机械行业管理知识原理经典版分析

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,武汉理工大学,目录,第一章 绪 论,1,-,1,本课程研究的对象及内容,l,-,2 学习本课程的目的,l,-,3 如何进行本课程的学习,第二章 平面机构的结构分析,2,-,1 机构结构分析的内容及目的,2,-,2 机构的组成,2,-,3 机构运动简图,2,-,4,机构具有确定运动的条件,2,-,5,平面机构自由度的计算,2,-,6,计算平面机构自由度时应注意的事项,第三章 平面机构的运动分析,3,-,1 机构运动分析概述,3,-,2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用,3,-,3 用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析,第四章,平面机构的力分析,4,-,1 机构力分析的目的和方法,4,-,2 构件惯性力的确定,第五章 机械中的摩擦和机械效率,5,-,1,研究机械中摩擦的目的和研究内容,5-2 运动副中的摩擦,5-3 机械的效率,5,-,4 机械的自锁,第六章 平面连杆机构及其设计,6,-,1 连杆机构及其传动特点,6,-,2 平面四杆机构的类型和应用,6,-,3 有关平面四杆机构的一些基本知识,6,-,4,平面四杆机构的设计,第七章 凸轮机构及其设计,7,-,1 凸轮机构的应用和分类,7,-,2,推杆的运动规律,7,-,3 凸轮轮廓曲线的设计,7,-,4,凸轮机构基本尺寸的确定,第八章 齿轮机构及其设计,8-1 齿轮机构的应用及分类,8,-,2 齿轮的齿廓曲线,8,-,3,渐开线的形成及其特性,8,-,4 渐开线齿廓的啮合特性,8,-,5,渐开线标准齿轮各部分的名称和尺寸,8-6,渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动,8,-,7,渐开线齿廓的切制,8-8 变位齿轮概述,8-9 变位齿轮传动,8-10 斜齿圆柱齿轮传动,8-11 蜗杆传动,8-12 圆锥齿轮传动,第九章 轮系及其设计,9,-,1 轮系及其分类,9,-,2,定轴轮系的传动比,9,-,3,周转轮系的传动比,第十章 机械的运转及其速度波动的调节,10,-,1,概述,10,-,2,机械的运动方程式,10,-,3,稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其,调,节,10,-,4,机械的非周期性速度波动及其调节,第十一章 机械的平衡,11,-,1 机械平衡的目的及内容,11,-,2,刚性转子的平衡计算,第一章 绪 论,“,机械原理,”(Mechanical Principle)研究的对象是机械，研究的内容是有关机械(mechanism)的基本理论问题。,机械,是机器(machine)和机构(mechanism)的总称。,右图所示为一内燃机示意图，主要由以下机构组成：,活塞(piston)、连杆(connecting rod)、曲轴和机架(frame)组成连杆机构；大齿轮(gear)、小齿轮和机架组成齿轮机构；凸轮(cam)、推杆和机架组成凸轮机构。,1,-,1,本课程研究的对象及内容,除了机器外，实际中存在如图1-2所示的开窗机构和如图1-3所示的千斤顶，它们借助于人力驱动实现所需的运动或传递力。这些装置我们称之为机构。,图1-2 开窗机构,图1-3 千斤顶,机器的特征,：,1. 它们是由零件人为装配组合而成的实物体；,2.,各实物体之间具有确定的相对运动；,3. 能完成有用的机械功或转化机械能。,机构的特征：,机构具有机器特征中的前两个特征。,机器与机械的共有特征决定了机器与机构可以统称为机械。,本课程研究的内容：,1. 机构结构分析的基本知识,2. 机构的运动分析,3. 机器动力学,4. 常用机构的分析与设计,5. 机构的选型及机械传动系统的设计,本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要求设计新机械的途径。,l,-,2 学习本课程的目的,本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，并为专业课程打下基础。,l,-,3 如何进行本课程的学习,在学习本课程的过程中，要着重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法。,在本课程的学习过程中，要注意培养自己运用所学的基本理论和方法去分析和解决工程实际问题的能力。为此要十分注意各种理论和方法的适用范围和条件，以求能逐步作到正确而灵活的应用。,第二章 平面机构的结构分析,2,-,1 机构结构分析的内容及目的,研究内容：,(1) 研究机构的组成及其具有确定运动的条件；,(2) 根据结构特点进行机构的结构分类；,(3) 研究机构的组成原理。,研究目的：,在机构设计中，需要知道机构是怎样组合起来的，而且在什么条件下才能实现确定的运动；对机构组成原理的研究还可以为新机构的创造提供途径；通过对机构的结构分析与分类，可以为举一反三地研究机构的运动分析和动力分析提供方便。,2,-,2 机构的组成,1. 构件,构件(link)机器中每一个独立的运动单元体。,2. 运动副,由两个构件组成的可动的联接称为,运动副,(,kinematics pair)。而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为,运动副元素,。例如轴与轴衬的配合(图2-1)，滑块与导轨的接触(图2-2)。