机械设计基础 第1章 平面机构2012

`教师:曾钢zg@

机电与信息工程学院机电工程系

绪论第一章平面机构的自由度和

速度分析第二章平面连杆机构第三章凸轮机构第四章间隙运动机构第五章机械的调速和平衡第六章机械零件设计和计算概论

第七章连接第八章带传动和链传动第九章齿轮传动第十章蜗杆传动第十一章轮系、减速器和无级变速传动第十二章轴第十三章轴承第十四章联轴器、离合器和制动器第十五章弹簧第十六章电力电气设备零件第十七章现代机械设计方法简介201248学时

绪论第一章平面机构的自由度和

速度分析第二章平面连杆机构第三章凸轮机构第四章间隙运动机构第五章机械的调速和平衡第六章机械零件设计和计算概论

第七章连接第八章带传动和链传动第九章

齿轮传动第十章蜗杆传动第十一章轮系、减速器和

无级变速传动第十二章轴第十三章轴承第十四章联轴器、离合器和制动器第十五章弹簧第十六章电力电气设备零件第十七章现代机械设计方法简介

0机械设计发展历史

1）古代：美索不达米亚：3000-4000B.C.发明轮和轴古希腊：弹射器，攀援器具，工程器械

0机械设计发展历史2）法，英（18-19世纪）*JamesWatt(1817,直线运动机构）,还有OliverEvans的研究.*Euler著有《机构分析》(1736-1742)*18世纪，法国理工学校(学院),工程专家聚集地(拉格朗日,傅立叶等)。其中安培(Ampere)(1775-1836)首先提出“运动学分析”.*英国剑桥大学R.Willis,1841年出版《机构原理》.总结五种运动：滚动、滑动、连接、缠绕、辘轳。还提出了“运动副”的概念。

*Reuleaux鲁柳克斯((1829-1905)1875著有《理论运动学》,提出

六种机械部件：连杆、轮、带、凸轮、螺旋、棘轮。肯尼迪译为英文。

提出高低副概念，提出运动简图的表达方法，沿用至今.瓦特蒙日安培鲁柳克斯

0机械设计发展历史3）欧洲（特别是德国,二战之前）4）美国（20世纪后半叶）

deJonge.R.Hartenberg.5）中国:先秦《墨经》,就提出“机械”构想明朝科学家宋应星《天工开物》初刊于1637年（明崇祯十年）。全书分为上中下三篇18卷。并附有121幅插图，描绘了130多项生产技术和工具的名称、形状、工序。卷分前后，乃“贵五谷而贱金玉”之义。盖人巧造成异物也。《彰施》（染色）、《粹精》（谷物加工）、《作咸》（制盐）、《陶埏》（陶瓷）、《冶铸》、《舟车》、《锤锻》、《播石》（煤石烧制）、《杀青》（造纸）、《五金》、《佳兵》（兵器）、《丹青》（矿物颜料）共18卷。天工开物

0-1研究对象及内容

0机器的功能：减轻劳动，传递物料、提高效率，

1机器的共同特征：？

1机器的共同特征：？

1机器的共同特征：？

1机器的共同特征：？实例：单缸内燃机气缸体1活塞2连杆3曲轴4齿轮5齿轮6顶杆8燃气进、排气凸轮7

1机器的共同特征：？

1机器的共同特征：？实例：牛头刨床滑块6曲炳5刨头8导杆7床身1滑块2电动机3

1机器的共同特征：？挖掘机动画大臂挖斗液压缸底座小臂

0-1研究对象及内容

机器的特点：人工创造，利用动力，执行运动，变革劳动方式

1机器的共同特征：（1）人有目的地将实物（零件）组合起来；（2）是执行机械运动的装置（确定的相对运动）；（3）代替或减轻人的劳动，完成有效的机械功（改变工作对象外形，性质及空间位置），或或作能量变换（机械->电,热->机械……）。机器的构成动力来源、工作单元0-1研究对象及内容零件1零件2零件3零件4零件5零件6燃气机器单缸内燃机曲柄滑块气缸体活塞连杆曲轴齿轮齿轮顶杆凸轮凸轮机构机构一部机器可包含一个或几个机构0-1研究对象及内容齿轮1轴2键3……曲柄滑块凸轮机构机器*人为的构件组合；*构件之间有确定的相对运动；*代替人的劳动，完成能量变换机构*人为的构件组合；*传递运动和力机械构件组成机构的各个相对运动部分单件元件的刚性组合机器的基本定义零件通用零件专用零件

