机械设计基础机电第二版章电子教学设计Word文档格式.docx
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机构的主要特征是:
(1)它们都是人为实体(构件)的组合;
(2)各个运动实体之间具有确定的相对运动。
(1)机构的运动简图和自由度计算
(2)平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构等的组成原理、运动分析及设计
(3)各种联接零件(如螺纹联接、键销联接等)的设计计算方法和标准选择
(4)各种传动零件(如带传动、齿轮传动等)的设计计算和参数选择
(5)轴系零件(如轴、轴承等)的设计计算及轴承参数类型选择。
(1)培养学生运用基础理论解决简单机构和零件的设计问题,掌握通用机械零件的工作原理、特点、选用及计算方法,初步具有分析失效原因和提高改进措施的能力。
(2)培养学生树立正确的设计思想,具有设计简单机械传动部件和简单机械的能力。
(3)学会使用手册、标准、规范等设计资料
第二讲1.2机械零件的常用材料与结构工艺性
1.2.1机械零件常用材料
1.2.2材料的选择原则
1.2.3机械零件的结构工艺性
1.了解机械零件常用的材料及选择原则
2.掌握机械零件的结构工艺性
机械零件常用的材料
教学难点:
机械零件的结构工艺性
课件
1.2机械零件的常用材料与结构工艺性
1.2.1机械零件常用材料
机械零件常用材料有碳素结构钢、合金钢、铸铁、有色金属、非金属材料及各种复合材料。
其中,碳素结构钢和铸铁应用最广。
1.2.2材料的选择原则
1.满足使用性能要求
(1)零件的受力状况。
(2)零件的环境状况及特殊要求。
2.有良好的加工工艺性
(1)热加工工艺性。
(2)切削加工性能。
3.选择材料要综合考虑经济性要求
(1)材料价格
(2)提高材料的利用率(3)零件的加工和维修费等要尽低。
(4)采用组合结构(5)材料的合理代用。
1.2.3机械零件的结构工艺性
1.铸造零件的结构工艺性
(1)为了防止浇铸不足,对于不同铸造方法,铸件壁厚有一允许的最小值。
(2)零件箱壁交叉部分要有过渡圆角,以避免尖角处产生裂纹,图1-5(a)但是圆角不可太大,以免交点处尺寸太大,金属积聚产生缩孔或缩松,图1-5(b)建议D≈1.3d,图1-5(c)。
(3)铸件应有明显的分型面(图1-6)。
图1-5铸件过渡圆角大小应适当图1-6铸件应有明显的分型面
(4)铸件应有必要的斜度以便于取出模型。
(5)为避免采用活块,可将凸台加长,如图1-7(b)所示引至分型面。
图1-7避免采用活块
(6)铸铁抗拉强度差而抗压强度高,在设计零件形状时应尽可能把拉应力(或弯曲应力)化作压应力(图1-8)。
图1-8避免铸铁受拉力
2.热处理零件的结构工艺性
(1)避免锐边尖角,应将其倒钝或改成圆角,圆角半径要大些。
(2)零件形状要求简单、对称。
(3)轴类零件的长度与直径之比不可太大。
(4)提高零件的结构刚性,必要时增加加强肋。
(5)形状复杂或者不同部位有不同性能要求时,可用组合结构(如机床铸铁床身上镶装钢导轨)。
3.切削加工零件的结构工艺性
(1)加工表面的几何形状应尽量简单,尽可能布局在同一平面上或同一轴线上,尽可能统一尺寸,以便于加工。
图1-9
图1-9减速箱侧面加工
(2)有相互位置精度要求的各表面最好能在一次安装中加工。
图1-10(a)的零件须从两端加工。
图1-10两孔在一次安装中加工
(3)加工时应能准确定位、可靠夹紧,并便于加工、易于测量。
(4)应尽量减少加工面的数目,图1-11
(5)形状应便于刀具进刀、退刀,如螺纹应该有退刀槽。
(6)被加工表面形状应有助于提高刀具的刚性和延长刀具寿命。
如1-12
图1-11减少不必要的配合面D1图1-12避免在斜面上钻孔
4.零件装配的结构工艺性
(1)零件应该有正确的装配基面,图1-13(a)汽缸盖用螺纹联接,由于螺纹间有间隙,对中不好,活塞杆易产生偏移。
图1-13(b)将螺纹联接改为配合,使工作情况有了改进。
