《机械基础知识》课件2.ppt

1、第一节第一节 机械的基础知识机械的基础知识第二节第二节 机械系统及其发展机械系统及其发展第三节第三节 机构运动简图及其结构设计机构运动简图及其结构设计 第二章第二章 机械创新设计的基础知识机械创新设计的基础知识 2-1 机械的基础知识机械的基础知识 一、机械及其组成一、机械及其组成1.1.机械机械 是用来传递运动或动力的能完成有用机械是用来传递运动或动力的能完成有用机械功的装置，用来变换或传递能量、物料与信功的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。是机器与机构的泛称。息。是机器与机构的泛称。机器：具有确定的机械运动，它可以用来转机器：具有确定的机械运动，它可以用来转 换能量，完成有用功或处理信

2、息，以换能量，完成有用功或处理信息，以 代替或减轻人的劳动。代替或减轻人的劳动。机构：具有确定的机械运动，它可以用来传机构：具有确定的机械运动，它可以用来传 递和转换运动。递和转换运动。区别：区别：机器的主要功用是为了利用机械能做功或能量转换，机器是由机构组成的；机构的主要功用在于传递或转变运动的形式，机器中的单个机构不具有转换能量或完成有用功的功能。机械的特点：机械的特点：机械首先必须是执行机械运动装置机械首先必须是执行机械运动装置 （是人类制造的实体组合）（是人类制造的实体组合）机械必须进行物料或信息的变换与传递，机械必须进行物料或信息的变换与传递，并完成有用的机械功并完成有用的机械功 （

3、其组成件之间有确定的相对运动和力的传递）（其组成件之间有确定的相对运动和力的传递）机械中必须要完成能量的转换机械中必须要完成能量的转换 （进行机械能的转换和机械能的利用）（进行机械能的转换和机械能的利用）执行机械运动的装置是机械的主体，该部分是创新设计的重点内容。2.2.机械的分类机械的分类1）动力机械（原动机）动力机械（原动机）是一种把其它形式的能量转化为机是一种把其它形式的能量转化为机械能的机械。械能的机械。有：电动机有：电动机 将电能转化为机械能将电能转化为机械能 蒸汽机蒸汽机 将热能转化为机械能将热能转化为机械能 太阳能发电机太阳能发电机 将自然力转化为机械能将自然力转化为机械能3）信

4、息机信息机是通过各种复杂的信息来控制机械运动。是通过各种复杂的信息来控制机械运动。2）工作机工作机 是指利用原动机提供的动力实现物料是指利用原动机提供的动力实现物料或信息的传递，克服外载荷而作有用机或信息的传递，克服外载荷而作有用机械功的机械。械功的机械。大部分的机械都是工作机大部分的机械都是工作机 如：汽车、起重运输机、机床、轧机等如：汽车、起重运输机、机床、轧机等如：打印机、绘图机等如：打印机、绘图机等3.3.机械的组成机械的组成1）驱动装置）驱动装置常称为原动机，是机器的动力来源。常称为原动机，是机器的动力来源。常用的有：电动机、内燃机、液压缸、气缸常用的有：电动机、内燃机、液压缸、气缸

5、2）执行装置）执行装置 是处于整个传动路线的终端，按照是处于整个传动路线的终端，按照工艺要求完成确定的运动，是直接完工艺要求完成确定的运动，是直接完成机械功能的部分。成机械功能的部分。4）控制装置）控制装置 其作用是控制机械各部分的运动，可以其作用是控制机械各部分的运动，可以是手柄、按钮式的简单装置或电路、也可是手柄、按钮式的简单装置或电路、也可以是自动化控制系统。以是自动化控制系统。3）传动装置）传动装置 是介于驱动装置和执行装置之间，将是介于驱动装置和执行装置之间，将原动机的运动和动力传递给执行装置，原动机的运动和动力传递给执行装置，并实现运动速度和运动形式的转换。并实现运动速度和运动形式

