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机械设计的基础(1-2)绪论§0—1引言机器是人类为了提高劳动生产率而创造出来的主要工具，使用机器进行生产的水平是衡量一个国家的技术水平和现代化程度的重要标志之一。大量的新机器也从传统的纯机械系统，演变成机电一体化的机械设备。机器的设计、制造进入了智能化的新阶段。机器的设计制造周期越来越短，对机器的性能、质量的要求也越来越高，个性化要求越来越多，机械产品向着高速、精密、重载、智能等方面发展。机械的种类繁多，性能、用途各异，但是他们有共同的特征：我们从它的特征出发，剖析其结构，研究其组成原理，以达到掌握、运用的目的。§0—2机器的组成及其特征在人们的生产和生活中广泛地使用着各种类型的机器。常见的如内燃机、机床、汽车、火车、发电机、洗衣机等等。共同的特征：（1）都是人为的实物组合；（2）组成机器的各实物之间具有确定的相对运动；（3）能实现能量转换或完成有用的机械功。凡具备上述三个特征的实物组合就称为机器，它可用来传递运动和变换运动形式。由此可知机构只有机器的前两个特征，若仅从结构和运动观点来看机器与机构二者之间并无区别。因此，习惯上常用机械一词作为机器和机构的总称。机器是由机构组成的。最简单的机器只包含一个机构，如电动机等。多数机器包含若干个机构，如教材图0-1所示的内燃机就包含曲柄滑动机构、凸轮机构和齿轮机构等多个机构。组成机构的各个相对运动部分称为构件。构件作为运动单元，它可以是单一的整体，也可以是由几个最基本的实物，组成的刚性结构。因此，构件与零件的区别是：构件是运动的单元，而零件是制造的单元。机构有多种型式，其中常用机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇机构等。零件可分为：通用零件和专用零件两类：（1）通用零件是在各种机械中普遍采用的零件，如：螺钉、齿轮、轴承等；（2）专用零件只出现在特殊机械中，如：汽轮机叶片、内燃机活塞等。§0—3机械设计的基本要求机械设计的目的是为了满足社会生产和生活需求，在设计中应合理确定机械系统功能，增强可靠性，提高经济性，确保安全性。机械产品设计应满足以下几方面的基本要求。1．实现预定功能:机器应能实现预定功能，并在规定的工作条件下、规定的工作期限内能正常运转。为此，必须正确选择机器的工作原理、机构的类型和机械传动方案，合理设计零件，满足强度、刚度、耐磨性等方面的要求。2．满足可靠性要求：机械产品的可靠性是由组成机械的零、部件的可靠性保证的。只有零、部件的可靠性高，才能使系统的可靠性高。机械系统的零、部件越多，其可靠度越低。为此，要尽量减少机械系统的零件数目，并对系统可靠性有关键影响的零件，必须保证其必要的可靠性。3.符合经济合理性：符合经济合理性要求设计的机械产品应先进、功能强、生产效率高、成本低、使用维护方便、在产品寿命周期内用最低的成本实现产品的预定功能。4．确保安全性要求：要能保证操作者的安全和机械设备的安全，以及保证设备对周围环境无危害，要设置过载保护安全互锁等装置。5．推行标准化要求：机械产品规格、参数符合国家标准，零部件应最大限度的与同类产品互换通用，产品应成系列发展，推行标准化、系列化、通用化，提高标准化程度和水平。§0—4机械设计基础课程的内容、性质和任务一、课程的内容本课程内容在简要介绍有关整部机器设计的基本知识的基础上，重点讨论常用机构的组成原理，传动特点、功能特性、设计方法等基本知识；重点讨论通用机械零件在一般工作条件下的工作原理、结构特点、选用及设计计算问题。二、课程的性质本课程是一门技术基础课，它综合运用了工程力学、金属工艺学、机械制图、公差配合等先修课程知识，解决常用机构及通用零部件的分析设计问题，较之以往的先修课程更接近工程实际，但也有别于专业课程，它主要是研究各类机械所具有的共性问题，在机电类专业课程体系中占有重要位置。三、课程的任务1.了解常用机构的工作原理，运动特性及机械设计的基本理论和方法。2.掌握通用零件的工作原理、选用和维护等方面的知识。3.培养学生初步具有运用标准手册，查阅相关技术资料能力，具有通用零件的参数选择和简单机械传动装置的设计计算能力。4.获得本学科实验技能的初步训练。