1、緒 論 0.1 機器的組成及特征0.2 課程的內容、地位和任務0.3 學習方法 0.1 機器的組成及特征一、概念 機械是人們用以代替或減輕體力(腦力)勞動、 改善勞動條件、 提高勞動生產效率的工具。在日常生活和工作中, 常把具體的機械叫做機器。 如汽車、 飛機、 摩托車、 起重機、 挖掘機、 電風扇、 縫紉機、 洗衣機等。 0.1 機器的組成及特例1：圖1-1 單缸內燃機由：缸體1、 活塞2、 連桿3、 曲軸4、 齒輪5和6、 凸輪軸7、 進氣門頂桿8、 排氣門頂桿9、 進氣門10、 排氣門11等組成。 圖 1 - 1 單缸內燃機 0.1 機器的組成及特征例112257891011當燃氣在氣缸

2、內推動活塞作往復移動時, 通過連桿使曲軸作連續轉動, 經進氣壓縮爆燃排氣的循環過程, 將燃氣熱能不斷地轉換為機械能。 0.1 機器的組成及特征例2圖1-2顎式破碎機： 在電動機1的軸上安裝V帶輪2, 通過V帶3驅動帶輪4, 偏心軸5隨之轉動, 使動顎6(動顎連在肘板8上)產生擺動, 從而破碎置于動顎6與定顎7之間的物料,完成有用的機械功。圖 1 - 2 顎式破碎機 內燃機、 破碎機都是執行機械運動的裝置, 用來變換或傳遞能量, 以代替人的勞動。 盡管它們的形態、 性能、 結構各異, 但都具有以下共同特征: 1. 是一種人為實體的組合； 2.各實體之間具有確定的相對運動； 3. 能進行能量、 物

3、料或信息的變換與傳遞, 并完成有用的機械功或實現能量轉換。 二、 構件與零件、 部件什么是構件？ 構件就是機構中的運動單元。 從運動角度看, 構件是一個具有獨立運動的單元體, 機構由具有確定的相對運動的構件組成。構件可以是一個獨立的零件, 也可以是由幾個零件剛性地連接組成的。從制造的角度看, 機器是由若干零件組成的, 零件是最小的制造單元。較復雜的機器是先由零件組裝成部件, 再由零件和部件組裝成機器。 例：圖1-3 內燃機連桿就是由單獨加工的連桿體1、 連桿頭2、 軸套3、 軸瓦4、 螺栓5和螺母6等零件組成的。 圖 1 - 3 內燃機連桿 從制造的角度看, 機器是由若干零件組成的, 零件是最

4、小的制造單元。 較復雜的機器是先由零件組裝成部件, 再由零件和部件組裝成機器。0.2 課程的性質、 內容和任務一、 課程的性質與地位 本課程是一門理論性、 實踐性、 綜合性較強的主干技術基礎課。 要綜合應用工程力學、 金屬工藝學、 工程制圖等課程知識解決機械設計中的問題, 較之以往的先行課更接近工程實際, 在教學中具有承上啟下的作用, 是機械工程技術人員及管理人員必修的課程之一。二、 課程的內容和任務 本課程的內容分兩部分: 一是常用機構及通用零部件的工作原理、 類型、 特點、 功能及應用等基本知識； 二是機構的基本理論和設計方法, 通用零部件的失效形式、 設計準則和設計方法。0.3 課程學習

5、特點 在本課程學習中應注意以下幾點: 1) 摸清規律, 系統學習。 本課程內容以篇、 章劃分, 各篇內容聯系密切, 共性突出, 自成系統； 各章內容特點明確, 知識點突出。 2) 勤于觀察, 善于思考。 本課程涉及知識面廣, 實踐性強, 重要的是如何綜合運用諸多知識, 解決實際問題。 (3) 注重實踐, 舉一反三。 本課程學習中要多練習, 多實踐, 多做簡單設計及模擬練習, 并要舉一反三, 加深對理論和方法的理解和應用, 在實踐中學, 在學中用, 努力提高工程實踐能力。 (4) 主次分明, 靈活應用。 機械設計中許多理論源于實踐并指導實踐, 教材中會介紹很多經驗公式、 參數表格及簡單計算, 學

6、習中要分清主次, 注重應用, 靈活掌握。(5) 注意綜合歸納, 提高實踐能力。 學習中要克服重視理論計算而忽視結構設計和工藝設計的傾向, 注意綜合歸納分析, 全面考慮各種因素, 求得最佳效果。第1章 機械設計概論 1.1 機械設計的基本要求1.2 機械設計的內容與步驟1.3 機械零件的失效形式及設計計算準則1.4 機械零件設計的標準化、系列化及通用化1.1 機械設計的基本要求1.1.1、設計機械零件的基本要求零件工作可靠零件在一定的工作條件下抵抗可能出現的失效的能力，對載荷而言稱為承載能力。 成本低廉1.合理選擇材料,降低材料費用；2.保證良好的工藝性,減少制造費用；3.盡量采用標準化、通用化

7、設計、簡化設計過程從而降低成本。1.1.2、設計機械的基本要求實現預定功能設計的機器應能實現預定功能，并在規定的工作條件下、規定的工作期限內能正常運轉。為此，必須正確選擇機器的工作原理、機構的類型和機械傳動方案，合理設計零件，滿足強度、剛度、耐磨性等方面的要求。 滿足可靠性要求機械產品的可靠性是由組成機械的零、部件的可靠性保證的。只有零、部件的可靠性高，才能使系統的可靠性高。機械系統的零、部件越多，其可靠度越低。為此，要盡量減少機械系統的零件數目，并對系統可靠性有關鍵影響的零件，必須保證其必要的可靠性。滿足經濟性要求 設計的機械產品應先進、功能強、生產效率高、成本低、使用維護方便、在產品壽命周

