机械设计基础教学课件.ppt

绪论01引引言言机器：机器：产生：是人生：是人类为了提高了提高劳动生生产率而率而创造出来的主要工具。造出来的主要工具。标志：使用机器志：使用机器进行生行生产的水平是衡量一个国家的技的水平是衡量一个国家的技术水平和水平和现代化程度的重要代化程度的重要标志之一。志之一。发展：大量的新机器也从展：大量的新机器也从传统的的纯机械系机械系统，演，演变成机成机电一体一体化的机械化的机械设备。机器的。机器的设计、制造、制造进入了智能化的新入了智能化的新阶段。机器段。机器的的设计制造周期越来越短，制造周期越来越短，对机器的性能、机器的性能、质量的要求也越来越量的要求也越来越高，个性化要求越来越多，机械高，个性化要求越来越多，机械产品向着高速、精密、重品向着高速、精密、重载、智、智能等方面能等方面发展。展。学学习目的：机械的种目的：机械的种类繁多，性能、用途各异，但是他繁多，性能、用途各异，但是他们有共有共同的特征，我同的特征，我们从它的特征出从它的特征出发，剖析其，剖析其结构，研究其构，研究其组成原理，成原理，以达到掌握、运用的目的。以达到掌握、运用的目的。机械设计基础02机器的机器的组成及其特征成及其特征一一、举例例说明明单缸内燃机缸内燃机 颚式破碎机式破碎机 二二、基本概念、基本概念1、机器特征：、机器特征：（1）都是人）都是人为的的实物物组合；合；（2）组成机器的各成机器的各实物之物之间具有确定的相具有确定的相对运运动；（3）能）能实现能量能量转换或完成有用的机械功。或完成有用的机械功。2、机构：、机构：（1）都是人）都是人为的的实物物组合；合；（2）组成机器的各成机器的各实物之物之间具有确定的相具有确定的相对运运动；注意：机构与机器注意：机构与机器联系与区系与区别3、机械：机器与机构的、机械：机器与机构的总称称3、构件：机器或机构中最小的运、构件：机器或机构中最小的运动单元元4、零件：机器或机构中最小的制造、零件：机器或机构中最小的制造单元元注意：构件与零件注意：构件与零件联系与区系与区别关系：关系：零件零件构件构件机构机构机器机器组成成组成成组成成机械机械6机器的其他内容：机器的其他内容：（1）、）、原原动动机机传动传动部分部分执执行部分行部分辅辅助系助系统统控制系控制系统统（2）、机器是）、机器是执行机械行机械传动的装置，用来的装置，用来变换或或传递能量、物料、能量、物料、信息，以代替或减信息，以代替或减轻人的体力和人的体力和脑力力劳动（3）、按用途分：）、按用途分：动力机器，加工机器，运力机器，加工机器，运输机器机器（4）、自）、自动机，自机，自动线（5）、机构）、机构类型：常用机构，液型：常用机构，液压机构，气机构，气压机构等机构等（6）、零件）、零件类型：通用零件，型：通用零件，专用零件用零件（7）、部件：）、部件：协同工作且完成共同任同工作且完成共同任务的零件的零件组合合通用部件：通用部件：轴承，承，联轴器等器等专用部件：汽用部件：汽车转向器向器03机械机械设计的基本要求及一般程序的基本要求及一般程序一一、机械机械设计的基本要求的基本要求1、预定功能的要求定功能的要求:设计的基本出的基本出发点点功能要求：功能要求：设计机器的功用和性能指机器的功用和性能指标（运（运动性能，性能，动力性能，技力性能，技术指指标，外形，外形结构要求）构要求）必需正确必需正确选择机器的工作原理、机构机器的工作原理、机构类型和机械型和机械传动方案方案2、安全可靠与安全可靠与强度、寿命的要求度、寿命的要求:机器正常工作的必要条件机器正常工作的必要条件3、经济性要求性要求:成本低，效率高，成本低，效率高，维护方便等方便等综合性能指合性能指标：与：与设计，制造，使用都有关，制造，使用都有关良好工良好工艺，合理，合理选材，尽量三化（零件材，尽量三化（零件标准化，部件通用化，准化，部件通用化，产品品系列化）系列化）4、操作使用要求操作使用要求:操作操作简单，劳动强度低，度低，环保保5、其他特殊要求（汽其他特殊要求（汽车安全性要求）。安全性要求）。二二、机械机械设计的一般程序的一般程序1、提出和制定提出和制定产品品设计任任务书需求需求-确定功能指确定功能指标-分析可能性分析可能性制定制定设计任任务书（产品用途，技品用途，技术经济指指标，使用条件，使用条件，设计承担着，承担着，设计周期）周期）2、总体方案体方案设计设计任任务书调查研究研究工作原理工作原理总体体设计方案方案论证可行性可行性绘制机构制机构简图3、技技术设计总体方案体方案确定确定结构尺寸（构尺寸（结构构设计，工作能力，工作能力计算）算）-画画图零件零件设计步步骤：确定确定类型型结构构受力分析受力分析失效分析失效分析选材材尺寸尺寸设计结构构设计绘图4、样机的机的试制与制与鉴定定5、产品的正式投品的正式投产04机械机械设计基基础课程的内容、性程的内容、性质和任和任务一、一、课程的内容程的内容常用机构和通用零部件的工作原理，运常用机构和通用零部件的工作原理，运动特点、特点、结构特点、基本构特点、基本的的设计理理论和和计算方法。