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1、机械设计原理与方法第一章 绪论绪论中将介绍三个问题n一.学什么n二.为什么要学n三.怎样学学什么内容，要求，术语，区别1.本课程的主要内容n机械设计原理与方法课程,是将传统的 和以及三门课程的主要内容有机结合的一门课程。n本课程的研究对象是机械。而机械则是机器与机构的总称。（在后面的3.术语中再详细说明）n本课程的研究内容大体为以下三部分： 1.机械的组成原理及机械运动学与动力学,机械系统方案设计理论与方法; 2.机械零部件的参数设计及结构设计的基本原理与方法; 3.机械精度设计的基本原理与方法。2.本课程的基本要求n了解平面机构的组成原理n能对简单机构进行运动分析及力分析n能按几种常见已知条
2、件设计平面四杆机构n了解盘形凸轮轮廓曲线的设计方法n掌握几种常用传动基本参数和结构设计方法n了解轮系设计方法n了解几种其他常用机构n掌握飞轮转动惯量之简易计算法n了解刚性转子静动平衡原理n掌握简单机械运动方案设计的步骤与方法n能按国家标准在简单机械装置的装配图和零件图上标注尺寸公差和形位公差3.术语n机器-机器是执行机械运动的装置,它用来变换或传递能量、物料与信息。n动力机器-有电动机、内燃机n工作机器-有机床和汽车等n信息机器-有打字机等n机构-是实现预期的机械运动的实物 组合体 例如，内燃机由连杆机构、凸轮机构、齿轮机构组成4.机构与机器的特征有何不同？n机器有三个特征n机构具有机器的前两
3、个特征n机器的三个特征是：（1）它们都是一种人为的实物（机件）的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。（3）能够完成有用的机械功或转换机械能。为什么要学本课程是本专业的一门必修的重要专业基础课本课程是学习许多后续课程和从事机械设备设计的基础怎样学n本课程需要综合应用数学、机械制图、工程材料、机械制造基础、工程力学等先修课程的知识，偏重于应用。n不强调系统地理论分析及公式推导。n着重基本概念的理解和基本设计方法的掌握，着重理解公式建立的前提及意义和应用。认真及时独立完成每一次作业。n理论联系实际，充分重视结构设计，多观察现有实物或图样，上好实验课。n注重运用标准、规范、手册、图
4、册等有关技术资料。要早为课程设计作准备。n注重创新意识的形成。n打好基础，积极自学，注意发展，结合实际打好基础，积极自学，注意发展，结合实际 第二章平面机构的结构分析2.平面机构的结构分析2.1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的n判断所设计的机构能否运动判断所设计的机构能否运动n判断机构在什么条件下才具有判断机构在什么条件下才具有确定的确定的相对运动相对运动(不能任意拼凑不能任意拼凑）n对机构的结构进行分类对机构的结构进行分类2.2机构的组成n2.2.1 构件构件n构件是构件是运动的单元运动的单元n零件是制造的单元零件是制造的单元n构件可能是一个零件构件可能是一个零件,也可能是
5、几个零件刚性也可能是几个零件刚性组合在一起而形成组合在一起而形成n实例实例1 曲轴曲轴 单一整体单一整体 n实例实例2 连杆连杆 刚性组合刚性组合 （各（各 零件间零件间 无相对运无相对运动）有连杆体、连杆盖、螺栓、螺母等几个零动）有连杆体、连杆盖、螺栓、螺母等几个零件件曲轴（单一），连杆（组合）运动副n2.2.2 运动副及其分类运动副及其分类n运动副定义运动副定义:两两构件构件直接接触直接接触组成能相对组成能相对运动运动的的联接联接称为运动副称为运动副n实例实例:轴承轴承,轮齿啮合轮齿啮合(见图见图2-3,2-4)n运动副元素运动副元素:构成运动副的点、线、面构成运动副的点、线、面n高副与低
6、副高副与低副:n点或线接触点或线接触-高副高副n面接触面接触 - 低副低副低副， 高副 平面机构和空间机构n平面机构与空间机构平面机构与空间机构:n平面机构平面机构-所有构件都在同一平面或所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构相互平行的平面内运动的机构n空间机构空间机构-构件之间相对运动为空间构件之间相对运动为空间运动的机构运动的机构n本课程主要研究平面机构及其运动副本课程主要研究平面机构及其运动副运动副n低副又分为转动副和移动副低副又分为转动副和移动副n转动副转动副(回转副回转副)-相对运动为转动相对运动为转动n实例实例:固定铰链固定铰链(图图2-3),活动铰链活动铰链(图图2-5
7、)n移动副移动副-相对运动为直线移动相对运动为直线移动n实例实例:(图图2-6)n平面高副实例平面高副实例:(图图2-4齿轮轮齿构成齿轮轮齿构成的的)(图图2-7凸轮和推杆构成的凸轮和推杆构成的)转动（回转）副，移动副，高副2.2.3 运动链n若干构件通过运动副联接起来所构成的若干构件通过运动副联接起来所构成的系统系统-称为运动链称为运动链n运动链分为闭式和开式运动链分为闭式和开式n闭式运动链闭式运动链-每个构件至少包含每个构件至少包含两个两个运动运动副元素副元素(图图2-9c,2-9d)n开式运动链开式运动链-运动链中有的构件只包含运动链中有的构件只包含一一个个运动副元素运动副元素(图图2-