6、的转换。二、机械设计的基本要求二、机械设计的基本要求 1.1.满足使用要求满足使用要求 所设计的机械要有效的完成人们预期所设计的机械要有效的完成人们预期的目的，包括执行装置的可能性和可靠的目的，包括执行装置的可能性和可靠性。性。2.2.满足经济性的要求满足经济性的要求 机械要力求结构简单，具有良好的结机械要力求结构简单，具有良好的结构工艺性能，使用中效率高，消耗低。构工艺性能，使用中效率高，消耗低。3.3.满足可靠性要求满足可靠性要求 应能保证在规定的使用寿命期限内，零应能保证在规定的使用寿命期限内，零件不发生断裂、磨损等各种形式的失效。件不发生断裂、磨损等各种形式的失效。4.4.满足其它特殊

7、要求满足其它特殊要求 如常搬动的机器要便于拆、装和运输，高如常搬动的机器要便于拆、装和运输，高温下要耐热等；不应对人、环境和社会造成温下要耐热等；不应对人、环境和社会造成消极影响等。消极影响等。要满足可靠性要求，就要进行强度、要满足可靠性要求，就要进行强度、刚度和寿命的计算。刚度和寿命的计算。主要指机械中的传动装置（机构）主要指机械中的传动装置（机构）和执行装置（机构）。和执行装置（机构）。机械运动系统可以是机构的基本形，也可机械运动系统可以是机构的基本形，也可以是机构基本形的机构组合或组合机构。以是机构基本形的机构组合或组合机构。是指最基本的、最常用的机构型式是指最基本的、最常用的机构型式1

8、 1.机构的基本型式机构的基本型式三、机械运动系统三、机械运动系统（1 1）全转动副四杆机构的基本型式）全转动副四杆机构的基本型式为曲柄摇杆机构，可演化为：为曲柄摇杆机构，可演化为：双曲柄机构、双摇杆机构双曲柄机构、双摇杆机构（2 2）含有一个移动副四杆机构的基本型式）含有一个移动副四杆机构的基本型式 为曲柄滑块机构，可演化为：为曲柄滑块机构，可演化为：转动导杆机构、移动导杆机构、转动导杆机构、移动导杆机构、曲柄摇块机构、摆动导杆机构。曲柄摇块机构、摆动导杆机构。对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构（3 3）含有两个移动副四杆机构的基本型式）含有两个移动副四杆机构的

9、基本型式 该机构从动件该机构从动件3的位移的位移s与主动件与主动件1的转的转角的正弦成正比角的正弦成正比（4 4）圆柱齿轮传动的基本型式）圆柱齿轮传动的基本型式 为外啮合直齿圆柱齿轮传动机构，为外啮合直齿圆柱齿轮传动机构，可演化为斜齿圆柱齿轮机构、人字齿可演化为斜齿圆柱齿轮机构、人字齿圆柱齿轮传动机构圆柱齿轮传动机构（5 5）圆锥齿轮传动的基本型式）圆锥齿轮传动的基本型式为外啮合直齿圆锥齿轮传动机构为外啮合直齿圆锥齿轮传动机构（6 6）蜗杆传动机构基本型式）蜗杆传动机构基本型式（7 7）直动、摆动从动件平面凸轮机构的基本型）直动、摆动从动件平面凸轮机构的基本型直动：是指直动对心尖底从动件平面凸

10、轮机构直动：是指直动对心尖底从动件平面凸轮机构可演化为：滚子从动件、平底从动件、偏置从动件可演化为：滚子从动件、平底从动件、偏置从动件摆动：是指摆动尖底从动件平面凸轮机构摆动：是指摆动尖底从动件平面凸轮机构（8 8）带传动机构的基本型）带传动机构的基本型为平带传动机构为平带传动机构 ，可演化为可演化为V V带传动，带传动，圆带传动机构等圆带传动机构等（9 9）链传动机构的基本型）链传动机构的基本型指套筒滚子链条传动机构指套筒滚子链条传动机构（1010）螺旋传动的基本型）螺旋传动的基本型指三角形螺旋传动机构指三角形螺旋传动机构（1212）间歇运动机构的基本型）间歇运动机构的基本型有棘轮机构、槽轮