算方法。二、二、课程的性程的性质性性质：技：技术基基础课作用：承上启下作用：承上启下特点：科学性，特点：科学性，综合性，合性，实践性践性三、三、课程的任程的任务1.了解常用机构的了解常用机构的结构，运构，运动特性，初步具有分析和特性，初步具有分析和设计常用机常用机构的能力。构的能力。2.掌握通用零件的工作原理、掌握通用零件的工作原理、结构特点、构特点、设计计算和算和维护等知等知识。并初步具有并初步具有设计简单机械机械传动装置的能力。装置的能力。3.具有运用具有运用标准，准，规范，手册，范，手册，查阅相关技相关技术资料能力。料能力。4.获得本学科得本学科实验技能的初步技能的初步训练。5.通通过本本课程的学程的学习为后后续专业课程打好基程打好基础。第一章平面机构的运动简图及自由度4.机构自由度的计算3.机构运动简图的画法2.机构具有确定相对运动的条件1.平面机构的组成平面机构：各构件在同一平面或相互平行的平面内运动空间机构：各构件不完全在同一平面或相互平行的平面内运动1-11-1平面机构的平面机构的组组成成 一、机构的组成与分类1、概念：机构是具有确定相对运动的构件的组合构件：机构中的（最小）运动单元一个或若干个零件刚性联接而成2、机架：固定不动的构件原动件：输入运动规律的构件从动件：其它的活动构件3、平面机构：各构件的相对运动平面互相平行空间机构：蜗杆传动曲柄滑块机构二、自由度二、自由度一个作平面运动的自由构件有三个独立运动的可能性。构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。但当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自由构件。两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为约束。三、运动副及其分类概念：使两构件直接接触并能产生一定相对运动的可动联接类型：（一）低副两构件通过面接触而构成的运动副称为低副。根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为转动副和移动副。1.转动副（或铰链）两构件只能在一个平面内作相对转动限制两个自由度：（两个移动）保留一个自由度（转动）2.移动副两构件只能沿某一方向作相对移动的运动副称为移动副。限制两个自由度：（一个移动，一个转动）保留一个自由度（移动）(二）高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。限制一个自由度：（一个移动）保留两个自由度（一个移动，一个转动）1-21-2平面机构运平面机构运动简图动简图 1、机构运、机构运动简图：简明表示机构各构件之间相对运动关系的图形（按比例，用特定的符号和线条）和运动有关的：运动副的类型、数目、相对位置、构件数目和运动无关的：构件外形、截面尺寸、组成构件的零件数目、运动副的具体构造2、机构示意、机构示意图：只需表明机构运动传递情况和构造特征，不必按严格比例所画的图形2、常用机构和运、常用机构和运动副的表示方法：副的表示方法：1、运动副的符号转动副：移动副：齿轮副：凸轮副：2、构件（杆）：3、绘机构运动简图的步骤1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；2）确定所有运动副的类型和数目；3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；4）确定比例尺；5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画)）例试绘制内燃机的机构运动简图1-31-3平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度 一一、平面机构的自由度的平面机构的自由度的计算算 机构的自由度：机构中活机构的自由度：机构中活动构件相构件相对于机架所具有的独立于机架所具有的独立运运动的数目。（与构件数目，运的数目。（与构件数目，运动副的副的类型和数目有关）型和数目有关）n个活个活动构件：自由度构件：自由度为3n。PL个低副：个低副：限制限制 2PL个自由度个自由度PH个高副：个高副：限制限制 PH个自由度个自由度因此，因此，该机构相机构相对于固定构件的自由度数于固定构件的自由度数应为活活动构构件的自由度数与引入运件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差，副减少的自由度数之差，该差差值称称为机构的自由度，并以机构的自由度，并以F表示，表示，F=3n-2PL-PHF=3n-2PL-PH=3*7-2*8-4=1F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=1F=3n-2PL-PH=3*5-2*6-0=3（错）F=3n-2PL-PH=3*5-2*7-0=11.