机械设计基础 第五版 课件 CH00 绪论、CH01 平面机构的运动简图及自由度、CH02 平面连杆机构

第0章绪论——机械设计基础§0-1机器的组成及其特征

§0-2机械设计的基本要求及一般程序§0-3本课程的内容、性质和任务第0章绪论为了减轻劳动强度，改善劳动条件，提高生产效率创造和发展了各种机械。机械的种类繁多，其构造、性能和用途等各不相同。有必要从各类机器的共同特征出发，剖析其结构、研究其组成原理。§0-1机器的组成及其特征当从机械的组成分析，又有其共同特点，它们都由一些典型的机构和零件组成。我们将通过几个例子了解机械的组成、工作过程及它们所具有的共性。机器例１—内燃机机器例2—机械手小结机器一般是由一些典型的机构和零件组成。本课程就是以这些典型的机构和零件为研究对象。机器的组成：一台发展完善的现代化机器可由四部分组成：(1)原动机(2)传动机构(3)执行机构(4)控制系统：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。挖掘机齿轮减速器多缸内燃机名词术语机器(Machine)

：人类制造出来的、各组成部分具有确定相对运动的、可完成人们期望的预定职能（实现能量、物料、信息的变换或做机械功等）的实物组合。机构(Mechanism)

：实现某种特定运动的构件组合，是机器中的主体部分。机械(Machinery)：从研究运动和受力来看，机器与机构并无区别。因此，习惯上用“机械”一词作为机器和机构的总称。即：机械=机器+机构名词术语构件：组成机器的运动单元。

包括运动速度为零的单元），亦称为“杆”。零件：机器中不可分拆的基本制造单元。通用零件（各类机器中广泛应用的零件，如齿轮、螺栓、轴承等）。专用零件（仅出现在某些类机器中的零件，如曲轴、连杆、汽轮机叶片等）。构件与零件的区别？§0-2机械设计的基本要求及一般程序适用满足预期的功能要求，技术性能良好、便于操作和维护。可靠要有良好的性能稳定性和安全防护装置。前者是指在预期的使用期限内，完成预定功能的概率要高；后者是指在误操作或偶然事件作用下要能避免伤人损机。一、机械设计的基本要求经济机器的研制费用、使用费用尽可能低，生产效率尽可能高，使用寿命尽可能长。也就是要求有尽可能好的综合经济效果。美观造型优美、色调宜人。不同的使用者对造型是否优美有不同的评价，对工业设备来讲，色调宜人的含义应是：使人的中枢神经既不是太紧张，也不是太松弛，从而使人发挥最高的效能。二、机械设计的一般程序提出和制定产品设计任务书总体方案设计技术设计样机的试制和鉴定产品的正式投产三、现代机械设计的创新方法简述现代机械设计的特点现代机械设计的创新方法现代机械设计中常见的几种创新思维模式一、本课程的内容本课程实际上是《机械原理》和《机械零件》两课的合二为一。着重研究常用机构和机械中一般参数、一般工况的通用零件，具体内容如下：机械原理部分——研究常用机构(连杆、凸轮、齿轮、轮系和间歇运动机构)、机械运动理论的一些基本知识。机械零件部分——研究机械设计基础知识，常用联接，机械传动，轴系零、部件等，并扼要介绍国家标准和有关规范。§0-3本课程的内容、性质和任务二、本课程的性质

多数工程领域的工程技术人员，也会经常接触到各种类型的机械，他们应当具备一定的机械基础知识。因此，如同《机械制图》、《电工学》一样，《机械设计基础》是高校工科有关专业的一门重要的技术基础课。

技术基础课基础理论课工程专业课三、本课程的任务为学习有关专业机械设备课程提供必要的理论基础。使学生获得常用机械的工作原理，设备的正确使用与维护以及设备故障分析方面的基本知识。使学生学会使用手册和有关规范，具有设计机械传动装置和简单机械的能力。第1章平面机构的运动简图及自由度——机械设计基础§1-1平面机构的组成机构的组成要素是构件和运动副。(一)构件：机构中的运动单元体构件机架（固定构件）活动构件主动件(原动件或输入件)从动件(包括输出件)运动规律已知的活动构件称为主动件或原动件，输出运动或动力的从动件称为输出件。§1-1平面机构的组成（二）运动副运动副：机构中两构件直接接触的可动联接。运动副根据运动副的接触形式，运动副归为两类：1）低副：面接触的运动副。如转动副、移动副。运动副2）高副：点或线接触的运动副。如齿轮副、凸轮副。§1-2平面机构运动简图一、机构运动简图与机构简图机构运动简图：用规定的运动副符号及代表构件的线条来表示构件的运动特性，并根据运动学尺寸，按一定的比例画成的简单图形。机构简图：有时只需要表明机构运动的传递情况和构造特征，而不需要机构的真实运动情况，因此不必严格地按比例确定机构中各运动副的相对位置及其运动学尺寸，这样的简图就是机构简图。(1)构件均用直线或小方块表示，画有斜线的表示机架包含两个运动副的构件包含三个运动副的构件包含四个运动副的构件(2)两构件组成转动副时