8、期內用最低的成本實現產品的預定功能。確保安全性要求要能保證操作者的安全和機械設備的安全，以及保證設備對周圍環境無危害，要設置過載保護安全互鎖等裝置。推行標準化要求設計的機械產品規格、參數符合國家標準，零部件應最大限度的與同類產品互換通用，產品應成系列發展，推行標準化、系列化、通用化，提高標準化程度和水平。體現工藝造型美觀要求重視產品的工藝造型設計，不僅要功能強、價格低，而且外型美觀、實用，使產品在市場上富有競爭力 1實現預定功能2滿足可靠性要求3滿足經濟性要求4操作方便、工作安全5推行標準化要6造型美觀、減少污染1.2 機械設計的內容與步驟1.2.1、機械設計的內容理論設計、經驗設計和模型設計

9、1.2.2、機械設計的步驟1.產品規劃 機械設計的任務是根據生產和市場需求提出的。 此時, 對所要設計的機械只是個模糊的概念。 1.產品規劃階段1.2 機械設計的內容與步驟2.方案設計階段方案設計包括機械系統總體方案設計、 傳動系統方案設計、 控制系統方案設計和其他輔助系統設計。2.方案設計階段1.2 機械設計的內容與步驟3.技術設計階段 機械的結構和技術設計是根據機構運動簡圖提出合理的結構設計方案, 進行產品的總體結構設計， 部件和零件設計及繪制全部生產圖紙, 編制設計計算說明書、 機械使用說明書、 標準件明細表等技術文件。3.技術設計階段1.2 機械設計的內容與步驟4.施工、設計、文件編制

10、 在完成產品基本設計的基礎上, 根據設計任務書, 擬定評價標準和指標體系, 對設計方案進行評估、 審查、 決策, 以進一步改進和完善設計, 提高產品的實用性、 可靠性和經濟性。 4.施工、設計、文件編制階段1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則 零件不能正常工作的原因是什么？ 表明機械零件工作能力的因素有哪些？滿足機械零件使用功能要求的計算準則包含了哪些內容？請你和我們一起來分析一下。機械零件喪失預定功能或預定功能指標降低至許用值以下的現象，稱為機械零件的失效，強度不夠所引起的破壞是最常見的零件失效形式，但不是零件失效的唯一形式。設計零件所依據的計算準則，是與零件的失效形式緊密聯系在一起的，

11、針對不同的失效形式，提出不同的計算準則。 1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析磨 損相對運動的零件表面因摩擦的存在，而導致零件表面材料的逐漸喪失。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析表面壓潰零件表面質量不高或硬度不夠時，在外載荷作用下出現的碎裂現象。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析過量塑性變形零件上的應力超過了材料的屈服極限時，零件會發生塑性變形。表面壓潰過量塑

12、性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析打 滑靠表面摩擦力保持工作能力的帶傳動，當傳遞的有效圓周力超過臨界摩擦力時，就將發生打滑失效。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析疲勞點蝕作用在零件上的脈動循環變應力超過其接觸疲勞極限時，出現疲勞裂紋，裂紋逐漸擴大使表面金屬小片剝落形成疲勞點蝕。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.

13、3.1、失效分析膠 合兩相對運動的零件在高速重載的作用下，常因接觸區溫升過高而使潤滑油失效，使兩零件直接接觸，以至局部相互粘結，又被撕裂的現象。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析斷 裂零件在外載荷作用下，某一危險截面上的應力超過零件的強度極限時所發生的斷裂。零件在循環變應力作用下，危險截面上的應力超過零件的疲勞強度時會產生疲勞斷裂。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析振動失效高速運轉的零

14、件，當其轉速等于或接近零件的自振頻率時，會發生共振，使振幅急劇增大，導致零件及系統在短時期破壞。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.1、失效分析過量彈性變形零件在載荷作用下產生的彈性變形超過了機器工作性能允許的極限值時，會使機器的工作精度降低以至不能正常工作。表面壓潰過量塑性變形打滑磨損疲勞點蝕膠合斷裂振動失效過量彈性變形零件失效表面失效1強度準則：2剛度計算準則3耐磨準則4振動穩定性準則5散熱性準則6可靠性準則1.3 機械零件的失效分析及設計計算準則1.3.2、設計計算準則 零件抵抗失效的安全工作限度

15、稱為零件的工作能力。在實際工作中，同一種零件可能有幾種不同的失效形式，對應于各種失效形式，就會有不同的工作能力。根據不同失效原因建立起來的工作能力判定條件，稱為零件的設計計算準則。1強度準則：強度是衡量機械零件工作能力最基本的計算準則，它是指零件受載后抵抗斷裂、塑性變形及表面失效的應力。強度可分為整體強度和表面強度（接觸與擠壓強度）。2剛度計算準則：剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。其剛度條件為：零件在載荷作用下產生的彈性變形量應小于或等于機器工作性能允許的極限值。 3耐磨準則設計時應使零件在預定使用期內的磨損量不超過允許值，采用限制零件相對運動表面間的壓強P不超過許用值P。即：PP

16、4振動穩定性準則：為避免共振，在設計高速機械中，應進行振動分析和計算，使零件和系統的自振頻率與周期性載荷的作用頻率錯開一定的范圍，以確保零件及機械系統的振動穩定性。5散熱性準則：零件工作時如果溫度過高，將導致潤滑劑失去作用，材料強度極限下降，引起熱變形及附加熱應力等，從而使零件不能正常工作。散熱性準則為：根據熱平衡條件，工作溫度t不應超過許用工作溫度t，即tt。6可靠性準則：零件的可靠度用零件在規定的使用條件下，在規定的時間內能正常工作的概率來表示，即用在規定的壽命時間內連續工作的件數占總件數的百分比表示。如有NT個零件在預期壽命內只有NS個零件能連續正常工作，則其系統的可靠度為：R=NS/N

17、T1強度準則2剛度準則3耐磨準則4振動穩定性準則5散熱性準則6可靠性準則 1.4 機械零件設計的標準化、系列化及通用化按規定標準生產的零件稱為標準件。標準化給機械制造帶來的好處是：通用化是指在不同規格的同類產品或不同類產品中采用同一結構和尺寸的零部件，以減少零部件的種類，簡化生產管理過程，降低成本和縮短生產周期。2.1約束與約束反力2.2 平面機構的組成 2.3 平面機構運動簡圖 2.4 平面機構的自由度第2章 平面機構分析2.1 約束與約束反力2.1.1 柔索約束 由繩索、鏈條、膠帶等柔性物體所構成的約束稱為柔索約束。柔索約束只能限制物體沿柔索伸長的方向運動，而不能限制其他方向的運動，所以柔

