机械基础教案.doc
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1、机械基础课程教案 第 65 页 共 65 页 机 械 基 础 课 程 教 案福州职业技术学院技术工程系王敏毅2008年8月绪 论01引言(如P1图01)单缸内燃机结构图 机器执行机械运动的装置。机械机器和机构的总称。 机构只能传递运动和力的具有一定约束的物体系统。02机器的组成及其特征一、机器的组成和分类 原动机部分 动力机器 传动部分 加工机器组成 执行部分 分类 运输机器 自动控制部分 信息机器二、机器的构造1、零件制造的单元体(即机器中不可拆卸的基本单元)2、构件由某个零件或若干个零件刚性地联结在一起的独立的运动单元体。刚体:轮廓形状不随外力改变的物体。刚性:固定的、无相对运动的联结。3
2、、机构人为的构件组合系统。4、机器能完成各种有益的机械功和实现能量、物料和信息转换的机构组成。即各种独立的零件及零件组成的刚性体 构件及组合 机构及组合 机器三、机器和机构的主要特征1、共同特征(1)、任何机器和机构都是由许多零件组合而成的。(2)、组成机器和机构的各个构件之间都具有确定的相对运动,能传递运动和力。2、不同特征机器除了上述两个特点外,还能完成有益的机械功或能量的转化。03机械设计的基本要求及一般程序一、机械设计的基本要求1、预定功能的要求:正确选择机器的工作原理、机构运动类型和机械传动方案。2、安全可靠与强度、寿命的要求:机器及零部件的工况分析、安全系数计算和安全性校验、刚度及
3、稳定性审核等。如:抗拉强度 抗压强度抗弯强度 剪切力延伸率 冲击韧性 布(洛)氏硬度3、经济性要求:选材合理、制造方便、标准通用(三化)、维修方便、互换性强等。4、操作使用要求:操作简单、保障安全。5、其他特殊要求二、机械设计的一般程序1、提出和制订产品设计任务书2、总体方按设计(可行性论证)3、技术设计4、样机的试制和鉴定5、产品的正式投产04机械设计基础课程的内容、性质和任务一、课程的内容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(1)、分析机器在运转过程中各构件的受力情况及作功情况(2)、研究机器在已知外力作用下的运动4、机械设计中的国家标准和规范5、常用机构的分析与设计
4、概括而言,本课程研究的内容可以分为两个方面 (1)介绍对已有机构进行结构、运动和动力分析的方法(2)探索根据运动和动力性能方面的要求设计新机械的途径二、课程的性质本课程是机械类或近机类专业的骨干课程之一,是一门综合性较强的技术基础课程。三、课程的任务1、掌握、分析和初步设计机构的能力2、设计和计算的能力3、查阅资料、综合运用能力4、动手能力第一章 平面机构运动简图及自由度11平面机构的组合一、组成机构的必要条件(例图11 P7)机构是具有确定相对运动的构件组合体。所以,当由构件组成机构时,必须使各构件之间具有的相对运动,亦即满足以下条件:1、必须根据需要以一定方式把各个构件彼此联结起来,而且每
5、个构件至少必须与另一构件相联结。2、应保证彼此联结的两构件之间仍能产生某些确定的相对运动。二、构件及其自由度(例图12 P7)自由度构件可能出现的独立运动。三、约束与运动副1、约束对物体运动的限制称为约束。2、运动副两构件直接接触二彼此又有一定的相对运动的联结。3、运动副元素运动副中接触的部分(包括点、线、面)。四、运动副的分类1、低副面接触形成的运动副。(1)、转动副(例图13 P8)(2)、移动副(例图14 P8)低副引入两个约束,保留一个自由度。2、高副点或线接触形成的运动副五、运动副符号(例图17 P10)六、机构中构件别的分类和组成(例图18 P11及例图01 P1)1、固定构件(机
6、架)2、主动件(原动件)3、从动件12平面机构运动简图一、机构运动简图和机构简图机构运动简图机构运动特征示意图(例图18 P11)机构简图机构特征示意图(用于设计方案选择,如上图)二、平面机构运动简图的绘制1、确定构件的类型和数目(例图01 P1及例图18 P11)(1)、确定固定件(机架)(2)、确定主动件(原动件)(3)、确定从动件即从原动件到传动途径最后输出运动部分2、确定运动副的种类和数目3、合理选择视图4、选顶比例尺,绘制机构运动简图5、核对、审查自由度13平面机构的自由度一、平面机构的自由度1、平面机构的自由度该机构中各构件相对于机架所具有的独立运动数目。2、平面机构自由度的计算F
