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机械原理与机械设计 Theory and Design of Mechanisms and Machines,第一章 机械的组成、分类与发展第二章 机械的设计与相关课程简介第三章 机构的组成和结构分析第四章 平面机构的运动分析第五章 平面机构的力分析第六章 连杆机构第七章 凸轮机构第八章 齿轮机构第九章 轮系第十章 其它常用机构第十一章 机械系统动力学第十二章 机械的平衡第十三章 机械零件设计基础第十四章 螺纹连接第十五章 轴毂连接第十六章 螺旋传动第十七章 带传动和链传动第十八章 齿轮传动第十九章 蜗杆传动第二十章 滚动轴承第二十一章 滑动轴承第二十二章 联轴器、离合器和制动器第二十三章 机械结构设计的方法和准则第二十四章 轴系及轮类零件的结构设计第二十五章 机械的总体方案设计第二十六章 机械执行系统的方案设计,第一篇 导 论,第一章 机械的组成、分类与发展第二章 机械的设计与相关课程简介,整个课程的总绪论,第一章机械的组成、分类与发展,内容提要,认识机器 机器的分类和组成 机械发展历程概述,第一节 认识机器,通过上周的实践，我们已经认识了几种典型的机器：内燃机 牛头刨床 汽 车电池自动分拣机 通用工业机器人,第二节 机器的分类和组成,机器和它的分类,机器的组成,机器中的几个基本概念,返回,什么是机器呢？,机器： 是人为实物的组合体， 具有确定的机械运动， 可以用来转换能量、 完成有用功 或处理信息， 以代替或减轻人的劳动。,根据用途的不同，机器可分为,动力机器加工机器运输机器信息机器,动力机器其用途是转换机械能。,原动机,如蒸汽机、内燃机、电动机,换能机,返回,加工机器,尺寸形状性质状态,用来改变被加工对象的,如:加工机床轧钢机纺织机包装机等。,返回,运输机器用来搬运物品和人。如汽车、飞机、起重机、运输机。,返回,信息机器其功能是处理信息。例如复印机、打印机、绘图机等。信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息，而不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚小。,动力机器加工机器运输机器信息机器,转换机械能完成机械功作功很小,现代机器的出现使机器按功能的分类变得模糊：机器人：进行焊接和装配，是加工机器；用来搬运物品，也是运输机械；而且是按照一定的信息来搬运；也是信息机械。电池分拣机：实现了电池的搬运，但它是根据电池的质量信息来进行分拣后的搬运。,返回,机构 在认知机器的实践中，我们已经初步认识了几种机构：,机器中的几个基本概念,什么是机构呢？,连杆机构、凸轮机构、 棘轮机构、螺旋机构、齿轮机构,内燃机,牛头刨床,内燃机何牛头刨床中的连杆机构的共同点： 构件间都形成可相对转动或相对移动的活动连接。 都是实现运动形式的变换。 它们都属于连杆机构。,凸轮机构、齿轮机构和棘轮机构实现的运动转换与连杆机构不同，构件之间的连接形式也不同，构件的形状也不同。,因此，可给出机构的如下定义：机构：人为实物的组合体，具有确定的机械运动，可以用来传递和转换运动。,机器：人为实物的组合体，具有确定的机械运动，可以用来转换能量、 完成有用功 或处理信息，以代替或减轻人的劳动。,机器是由机构组成的。简单的机器，可能只含有一个机构, 但一般都含有多个机构。,机械: 机器和机构的总称。,机器 机构,在各种机械中广泛使用的一些机构称为常用机构。如： 连杆机构、 凸轮机构、 齿轮机构、 间歇运动机构。,常用机构,我们已经多次使用了“构件”这个术语。活塞、连杆、曲轴、滑枕等都是构件。构件是组成机构的有确定运动的单元。,构件,构件是运动的单元，而零件是制造的单元。,各种机械中广泛使用的零件称为通用零件。如螺栓、轴、齿轮、弹簧等。只在某一类机械中使用的零件称为专用零件。如内燃机中的活塞、曲轴等。通用零件中主要包括三大类零件：传动零件 （齿轮、带、链等）联接零件 （螺栓、键等）轴系零件 （轴、轴承等）此外: 弹簧等零件。,通用零件与专用零件,返回,机器的组成,传统机器都包含如下三个部分：,恩格斯,运动速度的转换,传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。一般的普通交流电动机速度是固定的。一般机器执行部分速度低于原动机的转速,需要减速。（也有相反的情况，需要增速）。许多机器还需要执行装置有多种不同的速度。,带、链传动各种齿轮传动减速器,例如自行车链传动,例如汽车、机床的变速器,运动形式的转换,机器执行部分可能有各种运动形式：,随着20世纪后半叶以来现代科学技术的发展，特别是控制理论的发展和计算机在工业上的应用，机器的组成更复杂了。,前馈控制,反馈控制,传感器,控制装置的作用是控制机器各部分的运动。