课程研究重点几种最常用机构的组成形式和运动特性、选用原则、机器动力学入门通用机械零件特点、结构及原理、选用、使用及维护、设计计算、国标机器及其主要特征

现代机器及其组成

现代机器的概念用于完成包括机械力、运动和能量转换动力学任务的机械现代机器的定义：由计算机信息网络协调与控制的、和（或）机电部件相互联系的系统。

0-2在教学计划中的地位

0各种工业部门都要与通用机械或专用机械打交道是一门技术基础课。

初步获得选用、分析，以及维护保养简单的机械传动装置并能进行设计的能力，为学习专业设备中的机械部分打基础。

第一章平面机构的自由度和速度分析

1-1平面机构的运动简图(p.7)1-2平面机构的自由度(p.12)自由度第一章平面机构的自由度和速度分析

1-1平面机构的运动简图

（一）运动副及其分类（二）平面机构的运动简图运动副第一章平面机构的自由度和速度分析构件平面运动的自由度

自由构件作平面运动时的特点在Oxy坐标系中，自由构件S可随其上任一点A

沿x轴、y轴方向移动，

绕平面内某点A转动。这种可能出现的独立运动称为构件的自由度(F)。SA平面构件

F=3沿x轴方向移动,沿y轴方向移动,绕平面内某点转动。运动副—分类第一章平面机构的自由度和速度分析（一）运动副及其分类英国剑桥大学R.Willis,1841实例：曲轴与轴承，活塞与气缸、轮齿间、凸轮与气门顶杆按照接触特性:低副

高副按研究范围:平面运动副

空间运动副。使两构件之间直接接触并能产生一定相对运动的连接，称为运动副。低副：构件间通过面接触，约束两个方向的运动。高副：构件间通过线或点接触，约束一个方向的运动。低副分类—第一章平面机构的自由度和速度分析

（一）运动副及其分类两构件间只能绕同一轴线做相对运动，叫做转动副或铰链。移动副：两构件间只能沿某一轴线相对移动，叫做移动副。转动副其中一个件固定，叫固定铰链；若两个件都未固定，叫活动铰链。高副实例—第一章平面机构的自由度和速度分析

（一）运动副及其分类凸轮-从动件：齿轮对：组成平面高副二构件的相对运动可以是：*相对转动，*沿接触处切线方向的相对移动。高副实例2—第一章平面机构的自由度和速度分析

（一）运动副及其分类摩擦轮：万向节：在研究机构运动时，为了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉、注意保留与运动有关的外形，用国标规定的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定的比例表示各种运动副的相对位置。这种表示机构各构件之间相对运动的简化图形，称为机构运动简图。Reuleaux鲁柳克斯(

(1829-1905)1875著有《理论运动学》,第一章平面机构的自由度和速度分析（二）平面机构的运动简图构件间的相对运动与其某些外形因素无关，与构件数目、相关运动副数、类型和相对位置有关。平面机构的运动简图◆注意事项画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。第一章平面机构的自由度和速度分析机构运动简图符号（二）平面机构的运动简图（p.11)

运动副（低副）第一章平面机构的自由度和速度分析机构运动简图符号（二）平面机构的运动简图

运动副（高副）（二）平面机构的运动简图第一章平面机构的自由度和速度分析机构运动简图符号

构件练习:由机器模型画机构简图(p.12)固定铰链活动铰链活动铰链滑动副机架曲柄连杆滑块-活塞杆气缸体原动件！原动件？平面机构的运动简图◆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顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。机构运动简图第一章平面机构的自由度和速度分析一个独立平面构件自由度F=?3机架第一章平面机构的自由度和速度分析

