第一章机构设计基础(武汉理工大学机械设计课件)

武汉理工大学机电工程学院杨光多媒体教案机械原理（MechanismsandMachineTheory)教材：《机械设计》彭文生主编高等教育出版社《机械设计习题集》侯玉英主编高等教育出版社欢迎联系与合作联系电话：87858379;13808691337Eail：[e-mail]上课方式、考核方法授课课时安排：56课时讲课，4课时两次实验（课外）。学习方法：课前预习；课堂讲授；课后作业；课外实验。考核方法：卷面考试（70%）与平时成绩（30%）相结合，平时成绩包括:作业、出勤、实验。参考资料：《机械原理》孙桓主编；高等教育出版社等。研究对象：机械（mechanism）。§1-1机械设计慨述一机械的组成机械原理:研究机械的运动及动力特性，及机械运动方案设计的一门基础技术学科。是机械设计理论和方法中的重要分支。机械是机器与机构的总称。第一章机构设计基础一种由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。机器（machine）§1-1机械设计慨述一台发展完善的现代化机器可由四部分组成：原动机、传动机构、执行机构和控制系统。1、机器的组成(ComposingofaMachine)：机器组成：原动机传动装置—工作机—控制系统辅助系统（如仪表、照明等）轿车组成：1）原动机(PrimingMover)：为机器运转提供动力，常用的原动机有电动机、内燃发动机、液压机、气动机等。电动机可以把电能转化成机械能；内燃机可把燃料燃烧的化学能转换成机械能。原动机(PrimingMover)2）传动机构(TransmissionMechanism)：按执行机构作业的特定要求，把原动机的运动和动力传递给执行机构。如：常用的各种减速和变速装置均可作为传动机构。传动机构(TransmissionMechanism)3）执行机构(ExecutiveMechanism)：它是一部机器中最接近作业工作端的机构，它通过执行构件与被作业件相接触，以完成作业任务。如：起重机和挖掘机中的起重吊运和挖掘机构。执行机构(ExecutiveMechanism)4）控制系统(ControlSystem)：用来处理机器各组成部分之间，以及与外部其它机器之间的工作协调关系，它通常由各种计算机和控制器组成。§1-1机械设计慨述普通车床——加工机械，机器轿车——运输机械，机器轿车内部机械结构FA-22猛禽战斗攻击机美国西科斯基公司生产的“黑鹰”直升机主旋翼尾旋翼“罗斯福”号舰母“神舟五号”发射时的情景。发射塔、运载火箭都是庞大的机器。索杰纳火星车它是美国国家航空航天局于格林威治时间1997年7月4日17时07分发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆，该飞船携带了索杰纳火星车，这也是一种机器。机器由机构组成（内燃机）缸体活塞连杆曲轴齿轮机构凸轮推杆曲柄滑块机构凸轮机构内燃机由:曲柄滑块机构、齿轮机构、凸轮机构组成。机器的特征：1.它们都是由零件人为装配组合而成的实物体；机构机器机械结论：2.各构件之间具有确定的相对运动；3.能完成有用的机械功或转化机械能。3.能做有益功或转换机械能。可变更为：1.由若干构件组成；2.各构件间具有确定的相对运动；机构机器机械动力机器工作机器信息机器机器是完成有用的机械功或者是搬运物品。例金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车、飞机、起重机输送机等。是用来获得和变换信息。例如，复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。是能量变换的装置，即可将某种形式的能量变换成机械能，或者把机械能变换成其他形式的能量。例如，内燃机、涡轮机、电动机、发电机等。根据工作类型的不同，机器分为：五个要素组成机电一体化系统动力系统驱动系统机械系统传感系统控制系统由机构和机器的区别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。