机械设计基础常用机构通用零件与部件以及一般机器的基本设计理论和方法的课程.ppt

绪论第1章 平面机构的运动简图和自由度第2章 平面连杆机构第3章 凸轮机构第4章 齿轮机构第5章 齿轮系第6章 间歇运动机构第7章 刚性回转的平衡第8章 键联接和销联接,目录,第 9 章 螺纹联接和螺旋传动第10章 带传动第11章 链传动第12章 齿轮传动第13章 轴第14章 轴承第15章 联轴器和离合器第16章 机械传动系统设计,目录,绪论,0.1 机器的组成及其特征0.1.1 机器与机构 在现代的日常生活和工程实践中随处都可见到各种各样的机器。例如，洗衣机、缝纫机、内燃机、拖拉机、金属切削机床、起重机、包装机、复印机等。机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置，它用来完成一定的工作过程，以代替或减轻人类的劳动。机器的种类很多， 根据用途不同，机器可分为：动力机器：实现能量转换，如内燃机、电动机、蒸汽机、发电机、压气机等。加工机器：完成有用的机械功或搬运物品，如机床、织布机、汽车、飞机、起重 机、输送机等。信息机器：完成信息的传递和变换，如复印机、打印机、绘图机、传真机、照相 机等。,绪论,虽然机器的种类繁多，构造、用途和功能也各不相同。但具有相同的基本特征：（1）人为的实物（构件）组合体。（2）各个运动实物之间具有确定的相对运动。（3）代替或减轻人类劳动，完成有用功或实现能量的转换。 凡具备上述（1）、（2）两个特征的实物组合体称为机构。机器能实现能量的转换或代替人的劳动去做有用的机械功，而机构则没有这种功能。 仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别，它们都是构件的组合，各构件之间具有确定的相对运动。因此，通常人们把机器与机构统称为机械。,绪论,如图1-1所示的内燃机， 是由汽缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、小齿轮5、大齿轮6、凸轮7、推杆8等系列构件组成，其各构件之间的运动是确定的。,图1-1 单杠内燃机,0.1.2 构件与零件 机构是由具有确定运动的单元体组成的，这些运动单元体称为构件。 组成构件的制造单元体称为零件。 零件则是指机器中不可拆的一个最基本的制造单元体。构件可以由一个或多个零件组成。 如图1-1所示内燃机的曲轴为一个零件；连杆则为多个零件的组合。因此，构件是相互固接在一起的零件组合体。,内燃机动画,绪论,0.2 本课程的性质和研究对象0.2.1 本课程的性质 本课程是一门研究常用机构、通用零件与部件以及一般机器的基本设计理论和方法的课程，是机械工程类各专业中的主干课程，它介于基础课程与专业课程之间，具有承上启下的作用，是一门重要的技术基础课程。本课程要综合应用机械制图、金属工艺学、工程力学、互换性与技术测量等先修课程的基础理论和基本知识，且偏重于工程的应用。因此，要重视生产实践环节，学习时应注重培养工程意识、理论联系实际。本课程将为学生今后学习有关专业课程和掌握新的机械科学技术奠定必要的基础。,绪论,0.2.2 本课程的研究对象 本课程的研究对象为机械中的常用机构及一般工作条件下和常用参数范围内的通用零部件，研究其工作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及一些零部件的选用和维护。0.3 本课程的基本要求和学习方法0.3.1 本课程的基本要求 本课程的任务是使学生掌握常用机构和通用零件的基本理论和基本知识，初步具有分析、设计能力，并获得必要的基本技能训练，同时培养学生正确的设计思想和严谨的工作作风。通过本课程的教学，应使学生达到下列基本要求：,绪论,1熟悉常用机构的组成、工作原理及其特点，掌握通用机构的分析和设计的基本方法。2熟悉通用机械零件的工作原理、结构及其特点，掌握通用机械零件的选用和设计的基本方法。3具有对机构分析设计和零件设计计算的能力，并具有运用机械设计手册、图册及标准等有关技术资料的能力。4具有综合运用所学知识和实践的技能，设计简单机械和简单传动装置的能力。0.3.2 本课程的学习方法 本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点。因此，学生在学习过程中，必须多观察、细思考、勤练习、常总结。观察生活、生产中遇到的各种机械，熟悉典型结构，增强感性认识；思考明晰本课程的基本概念，注意各种知识的联系，融会贯通；勤练基本技能，提高分析能力和综合能力；及时总结、消化掌握课程内容，归纳学到的各种技术方法。