機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 課件 金鑫 第1、2章 機(jī)械設(shè)計(jì)概論、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及自由度

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》1.1機(jī)械及其組成第1章機(jī)械設(shè)計(jì)概論1.1.1機(jī)器及其特征機(jī)械：機(jī)構(gòu)和機(jī)器的總稱。推桿凸輪推桿凸輪齒輪齒輪齒輪曲軸連桿活塞內(nèi)燃機(jī)工件自動(dòng)載送裝置工業(yè)機(jī)器人機(jī)器的特征(重點(diǎn))：1）人為的實(shí)體組合；----結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)2）各運(yùn)動(dòng)單元之間有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；----運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)3）代替或減輕人類的體力和腦力勞動(dòng)，完成有效的機(jī)械功或?qū)崿F(xiàn)能量、物料、信息的傳遞與變換。------能量觀點(diǎn)1.1.2機(jī)器的功能組成傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)例如自動(dòng)洗衣機(jī)控制器(控制)電動(dòng)機(jī)(驅(qū)動(dòng))帶(傳動(dòng))減速器(傳動(dòng))波輪(執(zhí)行)1.機(jī)構(gòu)與機(jī)器機(jī)構(gòu)的特征：1）人為的實(shí)體組合；----結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)2）各運(yùn)動(dòng)單元之間具有有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。----運(yùn)動(dòng)觀點(diǎn)1.1.3機(jī)器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器由一個(gè)機(jī)構(gòu)或若干機(jī)構(gòu)組成，并按一定規(guī)律相互協(xié)調(diào)組合，通過(guò)有序的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞與變換來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。常用機(jī)構(gòu)：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。2.構(gòu)件與零件1.1.3機(jī)器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器中作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)實(shí)體稱為構(gòu)件，是組成機(jī)器的最小運(yùn)動(dòng)單元。機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是兩個(gè)以上構(gòu)件相互可動(dòng)連接組成的構(gòu)件系統(tǒng)。

構(gòu)件可以是單一實(shí)體，也可以是由若干彼此沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)體連接而成。螺栓內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體墊圈螺母軸瓦連桿蓋內(nèi)燃機(jī)2.構(gòu)件與零件1.1.3機(jī)器機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器中單一的實(shí)體稱為零件，是組成機(jī)器的最小制造單元。如軸、齒輪（整體式）、螺釘、螺母等。

零件通常分為兩大類：（1）通用零件和（2）專用零件。小結(jié)零件構(gòu)件機(jī)構(gòu)機(jī)器（一個(gè)或多個(gè)）（兩個(gè)以上）（一個(gè)或多個(gè)）靜連接動(dòng)連接協(xié)調(diào)組合1.1.4本課程的研究對(duì)象、內(nèi)容及任務(wù)1.研究對(duì)象2.研究?jī)?nèi)容3.任務(wù)：掌握基礎(chǔ)知識(shí)和技能。

常用機(jī)構(gòu)：運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性、設(shè)計(jì)計(jì)算。

通用零部件：工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算。機(jī)械設(shè)備中常用的機(jī)構(gòu)、通用性的機(jī)械傳動(dòng)裝置及普通條件下工作的通用機(jī)械零、部件。1.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求和一般過(guò)程（了解）1.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求1.實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能要求2.經(jīng)濟(jì)性要求3.操作方便及安全要求4.美學(xué)及環(huán)保要求5.其它特殊要求1.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程原理方案設(shè)計(jì)確定設(shè)計(jì)任務(wù)技術(shù)設(shè)計(jì)樣機(jī)試制1.3機(jī)械零件的工作能力（1）作用在零件上的載荷

變載荷：隨時(shí)間變化。

靜載荷：不隨時(shí)間變化或變化很小。（2）設(shè)計(jì)計(jì)算載荷1.3.1載荷應(yīng)力分類1.載荷分類

名義載荷：按額定功率計(jì)算出來(lái)的。

計(jì)算載荷：考慮實(shí)際作用情況。名義載荷*載荷系數(shù)K①非對(duì)稱循環(huán)②脈動(dòng)循環(huán)③對(duì)稱循環(huán)2.應(yīng)力分類1)穩(wěn)定循環(huán)2)非穩(wěn)定循環(huán)（1）靜應(yīng)力：不隨時(shí)間變化（2）變應(yīng)力：隨時(shí)間變化零件的失效和應(yīng)力類型有關(guān)

