機械設計及實踐課件

緒論導言早年的杠桿、滑輪，近代的汽車、輪船，到現(xiàn)代的機器人、航天器，機械不斷更新?lián)Q代，發(fā)展日新月異，在生產(chǎn)力發(fā)展中一直扮演著重要角色。不論傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)還是新興產(chǎn)業(yè)，其進步與發(fā)展都離不開機械技術(shù)的支持。機械是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎技術(shù)，是衡量國家經(jīng)濟實力和科技水平的重要標志。

機械設計是一種創(chuàng)造性思維活動。按照設計目標，進行分析、計算、決策，并通過文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息形成機械產(chǎn)品的設計方案。

素質(zhì)教育是現(xiàn)代教育的目標，創(chuàng)新能力是素質(zhì)教育的核心。機械科學博大精深，應扎實掌握基本原理、技能和方法，要努力培養(yǎng)機械設計創(chuàng)新能力。

0.1機械的組成及特征兩個機器實例：1.內(nèi)燃機功用：內(nèi)燃機是將燃氣燃燒時的熱能轉(zhuǎn)化為機械能的機器

組成：見右圖氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪90.1機械的組成及特征

活塞下行，進氣閥打開，燃氣被吸入汽缸活塞上行，進氣閥關閉，壓縮燃氣點火后燃氣燃燒膨脹，推動活塞下行，經(jīng)連桿帶動曲軸輸出轉(zhuǎn)動

活塞上行，排氣閥打開，排出廢氣工作過程：點擊上圖觀看動畫0.1機械的組成及特征2.顎式破碎機功用：壓碎物料組成：見右圖大帶輪4電動機1V帶3小帶輪2軸板7定顎板8動顎板6偏心軸50.1機械的組成及特征電動機帶傳動偏心軸轉(zhuǎn)動

動顎板擺動，與定顎板一起壓碎物料工作過程：點擊上圖觀看動畫0.1機械的組成及特征

機器：既能實現(xiàn)確定的機械運動，又能做有用的機械功，或者能傳遞或轉(zhuǎn)換能量、物料、信息等。如半自動鉆床——實現(xiàn)確定的機械運動，又作有用的機械功內(nèi)燃機——轉(zhuǎn)換能量

機械手——傳遞物料照相機——傳遞信息

機構(gòu)：僅能傳遞或轉(zhuǎn)換運動。如齒輪機構(gòu)——傳遞運動凸輪機構(gòu)——轉(zhuǎn)換運動

機械：是機器和機構(gòu)的總稱。

0.1機械的組成及特征

構(gòu)件：組成機械的各個相對運動的實物。

零件：機械中不可拆的制造單元體。

單一零件——曲軸多個零件的剛性組合——連桿構(gòu)件是機械中運動的單元體，零件是機械中制造的單元體。0.1機械的組成及特征通用零件：專用零件：

例如：齒輪、鏈傳動、帶傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動；軸、聯(lián)軸器、離合器、滾動軸承、滑動軸承、螺栓、鍵、花鍵、銷；鉚、焊、膠結(jié)構(gòu)件；彈簧、機架、箱體等。

例如：葉片、犁鏵、槍栓等。零件可分為兩類：部件：若干個零件的裝配體0.2課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務一、內(nèi)容闡述常用機構(gòu)的工作原理、運動特性及設計方法。闡述常用零部件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點及設計方法。

介紹機械系統(tǒng)的設計思路和設計方法。二、性質(zhì)本課程是一門技術(shù)基礎課。旨在培養(yǎng)工程技術(shù)人員從事機械設計所需的基本知識、理論和技能，使之具備分析、設計、運行和維護機械設備和機械零件的能力，為今后解決生產(chǎn)實際問題及學習有關新的科學技術(shù)打下基礎

本課程綜合運用數(shù)學、力學、制圖、金屬材料及熱處理、互換性與技術(shù)測量、算法語言等課程的知識，去解決常用機構(gòu)和通用零部件的設計問題。涉及的知識面廣，實踐性強，側(cè)重于工程實際。

三、任務使學生了解常用機構(gòu)及通用零、部件的工作原理、類型、特點及應用等基本知識。使學生掌握常用機構(gòu)的基本理論及設計方法，掌握通用零、部件的失效形式、設計準則與設計方法。使學生具備機械設計實驗技能和設計簡單機械及傳動裝置的基本技能。0.2課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務0.3

學習方法

本課程是從理論性、系統(tǒng)性很強的基礎課和專業(yè)基礎課向?qū)嵺`性較強的專業(yè)課過渡的一個重要轉(zhuǎn)折點，應注意幾個特點：

1.本課程將多門先修課程的基本理論應用到實際中去。

2.本課程的各部分內(nèi)都是按照工作原理、結(jié)構(gòu)、強度計算、使用維護的順序介紹的。

3.常采用很多經(jīng)驗公式、參數(shù)以及簡化計算（條件性計算）。

4.計算步驟和計算結(jié)果不像基礎課那樣具有唯一性。

5.逐步培養(yǎng)把理論計算與結(jié)構(gòu)設計、工藝等結(jié)合起來解決設計問題的能力。內(nèi)燃機機械手半自動多軸鉆床凸輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)照相機零件裝配§1.1機械設計的基本要求§1.2機械設計的內(nèi)容與步驟§1.3機械零件的失效形式及設計計算準則§1.4機械零件設計的標準化、系列化及通用化第1章機械設計概述1.1機械設計的基本要求

機械設計包括以下兩種設計:應用新技術(shù)、新方法開發(fā)創(chuàng)造新機械；在原有機械的基礎上重新設計或進行局部改造。1.1.1設計機械零件的基本要求工作可靠并且成本低廉;零件的工作能力是指零件在一定的工作條件下抵抗可能出現(xiàn)的失效的能力，對載荷而言稱為承載能力。失效:指零件由于某些原因不能正常工作。設計機械零件要注意以下幾點：（1）合理選擇材料，降低材料費用；（2）保證良好的工藝性，減少制造費用；

（3）盡量采用標準化、通用化設計，簡化設計過程從而降低成本。1.1機械設計的基本要求

1.2機械設計的內(nèi)容與步驟現(xiàn)代設計方法：常規(guī)設計方法：優(yōu)化設計、可靠性設計、有限元設計、模塊設計、計算機輔助設計理論設計、經(jīng)驗設計和模型實驗設計等。機械設計的過程通常可分為以下幾個階段：（1）產(chǎn)品規(guī)劃（2）方案設計（3）技術(shù)設計（4）制造及試驗產(chǎn)品規(guī)劃的主要工作是提出設計任務和明確設計要求。

由設計人員構(gòu)思出多種可行方案進行分析比較，從中優(yōu)選出一種方案。設計結(jié)果以工程圖及計算書的形式表達出來。

經(jīng)過加工、安裝及調(diào)試制造出樣機，對樣機進行試運行或在生產(chǎn)現(xiàn)場試用。1.2機械設計的內(nèi)容與步驟1.2機械設計的內(nèi)容與步驟設計機械零件的一般步驟如下：

（1）根據(jù)機器的具體運轉(zhuǎn)情況和簡化的計算方案確定零件的載荷。

（2）根據(jù)零件工作情況的分析，判定零件的失效形式，從而確定其計算準則。

（3）進行主要參數(shù)選擇，選定材料，根據(jù)計算準則求出零件的主要尺寸，考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求等。（4）進行結(jié)構(gòu)設計。

（5）繪制零件工作圖，制訂技術(shù)要求，編寫計算說明書及有關技術(shù)文件。在設計過程中，這些步驟又是相互交錯、反復進行的。1.2機械設計的內(nèi)容與步驟

在設計機械零件時往往是將較復雜的實際工作情況進行一定的簡化，這些計算或多或少帶有一定的條件性或假定性。條件性計算：1.3機械零件的失效形式及設計計算準則機械零件喪失預定功能或預定功能指標降低到許用值以下的現(xiàn)象機械零件的失效：

進行機械零件設計時必須根據(jù)零件的失效形式分析失效的原因，提出防止或減輕失效的措施，根據(jù)不同的失效形式提出不同的設計計算準則。1.3.1失效形式機械零件常見的失效形式有如下幾種：1.斷裂2.過量變形3.表面失效4.破壞正常工作條件引起的失效1.3機械零件的失效形式及設計計算準則1.3.2失效形式

