16机械传动机构设计

第一章绪论基本要求:1.明确机械原理课程的研究对象和内容，以及学习本课程的目的。2.了解机械原理在培养机械类高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用。3.了解机械原理学科的发展趋势。教学内容:1.机械原理课程的研究对象2.机械原理课程的研究内容3.机械原理课程的地位及学习本课程的目的4.机械原理课程的学习方法重点难点:本章的学习重点是机械原理课程的研究对象和内容，机器、机构和机械的概念，机器和机构的用途以及区别；了解机械原理课程的性质和特点。1.1机械原理课程的研究对象机械是人类用以转换能量和借以减轻人类劳动、提高生产率的主要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。机械工业是国民经济的支柱工业之一。当今社会高度的物质文明是以近代机械工业的飞速发展为基础建立起来的，人类生活的不断改善也与机械工业的发展紧密相连。机械原理（TheoryofMachinesandMechanisms）是机器和机构理论的简称。它以机器和机构为研究对象，是一门研究机构和机器的运动设计和动力设计，以及机械运动方案设计的技术基础课。机器的种类繁多，如内燃机、汽车、机床、缝纫机、机器人、包装机等，它们的组成、功用、性能和运动特点各不相同。机械原理是研究机器的共性理论，必须对机器进行概括和抽象内燃机与机械手的构造、用途和性能虽不相同，但是从它们的组成、运动确定性及功能关系看，都具有一些共同特征：（1）人为的实物（机件）的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。（3）能完成有用机械功或转换机械能。凡同时具备上述3个特征的实物组合体就称为机器内燃机和送料机械手等机器结构较复杂，如何分析和设计这类复杂的机器呢？我们可以采取“化整为零”的思想，即首先将机器分成几个部分，对其局部进行分析。机构是传递运动和动力的实物组合体。最常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。它们的共同特征是：（1）人为的实物（机件）的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。可以看出，机构具有机器的前两个特征。机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。在开发设计新型机器时，我们采用“积零为整”的设计思想，根据机器要完成的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型机器。内燃机就是由曲柄滑块机构(由活塞、连杆、曲轴和机架组成)、凸轮机构(由凸轮、顶杆和机架组成)和齿轮机构等组成。随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：1．某些情况下，机件不再是刚体，气体、液体等也可参与实现预期的机械运动。我们将利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构统称为广义机构。由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液压机构和气动机构，它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。利用光电、电磁物理效应，实现能量传递或运动转换或实现动作的一类机构，应用也十分广泛。例如，采用继电器机构实现电路的闭合与断开；电话机采用磁开关机构，提起受话器时，接通线路进行通话，当受话器放到原位时断路。2．机器内部包含了大量的控制系统和信息处理、传递系统。3．机器不仅能代替人的体力劳动，还可代替人的脑力劳动。除了工业生产中广泛使用的工业机器人，还有应用在航空航天、水下作业、清洁、医疗以及家庭服务等领域的服务型机器人。例如Sony公司新近推出的SDR-3X娱乐机器人。1.2研究内容机械原理课程的研究内容分为以下三部分：（1）机构的运动设计主要研究机构的组成原理以及各种机构的类型、特点、功用和运动设计方法。通过机构类型综合，探索创新设计机构的途径。主要内容包括机构的组成和机构分析、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等一些常用的机构及组合方式，阐述满足预期运动和工作要求的各种机构的设计理论和方法。（2）机械的动力设计主要介绍机械运转过程中所出现的若干动力学问题，以及如何通过合理设计和实验改善机械动力性能的途径。主要包括求解在已知力作用下机械的真实运动规律的方法、减少机械速度波动的调节问题、机械运动过程中的平衡问题、以及机械效率和摩擦问题。（3）机械系统方案设计主要介绍机械系统方案设计的设计内容、设计过程、设计思路和设计方法。主要内容包括机械总体方案的设计和机械执行系统的方案设计等内容。通过对机械原理课程的学习，应掌握对已有的机械进行结构、运动和动力分析的方法，以及根据运动和动力性能方面的设计要求设计新机械的途径和方法。1.3机械原理课程的地位和作用机械原理是以高等数学、物理学及理论力学等基础课程为基础的，研究各种机械所具有的共性问题；它又为以后学习机械设计和有关机械工程专业课程以及掌握新的科学技术成就打好工程技术的理论基础。因此，机械原理是机械类各专业的一门非常重要的技术基础课，它是从基础理论课到专业课之间的桥梁，是机械类专业学生能力培养和素质教育的最基本的课程。在教学中起着承上启下的作用，占有非常重要的地位。其目的在于培养学生以下几点：1.掌握机构运动学和机械动力学的基本理论和基本技能，并具有拟定机械运动方案、分析和设计机构的能力，为学习机械设计和机械类有关专业课及掌握新的科学技术打好工程技术的理论基础。2.掌握机构和机器的设计方法和分析方法，为现有机械的合理使用和革新改造打基础。3.掌握创新设计方法，培养创造性思维和技术创新能力，针对原理方案设计阶段，为机械产品的创新设计打下良好的基础。1.4机械原理课程的学习方法1.学习机械原理知识的同时,注重素质和能力的培养。在学习本课程时，应把重点放在掌握研究问题的基本思路和方法上，着重于创新性思维的能力和创新意识的培养。2．重视逻辑思维的同时,加强形象思维能力的培养。从基础课到技术基础课，学习的内容变化了，学习的方法也应有所转变；要理解和掌握本课程的一些内容，要解决工程实际问题，要进行创造性设计，单靠逻辑思维是远远不够的，必须发展形象思维能力。3．注意把理论力学的有关知识运用于本课程的学习中。在学习本课程的过程中，要注意把高等数学、物理、理论力学和工程制图中的有关知识运用到本课程的学习当中。