复合复合铰链：两个以上个构件在同一条：两个以上个构件在同一条轴线上形成的上形成的转动副副由由K个构件个构件组成的复合成的复合铰链包含的包含的转动副数目副数目应为（K-1）个）个 二二 注意事注意事项 3、虚、虚约束束重复而不起独立限制作用的约束称为虚虚约束束。计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。(1)、两构件构成多个导路平行的移动副，F=3n-2PL-PH=3*3-2*5-0=-1（错）(2)、两构件组成多个轴线互相重合的转动副（见书上1-10（b）图）F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1（正确）机机车车轮的的联动机构机构(3)、机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分为虚约束F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-2=1（行星轮系、固定3）F=3n-2PL-PH=3*4-2*4-2=2（差动轮系）4、轨迹重合：在机构中，若被联接到机构上的构件，在联接点处的运动轨迹与机构上的该点的运动轨迹重合时，该联接引入的约束是虚约束，F=3n-2PL-PH=3*4-2*6-0=0F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1虚约束作用：对机构的运动无关，但可以改善机构的受力情况，增强机构工作的稳定性F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-1=2(错）F=3n-2PL-PH=3*2-2*2-1=1（正确）多余的自由度是滚子2绕其中心转动带来的局部自由度，它并不影响整个机构的运动，在计算机构的自由度时，应该除掉。2、局部自由度在机构中，某些构件具有不影响其它构件运动的自由度F=3n-2PL-PH=3*7-2*9-1=2（注意凸轮）F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1（其中一个滑块为虚约束）（注意不是复合铰链）图示示为一一简易冲床的易冲床的设计图。试分析分析设计方案是否合理。如不合理，方案是否合理。如不合理，则绘出修改后的机构运出修改后的机构运动简图。三三、平面机构具有确定相平面机构具有确定相对运运动的条件的条件F0，构件间无相对运动，不成为机构。F0,原动件数=F，运动确定原动件数F，机构破坏机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表明机构具有的独立运动数。由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动）因此，当机构的自由度为1时，只需有一个原动件；当机构的自由度为2时，则需有两个原动件。故机构具有确定运动的条件是：原动件数目应等于机构的自由度数目。试计算算图示挖土机的自由度，并示挖土机的自由度，并说明明为什么要配置三个油缸。什么要配置三个油缸。F=3n-2PL-PH=3*3-2*3-0=3油泵F=3n-2PL-PH=3*3-2*4-0=1四四、计算平面机构自由度的算平面机构自由度的实用意用意义1判定机构的运判定机构的运动设计方案是否合理方案是否合理2修改修改设计方案方案（1）F=0:增加一构件增加一构件带进一平面低副一平面低副（2）F原原动件数目：增加一构件件数目：增加一构件带进两平面低副两平面低副增加原增加原动件数目件数目3判定机构运判定机构运动简图是否正确是否正确连杆传动是利用常用的低副传动机构进行的传动，连杆传动能方便的实现转动、摆动、移动等运动形式的转换。其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。因此本章着重讨论四杆机构的基本类型、性质及常用设计方法。2-1概述一、概念1连杆机构：构件全部用低副联接而成的平面机构（低副机构）2平面连杆机构3铰链四杆机构第二章平面连杆机构1、特点优点：(1)面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大(2)低副易于加工，可获得较高精度，成本低(3)杆可较长，可用作实现远距离的操纵控制(4)可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹缺点：(1)构件数目比较多或制造精度较低时，机构运动累计误差较大，会影响运动准确性。(2)容易引起冲击或振动。