机械原理56627.doc

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1、机械原理 实验指导书 机械工程实践教学中心 机械设计实验室 2004 实验 1 平面机构运动简图绘制实验 一、实验目的 1.训练根据实际机械绘制机构运动简图的技能； 2.结合具体问题运用机构自由度分析与杆组分析理论。 二、实验装置 1. 实验现场备有各种典型机械的实物，如：牛头刨床、单缸内燃机、鳄式破碎机、 缝纫机、印片机、轮胎成型鼓以及各种门铰机构等。 2. 实验同学需自备绘图用具，包括铅笔、橡皮、直尺、圆规和练习纸等。 三、实验步骤 1. 确定组成机构的构件数 启动机器，仔细观察其中要绘制的某一机构，首先找 出原动件和直接执行工作任务的执行构件。然后沿着运动传动的路线，弄清从原动件 到执行

2、构件经由哪些构件，从而确定出组成机构的构件总数。 2. 确定运动副类型 根据组成运动副的两构件之间的相对运动性质，正确地确定 运动副类型。 3. 确定构件尺寸 实际测量或目测机构中各构件的尺寸（构件两回转副之间的中 心距离） 。 4. 绘制机构运动简图 首先要恰当地选取机构运动的投影平面，以在此平面内能 够简单而清楚地表达各构件之间的相对位置关系和运动状态为原则，一般应选择机构 中大多数构件所在的运动平面为投影面。 绘图时，要注意选择适当的比例尺。首先画出机架的位置，然后确定原动件相对 于机架的任意一个位置，并以一定的比例，用简单的线条和规定的运动副符号，画出 原动件。接着，根据各从动件的实际

3、尺寸，依次定出各运动副之间的相对位置，同样 以简单的线条和规定的运动副符号予以表达，并以序号 1、2、3、表示各构件，以 A、B、C表示运动副，用在相应的构件上画箭头的方法表示原动件及其运动的性质。 5. 计算机构自由度 根据所绘制的机构运动简图，应用计算平面机构的自由度公 式计算其自由度。并检查自由度与机构的起始构件数目是否吻合。 举例：举例：绘制图 1-1 a）所示油泵机构的运动简图。 机构运动简图的绘制过程如下： 确定构件数目 该机构由机架 4、偏心轮 1、连杆 2 和摇块 3 共四个构件组成。 主动构件偏心轮 1 转动时，带动连杆 2 作平面运动，连杆 2 与摇块 3 之间具有相对移

4、动，与此同时，使摇块 3 作往复摆动。 确定运动副类型 偏心轮 1 相对于机架 4 绕点作回转运动，故构件 1 和 4 组A 成回转副，其轴心为。连杆 2 相对于偏心轮 1 绕B点作回转运动，故构件 1 和 2 亦A 组成回转副，其轴心为 B 。连杆 2 相对于摇块 3 沿导路BC移动。故连杆 2 和摇块 3 两 构件组成移动副。摇块 3 相对于机架 4 饶摇块形心D点作回转运动，故构件 3、4 组成 转动副，其中心位置为D 。 绘制机构运动简图 首先测量机构尺寸，而后选择垂直于回转轴线 A 的平面作 投影面，取定比例尺，先画出机架位置，后画原动件 1 相对于机架的一个位置，再顺 序画出各从动

5、件，并标出原动件的转动方向，如图 1-1 b）所示，即为油泵机构的运动 简图。 1 4 3 2 4 3 2 1 a) b) c) 图图 1-11-1 油泵及其机构运动简图油泵及其机构运动简图 计算机构自由度 由机构运动简图可知，活动构件数=3，有 3 个回转副和 1n 个移动副共 4 个低副，高副数为 0，即=4， =0，故机构自由度数： L P H P 10423323 HL PPnF 自由度数与机构原动构件数相等，故机构具有确定运动。 分析机构组成：该机构由原动构件偏心轮 1 和一个级杆组BCD所组成。 四、实验注意事项 1. 实验前要预习实验内容，准备好实验用具。 2. 按照教师指定的不

6、同类型的机器和机构实物绘制机构运动简图，其中一个机构 必须按实测的尺寸以一定的比例绘制，其余可以目测的方式大致按比例绘出。 3. 按规定格式完成实验报告。 思考题：思考题： 1.在绘制机构运动简图时应当把握的要点是什么？ 2.机构自由度计算对于绘制机构运动简图有何意义？ 3.进行机构杆组分析对于绘制机构运动简图有何意义？ 实验 2 机构创意设计实验 在机械产品设计中，运动方案的设计是设计过程中非常重要的阶段，也是最能体 现创造性的阶段。它直接决定着产品的性能及其在市场上的竞争力。 本实验是做机械运动方案的设计。根据工作要求创新构思运动方案，并通过对实 验器材中多功能零件的组合，可亲手将其组装成

