机械设计基础教案

授课内容：绪论目的要求:了解机械设计基础课程研究对象及学习要求重点难点：重点：课程学习要求难点：课程学习要求计划学时：2绪论第一节本课程研究的对象和内容本课程研究对象：机械（机器与机构的总称机器的定义：执行机械运动的装置机器的分类机器主体部分由机构组成曲柄滑块机构:活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴连续转动凸轮机构:凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；齿轮机构:两个齿轮保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作；机械是机器和机构的总称第二节本课程在教学中的地位一、本课程的特点是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用，同时，为后续课程的学习打下基础通过本课程的学习，可以培养大家初步具备运用手册设计简单机械设备的能力，为今后操作、维护、机构的分类通用机构专用机构用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等只能用于特定场合，如钟表的发条机构机械原理机械设计：研究机器、机构运动原理：研究组成机器、机构的零件设计原理设计基础机械机器工作机原动机将其他形式的能量转化为机械能的机器利用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器机器的功能组成动力部分传动部分控制部分执行部分65438712910管理、革新工程机械设备创造条件三、怎样学好本课程1.重思考，常想几个问题：A.什么样子B.怎么运动C.工作原理、方式D.现实生活中的实际例子2.会查表、会用工具书3.不注重公式的记忆——哪些公式要记忆，会在课堂上和考试前提醒4.多看一些设计方面的书，如工业设计、机械优化设计等5.一定要会几个设计软件二维的：AUTOCAD三维的：Pro/E、UG等授课内容：第1章平面机构的自由度和速度分析（§1.1—§1.2）目的要求:熟悉运动副的分类重点难点：重点：运动副的分类难点：运动副的分类计划学时：2第一节平面机构的组成基本概念1、平面机构的定义：所有构件都在互相平行的平面内运动的机构2、自由度：构件所具有的独立运动个数一个平面构件有三个自由度，在空间内，一个构件有几个自由度？3、运动副：两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。1、低副：两构件通过面接触组成的运动副2、高副：两构件通过点或线接触组成的运动副运动副的表示授课内容：第1章平面机构的自由度和速度分析（§1.3—§1.4）目的要求:理解平面机构运动简图的绘制原理、熟悉机构自由度计算重点难点：重点：平面机构运动简图的绘制自由度计算难点：自由度计算计划学时：2低副移动副转动副组成运动副的两构件只能在一个平面内相对转动组成运动副组成运动副的两构件只能沿某一直线相对移动组成的运动副运动副的分类低副高副齿轮副球铰链螺旋凸轮副转动副移动副高副第二节平面机构的运动简图平时观察机构的组成及运动形式时，不可能将复杂的机构全部绘制下来观看，应该将不必要的零件去掉，用简单的线条表示机构的运动形式：机构的运动简图、机构简图步骤1、运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；2、测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）；3、按比例绘制运动简图；简图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm4、检验机构是否满足运动确定的条件。举例：绘制图示颚式破碎机的运动简图第三节平面机构的自由度一、平面机构自由度计算公式机构的自由度保证机构具有确定运动，机构中各构件相对于机架的独立运动数目DCBA1432一个原动件只能提供一个独立运动机构具有确定运动的条件为自由度=原动件的个数平面机构的每个活动构件在未用运动副联接之前，都有三个自由度经运动副相联后，构件自由度会有变化：自由度的计算公式F=3n－(2PL+Ph)二、计算平面机构自由度的注意事项1、复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副相联例如：计算图示机构的自由度解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL－PH=3×7－2×10－0=12、局部自由度：与输出件运动无关的自由度出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp例如:计算图示两种凸轮机构的自由度本例中局部自由度FP=1F=3n－2PL－PH－FP=3×32×3－1－1=1或计算时去掉滚子和铰链：F=3×2－2×2－1=13、虚约束：对机构的运动实际不起作用的约束计算自由度时应去掉虚约束例如：已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1活动构件构件总自由度3×n低副约束数2×PL高副约束数1×Phn授课内容：第2章平面四杆机构（§2.1—§2.2）目的要求:了解铰链四杆机构的基本型式和特性、铰链四杆机构有整转副的条件重点难点：重点：平面四杆机构的基本特性难点：平面四杆机构的基本特性计划学时：2第一节铰链四杆机构的基本型式和特性1）曲柄摇杆机构:两连架杆中，一个为曲柄，而另一个为摇杆。2）双曲柄机构两连架杆均为曲柄。3）双摇杆机构两连架杆均为摇杆。急回特性v1=C1C2/t1v2=C1C2/t21=180°+θ,2=180°-θ∵12,∴t1t2,v1v2行程速比系数K=输出件空回行程的平均速度输出件工作行程的平均速度θ=180°（K-1）/（K+1）机构的死点位置摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有:γ＝0此时机构不能运动，称此位置为：“死点”连架杆连杆连架杆机架摆角θψCC11CC22DDAABB11BB22BB1CC2极位夹角避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;靠飞轮的惯性第二节铰链四杆机构有整转副的条件平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄整转副存在的条件最长杆与最短杆的长度之和应≤其他两杆长度之和整转副是由最短杆（曲柄）与其邻边组成的当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如曲柄摇杆1、曲柄摇杆2、双曲柄、双摇杆机构F’’’’’B’C’ABEFDCGABCDl1l2l3l4授课内容：第2章平面四杆机构（§2.3—§2.4）目的要求:了解铰链四杆机构的基本型式和特性、铰链四杆机构有整转副的条件重点难点：重点：平面四杆机构的基本特性难点：平面四杆机构的基本特性计划学时：22.3铰链四杆机构的演化通过前面的学习，我们知道在铰链四杆机构中，可根据两连架杆是曲柄还是摇杆，把铰链四杆机构分为三种基本形式——曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，而后两种可视为曲柄摇杆机构取不同构件作为机架的演变。通过用移动副取代回转副、变更杆件长度、变更机架和扩大回转副等途径，还可以得到铰链四杆机构的其他演化形式。下面我们分别用几幅图来说明。2.3.1曲柄滑块机构请看下图所示的曲柄滑块机构。曲柄滑块机构2.3.2曲柄滑块机构的演化1．导杆机构见下图的曲柄滑块机构演化的导杆机构。曲柄滑块机构的演化2．摇块机构见下所示的卡车车厢自动翻转卸料机构。自卸货车3．定块机构见下图所示的抽水唧筒。抽水唧筒2.3.3双滑块机构双滑块机构：是具有两个移动副的四杆机构。我们可以认为是铰链四杆机构两杆长度趋于无穷大演化而成。下图所示的这种机构中的两种，一种是从动件3的位移与原动件转角的正切成正比，称为正切机构。另外一种是从动件3的位移与原动件转角的正弦成正比，称为正弦机构。正切机构正弦机构2.3.4偏心轮机构再来看下图所示的为偏心轮机构。杆1为圆盘，其几何中心为。因运动时该圆盘绕偏心转动，故称偏心轮。，之间的距离称为偏心距。按照相对运动关系，可画出该机构的运动简图。偏心轮是回转副扩大到包括回转副而形成的，偏心距即是曲柄的长度。偏心轮机构2.4平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计归纳起来主要有两类问题:1．按照给定从动件的运动规律（位置、速度、加速度）设计四杆机构；2．按照给定轨迹设计四杆机构。平面四杆机构的设计方法：1.图解法：直观清晰2.解析法：结果精确3.实验法：简便易行2.4.1按给定的行程速度变化系数设计四杆机构铰链四杆机构在下所示的曲柄摇杆机构中，已知行程速度变化系数、摇杆的长度和摆动的角度，要求设计四杆机构。设计步骤如下:1．计算极位夹角，。