机械设计基础(上).ppt

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1、机械设计基础(上),机械概述,机械的重要性机器的组成通用零件与常见机构机器的特征机械设计基础课程主要内容与要求 思考题,返回,*机械的重要性,1、日常生活离不开机械-洗衣机、缝纫机、冰 箱、电梯、电脑等。2、现代生产中起重要作用-汽车、生产自动线、机床等3、机械发展程度是一个国家工业水平的重要标志4、工程技术人员必须掌握一定机械基础知识,返回,机器的组成,内燃机由齿轮、轴、凸轮、弹簧、连杆、机架组成。,内燃机由连杆机构、齿轮机构、凸轮机构组成。,打油机,打油机由电机、带传动、减速器（齿轮机构）、曲柄摇杆机构等组成,机器的组成,传动部分：有机械的、液压的、气动的和电气的等,返回,组成机器的不可拆

2、卸的基本单元，是制造单元,机械传动装置的组成,机构中的运动单元，具有独立运动特性,连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等,在各类机械中都经常遇到的零件。齿轮、螺栓、轴承、轴等,返回,*输送机,返回,*减速器,返回,*机器的特征,机器-具有的特征为：（1）它是若干人为实体的组合；（2）各实体之间具有确定的相对运动；（3）能代替或减轻人的体力或脑力劳动，提高效率。机构-仅具有机器的前两个特征。机械-通常是机器与机构的统称。,返回,*机械设计基础课程主要内容与要求,主要内容：常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本设计理论和计算方法。,主要要求：掌握常用机构的结构、运动特性，初步具有分析和

3、设计简单常用机构的能力。掌握通用零件的工作原理、结构特点及维护基本知识，具有设计简单传动装置的能力。具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。,返回,*思考题0,机构与机器具有的共同特征为：（1）它们都是若干实体的；（2）各实体之间具有；而机器还具有：（3）能代替人类完成有用 的特征。构件和零件不同：（1）零件是组成机构的 单元；（2）构件是组成机构的 单元。构件可以是 一个零件，也可以是多个零件的刚性组合。,返回,机械设计基础主要内容,平面机构的运动简图及自由度平面连杆机构凸轮机构间歇运动机构齿 轮 传 动齿 轮 系带 传 动链 传 动轴/轴承/联轴器,返回,Unit1 平面机构的

4、运动简图及自由度,返回,平面机构的构成自由度计算机构简图 思考题与作业,一、平面机构的构成,返回,构件与运动副,1、构件及其自由度,返回,构件机构中的运动单元,构件自由度构件可能出现的自由度。,物体在空间皆有六个自由度。,平面运动构件只有三个自由度。,2、运动副与约束,约束对物体运动的限制,返回,运动副(kinematics pairs)使两个构件直接接触而又彼此有一定相对运动的联接,低副(lower pairs or full joint),引入两个约束，保留一个自由度。,返回,使两构件通过面接触形成的运动副。,平面高副(higher pairs or half joint),返回,引入一个

5、约束，保留两个自由度。,使两构件通过点或线接触形成的运动副,空间运动副,返回,螺旋副、球面副等,二、自由度计算,1、平面机构的自由度-机构中各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。,F=3n-2PL-PH,n机构中，可动件个数PL低副个数PH高副个数,返回,例 题,返回,3、自由度计算注意事项,（1）复合铰-K个构件铰接，含有（K-1）个转动副,返回,练 习,返回,是否有复合铰链存在？机构有几个自由度？,F=35-27-0=15-14=1,F=35-27-0=15-14=1,自由度计算注意事项（续）,（2）局部自由度-预先排除,返回,自由度计算注意事项（续）,返回,（3）虚约束-有些运动副带

6、入的约束是重复的，排除。,练 习,返回,构件系统具有确立运动的条件,返回,通过构件自由度的计算可知,构件成为机构的必要条件为F0,构件自由度是机构中各构件相对机架所具有的独立运动的个数.,从动件是不能独立运动的,运动是由主动件提供的,机构自由度F=主动件个数,构件系统成为机构的充分必要条件:(1)F0;(2)原动件个数=自由度,三、机构简图,返回,1、运动副符号,机构件图-用特定的构件和运动副符号绘制的表示机构运动特性的简图用于机构运动分析,2、机构符号,返回,3、机构简图,（1）选择合理的视图平面,（2）确定机构中包含常见机构的类型,（3）确定运动副的种类,简图绘制步骤：,返回,例 题,返回