图1-13不应以螺纹面对中图1-14应使拆卸方便
(2)应使装配方便,如图1-11所示,D、D1处均有配合,装配困难。
(3)应使拆卸方便,如图1-14所示,
第三讲1.3机械零件设计的基本准则及设计步骤
1.3.1机械零件的主要失效形式
1.3.2机械零件的设计准则
1.3.3机械零件设计的一般步骤
1.4当前机械设计制造技术的新发展
1.熟悉机械零件的主要失效形式
2.掌握机械零件的设计准则及一般步骤
3.了解当前机械设计制造技术的新发展
机械零件的主要失效形式
机械零件的设计准则及一般步骤
例举实例
1.3机械零件设计的基本准则及设计步骤
失效:
机械零件由于某种原因丧失正常工作能力称为失效,零件的主要失效形式图1-15。
图1-15零件的主要失效形式
1.3.2机械零件的设计准则
(1)强度设计准则:
要求零件在工作时不产生强度失效,强度准则应取在零件中的危险截面处,应力不超过许用应力。
用公式表示为
σ≤[σ]=σlim/Sσ(1-1)
τ≤[τ]=τlim/Sτ(1-2)
(2)刚度准则:
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。
刚度计算准则要求零件的弹性变形小于或等于允许值。
(3)耐磨性准则:
耐磨性是指零件抵抗磨损的能力。
(4)振动稳定性准则:
如果某一个零件的固有频率f与激振源的频率fp相同或为其整数倍关系
时,则这些零件就会产生共振,以致使零件破坏或机器工作情况失常等。
(5)可靠性准则:
可靠性表示系统、机器或零件等在规定时间内稳定工作的程度或性质。
可靠性常用可靠度R来表示。
1.3.3机械零件设计的一般步骤
(1)根据零件的使用要求(功率、转速等),选择零件的类型及结构形式。
(2)根据机器的工作条件,分析零件的工作情况,确定作用在零件上的载荷。
(3)根据零件的工作条件(包括对零件的特殊要求,如耐高温、耐腐蚀等),综合考虑材料的性能、供应情况和经济性等因素,合理选择零件的材料。
(4)分析零件的主要失效形式,按照相应的设计准则,确定零件的基本尺寸。
(5)根据工艺性及标准化的要求,设计零件的结构及其尺寸。
(6)绘制零件工作图,拟定技术要求。
1.4当前机械设计制造技术的新发展
略
第2章平面机构的运动简图及自由度
第一讲:
2.1机构的组成
2.1.1运动副
2.1.2构件
1.掌握运动副的概念及含义
2..掌握不同类型的构件
运动副的概念及含义
含有各种运动副的构件类型
利用各种不同类型构件模型讲解
2.1.1运动副
1.运动副的概念:
两构件之间直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副,两构件只能在同一平面内做相对运动的运动副称为平面运动副。
图2-1平面低副
2.平面运动副的分类
按两构件间接触性质不同,平面运动副通常可分为低副和高副。
(1)低副
两构件形成面与面接触的运动副称为低副,图2-1,又可分为转动副和移动副。
转动副:
是两构件只能做相对转动的运动副。
图2-1(a)铰链连接组成的转动副。
移动副:
是两构件只能沿某一轴线相对移动的运动副,图2-1(b)
(2)高副
两构件以点或线的形式相接触而组成的运动副称为高副。
图2-2
图2-2平面高副
2.1.2构件
机构中的构件有三类,固定不动的构件称为机架(或固定构件);
按给定的运动规律独立运动的构件称为原动件;
机构中其他活动构件称为从动件。
1.具有转动副元素的杆状构件
图2-3中(a)~(c)为含有两个转动副元素的杆状构件,(d)~(f)为含有三个转动副元素的杆状构件。
图2-3具有转动副元素的杆状构件
设计时为了保证杆件受力时具有足够的强度和刚度,其截面形状可以设计成不同形式,图2-4
图2-4杆状构件截面形状
2.具有移动副元素和转动副元素的构件
图2-5单缸内燃机
第二讲:
2.2平面机构的运动简图
2.2.1机构运动简图的概念
2.2.2平面机构运动简图的绘制
1.弄清机构运动简图的概念
2.掌握平面机构运动简图的绘制的方法
机构运动简图绘制的基本方法
能绘制常用平面机构的运动简图
