機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 課件 金鑫 第1、2章 機(jī)械設(shè)計概論、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖及自由度

《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》1.1機(jī)械及其組成第1章機(jī)械設(shè)計概論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)動單元之間有確定的相對運(yùn)動；----運(yùn)動觀點(diǎn)3）代替或減輕人類的體力和腦力勞動，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)器的功能組成傳動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)例如自動洗衣機(jī)控制器(控制)電動機(jī)(驅(qū)動)帶(傳動)減速器(傳動)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)動單元之間具有有確定的相對運(yùn)動。----運(yùn)動觀點(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，通過有序的運(yùn)動和力的傳遞與變換來實(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、鏈傳動、間歇運(yùn)動機(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)器中作為一個整體運(yùn)動的結(jié)構(gòu)實(shí)體稱為構(gòu)件，是組成機(jī)器的最小運(yùn)動單元。機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是兩個以上構(gòu)件相互可動連接組成的構(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有相對運(yùn)動的實(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（一個或多個）（兩個以上）（一個或多個）靜連接動連接協(xié)調(diào)組合1.1.4本課程的研究對象、內(nèi)容及任務(wù)1.研究對象2.研究內(nèi)容3.任務(wù)：掌握基礎(chǔ)知識和技能。

常用機(jī)構(gòu)：運(yùn)動特性、動力特性、設(shè)計計算。

通用零部件：工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計計算。機(jī)械設(shè)備中常用的機(jī)構(gòu)、通用性的機(jī)械傳動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)計的基本要求和一般過程（了解）1.2.1機(jī)械設(shè)計的基本要求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)計的一般過程原理方案設(shè)計確定設(shè)計任務(wù)技術(shù)設(shè)計樣機(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：隨時間變化。

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

名義載荷：按額定功率計算出來的。

計算載荷：考慮實(shí)際作用情況。名義載荷*載荷系數(shù)K①非對稱循環(huán)②脈動循環(huán)③對稱循環(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：不隨時間變化（2）變應(yīng)力：隨時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）非對稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性

a

m

max

minTt

O（2）對稱循環(huán)①定義②循環(huán)特性

a

max

minTtO（3）脈動循環(huán)①定義②循環(huán)特性

a

max

mTtO1.3.2工作能力計算準(zhǔn)則●失效：零件不能正常工作?！袷问剑簲嗔?、過量彈性變形、塑性變形、點(diǎn)蝕、磨損、壓潰、過熱?！窆ぷ髂芰Γ毫慵话l(fā)生失效時的安全工作限度?！癯休d能力：零件不發(fā)生失效時的安全載荷限度?！裼嬎銣?zhǔn)則：為防止失效而制定的判定條件。計算準(zhǔn)則主要類型1.強(qiáng)度準(zhǔn)則：針對斷裂、塑性變形、表面損傷?；颉畲蠊ぷ髡龖?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：針對磨損、腐蝕、疲勞失效形式。

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

針對腐蝕：選擇適當(dāng)途經(jīng)增加耐磨性。（沒研究透）針對疲勞：或此時的許用應(yīng)力用疲勞極限計算。4.散熱性準(zhǔn)則：針對發(fā)熱。熱平衡計算。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伸長量ΔL

應(yīng)變ε●極限應(yīng)力脆性材料：

lim為強(qiáng)度極限Rm1.靜極限應(yīng)力：針對斷裂或塑性變形。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)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力。

rN(rN)：循環(huán)N次的疲勞極限。

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

lim、

lim

為接觸疲勞極限

Hlim

疲勞點(diǎn)蝕（簡稱點(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，能用最簡單的工藝和最少的時間、勞動量、設(shè)備、工具、費(fèi)用生產(chǎn)出來。零件工藝性毛坯選擇合理結(jié)構(gòu)簡單合理規(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，能用最簡單的工藝和最少的時間、勞動量、設(shè)備、工具、費(fèi)用生產(chǎn)出來。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)動簡圖及自由度第2章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖及自由度平面機(jī)構(gòu)：所有構(gòu)件都在同一平面或平行平面內(nèi)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)：能夠做相對運(yùn)動的構(gòu)件系統(tǒng)，且各構(gòu)件具有確定的運(yùn)動規(guī)律?？臻g機(jī)構(gòu)：各構(gòu)件的運(yùn)動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)動簡圖及自由度2.1運(yùn)動副及其分類2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度2.1運(yùn)動副及其分類ASyxo●一個平面運(yùn)動構(gòu)件自由度：3個。sysx●自由度：獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的個數(shù)?！襁\(yùn)動副定義：兩個構(gòu)件直接接觸，且具有一定相對運(yùn)動的可動連接?！襁\(yùn)動副作用：提供約束?！窦s束：對運(yùn)動所加的限制?！襁\(yùn)動副的分類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)動副

2)移動副12121221ttnn高副提供1個約束，保留2個自由度。低副提供2個約束，保留1個自由度?！窨臻g運(yùn)動副簡介（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)動簡圖2.2.1平面機(jī)構(gòu)的組成機(jī)架：通常也稱為固定件，相對固定構(gòu)件。主動件：通常稱為原動件，有驅(qū)動力或給定運(yùn)動規(guī)律構(gòu)件。從動件：跟隨主動件的運(yùn)動而運(yùn)動的其他活動構(gòu)件。

畫構(gòu)件時應(yīng)忽略構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動副之間的尺寸(即構(gòu)件尺寸)和運(yùn)動副的性質(zhì)。機(jī)構(gòu)示意圖：不按比例繪制的簡圖；術(shù)語機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖：按精確比例繪制的簡圖。2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1.構(gòu)件的表示方法:2.常見運(yùn)動副符號的表示:國標(biāo)GB4460－84常用運(yùn)動副的符號運(yùn)動副名稱運(yùn)動副符號兩運(yùn)動構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動副轉(zhuǎn)動副移動副21211221兩構(gòu)件之一為固定時的運(yùn)動副平面運(yùn)動副121212122121212112122121平面高副螺旋副1212球面副球銷副空間運(yùn)動副12122112121212211212213.常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號

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

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

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

－PH1234F=11234有n個活動構(gòu)件，PL個低副，PH個高副，則2.3.1平面機(jī)構(gòu)的自由度（重點(diǎn)）【例2-3】計算鉸鏈五桿機(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)具有確定相對運(yùn)動的條件（重點(diǎn)）主動件數(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?！纠?-4】計算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。【解】

n=2PL=2PH=1=3×2-2×2-1

=1

F=3n-2PL

-PH123【例2-5】計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度。【解】n=5PL

=PH=0F=3n-2PL

-PH=36=3×5-2×6-0

12A15436EDCB1.復(fù)合鉸鏈(簡稱復(fù)鉸)若有m

個構(gòu)件,2.3.3自由度計算中的注意事項三個及以上構(gòu)件(含機(jī)架)在組成兩個或更多共軸線的轉(zhuǎn)動副，稱為復(fù)合鉸鏈。123123則有m－1

個轉(zhuǎn)動副。三桿復(fù)鉸【例2-5】重新計算圖示機(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)動的約束。計算自由度時要去除掉。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)虛約束的場合都是有條件的!DACB（2）兩構(gòu)件