《机械设计基础》(选修)18章.pptx

机械设计基础（选修）学时：32 学分：2.0,成绩构成,平时成绩（40%）考勤、课堂讨论、作业期末考试（闭卷，60%）选择、填空、简答题：80分 计算、分析题：20分,目录,第1章 机械设计概述（1课时）第2章 摩擦、磨损及润滑概述（1课时）第3章 平面机构的结构分析（2课时）第4章 平面连杆机构（4课时）第5章 凸轮机构（2课时）第7章 螺纹连接与螺旋传动（4课时）第8章 带传动（2课时）第10章 齿轮传动（6课时）第11章 蜗杆传动（0.5课时）第12章 齿轮系（1.5课时）第14章 轴和轴毂连接（4课时）第15章 轴承（1.5课时）第18章 机械设计CAD简介（0.5课时）参考教材：陈立德 主编，机械设计基础（第三版），高等教育出版社,绪论,0.1 机器的组成及特征 1气缸体 2活塞 3连杆 4曲轴 5小齿轮 6大齿轮 7凸轮 8推杆 工作过程：进气-压缩-做功-排气,图0-1 单缸内燃机,绪论,0.1 机器的组成及特征 1机架 2偏心轴 3动颚板 4肘板 5带轮,图0-2 颚式破碎机主体结构,工作过程：电动机转动，通过带传动（图中未画出电动机及带传动部分）带动偏心轴转动，从而使动颚板产生平面运动，与定颚板配合一同压碎物料。,绪论,0.1 机器的组成及特征 机器的三个共同特征：(1)一种人为的实物组合；(2)各部分形成运动单元，各单元之间具有确定的相对运动；(3)实现能量转换或完成有用的机械功。,绪论,0.2 本课程内容、性质及学习任务课程内容 研究对象：机械中的常用机构及一般工作条件下和常用参数范围内的通用零部件。研究内容：上述研究对象的工作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及一些零部件的选用和维护。课程性质 专业基础课程，综合应用先修课程的基础理论和生产知识，解决常用机构和通用零部件的分析及设计问题。先修课程 机械制图（工程制图），理论力学，材料力学学习任务(1)了解常用机构及通用零部件的工作原理、类型、特点及应用；(2)掌握常用机构的基本理论和设计方法、掌握通用零部件的失效形式、设计准则与设计方法；(3)具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。,绪论,0.3 本课程学习方法及注意事项(1)本课程会将一些先修课程的基本理论应用于工程实践并解决实际问题；(2)与基本理论课不同，本课程与工程实际问题结合紧密，知识点繁杂，系统性相对较弱，总体而言，课程各部分内容大致按机构的工作原理、结构、强度计算、使用及维护来展开；(3)工程实际问题复杂多变，作为规律性研究学习，常常采用经验公式、经验参数及简化计算（条件性计算）等方式处理问题，在课程学习中需要逐步适应这一点；(4)计算步骤和结果不具有唯一性；(5)通过课程学习，逐步培养将理论计算与结构设计、工艺考虑等相结合，以解决工程设计问题的能力。,第1章 机械设计概述,本章主要内容：机械设计的基本要求、内容与步骤、计算准则。,第1章 机械设计概述,1.1 机械设计的基本要求1.1.1 设计机械零件的基本要求(1)零件工作可靠；(2)成本低廉，经济效益高。1.1.2 机械设计的基本要求(1)实现预定功能；(2)满足可靠性要求；(3)满足经济型要求；(4)操作方便、工作安全；(5)造型美观、减少污染。,第1章 机械设计概述,1.2 机械设计的内容与步骤 机械设计过程一般可分为如下几个阶段：(1)产品规划提出设计任务和要求；(2)方案设计提出多种可行性方案进行讨论选优；(3)技术设计产品总体设计、部件设计、零件设计；(4)制造及试验经过加工、安装、调试制造出样机，试用并完善。设计机械零件的一般步骤：(1)根据机械的运转情况和简化计算方案来确定零件载荷；(2)根据对零件工作情况的分析，判定零件的失效形式，从而确定其计算准则；(3)选择主要参数，选定材料，根据计算准则求取零件主要尺寸，同时考虑热处理及结构工艺性要求；(4)结构设计；(5)绘制零件工作图，制定技术要求，编写计算说明书及相关技术文件。,第1章 机械设计概述,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则1.3.1 失效形式(1)断裂；外载荷，循环变应力(2)过量变形；截面应力材料屈服极限，产生塑性变形(3)表面失效；疲劳点蚀，磨损，压溃，腐蚀等(4)破坏正常工作条件引起的失效。例如，带传动因过载而导致的打滑,第1章 机械设计概述,1.3 机械零件的失效形式及设计计算准则1.3.2 设计计算准则(1)强度准则；强度零件在载荷作用下抵抗断裂、塑性变形及表面失效（磨粒磨损、腐蚀除外）的能力。判定准则：或(2)刚度准则；刚度零件受载后抵抗弹性形变的能力。(3)耐磨性准则；p p(4)散热性准则；t t(5)可靠性准则。,第1章 机械设计概述,1.4 机械零件设计的标准化、系列化及通用化(1)标准化；(2)系列化；例如，对于同类型、同内径的滚动轴承，按照滚动体直径的不同使其形成各种外径、宽度的滚动轴承系列，从而使轴承的选用更为灵活、方便。