【正文】 圖114 圖115 圖116 行星輪系 虛約束雖然對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動沒有影響，但可以改善機(jī)構(gòu)的受力情況，增加構(gòu)件的剛度。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。 (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(jìn)的約束均為虛約束。（a） （ b）圖1l 2 縫紉機(jī)刺布機(jī)構(gòu)中移動副導(dǎo)路重合 平面機(jī)構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)于下列情況中：(1)被聯(lián)接件上點(diǎn)的軌跡與機(jī)構(gòu)上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合時，這種聯(lián)接將出現(xiàn)虛約束，如圖113所示。否則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不相符。這種起重復(fù)限制作用的約束稱為虛約束。（a） （b）圖111 凸輪機(jī)構(gòu) 3．虛約束 圖l512a所示縫紉機(jī)刺布機(jī)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。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時，應(yīng)將局部自由度除去不計(jì)?？梢姖L子繞C軸轉(zhuǎn)動的自由度對從動件3的運(yùn)動沒有影響。由F=3n2PLPH=33231=2可知，凸輪機(jī)構(gòu)有兩種獨(dú)立的運(yùn)動，這與實(shí)踐相矛盾。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。 1．復(fù)合鉸鏈 圖110a為三個構(gòu)件在A處組成轉(zhuǎn)動副。 解： 此機(jī)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。設(shè)某平面機(jī)構(gòu)有n個活動構(gòu)件，有PL個低副和PH個高副。為了便于分析和設(shè)計(jì)，通常不考慮構(gòu)件的外形、截面尺寸以及運(yùn)動副的實(shí)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(yùn)動副（圖14），并按一定的比例畫出各運(yùn)動副間的相對運(yùn)動關(guān)系的簡圖稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)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(yùn)動規(guī)律由原動件的運(yùn)動規(guī)律決定。 （a） （b） （c） （d）圖16 運(yùn)動鏈在運(yùn)動鏈中，如果將某一構(gòu)件加以固定而成為機(jī)架，則這種運(yùn)動鏈便成為機(jī)構(gòu)。反之，如運(yùn)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(yùn)動鏈，或簡稱開鏈。我們把兩個以上的構(gòu)件通過運(yùn)動副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈。如高副約束了構(gòu)件的一種相對獨(dú)立運(yùn)動，低副約束了構(gòu)件的兩種相對獨(dú)立運(yùn)動。若將兩構(gòu)件以某種方式相聯(lián)接而構(gòu)成運(yùn)動副，則兩者間的相對運(yùn)動便受到一定的限制，這種限制稱為運(yùn)動副約束。構(gòu)件的這種獨(dú)立運(yùn)動的可能性稱為構(gòu)件的自由度。此外，運(yùn)動副根據(jù)的兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為平面運(yùn)動還是空間運(yùn)動分為平面運(yùn)動副和空間運(yùn)動副。圖12 高副 (a) 移動副 (b) 轉(zhuǎn)動副圖13 低副運(yùn)動副還常根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動副的兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動的不同來分類。這時，兩構(gòu)件的相對運(yùn)動是繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動和沿切線方向的移動，而沿法線方向的移動被運(yùn)動副限制了。 (a) (b) (c)圖 11 運(yùn)動副根據(jù)兩構(gòu)件間的接觸特性可分為高副和低副。這種使兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定形式的相對運(yùn)動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副。 初步具備機(jī)械設(shè)計(jì)傳動的運(yùn)用手冊設(shè)計(jì)簡單機(jī)械的能力。 初步掌握常用機(jī)構(gòu)的性能、應(yīng)用場合、使用維護(hù)等基礎(chǔ)知識。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(shí)際、從基礎(chǔ)過渡到專業(yè)“的承前啟后的橋梁作用。特別應(yīng)注重實(shí)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。因此，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中，必須多觀察、細(xì)思考、勤練習(xí)、?？偨Y(jié)。（4）具有綜合運(yùn)用所學(xué)知識和實(shí)踐的技能，設(shè)計(jì)簡單機(jī)械和簡單傳動裝置的能力。（2）熟悉通用機(jī)械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，掌握通用機(jī)械零件的選用和設(shè)計(jì)的基本方法。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(jī)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(jì)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(jì)思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。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）。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。 機(jī)械零件的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 零件的失效形式失效——零件失去設(shè)計(jì)時指定的效能稱為零件失效。外觀要求——保證人身安全，操作方便、省力。使用要求包括功能要求和可靠性要求。下面簡述幾個與機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的基本問題。