基本形式n1. 杆或杆件杆

26、或杆件长度远大于它的横向尺寸n 杆的各横截面形心的连线，称为杆的轴线。若杆的轴线是曲的，称为曲杆曲杆；若杆的轴线是直的，则称为直杆直杆。垂直于杆轴线的截面，称为杆的横截面；通过直杆轴线的截面，称为杆的纵截面 。n 直杆与曲杆直杆与曲杆 杆的纵截面杆的纵截面 n2. 板或壳板或壳构件的厚度远小于其他两个方向的尺寸。中面是平面为板板；中面是曲面为壳壳 。n 材料力学研究的对象主要是杆，而且大多是直杆。 n板与壳 n由于外力引起杆件变形，主要有下列几种基本形式：由于外力引起杆件变形，主要有下列几种基本形式： n（1 1） 轴向拉伸及压缩轴向拉伸及压缩 n（2 2） 剪切剪切 n（3 3） 扭转扭转n

27、（4 4） 弯曲弯曲 返回返回返回返回返回返回返回返回5.5 梁的平面弯曲梁的平面弯曲 n5.5.1 5.5.1 平面弯曲的特点和梁的基本类型平面弯曲的特点和梁的基本类型n 机械结构中最常遇到的弯曲形式是平面弯曲,杆件变形后，它的轴线在纵对称面内成一条平面曲线。工程上对于受力后产生弯曲变形的杆，一般称为梁。截面大小不变，轴线为直线的梁称为等直梁。 n根据梁的支承情况，梁的基本类型有三种： n (1) (1) 简支梁简支梁 它的特点是一端为固定铰链支座，另一端是活动铰链支座。n (2) (2) 悬臂梁悬臂梁 它的特点是一端固定，一端自由。 n (3) (3) 外伸梁外伸梁 它的特点也是用一个固定

28、铰链支座和一个活动铰链支座支承的，不过梁的一端或两端是外伸的。n图5.22 吊车横梁内力分析 图5.23 弯矩的正负号返回返回返回返回返回返回继续继续机械设计基础讲义机械设计基础讲义n第第6章章 机械原理概论机械原理概论 计划学时：计划学时：0.2h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n机械原理概论机械原理概论n基本要求基本要求:n1) 构件与零件、机构与机器的概念及其差别。 n重点、难点：重点、难点：n1) 构件与零件、机构与机器的概念及其差别。n作业作业: 6.1返回返回n 机械原理是一门以机构和机器为研究对象的科学。n图6.1 内燃机n 机器这一概念多

29、少年来已经在人们的头脑中形成，而且还在不断发展。在现代生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段。n 机器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。凡将其他形式能量变换为机械能的机器称为原动机，如内燃机、电动机（分别将热能和电能变换为机械能）等都是原动机。凡利用机械能去变换或传递能量、物料和信息的机器称为工作机，如发电机（机械能变为电能）、起重机（传递物料）、金属切削机床（变换物料外形）、录音机（变换和传递信息）等都属于工作机。 机械原理概论机械原理概论n 如图6.1所示为单缸四冲程内燃机。它是由汽缸1、活塞2、进气阀3、排气阀4、连杆5、曲轴6、

30、凸轮7、顶杆8、齿轮9和10组成的。活塞的往复移动通过连杆转变为曲轴的连续转动。凸轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。三个齿轮保证进、排气阀和活塞之间形成有一定节奏的动作。又如图6.2所示为一工业机器人，它由铰接臂机械手1、计算机控制器2、液压装置3和电力装置4组成。当机械手的大臂、小臂和手按指令有规律的运动时，首端夹持器（图中未示出）便将物料搬运到预定的位置。在这部机器中，机械手是传递运动和执行任务的装置，是机器的主体部分，电力装置和液压装置提供动力，计算机实施控制。n图6.2 工业机器人 n 可以看出，虽然各种机器的结构、形式和用途各不相同，但它们都具有以下3个共同的特征，即：n 它们都是

31、各种材料做成的制造单元（通称为零件）经装配而成的各个运动单元（通称为构件）的组合体；n 各个运动单元之间具有确定的相对运动，即当其中一个运动部分位置确定时，则其余各部分的位置也就跟着确定了；n 在生产过程中，它们能代替人类的劳动来完成有用的机械功（如机器人仿人工作）或转换机械能（如内燃机、电动机分别将热能和电能转换成机械能）。n由此可见，具有上述3个特征的就是机器机器。n机器中的构件可以是单一的零件，也可以是由几个零件装配成的刚性结构。所以说构件和零件是两个不同的概念，构件是运动单元，而零件是制造单元构件是运动单元，而零件是制造单元。在 “机械原理”课程中，将构件作为研究的基本单元。n 仔细分

