【正文】 第一章 機械設(shè)計概述第一節(jié)本課程的性質(zhì)和研究對象一、 課程概述機械設(shè)計是根據(jù)社會需求所提出的機械設(shè)計任務(wù)，綜合應(yīng)用當代各種先進技術(shù)成果，運用各種適用的設(shè)計方法，設(shè)計出滿足使用要求，技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、外形美觀、綜合性能好，并能集中反映先進生產(chǎn)力的產(chǎn)品；也可能是在原有的機械設(shè)備基礎(chǔ)上作局部改進，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增大機械的工作能力，提高效率，降低能耗，減少污染等，這些都是機械設(shè)計范疇應(yīng)該考慮的問題。機械設(shè)計是一門綜合的技術(shù)，是一項復(fù)雜、細致和科學(xué)性很強的工作，涉及許多方面，要設(shè)計出合格的產(chǎn)品，必須兼顧眾多因素。下面簡述幾個與機械設(shè)計有關(guān)的基本問題。機械設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求使用要求——具有可靠穩(wěn)定的工作性能，達到設(shè)計要求。使用要求包括功能要求和可靠性要求。經(jīng)濟要求——要達到機器本身成本低，用該機器生產(chǎn)的產(chǎn)品成本也要低。外觀要求——保證人身安全，操作方便、省力。此外還有：噪音、起重、運輸、衛(wèi)生、防腐蝕、防凍等方面的要求。 機械零件的失效形式和設(shè)計準則 零件的失效形式失效——零件失去設(shè)計時指定的效能稱為零件失效。失效和破壞不是一回事，失效并不等于破壞，也就是說有些零件理論上是失效了，如齒輪的齒面點蝕、膠合、磨損等失效形式出現(xiàn)后，零件還可以工作，只不過是工作的狀況不如原來的好，可能會出現(xiàn)噪聲等。一般情況下零件破壞后就不能再工作了，也可以說破壞是絕對的失效，如齒輪的輪齒折斷是失效，也是破壞。常見的零件失效形式有：強度失效、剛度失效、磨損、失穩(wěn)和其他。具體的失效形式有①整體斷裂；②過大的殘余變形；③零件表面破壞（腐蝕、磨損、接觸疲勞）。失效尤以腐蝕、磨損、疲勞破壞為主（有資料介紹再1378項機械零件的失效中，腐蝕、磨損、%%）。三、 本課程的基本要求和學(xué)習(xí)方法 本課程的基本要求 本課程的任務(wù)是使學(xué)員掌握常用機構(gòu)和通用零件的基本理論和基本知識，初步具有分析、設(shè)計能力，并獲得必要的基本技能訓(xùn)練，同時培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想和嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生達到下列基本要求：（1）熟悉常用機構(gòu)的組成、工作原理及其特點，掌握通用機構(gòu)的分析和設(shè)計的基本方法。（2）熟悉通用機械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)及其特點，掌握通用機械零件的選用和設(shè)計的基本方法。（3）具有對機構(gòu)分析設(shè)計和零件設(shè)計計算的能力，并具有運用機械設(shè)計手冊、圖冊及標準等有關(guān)技術(shù)資料的能力。（4）具有綜合運用所學(xué)知識和實踐的技能，設(shè)計簡單機械和簡單傳動裝置的能力。 本課程的學(xué)習(xí)方法 本課程是從理論性、系統(tǒng)性很強的基礎(chǔ)課和專業(yè)課向?qū)嵺`性較強的專業(yè)課過渡的一個重要轉(zhuǎn)折點。因此，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中，必須多觀察、細思考、勤練習(xí)、常總結(jié)。觀察生活、生產(chǎn)中遇到的各種機械，熟悉典型結(jié)構(gòu)，增強感性認識；思考明晰本課程的基本概念，注意各種知識的聯(lián)系，融會貫通；勤練基本技能，提高分析能力和綜合能力；及時總結(jié)、消化掌握課程內(nèi)容，歸納學(xué)到的各種技術(shù)方法。特別應(yīng)注重實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，提高全面素質(zhì)和綜合職業(yè)能力。