同一零件對于不同失效形式的承載能力也各不相同。根據(jù)不同的失效原因建立起來的工作能力判斷條件，稱為設計計算準則。主要包括以下幾種：1.強度準則（整體強度和表面強度）整體強度的判斷準則表示為：或表面接觸強度的判斷準則表示為：應力表示法：安全系數(shù)表示法：接觸應力表示法：擠壓應力表示法：1.3機械零件的失效形式及設計計算準則2.剛度準則

零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形量應小于或等于機器工作性能允許的極限值。3.耐磨性準則4.散熱性準則5.可靠性準則1.4機械零件設計的標準化、系列化及通用化標準件：按規(guī)定標準生產(chǎn)的零件。好處：

（1）由專門化工廠大量生產(chǎn)標準件，能保證質(zhì)量、節(jié)約材料、降低成本；

（2）選用標準件可以簡化設計工作，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期；

（3）選用參數(shù)標準化的零件，在機械制造過程中可以減少刀具和量具的規(guī)格；（4）具有互換性，從而簡化機器的安裝和維修。1.4機械零件設計的標準化、系列化及通用化

通用化：在不同規(guī)格的同類產(chǎn)品或不同類產(chǎn)品中采用同一結(jié)構(gòu)和尺寸的零件、部件。

我國現(xiàn)行標準分為國家標準（GB）、行業(yè)標準和專業(yè)標準等，國際上則推行國際標準化組織（ISO）的標準。

標準化：有不少零件，由于應用范圍廣、用量大，已經(jīng)高度標準化形成標準件。

系列化：有很多零件適用范圍極為廣泛，但在具體設計時隨著工作條件的不同，在材料、尺寸、結(jié)構(gòu)等方面的選擇也各不相同，這種情況則可對其某些基本參數(shù)規(guī)定標準的系列化數(shù)列。§2.1摩擦與磨損§2.2潤滑§2.3密封裝置第2章摩擦、磨損及潤滑概述2.1摩擦與磨損

摩擦是機器運轉(zhuǎn)過程中不可避免的物理現(xiàn)象。世界上1/3~1/2的能源消耗在摩擦上，各種機械零件因磨損失效的也占全部失效零件的一半以上。磨損是摩擦的結(jié)果，潤滑則是減少摩擦和磨損的有力措施。2.1.1摩擦及其分類

兩物體接觸區(qū)產(chǎn)生阻礙運動并消耗能量的現(xiàn)象，稱為摩擦。有些情況下卻要利用摩擦工作，如帶傳動，摩擦制動器等。2.1摩擦與磨損1.干摩擦兩物體的滑動表面為無任何潤滑劑或保護膜的純金屬。2.

液體摩擦兩摩擦表面不直接接觸，被油膜隔開。根據(jù)摩擦副表面間的潤滑狀態(tài)將摩擦狀態(tài)分為四種：2.1摩擦與磨損2.1.2

磨損及其過程

運動副之間的摩擦將導致零件表面材料的逐漸損失，這種現(xiàn)象稱為磨損。單位時間內(nèi)材料的磨損量稱為磨損率。工程上常利用磨損的原理來減小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、拋光、跑合等。3.邊界摩擦兩摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開。4.混合摩擦處于摩擦、液體摩擦與邊界摩擦的混合狀態(tài)。2.1摩擦與磨損磨損過程大致可分為以下三個階段：1.跑合（磨合）磨損階段2.穩(wěn)定磨損階段3.劇烈磨損階段此階段的特征是磨損速度及磨損率都急劇增大。在跑合階段結(jié)束后應清洗零件，更換潤滑油。2.1摩擦與磨損1.磨粒磨損

由于摩擦表面上的硬質(zhì)突出物或從外部進入摩擦表面的硬質(zhì)顆粒，對摩擦表面起到切削或刮擦作用，從而引起表層材料脫落的現(xiàn)象，稱為磨粒磨損。

減輕磨粒磨損：滿足潤滑條件，合理地選擇摩擦副的材料、降低表面粗糙度值以及加裝防護密封裝置等。2.1.3

磨損分類

按照磨損的機理以及零件表面磨損狀態(tài)的不同把磨損分為：2.粘著磨損粘著作用引起的磨損，稱為粘著磨損。

粘著磨損按程度不同可分為五級：輕微磨損、涂抹、擦傷、撕脫、咬死。

涂抹、擦傷、撕脫又稱為膠合，往往發(fā)生于高速、重載的場合。

合理地選擇配對材料，采用表面處理，限制摩擦表面的溫度，控制壓強及采用含有油性極壓添加劑的潤滑劑等，都可減輕粘著磨損。2.1摩擦與磨損2.1摩擦與磨損3.疲勞磨損（點蝕）

兩摩擦表面為點或線接觸時，由于局部的彈性變形形成了小的接觸區(qū)。這些小的接觸區(qū)形成的摩擦副如果受變化接觸應力的作用，則在其反復作用下，表層將產(chǎn)生裂紋。

合理地選擇材料及材料的硬度，選擇粘度高的潤滑油，加入極壓添加劑或及減小摩擦面的粗糙度值等，可以提抗疲勞磨損的能力。4.腐蝕磨損

在摩擦過程中，摩擦面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應而產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象，稱為腐蝕磨損。

實際上大多數(shù)磨損是以上述四種磨損形式的復合形式出現(xiàn)的。2.2潤滑潤滑的主要作用是:減小摩擦系數(shù),提高機械效率;減輕磨損,延長機械的使用壽命。還可起到冷卻、防塵以及吸振等作用。2.2.1潤滑劑的性能與選擇1.潤滑油

主要有礦物油、合成油、動植物油等，其中應用最廣泛的為礦物油。

粘度的大小表示了液體流動時其內(nèi)摩擦阻力的大小，粘度愈大，內(nèi)摩擦阻力就愈大，液體的流動性就愈差。2.2潤滑2.2潤滑

粘度可用動力粘度、運動粘度、條件粘度（恩氏粘度）等表示。我國的石油產(chǎn)品常用運動粘度來標定。（1）動力粘度（2）運動粘度η為動力粘度，單位為Pa?s；為密度，單位為。ν

為運動粘度，單位為。2.2潤滑

一般潤滑油的牌號就是該潤滑油在40C（或100C）時運動粘度（以為單位）的平均值。（3）條件粘度以表示恩氏粘度（即為條件粘度）。運動粘度和恩氏粘度之間可通過下式進行換算：當1.35≤E≤3.2時當E>3.2時2.2潤滑

粘度隨溫度的升高而降低。粘度隨壓強的升高而加大，但當壓強小于20MPa時，其影響甚小，可不予考慮。常用潤滑油的性能和用途見表2.1。2.2潤滑2.2潤滑續(xù)表2.潤滑脂

潤滑脂是在潤滑油中加入稠化劑(如鈣、鈉、鋰等金屬皂基）而形成的脂狀潤滑劑，又稱為黃油或干油。

潤滑脂的流動性小，不易流失，所以密封簡單，不需經(jīng)常補充。潤滑脂對載荷和速度變化不是很敏感，有較大的適應范圍，但因其摩擦損耗較大，機械效率較低，故不宜用于高速傳動的場合。2.2潤滑(1)滴點是指潤滑脂受熱后從標準測量杯的孔口滴下第一滴油時的溫度。(2)錐入度即潤滑脂的稠度。

目前使用最多的是鈣基潤滑脂，其耐水性強，但耐熱性差。3.潤滑劑的選用

潤滑劑選用的基本原則是：在低速、重載、高溫、間隙大的情況下，應選用粘度較大的潤滑油；而在高速、輕載、低溫、間隙小的情況下應選粘度較小的潤滑油。潤滑脂主要用于速度低、載荷大、不需經(jīng)常加油、使用要求不高或灰塵較多的場合。氣體、固體潤滑劑主要用于高溫、高壓、防止污染等一般潤滑劑不能適用的場合。2.2潤滑2.2.2

潤滑方法和潤滑裝置機械設備的潤滑，主要集中在傳動件和支承件上。油潤滑的方法大概有四種：集中潤滑或分散潤滑連續(xù)潤滑或間歇潤滑壓力潤滑或無壓力潤滑循環(huán)式潤滑或非循環(huán)式潤滑。2.2潤滑密封裝置從總體上可分為兩大類：固定密封動密封