二、平面连杆机构的特点和应用2、应用：机机车车轮的的联动机构机构2-2铰链四杆机构的类型与应用基本型式及其演化据有无移动副存在：铰链四杆机构，滑块四杆机构一、铰链四杆机构的基本型式(一)、曲柄摇杆机构特点：两连架杆一个是曲柄（整周转）；一个是摇杆（摆动）应用：雷达缝纫机(二)、双曲柄机构特点：两连架杆都是曲柄（整周转）主动曲柄匀速转，从动曲柄变速转正平行双曲柄机构：对边平行且相等特点：主、从动曲柄匀速且相等运动不确定现象：反平行双曲柄机构：对边平行但不相等(三)、双摇杆机构特点：两连架杆都是摇杆（摆动）二、铰链四杆机构的演化演化方法：转动副移动副（滑块四杆机构）；选取不同构件作为机架（一）、转动副转化成移动副1、铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副类型对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构曲柄存在条件：对心曲柄滑块机构：L1L2行程S=2L1偏置曲柄滑块机构：L1+eL22、铰链四杆机构中两个转动副转化为移动副由于此机构当主动件1等速回转时，从动到导杆3的位移为y=Labsin，故又称正弦机构正弦机构双滑块机构（二）、取不同构件为机架1、导杆机构(1)、演化过程曲柄滑块机构中，当将曲柄改为机架时，就演化成导杆机构。(2)、类型转动导杆机构摆动导杆机构L1L2L1L2：机架长度：曲柄长度(2)、应用牛头刨床机构简易刨床2、摇块机构(1)、演化过程曲柄滑块机构中，当将连杆改为机架时，就演化成摇块机构。(2)、应用泵3、定块机构(1)、演化过程曲柄滑块机构中，当将滑块改为机架时，就演化成定块机构。(2)、应用移移动导杆机构杆机构4、双滑块机构偏心轮（扩大运动副)在曲柄滑块机构（曲柄摇杆机构）中，若曲柄很短，可将转动副B的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄AB就演化成几何中心B不与转动中心A重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮，含有偏心轮的机构称为偏心轮机构。偏心轮机构结构简单，偏心轮轴颈的强度和刚度大，且易于安装整体式连杆，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击较大的机械中。颚式破碎机其他滑块四杆机构双滑块机构双曲柄移动导杆机构双转块机构一、铰链四杆机构存在曲柄的条件类型的判别关键在于：机构中有无曲柄，有几个曲柄有无曲柄在于：机构中各构件的相对位置及最短杆所处的位置机构存在曲柄的条件2-3平面四杆机构的基本特性及设计结论：1、铰链四杆机构存在曲柄的条件是：四杆机构存在曲柄的条件是：(1)、连架杆和机架中必有一杆是最短杆；(2)、最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和。2、取不同构件、取不同构件为机架，机架，铰链四杆机构的名称四杆机构的名称进一步区分一步区分为：（1）当铰链四杆机构的最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和时，定义三种名称I、以最短杆的相邻杆作机架时得到曲柄摇杆机构II、以最短杆作机架时得到双曲柄机构III、以最短杆的对边杆作机架成为双摇杆机构（2）当最短杆与最长杆的长度之和大于其他两杆长度之和时，不论以何杆作机架，均为双摇杆机构。二、平面四杆机构的基本特性（一）、急回特性和行程速比系数（一）、急回特性和行程速比系数（一）、急回特性和行程速比系数（一）、急回特性和行程速比系数摇杆的摆角摇杆的摆角C1DC2；极位夹角极位夹角工作行程工作行程回程回程曲柄等速转动时，曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速摇杆往复摆动的平均速度不相同，这种运动称度不相同，这种运动称为曲柄摇杆机构的为曲柄摇杆机构的急回急回运动运动。曲柄摇杆机构的。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用急回运动程度可以用 2 2和和 的比值的比值 来衡量，来衡量，称为称为行程速比系数。行程速比系数。，急回程，急回程度度。=0=0时，时，=1=1时，机构无急回运动。时，机构无急回运动。传动角传动角压力角的余角。压力角的余角。（二）、压力角和传动角（二）、压力角和传动角（二）、压力角和传动角（二）、压力角和传动角 压力角压力角从从动动件件受受力力点点（C点点）的的受受力方向与力方向与受受力力点点的的速速度度方方向向之之间间所所夹夹的锐角。的锐角。压力角越小，传动角越压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好。大，机构传力性能越好。设计时应使设计时应使 在在 ABD和和 BCD中中，分分别别有有式中，式中，。联立求解得联立求解得如何确定铰链四杆机构的最小传动角？