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1第0章绪论一、本课程研究的对象和内容1、研究的对象：机械的组成原理、机械运动学和动力学以及机械零件设计理论和计算方法机械：机器和机构的总称（1）机器：是根据某种使用要求而设计的一种人为实物组合的执行机械运动的装置，它可以用来变换或传递能量、物料、信息，以代替或减轻人类的劳动。三个特征：①人为的实物组合（不是天然形成的）；②各实物单元具有确定的相对运动；③能完成有用的机械功或转换机械能，可用来代替或减轻人类的劳动；一般机器包含四个组成部分：动力部分、传动部分、控制部分和执行部分。（2）机构：能实现预期机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体称为机构。是一个具有相对机械运动的构件系统，用来传递与变换运动和力的可动装置。它是机器的重要组成部分，具有机器的前两个特征。分类：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇机构。机构只是一个构件系统，而机器除构件系统外，还包含电气、液压等其它系统。构件：是运动的单元。可以是单一的整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构。零件：是制造的单元。2、研究内容：是研究机械的组成原理、运动学和动力学以及组成机械的零件（通用零件）设计等一般方法的学科。第一章平面机构及其自由度一、运动副及其分类1、运动副：两个构件直接接触形成的一种可动联接。（1）高副：点、线接触，应力高。一个约束、相对自由度等于2。（2）低副：面接触，应力低。两个约束，一个自由度。低副有转动副和移动副。二、平面机构运动简图1、机构运动简图：用简单线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例表示各运动副的相对位置。用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。机构示意图：仅以构件和运动副的符号表示机构而不按精确比例绘制的简图。2、构件的分类：固定件、原动件、从动件3、绘制机构运动简图2（1）应满足条件：①构件数目与实际相同；②运动副的性质、数目与实际相符；③运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例（2）步骤：①分析清楚所要绘制机械的结构和动作原理；②从原动件开始，按照运动传递的顺序，仔细分析各构件相对运动的性质，确定运动副的类型和数目；③合理选择视图平面，通常选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面；④选取适当的长度比例尺，按一定的顺序进行绘图，并将比例尺标注图上。三、平面机构的自由度及其运算1、平面机构的自由度自由度：各构件相对于机架所能有的独立运动的数目作平面运动有三个自由度，空间运动有六个自由度。每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高幅引入一个约束，使构件失去一个自由度自由度数：F=3n-2PL-PH（设平面机构共有K个构件，则活动构件n=K-1）2、机构具有确定运动的条件：机构的自由度数目必须大于零且等于原动件的数目。（1）当机构的自由度数原动件数时，机构从动件的运动是不确定的。（2）当构件组的自由度0，原动件数时，会发生运动干涉而破坏构件。（3）当构件组的自由度小于等于零时，它不是机构，而是不能产生相对运动的静定或超静定刚性结构3、计算机构自由度时注意事项（1）复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副相联。由M个构件汇成的复合铰链应当按M-1个转动副计算。（2）局部自由度：与输出运动无关的自由度。计算时应除去不计。（3）虚约束：不起独立限制作用的约束。计算时应除去不计。①轨迹相同；②移动副平行；③转动副轴线重合；④对称结构四、速度瞬心及其在机构速度分析中的应用1、速度瞬心：两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动，该点称瞬时速度中心。相对速度瞬心：当两个刚体都在运动时，其瞬心称为相对速度瞬心；绝对速度瞬心：当两个刚体之一是静止的，则其瞬心称为绝对速度瞬心。3瞬心数目：若机构有n个构件，则瞬心有N=n(n-1)/22、瞬心的求法（1）直接观察法：适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。