18、索約束反力的方向總是沿柔索中心線且背離被約束物體，即為拉力，通常用符號FT表示，如圖2-1所示。 圖 2-12.1.2 光滑接觸面約束 當兩物體接觸面之間的摩擦很小，可以忽略不計時，則構成光滑接觸面約束。光滑接觸面對被約束物體在過接觸點處的公切面內任意方向的運動不加限制，同時也不限制物體沿接觸面處的公法線脫離接觸面，但阻礙物體沿該公法線方向進入約束內部，因此，光滑接觸面約束的約束反力必沿接觸面處的公法線指向被約束物體，即為壓力，用符號FN表示，如圖2-2所示。 圖2-22.1.3 光滑圓柱鉸鏈約束 1. 中間鉸約束 圖 2-32. 固定鉸鏈支座約束 圖 2-43. 活動鉸鏈支座約束 圖 2-5

19、2.1.4 固定端約束 固定端約束又稱為插入端約束，是工程實際中常見的一種約束類型，如插入墻體的外伸涼臺、 固定在車床卡盤上的車刀、 立于路邊的電線桿等，如圖2-6（a）、 (b)、 (c)所示。它們有一個共同的特點是: 構件一端被固定，既不允許固定端的任意移動，又不允許繞固定端隨意轉動，這種約束就是固定端約束。 平面問題中通常用簡圖2-6（d）、（e）表示，其約束反力在外力作用面內可用簡化了的兩個正交分力Fx、Fy和力偶矩M來表示， 如圖2-6（f）所示。 圖 2-62.2.1、 運動副 使兩個構件直接接觸并能產生一定相對運動的連接稱為運動副。 例如, 軸承中的滾動體與內外圈的滾道、 滑塊與

20、導槽, 如圖2 - 7(a) 、 (b)所示。 它們之間既保持了直接接觸, 又能產生一定的相對運動, 因此都構成了運動副。 2.2平面機構的組成圖 2 - 7 運動副 1. 低副 兩構件通過面接觸組成的運動副稱為低副。 根據低副構件間相對運動的形式不同, 又分為轉動副和移動副。 (1) 轉動副: 若組成運動副的兩個構件只能在一個平面內做相對轉動, 則稱為轉動副, 也稱鉸鏈。 如圖2 - 8所示, 構件1與構件2圓柱面接觸, 構件1可相對構件2轉動, 兩者組成轉動副。 兩構件中如有一個構件固定不動, 則稱為固定鉸鏈, 如圖2 8（a）所示；二者均能轉動， 則稱為活動鉸鏈, 如圖2 8（b）所示。

21、 圖 2 - 8 轉動副 (a) 固定鉸鏈; (b) 活動鉸鏈 (2) 移動副: 若組成運動副的兩個構件只能沿軸線相對移動, 則稱為移動副。 如圖2 - 9所示, 構件1和構件2以棱柱面接觸, 構件1可相對構件2沿軸線移動, 兩者組成移動副。 圖 2 - 9 移動副 轉動副、移動副實例 2. 高副 兩構件通過點、 線接觸所構成的運動副稱為高副。 如圖2 - 10(a)中的車輪1與鋼軌2， 圖2 - 10(b)中的凸輪1與頂桿2， 圖2 - 10(c)中的齒輪1與齒輪2皆為點或線接觸, 兩構件間的相對運動為接觸處切線t-t方向的相對移動和在平面內的相對轉動。 構件1與構件2在直接接觸處組成高副。

22、 圖 2 - 10 高副 齒輪副實例2.2.2、 運動鏈 兩個以上構件以運動副連接而成的系統稱為運動鏈。 若組成運動鏈的各構件形成首尾封閉的系統, 則稱為封閉運動鏈, 簡稱閉鏈, 如圖2 - 11(a)、 (b)所示； 若組成運動鏈的各構件未形成首尾封閉的系統, 則稱為開式運動鏈, 簡稱開鏈, 如圖2 - 11(c)所示。 圖 2 - 11 運動鏈 2.2.3、 機構的組成 在運動鏈中， 若將某一構件加以固定, 且當一個或幾個可動構件按照給定的規律獨立運動時, 其余構件也隨之做一定的運動, 這種運動鏈稱為機構。 機構中固定不動的構件稱為機架, 它用來支承機構中的可動構件； 按照給定的運動規律獨

23、立運動的構件稱為原動件或主動件, 它是機構中輸入運動或動力的構件, 又稱為輸入構件。2.3 平面機構運動簡圖2.3.1、 平面機構的表示方法 1. 運動副的表示方法 1) 轉動副 兩構件組成轉動副的表示方法如圖2 - 12(a)、 (b)、 (c)所示。 圓圈用來表示轉動副, 其圓心代表相對轉動軸線。 若組成轉動副的兩個構件都是活動件， 則用圖(a)表示； 若其中一個為機架, 則在代表機架的構件上加上斜線, 如圖2-12(b)、 (c)所示。 圖 2 - 12 轉動副的表示方法 轉動副實例 2) 移動副 兩構件組成移動副的表示方法如圖2 - 13(a)、 (b)、 (c)所示。 移動副的導路必

24、須與相對移動方向一致。 3) 平面高副 兩構件組成高副的表示方法如圖2 - 14所示。 其運動簡圖中應畫出兩構件接觸處的曲線輪廓。 圖 2 - 13 移動副的表示方法 圖 2 - 14 高副的表示方法 2. 構件的表示方法 構件的表示方法如圖2 - 15所示。 構件可用直線、 三角形或方塊等圖形表示。 圖2 - 15(a)表示參與組成兩個轉動副的構件; 圖2 - 15(b)表示參與組成一個轉動副和一個移動副的構件； 圖2 - 15(c)表示參與組成三個轉動副的構件, 它一般用三角形表示, 在三角形內加剖面線或在三個內角上涂上焊縫標記, 表明三角形為一個構件； 若三個轉動副在同一直線上, 則可用

