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1、绪论0.1 0.1 机器的组成及特征机器的组成及特征0.2 0.2 课程的内容、地位和任务课程的内容、地位和任务0.3 0.3 学习方法学习方法0.1机器的组成及特征机器的组成及特征一、一、概念概念机机械械是是人人们们用用以以代代替替或或减减轻轻体体力力(脑脑力力)劳劳动动、改改善善劳劳动动条条件件、提提高高劳劳动动生生产产效效率率的的工工具具。在在日日常常生生活活和和工工作作中中,常常把把具具体的机械叫做机器。体的机械叫做机器。如如汽汽车车、飞飞机机、摩摩托托车车、起起重重机机、挖掘挖掘机、机、电风扇、电风扇、缝纫机、缝纫机、洗衣机等洗衣机等。0.1机器的组成及特机器的组成及特例例1：图：图
2、1-1单单缸缸内内燃燃机机由由：缸缸体体1、活活塞塞2、连连杆杆3、曲曲轴轴4、齿齿轮轮5和和6、凸凸轮轮轴轴7、进进气气门门顶顶杆杆8、排排气气门门顶顶杆杆9、进进气气门门10、排排气气门门11等等组组成成。图1-1单缸内燃机0.1机器的组成及特征机器的组成及特征例例112257891011当当燃燃气气在在气气缸缸内内推推动动活活塞塞作作往往复复移移动动时时,通通过过连连杆杆使使曲曲轴轴作作连连续续转转动动,经经进进气气压压缩缩爆爆燃燃排排气气的的循循环环过过程程,将将燃燃气气热热能能不不断断地转换为机械能地转换为机械能。0.1机器的组成及特征机器的组成及特征例2图1-2颚式破碎机：颚式破碎
3、机：在电动机在电动机1的轴上安装的轴上安装V带轮带轮2,通过通过V带带3驱动带轮驱动带轮4,偏心轴偏心轴5随之转动随之转动,使动颚使动颚6(动颚连在动颚连在肘板肘板8上上)产生摆动产生摆动,从而破碎从而破碎置于动颚置于动颚6与定颚与定颚7之间的物料之间的物料,完成有用的机械功。完成有用的机械功。图1-2颚式破碎机内内燃燃机机、破破碎碎机机都都是是执执行行机机械械运运动动的的装装置置,用用来来变变换换或或传传递递能能量量,以以代代替替人人的的劳劳动动。尽尽管管它它们们的的形形态态、性性能能、结结构构各各异异,但都具有以下共同特征但都具有以下共同特征:1.是一种人为实体的组合；是一种人为实体的组合
4、；2.各实体之间具有确定的相对运动；各实体之间具有确定的相对运动；3.能进行能量、能进行能量、物料或信息的变换与传物料或信息的变换与传递递,并完成有用的机械功或实现能量转换。并完成有用的机械功或实现能量转换。二、二、构件与零件、构件与零件、部件部件什么是构件？什么是构件？构件就是机构中的运动单元。构件就是机构中的运动单元。从从运运动动角角度度看看,构构件件是是一一个个具具有有独独立立运运动动的的单单元元体体,机机构构由由具具有有确确定定的的相相对对运运动动的的构构件件组组成成。构构件件可可以以是是一一个个独独立立的的零零件件,也也可可以以是是由几个零件刚性地连接组成的。由几个零件刚性地连接组成
5、的。从从制制造造的的角角度度看看,机机器器是是由由若若干干零零件件组组成成的的,零零件件是是最最小小的的制制造造单单元元。较较复复杂杂的的机机器器是是先先由由零零件件组组装装成成部部件件,再再由由零零件件和和部部件件组组装装成成机器机器。例：图例：图1-3内燃机连杆就是由单独加工的连内燃机连杆就是由单独加工的连杆体杆体1、连杆头连杆头2、轴套轴套3、轴瓦轴瓦4、螺栓螺栓5和螺母和螺母6等零件组成的。等零件组成的。图1-3内燃机连杆从从制制造造的的角角度度看看,机机器器是是由由若若干干零零件件组组成成的的,零零件件是是最最小小的的制制造造单单元元。较较复复杂杂的的机机器器是是先先由由零零件件组组
6、装装成成部部件件,再由零件和部件组装成机器。再由零件和部件组装成机器。0.2课程的性质、课程的性质、内容和任务内容和任务一、一、课程的性质与地位课程的性质与地位本课程是一门理论性、本课程是一门理论性、实践性、实践性、综合性较强的主干技综合性较强的主干技术基础课。术基础课。要综合应用工程力学、要综合应用工程力学、金属工艺学、金属工艺学、工程制图工程制图等课程知识解决机械设计中的问题等课程知识解决机械设计中的问题,较之以往的先行课更接较之以往的先行课更接近工程实际近工程实际,在教学中具有承上启下的作用在教学中具有承上启下的作用,是机械工程技是机械工程技术人员及管理人员必修的课程之一。术人员及管理人
