机械设计第五章整理
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机械创新设计第五章 仿生创新
一．按生物分类方法进行分类 2．仿动物创新
无线电近炸引信
二战以前的各种高射炮对空弹药，多采用碰炸引信，弹头必须直接击中敌 机，引信才能使弹头爆炸，否则就只会与目标“擦身而过”，命中效果较 差
无线电近炸引信，是美国于1943年研制成功并且装备海军的40高射炮使用的。 当炮弹飞出炮口一定距离后。引信保险装置动作，使引信处于工作状态，振荡器产 生特定频率的无线电振荡信号，由无线电收发机向外发出，发出的无线电波碰到空 中目标(如飞机、导弹等)被反射回来。信号经选择放大器选择并放大，当信号强度达 到一定数值后，就接通电子开关，引爆电雷管，从而使炮弹在离目标较近的距离爆 炸，靠弹丸形成的破片和冲击波毁伤目标。
海洋生物强势附生 会使船舶航速降低寿命缩短 ,如果船舶船体上不使用防 生物污损的防护涂料，往往不出两个月，船底就会被各种海洋附着生物覆盖 得几乎看不出原样.
船舶防污防腐涂料正是在这种需求下诞生。然而，在相当长的时间里， 人类对附着在船舶上的海洋生物采取的都是“毒杀”策略.终将危及人类自身.
苔藓虫
海鞘
第二节 仿生创新的分类
一．按生物分类方法进行分类 2．仿动物创新
仿蝙蝠声波导航功能的声波手杖 众所周知，蝙蝠可以在漆黑的空间里利用 超声回声自由飞行，超声回声可以帮助它们定位障碍物的位置。声波手杖就是 模仿了蝙蝠的声波导航功能，它可以警告盲人路上遇到的障碍物。每一根声波 手杖上都拥有无数的传感器，甚至可以帮助盲人发现比头部还要高的障碍物。
楼兰古城遗址出土的“有翼天使”壁画。
木牛流马
第一节 仿生创新原理
中国古代劳动人民对水生动物——鱼类的仿生也卓有成效。鱼儿在水中有 自由来去的本领，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体人们就模仿鱼类 的形体造船。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴 的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿 和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。人 们还仿照鱼的胸鳍制成双桨，由此取得水上运输的自由。后来随制作水平 提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。
无线电近炸引信
二战以前的各种高射炮对空弹药，多采用碰炸引信，弹头必须直接击中敌 机，引信才能使弹头爆炸，否则就只会与目标“擦身而过”，命中效果较 差
无线电近炸引信，是美国于1943年研制成功并且装备海军的40高射炮使用的。 当炮弹飞出炮口一定距离后。引信保险装置动作，使引信处于工作状态，振荡器产 生特定频率的无线电振荡信号，由无线电收发机向外发出，发出的无线电波碰到空 中目标(如飞机、导弹等)被反射回来。信号经选择放大器选择并放大，当信号强度达 到一定数值后，就接通电子开关，引爆电雷管，从而使炮弹在离目标较近的距离爆 炸，靠弹丸形成的破片和冲击波毁伤目标。
海洋生物强势附生 会使船舶航速降低寿命缩短 ,如果船舶船体上不使用防 生物污损的防护涂料，往往不出两个月，船底就会被各种海洋附着生物覆盖 得几乎看不出原样.
船舶防污防腐涂料正是在这种需求下诞生。然而，在相当长的时间里， 人类对附着在船舶上的海洋生物采取的都是“毒杀”策略.终将危及人类自身.