,测量运动构件真实运动情况，并将测量结果随时反馈给控制系统,发出指令调节伺服电机的运动,传统机器,现代机器,普通车床牛头刨床空气压缩机起重机掘土机皮带运输机,机器人数控机床,返回,第三节机械的发展历程概述,古 代 近 代 现 代,简单机械：杠杆、车轮、滑轮、斜面、螺旋等。公元前3000年，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石。阿基米德用螺旋将水提升至高处，那就是今天的螺旋式输送机的始祖。,公元一世纪 东汉“水排”用水力鼓风炼铁，其中应用了齿轮和连杆机构,晋 代 “连 磨”用一头牛驱动八台磨盘，其中应用了齿轮系。,中世纪 欧洲 用脚踏板驱动的加工木棒的车床,中世纪 欧洲 利用曲轴的研磨机,13世纪以后，机械钟表在欧洲发展起来。,连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等在古代机械中即已经有所应用。在达芬奇时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。,动力的变革材料的变革加工手段的变革生产模式的变革机构与传动的变革机械理论和设计方法的建立,1765年，瓦特（Watt）发明了蒸汽机。揭开了第一次工业革命的序幕。蒸汽机给人类带来了强大的动力，各种由动力驱动的产业机械 纺织机、车床等，如雨后春笋般出现。,古代机械的动力：人力、畜力和水力。动力制约了机械的发展。首先是动力的变革推动了机械的飞速发展和广泛应用。,蒸汽机无法实现小型化，所以在当时的工厂里采用集中驱动的方式。,蒸汽机时代的纺织工厂,19世纪，第二次工业革命电动机和内燃机发明,与此同时，戴姆勒也发明出了他的第一辆四轮汽车。,1886年，本茨发明的汽油发动机为动力的三轮车被授予专利。,莱特兄弟,1903,19世纪中叶，发明了炼钢法，从那时一直到现在，钢铁始终是制造机械最主要的材料。,18世纪末，现代车床的雏形在英国问世;19世纪中叶, 通用机床的各种类型已大体齐备；19世纪末，自动机床、大型机床出现。,社会需求日益增长。 20世纪初叶，机械制造进入了大批量生产模式的时代。标志：美国福特汽车的生产,进行大批量生产的要求。,提高生产率的需要。 基于动力的变革，大幅度提高机器的速度成为可能。 机器速度的提高是几百年来未曾停遏的发展趋势。,提高产品质量的需要。基于加工水平的提高，提高机器的精度成为可能。,近代机械的发展趋向,要求不断完善已有的机构，并发明出新的机构,例如：18世纪，欧拉（Euler）首次提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，从而使高速、大功率的机械传动成为可能。,20世纪各种大传动比、结构紧凑的新型传动，高速的步进机构，精密的滚动螺旋传动， 机构的创新一直到今天也没有停止。,机器的发展，呼唤着机械的理论和设计方法。牛顿经典力学的建立则为此准备了理论基础。,机器要运动、要传递力，因此，最先发展起来的是：,随着机器运转速度的不断提高，机器的振动、速度波动等问题引起了人们的重视，机械动力学发展起来。,但是，这些方法都基于图解和手工计算。,计算机的发明 科学技术发展史上划时代的大事。,现代机器的出现计算机使机械设计方法面目一新,随着计算机和伺服电机的出现，机器人作为现代机器的代表走上了历史舞台。 工业机器人 特种机器人,工业机器人：在工业生产中越来越广泛地应用。用于搬运、装配、焊接、喷漆、凿岩等工作。,清洗飞机的机器人,第一汽车制造厂的汽车装配生产线,几 种工业机器人,特种机器人：在潜水、管道修理、外科手术、生物工程、军事、星际探索等领域应用，承担着许多由人的直接操作无法完成的工作。,水下扫雷机器人,爬壁机器人,几种特种机器人,军用昆虫机器人,爬缆索机器人,数控车床,数控加工中心,计算机控制系统和伺服电机被引入到传统机器中来，使其组成、面貌和功能发生了革命性的变化。,现代机器向主动控制、信息化和智能化方向发展，从这个意义上讲，正如有的学者所说：,“今后的机器都将是机器人”。,20世纪最后30年，计算机应用的普及极大地推动了机械分析与设计方法的革新。 计算机计算代替了手工计算法和图解方法。 计算机辅助设计、优化设计、有限元法、动态设计等现代设计方法迅速发展。 计算机不仅是大大地提高了计算速度，而且已成为机械分析与设计的前所未有的强大手段。 整个机械设计的理论和方法焕然一新。 现代意义上的机械设计已经根本离不开计算机了。,第二章机械的设计与相关课程简介,机器的认知实践 通过上周的认知实践，我们已经认识了几种典型的机器： 内燃机 牛头刨床 汽 车 电池自动分拣机 工业机器人,回顾,第一章机械的组成、分类与发展 机器和它的分类 机器中的几个基本概念 机器的组成 机械发展历程概述,回顾,第二章机械的设计与相关课程简介,内容提要,第一节 机械设计的要求和内容第二节 机械设计的过程和方法第三节 机械设计类课程简介,什么是机械设计 ？