导图社区 机械设计基础
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机械设计基础
第一章：绪论
本课程研究对象和内容
研究对象
机械
机器
概念
执行机械运动的装置
机器：根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息
分类（按用途）
动力机器
进行能量的转换
加工机器
用来改变被加工对象的尺寸、形状、性质和状态等
运输机器
用来搬运物品和人
信息机器
处理信息
机构
概念
是人为实物的组合体，各实体之间具有确定的相对运动
用来传递或转换运动和力的可动机械装置
分类
三大机构：连枉机构、凸轮机构、齿轮机构
作用
机构可传递运动和力，同时还可变换运动，如连杆机构将圆周运动变换为摆动或直线运动（曲柄摇杆、曲柄滑块），凸轮可将圆周运动变换为直线运动
机器、机构及其结构组成
机器
机构（由构件和零件组成）
构件（由若干零件固接而成的运动的单元）
构件：运动的单元体，构件是从运动学的观点来说的。构件可以是一个零件，如一个连杆、齿轮，轴为一个构件；构件也可以由几个零件刚性连接在一起组成一个构件，成为一个独立的运动单元体。如内燃机里的连杆
零件（加工制造的单元）
零件和部件
零件
组成机器的不可拆的单元（如：螺钉）
通用零件
专用零件
部件
由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体（如：滚动轴承）
要求和重点：第一章 1.了解什么是机器？什么是机构？机器的功能？机器和机构的区别和联系？2.了解什么是零件？什么是构件？掌握零件和构件的区别？
机器和机构的区别和联系
机构、机器的形成： 零件→刚性组合→构件→可动连接（运动副）→运动链→取机架和原动件→机构→机构组合一机器
构件和零件的区别
机器的功能？换成-机器的组成？
内容
机械原理部分（二~八）
机构结构分析的基本知识
机构的运动分析
机器动力学
常用机构的分析与设计（连杆、凸轮、齿轮等）
机械设计部分（九~十八）
联接零件
传动零件
轴系零部件
其它零件
本课程地位与作用
承上启下
学习目的和方法
目的
掌握机械类各专业课程学习必备的机械设计基础知识
能够合理使用现有的机械，并对其进行革新改造
获得简单机械装置的设计能力
方法
逻辑思维与形象思维相结合
工程观点
理论联系实际
第二章：平面机构的结构分析和速度分析
机构的组成
运动副
相关量
自由度F
构件具有的独立运动的数目 （确定构件位置所需要的独立参变量的数目）
空间自由构件有6个自由度
约束s
空间：F=6-s
平面：F=3-s
概念
两个构件直接接触组成的可动联接
分类
按引入的约束数分
I级副~V级副
按相对运动范围分
平面运动副
空间运动副
按相对运动分
转动副
移动副
滚滑副
按接触情况分
高副
点、线接触，接触应力大
低副
面接触，接触应力小
运动链
概念
由两个以上的构件通过运动副联接而成的构件系统
分类
第一种分类
闭链、开链
第二种分类
平面运动链、空间运动链
机构
机架（只是相对固定不动）
只有一个
从动件
可以有多个
原动件
可以有多个
机构运动的简图
概念
最简单的线条、国标规定的运动副符号、按一定比例绘制、用以说明机构中各构件之间相对运动关系
区分
机构示意图：不按比例绘制的简图
内容
运动副的类型和数目（撇开外形考虑实质）
平面运动副
转动副
高副
移动副
凸轮副
齿轮副
构件的数目
运动尺寸
比例尺
长度比例尺μ1
=0.001m/mm=实际长度(m)/图示长度(mm)相当于制图中的1:1
主从动关系
原动件运动规律
绘制方法
1.确定运动副的性质、数目和构件数目
2.合理选择投影面和原动件的静态位置
3.选择适当的比例尺
4.用规定的符号和线条绘制图形
5.验算自由度
绘制目的
1.简明表达一部机器的的运动原理，表示机构的结构和运动情况