11、机构有棘轮机构、槽轮机构 把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成成一个机构系统，称之把一些基本机构通过适当的方式连接起来，从而组成成一个机构系统，称之为机构的组合。为机构的组合。2 2.机构的组合机构的组合 在机构的组合系统中，各基本机构都保持原在机构的组合系统中，各基本机构都保持原来的结构和运动特性，都有自己的来的结构和运动特性，都有自己的独立性独立性。但。但需要各个机构的运动或动作协调配合，以实现需要各个机构的运动或动作协调配合，以实现组合的目的。机构的分析和设计方法仍然适合组合的目的。机构的分析和设计方法仍然适合机构组合系统中的各个机构。机构组合系统中的各个机构。铰链四杆机构与曲

12、柄滑块机构串联铰链四杆机构与曲柄滑块机构串联在一起，前者的输出构件在一起，前者的输出构件DCDC杆与后者杆与后者的输入构件的输入构件DEDE连接在一起，二者均保连接在一起，二者均保持自己的特性。持自己的特性。例：例：3 3.组合机构组合机构 是指若干基本机构通过特殊的组合是指若干基本机构通过特殊的组合而形成的一种具有而形成的一种具有新属性新属性的机构。其的机构。其中的各基本机构已不能保持各自的独中的各基本机构已不能保持各自的独立性，也不能用原基本机构的分析和立性，也不能用原基本机构的分析和设计方法进行组合机构的设计。对组设计方法进行组合机构的设计。对组合机构的开拓是机构创新设计的重要合机构的开

13、拓是机构创新设计的重要方法之一。方法之一。常见的组合机构有：齿轮常见的组合机构有：齿轮连杆组合机构、连杆组合机构、齿轮齿轮凸轮组合机构、凸轮组合机构、凸轮连杆组合机构。凸轮连杆组合机构。常用于完成复杂运动的机械系统中常用于完成复杂运动的机械系统中齿轮连杆组合机构齿轮连杆组合机构 五杆机构五杆机构ABCDEABCDE的两个的两个输入运动是通过齿轮输入运动是通过齿轮1 1、2 2 的运动来实现的，适当地的运动来实现的，适当地选择机构尺寸与齿轮的传选择机构尺寸与齿轮的传动比，可得到预定的连杆动比，可得到预定的连杆曲线。曲线。四、机械的控制系统四、机械的控制系统控制方法：机械控制、电气控制、控制方法：

14、机械控制、电气控制、液压控制、气动控制及综合控制液压控制、气动控制及综合控制 现代机械的控制系统集计算机、传感器、现代机械的控制系统集计算机、传感器、接口电路、电器元件、电子元件、光电元件接口电路、电器元件、电子元件、光电元件、电磁元件等硬件环境及软件环境为一体，、电磁元件等硬件环境及软件环境为一体，且在向自动化、精密化、高速化、智能化的且在向自动化、精密化、高速化、智能化的方向发展，其安全性、可靠性的程度不断提方向发展，其安全性、可靠性的程度不断提高。高。2-2 机械系统及其发展机械系统及其发展一、刚性机械系统一、刚性机械系统 不具有可控性，只有简单的开、关、正不具有可控性，只有简单的开、关