,图2-1 回转副,图2-1 移动副,两齿轮轮齿的啮合(图2-3,a)，球面与平面的接触(图2-3,b)，圆柱与平面的接触(图2-3,c) 。,图2-3,b,图2-3,c,图2-3,a 齿轮副,任意两个构件1与2，当它们尚未构起运动副之前，构件1相对于构件2共有6个相对运动的自由度。当两构件以某种方式相联接而构成运动副，则两者间的相对运动便受到一定的约束，其相对运动自由度减少的数目就等于该运动副所引入的约束的数目。两构件构成运动副后所受到的约束数最少为1(如图2-3，b所示的运动副)，而最多为5(如图2-1和2-2所示的运动副),运动副的分类,：,(1) 按引入约束的数目分：I级副、级副、级副、级副、级副。,(2) 按两构件的接触情况进行分：点或线接触而构成的运动副统称为高副；面接触(surface contact)而构成的运动副则称为低副(lower pair )。,(3) 按两构件之间的相对运动的不同分：转动副或回转副(revolute pair)、移动副(sliding pair)、螺旋副、球面副、平面运动(plane motion)副、空间运动副。,图2-5 螺旋副,图2-6 球面副,3. 运动链,把两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统称为,运动链,(,kinematics chin),。如运动链的各构件构成了首末封闭的系统，则称其为,闭式运动链,或简称,闭链,(图2-7，a和b)；如运动链的构件未构成首末封闭的系统，则称其为,开式运动链,，或简称,开链(,图2-7，c和d) 。,4. 机构,在运动链中，如果将某一构件加以固定而成为机架，则这种运动链便成为机构。,机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件；而其余活动构件则称为从动件。从动件的运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构。,2,-,3 机构运动简图,用简单的线条和规定的符号表示组成机构的构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置的简单图形称为,机构运动简图,(kinematic sketch of mechanism)。绘制步骤如下：,(1) 分析机构的运动情况，定出其原动部分、工作部分，搞清楚传动部分。,(2) 合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置。,(3) 选择适当的比例尺(scale)。,(4) 用简单的线条和规定的符号绘图。,(5) 检验。,6,1,A,O,F,2,3,4,5,B,D,E,C,颚式碎石机,a,b,图2-8,2,-,4,机构具有确定运动的条件,机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，称为机构的,自由度,。,机构具有确定运动的,条件,：,机构的自由度必须大于或等于,l，,且机构原动件的数目应等于机构的自由度的数目。,如图2-10，只有在给构件4确定运动规律后，此时系统才成为机构。,图2-9,图2-10,2,-,5,平面机构自由度的计算,平面机构自由度计算公式,2,-,6,计算平面机构自由度时应注意的事项,1. 复合铰链：,两个以上的构件同在一处以转动副相联接，如图2-11所示。,若有m个构件以复合铰链(,joint)相联接时，其构成的转动副数应等于(m-1)个。,图2-11,2. 局部自由度,在有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。我们把这种局部运动的自由度称为局部自由度，如图所示。在计算机构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去。,对于图示凸轮机构自由度为,F=3,3-(2,3+1)-1=1,凸轮机构三维实体图,图2-12,3. 虚约束,在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动实际上不起约束作用，我们把这类约束称为虚约束。在计算机构的自由度时应将这类虚约束除去。,机构中的虚约束常发生在下列情况：,1) 在机构中如果两构件用转动副联接其联接点的运动轨迹重合，则该联接将带入1个虚约束。如图214所示的机构简图。,F = 3*n2P,l,P,h,= 3*42*6= 0 错,F = 3*n2P,l,P,h,= 3*32*4 = 1 对,图2-13,2),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,(,如图,2,-,14,所示,),，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，且转动轴线重合(如,2-15所示)，则只能算一个转动副。,如果两构件在多处相接触而构成平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合(如图2-16所示)，则只能算一个平面高副。,图2-14,图2-15,图2-16,3)在机构运动的过程中，若两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则如用双转动副杆将此两点相联，也将带入1个虚约束，图2-17所示。,4)在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束亦为虚约束，如图2-18所示。