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1、湖南科技大学用,第1章 绪 论,11 本课程研究的对象和内容,12 本课程在教学中的地位,13 机械设计的基本要求和一般过程,湖南科技大学用,顾名思义,本课程研究对象为:机械,机械,机器,斜面,任何机械都经历了:简单复杂的发展过程。,机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物 的组合体。,机构,(包括:龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯电脑控制)。,杠杆,起重轱辘,滑轮组,手动(电动)葫芦,现代起重机,起重机的发展历程:,11 本课程研究的对象和内容,湖南科技大学用,机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组 合体。,机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体。如:连
2、杆机构、凸轮机构、 齿轮机构等。,如: 缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。,机器的种类繁多,结构、性能和用途等各不相同,但具有相同的基本特征。,湖南科技大学用,典型机器的分析:,1.内燃机,内燃机,组成:,汽缸体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9、10,工作原理:,1.活塞下行,进气阀开启,混合气体 进入汽缸;,2.活塞上行,气阀关闭,混合气体被压缩, 在顶部点 火燃烧;,3.高压燃烧气体推动活塞下行,两气阀关闭;,4.活塞上行,排气阀开启,废气体被排出汽缸。,湖南科技大学用,设计:潘存云,进气,压缩,爆炸,排气,内燃机
3、的工作过程:,活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动,该组合体称为:,内燃机各部分的作用:,曲柄滑块机构,凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀;称为:,凸轮机构,两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作,称为:,齿轮机构,各部分协调动作的结果:,湖南科技大学用,机器的共有特征:,人造的实物组合体;,各部分有确定的相对运动;,代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量 的转换,机器的分类:,原动机实现能量转换(如内燃机、蒸汽机、电动机),工作机完成有用功(如机床等),湖南科技大学用,工作机的组成:,原动部分是工作机动力的来源,最常见的是电动 机和内燃机。,工作部分完成预定的动作,位于传动路线
4、的终点。,传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。,控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。,原动机,传动,工作,控制,湖南科技大学用,控制器(控制),电动机(原动),带(传动),减速器(传动),波轮(工作),分析自动洗衣机的组成:,湖南科技大学用,机构的共有特征:,人造的实物组合体;,各部分有确定的相对运动;,用来传递力或实现运动的转换。,机构的分类:通用机构和专用机构。,通用机构用途广泛,如齿轮机构、连杆机构等。,专用机构只能用于特定场合,如钟表的擒纵机构。,机器与机构的关系:,任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。,由机器与机构的共有特征可知: 机器与机构在结构和运动方
5、面并无区别(仅作用不同) ,故统称为机械。,湖南科技大学用,课程性质: 技术基础课,作用: 承前启后,本课程的特点:是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学,材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。,同时,通过本课程的学习,可为今后学习诸如自动武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础,,通过本课程的学习和课程设计实践,可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力,为今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件。,12 本课程在教学中的地位,湖南科技大学用,机械设计规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。,基本要求:在满足预期功能的前提下,
6、性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。,机械设计的内容:,1.确定机械的工作原理,选择合宜的机构;,2. 拟定设计方案;,3. 进行运动分析和动力分析,计算各构件上的载荷;,4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。,13 机械设计的基本要求和一般过程,湖南科技大学用,3)仔细观察实物和模型,欢迎到实验室参观,并动手 组装各种机构。,课程安排:共48学时,其中讲授42学时,实验6学时。,要求: 1)作业必须按时完成,绘图准确,字迹工整,作业 量未达到规定者不能参加考试。,2)上课认真听讲,及时消化,不主张占用较多的课 外时间。,第2章 平面机构的运动简图及自由
7、度计算,21 运动副及其分类,22 平面机构运动简图,23 平面机构的自由度,名词术语解释: 1.构件 独立的运动单元,21 运动副及其分类,内燃机连杆,零件 独立的制造单元,2.运动副,a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动,运动副元素直接接触的部分(点、线、面) 例如:凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。,定义:运动副两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。,三个条件,缺一不可,运动副的分类: 1)按相对运动范围分有: 平面运动副平面运动,平面机构全部由平面运动副组成的机构。,例如:球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。,空间运动副空间运动,空间机构至少含有一个空间运动副的机构。,