固定密封可采用各種墊片，包括金屬、非金屬墊片以及密封膠等。

動密封又分為接觸式、非接觸式、半接觸式密封，其中應用較廣的是接觸式密封，它主要是利用各種密封圈或氈圈密封。各種密封件都已標準化，可查閱手冊選取適當?shù)男问健?/p>

在一般常用的機械中，用得較多的密封裝置是密封圈和填料。2.3密封裝置

綜上所述，在設計機械時，選擇適當?shù)臐櫥b置和密封裝置是必不可少的，在使用機械時，更應注意機械的潤滑和維護。還應注意密封情況，如有漏油現(xiàn)象，應查找原因，及時更換密封件。2.3密封裝置§3.1機構(gòu)的組成§3.2平面機構(gòu)的運動簡圖§3.3平面機構(gòu)的自由度平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析3.1機構(gòu)的組成構(gòu)件和構(gòu)件之間既要相互連接（接觸）在一起，又要有相對運動。而兩構(gòu)件之間這種可動的連接（接觸）就稱為運動副。運動副元素：兩構(gòu)件上直接參加接觸構(gòu)成運動副的部分。3.1.1運動副運動副：3.1機構(gòu)的組成3.1.2自由度和運動副約束自由度：把構(gòu)件相對于參考系具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為自由度按兩構(gòu)件接觸情況，常分為低副、高副兩大類。1.低副兩構(gòu)件以面接觸而形成的運動副。

(1)轉(zhuǎn)動副：只允許兩構(gòu)件作相對轉(zhuǎn)動，又稱作鉸鏈。

a)固定鉸鏈3.1機構(gòu)的組成一、平面運動副b)活動鉸鏈轉(zhuǎn)動副3.1機構(gòu)的組成(2)移動副：只允許兩構(gòu)件作相對移動。移動副3.1機構(gòu)的組成2.高副兩構(gòu)件以點或線接觸而構(gòu)成的運動副。凸輪副3.1機構(gòu)的組成齒輪副3.1機構(gòu)的組成二、空間運動副若兩構(gòu)件之間的相對運動均為空間運動，則稱為空間運動副。螺旋副球面副3.1機構(gòu)的組成3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

3.2.1運動副及構(gòu)件的表示方法1.構(gòu)件構(gòu)件均用直線或小方塊等來表示，畫有斜線的表示機架。3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

2.轉(zhuǎn)動副構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動副時，如下圖表示。圖垂直于回轉(zhuǎn)軸線時用圖a表示；圖面不垂直于回轉(zhuǎn)軸線時用圖b表示。表示轉(zhuǎn)動副的圓圈，其圓心必須與回轉(zhuǎn)軸線重合。一個構(gòu)件具有多個轉(zhuǎn)動副時，則應在兩條交叉處涂黑，或在其內(nèi)畫上斜線。3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

3.移動副兩構(gòu)件組成移動副，其導路必須與相對移動方向一致。3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

4.平面高副

兩構(gòu)件組成平面高副時，其運動簡圖中應畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓，對于凸輪、滾子，習慣劃出其全部輪廓；對于齒輪，常用點劃線劃出其節(jié)圓。3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

3.2.2繪制機構(gòu)運動簡圖的步驟1）功能分析。確定機械系統(tǒng)的總功能和進行功能分解。2）繪制機械系統(tǒng)運動循環(huán)圖。3）執(zhí)行（工作）機構(gòu)選型。4）繪制機械系統(tǒng)的運動方案圖。5）機構(gòu)的尺度綜合。6）繪制機械系統(tǒng)運動簡圖。例3.1試繪制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10解：1）分析運動，確定構(gòu)件的類型和數(shù)量2）確定運動副的類型和數(shù)目3）選擇視圖平面4）選取比例尺，根據(jù)機構(gòu)運動尺寸，定出各運動副間的相對位置5）畫出各運動副和機構(gòu)符號，并表示出各構(gòu)件3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

3.2平面機構(gòu)的運動簡圖

3.3平面機構(gòu)的自由度1.實例分析

不能產(chǎn)生運動

給定構(gòu)件1運動參數(shù)=(t)

構(gòu)件2、3的運動是確定的

3.3.1機構(gòu)具有確定運動的條件給定構(gòu)件1運動參數(shù)=(t)，構(gòu)件2、3、4的運動是不確定的

再給定構(gòu)件4運動參數(shù)=(t)，構(gòu)件2、3的運動是確定的3.3平面機構(gòu)的自由度2.結(jié)論

機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱機構(gòu)的自由度。

平面機構(gòu)具有確定運動的條件：機構(gòu)原動件個數(shù)應等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。

◆原動件數(shù)＜自由度數(shù)，機構(gòu)無確定運動

原動件數(shù)＞自由度數(shù)，機構(gòu)在薄弱處損壞

3.3平面機構(gòu)的自由度3.3.2平面機構(gòu)自由度的計算1.構(gòu)件自由度

一個構(gòu)件未用運動副與其它構(gòu)件連接之前，有三個自由度。

當用運動副連接后，構(gòu)件間的相對運動受到約束，失去一些自由度。運動副不同，失去的自由度數(shù)目和保留的自由度數(shù)目也不同。3.3平面機構(gòu)的自由度2.計算公式n：機構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)；Pl：機構(gòu)中低副數(shù)；

Ph：機構(gòu)中高副數(shù)；F：機構(gòu)的自由度數(shù)；F=3n-2Pl-Ph

3.計算實例n=3,Pl=4,Ph=0F=3n-2Pl-Ph

=3×3-2Pl-Ph

=3×3-2×4-0設則=13.3平面機構(gòu)的自由度計算實例

n=5,Pl=7,Ph=0F=3n–2Pl–Ph

=3×5–2×7–0=1解：3.3平面機構(gòu)的自由度3.3.3自由度計算時應注意的幾種情況1.復合鉸鏈2.局部自由度3.虛約束

兩個以上構(gòu)件在同一軸線處用轉(zhuǎn)動副連接，就形成了復合鉸鏈。說明

個別構(gòu)件所具有的，不影響整個機構(gòu)運動的自由度稱為局部自由度。說明

重復出現(xiàn)的，對機構(gòu)運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。說明

4.虛約束常見情況及處理方法說明

5.虛約束對機構(gòu)的影響說明

3.3平面機構(gòu)的自由度三個構(gòu)件在同一軸線處，兩個轉(zhuǎn)動副。推理：m個構(gòu)件時，有m–1個轉(zhuǎn)動副。3.3平面機構(gòu)的自由度慣性篩機構(gòu)C處為復合鉸鏈◆計算中注意觀察是否有復合鉸鏈，以免漏算轉(zhuǎn)動副數(shù)目，出現(xiàn)計算錯誤。n=5,Pl=7,Ph=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl–Ph3.3平面機構(gòu)的自由度滾子的轉(zhuǎn)動自由度并不影響整個機構(gòu)的運動，屬局部自由度。

計入局部自由度時

n=3,Pl=3,Ph=1F=3×3-2×-1=2

與實際不符3.3平面機構(gòu)的自由度

應除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構(gòu)件。處理方法

◆實際結(jié)構(gòu)上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計算中不計入，并非實際拆除。教材圖1-13b動畫N=2,Pl=2,Ph=1,F=3×2-2×2–1=1與實際相符3.3平面機構(gòu)的自由度n=4,Pl=6,Ph=0

構(gòu)件5給機構(gòu)引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機構(gòu)的運動不起獨立的限制作用，是虛約束。與實際不符F=3×4-2×6–0=03.3平面機構(gòu)的自由度n=3,Pl=4,Ph=0F=3×3-2×4–0=1處理方法與實際相符

應除去虛約束，即將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件5及運動副除去不計。3.3平面機構(gòu)的自由度1.兩構(gòu)件未組成運動副前，連接點處的軌跡已重合為一，組成的運動副存在虛約束。

◆計算中應將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運動副一起除去不計。

虛約束常見情況及處理3.3平面機構(gòu)的自由度虛約束常見情況及處理

◆計算中只計入一個移動副。

2.兩構(gòu)件組成多個移動副，且導路相互平行或重合時，只有一個移動副起約束作用，其余為虛約束。3.3平面機構(gòu)的自由度

3.兩構(gòu)件組成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線重合，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余為約束。