2.作为运动分析和动力分析的依据
平面机构自由度的计算及机构确定运动条件
计算
注意事项
复合铰链（两个以上的构件在同一处以转动副相连）
m个构件，有m-1个转动副
易错点
就1个转动副，没有复合铰链
局部自由度（与其他构件运动无关的自由度）
虚约束（对构件运动不起实际约束作用的约束）
转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合的点
若两构件上某两点之间的距离始终保持不变又用双转动副杆将此两点联接
对运动不起作用的对称部分或结构重复部分（例如行星轮系）
两构件在多处组成运动副且满足特定的几何条件
如果两构件在多处接触而构成移动副且移动方向彼此平行或重合，则只能算一个移动副
如果两构件在多处相配合而构成转动副，且转动轴线相重合，则只能算一个转动副
如果两构件在多处接触而构成平面高副，且各接触点的公法线彼此重合，则只能算一个平面高副
机构具有确定运动的条件（原动件数=F>0）
F≦0，机构不能运动
原动件数与自由度的关系
原动件数>F----机构中最薄弱的环节损坏
原动件数<F----从动件运动不确定
原动件数=F----所有构件都有确定的运动
平面机构的运动分析
任务
根据机构的尺度参数及原动件的运动规律，确定从动件的运动参数，包括（角）位移或轨迹、（角）速度、（角）加速度
目的
了解机构的运动空间范围
为研究机构的运动和动力性能提供依据
为改进原机构和设计新的机构提供必要的依据
方法
解析法
矢量法
复数法
矩阵法
图解法
速度瞬心法求速度
瞬心的概念
两个作平面运动构件上的瞬时等速重合点（相对转动中心）
等速指绝对速度相等、相对速度为零
瞬心的分类
绝对瞬心（一构件固定）
相对瞬心（两构件均运动）
速度瞬心数目的计算
机构中速度瞬心位置的确定
直接成副的两构件的瞬心（直接观察得到）
转动副
瞬心在转动中心
移动副
瞬心在垂直导路无穷远处
高副
滚滑
瞬心在接触点的公法线上
纯滚动
瞬心在接触点
未直接成副的两构件的瞬心
三心定理
三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心且位于一条直线上
典例
组成高副的两构件，其角速度与连心线被接触点的法线所分割的两线段长度成反比
相对运动矢量方程图解法求速度和加速度
实测法
第三章：平面连杆机构及其设计
平面连杆机构及其基本形式
平面连杆机构
概念
由若干构件通过低副（转动副、移动副）连接组成的机构，也叫低副机构
特点
优点
低副为面接触，接触面间压强小，不易磨损，工作寿命长
运动副元素多为圆柱面或者平面，易获得较高的加工精度
缺点
难以精准实现预定的连续运动，设计方法复杂
构件上的惯性力难以平衡
运动副磨损后的间隙难以补偿
命名
根据组成机构的构件的数目
机构的拆分
六杆机构拆分为四杆机构
由此引出四杆机构结构简单、形式多样、应用广泛的特性，具有奠定基础的作用
平面四杆机构
铰链四杆机构（平面四杆机构的基本形式）
概念
四个构件通过四个铰链连接而成叫做铰链四杆机构
型式（可以根据型式命名）
机架
连架杆
与机架相连的杆
连杆
连接连架杆作平面复杂运动的构件
曲柄
能作360度转动
摇杆
在小于360度范围内摆动
应用（重在课件的动画演示）
曲柄摇杆机构
双曲柄机构
双摇杆机构
平行四边形机构及反向平行四边形机构
演化（学会可以助于创新）
改变构件的形状及其相对尺寸
改变形状
曲柄摇杆机构
曲柄弧形滑块机构
同性异形机构
改变尺寸
加长某一个杆
偏心曲柄滑块机构
对心曲柄滑块机构
根据滑块的运动导路和曲柄的回转中心的距离
改变运动副尺寸
偏心轮机构
把曲柄滑块机构做成偏心轮机构的意义
解决曲柄太小，结构上无法实现
作用于冲击载荷时候，保护曲柄
机架的置换
概念关联
曲柄---周转副
摇杆---摆转副
运动副的同性演化（运动副特性相同）
转动副扩大（连接部分扩大）