四、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和任務(wù)本課程的基本內(nèi)容可分為機械原理和機械零件設(shè)計兩大部分，是綜合應(yīng)用各先修課程的基礎(chǔ)理論知識，結(jié)合生產(chǎn)實踐知識，研究機械中的常見機構(gòu)和一般工作條件下的常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用零、部件，研究其工作原理、特點、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和基本設(shè)計理論、基本計算方法，研究機械設(shè)計的一般原則和設(shè)計步驟，研究常用零部件的選用和維護等共性問題。因此，本課程是工科類各專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，起著“理論過渡到實際、從基礎(chǔ)過渡到專業(yè)“的承前啟后的橋梁作用。通過本課程的學(xué)習(xí)和實踐性訓(xùn)練，要求達到： 了解使用、維護和管理常用機械設(shè)備的一些基礎(chǔ)知識。 初步掌握常用機構(gòu)的性能、應(yīng)用場合、使用維護等基礎(chǔ)知識。 具備正確選擇常用機械零件的類型、代號等基礎(chǔ)知識。 初步具備機械設(shè)計傳動的運用手冊設(shè)計簡單機械的能力。第二節(jié) 平面機構(gòu)的自由度一、機構(gòu)的組成 運動副的概念 當由構(gòu)件組成機構(gòu)時，為了使各構(gòu)件間具有一定的相對運動，需要以一定的方式把各個構(gòu)件彼此聯(lián)接起來，而且每個構(gòu)件至少必須與另一構(gòu)件相聯(lián)接。這種使兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定形式的相對運動的聯(lián)接稱為運動副。如軸1與軸承2的配合(圖151a)，齒輪1與齒輪2的輪齒間的嚙合(圖151b)，滑塊2與導(dǎo)軌1的接觸(圖151c)等等，就都構(gòu)成了運動副。 (a) (b) (c)圖 11 運動副根據(jù)兩構(gòu)件間的接觸特性可分為高副和低副。高副指兩構(gòu)件通過點接觸或線接觸組成的運動副，如圖12中齒輪1與凸輪3與從動桿車輪5與軌道6分別在A處組成高副。這時，兩構(gòu)件的相對運動是繞A點的轉(zhuǎn)動和沿切線方向的移動，而沿法線方向的移動被運動副限制了。低副指兩構(gòu)件通過面接觸組成的運動副，如圖13所示。圖12 高副 (a) 移動副 (b) 轉(zhuǎn)動副圖13 低副運動副還常根據(jù)構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件之間的相對運動的不同來分類。如圖14所示,把相對運動為移動的運動副稱為移動副，兩構(gòu)件之間的相對運動為轉(zhuǎn)動的運動副稱為轉(zhuǎn)動副， 相對運動為齒輪嚙合的運動副稱為齒輪副，相對運動為螺旋運動的運動副稱為螺旋副，相對運動為球面運動的運動副稱為球面副等等。此外，運動副根據(jù)的兩構(gòu)件之間的相對運動為平面運動還是空間運動分為平面運動副和空間運動副。圖14 運動副 自由度和運動副約束 如圖15所示，設(shè)有任意兩個構(gòu)件，當構(gòu)件1尚未與構(gòu)件2構(gòu)成運動副之前，即構(gòu)件1相對于構(gòu)件2共有6個相對獨立的運動。構(gòu)件的這種獨立運動的可能性稱為構(gòu)件的自由度。可見，空間自由運動的構(gòu)件具有6個自由度，而作平面自由運動的構(gòu)件具有3個自由度。若將兩構(gòu)件以某種方式相聯(lián)接而構(gòu)成運動副，則兩者間的相對運動便受到一定的限制，這種限制稱為運動副約束。自由度將因運動副引入的約束而減少，而且其減少的數(shù)目就等于其引入的約束數(shù)目。如高副約束了構(gòu)件的一種相對獨立運動，低副約束了構(gòu)件的兩種相對獨立運動。圖15 組成機構(gòu)的各構(gòu)件是通過相應(yīng)的運動副而彼此相聯(lián)的。我們把兩個以上的構(gòu)件通過運動副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運動鏈。如果運動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成了首末封閉的系統(tǒng)，如圖16a、b所示，則稱為閉式運動鏈，或簡稱閉鏈。