7、员必修的课程之一。二、二、课程的内容和任务课程的内容和任务本本课课程程的的内内容容分分两两部部分分:一一是是常常用用机机构构及及通通用用零零部部件件的的工工作作原原理理、类类型型、特特点点、功功能能及及应应用用等等基基本本知知识识；二二是是机机构构的的基基本本理理论论和和设设计计方方法法,通通用用零零部部件件的的失失效形式、效形式、设计准则和设计方法。设计准则和设计方法。0.3课程学习特点课程学习特点在本课程学习中应注意以下几点在本课程学习中应注意以下几点:1)摸清规律摸清规律,系统学习。系统学习。本本课课程程内内容容以以篇篇、章章划划分分,各各篇篇内内容容联联系系密密切切,共共性性突突出出,
8、自自成成系系统统；各各章章内内容容特点明确特点明确,知识点突出。知识点突出。2)勤于观察勤于观察,善于思考。善于思考。本本课课程程涉涉及及知知识识面面广广,实实践践性性强强,重重要要的的是是如如何何综综合合运运用用诸诸多多知知识识,解解决决实实际际问问题。题。(3)注重实践注重实践,举一反三。举一反三。本课程学习中要多练习本课程学习中要多练习,多实践多实践,多做简单设计及模拟多做简单设计及模拟练习练习,并要举一反三并要举一反三,加深对理论和方法的理解和应用加深对理论和方法的理解和应用,在实在实践中学践中学,在学中用在学中用,努力提高工程实践能力。努力提高工程实践能力。(4)主次分明主次分明,灵
9、活应用。灵活应用。机械设计中许多理论源于实践并指导实践机械设计中许多理论源于实践并指导实践,教材中会介教材中会介绍很多经验公式、绍很多经验公式、参数表格及简单计算参数表格及简单计算,学习中要分清主次学习中要分清主次,注重应用注重应用,灵活掌握。灵活掌握。(5)注意综合归纳注意综合归纳,提高实践能力。提高实践能力。学习中要克服重视理论计算而忽视结构设计和工艺设学习中要克服重视理论计算而忽视结构设计和工艺设计的倾向计的倾向,注意综合归纳分析注意综合归纳分析,全面全面考虑各种因素考虑各种因素,求得最求得最佳效果。佳效果。第1章机械设计概论1.1机械设计的基本要求机械设计的基本要求1.2机械设计的内容
10、与步骤机械设计的内容与步骤1.3机械零件的失效形式及设计计算准则机械零件的失效形式及设计计算准则1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化机械零件设计的标准化、系列化及通用化1.1机械设计的基本要求机械设计的基本要求1.1.1、设计机械零件的基本要求、设计机械零件的基本要求零件工作可靠零件工作可靠零件在一定的工作条件零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称的能力，对载荷而言称为承载能力。为承载能力。成本低廉成本低廉1.合理选择材料合理选择材料,降低材料降低材料费用；费用；2.保证良好的工艺性保证良好的工艺性,减少减少制造费用；制造费用；3.尽量采用标准化
11、、通用化尽量采用标准化、通用化设计、简化设计过程从而设计、简化设计过程从而降低成本。降低成本。1.1.2、设计机械的基本要求、设计机械的基本要求实现预定功能定功能设计的机器应能实现预定功能，并在规定的工作条件下、规定的工作期限内能正常运转。为此，必须正确选择机器的工作原理、机构的类型和机械传动方案，合理设计零件，满足强度、刚度、耐磨性等方面的要求。满足可靠性要求足可靠性要求机械产品的可靠性是由组成机械的零、部件的可靠性保证的。只有零、部件的可靠性高，才能使系统的可靠性高。机械系统的零、部件越多，其可靠度越低。为此，要尽量减少机械系统的零件数目，并对系统可靠性有关键影响的零件，必须保证其必要的可
12、靠性。满足满足经济性要求性要求设计的机械产品应先进、功能强、生产效率高、成本低、使用维护方便、在产品寿命周期内用最低的成本实现产品的预定功能。确保安全性要求确保安全性要求要能保证操作者的安全和机械设备的安全，以及保证设备对周围环境无危害，要设置过载保护安全互锁等装置。推行推行标准化要求准化要求设计的机械产品规格、参数符合国家标准，零部件应最大限度的与同类产品互换通用，产品应成系列发展，推行标准化、系列化、通用化，提高标准化程度和水平。体体现工工艺造型美造型美观要求要求重视产品的工艺造型设计，不仅要功能强、价格低，而且外型美观、实用，使产品在市场上富有竞争力1实现预定功能实现预定功能2满足可靠性
13、要求满足可靠性要求3满足经济性要求满足经济性要求4操作方便、工作安全操作方便、工作安全5推行标准化要推行标准化要6造型美观、减少污染造型美观、减少污染1.2机械设计的内容与步骤机械设计的内容与步骤1.2.1、机械设计的内容、机械设计的内容理论设计、经验设计和模型设计理论设计、经验设计和模型设计1.2.2、机械设计的步骤、机械设计的步骤1.产品品规划划机械设计的任务是根据生产和市场需机械设计的任务是根据生产和市场需求提出的。求提出的。此时此时,对所要设计的机械只是对所要设计的机械只是个模糊的概念个模糊的概念。1.产品品规划划阶段阶段1.2机械设计的内容与步骤机械设计的内容与步骤2.方案方案设计阶
