《機械設計基礎 》課件-項目一 機械基礎知識

任務液壓挖掘機機構運動簡圖的繪制任務情境機器是人類生產(chǎn)和生活中的重要工具,使用機器生產(chǎn)的水平是衡量一個國家的技術水平和現(xiàn)代化程度的重要標志。圖111所示是我們生活中常見的腳踏縫紉機,它的工作原理是利用腳在踏板上的擺動帶動大帶輪驅(qū)動縫紉機運動。機器包括一個或若干個機構,驅(qū)動每個機構的原動件可能有一個或多個。圖112所示為常見的液壓挖掘機,其工作裝置由三個油缸作為驅(qū)動原動件。任務提出與任務分析1.任務提出為什么有的機構需要一個原動件,有的則需要多個?機構的確定運動與原動件的個數(shù)有什么關系?2.任務分析本任務要求結合生活實際,正確認識更多的機器,區(qū)分在實際生產(chǎn)和生活中哪些是機器,哪些不是機器,同時能區(qū)分機器和機構,認識構件和零件。不僅要了解機構的組成部分及連接方式,而且要了解該機構具有哪些條件才能完成有關動作。1.機器的組成、特征及分類1)機器的組成圖1-13所示為單缸內(nèi)燃機結構圖,它由機架(汽缸體)1、曲軸2、連桿3、活塞4、進氣閥5、排氣閥6、推桿7、凸輪8、齒輪9和齒輪10組成。當燃燒的氣體推動活塞4做往復運動時,通過連桿3使曲軸2做連續(xù)轉(zhuǎn)動,從而將燃氣的壓力能轉(zhuǎn)換為曲柄的機械能。齒輪、凸輪和推桿的作用是按一定的運動規(guī)律按時開閉閥門,完成吸氣和排氣。這種內(nèi)燃機中有三種機構:①曲柄滑塊機構,由活塞4、連桿3、曲軸2和機架1構成,作用是將活塞的往復直線運動轉(zhuǎn)換成曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動;②齒輪機構,由齒輪9、10和機架1構成,作用是改變轉(zhuǎn)速的大小和方向;③凸輪機構,由凸輪8、推桿7和機架1構成,作用是將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動變?yōu)橥茥U的往復移動,完成有規(guī)律地啟閉閥門的工作。這樣,當燃氣推動活塞運動時,各構件協(xié)調(diào)地動作,加上汽化、點火等裝置的配合,就可以將燃氣的熱能轉(zhuǎn)化為曲軸轉(zhuǎn)動的機械能。圖114所示為數(shù)控銑削加工機床,通過將零件的加工程序輸入機床的數(shù)控裝置中,數(shù)控裝置控制伺服系統(tǒng)和其他驅(qū)動系統(tǒng),再驅(qū)動機床的工作臺、主軸等裝置的運動,從而完成零件的加工。2)機器的特征由以上實例可以看出,盡管機器的種類很多,其結構、功能和用途各異,但從組成和作用上來分析,機器都具有以下共同的特征:①任何機器都是由許多實體組合而成的;②各運動實體之間具有確定的相對運動;③能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,代替或減輕人類的勞動,完成有用的機械功。我們把同時具有以上三個特征的實物組合稱為機器。3)機器的分類(1)機器按照構造、用途、性能等可分為以下四類。①動力機器:如電動機、發(fā)電機、內(nèi)燃機等,用來實現(xiàn)機械能與其他形式能量間的轉(zhuǎn)換。②加工機器:如普通機床、數(shù)控機床、工業(yè)機器人等,主要用來改變物料的結構形狀、性質(zhì)和狀態(tài)。③運輸機器:如汽車、飛機、輸送機等,主要用來改變物料的空間位置。④信息機器:如計算機、攝像機、復印機、傳真機等,主要用來獲取或處理各種信息。(2)機器按其基本組成可以分為以下四類。①動力源:機械動力的來源。②傳動機構:把原動機的運動和功率傳遞給工作機的中間環(huán)節(jié)。③執(zhí)行機構:能完成機械預期的動作。④自動控制裝置:實現(xiàn)機、電、氣、液、計算機的綜合控制。在各種機器中,傳動機構和執(zhí)行機構在使用中最主要的目的是實現(xiàn)速度、方向或運動狀態(tài)的改變,或?qū)崿F(xiàn)特定運動規(guī)律的要求。毫無疑問,傳動機構和執(zhí)行機構在實現(xiàn)機器的各種功能中承擔著非常重要的作用。2.機構機構是用來傳遞機械運動和動力的各實體的組合。機構具有機器的前兩個特征,是機器的組成部分。機器與機構的區(qū)別在于:機器的主要功用是利用機械能做功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換;機構的主要功用在于傳遞或轉(zhuǎn)變運動的形式,不能做機械功,也不能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。通常的機器必包含一個或一個以上的機構。如果不考慮做功或?