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1、機械設計原理與方法第一章 緒論緒論中將介紹三個問題n一.學什么n二.為什么要學n三.怎樣學學什么內(nèi)容，要求，術語，區(qū)別1.本課程的主要內(nèi)容n機械設計原理與方法課程,是將傳統(tǒng)的 和以及三門課程的主要內(nèi)容有機結(jié)合的一門課程。n本課程的研究對象是機械。而機械則是機器與機構(gòu)的總稱。（在后面的3.術語中再詳細說明）n本課程的研究內(nèi)容大體為以下三部分： 1.機械的組成原理及機械運動學與動力學,機械系統(tǒng)方案設計理論與方法; 2.機械零部件的參數(shù)設計及結(jié)構(gòu)設計的基本原理與方法; 3.機械精度設計的基本原理與方法。2.本課程的基本要求n了解平面機構(gòu)的組成原理n能對簡單機構(gòu)進行運動分析及力分析n能按幾種常見已知條

2、件設計平面四桿機構(gòu)n了解盤形凸輪輪廓曲線的設計方法n掌握幾種常用傳動基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)設計方法n了解輪系設計方法n了解幾種其他常用機構(gòu)n掌握飛輪轉(zhuǎn)動慣量之簡易計算法n了解剛性轉(zhuǎn)子靜動平衡原理n掌握簡單機械運動方案設計的步驟與方法n能按國家標準在簡單機械裝置的裝配圖和零件圖上標注尺寸公差和形位公差3.術語n機器-機器是執(zhí)行機械運動的裝置,它用來變換或傳遞能量、物料與信息。n動力機器-有電動機、內(nèi)燃機n工作機器-有機床和汽車等n信息機器-有打字機等n機構(gòu)-是實現(xiàn)預期的機械運動的實物 組合體 例如，內(nèi)燃機由連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)組成4.機構(gòu)與機器的特征有何不同？n機器有三個特征n機構(gòu)具有機器的前兩

3、個特征n機器的三個特征是：（1）它們都是一種人為的實物（機件）的組合體。（2）組成它們的各部分之間都具有確定的相對運動。（3）能夠完成有用的機械功或轉(zhuǎn)換機械能。為什么要學本課程是本專業(yè)的一門必修的重要專業(yè)基礎課本課程是學習許多后續(xù)課程和從事機械設備設計的基礎怎樣學n本課程需要綜合應用數(shù)學、機械制圖、工程材料、機械制造基礎、工程力學等先修課程的知識，偏重于應用。n不強調(diào)系統(tǒng)地理論分析及公式推導。n著重基本概念的理解和基本設計方法的掌握，著重理解公式建立的前提及意義和應用。認真及時獨立完成每一次作業(yè)。n理論聯(lián)系實際，充分重視結(jié)構(gòu)設計，多觀察現(xiàn)有實物或圖樣，上好實驗課。n注重運用標準、規(guī)范、手冊、圖

4、冊等有關技術資料。要早為課程設計作準備。n注重創(chuàng)新意識的形成。n打好基礎，積極自學，注意發(fā)展，結(jié)合實際打好基礎，積極自學，注意發(fā)展，結(jié)合實際 第二章平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2.1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的n判斷所設計的機構(gòu)能否運動判斷所設計的機構(gòu)能否運動n判斷機構(gòu)在什么條件下才具有判斷機構(gòu)在什么條件下才具有確定的確定的相對運動相對運動(不能任意拼湊不能任意拼湊）n對機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行分類對機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行分類2.2機構(gòu)的組成n2.2.1 構(gòu)件構(gòu)件n構(gòu)件是構(gòu)件是運動的單元運動的單元n零件是制造的單元零件是制造的單元n構(gòu)件可能是一個零件構(gòu)件可能是一個零件,也可能是

