機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章--概述

1、第一章概述 主編第一章概述第一節(jié)機(jī)械的構(gòu)成第二節(jié)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)可行性評(píng)價(jià)第一節(jié)機(jī)械的構(gòu)成 機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱。 機(jī)器是用來變換或傳遞能量、物料和信息，能減輕或替代人類勞動(dòng)的工具。 生活中的自行車、汽車、洗衣機(jī)、計(jì)算機(jī)，工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)生產(chǎn)線等都屬于機(jī)器。顯然，自行車能方便地助人變換能量，從而增加人的速率；汽車可以傳遞物料；而計(jì)算機(jī)則為人類傳遞、存儲(chǔ)和處理信息開辟了無限廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。一、機(jī)器的組成 無論何種機(jī)器，一般都由三部分組成，即原動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置和執(zhí)行裝置。 如圖1-1a所示的臺(tái)鉆是用來在工件上加工孔的機(jī)器。由圖1-1b可扼要分析其工作過程：電動(dòng)機(jī)與其上左邊的帶輪連接，通過

2、帶將動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞給右邊的帶輪，此帶輪軸與變速箱輸入軸連接，通過齒輪箱(內(nèi)部結(jié)構(gòu)將在后續(xù)章節(jié)分析)變速，從而使與變速箱輸出軸相連接的鉆頭具有需要的轉(zhuǎn)速與鉆削力(轉(zhuǎn)矩)。顯然，臺(tái)鉆的原動(dòng)裝置是電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)裝置由帶傳動(dòng)與變速箱組成，執(zhí)行裝置是完成切削任務(wù)的鉆頭。 如圖1-2所示的牛頭刨床是用來在工件上刨削平面的機(jī)器。由電動(dòng)機(jī)1通過帶傳動(dòng)裝置3和齒輪傳動(dòng)裝置2實(shí)現(xiàn)減速，其執(zhí)行裝置為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)9，通過它改變了運(yùn)動(dòng)形式，將齒輪傳遞的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛?的直線移動(dòng)，帶動(dòng)刨刀7作往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的刨削加工。一、機(jī)器的組成圖1-1臺(tái)鉆a) 結(jié)構(gòu)b) 傳動(dòng)部分1帶傳動(dòng)2電動(dòng)機(jī)3變速箱一、機(jī)器的組成圖1-2

3、牛頭刨床1電動(dòng)機(jī)2齒輪傳動(dòng)裝置3帶傳動(dòng)裝置4大齒輪5滑枕6床身7刨刀8工作臺(tái)9擺動(dòng)導(dǎo)桿觀察分析表明，傳動(dòng)裝置與執(zhí)行裝置都是由一些基本形式的機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)承擔(dān)的。從運(yùn)動(dòng)的角度看，傳動(dòng)也屬于機(jī)構(gòu)范疇，所以說機(jī)構(gòu)是構(gòu)成機(jī)器的基本組元。 機(jī)構(gòu)是具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合。圖1-3所示是牛頭刨床中為實(shí)現(xiàn)滑枕運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，它由若干構(gòu)件(大齒輪6，滑塊1、3，導(dǎo)桿2，滑枕4)組合而成。構(gòu)件是機(jī)器中運(yùn)動(dòng)的最小單元。三、機(jī)械零件與部件圖1-3擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)a) 機(jī)構(gòu)示意圖b) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1、3滑塊2導(dǎo)桿4滑枕5小齒輪6大齒輪 從制造的角度看，機(jī)器是由許多零件組成的。零件是不可拆的最小制造單元。 一個(gè)零件可能是

4、一個(gè)構(gòu)件(如圖1-3所示的導(dǎo)桿)。多數(shù)構(gòu)件是由若干零件固定連接而成的剛性組合。如圖1-4所示的齒輪構(gòu)件就是由軸、鍵和齒輪組合而成。三、機(jī)械零件與部件圖1-4齒輪構(gòu)件 部件是從裝配視角對(duì)某些承擔(dān)獨(dú)立功能零件組合的統(tǒng)稱，如圖1-5所示的軸承、聯(lián)軸器等都是典型的部件。三、機(jī)械零件與部件圖1-5機(jī)械部件綜前所述，歸納要點(diǎn)如下： 1) 構(gòu)件與零件的區(qū)別在于：構(gòu)件是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本單元，零件是機(jī)械制造的基本單元。 2) 機(jī)器與機(jī)構(gòu)的區(qū)別在于：雖然機(jī)器和機(jī)構(gòu)都具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且機(jī)器可以是一個(gè)機(jī)構(gòu)或由若干構(gòu)件與零件組成，但機(jī)器具有能代替或減輕人類勞動(dòng)、完成功能轉(zhuǎn)換的特征，而機(jī)構(gòu)則不具有此特征。第二節(jié)機(jī)械的運(yùn)