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,只從結構和運動的觀點來看,機器和機構沒有區(qū)別,所以將它們總稱為機械,即機械是機器與機構的總稱。3.構件與零件構件是機構中參加運動的單元體,具有獨立的運動特性。它是機器或機構中最小的運動單元,一個構件可以是不能拆開的單一整體,也可以是幾個相互之間沒有相對運動的物體組合而成的剛性體。零件是機械中的制造單元,是組成機械的不可拆開的基本單元,如圖115中的連接螺釘、連桿體、連桿蓋等。機械中的零件按功能和結構特點又可分為通用零件和專用零件。各種機械中普遍使用的零件稱為通用零件,如螺釘、鍵、齒輪、軸承等。僅在某些專門行業(yè)中才用到的零件稱為專用零件,如內(nèi)燃機活塞、機床床身、汽輪機葉片等。1.1.2平面機構及其運動簡圖1.運動副及其分類1)運動副構件和運動副是機構中最基本的組成部分。如前所述構件是運動的單元體。機構中任一構件與另一構件都是直接以一定方式相連接的,這種連接是一種具有相對運動的活動連接。兩構件直接接觸并能產(chǎn)生相對運動的活動連接稱為運動副。2)運動副的分類兩構件組成運動副,其接觸部分不外乎是點、線或面,而構件間允許產(chǎn)生的相對運動與它們的接觸情況有關。運動副可分為平面運動副和空間運動副,按照組成運動副兩構件的接觸形式不同,常見的平面運動副又可分為低副和高副兩大類。(1)低副。兩構件以面接觸所形成的運動副稱為低副。根據(jù)組成低副的兩構件間相對運動的形式又可分為兩種:①轉(zhuǎn)動副。組成運動副的兩構件間的相對運動為轉(zhuǎn)動,稱為轉(zhuǎn)動副(或回轉(zhuǎn)副),也稱為鉸鏈,如圖116(a)所示。②移動副。組成運動副的兩構件間的相對運動為移動,稱為移動副,也稱為滑塊,如圖116(b)所示。(2)高副。以點或線接觸所形成的運動副稱為高副。如圖117中所示的齒輪嚙合(圖(a))以及凸輪與從動件(圖(b))、車輪與鋼軌(圖(c))等均為高副。此外,常用的運動副還有球面副、螺旋副等,它們都屬于空間運動副,即兩構件的相對運動為空間運動,如圖118(a)、(b)所示。2.運動鏈和機構兩個以上的構件以運動副連接而構成的系統(tǒng)稱為運動鏈。構成首末相連的封閉環(huán)的運動鏈稱為閉鏈(如圖119(a)所示),否則稱為開鏈(如圖119(b)所示)。在運動鏈中選取一個構件加以固定(稱為機架),當另一構件(或少數(shù)幾個構件)按給定的規(guī)律獨立運動時,其余構件均隨之做一定的運動,這種運動鏈就稱為機構。機構中輸入運動的構件稱為原動件,其余的可動構件則稱為從動件。由此可見,機構是由原動件、從動件和機架三部分組成的。3.平面機構的運動簡圖1)機構運動簡圖的概念對機構進行分析,目的在于了解機構的運動特性,即組成機構的各構件是如何工作的,故只需要考慮與運動有關的構件數(shù)目、運動副類型及相對位置,而無需考慮機構的真實外形和具體結構,因此常用一些簡單的線條和符號畫出圖形進行方案討論和運動、受力分析。這種撇開實際機構中與運動關系無關的因素,并用按一定比例及規(guī)定的簡化畫法表示各構件間相對運動關系的工程圖形稱為機構運動簡圖。如圖1110所示為內(nèi)燃機的運動簡圖。只要求定性地表示機構的組成及運動原理,而不嚴格按比例繪制的機構圖形稱為機構示意圖。2)運動副及構件的規(guī)定表示方法常用構件和運動副的簡圖符號見表111。3)機構運動簡圖的繪制(1)機構運動簡圖的功用。運用機構運動簡圖可方便地分析機械機構的原理、運動特性及受力情況。(2)繪制機構運動簡圖的要求。(3)繪制機構運動簡圖的步驟。①分清構件。②確定構件數(shù)目、運動副的類型和數(shù)目。③選取視圖平面。④選擇適當?shù)谋壤?繪制機構運動簡圖。⑤選定機構運動簡圖的比例尺。⑥檢驗機構是否滿足運動確定的條件。1.1.3平面機構的自由度1.自由度由上述分析可知,兩個構件以不同的方式相互連接,就可以得到不同形式的相對運動。而沒有用運動副連接的做平面運動的構件,獨自的平面運動有三個,即沿x軸方向和y軸方向的兩個移動以及在xOy平面上繞任意點的轉(zhuǎn)動(見圖1112),構件的這種獨立運動稱為自由度。做平面運動的自由構件具有三個獨立的運動,即具有三個自由度。2.約束當兩構件之間通過某種方式連接而形成運動副時(如圖1113所示),構件2與固聯(lián)在坐標軸上的構件1在A點鉸接,構件2沿x軸方向和沿y軸方向的獨立運動受到限制。這種限制構件獨立運動的作用稱為約束。對平面低副,由于兩構件之間只有一個相對運動,即相對移動或相對轉(zhuǎn)動,說明平面低副構成受到兩個約束,因此有低副連接的構件將失去兩個自由度。對平面高副,構件2既可相對構件1繞接觸點轉(zhuǎn)動,又可沿接觸點的切線方向移動,只是沿公法線方向的運動被限制?？梢娊M成高副時的約束為1,即失去一個自由度。