（三）、死点位置（三）、死点位置（三）、死点位置（三）、死点位置1 1死点的概念死点的概念 在在曲曲柄柄摇摇杆杆机机构构中中，当当摇摇杆杆为为主主动动件件时时，当当连连杆杆与与从从动动曲曲柄柄共共线线时时，机机构构的的传传动动角角 ，此此时时主主动动件件CD CD 通通过过连连杆杆作作用用于于从从动动曲曲柄柄ABAB上上的的力力恰恰好好通通过过其其回回转转中中心心，所所以以出出现现了了不不能能使使构构件件ABAB转转动动的的顶顶死死现现象象，机机构构的这种位置称为的这种位置称为死点位置或死点死点位置或死点。2 2死点的缺陷死点的缺陷 对对于于传传动动机机构构，存存在在死死点点位位置置是是一一个个缺缺陷陷，常常采采用用下下列列措措施施使使机机构构顺利通过死点位置：顺利通过死点位置：利用系统的惯性；利用系统的惯性；利用特殊机构。利用特殊机构。3 3死点的利用死点的利用 在工程中也常常应用死点位置实现工作要求。如快速夹具、在工程中也常常应用死点位置实现工作要求。如快速夹具、飞机起落架等。飞机起落架等。具具夹夹速速快快利用惯性利用惯性设计内容：选择形式；确定尺寸（运动简图）设计方法：解析法；实验法；图解法2-4平面四杆机构的设计两类问题：实现给定的运动规律实现给定的运动轨迹例：曲柄摇杆机构，摇杆长为30mm,摆角=45，速比系数K=1.5,设计此机构。例：偏置曲柄滑块机构，s=30mm,e=12mm,K=1.5,设计此机构。导杆机构设计见书21页2、按给定的连杆位置设计四杆机构解析法设计四杆机构见书上23页凸轮传动是通过凸轮与从动件间的接触来传递运动和动力，是一种常见的高副机构，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预定的复杂运动规律。3-1凸轮机构应用和分类一、凸轮机构的组成和应用内燃机配气机构凸轮式内燃机配气机构第三章凸轮机构自动车床上的走刀机构1、组成：凸轮，从动件，机架2、作用：将凸轮的转动或移动转变为从动件的移动或摆动3、特点:(1)只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律(1)结构简单、紧凑，工作可靠，容易设计；(2)高副接触，易磨损4、应用：适用于传力不大的控制机构和调节机构二、凸轮传动机构的类型1、按凸轮的形状和运动分类(1)、盘形回转凸轮(2)、平板移动凸轮(3)、圆柱回转凸轮2、按从动件的形状分类(1)、尖顶从动件(2)、滚子从动件(2)、平底从动件按从动件的运动形式摆动从动件移动从动件按锁合方式的不同力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；形锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。按从动件运动形式可分为直动从动件（又分为对心直动从动件和偏置直动从动件）和摆动从动件两种。等宽凸轮机构凸轮的宽度始终等于平底从动件框架的宽度。因此凸轮与平底可始终保持接触。等径凸轮机构在任何位置时从动件两滚子中心到凸轮转动中心的距离之和等于一个定值。3-2常用的从动件运动规律一、凸轮传动的工作过程基圆：以凸轮最小半径r0所作的圆，r0称为凸轮的基圆半径。推程、推程运动角：推杆的运动规律：是指推杆在运动过程中，其位移、速度和加速度随时间变化（凸轮转角变化）的规律。远休、远休止角：回程、回程运动角：近休、近休止角：行程：h位移：s=r-r0二、常用的从动件运动规律1、等速运动规律运动方程式一般表达式：运运动特特性性：当采用匀速运动规律时，推杆在运动的起始点和终止点因速度有突变，在理论上加速度值为瞬时无穷大，使推杆产生非常大的惯性力，致使凸轮受到很大的冲击，称为刚性性冲冲击。推程运推程运动线图：适用场合：低速、轻载。2、等加速等减速运动规律运动方程式一般表达式：运动特性：当采用等加速等减速运动规律时，在起点、中点和终点时，加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，所以，凸轮机构中由此而引起的冲击称为柔性冲击。适用场合：中速、低速、轻载。3-3用图解法设计盘形凸轮轮廓曲线设计方法：图解法，解析法假想假想给整个机构加一公共整个机构加一公共角速度角速度-w,凸凸轮：相：相对静止不静止不动推杆：一方面随推杆：一方面随导轨以以-w绕凸凸轮轴心心转动另一方面又沿另一方面又沿导轨作作预期的期的往复移往复移动推杆尖推杆尖顶在在这种复合运种复合运动中中的运的运动轨迹即迹即为凸凸轮轮廓曲廓曲线。一、图解法设计凸轮轮廓曲线(一)、图解法的原理设计凸轮廓线的图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依次占据的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲线族；并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线，即是所求的凸轮轮廓曲线。