15、、正反转、停止等独立的控制要求。反转、停止等独立的控制要求。二、柔性机械系统二、柔性机械系统 具有可控性，可借助传感器或控制电具有可控性，可借助传感器或控制电路，通过微机按位置、位移、速度、压力、路，通过微机按位置、位移、速度、压力、温度等参数实施智能化控制。温度等参数实施智能化控制。三、机械系统的发展三、机械系统的发展（a）典型的刚性机械系统）典型的刚性机械系统（b）改进的刚性机械系统以电子控制的调）改进的刚性机械系统以电子控制的调 速电机取代了机械变速装置速电机取代了机械变速装置（d）直接驱动式的柔性机械系统省去了传）直接驱动式的柔性机械系统省去了传 动机构，有更高的运动精度，应用日动机构

16、，有更高的运动精度，应用日 益广泛。益广泛。（c）已演化为柔性机械系统）已演化为柔性机械系统2-3 机构运动简图及其结构设计机构运动简图及其结构设计 一、构件的结构设计一、构件的结构设计1 1.构件的结构设计要考虑的原则：构件的结构设计要考虑的原则：1 1）根据受力大小、方向及对机械的具体要求，选择）根据受力大小、方向及对机械的具体要求，选择 构件材料，选择材料要合理。构件材料，选择材料要合理。2 2）工艺过程要合理。一般可选型材、铸件、锻件、）工艺过程要合理。一般可选型材、铸件、锻件、焊接件进行加工。要有良好的工艺性。焊接件进行加工。要有良好的工艺性。3 3）选择横截面的形状与尺寸，有适当的

17、形状。）选择横截面的形状与尺寸，有适当的形状。4 4）结构化的构件要满足强度、刚度等项要求，符合）结构化的构件要满足强度、刚度等项要求，符合 安全性与可靠性指标。安全性与可靠性指标。5 5）要考虑到与其它构件的可连接性及连接特点。）要考虑到与其它构件的可连接性及连接特点。6 6）构件之间不能发生运动干涉。）构件之间不能发生运动干涉。7 7）要考虑到经济性，尽量降低成本。）要考虑到经济性，尽量降低成本。8 8）维修、安装方便。）维修、安装方便。2 2.常见构件的结构设计常见构件的结构设计构件的主要形式有：齿轮类构件、凸轮类构件、构件的主要形式有：齿轮类构件、凸轮类构件、杆状类构件、块状类构件杆状

18、类构件、块状类构件 及其它具有复杂形状的构件。及其它具有复杂形状的构件。运动形式有：定轴转动（含摆动）、往复移动 平面运动 结构设计要考虑其运动形式（1 1）齿轮类构件的结构设计）齿轮类构件的结构设计齿轮构件与齿轮构件与支承简图支承简图齿轮不大时齿轮不大时可做成圆盘状可做成圆盘状大些时可做大些时可做成凹心腹板状成凹心腹板状为减轻重量可为减轻重量可在腹板处开孔在腹板处开孔六孔凹心腹板六孔凹心腹板状齿轮状齿轮 外齿轮：外齿轮：齿轮较小时可做成齿轮轴更大的齿轮可做成辐条状齿轮内齿轮：内齿轮：当内齿轮很大时可做成分体式，然后固接在一起当内齿轮很大时可做成分体式，然后固接在一起一般情况下，齿轮与转轴通过

19、键连接成为一体一般情况下，齿轮与转轴通过键连接成为一体（2 2）凸轮类构件的结构设计）凸轮类构件的结构设计凸轮机构是一种高副传动机构，为使从动凸轮机构是一种高副传动机构，为使从动 件与凸轮在运动中能始终保持接触，通常件与凸轮在运动中能始终保持接触，通常 采用力锁合与形锁合两种方法。其结构设采用力锁合与形锁合两种方法。其结构设 计与其从动件的形状、锁合方式、加工方计与其从动件的形状、锁合方式、加工方 法以及凸轮的尺寸有关。法以及凸轮的尺寸有关。凸轮半径较小，采用弹簧凸轮半径较小，采用弹簧 锁合，常作成凸轮轴形状。锁合，常作成凸轮轴形状。凸轮的基圆半径较大，采凸轮的基圆半径较大，采 用盘状凸轮，用