7、实物模型。它不仅可以对机构运动的 可行性、零件布局的合理性等原设计构思进行直观验证，而且还可以通过修改、调整 来完善设计，合理确定最终设计方案。通过实验过程，可以培养学生的创新能力、动 手能力和独立进行运动方案设计的能力，掌握机构创新的一些方法。 一实验目的一实验目的 1掌握机构变异创新设计方法，并加深对连杆机构运动和动力特性概念的理解。 2启发学生的创造性思维，培养其根据工作要求，构思机械运动方案，并通过实 验方法进行验证的能力。提高学生的动手能力以及发现问题和解决问题的能力。 二实验器材二实验器材 1实验器材主要由机架和与之配套的多功能零、部件组成，如不同长短的杆件、 组成铰链的铰链轴、铰

8、链套和螺母以及组成移动副的滑块和导路支承等。其特点是固 定导路的位置和各杆件的长度可以无级地调节。总体思路是积木组合式的，如杆件和 机架都是组合式的，可以方便地进行组装和拆卸。不但能组装各种类型的平面连杆机 构，而且还能组装凸轮-连杆机构和齿轮-连杆机构等组合机构，并可进行运动演示。各 组装件的形状和数量见附录。 2螺母、螺钉、螺栓和垫圈等标准件。 3测量工具和组装工具。 三实验准备和注意事项三实验准备和注意事项 1. 实验题目可以从本实验所给题目中选择或由教师指定。 2. 在实验题目确定后，学生需自行拟定同一机构以不同构件为机架进行机构变异 的实验方案。所拟定的方案应满足机构组成原理和平面机

9、构具有确定运动的条件。在 进行执行系统的运动方案设计时，要注意尽可能做到既要满足功能要求，又要使其尽 量简单。 3. 根据本课程所学知识，对于变异机构，可以考虑验证曲柄存在条件、死点发生 位置、极限位置、极位夹角、摆角、传动角和压力角等运动和动力特性。 4. 实验前学生应认真阅读实验器材的使用说明书，了解其使用方法。 四实验进行方式和要求四实验进行方式和要求 本实验可以小组方式进行，每 34 人为一组。实验题目除了可以从后面所给题目 中选择之外，也可由各组学生自己提出设计课题，经实验指导教师同意后即可实施。 在拟定运动方案时，建议采取讨论方式，小组成员可以互相启发灵感，挖掘创造性潜 能，综合运

10、用所学知识。并且，可不局限于课本所学知识，通过查阅图书资料，或到 实践中观察分析现有机器，开阔眼界，拓展思路。最好能够提出满足给定工作要求的 多种不同设想方案，并画出其机构运动简图。 运动方案设计完成之后，即可到实验室通过搭建机构，模拟真实运动，验证这些 方案设想的可行性，并从中发现问题，进行完善。 检验设计方案的优略，可以从运动是否满足要求？效率是否比较高？机构是否简 单等方面进行比较。此外，还应当包括机构各构件之间有无相互干涉？机构能否连续 运动？是否存在曲柄？传动角是否满足要求以及是否自锁等。最终设计方案要按照既 有较好的功能又尽量简单的原则来确定。 完成实验后，将机构进行拆卸，并清点数

11、目，每种零件按给定位置放回工具箱中。 注意在机构装、拆过程中要爱惜设备，轻装、轻卸，不用蛮力。 最后，需写出包括设计题目、初步设计方案、实验过程、实验结果（最终设计方 案：以按比例绘制的机构运动简图的形式给出）以及收获体会在内的实验报告。 举例：举例：现以实现刨刀往复运动的机构设计为例，说明运动方案的设计过程。 （一）工作要求 （1）当输入构件等速转动时，输出构件带动刨刀作往复移动； （2）为了提高被加工工件的表面质量和提高刀具的寿命，要求工作行程（切削行 程）刀具的速度较低且均匀； （3）为了提高生产率，所设计的机构应具有急回功能； （4）受力好，效率高。能承受较大的载荷，切削阻力约为 70

