機械設(shè)計基礎(chǔ)

（PPT課件）

卓越工程師教育培養(yǎng)機械類創(chuàng)新系列規(guī)劃教材2023最新整理收集do

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開門時，門把手和鎖芯相對于門是轉(zhuǎn)動，彈子相對于鎖芯是平行移動；撐開雨傘時，傘骨軸套相對于傘柄的運動為平行移動，傘骨各節(jié)之間是轉(zhuǎn)動。機構(gòu)中各構(gòu)件如何連接才能實現(xiàn)上述的移動或轉(zhuǎn)動呢？只要把構(gòu)件連接到一起就能得到具有確定相對運動的機構(gòu)嗎？如何方便的研究機構(gòu)中各構(gòu)件的相對運動關(guān)系呢？第1章平面機構(gòu)的運動簡圖和自由度第1章平面機構(gòu)的運動簡圖和自由度1.1平面機構(gòu)的組成1.2平面機構(gòu)運動簡圖1.3平面機構(gòu)的自由度1.4工程應(yīng)用案例—慣性篩本章重點平面機構(gòu)、自由度、運動副、復(fù)合鉸鏈、局部自由度與虛約束的概念；能正確繪制簡單機械的機構(gòu)運動簡圖；能正確計算平面機構(gòu)的自由度；會判斷機構(gòu)是否具有確定運動。興趣實踐觀察跑步機、錄音機、訂書機等的運動過程，找出原動件、從動件；認(rèn)識轉(zhuǎn)動副、移動副、高副等。探索思考同樣功能的機械能否采用不同的機構(gòu)來實現(xiàn)？第一章平面機構(gòu)的運動簡圖和自由度案例1-1自行車的動力機構(gòu)包括腳踏、大鏈輪、鏈條、小鏈輪、車輪、車架等構(gòu)件，請分析這些構(gòu)件分別屬于原動件、從動件和固定件中的哪一種？平面機構(gòu)的組成運動副：構(gòu)件和構(gòu)件之間既要相互連接（接觸）在一起，又要有相對運動。而兩構(gòu)件之間這種可動的連接（接觸）就稱為運動副。一、運動副的概念平面機構(gòu)——機構(gòu)中的所有構(gòu)件均平行于同一固定平面運動

的機構(gòu)。機構(gòu)的組成：構(gòu)件：

固定件（機架）

原動件

從動件聯(lián)接件（運動副）平面機構(gòu)的組成很多情況下，固定件以多處分離的形式出現(xiàn)，看起來并沒有直接的連接關(guān)系。但是，不管機構(gòu)中有幾個分離的固定件，在運動學(xué)分析中只能當(dāng)做一個構(gòu)件。常見的運動副如下所示：平面機構(gòu)的組成兩構(gòu)件組成的運動副，不外乎是通過點、線、面接觸來實現(xiàn)的。根據(jù)組成運動副兩構(gòu)件之間的接觸特性，運動副可分為低副和高副。一、運動副的分類兩構(gòu)件以面接觸的運動副根據(jù)構(gòu)件相對運動形式的不同低副分為轉(zhuǎn)動副和移動副運動副高副低副移動副轉(zhuǎn)動副兩構(gòu)件以點、線的形式接觸而組成的運動副—只能相對轉(zhuǎn)動的運動副，又稱鉸鏈—只能沿某一軸線作相對移動的運動副平面機構(gòu)的組成

小思考1-1“副”的原意為“一對”，運動副的三要素為：兩個構(gòu)件、直接接觸、相對運動。請大家思考為何高副和低副的接觸應(yīng)力大小不同？常見的平面運動副：轉(zhuǎn)動副移動副高副高副平面機構(gòu)的組成常見的空間運動副：轉(zhuǎn)動副柱面高副圓柱副線高副平面機構(gòu)的組成常見的空間運動副：球銷副球副點高副螺旋副平面機構(gòu)的組成案例1-1分析自行車機構(gòu)中由人力直接驅(qū)動的構(gòu)件是腳踏，而它與大鏈輪是固連在一起的同一構(gòu)件，故大鏈輪是原動件；在分析自行車的運動時，應(yīng)該以車架為靜參考系，故車架是固定件；除大鏈輪和車架之外的其余構(gòu)件都是從動件。平面機構(gòu)的組成不考慮與運動無關(guān)的構(gòu)件外形和運動副具體結(jié)構(gòu)；只考慮與運動有關(guān)的運動副的類型和構(gòu)件的運動尺寸，用簡單的線條、規(guī)定的符號表示構(gòu)件和運動副，確定出運動副的位置并按比例畫出的簡圖。一、機構(gòu)運動簡圖及其作用1.了解機構(gòu)的組成和類型機構(gòu)運動簡圖的作用：機構(gòu)中構(gòu)件的類型和數(shù)目運動副的類型和數(shù)目運動副的相對位置2.機構(gòu)運動簡圖表達一部復(fù)雜機器的傳動原理，進行