特别应注重实践能力和创新精神的培养，提高全面素质和综合职业能力。,第1章 平面机构的运动简图和自由度,构件：机构中运动的单元体，是组成机构的基本要素。 自由度：构件可能出现的独立运动。 对于一个作平面运动的构件，则只有三个自由度构件沿x轴、y轴方向移动和绕垂直xoy平面的任意轴线的转动，如图1-1所示。,图1-1 自由度,1.1.1 自由度、运动副与约束,1.1 机构的组成,低副：面接触,2) 运动副的分类,1)运动副：两构件之间直接接触并能产生一定的相对运动的连接称为运动副。,运动副元素：两构件上直接参与接触而构成运动副的部分点、线或面。,1.1.2 运动副及其分类,图1-2 转动副,图1-3 移动副,平面机构中低副引入两个约束，仅保留一个自由度。,图1-4 （a）凸轮高副,平面机构中高副引入一个约束，保留两个自由度。,图1-4 （b）齿轮高副,1.1.3 运动链与机构,运动链：两个以上的构件以运动副连接而构成的系统。如图1-5所示，若运动链中各构件首尾相连，则称之为闭式运动链，否则称为开式运动链。,图1-5（a）闭式运动链,图1-5（a）开式运动链,将运动链中的一个构件固定，并且它的一个或几个构件作给定的独立运动时，其余构件便随之作确定的运动，此时，运动链便成为机构。机构的组成:机 架：固定不动的构件原动件：输入运动的构件从动件：其余的活动构件,为了便于分析，人们不考虑机器的复杂外形和结构，仅用规定的线条和符号按一定的比例表示构件的尺寸和各运动副的位置， 这种将机构中各构件间相互运动关系表示出来并反映机构特征的简图称为机构运动简图。,§1-2 平面机构的运动简图,在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图。,1. 机构运动简图的定义,1.2.1 运动副及构件的表示方法,1构件构件均用直线或小方块来表示，如图1-6示。,（a）一个构件上有两个运动副,（a）一个构件上有三个运动副,图1-6 构件的表示方法,2转动副,图1-7 转动副的表示方法,（a）图面与回转轴线垂直； （b）图面与回转轴线共面,3移动副 如图1-8所示，注意移动副的导路应与两构件相对移动的方向一致。,图1-8 移动副的表示方法,4高副两构件组成高副时的相对运动与这两个构件在接触处的轮廓形状有直接关系，因此，在表示高副时必须画出两构件在接触处的曲线轮廓。如图1-8、图1-9所示为齿轮高副和凸轮高副的表示方法。,（a）外啮合齿轮； （b）内啮合齿轮； （c）齿轮齿条；,（d）锥齿轮； （e）蜗杆蜗轮,图1-9 齿轮高副的表示方法,图1-10 凸轮副的表示方法,1.2.2 平面机构运动简图的绘制,绘制机构运动简图的步骤：（1）分析机构的组成，观察相对运动关系，了解其工作原理。（2）确定所有的构件（数目与形状）、运动副（数目和类型）。（3）选择合理的位置，能充分反映机构的特性。（4）确定比例尺 （5）用规定的符号和线条绘制成机构运动简图。,【例1-1】如图1-11（a）所示为颚式破碎机的主体机构，试绘制其机构运动简图。此机构为原动件偏心轴，从动件肋板、构件、机架共同构成的曲柄摇杆机构。按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定A、B、C、D四个转动副的位置，即可绘制出机构运动简图，最后标出原动件的转动方向，如图1-11（b）所示。,1.3.1 平面机构的自由度机构的自由度：指机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。一个作平面运动的构件，可有三个自由度，而每个低副会引入两个约束，每个高副会引入一个约束。所以自由度的计算可用可动构件的自由度总数减去约束的总数，即：,F=3n-2Pl-Ph,n 活动构件数；Pl 低副数；Ph 高副数,1.3 运动确定性的概念,F = 3×32×4 = 1,F = 3×42×5 = 2,n = 3,Pl= 4,n = 4,Pl = 5,如图1-12（a）：,如图1-12（b）：,（a） （b）图1-12 机构的自由度,【例1-2】如图1-13所示，计算曲柄滑块机构的自由度。 活动构件数n=3低副数高副数,图1-13 曲柄滑块机构,【例1-3】如图1-14所示，计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2 低副数 高副数,图1-14 凸轮机构,1).