机械组成和功能原理

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1、机 械 设 计 基 础,教 学 课 件,课程主讲教师情况简介,郭仁生，教授，广东工业大学聘任“机械工程领域硕士研究生导师”。佛山市职业与成人教育评估专家组成员，佛山市机械工程学会副秘书长，企业兼职高级工程师和技术顾问。现任学院教学督导室副主任。 长期担任机械设计基础、优化设计应用和MATLAB工程应用等课程教学和机械工程师培训工作，是佛山职业技术学院精品课程机械设计基础负责人和主讲教师。 在机械工程专业期刊上发表了二十多篇专业技术论文和多篇教育教学论文，出版技术专著两部，编著和主编国家级和教育部规划教材叁部，主持完成企业应用技术研发项目多项。获得佛山职业技术学院教学成果一等奖一项、广东省中专教

2、育优秀科研成果奖一项、佛山市自然科学优秀学术论文奖和优秀学术著作奖等四项。,配用： 普通高等教育“十二五”规划教教材 国家示范性高等职业院校成果教材 机械设计基础 （ 第 3 版 ） 郭仁生主编、魏宣燕副主编 张京辉、王军、黄晨华参编 清华大学出版社,第1章 机械设计概论,本章主要内容： 机械和机器等概念 机械设计发展概况 机械设计一般过程 机械功能原理 机械设计约束和机械结构设计 本课程的主要内容与教学特点,教学目标 1.知识目标 掌握机械的概念和组成。 熟悉机械设计的发展概况。 熟悉课程主要内容、基本要求和学习特点。 了解机械设计的过程。 熟悉机械功能原理设计（重点是动作功能和工艺功能）。

3、 掌握机械设计约束的基本内容（重点是承载能力约束）。 熟悉机械结构设计的基本要求（重点是工艺性准则和强度刚度准则）。 2.能力目标 具有分析一般机械的组成和工作原理的能力。 具有分析一般机械功能结构的基本能力。 能够提出一般机械功能结构的求解思路。 具有合理运用加工和装配工艺性进行机械结构设计能力。,1.1 课程概论 1.1.1 机械的概念和组成,动力机械：用以实现机械能与其他形式能量之间转换，如电动机、内燃机、液压泵和压缩机等； 加工机械：用以改变物料的状态、性质、结构和形状，如金属切削机床、纺织机械、压力机和包装机等； 运输机械：用以改变物体空间位置，如自行车、摩托车、汽车、火车、飞机、轮

4、船、缆车、电梯和输送机等； 信息机械：用以获取和处理各种信息，如复印件、打印机、传真机、绘图仪、数码照相机和数码摄影机等。,机器、机构和机械的概念:,从功能结构和实现运动的观点来看，机器和机构之间没有区别。 “机器”能代替人类的劳动以完成有用的机械功或转换机械能，故机器是能转换机械能或完成有用机械功的机构。“机器”通常用来指机械的实体，例如自行车、拖拉机和内燃机等。 “机构”是由若干构件以一定方式联接组成，用以传递动力、运动或是转换运动形式的系统（例如连杆机构、凸轮机构和轮系等）。 “机械”则常用于更广泛和抽象的意义上，例如机械工业、农业机械化等。具体的某机械可能是机器，也可能是机构，还可能是

5、兼有机器和机械两者。,机械的组成：,机器执行机械运动，用以变换或传递能量、物料或信息。从机械的功能结构来看，他们一般包括原动、执行、传动、控制和支撑等几部分，如图1-1所示。,能力训练案例1-1 ：试分析图1-2所示单缸内燃机的组成和工作原理。,能力训练案例1-2 ：试分析滚筒式绘图仪的组成和工作原理。,1.1.2 机械设计发展概述,由于现代产品对自身的功能、可靠性、效益等提出了更为严格的要求，新兴技术对机械产品的渗透和应用，现代机械产品正在朝着机械电子信息一体化技术方向发展。 现代科学技术和应用数学的飞跃发展，许多新的设计思想、方法和手段，如设计方法学、计算机辅助设计、优化设计、有限元、可靠

6、性设计、反求工程等，促进了机械设计的革新和发展。随着科技的进步，试验手段的加强，设计水平发展很快。纵观整个机械的设计发展过程，设计从宏观走向微观，从静态走向动态，从单目标设计走向多目标综合设计。,1.1.3 本课程的内容、 基本要求和学习特点,本课程的基本任务是： 掌握常用机构和通用机械零件的工作原理、结构特点、应用场合、技术规范、选用和设计等基本知识与基本理论，以及相应的计算、使用技术资料、计算机辅助设计和绘图等基本技能；初步具有设计和选用通用机械零部件和简单机械传动装置，分析生产实际中常用机构工作特性、通用机械零件失效以及结构方面问题的能力。为学习后续专业课程、进行技能实训和学习新的科学技

7、术中有关机械的内容打下基础。 同时，适当了解现代设计法在有关方面的应用，以体现高等职业技术教育注重培养学生有比较强的计算机应用能力，适应以计算机技术广泛应用为突出特点的现代技术集成化，从而带来知识集成化的趋势。,课程内容包括：,第一篇机械设计概论和机构结构：主要讲述机械设计概论和平面机构的结构分析，是机械设计的共性基础知识。 第二篇常用机构：主要讲述以传递运动为主的一些常用机构（如连杆机构、凸轮机构、轮系、间隙运动机构和组合机构等）的工作原理、结构和应用。 第三篇机械传动：主要讲述以传递动力为主的机械传动（如带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等）的工作原理、结构和设计方法。 第四篇轴系零部件：