,F = 3*n2P,l,P,h,= 3*42*6= 0 错 F = 3*n2P,l,P,h,= 3*52*56= -1 错,F = 3*n,2P,l,P,h,= 3*3,2*4 = 1,对,F = 3*n,2P,l,P,h,= 3*3,2*3,2= 2,对,图2-17,图2-18,第三章 平面机构的运动分析,3,-,1 机构运动分析概述,机构的运动分析：根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移(displacement )、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。,机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。,3,-,2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用,一、速度瞬心,瞬心,为互相作平面相对运动的两构件上，瞬时相对速度为零的点；或者说，瞬时速度,相等的重合点(即等速重合点)。若该点的绝对速度为零则为绝对瞬心；若不等于零则为相对瞬心。如图3-1所示。,图3-1,二、,机构中瞬心的数目,因为每两个构件就有一个瞬心，所以由,N,个构件,(,含机架,),组成的机构，其总的瞬心数,K,由排列组合的知识可得：,三、机构中瞬心位置的确定,如上所述，机构中每两个构件之间就有一个瞬心，如果两个构件是通过运动副直接联接在一起的，那末其瞬心的位置，根据瞬心的定义可以很容易地加以确定。而一般情况下，两构件的瞬心则需藉助于所谓“三心定理”来确定。现分别介绍如下。,1.,通过运动副直接相联的两构件的瞬心,1) 以转动副相联接的两构件，如图3-2,a所示，转动副的中心即为其瞬心P,12,。,2),以移动副相联接的两构件，如图,3,-,2,b,所示，因两构件间任一重合点的相对运动速度方向均平行于导路，故其瞬心,P,12,必位于移动副导路的垂直方向上的无穷远处。,3) 以平面高副相联接的两构件，如图3-2，c、d所示。如果高副两元素之间为纯滚动则其两元素的接触点M即为瞬心P,12,；如果高副两元素之间既作相对滚动，又有相对滑动，则瞬心P,12,必位于高副两元素在接触点处的公法线nn上，具体位置尚需根据其他条件来确定。,图3-2,2.,用三心定理确定两构件的瞬心,三心定理,(Kennedys throrem),：三个彼此作平面平行运动的构件的瞬心必位于同一直线上。如图,3,-3所示。,图3-3,四、 速度瞬心(instantaneous center of velocity)在机构速度分析中的应用,1)求构件的角速度,在图3-4所示的平面四杆机构中，设各构件的尺寸已知，原动件2以角速度,2,沿顺时针方向回转。,因为已知瞬心,P,24,为构件,2,及构件,4,的等速重合点，故得：,图3-4,2)求构件上某点的速度,如图3-5所示的凸轮机构。设各构件的尺寸已知，原动件2的角速度为,2,。利用瞬心来确定从动件3的移动速度，同样十分简便。,如图所示，得从动件的移动速度的大小为,：,3,-,3 用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析,矢量方程图解法所依据的基本原理是理论力学中学过的运动合成的原理。在对机构进行速度和加速度分析时，首先要根据运动合成原理列出机构运动的矢量方程，然后再根据该方程进行作图求解。,图3-5,一、 同一构件上两点间的速度、加速度的关系,1. 速度分析,图,3,-,6,在如图3-6，a所示的曲柄滑块机构中，连秆BC为一作平面运动的构件。由运动合成原理可知，此构件上任一点(如点c)的运动可认为是由其随同该构件上另一任意点(如点B)的平动(牵连运动)与绕该点(点B)的转动(相对运动)所合成。因此，点c的速度为：,现设点B的速度为已知，求点c的速度。,步骤：,1)对机构进行运动分析，列出矢量方程式；,2)取速度比例尺，定极点；,3)按矢量作图法作图。,(从已知到未知),其大小分别为：,现如求连杆上点E的速度则利用B、E两点和C、E两点间的速度关系可分别列出矢量方程并将它们联立起来，可得矢量方程：,用图解法求解，得：,V,E,=,图b所示的由各速度矢量构成的图形称为,速度多边形,。p点称为速度多边形的,极点,。其,特点,如下：,1)由极点P向外放射的矢量，代表构件上相应点的绝对速度；,2)相对速度是联接两绝对速度矢端的矢量，下标字母相反；,3)极点的速度为零；,4)速度影象原理。,由图可见，因,bce与,BCE,的对应边相互垂直，故知两者相似，且其角标字母符号的顺序也是一致的，只是前者的位置是后者沿,的方向转过了90,0,而已。所以，我们把图形bce称为构件图形BCE的速度影像。,2. 加速度分析,同理点,c,的加速度为：,为求E点的加速度与进行速度分析相似，需利用点E与B、C两点的加速度关系联立求解，即得：,图C所示的由各加速度矢量构成的图形称为,加速度多边形,。p点称为加速度多边形的,极点,。其特点如下：,1)由极点P向外放射的矢量，代表构件上相应点的绝对加速度；,2)相对加速度是联接两绝对加速度矢端的矢量，下标字母相反；,3)极点的加速度为零；,4)加速度影象原理。,由图可见，因,bce与,BCE,相似，且其角标字母符号的顺序也是一致的。所以，我们把图形bce称为构件图形BCE的加速度影像。,3. 两构件重合点间的速度、加速度的关系,如图,3,-7所示的平面四杆机构中，构件,1,与构件,2,组成移动副，点,c,为此两构件上的一个重合点。由运动合成原理可知，构件,2,上的点,c,2,的运动可以认为是由构件,1,上与其相重合的点,c,1,的运动,(,牵连运动,),和点,c2,相对于点,c,1,的相对运动所合成。,图3-7,哥氏加速度大小为：,(3-7),方向：将相对速度V,C1C2,沿角速度,1,的转向转过90,0,所得的方向一致。