哈工大机械原理课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机 械 原 理,哈尔滨工业大学,2004年2月,第一章 绪论,1-1 机械原理课程的研究对象与内容,机械是机器与机构的总称。,机,械,机 器,机 构,研究对象：,什么是机器呢？,什么是机构呢？,普通车床,数控车床,数控铣床，,这是一种,机器,，主要用来加工平面和曲面。,主轴,安装铣刀,工作台,锯床,并联机床原型机,数控压弯机,数控剪板机,美国西科斯基公司生产的,“黑鹰”直升机,主旋翼,尾旋翼,“神舟五号”,发射时的情景。,发射塔,、,运载火箭,都是庞大的,机器,。,索杰纳火星车,它是美国国家航空航天局于格林威治时间1997年7月4日17时07分发射的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆，该飞船携带了索杰纳火星车，这也是一种机器。,世 界 最 小 的 微 型 机 械 人,Worlds smallest robot,美国山迪亚国家实验室的科学家，成功研制了相信是世界最小的微型机械人，这微型机械人体积只有四分之一立方寸，体重小於一盎司。,什么是机器呢？,机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置，它用来完成有用功、转换能量或处理信息，以代替或减轻人类的劳动。,一部机器可能包含多种类型的机构，也可能只包含一种机构。,凸轮机构,齿轮机构,连杆机构,什么是机构呢？,机构,可以定义为：是一个具有确定的机械运动的构件系统，或称它是用来传递运动和动力的可动装置。,在机械原理课程中要研究以下内容：,1、机构的分析,（1）机构的结构分析,研究机构的组成原理，即机构组成的一般规律。,研究机构运动的可能性与确定性的条件。,（2）机构的运动分析,研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、位移、速度、加速度等运动特性。,“机械原理”是一门从力学原理的角度研究机械的组成、分析与设计基本理论的课程，是一门技术基础课。,2、常用机构的设计问题,主要研究：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等的设计理论和设计方法。,3、机械系统运动方案设计,4、机械动力学问题,主要研究：如何根据机器的功能来确定运动方案。,主要研究：机械系统的真实运动规律、机械的调速和机构的平衡。,（3）机构的力分析,研究机构的各构件和运动副中力的计算、摩擦及效率问题。,研究内容：,机械设计的一般过程：,需求,分析,机械方案,设 计,机械方案,运动分析,机械方案,动力分析,机 械,造型设计,机械工作,能力设计,确 定,工艺方案,确 定,工艺参数,机械结构,设 计,一台典型的现代化机器是由四个部分组成的，即,原动机、传动机构、执行机构和控制系统,。,机,器,原 动 机,传动机构,执行机构,控制系统,1-2,现代化机器的组成,原动机,用于提供动力,发电机,化石燃料,水 能,太阳能,内燃机,外燃机,电动机,风 能,水轮机,风力机,太阳能电池,机 器,化石燃料,内燃机,机 器,化石燃料,外燃机,机 器,水 能,风 能,水轮机,风力机,机 器,机 器,液压马达,电动机,机 器,泵,液 压 缸,气压马达,电动机,机 器,空气压缩机,气 缸,原动机主要有电动、液动、气动三种形式,从运动形式来划分有回转、往复直线和步进等多种运动形式,常用原动机形式,电动原动机:,电动原动机的形式是：电动机,从运动形式看，电动机有输出转动的回转电动机和输出往复移动的直线电动机,从电源形式看，电动机有使用交流电源的交流电动机和使用直流电源的直流电动机,从控制形式看，有输出位移、速度都不可控制的电动机，有输出位移、速度、力矩可以控制的控制电动机。,这是最常用的交流异步电动机,这是,步进电机,，它可以按输入的电脉冲数回转相应的角度。,这是伺服,电动机,，它可以精确的控制电动机的输出位移和转速。,液压原动机:,液压原动机的形式是：液压马达和液压油缸。,液压马达输出回转运动，液压油缸输出往复直线运动。,BM,型摆线液压马达,液压油缸,气动原动机:,气动原动机的形式是：气动马达和气缸。,气动马达输出回转运动，气缸输出往复直线运动。,叶片马达,柱塞马达,无导杆气缸,有导杆气缸,气 缸,传动机构,将运动和动力传递或变换给执行机构,在传动机构中一般首先与电机联接的是减速机构，最常用的是各种类型的减速器、变速器等。,圆柱齿轮减速器,锥齿轮减速器,摆线针轮减速器,38,mm,50,mm,50,mm,50,mm,直流伺服电机（100,W）,重量,且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的，因此，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件数等于机构的自由度数；,3),若,0,，而原动件数,，而原动件数,F,，则构件间不能运动或产生破坏。