12、00N。 （5）结构简单。 （二）机构的构形 1方案 满足上述要求（1） 、 （3）和（5）的最简单的机构便是如图 4.41 所 示的偏置曲柄滑块机构。但其主要缺点是急回运动不明显。虽然通过增大曲柄 1 和偏 距 e 的尺寸或减小连杆 2 的长度可增大急回作用，但增大偏距 e 或减小连杆 2 的长度 不但会使滑块的速度变化剧烈，而且还使最小传动角减小，不能满足受力好、效率高 的要求。 图 4.4-1 偏置曲柄滑块机构 2方案 具有急回运动的四杆机构，除了偏置曲柄滑块机构以外，还有曲柄摇 杆机构、转动导杆机构和摆动导杆机构。其中摆动导杆机构能满足要求（3） 、 （4）和 （5） ，但其不能满足要

13、求（1） 。怎么办呢？我们可以用机构组合创新设计的方法，通 过串接基本杆组方法改变输出构件的运动。为了将输出构件的运动由摆动变为移动， 串接一 RRP级组，便可以得到如图 4.4-2 所示的六杆机构，它能够满足全部要求。若 把滑块 5 的导路设在过 D 点轨迹圆弧弦高中点的水平线上，则机构的传动角很大，受 力也好。这就是常见牛头刨床的切削机构之一。 3方案 能否将图 4.4-2 所示机构作进一步的改进，使构件 4、3 之间的传动角 始终为呢？我们可以利用运动副变换的方法，将构件 4、3 间的转动副变为移动副， 90 于是可得到图 4.4-3 所示的切削机构。这是牛头刨床的另一种切削机构。 图

14、4.4-2 以摆动导杆为基础的六杆机构 图 4.4-3 改进的六杆机构 4方案 能否能以转动导杆机构为基础，通过串接基本杆组达到要求呢？图 4.4-4 所示六杆机构，就是在转动导杆机构的基础上，通过串接一个 RRP级组，使输 出构件由转动变为移动，来满足工作要求（1）的。通过改变曲柄 1 的长度和固定铰链 A、C 之间的距离，可以增大角度和行程速比系数 k。但这将使导杆 3 的角速度变化 剧烈，冲击变大。此外，还可以通过增大连杆 4 长度的方法来增大 4、5 间的传动角， 并使滑块 5 的速度变化趣于平缓，以满足要求（2）和（4） 。但是，一方面因曲柄 1 和 导杆 3 均作整周转动，机构的横

15、、纵向尺寸较大；另一方面，机构的传力性能和工作 中滑块 5 的速度变化情况均不如方案、好。故此机构目前仅在小型刨床上得到应 用,如图 4.4-5 所示。 图 4.4-4 以转动导杆为基础的六杆机构 图 4.4-5 以转动导杆机构为基础的小型刨床 5方案 能否在曲柄摇杆机构上通过串接级组来达到要求呢？图 4.4-6 所示 即为由此思路得到的方案。此方案虽然能基本满足要求（1） 、 （2） 、 （3）和（4） ，但该 方案不但设计计算比较复杂，滑块 5 和作平面复杂运动的连杆 2 和 4 的动平衡也比较 困难，而且此方案的传力性能、输出构件运动的平稳性和横、纵向尺寸都不如方案 、好。 6方案 我们

16、能否用基本机构组合的设计方法达到要求呢？摆动导杆机构具有 急回特性，但输出构件的运动不符合要求；齿轮齿条可将摆动变为移动，使输出构件 的的运动符合要求。图 4.4-7 所示为由此思路得到的方案。此方案虽能满足要求（1） 和（3） ，但不能满足要求（2） 。因导杆作变速摆动，使输出构件齿条的速度有较大的 变化，使齿轮机构受到很大的惯性冲击，不但轮齿容易折断，而且齿轮和齿条的加工 也比连杆要复杂，故此方案也不理想。 图 4.4-7 齿轮连杆组合机构 图 4.4-6 以曲柄摇杆为基础的六杆机构 7方案 图 4.4-8 所示为由凸轮机构与连杆机构组合而成的凸轮-连杆机构。 凸轮机构可使从动件获得任意的运动规律，所以通过设计凸轮轮廓可以满足要求（1） 、 （2）和（3） 。问题是凸轮与从动件间为高副接触，磨损快，承受能力较小。并且，由 于需要用力封闭或几何封闭的方法，使凸轮与从动件始终保持接触，而使结构复杂。 因此，该方案仍不理想。 结论