32、析机器的实例，我们还会发现这样的事实，一般机器还不是能实现预期运动的最基本的组合体。在图6.1所示的内燃机中，活塞、连杆、曲轴和气缸体组合起来，可将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动；凸轮、顶杆和气缸体的另一组合，可将凸轮的连续转动变成顶杆的按另一种预期运动规律的往复移动；而3个齿轮与气缸体组合在一起后，又可将转动变快或变慢，甚至改变转向。这些具有各自运动且均含有一个机架（这里是气缸体）的组合体才是基本的。人们将能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体称为机构机构。因此，机器应是由各种机构所构成的系统。多数机器都包含若干个不同的机构，上述内燃机就包含了曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构

33、等3n个不同的机构。最简单的机器只含有一个最简单的机构，如电动机、鼓风机等只含有一个双杆回转机构。从结构和运动的观点看，机器和机构两者之间并无区别，所以常用机械一词作机构和机器的总称。n 机械原理主要研究机械中常用机构（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和间歇运动机构）的功用、特点和传动特性；研究机器动力学的基本知识；研究机构的组成及机构运动的可能性和确定性；研究机构的运动分析，掌握按已知条件来设计新机构的方法。n为了在有限的学时中能对机器中最典型和常用的机构有深入的探讨，故本课程以作平面运动的平面机构为主要内容。n 近年来，由于电子计算机的使用，给机械原理的研究提供了先进的工具和方法，使解决

34、机构分析和综合中的一些复杂问题成为实际可能。另一方面，测试技术的发展也为机械运动学和动力学创造了有利条件。可以断言，随着时间的推移，由于电子计算机技术和测试技术以及优化方法和可靠性技术的应用，会使机械原理这门学科得到新的发展，使机械原理的理论在工程实践中获得更加广泛的应用。返回返回继续继续n第第7章章 平面机构的自由度平面机构的自由度n 计划学时：计划学时：1.8h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n7.1 运动副及其分运动副及其分类类n7.2 平面机构运动简图平面机构运动简图n7.3 平面机构的自由度平面机构的自由度 n基本要求基本要求:n1) 运动副的

35、概念及其区别。 n2) 能够读懂机构运动简图。n3) 平面机构自由度的计算。n重点：重点：n1) 运动副的概念及其区别。n2) 平面机构自由度的计算。n难点：难点：n1）平面机构自由度的计算。n2）机构运动简图n作业作业: 7.2机械设计基础讲义机械设计基础讲义返回返回n 所有构件运动平面都相互平行的机构称为平面机平面机构构，否则称为空间机构空间机构。n 机构是由许多构件组成的。机构的每一个构件都以一定的方式与其他的构件相联接，且彼此之间存在一定的相对运动。两构件之间直接接触，又能作相对运动的联接，称为运动副运动副。n 平面运动副中，两构件之间的直接接触可分为点接触、线接触和面接触。故运动副通

36、常可以按构件的接触特性分为低副低副和高副高副两大类。n7.1.1 7.1.1 低副低副n 两构件通过面接触构成的运动副，称为低副。根据两构件间的相对运动形式，低副又分为移动副和转动副。若组成运动副的两个构件只能沿某一轴线相对移动，这种运动副称为移动副，如图7.1 所示。若组成运动副的两个构件间的相对运动为转动，则称为转动副或回转副，又称铰链，如图7.2 所示。 n图7.1 移动副 图7.2 转动副 7.1 7.1 运动副及其分类运动副及其分类n7.1.2 高副高副n 两构件通过点接触或线接触构成的运动副，称为高副。例如图7.3a）所示的凸轮1与从动件2的接触处构成的高副，图7.3b）所示的齿轮

37、1和齿轮2在接触点A处构成的高副。n 低副因其两构件接触处的压强小，故承裁能力大，耐磨损，寿命长，且因形状简单，所以容易制造，而高副则相反。但低副的两构件之间只能作相对滑动，而高副的两构件之间则可作相对滑动或滚动，或二者并存。 n a）凸轮高副 b）齿轮高副n图7.3 高副返回返回7.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图n 机构设计是复杂的，在分析过程中，除去实际机构中与运动无关的因素(如构件外形、组成构件的零件数目以及运动副的具体构造等)，仅用简单线条和规定的符号表示构件和运动副，并用一定的比例表示运动副的位置，这种用来说明机构各构件间相对运动关系的图形，称为机构运动简图。由此可见，机构