4．注意将所学知识用于实际,做到举一反三。第二章平面机构的结构分析基本要求:1.熟练掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。2.掌握运动链成为机构的条件。3.熟练掌握机构自由度的计算方法。能自如地运用平面机构自由度计算公式计算机构自由度。能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。4．了解机构的组成原理和结构分析的方法。了解高副低代的方法；学会根据机构组成原理，用基本杆组、原动件和机架创新构思新机构的方法。教学内容:1机构的组成；2机构运动简图；3机构的自由度的计算及机构具有确定运动的条件；4机构的组成原理和结构分析。2.1机构的组成1．构件与零件构件：从运动的观点分析机械时，构件是参加运动的最小单元体。构件可以是一个零件，也可以是由多个零件组成的刚性系统。零件：从制造的观点分析机械时，零件是组成机械的最小单元体。任何机械都由许多零件组合而成的。2．运动副及其分类运动副：两构件直接接触所形成的可动联接。运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目。两个构件构成运动副后，构件的某些独立运动受到限制，这种限制称为约束。约束：运动副对构件的独立运动所加的限制。运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。运动副的分类：1)按运动副的接触形式分：低副：构件与构件之间为面接触，其接触部分的压强较低。高副：构件与构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。2)按相对运动的形式分平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动。空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动。3)按运动副引入的约束数分类引入1个约束的运动副称为1级副，引入2个约束的运动副称为2级副，引入3个约束的运动副称为3级副，引入4个约束的运动副称为4级副，引入5个约束的运动副称为5级副。4．按接触部分的几何形状分3．运动链运动链是指两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。闭式运动链（闭链）：运动链的各构件构成首末封闭的系统。开式运动链（开链）：运动链的各构件未构成首末封闭的系统。在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。机构：具有确定运动的运动链。机架：机构中固定不动的构件；原动件：按照给定运动规律独立运动的构件从动件：其余活动构件。平面机构：组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互平行的平面内。空间机构：机构的各构件的相对运动不在同一平面内或平行的平面内。2.2运动简图机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，还是构思新机械的运动方案和对组成新机械的各种机构作进一步的运动及动力设计时，需要一种表示机构的简明图形——机构运动简图。机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相同运动特性。机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。功用：1.现有机械分析2.新机械总体方案的设计机构简图的绘制步骤：1.分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；2.沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；3.适当地选择运动简图的视图平面；4.选择适当比例尺(=实际尺寸(m)/图示长度(mm))，用机构简图符号，绘制机构运动简图。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。2.3机构自由度的计算及具有确定运动的条件1.机构自由度的概念：机构的独立运动数称为机构的自由度。2.平面机构自由度的计算机构的自由度取决于活动构件的数目、联接各构件的运动副的类型和数目。（1〕平面机构自由度计算的一般公式设一个平面机构中共有n个活动构件，在用运动副将所有构件联接起来前，这些活动构件具有3n个自由度。当用hp个高副、lp个低副联接成运动链后，这些运动副共引入了hlpp2个约束。由于每引入一个约束构件就失去了一个自由度，故整个机构相对于机架的自由度数为hlppnF23（1.1）该式称为平面机构的结构公式。3．计算平面机构自由度的注意事项(1)复合铰链定义：两个以上构件在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称为复合铰链。解决问题的方法：若有K个构件在同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（K-1）个(2)局部自由度定义：若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为局部自由度。局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。(3)虚约束在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其他运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。虚约束经常发生的场合：a.两构件之间构成多个运动副时；b.两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变时；c.联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时；d.机构中对运动不起作用的对称部分。a)b)c)d)机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动。采用虚约束是为了改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要。4．机构具有确定运动的条件：机构的自由度数等于机构的原动件数。【学习指导】本节的难点是正确判别机构中的虚约束。在学习时应首先搞清楚虚约束的概念，掌握机构中存在虚约束的特定几何