,(3-5),(3-6),第四章,平面机构的力分析,4,-,1机构力分析的目的和方法,一、作用在机械上的力,作用在机械上的力，包括由外部施于机械的原动力、生产阻力、重力和运动构件受到的空气和油液等的介质阻力；构件在变速运动时产生的惯性力；以及由于上述诸力在运动副中所引起的反力。,根据各力对机械运动的影响的不同，可将它们概分为两大类：,(1) 驱动力 凡是驱使机械产生运动的力统称为驱动力。所作的功为正功，称为驱动功，或输入功。,(2) 阻抗力 凡是阻止机械产生运动的力统称为阻抗力。所作的功为负功，称为阻抗功。,阻抗力又可分为,有效阻力,和,有害阻力,两种：,1) 有效阻力，即工作阻力。,它是机械在生产过程中为了改变工作物的外形、位置或状态等所受到的阻力，克服了这些阻力就完成了有效的工作。克服有效阻力所完成的功称为有效功或输出功。,2) 有害阻力，即机械在运转过程中所受到的非生产阻力。,机械为了克服这类阻力所做的功是一种纯粹的浪费。克服有害阻力所作的功称为损失功。,二、机构力分析的目的和方法,由于作用在机械上的力，不仅是影响机械的运动和动力性能的重要参数，而且也是决定相应构件尺寸及结构形状等的重要依据。机构力分析的任务，主要有以下两部分内容：,1. 确定运动副中的反力。,2.,确定为了使机构原动件按给定规律运动时需加于机械上的平衡力,(,或平衡力偶,),。,4,-,2构件惯性力的确定,一、 作平面复合运动的构件,由理论力学可知，对于作平面复合运动而且具有平行于运动平面的对称面的构件,(,例如图,4,1,所示铰链四杆机构中的连杆,BC),，其惯性力系可简化为一个加在质心上的惯性力和一个惯性力偶矩。它们分别为：,为了分析的方便，上述惯性力和惯性力偶矩又可以用一大小等于,P,1,，作用线由质心,S,偏移一距离,L,h,的总惯性力来代替,(,图,6),，此时距离的值,L,h,为：,二、,作平面移动的构件,对于作平面移动的构件，由于没有角加速度，故不会产生惯性力偶。只是当构件为变速移动时，持有一个加在其质心S上的惯性力,P,1,-m,s,。,三、,绕定轴转动的构件,对于绕定轴转动的构件，其惯性力和惯性力偶矩的确定又有两种情况。,(1),绕通过质心的定轴转动的构件,(,如齿轮、飞轮等构件,),因其质心的加速度为零，故惯性力为零。只是当构件为变速转动时，将产生一惯性力偶矩,M,1,-J,s,s,。,(2) 绕不通过质心的定抽转动的构件(如曲柄、凸轮等构件) 如果构件是变速转动(如图4-2所示)，则将产生惯性力,P,1,-m,s,及惯性力偶矩M,1,-J,s,s,。同样，两者可用一个不通过其质心的总惯性力来代替。,第五章 机械中的摩擦和机械效率,5,-,1,研究机械中摩擦的目的和研究内容,我们知道运动副中的摩擦力是一种主要的有害阻力，它会使机械的效率降低，使运动副元素受到磨损，因而降低零件的强度、机械的精度和工作寿命；使零件发热膨胀，将导致机械运转不灵活，甚至卡死，并使机械润滑情况恶化。而另一方面在某些情况下机械中的摩擦又是有用的，在不少机械中，就正是利用摩擦来工作的。,研究的主要内容有：,1) 几种最常见的运动副中的摩擦的分析；,2) 考虑摩擦时机构的受力分析；,3) 机械效率的计算；,4) 由于摩擦的存在而可能发生的所谓机械的“自锁”现象，以及自锁现象发生的条件等。,5-2运动副中的摩擦,一、,移动副中摩擦力的确定,图(a)摩擦力F21的大小为：,图(b)摩擦力F21的大小为：,若令f/sinQ，则上式可写为：,图5-1,图(c)摩擦力F,21,的大小为：,式中f,v,称为,当量摩擦系数,。,二、,移动副中总反力的确定,在进行机械的受力分析时，由于,N,21,及,F,21,都是构件,2,作用于构件,1,上的反力，故可将它们合成为一个总反力，以,R,21,表示,(,如图,5,-2所示,),。设总反力,R,21,和法向反力,N,21,之间的夹角为,，则：,角称为,摩擦角,。,总反力R,21,的作用线方向的确定,：,R,21,与构件,1,相对于构件,2,的相对运动速度,V,12,的方向成钝角(,90,+ ,)。,图5-2,例如：图5-3,a中，设滑块1置于升角为的斜面2上，Q为作用在滑块1上的铅垂载荷。求：,(1)滑块1沿斜面等速上行(通常称此行程为正行程) 时所需的水平驱动力P。,根据力的平衡条件可知：,作出力的三角形，如图,b,所示。由图可得：,(2)滑块1是沿斜面2等速下滑(通常称此行程为反行程) 时所需的水平驱动力P。如图5-4,a所式。,根据力的平衡条件可知：,作出力的三角形，如图b所示。由图可得：,三、螺旋副中的摩擦,矩形螺纹螺旋副中肋摩擦,图5-5，a为一矩形螺纹螺旋副(screw pair)，通常在研究螺旋副的摩擦时，都假定螺母与螺杆间的作用力系集中作用在其中径的圆柱面上。因螺杆的螺纹可以设想为由一斜面卷绕在圆柱体上形成的。,因此，如将螺杆沿中径,d,2,的圆柱面展开，则其螺纹将展成一个斜面，该斜面的升角,即为螺杆在其中径,d,2,上的螺纹的导程角，于是得：,假定螺母与螺杆间的作用力系集中作用在一小段螺纹上，这样就把对螺旋副中摩擦的研究，简化为对滑块与斜平面的摩擦来研究了。,四、转动副中的摩擦,1. 轴颈摩擦,如图,5,-,6,所示，设受有径向载荷,Q,作用的轴颈,1,，在驱动力偶矩,M,d,的作用下，在轴承,2,中等速转动。设法向反力的总和为,N,21,，则如前所述，轴承,2,对轴颈,1,的摩擦力,F,21,f*N,21,f,v,*Q,。则摩擦力矩,Mr,为：,图 5-6,(5-6),根据平衡条件可知：,R,21,= -Q,；,M,d,= - R,21,*r = - M,f,即总反力R,21,对轴颈中心O的力矩即为摩擦阻力矩M,f,，而由式(56)知：,对于一个具体的轴颈，由于,f,v,及,r,均为定值，所以,是一固定长度。