转动副连接：铰链中心即为瞬心；移动副连接：瞬心位于垂直于移动副导路的无穷远处；高副纯滚动：接触点为瞬心；否则，无法确定，但必定在公法线上。（2）三心定律：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。第二章平面连杆机构一、概述1、定义：由若干刚性构件用低副链接而成的平面机构2、特点：①构件运动形式多样；②低副面接触的结构使其具有磨损减小，制造方便，几何封闭的优点；③只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；④运动中惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。二、平面四杆机构的类型曲柄：能作整周转动的连架杆；摇杆：只能在一定角度范围内摆动的连架杆。1、曲柄摇杆机构：一个曲柄、一个摇杆（雷达天线俯仰机构、缝纫机踏板）通常曲柄为原动件，并作匀速转动，而摇杆为从动件，作变速往复摆动。2、双曲柄机构：两连架杆均为曲柄（惯性筛）3、双摇杆机构：两连架杆均为摇杆（汽车转向机构）三、平面四杆机构的特性1、曲柄存在的必要条件：①最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；②在曲柄摇杆机构中，曲柄是短杆平面四杆机构类型的判断条件：在满足杆长和的条件下：①取最短杆为机架时，其连架杆均为曲柄——双曲柄机构；②取最短杆相邻的构件为机架，最短杆为曲柄，另一连杆架为摇杆——曲柄摇杆机构；③取最短杆的对边为机架——双摇杆机构不满足杆长和条件：只能是双摇杆机构42、急回特性极位：当摇杆处在左、右两极端位置时，对应整个机构所处的位置极位夹角θ：当机构处在极位时对应曲柄两位置之间所夹锐角（等于摆角φ）急回特性可用行程速比系数K来表示：极位夹角越大，K值越大。极位夹角计算公式K1有急回运动3、压力角和传动角压力角：作用在从动件上的驱动力方向与该点绝对速度方向所夹锐角，用α表示。实际机构中，为了度量方便，习惯用α的余角γ来判断传力性能，称为传动角。α越小，γ越大，机构传力性能越好。一般γmin≥[γ]=40°传递大扭矩时γmin≥50°，当∠BCD＞90°时，γ=180°-∠BCD；当∠BCD＜90°时，γ=∠BCD。最小传动角出现在曲柄与机架共线时。4、死点位置：在有往复运动构件的机构中，从动件与连杆共线的位置即为死点位置。这时连杆加给曲柄的力将通过铰链中心，此力对此点不产生力矩，因此不能使曲柄发生转动。四、平面四杆机构的演化1、移动副取代转动副的演化——曲柄滑块机构（活塞式内燃机、空气压缩机、冲床）（1）双滑块机构：看成两杆长度趋于无穷大①两个移动副不相邻：从动件的位移与原动件转角的正切成正比——正切机构；②两个移动副相邻，且其中一个移动副与机架相关联：从动件的位移与原动件转角的正弦成正比——正弦机构。常见于计算装置。③两个移动副相邻，且均不与机架相关联：如滑块联轴器。④两个移动副都与机架相关联：椭圆仪。2、变更机架的演化——导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的固定件而演化而来的转动导杆机构、摆动导杆机构、摆动滑块机构、固定滑块机构3、扩大转动副的演化：偏心轮机构4、变更杆长的演化五、平面连杆机构设计1、基本问题：①实现构件给定位置；②实现已知运动规律；③实现已知运动轨迹2、按照给定的行程速比系数设计四杆机构θθ−°+°=180180K11180+−⋅°=KKθ5（1）曲柄摇杆机构：已知摆杆长度、摆角、K——无唯一解（2）导杆机构：已知机架长度、K3、给定连杆位置设计四杆机构若给定连杆两个位置：作出B1\B2和C1\C2的垂直平分线，A、D分别在这两条平分线上，有无穷多解；若给定连杆三个位置，则A、D点是确定的。4、按照给定两连架杆对应位置设计——解析法求解六、平面多杆机构简介6第三章凸轮结构一、凸轮机构的应用和分类1、凸轮的应用：内燃机、绕线、送料、自动机床进刀2、组成：凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件，是主动件，通常等速转动。从动件：由凸轮控制按其运动规律作移动或摆动运动的构件。机架：支承活动构件的构件3、分类：（1）按形状：盘型凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮（2）按从动件的形式分：尖顶凸轮、平底凸轮、滚子凸轮4、优点：（1）只需设计出合适的凸轮轮廓，就可使从动件获得所需的运动规律；（2）结构简单、紧凑、设计方便。缺点：（1）凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以通常多用于传力不大的场合；（2）与圆柱面和平面相比，凸轮轮廓的加工要困难得多；（3）为使凸轮机构不致过于笨重，从动件的行程不能过大。