14、段段方案设计包括机械系统总体方案设计、方案设计包括机械系统总体方案设计、传动系统方案传动系统方案设计、设计、控制系统方案设计和其他辅控制系统方案设计和其他辅助系统设计。助系统设计。2.方案方案设计阶段段1.2机械设计的内容与步骤机械设计的内容与步骤3.技技术设计阶段段机械的结构和技术设计是根据机构运动简机械的结构和技术设计是根据机构运动简图提出合理的结构设计方案图提出合理的结构设计方案,进行产品的总体结进行产品的总体结构设计，构设计，部件和零件设计及绘制全部生产图纸部件和零件设计及绘制全部生产图纸,编制设计计算说明书、编制设计计算说明书、机械使用说明书、机械使用说明书、标准标准件明细表等技术文
15、件。件明细表等技术文件。3.技技术设计阶段段1.2机械设计的内容与步骤机械设计的内容与步骤4.施工、施工、设计、文件、文件编制制在完成产品基本设计的基础上在完成产品基本设计的基础上,根据设计任根据设计任务书务书,拟定评价标准和指标体系拟定评价标准和指标体系,对设计方案进对设计方案进行评估、行评估、审查、审查、决策决策,以进一步改进和完善设以进一步改进和完善设计计,提高产品的实用性、提高产品的实用性、可靠性和经可靠性和经济性。济性。4.施工、施工、设计、文件、文件编制制阶段阶段1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则零件不能正常工作的原因是什么？零件不能正常工作的原
16、因是什么？表明机械零件工作能力的因素有哪些？满足机械表明机械零件工作能力的因素有哪些？满足机械零件使用功能要求的计算准则包含了哪些内容？请你零件使用功能要求的计算准则包含了哪些内容？请你和我们一起来分析一下。和我们一起来分析一下。机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低至许机械零件丧失预定功能或预定功能指标降低至许用值以下的现象，称为机械零件的失效，强度不够所用值以下的现象，称为机械零件的失效，强度不够所引起的破坏是最常见的零件失效形式，但不是零件失引起的破坏是最常见的零件失效形式，但不是零件失效的唯一形式。设计零件所依据的计算准则，是与零效的唯一形式。设计零件所依据的计算准则，是与零件的失效形
17、式紧密联系在一起的，针对不同的失效形件的失效形式紧密联系在一起的，针对不同的失效形式，提出不同的计算准则。式，提出不同的计算准则。1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析磨磨损相对运动的零件表面因摩擦的存在，而导致零件表面材料的逐渐丧失。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析表面表面压溃零件表面质量不高或硬度不够时，在外载荷作用下出现的碎裂现象。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过
18、量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析过量塑性变形零件上的应力超过了材料的屈服极限时，零件会发生塑性变形。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析打打滑滑靠表面摩擦力保持工作能力的带传动，当传递的有效圆周力超过临界摩擦力时，就将发生打滑失效。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分
19、析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析疲劳点蚀作用在零件上的脉动循环变应力超过其接触疲劳极限时，出现疲劳裂纹，裂纹逐渐扩大使表面金属小片剥落形成疲劳点蚀。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析胶胶合合两相对运动的零件在高速重载的作用下，常因接触区温升过高而使润滑油失效，使两零件直接接触，以至局部相互粘结，又被撕裂的现象。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效