25、跨越半圓符號來連接直線, 如圖2 - 15(d)所示。 圖 2 - 152.3.2、 平面機構運動簡圖的繪制 1. 機構運動簡圖的繪制步驟 (1) 分析機械的工作情況: 找出機架, 確定原動件和從動件(包括執行件和傳動件)。 (2) 分析機械運動情況： 從原動件開始, 沿著運動傳遞路線逐一分析各構件間相對運動的性質, 確定構件的數目、 運動副的類型和數目。 (3) 合理選擇視圖平面： 選擇多數構件所在的運動平面或平行于運動平面的平面作為視圖平面。 (4) 繪制機構運動簡圖： 測量構件尺寸, 選擇合適的比例尺, 定出各運動副的相對位置, 用規定的簡單符號繪制機構運動簡圖。 在機架上加上陰影線,

26、在原動件上標上箭頭, 按傳動路線給各構件依次標上構件號1, 2, 3, , 給各運動副標上A, B, C, (表示方法詳見圖2 - 16)。比例尺L= 構件的實際長度(mm) 構件的圖形長度(mm) 2. 平面機構運動簡圖的繪制舉例 例 2 - 1 繪制圖1 - 1所示內燃機的機構運動簡圖。 解 (1) 分析、 確定構件類型。 內燃機內包括三個機構, 其運動平面平行, 故可視為一個平面機構。 活塞2為原動件, 缸體1為機架, 連桿3、 曲軸4、 齒輪5、 齒輪6、 凸輪軸7、 進氣門頂桿8、 排氣門頂桿9均為從動件(其中頂桿8、 9為執行件, 連桿3、 曲軸4、 齒輪5、 齒輪6、 凸輪軸7為

27、傳動件)。 (2) 確定運動副類型。 曲柄滑塊機構中活塞2與缸體1組成移動副, 活塞2與連桿3、 連桿3與曲軸4、 曲軸4與缸體1分別組成轉動副。 齒輪機構中齒輪5與缸體1、 齒輪6與缸體1分別組成轉動副, 齒輪5與齒輪6組成高副。 凸輪機構中凸輪軸7與缸體1組成轉動副, 頂桿8與缸體1組成移動副, 凸輪軸7與頂桿8組成高副。 (3) 定視圖方向。 連桿運動平面為視圖方向。 (4) 選擇比例尺, 繪制簡圖。 先畫出滑塊導路中心線及曲軸中心位置, 然后根據構件尺寸和運動副之間的尺寸, 按選定的比例尺和規定符號繪出， 如圖2 - 16所示。 圖 2- 16 內燃機的機構運動簡圖 2.4 平面機構的

28、自由度2.4.1、 構件的自由度 一個做平面運動的自由構件有三個獨立運動的可能性。 如圖2 - 17所示, 在xOy坐標系中, 構件M可隨其上任一點沿x軸、 y軸方向移動， 也可在xOy平面(繞垂直于xOy平面的軸線z)轉動, 這三個獨立的運動稱為該構件的自由度。 圖 2 - 17 平面運動構件的自由度 2.4.2、 構件的約束 平面機構的每個活動構件在未構成運動副之前都是三個自由度。 當兩個構件直接接觸組成運動副之后, 它們的相對運動就受到限制, 自由度隨之減少。 運動副對構件的獨立運動所加的限制稱為約束。 不同類型的運動副引入的約束數不同。 每引入一個約束, 構件就減少一個自由度。圖2 1

29、8（a）所示的轉動副約束了x、 y兩個方向的移動, 只保留一個轉動；圖2 18（a）圖2 18（b）所示的移動副約束了沿y軸方向的移動和在xOy平面內的轉動, 只保留沿x軸方向的移動；圖2 18（b）圖2 18（c）所示的高副只約束了沿接觸處公法線n-n方向的移動。 圖2 18（c）2.4.3、 構件系統自由度的計算 1. 平面機構自由度計算公式 機構的自由度就是機構具有獨立運動參數的數目。 自由度取決于運動鏈中構件的數目及運動副的類型和數目。 設一個平面運動鏈由k個構件組成, 其中一個構件為機架, 則有n=k-1個活動構件。 未構成運動副之前, 這些活動構件應有3n個自由度。 假設構成PL個

30、低副和PH個高副, 而一個低副引入兩個約束, 一個高副引入一個約束, 每引入一個約束構件就失去一個自由度, 故整個運動鏈相對機架的自由度應為活動件自由度的總數與運動副引入約束總數之差。 以F表示機構的自由度數, 則有 F=3n-2PL-PH (2 - 1) 例2 - 2 計算圖2 - 16所示內燃機構件系統的自由度。 解 圖中, 曲軸4和齒輪5、 齒輪6和凸輪軸7皆固連在一起, 故可視為一個構件。 因此 n=5 PL=6(其中有兩個移動副, 四個轉動副) PH=2 則該構件系統的自由度 F=3n-2PL-PH=35-26-2=1 2. 構件系統形成機構的條件 前已述及機構中各構件之間必有確定的

31、相對運動。 由自由度的計算可知, 構件的組合能否成為機構， 其必要條件為F0。 而構件系統成為機構的充分條件是必須具有確定的相對運動。滿足什么條件才具有確定的相對運動呢？ 由前述可知, 從動件是不能獨立運動的, 只有原動件才能獨立運動。 通常每個原動件只有一個獨立運動。 因此, 要使各構件之間具有確定的相對運動， 必須使原動件數等于構件系統的自由度數。 現從下面兩種情況分析: 當運動鏈自由度大于0時, 如果原動件數少于自由度數, 那么運動鏈就會出現運動不確定現象, 不能成為機構, 如圖2 - 19所示；圖 2 - 19 原動件數小于F 圖 2 - 20原動件數大于F如果原動件數大于自由度數,