機構(gòu)的運動和動力分析。平面機構(gòu)運動簡圖案例1-2右圖所示的四個構(gòu)件形狀迥異，請分析它們在機構(gòu)運動學(xué)上有何區(qū)別？做成不同形狀的目的是什么？平面機構(gòu)運動簡圖二、機構(gòu)運動簡圖的符號1.構(gòu)件的表示方法2.運動副的表示方法平面機構(gòu)運動簡圖常用運動副的符號運動副名稱運動副符號兩運動構(gòu)件構(gòu)成的運動副轉(zhuǎn)動副移動副12121212121212121212121212兩構(gòu)件之一為固定時的運動副122121平面運動副平面機構(gòu)運動簡圖平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運動副121212常用運動副的符號平面機構(gòu)運動簡圖一般構(gòu)件的表示方法桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件三副構(gòu)件兩副構(gòu)件平面機構(gòu)運動簡圖案例1-2分析四個構(gòu)件都是含有2個轉(zhuǎn)動副的構(gòu)件，并且轉(zhuǎn)動副之間的距離相等，所以它們在運動學(xué)上是沒有區(qū)別的，在機構(gòu)運動簡圖中的表達形式完全相同。之所以做成不同形狀，是零件強度和設(shè)計空間的要求。平面機構(gòu)運動簡圖三、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制1.步驟—分析機構(gòu)的運動情況，認(rèn)清固定件、原動件和從動

件，確定構(gòu)件數(shù)目。—從原動件開始，按運動的傳遞順序，分析各相鄰構(gòu)

件之間相對運動的性質(zhì)，確定運動副的類型和數(shù)目。—選機構(gòu)的運動平面為投影面。—選擇適當(dāng)?shù)谋壤_定出各運動副的相對位置，用

構(gòu)件和運動副的符號繪出機構(gòu)運動簡圖。繪制機構(gòu)運動簡圖的比例尺μt為：平面機構(gòu)運動簡圖例1-1試?yán)L制內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖。平面機構(gòu)運動簡圖氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10解：1）分析運動，確定構(gòu)

件的類型和數(shù)目2）確定運動副的類型和

數(shù)目3）選擇視圖平面4）選取比例尺，根據(jù)機

構(gòu)運動尺寸，定出各

運動副間的相對位置5）畫出各運動副和機構(gòu)

的符號，并表示出各

構(gòu)件平面機構(gòu)運動簡圖平面機構(gòu)運動簡圖例2-1試?yán)L制鄂式破碎機的機構(gòu)運動簡圖。平面機構(gòu)運動簡圖平面機構(gòu)運動簡圖例2-2

試?yán)L制縫紉機引線機構(gòu)的運動簡圖。平面機構(gòu)運動簡圖一、自由度與約束條件

一個構(gòu)件未用運動副與其它構(gòu)件連接之前，有三個自由度。

當(dāng)用運動副連接后，構(gòu)件間的相對運動受到約束，失去一些自由度。運動副不同，失去的自由度數(shù)目和保留的自由度數(shù)目也不同。低副引入兩個約束，保留一個自由度；高副引入一個約束，保留兩個自由度。平面機構(gòu)的自由度二、平面機構(gòu)自由度的計算設(shè)n：機構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)；Pl