,三、计算机构自由度时应注意的事项,1.,复合铰链,例：,由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由,m,个构件构成的复合铰链应当包含,(m-1),个转动副。,2.,局部自由度,不影响机构整体运动的自由度，称为局部自由度。,在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。,3.,虚约束,应在计算结果中加上虚约束数，或先将产生虚约束的构件和运动副去掉，然后再进行计算。,在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。,常见的虚约束有以下几种情况,:,）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。,带虚约束的凸轮机构,带虚约束的曲轴,）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。,）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这两个点，则将会引入一个虚约束。,带虚约束的杆机构,）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。,带虚约束的行星轮系,虚约束的本质是什么,?,从运动的角度看,虚约束就是,“,重复的约束,”,或者是,“,多余的约束,”,。,机构中为什么要使用虚约束,?,a.,使受力状态更合理,b.,使机构平衡,c.,考虑机构在特殊位置的运动,使用虚约束时要注意什么问题,?,保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。,2-4,平面机构的组成原理和结构分析,一、平面机构的组成原理,机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。,机架,原动件,从动件组,从动件组,当把该机构的机架和原动件拆去后，则余下的从动件组为：,这个从动件组的自由度为零，即：,这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。,分解,？,？,？,？,还能进一步分解吗？,还能进一步分解吗？,这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。,通常把这样的从动件组称为：,基本杆组,基本杆组的概念非常重要，它是机构分析的重要的理论基础。,机构的组成原理,任何机构都可以看作是由,若干个基本杆组依次连接于,原动件和机架上所组成的,如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：,由于活动构件数,n,和低副数,P,L,都必须是整数，所以,n,应是 的倍数，,P,L,应是 的倍数。,这也就是说，在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：,n,=2,P,L,=3,n,=4,P,L,=6,n,=6,P,L,=9,二、基本杆组的类型,最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为,级杆组。,级杆组是机构中最常见的一类基本杆组,级杆组有以下五种形式：,（）,RRR,杆组,（）,RRP,杆组,（）,RPR,杆组,（）,PRP,杆组,（）,RPP,杆组,除,级杆组外，还有,、,级等较高级的基本杆组。,这是,级杆组,由个构件个低副组成，具有一个副构件，而每个内副所连接的分支是双副构件。,这是,级杆组,由个构件个低副组成，有个内副。,机构自由度计算举例,例,1,图示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄,1,输入，通过滑块,2,使摆动导杆,3,作往复摆动，并带动滑枕,4,作往复移动 ，已达到刨削加工目的。 试问图示的构件组合是否能达到此目的？ 如果不能，该如何修改？,解：首先计算设计方案草图的自由度,改进措施：,1,、增加一个低副和一个活动构件；,2,、用一个高副代替低副。,即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。必须修改，以达到设计目的。,改进方案,改进方案,改进方案,改进方案,例,2,如图所示，已知：,DE=FG=HI,，且相互平行；,DF=EG,，且相互平行；,DH=EI,，且相互平行。计算此机构的自由度,(,若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,局部自由度,复合铰链,虚约束,例,3,计算图所示机构的自由度,(,若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,局部自由度,虚约束,例,4,如图所示,已知,HG=IJ,且相互平行；,GL=JK,，且相互平行。