多媒体课件
2.2.1机构运动简图的概念
1.机构运动简图:
能表明机构的组成和各构件间运动关系的简单图形。
2.机构示意图:
不严格按比例绘制的机构运动简图称为。
2.2.2平面机构运动简图的绘制
(1)分析机构的组成,确定机架、原动件和从动件。
(2)由原动件开始,依次分析构件间的相对运动形式,确定运动副的类型和数目。
(3)选择适当的视图平面和原动件位置,以便清楚地表达各构件间的运动关系。
通常选择与构件运动平面平行的平面作为投影面。
(4)选择适当的比例尺μl=构件实际长度/构件图样长度(单位:
m.mm或mm.mm),按照各运动副间的距离和相对位置,以规定的线条和符号绘图。
例2-1绘制如图2-6(a)所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。
图2-6颚式破碎机主体机构
解
(1)由图可知,偏心轴2为原动件、动颚3和肘板4为从动件,
(2)偏心轴2与机架1、偏心轴2与动颚3、动颚3与肘板4、肘板4与机架1均构成转动副,其转动中心分别为A、B、C、D。
选择构件的运动平面为视图平面,图示机构运动瞬时位置为原动件位置,图2-6(c)
例2-2绘制如图2-5所示单缸内燃机的机构运动简图。
已知LAB=75mm,LBC=300mm。
图2-7单缸内燃机机构运动简图
解
(1)在内燃机中,活塞为原动件,曲轴AB为工作构件。
活塞的往复运动经连杆BC变换为曲轴AB的旋转运动。
(2)活塞与缸体(机架)组成移动副,与连杆BC在C点组成转动副;
曲轴与缸体在A点组成转动副,与连杆BC在B点组成转动副。
(3)选长度比例尺μl=0.01m.mm,按规定符号绘制机构运动简图,图2-7
第三讲:
2.3平面机构的自由度
2.3.1自由度和约束的概念
2.3.2自由度的计算和机构具有确定运动的条件
2.3.3复合铰链、局部自由度和虚约束
1.了解约束和自由度的概念
2.能计算平面机构的自由度
3.机构自由度计算中复合铰链、局部自由度、虚约束的识别
4.能正确运用平面机构具有确定运动的条件
平面机构的自由度的计算。
机构自由度计算中有关虚约束的识别及处理
多媒体和演示柜。
2.3.1自由度和约束的概念
图2-8自由构件的自由度
1.自由度
运动构件相对于参考系所具有的独立运动的数目,称为构件的自由度。
做平面运动的自由构件有三个自由度。
2.约束
当两构件组成运动副后,它们之间的某些相对运动受到限制,
2.3.2自由度的计算和机构具有确定运动的条件
设一个平面机构由N个构件组成,活动构件数为n=N-1,若机构中有PL个低副、PH个高副,则平面机构的自由度F的计算公式为
F=3n-2PL-PH(2-1)
2.3.3复合铰链、局部自由度和虚约束
1.复合铰链
两个以上的构件在同一处以同轴线的转动副相连,称为复合铰链。
图2-9复合铰链图图2-10直线机构
图2-9为三个构件在A点形成复合铰链。
k个构件形成复合铰链应具有(k-1)个转动副,计算自由度时应注意找出复合铰链。
图2-10为直线机构,该机构n=7,PL=10,PH=0,
其自由度为F=3n-2PL-PH=3×
7-2×
10-0=1
2.局部自由度
机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动。
这些构件所产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度。
在计算机构自由度时,局部自由度应略去不计。
图2-11(a)凸轮机构,该机构的自由度为F=3n-2PL-PH=3×
2-2×
2-1=1
图2-11凸轮机构
3.虚约束
机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束,称为虚约束
虚约束常出现在下列场合
(1)两构件间形成多个具有相同作用的运动副,分为下列三种情况:
①两构件在同一轴线上组成多个转动副。
图2-12(a),计算机构自由度时应按一个转动副计算。
②两构件组成多个导路平行或重合的移动副。