图面垂直于回转轴线时用(a)；图面不垂直于回转轴线时用(b)表示，此时表示回转副的圆圈，其圆心与回转轴线重合。转动副的表达方法(3)两构件组成移动副时

导路必须与移动方向相一致移动副的表达方法(4)两构件组成平面高副时

运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，齿轮常用点画线画出其节圆；凸轮、滚子常画出其全部轮廓。平面高副的表达方法二、平面机构运动简图的绘制1.内燃机组成：汽缸体1、活塞2、进气阀3、排气阀4、连杆5、曲轴6、凸轮7、顶杆8、齿轮9、10其中：活塞的往复直线运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：曲柄滑块机构【例】绘制内燃机的运动简图。二、平面机构运动简图的绘制（1）分析机构的组成和运动。（2）确定运动副的类型和数目。连杆与活塞、曲轴分别组成转动副，活塞与机架组成移动副，曲轴与机架组成转动副。（3）选择视图平面。选择与各构件运动平面相平行的平面为视图平面，此处选与曲轴轴线相垂直的平面。（4）选择比例尺。绘制曲柄滑块机构的运动简图，并标注主动件的运动方式。内燃机的机构运动简图：§1-3平面机构的自由度机构的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。要判断构件系统是否为机构，就必须研究平面机构自由度的计算。一、平面机构的自由度构件未用运动副与其他构件联接前，有3个自由度低副使构件失去2个自由度高副使构件失去1个自由度平面机构自由度的计算公式平面机构的自由度：指机构中各活动构件相对机架的可能独立运动数目；＝活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数就是该机构的自由度。机构自由度:活动构件数高副(齿轮副、凸轮副)数目低副(转动副、移动副)数目一、平面机构的自由度例n=5,Pl=7,Ph=0F=3n–2Pl–Ph

=3×5–2×7–0=1解：二、计算机构自由度时应注意的问题（一）复合铰链由三个或者三个以上的构件组成的轴线重合的转动副称为复合铰链。由m个构件组成的复合铰链应含有（m－1）个转动副。惯性筛机构C处为复合铰链n=5,Pl=7,Ph=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl–Ph例46532172个移动副2个移动副1个转动副2个转动副（二）局部自由度1、局部自由度：机构中个别构件不影响其他构件的运动，即对整个机构运动无关的自由度。2、处理方法：在计算自由度时，拿掉这个局部自由度，即可将滚子与装滚子的构件固接在一起。计入局部自由度时

n=3,Pl=3,Ph=1F=3×3-2×-1=2

与实际不符应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作一个构件。处理方法：

N=2,Pl=2,Ph=1,F=3×2-2×2–1=1与实际相符（三）虚约束1、虚约束：在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动不起独立限制作用的约束。2、处理方法：将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无关的运动副一并不计。拿掉一个F＝－1的自由度，即去掉一个约束。1）机构中某两构件用转动副相联的联结点，在未组成运动副之前，其各自的轨迹已重合为一，则此联结带入的约束为虚约束。2）两构件组成的若干个导路中心线互相平行或重合的移动副，只有一个移动副起约束作用，其它为虚约束。◆计算中只计入一个移动副。

3）两构件组成若干个轴线互相重合的转动副，只有一个转动副起约束作用，其它为虚约束。◆计算中只计入一个转动副。4）机构中对运动不起独立作用的自由度F＝－1的对称部分，将产生虚约束。◆计算中应将对称部分除去不计。三、构件系统具有确定运动的条件不能产生运动

给定构件1运动参数=(t)

构件2、3的运动是确定的

三、构件系统具有确定运动的条件给定构件1运动参数=(t)，构件2、3、4的运动是不确定的

再给定构件4运动参数=(t)，构件2、3的运动是确定的三、构件系统具有确定运动的条件结论：

构件系统具有确定运动的条件为：（1）可能运动的条件是：机构自由度F>0；（2）具有确定运动的条件是：机构原动件数目（输入的独立运动数目）等于机构的自由度数目F。◆原动件数＜自由度数，机构无确定运动

；原动件数＞自由度数，机构在薄弱处损坏。TheEnd！第2章平面连杆机构——机械设计基础§2-1概述一、连杆机构是若干个构件全用低副（转动副、移动副、圆柱副等）联接而成的机构，故又称之为低副机构。二、连杆机构的分类1、根据构件之间的相对运动分为：平面连杆机构、空间连杆机构。2、根据机构中构件数目分为：四杆机构、五杆机构、六杆机构等。特点：优点1.低副是面接触，因此压强小、耐磨损。适用于载荷较大的场合。2.低副的接触面通常是容易加工的平面或圆柱面，容易获得较高的制造精度。3.低副的约束为几何约束，无需附加约束装置。4.连杆可做得很长，可较长距离传递运动。适合于操纵机构。5.能实现复杂轨迹。缺点1.低副存在间隙，会引起运动误差积累。不宜用于高精度。2.连杆机构设计复杂，难于实现复杂的运动规律。3.有相当部分构件处于变速运动中，存在惯性力。不适合高速。§2-2铰链四杆机构的基本型式及其演化一、平面四杆机构的基本形式