38、运动简图必须与原机构具有完全相同的运动特性，它不仅可以用来表示机构的运动情况，而且还可以根据机构简图对机构进行运动分析和受力分析。n7.2.1 运动副与构件的表示方法运动副与构件的表示方法n 图7.4所示是两个构件组成回转副的表示方法。用圆圈表示回转副，其圆心代表相对转动的轴线。若组成回转副的二构件都是活动件(如l，2)，则用图7.4a）表示。若其中有一个为机架，则在代表机架的构件上加斜线，如图7.4b）所示。n 图7.4 转动副符号 图7.5 移动副符号 n 图7.5所示是两构件(如1，2)组成移动副的表示方法。移动副的导路必须与相对移动方向一致。同前所述，图中有斜线的构件表示机架。 n 两

39、构件组成高副的表示方法如图n7.6所示。在简图中应当画出两构件n接触处的曲线轮廓，并使其接触点的n接触位置和曲率中心位置不变。 n 图7.6 高副符号n 在表达机构运动简图中的构件时，只需将构件上的所有运动副按照它们在构件上的位置用符号表示出来，再用简单的线条联成一体，如图7.7a），b）所示。 图c），d）分别表示具有3个运动副的构件的表示方法，超过3个运动副的构件的表示方法可依次类推。对于机械常用的构件和零件，可采用惯用画法，例如用细实线(或点划线)画出一对节圆来表示互相啮合的齿轮，用完整的轮廓曲线表示凸轮。其他零部件的表示方法可参看GB446084“机构运动简图符号”。n图7.7 构件表

40、示法n7.2.2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制n 绘制机构运动简图的一般步骤如下：n 分析机构运动，找出机架、原动件与从动件。 n 从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件之间相对运动的性质，确定活动构件数目、运动副的类型和数目。n 合理选择视图平面，应选择能较好表示运动关系的平面为视图平面。n 选择合适的比例尺，长度比例尺用表示，在机械设计中规定如下：n =实际长度图示长度 按比例定出各运动副之间的相对位置，用规定符号绘制机构运动简图。n 各转动中心标以大写的英文字母，各构件标阿拉伯字母，机构的原动件以箭头标明。n 下面举例说明机构运动简图的绘制方法。n 图7.8 抽水唧筒及机构

41、简图 返回返回7.3 平面机构的自由度平面机构的自由度 n 机构的各构件之间应具有确定的相对运动。不能产生相对运动或无规则乱动的一堆构件是不能成为机构的。为了使组合起来的构件能产生相对运动并具有运动确定性，有必要探讨机构自由度和机构具有确定运动的条件。n7.3.1 7.3.1 平面机构自由度及其计算公式平面机构自由度及其计算公式n 一个作平面运动的自由构件具有3个独立运动的可能性。如图7.9所示，在直角坐标n系中，构件S可以随其在任一点An沿x轴及y轴方向移动和绕A点转动。n这种可能出现的独立运动称为构n件的自由度。n 当两个构件组成运动副之后，n它们的相对运动就会受到约束， 图7.9 平面机

42、构的自由度 n自由度数目也随之减少。不同种类的运动副引入的约束不同，所以保留的自由度也不同。低副中的转动副，约束了沿x轴的移动和y轴的转动两个自由度，只保留一个绕z轴转动的自由度，如图7.2所示；而移动副约束了沿y轴方向的移动和绕z轴转动两个自由度，只保留沿x轴方向移动的自由度，如图7.1所示。高副则只约束了沿接触处公法线n-n方向移动的自由度，保留绕接触处的转动和沿接触处公切线方向t-t移动的两个自由度，如图7.3所示。在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。 n 设平面机构共有N个构件，低副和高副数目分别为PH和PL，如将机构中

43、某一构件固定为机架，则机构中的活动构件数为n=N1。由于活动构件给机构带进3n个自由度，而机构中全部运动副所引入的约束总数为2PL+PH。因此活动构件的自由度总数减去由运动副引入的约束总数就是该机构的自由度，用F表示，即n 上式是平面机构自由度的计算公式。由公式可知，机构自由度的大小取决于活动构件的数目以及运动副的性质(低副或高副)和数目。n7.3.2 机构具有确定相对运动的条件机构具有确定相对运动的条件n 机构的自由度也就是机构所具有的独立运动的个数。为使机构具有确定的相对运动，还应使给定的独立运动数目等于机构的自由度。而给定的独立运动规律是由原动件提供的，通常每个原动件只具有一个独立运动规