反之，如運動鏈的構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，如圖16c、d所示，則稱為開式運動鏈，或簡稱開鏈。在各種機械中，一般采用閉鏈。 （a） （b） （c） （d）圖16 運動鏈在運動鏈中，如果將某一構(gòu)件加以固定而成為機架，則這種運動鏈便成為機構(gòu)。機構(gòu)中的其余構(gòu)件均相對于機架而運動。機構(gòu)中按給定的已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件稱為原動件；而其余活動構(gòu)件則稱為從動件，從動件的運動規(guī)律由原動件的運動規(guī)律決定。二、平面機構(gòu)的運動簡圖 機構(gòu)運動簡圖的概念 實際機構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。為了便于分析和設(shè)計，通常不考慮構(gòu)件的外形、截面尺寸以及運動副的實際結(jié)構(gòu)，而用簡單的線條和規(guī)定的符號表示構(gòu)件（圖17）和運動副（圖14），并按一定的比例畫出各運動副間的相對運動關(guān)系的簡圖稱為機構(gòu)運動簡圖。(a) (b) (c) (d) (e)三、平面機構(gòu)的自由度 平面機構(gòu)自由度的計算 平面機構(gòu)自由度是指平面機構(gòu)具有獨立運動參數(shù)的數(shù)目。設(shè)某平面機構(gòu)有n個活動構(gòu)件，有PL個低副和PH個高副。因一個沒有受任何約束的構(gòu)件有3個自由度，一個低副有兩個約束，一個高副帶來一個約束，因此，機構(gòu)自由度F可按下式計算 F=3n2PLPH (11) 例11 試計算圖19所示鉸鏈四桿機構(gòu)的自由度。 解： 此機構(gòu)有3個活動構(gòu)件(構(gòu)件3)、4個低副(轉(zhuǎn)動副A、B、C、D)，沒有高副。按式(11)求得機構(gòu)自由度為 F=3n2PLPH=33240=1圖19 計算機構(gòu)自由度的注意事項 使用式(11)計算機構(gòu)自由度時，對于下列情況應(yīng)給予注意、處理，才能使計算結(jié)果與實際一致。 1．復(fù)合鉸鏈 圖110a為三個構(gòu)件在A處組成轉(zhuǎn)動副。由俯視圖110b中可以看出，A處實際上存在兩個轉(zhuǎn)動副。這種由兩個以上的構(gòu)件在一處組成的轉(zhuǎn)動副，稱為復(fù)合鉸鏈，其轉(zhuǎn)動副的數(shù)目應(yīng)是在該處匯交構(gòu)件(包括固定件)的數(shù)目減1。 （a） （b）圖110 復(fù)合鉸鏈 2．局部自由度圖11la所示的凸輪機構(gòu)中，在從動件3的端部裝有滾子2，滾子的作用是將B處的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減少功率損耗，降低磨損。由F=3n2PLPH=33231=2可知，凸輪機構(gòu)有兩種獨立的運動，這與實踐相矛盾。如圖111b所示，設(shè)想將滾子2與安裝滾子的構(gòu)件3焊成一體，此時， n=2，PL=2，PH=1凸輪機構(gòu)的自由度為F=32221=1，計算結(jié)果與實際情況相符?？梢姖L子繞C軸轉(zhuǎn)動的自由度對從動件3的運動沒有影響。這種不影響整個機構(gòu)運動的、局部的獨立運動稱為局部自由度。計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將局部自由度除去不計。否則計算結(jié)果與實際情況不相符。（a） （b）圖111 凸輪機構(gòu) 3．虛約束 圖l512a所示縫紉機刺布機構(gòu)，上下兩個移動副D和D/同時約束針桿的上下移動，其約束效果與圖112b一樣。移動副D/對機構(gòu)的運動只起重復(fù)限制的作用。這種起重復(fù)限制作用的約束稱為虛約束。在計算機構(gòu)自由度時，虛約束應(yīng)當除去。否則計算結(jié)果與實際情況不相符。圖112b中， n=3，PL=4，PH=0，得F=33240=1。（a） （ b）圖1l 2 縫紉機刺布機構(gòu)中移動副導(dǎo)路重合 平面機構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)于下列情況中：(1)被聯(lián)接件上點的軌跡與機構(gòu)上聯(lián)接點的軌跡重合時，這種聯(lián)接將出現(xiàn)虛約束，如圖113所示。 (2)機構(gòu)運動時，如果兩構(gòu)件上兩點間的距離始終保持不變，將此兩點用構(gòu)件和運動副聯(lián)接，則會帶進虛約束，如圖114所示的A、B兩點。 (3)如果兩個構(gòu)件組成的移動副（圖112）相互平行，或兩個構(gòu)件組成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副時，如圖11所示，只需考慮其中一處，其余各處帶進的約束均為虛約束。 4)機構(gòu)中起重復(fù)作用的對稱部分是虛約束。如圖116所示的行星輪系中，由與中心完全對稱的三部分組成，每一部分的作用相同。因此，可以認為其中兩個部分的約束為虛約束。 圖113 圖114 圖115 圖116 行星輪系 虛約束雖然對機構(gòu)的運動沒有影響，但可以改善機構(gòu)的受力情況，增加構(gòu)件的剛度。虛約束是在特定的幾何條件下存在的，否則，虛約束將會變?yōu)閷嶋H約束，并將阻礙機構(gòu)的正常運動 機構(gòu)具有確定運動的條件 　由圖19可知，原動件每給定一個值，從動件3便有一個確定的位置。可見，自由度為1的機構(gòu)在具有一個原動件時，運動是確定的。圖117所示為鉸鏈五桿機構(gòu)，自由度F=3425O=2。如果只有構(gòu)件1為原動件，則當構(gòu)件1處于φ1位置時，從動件4的位置不確定(可以在圖示實線或雙點劃線位置，也可處于其他位置)，即從動件的運動不確定。如果取構(gòu)件1和4為原動件，每給定一組φ1和φ4的數(shù)值，從動件2和3便有一個確定的相對位置?？梢?，自由度等于2的機構(gòu)在具有兩個原動件時運動是確定的。圖117 鉸鏈五桿機構(gòu)綜上所述，一般機構(gòu)都有一個原動件，在此情況下，機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)原動件的數(shù)目W等于機構(gòu)的自由度F，即 W=F (12)當W≠F時，機構(gòu)的運動不確定。 例l2 圖118所示為篩料機構(gòu)，曲軸凸輪6為原動件(標有箭頭)，迫使篩5(滑塊)抖動篩料。試計算機構(gòu)自由度，檢查機構(gòu)是否具有確定運動。解： (1)處理特殊情況 首先處理局部自由度：圖中滾子7繞E軸轉(zhuǎn)動的自由度為局部自由度，采用滾子7與構(gòu)件8焊化處理；其次，判定并去除虛約束，構(gòu)件8與機架9形成導(dǎo)路重合的左右兩個移動副中的一個是虛約束，計算時應(yīng)去除。最后判斷復(fù)合鉸鏈，圖中構(gòu)件4在C處組成復(fù)合鉸鏈，C處含兩個轉(zhuǎn)動副。(2)計算機構(gòu)自由度，n=7，PL=9，PH=1，按式(11)計算得 F=37291=2(3)檢查機構(gòu)運動是否確定 由于原動件數(shù)W=2=F，所以機構(gòu)的運動確定。圖118 篩料機構(gòu)第二章 平面連桿機構(gòu)由若干構(gòu)件通過低副聯(lián)接，且所有的構(gòu)件在相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)稱為平面連桿機構(gòu)，平面連桿機構(gòu)是也稱平面低副機構(gòu)。由四個構(gòu)件通過低副連接而成的平面連桿機構(gòu)稱為平面四桿機構(gòu)，是平面連桿機構(gòu)中最常見的形式，是構(gòu)成多桿機構(gòu)的基礎(chǔ)。本任務(wù)主要討論平面連桿機構(gòu)的類型及應(yīng)用、特性及設(shè)計方法。第一節(jié) 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)一、 鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件1．曲柄存在的條件鉸接四桿機構(gòu)中是否有曲柄存在，這個問題主要取決于機構(gòu)中個構(gòu)件之間的相對長度，還有就是最短桿在機構(gòu)中的位置。通過機構(gòu)運動的集合關(guān)系可以證明，連架桿要成為曲柄，其必要與充分的條件是：（1） 最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。設(shè)四構(gòu)件中最長桿的長度為Lmax，最短桿的長度為Lmin，其余兩桿長度分別為L′和L″，Lmax+Lmin≤L′+L″。 （2） 連架桿與機架中必有一桿為最短桿。 根據(jù)曲柄存在的條件可得出如下推論：圖21