虛約束常見情況及處理

◆計算中只計入一個轉(zhuǎn)動副。3.3平面機構(gòu)的自由度虛約束常見情況及處理◆計算中應將對稱部分除去不計。5.機構(gòu)中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。3.3平面機構(gòu)的自由度虛約束對機構(gòu)的影響◆機構(gòu)中虛約束是實際存在的，計算中所謂“除去不計”是從運動觀點分析做的假想處理，并非實際拆除。

·虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行”、“重合”、“距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉(zhuǎn)化為有效約束?！C構(gòu)中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時也提高了對制造和裝配精度的要求。3.3平面機構(gòu)的自由度§4.1概述§4.2平面機構(gòu)的運動分析§4.3平面機構(gòu)的力分析§4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化§4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性§4.6平面四桿機構(gòu)的設計第4章平面連桿機構(gòu)4.1概述

平面連桿機構(gòu)是由若干個構(gòu)件通過低副聯(lián)接而成的機構(gòu)，又稱為平面低副機構(gòu)。由四個構(gòu)件通過低副聯(lián)接而成的平面連桿機構(gòu)，稱為四桿機構(gòu)。如果所有低副均為轉(zhuǎn)動副，這種四桿機構(gòu)就稱為鉸鏈四桿機構(gòu)。平面連桿機構(gòu)的優(yōu)點由于是低副，為面接觸，所以承受壓強小、便于潤滑、磨損較輕，可承受較大載荷結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，構(gòu)件之間的接觸是有構(gòu)件本身的幾何約束來保持的，所以構(gòu)件工作可靠可使從動件實現(xiàn)多種形式的運動，滿足多種運動規(guī)律的要求利用平面連桿機構(gòu)中的連桿可滿足多種運動軌跡的要求平面連桿機構(gòu)的缺點根據(jù)從動件所需要的運動規(guī)律或軌跡來設計連桿機構(gòu)比較復雜，精度不高。運動時產(chǎn)生的慣性難以平衡，不適用于高速場合。4.2平面機構(gòu)的運動分析已知機構(gòu)中主動件的運動，求解機構(gòu)中其他各構(gòu)件的運動狀態(tài)。機構(gòu)的運動分析：

通過機構(gòu)的運動分析可了解機構(gòu)在運動過程中構(gòu)件上某些點的位移、速度和加速度以及構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度。本節(jié)主要介紹用相對運動圖解法求機構(gòu)的速度和加速度的方法。4.2.1同一構(gòu)件上點的速度、加速度分析已知條件：各構(gòu)件的尺寸、位置以及構(gòu)件1的角速度角加速度要求：、現(xiàn)在要求出在圖示位置時構(gòu)件2上C點、E點的速度，加速度，以及構(gòu)件2和構(gòu)件3的角速度，角加速度，4.2平面機構(gòu)的運動分析4.2平面機構(gòu)的運動分析1.速度分析

（1）求，方向垂直于AB，指向與的轉(zhuǎn)向一致。（2）求

B

點與C

點同為構(gòu)件2上的點，根據(jù)理論力學，做平面運動的剛體上某一點的速度可以看作是剛體上任選基點的牽連速度和該點繞基點的相對轉(zhuǎn)動速度的合成。因此構(gòu)件2上C

點的速度等于B

點的速度與C

點相對B

點的速度矢量和，即大小方向

？

？4.2平面機構(gòu)的運動分析構(gòu)件1與構(gòu)件2在B點組成轉(zhuǎn)動副，所以

，同理因此上式中只有兩個未知數(shù)，可以用矢量多邊形來求解。①

如圖所示，選定速度比例尺為

(m/s/mm)

，任取極點p作矢量，指向同

的轉(zhuǎn)向一致，長度這樣矢量

可以代表②從b點作的方向線bcBC從ｐ點作的方向線pc矢量代表，矢量代表

，CD并交于c點4.2平面機構(gòu)的運動分析（3）求由圖4.1可知將矢量移到機構(gòu)簡圖中的C點處，則可見為逆時針方向。將矢量移到機構(gòu)簡圖中的C點處，則可見為逆時針方向。

（4）求因為B、C、E為同一構(gòu)件上的點，所以可得出下列方程式：大??？？？

方向？4.2平面機構(gòu)的運動分析后一個方程只有兩個未知數(shù)，可用圖解法求解如圖4.1b所示，過b點作

的方向線

，過c點作

的方向線

，兩線交于e點矢量

代表其大小為4.2平面機構(gòu)的運動分析2.加速度分析（1）求由已知條件可知：方向為B→A

方向垂直于AB，指向與

方向一致。式中有兩個未知數(shù)，可用矢量圖解法求解（2）求根據(jù)相對運動原理，可建立如下方程式大??？

？方向Ｃ→Ｄ

ＣＤ

Ｂ→Ａ

ＡＢＣ→Ｂ

ＢＣ4.2平面機構(gòu)的運動分析，其大小為任取一點P′為極點，作矢量如圖C所示，選定加速度比例尺，指向為B→A，這樣矢量可以代表接著從b″作矢量，長度為，指向與α1方向一致，則矢量代表；再作，指向為C→B，長度為，矢量代表了作為的方向線；從p′作作，方向為C→D，長度為，矢量代表過作，作為的方向線，與線相交于c′4.2平面機構(gòu)的運動分析代表了C點的加速度aC、代表aCB，大小分別為（3）求a2、a3由圖4.1c可知，代表，代表將它們平移到機構(gòu)圖中的C點處，可得逆時針方向逆時針方向4.2平面機構(gòu)的運動分析（4）求aE

因為B、C、E是同一構(gòu)件上的三點，可列出下列方程式大小方向？？E→B？⊥EB？⊥EC如圖4.1c所示，過b′點作，方向從E→B，長度為再過e″點作的方向線；同樣過c′點作代表，再作作的方向線，與的方向線相交于e′點。這樣矢量代表aE，矢量代表Aec，大小分別為4.2平面機構(gòu)的運動分析4.2.2組成移動副的兩構(gòu)件瞬時重合點的速度、加速度分析已知條件：要求：機構(gòu)的位置各構(gòu)件的長度順時針轉(zhuǎn)動主動件1以等角速度試求導桿3的角速度角加速度4.2平面機構(gòu)的運動分析1.速度分析（1）求構(gòu)件1和構(gòu)件2在B點組成轉(zhuǎn)動副，所以，方向垂直于AB，指向與的方向相同。（2）求構(gòu)件2和構(gòu)件3組成移動副，B2與B3為瞬時重合點。由理論力學可知，B3點的絕對速度等于與其重合的牽連點B2的絕對速度和B3相對于B2的相對速度的合成，即大小方向

？⊥AB

？//BC該式只有兩個未知數(shù)，可用圖解法求解。如圖4.2b所示，選定速度比例尺4.2平面機構(gòu)的運動分析任取極點p，作，則代表；作，代表的方向線，作，代表的方向線，二者相交于b3點，代表，矢量代表則矢量（注意其矢量的指向與相對應速度下標的順序相反）。速度的大小分別為4.2平面機構(gòu)的運動分析2.加速度分析（1）求，其大小為，方向為B→A。（2）求由理論力學可知，B3點的絕對加速度等于牽連加速度哥氏加速度和相對加速度的合成，其中哥氏加，方向由相對速度速度的大小的指向順著牽連角速度轉(zhuǎn)過90°而得，即大小方向？⊥BC？//BC4.2平面機構(gòu)的運動分析選定加速度比例尺為，作加速度多邊形（如圖4.2c所示），其中代表代表代表代表代表代表所以，方向由p′指向（3）求a3將移至B點，得，方向為逆時針。由于構(gòu)件2、構(gòu)件3組成移動副，所以。4.3平面機構(gòu)的力分析平面機構(gòu)力分析的主要目的：根據(jù)作用在平面機構(gòu)上的已知外力和慣性力，確定各運動副中的反力，進而確定為維持機構(gòu)按給定規(guī)律運動所需的平衡力或平衡力矩。力分析通常用于計算機構(gòu)各零件的強度、確定機械效率以及機械工作時所需的驅(qū)動力矩等。4.3平面機構(gòu)的力分析4.3.1運動副的摩擦1.移動副中的摩擦力滑塊1和平面2組成移動副，滑塊受力F作用沿水平相左移動。力F與接觸面法線的夾角為可以將F分解成切向力Ft和法向力Fn根據(jù)摩擦定律，F(xiàn)f=fFN，