正應(yīng)力單位Pa（N/m2）工程上用MPa——靜應(yīng)力曲線t

Oσm

a

m

max

min——穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力的公式t

O（1）平均應(yīng)力（2）應(yīng)力幅（3）循環(huán)特性T——穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力的3種類型（1）非對(duì)稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性

a

m

max

minTt

O（2）對(duì)稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性

a

max

minTtO（3）脈動(dòng)循環(huán)①定義②循環(huán)特性

a

max

mTtO1.3.2工作能力計(jì)算準(zhǔn)則●失效：零件不能正常工作?！袷问剑簲嗔?、過(guò)量彈性變形、塑性變形、點(diǎn)蝕、磨損、壓潰、過(guò)熱?！窆ぷ髂芰Γ毫慵话l(fā)生失效時(shí)的安全工作限度?！癯休d能力：零件不發(fā)生失效時(shí)的安全載荷限度。●計(jì)算準(zhǔn)則：為防止失效而制定的判定條件。計(jì)算準(zhǔn)則主要類型1.強(qiáng)度準(zhǔn)則：針對(duì)斷裂、塑性變形、表面損傷。或——最大工作正應(yīng)力——許用正應(yīng)力——最大工作切應(yīng)力——許用切應(yīng)力2.剛度準(zhǔn)則：針對(duì)彈性變形失效形式。（彈性變形≤許用彈性變形）3.壽命準(zhǔn)則：針對(duì)磨損、腐蝕、疲勞失效形式。

針對(duì)磨損：通過(guò)選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增加表面光潔度、選擇適當(dāng)潤(rùn)滑油等途經(jīng)增加耐磨性。

針對(duì)腐蝕：選擇適當(dāng)途經(jīng)增加耐磨性。（沒(méi)研究透）針對(duì)疲勞：或此時(shí)的許用應(yīng)力用疲勞極限計(jì)算。4.散熱性準(zhǔn)則：針對(duì)發(fā)熱。熱平衡計(jì)算。1.3.3許用應(yīng)力、極限應(yīng)力及安全系數(shù)——材料的極限正應(yīng)力——材料的極限切應(yīng)力S——安全系數(shù)或●許用應(yīng)力：容許的最大應(yīng)力?！駱O限應(yīng)力脆性材料：

lim為強(qiáng)度極限Rm1.靜極限應(yīng)力：針對(duì)斷裂或塑性變形。塑性材料：

lim為屈服極限Re原始橫截面積d斷后最小橫截面積原始標(biāo)距斷后標(biāo)距圓形橫截面試樣試驗(yàn)前后的情況F伸長(zhǎng)量ΔL

應(yīng)變?chǔ)拧駱O限應(yīng)力脆性材料：

lim為強(qiáng)度極限Rm1.靜極限應(yīng)力：針對(duì)斷裂或塑性變形。塑性材料：

lim為屈服極限Re彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段&頸縮階段

●極限應(yīng)力2.疲勞極限應(yīng)力：針對(duì)疲勞斷裂。

lim、

lim

為疲勞極限

r（如

-1、

0）

疲勞極限：在一定的循環(huán)特性r下，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力。

rN(rN)：循環(huán)N次的疲勞極限。

r(r)：無(wú)限循環(huán)的疲勞極限。4.安全系數(shù)查表法計(jì)算法3.接觸疲勞極限應(yīng)力：針對(duì)疲勞點(diǎn)蝕。