8、9a,2-9b)n生产中通常应用闭式链生产中通常应用闭式链n少数机械也有采用开式链的少数机械也有采用开式链的,如机械手和机器如机械手和机器人人2.2.4 机构n将运动链中的一个构件加以固定将运动链中的一个构件加以固定-成为机成为机架架-则这种运动链便可能成为机构则这种运动链便可能成为机构n注意注意:不能运动或无规则乱动的这种运动链并不能运动或无规则乱动的这种运动链并不能成为机构不能成为机构n研究机构运动研究机构运动,一般可以机架为参照系一般可以机架为参照系n原动件原动件-驱动机构运动的外力所作用的那驱动机构运动的外力所作用的那个构件个构件n从动件从动件-其余的构件其余的构件2.3 机构运动简图
9、n2.3.1 机构运动简图的用途机构运动简图的用途n使分析或设计机械的问题简化使分析或设计机械的问题简化n不考虑与运动无关的因素不考虑与运动无关的因素:构件外形和断构件外形和断面尺寸面尺寸,组成构件的零件数目组成构件的零件数目,运动副的具运动副的具体构造体构造n只考虑与运动有关的因素只考虑与运动有关的因素:构件数构件数,运动副运动副的类型和数目的类型和数目,运动副的相对位置运动副的相对位置2.3.2 机构运动简图的画法n机构运动简图机构运动简图-是用简单的线条和符是用简单的线条和符号来代表构件和运动副号来代表构件和运动副,并按一定的长度并按一定的长度比例尺表示各运动副的相对位置比例尺表示各运动
10、副的相对位置,这种用这种用来来说明说明机构各构件间机构各构件间相对运动关系相对运动关系的简的简单图形称之为机构运动简图单图形称之为机构运动简图n要正确画出机构运动简图要正确画出机构运动简图,首先要知道代首先要知道代表构件和运动副的规定符号表构件和运动副的规定符号(GB4460-84)1.运动副和构件的规定符号n表表2-1为常用机构运动简图符号为常用机构运动简图符号n见课本见课本P18-19表表2-2n见见P7-8表表1-15n两构件组成转动副两构件组成转动副,其表示法如图其表示法如图2-10n两构件组成移动副两构件组成移动副,其表示法如其表示法如 图图2-11a,b,cn两构件组成高副两构件组
11、成高副,在图中应画出两构件接触处在图中应画出两构件接触处的曲线轮廓的曲线轮廓,如图如图2-11d1.运动副和构件的规定符号n二副构件二副构件 见图见图2-12n三副构件三副构件 见图见图2-13,其中左图表示一其中左图表示一个构件上的三个转动副中心位于一条直个构件上的三个转动副中心位于一条直线上线上2.画机构运动简图的步骤n注意！注意！ 先分析先分析,后画图后画图n(1)分析分析 构件数构件数,固定件固定件,活动件活动件(原动件原动件,从动件从动件) 每两构件之相对运动每两构件之相对运动 (2)画图画图 注意五点注意五点 选视图选视图 一般可选平行于机构运动平面的平面一般可选平行于机构运动平面
12、的平面(有时也酌情选择有时也酌情选择) 确定机构的一个瞬时位置确定机构的一个瞬时位置 各构件应不重叠各构件应不重叠,使使图面清晰图面清晰 比例尺比例尺:l=实际尺寸实际尺寸(mm)/图示尺寸图示尺寸(mm) 几何作图几何作图 原动件用箭头标出运动原动件用箭头标出运动分析内燃机之连杆机构的运动构件数构件数:4,固定件固定件:机架机架,原动件原动件:活塞活塞,从动从动件件:连杆和曲轴连杆和曲轴,(活动件数活动件数:3) 每两个构件之间的相对运动每两个构件之间的相对运动: 活塞活塞机架机架 移动移动 活塞活塞连杆连杆 转动转动 曲轴曲轴连杆连杆 转动转动 曲轴曲轴机架机架 转动转动选符号内燃机中的连
13、杆机构运动简图机构模型的简图请看课本下册P733-743 22-5 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件22-6 平面机构的组成原理及平面机构的组成原理及 结构分析结构分析2.4 平面机构自由度的计算n2.4.1平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式 1.自由度与约束自由度与约束 构件所具有的独立运动数目构件所具有的独立运动数目(或确定构件位置的独立或确定构件位置的独立参变量的数目参变量的数目) 一个作平面运动的自由构件有一个作平面运动的自由构件有3个自由度（见图个自由度（见图2-15） 约束是指对独立运动所加的限制约束是指对独立运动所加的限制 当两个构件组成运动副后，受到约束，