苔藓虫
海鞘
第二节 仿生创新的分类
一．按生物分类方法进行分类 2．仿动物创新
仿蝙蝠声波导航功能的声波手杖 众所周知，蝙蝠可以在漆黑的空间里利用 超声回声自由飞行，超声回声可以帮助它们定位障碍物的位置。声波手杖就是 模仿了蝙蝠的声波导航功能，它可以警告盲人路上遇到的障碍物。每一根声波 手杖上都拥有无数的传感器，甚至可以帮助盲人发现比头部还要高的障碍物。
楼兰古城遗址出土的“有翼天使”壁画。
木牛流马
第一节 仿生创新原理
中国古代劳动人民对水生动物——鱼类的仿生也卓有成效。鱼儿在水中有 自由来去的本领，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体人们就模仿鱼类 的形体造船。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴 的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿 和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。人 们还仿照鱼的胸鳍制成双桨，由此取得水上运输的自由。后来随制作水平 提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。
机械精度设计第五章：表面粗糙度
中线
lr
lr
lr ln
lr
lr
取样长度和评定长度
6．评定长度ln（evaluation length） 用于判别评定轮廓的x轴方向上的长度。 评定长度应包括一个或几个取样长度 。
一般取标准评定长度ln＝5lr。若被测表面比较 均匀，可选ln＜5lr；若均匀性差，可选ln＞5lr。
为充分合理地反映整个表面的粗糙度特性，必须 在多个取样长度上分别进行测量，并取各测得值的 算术平均值。
取样长度和评定长度数值
Ra(µ m) Rz (µ m) lr(mm) ln (mm)
≥0.008~0.02 >0.02~0.10 >0.10~2.0 >2.0~10.0 >10.0~80
≥0.025~0.10 >0.10~0.50 >0.50~10.0 >10.0~50.0 >50.0~320
0.08 0.25 0.8 2.5 8.0
把轮廓分成长波和短波成分的滤波器。
（1）入s滤波器
确定存在于表面上的粗糙度与比它更短的波的成分之间相 交界限的滤波器。
（2）入c滤波器
确定粗糙度与波纹度成分之间相交界限的滤波器。
（3）入f滤波器
确定存在于表面上的波纹度与比它更长的波的成分之间相 交界限的滤波器。 把轮廓分成长波和短波的滤波器。因为原始轮廓有粗糙 度轮廓、波纹度轮廓和波长更长的表面形状误差轮廓
GB/T 3505-2009规定的与评定表面粗糙度有关的部分术语和定义。
部分术语
轮 廓 滤 波 器
坐 标 系
表 面 轮 廓
原 始 轮 廓
粗 糙 度 轮 廓
取 样 长 度
评 定 长 度
中 线
lr
lr
lr ln
lr
lr
取样长度和评定长度
6．评定长度ln（evaluation length） 用于判别评定轮廓的x轴方向上的长度。 评定长度应包括一个或几个取样长度 。
一般取标准评定长度ln＝5lr。若被测表面比较 均匀，可选ln＜5lr；若均匀性差，可选ln＞5lr。
为充分合理地反映整个表面的粗糙度特性，必须 在多个取样长度上分别进行测量，并取各测得值的 算术平均值。
取样长度和评定长度数值
Ra(µ m) Rz (µ m) lr(mm) ln (mm)
≥0.008~0.02 >0.02~0.10 >0.10~2.0 >2.0~10.0 >10.0~80
