机械设计第2章(新)
第二章机械设计总论PPT课件
轿车组成：
18.07.2020
10
什么是机械设计？ 机械设计是一个工作过程。
18.07.2020
11
根据社会需求确定设计任务
构思 决策 分析 计算 绘图
机械的 工作原理
机械的
各个零件的
运动和力的
结构 材料、形状、尺寸 传递方式
外观
18.07.2020
设计计算书
全套图样
使用说明书 12
机械设计的基本要求
机械的功能指标是机械设计最基本的出发点。
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16
2．可靠性要求
机械要传递 力和力矩
机械零件的内部和表 面产生应力和变形
有可能导致 零件的失效
18.07.2020
磨损 曲轴折断齿轮Βιβλιοθήκη 坏潘存云教授研制17
机械应能保证在规定的使用寿命期限内，零件 不发生各种型式的失效。
为此要进行强度、刚度和寿命的计算，这些计 算在整个设计工作量中占了很大的比例。
连杆机构
特定轨迹
7
别控各是制部随控装分着制置的2理0的运世论作动纪的用。后发是半展控叶和制以计机来算器现机代在科工学业技上术的的应发用展，，机特器
的组成更复杂了。
发出指 令调节 伺服电 机的运 动
传 感
驱动装置 器 传动装置
检测伺服电机 的输出转角
执行装置
传 感
器
检测执行装置 的运动输出
控制装置
由程序给定 运动规律
磁铁
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比重不同
重选
磁性不同
磁选
对特定液体泡沫的 吸附性不同
浮选 25
螺纹加工的工作原理
选矿机械的工作原理
机械设计第二章
破坏正常工作条件引起的失效 胶合
打滑、共振、
机械电子工程学院
机械零件失效的实例：
齿轮轴断裂 整体塑变
轮齿磨损
机械电子工程学院
机械零件失效的实例：
齿轮轮齿折断
轴承内圈破裂
轮齿塑性变形
机械电子工程学院
轴承外圈塑性变形
机械零件失效的实例：
被联件拉断
被联件相对滑移
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轴瓦磨损
齿面接触疲劳
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2. 经验设计
根据经验关系式，用类比的方法所进行的设计。如：箱
体的结构设计
2016/12/27
48
机械电子工程学院
3. 模型实验设计
把初步设计的零、部件或机器作成小模型或小尺
寸样机进行实验。如：飞机、桥梁的风洞实验。
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第八节 机械零件设计的一般步骤
机械电子工程学院
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四、质量小的要求
减小零件质量的好处： 节约材料。 减小惯性；改善机器的动力性能。 便于运输。
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五、可靠性要求
机械零件设计过程中存在不确定因素 参数不确定性：尺寸参数（制造精度） 设计参数（数据不足）
模型不确定性： （1）材料各向同性；
（2）小变形及线弹性；
（3）简化的简支梁； （4）圆柱体接触； （5）齿轮都是刚性体。
编制技术文件
第二节
机器的运动学设计
设计机器的一般程序
根据确定的结构方案 确定原动件参数（功率、转速、线速度） 确定各运动部件的运动参数（转速、速度、加速度）
机器的动力学计算
计算各主要零件所受的名义载荷
零件的工作能力设计
依据零件的设计准则和名义载荷，确定零部 件的基本尺寸
机械设计基础第二章答案
二、平面连杆机构2-1 判断题（1）×（2）×（3）√（4）×（5）√（6）×（7）√（8）√（9）√（10）×（11）×（12）√（13）×（14）×（15）√（16）×（17）×（18）√（19）×（20）√（21）×（22）×（23）×（24）×（25）√2-2 填空题（1）低（2）转动（3）3 （4）连杆，连架杆（5）曲柄，摇杆（6）最短（7）曲柄摇杆（8）摇杆，连杆（9）2 （10）＞（11）运动不确定（12）非工作时间（13）惯性（14）大（15）中的摆动导杆机构有，中的转动导杆机构无（16）机架（17）曲柄（18）曲柄滑块（19）双摇杆（20）双曲柄机构（21）无，有2-3 选择题（1）A （2）C （3）B （4）A （5）B （6）B （7）A（8）C （9）A （10）A （11）A （12）C （13）C （14）A（15）A （16）A （17）A （18）A （19）A （20）A （21）A2-4 解：a）双曲柄机构，因为40+110<70+90，满足杆长条件，并以最短杆为机架b）曲柄摇杆机构，因为30+130<110+120，满足杆长条件，并以最短杆的邻边为机架c）双摇杆机构，因为50+100>60+70，不满足杆长条件，无论以哪杆为机架都是双摇杆机构d）双摇杆机构，因为50+120=80+90，满足杆长条件，并以最短杆的对边为机架2-5 