7、=3n-2PL-PHF自由度 PL低副数目 PH高副数目 n可动构件数目3、机构具有确定运动的条件原动件数目必须等于该机构自由度的数目。二、计算机构自由度时应注意事项1、符合铰链(k-1)实际运动副k符合铰链数2、局部自由度不影响机构运动情况的个别构件的独立运动自由度。在计算时应除去3、虚约束机构中与其他约束重复而不起限制运动作用的约束。计算时应除去虚约束的构件和运动副(1)机构中某两构件用转动副相连的联结点,在组成转动副前后,其各自的轨迹已重合,则形成转动副后必将存在虚约束,计算时应予去处。(2)两构件形成若干移动副,其导路平行或重合时,视为一个移动副。(3)两构件构成若干个转动副且其轴线重
8、合时,视为一个转动副。(4)机构中对运动无影响的对称部分,也是虚约束,计算时应予去处。三、构件系统具有确定运动的条件构件系统成为机构的充分且必要条件是:构件系统的自由度必须大于零,且原动件数与其自由度必须相等。四、计算平面机构自由度的实用意义1、判定机构运动设计的方案是否合理2、改进不合理的运动设计方按,使之具有确定的相对运动。(例图120 P18)(1)、增加自由度(当F=0时)。(2)、增加约束(当F0且原动件自由度时应或增加原动件数目。3、判定测绘的机构运动简图是否正确。课堂例题讲解第二章 平面连杆机构21概述一、基本概念1、连杆机构构件之间只有低副联结的机构(亦称低副机构)。2、平面连
9、杆机构平行于某一平面做平面运动的连杆机构。3、四杆机构具有四个构件(包括机架)的低副机构。4、铰链四杆机构用四个转动副相连的平面四杆机构。二、平面连杆机构的特点和应用1、可承受较大压强,传递较大动力。2、制造简单,精度教高。3、可实现远距离操纵。4、设计计算较复杂。22铰链四杆机构的基本形式及其演化一、铰链四杆机构的基本形式1、曲柄摇杆机构具有一个曲柄和摇杆的铰链四杆机构。2、双曲柄机构具有两个曲柄的铰链四杆机构。(1)、主动曲柄等速转动、从动曲柄变速转动。(2)、平行四边形机构(连杆长度=机架长度且两曲柄长度相等、转向相同)。(3)、逆平行四边形机构(连杆长度=机架长度且两曲柄长度相等、转向
10、相反)。3、双摇杆机构-具有两个药杆的铰链四杆机构。(1)、等腰梯形机构两摇杆长度相等的教练四杆机构。二、铰链四杆机构的演化1、转动副转化成移动副(1)、一个转动副转化成移动副 偏置曲柄滑块机构曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构(2)、二个转动副转化成移动副曲柄滑块机构 曲柄移动导杆机构(正弦机构)2、取不同的构件为机架(详见表21 P26)23平面四杆机构的基本特征一、铰链四杆机构存在曲柄的条件 连架杆和机架中必有一杆为最短杆。最短杆和最长杆之和应小于或等于其他两杆长度之和(格拉肖夫判别式)推论:1、不满足格拉肖夫判别式的铰链四杆机构,以任何杆为机架皆为双摇杆机构。2、满足格拉肖夫判
11、别式的铰链四杆机构,当以最短杆相邻的杆为机架时,必为曲柄摇杆机构;当一最短杆为机架时,必为双曲柄机构;当以最短杆的对面杆为机架时,必为双摇杆机构。课堂例题讲解:P38 2-7解: AB+ADBD X+30BD根据三角形的几何知识可知 BC+CDBD 50+35BD85-X-300 55X0(1)曲柄摇杆机构该机构是曲柄摇杆机构,AB必定是最短杆(为曲柄)且满足条件 55X0 15X0 55+X65(2)双摇杆机构该机构是双摇杆机构,存在三种情况 55X0AB 是最长杆 30+X85 50X30 AB介于中间长度 45X30或30X15 80X+35 30X0AB是最短杆50+X65、55X0(