5、幾個零件剛性也可能是幾個零件剛性組合在一起而形成組合在一起而形成n實例實例1 曲軸曲軸 單一整體單一整體 n實例實例2 連桿連桿 剛性組合剛性組合 （各（各 零件間零件間 無相對運無相對運動）有連桿體、連桿蓋、螺栓、螺母等幾個零動）有連桿體、連桿蓋、螺栓、螺母等幾個零件件曲軸（單一），連桿（組合）運動副n2.2.2 運動副及其分類運動副及其分類n運動副定義運動副定義:兩兩構(gòu)件構(gòu)件直接接觸直接接觸組成能相對組成能相對運動運動的的聯(lián)接聯(lián)接稱為運動副稱為運動副n實例實例:軸承軸承,輪齒嚙合輪齒嚙合(見圖見圖2-3,2-4)n運動副元素運動副元素:構(gòu)成運動副的點、線、面構(gòu)成運動副的點、線、面n高副與低

6、副高副與低副:n點或線接觸點或線接觸-高副高副n面接觸面接觸 - 低副低副低副， 高副 平面機構(gòu)和空間機構(gòu)n平面機構(gòu)與空間機構(gòu)平面機構(gòu)與空間機構(gòu):n平面機構(gòu)平面機構(gòu)-所有構(gòu)件都在同一平面或所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)n空間機構(gòu)空間機構(gòu)-構(gòu)件之間相對運動為空間構(gòu)件之間相對運動為空間運動的機構(gòu)運動的機構(gòu)n本課程主要研究平面機構(gòu)及其運動副本課程主要研究平面機構(gòu)及其運動副運動副n低副又分為轉(zhuǎn)動副和移動副低副又分為轉(zhuǎn)動副和移動副n轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副(回轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)副)-相對運動為轉(zhuǎn)動相對運動為轉(zhuǎn)動n實例實例:固定鉸鏈固定鉸鏈(圖圖2-3),活動鉸鏈活動鉸鏈(圖圖2-5

7、)n移動副移動副-相對運動為直線移動相對運動為直線移動n實例實例:(圖圖2-6)n平面高副實例平面高副實例:(圖圖2-4齒輪輪齒構(gòu)成齒輪輪齒構(gòu)成的的)(圖圖2-7凸輪和推桿構(gòu)成的凸輪和推桿構(gòu)成的)轉(zhuǎn)動（回轉(zhuǎn)）副，移動副，高副2.2.3 運動鏈n若干構(gòu)件通過運動副聯(lián)接起來所構(gòu)成的若干構(gòu)件通過運動副聯(lián)接起來所構(gòu)成的系統(tǒng)系統(tǒng)-稱為運動鏈稱為運動鏈n運動鏈分為閉式和開式運動鏈分為閉式和開式n閉式運動鏈閉式運動鏈-每個構(gòu)件至少包含每個構(gòu)件至少包含兩個兩個運動運動副元素副元素(圖圖2-9c,2-9d)n開式運動鏈開式運動鏈-運動鏈中有的構(gòu)件只包含運動鏈中有的構(gòu)件只包含一一個個運動副元素運動副元素(圖圖2-

8、9a,2-9b)n生產(chǎn)中通常應用閉式鏈生產(chǎn)中通常應用閉式鏈n少數(shù)機械也有采用開式鏈的少數(shù)機械也有采用開式鏈的,如機械手和機器如機械手和機器人人2.2.4 機構(gòu)n將運動鏈中的一個構(gòu)件加以固定將運動鏈中的一個構(gòu)件加以固定-成為機成為機架架-則這種運動鏈便可能成為機構(gòu)則這種運動鏈便可能成為機構(gòu)n注意注意:不能運動或無規(guī)則亂動的這種運動鏈并不能運動或無規(guī)則亂動的這種運動鏈并不能成為機構(gòu)不能成為機構(gòu)n研究機構(gòu)運動研究機構(gòu)運動,一般可以機架為參照系一般可以機架為參照系n原動件原動件-驅(qū)動機構(gòu)運動的外力所作用的那驅(qū)動機構(gòu)運動的外力所作用的那個構(gòu)件個構(gòu)件n從動件從動件-其余的構(gòu)件其余的構(gòu)件2.3 機構(gòu)運動簡圖