解：（1）由该机构各杆长度可得l AB+ l BC＜l CD+ l AD，由此可知满足杆长条件，当以AB杆或AB杆的邻边为机架时该机构有曲柄存在（2）以l BC或l AD杆成为机架即为曲柄摇杆机构，以l AB杆成为机架即为双曲柄机构，以l CD杆成为机架即为双摇杆机构2-6 解：（1）曲柄摇杆机构由题意知连架杆CD杆不是最短杆，要为曲柄摇杆机构，连架杆AB杆应为最短杆（0<l AB ≤300 mm）且应满足杆长条件l AB+l BC≤l CD+l AD，由此可得0<l AB≤150mm （2）双摇杆机构由题意知机架AD杆不是最短杆的对边，要为双摇杆机构应不满足杆长条件①AB杆为最短杆（0<l AB≤300mm）时，l AB+l BC>l CD+l AD，由此可得150mm<l AB≤300mm②AB杆为中间杆（300mm≤l AB≤500mm）时，l AD+l BC>l CD+l AB，由此可得300mm≤l AB<450mm③AB杆为最长杆（500mm≤l AB<1150mm）时，l AB+l AD>l CD+l BC，由此可得550mm<l AB<1150mm由此可知：150mm<l AB<450 mm，550mm<l AB<1150 mm（3）双曲柄机构要为双曲柄机构，AD 杆必须为最短杆且应满足杆长条件①AB 杆为中间杆（300mm ≤l AB ≤500mm ）时，l AD +l BC ≤l CD + l AB ，由此可得450mm ≤l AB ≤500mm②AB 杆为最长杆（500mm ≤l AB <1150mm ）时，l AB +l AD ≤l CD +l BC ，由此可得500mm ≤l AB ≤550mm由此可知：450mm ≤l AB ≤550mm2-7 解：a ）b ）c ）d ）e ）各机构压力角和传动角如图所示，图a)、d ）机构无死点位置，图b)、c ）、e ）机构有死点位置2-8 解：用作图法求解，主要步骤：（1）计算极位夹角：︒=+-⨯︒=+-⨯︒=3615.115.118011180K K θ （2）取比例尺μ=0.001m/mm（3）根据比例尺和已知条件定出A 、D 、C 三点，如图所示（4）连接AC ，以AC 为边作θ角的另一角边线，与以D 为圆心、摇杆DC 为半径的圆弧相交于C 1和C 2点，连接DC 1和DC 2得摇杆的另一极限位置（两个）（5）从图中量得AC =71mm ，AC 1=26mm ，AC 2=170mm（6）当摇杆的另一极限位置位于DC 1时：5mm .2221=⨯=AC AC l AB －μ，5mm .4821=+⨯=AC AC l BC μ （7）当摇杆的另一极限位置位于DC 1时： 5mm .4922=⨯=AC AC l AB －μ，5mm .12022=+⨯=AC AC l BC μ 答：曲柄和连杆的长度分别为22.5mm 、48.5mm 和49.5mm 、120.5mm 。
机械设计基础第二章
第2章平面连杆机构2.1平面连杆机构的特点和应用连杆机构是由若干刚性构件用低副连接组成的机构，又称为低副机构。
在连杆机构中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，称为平面连杆机构；若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。
平面连杆机构被广泛应用在各类机械中，之所以广泛应用，是因为它有较显著的优点：（1）平面连杆机构中的运动副都是低副，其构件间为面接触，传动时压强较小，便于润滑，因而磨损较轻，可承受较大载荷。
（2）平面连杆机构中的运动副中的构件几何形状简单（圆柱面或平面），易于加工。
且构件间的接触是靠本身的几何约束来保持的，所以构件工作可靠。
（3）平面连杆机构中的连杆曲线丰富，改变各构件的相对长度，便可使从动件满足不同运动规律的要求。
另外可实现远距离传动。
平面连杆机构也存在一定的局限性，其主要缺点如下：（1）根据从动件所需要的运动规律或轨迹设计连杆机构比较复杂，精度不高。
（2）运动时产生的惯性力难以平衡，不适用于高速的场合。
（3）机构中具有较多的构件和运动副，则运动副的间隙和各构件的尺寸误差使机构存在累积误差，影响机构的运动精度，机械效率降低。
所以不能用于高速精密的场合。
平面连杆机构具有上述特点，所以广泛应用于机床、动力机械、工程机械等各种机械和仪表中。
如鹤式起重机传动机构（图2-1），摇头风扇传动机构（图2-2）以及缝纫机、颚式破碎机、拖拉机等机器设备中的传动、操纵机构等都采用连杆机构。
图2-1鹤式起重机图2-2 摇头风扇传动机构2.2平面连杆机构的类型及其演化2.2.1 平面四杆机构的基本形式全部用转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如图2-3所示。
机构的固定件4称为机架；与机架相联接的杆1和杆3称为连架杆；不与机架直接联接的杆2称为连杆。
能作整周转动的连架杆，称为曲柄。
