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机械设计基础第1章 平面机构的自由度和运动简图11 运动副及其分类1.构件 独立的运动单元 零件 独立的制造单元2.运动副 两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。 2)按相对运动范围分有：平面运动副平面运动 空间运动副空间运动3)按运动副元素分有：高副点、线接触，应力高。例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。低副面接触，应力低。例如：转动副（回转副）、移动副 3.运动链 两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。 闭式链、开式链 4.机构 具有确定运动的运动链称为机构 机构机架原动件从动件12 平面机构运动简图机构运动简图 用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用：1.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。机构运动简图应满足的条件：1.构件数目与实际相同2.运动副的性质、数目与实际相符 3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。13 平面机构的自由度 定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。 原动件能独立运动的构件。 自由度原动件数一、 平面机构自由度的计算公式 F=3n（活动构件数）2P L（低副数）Ph （高副数）二、计算平面机构自由度1.复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,m1转动副。 2.局部自由度构件局部运动所产生的自由度。计算：应去掉局部自由度Fp或滚子、铰链3.虚约束 对机构的运动实际不起作用的约束。计算：应去掉虚约束。 出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合 2.两构件构成多个移动副，且导路平行 3.两构件构成多个转动副，且同轴 4.运动时，两构件上的两点距离始终不变5.对运动不起作用的对称部分。6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 虚约束的作用：善构件的受力情况，如多个行星轮增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。 第2章 平面连杆机构21 平面四杆机构的基本类型及其应用应用实例： 内燃机、鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、 牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。 定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。特点：采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损、形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。连杆曲线丰富。可满足不同要求。缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。产生动载荷（惯性力），不适合高速。设计复杂，难以实现精确的轨迹。分类: 平面连杆机构和空间连杆机构 常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。平面四杆机构的基本型式: 曲柄 作整周定轴回转的构件； 连杆 作平面运动的构件； 摇杆 作定轴摆动的构件； 连架杆 与机架相联的构件; 周转副 能作360 8相对回转的运动副; 摆转副 只能作有限角度摆动的运动副。三种基本型式：（1）曲柄摇杆机构 特征：曲柄摇杆 作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。（2）双曲柄机构 特征：两个曲柄 作用：将等速回转转变为等速或变速回转。如叶片泵、惯性筛等。特例：平行四边形机构特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动 如火车轮 摄影平台 播种机料斗机构（3）双摇杆机构特征：两个摇杆 如铸造翻箱机构 风扇摇头机构特例：等腰梯形机构汽车转向机构22 平面四杆机构的基本特性一、铰链四杆机构有整转副的条件平面四杆机构具有整转副可能存在曲柄。曲柄存在的条件：1. 最长杆与最短杆的长度之和应其他两杆长度之和称为杆长条件。2.连架杆或机架之一为最短杆。 可知：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是整转副。当满足杆长条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：曲柄摇杆 （最短杆临边为支架）、双曲柄（最短杆为支架）、 双摇杆机构（最短杆对边为支架）二、急回特性在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。此两处曲柄之间的夹角 称为极位夹角。 称K为行程速比系数。只要 0 ， 就有 K1且越大，K值越大，急回性质越明显。 设计新机械时，往往先给定K值，于是: 三、压力角和传动角 压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。 切向分力: F= Fcos =Fsin 法向分力: F”= Fcos F 对传动有利可用的大小来表示机构传动力性能的好坏, 称为传动角。设计时要求: min50 min一定是：主动件与机架共线两处之一。四、死点位置 摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：0 此时机构不能运动. 称此位置为：“死点” 避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构; 也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等23 平面四杆机构的设计设计要求： 1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。 2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。 3)满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。 设计方法：图解法、解析法、实验法 第3章 凸轮机构31 凸轮机构的应用和类型结构：三个构件、盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。