所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的最基本形式，其他形式的四杆机构都可以看成是在它的基础上通过演变而成的。在连杆架中，能饶其轴线回转360°者称为曲柄；仅能绕其轴线往复摆动者称为摇杆。根据连架杆运动形式的不同，可分为三种基本形式：1.曲柄摇杆机构在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆。

一般曲柄主动，将连续转动转换为摇杆的摆动，也可摇杆主动，曲柄从动。运动特点：曲柄摇杆机构应用实例曲柄摇杆机构应用实例2.双曲柄机构—两连杆架均为曲柄的四杆机构运动特点：从动曲柄变速回转双曲柄机构应用实例3.双摇杆机构—两连杆架均为摇杆的四杆机构双摇杆机构应用实例二、平面四杆机构的演化曲柄摇杆机构构件3弧形块在弧形槽内运动机构运动特性相同弧形槽半径无限大时弧形槽直槽转动副移动副构件3：摇杆滑块曲柄滑块机构1.

转动副转化成移动副2、取不同的构件为机架（机构的倒置）§2-3平面四杆机构的基本特性一、铰链四杆机构存在曲柄的条件设a＜d，则当AB

杆能绕轴A

相对于AD

杆作整周转动时，AB

杆必须占据与AD

杆共线的两个位置

a≤d，a≤b，a≤c

在△B’’C’’D中b≤(d-a)+c在△B’C’D中即a+b≤d+c

c≤(d-a)+b即a+c≤d+b

a+d≤b+c

将式3-1、3-2、3-3两两相加，可得即AB杆为最短杆若d

<a

，则作同样分析可得：d≤a，d≤b，d≤c

分析以上各不等式，可以得出平面铰链四杆机构存在曲柄的条件为：(1)连架杆与机架中必有一杆为四杆机构中的最短杆；(2)最短杆与最长杆之和应小于或等于其余两杆的杆长之和。（杆长和条件）可用以下方法来判别铰链四杆机构的基本类型：1、若机构满足杆长之和条件，则:（1）以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄，另一连架杆为摇杆，即该机构为曲柄摇杆机构；（2）以最短杆为机架，则两连架杆为曲柄，该机构为双曲柄机构；（3）以最短杆的对边构件为机架，均无曲柄存在，即该机构为双摇杆机构。2、若机构不满足杆长之和条件，则该机构只能是双摇杆机构。注意：铰链四杆机构必须满足四构件组成的封闭多边形条件：最长杆的杆长<其余三杆长度之和。二、急回特性曲柄AB为原动件作匀速转动，当它由AB1转到AB2位置时，转角φ1=180°+θ，摇杆由右极限位置C1D摆到左极限位置C2D摆角为ψ，当曲柄从AB2转到AB1时，转角φ2=180°-θ，摇杆由位置C2D返回C1D，其摆角仍为ψ,因为φ1>φ2

，对应时间t1>t2,因此摇杆从C2D转到C1D较快，即具有急回特性，其中θ为摇杆处于两极限位置时曲柄两个位置之间所夹的锐角，称为极位夹角，用θ表示。行程速比系数Ｋ急回特性常用行程速比系数Ｋ(摇杆反、正行程平均速度之比)来度量。根据行程速比系数的定义有：三、压力角和传动角F2

γFF1ABCDvcδ

压力角机构中驱使输出件运动的力与输出件上受力点的速度夹的锐角：

传动角压力角的余角：()F1机构传力为保证机构传力效果，须一般ABCD

γδvcFF2

γFF1ABCDvcδ

最小传动角当内夹角为锐角时，当内夹角为钝角时，当当结论：γmin出现的位置当∠BCD≤90°时，γ＝∠BCD当∠BCD＞90°时，γ＝180°-∠BCD当∠BCD最小或最大时，即在主动曲柄与机架共线的位置，都有可能出现γmin曲柄滑块机构与导杆机构的最小传动角对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。对于摆动导杆机构由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角等于90度。四、死点位置当机构处于传动角γ=0°(α=90°)的位置下，无论给机构主动件的驱动力矩有多大，均不能使机构运动，这个位置称为机构的死点位置。飞轮板紧力P除掉后，不论工件对机构的反作用力T多大，不会松开利用死点的例子工件夹紧机构§2-4平面四杆机构的设计简介四杆机构的设计，就是根据给定的运动条件来确定机构运动简图的尺寸参数。有时为使设计更加合理、可靠，还应考虑几何条件和动力学条件(如最小传动角要求)等。设计方法：图解法——简便直观，同时也是解析法的基础，应用较多。但由于其设计精度低，一般用于求解初始值。解析法——精度高，应用最为广泛，其缺点是不太直观。实验法——较为烦琐，而且精度也低，是不得已时才使用的方法。§2-4平面四杆机构的设计1.按给定连杆位置设计四杆机构已知：连杆BC长度及三个位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：设计铰链四杆机构设计步骤：①连接B1B2、B2