(3)通用化。在不同规格的同类或不同类产品中采用同一结构和尺寸的零部件，以减少零部件的种类，简化生产管理过程，降低成本，缩短生产周期。,第1章 机械设计概述,1外圈 2内圈 3滚动体 4保持架图1-1 滚动轴承示意图,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,本章主要内容：摩擦、磨损机理，润滑方式和润滑装置。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.1 摩擦与磨损2.1.1 摩擦及其分类(1)干摩擦两物体滑动表面为无任何润滑剂或保护膜的纯金属表面；(2)液体摩擦 两摩擦表面不直接接触，被油膜（厚度一般为1.52m以上）隔开；(3)边界摩擦 两摩擦表面被吸附在表面的边界膜（油膜厚度小于1m）隔开，使其处于干摩擦与液体摩擦之间的状态；(4)混合摩擦 处于干摩擦、液体摩擦和边界摩擦的混合状态。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.1 摩擦与磨损2.1.2 磨损及其过程(1)跑合（磨合）磨损阶段 磨损速度由快变慢，然后逐渐减小到一稳定值；(2)稳定磨损阶段 磨损缓慢、磨损率稳定，零件以平稳而缓慢的磨损速度进入正常工作阶段；(3)剧烈磨损阶段 磨损速度及磨损率都急剧增大。当工作表面的总磨损量超过机械正常运转要求的某一允许值之后，摩擦副的间隙增大，零件磨损加剧，精度下降，润滑状态恶化，温度升高，从而产生振动、冲击以及噪声，导致零件迅速失效。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.1 摩擦与磨损2.1.3 磨损分类(1)磨粒磨损；由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象。这是最常见的一种磨损形式。(2)粘着磨损；当摩擦副受到较大正压力作用时，由于表面不平，其顶峰接触点受到高压力作用而产生弹、塑性变形，附在摩擦表面的吸附膜破裂，温升后使金属的顶峰塑性面牢固地粘着并熔焊在一起，形成冷焊结点。在两摩擦表面相对滑动时，材料便从一个表面转移到另一个表面，称为表面凸起，促使摩擦表面进一步磨损。(3)疲劳磨损（点蚀）；两摩擦表面为点或线接触时，局部的弹性变形会形成小的接触区。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的反复作用，表层将产生裂纹。随着裂纹的扩展与相互交接，表层金属脱落，形成许多月牙形的浅坑，即为疲劳磨损，也称点蚀。(4)腐蚀磨损。在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生的物质耗损现象。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.1 摩擦与磨损,图2-1 面接触,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.1 摩擦与磨损,图2-2 点接触、线接触,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.2 润滑 在摩擦副间加入润滑剂，以降低摩擦、减轻磨损，这种措施称为润滑。润滑的作用：(1)减小摩擦系数，提高机械效率；(2)减轻磨损，延长机械的使用寿命；(3)冷却、防尘、吸振等。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.2 润滑2.2.1 润滑剂的性能及选择(1)润滑油；润滑油是目前使用最多的润滑剂，主要有矿物油、合成油、有机油等，其中应用最广泛的为矿物油。润滑油最重要的一项物理指标为粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度的大小反映液体流动时其内摩擦力的大小，粘度越大，内摩擦力就越大，液体的流动性也就越差。粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度（恩式粘度）等表示。(2)润滑脂；润滑脂是在润滑油中加入稠化剂（如钙、钠、锂等金属皂基）而形成的脂状润滑剂，又称为黄油或干油。润滑脂的主要性能指标为滴点、锥入度和耐水性等。润滑脂的流动性小，不易流失，所以密封简单，不需经常补充。(3)固体润滑剂；(4)气体润滑剂。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.2 润滑2.2.1 润滑剂的性能及选择 润滑剂选用的基本原则：(1)在低速、重载、高温和间隙大的情况下，应选用粘度较大的润滑油；高速、轻载、低温和间隙小的情况下应选用粘度较小的润滑油。(2)润滑脂主要用于速度低、载荷大，不需经常加油、使用要求不高或灰尘较多的场合。