复合铰链 由三个或三个以上构件组成的轴线重合的转动副称为复合铰链。 如图1-15所示，三个构件在同一轴线处形成两个转动副。 推理：N个构件时，有N 1个转动副。,1.3.2 计算机构的自由度时应注意的问题,图1-15 复合铰链,【例1-4】计算如图1-16所示的复合杆机构的自由度。解：活动构件数n=5 低副数 高副数,图1-16 复合杆机构,2)局部自由度,(1)、局部自由度：机构中个别构件不影响其它构件运动，即对整个机构运动无关的自由度。(2)、处理办法：在计算自由度时，拿掉这个局部自由度，即可将滚子与装滚子的构件固接在一起。,n=3 Pl=3 Ph=1,F=3×3-2 ×3-1 ×1=2,n=2 Pl=2 Ph=1,F=2×3-2 ×2-1 ×1=1,图1-17 局部自由度计算,3).虚约束,(1)虚约束：在机构中与其他运动副作用重复，而对构件间的相对运动不起独立限制作用的约束。(2)处理办法：将具有虚约束运动副的构件连同它所带入的与机构运动无关的运动副一并不计。,常见虚约束（1）两构件构成多个导路平行的移动副，如图1-18所示。,图1-18 两构件构成多个导路平行的移动副,（2）两构件组成多个轴线互相重合的转动副，如图1-19所示。,图1-19 两构件组成多个轴线互相重合的转动副,（3）机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分，如图1-20所示。,图1-20 行星轮系,（4）被连接件上点的轨迹与机构上连接点的轨迹重合，如图1-21所示。,图1-21 平行四边形机构,1）机构自由度数 F1。2） 原动件数目等于机构自由度数F。,1.4.3 机构具有确定运动的条件,第2章 平面连杆机构,平面连杆机构：由若干个构件以低副（转动副和移动副）连接而成，且所有构件在相互平行平面内运动的机构，也称平面低副机构。平面四杆机构：最简单的平面四杆机构是由四个构件组成的，简称平面四杆机构。铰链四杆机构：构件间用四个转动副相连的平面四杆机构。,2.1 概 述,平面连杆机构的优点是：（1）运动副都是低副，寿命长，传递动力大。（2）何形状简单，易于加工，成本低。（3）在主动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时,从动件可满足多种运动规律的要求。（4）连杆上各点轨迹形状各异，可利用这些曲线来满足不同的轨迹要求。,平面连杆机构的缺点：（1）误差较大，降低机械效率。（2）不容易实现精确复杂的运动规律。（3）不宜用于高速传动。,2.2.1 铰链四杆机构的组成（1）机架固定件，如图2-1所示构件4；（2）连架杆与机架用转动副相连接的构件，如图图2-1所示构件1和构件3；（3）连杆不与机架直接相连的构件，如图2-1所示构件2。,2.2 铰链四杆机构,图2-1 铰链四杆机构,2.2.2 铰链四杆机构的基本形式,根据连架杆运动形式的不同， 相对机架能做整周转动的称为曲柄，只能在一定角度范围内往复摆动的称为摇杆。这样，铰链四杆机构可分为三种基本形式：,1曲柄摇杆机构在铰链四杆机构的两连架杆中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常曲柄等速转动，摇杆作变速往复摆动。,图2-2 搅拌机,图2-3 雷达天线俯仰角的调整机构,图2-4 缝纫机脚踏机构,2双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。,图2-5 惯性筛机构,图2-6 平行四边形机构和反平行四边形机构,图3-5 车门启闭机构,图3-6 天平,（e）车门启闭机构 （f）天平 图2-6反平行四边形机构和平行四边形机构的应用,图2-7 轮式车辆的前轮转向机,图2-8 鹤式起重机,3双摇杆机构 在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为双摇杆机构。,2.2.3 铰链四杆机构曲柄存在的条件,曲柄存在的条件为：（1）连架杆和机架中必有一杆是最短杆。（2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。 上述两个条件必须同时满足，否则机构不存在曲柄。,若满足最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时，可得到以下三种结构；（1）连架杆是最短杆 为曲柄摇杆机构；（2）机架是最短杆 为双曲柄机构；（3）若最短杆是连杆，此机构为双摇杆机构。 