机械设计基础--总结

1第一章总论§1.1有关名称一、教材名称：机械设计基础（机械原理及机械设计）＝机械原理＋机械设计机械原理：研究机械组成的设计、运动学、动力学；机械设计：介绍机械零件的设计、计算方法。二、有关名词组成：原动――传动――工作机器：1、各种人为的组成特征：2、各构件具有确定的相对运动3、完成一定的机械运动机构：具有机器的1、2特征机械：机器和机构的总称构件：运动的单元体例如：齿轮＋轴＋键零件：加工的单元体通用零件：各类机械通用：齿轮、轴、轴承专用零件：特殊机械－风叶片、螺旋桨、曲轴2§1.2本课程重要性、地位、研究对象、学习方法一、课程重要性1、机械制造工业的技术水平是衡量国家科技水平、经济实力。2、机械工业是一切工业的基础，是我国经济的支柱产业。3、汽车、、纺织、电力、电子、食品工业、石化等对机械工业的发展提出了更高的要求。4、机械工业在各种工业中所占的比例越来越大（在各项投资中占大部分的比例）。5、手工业：传统工业：高技术产业＝1：10：1006、我国机械工业现状－落后－劳动生产率是发达国家的1/40.CAD利用率低：发达国家60%==我国5％数控技术：普及＝＝0.1%关键机械产品：我国依赖进口成果少。产品少例如：汽车跑合、铣床加工技术二、课程的性质及地位1、技术基础课＋设计性课程：与实际联系十分密切。2、涉及课程多力学：理论力学、材料力学金属工艺学、金属材料、热处理、公差测量制图、数理化等等33、地位承上启下：综合先修课程为专业课打基础三、课程的研究对象机械原理：研究机构的分析和综合的学科。（不涉及：强度、结构、外形、工艺――只研究机构的组成的原理）机械零件：研究组成机械零件设计的学科，包括：强度、机构、外形、工艺、润滑、装配和选材等等。四、课程的特点、学习方法与要求1、课程特点（1）处理问题和基础课不同（2）个章节不系统、各自独立、自成体系、有专业课特点（3）与理论课的区别：基础课：现象和假设－实验、推理、证明－新理论－应用新问题设计性课程：社会需要－设计－生产－使用新需要42、学习方法（1）掌握基本原理，注意公式和数据的使用的条件，不要生搬硬套；（2）力求最佳方案（3）重视结构设计（4）重视经济性：考虑加工、材料、重量§1.3机械零件的常用材料及钢的热处理热处理概念§1.4机械零件结构工艺性省略总费用设计制造使用复杂程度费用相对价格粗糙度0.20.42.012.53.45§1.5许用应力和安全系数一、载荷和应力载荷(外力)静载荷－不随时间变化或变化很小动载荷－随时间变化周期－如齿轮的啮合非周期－如汽车轴应力(内力)静载－不随时间变化：γ＝/＝＋1对称：γ＝ζmin/ζmax＝－1变载－随周期T变化脉动：γ＝ζmin/ζmax＝0非对称：γ＝ζmin/ζmax＝＋1～－1极限应力ζlim(应讲清概念)静应力：ζlim=ζs（塑性材料）ζlim=ζb（脆性材料）变应力：与循环次数、循环特性γ有关。N～ζγ二、许用应力和安全系数[ζ]＝ζlim/S；[η]=ηlim/S。安全系数S选取：零件的重要性、材料的可靠性、计算的准确N循环次数ζ疲劳曲线ζminζmaxN循环周期ζ6性、应力集中、材料尺寸的大小、表面状态…。(S大零件尺寸大)1、查表法：应用广、使用方便、可靠、范围广。p118表5－42、部分系数法：S1：计算正确性系数；S2：机械性能均匀性S3：零件的重要性作业：习题1－1，1－2第二章平面机构的运动简图及其自由度平面机构――各构件都相互平行的平面内运动的机构§2.1运动副及分类运动副――活动联接并有一定相对运动。分类：高副－直接接触为点、线接触。如：凸轮副、齿轮副（图2－4）低副－直接接触为面接触。如：回转副、移动副（图2－2、3）空间运动副－（图2－5）§2.2平面机构的运动简图7平面机构的运动简图－避开构件的外形和构造，只用简单线条和符号表示构件间相对运动关系的简单图形。