機械設(shè)計原理與方法

1、機械設(shè)計原理與方法,第一章 緒論,緒論中將介紹三個問題,一.學什么 二.為什么要學 三.怎樣學,學什么,內(nèi)容，要求，術(shù)語，區(qū)別,1.本課程的主要內(nèi)容,機械設(shè)計原理與方法課程,是將傳統(tǒng)的 和以及三門課程的主要內(nèi)容有機結(jié)合的一門課程。 本課程的研究對象是機械。而機械則是機器與機構(gòu)的總稱。（在后面的3.術(shù)語中再詳細說明） 本課程的研究內(nèi)容大體為以下三部分： 1.機械的組成原理及機械運動學與動力學,機械系統(tǒng)方案設(shè)計理論與方法; 2.機械零部件的參數(shù)設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理與方法; 3.機械精度設(shè)計的基本原理與方法。,2.本課程的基本要求,了解平面機構(gòu)的組成原理 能對簡單機構(gòu)進行運動分析及力分析 能按幾

2、種常見已知條件設(shè)計平面四桿機構(gòu) 了解盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計方法 掌握幾種常用傳動基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 了解輪系設(shè)計方法 了解幾種其他常用機構(gòu) 掌握飛輪轉(zhuǎn)動慣量之簡易計算法 了解剛性轉(zhuǎn)子靜動平衡原理 掌握簡單機械運動方案設(shè)計的步驟與方法 能按國家標準在簡單機械裝置的裝配圖和零件圖上標注尺寸公差和形位公差,3.術(shù)語,機器-機器是執(zhí)行機械運動的裝置,它用來變換或傳遞能量、物料與信息。 動力機器-有電動機、內(nèi)燃機 工作機器-有機床和汽車等 信息機器-有打字機等 機構(gòu)-是實現(xiàn)預期的機械運動的實物 組合體 例如，內(nèi)燃機由連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)組成,4.機構(gòu)與機器的特征有何不同？,機器有三個特征 機

3、構(gòu)具有機器的前兩個特征 機器的三個特征是： （1）它們都是一種人為的實物（機件）的組合體。 （2）組成它們的各部分之間都具有確定的相對運動。 （3）能夠完成有用的機械功或轉(zhuǎn)換機械能。,為什么要學,本課程是本專業(yè)的一門必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課 本課程是學習許多后續(xù)課程和從事機械設(shè)備設(shè)計的基礎(chǔ),怎樣學,本課程需要綜合應用數(shù)學、機械制圖、工程材料、機械制造基礎(chǔ)、工程力學等先修課程的知識，偏重于應用。 不強調(diào)系統(tǒng)地理論分析及公式推導。 著重基本概念的理解和基本設(shè)計方法的掌握，著重理解公式建立的前提及意義和應用。認真及時獨立完成每一次作業(yè)。 理論聯(lián)系實際，充分重視結(jié)構(gòu)設(shè)計，多觀察現(xiàn)有實物或圖樣，上好實驗課。

4、 注重運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊等有關(guān)技術(shù)資料。要早為課程設(shè)計作準備。 注重創(chuàng)新意識的形成。 打好基礎(chǔ)，積極自學，注意發(fā)展，結(jié)合實際,第二章,平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,2.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,2.1 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 判斷所設(shè)計的機構(gòu)能否運動 判斷機構(gòu)在什么條件下才具有確定的相對運動(不能任意拼湊） 對機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行分類,2.2機構(gòu)的組成,2.2.1 構(gòu)件 構(gòu)件是運動的單元 零件是制造的單元 構(gòu)件可能是一個零件,也可能是幾個零件剛性組合在一起而形成 實例1 曲軸 單一整體 實例2 連桿 剛性組合 （各 零件間 無相對運動）有連桿體、連桿蓋、螺栓、螺母等幾個零件,曲軸（單一），連桿（組合）,運

