机械设计原理与方法.ppt

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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 一 .学什么 二 .为什么要学 三 .怎样学 学什么 内容，要求，术语，区别 1.本课程的主要内容 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。 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） 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 了解平面机构的组成原理 能对简单机

2、构进行运动分析及力分析 能按几种常见已知条件设计平面四杆机构 了解盘形凸轮轮廓曲线的设计方法 掌握几种常用传动基本参数和结构设计方法 了解轮系设计方法 了解几种其他常用机构 掌握飞轮转动惯量之简易计算法 了解刚性转子静动平衡原理 掌握简单机械运动方案设计的步骤与方法 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 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。 动力机器 -有电动机、内燃机 工作机器 -有机床和汽车等 信息机器 -有打字机等 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

3、.机构与机器的特征有何不同？ 机器有三个特征 机构具有机器的前两个特征 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 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。 不强调系统地理论分析及公式推导。 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。

4、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。 注重运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料。要早为课程 设计作准备。 注重创新意识的形成。 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 判断所设计的机构能否运动 判断机构在什么条件下才具有 确定的 相 对运动 (不能任意拼凑 ） 对机构的结构进行分类 2.2机构的组成 2.2.1 构件 构件是 运动的单元 零件是制造的单元 构件可能是一个零件 ,也可能是几个零件刚性 组合在一起而形成 实例 1 曲轴 单一整体 实例 2 连杆 刚性组合 （各

5、零件间 无相对运 动）有连杆体、连杆盖、螺栓、螺母等几个零 件 曲轴（单一），连杆（组合） 运动副 2.2.2 运动副及其分类 运动副定义 :两 构件 直接接触 组成能相对 运动 的 联接 称为运动副 实例 :轴承 ,轮齿啮合 (见图 2-3,2-4) 运动副元素 :构成运动副的点、线、面 高副与低副 : 点或线接触 -高副 面接触 - 低副 低副， 高副 平面机构和空间机构 平面机构与空间机构 : 平面机构 -所有构件都在同一平面或 相互平行的平面内运动的机构 空间机构 -构件之间相对运动为空间 运动的机构 本课程主要研究平面机构及其运动副 运动副 低副又分为转动副和移动副 转动副 (回转副

6、 )-相对运动为转动 实例 :固定铰链 (图 2-3),活动铰链 (图 2-5) 移动副 -相对运动为直线移动 实例 :(图 2-6) 平面高副实例 :(图 2-4齿轮轮齿构成 的 )(图 2-7凸轮和推杆构成的 ) 转动（回转）副，移动副，高副 2.2.3 运动链 若干构件通过运动副联接起来所构成的 系统 - -称为运动链 运动链分为闭式和开式 闭式运动链 -每个构件至少包含 两个 运动 副元素 (图 2-9c,2-9d) 开式运动链 -运动链中有的构件只包含 一 个 运动副元素 (图 2-9a,2-9b) 生产中通常应用闭式链 少数机械也有采用开式链的 ,如机械手和机器 人 2.2.4 机

7、构 将运动链中的一个构件加以固定 -成为机 架 -则这种运动链便可能成为机构 注意 :不能运动或无规则乱动的这种运动链并 不能成为机构 研究机构运动 ,一般可以机架为参照系 原动件 -驱动机构运动的外力所作用的那 个构件 从动件 -其余的构件 2.3 机构运动简图 2.3.1 机构运动简图的用途 使分析或设计机械的问题简化 不考虑与运动无关的因素 :构件外形和断 面尺寸 ,组成构件的零件数目 ,运动副的具 体构造 只考虑与运动有关的因素 :构件数 ,运动副 的类型和数目 ,运动副的相对位置 2.3.2 机构运动简图的画法 机构运动简图 -是用简单的线条和符 号来代表构件和运动副 ,并按一定的长

8、度 比例尺表示各运动副的相对位置 ,这种用 来 说明 机构各构件间 相对运动关系 的简 单图形称之为机构运动简图 要正确画出机构运动简图 ,首先要知道代 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 表 2-1为常用机构运动简图符号 见课本 P18-19表 2-2 见 P7-8表 1-15 两构件组成转动副 ,其表示法如图 2-10 两构件组成移动副 ,其表示法如 图 2- 11a,b,c 两构件组成高副 ,在图中应画出两构件接触处 的曲线轮廓 ,如图 2-11d 1.运动副和构件的规定符号 二副构件 见图 2-12 三副构件 见图 2-13,其中左图表示一