44、律(如电动机转子具有一个独立转动，内燃机活塞具有一个独立移动)。所以机构具有确定的相对运机构具有确定的相对运动的条件动的条件是：n （1 1）F F 0 0； n （2 2）原动件的数目等于机构的自由度数。）原动件的数目等于机构的自由度数。n7.3.3 计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项n 计算平面机构自由度时，要注意以下几种情况。n n 1 1复合铰链复合铰链n 两个以上的构件在同一轴线上n用转动副连接起来形成复合铰链。n图为成的复合铰链，从图7.11b）n可以看出它们具有两个转动副。不n难推算，由K个构件汇交成的复合n铰链应当包含(K1)个回转副。 图7.11 复合铰

45、链n 例例7.37.3 计算图7.12所示圆盘锯主体机构的自由度。n 解解 机构中有7个活动构件，n =7， A，B，C，D 4处都是3个构件汇交成的复合铰链，各有二个回转副，故PL=10。由式(7.1)可得n nF与机构原动件个数相等。因此，当原动件8转动时，圆盘中心E将确定地沿直线EE移动。n图7.12圆盘锯主体机构的自由度 图7.13 局部自由度 n 2 2局部自由度局部自由度n在机构中常出现的与输出构件运动无关的自由度，称为局部自由度。在计算整个机构的自由度时，局部自由度应除去不计。n滚子是平面机构中局部自由度最常见的型式。如图7.13a）所示的凸轮机构中，为了减少高副接触处的磨损，在

46、原动件凸轮和从动件尖底之间安装了圆柱形滚子。滚子绕轴线C的自由转动丝毫不影响从动件尖底的运动。为了防止计算错误，在计算机构自由度时，可以设想将滚子与从动件焊成一体，如图7.13b）所示，预先排除局部自由度，然后进行计算。n 3 3虚约束虚约束n 在某些机构中，有些运动副带入的约束对自由度的影响是重复的。这些对机构运动限制作用的重复约束称为虚约束，在计算机构自由度时应当除去。常见的虚约束经常出现在以下场合：n 两个构件之间组成多个导路平行的移动副时，只有一个移动副起作用，其余都是虚约束。如龙门刨床中的两个平行的V形导轨。n 两个构件之间组成多个轴线重合的回转副时，只有一个回转副起作用，其余都是虚

47、约束。例如两个轴承支持一根轴只能看作一个回转副。n 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分。例如图7.14所示轮系，中心轮1通过三个对称布置的小齿轮驱动内齿轮3，其中只有一个小齿轮对传递运动起独立作用。 n1 中心轮 2 行星轮 3 固定内齿轮n图7.14 行星轮系中的虚约束n 当不同构件上的两点间的距离保持恒定时，如图7.15所示机车车轮联动机构中，ABCD为平行四边形，构件4平行于原动件l。因此机构在运动过程中，点B，F，D的运动轨迹完全相同，但由于构件3的加入，使机构增加了一个虚约束。 b）简图n1原动车轮 2连杆 3，4从动车轮 5车轴n图7.15 机车车轮联动装置 n 虚约束虽不影响

48、机构的运动，但能改善机构的受力状况和增加构件的刚性等，所以在结构设计中有着广泛的应用。在计算时，只有将机构运动简图中的虚约束排除，才能算出真实的机构自由度。n 例例7.47.4 计算图7.16a）所示大筛机构的自由度，并判断是否具有确定的运动。n 解解 机构中的滚子有一个局部自由度。从动件与机架在E和E组成两个导路平行的移动副，其中之一为虚约束。C处是复合铰链。在计算机构自由度的过程中，可将滚子与从动件焊成一体，去掉移动副E，并注明回转副的个数，如图7.16b）所示。可得n=7，PL=9,PH=1,则：n 此机构的自由度等于2，有两个原动件，因此，此机构具有确定的运动。n1原动曲柄 2原动凸轮

49、 3筛子n图7.16 大筛机构 返回返回继续继续机械设计基础讲义机械设计基础讲义n第第8章章 平面连杆机构平面连杆机构n 计划学时：计划学时：2.5h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n8.1 铰链四杆机构及其演化铰链四杆机构及其演化n8.2 平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的基本特性n8.3 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计n基本要求基本要求:n1) 铰链四杆机构及其演化形式。 n2) 铰链四杆机构基本参数及运动特性。n3) 掌握铰链四杆机构基本形式的判断。n重点：重点：n1) 铰链四杆机构的运动特性。n2) 铰敛四杆机构的曲柄存在条件。n3) 铰