(二)、图解法的方法和步骤1、对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计要求：已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律如图所示。试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。2、对心直动滚子从动件盘形凸轮机构已知条件:凸轮的基圆半径为r0,滚子半径rr,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。3、对心直动平底从动件盘形凸轮机构已知条件已知条件:凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。推杆的运动规律如图所示。试设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构的凸轮廓线。4、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构已知条件已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮沿逆时针方向等速回转。而推杆的运动规律已知，已知偏距e。试设计。从动画中看，从动件在反转运动中依次占据的位置将不在是以凸轮回转中心作出的径向线,而是始终与O保持一偏距e的直线,因此若以凸轮回转中心O为圆心，以偏距e为半径作圆（称为偏距圆）,则从动件在反转运动中依次占据的位置必然都是偏距圆的切线,(图中)从动件的位移()也应沿切线量取。然后将等点用光滑的曲线连接起来，既得偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓。4、摆动从动件盘形凸轮机构已知条件已知条件:已知凸轮的基圆半径为r0,凸轮转动方向。凸轮转动中心与从动件摆动中心的距离，摆动从动件的长度，已知从动件的运动规律，试设计。（从动件的位移是角位移）理论廓线的曲率半径：实际廓线的曲率半径：a一、滚子半径的选取3-5设计凸轮机构应注意的问题凸轮机构设计实现预定运动规律受力良好，效率高，结构紧凑滚子半径：r0外凸轮廓：a=-rT结论：外凸的凸轮轮廓曲线,应使Rr=1-5mm,另外滚子半径还受强度、结构等的限制，因而也不能做得太小，通常取滚子半径Rr=(0.1-0.5)R0。二、凸轮压力角的校核(1)、凸轮机构的压力角定义 凸轮机构从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角，用表示。(2)、压力角与作用力以及机构尺寸的关系 将凸轮对从动件的作用力F分解为F1和F2。F2为有效分力，F1为有害分力，当压力角越大，有害分力F1越大，如果压力角增大，有害分力所引起的摩擦阻力也将增大，摩 擦功耗增大，效率降低。如果压力角大到一定值时，有害分力所引起的摩擦阻力将大于有效分力F2，这时无论凸轮对从动件的作用力F有多大，都不能使从动件运动，机构将发生自锁。(3)、许用压力角为了提高机构的效率、改善其受力情况，通常规定一许用压力角，使。推 程：直 动 推 杆 取 300；摆 动 推 杆 400 500；回程：通常不会引起自锁问题，但为了使推杆不至产生过大的加速度从而引起不良后果，通常取=700800。(4)、压力角校核max一般出现在1）从动件的起点位置2）从动件最大速度位置3）凸轮轮廓向径变化最大部分滚子从动件按理论轮廓校核平底从动件一般=0，不需校核若max:增大基圆半径偏置从动件三、凸轮基圆半径的确定r0越小，凸轮机构紧凑，但越大，会造成max，所以r0不能过小r0越大，越小，凸轮机构传力性能越好，但机构不紧凑d:安装凸轮处轴径四、平底长度L的确定当用图解法做出凸轮的轮廓曲线之后，就可以确定平底与凸轮轮廓接触点到道路的最大距离Lmax,则平底的长度L英取为L=2Lmax+（5-7）mm四、凸轮与从动件的材料及选择1、失效：凸轮：磨损，疲劳点蚀。从动件：磨损2、材料:凸轮：HT200、HT250、HT300（170-250HBS)；Q335、45、50(调质处理)；QT600-3、QT700-2(190-305HBS)；45（淬火40-45HRC)；45、40Cr(表面高频淬火52-58HRC）从动件：材料与凸轮相同，但从动件磨损更严重更早。所以一般从动件硬度比凸轮要高一些。2、凸轮的结构除尺寸较小的凸轮与轴制成一体的情况外，结构设计应考虑安装时便于调整凸轮与轴相对位置的需要。凸轮的常用结构有：1.凸轮轴2.整体式3.组合式优点:传动准确、平稳、效率高、功率范围和速度范围广、使用寿命长。缺点：制造和安装精度要求高，成本较高、不宜于远距离两轴间传动。特点特点第一节第一节齿轮传动的特点、类型及其应用齿轮传动的特点、类型及其应用用途用途用来传递空间两任意轴之间运动和动力。