浙大机械设计考研辅导课件第一章总论.

景德镇陶瓷学院专用第一章总论§1－1机械的组成§1－2本课程研究的内容和目的§1－3机械运动简图及平面机构的自由度§1－4机件的失效及其工作能力准则§1－5机件常用的材料及其选用§1－6机械应满足的基本要求及其设计的一般程序景德镇陶瓷学院专用§1－1机械的组成机械是由机器和机构组成的。机器提供和转换机械能的机器利用机械能实现预期工作的机器机器的构成执行部分原动机传动装置控制部分1）改变速度2）改变运动形式3）在传递运动的同时传递力景德镇陶瓷学院专用名词术语解释:1.构件－独立的运动单元内燃机中的连杆内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖零件－独立的制造单元景德镇陶瓷学院专用2.运动副a)两个构件、b)直接接触、c)有确定的相对运动运动副元素－直接接触的部分（点、线、面）例如：滚子凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。定义：运动副－－两个构件通过一定的相互接触和制约，构成保持确定相对运动的“可动联接”。三个条件，缺一不可景德镇陶瓷学院专用按运动副元素分有：①高副－点、线接触，应力高。②低副－面接触，应力低例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副）、移动副。景德镇陶瓷学院专用常见运动副符号的表示:国标GB4460－84景德镇陶瓷学院专用常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副景德镇陶瓷学院专用平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副121212空间运动副121212景德镇陶瓷学院专用构件的表示方法:景德镇陶瓷学院专用一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件景德镇陶瓷学院专用三副构件两副构件一般构件的表示方法景德镇陶瓷学院专用运动链－两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。注意事项:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。闭式链、开式链3.运动链景德镇陶瓷学院专用若干1个或几个1个4.机构定义：具有确定运动的运动链称为机构。机架－作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。从动件－其余可动构件。景德镇陶瓷学院专用§1-3平面机构运动简图及平面机构自由度机构运动简图－用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用：1.表示机构的结构和运动情况。机动示意图－不按比例绘制的简图现摘录了部分GB4460－84机构示意图如下表。2.作为运动分析和动力分析的依据。景德镇陶瓷学院专用常用机构运动简图符号在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动景德镇陶瓷学院专用链传动圆柱蜗杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动景德镇陶瓷学院专用机构运动简图应满足的条件：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。棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动景德镇陶瓷学院专用绘制机构运动简图顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，数数构件是多少，再看它们怎相联。步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；4.检验机构是否满足运动确定的条件。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。简图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。景德镇陶瓷学院专用DCBA1432绘制图示鳄式破碎机的运动简图。景德镇陶瓷学院专用1234绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵景德镇陶瓷学院专用给定S3＝S3(t)，一个独立参数θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。若同时给定θ1和θ4，则θ3θ2能唯一确定，该机构需要两个独立参数。θ4S3123S’3θ11234θ1景德镇陶瓷学院专用定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。原动件－能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：运动链的自由度必须大于零自由度＝原动件数景德镇陶瓷学院专用平面机构自由度的计算公式作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。yxθ(x,y)F=3单个自由构件的自由度为3景德镇陶瓷学院专用自由构件的自由度数运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：构件自由度＝3－约束数移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3θ经运动副相联后，构件自由度会有变化：＝自由构件的自由度数－约束数景德镇陶瓷学院专用活动构件数n计算公式：F=3n－(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度低副约束数高副约束数3×n2×PL1×Ph①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1高副数PH=0S3123推广到一般：景德镇陶瓷学院专用②计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2高副数PH=01234θ1景德镇陶瓷学院专用③计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1高副数PH=1123景德镇陶瓷学院专用二、计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL－PH高副数PH=0=3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！