机器（machine）：一定要作机械运动，并通过运动来实现能量、物料和信息的变换。机构只用来传递运动和力，而机器除传递运动和力外，还具有变换或传递能量、物料和信息的功能。机构和机器的区别机构(mechanism)：是用来传递运动和力或改变运动形式的机械装置构件：机器中每一个独立的运动单元体。构件可以是单一的整体，也可是由几个零件组成的钢性结构。如内燃机的连杆。构件与零件的区别零件：最小的不可分割的制造单元。如：轴、连杆体、连杆盖、轴瓦、螺栓、螺母等。连杆体连杆盖轴瓦螺栓螺母连杆（构件）曲轴构件与零件的区别机器零件构件机构机器是由机构组成的。连杆机构常用的机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构带传动和链传动机构螺旋机构组合机构连杆机构常用的机构齿轮机构凸轮机构常用的机构凸轮机构常用的机构常用的机构双爪棘轮机构槽轮机构内啮合槽轮机构双向爪棘轮机构常用的机构棘轮机构的应用常用的机构螺旋机构组合机构W常用的机构间歇运动机构组合机构：锥齿轮——槽轮机构组合机构：螺旋齿轮——单十字万向机构组合机构：自卸货车翻转机构组合机构：齿轮-连杆§1-1机械设计慨述制造新机器的一般过程1)弄清楚使用要求,制造条件,确定各项技术指标;2)确定机器的工作原理;(洗衣机,糖果包装,小轴圆角加工,叶杆磨)3)机械设计:传动方案,装配图,零件图,强度校核,说明书;4)试制:加工,装配,试车.二本课程的研究、性质和任务对象：机械。性质:是机械性能分析与设计的基本理论与方法的专业基础课程之一。任务：是使学生掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能，初步具有拟定机械传动方案、分析和设计机构的能力。机械原理研究的基本问题：机构分析机构综合机械原理研究的两个基本问题机构分析：根据给定的机构运动简图来研究机构的运动特性和传力特性。机构综合：根据给定的机构运动特性和传力特性来设计机构运动简图。三机械原理研究的内容1、机构结构分析的理论机构的组成原理、机构运动的可能性及确定性条件；机构的运动分析，即研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、位移、速度和加速度等运动特性；机构的力分析，即研究机构各运动副中力的计算方法、摩擦及机械效率问题。三机械原理研究的内容2、常用机构的分析与设计问题常用机构：齿轮机构、凸轮机构和连杆机构。本课程将讨论该三大常用机构的特点、设计理论和设计方法。3、机器动力学问题主要研究在已知力作用下机械的真实运动规律；机器运转过程中速度波动的调节问题以及机械运转过程中所产生惯性力系的平衡问题。4、机构的选型及机械运动系统设计的基本知识。平面机构：机构中所有构件均在一个或几个平面运动。§1-2平面机构的组成原理及具有确定运动的条件1234平面机构空间机构一机构的组成组成要素构件(link,)运动副(kineticpair)特点：一个构件可以是由一个或若干个零件组成。（一）构件齿轮轴键定义：机器中每个独立的运动单元体。零件——制造单元体。构件分成机架（或固定构件）活动构件主动件从动件（一）构件(link)运动规律已知的活动构件称为原动件。作用有驱动力或驱动力矩的活动构件称为主动件。输出运动或动力的从动件称为输出件。（二）运动副（KineticPair）定义：机构中两构件直接接触并仍能产生某些相对运动的可动联接。运动副元素：两构件上能够参加接触而构成运动副的部分。例：轴1与轴承2的配合运动副元素：圆柱面、圆孔面例：滑块1与导轨2的接触运动副元素：棱柱面、棱孔面例：两齿轮轮齿的啮合运动副元素：两齿廓曲面运动副与约束两个构件在用运动副联结前共有六个独立的相对运动。xzyO构件2构件1自由度减少的数目=运动副引入的约束数运动副分类机构运动副的类型决定机构的运动形式。约束：对独立运动的限制构件用运动副联结后，彼此的相对运动受到某些约束。自由度：构件相对于参考系具有的独立运动的数目。1.按运动副引入的约束数分：可将运动副分为Ⅰ至Ⅴ级副。