举例：p28图2－6参考p28表2－1构件分类：机架－固定的构件，支持活动构件；原动件－运动规律已知的构件；从动件－除原动件以外的活动构件。例如：画运动简图：分析运动：原动件――从动件――构件数分析相对运动性质：高副；低副；比例尺画：先定机架位置举简单例子：§2.3平面机构的自由度问：能不能完成设计功能？运动是否确定？123448计算自由度的目的：判别机构是否具有确定的运动条件。一、平面机构的自由度自由度－机构独立运动数。如何计算：一个构件在空间运动有六个自由度一个构件在平面运动有六个自由度构件＋构件－运动副－约束－自由度构件数目:n构件数――自由度自由度与运动副类型：高副、低副运动副――约束数运动副数目：低副数PL、高副数Ph平面机构总自由度＝3×n高副约束一个自由度，低副约束两个自由度所以，机构自由度：F＝3n－2PL－Ph确定运动条件与自由度有什么关系？分析：原动件＝1；运动确定12349原动件＝2；运动破坏F＝3×3－2×4＝1原动件＝1；运动不确定原动件＝2；运动确定F＝3×4－2×5＝2结论：原动件数＝自由度数运动确定原动件数自由度数机构破坏原动件数自由度数运动不确定0≥自由度数不动具有确定运动的条件是：原动件＝自由度数自由度数0二、注意事项1、复合铰链F＝3×5－2×6＝3区分不同m个构件组成的复合铰链具有(m－1)个回转副。12354102、局部自由度F＝3×3－2×3＝2*滚子转动与机构运动无关3、虚约束（1）轨迹重合F＝3×4－2×6＝0（2）两平行运动副F＝3×1－2×2＝－1（3）两回转副F＝3×1－2×2＝－1*虚约束的好处是：增强机构的刚度作业：要求用尺和圆规作图p362-5a,d;f;g;12311第三章平面连杆机构序连杆机构――全部是低副的机构连杆机构的特点：1、能实现多种运动变化：2、能实现预定的运动规律；刨床能实现预定的运动轨迹：鹤式起重机(图3－31)；搅拌机3、低副的特点：面接触－压强小－磨损小－寿命长－易加工－精度高4、精确实现预定的运动很困难；机械平衡困难：速度－振动图12－1；12－4；12－7摆动转动直动图3－5图3－2图3－3图1－112§3.1铰链四杆机构的基本形式铰链四杆机构――全部是回转副的机构曲柄1－绕固定铰链转动的构件连杆2－不与机架相连的构件摇杆3－绕固定铰链来回摆动的构件机架4－相对固定不动的构件铰链四杆机构的基本形式：――曲柄摇杆机构、双摇杆机构、双曲柄机构一、曲柄摇杆机构曲柄(等速转动)―――摇杆(不均匀往复摆动)应用举例：1、缝纫机2、牛头刨床p42图3－2横向进给装置（一）急回作用图3－41234ψθθ1θ2c1c213θ极位夹角――连杆在摇杆极限位置时的夹角θ1＝180°＋θθ2＝180°-θt1(c1-c2)t2(c2-c1)v1=c1c2/t1v2=c2c1/t2极位夹角θ――－急回作用行程速比系数K(二)、死点在曲柄摇杆机构中在摇杆主动时会产生死点。极限位置＝死点位置消除死点的方法飞轮旋转曲柄死点的利用图3－6夹紧机构(三)介绍压力角与传动角概念180180212112ttvvK14曲柄一样长――等速等速：机构中常用：如图3－10等曲柄不一样长――等速变速机械中常用：如举例：三、双摇杆机构摆动―――摆动应用举例：p51图3－13§3.2铰链四杆机构存在曲柄条件曲柄――必须能通过两个极限位置B1、B2通过B1和B2的条件证明：(l能作整圈转动)鹤式起重机p67图3－31汽车转向机构ψθc1c2Al1l2L3L4L2+L3BDC天平快回慢进惯性筛15在三角形ΔAC1D中l1≤（l3－l2）＋l4l1＋l2≤l3＋l4l2≤（l3l4≤（l3－l2）＋l1l2＋l4≤l1＋l3l2≤（l1在三角形ΔAC2D中l2＋l3≤l1＋l2l2＋l3≤l1＋l4l2≤（l4结论：存在一个曲柄的条件：1、曲柄是最最短件(连机架)2、最短件＋最长件≤其他两构件之和推论：1、条件2不成立―――――双摇杆2、条件