,第一节 机械设计的要求和内容,机械设计的基本内容,机械设计的基本要求,机械设计的重要地位,什么是机械设计？,机械设计是一个工作过程。,返回,机械设计的基本要求,功能性要求可靠性要求经济性要求社会性要求,1功能性要求,机械产品必须完成规定的功能。机械的功能可表达为一个或几个功能指标。,主要功能指标：每分钟分拣电池的个数。,主要功能指标：（1）被加工工件的尺寸范围；（2）滑枕应具有若干种不同的往复运动速度，以满足不同切削工艺的要求；（3）工作台沿横向应能实现若干种不同的进给量；（4）应能供给并传递足够的功率，以克服切削力；（5）应能保证一定的加工精度。,例：牛头刨床,机械功能指标的确定：由用户提出 由设计者与用户协商确定机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。,2可靠性要求,机械零件的内部和表面产生应力和变形,机械要传递力和力矩,有可能导致零件的失效,机械应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生各种型式的失效。 为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计算在整个设计工作量中占了很大的比例。,3经济性要求,简化结构选用适当的材料确定合理的加工精度标准化、系列化和通用化,降低机械的能量损失考虑到维修的方便性和经济性,成本,设计阶段的工作如何，就基本上决定了一个产品成本的高低。,4社会性要求,所设计的产品不应对人、环境和社会造成消极影响。 操作者的安全性和舒适性 机械的造型和色彩美观、大方、宜人 符合国家在环境保护方面的法规,数控加工中心,机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。,例：汽 车, ,耐用性,螺纹加工方法,车削加工,丝锥加工,滚压加工,例：,例：选矿机械的 工作原理,选矿机械的工作原理,螺纹加工的工作原理,机械的工作原理不同，机械的面貌就 完全不同。 确定工作原理是方案设计的第一步。,1. 方案设计根据机械的功能要求，确定机械的总体方案。,确定执行构件的运动选择原动机采用哪些机构实现运动形式的转换采用哪些机构实现运动速度的转换确定传动装置的布局,确定机械系统运动方案,方案设计是机械设计中至关重要的一步。 它从根本上影响机械的结构、性能、成本。 应充分调查研究，并集思广益，提出多种方案，并按照四项基本要求，认真地进行比较、分析，以选择出最优方案。,确定传动装置中各机构的基本几何参数。 例如：牛头刨床：确定连杆机构的各杆杆长，来保证滑枕的速度规律符合要求；内燃机：确定连杆机构的尺寸，凸轮的轮廓曲线，齿轮的齿数等。,保证零件在一定的使用期限内不发生失效。通过设计确定零件的参数和基本尺寸。例如：轴的直径齿轮的大小和齿的大小,对运转速度较高的机械，会产生振动和速度波动等有害的动力学现象，应进行必要的动力学分析。 在此基础上对参数进行必要的修改，或采取一些措施减轻其影响。,在确定了各个零件基本参数的基础上，对各零件的结构进行构思，确定零件的全部尺寸。 这部分设计工作主要体现在图样上。,作为制造的依据，应绘制出整个机械的装配图、组成机械的各个部件的装配图，以及全部非标准化零件的零件图。图样上应标明制造所需要的全部信息：材料、热处理、基本参数和所有必要的尺寸，以及加工精度等技术条件。此外，还应提出所有外购件的明细表。,机械设计的重要地位,中国启动了创新型国家的建设,拥有自主的知识产权，机械设计至关重要,在若干重要领域掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权，造就一批具有国际竞争力的企业，大幅度提高国家竞争力。 培养造就富有创新精神的人才队伍。,设计阶段的工作如何，就基本上 决定了一个产品成本的高低。,机械是否满足社会性要求，完全取决于设计。,机械设计的过程,第二节机械设计的过程和方法,机械设计的方法,一、机械设计的过程,设计的类型,三者中至少应该有一项是首创的,照相机,单缸洗衣机,双缸洗衣机,普通车床,立式车床,三者中至少应该有一项是首创的,实现自主创新，拥有自主自主知识产权主要依靠开发性设计。创新性最强、过程最完整。,一、机械设计的过程,设计的类型,机械设计的完整过程,投产以后,计划阶段,方案设计阶段,试制试验阶段,技术设计阶段,提出设计任务（市场需求，用户委托，主管部门下达） 可行性研究 （重大问题应召开论证会） 编制设计任务书,提出机械的工作原理 （通过调查研究和必要的分析，还可能需要进行原理性试验） 提出几种机械系统运动方案 （进行必要的运动学设计，一般是初步的、粗略的） 确定出最佳总体方案 （经过分析、对比和评价，作出决策）,运动学分析与设计 工作能力分析与设计 动力学分析与设计 结构设计 装配图和零件图的绘制,通过试制和试验，发现问题，加以改进，修改某一部分设计结果。,收集用户反馈意见，研究使用中发现的问题，进行改进。 