20、分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析断断裂裂零件在外载荷作用下，某一危险截面上的应力超过零件的强度极限时所发生的断裂。零件在循环变应力作用下，危险截面上的应力超过零件的疲劳强度时会产生疲劳断裂。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析振振动失效失效高速运转的零件，当其转速等于或接近零件的自振频率时，会发生共振，使振幅急剧增大，导致零件及系统在短时期破坏。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1.3机械零件的
21、失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.1、失效分析失效分析过量量弹性性变形形零件在载荷作用下产生的弹性变形超过了机器工作性能允许的极限值时，会使机器的工作精度降低以至不能正常工作。表面压溃过量塑性变形打滑磨损疲劳点蚀胶合断裂振动失效过量弹性变形零件失效表面失效1强度准则：强度准则：2刚度计算准则刚度计算准则3耐磨准则耐磨准则4振动稳定性准则振动稳定性准则5散热性准则散热性准则6可靠性准则可靠性准则1.3机械零件的失效分析及设计计算准则机械零件的失效分析及设计计算准则1.3.2、设计计算准则、设计计算准则零件抵抗失效的安全工作限度称为零件的工作能力。在实际零件抵抗失效的安
22、全工作限度称为零件的工作能力。在实际工作中，同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各工作中，同一种零件可能有几种不同的失效形式，对应于各种失效形式，就会有不同的工作能力。根据不同失效原因建种失效形式，就会有不同的工作能力。根据不同失效原因建立起来的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。立起来的工作能力判定条件，称为零件的设计计算准则。1强度准度准则：强度是衡量机械零件工作能力最基本的计算准则，它是指零件受载后抵抗断裂、塑性变形及表面失效的应力。强度可分为整体强度和表面强度（接触与挤压强度）。2刚度度计算准算准则：刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。其刚度条件为：零件在载荷作用下
23、产生的弹性变形量应小于或等于机器工作性能允许的极限值。3耐磨准耐磨准则设计时应使零件在预定使用期内的磨损量不超过允许值，采用限制零件相对运动表面间的压强P不超过许用值P。即：PP4振振动稳定性准定性准则：为避免共振，在设计高速机械中，应进行振动分析和计算，使零件和系统的自振频率与周期性载荷的作用频率错开一定的范围，以确保零件及机械系统的振动稳定性。5散散热性准性准则：零件工作时如果温度过高，将导致润滑剂失去作用，材料强度极限下降，引起热变形及附加热应力等，从而使零件不能正常工作。散热性准则为：根据热平衡条件，工作温度t不应超过许用工作温度t，即tt。6可靠性准则：零件的可靠度用零件在规定的使用
24、条件下，在规定的时间内能正常工作的概率来表示，即用在规定的寿命时间内连续工作的件数占总件数的百分比表示。如有NT个零件在预期寿命内只有NS个零件能连续正常工作，则其系统的可靠度为：R=NS/NT1强度准则2刚度准则3耐磨准则4振动稳定性准则5散热性准则6可靠性准则1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化机械零件设计的标准化、系列化及通用化按规定标准生产的零件称为标准件。标准化给机械制造按规定标准生产的零件称为标准件。标准化给机械制造带来的好处是：带来的好处是：通用化是指在不同规格的同类产品或不同类产品中采用通用化是指在不同规格的同类产品或不同类产品中采用同一结构和尺寸的零部件，以减少零部件的
25、种类，简化同一结构和尺寸的零部件，以减少零部件的种类，简化生产管理过程，降低成本和缩短生产周期。生产管理过程，降低成本和缩短生产周期。2.1约束与约束反力约束与约束反力2.2平面机构的组成平面机构的组成2.3平面机构运动简图平面机构运动简图2.4平面平面机构机构的自由度的自由度第第2章章平面平面机构分析机构分析2.1约束与约束反力约束与约束反力2.1.1柔索约束柔索约束由绳索、链条、胶带等柔性物体所构成的约束称为柔索约束。柔索约束只能限制物体沿柔索伸长的方向运动，而不能限制其他方向的运动，所以柔索约束反力的方向总是沿柔索中心线且背离被约束物体，即为拉力，通常用符号FT表示，如图2-1所示。图2