1-2平面机构的自由度

（一）平面机构自由度计算公式（二）计算平面机构自由度时要注意的问题为使机构具有所需的确定的相对运动，需要研究机构的自由度和机构具有确定运动的定量化条件。（一）平面机构自由度计算公式构件自由度减少的个数，与引入的运动副种类有关。第一章平面机构的自由度和速度分析1-2平面机构的自由度转动副：F=3-2=1移动副：F=3-2=1（一）平面机构自由度计算公式构件自由度减少的个数，与引入的运动副种类有关。第一章平面机构的自由度和速度分析1-2平面机构的自由度高副：F=3-1=2转动+移动（一）平面机构自由度计算公式在平面机构中，每个低副使构件失去2个自由度，每个高副使构件失去1个自由度。第一章平面机构的自由度和速度分析1-2平面机构的自由度（一）平面机构自由度计算公式在平面运动链中，共有K个构件，除去自由度等于零的固定构件，则活动构件数n=K-1，其自由度总数为3n。第一章平面机构的自由度和速度分析1-2平面机构的自由度当运动副将构件连接起来后，构件因约束而自由度减少。若运动链中低副数目为pL个，高副的数目为pH个，则运动链因引入运动副而失去的自由度数应为2pL+pH个,该运动链的自由度数F应为：3n-2pL-pH（一）平面机构自由度计算公式第一章平面机构的自由度和速度分析1-2平面机构的自由度机构的自由度就是机构具有的独立运动的个数。为了使机构具有确定的相对运动，这些独立运动必须是给定的。由于只有原动件才能作给定的独立运动，因此机构的原动件数必须与其自由度相同。此外，F>0。

要使机构具有确定的相对运动，机构的自由度F=机构的原动件数，且F>0。★机构自由度的意义及具有确定运动的条件

机构的自由度数Ｆ和机构的原动件数M与机构的运动有着密切的关系：若Ｆ≤0，则机构不能动；若M＝Ｆ＞0，则机构各构件间的相对运动是确定的；若M＜Ｆ＞0，则机构各构件间的相对运动是不确定的；若M＞Ｆ＞0，则机构各构件间不能运动或产生破坏。平面机构的自由度

F

=3×4-2×5=21个原动件1-2平面机构的自由度F>0，但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。

F

=3×3-2×4=12个原动件F>0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。1-2平面机构的自由度第一章平面机构的自由度和速度分析

1-2平面机构的自由度例题1试计算如图内燃机中曲柄连杆机构的自由度。从机构简图，有曲柄、连杆和活塞（滑块）三个活动构件，n=3;组成了3个转动副和1个移动副，pl=4,ph=0,代入公式：F=3n-2pl-ph=3x3–2x4-0=1.机构有1个自由度,原动件1个,为活塞。

F>0,F=原动件数,机构有确定运动的条件。第一章平面机构的自由度和速度分析

例题2试计算如图牛头刨床中传动机构的自由度。从机构简图，有齿轮4,5、滑块2,6，导杆7和、滑块8等6个活动构件，n=6;组成了5个转动副和3个移动副和1个高副，即pl=8,ph=1,代入公式：F=3n-2pl-ph=3x6–2x8-1=1.机构有1个自由度,原动件1个,为齿轮4。

F>0,F=原动件数,机构有确定运动的条件。1-2平面机构的自由度第一章平面机构的自由度和速度分析

1-2平面机构的自由度

（二）计算平面机构自由度时要注意的问题复合铰链局部自由度虚约束问题1：复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。解决方案k个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了(k-1)个转动副。

F

=3×5-2×7=1!复合铰链

1-2平面机构的自由度（二）计算平面机构自由度时要注意的问题

F

=3×5-2×8=?（二）计算平面机构自由度时要注意的问题BCDEFH画直线机器：Peaucellier机构

發明出一種可以畫出直線的連動裝置是十九世紀後半葉著名的幾何問題。1864年，法國軍官Peaucellier發明了一種後人稱為Peaucellier儀器，從而解決了這個問題，這個Peaucellier儀器是利用到以下原理：复合铰链