(3)气体、固体润滑剂主要用于高温、高压、防尘污染等一般润滑剂不能适用的场合。润滑剂的具体选用可参阅有关手册。,第2章 摩擦、磨损及润滑概述,2.2 润滑2.2.2 润滑方法和润滑装置(1)油润滑装置 手工给油润滑装置，滴油润滑装置，油浴润滑装置，飞溅润滑装置，油绳、油垫润滑装置，油环、油链润滑装置，喷油润滑装置，油雾润滑装置；油润滑方法的优点：油的流动性较好、冷却效果好，易于过滤去杂质，可用于所有速度范围机械的润滑，使用寿命较长，易于更换，可循环使用。缺点：密封较为困难。(2)脂润滑装置手工润滑装置，滴下润滑装置，集中润滑装置；润滑脂是非牛顿流体，与润滑油相比，其流动性、冷却效果较差，杂质不易去除，多用于低、中速机械。(3)固体润滑装置；(4)气体润滑装置。,第3章 平面机构的结构分析,本章主要内容：机构的组成，机构运动简图绘制，机构自由度计算。,第3章 平面机构的结构分析,3.1 机构的组成 构件独立的运动单元 零件独立的制造单元3.1.1 运动副 使两个构件直接接触并产生一定相对运动的连接。,图3-1 转动副（左）和移动副（右）,第3章 平面机构的结构分析,3.1 机构的组成3.1.1 运动副,图3-2 凸轮高副（左）和齿轮高副（右）,第3章 平面机构的结构分析,3.1 机构的组成3.1.2 自由度和运动副约束 自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动参数 的数目。约束：运动副对两构件之间相对运动所附加的限制。运动低副（面接触）：保留1个自由度，附加2个约束；运动高副（点接触、线接触）：保留2个自由度，附加1个约束。,图3-3 平面运动构件的自由度,第3章 平面机构的结构分析,3.1 机构的组成3.1.3 运动链和机构 运动链（开链，闭链）：两个以上的构件以运动副连接而构成的系统。机构：具有确定运动的运动链。机构的构成：原动件按给定规律运动的构件；从动件其余可动构件；机架作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图 机构运动简图：用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用：表示机构的结构和运动情况；作为运动分析和动力分析的依据。机构运动简图应反映的信息：(1)构件数目；(2)运动副数目及类型；(3)构件之间的连接方式；(4)与机构运动变换相关的构件其尺寸参数；(5)主动件及其运动特性。,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图3.2.1 运动副及构件的表示方法,图3-4 构件的表示方法,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图3.2.1 运动副及构件的表示方法,图3-5 转动副的表示方法,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图3.2.1 运动副及构件的表示方法,图3-6 移动副的表示方法,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图 两构件组成平面高副时，运动简图中应绘制两构件接触处的曲线轮廓。,图3-7 齿轮高副的表示方法,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图3.2.2 绘制机构运动简图的步骤 步骤：(1)研究机构结构及其工作原理，确定主动件；(2)弄清构件相对运动性质，确定运动副类型；(3)确定运动副间相对位置；(4)选取适当比例尺，绘制机构运动简图；(5)检验机构是否满足运动确定的条件。思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。,第3章 平面机构的结构分析,3.2 平面机构的运动简图,图3-8 颚式破碎机主体结构的机构简图绘制,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.1 机构具有确定运动的条件原动件数目=自由度数目3.3.2 平面机构自由度的计算F=3n 2PL PH n 活动构件数目（n=N 1，其中 N 为构件总数，减去“1”表示选择某一构件固定为机架）；PL 运动低副数目；PH 运动高副数目。,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.2 平面机构自由度的计算 例3.1 如图所示，计算复合杆机构的自由度。解：F=3n 2PL PH=3 x 5 2 x 7 0=1,图3-9 复合杆机构,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项(1)复合铰链 两个以上的构件共用同一条转动轴线所构成的转动副；处理方法：若有 m 个构件汇集到同一处，则应有(m 1)个转动副。