作用：将连续回转 = 从动件直线移动或摆动。优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大应用：内燃机 、牙膏生产等自动线、补鞋机、配钥匙机等。分类：1)按凸轮形状分：盘形、 移动、圆柱凸轮 ( 端面 ) 。2)按推杆形状分：尖顶、 滚子、平底从动件。3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、 摆动 4).按保持接触方式分：力封闭（重力、弹簧等）几何形状封闭(凹槽、等宽、等径、主回凸轮32 从动件的常用运动规律凸轮机构设计的基本任务:1)根据工作要求选定凸轮机构的形式; 2)推杆运动规律; 3)合理确定结构尺寸; 4)设计轮廓曲线。运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、和加速度a2 随时间t 的变化规律。33 凸轮机构的压力角 定义：正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角一、压力角与作用力的关系 不考虑摩擦时，作用力沿法线方向。F-有用分力, 沿导路方向F”-有害分力，垂直于导路F”=F tg F 一定时， F”，若大到一定程度时，会有：Ff F 机构发生自锁。 为了保证凸轮机构正常工作，要求： 三、重合度 1.一对轮齿的啮合过程 2.连续传动条件 定义: = 实际啮合线段/啮合点间距 为一对齿轮的重合度 一对齿轮的连续传动条件是：1 46 渐开线齿轮的切齿原理 一、 成形法盘铣刀 指状铣刀成形法加工的特点：产生齿形误差和分度误差，精度较低，加工不连续，生产效率低。适于单件生产。二、范成法1. 齿轮插刀2. 齿条插刀3. 齿轮滚刀范成法加工的特点：一种模数只需要一把刀具连续切削，生产效率高，精度高，用于批量生产。47 根切现象、最少齿数及变位齿轮第5章 轮 系51 轮系的类型定义：由齿轮组成的传动系统简称轮系 轮系分类 :1.定轴轮系（轴线固定） 2. 周转轮系（轴有公转）3. 复合轮系（两者混合）52 定轴轮系及其传动比 一、传动比大小的计算 一对齿轮： i12 =1 /2 =z2 /z1 对于齿轮系，设输入轴的角速度为1，输出轴的角速度为m ,按定义有： i1m=1 /m 当i1m1时为减速, i1m ，则T为正值，其方向与螺母运动方向相反，是阻力； 若 ，则T为负值，方向相反，其方向与预先假定的方向相反，而与螺母运动方向相同，成为放松螺母所需外加的驱动力矩。当时，若没有力矩T，螺母在Fa的作用不会运动 - 这种现象称为自锁。二、 非矩形螺纹 0摩擦系数为f 的非矩形螺纹所产生的摩擦力与摩擦系数为f ，的矩形螺纹所产生的摩擦力相当。故称 f 为当量摩擦系数。称 为当量摩擦角滑块上升： 滑块下降： 非矩形螺旋的自锁条件： 螺旋转动一圈时，有效功为FaS, 输入功为2T。定义螺旋副的效率为有效功与输入功之比： 当一定时，在=45-/2 处效率曲线有极大值。对于传动螺旋，一般取： 25对于联接螺纹，必须取： = 5.7103 机械制造常用螺纹普通螺纹以大径d为公称直径，同一公称直径可以有多种螺距，其中螺距最大的称为粗牙螺纹，其余的统称为细牙螺纹。粗牙螺纹应用最广细牙螺纹的优点：升角小、小径大、自锁性好、强度高缺点：不耐磨易滑扣。应用：薄壁零件、受动载荷的联接和微调机构。螺纹的基本尺寸104 螺纹联接的基本类型及螺纹紧固件一、 螺纹联接的基本类型基本类型螺栓联接 螺钉联接 双头螺柱联接 紧定螺钉联接二、螺纹紧固件螺纹紧固件螺栓 双头螺柱 螺钉、紧定螺钉 螺母 垫圈 105 螺纹联接的预紧和防松一、 拧紧力矩设轴向力为Fa 总力矩：T1克服螺纹副相对转动的阻力矩； T2克服螺母支撑面上的摩擦阻力矩；fc摩擦系数。 无润滑时取： fc =0.15 rf支撑面摩擦半径。rf =(dw+d0)/4简化公式： T 0.2 Fa d工程上常采用测力矩扳手或定力矩扳手来控制预紧力的大小。二、 螺纹联接的防松1. 利用附加摩擦力防松2. 采用专门防松元件防松3. 其他方法防松106 螺栓联接的强度计算 螺栓联接的主要失效形式：螺栓拉断 螺纹压溃或剪断 滑扣 一、松螺栓联接 强度条件： 力除以面积式中:d1-螺纹小径， mm 二、紧螺栓联接 强度条件： 1. 受横向工作载荷的螺栓强度螺栓与孔之间有间隙，工作时预紧力Fa导致接合面所产生的摩擦力应大于横向载荷F。 预紧力Fa ： C-可靠性系数，常取C=1.11.3 m-结合面数 f-摩擦系数对钢与铸铁，取:f =0.10.15改进措施：采用键、套筒、销承担横向工作载荷。 采用无间隙的铰制孔螺栓2. 受轴向工作载荷的螺栓强度 设流体压强为p，螺栓数目为Z，则缸体周围每个螺栓的平均载荷为： FE =1011 键联接一、键联接的类型 作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递转矩， 或实现零件的轴向固定或移动。类型：平键、半圆键、楔键、切向键等1. 平键联接特点：定心好、装拆方便 种类 ：普通平键 导向平键 普通平键结构 圆头(A型) 用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。方头(B型) 用盘铣刀加工，轴的应力集中小。单圆头(C型) 用于轴端导向平键结构特点：长度较长，需用螺钉固定。为便于装拆，制有起键螺孔。零件可以在轴上移动，构成动联接。1012 销联接作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。 第11章 齿轮传动11-1 轮齿的失效形式失效形式轮齿折断 齿面点蚀 齿面胶合 齿面磨损 齿面塑性变形11-2 齿轮材料及热处理常用齿轮材料优质碳素钢 合金结构钢 铸钢 铸铁 热处理方法 表面淬火 渗碳淬火 调质 正火 渗氮特点及应用：调质、正火处理后的硬度低，HBS 350，属软齿面，工艺简单、用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时，因小轮齿根薄，弯曲强度低，故在选材和热处理时，小轮比大轮硬度高: 2050HBS表面淬火、渗碳淬火、渗氮处理后齿面硬度高，属硬齿面。其承载能力高，但一般需要磨齿。常用于结构紧凑的场合。11-3 齿轮传动的精度等级误差的影响： 1.转角与理论不一致，影响运动的不准确性； 2.瞬时传动比不恒定，出现速度波动，引起震动、冲击和噪音影响运动平稳性； 3.齿向误差导致轮齿上的载荷分布不均匀，使轮齿提前损坏，影响载荷分布的不均匀性。 国标GB10095-88给齿轮副规定了12个精度等级。其中1级最高，12级最低，常用的为69级精度。11-4 直齿圆柱齿轮传动的作用力及计算载荷一、轮齿上的作用力圆周力： 径向力： 法向力： 小齿轮上的转矩： 二、计算载荷Fn-名义载荷用计算载荷KFn代替名义载荷Fn以考虑载荷集中和附加动载荷的影响，K-载荷系数 11-5 直齿圆柱齿轮传动的齿面接触强度计算赫兹公式：
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