仅能在某一角度摆动的连架杆，称为摇杆。
按照连架杆的运动形式，将铰链四杆机构分为三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
机械设计基础第二章
第2章平面机构运动简图及自由度计算机械是替代人类完成各项体力劳动甚至脑力劳动的执行者。
在各种新型机械的设计初期，首先需要采用机械系统运动简图来对比各种运动方案及工作原理，一边从中选出最佳的设计方案。
然后再按照运动要求确定及其各组成构件的主要尺寸，按照强度条件和工作情况确定机构个部分的详细结构尺寸。
机械系统的运动简图设计是设计机械产品十分重要的内容，正确、合理地设计机械系统简图，对于满足机械产品的功能要求，提高性能和质量，降低制造成本和使用费用等是十分重要的。
机械系统要完成比较复杂的运动，一般都需要将若干个机构根据机械系统的运动协调配合的要求组合起来，因此机械系统的运动简图也是机构系统的运动简图。
机械系统的运动简图是用规定的符号，绘出能准确表达机构各构件之间的相对运动关系及运动特征的简单图形。
一般某机构可分为平面机构和空间机构。
平面机构是指各运动构件均在同意平面或相互平行平面内运动的机构。
空间机构是指虽有的机构不完全是相互平行的平面内运动的机构。
本章将着重介绍机构的结构分析。
第一节机构的组成构件任何机器都是由若干个零件组装而成的。
构件是指组成机械的各个相对运动的单元。
构件和零件的概念是有区别的。
构件是机械中的运动单元体，零件则是机械中不可拆分的制造单元体。
构件可以是一个零件，也可以是由两个或两个以上的零件组成。
如图2-1所示的内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、轴套、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母等零件组成的，这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体在发动机内部作往复运动相互之间并不产生相对运动，因此连杆可以看做一个构件。
因此，从运动角度来看，任何机器都是许多独立运动单元组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。
从加工制造角度来看，任何机器都是由许多独立制造单元体组合而成的，这些独立制造单元体称为零件。
通常，为了完成同一使命而在结构上组合在一起并协同工作的零件称为部件，如联轴器、减速器等。
机械设计基础第四版第2章
例题:
例题 1）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB是曲柄，求AB的取值 范围；
2）如果该机构能成为双曲柄机构，求AB的最小值；
3）如果该机构能成为双摇杆机构，求AB的取值范围。
50
C
(1) AB为最短
B
35
l AB
l AB 50
30 35 30
l AB
15
(2) AAD为30最短 D
(lAB )max 15mm
503030lABl
AB
50 35
45
l AB
50
或
lAB
l AB 30
50 50
35
50
l AB
55
lAB 50 30 35 115mm
(lAB )min 45mm
(3)只能考虑不满足杆长和条件下的机构
AB为最短
lAB
l AB 50
30 35
50
C
35
A 30
D
§2-2 铰链四杆机构的演化
一、曲柄滑块机构 广泛用与内燃机、冲床等，将回转 运动转变为直线运动或反之。
e=0 时，对心；e≠0时，偏置。
对心没急回特性, 滑块为原动件时有死点，
铰链四杆机构的演化
二、曲柄滑块机构的演化（取不同构件为机架或改变杆长）
1.导杆机构
小型刨床应用实例
t1 / t2
180 180
2）压力角与传动角 压力角——从动件受力方向与受力 点绝对速度方向的夹角
铰链四杆机构
Psin----有害分力
P
Pcos-----有效分力
希望小好，不便度量，用其余角来度量， 称为传动角， 所以大，传力性能好. 是变化的， min≧ 40°
机械设计基础 第二章
图2-7 运动副表示方法
图2-7(d) 至图2-7(i) 表示两个构件组成的移动副；图2-7(j) 表示两个构件组成的高副，画高副简图时应画出两构件接触处 的曲线轮廓。
图2-7 运动副表示方法
2. 构件的表示方法
机构运动简图中构件表示方法如图2-8所示。其中，图28(a) 为具有两个转动副的构件；图2-8(b)为具有一个转动副和一 个移动副的构件；图2-8(c)为具有3个转动副的构件；图2-8(d) 为3个转动副的中心均在一条直线上。
3. 虚约束
在机构中与其他约束重复而不起限 制运动作用的约束称为虚约束。在计算 机构自由度时，应当除去不计。
【例2-5】如图2-17所示为机车车轮联动机构，
LAB LCD LEF， LBC LAD， LCE LDF 。在此机构中 n 4， PL 6， PH 0 ，所以其机构自由度为
图2-16 局部自由度
在计算机构的自由度时应预先将转动副C 和构件3除去不计， 如图2-16(b) 所示，设想将滚子3与从动件2固连在一起，作为一