由圖4.3可知由上述兩式可得4.3平面機構(gòu)的力分析由上式可知：（1）當外力F的作用線在摩擦角所包圍的區(qū)域之外，此時Ft>Ff，滑塊作加速運動；（2）當外力F的作用線在摩擦角所包圍的區(qū)域的面上，此時Ft=Ff，滑塊作等速運動。若滑塊原來是靜止的，則保持靜止不動；（3）當外力F的作用線在摩擦角所包圍的區(qū)域的里面，此時Ft<Ff，滑塊作減速運動，直到靜止。若滑塊原來靜不動，則不論用多大的外力都無法推動滑動使其運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。4.3平面機構(gòu)的力分析兩個構(gòu)件組成非平面移動副時的情況，如圖所示。根據(jù)平衡條件得在z方向在xy平面內(nèi)4.3平面機構(gòu)的力分析2.轉(zhuǎn)動副中的摩擦力

圖示為轉(zhuǎn)動副中摩擦力的情況。軸頸1與軸承2組成轉(zhuǎn)動副，F(xiàn)f為作用在軸頸上的徑向載荷。無論FR21的方向如何，與軸心的距離始終等于總反力的作用線始終與摩擦圓相切

軸頸在力矩M的作用下相對軸承以角速度傳動。當軸頸作等速轉(zhuǎn)動時，由圖可見，由軸頸半徑r和當量摩擦系數(shù)f0決定。的值4.3平面機構(gòu)的力分析推力軸承的軸頸與軸承也構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，其接觸面可以是任意旋轉(zhuǎn)體的表面

如圖4.8所示。Fa為軸向載荷，r和R分別為圓環(huán)面的內(nèi)、外半徑，f為滑動摩擦系數(shù)，則摩擦力矩Mf為對于非跑合軸頸對于跑合軸頸4.3平面機構(gòu)的力分析4.3.2機構(gòu)受力分析1.運動副中作用力的特點

（1）轉(zhuǎn)動副約束反力的大小與方向未知。當不計摩擦時，離作用線通過轉(zhuǎn)動中心；當計及摩擦時，約束反力逆相對轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)動中心偏離一個摩擦圓半徑的距離。

（2）移動副約束反力的大小與作用點未知。當不計摩擦時，力的方向垂直于相對移動方向；當計及摩擦時，約束反力逆相對移動方向偏轉(zhuǎn)一個摩擦角。

（3）平面高副約束反力的大小未知。當不計摩擦時，約束反力過接觸點的公法線；當計及摩擦時，約束反力過接觸點，并相對于公法線逆相對滑動方向偏轉(zhuǎn)一個摩擦角。4.3平面機構(gòu)的力分析2.計及摩擦力時的靜力分析（不考慮慣性力）構(gòu)件力平衡的特點為：1.不含力偶的二力桿，兩個力等值、共線、反向。2.含力偶的二力桿，兩個力值、反向、不共線，相距h=M/F。3.不含力偶的三力桿，三個力匯交于一點。4.確定摩擦總反力FRik的方位時，首先粗略判斷FRik的指向，然后確定相對角速度的轉(zhuǎn)向，使FRik與摩擦圓相切，并對鉸鏈中心所形成的力矩方向與的方向相反。4.3平面機構(gòu)的力分析4.3.3機械效率及自鎖1．機械效率的計算

機械在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的一個周期內(nèi)，驅(qū)動力所作的功Wd等于工作阻力所作的功Wr和有害阻力所作的功Wf之和，即通常用來表示機械對能量的利用程度用功率表示的機械效率4.3平面機構(gòu)的力分析機械效率也可以用力或力矩的表達式表示

圖為一機械傳動示意圖。設Fd為驅(qū)動力，F(xiàn)r為生產(chǎn)阻力，分別為在Fd和Fr的作用點處沿其作用線方向上的速度和

假設機械中不存在摩擦（即理想機械），設理想驅(qū)動力用Fd0表示，此時輸入功率與輸出功率相等，即（4.12）將上式帶入式（4.12）得4.3平面機構(gòu)的力分析2．機械的自鎖

由于機械中總存在著損失功，所以機械效率h<1。若機械的輸入功全部消耗于摩擦，結(jié)果就沒有有用功輸出，則h=0。若機械的輸入功不足克服摩擦阻力消耗的功，則h<0。在這種情況下不管驅(qū)動力多大都不能使機械運動，機械發(fā)生自鎖。因此機械自鎖的條件是h≤0，其中h=0為自鎖狀態(tài)，并不可靠。4.3平面機構(gòu)的力分析4.3.4螺旋機構(gòu)的效率

圖a所示為矩形螺旋，設其螺母上承受一軸向載荷Fr，根據(jù)螺紋形成原理，可將其沿中徑d2展開成一升角為的斜面，如圖b所示。4.3平面機構(gòu)的力分析

當以力矩Md擰緊螺母時，相當于滑塊在驅(qū)動力Fd作用下克服阻力Fr沿斜面等速上升，如圖a所示。Fd為作用在螺母中徑d2上的圓周力，設此時斜面對滑塊的全反力為FR21，則根據(jù)滑塊的力平衡方程可得Fd+Fr+FR21=0

作力多邊形（如圖b所示），由圖可得4.3平面機構(gòu)的力分析則擰緊螺母的力矩為若不考慮摩擦力則由上式的理想驅(qū)動力矩為則，其效率為4.3平面機構(gòu)的力分析

當擰松螺母時相當于滑塊在力Fr作用下下滑（見圖c），此時力多邊形如圖d所示。設為維持滑塊等速下滑的支持力為，則則支持阻力矩為若不考慮摩擦力則由上式的理想驅(qū)動力矩為此時效率為4.3平面機構(gòu)的力分析

如果要求螺母在力Fr作用下不會自動松脫，即要求機構(gòu)自鎖，必須使，故螺紋自鎖的條件為

所以三角螺紋的摩擦阻力大、效率低，易發(fā)生自鎖，常用作聯(lián)接螺紋。矩形螺紋效率高，常用作傳動螺紋。由于，則

與矩形螺紋類似，三角螺紋相當于楔形滑塊在楔形槽面內(nèi)滑動，只需將上述的摩擦角j改稱當量摩擦角jv即可。

1.曲柄搖桿機構(gòu)在兩連架桿中，一個為曲柄，另一個為搖桿。應用舉例：牛頭刨床橫向進給機構(gòu)、攪面機、衛(wèi)星天線、飛剪縫紉機腳踏板機構(gòu)、自行車、走步機、送料機構(gòu)

一般曲柄主動，將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為搖桿的擺動，也可搖桿主動，曲柄從動。運動特點：根據(jù)連架桿運動形式的不同，可分為三種基本形式4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化4.4.1四桿機構(gòu)的基本形式曲柄搖桿機構(gòu)應用實例攪面機4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化曲柄搖桿機構(gòu)應用實例衛(wèi)星接收裝置4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化曲柄搖桿機構(gòu)應用實例縫紉機腳踏板機構(gòu)4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化曲柄搖桿機構(gòu)應用實例自行車4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化曲柄搖桿機構(gòu)應用實例跑步機4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化曲柄搖桿機構(gòu)應用實例自動送料機構(gòu)2.雙曲柄機構(gòu)—兩連桿架均為曲柄的四桿機構(gòu)4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化應用舉例：慣性篩、插床機構(gòu)運動特點：從動曲柄變速回轉(zhuǎn)4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化慣性篩雙曲柄機構(gòu)應用實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化插床機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)應用實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化3.雙搖桿機構(gòu)—兩連桿架均為搖桿的四桿機構(gòu)港口起重機、飛機起落架、車輛的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)應用舉例：4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化雙搖桿機構(gòu)應用實例港口起重機選擇連桿上合適的點，軌跡為近似的水平直線4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化雙搖桿機構(gòu)應用實例飛機起落架4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化車輛的前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)應用實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化風扇搖頭雙搖桿機構(gòu)應用實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化4.4.2平面四桿機構(gòu)的演化1.擴大轉(zhuǎn)動副，使轉(zhuǎn)動副變成移動副4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化曲柄滑快機構(gòu)演化2.取不同的構(gòu)件為機架4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化當構(gòu)件2和構(gòu)件4均能作整周轉(zhuǎn)動，小型刨床就是應用實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化