2．任意选定转动副的位置，并按的长度和角大小画出摇杆的两个极限位置和。3．连接，过作，过作直线垂直于，与相交于点。作三点的外接圆，则圆弧上任意一点与连线的夹角。故曲柄的回转中心应在圆弧上。若再给定其他辅助条件，如机架转动副间的距离，或处的传动角，则点的位置便可完全确定。按行程速度变化系数设计铰链四杆机构4．点位置确定后，按曲柄摇杆机构极限位置，曲柄与连杆共线的原理可得，由此可求出曲柄长度连杆长度2.4.2按给定连杆的两个或三个位置设计四杆机构如下所示，是连杆要通过的三个位置，该四杆机构可如下求得:按给定连杆三个位置设计四杆机构1．连接。2．分别作的中垂线，两条中垂线相交于点。3．分别作的中垂线，两条中垂线相交于点。则交点，就是所求铰链四杆机构的固定铰链中心，即为所求的铰链四杆机构在第一个位置时的机构图。通过上面分析可以知道，若知连杆两个位置，则点,可分别在中垂线,上任意选择，因此有无穷多解。若再给定辅助条件，则可得一个确定的解。授课内容：第3章凸轮机构（§3.1—§3.2）目的要求:了解凸轮机构的应用和分类、从动件的常用运动规律重点难点：重点：从动件的常用运动规律难点：从动件的常用运动规律计划学时：23.1凸轮机构的应用和分类3.1.1凸轮机构的应用凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，主要由凸轮、从动件和机架三个构件组成。凸轮通常作连续等速转动，从动件则按预定运动规律作间歇（或连续）直线往复移动或摆动。请看下图所示的内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。内燃机配气机构送料机构上图所示则是自动送料机构。当有凹槽的凸轮1转动时，通过槽中的滚子3，驱使从动件2作往复移动。凸轮每转一周，从动件即从储料器中推出一个毛坯送到加工位置。3.1.2凸轮机构的分类接下来学习凸轮机构的分类。如果按凸轮的形状分，可以分为：①盘形凸轮：如下图(a)所示。②移动凸轮：如下图(b)所示。③圆柱凸轮：如下图(c)所示。凸轮的类型如果按从动件的形状分，可以分为：①尖顶从动件：如下图(a)所示。②滚子从动件：如下图(b)所示。③平底从动件：如下图(c)所示。从动件的类型3.2从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律有下面三种：1.等速运动规律2.等加速等减速运动规律3.简谐运动规律3.3图解法设计盘形凸轮轮廓3.3.1图解法原理凸轮轮廓的设计原理按从动件的已知运动规律绘制凸轮轮廓的基本原理是反转法。根据相对运动原理，若将上图所示的整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）加上一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的公共角速度（），此时各构件之间的相对运动关系不变。这样，凸轮静止不动，而从动件一方面随机架和导路一起以等角速度“”绕凸轮转动，另一方面又按已知运动规律在导路中作往复移动（或摆动）。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓保持接触，所以反转后从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓。凸轮机构的类型虽然有多种，但绘制凸轮轮廓的基本原理及方法是相同的，凸轮轮廓都按反转法原理绘出。下面以常见的盘形凸轮为例，说明凸轮轮廓曲线的绘制方法。3.3.2尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的设计我们来看一个例题设已知凸轮逆时针回转，其基圆半径=30mm，从动件的运动规律为凸轮转角0°～180°180°～300°300°～360°从动件的运动规律等速上升30mm等加速等减速下降回到原处停止不动试设计此凸轮轮廓曲线。解:设计步骤如下:1．按一定比例尺=0.002m/mm绘制从动件的位移线图（见下图(a)）。2．按同一比例尺=，以为半径作基圆，基圆与导路的交点即为从动件尖顶的起始位置。3．等分位移线图的横坐标和基圆。根据反转法原理，按位移线图中横坐标的等分数，从开始，沿的方向将基圆圆周分成相应的等分数，以射线，，，…代表机构反转时各个相应位置的导路，各射线与基圆的交点为，，，…。4．从位移线图量取，，，…，得，，，…。5．以光滑曲线连接，，，…，即得凸轮的轮廓曲线（见下图(b)）。如果采用滚子从动件，由于滚子中心是从动件上的一个固