分类平面齿轮传动（两轴平行）空间齿轮传动（两轴不平行）两轴相交圆锥齿轮传动蜗杆传动交错轴斜齿轮传动圆柱齿轮传动直齿斜齿曲齿直齿斜齿外啮合内啮合齿轮齿条两轴交错人字齿轮第四章齿轮机构外外啮啮合合直直齿齿内内啮啮合合直直齿齿齿齿轮轮齿齿条条外外啮啮合合斜斜齿齿外外啮啮合合人人字字齿齿蜗蜗杆杆传传动动交交错错轴轴斜斜齿齿轮轮直直齿齿锥锥齿齿轮轮斜斜齿齿锥锥齿齿轮轮曲曲齿齿锥锥齿齿轮轮齿轮传动特点齿轮传动特点传动比准确、传动平稳。传动比准确、传动平稳。圆周速度大，高达圆周速度大，高达300m/s。传动功率范围大，从几瓦到传动功率范围大，从几瓦到10万千瓦。万千瓦。效率高效率高(0.99)、使用寿命长、工作安全可靠。、使用寿命长、工作安全可靠。可实现平行轴、相交轴和交错轴之间的传动。可实现平行轴、相交轴和交错轴之间的传动。缺点：要求较高的制造和安装精度，加工成本高、缺点：要求较高的制造和安装精度，加工成本高、不适宜远距离传动不适宜远距离传动(如单车如单车)。欲使两齿轮的瞬时传动比为一常数，节点必为定点。二齿轮啮合时，其瞬时传动比等于啮合齿廓接触点处公法线分连心线所成二段线段的反比。第二节第二节 齿廓啮合的基本定律齿廓啮合的基本定律一、齿廓啮合的基本定律一、齿廓啮合的基本定律二、共轭齿廓二、共轭齿廓啮合：一对轮齿相互接触并进行相对运动的状态称为啮合。传动比：两轮角速度之比。概念满足预定传动比要求的一对齿廓称为共轭齿廓共轭齿廓基本要求实现预定传动比；便于设计、制造和安装；互换性好；强度高齿廓曲线渐开线（最常用）、外摆线、圆弧曲线齿廓啮合的基本定律齿廓啮合的基本定律第一种叙述法第二种叙述法为连心线为连心线与公法线与公法线的交的交点，称为啮合节点，简称点，称为啮合节点，简称节点节点。主动齿轮1的齿廓与从动齿轮2的齿廓在K 点啮合，要保证两齿轮齿廓高副接触，它们在点的速度沿公法线方向的分量应相等。即由于 ，那么 故两轮的瞬时传动比为分别以分别以和和为圆心、为圆心、以以和和为半径作为半径作圆，这两个圆分别称为两轮的啮合节圆，简称圆，这两个圆分别称为两轮的啮合节圆，简称节圆节圆。两轮齿廓在节点啮合时两轮齿廓在节点啮合时,相对速度为零，即一对齿相对速度为零，即一对齿轮的啮合传动相当于它们的节圆作纯滚动。轮的啮合传动相当于它们的节圆作纯滚动。齿廓齿廓啮合啮合的基的基本定本定律律图图第三节第三节渐开线齿廓及其啮合特性渐开线齿廓及其啮合特性一、一、渐开线的形成和渐开线性质渐开线的形成和渐开线性质二、二、渐开线齿廓啮合特性渐开线齿廓啮合特性一、渐开线的形成和及渐开线性质一、渐开线的形成和及渐开线性质一、渐开线的形成和及渐开线性质一、渐开线的形成和及渐开线性质1.1.形成形成2.2.性质性质3.3.渐开线方程渐开线方程极角极角：K=tanK-K向径：向径：K K：渐开线在：渐开线在K点点的的压力角压力角，K K ：渐开线在：渐开线在K点的展角点的展角。=invK工程上用invK表示K，并称其为渐开线函数。发生线沿半径为的基圆作纯滚动时，直线上任意点的轨迹称为该圆的渐开线。（2 2）渐开线上任意一点的法线必是基圆的切线。（4）渐开线的形状取决于基圆的大小。（1 1）=（3）是渐开线在K点的曲率半径。基圆越小，渐开线越弯曲；基圆越大，渐开线越平基圆越小，渐开线越弯曲；基圆越大，渐开线越平直；基圆为无穷大时，渐开线为斜直线。直；基圆为无穷大时，渐开线为斜直线。二、渐开线齿廓啮合特性二、渐开线齿廓啮合特性二、渐开线齿廓啮合特性二、渐开线齿廓啮合特性根据渐开线性质，两齿廓在任意点啮合的公法线都是两基圆的一条内公切线。由于基圆的大小和位置都是不变的，因此两基圆一侧的内公切线是唯一的，该直线与连心线的交点C为定点，即节点固定。由此证明渐开线齿廓满足定传动比传动要求。故 为啮合点的轨迹，故又称为啮合线，为一条直线。啮合线与两轮连心线的垂线方向（节点的速度方向）所夹的角称为啮合角,它等于渐开线在节圆上的压力角。不计摩擦时，齿廓间作用力定向；转矩不变时，作用力大小不变。渐开线齿轮的传动比决定于其基圆的大小，而齿轮一经设计加工好后，它们的基圆也就固定不变了，因此当两轮的中心距略有改变时，两齿轮仍能保持原传动比，这种中心距改变而传动比不变的性质称为渐开线齿轮传动中心距的可分性。1 1瞬时传动比恒定不变瞬时传动比恒定不变2中心距变动不影响传动比中心距变动不影响传动比3啮合线为直线啮合线为直线第四节第四节渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分渐开线标准直齿圆柱齿轮各部分名称、基本参数和几何尺寸的计算名称、基本参数和几何尺寸的计算一、一、渐开线齿轮各部分的名称渐开线齿轮各部分的名称二、二、渐开线齿轮的基本参数渐开线齿轮的基本参数三、三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算四、四、任意圆弧齿厚和公法线长度任意圆弧齿厚和公法线长度齿顶圆：齿顶所在的圆，其直径和半径分别用 和 表示。