表2-1常用运动副及其简图名称图形简图符号副级自由度名称图形简图符号副级自由度球面高副I5圆柱套筒副IV2柱面高副II4转动副V1球面低副III3移动副V1球销副IV2螺旋副V11.按运动副引入的约束数分I级副II级副球面低副（III级副）圆柱套筒副（Ⅳ级副）1.按运动副引入的约束数分转动副（Ⅴ级副）移动副（Ⅴ级副）1.按运动副引入的约束数分螺旋副（Ⅴ级副）2.按两构件间的接触形式分球面高副柱面高副齿轮副高副：点、线接触的运动副低副：面接触的运动副转动副移动副2.按两构件间的接触形式分3.按两构件的相对运动形式分空间运动副球销副螺旋副圆柱套筒副运动副元素间只能相互作平面平行运动，则称之为平面运动副，否则称为空间运动副。平面运动副移动副(slidingpair)转动副(revolutepair)3.按两构件的相对运动形式分类（三）运动链(KinematicalChain)运动链：通过运动副的联接的相对可动的构件系统。开式运动链闭式运动链单闭环运动链多闭环运动链闭式运动链开式运动链平面运动链空间运动链空间运动链运动链具有确定的相对运动机构桁架运动链相对运动不确定无相对运动（三）运动链(KinematicalChain)（四）机构1234ABCD机构：运动链中，若固定某一构件（机架），并给另一个或数个构件以确定的独立的运动（原动件），使其余构件（从动件）的运动随之确定的这种运动链(kineticchain)。机构的形成二机构运动简图机构运动简图(KinematicalDiagrams)用线条和简单图形代表构件，用规定符号代表运动副，按比例作出的图形。不按比例来绘制的图形，则称为机构示意图。是工程技术人员交流设计思想的工具常用机构构件、运动副代表符号机架AB常用机构构件、运动副代表符号121212常用机构构件、运动副代表符号转动副常用机构构件、运动副代表符号212121移动副双副构件注：点划线表示与其联接的其他构件常用机构构件、运动副代表符号常用机构构件、运动副代表符号双副构件偏心轮AB12BA21常用机构构件、运动副代表符号三副构件(一个构件和三个外副)常用机构构件、运动副代表符号常用机构构件、运动副代表符号常用机构构件、运动副代表符号绘制机构运动简图的步骤2.合理选择投影面及原动件适当的瞬时位置。3.选择适当的比例尺μl；μl=实际长度m/图示长度mm。5.检验。1.分析机构运动路线，定出其原动部分、工作部分，弄清传动部分。（确定构件数；运动副性质）4.定出各运动副相对位置，用规定的符号和线条绘出简图，原动件上标上箭头（指示运动方向）。例题一：内燃机气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10CAB12344'D55'6例题一：内燃机例题二：小型冲压机分析整个机构的工作原理偏心轮1齿轮1`杆件2齿轮6`杆件3槽凸轮6杆件4滑块7压头8例题二：小型压力机机构组成动作原理和运动情况例题二：小型压力机例题二：小型压力机AO124.肘板3.动颚板5.带轮2.偏心轴1.机架例题三：破碎机机构DO364BC31O25颚式破碎机例题四：油泵机构1—曲柄2—活塞杆3—转块4—泵体AB1234§1-3平面机构自由度的计算一、平面机构自由度的一般公式机构自由度：机构中各活动构件相对于机架的可能独立运动的数目。构件独立运动的数目称为自由度。对构件运动的限制作用称为约束。作空间运动的自由构件有6个独立运动（自由度），作平面运动的自由构件有3个独立运动（自由度）。xyzOxzY12一、平面机构自由度的一般公式一、平面机构自由度的一般公式机构的自由度=机构的独立运动数目平面机构独立运动的数目为：所有活动构件的自由度的和减去所有运动副引入约束数目的和。若平面机构中有n个活动构件，各构件之间共构成了Pl个低副和Ph个高副，则它们共引入(2Pl+Ph)个约束。则机构的自由度F为：n——活动构件数；Pl——低副；Ph——高副。F=3n－(2Pl+Ph)=3n－2Pl－Ph二机构具有确定运动的条件n=2,P5=3,F=0231n=3,P5=5,F=14B2CADE13n=3,P5=4,F=114123ABCDn=4,P5=5,F=2结论：1.机构可能运动的条件是：即机构自由度数F