5、動(dòng)可行性評(píng)價(jià)一、運(yùn)動(dòng)副、約束與自由度1.運(yùn)動(dòng)副 構(gòu)件與構(gòu)件之間既保證相互接觸和制約，又保持確定的運(yùn)動(dòng)，這樣的可動(dòng)連接稱為“運(yùn)動(dòng)副”。 只允許被連接的兩構(gòu)件在同一平面或相互平行的平面內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱為平面運(yùn)動(dòng)副。 按照接觸特性，平面運(yùn)動(dòng)副可分為低副和高副。構(gòu)件間的接觸形式為面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。常見的平面低副有回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副。圖1-6a所示為移動(dòng)副及其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)；圖1-6b、c所示為回轉(zhuǎn)副及其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，回轉(zhuǎn)副有時(shí)也稱為鉸鏈。一、運(yùn)動(dòng)副、約束與自由度圖1-6平面低副a) 移動(dòng)副b) 回轉(zhuǎn)副(固定鉸鏈)c) 回轉(zhuǎn)副(活動(dòng)鉸鏈) 構(gòu)件間的接觸形式為點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副，如圖1-7所示。

6、在凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件1和構(gòu)件2形成的運(yùn)動(dòng)副均為高副。一、運(yùn)動(dòng)副、約束與自由度圖1-7平面高副a) 凸輪副b) 齒輪副2.自由度 作平面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件相對(duì)于指定參考系的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，稱為構(gòu)件的自由度。任何作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件都有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，如圖1-8所示的xOy坐標(biāo)系中，構(gòu)件具有沿x軸和y軸的移動(dòng)，以及繞任一垂直于xOy平面的軸線A的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有3個(gè)自由度。一、運(yùn)動(dòng)副、約束與自由度圖1-8自由構(gòu)件的自由度3.約束 當(dāng)兩構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副后，它們之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到限制，這種對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)所加的限制稱為約束。每加1個(gè)約束，自由構(gòu)件便失去1個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)目和約束特

7、點(diǎn)，取決于運(yùn)動(dòng)副的形式。 如圖1-6所示，當(dāng)兩構(gòu)件組成平面回轉(zhuǎn)副時(shí)，兩構(gòu)件間只具有一個(gè)獨(dú)立的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩構(gòu)件組成平面移動(dòng)副時(shí)，兩構(gòu)件便只具有一個(gè)獨(dú)立的相對(duì)移動(dòng)。因此，平面低副實(shí)際引入了2個(gè)約束，保留1個(gè)自由度。二、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算圖1-9顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)a) 主體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖b) B處的偏心軸結(jié)構(gòu)c) 主體機(jī)構(gòu)示意圖 機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目稱為機(jī)構(gòu)的自由度。這里僅介紹最基本的平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法，復(fù)雜機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算均建立在此基礎(chǔ)上。 設(shè)一個(gè)平面機(jī)構(gòu)由N個(gè)構(gòu)件組成，其中必有一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，則活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=N-1。它們?cè)谖唇M成運(yùn)動(dòng)副之前，共有3n個(gè)自由度，用運(yùn)動(dòng)副連接后引入約

8、束，減少了自由度。若機(jī)構(gòu)中共有PL個(gè)低副、PH個(gè)高副，則平面機(jī)構(gòu)的自由度F的計(jì)算公式為 如圖1-9所示的顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)，其活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3，低副數(shù)PL=4，高副數(shù)PH=0，則該機(jī)構(gòu)的自由度為 自由度計(jì)算的關(guān)鍵是準(zhǔn)確分辨實(shí)際作用的活動(dòng)構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目，計(jì)算中涉及局部自由度與虛約束等復(fù)雜情況的處理，這些知識(shí)可以在需要繼續(xù)學(xué)習(xí)時(shí)獲取，這里不再贅述。三、機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)可行性評(píng)價(jià)圖1-10牛頭刨床主體機(jī)構(gòu) 機(jī)械裝置是由機(jī)構(gòu)組成的，通過對(duì)機(jī)械裝置所有機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，可以正確判別機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)可行性，從而給機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)以正確的評(píng)價(jià)。下文以典型機(jī)械裝置顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)為例，說明運(yùn)動(dòng)可行性評(píng)價(jià)的過程。 例1-1對(duì)如圖1-9所示的顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)可行性評(píng)價(jià)。三、機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)可行性評(píng)價(jià)圖1-11五桿機(jī)構(gòu)例1-3試判別如圖1-11所示五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可行性。習(xí)題配圖一、概念自檢題圖1-12題1-6圖一