以轴颈中心,O,为圆心，以,为半径作圆，则称其为摩擦圆，,称为摩擦圆半径。,转动副总反力的方位可根据如下三点来确定：,1) 在不考虑摩擦的情况下，根据力的平衡条件，初步确定总反力的方向；,2) 总反力应与摩擦圆相切；,3) 总反力R,21,对轴颈中心之矩的方向必与相对角速度,12,的,方向相反。,(5-7),5-3 机械的效率,当机器正常运转时，输入功将等于输出功和损失功之和。即：,W,d,= W,r,+ W,f,机械效率为：,效率也可用功率表示，即：,机械效率也可以用力的比值的形式来表达。,图5-7,所示一机械传动装置的示意图。,设P为驱动力，Q为生产阻力，V,P,、V,Q,分别为P和Q的作用点沿该力作用线方向的分速度，于是根据式(5-9，a)可得：,P,V,P,Q,V,Q,图 5-7,设想在该机械中不存在摩擦，为了克服同样的生产阻力,Q,，其所需的驱动力,P,0,(,称为理想驱动力,),。,显然：,P P,0,，且此时，其效率应等于,。,(5-8),(5-9),故得：,将其代入式(a)，得：,同理，机械效率也可以用力矩之比的形式来表达，即,综合式,(c),与,(d),可得：,对于由许多机器组成的机组而言，只要知道了各台机器的机械效率，则该机组的总效率也可以由计算求得。,(1),串联,如图,5-8,所示为几种,机器串联组成的机组。,该机组的机械效率为： 。而功率在传递的过程中，前一机器的输出功率即为后一机器的输入功率,。,图 5-8,(5-10),a,b,c,设各机器的效率分别为,1,、,2,K,则得：,将,1,、,2,K,连乘起来，得,此即表明，串联机组的总效率等于组成该机组的各个机器的效率的连乘积。由此可见，只要串联机组中任一机器的效率很低，就会使整个机组的效率极低。,(2),并联,如图5-9所示为几种机器并联组成的,机组。,总输入功率为,总输出功率为,图 5-9,(5-11),所以总效率为,上式表明并联机组的总效率不仅与各机器的效率有关，而且也与各机器所传递的功率大小有关。要提高并联机组的效率，应着重提高传递功率大的传动路线的效率。,(3),混联,如图5-10所示为兼有串联和并联的混联机组。,为了计算其总效率，可先将输入功至,输出功的路线弄清，然后分别计算出总的,输入功率和总的输出功率，最后可按下式,计算其总机械效率。,图 5-10,(5-12),5,-,4 机械的自锁,有些机械，由于其结构的形式以及摩擦影响，导致当沿某一方向施加无论多大的驱动力(矩)时，都无法使它运动的现象，这种现象就叫作机械的,自锁,。,一移动副的自锁条件,由图5-11可知，P,t,= P*sin (有效分力),P,n,= P*cos (,有害分力,),最大摩擦力为：,当时，由上述可知,此式说明，在的情况下，不管驱动力P如,何增大，驱动力的有效分力总是小于驱动力本身所可能引起的最大摩擦力，因而滑块1总不会发生运动，即发生了所谓的自锁现象。,平面移动副自锁条件,：,作用于滑块上的合外力作用线落在移动副摩擦角以内，即, ,。,图 5-11,二、转动副自锁条件,如图,5,-,12,所示，轴颈和轴承组成转动副。设作用在轴颈上的外裁荷为一单力,P,，则当力,P,的作用线在摩擦圆之内时,(,即,a,),，因它对轴颈中心的力矩,M,Pa,，始终小于它本身所能引起的最大摩擦力矩,M,f,R,P,。所以力,P,任意增大,力臂,a,保持不变,),，也不能驱使轴颈转动，亦即出现了自锁现象。,转动副自锁条件：,作用于轴颈且垂直于轴线的合外力的作用线切割于摩擦圆，即a。,三、利用效率判断机构自锁的条件,当机械自锁时其机械效率将恒小于或等于零，即,设计机械时，可以利用上式来判断其是否自锁及出现自锁的条件。当然，因机械自锁时已根本不能作功，故此时，,已没有一般效率的意义，它只表明机械自锁的程度。当,o,时，机械处于临界自锁状态；若,o,，则其绝对值越大，表明自锁越可靠。,图 5-12,(5-13),第六章 平面连杆机构及其设计,6,-,1 连杆机构及其传动特点,连杆机构,(linkages),是一种应用十分广泛的机构，图,6,-,1中,所示机构的共同特点是其原动件,1,的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件,2,才能传动从动件,3,，这个不直接与机架相联的中间构件称为连杆，而把具有连杆的这些机构统称为连杆机构。,图6-1,b,a,c,优点,：,1) 其运动副为低副面接触，压强较小，可以承受较大的载荷。便于润滑，不易产生大的磨损，几何形状较简单，便于加工制造。,2) 从动件能实现各种预期的运动规律。,3) 连杆上各不同点的轨迹是各种不同形状的，从而可以得到各种不同形状的曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的要求。,缺点,：,1) 有较长的运动链，使连杆机构产生较大的积累误差，降低机械效率。,2),连杆及滑块的质心都在作变速运动，它们所产生的惯性力难于用一般的平衡方法加以消除，增加机构的动载荷。所以连杆机构一般不宜用于高速传动。,连杆机构在实际中用处较多，如图6-2, a中的机械手驱动机构，图6-2,b 中的溜冰鞋刹车机构和图6-2,c中的夹子驱动机构。,图6-2，a,图6-2，b,图6-2，c,6,-,2 平面四杆机构的类型和应用,一、平面四杆机构的基本型式,图6-l，b所示的铰链四杆机构(所有运动副都是回转副的四杆机构)是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构可看作是在它的基础上通过演化而成的。AD为机架，AB、CD为连架杆，BC为连杆。