5.通过本课程的学习为后续专业课程打好基础。第一章平面机构运动简图及自由度机构是用运动副连接起来的构件系统，其中有一个构件为机架，是用来传递运动和力的。机构还可以用来改变运动形式。机构各构件之间必须有确定的相对运动。然而，构件任意拼凑起来是不一定具有确定运动的。教材图1—1a是三杆构件组合体用铰链连接成的组合体，但各构件之间无相对运动，所以它不是机构。又如教材图1—1b五杆构件组合体所示，当只给定构件1的运动规律时，其余构件的运动并不确定。构件究竟应如何组合，才具有确定的相对运动?这对分析现有机构或机构的创新设计是很重要的。§1—1平面机构的组成一、构件的自由度构件是机构中运动的单元体，因此它是组成机构的基本要素。构件的自由度是构件可能出现的独立运动。任何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度。如教材图1—2所示，它可表达为在直角坐标系内沿着三个坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动。而对于一个作平面运动的构件，则只有三个自由度，构件AB可以在xoy平面内可以在任一点m绕z轴转动，也可沿x轴或y轴方向移动。OyAxyA'x二、约束与运动副平面机构中每个构件都不是自由构件，而以一定的方式与其他构件组成动联接。这种使两构件直接接触并能产生一运动的联接，称为运动副。两构组成运动副后，就限制了构件的独立运动，两构件组成运动副时构件上参加接触的点、线、面称为运动副元素，显然运动副也是组成机构的主要要素。两构件组成运动副后，就限制了两构件间的相对运动，对于相对运动的这种限制称为约束。根据组成运动副两构件之间的接触特性，运动副可分为低副和高副。三、运动副及其分类1.低副两构件以面接触的运动副称为低副。根据它们之间的相对运动是转动还是移动，运动副又可分为转动副和移动副。（1）转动副若组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转动的运动副。通常转动副的具体形式是用铰链连接,即由圆柱销和销孔所构成的转动副，如教材1—3图所示。（2）移动副若组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副。如教材图1—4所示.活塞与气缸体所组成的运动副即为移动副。平面机构中的低副引入两个约束，仅保留一个自由度。2.高副两构件以点或线接触的运动副成为高副。如教材图1—5所示，轮齿1与轮齿2组成的高副中轮齿1沿公法线nn方向的移动受到约束，而齿轮1相对于齿轮2则即可沿接触点A的切线tt方向移动，同时还可绕A点转动。由此可见，平面机构中的高副引入一个约束，保留了两个自由度。此外，常用的运动副还有球面副、螺旋副他们都属于空间运动副，即两构件的相对运动为空间运动。四、运动副符号首先要用规定的符号和表示出运动副的性质为运动副的符号。转动副：符号为，112212121212移动副：符号为，构件与运动副符号：五、机构中构件的分类及组成组成机构的的构件，根据运动副的性质可分为三类：1.固定构件（机架）机构中用来支撑可动构件的部分。2.主动件（原动件）机构中作用有驱动力或驱动力矩的构件。3.从动件机构中除主动件以外的运动构件。§1—2平面机构运动简图平面机构运动简图：用规定的符号和线条按一定的比例表示构件的尺寸和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。一、机构运动简图与机构简图机构简图：是用特定的构件和运动副符号表示机构的一种简化示意图，仅着重表示结构特征。(b)(a)122112212由于机构的实际运动不仅与机构中运动副的性质、运动副的数目及相对位置、构件的数目等有关，还与运动副的位置有关。因此，按一定的长度比例尺确定运动副的位置,用长度比例尺画出的机构简图称为机构运动简图。机构运动简图保持了其实际机构的运动特征,它简明地表达了实际机构的运动情况。教材12页表1—1摘录了GB4460—84部分常用机构运动简图的符号供同学参考。