26、-12.1.2光滑接触面约束光滑接触面约束当两物体接触面之间的摩擦很小，可以忽略不计时，则构成光滑接触面约束。光滑接触面对被约束物体在过接触点处的公切面内任意方向的运动不加限制，同时也不限制物体沿接触面处的公法线脱离接触面，但阻碍物体沿该公法线方向进入约束内部，因此，光滑接触面约束的约束反力必沿接触面处的公法线指向被约束物体，即为压力，用符号FN表示，如图2-2所示。图2-22.1.3光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链约束1.中间铰约束中间铰约束图2-32.固定铰链支座约束固定铰链支座约束图2-43.活动铰链支座约束活动铰链支座约束图2-52.1.4固定端约束固定端约束固定端约束又称为插入端约束，是
27、工程实际中常见的一种约束类型，如插入墙体的外伸凉台、固定在车床卡盘上的车刀、立于路边的电线杆等，如图2-6（a）、(b)、(c)所示。它们有一个共同的特点是:构件一端被固定，既不允许固定端的任意移动，又不允许绕固定端随意转动，这种约束就是固定端约束。平面问题中通常用简图2-6（d）、（e）表示，其约束反力在外力作用面内可用简化了的两个正交分力Fx、Fy和力偶矩M来表示，如图2-6（f）所示。图2-62.2.1、运动副运动副使两个构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。例如,轴承中的滚动体与内外圈的滚道、滑块与导槽,如图2-7(a)、(b)所示。它们之间既保持了直接接触,又能产生一定的
28、相对运动,因此都构成了运动副。2.2平面机构的组成平面机构的组成图图2-7运动副运动副1.低副两构件通过面接触组成的运动副称为低副。根据低副构件间相对运动的形式不同,又分为转动副和移动副。(1)转动副:若组成运动副的两个构件只能在一个平面内做相对转动,则称为转动副,也称铰链。如图2-8所示,构件1与构件2圆柱面接触,构件1可相对构件2转动,两者组成转动副。两构件中如有一个构件固定不动,则称为固定铰链,如图28（a）所示；二者均能转动，则称为活动铰链,如图28（b）所示。图图2-8转动副转动副(a)固固定定铰铰链链;(b)活活动动铰铰链链(2)移移动动副副:若若组组成成运运动动副副的的两两个个构
29、构件件只只能能沿沿轴轴线线相相对对移移动动,则则称称为为移移动动副副。如如图图2-9所所示示,构构件件1和和构构件件2以以棱棱柱柱面面接接触触,构构件件1可可相相对对构构件件2沿沿轴轴线线移移动动,两两者者组成移动副。组成移动副。图图2-9移动副移动副转动副、移动副实例转动副、移动副实例2.高副高副两两构构件件通通过过点点、线线接接触触所所构构成成的的运运动动副副称称为为高高副副。如如图图2-10(a)中中的的车车轮轮1与与钢钢轨轨2，图图2-10(b)中中的的凸凸轮轮1与与顶顶杆杆2，图图2-10(c)中中的的齿齿轮轮1与与齿齿轮轮2皆皆为为点点或或线线接接触触,两两构构件件间间的的相相对对
30、运运动动为为接接触触处处切切线线t-t方方向向的的相相对对移移动动和和在在平平面面内内的的相相对对转转动动。构构件件1与与构构件件2在在直直接接接接触触处处组组成成高副。高副。图图2-10高副高副齿轮副实例齿轮副实例2.2.2、运动链运动链两两个个以以上上构构件件以以运运动动副副连连接接而而成成的的系系统统称称为为运运动动链链。若若组组成成运运动动链链的的各各构构件件形形成成首首尾尾封封闭闭的的系系统统,则则称称为为封封闭闭运运动动链链,简简称称闭闭链链,如如图图2-11(a)、(b)所所示示；若若组组成成运运动动链链的的各各构构件件未未形形成成首首尾尾封封闭闭的的系系统统,则则称称为为开开式
31、式运运动动链链,简简称称开开链链,如图如图2-11(c)所示。所示。图图2-11运动链运动链2.2.3、机构的组成机构的组成在在运运动动链链中中，若若将将某某一一构构件件加加以以固固定定,且且当当一一个个或或几几个个可可动动构构件件按按照照给给定定的的规规律律独独立立运运动动时时,其其余余构构件件也也随随之之做做一一定的运动定的运动,这种运动链称为机构。这种运动链称为机构。机机构构中中固固定定不不动动的的构构件件称称为为机机架架,它它用用来来支支承承机机构构中中的的可可动动构构件件；按按照照给给定定的的运运动动规规律律独独立立运运动动的的构构件件称称为为原原动动件件或或主主动动件件,它它是是机
