第二章机械设计概论

2.5机构运动简图及平面机构的自由度平面机构：所有构件都在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构2.5.1运动副及其分类运动副：使两构件直接接触并能产生一定的相对运动的联接称为运动副运动副分为：低副、高副第一页，共三十九页。1、低副：两构件通过面接触组成的运动副（1）转动副(铰链）组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动（2）移动副组成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动第二页，共三十九页。2、高副：两构件通过点或线接触组成的运动副球面高副

柱面高副第三页，共三十九页。第四页，共三十九页。空间运动副球面副螺旋副圆柱套筒副一切机械都是若干构件的组合体，这些构件由运动副相联接并具有确定相对运动。第五页，共三十九页。2.5.2平面机构运动简图机构运动简图：实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时,为使问题简化，撇开与运动无关的构件外形和运动副具体构造,仅用简单线条和符号来表示构件和运动副。

这种用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，以说明机构中各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简图第六页，共三十九页。（1）固定件（机架）：是用来支承活动构件的构件。（2）原动件：是运动规律已知的活动构件。它的运动是由外界输入的，故又称为输入构件。（3）从动件:

随着原动件的运动而运动的其余活动构件，其中输出机构的预期运动的从动件称为输出构件。任何一个机构中，必有一个固定件，一个或几个原动件，其余的都是从动件。

机构中的构件分三类：固定件（机架）原动件(主动件）从动件第七页，共三十九页。绘制机构运动简图的方法和步骤1.确定机构的原动件和输出构件，两者之间为传动部份，分析确定传动部份的构件及构件间运动副的类型，从而确定整个机构的构件及运动副。2.为将机构运动简图表示清楚，恰当地选择投影面。一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面，必要时也可以就机械的不同部分选择两个或两个以上的投影面，然后展开到同一平面上。3.选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便绘制出机构的运动简图。第八页，共三十九页。机构运动简图中的常用符号第九页，共三十九页。运动简图中的常用符号第十页，共三十九页。例2-1绘制如图所示颚式破碎机的机构运动简图第十一页，共三十九页。一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动。相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动称为构件的自由度运动副限制构件的独立运动即为引入约束2.5.3平面机构的自由度（1）转动副(铰链）（2）移动副各种运动副引入的约束第十二页，共三十九页。高副：第十三页，共三十九页。1平面机构自由度的计算公式

对于具有n个活动构件的平面机构，若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。机构的自由度F应为:

F=3n－(2PL+PH)=3n－2PL－PH2机构自由度的意义及具有确定运动的条件第十四页，共三十九页。例2.2例2.3例2.4第十五页，共三十九页。

综上所述，机构的自由度Ｆ、机构原动件的数目和机构的运动有着密切的关系：1)若机构自由度Ｆ≤０，则机构不能动；2)若Ｆ>０且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的，因此，机构具有确定的相对运动的条件是：机构的自由度Ｆ>０且机构的原动件数等于机构的自由度数；3)若Ｆ>0，而原动件数<F，则构件间的运动是不确定的;4）若Ｆ>０，而原动件数>F，则构件间不能运动或产生破坏。机构自由度的意义就是机构具有确定的相对运动时所必须给定的独立运动参数的数目。第十六页，共三十九页。3计算机构自由度时应注意的事项（1）复合铰链例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个构件汇集而成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。第十七页，共三十九页。（2）局部自由度

不影响机构输入与输出运动关系的个别构件的独立运动称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。第十八页，共三十九页。（3）虚约束第十九页，共三十九页。在运动副的约束中，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。在计算机构的自由度时，应将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。第二十页，共三十九页。虚约束对运动不起作用，但可以增加构件的刚性、使构件受力均衡。第二十一页，共三十九页。常见的虚约束有以下几种情况:１）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。带虚约束的凸轮机构第二十二页，共三十九页。２）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，其余转动副都是虚约束。带虚约束的曲轴第二十三页，共三十九页。3）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。带虚约束的行星轮系自由度：第二十四页，共三十九页。机构自由度计算举例图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，以达到刨削加工目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？图1第二十五页，共三十九页。解：首先计算设计方案草图的自由度改进措施：1、增加一个低副和一个活动构件；2、用一个高副代替低副。即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。第二十六页，共三十九页。2.6现代设计方法简介1．计算机辅助设计计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），简称CAD。它是把计算机技术引入设计过程，利用计算机来完成计算、选型、绘图及其它作业的一种现代设计方法。