5、動副,2.2.2 運動副及其分類 運動副定義:兩構(gòu)件直接接觸組成能相對運動的聯(lián)接稱為運動副 實例:軸承,輪齒嚙合(見圖2-3,2-4) 運動副元素:構(gòu)成運動副的點、線、面 高副與低副: 點或線接觸-高副 面接觸 - 低副,低副， 高副,平面機構(gòu)和空間機構(gòu),平面機構(gòu)與空間機構(gòu): 平面機構(gòu)-所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu) 空間機構(gòu)-構(gòu)件之間相對運動為空間運動的機構(gòu) 本課程主要研究平面機構(gòu)及其運動副,運動副,低副又分為轉(zhuǎn)動副和移動副 轉(zhuǎn)動副(回轉(zhuǎn)副)-相對運動為轉(zhuǎn)動 實例:固定鉸鏈(圖2-3),活動鉸鏈(圖2-5) 移動副-相對運動為直線移動 實例:(圖2-6) 平面高副實例:(圖

6、2-4齒輪輪齒構(gòu)成的)(圖2-7凸輪和推桿構(gòu)成的),轉(zhuǎn)動（回轉(zhuǎn)）副，移動副，高副,2.2.3 運動鏈,若干構(gòu)件通過運動副聯(lián)接起來所構(gòu)成的系統(tǒng)-稱為運動鏈 運動鏈分為閉式和開式 閉式運動鏈-每個構(gòu)件至少包含兩個運動副元素(圖2-9c,2-9d) 開式運動鏈-運動鏈中有的構(gòu)件只包含一個運動副元素(圖2-9a,2-9b) 生產(chǎn)中通常應用閉式鏈 少數(shù)機械也有采用開式鏈的,如機械手和機器人,2.2.4 機構(gòu),將運動鏈中的一個構(gòu)件加以固定-成為機架-則這種運動鏈便可能成為機構(gòu) 注意:不能運動或無規(guī)則亂動的這種運動鏈并不能成為機構(gòu) 研究機構(gòu)運動,一般可以機架為參照系 原動件-驅(qū)動機構(gòu)運動的外力所作用的那個構(gòu)

7、件 從動件-其余的構(gòu)件,2.3 機構(gòu)運動簡圖,2.3.1 機構(gòu)運動簡圖的用途 使分析或設(shè)計機械的問題簡化 不考慮與運動無關(guān)的因素:構(gòu)件外形和斷面尺寸,組成構(gòu)件的零件數(shù)目,運動副的具體構(gòu)造 只考慮與運動有關(guān)的因素:構(gòu)件數(shù),運動副的類型和數(shù)目,運動副的相對位置,2.3.2 機構(gòu)運動簡圖的畫法,機構(gòu)運動簡圖-是用簡單的線條和符號來代表構(gòu)件和運動副,并按一定的長度比例尺表示各運動副的相對位置,這種用來說明機構(gòu)各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的簡單圖形稱之為機構(gòu)運動簡圖 要正確畫出機構(gòu)運動簡圖,首先要知道代表構(gòu)件和運動副的規(guī)定符號(GB4460-84),1.運動副和構(gòu)件的規(guī)定符號,表2-1為常用機構(gòu)運動簡圖符號 見

8、課本P18-19表2-2 見P7-8表1-15 兩構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副,其表示法如圖2-10 兩構(gòu)件組成移動副,其表示法如 圖2-11a,b,c 兩構(gòu)件組成高副,在圖中應畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓,如圖2-11d,1.運動副和構(gòu)件的規(guī)定符號,二副構(gòu)件 見圖2-12 三副構(gòu)件 見圖2-13,其中左圖表示一個構(gòu)件上的三個轉(zhuǎn)動副中心位于一條直線上,2.畫機構(gòu)運動簡圖的步驟,注意！ 先分析,后畫圖 (1)分析 構(gòu)件數(shù),固定件,活動件(原動件,從動件) 每兩構(gòu)件之相對運動 (2)畫圖 注意五點 選視圖 一般可選平行于機構(gòu)運動平面的平面(有時也酌情選擇) 確定機構(gòu)的一個瞬時位置 各構(gòu)件應不重疊,使圖面清晰 比例