收集市场变化的情况，为可能提出新的设计计划准备资料。,返回,二、机械设计的方法,常规设计方法现代设计方法,工业革命以来力学和材料科学的发展,运动学分析与设计动力学分析与设计工作能力的分析与设计,20世纪下半页计算机的发明与快速发展,方案设计,运动学分 析与设计,动力学分析与设计,零件工作 能力设计,结构设计,创造性,主要依赖于设计者的灵感,常规设计方法有如下不足： 方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平； 一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案； 受计算手段的限制，简化假定较多，影响了设计质量； 设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。,尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计目前仍被广泛应用。 设计者应该首先掌握常规设计方法，才能进一步学习现代设计方法。 本课程的内容主要是介绍常规设计方法。,现代设计方法,近数十年来，社会需求呈现多样化的趋势，产品更新速度加快。如果设计速度慢，就会贻误商机，造成不可弥补的经济损失。,计算机辅助设计 （Computer-Aided Design, CAD),提高设计速度成为设计方法革新的最主要的目标。,优越性： 提高效率，缩短设计周期，加快产品更新换代，增强市场竞争能力。 给出多个方案，供设计者比较、选择，确定最佳方案。 从繁琐的重复性工作中解脱出来，将时间和精力集中到创造性的工作上。,计算机辅助设计,运算快速准确,存储量大,逻辑判断功能强,辅助设计者进行设计,机械设计专家系统 （Expert System） 计算机辅助设计在上世纪90年代的新发展。 专家系统是一种计算机程序，它使计算机具有学习、推理、决策和创造等智能行为，并能够在专家的水平上工作。,CAD,机械设计活动,数值计算型的工作 （计算与绘图）,符号推理型的工作 （方案设计、结构设计）,专家系统,优化设计（Optimal Design）可行方案与最优方案最优，就是使某一项指标达到最小（如重量）或最大（如效率）。机械设计的问题一般都较复杂，求最小值或最大值的问题并不是用微分方法求极值就能简单地予以解决的。数学领域的分支数学规划理论，提供了很多求优的数值方法，这些方法都以在计算机上进行的大量的数值叠代计算为基础。为了采用这些优化方法，就需要将具体设计问题的物理模型转化为一个数学模型。,、,高速化推动了机械动力学的发展。 精密化要求机械的实际运动尽可能与期望运动相一致。在分析误差时必须尽可能地计入各种因素的影响。 振动和噪声过大，则会影响车辆的舒适性并污染环境。 动态设计：考虑机械的动态载荷和系统的动特性，以动力学分析为基础来设计机械。 需要在计算机上用数值叠代算法求解微分方程。所以，动态设计在计算机获得普遍应用后才能发展起来。,动态设计 (Dynamic Design),可靠性设计（Reliability Design） 将概率论、数理统计引入机械设计中而形成的一种设计技术。 将物理量都视为按某种规律分布的随机变量，用概率统计的方法确定零、部件的主要参数和尺寸，使机械满足所提出的可靠性指标。,式中,为杆件的截面积，,为许用应力，,为材料的屈服极限，,为安全系数。,、材料的性能,、截面积,二次世界大战期间，美国由于飞行故障而损失的飞机比被击落的飞机多1.5倍。 应航天计划的需要，兴起在上世纪60年代的美国。 可靠性设计已应用于从宇宙飞船到家用电器的广阔领域。,创造性设计（Creative Design）利用人类已有的科技成果，充分发挥设计者的创造力，设计出新机构和新机械产品的设计过程。几千年来，机械的发明依靠的是能工巧匠和专家学者的灵感和创造性的思维。如何产生灵感？如何进行创造性的思维？在历史的长河中，这些智慧的火花是零散的而非系统的，多种多样的而非单一的。对历史上大量发明构思的过程进行了分析和归纳，总结出一些进行创造性思维的方法，形成了“创造学”。创造性设计，特指以创造学理论为基础进行机械创新的方法。,现代设计方法,对设计者的基本要求,第三节机械设计类课程简介,机械设计类课程简介,机械原理与机械设计课程,在大学机械类专业的教学计划中，安排了一组机械设计类课程。 这些课程的目的是向学生提供机械设计方面的基本理论和知识，并通过各种教学环节使学生具备进行机械设计的基本能力，并具备进行机械试验的动手能力。通过这些课程和相关的实践活动，培养同学们的创新精神、团队精神和工作作风。,机械设计类课程简介,机械设计系列课程,机构的组成与分析机构是怎样组成的?机构具有确定运动的条件机构的结构分类如何用机构简图表示机构,常用机构及其设计连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等。