lim、

lim

為接觸疲勞極限

Hlim

疲勞點(diǎn)蝕（簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕）：接觸表面局部剝落。1.4機(jī)械制造常用材料和熱處理（自學(xué)）常用材料鋼鑄鐵有色金屬合金與非金屬普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼鑄鋼灰口鑄鐵球墨鑄鐵wc<2.11%wc>2.11%Q235AF45鋼、65Mn20CrMnTi（強(qiáng)度高、韌性好、耐蝕性強(qiáng)）ZG270-500HT（帶輪、機(jī)座、箱體）QT（曲軸、凸輪軸、閥門等）銅、錫、鋁以及鋁合金、銅合金、軸承合金橡膠、塑料、陶瓷、木材等金屬熱處理普通熱處理1.4機(jī)械制造常用材料和熱處理（自學(xué)）表面熱處理退火正火淬火及回火調(diào)質(zhì)及時(shí)效處理表面淬火滲碳滲氮氰化（碳氮共滲）滲金屬1.5機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化（自學(xué)）機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的工藝性，即在滿足使用要求的前提下，能用最簡(jiǎn)單的工藝和最少的時(shí)間、勞動(dòng)量、設(shè)備、工具、費(fèi)用生產(chǎn)出來(lái)。零件工藝性毛坯選擇合理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理規(guī)定適當(dāng)?shù)闹圃炀燃氨砻娲植诙?.5機(jī)械零件的工藝性及標(biāo)準(zhǔn)化（自學(xué)）機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的工藝性，即在滿足使用要求的前提下，能用最簡(jiǎn)單的工藝和最少的時(shí)間、勞動(dòng)量、設(shè)備、工具、費(fèi)用生產(chǎn)出來(lái)。標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品品種規(guī)格的系列化零、部件的通用化產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化第2章

平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及自由度第2章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及自由度平面機(jī)構(gòu)：所有構(gòu)件都在同一平面或平行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)：能夠做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件系統(tǒng)，且各構(gòu)件具有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？臻g機(jī)構(gòu)：各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面彼此不平行或不重合的機(jī)構(gòu)。第2章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及自由度2.1運(yùn)動(dòng)副及其分類2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度2.1運(yùn)動(dòng)副及其分類ASyxo●一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件自由度：3個(gè)。sysx●自由度：獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的個(gè)數(shù)?！襁\(yùn)動(dòng)副定義：兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，且具有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)連接?！襁\(yùn)動(dòng)副作用：提供約束?！窦s束：對(duì)運(yùn)動(dòng)所加的限制。●運(yùn)動(dòng)副的分類2.高副：點(diǎn)、線接觸。1.低副：面接觸。分為，例如齒輪副、凸輪副1)轉(zhuǎn)動(dòng)副

2)移動(dòng)副12121221ttnn高副提供1個(gè)約束，保留2個(gè)自由度。低副提供2個(gè)約束，保留1個(gè)自由度?！窨臻g運(yùn)動(dòng)副簡(jiǎn)介（了解）球副螺旋副球銷副圓柱副線高副點(diǎn)高副2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.2.1平面機(jī)構(gòu)的組成機(jī)架：通常也稱為固定件，相對(duì)固定構(gòu)件。主動(dòng)件：通常稱為原動(dòng)件，有驅(qū)動(dòng)力或給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律構(gòu)件。從動(dòng)件：跟隨主動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的其他活動(dòng)構(gòu)件。

畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)忽略構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動(dòng)副之間的尺寸(即構(gòu)件尺寸)和運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)。機(jī)構(gòu)示意圖：不按比例繪制的簡(jiǎn)圖；術(shù)語(yǔ)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖：按精確比例繪制的簡(jiǎn)圖。2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1.構(gòu)件的表示方法:2.常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)副符號(hào)的表示:國(guó)標(biāo)GB4460－84常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)運(yùn)動(dòng)副名稱運(yùn)動(dòng)副符號(hào)兩運(yùn)動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副21211221兩構(gòu)件之一為固定時(shí)的運(yùn)動(dòng)副平面運(yùn)動(dòng)副121212122121212112122121平面高副螺旋副1212球面副球銷副空間運(yùn)動(dòng)副12122112121212211212213.常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)

在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動(dòng)圓錐齒輪傳動(dòng)帶傳動(dòng)鏈傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)外嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)圓柱蝸桿蝸輪傳動(dòng)內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)棘輪機(jī)構(gòu)【例2-1】