第二十七页，共三十九页。2．优化设计优化设计（OptimalDesign）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。进行工程优化设计，首先需将工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。第二十八页，共三十九页。3．可靠性设计可靠性设计（ReliabilityDesign）是以概率论和数理统计为理论基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。产品可靠性的定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力。第二十九页，共三十九页。有许多力学和场问题，如复杂构件的变形与受力，弹流问题等，都很难得出解析解，通常只能求出数值解。常用的数值解法有：有限差分法和有限元法。差分法虽简单但采用的是正交网格，不宜逼近曲线边界；有限元法的网格则可逼近任何曲线边界，因而它是一种较通用的数值算法。4．有限元法（FiniteElementMethod）第三十页，共三十九页。5．工业艺术造型设计它是指在保证产品实用功能的前提下，用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动，对工业产品的结构尺寸、体面形态、色彩、材质、线条、装饰及人机关系等因素进行有机的综合处理，从而设计出优质美观的产品造型。实用和美观的最佳统一是工业艺术造型设计的基本原则。最终应使产品在保证实用的前提下，具有美的、富有表现力的审美特性。第三十一页，共三十九页。6．反求工程设计反求工程是消化吸化并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。它对提高我国的科技和管理水平有着重要的意义。它是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作机理，以进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。反求工程包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。第三十二页，共三十九页。7．模块化设计模块化设计是在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的不同选择和组合就可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。产品模块设计是用尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多种类和规格的产品。模块化设计具有如下优点：能减少产品的设计和制造时间，缩短供货周期，；有利于产品的更新换代和新产品的开发，；有利于提高产品质量，降低生产成本，；便于产品的维修。第三十三页，共三十九页。相似设计是相似性理论在机械领域的具体应用。是参考与所设计的内容相似的试验或设计结果来进行设计。相似设计包含下列四个方面：系列产品的相似设计：设计系列产品时，首先选定某一中档型号的产品为基型，对它进行最佳方案设计，定出其材料参数和尺寸。然后通过相似性原理求出系列中其它产品的参数和尺寸。模型试验：是指不直接研究自然现象或过程本身，而是用与这些现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法。

实物仿真：是对所研究和设计系统的模型进行试验的过程。仿真模型和实际现象一般是不同的物理过程，但过程的本质是能用相同的数学方程描述的。8．相似设计第三十四页，共三十九页。9．设计方法学设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法。它所研究的内容包括：（1）设计过程及程序。研究将功能要求转化为图纸的设计过程，总结设计思维规律，寻求合理的设计程序。（2）设计思维。研究设计中的思维规律，总结设计人员创造性思维的方法和技术。第三十五页，共三十九页。（3）设计评价。研究设计方案优劣的评价方法，建立评价指标体系，应用价值工程和多目标优化技术进行定性和定量的综合评价。（4）设计信息。研究能通过计算机调阅的设计信息库的建立和应用。（5）现代设计理论与方法的应用。研究如何把各种现代设计理论与方法应用到设计过程中去，实现设计自动化。第三十六页，共三十九页。2.6.2现代设计方法的特点现代设计方法的基本特点如下：（1）程式性（并行设计）：采用并行设计的思想，即设计者从设计开始就考虑到产品规划、方案设计、技术设计、施工设计、试验、试制、产品运行、维护等产品的整个寿命周期。（2）创造性：充分发挥人的创造性和能动性，力求开发创新产品。（3）系统性：强调用系统工程处理技术系统的问题。第三十七页，共三十九页。（4）最优化：设计追求性能好、成本低的价值最优；零部件参数、性能最优；产品的技术系统整体最优。（5）综合性：运用各种理论、方法和工具进行设计。（6）计算机化：将计算机全面地引入设计。第三十八页，共三十九页。内容总结2.5机构运动简图及平面机构的自由度。相对于参考坐标系，构件所具有的独立运动称为