分章介绍这些机构的结构、类型、原理、运动、应用、分析和设计。,机器动力学 分析机器在运转过程中的受力情况 分析机器在已知外力下的运动情况 解决机器在运转中的速度波动和振动问题,机械零部件的工作能力设计 常用机械零件的类型、原理、标准、应用、失效、分析和设计方法。,机械零部件的结构设计 常用机械零件的结构设计方法。,机械系统方案的设计 机构的选型和组合 机械系统运动方案设计 结合课程设计，使学生具有： 初步的拟定机械系统运动方案的能力。 设计由通用零件组成的机械传动系统的能力。,掌握了设计理论与方法掌握了方案设计的基本知识进行了设计机械的基本训练,学习机械原理与机械设计课程的目的,为后续的专业课程的学习奠定基础,认识机械,分析机械,设计机械,掌握了分析方法，对机械的认识提高到理性认识的高度具备了对现有的机械进行分析的能力,为今后参加实际工程中的机械设计奠定了基础,第三章机构的组成与结构分析,3.1机构的组成3.2机构的运动简图3.3机构的自由度和具有确定运动条件3.4平面闭链机构组成原理及结构分析,3.1机构的组成,一、构件二、运动副三、运动链（区分运动链和机构）四、机构,机构是传递运动和力或者导引构件上的点按给定轨迹运动的机械装置。机构的组成要素为构件和运动副,一、构件,从制造加工角度：机械由零件组成 零件制造单元体 从运动和功能实现角度： 构件独立运动的单元体,注意：构件可以是单一零件，也可以是几个零件的组合联接,机构的组成,二、运动副,(一)运动副元素(二)运动副的自由度与约束度(三)运动副类型, 运动副：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。 运动副元素：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。,机构的组成,(一) 运动副元素,运动副元素不外乎为点、线、面。,机构的组成,(二)运动副的自由度与约束度,1. 构件的自由度：指一个构件相对另一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有6个自由度。,2. 约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为5个。,机构的组成,对于两个空间构件对于两个平面构件,机构的组成,1.按运动副相对运动形式分,（三）运动副类型,转动副,移动副,螺旋副,球面副,2.按运动副引入的约束数分：,X级运动副：指引入X个约束的运动副。,级副、级副、级、级副、级副,级副,级副,级副,机构的组成,3.按运动副接触形式分, 低副: 两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副; 高副: 凡两构件系通过点或线接触而构成的运 动副统称为高副;,4.按运动副的运动空间分: 平面运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面运动的运动副; 空间运动副:指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间运动。,机构的组成,运动副元素间的锁合,几何锁合 力锁合,机构的组成,三、运动链, 运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。, 闭链: 运动链的各构件构成首尾封闭的系统。, 开链: 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。,机构的组成,运动链（续）,平面运动链:各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 空间运动链:各构件间的相对运动为空间运动的运动链 。,空间运动链,机构的组成,四、机构,机构:在运动链中将一构件加以固定作为机架或参考构件, 并给定另外一个或少数几个构件的运动规律，则运动链便成为机构。,机架：机构中固定不动构件。, 平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。,原动件: 机构中按给定的运动规律独立运动的构件。,从动件:机构其余活动构件。,机构的组成,机构中构件类型,机构的组成,3.2 机构的运动简图, 机构运动简图,机构的示意图：指为了表明机构结构状况, 不要求严格地按比例而绘制的简图。,机构运动简图：指根据机构的运动尺寸, 按一定的比例尺定出各运动副的位置, 并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。, 机构示意图,为什么要画机构运动简图？,机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关,而与机构的 结构尺寸和形状以及运动副的具体构造无关，因此可以不计或略去那些与机构运动无关的 因素。