二、从动件的常用运动规律基圆：以凸轮轮廓曲线的最小向径r0为半径所绘的圆。推程：（过程）；行程：推程所走的距离；推程运动角：推程过程中凸轮的转角；远休止角：从动件在最远的位置停留不动，此时凸轮转过的角度从动件位移线图：横坐标代表凸轮转角（时间）、纵坐标代表从动件位移从动件运动线图：包括从动件位移线图、从动件运动速度线图和加速度线图。1、几种常见的运动规律（1）多项式运动规律：多项式的方次n越高，意味着对从动件的运动要求越高，但方次越高，凸轮的加工误差对从动件的运动规律影响越大，因此，n大于10的多项式规律很少使用。①n=1的等速运动规律：凸轮以等角速度ω1转动运动开始时，速度由零突变为一常数，运动终止时由常数突变为零。刚性冲击：由于惯性力无穷大突变而引起的冲击。始末两瞬时会有刚性冲击。①n=2的等加速等减速运动规律：加速段和减速段加速度的绝对值相等。柔性冲击：由于加速度发生有限值突变而引起的冲击。在始、中、末三瞬时有柔性冲击。（2）三角函数运动规律①余弦加速度运动规律：加速度曲线不连续，始末两瞬时存在柔性冲击。余弦加速度运动nnccccsδδδ......221102+++=7规律适用于中速中载场合。②正弦加速度运动规律：速度曲线和加速度曲线连续，无刚性冲击和柔性冲击。正弦加速度运动规律适用于高速轻载场合。2、选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题（1）当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求，而凸轮的转速不太高时，应首先从满足工作需要出发来选择或设计从动件的运动规律，其次考虑动力特性和便于加工。（2）当机器的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程，而对其运动规律无特殊要求时，对于低速凸轮机构，主要考虑便于加工；对于高速凸轮机构，首先考虑动力特性。（3）当机器对从动件的运动特性有特殊要求，而凸轮的转速又较高，并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要求时，可以考虑采用满足要求的组合运动规律。（4）在设计从动件运动规律时，除了要考虑其冲击特性之外，还要考虑从动件的最大速度vmax、最大加速度amax以及最大跃度jmax，这一点对于高速凸轮机构尤其重要。三、图解法设计凸轮轮廓1、凸轮廓线设计的基本原理——反转法给整个凸轮机构施以-ω时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。理论廓线：滚子中心的轨迹线；实际廓线：凸轮的可见轮廓线；尖顶从动件：理论廓线与实际廓线重合；滚子从动件：理论廓线与实际廓线在法线方向上互为等距曲线；平底从动件：理论廓线与实际廓线是两条不同的曲线。2、几种常见的凸轮轮廓的绘制（1）对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计步骤：①选比例尺μl，作位移曲线和基圆rb；②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置；③确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置；④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。（2）对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计步骤：①选比例尺μl，作位移曲线和基圆rb；②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置；③确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置；④将各点连接成一条光滑曲线；⑤作滚子圆族及滚子圆族的内(外)包络线。（3）对心平底移动从动件盘形凸轮廓线的设计8步骤：①选比例尺μl，作位移曲线和基圆rb；②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置；③确定反转后平底与导路中心线的交点A在各等分点占据的位置；④作平底直线族及平底直线族的内包络线。（4）偏置尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计步骤：①选比例尺μl，作位移曲线、基圆rb和偏距圆e；②等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对