9、个构件上的三个转动副中心位于一条直 线上 2.画机构运动简图的步骤 注意！ 先分析 ,后画图 (1)分析 构件数 ,固定件 ,活动件 (原动件 ,从动件 ) 每两构件之相对运动 (2)画图 注意五点 选视图 一般可选平行于机构运动平面的平面 (有时也酌情选择 ) 确定机构的一个瞬时位置 各构件应不重叠 ,使 图面清晰 比例尺 :l=实际尺寸 (mm)/图示尺寸 (mm) 几何作图 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 :4,固定件 :机架 ,原动件 :活塞 ,从动 件 :连杆和曲轴 ,(活动件数 :3) 每两个构件之间的相对运动 : 活塞 机架 移动 活塞 连杆 转动 曲轴

10、 连杆 转动 曲轴 机架 转动 选符号 内燃机中的连杆机构运动简图 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 22-6 平面机构的组成原理及 结构分析 2.4 平面机构自由度的计算 2.4.1平面机构自由度计算公式 1.自由度与约束 构件所具有的独立运动数目 (或确定构件位置的独立 参变量的数目 ) 一个作平面运动的自由构件有 3个自由度（见图 2-15） 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，自由度减少 低副引入 2个约束 高副引入 1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 设某平面机构共有 N个构件

11、,活动构件数 n=N-1, 这些构件自由度总和为 3n 当用 PL个低副和 PH个高副联接 ,总约束数 为 (2PL+PH) 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 ,要牢 记 3.机构具有 确定 运动的条件 因为机构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 ,而一个 原动件给定一个独立参数 例如电动机转子给定一个独立参数 所以 ,机构具有确定运动的条件是 : 机构的原动件的数目 =机构的自由度数 实例（图 2-16）（图 2-14b） 原动件数目小于机构自由度数，运动不 确定 原动件数目大于机构自由度数，不能运 动 原动件数目等

12、于机构自由度数，运动是 确定的 三个实例 2.4.2 先找后算 注意三个问题 1.复合铰链 2.局部自由度 3.虚约束 1.复合铰链 三个或更多个 (m个 )构件组成二个或 (m- 1)个共轴线的转动副称作复合铰链 不要少算 图 2-17 复合铰链 2.局部自由度 是与运动无关的自由度 或者说 ,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 典型实例 :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 图 2-18,不能多算 局部自由度 3.虚约束 (难点 ) 虚约束，所起的限制作用是 重复 的 虚约束常出现于下列情况 (图 2-20) （ 1）两构件构成多个转动副，

13、其轴线互 相重合时，只有一个转动副起约束作用， 其余都是虚约束 （ 2）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， 其余都是虚约束 (1),(2)两种虚约束 3.虚约束 (难点 ) (3)机构中对运动不起作用的对称部分 (例如行星轮系 )(图 2-21) (4)被联接构件上点的轨迹和机构上联接 点的轨迹重合 (例如火车车轮用联动的平 行四边形机构 )(图 2-19) 注意！虚约束要求构件有较高的制造精 度和安装精度 ,否则虚约束就会成为真约 束 F=3 4 2 4 2=2 F=3 3 2 4=1 （ F3 4 2 6=0） 例题 F=3 7-2 9-1=2 2.5 机

14、构的组成原理及平面 机构的结构分类 2.5.1 机构的组成原理 F(机构 )=F(原动件 )+F（从动件 ) 一个原动件具有一个自由度 机构自由度数 =原动件数目 F=1(1/个 ) F(个 )+0 因此 ,从动件系统的自由度为零 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 (杆组 ) 机构由机架 原动件 杆组所组成 (见图 2-23) 2.5.2平面机构的结构分类 设杆组由 n个构件和 PL个平面低副组成 于是 ,F=3n-2PL=0, 或者 ,PL=(3/2)n n=2,PL=3的杆组称为 级组 (图 2-24) n=4,PL=6的杆组中常见为 级组 (都有 一个包含三个低副的构件 )(见图 2-25) 级杆组 拆杆组 级杆组 2.6 平面机构的高副低代 高副低代必须满足的条件 : (1)代替前后机构的自由度完全相同 (2)代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速 度完全相同 平面高副 ,可用 一杆两低副代一高副 (详见图 2-26,2-27,2-28,2-29) 一杆两低副代一高副