20、键与转轴用盘状凸轮，用键与转轴 连接到一起。连接到一起。若采用形锁合，可把凸轮作成端面有沟槽的若采用形锁合，可把凸轮作成端面有沟槽的 结构形式，或把从动件作成封闭状结构形式。结构形式，或把从动件作成封闭状结构形式。因滚子与凸轮的内外廓线存在速度差，使滚子与凸因滚子与凸轮的内外廓线存在速度差，使滚子与凸 轮之间产生滑动摩擦，轮之间产生滑动摩擦，加大了磨损，可将其加大了磨损，可将其 作成双滚子结构。作成双滚子结构。（3 3）杆件类构件的结构设计）杆件类构件的结构设计 其结构主要根据杆件系统的构造而定。其结构主要根据杆件系统的构造而定。一般可作成圆盘销轴状、曲轴状、杆件状等。一般可作成圆盘销轴状、曲

21、轴状、杆件状等。（4 4）块状类构件的结构设计）块状类构件的结构设计 大都是作移动的构件，其结构、形状与大都是作移动的构件，其结构、形状与运动副的结构有关。运动副的结构有关。3.3.机械零件组合成构件的方法机械零件组合成构件的方法 若干个零件通过螺纹联接、焊接、粘接、过若干个零件通过螺纹联接、焊接、粘接、过 盈配合联接后组成一个构件。盈配合联接后组成一个构件。组合构件的选用可从制造工艺、安装方法、组合构件的选用可从制造工艺、安装方法、构件尺寸及构件形状等多方面因素去考虑。构件尺寸及构件形状等多方面因素去考虑。组合构件的设计及安装都必须保证个零件之组合构件的设计及安装都必须保证个零件之 间的刚性

22、连接。间的刚性连接。组件的设计是机械结构创新设计的途径之一。组件的设计是机械结构创新设计的途径之一。二、运动副的结构设计二、运动副的结构设计1.1.转动副的结构设计转动副的结构设计 其沿圆周提供封闭的约束，根据相对运动速其沿圆周提供封闭的约束，根据相对运动速度和载荷的大小，可使用滚动轴承或滑动轴承。度和载荷的大小，可使用滚动轴承或滑动轴承。常见运动副的结构设计：常见运动副的结构设计：2.2.移动副的结构设计移动副的结构设计 结构比较复杂，可以用高副式的移动副结构比较复杂，可以用高副式的移动副，也可以用低副式的移动副。，也可以用低副式的移动副。其约束条件可采用重力封闭或形封闭。其约束条件可采用重

23、力封闭或形封闭。3.3.高副的结构设计高副的结构设计 一般情况下，不存在结构设计问题，但特一般情况下，不存在结构设计问题，但特殊场合需要。殊场合需要。滚子导轨结构示意图滚子导轨结构示意图滚珠丝杠滚珠丝杠三、机构系统的结构设计三、机构系统的结构设计较容易：由齿轮、凸轮及间歇运动机构较容易：由齿轮、凸轮及间歇运动机构 组成的机械系统；组成的机械系统；较困难：由连杆机构组成的机械系统，较困难：由连杆机构组成的机械系统，因杆件的形状千变万化。因杆件的形状千变万化。进行连杆机构的结构设计时，进行连杆机构的结构设计时，应注意问题：应注意问题：1.1.各构件的运动不能发生干涉各构件的运动不能发生干涉可通过改变杆件的安装平面来解决。可通过改变杆件的安装平面来解决。2.2.在机械平衡的基础上，把安装配在机械平衡的基础上，把安装配 重与结构设计一并考虑。重与结构设计一并考虑。3.3.机械系统的运动精度机械系统的运动精度主要原因：尺寸误差、运动副的间隙误差、主要原因：尺寸误差、运动副的间隙误差、构件的弹性变形等。构件的弹性变形等。