,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项,图3-10 复合铰链,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.2 平面机构自由度的计算 例3.2 如图所示，计算圆盘锯机构的自由度。解：F=3n 2PL PH=3 x 7 2 x 6 0=9 如上计算正确吗？,图3-11 圆盘锯机构,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项(2)局部自由度 机构中某些构件 所具有的不影响机构输出与输入 运动关系的自由度；处理方法：消除局部自由度。,图3-12 局部自由度,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项(3)虚约束 对运动不起独立限制作用的约束；处理方法：将具有虚约束运动副的构件，连同它所带入的与机构运动无关的运动副，一并不计。,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项 常见虚约束之一：相互连接的两个构件在连接点上的运动轨迹重合。,图3-13 平行四边形机构,1,2,3,4,A,B,C,D,E,F,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项 常见虚约束之二：机构运动时，若两构件上两点间的距离始终保持不变，将这两点用构件和运动副连接起来，则会带入虚约束。,图3-14 两点间距离不变引入的虚约束,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项 常见虚约束之三：两个构件组成多个移动方向一致的运动副，或两个构件组成多个轴线重合的转动副。,图3-15 轴线重合引入的虚约束,图3-16 移动方向一致引入的虚约束,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项 常见虚约束之四：机构中对运动不起作用的对称部分。,图3-17 行星轮系,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度3.3.3 计算机构自由度的注意事项 虚约束的特点：与另一约束对构件运动形成的限制重复，将其去除后其它构件的运动状态不变；虚约束去除前后计算得到的机构自由度不同。虚约束的优点：虚约束虽然不影响机构的运动，但是能够增加机构的刚性（如轴与轴承、机床导轨），改善机构的受力状况（如行星轮系），使机构运动顺利、避免运动不确定（如火车车轮），因而被广泛采用。虚约束对机构的几何条件要求较高，从而对机构的加工和装配精度有较高要求。,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度 课堂练习1：计算如图所示曲柄滑块机构的自由度。,图3-18 曲柄滑块机构,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度 课堂练习2：计算如图所示大筛机构的自由度。,图3-19 大筛机构,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度 去除局部自由度及虚约束，得到如下结构：,图3-20 计算用图,第3章 平面机构的结构分析,3.3 平面机构的自由度课堂练习3：计算如图所示包装机送纸机构的自由度。,图3-21 包装机送纸机构,第4章 平面连杆机构,本章主要内容：平面机构的运动分析、力分析，四杆机构的基本型式及演化，平面四杆机构的基本特性及其设计。,第4章 平面连杆机构,平面连杆机构是由若干个构件通过低副连接而成、且所有构件在相互平行的平面内运动的机构，又称平面低副机构。优点：(1)采用低副，面接触、承载大、便于润滑、不易磨损；(2)构件形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度，由于构件间的接触是由构件本身的几何约束来保持，因此工作可靠；(3)在原动件等速连续运动的条件下，改变各构件的相对长度，从动件运动规律不同；(4)连杆曲线丰富，可满足多种运动轨迹的要求。缺点：(1)构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低；(2)根据从动件需要的运动规律或轨迹来设计连杆机构较为复杂，设计得到的运动轨迹精度不高；(3)机构运动产生动载荷（惯性力），不适用于高速场合。,第4章 平面连杆机构,分类：平面连杆机构，空间连杆机构。按构件数量分为：四杆机构，多杆机构。本章研究对象：平面四杆机构。应用实例：内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。,第4章 平面连杆机构,4.2 平面机构的运动分析 通过机构运动分析，可了解机构在运动过程中构件上某些点的位移、速度和加速度，以及构件的角位移、角速度和角加速度等。