9、尺:l=實際尺寸(mm)/圖示尺寸(mm) 幾何作圖 原動件用箭頭標出運動,分析內(nèi)燃機之連桿機構(gòu)的運動,構(gòu)件數(shù):4,固定件:機架,原動件:活塞,從動件:連桿和曲軸,(活動件數(shù):3) 每兩個構(gòu)件之間的相對運動: 活塞機架 移動 活塞連桿 轉(zhuǎn)動 曲軸連桿 轉(zhuǎn)動 曲軸機架 轉(zhuǎn)動,選符號,內(nèi)燃機中的連桿機構(gòu)運動簡圖,機構(gòu)模型的簡圖,請看課本下冊P733-743,22-5 機構(gòu)具有確定運動的條件 22-6 平面機構(gòu)的組成原理及 結(jié)構(gòu)分析,2.4 平面機構(gòu)自由度的計算,2.4.1平面機構(gòu)自由度計算公式 1.自由度與約束 構(gòu)件所具有的獨立運動數(shù)目(或確定構(gòu)件位置的獨立參變量的數(shù)目) 一個作平面運動的自由構(gòu)件

10、有3個自由度（見圖2-15） 約束是指對獨立運動所加的限制 當兩個構(gòu)件組成運動副后，受到約束，自由度減少 低副引入2個約束 高副引入1個約束,平面自由構(gòu)件有三個自由度,2.平面機構(gòu)自由度計算公式,設(shè)某平面機構(gòu)共有N個構(gòu)件,活動構(gòu)件數(shù) n=N-1, 這些構(gòu)件自由度總和為3n 當用PL個低副和PH個高副聯(lián)接,總約束數(shù)為(2PL+PH) 機構(gòu)的自由度 F=3n-2PL-PH (2-1) (2-1)式即平面機構(gòu)自由度計算公式,要牢記,3.機構(gòu)具有確定運動的條件,因為機構(gòu)自由度還說明機構(gòu)作確定運動所需給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目,而一個原動件給定一個獨立參數(shù) 例如電動機轉(zhuǎn)子給定一個獨立參數(shù) 所以,機構(gòu)具有確

11、定運動的條件是: 機構(gòu)的原動件的數(shù)目=機構(gòu)的自由度數(shù),實例（圖2-16）（圖2-14b）,原動件數(shù)目小于機構(gòu)自由度數(shù)，運動不確定 原動件數(shù)目大于機構(gòu)自由度數(shù)，不能運動 原動件數(shù)目等于機構(gòu)自由度數(shù)，運動是確定的,三個實例,2.4.2 先找后算 注意三個問題,1.復合鉸鏈 2.局部自由度 3.虛約束,1.復合鉸鏈,三個或更多個(m個)構(gòu)件組成二個或(m-1)個共軸線的轉(zhuǎn)動副稱作復合鉸鏈 不要少算 圖2-17,復合鉸鏈,2.局部自由度,是與運動無關(guān)的自由度 或者說,是機構(gòu)中不影響其輸入與輸出運動關(guān)系的個別構(gòu)件的獨立運動自由度 典型實例:凸輪機構(gòu)從動桿與滾子應看成固連在一起作為一個構(gòu)件來考慮 圖2-1

12、8,不能多算,局部自由度,3.虛約束(難點),虛約束，所起的限制作用是重復的 虛約束常出現(xiàn)于下列情況(圖2-20) （1）兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，其軸線互相重合時，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余都是虛約束 （2）兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，其導路互相平行時，只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束,(1),(2)兩種虛約束,3.虛約束(難點),(3)機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分(例如行星輪系)(圖2-21) (4)被聯(lián)接構(gòu)件上點的軌跡和機構(gòu)上聯(lián)接點的軌跡重合(例如火車車輪用聯(lián)動的平行四邊形機構(gòu))(圖2-19) 注意！虛約束要求構(gòu)件有較高的制造精度和安裝精度,否則虛約束就會成為真約束,F=34242=2,F=3324=1（F3426=0）,例題F=37-29-1=2,2.5 機構(gòu)的組成原理及平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類,2.5.1 機構(gòu)的組成原理 F(機構(gòu))=F(原動件)+F（從動件) 一個原動件具有一個自由度 機構(gòu)自由度數(shù)=原動件數(shù)目 F=1(1/個)F(個)+0 因此,從動件系統(tǒng)的自由度為零 從動件系統(tǒng)還可分解為若干個不可再分的自由度為零的運動鏈(桿組) 機構(gòu)由機架原動件桿組所組成(見圖2-23),2.5.2平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類,設(shè)桿組由n個構(gòu)件和PL個平面低副組成 于是,F=3n-2PL=0, 或者,PL=(3