,机构的运动简图,（一）绘制机构运动简图的步骤和方法（二）机构运动简图中常用的规定符号（三）机构运动简图的识别,机构的运动简图,（一）绘制机构运动简图的步骤与方法,:1.恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。2.分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定构件和运动副的数目。3.循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目;还应确定与机构运动特性相关的 运动要素：运动副间的相对位置；如转动副中心的位置和移动副导路的方位；高副的廓线形状，包括其曲率中心和曲率半径等。4. 选择适当的比例尺, 用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机构运动简图画出来。,机构的运动简图,机构运动简图中的常用符号,机构的运动简图,常用传动系统简图,机构的运动简图,机构的运动简图,例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图,分析：该机构有6个构件和7个转动副。, 画机构运动简图的方法,机构的运动简图,例题二：绘制图示偏心轮传动机构的运动简图,机构的运动简图,机构的运动简图,机构的运动简图,机构的运动简图,例题三、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘1为原动件，与滑块2在B点铰接，滑块2推动拨叉3绕固定轴C转动，拨叉3与圆盘4为同一构件，当圆盘4转动时，通过连杆5使冲头6实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。, 画机构运动简图的方法,分析：,绘制简图：,机构的运动简图,（三）机构运动简图的识别,由于移动副绘制和表达方法的不同而出现的简图差异由于转动副元素尺寸变化而出现的简图差异,实际绘制的运动简图会因为运动副绘制或表达方式的不同而会使同一机构所绘制的机构运动简图不同；或不同机构的运动简图相同。,机构的运动简图,3.3 机构的自由度与确定运动条件,一、机构的自由度二、平面机构自由度三、空间机构自由度四、机构具有确定运动条件,一、机构的自由度,构件的自由度 确定平面或空间运动构件位置所需的独立位置参数的数目称为构件的自由度平面和空间运动构件分别有3个和6个自由度机构的自由度 机构的自由度是机构中各构件相对机架所具有的独立运动的数目或组成该机构的运动链的位形相对于机架或参考构件所需的独立位置参数的数目，用F表示,机构的自由度与确定运动条件,假设平面机构有n个活动构件： 3n个自由度有P5 个低副和P4 个高副：,平面自由构件：3个自由度平面低副：引入2个约束平面高副：引入1个约束,平面机构的自由度计算公式： F= 3n-(2 p5+ p4),引入(2 P5 +P4)约束,分析：,二、机构自由度的计算, 平面机构自由度的计算公式,运动副的作用是约束构件自由度的，所以机构的自由度为活动构件在自由状态下自由度总和减去由于运动副引入而限制的自由度,机构的自由度与确定运动条件,自由度计算实例分析,F=3n-2 P5 P4=34 - 25-0=2,F=3n-2 p5 p4=33 - 24-0=1,四杆机构,五杆机构,机构的自由度与确定运动条件, 复合铰链,实例分析1：计算图示直线机构(实现无导轨直线运动)自由度,解：F=3n-2 p5 p4=37 - 26-0=9,解：F=3n-2 p5 p4=37 - 210-0=1,计算机构自由度应注意的事项,两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。m个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为(m-1)个注意：复合铰链只存在于转动副中。 。,机构的自由度与确定运动条件,实例分析2：计算图示凸轮机构自由度,解：F=3n-2 p5 p4=33 - 23-1=2,F=3n-2 p5 p4 - f =33 - 23-1-1=1,方法二：假想构件2和3焊成一体,F=3n-2 p5 p4=32 - 22-1=1, 局部自由度,计算机构自由度应注意的事项（续）,机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用f表示.,注意：计算机构自由度时, 应将局部自由度除去不计。,方法一：,机构的自由度与确定运动条件,指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束，用P表示。,计算机构自由度应注意的事项（续）, 虚约束,注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。