机构位移和轨迹分析 各构件运动是否发生干涉 机构速度分析 是否满足工作要求 机构加速度分析 计算惯性力，进一步作 机构动力分析、强度计算 平面运动分析方法：图解法、解析法、实验法。根据理论力学，作平面运动的刚体上某一点的速度可以看作是刚体上任选基点的绝对速度和该点绕基点的相对转动速度的合成。,第4章 平面连杆机构,4.3 平面机构的力分析4.3.3 机械效率及自锁机械效率：机械对能量的利用程度。式中，机械效率；Pd 输入功率；Pr 输出功率；Pf 损耗功率；损失系数。,第4章 平面连杆机构,4.3 平面机构的力分析4.3.3 机械效率及自锁机械的自锁 机械运动过程中存在损失功，机械效率 恒小于 1。若机械的输入功全部消耗于摩擦，输出功为 0，则=0；若机械的输入功不足以克服摩擦阻力消耗的功，则 0，此时，不论驱动力多大，都不能使机械产生运动，机械发生自锁。因此，机械自锁的条件是 0，其中=0 为临界自锁状态，并不可靠。,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式 平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构，其它型式的四杆机构都可看作在其基础上演化而成。基本概念：机架 连架杆与机架相连的构件；(1)曲柄作整周定轴回转的构件；(2)摇杆作定轴摆动的构件；连杆不与机架直接相连的构件；周转副能作360相对回转的运动副；摆转副只能作有限角度摆动的运动副。,图4-1 平面四杆机构,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式 根据铰链四杆机构有无曲柄，可将其分为三种基本形式：(1)曲柄摇杆机构 特征：两个连架杆当中，一个为曲柄，另一个为摇杆。运动变换：将曲柄的整周回转转动转变为摇杆的往复摆动，或相反。实例：搅拌机、缝纫机。,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式,图4-3 缝纫机踏板机构,图4-2 搅拌机,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式(2)双曲柄机构 特征：两个连架杆均为曲柄。运动变换：将等速回转转变为等速或变速回转。实例：惯性筛。,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式,图4-4 惯性筛机构,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式 双曲柄机构特例：平行四边形机构 特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动。实例：火车车轮、天平。,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式 平行四边形机构在共线位置出现运动不确定，采用两组机构错开排列。,图4-5 火车车轮机构,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式,图4-6 平行四边形机构及反平行四边形机构,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式(3)双摇杆机构 特征：两个连架杆均为摇杆。实例：鹤氏起重机、风扇摇头机构。,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.1 四杆机构的基本型式,图4-7 鹤氏起重机,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.2 平面四杆机构的演化(1)改变构件形状和运动尺寸 例如，扩大转动副，使转动副变为移动副，得到曲柄滑块机构。,图4-8 曲柄摇杆机构的演化,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.2 平面四杆机构的演化(2)改变运动副尺寸 例如，扩大转动副，使转动副变为移动副，得到曲柄摇杆机构。,图4-9 曲柄滑块机构向偏心轮机构的演化,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.2 平面四杆机构的演化(3)取不同构件为机架,图4-10 曲柄滑块机构向导杆机构的演化,摆动/转动导杆机构,第4章 平面连杆机构,图4-12 曲柄摇块机构在电器开关中的应用,图4-11 曲柄滑块机构在冲床中的应用,第4章 平面连杆机构,4.4 四杆机构的基本形式及演化4.4.2 平面四杆机构的演化,图4-13 移动导杆机构在抽水唧筒中的应用,手动冲床,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.1 铰链四杆机构有曲柄的条件 曲柄存在的条件如下：(1)最长杆与最短杆长度之和 其余两杆长度之和;(2)连架杆和机架中必有一杆为最短杆。