32、則運動鏈中最薄弱的構件或運動副可能被破壞, 也不能成為機構, 如圖2 - 20所示。 所以, 只有當原動件數等于運動鏈的自由度數時, 構件之間才能獲得確定的相對運動。 綜上所述, 構件系統成為機構的條件是: 運動鏈相對于機架的自由度必須大于零, 且原動件數等于運動鏈的自由度數。 滿足上述條件的運動鏈即為機構, 機構的自由度用式(2 - 1)計算。 例2-3 試機算圖示航空照相機快門機構的自由度。解：該機構的構件總數N=6,活動構件數n=5,6個轉動副、一個移動副，沒有高副。由此可得機構的自由度數為： F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1例2-4 試計算圖示牛頭刨床工作機構的自由度解：

33、該機構的構件總數N=7,活動構件數n=6,5個轉動副、3個移動副，1個高副。由此可得機構的自由度數為： F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1 2.4.4、 計算平面機構自由度時的注意事項 1. 復合鉸鏈 兩個以上構件在同一處以轉動副相連接構成的運動副稱為復合鉸鏈。 如圖2 - 21所示是三個構件匯交成的復合鉸鏈, 圖中構件1分別與構件2、 構件3構成兩個轉動副。 依此類推， k個構件在一處以轉動副相連, 應具有k-1個轉動副。 因此在統計轉動副數目時應注意識別復合鉸鏈, 避免遺漏。 圖 2 - 21 復合鉸鏈 例 2 - 5 計算圖2 - 22所示鋼板剪切機的自由度。 解 由圖可知,

34、 n=5, PL=7, PH=0(B處為復合鉸鏈, 含兩個轉動副； 自行分析C處是否為復合鉸鏈, 為什么)， 則 F3n2PLPH 352701 圖 2 - 22 鋼板剪切機 2. 局部自由度 機構中出現的與輸出、 輸入運動無關的自由度稱為局部自由度。 如圖2 - 23所示的凸輪機構中, 為了減少高副接觸處的磨損, 在從動件上安裝一個滾子, 使其與凸輪輪廓線滾動接觸。 顯然, 滾子繞本身軸線的轉動不影響其他構件的運動, 該轉動的自由度即局部自由度。 計算時先把滾子看成與從動件連成一體, 消除轉動副后再計算其自由度, 如圖2 - 23(b)所示。此時機構中 n=2, PL2, PH 1 則F3n

35、2PLPH322211 圖 2 - 23 局部自由度 （a）（b） 3. 虛約束 在實際機構中,有些運動副所起的約束作用是重復的,這種不起獨立限制作用的重復約束稱為虛約束。 在計算機構自由度時， 虛約束應除去不計。 平面機構中的虛約束, 常出現在以下情況中: (1) 軌跡重合： 連接構件上的軌跡和機構上連接點的軌跡重合時, 引入虛約束。 如圖2 - 24(a)所示的平行四邊形機構中, 連接構件5上E點的軌跡與機構連桿BC上的軌跡重合, 構件5引入了虛約束。 計算機構自由度時, 應按圖2 - 24(b)處理, 將構件5及兩個轉動副E、 F去掉。 圖 2 - 24軌跡重合平行四邊形的機構 （a）（

36、b） (2) 導路平行或重合的移動副： 兩構件構成多個導路相互平行的移動副時, 會出現虛約束。 如圖2 - 25(a)所示的曲柄滑塊機構中, 移動副D和D只有一個起約束作用, 另一個則為虛約束。 計算時按圖2 - 25(b)處理。 圖 2 - 25 導路平行的多個移動副 (3) 軸線重合的轉動副： 兩構件構成多個軸線相互重合的轉動副, 會出現虛約束。 如圖2 - 26所示的齒輪機構中， 轉動副A和A、 B和B只有一個起約束作用, 另一個為虛約束。 (4) 傳動對稱： 機構中傳遞運動而不起獨立作用的對稱部分形成虛約束， 如圖2 - 27所示的差動輪系。 圖 2 - 26 軸線重合的轉動副 圖 2

37、 - 27 差動輪系 例2-6 圖示2-28組合機構中的軸線yy/xx；且齒輪2及凸輪4固定在同一軸線上，是計算其機構的自由度。解：F=3n-2PL-PH-m=3*10-2*13-1*2-1=1 圖 2-28例2-7求圖示2-29機構的自由度解：2、3、4是復合鉸鏈F=3*7-2*10=1圖 2-29 例 2 - 4 計算圖2 - 30所示大篩機構的自由度, 并判斷此構件系統是否具有確定的相對運動。 解 圖2 - 30中C處為復合鉸鏈； E和E為兩構件組成的導路平行的移動副, 其中之一為虛約束； F處滾子為局部自由度。 可將滾子與構件3看成是聯結在一起的整體, 即消除局部自由度且去掉移動副E,

38、 則得機構的可動構件數n=7, 低副數PL9, 高副數PH=1。 按式(3 - 1)， 有 F3n2PLPH 372912 此機構自由度數等于2, 與原動件數相等， 故此構件系統具有確定的相對運動。 圖 2 - 30大篩機構 3.1 剛體的基本運動 3.6平面連桿機構的基本特性3.2點的合成運動 3.7平面四桿機構的設計3.3 剛體的平面運動 3.8桿件的軸向拉伸與壓縮3.4平面連桿機構概述 3.9壓桿穩定3.5平面連桿機構的類型及轉化 第3章 平面連桿機構3.1剛體的基本運動3.1.1剛體的平動一 、 概念: 剛體運動時,剛體上任一直線在任何時候始終與它原來的位置保持平行,這種運動稱為平行移

39、動,簡稱平動。 剛體平動時,如果體內各點的軌跡是直線,則稱為直線平動;如果剛體內各點的運動軌跡是曲線,則稱為曲線運動。 工程中的平動問題在我們日常生活和生產實踐中是常有的現象。例如：如圖3-1所示，沿水平直線軌道上行使的火車車廂， 其上的任意一直線始終平行于初始位置。又如圖3-2所示的篩砂機，如果在篩砂機的篩子上作任一直線AB，雖A點和B點的軌跡均為曲線（圓弧），但因搖桿長OA=O1B，且AB=OO1，則直線AB始終與其初始位置平行。 圖 3-1圖 3-2例曲線平動曲線平動二、剛體平動的特點1、剛體上的各點具有形狀相同的運動軌跡；2、剛體上的各點在某一瞬時具有相同的速 度和加速度； 3、剛體平