个构件来考虑。此时该机构中，n 2， PL 2， PH 1
其机构的自由度为：
F 3n 2PL PH 32 22 11
即此凸轮机构只有一个自由度,是符合 实际情况的。
(b) 平面四杆构件组合体 图2-11 平面三杆和平面四杆构件组合体
如图2-12(a) 所示五杆铰链构件组合体，其自由度为
F 3n 2PL PH 34 25 0 2
该机构中只有一个主动件，当构件1绕 A 点均匀转动且处于 AB 位置时，构件2、3、4可处于不同的位置(参见图2-12(a)标 出的两个位置)，即这三个构件的运动不确定。
9个转动副)，即 n 8， PL 11 ，所以，该机构的自由度为：
机械设计基础第2章平面连杆机构1
急回运动特性可用行程速度变化系数K表示，即
K V2 C1C2 t2 t1 180 V1 C1C2 t1 t2 180
—为摇杆处于两极限位置对应曲柄所夹锐角，称极位夹角。
整理后，得极位夹角计算公式：
180 K 1
K 1
分析可知：越大，K值越大，急回运动性质越显著，机构运动平稳
2）双曲柄机构
例1：图2-1b铰链四杆机构。A、B为整转副，1为机架，两连架杆2、 4均为曲柄的铰链四杆机构为双曲柄机构。
通常主动曲柄做等速转动，从动曲柄做变速转动。
作用：将等速回转转变为等速或变速回转。
应用实例：旋转式叶片泵
1
A D C 设计：潘存云
B 2
3
由相位依次相差90° 的四个双曲 柄机构组成。曲柄1等角速度顺时 针转动时，连设计：杆潘存云2带动从动曲柄3 作周期性变速转动，因此，相邻 两从动曲柄间夹角也周期性变化。
2）曲柄处于AB2位置时，形成三角形AC2D。存在以下 关系：l 1+ l 2≤l4+ l3
上三式两两相加得： l 1≤l 2 l 1≤l 3 l 1≤l 4
平面四杆机构具有整转副→可能存在曲柄。
杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线
则由△B’C’D可得：三角形任意两边之和大于第三边
l1+ l4 ≤ l2 + l3 则由△B”C”D可得：
2、导杆机构—改变曲柄滑块机构固定构件演化来的（P25图2-10） 转动导杆机构；摆动导杆机构 应用：牛头刨床，插床，回转式油泵。
3、插块机构和定块机构（P25图2-10）
三、含有两个移动副的四杆机构（双滑块机构）P26图14-17 （认识） 分四种形式：1）两个移动副不相邻；2）两个移动副相邻；且其
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例如： 活塞式内燃机 齿凸轮连组合压力机
对心
偏置
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
2.导杆机构 导杆机构可看成是改变曲柄滑块机构中的固 定构件而演化来的。（通常取杆2为原动件）
取不 同构 件作 机架
当L1﹤L2,两连架杆2和4均可相对于机架1整 周转动，称为曲柄转动导杆机构。
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
五、四杆机构的扩展 多杆机构—可以看成是由若干个四杆机构组 合扩展形成的。 例如：手动冲床
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
例如：筛料机
注意：有些多杆机构不是由四杆机构组成 的。
§2 －2
平面四杆机构的基本特性
运动特性 传力特性
平面机构的基本特性
一、铰链四杆机构有整转副的条件 把构件用铰链或销轴连接，使两构件能相互运 动，形成的运动副—转动副（回转副）
平面四杆机构的基本类型及其应用
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。 例如：叶片泵 惯性筛
6 C 2 3 3 ， B 4 D 1 1 A
E
惯性筛机构
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
B B’ A D C C’
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。 摄影平台 实例：
第2章
实例1：
平面连杆机构
可重构的模块化多足步行机器人
第2章
实例2：
平面连杆机构
实例3：
第2章
实例4：
平面连杆机构
实例5：
第2章
平面连杆机构
2.平面四杆机构 平面四杆机构—由四个构件组成的平面连 杆机构,它是最简单的平面连杆机构。
本章主要讨论四杆机构的类型、特性及其 常用的设计方法。
第2章
播种机料斗机构 火车轮
B C
AB = CD BC பைடு நூலகம் AD
A B D C
A
D
耕 地
料 斗
§2－1
火车轮
B’ A’
平面四杆机构的基本类型及其应用
F’ E’ D’
C’ G’
A B
E
D
G
C
F
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
平行四边形机构处在共