繪制顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。1.顎式破碎機(jī)1）分析機(jī)器的組成及運(yùn)動(dòng)情況，找出機(jī)架、主動(dòng)件及從動(dòng)件，并確定構(gòu)件的數(shù)目。2）從主動(dòng)件開始，按運(yùn)動(dòng)的傳遞線路，分析各構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，確定活動(dòng)構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副的類型及數(shù)目。3）選擇視圖平面。通常選擇平行于構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的平面作為視圖平面（必要時(shí)可補(bǔ)充輔助視圖）。4）選擇合適的運(yùn)動(dòng)位置和比例尺μl（m/mm），確定各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，用規(guī)定的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。ABEDCFG【例2-2】繪制偏心泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。偏心泵1234【解】2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）2.平面運(yùn)動(dòng)構(gòu)件自由度:3個(gè)預(yù)備知識(shí):1.自由度:相對(duì)于機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目。3.約束:對(duì)運(yùn)動(dòng)所加的限制。4.運(yùn)動(dòng)副提供的約束（1）平面低副（2）平面高副：①轉(zhuǎn)動(dòng)副12②移動(dòng)副提供2個(gè)約束提供2個(gè)約束1221ttnn提供1個(gè)約束F==1

3×3－2×4設(shè)：平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式F=3n－2PL

－PH1234F=11234有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，PL個(gè)低副，PH個(gè)高副，則2.3.1平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）【例2-3】計(jì)算鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)的自由度.【解】

n=4PL

=5F=3n－2PL

－PHPH

=0F=212345=3×4－2×5－0=22.3.2機(jī)構(gòu)具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件（重點(diǎn)）主動(dòng)件數(shù)＝自由度F0。

1

1

4F＝2

123451234F＝1ABCBADCE1Ddh2Ddh1231234F

=3×2-2×3=0F

=3×3-2×5=-1F＝0：靜定桁架。F<0：超靜定桁架。【例2-4】計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度?！窘狻?/p>

n=2PL=2PH=1=3×2-2×2-1

=1

F=3n-2PL

-PH123【例2-5】計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)的自由度?！窘狻縩=5PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=36=3×5-2×6-0

12A15436EDCB1.復(fù)合鉸鏈(簡(jiǎn)稱復(fù)鉸)若有m

個(gè)構(gòu)件,2.3.3自由度計(jì)算中的注意事項(xiàng)三個(gè)及以上構(gòu)件(含機(jī)架)在組成兩個(gè)或更多共軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)副，稱為復(fù)合鉸鏈。123123則有m－1

個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。三桿復(fù)鉸【例2-5】重新計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)的自由度?！窘狻縩=5

PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=17=3×5-2×7

-0

2A15436EDCB12345678ACDEFB【例2-6】計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)的自由度。n=7PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=110【解】=3×7-2×10-0【解】【例2-6】計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)的自由度。n=3

PL

=3F=3n-2PL

-PH=2PH=1=3×3-2×3-112432.局部自由度F=3×2-2×2-1=1

12431243【例2-7】計(jì)算火車輪機(jī)構(gòu)的自由度【解】n=6PL

=PH

=08F=3n-2PL

-PH

=3×6-2×8-0=2990154326AGFEDCB7與其他約束重復(fù)，不起獨(dú)立限制運(yùn)動(dòng)的約束。計(jì)算自由度時(shí)要去除掉。3.虛約束(消極約束)其中：DE=BC=FG，DB=EC，BF=CG154326AGFEDCB7D4D3154326AGFECB7BFD15326AGEC74【解】n=5PL

=7F=3n-2PL-PH=1PH=0=3×5-2×7-0出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合(重點(diǎn)、難點(diǎn))

例如上例的火車輪機(jī)構(gòu)，下圖的橢圓儀。

（1）

聯(lián)接點(diǎn)與被聯(lián)接點(diǎn)軌跡重合注意：各種出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合都是有條件的!DACB（2）兩構(gòu)件