8、2)按运动副元素分有: 高副点、线接触,应力高。,低副面接触,应力低,例如:滚动副、凸轮副、齿轮副等。,例如:转动副(回转副)、移动副 。,3. 运动链,运动链两个以上的构件通过运动副的联接而 构成的系统。闭式链、开式链,4. 机构,定义:具有确定运动的运动链称为机构 。,机架作为参考系的构件,如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,机构的组成: 机构机架原动件从动件,原(主)动件按给定运动规律运动的构件。 从动件其余可动构件。,22 平面机构运动简图,机构运动简图用以说明机构中各构件之间的相对 运动关系的简单图形。,作用: 1.表示机构的结构和运动情况。,机构示意图不按比例绘制的简图 现摘录了部分
9、GB446084机构示意图如下表。,2.作为运动分析和动力分析的依据。,常见运动副符号的表示: 国标GB446084,常用运动副的符号,运动副 名称,运动副符号,两运动构件构成的运动副,转动副,移动副,两构件之一为固定时的运动副,平面运动副,平面高副,螺旋副,空间运动副,构件的表示方法:,一般构件的表示方法,杆、轴构件,固定构件,同一构件,三副构件,两副构件,一般构件的表示方法,注意事项:,画构件时应撇开构件的实际外形,而只考虑运动副的性质。,常用机构运动简图符号,机构运动简图应满足的条件: 1.构件数目与实际相同,2.运动副的性质、数目与实际相符,3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机
10、构 成比例。,绘制机构运动简图,顺口溜:先两头,后中间, 从头至尾走一遍, 数数构件是多少, 再看它们怎相联。,步骤: 1.运转机械,搞清楚运动副的性质、数目和构件数目;,4.检验机构是否满足运动确定的条件。,2.测量各运动副之间的尺寸,选投影面(运动平面), 绘制示意图。,3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺: l =实际尺寸 m / 图上长度mm,思路:先定原动部分和工作部分(一般位于传动线路末端),弄清运动传递路线,确定构件数目及运动副的类型,并用符号表示出来。,举例:绘制破碎机的机构运动简图。,绘制图示鳄式破碎机的运动简图。,23 平面机构的自由度,给定S3S3(t),一个独立参数 1
11、1(t)唯一确定,该机 构仅需要一个独立参数。,若仅给定11(t),则2 3 4 均不能唯一确定。若同时给定1和4 ,则3 2 能唯一确定,该机构需要两个独立参数 。,定义:保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。,原动件能独立运动的构件。 一个原动件只能提供一个独立参数,机构具有确定运动的条件为:,自由度原动件数,一、 平面机构自由度的计算公式,作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数(x,y, )才能唯一确定。,(x , y),运动副 自由度数 约束数 回转副 1() + 2(x,y) = 3,R=2, F=1,R=2, F=1,R=1, F=2,结论:构件
12、自由度3约束数,移动副 1(x) + 2(y,)= 3,高 副 2(x,) + 1(y) = 3,经运动副相联后,构件自由度会有变化:,自由构件的自由度数约束数,活动构件数 n,计算公式: F=3n(2PL +Ph ),要求:记住上述公式,并能熟练应用。,构件总自由度,低副约束数,高副约束数,3n,2 PL,1 Ph,计算曲柄滑块机构的自由度。,解:活动构件数n=,3,低副数PL=,4,F=3n 2PL PH =33 24 =1,高副数PH=,0,推广到一般:,计算五杆铰链机构的自由度,解:活动构件数n=,4,低副数PL=,5,F=3n 2PL PH =34 25 =2,高副数PH=,0,计算
13、图示凸轮机构的自由度。,解:活动构件数n=,2,低副数PL=,2,F=3n 2PL PH =32 221 =1,高副数PH=,1,二、计算平面机构自由度的注意事项,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解:活动构件数n=,7,低副数PL=,6,F=3n 2PL PH,高副数PH=0,=37 26 0,=9,计算结果肯定不对!,1.复合铰链两个以上的构件在同一处以转动 副相联。,计算:m个构件,有m1转动副。,两个低副,上例:在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。,计算图示圆盘锯机构的自由度。,解:活动构件数n=7,低副数PL=,10,F=3n 2PL PH =37 2100 =1,可以证明:F点的
14、轨迹为一直线。,圆盘锯机构,计算图示两种凸轮机构的自由度。,解:n=,3,,PL=,3,,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2,PH=1,对于右边的机构,有: F=32 22 1=1,事实上,两个机构的运动相同,且F=1,2.局部自由度,F=3n 2PL PH FP =33 23 1 1 =1,本例中局部自由度 FP=1,或计算时去掉滚子和铰链: F=32 22 1 =1,定义:构件局部运动所产生的自由度。,出现在加装滚子的场合,计算时应去掉Fp。,滚子的作用:滑动摩擦滚动摩擦。,解:n=,4,,PL=,6,,F=3n 2PL PH =34 26 =0,PH=0,3.虚约束 对机构的
15、运动实际不起作用的约束。 计算自由度时应去掉虚约束。, FEAB CD ,故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧,。 增加的约束不起作用,应去掉构件4。,重新计算:n=3, PL=4, PH=0,F=3n 2PL PH =33 24 =1,特别注意:此例存在虚约束的几何条件是:,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,虚约束,出现虚约束的场合: 1.两构件联接前后,联接点的轨迹重合,,2.两构件构成多个移动副,且导路平行。,如平行四边形机构,火车轮,椭圆仪等。,4.运动时,两构件上的两点距离始终不变。,3.两构件构成多个转动副,且同轴。,5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。,6.两构件构成高副,两处接触,且法线重合。,如等宽凸轮,注意: 法线不重合时,变成实际约束!,虚约束的作用: (1)改善构件的受力情况,如多个行星轮。,(2)增加机构的刚度,如轴与轴承、机床导轨。,(3)使机构运动顺利,避免运动不确定,如车轮。,注意:各种出现虚约束的场合都是有条件的 !,计算图示