移动副演化
移动副位置的平移
移动副元素的互换
核心思想：形状、尺寸、位置
平面四杆机构曲柄及其存在条件
存在条件
根据杆长条件分类平面四杆机构
特殊情况（若为平行四边形机构，则不论取哪个构件为机架，均为双曲柄机构）
曲柄滑块机构和导杆机构
平面四杆机构的急回特性
详细解析及两个相关量
急回特性的条件及相关量
曲柄滑块机构
摆动导杆机构
双摇杆机构没有急回特性
平面四杆机构的压力角和传动角
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
导杆机构
平面四杆机构的死点位置
平面四杆机构
曲柄滑块机构
导杆机构
克服的办法
死点的利用
双摇杆机构
若满足最短杆+最长杆小于等于其余两杆之和，则有死点；若不满足，情况比较复杂，要看从动件和连杆是否共线
第四章：凸轮机构及其设计
凸轮机构的应用和分类
凸轮机构的特点和应用
特点
结构简单、紧凑
可精确实现从动件任意的运动规律
设计方法简单
高副接触易磨损
制造较连杆机构困难
应用
用于实现运动规律有特殊要求，载荷不大、行程较小的场合，广泛用于各种机械，特别是控制装置、仪器仪表、自动机械中
分类
按凸轮形状分类
盘形凸轮
移动凸轮
圆柱凸轮
按从动件分
按运动形式分
直动从动件
对心直动尖顶从动件
偏置直动滚子从动件
摆动从动件
按接触形式分（凸轮机构接触形式比较）
尖顶从动件
滚子从动件
平底从动件
按凸轮与从动件保持接触的方法来分
力封闭
重力、弹簧力
几何封闭
凹槽、等宽、等径、主回
优点：免除弹簧附加的力，效率较高
缺点：机构外廓尺寸较大，设计较复杂
从动件常用运动规律及其选择
注意点（偏置的推程运动角）
相关概念
迹点
尖顶从动件的尖端点
滚子从动件的滚子中心点
平底从动件平底与导路的交点
理论廓线
迹点在凸轮运动平面上的轨迹
实际廓线
凸轮实际具有的轮廓
基圆半径
凸轮转动中心到理论廓线的最短距离
偏置圆---偏置距e
行程h---从动件的最大位移（或者用角位移表示）
从动件常用运动规律
多项式运动规律
一次式---等速运动规律
始末两点刚性冲击
二次式---等加速等减速运动规律
柔性冲击
三角函数运动规律
余弦加速度（简谐）运动规律
始末两点引起柔性冲击
正弦加速度（摆线）运动规律
加速度曲线连续变化，无刚性柔性冲击
从动件常用运动规律内容，知道有哪几个常用运动规律，每个运动规律有什么冲击就行了
凸轮轮廓曲线的设计
第五章：齿轮机构及其设计
齿轮机构的特点及分类
齿轮机构的功用和特点
功用
传递空间任意两轴（平行、相交、交错）的运动或动力
特点
①传动比准确、传动平稳可靠。 ②承载能力强，效率高，寿命长。 ③传动功率范围大，从几瓦到10万千瓦。 ④圆周速度可达300m/s。 ⑤制造安装精度要求较高，需专用设备，加工成本高。
分类
平面齿轮传动（轴线平行）
圆柱齿轮
直齿
斜齿
分类
外齿轮
内齿轮
齿轮齿条
人字齿
空间齿轮传动（轴线不平行）
两轴相交
圆锥齿轮
直齿
斜齿
曲线齿
两轴交错
交错轴斜齿轮
蜗轮蜗杆
准双曲面齿轮
齿轮的齿廓曲线
齿廓啮合基本定律
相关概念
节曲线：节点P在两齿轮动平面上的轨迹
齿廓曲线的选择
最广泛的是渐开线，其次是摆线（仅用于钟表）和变态摆线（摆线针轮减速器）
渐开线齿廓
渐开线的形成及性质
一对渐开线直齿圆柱齿轮啮合时，在啮合点处两轮的压力角不一定相等，而在节点啮合时则一定相等
根据渐开线性质，基圆之内没有渐开线，所以渐开线齿轮的齿根圆必须设计的比基圆大（错）
错在“渐开线齿轮的齿根圆必须设计比基圆大”这半句上,因为没有明确规定基圆一定要小于齿根圆.一正常齿制的标准直圆柱齿轮,当齿根轮圆大于基圆时齿数要大于17,如果齿数小于这个值,采用范成法加工齿轮时,齿轮根部要发生根切,因为渐开线是由基圆开始发生的,基圆内没有渐开线,加工出的曲线是将加工好的渐开线切去一部分的形状,即根切现象.