1-2平面机构的自由度如果一個圓甲通過某一反演基準圓的圓心，則這個圓甲對反演基準圓的反演將是一條直線。（二）计算平面机构自由度时要注意的问题复合铰链k个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了

(k-1)个转动副。复合铰链

1-2平面机构的自由度（二）计算平面机构自由度时要注意的问题Peaucellier机构BCDE7个活动构件，机构B、C、D、E处均为复合铰链，各2个转动副，再加上F、H处，共10个转动副。FHF=3x7-2x10=1杆ED为原动件。H点做直线运动。应用：圆盘锯。解决方案计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度

1-2平面机构的自由度（二）计算平面机构自由度时要注意的问题局部自由度

问题2：局部自由度某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响整个机构运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。第一章平面机构的自由度和速度分析

1-2平面机构的自由度

（二）计算平面机构自由度时要注意的问题局部自由度

1324从动件2在滚子3驱使下上下往复运动。滚子自身的转动不影响整体自由度。所以从动件2与滚子间视为焊接。F=3X2-2X2-1=1

滚动代替滑动可提高使用寿命。去除局部自由度局部自由度例子凸轮

问题3：虚约束

在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。虚约束例子火车轮例题2试计算如图牛头刨床中传动机构的自由度。从机构简图，有齿轮4,5、滑块2,6，导杆7和、滑块8等6个活动构件，n=6;n=7?组成了5个转动副和3个移动副和1个高副，即pl=8,ph=1,代入公式：F=3n-2pl-ph=3x6–2x8-1=1.机构有1个自由度,原动件1个,为齿轮4。

F>0,F=原动件数,机构有确定运动的条件。场合一：两个构件之间形成多个运动副固定铰=齿轮体场合一：两个构件之间形成多个运动副

F

=1×3-2×2=-1解决方案计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为两个构件之间只形成一个运动副

F

=1×3-1×2=1两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副虚约束实例气缸体对顶杆支撑视为一个移动副两个轴承视为一个转动副场合二：机构中存在不起作用的对称部分为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分虚约束例子行星轮

虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率或者其它特殊需求；计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果这些条件被破坏，将转化为实约束，影响机构运动；虚约束问题小结：

机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以确保满足虚约束存在的条件。计算实例：大筛（惯性筛）例：计算大筛机构自由度构件总数：K=10组成：一个平面连杆机构一个凸轮机构活动构件n

=7Ph

=1，Pl=9(转7+移2)F

=3×7-2×9–1=2局部自由度虚约束复合铰链复合铰链？局部自由度？虚约束？维持正常运动，需两个原动件！原动件:曲柄AB凸轮F本章重点小结一、构件+运动副运动链机构机架原动件从动件三、机构运动简图的绘制二、运动链成为机构的条件：F>0,原动件数目等于自由度数目平面运动链自由度计算方法和注意事项自由度F=

3n-2pL-pH复合铰链？局部自由度？虚约束？机构组成要素的基本概念

（1）构件与零件

构件是机器中独立的运动单元体，零件是机器中加工制造的单元体，一个构件可以是一个零件，也可以是由若干个零件刚性联接在一起的一个独立运动的整体。

（2）运动副与运动副元素

运动副是两构件直接接触形成的可动联接，两构件上直接参与接触而构成运动副的部分--点、线或面称为运动副元素。

运动副的分类：

●根据构成运动副的两构件的接触情况，分为低副（面接触）高副（点或线接触）

●根据运动副两元素间相对运动的形式，两运动副元素间只能相互做平面平行运动的称为平面运动副，否则称为空间运动副。机构组成要素的基本概念

（3）运动链

运动链是两个构件或两个以上的构件通过运动副联接而成的相对可动的系统。运动链可以是首末封闭的闭链，也可以是未封闭的开链。

（4）机构

机构是用来传递运动和动力的装置。从运动的观点来看，机构是具有确定相对运动规律的构件组合体。从机构的组成来看，机构是具有一个固定构件的运动链。机构中的原动件运动规律是给定的，从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的结构。