2成立――――最短件是机架双曲柄机构最短件对边为机架双摇杆机构条件2Yes最短件连机架杆机架连杆曲柄机构双曲柄双摇杆No条件2Yes最短件连机架杆机架连杆曲柄机构双曲柄双摇杆No16§3.3铰链四杆机构的演化一、扩大回转副回转副转化为移动副二、取不同构件为机架(满足条件2)23413241回转中心几何中心12R4R＝∞1234e偏置1243对置e=012341243摇块机构1243转动导杆机构4123摆动导杆机构1243曲柄滑块1234曲柄摇杆1234双曲柄1234曲柄摇杆17作业：问：1、若为曲柄摇杆，AB为曲柄，求LABMAX2、若为双曲柄，求LAB3、若为双摇杆，求LAB。第四章凸轮机构§4.1凸轮的应用和分类凸轮――具有曲线轮廓或凹槽的构件组成从动件机架一、应用p71图4－14123定块机构4123双摇杆A1BCD503518二、机构特点(与平面连杆机构比较)1、结构简单、紧凑、易设计、可较精确实现运动规律、广泛用于自动化机械中。2、高副易磨损，一般不用于传递动力。3、实现轮廓的精加工困难三、分类盘形－图4-1，4-2具有变化半径的盘形零件按凸轮的形状分：移动－图4-4，盘形凸轮回转中心距无限大圆柱－图4-3，移动凸轮围成圆柱体空间运动尖底－可实现任意从动件运动，易磨损，低速轻载。按从动件的形状分滚子－耐磨，承载力大，应用广图4－4平底－形成楔形油膜――适用于高速图4－1§4.2从动件常用运动规律不同凸轮的轮廓从动件的运动规律不同，设计时首先要确定从动件运动规律，然后，再作出凸轮的轮廓曲线。h－升程，凸轮的最大位移δ1－推程运动角平面运动δ1δ4δ2δ3h19δ2－远休止角δ3－回程运动角δ4－近休止角ro－基圆半径，凸轮的最小半径。常用从动件运动规律一、等速运动－从动件运动速度为常数位移方程：速度方程：加速度方程：分析：S2v2a2δ/tδ/tδ/thδ1+∝-∝12hs11'22hdtdhsv0'2vatvvdtdvast20limtvvdtdvast20lim起始时：终止时：20说明：刚性冲击――加速度产生的惯性力，理论上无限大，冲击极大－由于材料的弹性是不可能无限大的。等速运动――只宜低速，适用从动件质量较小的凸轮。修正等速运动二、等加速等减速运动柔性冲击适宜中速位移简图画法11v2a2δ/tδ/tδ/ta0-a0S2hS2hδ/t10231492021tas2ts214293三、简介正弦余弦(简谐运动)加速度运动位移p78§4.3盘形凸轮轮廓的曲线设计解析法：结果精确、计算繁琐。要求坐标值。图解法：简单易懂，直观、但不精确。一、反转法原理凸轮不动――从动件绕－ω转动尖底从动件――其尖端轨迹为凸轮轮廓滚子、平底从动件－其包络线为凸轮轮廓二、对心直动从动件凸轮轮廓曲线设计举例已知条件δ1＝180°等速；δ2＝90°等加速等减速；δ3＝90°休止；r0＝50mm；h＝30mm.凸轮转动方向为逆时针，作凸轮轮廓。22解：1、作位移线图2、画凸轮轮廓曲线(1)、注意h与r0比例必须一致；(2)、先作基圆(3)、按-ω确定δ1、δ2、δ3(4)、量取位移量(5)、光滑连接3、滚子从动件、平底从动件的包络线(注意：理论轮廓线和实际轮廓线)三、滚子半径与凸轮基圆半径的选择1、滚子半径的选择受力强度来看：滚子半径r0越大越好,但受凸轮最小半径ρmin的影响p86例子：对外凸δ1δ2δ3δ/tshδ106120012345612S2v2VB1ααth23ρminrk光滑ρmin=rk发尖ρminrk失真对内凹不受以上限制2、压力角与基圆半径分析式4－3：压力角α――r0――凸轮机构紧凑，但受力不好压力角α―――――自锁选择参数注意：机构要求不紧凑时，r0可取大些，α受力好αmax≤[α]时，推程直动[α]≤30°摆动[α]≤45°回程：[α]≤70°~80°tgrtgvvB11220srr2120stgvr（4-3）24作业：作一尖底盘形凸