當桿2的長度小于機架長度時，導稈4只能作來回擺動，又稱為擺動導稈機構(gòu)，牛頭刨中的主運動機構(gòu)是他的應用實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化當以構(gòu)件3為機架時，可演化成移動導桿機構(gòu)，圖示壓水機就是實例4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化

如果兩個移動副代替鉸鏈四桿機構(gòu)中的兩個轉(zhuǎn)動副，便可得到三種不同形式的四桿機構(gòu)①曲柄移動導桿機構(gòu)正弦機構(gòu)應用實例縫紉機針運動機構(gòu)4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化②雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)4.4四桿機構(gòu)的基本形式及其演化③

雙滑塊機構(gòu)

設a＜d，則當AB

桿能繞軸A

相對于AD

桿作整周轉(zhuǎn)動時，AB

桿必須占據(jù)與AD

桿共線的兩個位置

a≤d，a≤b，a≤c

在△B’’C’’D中b≤(d-a)+c在△B’C’D中即a+b≤d+c

c≤(d-a)+b即a+c≤d+b

a+d≤b+c

將式3-1、3-2、3-3兩兩相加，可得即AB桿為最短桿4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性4.5.1鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件鉸鏈四桿機構(gòu)有一個曲柄的條件：(1)最短桿與最長桿之和小于或等于其余兩桿長度之和；(2)最短桿為連架桿。選任一桿為機架，都能實現(xiàn)完全相同的相對運動關系，這稱為運動的可逆性。在一個四桿機構(gòu)中，選取不同的構(gòu)件作機架，以獲得輸出構(gòu)件與輸入構(gòu)件間不同的運動特性。這一方法稱為連桿機構(gòu)的倒置。4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性可用以下方法來判別鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型：2.若機構(gòu)滿足桿長之和條件，則(1)以最短桿的鄰邊為機架時為曲柄搖桿機構(gòu)(2)以最短桿為機架時為雙曲柄機構(gòu)(3)以最短桿的對邊為機架時為雙搖桿機構(gòu)1.若機構(gòu)不滿足桿長之和條件則只能成為雙搖桿機構(gòu)4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性4.5.2壓力角和傳動角1.壓力角a壓力角：從動件所受的力F與受力點速度Vc所夾的銳角a。有效分力：Ft=Fcosa有害分力：Fr=Fsinaa愈小，機構(gòu)傳動性能愈好。2.傳動角g傳動角：連桿與從動件所夾的銳角g。g=900-ag越大，機構(gòu)的傳動性能越好，設計時一般應使gmin≥40°，對于高速大功率機械應使gmin≥50°。3.最小傳動角的位置鉸鏈四桿機構(gòu)在曲柄與機架共線的兩位置出現(xiàn)最小傳動角。4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性對于曲柄滑塊機構(gòu)，當主動件為曲柄時，最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架垂直的位置。對于擺動導桿機構(gòu)由于在任何位置時主動曲柄通過滑塊傳給從動桿的力的方向，與從動桿上受力點的速度方向始終一致，所以傳動角等于90度。4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性4.5.3急回特性急回特性機構(gòu)工作件返回行程速度大于工作行程的特性。工作行程時：V1=C1C2/t1

返回行程時：V2=C1C2/t2行程速比系數(shù)K為了表示工作件往復運動時的急回程度，用V2和V1的比值K來描述。由上式可得：急回特性的作用四桿機構(gòu)的急回特性可以節(jié)省空間，提高生產(chǎn)率。4.5平面四桿機構(gòu)的基本特性4.5.4死點死點的位置在從動曲柄與連桿共線的連個位置之一時，出現(xiàn)機構(gòu)的傳動角g=0，壓力角a=90的情況，這時連桿對從動曲柄的作用里恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，不能推動曲柄轉(zhuǎn)動，機構(gòu)的這種位置稱為死點位置。死點的利弊利：工程上利用死點進行工作。

弊：機構(gòu)有死點，從動件將出現(xiàn)卡死或運動方向不確定現(xiàn)象，對傳動機構(gòu)不利度過死點的方法增大從動件的質(zhì)量、利用慣性度過死點位置。采用機構(gòu)錯位排列的方法4.6平面四桿機構(gòu)的設計一個設計過程：已知條件→構(gòu)件尺寸

兩類基本問題：實現(xiàn)給定運動規(guī)律；

實現(xiàn)給定運動軌跡；

三種設計方法：圖解法解析法實驗法已知條件：運動條件、幾何條件、動力條件。簡明易懂，精確性差。精確度好，計算繁雜。形象直觀，過程復雜。4.6.1圖解法設計平面四桿機構(gòu)1.按給定連桿位置設計四桿機構(gòu)已知：連桿BC長度及三個位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：設計鉸鏈四桿機構(gòu)設計步驟：①連接B1B2、B2B3，作線B1B2、B2B3的垂直平分線b12、b23，交于A點；②連接C1C2、C2C3，作線C1C2、C2C3的垂直平分線c12、c23，交于D點；③連接AB1、C1D。4.6平面四桿機構(gòu)的設計已知：連桿AB和CD的三組對應位置

要求：確定各構(gòu)件的長度a、b、c、d

步驟：建立坐標系xAy，和分別為AB和CD的初始角。將各向量坐標投影得，將三組已知位置代入以上公式，確定出選定曲柄長度a，則b、c、d。設計出所需四桿機構(gòu)設計方法：建立方程式，根據(jù)以知參數(shù)對方程求解。4.6.2解析法設計平面四桿機構(gòu)4.6平面四桿機構(gòu)的設計、、、、、連桿曲線（定義）：四桿機構(gòu)運動時，連桿作為平面復雜運動，對其上面任意一點都能描繪出一條封閉曲線，這種曲線稱為連桿曲線。原理：連桿曲線的形狀隨點在連桿上的位置和構(gòu)件的相對長度的不同而不同。方法與步驟：借用已編成冊的連桿曲線圖譜，根據(jù)預定運動軌跡從圖譜中選則形狀相近的曲線，同時查得機構(gòu)各桿尺寸及描述桿在連桿上的位置，再用縮放儀求出圖譜曲線與所需軌跡曲線的縮放倍數(shù)，即可求得四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及運動尺寸。

4.6平面四桿機構(gòu)的設計4.6.3實驗法設計平面四桿機構(gòu)§5.1概述§5.2常用從動件的運動規(guī)律§5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法§5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定第5章凸輪機構(gòu)5.1概述凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件和機架三部分組成。

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，他通過與從動件的高副接觸，在運動時可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期運動。

凸輪機構(gòu)是高副機構(gòu)，易于磨損，因此只適用于傳遞動力不大的場合。5.1概述示例一5.1.1

凸輪機構(gòu)的應用內(nèi)燃機配氣機構(gòu)示例二5.1概述靠模車削機構(gòu)5.1概述示例三分度轉(zhuǎn)位機構(gòu)5.1概述5.1.2凸輪機構(gòu)的分類按照凸輪的形狀不同可把凸輪分為以下幾種：盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪曲面凸輪按照凸輪的鎖合方式可把凸輪分為以下幾種：力鎖合形鎖合5.1概述5.1.3凸輪和滾子的材料凸輪的主要失效形式為磨損和疲勞點蝕。對凸輪和滾子的材料要求：工作表面硬度高耐磨有足夠的表面接觸強度凸輪芯部有較強的韌性常用的凸輪材料：40Cr、20Cr、40CrMnTi常用的滾子材料：20Cr或者滾動軸承5.2常用的從動件運動規(guī)律5.2.1平面凸輪機構(gòu)的基本尺寸和運動參數(shù)

圖為對心尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪回轉(zhuǎn)時，從動件重復升—?！怠５倪\動循環(huán)。

從動件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角a的關系可以用從動件的位移線圖來表示，如右圖所示。5.2常用的從動件運動規(guī)律5.2.2常用的從動件運動規(guī)律等速運動運動開始，v由0突變?yōu)榧铀俣萢為同理，運動結(jié)束由于存在剛性沖擊，如果單獨使用這種運動規(guī)律，只適用于低速場合a=-∞等加速—等減速運動5.2常用的從動件運動規(guī)律5.2常用的從動件運動規(guī)律余弦加速度運動5.2常用的從動件運動規(guī)律正弦加速度運動