9、n2.3.1 機構(gòu)運動簡圖的用途機構(gòu)運動簡圖的用途n使分析或設計機械的問題簡化使分析或設計機械的問題簡化n不考慮與運動無關的因素不考慮與運動無關的因素:構(gòu)件外形和斷構(gòu)件外形和斷面尺寸面尺寸,組成構(gòu)件的零件數(shù)目組成構(gòu)件的零件數(shù)目,運動副的具運動副的具體構(gòu)造體構(gòu)造n只考慮與運動有關的因素只考慮與運動有關的因素:構(gòu)件數(shù)構(gòu)件數(shù),運動副運動副的類型和數(shù)目的類型和數(shù)目,運動副的相對位置運動副的相對位置2.3.2 機構(gòu)運動簡圖的畫法n機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)運動簡圖-是用簡單的線條和符是用簡單的線條和符號來代表構(gòu)件和運動副號來代表構(gòu)件和運動副,并按一定的長度并按一定的長度比例尺表示各運動副的相對位置比例尺表示各運動

10、副的相對位置,這種用這種用來來說明說明機構(gòu)各構(gòu)件間機構(gòu)各構(gòu)件間相對運動關系相對運動關系的簡的簡單圖形稱之為機構(gòu)運動簡圖單圖形稱之為機構(gòu)運動簡圖n要正確畫出機構(gòu)運動簡圖要正確畫出機構(gòu)運動簡圖,首先要知道代首先要知道代表構(gòu)件和運動副的規(guī)定符號表構(gòu)件和運動副的規(guī)定符號(GB4460-84)1.運動副和構(gòu)件的規(guī)定符號n表表2-1為常用機構(gòu)運動簡圖符號為常用機構(gòu)運動簡圖符號n見課本見課本P18-19表表2-2n見見P7-8表表1-15n兩構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副兩構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副,其表示法如圖其表示法如圖2-10n兩構(gòu)件組成移動副兩構(gòu)件組成移動副,其表示法如其表示法如 圖圖2-11a,b,cn兩構(gòu)件組成高副兩構(gòu)件組

11、成高副,在圖中應畫出兩構(gòu)件接觸處在圖中應畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓的曲線輪廓,如圖如圖2-11d1.運動副和構(gòu)件的規(guī)定符號n二副構(gòu)件二副構(gòu)件 見圖見圖2-12n三副構(gòu)件三副構(gòu)件 見圖見圖2-13,其中左圖表示一其中左圖表示一個構(gòu)件上的三個轉(zhuǎn)動副中心位于一條直個構(gòu)件上的三個轉(zhuǎn)動副中心位于一條直線上線上2.畫機構(gòu)運動簡圖的步驟n注意！注意！ 先分析先分析,后畫圖后畫圖n(1)分析分析 構(gòu)件數(shù)構(gòu)件數(shù),固定件固定件,活動件活動件(原動件原動件,從動件從動件) 每兩構(gòu)件之相對運動每兩構(gòu)件之相對運動 (2)畫圖畫圖 注意五點注意五點 選視圖選視圖 一般可選平行于機構(gòu)運動平面的平面一般可選平行于機構(gòu)運動平面

12、的平面(有時也酌情選擇有時也酌情選擇) 確定機構(gòu)的一個瞬時位置確定機構(gòu)的一個瞬時位置 各構(gòu)件應不重疊各構(gòu)件應不重疊,使使圖面清晰圖面清晰 比例尺比例尺:l=實際尺寸實際尺寸(mm)/圖示尺寸圖示尺寸(mm) 幾何作圖幾何作圖 原動件用箭頭標出運動原動件用箭頭標出運動分析內(nèi)燃機之連桿機構(gòu)的運動構(gòu)件數(shù)構(gòu)件數(shù):4,固定件固定件:機架機架,原動件原動件:活塞活塞,從動從動件件:連桿和曲軸連桿和曲軸,(活動件數(shù)活動件數(shù):3) 每兩個構(gòu)件之間的相對運動每兩個構(gòu)件之間的相對運動: 活塞活塞機架機架 移動移動 活塞活塞連桿連桿 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動 曲軸曲軸連桿連桿 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動 曲軸曲軸機架機架 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動選符號內(nèi)燃機中的連