在连架杆中，能作整周回转的称为,曲柄,，只能在一定范围内摆动的则称为,摇杆,。,1. 曲柄摇杆机构,在铰链四杆机构中，若两个这架秆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为,曲柄摇杆机构,(carnk-rocker meghanism)；当曲柄为原动件，摇杆为从动件时，可将曲柄的连续转动转变成摇杆的往复摆动。该机构在实际中多有应用，如图6-3和6-4。,2. 双曲柄机构,在铰链四杆机构中，若两个这架杆都是曲柄，则称为,双曲柄机构,(double-crank mechanism)。在双曲柄机构中，若其相对两杆平行且相等，则成为平行四边形机构。,3. 双摇杆机构,铰链四杆机构中两连架杆都是摇杆，则称为,双摇杆机构,(double-rocker mechanism),。,图 6-8,图 6-9,二、平面四杆机构的演化型式,1. 改变构件的形状和运动尺寸,在图6-10,图b所示的曲线导轨的曲柄滑块机构可看成是由图a所示的曲柄摇杆机构中所演化而来。其中摇杆DC可由饶D点沿轨道运动的滑块3所替代,。,当将摇杆3的长度增至无穷大，则铰链c运动的轨迹将变为直线，而与之相应的图b中的曲线导轨将变为直线导轨，于是铰链四杆机构将演化成为常见的曲柄滑块机构，如图6-10,d所示。其中图c所示为具有一偏距e的偏置曲柄滑块机构(offset slider-crank mechanism)；图b所示为没有偏距的对心曲柄滑块机构。,图 6-10,在图6-10,d所示的曲柄滑块机构中，由于铰链B相对于铰链c运动的轨迹为圆弧，所以如将连杆2作成滑块形式，并使之沿滑块3上的圆弧导轨运动(如图6-11，a所示)，此时已演化成为一种具有两个滑块的四杆机构。,设将图6-10,d所示曲柄滑块机构中的连杆2的长度增至无穷长则圆弧导轨将成为直线，于是该机构将演化成为图6-11,b所示的所谓正弦机构。,图 6-11,2. 改变运动副的尺寸,在图,6,-,12,a,所示的曲柄滑块机构中，当曲柄,AB,的尺寸较小时，由于结构的需要，常将曲柄改作成如图,b,所示的一个几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称为,偏心轮,，这种机构则称为,偏心轮机构,。,3.选用不同的构件为机架,图,6,19,图 6-13,图 6-12,在图6-13,a所示的曲柄滑块机构中，若改选构件AB为机架，如图b所示，则称为导杆机构。在导杆机构中，如果导杆能作整周转动，则称为回转导杆机构。如果导杆仅能在某一角度范围内往复摆动，则称为摆动导杆机构。,如果在图6-13,a所示的曲柄滑块机构中，改选构件BC为机架(如图c)，则将演化成为曲柄摇块机构。,在图,6,-,13,a,所示的曲柄滑块机构中改选滑块为机架,(,图,d),，则将演化为直动滑杆机构。,6,-,3 有关平面四杆机构的一些基本知识,一、平面四杆机构有曲柄的条件,如图,6-14,所示，设分别以,a,、,b,、,c,、,d,表示铰链四杆机构各杆的长度，,AD,杆为机架，讨论能作整周回转,(,即转动副,A,为周转副,),的条件。,设ad,当AB杆能绕A点作整周回转时，AB杆应能占据AB与AB两个位。由图可见，为了使AB杆能转至位置AB，各杆的长度应满足,图 6-14,为了使AB杆能够转至位置AB ，各杆的长度应满足,或,将式(61)、(62)、(63)分别两两相加，则得,即,AB,杆为最短秆。,d + a b+ c da,d + b a+ c d b,d + c b+ a d c,由此可得,曲柄存在条件,(Crashoffs law),：,1) 最短杆是机架或连架杆。,2),最短杆与最长杆的长度和应小于或等于其他两杆的长度和,。,二、急回运动和行程速比系数,图6-15所示为一曲柄摇杆机构，设曲柄AB为原动件，以等角速度顺时针转动，在其转动一周的过程中，有两次与连杆共线，这时从动件摇杆CD分别位于两极限位置C,1,D和C,2,D。,从动件运动到两极限位置时，原动件,AB,所处两个位置之间所夹的锐角称为,极位夹角,(crank angle between extreme position),。,显然,：,1,2,摇杆的这种运动性质称为急回运动(quick_return motion)。为了表明急回运动的急回程度，常用行程速比系数(advance-to return-time ratio)来衡量，即,图 6-15,三、 四杆机构的传动角与死点,1. 压力角与传动角,(1) 压力角,(pressure sngle)()：若不考虑各运动副中的摩擦力及构件重力和惯性力的影响，作用于点C的力P与点C速度方向之间所夹的锐角。,(2) 传动角,()：压力角的余角,。,如,图6-16所,示，力P可分解为：,P,n,= Psin= Pcos ，P,t,= Pcos = Psin ，其中P,n,只能使铰链C、D产生径向压力，才P,t,是推动从动件运动的有效分力。可见，角愈大，则有效分力P,t,愈大，而P,n,愈小，因此对机构的传动愈有利。,图 6-16,(3) 最小传动角 mind的确定,由图633可见， 与机构的BCD有关。在ABD和BCD中，由余弦定理得：,BD,2,= b,2,+c,2,-2bccosBCD ；,BD,2,= a,2,+d,2,-2adcos,则：,讨论：,当BCD 90,0,时， =180,0,BCD，则,min,=180,0,BCD,max,，由公式可知，当 = 180,0,时，有BCD,max,。,故机构的最小转动角是 ,min,= ,1min,，,2min,2. 死点,(1) 死点,在图6-17中，设摇杆CD为主动件，则当机构处于图示连杆与从动曲柄共线的两个位置(虚线位置)时，传动角o,的情况。