7、,F=3n-2PL-PH=35-26-2=1,例 题,返回,简易冲床,练 习,返回,卡车自动卸车机构,手摇唧筒,练 习,返回,4、机构中构件分类,返回,原动件（主动件）-有驱动力或运动规律已知的构件。,从动件-除主动件外，随主动件运动而运动的构件。,机架（固定构件）-机构中固定于定参考系的构件。,思考题,两构件通过 接触形成的运动副称为低副。低副又分 和。两构件通过 或 接触形成的运动副称为高副平面机构中每个高副引入 约束，保留 自由度；而每个低副引入 约束，保留 自由度。构件系统成为机构的必要充分条件为构件系统的自由度F，且原动件件数 构件系统的自由度数。所有构件均在 运动的机构称为平面机构

8、。由运动副联接组成的构件系统（A，一定，B，不一定，C，一定不）是机构。,返回,作 业,计算图示机构自由度，并指出局部自由度和虚约束,返回,Unit 2 平面连杆机构,铰链四杆机构的基本组成铰链四杆机构的演化平面四杆机构的基本特性平面四杆机构的设计 思考题与作业,返回,一、铰链四杆机构的组成,返回,平面连杆机构(planar link)所有构件均作平行于某一平面的运动，且构件之间只有低副连接。,1、铰链四杆机构的组成,机架固定不动构件,连杆不直接与机架相连的杆,连架杆与机架以运动副相连的杆曲柄-能做整周转动摇杆-摆动一定角度（曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆）,2、铰链四杆机构的基本形式,返回,（1）

9、曲柄摇杆机构（crank-rocker),（2）双摇杆机构（double-crank),（3）双曲柄机构（double-rocker),二、铰链四杆机构的演化,返回,1、一个转动副转化为移动副（自由度个数不变）,曲柄滑块机构实例,返回,曲柄滑块机构实例,返回,曲柄滑块机构实例,返回,2、两个转动副转化为移动副,返回,自由度个数仍然不变,曲柄移动导杆机构实例,返回,四杆机构取不同构件为机架的派生型式,返回,曲柄摇杆机构,曲柄滑块机构,曲柄移动导杆机构,四杆机构取不同构件为机架的派生型式,返回,3、曲柄摇杆机构的演化,返回,（1）取不同构件为机架，曲柄摇杆机构、双曲柄、双摇杆可以相互演化,双曲柄,

10、曲柄摇杆,双摇杆,（2)曲柄存在的条件(GRASHOF),返回,(a)最短杆+最长杆其他两杆长度之和-格拉肖夫判别式,以最短杆为机架时-必为双曲柄机构,以最短杆的相邻杆为机架时-必为曲柄摇杆机构,以最短杆的对面杆为机架时-必为双摇杆机构,(b)不满足格拉肖夫判别式时，以任何杆为机架，皆为双摇杆机构,例 题,返回,例：AB=30,BC=50,CD=40,AD=45,取不同杆为机架时，分别为何种机构,曲柄摇杆机构的演化-改变机架,返回,铰链四杆机构实例,返回,4、曲柄滑块机构的演化,返回,取不同构件为机架,曲柄滑块,曲柄转动（摆动）导杆,曲柄摇块,定块机构,转动导杆机构实例,返回,摆动导杆机构实例

11、,返回,曲柄摇块与定块机构实例,返回,曲柄摇块,定块机构,5、曲柄移动导杆机构演化,返回,曲柄移动导杆机构,双滑块机构,摆动导杆滑块机构,双转块机构,双滑块机构实例,返回,摆动导杆滑块机构与双转块机构实例,返回,摆动导杆滑块机构,双转块机构,三、平面四杆机构的基本特性,返回,1、急回特性速度与效率,行程速度变化系数K,返回,C点平均速度：,极位夹角,返回,极位夹角：输出件位于两极限位置时，对应输入件曲柄两位置之间的夹角（锐角）。,连杆机构具有急回特性的条件：1)输入件整周转动，2）输出件往返运动，3）极位夹角 0。,机构急回特性的判断,返回,2、压力角与传动角力与效率,返回,机构压力角：不计摩