32、机构构中中输输入入运运动动或或动动力力的构件的构件,又称为输入构件。又称为输入构件。2.3平面机构运动简图平面机构运动简图2.3.1、平面机构的表示方法1.运动副的表示方法运动副的表示方法1)转动副转动副两构件组成转动副的表示方法如图两构件组成转动副的表示方法如图2-12(a)、(b)、(c)所示。所示。圆圈用来表示转动副圆圈用来表示转动副,其圆心代表其圆心代表相对转动轴线。相对转动轴线。若组成转动副的两个构件都是活动若组成转动副的两个构件都是活动件，件，则用图则用图(a)表示；表示；若其中一个为机架若其中一个为机架,则在代表则在代表机架的构件上加上斜线机架的构件上加上斜线,如图如图2-12(
33、b)、(c)所示。所示。图图2-12转动副的表示方法转动副的表示方法转动副实例转动副实例2)移动副移动副两两构构件件组组成成移移动动副副的的表表示示方方法法如如图图2-13(a)、(b)、(c)所所示示。移移动动副副的的导路必须与相对移动方向一致。导路必须与相对移动方向一致。3)平面高副平面高副两两构构件件组组成成高高副副的的表表示示方方法法如如图图2-14所所示示。其其运运动动简简图图中中应应画画出出两两构构件件接接触处的曲线轮廓。触处的曲线轮廓。图图2-13移动副的表示方法移动副的表示方法图图2-14高副的表示方法高副的表示方法2.构件的表示方法构件的表示方法构构件件的的表表示示方方法法如
34、如图图2-15所所示示。构构件件可可用用直直线线、三三角角形形或或方方块块等等图图形形表表示示。图图2-15(a)表表示示参参与与组组成成两两个个转转动动副副的的构构件件;图图2-15(b)表表示示参参与与组组成成一一个个转转动动副副和和一一个个移移动动副副的的构构件件；图图2-15(c)表表示示参参与与组组成成三三个个转转动动副副的的构构件件,它它一一般般用用三三角角形形表表示示,在在三三角角形形内内加加剖剖面面线线或或在在三三个个内内角角上上涂涂上上焊焊缝缝标标记记,表表明明三三角角形形为为一一个个构构件件；若若三三个个转转动动副副在在同同一一直直线线上上,则则可可用用跨跨越越半半圆圆符符
35、号号来来连连接接直直线线,如如图图2-15(d)所示。所示。图图2-152.3.2、平面机构运动简图的绘制平面机构运动简图的绘制1.机构运动简图的绘制步骤机构运动简图的绘制步骤(1)分析机械的工作情况分析机械的工作情况:找找出出机机架架,确确定定原原动动件件和和从从动动件件(包括执行件和传动件包括执行件和传动件)。(2)分析机械运动情况：分析机械运动情况：从从原原动动件件开开始始,沿沿着着运运动动传传递递路路线线逐逐一一分分析析各各构构件件间间相相对对运运动动的的性性质质,确确定构件的数目、定构件的数目、运动副的类型和数目。运动副的类型和数目。(3)合理选择视图平面：合理选择视图平面：选选择择
36、多多数数构构件件所所在在的的运运动动平平面面或或平行于运动平面的平面作为视图平面。平行于运动平面的平面作为视图平面。(4)绘制机构运动简图：绘制机构运动简图：测测量量构构件件尺尺寸寸,选选择择合合适适的的比比例例尺尺,定定出出各各运运动动副副的的相相对对位位置置,用用规规定定的的简简单单符符号号绘绘制制机机构构运运动动简简图图。在在机机架架上上加加上上阴阴影影线线,在在原原动动件件上上标标上上箭箭头头,按按传传动动路路线线给给各各构构件件依依次次标标上上构构件件号号1,2,3,给给各各运运动动副副标标上上A,B,C,(表表示示方方法法详详见见图图2-16)。比例尺比例尺L=构件的实际长度构件的
37、实际长度(mm)构件的图形长度构件的图形长度(mm)2.平面机构运动简图的绘制举例平面机构运动简图的绘制举例例例2-1绘绘制制图图1-1所所示示内内燃燃机机的的机构运动简图。机构运动简图。解解(1)分析、分析、确定构件类型。确定构件类型。内内燃燃机机内内包包括括三三个个机机构构,其其运运动动平平面面平平行行,故故可可视视为为一一个个平平面面机机构构。活活塞塞2为为原原动动件件,缸缸体体1为为机机架架,连连杆杆3、曲曲轴轴4、齿齿轮轮5、齿齿轮轮6、凸凸轮轮轴轴7、进进气气门门顶顶杆杆8、排排气气门门顶顶杆杆9均均为为从从动动件件(其其中中顶顶杆杆8、9为为执执行行件件,连连杆杆3、曲曲轴轴4、
38、齿齿轮轮5、齿齿轮轮6、凸轮轴凸轮轴7为传动件为传动件)。(2)确定运动副类型。确定运动副类型。曲曲柄柄滑滑块块机机构构中中活活塞塞2与与缸缸体体1组组成成移移动动副副,活活塞塞2与与连连杆杆3、连连杆杆3与与曲曲轴轴4、曲曲轴轴4与与缸缸体体1分分别别组组成成转转动动副副。齿齿轮轮机机构构中中齿齿轮轮5与与缸缸体体1、齿齿轮轮6与与缸缸体体1分别组成转动副分别组成转动副,齿轮齿轮5与齿轮与齿轮6组成高副。组成高副。凸凸轮轮机机构构中中凸凸轮轮轴轴7与与缸缸体体1组组成成转转动动副副,顶顶杆杆8与与缸缸体体1组组成成移移动动副副,凸凸轮轮轴轴7与顶杆与顶杆8组成高副。组成高副。(3)定视图方向