50、链四杆机构基本形式的判断。n难点：难点：n1) 铰敛四杆机构的曲柄存在条件。n2) 平面四杆机构的设计n作业作业: 8.1返回返回n 平面连杆机构是机械中常用的机构之一，是由若干构件用低副低副(移动副移动副和转动副转动副)联接组成的平面机构。n 低副是面接触，耐磨损，加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简单，易于获得较高的制造精度。因此平面连杆机构在各种机械和仪器中获得广泛应用。连杆机构的缺点是：低副中存在间隙，容易产生积累误差；设计较困难，不易精确地实现复杂的运动规律。n 最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。它应用广泛，而且是组成多杆机构的基础，因此本章着重

51、讨论平面四杆机构。n8.1 铰链四杆机构及其演化铰链四杆机构及其演化n 当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰铰链四杆机构链四杆机构，如图8.1所示，是四杆机构中最基本的型式，其他类型的四杆机构都是在它的基础上演化而成的。 1，3连架杆 2 连杆 1 曲柄 2 连杆 3 摇杆n 4 固定件(机架)n 图8.1 铰链四杆机构 图8.2 调整雷达天线仰角的曲柄摇杆机构n 在图8.1所示的机构中，固定件4称为机架机架，与机架用转动副相联接的构件1和构件3称为连架杆连架杆，不与机架直接相联的构件2称为连杆连杆。在连架杆中能绕机架作360整周转动的连架杆称为曲柄曲柄；不能绕机架作360整周转动，而

52、只能绕机架作一定角度往复摆动的连架杆称为摇摇杆杆。n8.1.1 铰链四杆机构的基本类型铰链四杆机构的基本类型 n 1 1曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构n 在平面铰链四杆机构中除连杆和机架外，另外两个连架杆一个为曲柄，一个为摇杆的称为曲柄摇杆机构。n 当曲柄摇杆机构应用在搅拌机、n搬运机、放映机等机器中时，往往n是利用连杆曲线来完成工作要求的。n如图8.3所示的某种电影放映机中的n抓片机构。抓片爪固定在连杆2的En点上。曲柄1等速回转，当连杆上的nE点经过近似直线部分时，抓片爪就n插入影片孔，拨动影片往下移动一n幅；而当E点经过曲线部分时，抓片n爪就退出，此时影片停止不动。n柄如按一定的转速连续等速回

53、转，曲n柄便能使影片获得所需的间歇运动， 图8.3 电影放映机n满足电影放映的要求。 中的抓片机构n 2双曲柄机构双曲柄机构n 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。如图8.4所示惯性筛中的铰链四杆机构ABCD就是这类机构。n 1，3摇杆 2连杆 3固定架n 图8.4 惯性筛的铰链四杆机构 图8.5 鹤式起重机n n 当主动轮曲柄2作等速回转一周时，另一曲柄4便以变速回转一周，因而可使筛子6具有所需的加速度，利用加速运动的惯性力，使筛中的物料往复运动而达到筛分的目的。 n 3双摇杆机构双摇杆机构n 在铰链四杆机构中，两连架杆均为摇杆的称为双摇杆机构。如图8.5所示的鹤式起重机便是这种机

54、构的实例。在鹤式起重机的起重机构中，构件1和3都是摇杆。当摇杆1摆动时，连杆2上悬挂货物的E点便在近似的水平直线上移动。这样，在平移货物时，可避免不必要的升降，以保证货物平稳移动和减少能量消耗。 n8.1.2 铰链四杆机构的曲柄存在条件铰链四杆机构的曲柄存在条件 n 铰链四杆机构的3种基本型式，其区别在于连架杆是否为曲柄。而曲柄是否存在，取决于机构中各杆的尺寸和机架的选择。n图8.6 铰链四杆机构的曲柄存在条件的分析 n 设图8.6所示的铰链四杆机构中，各杆长度分别为a，b，c，d且AD为机架，AB为曲柄，CD为摇杆。为保证曲柄AB整周回转，点A，B，C必须分别在某两个位置达到共线，即图中虚线