14、自由度减少当两个构件组成运动副后，受到约束，自由度减少 低副引入低副引入2个约束个约束 高副引入高副引入1个约束个约束平面自由构件有三个自由度2.平面机构自由度计算公式n设某平面机构共有设某平面机构共有N个构件个构件,活动构件数活动构件数 n=N-1,n这些构件自由度总和为这些构件自由度总和为3nn当用当用PL个低副和个低副和PH个高副联接个高副联接,总约束数总约束数为为(2PL+PH)n机构的自由度机构的自由度 F=3n-2PL-PH (2-1) (2-1)式即平面机构自由度计算公式式即平面机构自由度计算公式,要牢要牢记记3.机构具有确定运动的条件n因为机构自由度还说明机构作确定运动因为机构
15、自由度还说明机构作确定运动所需给定的独立运动参数的数目所需给定的独立运动参数的数目,而一个而一个原动件给定一个独立参数原动件给定一个独立参数n例如电动机转子给定一个独立参数例如电动机转子给定一个独立参数n所以所以,机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是: 机构的原动件的数目机构的原动件的数目=机构的自由度数机构的自由度数实例（图2-16）（图2-14b）n原动件数目小于机构自由度数，运动不原动件数目小于机构自由度数，运动不确定确定n原动件数目大于机构自由度数，不能运原动件数目大于机构自由度数，不能运动动n原动件数目等于机构自由度数，运动是原动件数目等于机构自由度数，运动是确定的确定的
16、三个实例2.4.2 先找后算 注意三个问题注意三个问题n1.复合铰链复合铰链n2.局部自由度局部自由度n3.虚约束虚约束1.复合铰链n三个或更多个三个或更多个(m个个)构件组成二个或构件组成二个或(m-1)个共轴线的转动副称作复合铰链个共轴线的转动副称作复合铰链n不要少算不要少算n图图2-17复合铰链2.局部自由度n是与运动无关的自由度是与运动无关的自由度n或者说或者说,是机构中不影响其输入与输出运是机构中不影响其输入与输出运动关系的个别构件的独立运动自由度动关系的个别构件的独立运动自由度n典型实例典型实例:凸轮机构从动杆与滚子应看成凸轮机构从动杆与滚子应看成固连在一起作为一个构件来考虑固连在
17、一起作为一个构件来考虑n图图2-18,不能多算不能多算局部自由度3.虚约束(难点)n虚约束，所起的限制作用是虚约束，所起的限制作用是重复重复的的 n虚约束常出现于下列情况虚约束常出现于下列情况(图图2-20)n（1）两构件构成多个转动副，其轴线互）两构件构成多个转动副，其轴线互相重合时，只有一个转动副起约束作用，相重合时，只有一个转动副起约束作用，其余都是虚约束其余都是虚约束n（2）两构件构成多个移动副，其导路互）两构件构成多个移动副，其导路互相平行时，只有一个移动副起约束作用，相平行时，只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束其余都是虚约束 (1),(2)两种虚约束3.虚约束(难点)n(3)
18、机构中对运动不起作用的对称部分机构中对运动不起作用的对称部分(例如行星轮系例如行星轮系)(图图2-21)n(4)被联接构件上点的轨迹和机构上联接被联接构件上点的轨迹和机构上联接点的轨迹重合点的轨迹重合(例如火车车轮用联动的平例如火车车轮用联动的平行四边形机构行四边形机构)(图图2-19)n注意！虚约束要求构件有较高的制造精注意！虚约束要求构件有较高的制造精度和安装精度度和安装精度,否则虚约束就会成为真约否则虚约束就会成为真约束束F=34242=2F=3324=1（F3426=0）例题F=37-29-1=22.5 机构的组成原理及平面机构的结构分类n2.5.1 机构的组成原理机构的组成原理nF(
19、机构机构)=F(原动件原动件)+F（从动件（从动件)n一个原动件具有一个自由度一个原动件具有一个自由度n机构自由度数机构自由度数=原动件数目原动件数目nF=1(1/个个)F(个个)+0n因此因此,从动件系统的自由度为零从动件系统的自由度为零n从动件系统还可分解为若干个不可再分的自由度为零从动件系统还可分解为若干个不可再分的自由度为零的运动链的运动链(杆组杆组)n机构由机架原动件杆组所组成机构由机架原动件杆组所组成(见图见图2-23)2.5.2平面机构的结构分类n设杆组由设杆组由n个构件和个构件和PL个平面低副组成个平面低副组成n于是于是,F=3n-2PL=0,n或者或者,PL=(3/2)nnn=2,PL=3的杆组称为的杆组称为级组级组(图图2-24)nn=4,PL=6的杆组中常见为的杆组中常见为级组级组(都有都有一个包含三个低副的构件一个包含三个低副的构件)(见图见图2-25)级杆组拆杆组级杆组2.6 平面机构的高副低代n高副低代必须满足的条件高副低代必须满足的条件:n(1)代替前后机构的自由度完全相同代替前后机构的自由度完全相同n(2)代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同度完全相同n平面高副平面高副,可用可用一杆两低副代一高副一杆两低副代一高副n(详见图详见图2-26,2-27,2-28,2-29)一杆两低副代一高副