齿根圆：齿槽底面所在的圆，其直径和半 径分别用 和 表示。分度圆：具有标准模数和标准压力角的圆。它介于齿顶圆和齿根圆之间，是 计算齿轮几何尺寸的基准圆，其 直径和半径分别用 和 表示。基圆：生成渐开线的圆，其直径和半径分别用 和 表示。齿顶高：齿顶圆与分度圆之间的径向距离，用 表示。齿根高：齿根圆与分度圆之间的径向距离，用 表示。齿高：齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，用 表示。齿厚：一个齿的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用 表示。齿槽宽：一个齿槽的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用 表示。齿距：相邻两齿的同侧齿廓之间的分度圆弧长，用 表示。显然有 。一、一、一、一、齿轮基本尺寸的齿轮基本尺寸的齿轮基本尺寸的齿轮基本尺寸的名称和符号名称和符号名称和符号名称和符号 一、一、齿轮基本尺寸的名称和符号（标准直齿圆柱外啮合齿轮齿轮基本尺寸的名称和符号（标准直齿圆柱外啮合齿轮)齿数齿数齿轮整个圆周上轮齿的总数。模数模数m 齿轮的分度圆周长则规定=为整数或简单有理数且为标准值，称为分度圆模数，简称模数，单位mm。二、渐开线齿轮的基本参数二、渐开线齿轮的基本参数二、渐开线齿轮的基本参数二、渐开线齿轮的基本参数 注意：齿轮不同圆周上的模数是不同的，只有分度圆上的模数才是标准值。=4.齿顶高系数齿顶高系数和顶隙系数顶隙系数齿顶高与齿根高的值分别表示为 和式中，和 分别称为齿顶高系数和顶隙系数。标准规定：正常齿，；短齿，。注意：齿轮不同圆周上的压力角不同的，只有分度圆上的压力角是标准值。3.压力角压力角 指分度圆压力角。由方程知:压力角是影响渐开线齿形的基本参数。标准值三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算三、渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算名称符号计算公式 分度圆直径=基圆直径=齿顶高 齿根高齿高齿顶圆直径齿根圆直径齿距=齿厚齿槽宽=基圆齿距（法向齿距）=标准齿轮：具有标准模数、标准压力角、标准齿顶高系数、标准顶系系数并且分度圆上的齿厚等于分度圆上的齿槽宽的齿轮0.350.70.91.752.252.75(3.25)3.5(3.75)第二系列第二系列4.55.5(6.5)79(11)14182228(30)3645标准模数系列表（标准模数系列表（GB135787）0.10.120.150.20.250.30.40.50.60.8第一系列第一系列11.251.522.5345681012162025324050为了便于制造为了便于制造、检验和互换使用，检验和互换使用，国标国标GB1357-87规定了规定了标准模数系列。标准模数系列。第五节第五节渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动一、一、渐开线齿轮的正确啮合条件渐开线齿轮的正确啮合条件二、二、渐开线齿轮的连续传动条件渐开线齿轮的连续传动条件三、三、齿轮传动的中心距及标准齿轮的安装齿轮传动的中心距及标准齿轮的安装四、四、齿轮和齿条传动齿轮和齿条传动虽然渐开线齿廓能实现定传动比传动，但这并不意味着任意参数的一对齿轮都能进行正确的啮合（瞬时传动比不变）传动。要想使传动正确进行，那么（见书45页）一、一、一、一、渐开线齿轮的正确啮合条件渐开线齿轮的正确啮合条件渐开线齿轮的正确啮合条件渐开线齿轮的正确啮合条件因，于是正确啮合条件正确啮合条件二、渐开线齿轮的连续传动条件二、渐开线齿轮的连续传动条件二、渐开线齿轮的连续传动条件二、渐开线齿轮的连续传动条件 1 1轮齿的啮合过程轮齿的啮合过程 啮合起始点 啮合结束点2 2连续传动条件连续传动条件 实际啮合线理论啮合线工程上工程上第六节第六节渐开线标准齿轮的公法线和固定弦齿厚渐开线标准齿轮的公法线和固定弦齿厚弦齿厚测量弦齿厚测量1.1.公法线长度公法线长度2.2.固定弦齿厚固定弦齿厚见书见书4848页页第七节第七节渐开线齿廓的根切现象、渐开线齿廓的根切现象、变位齿轮的概念变位齿轮的概念一、一、渐开线齿轮轮齿的加工渐开线齿轮轮齿的加工二、二、渐开线齿廓的根切渐开线齿廓的根切三、三、变位齿轮传动变位齿轮传动一、渐开线齿轮轮齿的加工一、渐开线齿轮轮齿的加工一、渐开线齿轮轮齿的加工一、渐开线齿轮轮齿的加工 齿轮轮齿的加工方法很多，最常用的是切削加工法。此外还有铸造法、轧制法和线切割法、粉末冶金法等。而从加工原理来分，则可以分成成形法和范成法两种。1.1.成形法成形法 用与渐开线齿轮的齿槽形状相同的成形铣刀直接切削出齿轮齿形的一种加工方法。切削法指状铣刀盘状铣刀插齿滚齿2.范成法范成法 范成