图2-12(b),构件1与机架组成了A、B、C三个导路平行的移动副,计算自由度时应只算作一个移动副。
③两构件组成多处接触点公法线重合的高副。
图2-12(c),同样应只考虑一处高副,其余为虚约束。
图2-12两构件组成多个运动副
(2)两构件上连接点的运动轨迹互相重合。
图2-13的机车车轮联动机构,
即F=3n-2PL-PH=3×
3-2×
4-0=1
图2-13中的虚约束可以增加构件的刚性,改善受力状况。
图2-13机车车轮联动机构中的虚约束
(3)机构中传递运动不起独立作用的对称部分。
图2-14(b)的行星轮系,该机构的自由度为F=3n-2PL-PH=3×
4-2×
4-2=2
图2-14对称结构引入的虚约束
例2-3计算图2-15(a)所示筛料机构的自由度。
解机构中n=7,PL=9,PH=1,
9-1=2
图2-15筛料机构
第3章平面连杆机构
3.1平面连杆机构的基本形式及其演化
3.1.1铰链四杆机构的基本形式
3.1.2铰链四杆机构的演化———含有一个移动副的平面四杆机构
1.理解铰链平面四杆机构的各种类型
2.明确四杆机构的特性在工程实际中的应用
3.掌握铰链四杆机构的演化及各种形式
铰链四杆机构类型
导杆机构类型
教学内容
3.1.1铰链四杆机构的基本形式
铰链四杆机构:
运动副都是转动副的平面四杆机构,图3-1。
机架:
在铰链四杆机构中,固定不动的构件4是机架
连架杆:
与机架4相连的构件1和3称为连架杆
连杆:
不与机架相连的构件2称为连杆
曲柄:
连架杆相对于机架能做整周转动的称为曲柄
摇杆:
只能在一定角度范围内往复摆动的称为摇杆。
图3-1铰链四杆机构
1.曲柄摇杆机构
定义:
两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构
图3-2所示的雷达天线俯仰角调整机构,图3-3的脚踏砂轮机机构。
图3-2雷达天线俯仰角调整机构图3-3脚踏砂轮机机构
2.双曲柄机构
两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构,称为双曲柄机构
图3-4插床六杆机构
平行四边形机构:
当连杆与机架的长度相等、两个曲柄长度相等且转向相同的双曲柄机构,称为平行四边形机构,图3-5。
,图3-6天平机构
图3-4插床六杆机构图3-5平行四边形机构
图3-6天平机构图3-7机车车轮联动机构
平行四边形机构有以下三个运动特点:
(1)两曲柄转速相等
图3-7的机车车轮联动机构就是利用平行四边形机构的这一特性。
(2)连杆始终与机架平行
图3-8的摄影车升降机构,利用连杆始终做平动这一特点,可使与连杆固连一体的座椅始终保持水平位置,以保证摄影人员安全可靠地摄影。
(3)运动的不确定性
图3-9在平行四边形机构中,当两曲柄转至与机架共线位置时,主动曲柄AB继续转动。
图3-8摄影车升降机构图3-9平行四边形机构
为了克服运动的不确定性,也可以采用辅助曲柄等措施解决,图3-10
图3-10带有辅助构件的平行四边形机构
对于两个曲柄转向相反的情况,即连杆与机架的长度相等,两个曲柄长度相等所组成的转向相反的双曲柄机构称为反平行四边形机构。
图3-11
车门启闭机构图3-12。
图3-11反平行四边形机构图3-12车门启闭机构
3.双摇杆机构
两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构,称为双摇杆机构。
图3-13起重机变幅机构
图3-13起重机变幅机构图3-14车辆前轮转向机构
定义:
在双摇杆机构中若两摇杆长度相等,称为等腰梯形机构。
等腰梯形机构的运动特性是两摇杆摆角不相等。
图3-14。
3.1.2铰链四杆机构的演化———含有一个移动副的平面四杆机构
1.曲柄滑块机构
(1)由曲柄、连杆、滑块和机架组成的机构,称为曲柄滑块机构。
图3-15曲柄摇杆机构到曲柄滑块机构的演化
(2)滑块轨道中心线通过曲柄的转动中心A时,称为对心曲柄滑块机构。
图3-16。
(3)若滑块轨道中心线偏离曲柄的转动中心A,称为偏置曲柄滑块机构。