由運動圖可見，其速度和加速度曲線都是連續(xù)的，因此沒有柔性沖擊，故常用于高速凸輪機構(gòu)。5.2.3從動件運動規(guī)律的選擇5.2常用的從動件運動規(guī)律在選擇從動件的運動規(guī)律時，應根據(jù)機器工作時的運動要求來確定。對無一定運動要求，只需要從動件有一定位移量的凸輪機構(gòu)。對于高速機構(gòu)，應減小慣性力、改善動力性能，可選用正弦加速度運動規(guī)律或其他改進型的運動規(guī)律。5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法5.3.1反轉(zhuǎn)法原理加角速度-w(與凸輪角速度大小相等、方向相反)從動件與導路繞角速度-w以凸輪轉(zhuǎn)動凸輪靜止不動從動件尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓曲線從動件相對導路移動對于滾子從動件，則滾子中心可看作是從動件的尖頂，其運動軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑rT的一條等距曲線。5.3.2解析法設計凸輪輪廓曲線偏置直動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設計5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法建立凸輪轉(zhuǎn)軸中心的坐標系xOy根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，凸輪以w轉(zhuǎn)過j角；B點坐標為上式即為凸輪理論廓線方程

實際廓線與理論廓線在法線上相距滾子半徑rT，則推出式中取“—”號時為內(nèi)等距曲線，取“＋”號時為外等距曲線擺動滾子從動件盤形凸輪輪廓的設計5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法

取擺桿的軸心A0與凸輪軸心O之連線為坐標系的y軸，Bo點是擺動桿的推程起始位置，擺動桿與y軸的夾角為初始角。根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，得出B點坐標其中5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法5.3.3作圖法設計凸輪輪廓曲線偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓的設計5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法滾子從動件盤形凸輪輪廓的設計5.3盤形凸輪輪廓的設計方法與加工方法5.3.4凸輪輪廓的加工凸輪輪廓的加工方法通常有兩種1.銑、銼削加工

對用于低速、輕載場合的凸輪，可以應用反轉(zhuǎn)法原理在未淬火凸輪輪坯上通過作圖法繪制輪廓曲線，采用銑床或用手工銼削辦法加工而成。必要時可進行淬火處理，但用這種方法則凸輪的變形難以得到修正。2.數(shù)控加工

采用數(shù)控線切割機床對淬火凸輪進行加工，這是目前最常用的一種凸輪加工方法。加工時應用解析法，求出凸輪輪廓曲線的x,y坐標，并將xOy坐標系的原點換算成切割時的起點，而滾子半徑相當于鉬絲半徑再加上放電間隙。5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.4.1凸輪機構(gòu)的壓力角

從動件的運動方向和凸輪作用于它的法向力Fn方向之間所夾的角a稱為壓力角。

由上述關系式知，壓力角a愈大，有效分力Ｆy愈小，有害分力Ｆx愈大。當a角大到某一數(shù)值時，必將會出現(xiàn)Fy<Fx的情況。這時，不論施加多大的Fn力，都不能使從動件運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，為了保證凸輪機構(gòu)的正常工作，必須對凸輪機構(gòu)的壓力角進行限制。推薦壓力角數(shù)值移動從動件[a]=30擺動從動件[a]=45回程中，一般不會有自鎖現(xiàn)象，壓力角取值為[a]=70～805.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.4.2基圓半徑的確定

從傳動效率來看，壓力角越小越好，但壓力角減小將導致凸輪尺寸增加，因此在設計凸輪時要權(quán)衡兩者的關系，使設計達到合理。A點:在?ABD中即(式A)在?ABD中導路在凸輪軸的左邊時，式中分子部分取“＋”，凸輪順時針轉(zhuǎn)動時，符號取法與上述相反5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定

在給定運動規(guī)律時，合理設計偏距可減小壓力角，增大基圓半徑也可以減小壓力角。獲取較小的基圓半徑的同時，必須要保證a≤[a]

在設計凸輪時，先根據(jù)條件確定基圓半徑r0。制作凸輪軸時，r0略大于軸的半徑；單獨制造凸輪時，r0=(1.6~2)r。5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定5.4.3滾子半徑的確定凸輪輪廓曲線形狀與滾子半徑的關系r'

=r+rr當理論廓線內(nèi)凹時此時，無論滾子半徑大小，凸輪工作輪廓總是光滑曲線(如圖a)當理論廓線外凸時(可分為三種情況)r'

=r-rr1)

r>rr時

r

'

>0這時所得的凸輪實際輪廓為光滑的曲線(如圖b)2)

r=rr

時r

'=0，實際輪廓線變尖，極易磨損，不能使用(如圖c)。3)r<rr

時r

'<0，

，即實際曲線出現(xiàn)交叉會出現(xiàn)失真(如圖d)。5.4凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定理論廓線上任意點的曲率半徑可用下式計算式中分別為理論廓線坐標x,y對凸輪轉(zhuǎn)角的一階、、、和二階導數(shù)盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪曲面凸輪力鎖合形鎖合§6.1棘輪機構(gòu)§6.2槽輪機構(gòu)§6.3不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇機構(gòu)第6章間歇運動機構(gòu)6.1棘輪機構(gòu)機構(gòu)組成6.1.1棘輪機構(gòu)的工作原理：它主要有搖桿、棘爪、棘輪、制動爪和機架組成。彈簧使制動爪和棘輪保持接觸。搖桿逆時針擺動——棘爪插入齒槽——棘輪轉(zhuǎn)過角度——制動爪劃過齒背搖桿順時針擺動——棘爪劃過脊背——制動爪組織棘輪作順時針轉(zhuǎn)動——棘輪靜止不動因此當搖桿作連續(xù)的往復擺動時，棘輪將作單向間歇轉(zhuǎn)動。工作過程觀看動畫演示6.1棘輪機構(gòu)雙動式棘輪機構(gòu)鉤頭雙動式棘輪機構(gòu)直頭雙動式棘輪機構(gòu)6.1棘輪機構(gòu)雙向式棘輪機構(gòu)矩形齒雙向式棘輪機構(gòu)回轉(zhuǎn)棘爪雙向式棘輪機構(gòu)6.1棘輪機構(gòu)6.1.2棘輪轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)1.調(diào)節(jié)搖桿擺動角度的大小，控制棘輪的轉(zhuǎn)角6.1棘輪機構(gòu)2.用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角6.1棘輪機構(gòu)6.1.3棘輪機構(gòu)的特點與應用結(jié)構(gòu)簡單，制造容易運動可靠棘輪的轉(zhuǎn)角在很大范圍內(nèi)可調(diào)工作時有較大的沖擊和噪聲、運動精度不高，常用于低速場合棘輪機構(gòu)還常用作防止機構(gòu)逆轉(zhuǎn)的停止器。6.2槽輪機構(gòu)6.2.1槽輪機構(gòu)的工作原理

當撥盤上的圓柱銷A沒有進入槽輪的徑向槽時，槽輪的內(nèi)凹鎖止弧面被撥盤上的外凸鎖止弧面卡住，槽輪靜止不動。當圓柱銷A進入槽輪的徑向槽時，鎖止弧面被松開，則圓柱銷A驅(qū)動槽輪轉(zhuǎn)動。當撥盤上的圓柱銷離開徑向槽時，下一個鎖止弧面又被卡住，槽輪又靜止不動。由此將主動件的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為從動槽輪的間歇運動觀看動畫6.2槽輪機構(gòu)6.2.2槽輪機構(gòu)的類型、特點及應用內(nèi)嚙合棘輪機構(gòu)外嚙合棘輪機構(gòu)空間棘輪機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、機械效率高，能較平穩(wěn)、間歇地進行轉(zhuǎn)位缺點：圓柱銷突然進入與脫離徑向槽，傳動存在柔性沖擊，不適合高速場合，轉(zhuǎn)角不可調(diào)節(jié)，只能用在定角場合6.2槽輪機構(gòu)6.2.3槽輪槽數(shù)z和撥盤圓柱銷數(shù)k的選擇槽輪槽數(shù)z和撥盤圓柱銷數(shù)k是槽輪機構(gòu)的主要參數(shù)由上式可知：1.由于t

必須大于零，所以z應大于或等于32.單圓柱銷槽輪機構(gòu)的運動系數(shù)t總小于0.5，也就是說槽輪的運動時間總小于其靜止的時間

在一個運動循環(huán)內(nèi)，槽輪的運動時間tm與撥盤的運動時間t之比稱為運動系數(shù)，用t表示。當撥盤作等速轉(zhuǎn)動時，有6.2槽輪機構(gòu)3.如果要求槽輪機構(gòu)的t