第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述第一節(jié)本課程的性質(zhì)和研究對象一、 課程概述機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)社會需求所提出的機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù)，綜合應(yīng)用當(dāng)代各種先進(jìn)技術(shù)成果，運(yùn)用各種適用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出滿足使用要求，技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、外形美觀、綜合性能好，并能集中反映先進(jìn)生產(chǎn)力的產(chǎn)品；也可能是在原有的機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上作局部改進(jìn)，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增大機(jī)械的工作能力，提高效率，降低能耗，減少污染等，這些都是機(jī)械設(shè)計(jì)范疇?wèi)?yīng)該考慮的問題。機(jī)械設(shè)計(jì)是一門綜合的技術(shù)，是一項(xiàng)復(fù)雜、細(xì)致和科學(xué)性很強(qiáng)的工作，涉及許多方面，要設(shè)計(jì)出合格的產(chǎn)品，必須兼顧眾多因素。機(jī)械設(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)濟(jì)要求——要達(dá)到機(jī)器本身成本低，用該機(jī)器生產(chǎn)的產(chǎn)品成本也要低。此外還有：噪音、起重、運(yùn)輸、衛(wèi)生、防腐蝕、防凍等方面的要求。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(diǎn)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。常見的零件失效形式有：強(qiáng)度失效、剛度失效、磨損、失穩(wěn)和其他。失效尤以腐蝕、磨損、疲勞破壞為主（有資料介紹再1378項(xiàng)機(jī)械零件的失效中，腐蝕、磨損、%%）。通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生達(dá)到下列基本要求：（1）熟悉常用機(jī)構(gòu)的組成、工作原理及其特點(diǎn)，掌握通用機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)的基本方法。（3）具有對機(jī)構(gòu)分析設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)計(jì)算的能力，并具有運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊、圖冊及標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)技術(shù)資料的能力。 本課程的學(xué)習(xí)方法 本課程是從理論性、系統(tǒng)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課向?qū)嵺`性較強(qiáng)的專業(yè)課過渡的一個重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。觀察生活、生產(chǎn)中遇到的各種機(jī)械，熟悉典型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)感性認(rèn)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。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(jī)械原理和機(jī)械零件設(shè)計(jì)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(shí)踐知識，研究機(jī)械中的常見機(jī)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(diǎn)、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和基本設(shè)計(jì)理論、基本計(jì)算方法，研究機(jī)械設(shè)計(jì)的一般原則和設(shè)計(jì)步驟，研究常用零部件的選用和維護(hù)等共性問題。通過本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐性訓(xùn)練，要求達(dá)到： 了解使用、維護(hù)和管理常用機(jī)械設(shè)備的一些基礎(chǔ)知識。 具備正確選擇常用機(jī)械零件的類型、代號等基礎(chǔ)知識。第二節(jié) 平面機(jī)構(gòu)的自由度一、機(jī)構(gòu)的組成 運(yùn)動副的概念 當(dāng)由構(gòu)件組成機(jī)構(gòu)時，為了使各構(gòu)件間具有一定的相對運(yùn)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。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(yùn)動副。高副指兩構(gòu)件通過點(diǎn)接觸或線接觸組成的運(yùn)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。低副指兩構(gòu)件通過面接觸組成的運(yùn)動副，如圖13所示。如圖14所示,把相對運(yùn)動為移動的運(yùn)動副稱為移動副，兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副稱為轉(zhuǎn)動副， 相對運(yùn)動為齒輪嚙合的運(yùn)動副稱為齒輪副，相對運(yùn)動為螺旋運(yùn)動的運(yùn)動副稱為螺旋副，相對運(yùn)動為球面運(yùn)動的運(yùn)動副稱為球面副等等。圖14 運(yùn)動副 自由度和運(yùn)動副約束 如圖15所示，設(shè)有任意兩個構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件1尚未與構(gòu)件2構(gòu)成運(yùn)動副之前，即構(gòu)件1相對于構(gòu)件2共有6個相對獨(dú)立的運(yùn)動?？梢姡臻g自由運(yùn)動的構(gòu)件具有6個自由度，而作平面自由運(yùn)動的構(gòu)件具有3個自由度。自由度將因運(yùn)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。圖15 組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件是通過相應(yīng)的運(yùn)動副而彼此相聯(lián)的。如果運(yùn)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(yùn)動鏈，或簡稱閉鏈。在各種機(jī)械中，一般采用閉鏈。機(jī)構(gòu)中的其余構(gòu)件均相對于機(jī)架而運(yùn)動。