这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，所以不能使构件AB转动而出现“顶死”现象。机构的此种位置称为死点(dead point)。,机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置。机构之所以出现死点，是因为原动件是作往复运动的构件，导致机构一定出现连杆与从动件共线。,图 6-17,(2) 死点的利用,在工程实际中，常常利用机构的死点来实现特定的工作要求,。,如图,6,-,18,所示的飞机起落架机构和图,6,-,19,所示的工件夹紧机构。,6,-,4,平面四杆机构的设计,一、 连杆机构设计的基本问题,连杆机构设计的基本问题是根据给定的运动要求选定机构的型式，并确定其各构件的尺度参数。为了使机构设计得合理、可靠，通常还需要满足结构条件,(,如要求存在曲柄、杆长比适当、运动副结构合理等,),、动力条件,(,如最小传动角,),和运动连续条件等。,图 6-19,图 6-18,根据机械的用途和性能要求等的不同，对连扦机构设计的要求是多种多样的，但设计要求，一般可归纳为以下三类问题：,(1) 满足预定的运动规律要求。,(2) 满足预定的连杆位置要求。,(3) 满足预定的轨迹要求。,二、 用作图法设计四杆机构,1. 按连杆预定的位置设计四杆机构,当四杆机构的四个铰链中心确定后，其各杆的长度也就相应确定了，所以根据设计要求确定各杆的长度，,可以通过确定四个铰链的位置来解决。,图 6-20,图 6-21,如图6-20所示，假设连杆上两活动铰链的中心B、C的位置己确定，而在机构的运动过程中，要求连杆占据B,1,C,1,、B,2,C,2,两个位置，现在来讨论此四杆机构的作图设计方法。,分析,：,该机构设计的主要问题是确定两固定铰链A和D点的位置。由于B、C两点的运动轨迹是圆，该圆的中心就是固定铰链的位置，因此A、D的位置应分别位于B,1,B,2,和C,1,C,2,的垂直平分线b,12,和c,12,上。,设计步骤,：,(1)选比例尺，作出连杆的已知位置；,(2)分别作B,1,B,2,、B,2,B,3,的垂直平分线b,1,、b,2,，其两线交点即为固定铰链点A；,(3)同理作出D点；,(4)连接A、B、C、D即为所求。,注意,：,若给定连杆三个位置，,有唯一的解，若给定两个位置有无穷多个解。,2. 按两连架杆预定的对应位置设计四扦机构,如图6-22,a所示的四杆机构中，AD为机架，BC为连杆，则AB、CD为连架杆。,现若如图,b,所示改取,CD,为机架，则,BC,、,AD,为连架杆，而,AB,却变成了连杆。那末，根据机构倒置(,linkage inversion,)的理论，我们能把按连架杆预定的对应位置设计四杆机构的问题转化为按连杆预定的位置设计四杆机构的问题。下面我们就来讨论这个问题。,图 6-23,图 6-22,分析,：,在如图,6,-,23,所示的四杆机构中，假想当机构在第二位置时，给整个机构一个反转运动，使它绕轴心,D,反向转过,12,角。根据相对运动的原理，这并不影响各构件间的相对运动，但这时构件,DC,2,却转到位置,DC,1,而与之重合。机构的第二位置则转到了,DC,1,B,2,A,位置。此时，我们可以认为，机构已转化成了以,CD,为“机架”，,AB,为“连杆”的机构。于是，按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构的问题，也就转化成了按连杆预定位置设计四杆机构的问题。上述这种方法称为,刚化反转法,或,转化机构法,。,图 6-24,如图6-24所示，作图,步骤如下,：,(1) 机构倒置。选比例尺，作出两连架杆及机架的已知位置，根据结构条件适当选取AB的长度，并选定新“机架”；,(2) 刚化转动。将其它位置的四杆机构刚化转动到与“机架”重和，即将B,2,D绕D点反向转,12,，得B,2,点；,(3) 作BB,2,的垂直平分线，则连杆上另一铰链中心C的第一位置C,1,必位于垂直平分线上。此时将有无穷多解。可根据结构条件或其他辅助条件确定C,1,的位置；,(4),连接,A,、,B,1,、,C,1,、,D,即为所求四杆机构。,3. 按给定的行程速比系数K设计四杆机构,根据行程速比系数设计四杆机构时，可利用机构在极位时的几何关系，再,结合其他辅助条件进行设计。,1) 曲柄摇杆机构,设已知摇杆的长度CD、摆角及行程速比系数K，要求设计此曲柄摇杆机构。,分析,：,首先按公式180,0,(K-1/K+1)计算出对应于所给行程速比系数的机构极位夹角；选取比例尺,l,，并,将已知条件图形化，如：,任取一点,D,并以此点为顶点作等腰三角形,C,1,DC,2,(,如图,6,-,26),，使两腰之长等于,l,CD,，,C,1,DC,2,。,对比图6-25可见，因为l,AC2,=(l,BC,+l,AB,)/2，l,AC2,=(l,BC,-l,AB,)/2，所以只要确定了固定铰链点A的位置，就能方便地求出各构件的尺寸。即此种机构的设计转化为寻找固定铰链点A的问题。,图 6-26,图 6-25,作直角C,1,C,2,P，使,C,1,C,2,P=90,，,C,2,C,1,P=90,- ，则,C,1,PC,2,=；,作,直角C,1,C,2,P,的外接圆。则圆弧,C,1,PC,2,上任一点,A,至,C,1,和,C,2,的连线的夹角都等于极位夹角,，所以称此圆为曲柄轴心,A,点所在圆。,借助于其它附加条件，可以求出,A,点的具体位置。,以,A,点为圆心,，以l,AC1,为半径作圆弧交AC,2,线与E点，则EC,2,线的一半即为曲柄长l,A,B,，而AE则为连杆长 l,BC,；最后,连接A、B、C、D即为所求。