12、擦、惯性和重力时，从动件上某点所受作用力的方向与该点速度方向之间所夹的锐角。,机构传动角：压力角的余角，=900-。（度量方便，愈大愈好，一般400，大功率500）,压力角，愈小愈好,最小传动角位置的判断,返回,3、死点,返回,死点：=900位置。1）此时无论驱动力多大，不能驱动从动件，应予以避免。,2）死点分析,返回,死点分析,返回,3）死点利用,返回,四、平面四杆机构的设计（几何法）,返回,1、给定连杆位置时，四杆机构的设计,2、给定K时四杆机构的设计,返回,例：已知摇杆长度LCD，摇杆摆角及行程速度变化系数K，设计曲柄摇杆机构。（1）LCD=1.5m，=300，K=1.5；,（2）LCD

13、=150mm，K=1。,3、给定运动轨迹时四杆机构的设计,返回,连杆曲线是一条高次方的代数曲线，一般借助连杆曲线图谱来设计四杆机构,连杆曲线图谱放映机,返回,连杆曲线图谱机器人,返回,连杆曲线图谱应用实例,返回,4、四杆机构的设计问题,返回,思考题四/1,格拉肖夫判别式是指：铰链四杆机构中最短杆与最常杆长度之和 其他两杆长度之和。机构的压力角指：从动件上某点所受 的方向与该点 的方向所夹锐角，设计机构时注意控制最大压力角max 许用压力角。机构传动角指：压力角的，值愈 愈好，理想情况=。机构处于死点位置时，机构的压力角=度。在杆长不等的铰链四杆机构中，若L1=L2=L3L4，且四边长顺序铰接，

14、则以L4为机架时，该机构是 机构。,返回,思考题四/2,在杆长不等的铰链四杆机构中，若L1=L2=L3L4，且四边长顺序铰接，则：以L4为机架时，该机构是 机构；以L3为机架时，该机构是 机构；以L2为机架时，该机构是 机构。曲柄摇杆机构中，曲柄为主动件。当从动件处于两极限位置时，（A，摇杆，B，曲柄，C，连杆）在该两位置时所夹的锐角为极位夹角。曲柄摇杆机构中，当（A，曲柄，B，摇杆）为主动件，在曲柄与（A，机架，B，连杆）共线时，机构处于死点位置。此时机构的压力角=900。,返回,思考题四/3,四杆机构中，已知各杆长度，LAB=40mm，LBC=90mm，LCD=60mm，LAD=80mm。

15、试问：固定 杆，为曲柄摇杆机构；固定 杆，为双曲柄机构；固定 杆，为双摇杆机构。当行程速比系数K=（A，1，B，=1，C，1）时，表明该机构具有急回特性。什么是极位夹角？它与行程速度比系数K有什么关系？K=1表示什么意义？机构的什么位置叫死点？用什么方法使机构通过死点？,返回,作业四,判别下列机构的类型(构件1为原动件)。,返回,作业四,画出机构在图示位置的压力角及传动角(标出转向的构件为主动件)，并判断机构有无死点。,返回,Unit 3 凸轮机构,返回,凸轮机构分类与应用盘形凸轮机构几何参数常用从动件运动规律盘形凸轮轮廓曲线设计凸轮机构设计应注意的问题 思考题与作业,一、凸轮机构分类与应用,

16、返回,1、按凸轮(cam)形状分类：盘形、圆柱、移动凸轮,从动件形状与运动,返回,2、从动件的形状：尖顶(mushroom)、滚子(rotation)、平底(flat),3、从动件运动：移动(translating)、摆动(oscillating),4、凸轮与从动件保持接触方式,返回,力封闭、形封闭,凸轮机构应用,返回,凸轮机构应用,二、盘形凸轮机构几何参数,返回,1、凸轮基圆r0以凸轮轮廓曲线的最小向径r0为半径所作的圆。,2、升程h从动件远离凸轮 中心时，移动的距离。0推程运动角，S远休止角。,3、回程h从动件移向凸轮中心的行程。h回程运动角，S近休止角。,4、从动件位移曲线,返回,从动件

17、运动规律从动件位移、速度、加速度随时间变化的规律，即s(t)、(t)、a(t)。因为=t，通常用s()、()、a()表示从动件运动规律。,从动件位移曲线从动件位移s与凸轮转角之间的关系曲线s()。,5、盘形凸轮轮廓设计方法,返回,设计对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓：凸轮顺时针转动，基圆半径为r0，从动件运动符合图示位移曲线规律。,反转法,例 题,返回,例1：设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮，已知：凸轮以等角速度顺时针回转，凸轮基园半径 r0=40mm,0=1500,S=300,h=1200,S=600，从动件运动规律如下图所示，行程h=20mm，试用图解解法绘出凸轮的轮廓。,例 题,返回,例2