55、所示的ABlCl和AB2C2，这时摇杆的相应位置分别为C1D和C2D，它们分别构成三角形AClD和AC2D，根据三角形两边之和必大于或等于(极限情况是等于)第三边定理，在AClD中可得： n n n n 上述关系说明：n 在曲柄摇杆机构中，曲柄是最短杆。n 最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆的长度之和，是曲柄存在的必要条件。n根据这一条件和机架变换的原理，若铰链四杆机构满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，而取不同构件为机架时，可得到不同类型的铰链四杆机构。如：n 1) 取与最短杆相邻的杆为机架，两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则得到曲柄摇杆机构。n 2) 取最短杆为

56、机架，两连架杆同时成为曲柄，则得到双曲柄机构。n 3) 取与最短杆相对的杆为机架，两连架杆都不能整周回转，则得到双摇杆机构。n 若铰链四杆机构中最短杆与最长杆的长度和大于其余两杆长度之和，则该机构中不存在曲柄，无论取哪个杆为机架，都只能得到双摇杆机构。n8.1.3 铰链四杆机构的演化铰链四杆机构的演化n 在实际生产中所用到的连杆机构，除了以上的基本型式之外还有很多。这些机构的外形和构造形形色色，各有不同。如果我们从机构各构件的相对运动形式分析各种机构，那么我们会发现很多平面连杆机构都是由典型的铰链四杆机构演化的。n 平面铰链四杆机构可通过扩大转动副、变更构件长度和变更机架等途径演化出其他平面连

57、杆机构。 n 1 1曲柄滑块机构曲柄滑块机构(变更构件长度) 如图8.7所示n a) 曲柄摇杆机构 b) 曲柄摇杆机构简化 nc) 对心曲柄滑块 d) 偏心曲柄滑块机构n图8.7 曲柄滑块机构 n 2 2导杆机构导杆机构（变更机架）如图8.8、8.9所示n 图8.8 导杆机构 图8.9 摆动导杆机构 n 此种机构广泛应用在摆缸式内燃机和液压驱动装置中。例如在图8.10所示卡车车厢自动翻转卸料机构中，当液压缸3中的压力油推动活塞杆4运动时，车厢1便绕回转副中心B倾转，当达到一定角度时，物料就自动卸下。n n图8.10 汽车自动卸料机构 图8.11 振动筛传动机构 n 平面四杆机构是平面连杆机构的

58、基本型式。在生产应用中，常将多个平面四杆机构组合在一起，形成平面多杆机构。如图8.11所示的惯性筛机构，是由构件1，2，3，4组成的双曲柄机构和由构件1，4，5，6组成的曲柄滑块机构组合而成的六杆机构。当主动曲柄2等速转动时，利用从动曲柄角速度的不断变化使筛6产生较大的加速度，对筛中的物料进行惯性筛分处理。返回返回返回返回返回返回继续继续机械设计基础讲义机械设计基础讲义n第第9章章 凸轮机构凸轮机构 n计划学时：计划学时：2h 制作人：向敬忠制作人：向敬忠n基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点n9.1 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型n9.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律n

59、9.3 用图解法设计盘形凸轮机构用图解法设计盘形凸轮机构n9.4 解析法设计凸轮机构解析法设计凸轮机构n9.5 设计凸轮机构应注意的几个问题设计凸轮机构应注意的几个问题 n基本要求基本要求:n1) 了解凸轮机构的应用和类型。 n2) 掌握从动件常用运动规律及其中的概念。n3) 了解凸轮机构的设计及应注意的问题n重点：重点：n1) 凸轮机构的应用和类型。n2) 从动件常用运动规律。n难点：难点：n1) 从动件常用运动规律。n2) 凸轮机构的设计。n作业作业: 9.1返回返回9.1 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型 n 凸轮机构是机械中一种常用的高副机构，在自动化和半自动化机械中得到了广泛

60、的应用。n 凸轮机构的优点是：只需设计出适当的凸轮轮廓，就可使从动件实现各种预期的运动规律，结构简单、紧凑、设计方便。其缺点是：凸轮与从动件为点接触或线接触，压强大，易于磨损，难加工，成本高。所以通常多用于传力不大的控制机构。 n9.1.1 凸轮的应用凸轮的应用n 1. 内燃机配气凸轮机构内燃机配气凸轮机构 n 图9.1所示为内燃机配气凸轮机构。原动凸轮1以等角速度连续回转，通过凸轮高副驱动从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。n n 图 9.1 内燃机配气机构 图 9.2 绕线机构 n 2. 绕线凸轮机构绕线凸轮机构 n 图9.2所示为绕线机中用于排线的凸轮机构。绕线轴3连续快速转动，经