40、移時的運動分析可以簡化為其上任 意一點(一般取為質心)的運動分析；3.1.2 剛體繞定軸轉動 剛體運動時，剛體內有一直線始終保持不動，而這條直線外的各點都繞此直線上的一點，并以這些點到直線的垂直距離為半徑作圓周運動，剛體的這種運動稱為剛體繞定軸轉動，簡稱轉動。 剛體內固定不動的直線稱為轉動軸，簡稱軸。如電機的轉子、傳動軸、吊扇的葉片等的運動都屬于定軸轉動。 （1）轉動方程。為了確定轉動剛體在空間的位置，過轉軸z作一固定平面為參考面。 如圖所示， 半平面過轉軸z且固連在剛體上，則半平面與剛體一起繞z軸轉動。這樣，任一瞬時，剛體在空間的位置都可以用固定的半平面與半平面之間的夾角來表示，稱為轉角。剛

41、體轉動時，角隨時間t變化，是時間t的單值連續函數，即1 轉動方程、 角速度和角加速度 =(t)上式被稱為剛體的轉動方程，它反映轉動剛體任一瞬時在空間的位置，即剛體轉動的規律。 轉角是代數量，規定從轉軸的正向看，逆時針轉向的轉角為正，反之為負。轉角的單位是rad。 （3.1）（2） 角速度。角速度是描述剛體轉動快慢和轉動方向的物理量，用符號表示，它是轉角對時間t的一階導數，即 角速度是代數量，其正負表示剛體的轉動方向。當0時，剛體逆時針轉動；反之則瞬時針轉動。角速度的單位是rad/s。 （3.2） 工程上常用每分鐘轉過的圈數表示剛體轉動的快慢， 稱為轉速，用符號n表示，單位是r/min。轉速n與

42、角速度的關系為 （3） 角加速度。角加速度是表示剛體角速度變化快慢和方向的物理量，用符號表示，它是角速度對時間的一階導數， 即 角速度是代數量，當與同號時，表示角速度的絕對值隨時間增加而增大，剛體作加速轉動；反之，則作減速轉動。 角加速度的單位是rad/s2。 （3.3）【例3.1】某發動機轉子在起動過程中的轉動方程為=t3， 其中t以s計，以rad計。試計算轉子在2s內轉過的圈數和t=2 s時轉子的角速度、角加速度。 解 由轉動方程=t3可知: t=0時，0 =0，轉子在2 s內轉過的角度為-=t3-0=23-0=8 rad 轉子轉過的圈數為 由式（3.2）和式（3.3）得轉子的角速度和角加

43、速度為 當t=2 s時 =322=12 rad/s， =62=12 rad/s2 2 定軸轉動剛體上各點的速度和加速度 在機械加工的車、銑、磨等工序中，需要知道各種刀具的切削速度，以便設計和選擇刀具；帶輪、砂輪要計算線速度。 它們均與作定軸轉動的剛體（主軸、 帶輪）的角速度有關， 更確切地說，是與定軸轉動剛體上點的速度、 加速度有直接關系。因此，有必要研究定軸轉動剛體的角速度、角加速度與剛體上的各點的速度、 加速度之間的關系。 1） 轉動剛體上各點的速度 如圖所示，可知剛體作定軸轉動時，剛體內各點始終都在各自特定的垂直于轉軸的平面內作圓周運動。在剛體上任取一點M，設該點到轉軸的垂直距離為R（稱

44、為轉動半徑）， 顯然，M點軌跡就是以R為半徑的圓，若剛體的轉角為，則以弧坐標形式表示的M點的運動方程為 (M點的速度大小為 即轉動剛體上任一點的速度的大小等于其轉動半徑與剛體角速度的乘積。 速度分布規律2） 轉動剛體上各點的加速度 由于定軸轉動剛體上的各點作圓周運動，因此其加速度分為切向加速度和法向加速度。 M點切向加速度的大小為 即轉動剛體上任一點切向加速度的大小等于其轉動半徑與角加速度的乘積，其方向垂直于轉動半徑，指向與角加速度的轉向一致， 如圖所示。 M點法向加速度的大小為 即轉動剛體上任一點法向加速度的大小等于其轉動半徑與角速度平方的乘積，其方向沿轉動半徑指向圓心， 如圖所示。由此可確

45、定M點全加速度的大小和方向， 如圖所示式中，是加速度與轉動半徑R的夾角。 小結已知：O1A O1B l；O1A桿的角速度 和角加速度 。求：C點的運動軌跡、速度和加速度例 題1解：板運動過程中，其上任意直線始終平行于它的初始位置。因此，板作平移。1、運動軌跡C點的運動軌跡與A、B兩點的運動軌跡形狀相同，即以O點為圓心l為半徑的圓弧線。例 題12、速 度Vc= VA= VB= l3、加速度【例】輪和輪固連，半徑分別為R1和R2，在輪上繞有不可伸長的細繩，繩端掛重物A，如圖所示。若重物自靜止以勻加速度a下降，帶動輪和輪轉動。求當重物下降了h高度時，輪邊緣上B2點的速度和加速度的大小。解 重物自靜止

46、下降了高度h時，其速度大小為v2= v20+2ah, 其中v0=0，故 。輪和輪的角速度、角加速度分別為 輪邊緣上B2點的速度、加速度大小為 3.2 點的合成運動3.2.1、點的合成運動的概念如圖示，橋式起重機在起吊重物時，假設橫梁不動，起重機小車沿橫梁作水平運動，同時，小車上懸掛的重物向上運動。 站在地面上觀察重物時，重物的運動軌跡為曲線。而站在小車上 觀察重物時，重物的運動卻是垂直向上的。 由此可得結論：相對于某一參考系的運動可看成相對于其他參考系的幾個簡單運動組合而成，這種運動稱為合成運動。3.2.2、絕對運動、相對運動及牽連運動 3.2.3、點的速度合成定理絕對速度動點對于定系的速度稱

