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机械设计总论机械设计总论 0.1 任务引入任务引入 0.2 解决任务的方法解决任务的方法 0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 0.5 思考及练习题思考及练习题 0.1 任务引入任务引入 机械是人类在长期生产实践中创造出来的重要生产工具机械是人类在长期生产实践中创造出来的重要生产工具。它它用来减轻人的劳动强度，改善劳动条件，提高产品质量，提用来减轻人的劳动强度，改善劳动条件，提高产品质量，提高劳动生产率，帮助人们创造更多的社会财富，在现代化生高劳动生产率，帮助人们创造更多的社会财富，在现代化生产中尤其离不开机械产中尤其离不开机械。机械工业的生产水平是一个国家现代机械工业的生产水平是一个国家现代化建设水平的重要标志化建设水平的重要标志。任何机械都是若干装置、任何机械都是若干装置、部件和零件组成的一个特定的系统部件和零件组成的一个特定的系统。机械零件是成机械系统的基本要素，机械零件是成机械系统的基本要素，部件、部件、装置是组成装置是组成机械系统的子系统机械系统的子系统。下一页返回0.1 任务引入任务引入 如如图图 0-1 所示卷扬机，所示卷扬机，图图 0-2 牛头刨床都是由若干装置、牛头刨床都是由若干装置、部件和零件组成的两种功能和构造各异的机械系统部件和零件组成的两种功能和构造各异的机械系统。机械零机械零件和构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功件和构件是组成机械系统的基本要素，它们为完成一定的功能相互联系而分别组成了各个子系统能相互联系而分别组成了各个子系统。上一页 返回0.2 解决任务的方法解决任务的方法 在现代化生产中，几乎没有一个领域不使用机械，这就需要在现代化生产中，几乎没有一个领域不使用机械，这就需要大批具有一定机械基础知识的技术人员大批具有一定机械基础知识的技术人员。高职机械类专业正高职机械类专业正是顺应这一需要而设置的，是顺应这一需要而设置的，其培养目标是培养从事现代机械其培养目标是培养从事现代机械工业生产、工业生产、建设、建设、管理、管理、服务第一线的技术应用型专门人服务第一线的技术应用型专门人才才。本课程是一门高职机械类专业的主干专业基础课，专业本课程是一门高职机械类专业的主干专业基础课，专业培养目标中，起承上启下的作用培养目标中，起承上启下的作用。返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍课题一课题一 机械设计的基本概念机械设计的基本概念 一、一、机器的概念机器的概念 本课程的研究对象是机械本课程的研究对象是机械。机械是机器和机构的总称机械是机器和机构的总称。1.机器的组成机器的组成 现代机器一般有四大部分组成：现代机器一般有四大部分组成：（1）动力装置部分动力装置部分 它是驱动整台机器完成预定功能的动力来源，它是驱动整台机器完成预定功能的动力来源，其作用是把其其作用是把其他形式的能量转换为机械能，以驱动机器各部件，如电动机、他形式的能量转换为机械能，以驱动机器各部件，如电动机、内燃机、内燃机、液压马达等液压马达等。下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍（2）执行装置部分执行装置部分 它是机器中直接完成工作任务的组成部分它是机器中直接完成工作任务的组成部分。如机床的刀架、如机床的刀架、汽车的车轮、汽车的车轮、船舶的螺旋桨、船舶的螺旋桨、工业机器人的手臂等工业机器人的手臂等。（3）传动装置部分传动装置部分 它是将动力装置的运动和动力传递给执行装置的中间它是将动力装置的运动和动力传递给执行装置的中间 环节，环节，利用它可以减速、利用它可以减速、增速、增速、调速、调速、改变转矩以及改变运动形改变转矩以及改变运动形式等，式等，从而满足执行部分的各种要求从而满足执行部分的各种要求。（4）操纵、操纵、控制及辅助装置部分控制及辅助装置部分 操纵装置如启操纵装置如启 动、动、停车、停车、正反转、正反转、运动和动力参数的改变运动和动力参数的改变及各执行装置间的动作协调等及各执行装置间的动作协调等。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍2.机器的特征机器的特征 如如图图 0-3 所示的内燃机由活塞所示的内燃机由活塞 2、连杆连杆 1、凸轮轴凸轮轴 6 和和缸体缸体 9（机架）机架）组成机器的主要部分组成机器的主要部分。汽缸内燃烧的膨汽缸内燃烧的膨胀气体，推动活塞在气缸内作往复移动时，通过连杆使曲轴胀气体，推动活塞在气缸内作往复移动时，通过连杆使曲轴作连续转动作连续转动。凸轮轴凸轮轴 6、进排气门推杆进排气门推杆 7、8 和机架组和机架组成控制部分成控制部分。凸轮转动，通过推杆推动进、凸轮转动，通过推杆推动进、排气阀启闭，排气阀启闭，实现可燃混合气定时进入气缸，废气定时排出气缸的功能实现可燃混合气定时进入气缸，废气定时排出气缸的功能。齿轮齿轮 10 和和 d 轴上的齿轮轴上的齿轮 5 及机架组成传动部分，从而把及机架组成传动部分，从而把燃料燃烧产生的热能转换为机械能燃料燃烧产生的热能转换为机械能。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍由上述实例及日常生活中常见的其他机器可以看出，尽管机由上述实例及日常生活中常见的其他机器可以看出，尽管机器的种类繁多，器的种类繁多，构造和差别很大，但注意观察，就会发现机器都有着下列共构造和差别很大，但注意观察，就会发现机器都有着下列共同特征：同特征：（1）机器是若干人为实体的组合；机器是若干人为实体的组合；（2）各实体间具有确定的相对运动；各实体间具有确定的相对运动；（3）能够代替或减轻人类劳动，能够代替或减轻人类劳动，完成有用机械功，完成有用机械功，变换变换或传递能量、或传递能量、物料和信息等物料和信息等。