13、桿機構(gòu)運動簡圖機構(gòu)模型的簡圖請看課本下冊P733-743 22-5 機構(gòu)具有確定運動的條件機構(gòu)具有確定運動的條件22-6 平面機構(gòu)的組成原理及平面機構(gòu)的組成原理及 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析2.4 平面機構(gòu)自由度的計算n2.4.1平面機構(gòu)自由度計算公式平面機構(gòu)自由度計算公式 1.自由度與約束自由度與約束 構(gòu)件所具有的獨立運動數(shù)目構(gòu)件所具有的獨立運動數(shù)目(或確定構(gòu)件位置的獨立或確定構(gòu)件位置的獨立參變量的數(shù)目參變量的數(shù)目) 一個作平面運動的自由構(gòu)件有一個作平面運動的自由構(gòu)件有3個自由度（見圖個自由度（見圖2-15） 約束是指對獨立運動所加的限制約束是指對獨立運動所加的限制 當兩個構(gòu)件組成運動副后，受到約束，

14、自由度減少當兩個構(gòu)件組成運動副后，受到約束，自由度減少 低副引入低副引入2個約束個約束 高副引入高副引入1個約束個約束平面自由構(gòu)件有三個自由度2.平面機構(gòu)自由度計算公式n設某平面機構(gòu)共有設某平面機構(gòu)共有N個構(gòu)件個構(gòu)件,活動構(gòu)件數(shù)活動構(gòu)件數(shù) n=N-1,n這些構(gòu)件自由度總和為這些構(gòu)件自由度總和為3nn當用當用PL個低副和個低副和PH個高副聯(lián)接個高副聯(lián)接,總約束數(shù)總約束數(shù)為為(2PL+PH)n機構(gòu)的自由度機構(gòu)的自由度 F=3n-2PL-PH (2-1) (2-1)式即平面機構(gòu)自由度計算公式式即平面機構(gòu)自由度計算公式,要牢要牢記記3.機構(gòu)具有確定運動的條件n因為機構(gòu)自由度還說明機構(gòu)作確定運動因為機構(gòu)

15、自由度還說明機構(gòu)作確定運動所需給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目所需給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目,而一個而一個原動件給定一個獨立參數(shù)原動件給定一個獨立參數(shù)n例如電動機轉(zhuǎn)子給定一個獨立參數(shù)例如電動機轉(zhuǎn)子給定一個獨立參數(shù)n所以所以,機構(gòu)具有確定運動的條件是機構(gòu)具有確定運動的條件是: 機構(gòu)的原動件的數(shù)目機構(gòu)的原動件的數(shù)目=機構(gòu)的自由度數(shù)機構(gòu)的自由度數(shù)實例（圖2-16）（圖2-14b）n原動件數(shù)目小于機構(gòu)自由度數(shù)，運動不原動件數(shù)目小于機構(gòu)自由度數(shù)，運動不確定確定n原動件數(shù)目大于機構(gòu)自由度數(shù)，不能運原動件數(shù)目大于機構(gòu)自由度數(shù)，不能運動動n原動件數(shù)目等于機構(gòu)自由度數(shù)，運動是原動件數(shù)目等于機構(gòu)自由度數(shù)，運動是確定的確定的