渐开线方程
渐开线齿廓的啮合特点
渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸计算
外齿轮
齿轮各部分的名称及符号
为了便于制造、检验和互换使用，国标GB1357-87规定了标准模数系列（了解）
分度圆的压力角是决定渐开线齿形的重要参数
几何尺寸的计算
内齿轮
齿条
易错点
分度圆和标准齿轮的定义
分度圆
齿轮上具有标准模数和标准压力角的圆
分度圆是齿轮设计、制造、检验的基准。一个齿轮只有一个分度圆
标准齿轮
指分度圆上具有标准模数m、标准压力角a、以及标准齿顶高和标准齿根高，且s=e=p/2的齿轮
渐开线直齿轮的正确啮合条件
齿轮传动的无侧隙啮合和标准安装
无侧隙啮合
几何条件
标准安装
齿轮与齿条的啮合传动
齿轮的啮合过程及连续传动条件
啮合过程
连续传动条件
齿轮传动时，若发现重合度小于1，则修改设计的措施应是增大齿数（pz=d∏)
渐开线齿廓的切削原理
仿形法
特点：刀刃轴截形=齿槽形状 优点：不需专用齿轮加工设备，生产成本低。 缺点：精度低；生产效率低。 适用场合：单件、小批量，精度要求不高的齿轮加工；修配。
范成法
标准齿条型刀具
注意点
加工齿轮的条件
位置条件
优点：相同模数、压力角，但齿数不同的齿轮可用同一把刀具加工，其齿形均为精确的渐开线齿廓，加工精度高；加工连续，生产率高，可用于大批量生产。
渐开线齿廓的根切
变位齿轮机构简介
产生背景
齿轮变位修正
变位齿轮与标准齿轮的比较
斜齿圆柱齿轮
当量齿轮及当量齿数
概念
当量齿轮：与斜齿轮法面齿形相当的直齿轮，其齿数称为当量齿数
研究的目的
仿形法加工时选择刀号
利用当量齿轮可直接利用直齿轮的某些结论进行强度计算
拿来判断是否根切
斜齿圆柱齿轮齿廓曲面的形成及啮合特点
斜齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸
斜齿圆柱齿轮的啮合传动及优缺点
蜗杆蜗轮机构及其设计
锥齿轮机构及其设计
在运动链中，固定某一构件为机架，并给定一个或数个构件确定的运动，使其余构件的运动随之确定，运动链即成为机构
机器
机构
构件
零件
机器和机构的区别和联系
区别
研究的着重点不同
机器
完成能量的转换或作有益的机械功
机构
实现运动的转换或力的传递
从结构和运动的观点来看，两者并无区别
联系
机器由机构组成，一部机器包含不同的机构，不同的机器可能包含相同的机构