根据如上条件可得推论：(1)若最长杆与最短杆长度之和 其余两杆长度之和，则该铰链四杆机构必为双摇杆机构;(2)当最长杆与最短杆长度之和 其余两杆长度之和时，最短杆参与构成的转动副都是整转副，此时 若最短杆为机架，则得到双曲柄机构；若最短杆为连架杆，则得到曲柄摇杆机构；若最短杆为连杆，则得到双摇杆机构。,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.1 铰链四杆机构有曲柄的条件 结合前面，对曲柄摇杆机构（左一），取不同构件为机架，依次得到_机构（左二）、_机构（左三）、_机构（右一）。,图4-14 取不同构件为机架,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.2 压力角和传动角 从动件驱动力与力的作用点处的绝对速度之间所夹锐角称为压力角，它的余角称为传动角。,图4-15 压力角和传动角,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.2 压力角和传动角 曲柄摇杆机构最小传动角出现位置：主动件与机架两次共线位置之一。,图4-16 曲柄滑块机构的最小传动角,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.3 急回特性 曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。此两处极限位置曲柄所在直线之间所夹锐角 称为极位夹角。当曲柄以逆时针转过180+，摇杆从C1D位置摆到C2D。所花时间 为t1,平均速度为V1；当曲柄以继续转过180-时，摇杆从C2D位置摆到C1D，所花时间 为t2,平均速度为V2，那么有,图4-17 急回特性,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.3 急回特性 式中，K 为行程速度变化系数。曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度不同，返回时速度较大，机构的这种性质称为急回特性。只要 0，就有K 1。且越大，K 值越大，急回特性越明显。设计新机械时，往往先给定K 值，于是,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.4 死点 四杆机构中是否存在死点（此时机构不能运动），取决于从动件是否与连杆共线。对曲柄摇杆机构而言，当曲柄为原动件时，摇杆与连杆无共线位置，不出现死点；当以摇杆为主动件时，曲柄与连杆有共线位置，出现死点。,图4-18 死点的位置,第4章 平面连杆机构,4.5 平面四杆机构的基本特性4.5.4 死点 工程上常利用飞轮机构渡过死点，如缝纫机机构中，曲柄与大带轮为同一构件，利用带轮的惯性使机构渡过死点。另外，还可利用机构错位排列的方法渡过死点，如机车车轮联动机构中，当一个机构处于死点位置时，可借助另一个机构来越过死点。工程上有时也利用死点来实现 一定的工作要求。如飞机起落架、工件夹紧机构等。,图4-19 夹紧机构,第4章 平面连杆机构,4.6 平面四杆机构的设计4.6.1 按给定连杆位置设计四杆机构 已知连杆BC的长度 lBC以及它在机构运动中所处的三个位置B1C 1、B2C 2、B3C 3，设计该铰链四杆机构。,图4-20 按给定连杆三个位置设计四杆机构,第4章 平面连杆机构,4.6 平面四杆机构的设计4.6.3 按给定行程速度变化系数 K 设计四杆机构 已知摇杆CD的长度 lCD、摆角 以及行程速度变化系数K，试设计该曲柄摇杆机构。,图4-21 按给定行程速度变化系数设计曲柄摇杆机构,第4章 平面连杆机构,课堂讨论(1)卡车车厢自动翻转卸料机构属于哪一类四杆机构？(2)日常生活中还有哪些平面四杆机构？它们分别属于哪一类四杆机构？完成了何种运动？,第4章 平面连杆机构,课堂讨论解答(1)卡车车厢自动翻转卸料机构属于哪一类四杆机构？,图4-22 卡车车厢自动翻转卸料机构,第5章 凸轮机构,本章主要内容：凸轮机构的应用和分类，从动件的常用运动规律，凸轮机构基本尺寸的确定。,第5章 凸轮机构,5.1 凸轮机构的应用和分类 凸轮机构：由凸轮、从动件、机架三个基本构件组成的高副机构。运动转换：将凸轮的连续回转运动转换为从动件的直线移动或摆动。优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。应用：内燃机、牙膏生产等自动线、补鞋机等。,第5章 凸轮机构,5.1 凸轮机构的应用和分类 按凸轮形状分为：盘形、移动、圆柱凸轮（端面）。按从动件型式分为：尖顶、滚子、平底从动件。尖顶构造简单、易磨损、常用于仪表机构；滚子磨损小，应用广；平底受力好、润滑好，常用于高速传动。按从动件运动型式分为：直动（对心、偏置）、摆动从动件。