3.機構自由度的計算機構相對機架(固定構件)所具有的獨立運動數(shù)目,稱為機構的自由度。在平面機構中,設機構的活動構件數(shù)為n,在未組成運動副之前,這些活動構件共有3n個自由度。用運動副連接后便引入了約束,并失去了自由度,一個低副因有兩個約束而將失去兩個自由度,一個高副有一個約束而將失去一個自由度。若機構中共有PL個低副、PH個高副,則平面機構的自由度F的計算公式為F=3n-2PL-PH4.機構具有確定運動的條件機構能否實現(xiàn)預期的運動輸出,取決于其運動是否具有可能性和確定性。如圖1122所示,由3個構件通過3個轉(zhuǎn)動副連接而成的系統(tǒng)就沒有運動的可能性,因其自由度為F=3n-2PL-PH=3×2-2×3-0=0,故不能稱其為機構。圖1123所示的五桿系統(tǒng),若取構件1作為主動件,則其自由度為F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-0=2當構件1處于圖示位置時,構件2、3、4則可能處于實線位置,也可能處于虛線位置。顯然,從動件的運動是不確定的,故也不能稱其為機構。如果給出兩個主動件,即同時給定構件1、4的位置,則其余從動件的位置就唯一確定了(即圖1123中的實線),此時,該系統(tǒng)則可稱為機構。當主動件的位置確定以后,其余從動件的位置也隨之確定,則稱機構具有確定的相對運動。那么究竟取一個還是幾個構件作為主動件,這取決于機構的自由度。機構的自由度就是機構具有的獨立運動的數(shù)目。由此可見,機構具有確定運動的條件為:機構的原動件數(shù)目W等于機構的自由度數(shù)目F,即W=F>0在分析機構或設計新機構時,一般可以用自由度計算來檢驗所作的運動簡圖是否滿足具有確定運動的條件,以避免機構組成原理錯誤。如圖1124(a)所示的構件組合體,其自由度為F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-1=0這說明此構件系統(tǒng)不是機構,從動件無法實現(xiàn)預期的運動。圖1124(b)、(c)為改進方案,經(jīng)計算,自由度為F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=1故滿足機構具有確定運動的條件。1.1.4機械設計課程概述1.本課程的性質(zhì)、內(nèi)容和任務1)本課程的性質(zhì)本課程是一門研究常用機構、通用零件與部件以及一般機器的基本設計理論和方法的課程,是機械工程類各專業(yè)中的主干課程,它介于基礎課程與專業(yè)課程之間,具有承上啟下的作用,是一門重要的技術基礎課程。2)本課程的內(nèi)容(1)研究機械中常用機構和機械零部件的工作原理、結構特點、基本設計理論和設計方法,并簡要介紹機械系統(tǒng)方案設計的有關知識。(2)研究機械零部件選用和設計問題。3)本課程的任務(1)獲得認識、使用和維護機械設備的一些基本知識。(2)運用有關設計手冊、圖冊、標準、規(guī)范等有關設計資料的能力。(3)掌握常用機構和通用零件、部件的設計理論和方法。(4)通過課程設計的訓練,了解機器設計原則和主要內(nèi)容,用所學的有關知識設計機械傳動裝置和簡單機械的能力。(5)掌握典型零件的實驗方法和培養(yǎng)實驗技能。(6)了解常用的現(xiàn)代設計方法及機械發(fā)展動向。2.機械設計的基本要求、一般程序和設計方法1)機械設計的基本要求機械設計包括兩部分:一是在原有機械的基礎上,重新設計或改造局部,從而改變或提高機械的性能;另一種是應用新技術、新方法開發(fā)創(chuàng)造新的機械,完成特定的工作任務。機械產(chǎn)品設計應滿足以下幾個基本要求:(1)實現(xiàn)預期的功能。

(2)滿足可靠性要求。

(3)滿足經(jīng)濟要求。

(4)操作方便、工作安全。(5)造型美觀、污染要少。2)機械設計的一般程序一部新機器,從提出設計任務到形成定型產(chǎn)品,一般可分為以下幾個階段:(1)明確設計任務。

(2)方案設計。

(3)技術設計。

(4)制造及試驗。3)機械零件的標準化、系列化和通用化機械零件的標準化是依據(jù)對零件尺寸、結構、材料等方面的要求,制定出各式各樣的標準,設計者只需根據(jù)設計手冊或產(chǎn)品目錄選定型號和尺寸,向?qū)I(yè)商店或工廠訂購即可。我國的標準已經(jīng)形成了一個龐大的體系,主要有國家標準、行業(yè)標準等。為了與國際接軌,我國的某些標準正在迅速向國際標準靠攏。常見的標準代號有GB、JB、ISO等,它們分別代表中華人民共和國國家標準、機械工業(yè)標準、國際標準化組織標準。系列化是指同一產(chǎn)品,為了滿足不同的使用要求,在基本結構和基本尺寸相同的條件下,規(guī)定出若干個