≥0.025~0.10 >0.10~0.50 >0.50~10.0 >10.0~50.0 >50.0~320
0.08 0.25 0.8 2.5 8.0
把轮廓分成长波和短波成分的滤波器。
（1）入s滤波器
确定存在于表面上的粗糙度与比它更短的波的成分之间相 交界限的滤波器。
（2）入c滤波器
确定粗糙度与波纹度成分之间相交界限的滤波器。
（3）入f滤波器
确定存在于表面上的波纹度与比它更长的波的成分之间相 交界限的滤波器。 把轮廓分成长波和短波的滤波器。因为原始轮廓有粗糙 度轮廓、波纹度轮廓和波长更长的表面形状误差轮廓
GB/T 3505-2009规定的与评定表面粗糙度有关的部分术语和定义。
部分术语
轮 廓 滤 波 器
坐 标 系
表 面 轮 廓
原 始 轮 廓
粗 糙 度 轮 廓
取 样 长 度
评 定 长 度
中 线
机械设计基础第五章凸轮机构
其他应用实例
01
纺织机械
02
包装机械
03
印刷机械
在纺织机械中，凸轮机构被用于控制织 物的引纬、打纬和卷取等运动。通过合 理设计凸轮的形状和尺寸，可以实现织 物的高速、高效织造。
在包装机械中，凸轮机构常用于控制包 装材料的输送、定位、折叠和封口等操 作。通过凸轮的精确控制，可以实现包 装过程的自动化和高效化。
传动比的计算 根据凸轮的轮廓形状和尺寸，以及从动件的运动 规律，可以通过几何关系或解析方法计算出凸轮 机构的传动比。
传动比的影响因素 凸轮机构的传动比受到凸轮轮廓形状、从动件运 动规律、机构中的摩擦和间隙等因素的影响。
凸轮机构的压力角与自锁
压力角的定义
压力角是指从动件受力方向与从动件运动方向之间的夹角。在凸轮机构中，压力角的大小反 映了从动件所受推力的方向与其运动方向之间的关系。
等速运动规律
从动件在推程和回程中均保持匀速运动。
等加速等减速运动规律
从动件在推程和回程中按等加速和等减速规律运动。
简谐运动规律
从动件按简谐运动规律振动。
组合运动规律
根据实际需要，将从动件的运动规律组合成复杂的运动形式。
凸轮机构的尺寸设计
凸轮基圆半径的确定
根据从动件的运动规律和机构的结构要求，确定 凸轮的基圆半径。
03
凸轮机构的类型与特性
盘形凸轮机构
凸轮形状
盘形凸轮是一个具有特定 轮廓的圆盘，其轮廓线决 定了从动件的运动规律。
工作原理
通过凸轮的旋转，驱动从 动件按照预定的运动规律 进行往复直线运动或摆动。
应用范围
广泛应用于内燃机、压缩 机、自动机械等领域。
移动凸轮机构
凸轮形状
移动凸轮是一个在平面上移动的具有特定轮廓的 构件。
机械设计基础第五章轮系
2. 根据周转轮系的组合方式，利用周转轮系传动比计算公式求
03
出周转轮系的传动比。
实例分析与计算
1
3. 将定轴轮系和周转轮系的传动比相乘，得到复 合轮系的传动比。
2
4. 根据输入转速和复合轮系的传动比，求出输出 转速。
3
计算结果：通过实例分析和计算，得到了复合轮 系的输出转速。
05 轮系应用与实例分析
仿真结果输出
将仿真结果以图形、数据等形式输出，以便 进行后续的分析和处理。
实验与仿真结果对比分析
01
数据对比
将实验数据和仿真数据进行对比 ，分析两者之间的差异和一致性 。
结果分析
02
03
优化设计
根据对比结果，分析轮系设计的 合理性和可行性，找出可能存在 的问题和改进方向。
针对分析结果，对轮系设计进行 优化和改进，提高轮系的性能和 稳定性。
04 复合轮系传动比计算
复合轮系构成及特点
构成
由定轴轮系和周转轮系（或几个周转轮系）组合而成，称为复合轮系。
特点