47、為 絕對速度，用va表示。相對速度動點對于動系的速度稱為 相對速度，用vr表示。牽連速度動系中與動點相重合的那一 點對于定系的速度稱為牽連 速度，用ve表示。特別注意動點的絕對運動、相對運動都是點的運 動，它可作直線或曲線運動； 動參考系的運動是剛體的運動，它可作平動、轉動和其它剛體運動，除平動外，其上各點的運動都不完全相同。 通過下面的例子來說明點的相對速度、牽連速度和絕對速度三者之間的關系。 動點的絕對運動、相對運動都是點的運 動，它可作直線或曲線運動； 動參考系的運動是剛體的運動，它可作平動、轉動和其它剛體運動，除平動外，其上各點的運動都不完全相同。 通過下面的例子來說明點的相對速度、牽

48、連速度和絕對速度三者之間的關系。 如圖所示，設一運動平面S上有一曲線槽，槽內有點P沿槽運動。速度合成定理速度合成定理動點的絕對速度等于其牽連速度與相對速度的的矢量和。牽連運動與牽連速度牽連運動是剛體(動系)的運動； 牽連速度是剛體上一點(與動系相重合的點)的速度。速度合成定理為平面矢量式，由此可以寫出兩個分量式，用于求解兩個未知量。注意：已知：正弦機構中，曲柄OAl，角速度，30o 。求：連桿BCD的速度。解：已知曲柄(剛體，原動件)運動，求連桿(剛體，被動件)的運動。例二：1、選擇動點與動系動點曲柄上的A點；動系連桿上Ox y2、分析運動和速度絕對運動以O為圓心 、l為半徑的等速圓周運動。

49、相對運動沿BC方向的直線運動。牽連運動鉛垂方向的平動。絕對速度 va ： val，方向已知。相對速度vr： vr？，方向已知。牽連速度ve： ve？,方向已知。3.3剛體的平面運動3.3.1、 剛體平面運動方程 剛體運動時，剛體內任意一點與某一固定平面始終保持相等的距離，這種運動稱為剛體的平面運動。如圖 沿直線軌跡滾動的車輪的運動。特點：剛體上所有平行于固定平面的平面具有相同的運動規律；這些平面上的對應的點具有相同運動軌跡、速度和加速度。模型：平面圖形在剛體上作平行于固定平面的平面，這樣的平面與剛體輪廓的交線所構成的圖形。平面圖形上的任意直線這一直線的運動可以代表平面圖形的運動，也就是剛體的平

50、面運動。3個獨立變量隨時間變化的函數，即為剛體平面運動方程：3.3.2、平面圖形上各點的運動分析 速度合成定理yxAvBvAvBAyxOSB平面圖形上任意點的速度，等于基點的速度，與這一點對于以基點為原點的平移系的相對速度的矢量和。vB= vA+ vBA例 題 3解：1、選擇基點：A(速度已知) vA=r 02、建立平移系A x y3、將滑塊沿鉛垂方向的運動(絕對運動)分解為： 跟隨基點的平移牽連運動； 以O點為圓心AB為半徑的圓周運動相對運動。4、應用速度合成定理 vB= vA+ vBA其中vA的大小(vA=r 0)和方向，以及vB 與vBA方向都是已知的。由平行四邊形，得到：滑塊的速度：連

51、桿的瞬時角速度3.3.3、加速度分析加速度合成定理平面圖形上任意一點的加速度等于基點的加速度與這一點對于以基點為坐標原點的平移系的相對切向加速度和法向加速度的矢量和。3.4 平面連桿機構 概 述3.4.1、概述一、 基本概念 平面連桿機構是由若干個構件通過低副連接而成的機構，又稱平面低副機構。 由四個構件通過低副連接而成的平面連桿機構稱為平面四桿機構。它是平面連桿機構中最常見的形式，也是組成多桿機構的基礎。 所有低副均為轉動副的平面四桿機構稱為鉸鏈四桿機構, 它是平面四桿機構中最基本的形式, 其他形式的四桿機構都是在它的基礎上演化而成的。 連桿機構中的構件稱為桿。 二、 平面連桿機構的優缺點

52、平面連桿機構的主要優點有: (1) 平面連桿機構中的運動副都是低副, 構件接觸面為平面或圓柱面, 因而壓強小, 便于潤滑, 磨損較輕, 可以承受較大的載荷； (2) 構件形狀簡單, 加工方便, 構件工作可靠。 (3) 各構件長度不同時，可滿足多種運動規律的要求。 (4) 利用平面連桿機構中的連桿可滿足多種運動軌跡的要求, 適應性強。 平面連桿機構的主要缺點如下: (1) 根據從動件所需要的運動規律或軌跡來設計連桿機構比較復雜，且精度不高。 (2) 連桿機構運動時產生的慣性力難以平衡, 不適宜高速的場合。 由于連桿機構具有以上特點, 因此它廣泛用于各種機械、 儀表中。 3.4.2、平面機構的運動

53、分析 圖解法 通過機構運動分析可了解機構在運動過程中構件上某些點的位移、速度和加速度以及構件的角位移、角速度和角加速度等。 本節主要介紹用相對運動圖解法求解機構的速度和加速度的方法。3.5 平面連桿機構的類型及轉化 3.5.1、 四桿機構的基本形式 平面四桿機構的基本型式是鉸鏈四桿機構， 圖3 - 2所示為鉸鏈四桿機構, 其中AD桿為機架, 與機架相連的AB桿和CD桿稱為連架桿, 與機架相對的BC桿稱為連桿。 其中能作整周回轉運動的連架桿稱為曲柄； 只能在小于360的范圍內擺動的連架桿稱為搖桿。 圖 3 - 2 鉸鏈四桿機構 根據鉸鏈四桿機構有無曲柄，可將其分成三種基本形式。 1、曲柄搖桿機構