二、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的概念 實(shí)際機(jī)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。(a) (b) (c) (d) (e)三、平面機(jī)構(gòu)的自由度 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 平面機(jī)構(gòu)自由度是指平面機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。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(jī)構(gòu)自由度F可按下式計(jì)算 F=3n2PLPH (11) 例11 試計(jì)算圖19所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的自由度。按式(11)求得機(jī)構(gòu)自由度為 F=3n2PLPH=33240=1圖19 計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng) 使用式(11)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時，對于下列情況應(yīng)給予注意、處理，才能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際一致。由俯視圖110b中可以看出，A處實(shí)際上存在兩個轉(zhuǎn)動副。 （a） （b）圖110 復(fù)合鉸鏈 2．局部自由度圖11la所示的凸輪機(jī)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。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(jī)構(gòu)的自由度為F=32221=1，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。這種不影響整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動的、局部的獨(dú)立運(yùn)動稱為局部自由度。否則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不相符。移動副D/對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動只起重復(fù)限制的作用。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時，虛約束應(yīng)當(dāng)除去。圖112b中， n=3，PL=4，PH=0，得F=33240=1。 (2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)間的距離始終保持不變，將此兩點(diǎn)用構(gòu)件和運(yùn)動副聯(lián)接，則會帶進(jìn)虛約束，如圖114所示的A、B兩點(diǎn)。 4)機(jī)構(gòu)中起重復(fù)作用的對稱部分是虛約束。因此，可以認(rèn)為其中兩個部分的約束為虛約束。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?shí)際約束，并將阻礙機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)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。圖117所示為鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)，自由度F=3425O=2。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。圖117 鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)綜上所述，一般機(jī)構(gòu)都有一個原動件，在此情況下，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是：機(jī)構(gòu)原動件的數(shù)目W等于機(jī)構(gòu)的自由度F，即 W=F (12)當(dāng)W≠F時，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不確定。試計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，檢查機(jī)構(gòu)是否具有確定運(yùn)動。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。圖118 篩料機(jī)構(gòu)第二章 平面連桿機(jī)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(yùn)動的機(jī)構(gòu)稱為平面連桿機(jī)構(gòu)，平面連桿機(jī)構(gòu)是也稱平面低副機(jī)構(gòu)。本任務(wù)主要討論平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用、特性及設(shè)計(jì)方法。通過機(jī)構(gòu)運(yùn)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。 （2） 連架桿與機(jī)架中必有一桿為最短桿。(2) 當(dāng)最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和時：1) 若最短桿的相鄰桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；2) 若最短桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；3) 若最短桿的對邊桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。說明機(jī)構(gòu)分別以AB、BC、CD和AD各桿為機(jī)架時，屬何種機(jī)構(gòu)?解：由于Lmax+Lmin＝50+20＝70 L′+L″＝30+45＝75， 所以：以AB桿或CD桿(最短桿AD的鄰桿)為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；以BC桿(最短桿AD的對邊桿)為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)；以AD桿(最短桿)為機(jī)架，機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)。二、急回特性和死點(diǎn)位置急回特性 極位夾角——搖桿在C1D、C2D兩極限位置時，曲柄與連桿共線，對應(yīng)兩位置所夾的銳角，用θ表示。機(jī)構(gòu)的急回特性可用行程速比系數(shù)K表示： 極位夾角θ越大，機(jī)構(gòu)的急回特性越明顯。由于φ1＞φ2，所以 t1＞t2 ,V2＞Vl。 圖22 曲柄搖桿的急回特性分析搖桿CD的兩個極限位置間的夾角ψ稱為搖稈的最大擺角，主動曲柄在搖桿處于兩個極限位置時所夾的銳角θ稱為極位夾角。行程速比系數(shù)K：從動件空回行程平均速度V2與從動件工作行程平均速度V1的比值。 K＝V2／V1 ＝(C2C1／t2) ／ (C1C2／t1)＝（180176。一θ)由上式可知，K與θ有關(guān)，