机械设计基础教学课件

绪论§0—1引言机器：产生：是人类为了提高劳动生产率而创造出来的主要工具。标志：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。发展：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。学习目的：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。机械设计基础§0—2机器的组成及其特征一、举例说明单缸内燃机颚式破碎机二、基本概念1、机器特征：（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。2、机构：（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；注意：机构与机器联系与区别3、机械：机器与机构的总称3、构件：机器或机构中最小的运动单元4、零件：机器或机构中最小的制造单元注意：构件与零件联系与区别关系：零件构件机构机器组成组成组成机械6机器的其他内容：（1）、原动机传动部分执行部分辅助系统控制系统（2）、机器是执行机械传动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息，以代替或减轻人的体力和脑力劳动（3）、按用途分：动力机器，加工机器，运输机器（4）、自动机，自动线（5）、机构类型：常用机构，液压机构，气压机构等（6）、零件类型：通用零件，专用零件（7）、部件：协同工作且完成共同任务的零件组合通用部件：轴承，联轴器等专用部件：汽车转向器§0—3机械设计的基本要求及一般程序一、机械设计的基本要求1、预定功能的要求:设计的基本出发点功能要求：设计机器的功用和性能指标（运动性能，动力性能，技术指标，外形结构要求）必需正确选择机器的工作原理、机构类型和机械传动方案2、安全可靠与强度、寿命的要求:机器正常工作的必要条件3、经济性要求:成本低，效率高，维护方便等综合性能指标：与设计，制造，使用都有关良好工艺，合理选材，尽量三化（零件标准化，部件通用化，产品系列化）4、操作使用要求:操作简单，劳动强度低，环保5、其他特殊要求（汽车安全性要求）。二、机械设计的一般程序1、提出和制定产品设计任务书需求--确定功能指标--分析可能性—制定设计任务书（产品用途，技术经济指标，使用条件，设计承担着，设计周期）2、总体方案设计设计任务书—调查研究—工作原理—总体设计方案—论证可行性—绘制机构简图3、技术设计总体方案—确定结构尺寸（结构设计，工作能力计算）--画图零件设计步骤：确定类型结构—受力分析—失效分析—选材—尺寸设计—结构设计—绘图4、样机的试制与鉴定5、产品的正式投产§0—4机械设计基础课程的内容、性质和任务一、课程的内容常用机构和通用零部件的工作原理，运动特点、结构特点、基本的设计理论和计算方法。二、课程的性质性质：技术基础课作用：承上启下特点：科学性，综合性，实践性三、课程的任务1.了解常用机构的结构，运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力。2.掌握通用零件的工作原理、结构特点、设计计算和维护等知识。并初步具有设计简单机械传动装置的能力。3.具有运用标准，规范，手册，查阅相关技术资料能力。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。第一章平面机构的运动简图及自由度4.机构自由度的计算3.机构运动简图的画法2.机构具有确定相对运动的条件1.平面机构的组成平面机构：各构件在同一平面或相互平行的平面内运动空间机构：各构件不完全在同一平面或相互平行的平面内运动§1-1平面机构的组成一、机构的组成与分类1、概念：机构是具有确定相对运动的构件的组合构件：机构中的（最小）运动单元一个或若干个零件刚性联接而成2、机架：固定不动的构件原动件：输入运动规律的构件从动件：其它的活动构件3、平面机构：各构件的相对运动平面互相平行空间机构：蜗杆传动曲柄滑块机构二、自由度一个作平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。但当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自由构件。两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为约束。三、运动副及其分类概念：使两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动联接类型：（一）低副两构件通过面接触而构成的运动副称为低副。根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为转动副和移动副。1.转动副（或铰链）两构件只能在一个平面内作相对转动限制两个自由度：（两个移动）保留一个自由度（转动）2.移动副两构件只能沿某一方向作相对移动的运动副称为移动副。限制两个自由度：（一个移动，一个转动）保留一个自由度（移动）(二）高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。限制一个自由度：（一个移动）保留两个自由度（一个移动，一个转动）§1-2平面机构运动简图1、机构运动简图：简明表示机构各构件之间相对运动关系的图形（按比例，用特定的符号和线条）和运动有关的：运动副的类型、数目、相对位置、构件数目和运动无关的：构件外形、截面尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体构造2、机构示意图：只需表明机构运动传递情况和构造特征，不必按严格比例所画的图形2、常用机构和运动副的表示方法：1221211221212121212121、运动副的符号转动副：移动副：齿轮副：2112凸轮副：2、构件（杆）：3、绘机构运动简图的步骤图上尺寸(mm)m实际尺寸l1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；2）确定所有运动副的类型和数目；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；5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画)）例试绘制内燃机的机构运动简图§1-3平面机构的自由度一、平面机构的自由度的计算机构的自由度：机构中活动构件相对于机架所具有的独立运动的数目。（与构件数目，运动副的类型和数目有关）n个活动构件：自由度为3n。PL个低副：限制2PL个自由度PH个高副：限制PH个自由度因此，该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差，该差值称为机构的自由度，并以F表示，F=3n-2PL-PHF=3n-2PL-PH=3*7-2*8-4=1F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1F=3n-2PL-PH=3*5-2*6-0=3（错）F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=11.