,2) 曲柄滑块机构,设已知曲柄滑块机构的行程速比系数K、冲程H和偏距e，要求设计此机构。,步骤,：,(1) 按公式计算180,0,(K-1/K+1)。,(2) 选比例尺，作一直线C,1,C,2,=H，如图6-27所示。,(3) 作,C,2,C,1,O=90,0,-，,C,1,C,2,O=90,0,-，此两线相交于点O。,(4)以O为圆心，过C,1,、C,2,作圆，曲柄的轴心A就应在此圆弧上选取。,图 6-27,(5) 作一直线与C,1,C,2,平行，使其间的距离等于给定的偏距e，则此直线与上述圆弧的交点即为曲柄的轴心A的位置。,(6) 由公式求曲柄、连杆长度。,3),导杆机构,设已知摆动导杆机构的机架长度,d,，行程速比系数,K,，要求设计此机构。,由图6-28可以看出，导杆机构的极位夹角与导杆的摆角相等。设计此四杆机构时，需要确定的几何尺寸仅有曲柄的长度a。,步骤,：,(1) 按公式计算180,0,(K-1/K+1)。,(2) 选比例尺，任取一点D，作,mDn=。,(3) 作,mDn等分角线，在此分角线上取L,AD,=d，即得曲柄回转中心A。,(4) 过点A作导杆的垂直线AC,1,(或AC,2,)，则该线段长即为曲柄的长度。,故,a,d sin(,2),。,图 6-28,第七章 凸轮机构及其设计,7,-,1凸轮机构的应用和分类,凸轮,(cam)：,具有曲线轮廓或凹槽(,notch)的构件。,凸轮机构,：,由凸轮、推杆和机架三个主要构件所组成的高副机构。当凸轮运动作等速转动时，迫使推杆(或称从动件)完成某种预期的运动。,一、凸轮机构的应用,在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛的应用着各种形式的凸轮机构。,优点,：,构件少，运动链短，结构简单紧凑；易使从动件(follower)得到各种预期的运动规律。,缺点,：,点、线接触，,故易于磨损。所以凸轮机构多用在传递动力不大的场合。,二、凸轮机构的分类,1. 按凸轮的形状分,1) 盘形凸轮(disk cam)。 如图7-1，a所示，图b所示为移动凸轮。,2) 圆柱凸轮(cylindrical cam)。 如图7-1，c所示。,2. 按推杆的形状分,1) 尖顶推杆,。如图7-2，a、b所示，这种推杆的构造最简单，但易道磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合。,图 7-2,图 7-1,2) 滚子推杆,。如图c、d所示，这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力，因而应用较广。,3),平底推杆,。如图,e,、,f,所示，这种推杆的优点是凸轮对推杆的作用力始终垂直于推杆的底边,(,不计摩擦时,),，故受力比较平稳。而且凸轮与平底的接触面间容易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。,3. 按推杆运动形式分,1,) 直动推杆,：推杆作往复直线运动(心直动推杆、偏置直动推杆)。,2),摆动推杆,：推杆作往复摆动运动。,7,-,2,推杆的运动规律,一、几个名词,以如图7-3,a所示对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构为对象。,基圆,(r,0,)：以凸轮的回转轴心O为圆心，以凸轮理论廓线的最小半径为半径所作的圆。,推程及推程运动角,0,：推杆由最低位置被推到最高位置的过程；凸轮相应的转角,0,称为,推程运动角,。,回程及回程运动角,0,：推杆由最高位置被回到最低位置的过程；凸轮相应的转角,0,称为,回程,运动,角,。,远休止及远休止角,01,：推杆在最高位置静止不动，此过程称为远休止，凸轮相应的转角,01,称为,远休止角,。,近休,止及近休止角,02,：,推杆在最低位置静止不动，此过程称为近休,止,，凸轮相应的转角,02,称为,近休止角,。,图 7-3,行程,h,：,推杆在推程或回程中移动的距离h称为推杆的,行程,。,推杆的运动规律,：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化的规律。因为凸轮一般为等速运动，即其转角,与时间,t,成正比，所以推杆的运动规律更常表示为推杆的运动参数随凸轮转角变化的规律。,二、,推杆常用运动规律,1. 多项式运动规律,推杆的运动规律用多项代数式表达时，多项,式的一般表达式：,常用的有以下几种多项式运动规律。,(1),一次多项式运动,规律,(等速运动规律),图 7-4,图,7,-4所示为其运动线图,(,推程,),。由图可知，推秆在运动开始和终止的瞬时，因速度有突变，所以这时推杆的加速度在理论上将出现瞬时的无穷大值，,致使推杆突然产生非常大的惯性力，因而使凸轮机构受到极大的冲击，这种冲击称为,刚性冲击,。,(2),二次多项式运动,规律,(等加速等减速运动规律),等加速等减速运动规律是指从动件在前半推程或回程(0,t,/2)中作等加速运动，后半推程或回程：(,t,/2,t,)中作等减速运动，通常加速度和减速度的绝对值相等。,图 7-5,其运动线图如图,7,-5所示，由图可见，在,A,、,B,、,C,三点推杆的加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，因而引起的冲击是有限的，称这种冲击为,柔性冲击,。,2. 三角函数运动规律,(1),余弦加速度运动规律,(,又称简谐运动规律,),质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动称为简谐运动。,由推杆运动线图(推程)如图7-6所示，在首、末