大于0.5，則可在撥盤上安裝多個圓柱銷。設撥盤1上均勻分布k個圓柱銷，則：由于t應當小于1，故得到：z=3k=1~5z=4或5k=1~3z≧6k=1或2(k、z為整數(shù))6.3不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇運動機構(gòu)6.3.1不完全齒輪機構(gòu)外嚙合不完全齒輪機構(gòu)內(nèi)嚙合不完全齒輪機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，從動輪的運動時間和靜止時間的比例不受機構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制缺點：從動輪在轉(zhuǎn)動開始及終止時速度又突變，沖擊較大一般僅用于低速、輕載場合6.3不完全齒輪機構(gòu)和凸輪式間歇運動機構(gòu)6.3.2凸輪式間歇運動機構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)可靠、傳動平穩(wěn)、無噪聲，適用于高速、中載和高精度分度的場合。缺點：凸輪加工比較復雜，裝配與調(diào)整要求也較高棘輪機構(gòu)鉤頭雙動式棘輪機構(gòu)直頭雙動式棘輪機構(gòu)矩形齒雙向式棘輪機構(gòu)回轉(zhuǎn)棘爪雙向式棘輪機構(gòu)槽輪機構(gòu)內(nèi)嚙合棘輪機構(gòu)空間棘輪機構(gòu)§7.1螺紋聯(lián)接的基本知識§7.2螺紋聯(lián)接的預緊與防松§7.3單個螺栓聯(lián)接的強度計算§7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析§7.5螺紋聯(lián)接件的材料和許用應力§7.6提高螺栓聯(lián)接強度的措施§7.7滑動螺旋傳動簡介§7.8滾動螺旋傳動簡介第7章螺紋聯(lián)接與螺旋傳動7.1螺紋聯(lián)接的基本知識左旋螺紋和右旋螺紋單線螺紋和多線螺紋

螺紋分為內(nèi)螺紋和外螺紋，二者共同組成螺紋副用于聯(lián)接和傳動。螺紋的牙型7.1.1

螺紋的類型三角形矩形梯形鋸齒形主要用于聯(lián)接多用于傳動7.1.2

螺紋的主要參數(shù)大經(jīng)d小徑d1中經(jīng)d2螺距P導程S升角l牙型角a、牙型斜角b7.1螺紋聯(lián)接的基本知識。普通螺紋7.1.3

常用螺紋的特點及應用管螺紋矩形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋7.1螺紋聯(lián)接的基本知識1.螺栓聯(lián)接7.1.4

螺栓聯(lián)接的基本類型7.1螺紋聯(lián)接的基本知識7.1概述2.雙頭螺柱聯(lián)接3.螺釘聯(lián)接7.1螺紋聯(lián)接的基本知識4.緊定螺釘聯(lián)接7.1螺紋聯(lián)接的基本知識7.1.5

標準螺紋聯(lián)接件1.螺栓、螺柱、螺釘聯(lián)接件7.1螺紋聯(lián)接的基本知識2.緊定螺釘、螺母7.1螺紋聯(lián)接的基本知識3.墊圈7.1螺紋聯(lián)接的基本知識7.2螺紋聯(lián)接的預緊和防松

一般螺紋聯(lián)接在裝配的時候都必須擰緊，以增強聯(lián)接的可靠性、緊密性和防松能力。7.2.1

螺栓聯(lián)接的預緊

對于一般聯(lián)接，可憑經(jīng)驗來控制預緊力F0的大小，但對于重要的聯(lián)接就要嚴格控制其預緊力。T=T1+T2=KF0d擰緊時扳手力矩為T可由測力矩扳手測定!式中K為擰緊力矩系數(shù),可查表7.2螺紋聯(lián)接的預緊和防松7.2.2

螺栓聯(lián)接的防松

聯(lián)接中常用的單線普通螺紋和管螺紋在沖擊、震動或變載荷的作用下容易產(chǎn)生松脫現(xiàn)象。

螺紋聯(lián)接放松的根本問題在于要防止螺旋副的相對運動。常用的防松方法:摩擦防松機械防松:其他防松彈簧墊圈對頂螺母尼龍圈鎖緊螺母開口銷帶翅墊片止動墊片7.3單個螺栓聯(lián)接的強度計算

單個螺栓聯(lián)接的強度計算是螺紋聯(lián)接設計的基礎。

根據(jù)聯(lián)接的的工作情況，可將螺栓按受力形式分為受拉螺栓和受剪螺栓，兩者失效形式是不同的。

設計準則：針對具體的失效形式，通過對螺栓的相應部位進行相應強度條件的設計計算（或強度校核）。

螺栓聯(lián)接的計算主要是確定螺紋小徑d1，然后按照標準選定螺紋的公稱直徑（大經(jīng)）d等。7.3.1

受拉螺栓聯(lián)接7.3單個螺栓聯(lián)接的強度計算1.松螺栓聯(lián)接強度條件：設計公式：式中[s]為松聯(lián)接螺栓的許用拉應力（MPa）,查表d1計算出后,再按標準查選螺紋的公稱直徑。2.緊螺栓聯(lián)接只受預緊力緊螺栓聯(lián)接7.3單個螺栓聯(lián)接的強度計算螺栓螺紋部分處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的符合應力狀態(tài)。螺栓危險界面上的拉伸應力為螺栓危險界面上的扭轉(zhuǎn)剪切應力為7.3單個螺栓聯(lián)接的強度計算

對于常用的單線、三角形螺紋的普通螺栓，取fv=tanjv=0.15，簡化處理的t=0.5s，根據(jù)第四理論，可求出當量應力se為因此，強度條件為：即設計公式為受橫向外載荷的緊螺栓聯(lián)接7.3單個螺栓聯(lián)接強度計算

載荷與螺栓軸向垂直，靠被聯(lián)接件間的摩擦力傳遞。螺栓受載前需預緊,受載前后受力相同。螺栓內(nèi)部危險截面上既有軸向預緊力F0形成的拉應力s，又有因螺栓與螺紋牙面間的摩擦力矩T1而形成的扭轉(zhuǎn)剪應力t。受力特點螺栓預緊力當f=0.15、Kf=1.1、m=1時，可得此結(jié)構(gòu)，要使聯(lián)接不發(fā)生滑動，螺栓要承受7倍于橫向外載荷的預緊力。結(jié)構(gòu)笨重、不經(jīng)濟。因此要避免這種結(jié)構(gòu)，而采用新結(jié)構(gòu)。承受軸向靜載荷的緊螺栓聯(lián)接7.3單個螺栓聯(lián)接強度計算載荷方向與螺栓軸向一致,螺栓受載前需預緊,受載前后受力不同.螺栓內(nèi)部危險截面上同樣既有拉應力s,又有扭轉(zhuǎn)剪應力t.受力特點強度條件:設計公式:式中FS為螺栓受載后所受的軸向總拉力(N),通過受載前對螺栓的預緊,和受載后螺栓軸向拉力的分析,可知這里F為單個螺栓的軸向載荷,F0'為殘余軸向預緊力FS=F+F0'7.3單個螺栓聯(lián)接強度計算7.3.2

受剪切螺栓聯(lián)接

受力特點：螺栓受載前后不需預緊，橫向載荷靠螺栓桿與螺栓孔壁之間的相互擠壓傳遞。擠壓強度條件剪切強度條件7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析要設計成軸對稱的幾何形狀。7.4.1

螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析螺栓的布置應使螺栓的受力合理7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析螺栓的布置應有合理的間距、邊距7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析同一組螺栓聯(lián)接中各螺栓的直徑和材料均應相同7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析避免螺栓承受偏心載荷7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析7.4.2

螺栓組聯(lián)接的受力分析

螺栓組受力分析的目的是，根據(jù)螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受載最大的螺栓及其受力。受力分析是在作如下假設條件下進行的，即：同組中的各螺栓都受相同的預緊力。螺栓組的對稱中心與被聯(lián)接結(jié)合面的形心重合。被聯(lián)接件為剛體,聯(lián)接結(jié)合面為剛性平面。螺栓的變形在彈性范圍內(nèi)。7.4螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設計和受力分析螺栓組受力可劃分為4種典型情況：受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接