：機構(gòu)中低副數(shù)；Ph：機構(gòu)中高副數(shù)；F：機構(gòu)的自由度數(shù)；則

F=3n-2Pl-Ph

計算實例：解：n=3,Pl

=4,Ph=0F=3n-2Pl

-Ph

=3×3-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1平面機構(gòu)的自由度

計算實例解：n=5,Pl

=7,Ph

=0F=3n–2Pl

–Ph=3×5–2×7–0=1平面機構(gòu)的自由度三、自由度計算時應(yīng)注意的幾種情況1.復(fù)合鉸鏈2.局部自由度3.虛約束兩個以上構(gòu)件在同一軸線處用轉(zhuǎn)動副連接，就形成了復(fù)合鉸鏈。說明個別構(gòu)件所具有的，不影響整個機構(gòu)運動的自由度稱為局部自由度。說明重復(fù)出現(xiàn)的，對機構(gòu)運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。說明4.虛約束常見情況及處理方法說明5.虛約束對機構(gòu)的影響說明平面機構(gòu)的自由度下圖一中黃色機械為慣性篩，是石料加工廠中對石料分級的設(shè)備。它以平面機構(gòu)作為傳動部件，將電動機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為篩箱的平面運動。根據(jù)下圖二所示慣性篩三維圖繪制其機構(gòu)運動簡圖，并計算自由度，判斷其有無確定運動。工程應(yīng)用案例—慣性篩圖示為一手動沖床機構(gòu)，試?yán)L制其運動簡圖，并計算自由度。試分析是否可行，并提出修改方案。作業(yè)計算下列機構(gòu)的自由度，指出機構(gòu)中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并判斷機構(gòu)運動是否確定。要求抄畫機構(gòu)簡圖，適當(dāng)?shù)貥?biāo)注構(gòu)件號、運動副字符號。作業(yè)案例1-3下圖所示為活動毛巾桿，它是一種很典型的復(fù)合鉸鏈。在圖中能看出有幾個構(gòu)件參與形成轉(zhuǎn)動副嗎？此復(fù)合鉸鏈共有幾個轉(zhuǎn)動副？復(fù)合鉸鏈三個構(gòu)件在同一軸線處，兩個轉(zhuǎn)動副。推理：m個構(gòu)件時，有m–1個轉(zhuǎn)動副。復(fù)合鉸鏈復(fù)合鉸鏈慣性篩機構(gòu)C處為復(fù)合鉸鏈

計算中注意觀察是否有復(fù)合鉸鏈，以免漏算轉(zhuǎn)動副數(shù)目，出現(xiàn)計算錯誤。n=5,Pl

=7,Ph

=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl

–Ph復(fù)合鉸鏈案例1-3分析活動毛巾桿中的立桿為連接件，它將4個橫桿和機架連接在一起，所以共有5個構(gòu)件參與形成復(fù)合鉸鏈。圖中可以數(shù)出共有4個轉(zhuǎn)動副，因而4個橫桿均可獨自轉(zhuǎn)動。復(fù)合鉸鏈滾子的轉(zhuǎn)動自由度并不影響整個機構(gòu)的運動，屬局部自由度。

計入局部自由度時n=3,Pl

=3,Ph

=1

F=3×3-2×3-1=2

與實際不符局部自由度應(yīng)除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構(gòu)件。

處理方法

實際結(jié)構(gòu)上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計算中不計入，并非實際拆除。教材圖1-13b動畫n=2,Pl=2,Ph

=1,F=3×2-2×2–1=1與實際相符局部自由度案例1-4在車削長軸時，通常在軸中間部位加支撐，這樣，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時，卡盤、支撐、頂尖分別與軸形成3個轉(zhuǎn)動副，如下圖所示。這3個轉(zhuǎn)動副在機構(gòu)運動學(xué)與結(jié)構(gòu)強度方面分別起什么作用？虛約束n=4,Pl

=6,Ph

=0

構(gòu)件5給機構(gòu)引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機構(gòu)的運動不起獨立的限制作用，是虛約束。與實際不符F=3×4-2×6–0=0虛約束n=3,Pl

=4,Ph=0F=3×3-2×4–0=1

處理方法與實際相符應(yīng)除去虛約束，即將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件5及運動副除去不計。虛約束1.兩構(gòu)件未組成運動副前，連接點處的軌跡已重合為一，組成的運動副存在虛約束。

計算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運動副一起除去不計。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

計算中只計入一個移動副。

2.兩構(gòu)件組成多個移動副，且導(dǎo)路相互平行或重合時，只有一個移動副起約束作用，其余為虛約束。

虛約束常見情況及處理尖頂凸輪機構(gòu)虛約束常見情況及處理3.兩構(gòu)件組成多個轉(zhuǎn)動副，且軸線重合，只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余為約束。

計算中只計入一個轉(zhuǎn)動副。

虛約束常見情況及處理軸系虛約束常見情況及處理

計算中應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件及運動副一起除去不計。4.兩構(gòu)件兩點間未組成運動副前距離保持不變，兩點間用另一構(gòu)件連接時，將產(chǎn)生虛約束。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

計算中應(yīng)將對稱部分除去不計。5.機構(gòu)中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產(chǎn)生虛約束。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

機構(gòu)中虛約束是實際存在的，計算中所謂“除去不計”是從運動觀點分析做的假想處理，并非實際拆除。虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行”、“重合”、“距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉(zhuǎn)化為有效約束。機構(gòu)中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時也提高了對制造和裝配精度的要求。

虛約束對機構(gòu)的影響虛約束常見情況及處理1.實例分析不能產(chǎn)生運動四、機構(gòu)具有確定運動的條件給定構(gòu)件1運動參數(shù)構(gòu)件2、3的運動是確定的。平面機構(gòu)的自由度給定構(gòu)件1運動參數(shù)，構(gòu)件2、3、4的運動是不確定的。平面機構(gòu)的自由度再給定構(gòu)件4運動參數(shù)構(gòu)件2、3的運動是確定的。2.結(jié)論機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱機構(gòu)的自由度。平面機構(gòu)具有