39、。定视图方向。连杆运动平面为视图方向。连杆运动平面为视图方向。(4)选择比例尺选择比例尺,绘制简图。绘制简图。先先画画出出滑滑块块导导路路中中心心线线及及曲曲轴轴中中心心位位置置,然然后后根根据据构构件件尺尺寸寸和和运运动动副副之之间间的的尺尺寸寸,按按选选定定的的比比例例尺尺和和规规定定符符号号绘绘出出，如图如图2-16所示。所示。图图2-16内燃机的机构运动简图内燃机的机构运动简图2.4平面机构的自由度平面机构的自由度2.4.1、构件的自由度构件的自由度一个做平面运动的自由构件有三个独一个做平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。立运动的可能性。如图如图2-17所示所示,在在xOy坐坐标
40、系中标系中,构件构件M可随其上任一点沿可随其上任一点沿x轴、轴、y轴轴方向移动，方向移动，也可在也可在xOy平面平面(绕垂直于绕垂直于xOy平平面的轴线面的轴线z)转动转动,这三个独立的运动称为该构这三个独立的运动称为该构件的自由度。件的自由度。图图2-17平面运动构件的自由度平面运动构件的自由度2.4.2、构件的约束构件的约束平平面面机机构构的的每每个个活活动动构构件件在在未未构构成成运运动动副副之之前前都都是是三三个个自自由由度度。当当两两个个构构件件直直接接接接触触组组成成运运动动副副之之后后,它它们们的的相相对对运运动动就就受受到到限限制制,自自由由度度随随之之减减少少。运运动动副副对
41、对构构件件的的独独立立运运动动所所加加的的限限制制称称为为约约束束。不不同同类类型型的的运运动动副副引引入入的的约约束束数数不不同同。每每引引入入一一个个约约束束,构构件件就就减减少少一个自由度。一个自由度。图图218（a）所示的转动副约束了所示的转动副约束了x、y两个方向的移动两个方向的移动,只保留一个转动；只保留一个转动；图图218（a）图图218（b）所示的移动副约束了沿所示的移动副约束了沿y轴方向的移轴方向的移动和在动和在xOy平面内的转动平面内的转动,只保留沿只保留沿x轴方向的移轴方向的移动；动；图图218（b）图图218（c）所所示的高副只约束了沿接触处公法示的高副只约束了沿接触处
42、公法线线n-n方向的移动。方向的移动。图图218（c）2.4.3、构件系统自由度的计算构件系统自由度的计算1.平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式机机构构的的自自由由度度就就是是机机构构具具有有独独立立运运动动参参数数的的数数目目。自自由由度度取取决决于于运运动动链链中中构构件件的的数数目目及及运运动动副副的的类类型型和和数数目。目。设设一一个个平平面面运运动动链链由由k个个构构件件组组成成,其其中中一一个个构构件件为为机机架架,则则有有n=k-1个个活活动动构构件件。未未构构成成运运动动副副之之前前,这这些些活活动动构构件件应应有有3n个个自自由由度度。假假设设构构成成PL个个低低副
43、副和和PH个个高高副副,而而一一个个低低副副引引入入两两个个约约束束,一一个个高高副副引引入入一一个个约约束束,每每引引入入一一个个约约束束构构件件就就失失去去一一个个自自由由度度,故故整整个个运运动动链链相相对对机机架架的的自自由由度度应应为为活活动动件件自自由由度度的的总总数数与与运运动动副副引引入入约约束束总总数数之之差差。以以F表表示机构的自由度数示机构的自由度数,则有则有 F=3n-2PL-PH (2-1)例例2-2计计算算图图2-16所所示示内内燃燃机机构构件系统的自由度。件系统的自由度。解解图图中中,曲曲轴轴4和和齿齿轮轮5、齿齿轮轮6和和凸凸轮轮轴轴7皆皆固固连连在在一一起起,
44、故故可可视视为为一一个个构构件。件。因此因此n=5PL=6(其其中中有有两两个个移移动动副副,四四个个转转动副动副)PH=2则该构件系统的自由度则该构件系统的自由度 F=3n-2PL-PH=35-26-2=12.构件系统形成机构的条件构件系统形成机构的条件前前已已述述及及机机构构中中各各构构件件之之间间必必有有确确定定的的相相对对运运动动。由由自自由由度度的的计计算算可可知知,构构件件的的组组合合能能否否成成为为机机构构，其其必必要要条条件件为为F0。而而构构件件系系统统成成为为机机构构的的充充分分条条件件是是必必须须具具有有确确定定的的相相对对运运动动。满满足足什什么条件才具有确定的相对运动