16、三個實例2.4.2 先找后算 注意三個問題注意三個問題n1.復合鉸鏈復合鉸鏈n2.局部自由度局部自由度n3.虛約束虛約束1.復合鉸鏈n三個或更多個三個或更多個(m個個)構(gòu)件組成二個或構(gòu)件組成二個或(m-1)個共軸線的轉(zhuǎn)動副稱作復合鉸鏈個共軸線的轉(zhuǎn)動副稱作復合鉸鏈n不要少算不要少算n圖圖2-17復合鉸鏈2.局部自由度n是與運動無關的自由度是與運動無關的自由度n或者說或者說,是機構(gòu)中不影響其輸入與輸出運是機構(gòu)中不影響其輸入與輸出運動關系的個別構(gòu)件的獨立運動自由度動關系的個別構(gòu)件的獨立運動自由度n典型實例典型實例:凸輪機構(gòu)從動桿與滾子應看成凸輪機構(gòu)從動桿與滾子應看成固連在一起作為一個構(gòu)件來考慮固連在

17、一起作為一個構(gòu)件來考慮n圖圖2-18,不能多算不能多算局部自由度3.虛約束(難點)n虛約束，所起的限制作用是虛約束，所起的限制作用是重復重復的的 n虛約束常出現(xiàn)于下列情況虛約束常出現(xiàn)于下列情況(圖圖2-20)n（1）兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，其軸線互）兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，其軸線互相重合時，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，相重合時，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余都是虛約束其余都是虛約束n（2）兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，其導路互）兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，其導路互相平行時，只有一個移動副起約束作用，相平行時，只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束其余都是虛約束 (1),(2)兩種虛約束3.虛約束(難點)n(3)

18、機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分(例如行星輪系例如行星輪系)(圖圖2-21)n(4)被聯(lián)接構(gòu)件上點的軌跡和機構(gòu)上聯(lián)接被聯(lián)接構(gòu)件上點的軌跡和機構(gòu)上聯(lián)接點的軌跡重合點的軌跡重合(例如火車車輪用聯(lián)動的平例如火車車輪用聯(lián)動的平行四邊形機構(gòu)行四邊形機構(gòu))(圖圖2-19)n注意！虛約束要求構(gòu)件有較高的制造精注意！虛約束要求構(gòu)件有較高的制造精度和安裝精度度和安裝精度,否則虛約束就會成為真約否則虛約束就會成為真約束束F=34242=2F=3324=1（F3426=0）例題F=37-29-1=22.5 機構(gòu)的組成原理及平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類n2.5.1 機構(gòu)的組成原理機構(gòu)的組成原理nF(

19、機構(gòu)機構(gòu))=F(原動件原動件)+F（從動件（從動件)n一個原動件具有一個自由度一個原動件具有一個自由度n機構(gòu)自由度數(shù)機構(gòu)自由度數(shù)=原動件數(shù)目原動件數(shù)目nF=1(1/個個)F(個個)+0n因此因此,從動件系統(tǒng)的自由度為零從動件系統(tǒng)的自由度為零n從動件系統(tǒng)還可分解為若干個不可再分的自由度為零從動件系統(tǒng)還可分解為若干個不可再分的自由度為零的運動鏈的運動鏈(桿組桿組)n機構(gòu)由機架原動件桿組所組成機構(gòu)由機架原動件桿組所組成(見圖見圖2-23)2.5.2平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類n設桿組由設桿組由n個構(gòu)件和個構(gòu)件和PL個平面低副組成個平面低副組成n于是于是,F=3n-2PL=0,n或者或者,PL=(3/2)nnn=2,PL=3的桿組稱為的桿組稱為級組級組(圖圖2-24)nn=4,PL=6的桿組中常見為的桿組中常見為級組級組(都有都有一個包含三個低副的構(gòu)件一個包含三個低副的構(gòu)件)(見圖見圖2-25)級桿組拆桿組級桿組2.6 平面機構(gòu)的高副低代n高副低代必須滿足的條件高副低代必須滿足的條件:n(1)代替前后機構(gòu)的自由度完全相同代替前后機構(gòu)的自由度完全相同n(2)代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同度完全相同n平面高副平面高副,可用可用一桿兩低副代一高副一桿兩低副代一高副n(詳見圖詳見圖2-26,2-27,2-28,2-29)一桿兩低副代一高副