复合轮系的传动比较复杂，其传动比的计算需结合定轴轮系和周转轮系的传动比计算公式进行。
复合轮系传动比计算公式
对于由定轴轮系和周转轮系组成的复合轮系，其传动比计算 公式为：i=n1/nK=(Z2×Z4×…×Zk)/(Z1×Z3×…×Zk-1)×(1)m，其中n1为输入转速，nK为输出转速，Z为各齿轮齿数 ，m为从输入轴到输出轴外啮合齿轮的对数。
火车车轮与轨道
通过轮系保证火车在铁轨 上的平稳运行和导向作用 。
船舶推进器
利用轮系将主机的动力传 递给螺旋桨，推动船舶前 进。
军事装备中轮系应用举例
坦克传动系统
采用轮系实现坦克发动机的动力 输出与行走机构的连接，确保坦 克在各种地形条件下的机动性。
机械设计基础-间歇运动机构
第五章 间歇运动机构
在机器工作时，当主动件作连续运动时，常需要 从动件产生周期性的运动和停歇，实现这种运动 的机构，称为间歇运动机构。最常见的间歇运动 机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和 凸轮式间歇机构等，它们广泛用于自动机床的进 给机构、送料机构、刀架的转位机构、精纺机的 成形机构等。
第一节 棘轮机构
摩擦式棘轮机构
外摩擦式棘轮机构 内摩擦式棘轮机构
棘轮转角的调整
齿式棘轮机构中, 在原动件摇杆摆角一定的条件 下, 棘轮每次的转角是不变的。棘轮每次转动单 动角度都是齿距角的倍数，即棘轮转角是有级 可调的。若要调节棘轮的转角, 则可通过以下两 种方法调整：
（1）利用调节摇杆控制棘轮转角
（2）用遮板调节棘轮 转角
销。则运动参数τ为：
K
z2 2z
圆销数与槽数的关系表：
K
2z z2
Z
3Hale Waihona Puke 4～5≥6K
1～5
1～3
1～2
Z >9时再增加槽数, 变化不大。故τ常取4～8。
第二节 槽轮机构
槽轮机构由带圆(柱)销的主动拨盘、具有径向槽 的从动槽轮和机架组成。拨盘作匀速转动时, 驱 动槽轮作时转、时停的单向间歇运动。
槽轮机构的分类
单销外啮合槽轮机构 外啮合槽轮机构
双销外啮合槽轮机构 平面槽轮机构
内啮合槽轮机构
空间槽轮机构
槽轮机构的特点和应用
槽轮机构结构简单、工作可靠, 机械效率高, 在 进入和脱离接触时运动比较平稳, 能准确控制转 动的角度。但槽轮的转角不可调节, 故只能用于 定转角的间歇运动机构中, 如自动机床、电影机 械、包装机械等。
的齿上滑过；当摇杆顺时针摆动 时， 驱动棘爪在棘轮的齿上滑过,
在机器工作时，当主动件作连续运动时，常需要 从动件产生周期性的运动和停歇，实现这种运动 的机构，称为间歇运动机构。最常见的间歇运动 机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和 凸轮式间歇机构等，它们广泛用于自动机床的进 给机构、送料机构、刀架的转位机构、精纺机的 成形机构等。
第一节 棘轮机构
摩擦式棘轮机构
外摩擦式棘轮机构 内摩擦式棘轮机构
棘轮转角的调整
齿式棘轮机构中, 在原动件摇杆摆角一定的条件 下, 棘轮每次的转角是不变的。棘轮每次转动单 动角度都是齿距角的倍数，即棘轮转角是有级 可调的。若要调节棘轮的转角, 则可通过以下两 种方法调整：
（1）利用调节摇杆控制棘轮转角
（2）用遮板调节棘轮 转角
销。则运动参数τ为：
K
z2 2z
圆销数与槽数的关系表：
K
2z z2
Z
3Hale Waihona Puke 4～5≥6K
1～5
1～3
1～2
Z >9时再增加槽数, 变化不大。故τ常取4～8。
第二节 槽轮机构
槽轮机构由带圆(柱)销的主动拨盘、具有径向槽 的从动槽轮和机架组成。拨盘作匀速转动时, 驱 动槽轮作时转、时停的单向间歇运动。