（5）运动链成为机构的条件

取运动链中一个构件作为机架，运动链相对机架的自由度必须大于零，且原动件数目等于运动链的自由度数。作业P17－P181-1；1-3；1-5平面机构的自由度制动器2.2典型例题分析

例1图示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A来连续回转，而固定在A轴上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动达到冲压的目的。试绘出机构运动简图，分析是否能实现设计意图，并提出修改方案。

a)b)

解：

选取比例尺作机构运动简图，如图b)所示。

此图中，n=3,p5=4,p4=1,

F=3n-2p5-p4=3×3－2×4－1=0

计算结果表明该设计方案不能运动。事实上通过分析该方案的运动状况也可得出结论，因为构件3与构件4的铰接点不能同时实现沿CD方向的直线运动，又沿以B为圆心、LBC为半径的圆弧运动，因此不能实现设计意图。

为了实现设计意图，需在C处增加一个自由度，其改进后的方案如图c)、d)、e)、f)所示，它们的自由度都是1，等于机构中原动件的数目。C)d)

e)f)

由此题可以得出以下结论：

①判断运动链是否为机构，应满足的条件是：

●运动链中必须有一个固定构件，即机架；

●运动链必须可动，即F≥1；

●应具有确定运动，即原动件数目应等于其自由度的数目。

②在分析设计方案是否合理时，应首先画出方案的运动简图，根据运动链成为机构的条件，检验方案是否可行，并提出修改方案。

③增加机构自由度的方法是：在机构的适当位置添加一个活动构件和一个低副（如c、d、e三个方案）或者用一个高副代替原来机构中的一个低副（如f方案）

④从机构运动的角度来看，机构的组成可以有多种方案，例如本例还可以在运动副B处通过增加一个自由度进行改进。至于选定那一种修改方案最佳，还必须根据实际中的许多因素加以分析、比较、评价来决定。

本书主要阐述常用机构和通用机械零件的基本知识、基本理论、设计方法及使用和维护知识与第六版相比，本书增加了现代机械设计理论方法及微机电系统的内容，并对部分章节作了较大的修订。书末附有极限与配合、表面粗糙度、常用连接件及滚动轴承等相关国家标准，以供读者选用。

本书可作为高等学校非机械类各专业65学时左右的机械设计基础课程的教材，也可供有关工程技术人员参考和自学。目录主要符号表

常用单位

绪论

0-1本课程研究的对象和内容

0-2本课程在教学计划中的地位

0-3机械设计的基本要求和过程

习题

第一章平面机构的自由度和速度分析

1-1平面机构的运动简图

1-2平面机构的自由度

习题

第二章平面连杆机构

2-1平面四杆机构的基本类型

2-2平面四杆机构的特点及其设汁简介

习题

第三章凸轮机构

3-1凸轮机构的应用和分类

3-2从动件的常用运动规律

3-3按给定从动件运动规律绘制凸轮轮廓

习题

第四章间隙运动机构

4-1槽轮机构

4-2棘轮机构

4-3不完全齿轮机构

4-4凸轮间歇运动机构

习题

第五章机械的调速和平衡

5-1机器速度波动的调节

5-2机械的平衡

习题

第六章机械零件设计和计算概论

6-1机械零件的工作能力准则

6-2机械制造中常用材料及其选择

6-3许用应力和安全系数

6-4机械零件的工艺性和标准化

习题

第七章连接

7-1螺纹连接

7-2键连接

习题

第八章带传动和链传动

8-1带传动的特点

8-2带传动的主要型式

8-3带传动的受力分析

8-4带的应力分析

8-5带传动的弹性滑动及传动比

8-6普通V带传动的设计计算

8-7V带轮的结构

8-8张紧力、张紧装置和带传动的维护

8-9同步带