按从动件与凸轮保持接触（锁合）的方式分为：力锁合（重力、弹簧等），几何锁合（沟槽、等宽、等径、共轭等）凸轮机构。,第5章 凸轮机构,5.1 凸轮机构的应用和分类,图5-1 内燃机配气机构（盘形凸轮）,图5-2 靠模车削机构（移动凸轮）,第5章 凸轮机构,5.1 凸轮机构的应用和分类,图5-3 力锁合凸轮机构,第5章 凸轮机构,5.1 凸轮机构的应用和分类,图5-4 几何锁合凸轮机构,沟槽凸轮机构 等径凸轮机构 共轭凸轮机构,第5章 凸轮机构,5.1 凸轮机构的应用和分类,图5-5 圆柱凸轮输送机,双凸轮组合写 R 字机构,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律 凸轮机构设计的基本任务:(1)根据工作要求选定凸轮机构的形式；(2)从动件运动规律；(3)合理确定结构尺寸；(4)设计轮廓曲线。其中，根据工作要求选定从动件运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数如下图所示：,图5-6 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构及其从动件位移曲线,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律 基圆：以凸轮的最小向径为半径所作的圆。推程运动角：主动件凸轮匀速转动，从动件被凸轮推动，从 动件的尖顶以一定运动规律从最近位置到达最远位置，这一过程中从动件的位移称为推程，对应的凸轮转角称为推程运动角。远休止角：当凸轮继续回转时，由于凸轮的向径没发生变化，从动件的尖顶在最远位置划过凸轮表面，从点到点保持不动，这一过程称为远停程，此时凸轮转过的角度，称为远休止角。回程运动角：当凸轮再继续回转，从动件的尖顶以一定运动规律从最远位置回到最近位置，这一过程称为回程，对应的凸轮转角称为回 程运动角。近休止角：当凸轮继续回转时，从动件的尖顶划过凸轮表面从点回到点保持不动，这一过程称为近停程，凸轮转过的角度，称为近休止角。,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律(1)等速运动规律 从动件上升或下降的速度为常数的运动规律，称为等速运动规律。由右图可知，从动件在运动开始和终止的瞬间，速度有突变，其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生强烈的振动、冲击、噪声和磨损，这种冲击为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。,图5-7 等速运动规律,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律(2)等加速等减速运动规律 从动件在推程过程中，前半程作等加速运动，后半程作等减速运动，这种运动规律称为等加速等减速运动规律，通常加速度和减速度的绝对值相等。由运动线图可知，当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而从动件的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构在这三个时间点引起的冲击称为柔性冲击。与等速运动规律相比，其冲击程度大为减小。因此，等加速等减速运动规律适用于中速的场合。,图5-8 等加速等减速运动规律,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律(3)余弦加速度运动规律 余弦加速度运动又称为简谐运动。因其加速度运动曲线为余弦曲线故称余弦运动规律。由加速度线图可知，此运动规律在行程的始末两点加速度存在有限突变，故也存在柔性冲击，只适用于中速场合。但当从动件作无停歇的升降升连续往复运动时，则得到连续的余弦曲线，柔性冲击被消除，这种情况下可用于高速场合。,图5-9 余弦加速度运动规律,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律(4)正弦加速度运动规律 正弦加速度运动规律其加速度运动曲线为正弦曲线。从动件按正弦加速度规律运动时，在全行程中无速度和加速度的突变，因此不产生冲击，适用于高速场合。,图5-10 正弦加速度运动规律,第5章 凸轮机构,5.2 从动件的常用运动规律 从动件运动规律的选择:从动件运动规律应根据机器工作时的运动要求来确定。如机床中控制刀架进刀的凸轮机构，要求刀架进刀时作等速运动，则从动件应选择等速运动规律，至于行程始末端，可以通过拼接其它运动规律的曲线来消除冲击。对无一定运动要求、只需要从动件具有一定位移量的凸轮机构，如夹紧送料等凸轮机构，可只考虑加工便利性，采用圆弧、直线等组成的凸轮轮廓。对于高速机构，应减小惯性力，改善动力性能，可选用正弦加速度运动规律或其它改进型运动规律。,第5章 凸轮机构,5.3 盘形凸轮轮廓的设计（了解）从动件运动规律和凸轮基圆半径确定后，即可进行凸轮轮廓设计。