线位置出现运动不确定。
消除这种不确定状态的措施: 1.采用两组机构错开排列 2.采用第三曲柄结构 例如:火车轮 3.反平行四边形机构
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
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。
例如：雷达天线、牛头刨床、 刮雨器。
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
缝纫机踏板机构
通常曲柄为原动件，并作匀速转动；而摇 杆为从动件，作变速往复摆动。
§2－1
例如:车门开闭机构
1 2 4 2 3 1 4 3
反向
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
3.双摇杆机构 特征：两个摇杆 例如:飞机起落架机构 特例：等腰梯形机构－汽车转向机构
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
机构的演化方式：
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
二、含有一个移动副的机构 1.曲柄滑块机构 对心曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构
能相互回转一整周的转动 副— 曲柄
整转副
§2 －2
平面四杆机构的基本特性
整转副
能相互回转一整周的转动 副—
铰链四杆机构是否具有整转副，取决于各杆的 相对长度。 铰链四杆机构具有整转副→可能存在曲柄。
例如右图中曲柄摇杆机构 曲柄
§2 －2
平面四杆机构的基本特性
例如下图中 当杆1处于AB'时， 形成△AC'D。
(三角形任意两边之和大于第三边)
l4≤(l2 – l1)+ l3 l3≤(l2 – l1)+ l4
即l 1+ l 4 ≤ l 2+ l 3 l 1+ l 3 ≤ l 2+ l 4 当杆1处于AB〞时，形成△AC〞D。l1+l2 ≤ l3+l4 l1 ≤ l2,,l1 ≤ l3 ,l1 ≤ l4 表明1杆最短，杆2、3、4中有一杆最长.
§2 －2
平面四杆机构的基本特性
整转副存在条件： 1.四杆长度满足杆长条件：最短杆与最长杆 长度之和 ≤ 其他两杆之和。 2.整转副是由最短杆与其邻边组成的。
摇杆
§2－1
机
平面四杆机构的基本类型及其应用
架—机构的固定构件。
连架杆—与机架相连接的构件。
周转副（整转副）—组成运动副的两构件能作
360°相对回转的运动
副，否则称为摆动副。
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
一、铰链四杆机构 铰链四杆机构—全部用转动副相连的平面四杆 机构称为平面铰链四杆机构， 简称铰链四杆机构。 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。
2.两个移动副相邻,且其中一个 移动副与机架相连(正弦机构)
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
3.两个移动副相邻,且均不与机架相关联 例如:滑块联轴器
4.两个移动副都与机架相关联 例如：椭圆仪
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
四、具有偏心轮的四杆机构
当曲柄长度很小时,通常把曲柄做成偏心轮。 例如:颚式破碎机
当L1﹥L2,连架杆4只能往复摆动, 称为曲柄摆动导杆机构,或摆动 导杆机构。 例如： 牛头刨床 插床 回转式油泵
3.摇块机构 例如：自卸货车
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
4.定块机构
例如：抽水唧筒
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
三、含两个移动副的四杆机构 （双滑块机构） 按照两个移动副所处位置不同， 可分为四种型式： 1.两个移动副不相邻(正切机构)
第2章
平面连杆机构概念
平面连杆机构
1.平面连杆机构 平面连杆机构—由若干构件用低副（转动副、 移动副）连接组成的平面机构，又称平面低副 机构。 应用实例：开门机构、飞机的起落架 、牛头 刨床、机器人。
第2章
平面连杆机构概念
平面连杆机构
优点：承载能力高，耐磨损，制造简单，易于 获得较高的制造精度。 缺点：不易精确实现复杂的运动规律，且设计 较为复杂；当构件数和运动副较多时，效率较 低。
平面连杆机构
§2－1
* §2－2
平面四杆机构的基本类型及其应用 平面四杆机构的基本特性
§2－1
平面四杆机构的基本类型及其应用
平面四杆机构的基本型式: 基本型式－铰链四杆机构，其它四杆机构 都是由它演变得到的。
名词解释：
连杆
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。 曲柄