图3-17。
(4)滑块轨道中心线与曲柄的转动中心的垂直距离e称为偏心距。
图3-16对心曲柄滑块机构图3-17偏置曲柄滑块机构
2.偏心轮机构
在曲柄滑块机构中,由偏心轮、连杆、滑块和机架组成的机构称为偏心轮机构,图3-18。
图3-18偏心轮机构
偏心轮机构的实质:
就是曲柄滑块机构的变形。
偏心轮的特点是:
几何中心B和转动中心A不重合。
3.导杆机构
(1)在对心曲柄滑块机构中,由曲柄、导杆、滑块和机架组成的机构,称为导杆机构。
(2)由于导杆能做整周转动,因此称为转动导杆机构,此时机架长度小于曲柄长度。
(3)若取机架长度大于曲柄长度,导杆4只能做往复摆动,形成摆动导杆机构,图3-19(b)。
图3-19导杆机构
应用:
图3-20简易刨床的导杆机构图3-21牛头刨床的导杆机构
4.摇块机构
若将图3-16中的连杆BC作为机架,滑块只能绕C点摆动,就得到曲柄摇块机构,简称摇块机构,如图3-22所示。
应用图3-23。
图3-22摇块机构图3-23吊车
5.定块机构
若将图3-16中的滑块3作为机架,BC杆成为绕转动副C摆动的摇杆,AC杆成为滑块做往复移动,就得到摇杆滑块机构,又称为定块机构,图3-24。
应用:
定块机构常用于如图3-25所示的手摇唧筒或双作用式水泵等机械中。
图3-24定块机构图3-25手摇唧筒
第二讲:
3.2平面四杆机构存在曲柄的条件及基本特性
3.2.1铰链四杆机构存在曲柄的条件
3.2.2急回特性
3.2.3压力角和传动角
3.2.4死点位置
对曲柄存在的条件、传动角、死点、急回运动、行程速比系数等有明确的概念
曲柄存在条件、传动角、死点、行程速比系数
压力角和传动角、死点位置
利用动画辅助理解急回特性、死点位置概念,工程案例展示其应用。
3.2.1铰链四杆机构存在曲柄的条件
图3-26铰链四杆机构曲柄存在条件
1.铰链四杆机构中曲柄存在的条件:
(1)连架杆和机架中必有一杆为最短杆(简称最短杆条件);
(2)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和(简称长度和条件)。
此条件亦称杆长条件。
通过分析可得如下结论:
(1)铰链四杆机构中,如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和,则根据机架选取的不同。
可有下列三种情况:
①取与最短杆相邻的杆为机架,则最短杆为曲柄,另一连架杆为摇杆,组成曲柄摇杆机构;
②取最短杆为机架,则两连架杆均为曲柄,组成双曲柄机构;
③取最短杆对面的杆为机架,则两连架杆均为摇杆,组成双摇杆机构。
(2)铰链四杆机构中,如果最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和,则不论取哪一杆为机架,都没有曲柄存在,均为双摇杆机构。
3.2.2急回特性
1.定义:
(1)在某些连杆机构中,种当主动件等速转动时,做往复运动的从动件在返回行程中的平均速度大于工作行程的平均速度的特性,称为急回特性。
图3-27曲柄摇杆机构的急回特性分析
(2)急回特性的程度用v2和v1的比值K来表示,K称为行程速比系数,
即K=v2/v1=t1/t2=(180°
+θ)/(180°
-θ)(3-3)
2.结论:
上式表明,机构的急回速度取决于极位夹角θ的大小。
θ越大,K值越大,机构的急回程度越明显,但机构的传动平稳性下降。
3.实例:
偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构也具有急回特性。
值得注意的是在摆动导杆机构中θ=ψ,图3-28。
图3-28机构急回特性的判定
3.2.3压力角和传动角
1.定义:
(1)在曲柄摇杆机构中,主动件曲柄AB经连杆BC传递到从动件摇杆CD上的力F,与该力作用点C运动线速度vc之间所夹的锐角α,称为机构在该位置的压力角。
(2)压力
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