计算此机构的自由度,(,若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。,局部自由度,复合铰链,虚约束,本章结束,机 械 原 理,哈尔滨工业大学,2003,年,12,月,第四章 凸轮机构及其设计,典型的凸轮机构的工作原理,从动件,凸轮,滚子,机架,一、凸轮机构的应用,盘形凸轮机构,在印刷机中的应用,等经凸轮机构,在机械加工中的应用,4-1,凸轮机构的应用及分类,利用分度凸轮机构实现转位,圆柱凸轮机构在机械加工中的应用,二、凸轮机构的分类,凸轮机构分类,1,、按两活动构件之间相对运动特性分类,2,、按从动件运动副元素形状分类,3,、按凸轮高副的锁合方式分类,平面凸轮机构,空间凸轮机构,盘形凸轮,移动凸轮,尖顶从动件,滚子从动件,平底从动件,力锁合,形锁合,1,、按两活动构件之间的相对运动特性分类,（,1,）平面凸轮机构,1,）盘形凸轮,2,）移动凸轮,（,2,）空间凸轮机构,2,、按从动件运动副元素形状分类,（,1,） 直动尖顶从动件,对心直动尖顶从动件,偏置直动尖顶从动件,（,2,）直动滚子从动件,（,3,）直动平底从动件,根据运动形式的不同，以上三种从动件还可分为直动从动件，摆动从动件，平面复杂运动从动件。,摆动滚子从动件,摆动尖顶从动件,摆动平底从动件,平面复杂运动从动件,3,、按凸轮高副的锁合方式分类,1),力锁合,2),形锁合,凸轮机构的优缺点：,只要设计出适当的凸轮轮廓，即可使从动件实现预期的运动规律；结构简单、紧凑、工作可靠。,凸轮为高副接触（点或线），压强较大，容易磨损，凸轮轮廓加工比较困难，费用较高。,优点：,缺点：,4-2,从动件运动规律及其选择,一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语,凸轮基圆基、圆半径,偏距圆、偏距,从动件行程,从动件推程,从动件回程,推程运动角,回程运动角,从动件远,(,近,),休程,远（近）休止角,从动件位移,二、从动件运动规律,等速运动规律,等加速等减速运动规律,余弦加速度（简谐）运动规律,正弦加速度（摆线）运动规律,3-4-5,多项式运动规律,三、从动件运动规律的选择,在选择从动件的运动规律时，除要考虑刚性冲击与柔性冲击外，还应该考虑各种运动规律的速度幅值 、加速度幅值 及其影响加以分析和比较。,从动件动量,从动件惯性力,对于重载凸轮机构，应选择 值较小的运动规律；,对于高速凸轮机构，宜选择 值较小的运动规律。,若干种从动件运动规律特性比较,4-3,按预定运动规律设计盘形凸轮廓线,一、凸轮设计的基本问题,1,、已知运动规律，设计凸轮,已知条件：,运动规律,几何尺寸：,基圆半径,r,0,，偏距圆半径,e,2,、已知从动件行程,h,，设计凸轮,已知条件：,选定运动规律,几何尺寸：,基圆半径,r,0,，偏距圆半径,e,从动件行程,h,二、凸轮设计的步骤,1,、确定基圆、偏距圆,3,、设计理论廓线,2,、确定从动件运动规律,4,、设计实际廓线,基圆,偏距圆,理论廓线,实际廓线,三、凸轮理论廓线设计的基本原理,反转法,s,o,o,反转法,四、凸轮实际廓线设计,理论廓线,实际廓线,滚子,五、刀具中心轨迹,实际廓线,理论廓线,刀具中心轨迹,刀具,4-4,盘形凸轮机构基本尺寸的确定,一、压力角,及其许用值,考虑摩擦时驱动力的表达式,理想情况（无摩擦）时驱动力的表达式,凸轮机构的瞬时效率,时，机构自锁,解方程,得临界压力角,：,即：,凸轮机构的许用压力角,在工程实际中，为保证较高的机械效率，改善受力状况，通常规定凸轮机构的最大压力角 应小于或等于某一许用压力角 。,根据实践经验，推荐的许用压力角取值为,:,推程：,直动从动件取 ；,摆动从动件取 ；,回程：,直动和摆动从动件荐取 。,二、按许用压力角 确定凸轮机构的基本尺寸,式中：,在点,（升程）,式中：,在点,（回程）,压力角计算的统一表达式：,凸轮运动规律,凸轮基本尺寸,即：,在设计凸轮时，如何保证凸轮机构的最大压力角 小于或等于许用压力角 。,影响凸轮压力角变化的因素：,换一句话说：,在设计凸轮时，当从动件的运动规律 已经确定，凸轮机构的许用压力角 也已经确定，如何确定凸轮的基圆半径 和偏距 ，使凸轮机构的最大压力角 小于或等于许用压力角 。,这个表达式能否解决这样的命题？,？,升程,回程,升程许用压力角：,回程许用压力角：,升程,回程,从动件与凸轮的相对位置,三、按凸轮轮廓全部外凸条件确定凸轮基圆半径,平底从动件盘形凸轮轮廓的外凸条件：,平底从动件盘形凸轮轮廓的曲率半径：,要保证凸轮轮廓外凸必须有：,四、滚子半径的选择,1.,凸轮理论轮廓的内凹部分,工作轮廓曲率半径 、理论轮廓曲率半径 与滚子半径 三者之间的关系为：,理论轮廓,工作轮廓,滚子,2.,凸轮理论轮廓的外凸部分,工作轮廓曲率半径 、理论轮廓曲率半径 与滚子半径 三者之间的关系为：,一般推荐：,4-5,空间凸轮机构简介,1.,圆柱凸轮机构,空间圆柱分度凸轮机构,2.,圆锥凸轮机构,3.,弧面凸轮机构,弧面分度凸轮机构,4.,球面凸轮机构,