45、呢？么条件才具有确定的相对运动呢？由由前前述述可可知知,从从动动件件是是不不能能独独立立运运动动的的,只只有有原原动动件件才才能能独独立立运运动动。通通常常每每个个原原动动件件只只有有一一个个独独立立运运动动。因因此此,要要使使各各构构件件之之间间具具有有确确定定的的相相对对运运动动，必必须须使使原原动动件件数数等等于于构构件件系系统统的的自自由由度度数数。现现从从下下面面两两种种情情况况分分析析:当当运运动动链链自自由由度度大大于于0时时,如如果果原原动动件件数数少少于于自自由由度度数数,那那么么运运动动链链就就会会出出现现运运动动不不确确定定现现象象,不能成为机构不能成为机构,如图如图2-
46、19所示；所示；图图2-19原动件数小于原动件数小于F图图2-20原动件数大于原动件数大于F如果原动件数大于如果原动件数大于自由度数自由度数,则运动则运动链中最薄弱的构件链中最薄弱的构件或运动副可能被破或运动副可能被破坏坏,也不能成为机也不能成为机构构,如图如图2-20所示。所示。所所以以,只只有有当当原原动动件件数数等等于于运运动动链链的的自自由由度度数数时时,构构件件之之间间才才能能获获得得确确定定的的相相对对运运动动。综综上上所所述述,构构件件系系统统成成为为机机构构的的条条件件是是:运运动动链链相相对对于于机机架架的的自自由由度度必必须须大大于于零零,且且原原动动件件数数等等于于运运动
47、动链链的的自自由由度度数数。满满足足上上述述条条件件的的运运动动链链即即为为机构机构,机构的自由度用式机构的自由度用式(2-1)计算。计算。例例2-3试机算图示航空照相机快门机构的自由度。试机算图示航空照相机快门机构的自由度。解：该机构的构件总数解：该机构的构件总数N=6,活动构件数活动构件数n=5,6个转个转动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的动副、一个移动副，没有高副。由此可得机构的自由度数为：自由度数为：F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1例例2-4试计算图示牛头刨床工作机构的自由度试计算图示牛头刨床工作机构的自由度解：该机构的构件总数解：该机构的构件总数N=7,活动构件
48、数活动构件数n=6,5个转个转动副、动副、3个移动副，个移动副，1个高副。由此可得机构的自由度数为：个高副。由此可得机构的自由度数为：F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=12.4.4、计计算算平平面面机机构构自自由由度度时时的的注注意意事事项项1.复合铰链复合铰链两两个个以以上上构构件件在在同同一一处处以以转转动动副副相相连连接接构构成成的的运运动动副副称称为为复复合合铰铰链链。如如图图2-21所所示示是是三三个个构构件件汇汇交交成成的的复复合合铰铰链链,图图中中构构件件1分分别别与与构构件件2、构构件件3构构成成两两个个转转动动副副。依依此此类类推推，k个个构构件件在在一一处处以以转
49、转动动副副相相连连,应应具具有有k-1个个转转动动副副。因因此此在在统统计计转转动动副副数数目目时时应应注注意意识识别别复复合铰链合铰链,避免遗漏。避免遗漏。图图2-21复合铰链复合铰链例例2-5计计算算图图2-22所所示示钢钢板板剪剪切切机机的自由度。的自由度。解解由由图图可可知知,n=5,PL=7,PH=0(B处处为为复复合合铰铰链链,含含两两个个转转动动副副；自自行行分分析析C处处是否为复合铰链是否为复合铰链,为什么为什么)，则则 F3n2PLPH352701图图2-22钢板剪切机钢板剪切机2.局部自由度局部自由度机机构构中中出出现现的的与与输输出出、输输入入运运动动无无关关的的自自由由
50、度度称称为为局局部部自自由由度度。如如图图2-23所所示示的的凸凸轮轮机机构构中中,为为了了减减少少高高副副接接触触处处的的磨磨损损,在在从从动动件件上上安安装装一一个个滚滚子子,使使其其与与凸凸轮轮轮轮廓廓线线滚滚动动接接触触。显显然然,滚滚子子绕绕本本身身轴轴线线的的转转动动不不影影响响其其他他构构件件的的运运动动,该该转转动动的的自自由由度度即即局局部部自自由由度度。计计算算时时先先把把滚滚子子看看成成与与从从动动件件连连成成一一体体,消消除除转转动动副副后后再再计计算算其其自自由由度度,如如图图2-23(b)所所示。示。此时机构中此时机构中 n=2,PL2,PH1则则F3n2PLPH3