8、主要讲述轴系（包括滑动轴承、滚动轴承、轴系和联轴器、离合器和制动器等主要零部件）的工作原理、组合设计和选用计算。 第五篇机械联接：主要讲述螺纹、键和销钉联接，以及弹簧的工作原理、结构规范和选用方法。,1.2 机械设计过程,机械设计就是根据客观的需求，从机械的功能结构出发，借助已有的各种信息资源，通过人们创造性的思维和实践活动，对机械系统及其零部件的参数和具体结构进行决策，在满足各种约束的条件下，以获得尽可能最佳的设计方案。 机械设计过程是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计流程，它包括产品规划、原理方案设计、结构和技术方案设计、评估与决策等四个阶段。,能力训练案例1-3 ：试分析自行

9、车的功能结构和设计思路。,1.3 功能原理设计,机械产品的用途或具有的特定工作能力，称为机械产品的功能。功能原理设计实质上是原理方案的拟定和构思过程。从控制论的观点来看，世界是由物质、能量和信息三大要素所组成。在机械设计构思产品技术系统的功能方案之前，将其内部结构作黑箱处理。功能原理设计的任务，就是确定输入技术系统的物质、能量和信息等要素后，在外界环境的交互作用下，技术系统对这些要素进行预定的变换、传递和储存，输出具有所需特性的要素，实现其特定的用途或工作能力。因此，机械产品的功能就是其所具有的转化物质、能量和信息的特性。,1.3.1 功能原理设计的特点,任何一种机械产品的更新换代都要通过以下

10、三个途径：改革工作原理，改进工艺、结构和处理以提高技术性能，增强辅助功能以适应使用者的需要等。因此，功能原理设计的显著特点是：以新的物理效应取代旧的物理效应，在设计中引入新技术，如新材料、新工艺、新结构等，使机械产品的工作原理和品质发生根本的变化。,1.3.2 功能分析,由于机械产品的功能一般都比较复杂，往往采用系统分解的原理，将总功能分解为多个比较简单的功能元。机械产品的总功能与各级功能元的关系如同功能树，它的上级功能是下级功能的目的功能，而下级功能是上级功能的手段功能。 所谓的功能元是指将来机械系统中的复杂动作，分解为一些基本动作，如：运动的放大和缩小、运动方向变换和运动形式转换、运动轴线

11、变向、运动的合成和分解、运动脱离和连接等。有时根据需要，也可以分解为既有一定独立性，又有一定复杂程度的技术单元。,图1-5 自动装配机构,1.3.3 功能类型和求解思路,1简单动作功能：该功能在结构上利用很少构件实现简单而巧妙的动作，一般采用“几何形体组合法”求解。如图1-6（a）圆珠笔双动按钮、（b）传统形式的拉锁和（c）新形式的拉锁等。,2.复杂动作功能：以“基本机构组合法”为基础，来求解实现运动、动力和轨迹方面的功能。如图1-7（a）所示的缝纫机机头采用曲柄连杆式引线机构，使曲柄的等速旋转运动，通过连杆变换为针杆的近似正弦速度规律运动。如图1-7(b)所示的机针运动线图。,3.综合技术功

12、能：采用“物理效应引入法”，综合运用机、电、光、液、气等技术实现纯机械方式难以实现的功能。广义的物理效应包括机构运动学和力学方面的物理效应，还包括热胀冷缩、电磁效应、光电效应、液体效应等。 例如，机械表是应用机械游丝的振动原理；电子表和石英钟利用石英晶片固有的“压电效应”特性，在石英晶片的极板上加上交变频率与石英晶片固有频率相等的交流电场时，就会产生稳定的“压电共振”。 因此，通过引入电磁效应，用石英晶体振荡器控制电磁摆来代替机械游丝，创造出精度极高的电子表和石英钟。,4.关键技术功能：在通常材料、结构和工艺等约束条件下，机器中一些关键性的重要技术问题，存在难以用一般的技术措施解决技术矛盾。因

13、而采用“技术矛盾分析法”，应用特殊材料、特殊工艺或特殊结构，实现机器中重要的技术性能。 例如，数控机床工作台的精密定位和精密进给精度达到0.02mm甚至更高，必须使传动丝杠与工作台导轨之间的摩擦阻力很小，普通机床的滑动丝杠和导轨不能满足这个要求。因此，高效率、高精度、高刚性、可以实现微进给与高速进给的滚珠丝杠和静压导轨成了工作台传动定位的关键技术。,5.工艺功能：许多机器执行机构的工作头（如挖掘机的铲斗、缝纫机的机针、机床的刀具等等）与工作对象之间处理过程的功能，称为工艺功能。该功能的特点包括加工工艺和工作头的形状与动作这两个因素，它们之间是密切相关的。一般采用“物场分析法”求解工艺功能问题，其基本模式是：主体（工作头）作用场客体（工作对象），也即根据工作对象和加工工艺的特点，寻找作用于工作对象的合理工作头和广义的作用场（包括力、运动、电、光、热、磁等等物理场）。,能力训练案例1-4 ：试分析台式摇头电风扇的功能结构和实现思路。,能力训练案例1-5 ：试设计一便携式剪草机，完成在草地上剪草任务的工艺功能。,剪草机的物-场分析法 创新设计讨论： 客体草地上的草 主体剪刀 主体尼龙绳 作用场剪断力 作用场抽击力,思考和实训习题1-7 ：试分析以下机械装置的功能和实现功能的措施 。,