,不计引起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n-2 p5 p4,去除虚约束的方法：,机构的自由度与确定运动条件,F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0,虚约束常出现的情况：1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该联接引入1个虚约束;,计算机构自由度应注意的事项（续）,正确计算：不计引起虚约束的附加构件和运动副数。F=3n-2 p5 p4=33 - 24-0=1,用于连接构件2和3的转动副C即属此种情况。因为C2和C3在未连接前的轨迹都沿Y轴。此时转动副C将引入一个虚约束。计算时去掉构件3和转动副C以及3和机家移动副,机构的自由度与确定运动条件,F=3n-2 p5 p4=33 - 24-0=1,F=3n-2 p5 p4=34 - 26-0=0,分析：E3和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束,计算机构自由度应注意的事项（续）,正确计算： n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1,机构的自由度与确定运动条件,两构件在几处接触而构成移动副且导路互相平行或重合。,两个构件组成在几处构成转动副且各转动副的轴线是重合的。,只有一个运动副起约束作用,其它各处均为虚约束;,2. 两构件在几处接触而构成运动副,计算机构自由度应注意的事项（续）,n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1,图示机构的两个移动副即属此种情况。计算其自由度时，只按一个移动副计算,机构的自由度与确定运动条件,3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各2个约束。,有一处为虚约束,此两种情况没有虚约束a)图相当于转动副，b）图相当于移动副,计算机构自由度应注意的事项（续）,n=2 P5=2 P4=1 F=3n-(2P5+P4)=3*2-2*2-1=1,机构的自由度与确定运动条件,某些不影响机构运动的对称部分或重复部分所带入的约束为虚约束。 3和1绕同一个轴转动，计算机构自由度时，只考虑对称或重复部分中的一处，去掉2和2构件,4. 机构运动过程中, 某两构件上的两点之间的距离始终保持不变, 将此两点以构件相联, 则将带入1个虚约束。,计算机构自由度应注意的事项（续）,n=3 P5=4 P4=0 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*4=1,连接构件2和4上的E点和F点的构件5及转动副E和F即属此种情况，引入一个虚约束。,n=3 P5=3 P4=2 F=3n-(2P5+P4)=3*3-2*3-2=1,机构的自由度与确定运动条件,小结,计算机构自由度应注意的事项（续）,存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有(m-1)个转动副, 复合铰链,局部自由度,常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。, 虚约束,存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。,机构的自由度与确定运动条件,典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。,解法1：,计算机构自由度典型例题分析,机构的自由度与确定运动条件,机构的自由度与确定运动条件,机构的自由度与确定运动条件,机构的自由度与确定运动条件,机构的自由度与确定运动条件,机构的自由度与确定运动条件,典型例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。,解法2：复合铰链：D包含2个转动副(杆4和7)局部自由度：F=2虚约束：杆8及转动副F、I引入1个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：,n=6 p5=7 p4=3 F=3n-2p5-p4=1,计算机构自由度典型例题分析,机构的自由度与确定运动条件,典型例题二：计 算 图 示 机 构 的 自 由 度， 如 有 复 合 铰 链、 局 部 自 由 度 和 虚 约 束，需 明 确 指 出。 画 箭 头 的 构 件 为 原 动 件。,复合铰链,局部自由度,1个虚约束,复合铰链,计算机构自由度典型例题分析,机构的自由度与确定运动条件,典型例题三,计算机构自由度典型例题分析,计算图示机构自由度。分析：该机构具有5个活动构件，有7个转动副，即低副，没有高副。