若满足最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时,为双摇杆机构。,2.3 含有一个移动副的平面四杆机构,2.3.1 曲柄滑块机构 曲柄滑块机构是用移动副取代曲柄摇杆机构中的转动副而演化得到的。,图2-9 曲柄滑块机构（a）对心曲柄滑块机构； （b）偏置曲柄滑块机构,图2-10 曲柄滑块机构在冲床中的应用,曲柄滑块机构用于转动与往复移动之间的运动转换，广泛应用于活塞式内燃机、空气压缩机、冲床和自动送料机等机械设备中。如图2-10所示为曲柄滑块机构在冲床中的应用。,2.3.2 导杆机构,图2-11 曲柄滑块机构向导杆机构的演化,（a）对心曲柄滑块机构；（b）曲柄转动导杆机构；（c）移动导杆机构； （d）摆动导杆机构,导杆机构可看成是通过改变曲柄滑块机构中的固定构件演化而来的，如图2-11所示。,1曲柄转动导杆机构,图2-12 小型刨床机构,2曲柄摆动导杆机构,图2-13 曲柄摆动导杆机构在电器开关中的应用,3移动导杆机构 也称为定块机构。如图2-14所示，以滑块为机架，杆4只相对滑块作往复移动，滑块3称为定块。这种机构常用于抽水唧筒和抽油泵中。,图2-14 抽水唧筒,4摆动导杆机构,图2-15 汽车自动卸料机构,2.4 平面四杆机构的工作特性,2.4.1 急回特性及行程速度变化系1、急回特性 摇杆CD处此两极限位置时曲柄所在直线之间的锐角称为极位夹角，机构中输出件在两极限位置间的移动距离或摆动角度称为行程。,图2-16 急回特性,当摇杆CD由C1D摆动到C2D位置（工作行程）时，曲柄AB以等角速度顺时针从AB1转到AB2，转过角度为： ,所需时间为 ,C点的平均速度为 。 当摇杆CD由C2D摆回到C1D位置（空回行程）时，曲柄AB以等角速度顺时针从AB2回转到AB1 ，转过的角度为： ，所需时间为 ，C点的平均速度为 。 由于 ，所以， ,综上所述，在输入件曲柄作等速转动时，作往复摆动的输出件摇杆在空载行程中的平均速度大于工作行程中的平均速度，这一性质称为连杆机构的急回特性。通常用行程速度变化系数K来表示这种特性：,机构的急回速度取决于夹角的大小。 越大，K值越大，机构的急回程度也越高，但从另一方面看，机构运动的平稳性就越差。,图2-17 偏置曲柄滑块机构,曲柄滑块机构，当偏心距e=0时，=0，K=1，机构无急回特性；当偏心距e0时，0，则K1，机构有急回特性。,2.4.2 压力角和传动角,如图2-19所示的曲柄摇杆机构中，如不考虑构件的重量和摩擦力，可将F分解可得推动摇杆的有效分力Ft=Fcos，只能产生摩擦阻力的有害分力Fr=Fsin。,图2-19 压力角和传动角,其中称为压力角，即为作用在从动件上的驱动力与该力作用点的绝对速度方向之间所加锐角称为压力角，通常把压力角座位判断一连杆机构是否具有良好的传力性能的标志。 常以连杆与摇杆所夹锐角来衡量机构的传力性能。显而易见，即压力角的余角，称为传动角。因为 =90°，故愈大，对机构传动愈有利。,图2-20 曲柄摇杆机构的压力角和传动角,图2-21 摆动导杆机构的压力角和传动角,2.4.3 死点,如图2-22所示的曲柄摇杆机构中，当摇杆CD为主动件、曲柄AB为从动件时，当摇杆处在两个极限位置时，连杆BC与曲柄AB共线。若不计各构件质量，则这时连杆加给曲柄的力将通过铰链A的中心，这时连杆BC无论给从动件曲柄AB的力多么大都不能推动曲柄运动，机构所处的这种位置称为死点位置。,图2-22 死点位置,在实际应用中也有利用死点位置的性质来进行工作的。如图2-23所示快速夹具，机构处于死点位置，在去除外力F后仍可加紧工件而不自动脱落。只有向上扳动手柄3方可松开夹具。,图2-23 死点的应用,2.5 平面四杆机构的设计,2.5.1 四杆机构设计条件（1）给定位置或运动规律，如连杆位置、连架杆对应位置或行程速度变化系数等。（2）给定运动轨迹，如要求起重机中吊钩的轨迹为一直线；搅面机中搅拌杆端能按预定轨迹运动等，这些都是连杆上的点的轨迹。为了使机构设计的合理、可靠，还应考虑几何条件和传力性能要求等。,2.5.2 四杆机构的设计方法,（1）已知连杆的两个位置、及其长度，设计铰链四杆机构。,图2-24 已知连杆两位置设计铰链四杆机构,（2）按给定连杆三个位置设计四杆机构,图2-25 按给定连杆三个位置设计四杆机构,（3）按给定的行程速度变化系数设计四杆机构,图2-26 按给定的行程速度变化系数设计四杆机构,