复合铰链：两个以上个构件在同一条轴线上形成的转动副由K个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（K-1）个312123二注意事项3、虚约束重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束。计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。(1)、两构件构成多个导路平行的移动副，F=3n-2PL-PH=3*3-2*5-0=-1（错）(2)、两构件组成多个轴线互相重合的转动副（见书上1-10（b）图）F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1（正确）机车车轮的联动机构(3)、机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分为虚约束F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-2=1（行星轮系、固定3）F=3n-2PL-PH=3*4-2*4-2=2（差动轮系）4、轨迹重合：在机构中，若被联接到机构上的构件，在联接点处的运动轨迹与机构上的该点的运动轨迹重合时，该联接引入的约束是虚约束，F=3n-2PL-PH=3*4-2*6-0=0F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1虚约束作用：对机构的运动无关，但可以改善机构的受力情况，增强机构工作的稳定性F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-1=2(错）F=3n-2PL-PH=3*2-2*2-1=1（正确）多余的自由度是滚子2绕其中心转动带来的局部自由度，它并不影响整个机构的运动，在计算机构的自由度时，应该除掉。2、局部自由度在机构中，某些构件具有不影响其它构件运动的自由度F=3n-2PL-PH=3*7-2*9-1=2（注意凸轮）F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1（其中一个滑块为虚约束）（注意不是复合铰链）图示为一简易冲床的设计图。试分析设计方案是否合理。如不合理，则绘出修改后的机构运动简图。三、平面机构具有确定相对运动的条件F≤0，构件间无相对运动，不成为机构。F0,原动件数=F，运动确定原动件数F，运动不确定原动件数F，机构破坏机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表明机构具有的独立运动数。由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动）因此，当机构的自由度为1时，只需有一个原动件；当机构的自由度为2时，则需有两个原动件。故机构具有确定运动的条件是：原动件数目应等于机构的自由度数目。12345AEBCC'DD'1423411试计算图示挖土机的自由度，并说明为什么要配置三个油缸。F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-0=3油泵F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1四、计算平面机构自由度的实用意义1判定机构的运动设计方案是否合理2修改设计方案（1）F=0:增加一构件带进一平面低副（2）F原动件数目：增加一构件带进两平面低副增加原动件数目3判定机构运动简图是否正确连杆传动是利用常用的低副传动机构进行的传动，连杆传动能方便的实现转动、摆动、移动等运动形式的转换。其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。因此本章着重讨论四杆机构的基本类型、性质及常用设计方法。§2-1概述一、概念1连杆机构：构件全部用低副联接而成的平面机构（低副机构）2平面连杆机构3铰链四杆机构第二章平面连杆机构1、特点优点：(1)面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大(2)低副易于加工，可获得较高精度，成本低(3)杆可较长，可用作实现远距离的操纵控制(4)可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹缺点：(1)构件数目比较多或制造精度较低时，机构运动累计误差较大，会影响运动准确性。(2)容易引起冲击或振动。二、平面连杆机构的特点和应用2、应用：机车车轮的联动机构§2-2铰链四杆机构的类型与应用基本型式及其演化据有无移动副存在：铰链四杆机构，滑块四杆机构一、铰链四杆机构的基本型式(一)、曲柄摇杆机构特点：两连架杆一个是曲柄（整周转）；一个是摇杆（摆动）应用：雷达缝纫机(二)、双曲柄机构特点：两连架杆都是曲柄（整周转）主动曲柄匀速转，从动曲柄变速转正平行双曲柄机构：对边平行且相等特点：主、从动曲柄匀速且相等运动不确定现象：反平行双曲柄机构：对边平行但不相等(三)、双摇杆机构特点：两连架杆都是摇杆（摆动）二、铰链四杆机构的演化演化方法：转动副移动副（滑块四杆机构）；选取不同构件作为机架（一）、转动副转化成移动副1、铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副类型对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构曲柄存在条件：对心曲柄滑块机构：L1L2行程S=2L1偏置曲柄滑块机构：L1+eL22、铰链四杆机构中两个转动副转化为移动副由于此机构当主动件1等速回转时，从动到导杆3的位移为y=Labsinα，故又称正弦机构双滑块机构（二）、取不同构件为机架1、导杆机构(1)、演化过程曲柄滑块机构中，当将曲柄改为机架时，就演化成导杆机构。(2)、类型转动导杆机构摆动导杆机构L1L2L1L2L1L2：机架长度：曲柄长度(2)、应用牛头刨床机构简易刨床2、摇块机构(1)、演化过程曲柄滑块机构中，当将连杆改为机架时，就演化成摇块机构。(2)、应用泵3、定块机构(1)、演化过程曲柄滑块机构中，当将滑块改为机架时，就演化成定块机构。(2)、应用移动导杆机构4、双滑块机构偏心轮（扩大运动副)在曲柄滑块机构（曲柄摇杆机构）中，若曲柄很短，可将转动副B的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄AB就演化成几何中心B不与转动中心A重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮，含有