机械基础1

第一讲绪论机械是减轻或替代体力劳动、提高生产效率的辅助工具，是机器和机构的总称。但是在研究机构的运动和受力的情况时，机器和机构没有区别。具有以下功能的实物组合体（系统）：（1）是许多构件的组合。（2）各构件间具有确定的相对运动。（3）能完成有用机械功或转换机械能。零件——机器中不可拆的最小单元体。构件——是机构中的最小运动单元。部件——是装配的最小单元。机械设计应满足的要求是：在满足预期使用功能的前提下，应性能好、效率高、成本低，在预期使用期内安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。在满足要求的前提下，使其结构简单，需要根据可能发生的失效，确定零件设计在强度、刚度、寿命、振动稳定性、耐磨性、温升等方面必须满足的条件，这些条件是判断零件工作能力的准则。零件的承载能力不光取决于零件的整体强度，有时还取决于零件的接触强度。失效当机械零件由于某种原因而丧失正常工作能力时，称之为失效。零件的失效并不单纯意味着破坏，常见的失效形式有：断裂、塑性变形、过大的弹性变形、表面失效（如磨损、疲劳点蚀、胶合、塑性流动、压溃和腐蚀）等。机械设计时，保证零件不产生失效所依据的基本准则，称为设计准则。1、强度准则为保证零件工作时有足够的强度，则应使其危险截面上或工作表面上的最大应力σ不超过零件的许用应力[σ]。也可以表达为危险截面上或工作表面上的安全系数S大于或等于其许用安全系数[S]。2、刚度准则零件在载荷作用下所产生的弹性变形量y小于或等于其许用变形量[y]。3、寿命准则影响零件寿命的重要因素是腐蚀、磨损和疲劳。迄今为止，尚无通用的腐蚀和磨损寿命的定量方法，通常是控制表面的压强。疲劳寿命一般是求出使用寿命时的疲劳极限来作为依据。4、振动稳定性准则零件发生周期性弹性变形的现象称为振动。当机器或零件的固有频率和周期性外力的变化频率相等或相接近时就要发生共振。这时振幅将剧烈增大，此种现象称为失稳，即丧失振动稳定性。振动稳定性准则是指设计时使受激振作用零件的固有频率ƒ与激振源的频率ƒP错开，即ƒP0.85ƒ或ƒP＞1.15ƒ设计时正确选择材料和标准化是降低制造成本、延长机器使用寿命和提高功效的重要手段。机械设计中的标准化所谓零件的标准化，就是通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、检验方法、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。标准化带来的优越性表现为：1）能以先进的方法在专业化工厂中对用途广泛的零件进行大量的、集中的制造，以提高质量，降低成本。2）统一了材料和零件的性能指标，能够进行比较，并提高了性能的可靠性。3）简化设计工作，缩短设计周期，有利于设计者集中精力用于关键零部件设计，从而提高设计质量。同时也简化了机器的维修工作。4）零部件的标准化，增强了互换性。第二讲平面机构平面机构机构是有确定相对运动的构件组合。若所有构件都在相互平行的平面内运动，这样的机构就称为平面机构，否则称为空间机构。XYOXYO一个作平面运动的自由的构件有三种独立运动，即构件沿x轴和y轴方向的移动以及在xoy平面内的转动。构件具有的独立运动的数目，称为构件的自由度。一个作平面运动的自由的构件有三个自由度。运动副两构件直接接触并产生一定相对运动的联接，称为运动副。当构件用运动副联接后，它们之间的某些独立运动将不能实现，这种对构件间相对运动的限制，称为约束。自由度随着约束的引入而减少，不同的运动副，引入不同的约束。运动副可按接触方式的不同分为两大类1、低副两构件通过面接触所组成的运动副称为低副。它包括转动副和移动副两种。转动副若运动副只允许两构件作相对回转，这种运动副称为转动副或铰链。