二、平面机构运动简图的绘制在绘制构运动简图时，首先必须分析该机构的实际构造和运动情况，分清机构中的主动件(输入构件)及从动件；然后从主动件(输入构件)开始，顺着运动传递路线，仔细分析各构件之间的相对运动情况；从而确定组成该机构的构件数、运动副数及性质。在此基础上按一定的比例及特定的构件和运动副符号，正确绘制出机构运动简图。绘制时应撇开与运动无关的构件的复杂外形和运动副的具体构造。同时应注意，选择恰当的原动件位置进行绘制。避免构件相互重叠或交叉。绘制机构运动简图的步骤：（1）分析机构，观察相对运动；（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，即能充分反映机构的特性；（4）确定比例尺，)(mmml图上尺寸实际尺寸（5）用规定的符号和线条绘制成间图。（从原动件开始画）绘制内燃机机构的运动简图（略）§1—3平面机构的自由度构件通过运动副相联接起来的构件系统怎样才能成为机构呢？要想判定若干个构件通过运动副相联接起来的构件系统是否为机构，就必须14132312研究平面机构自由度的计算。一、平面机构的自由度机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。平面机构自由度与组成机构的构件数目、运动副的数目及运动副的性质有关。观察三杆构件组合系统，和四杆构件组合系统，它们皆用转动副联接，但因二者的构件数与运动副数不同，则两构件系统的自由度不同。显然三杆构件系统不能动，而四杆构件组合系统具有确定的运动，这是因为前者自由度为零，后者则有一个自由度。在平面机构中每个平面低副(转动副、移动副等)引入两个约束，使构件失去两个自由度，保留一个自由度；而每个平面高副(齿轮副、凸轮副等)引入一个约束，使构件失去一个自由度，保留两个自由度。如果一个平面机构中包含有n个可动构件(机架为参考坐标系，相对固定而不计)，在没有用运动副联接之前，这些可动构件的自由度总数应为3n。当各构件用运动副连接起来之后,由于运动副引入的约束使构件的自由度减少。若机构中有PL个低副和PH个高副。则所有运动副引入的约束数为2PL+PH。因此，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。若机构的自由度，以F表示，F＝3n—2PL—PH例1—1试计算内燃机机构的自由度，并判断机构的运动是否确定。解由前分析可知，内燃机机构有5个可动构件，6个低副(其中有2个移动副、4个转动副)，2个高副。即n=5，PL=6，PH=2。所以，该机构的自由度为：F=3n-2PL-PH=3×5—2×6—2＝l由于机构是以具有一个独立运动的构件活塞1作原动件，原动件的数目等于机构自由度数，机构具有确定的运动。二、计算平面机构的自由度应注意的事项应用计算F＝3n—2PL—PH平面机构自由度时，应注意以下几点：1.复合铰链两个以上构件组成两个或更多个共轴线的转动副，即为复合铰链。如教材图1—11所示构件在A处构成的复合铰链。由图B可知，此三构件共组成两个共轴线转动副，当有k个构件在同一处构成复合铰链时，就构成k-1个共线转动3211ACB432D副。在计算机构自由度时，应仔细观察是否有复合铰链存在，以免算错运动副的数目。2.局部自由度与输出件运动无关的自由度称为机构的局部自由度，在计算机构自由度时，可预先排除。如右图所示平面凸轮机构中，为减少高副接触处的磨损，在从动件2上安装一个滚子3，使其与凸轮1的轮廓线滚动接触。显然，滚子绕其自身轴线的转动与否并不影响凸轮与从动件间的相对运动，因此滚子绕其自身轴线的转动为机构的局部自由度。在计算机构的自由度时应预先将转动副C和构件3除去不计，如图所示，设想将滚子3与从动件2固连在一起，作为一个构件来考虑。此时该机构中，n=2，PL=2，PH＝l。其机构自由度为：F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1=13.虚约束在特殊的几何条件下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。如下图所示平面机构的虚约束常出现于下列情况：（1）不同构件上两点间的距离保持恒定；（2）两构件构成各个移动副且导路互相平行；（3）机构中对运动不起限制作用的对称部分；（4）被联接件上