槽轮机构的分类
单销外啮合槽轮机构 外啮合槽轮机构
双销外啮合槽轮机构 平面槽轮机构
内啮合槽轮机构
空间槽轮机构
槽轮机构的特点和应用
槽轮机构结构简单、工作可靠, 机械效率高, 在 进入和脱离接触时运动比较平稳, 能准确控制转 动的角度。但槽轮的转角不可调节, 故只能用于 定转角的间歇运动机构中, 如自动机床、电影机 械、包装机械等。
的齿上滑过；当摇杆顺时针摆动 时， 驱动棘爪在棘轮的齿上滑过,
机械设计基础第五章
3.余弦加速度运动规律
从动件加速度按余弦规律变 化的运动规律。 在推程始末点处仍存在“软 冲”，因此只适用于中、低速。 但若从动件作无停歇的升— 降—升型连续运动，则加速度曲 线为光滑连续的余弦曲线，消除 了“软冲”，故可用于高速。
4、正弦加速度运动规律
从动件加速度按正 弦规律变化的运动规律。 运动特征：没有冲击， 故可用于高速。
3.按锁合方式分
（1）力锁合凸轮机构 依靠重力、弹簧力或其他外力来 保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。
（2）形锁合凸轮机构 依靠凸轮和从动件几何形状来锁合。
4.按从动件相对机架的运动方式分
（1）移动从动件凸轮机构 按其从动件导路是否通过凸 轮回转中心分为对心移动从动件和偏置移动从动件凸轮 机构。 （2）摆动从动件凸轮机构
移动从动件
摆动从动件
二、常用的从动件运动规律
（一）平面凸轮机构的基本尺寸及运动参数
一对心直动尖顶从动件盘 形凸轮机构，凸轮上有一最小 向径，以最小向径r。为半径 所作的圆称凸轮基圆，r。称 基圆半径，凸轮以等角速度ω1 逆时针转动。凸轮机构运动过 程如下：
升—停—降—停
凸轮机构的运动过程
（二）常用的从动件运动规律
一、概述
（一）凸轮机构的应用 1. 组成
凸轮机构由凸轮1、从动件2、机 架3三个基本构件组成，是一种高副 机构。其中凸轮是一个具有曲线轮 廓或凹槽的构件，通常作连续等速 转动，从动件则在凸轮轮廓的控制 下按预定的运动规律作往复移动或 摆动。
2. 特点： 优点:只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能实 现从动件所预期的复杂运动规律的运动；凸轮机构结构
（一）凸轮机构的压力角
压力角：不计摩擦时，凸轮对 从动件的作用力（法向力）与从 动件上受力点速度方向所夹的锐 角。 将从动件所受力F分解为两个 力：
机械设计第五章-螺纹连接与螺旋传动 (1)精选全文
一、螺纹连接的基本类型
螺栓连接、螺钉连接、双头螺柱连接、紧定螺钉连接。
1. 螺栓连接 1）被连接件的孔不用加工螺纹，装拆方便，用于经常
拆装的场合。
2）只适用于被连接件都较薄的情况。
（
（
1 ）
2 ）
普
铰
通
制
螺
孔
栓
螺
连
栓
接
连
接
2. 双头螺柱连接 特点及应用：
被连接件之一需加工螺纹孔。用于被 连接件之一比较厚，需经常拆装的情况。
普通螺栓连接
两种情况的工作原理不同！
铰制孔用螺栓连接
1）普通螺栓组连接
螺栓组受力 F 单个螺栓受力 F 0
受力平衡条件： fF0 zi K s F
或
F0
K s F fzi
f ___ 接合面间的摩擦系数，P76表 5 5； i ____ 接合面数目； Ks ___ 可靠性系数（防滑系数），取 1.1～1.3。
松螺栓连接
预紧，称为紧螺栓连接
紧螺栓连接
受横向工作载荷F的紧螺栓连接 受轴向工作拉力F的紧螺栓连接
铰制孔用螺栓连接
一. 螺栓连接的失效形式：