12、3)双曲柄该机构是双曲柄机构,AD必定是最短杆且满足条件 55X0 AB是最长杆时 X50 30+X85 55X0 AB是中间长度时 50X30 55X50或50X45 80X+35 二、急回机构(如上图所示)极位角当输出件摇杆滑块处于两极限位置时,对应的输入件在两位置间所夹的锐角称极位夹角。它是标志机构有无急回特性的重要参数。2、行程机构中输出件在两极限位置间的移动距离或摆动角度成为行程。 (1K2)K行程速度变化系数极位夹角行程 (1)、输入件(曲柄构件)等速整周转动3、急回满足条件 (2)、输出件(摇杆或滑块构件)往复运动 (3)、极位夹角0课堂讲解极位夹角和、行程的作图法(如下图)三、
13、压力角和传动角1、压力角在不计摩擦力、惯性力和重力时,从动件上某点所受作用力与其速度方向所夹的锐角,称为压力角。2、传动角压力角的余角 (=90-)min (为传动角的许用值)3、受力分析:在进行平面连杆机构运动和受力分析时间,在不计摩擦力和惯性力的前提下,两从动件之间所受的力的方向如下确定:(1)、以铰链联结的,受力点通过转动副的中心(2)、以移动副联结的,受力点与移动副两元素的接触面垂直。四、死点位置死点当=90(或=0)时,机构所处的位置点。死点存在的条件:1、只有从动件与连杆共线时才有可能存在死点。2、对于曲柄摇杆和曲柄滑块机构,只有曲柄为从动件时,才可能有死点位置。五、克服死点的常用
14、办法1、错位排列2、利用惯性(如使用飞轮等)六、死点的利用(例图231 P33)的钻床夹具和(例图232 P33)的折叠椅24平面四杆机构的设计一、平面四杆机构设计的涵义:根据机构工作要求所提出的预定设计条件,确定绘制机构简图所必须的尺寸参数。(P33 倒12行倒10行)二、四杆机构设计的主要类型实现给定的从动件运动规律(P33 倒8行)实现给定的运动轨迹(P33 倒7行)三、四杆机构设计的方法1、解析法2、图解法3、实验法五、按给定的连杆位置设计四杆机构(例图233 P34)六、按给定行程速度变化系数K设计四杆机构(例图234 P34) 重点讲解七、按给定的运动轨迹设计四杆机构连杆曲线(例图
15、235 P35)用图谱设计四杆机构图谱法(例图236 P36)。第三章 凸轮机构31凸轮机构的应用与分类一、凸轮机构的应用1、凸轮具有某种曲线轮廓或凹槽的构件2、凸轮机构含有凸轮的机构3、凸轮的特点结构简单、方便、易磨损二、凸轮的分类1、按凸轮形状分(1)盘形凸轮具有半径变化并绕其轴线转动的凸轮,它是凸轮的基本形式(例图31、32 P42)(2)移动凸轮相对机架做直线移动的凸轮(例图33 P42及下图的车床仿型机构)(3)圆柱凸轮轮廓曲线在圆周面上并绕其轴线转动的凸轮(例图34 P42)2、按从动件的形状分类(1)、尖顶从动件(例图35a P42)(2)、滚子从动件(例图35b P42)(3)
16、、平底从动件(例图35c P42)3、按照其他形式分类(1)、按照运动形式分类:移动从动件(例图31、图33、图35 P41和P42)和摆动从动件(例图32 P41)(2)、按照结构形式分类:力封闭型(例图31、图32、图33 P41和P42)和形封闭型(例图36、37 P43)32常用从动件运动规律一、凸轮的从动件运动规律:从动件的位移S、速度V和加速度a随时间t(或凸轮转角)的变化规律。1、基圆半径r0 2、升程h3、推程运动角04、回程运动角h5、远休止角s6、近休止角s7、凸轮转动角速度1二、等速运动规律1、等速运动方程式推导(例图38 P44)(1)升程凸轮主动件 顶杆从动件 (2)
17、回程凸轮主动件 顶杆从动件 注意:等速运动只是从动件在上升过程和回程过程中各自保持恒定的速度,但这二个速度不但方向相反,而且大小也不相等。而在次过程中,主动件凸轮的角速度1始终保持不变。2、等速晕高动的特点和应用(例图 39 P45)(1)从动件在推程开始和终止以及回程开始和终止时,速度有突变,产生无穷大的惯性力刚性冲击。(2)该机构仅适用于低速、轻载场合。三、等加速等减速运动1、等加速等减速运动方程式推导(1)升程a、前半推程凸轮主动件 顶杆从动件 s2=0 当t=0时, v2=0 当时, b、后半推程凸轮主动件 顶杆从动件 当时, 当时, (2)回程a、前半回程 凸轮主动件 顶杆从动件 当
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