于是机构自由度为,机构的自由度与确定运动条件,F=3n-2 p5 p4=35 - 27-0=1,四、机构具有确定运动的条件,机构中独立运动参数的构件为原动件。,问题：取运动链中某个构件为机架，即构成机构，那么机构在什么条件下才具有确定运动？,因为自由度为1给定一个独立运动参数，其余构件有确定运动。,自由度小于等于零自由度大于零若独立运动数大于自由度自由度大于零若独立运动数小于自由度自由度大于零若独立运动数等于自由度,机构的自由度与确定运动条件, 结论,机构具有确定运动的条件为：机构自由度大于0且机构原动件数=机构自由度数,五杆机构,四、机构具有确定运动的条件,给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。,给定两个独立运动参数：机构有确定运动。,机构的自由度与确定运动条件,3.4平面闭链机构的组成原理和结构分析,一、平面闭链机构的组成原理二、平面闭链机构的结构分析三、平面机构的高副低代,一、机构的组成原理,机构具有确定运动的条件： 自由度数=原动件数,基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。,1. 杆组,机架和原动件与从动件组分开，运动副仍保留在杆组： 从动构件组自由度为零。,可以再拆成更简单的自由度为零的杆组,平面机构的组成原理和结构分析,对于全低副的杆组：n个构件、p5个低副, 基本杆组的分类,根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n=2, p5=3的双杆组：又叫级杆组 常见级杆组的形式为,n和pl为整数n=2,4,6,平面机构的组成原理和结构分析,（2）n=4, p5=6的多杆组，又叫 级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为,（3）更高级别的杆组,平面机构的组成原理和结构分析,机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。,2. 机构的组成原理, 机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。因为机构的级别越高，机构的运动和动力分析也越困难.,自由度为F的机构=F 个主动杆+1个自由度为0的机架+若干个自由度为0的基本杆组,平面机构的组成原理和结构分析,二、平面闭链机构的结构分析, 级机构 只由机架和原动件组成的机构称为级的机构。 （杠杆机构、斜面机构）II级机构 指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。 III级机构 指机构中基本杆组的最高级别为III级组的机构。,机构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。,平面机构的组成原理和结构分析, 结构分析目的,： 了解机构的组成，确定机构的级别。,把机构分解为基本杆组、机架和原动件。, 结构分析的过程：,拆杆组,从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成，再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。, 杆组拆分原则,平面机构的组成原理和结构分析, 机构结构分析步骤,1、除去虚约束和局部自由度，正确计算机构的自由度；2、指定机构的主动件3、将机构中的全部平面高副替换为低副4、根据机构拆分原则进行拆分5、最后定出机构的级别。6、对于带有气、液缸的平面机构，可先拆杆数较少的待缸或不带缸的杆组，带缸杆组自由度为缸数，而不带缸杆组自由度为0,平面机构的组成原理和结构分析,典型例题：试计算图示冲压机构的自由度，并分析下列情况下组成机构的基本杆组及机构的级别：（1）当以构件1为原动件时；（2）当以构件6为原动件时。,解：,平面机构的组成原理和结构分析,典型例题（续）：（1）当以构件1为原动件时,级机构,平面机构的组成原理和结构分析,典型例题（续）： （2）当以构件6为原动件时,级机构,平面机构的组成原理和结构分析, 平面机构中高副低代的目的 为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义 根据一定条件对平面高副机构的中高副虚拟地用低副来代替的方法。 高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。,三、平面机构的高副低代,平面机构的组成原理和结构分析,高副低代方法,结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。,高副两元素均为圆弧,高副元素为非圆曲线,平面机构的组成原理和结构分析,高副两元素之一为直线