18、：图示为一对心移动尖顶从动件单圆弧盘形凸轮（偏心轮）机构，偏心轮几何中心O距离凸轮转动轴心O为 loo=15mm，偏心轮半径 R=30mm，凸轮以等角速顺时针转动，试作出从动件位移图s2-。,三、常用从动件运动规律,返回,1、等速运动规律,s()=CS,()=C,a()=0,特点：1）刚性冲击从动件在某瞬时速度突变，其加速度及惯性力在理论上均趋于无穷大。,2）只适用于低速轻载的凸轮机构。,2、等加速等减速运动规律,返回,s()=CS 2,()=C,a()=Ca（常数）,特点：1）柔性冲击从动件在某瞬时加速度发生有限值的突变所引起的冲击。2）适用于中、低速的凸轮机构。,3、简谐（余弦加速度）运动

19、规律,返回,s()=h(1-cos/0)/2,()=C sin/0,a()=Cacos/0,特点：1）仅在运动始末两处有柔性冲击。2）适用于高速凸轮机构。,四、盘形凸轮轮廓设计,返回,1、设计对心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓：设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮，已知：凸轮以等角速度顺时针回转，凸轮基园半径 r0=40mm,0=1500,S=300,h=1200,S=600，从动件运动规律在推程作匀速运动，在回程作等加速等减速运动，行程h=20mm,试用图解解法绘出凸轮的轮廓。,四、盘形凸轮轮廓设计,返回,r0=40mm,0=1500,S=300,h=1200,S=600，,0,s,h,ds,2、对

20、心移动滚子从动件盘形凸轮轮廓设计,返回,理论轮廓基圆半径r0=r0+rT rT=10mm,3、对心移动平底从动件盘形凸轮轮廓设计,返回,4、偏心移动尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线设计,返回,e=10mm,5、摆动从动件盘形凸轮轮廓设计,返回,五、凸轮机构设计应注意的问题,返回,1、滚子半径的选择,2、凸轮压力角的选择与检验,自锁-增大到一定程度时，工作推力F引起的摩擦阻力大于有效分力Ft时，无论F多大，从动件都不能运动。,凸轮压力角 凸轮处于某一位置时，对从动件的法向推力F与从动件受力点的速度方向所夹锐角。,凸轮机构设计应注意的问题（续）,返回,3、基圆半径的确定,max 推程：移动从动件：=30

21、0摆动从动件：=450回程：=800（无自锁问题）,思考题五,按凸轮形状分类，凸轮机构分、。凸轮机构中，使凸轮与从动件保持接触的方法有：和。凸轮机构从动件运动规律是从动件、随 变化规律；当凸轮作匀速转动时，亦可表达为随凸轮 变化规律。凸轮机构从动件瞬时加速度发生 的突变所引起的冲击为柔性冲击；而瞬时加速度发生 的突变所引起的冲击为刚性冲击。以凸轮轮廓的 所作的圆称为凸轮的基圆，凸轮实际廓线必须满足能严格实现 的运动规律。,作业五,设计一对心移动尖顶从动件盘形凸轮，已知：凸轮以等角速度顺时针回转，凸轮基园半径 r0=40mm,0=1500,S=300,h=1200,S=600，从动件运动规律在推

22、程作等加速等减速运动，在回程作匀速运动，行程h=20mm，试用图解解法绘出凸轮的轮廓。,Unit 4 间歇运动机构,间歇运动机构棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇机构 思考题与作业,返回,间歇运动机构,返回,主动件作连续运动，从动件作周期性时动、时停间歇运动。,一、棘轮机构,棘轮机构组成：棘轮、摇杆、棘爪、止动爪,返回,1、单动棘轮机构,2、双动棘轮机构,返回,3、可变向棘轮机构,返回,4、摩擦式棘轮机构,返回,应用实例,返回,应用实例,返回,二、槽轮机构,返回,1、外啮合槽轮机构,2、内啮合槽轮机构,返回,槽轮机构应用,返回,刀架转位槽轮机构,三、不完全齿轮机构,返回,四、凸轮式间歇机构,返回,思考题六,将主动件的连续运动变为从动件时动时停运动的机构称为 机构。间歇运动机构为主动件作，运动，而从动件作周期、间歇运动。常见间歇运动机构有、和 四种。棘轮机构由、和 组成。,返回,