景德镇陶瓷学院专用1.复合铰链－－两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。两个低副景德镇陶瓷学院专用上例：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL－PH=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。12345678ABCDEF圆盘锯机构景德镇陶瓷学院专用⑥计算图示两种凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且F=1123123景德镇陶瓷学院专用2.局部自由度F=3n－2PL－PH－FP=3×3－2×3－1－1=1本例中局部自由度FP=1或计算时去掉滚子和铰链：F=3×2－2×2－1=1定义：构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。123123景德镇陶瓷学院专用解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH=3×4－2×6=0PH=03.虚约束－－对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。1234ABCDEF景德镇陶瓷学院专用重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF4F⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。AB＝CD＝EF虚约束景德镇陶瓷学院专用出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2.两构件构成多个移动副，且导路平行。如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明)景德镇陶瓷学院专用4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。3.两构件构成多个转动副，且同轴。5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。EF景德镇陶瓷学院专用6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A景德镇陶瓷学院专用虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!景德镇陶瓷学院专用CDABGFoEE’⑧计算图示大筛机构的自由度。位置C，2个低副复合铰链:局部自由度1个虚约束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1=2CDABGFoE景德镇陶瓷学院专用B2I9C3A1J6H87DE4FG5⑧计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：活动构件数n：A1B2I9C3J6H87DE4FG592个低副复合铰链:局部自由度2个虚约束:1处I8去掉局部自由度和虚约束后：n=6PL=7F=3n－2PL－PH=3×6－2×7－3=1PH=3景德镇陶瓷学院专用§1－4机械的失效及其工作能力准则机件主要的损伤及失效形式机件产生整体的或工作表面的破裂或塑性变形弹性变形超过允许的限度工作表面磨损、胶合和其他损坏靠摩擦力工作的机件产生打滑超过允许限度的强烈振动景德镇陶瓷学院专用机件的工作能力是指完成一定功能在预定使用期限内不发生失效的安全工作限度衡量机件工作能力的指标称为机件的工作能力准则主要准则强度刚度耐磨性振动稳定性耐热性景德镇陶瓷学院专用•（一）强度准则•强度是机件抵抗断裂、过大的塑性变形或表面疲劳破坏的能力。即：•σ≤σlim•考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响，上式右边要除以设计安全系数(简称安全系数)，即：•σ≤σlim/S即σ≤[σ]•（二）刚度准则•零件在载荷作用下产生的弹性变形量y，小于或等于机器工作性能所允许的极限值[y]（许用变形量），就叫做满足了刚度要求，或符合刚度计算准则。其表达式为：•y≤[y]景德镇陶瓷学院专用•（三）耐磨性准则机件的带有相对运动的接触表面物质不断损失的现象称为磨损磨损的四种基本形式1）磨粒磨损2)粘着磨损3）疲劳磨损4）腐蚀磨损•（四）振动稳定性准则•（五）耐热性准则景德镇陶瓷学院专用§1-5机件的常用材料及其选用机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金。非金属材料如塑料、橡胶等。一、金属材料1.铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等。2.钢：结构钢、工具钢、特殊钢(不锈钢、耐热钢、耐酸钢等)、碳素结构钢、合金结构钢、铸钢等。铸铁常用金属材料钢铜合金----含碳量2%----含碳量≤2%铁碳合金特点：良好的液态流动性，可铸造成形状复杂的零件。较好的减震性、耐磨性、切削性（指灰铸铁）、成本低廉。应用：应用范围广。其中灰铸铁最广、球墨铸铁次之。景德镇陶瓷学院专用选用原则：优选碳素钢，其次是硅、锰、硼、钒类合金钢。特点：与铸铁相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。零件毛坯获取方法：锻造、冲压、焊接、铸造等。应用：应用范围极其广泛。表11-1常用材料的相对价格材料种类规格相对价格热轧圆刚碳素结构钢Q235（φ33~42）1铸件优质碳素钢（φ29~50）1.5~1.8合金结构钢（φ29~50）1.7~2.5滚动轴承钢（φ29~50）3合金工具钢（φ29~50）3~204Cr9Si2耐热钢（φ29~50）5灰铸铁铸件0.85碳素钢铸件1.7铜合金、铝合金铸件8~10价格便宜且供应充分我国资源丰富景德镇陶瓷学院专用3.铜合金-铜锌合金，并含有少量的锰、铝、镍特点：具有良好的塑性和液态流动性。青铜合金还具有良好的减摩性和抗腐蚀性。零件毛坯获取方法：辗压、铸造。应用：应用范围广泛。种类青铜黄铜轴承