移动副若运动副只允许两构件沿某一方向作相对移动，这种运动副称为移动副。转动副和移动副的构件间的联接是面接触，传力时压强低，磨损小，使用寿命较长。2、高副两构件通过点或线组成的运动副，称为高副。凸轮与从动件、轮齿与轮齿在接触处分别组成高副。凸轮副齿轮副高副的构件间的联接是点或线接触，接触压强较大，易磨损，故使用寿命较短。组成机构的构件通常可分为三类：•运动副中用来支承活动构件的构件称为固定件（机架）；•运动规律已知（由外界输入）的活动构件称为原动件；•随原动件的运动而运动的其余活动构件称为从动件。对机构进行运动分析时，为了便于设计和讨论，仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，这种简单图形称为机构运动简图。平面运动副的表示方法构件的表示方法机构的自由度低副中，转动副只能在一个平面内相对转动，移动副只能沿某一轴线方向移动。因此，一个低副引入两个约束，即减少两个自由度。对于高副，彼此间的相对运动是沿接触处的切线方向的移动和在平面内的相对转动。所以一个高副引入一个约束，即减少一个自由度。机构要进行运动变换和力的传递就必须具有确定的运动，其运动确定的条件就是机构的原动件的数目应等于机构的自由度数目。若机构的原动件数目小于机构的自由度数时，机构运动不确定；若机构的原动件数目大于机构的自由度数时，机构将在强度最薄弱处破坏。因此，机械设计时必须考虑其机构是否满足机构具有确定运动的条件。一个作平面运动的自由构件有3个自由度，当构件与构件用运动副联接后，构件之间某些运动将受到限制，自由度将减少。若一个平面机构中有n个活动构件，在未用运动副联接前，应有3n个自由度。当用PL个低副和PH个高副联成机构后，共引入了（2PL+PH）个约束，即减少了（2PL+PH）个自由度。用F表示机构的自由度数，则：F=3n-2PL-PH抽水唧筒机构简图抽水唧筒中，手柄摇杆1、连杆2、活塞杆3为活动件，唧水筒4为固定件。其中1与2、2与3和1与4分别在A、B、C处构成转动副；3与4在A处构成移动副该机构的活动件数n=3、低副数PL=4、高副数PH=0，则自由度数F=3×3−2×4−0=1活动件数n=2低副数PL=3高副数PH=0自由度数F=3×2−2×3−0=0提示：是机构就要有确定的运动，其运动确定的条件就是F＞0，并且等于机构的原动件的数目；若F大于原动件数时，则机构的运动是不确定的；当F小于原动件数时，机构可能将在外力作用下产生破坏。同时，若F≤0，系统没有运动，不称为机构，而是桁架。剪板机机构凸轮挺杆机构计算机构自由度时，必须注意的几个问题：1、复合铰链由三个或三个以上的构件在一处组成的轴线重合的多个转动副，称为复合铰链。由K个构件用复合铰链相联接时，构成的转动副数目应为（K−1）个。该机构n=5，B处为复合铰链，含有两个转动副，故PL=7、PH=0，F=3×5−2×7−0=12、局部自由度不影响整个机构运动的局部的独立运动，称为局部自由度。计算机构自由度时，应将局部自由度除去不计。n=3、PL=3、PH=1F=3×3−2×3−1=2n=2、PL=2、PH=1F=3×2−2×2−1=13、虚约束机构中，与其它约束重复而不起限制运动作用的约束，称为虚约束。计算机构自由度时应将虚约束去除不计。在机构中联接构件上点的轨迹和机构上联接点的轨迹重合，形成虚约束，称为轨迹重合的虚约束。转动副轴线重合的虚约束。当两构件在多处形成转动副并轴线重合，则其中只有一个转动副起实际约束作用，其余转动副均为虚约束。移动副导路平行的虚约束。当两构件在多处形成移动副并导路相互平行，则其中只有一个移动副起实际约束作用，其余移动副均为虚约束。机构对称部分的虚约束注意：只有特定条件下（如轴线重合、导路平行等）才能构成虚约束，否则将成为实际约束阻碍机构运动。