螺纹连接的失效往往是由于螺栓的失效而引起。 对单个螺栓来说受力的形式不外乎是轴向力或横向力。 1.在轴向载荷作用下，螺栓杆或螺纹部分发生塑性变形或拉断；
2.在横向载荷作用下，铰制孔螺栓连接的失效形式是：螺拴杆 和孔壁的贴合面上可能的压溃或螺栓杆被剪断；
§5-3 螺纹连接的预紧
在装配时，螺纹连接都必须预紧。对于重要的螺纹连接，还应 控制其预紧力的大小。
1.预紧力： 使连接在承受工作载荷之前预先受到力的作用， 这个力称为预紧力。
【机械设计基础】第五章 轮系
轮
系
三个运动件中,有两个构件为主动件 一个为从动 三个运动件中 有两个构件为主动件,一个为从动， 运动复合的差动轮系 有两个构件为主动件 一个为从动， 三个运动件中，有一件主动，两件从动， 三个运动件中，有一件主动，两件从动，运动分解的差动轮系 三个运动件中，两个中心轮之一固定， 三个运动件中，两个中心轮之一固定， 行星轮系 系杆H固定 演变为定轴轮系。 固定， 系杆 固定，演变为定轴轮系。
第五章
轮
系
重点学习内容
1.定轴轮系和周转轮系的传动比计算 2.轮系中从动轮转动方向的判定
机 械 设 计 基 础
第五章
轮
系
第一节 定轴轮系及其传动比计算 第二节 周转轮系及其传动比计算 第三节 轮系的功用
机 械 设 计 基 础
第五章
轮
系
现代机械中， 现代机械中，为了满足不同的工作要求只用一对齿轮传 动往往是不够的，通常用一系列齿轮共同传动。 动往往是不够的，通常用一系列齿轮共同传动。这种由一系列 齿轮(包括蜗杆蜗轮)组成的传动系统称为齿轮系（简称轮系）。 齿轮(包括蜗杆蜗轮)组成的传动系统称为齿轮系（简称轮系）。 齿轮系
机 械 设 计 基 础
周转轮系的分类： 周转轮系的分类：
第五章
轮
系
1、行星轮系：自由度为1的周转轮系，需要两个原动 、行星轮系：自由度为 的周转轮系 的周转轮系， 件才能有确定的运动。 件才能有确定的运动。 2、差动轮系：自由度为2的周转轮系，需要一个原动 、差动轮系：自由度为 的周转轮系 的周转轮系， 件才能有确定的运动。 件才能有确定的运动。
第五章
转化后的定轴轮系 的传动比为： 的传动比为：
H 13
n1 n1 − nH i = H = n3 n3 − nH
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第五章：轮系
一、定轴轮系及其传动比
二、周转轮系及其传动比
接着上一题，有：
所以说，在周转轮系的计算时，需要用到的转速一定需要知道其方向。
但是，如果题目中只有大小，方向就需要自己判断了。
如下题。
定轴轮系与周转轮系公式使用的异同：
①在不引入“Z”的时候，两者都有
②如果引入“Z”,则周转轮系需要加入
定轴：
周转：
③ Z前面的“＋”、“－”问题：
定轴：、首末两轴不平行，则不写“＋”、“－”，方向在图上用箭头表示。
周转：只有当首末两轴与行星架的轴线平行的时候，才可以使用公式，当然也是要写上“＋”、“－”的。
④当需要将转速的具体数值代入公式时，都需要写上方向，也就是，这个是相对的，定了正的才有负的。
三、复合转轮系及其传动比
划分的方法：首先要找出各个单一的周转轮系，然后找到周转轮系中的中心轮，然后将其轴垂直切开。
行星轮：那些几何轴线位置不固定而是绕其它定轴齿轮几何轴线转动的齿轮；
行星架：支承行星轮的构件。
中心轮：而几何轴线与行星架重合且直接与行星轮相啮合的定轴齿轮
线索：n1→n3→n h→n6
行星轮系
其中一个中心轮固定(例如中心轮3固定，即n3 0)
例题1要求的传动比中包含了行星架H,所以有上面的做法，其实用
例题2方法更安全。