设计方法有作图法和解析法两种。作图法简便易行、直观，但作图误差大、精度较低，适用于低速或对从动件运动规律要求不高的一般精度凸轮设计。对于精度要求高的高速凸轮、靠模凸轮等，必须用解析法列出凸轮轮廓曲线的方程式，借助于计算机辅助，设计精确地设计凸论轮廓。(1)反转法原理 设计凸轮轮廓的原理是“反转法”，如右图所示。,图5-11 凸轮反转法绘图原理,第5章 凸轮机构,5.3 盘形凸轮轮廓的设计（了解）(2)作图法设计凸轮轮廓曲线 作图法的依据是反转法原理。已知：从动件位移曲线如右图中（b）所示，偏距为 e，凸轮基圆半径为 r0，凸轮以等角速度顺时针转动，试设计该凸轮的轮廓曲线。,图5-12 作图法设计凸轮轮廓曲线,第5章 凸轮机构,5.3 盘形凸轮轮廓的设计（了解）(2)作图法设计凸轮轮廓曲线 根据“反转法”原理，设计步骤如下（如图5-12）：A.以与位移线图相同的比例尺作出偏距圆（以 e 为半径的圆）以及基圆，过偏距圆上任一点 K 作偏距圆的切线，作为从动件导路，并与基圆相交于 B0 点，该点也就是从动件尖顶的起始位置；B.从 OB0 开始按-方向在基圆上画出推程运动角=180、远休止角s=30、回程运动角=90、近休止角s=60，并在相应段与位移线图对应划分出若干等份，得分点C1、C2、C3；C.过各分点C1、C2、C3向偏距圆作切线，作为从动件反转后的导路线；D.在以上的导路线上，从基圆上的点C1、C2、C3开始向外量取相应的位移量，得点B1、B2、B3，即B1C1=11、B2C2=22、B3C3=33，得出反转后从动件尖顶的位置；E.将点B1、B2、B3连成光滑曲线，即是所求的凸轮轮廓曲线。,第5章 凸轮机构,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定 设计凸轮机构时，除了要求从动件能实现预期的运动规律外，还希望凸轮机构结构紧凑、受力情况良好，而这与压力角有很大关系。(1)凸轮机构的压力角 右图所示为凸轮机构在推程中某瞬时位置的情况，FQ 为作用在从动件上的外载荷，在忽略摩擦的情况下，凸轮作用在从动件上的力将沿着接触点处的法线方向。此时凸轮机构中凸轮对从动件的作用力F（法向力）的方向与从动件上受力点速度方向所夹的锐角即为机构在该瞬时的压力角。,图5-13 凸轮机构的压力角,第5章 凸轮机构,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定 显然，F1为推动从动件移动的有效分力，随着的增大而减小；F2为引起导路中摩擦阻力的有害分力，随着的增大而增大。当增大到一定值时，由F2引起的摩擦阻力超过有效分力F1，此时凸轮将无法推动从动件运动，机构发生自锁。可见，从合理传力、提高传动效率来看，压力角越小越好。通常，设计凸轮机构时，要求最大压力角max小于许用压力角。一般情况下，推程时直动从动件凸轮机构的许用压力角=30 40，摆动从动件凸轮机构许用压力角=40 50；回程时一般不会发生自锁，可取=70 80。从传动效率来看，压力角越小越好，但压力角减小将导致凸轮尺寸增大，因此在设计凸轮时需权衡两者关系，力求使设计合理。,第5章 凸轮机构,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定(2)基圆半径的确定 由图5-13可推导出凸轮压力角的计算公式如下：,可见，如果从动件位移 s 已给定，代表运动规律的 ds/d 也是定值，则增大基圆半径 r0，会使得机构的压力角减小，但凸轮上各点对应的向径也增大，凸轮机构的尺寸也会增大；反之，减小基圆半径 r0，机构的结构变得紧凑，但机构的压力角增大，机构效率降低，容易引起自锁。,第5章 凸轮机构,5.4 凸轮机构基本尺寸的确定(3)滚子半径的确定 滚子从动件凸轮的实际轮廓曲线，是以理论轮廓上各点为圆心作一系列滚子圆的包络线而形成，滚子选择不当，则无法满足运动规律，如下图所示。为使凸轮机构正常工作，应保证理论轮廓最小曲率半径min rT.,图5-14 滚子半径的选择,内凹 外凸，rT 外凸，=rT 外凸，rT,第6章 间歇运动机构,本章学习目标：简单了解棘轮机构、槽轮机构。,第6章 间歇运动机构,间歇运动机构 机器工作过程中，当主动件作连续运动时，从动件产生周期性运动和停歇的机构。常见的间歇运动机构 棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮间歇机构等。,第6章 间歇运动机构,6.1 棘轮机构（1）分类按工作原理分为：齿式、摩擦式棘轮机构。,图6-1 齿式棘轮机构,图6-2 摩擦式棘轮机构,第6章 间歇运动机构,6.1 棘轮机构（1）分类按啮合方式分为：外啮合、内啮合棘轮机构。,图6-3 内啮合齿式棘轮机构,第6章 间歇运动机构,6.1 棘轮机构（1）分类按从动件运动型式分为：单动式、双动式、可变向棘轮机构。,图6-4 勾头双动式棘轮机构,图6-5 可变向棘轮机构,矩形齿棘爪 可转向棘爪,第6章 间歇运动机