54、。 兩連架桿中一個為曲柄，另一個為搖桿的四桿機構，成為曲柄搖桿機構。曲柄搖桿機構 曲柄搖桿機構的主要用途是改變運動形式, 可將回轉運動轉變為搖桿的擺動, 如圖3 - 3 所示的雷達天線調整機構； 也可將擺動轉變為回轉運動或實現所需的運動軌跡, 如圖3 - 4 所示的腳踏砂輪機圖3 - 5所示的攪拌器攪拌機構,和圖 3-6 所示顎式破碎機。 圖 3 - 3 雷達天線俯仰角調整機構 例1：圖 3 - 4 腳踏砂輪機機構 例2：圖 3 - 5 攪拌器攪拌機構例3：圖3-6 顎式破碎機例42. 雙曲柄機構 兩連架桿均為曲柄的四桿機構 稱為雙曲柄機構。如圖3-7所示。 圖 3 - 7 雙曲柄機構 圖3

55、- 8所示的慣性篩就是利用雙曲柄機構的例子。 當曲柄1等速回轉時, 另一曲柄3變速回轉, 通過桿5帶動滑塊6上的篩子, 使其具有所需的加速度, 利用加速度產生的慣性力使物料顆粒在篩上往復運動, 達到分篩的目的。 例5：例5：圖 3 - 8 慣性篩 在雙曲柄機構中, 若相對的兩桿長度分別相等, 則稱為平行雙曲柄機構。 當兩曲柄轉向相同時, 它們的角速度時時相等, 連桿也始終與機架平行, 四根桿形成一平行四邊形, 故又稱平行四邊形機構。如圖3-9所示。圖 3 - 9 平行四邊形機構圖 3 - 10 機車車輪聯動機構圖3 - 10所示的機車車輪聯動機構就是平行四邊形機構的應用實例。 機車車輪聯動機構

56、實例機車車輪平行四邊形機構使各車輪與主動輪具有相同的速度, 其內含有一個虛約束, 以防止在曲柄與機架共線時運動不確定。 如圖3 - 11所示, 當共線時, B點轉到B2點, 而C點位置可能轉到C2或C2位置, 運動不確定。圖 3 - 11 運動的不確定性3. 雙搖桿機構 兩連架桿均為搖桿的四桿機構稱為雙搖桿機構。如圖3-12所示。 圖 3 - 12 雙搖桿機構 圖 3 - 13 鶴式起重機實例6：圖示3-13機構，當CD桿擺動時，連桿CB上懸掛重物的點M在近似水平直線上移動。圖 3 - 13 鶴式起重機模型圖 3 - 14 風扇搖頭機構 實例7：圖示3-14機構中，電動機安裝在搖桿4上，鉸鏈A

57、處裝有一個與連桿1固結在一起的蝸輪。電動機轉動時，電動機軸上的蝸桿帶動蝸輪迫使連桿1繞A點做整周轉動，從而使連架桿2和4做往復擺動，以達到風扇搖頭的目的。3.5.2、 平面四桿機構的演化 在平面連桿機構中, 除了上述三種形式的鉸鏈四桿機構之外, 在實際機器中還廣泛采用其他形式的四桿機構。 這些四桿機構可認為是通過改變某些構件的形狀、改變構件的相對長度、改變某些運動副的尺寸、或者選擇不同的構件作為機架等方法，由四桿機構的基本型式演化而成的。 1、改變構件的形狀和相對尺寸演化而成的四桿機構 （1）轉化 例：曲柄搖桿機構的演化圖 3 - 15 曲柄搖桿機構的轉化圖 3 - 15 曲柄搖桿機構的轉化(

58、2) 應用： 曲柄滑塊機構用途很廣, 主要用于將回轉運動轉變為往復運動的場合。 如自動送料機構(見圖3 - 16)、 沖壓機構(見圖3 - 17)、 內燃機等都是曲柄滑塊機構的應用。 圖 3 - 16 自動送料機構實例7：圖 3 - 17 沖壓機構 實例8：2、通過改變運動副的尺寸而演化而成的四桿機構圖3-18 曲柄滑塊機構的演化（a）（b） (1) 轉化: 當圖3 - 18(a)所示的曲柄滑塊機構中轉動副B的半徑擴大到超過曲柄的長度時, 則曲柄演化為一個幾何中心與轉動中心不重合(偏心距用e表示)的圓盤(見圖3 - 18(b), 該圓盤稱為偏心輪。 偏心輪兩中心間的距離等于曲柄的長度。 此機構

59、稱為偏心輪機構。 (2) 應用： 偏心輪機構在各種機床和夾具中廣泛應用。 曲柄滑塊機構的轉化abcda、曲柄搖桿機構b、雙曲柄機構c、曲柄搖桿機構d、雙搖桿機構3、通過選用不同構件為機架而演化成的四桿機構在鉸鏈四桿機構中：3、通過選用不同構件為機架而演化成的四桿機構在曲柄滑塊機構(見圖3 - 18(a)中, (1) 轉化: 、 取構件1為機架, 構件2為原動件時, 可得到導桿機構。 當構件2做整周轉動時, 導桿4也做整周回轉, 該機構稱為轉動導桿機構(圖中l1l2)， 如圖3 - 19(a)所示； 、 當構件2做整周轉動時, 導桿只能往復擺動, 稱為擺動導桿機構(圖中l1l2), 如圖3 -

60、19(b)所示。 a 轉動導桿機構b 擺動導桿機構L1L2圖3-19簡易刨床的主運動機構(2) 應用： 簡易刨床的主運動機構利用了轉動導桿機構,牛頭刨床的主運動機構2）應用 牛頭刨床的主運動機構利用了擺動導桿機構, 。、搖塊機構 (1) 轉化: 當曲柄滑塊機構中取構件4為機架時, 可轉化為曲柄搖塊機構。 如圖3 20 (a)所示, 構件1是繞B點做整周回轉的, 滑塊3是繞機架上C點往復擺動的搖塊, 故稱為曲柄搖塊機構。 (2) 應用： 曲柄搖塊機構常用于擺缸式內燃機或液壓驅動裝置中。 圖3 - 20(b)所示為自卸卡車翻斗機構, 其中擺缸即搖塊3, 活塞2即導桿, 油缸下端進壓力油推動活塞上移