虚约束虽不影响机构的运动，但却可以增加构件的刚度，改善受力情况，保证传动的可靠性等。因此，虚约束在机构设计中被广泛应用。机构中对传递运动不起独立作用的对称部分，会形成虚约束。平面连杆机构平面连杆机构由若干个构件用低副联接组成的平面机构。平面连杆机构的类型很多，其中最简单应用最广泛的是由四个构件组成的平面四杆机构。铰链四杆机构图中构件4为固定件，称为机架；联接在机架上的构件1、3称为连架杆；不与机架联接的构件2称为连杆。连架杆能作整周回转的称为曲柄，只能作往复摆动的称为摇杆。铰链四杆机构的基本形式铰链四杆机构中可按两连架杆是否成为曲柄或摇杆分为三种基本形式：1、曲柄摇杆机构两连架杆中，若一为曲柄，另一个为摇杆，则称此机构为曲柄摇杆机构。当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。例如雷达天线的调整机构。当机构中摇杆为原动件时，则可将摇杆的往复摇摆，转变为曲柄的整周转动。例如缝纫机的踏板机构。2、双曲柄机构铰链四连杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则此机构称为双曲柄机构。它可将原动曲柄的等速转动变换成从动曲柄的变速或等速转动。如：惯性筛机构，当主动曲柄1等速转动时，从动曲柄3作变速转动。双曲柄机构中若两组杆平行并长度相等，则该机构为平行四边形机构，两曲柄以相同的角速度转动，如火车车轮的联动机构。若相对杆长度相等，但不平行，则该机构为反平行四边形机构。反平行四边形机构主动曲柄作等速转动时，从动曲柄反向等速或变速转动。车门启闭机构就是利用反平行四边形机构的运动特点，使两扇车门同时开启或关闭。3、双摇杆机构铰链四连杆中，两连架杆均为摇杆的称为双摇杆机构。如：港口起重机，利用两摇杆的摆动，使重物能沿近似水平的直线移动。铰链四杆机构的演化曲柄摇杆机构，摇杆上C点的轨迹是以D为中心，CD为半径的圆弧。若CD的长度趋于无穷大，则C点的轨迹变成直线。于是该机构演化成含有滑块的机构。曲柄滑块机构广泛用于内燃机、空气压缩机和冲床等。导杆机构若将曲柄滑块机构的构件1改为机架，即得到导杆机构。牛头刨床主体机构1234摇块机构若将曲柄滑块机构的构件2改为机架，即得到摇块机构。自卸车车箱翻转机构定块机构若将曲柄滑块机构的构件4改为机架，即得到定块机构。四杆机构的基本特性四杆机构在传递运动和力时，通过行程速比系数、压力角、传动角等参数反映出一些特性。1、急回特性曲柄摇杆机构，原动件曲柄运转一周的过程中，两次与连杆共线，即AB1C1、AB2C2，对应着摇杆的两个极限位置。曲柄以等角速度ω从极限位置1转到2时，曲柄转角φ1=180°+θ曲柄继续从2转到1时，曲柄转角φ2=180°-θω上述过程中，摇杆往复的摆角都是ψ，曲柄是等角速度转动，但转角不同，即φ1＞φ2，则摇杆上C点往返的平均速度V1＜V2，即回程速度快，这种运动特性称为急回特性。机构的急回特性可用行程速比系数K表示V2φ1180º+θK=——=——=————V1φ2180º-θ2、压力角与传动角曲柄摇杆机构中，主动曲柄通过连杆作用在摇杆CD上的力F，将沿BC方向。F分解为沿C点速度Vc方向的Ft和沿CD方向的Fn。其中Fn对运动副产生径向压力，只增加磨损；Ft则是推动摇杆的有效分力。α为压力角，γ为传动角，α越小，γ越大机构传力性越好。一般机械常取γmin大于40º。3、死点位置曲柄摇杆机构中，如果以摇杆为原动件，在从动曲柄与连杆共线位置时，传动角γ=0，该位置称为机构的死点。此时不论摇杆通过连杆作用在曲柄上的力有多大，也不能推动曲柄转动。为使机构能顺利通过死点，必须采取相应的措施，通常是在从动曲柄上安装飞轮，利用飞轮的惯性通过死点。也可以采用多组机构错位排列的办法避开死点，如汽缸V形排列的内燃机。工程上有时也利用死点特性实现特定工作要求。