二、二、机构的概念机构的概念 这些由若干具有确定相对运动的实体组成，用来传递力、这些由若干具有确定相对运动的实体组成，用来传递力、运运动或转换运动形式的系统称为机构动或转换运动形式的系统称为机构。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍组成机构的具有确定相对运动的实体，组成机构的具有确定相对运动的实体，称为构件，称为构件，如上述活如上述活塞塞 2、连杆连杆 1、缸体（、缸体（机架）机架）等等。组成机构的构件可以是刚性的，组成机构的构件可以是刚性的，也可以是挠性的、也可以是挠性的、弹性的，弹性的，或是液压、或是液压、气动、气动、电磁件电磁件。从机器的运动原理角度分析，机器的主体通常由一个或几个从机器的运动原理角度分析，机器的主体通常由一个或几个机构组成机构组成。三、三、构件、构件、零件和部件零件和部件 从机构运动的角度看，构件是机构中不可分割的相对运动单从机构运动的角度看，构件是机构中不可分割的相对运动单元体，即运动单元元体，即运动单元。从制造加工的角度来看，机器是由若干从制造加工的角度来看，机器是由若干零件组装而成的，零件是机器的最小制造单元，是机器的基零件组装而成的，零件是机器的最小制造单元，是机器的基本组成要素本组成要素。构件可以是一个单独的零件，如内燃机中的曲构件可以是一个单独的零件，如内燃机中的曲轴；也可以由几个零件刚性地连接在一起组成，轴；也可以由几个零件刚性地连接在一起组成，上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍课题二课题二 机械设计的基本准则及一般步骤机械设计的基本准则及一般步骤 一、一、机械零件的失效形式及设计准则机械零件的失效形式及设计准则 为了使设计零件能在预定时间内和规定工作条件下正常工作，为了使设计零件能在预定时间内和规定工作条件下正常工作，设计机械零件时应满足下面的基本要求：设计机械零件时应满足下面的基本要求：1.强度强度 强度是保证机械零件正常工作的基本要求强度是保证机械零件正常工作的基本要求。为了避免零件在为了避免零件在工作中发生断裂，必须使零件工作时满足下面的设计准则：工作中发生断裂，必须使零件工作时满足下面的设计准则：或或 式中，式中，、分别为零件工作时的正应力和剪应力；分别为零件工作时的正应力和剪应力；、分别为零件材料的许用正应力和许用剪应力分别为零件材料的许用正应力和许用剪应力。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍2.刚度刚度 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。若零件刚若零件刚度不够，度不够，将产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作，例将产生过大的挠度或转角而影响机器正常工作，例如若车床主轴的弹性变形过大，会影如若车床主轴的弹性变形过大，会影响加工精度，为了使零件具有足够的刚度，设计时必须满足响加工精度，为了使零件具有足够的刚度，设计时必须满足下面的设计准则：下面的设计准则：y y 式中，式中，y、分别为零件工作时的挠度、分别为零件工作时的挠度、偏转角和扭偏转角和扭转角；转角；y、分别为零件的许用挠度、分别为零件的许用挠度、许用偏转角和许用扭转角许用偏转角和许用扭转角。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍3.寿命寿命 机械零件应有足够的寿命机械零件应有足够的寿命。影响零件寿命的主要因素有腐蚀、影响零件寿命的主要因素有腐蚀、磨损和疲劳磨损和疲劳。但至今还没有提出实用且有效的腐蚀寿命计算但至今还没有提出实用且有效的腐蚀寿命计算方法方法。4.可靠性可靠性 满足强度和刚度要求的一批相同的零件，由于零件的工作应满足强度和刚度要求的一批相同的零件，由于零件的工作应力是随机变量，故在规定的工作条件下和规定的使用期限内，力是随机变量，故在规定的工作条件下和规定的使用期限内，并非所有的零件都能完成规定的功能，零件在规定的工作条并非所有的零件都能完成规定的功能，零件在规定的工作条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率称为该零件的件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率称为该零件的可靠度可靠度。可靠度是衡量零件工作可靠性的一个特征量，不同可靠度是衡量零件工作可靠性的一个特征量，不同零件的可靠度要求是不同的零件的可靠度要求是不同的。设计时应根据具体零件的重要设计时应根据具体零件的重要程度选择适的可靠度程度选择适的可靠度。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍二、二、机械设计的基本要求机械设计的基本要求 虽然不同的机械其功能和外形都不相同，但它们设计的基本虽然不同的机械其功能和外形都不相同，但它们设计的基本要求大体是相同的，机械应满足的基本要求可以归纳为两方要求大体是相同的，机械应满足的基本要求可以归纳为两方面：面：1.功能要求功能要求 2.安全可靠性要求安全可靠性要求 3.经济性要求经济性要求 4.其他要求其他要求 上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍三、三、机械设计的一般程序机械设计的一般程序 机械设计就是建立满足功能要求的技术系统的创造过程机械设计就是建立满足功能要求的技术系统的创造过程。机机械设计一般过程如械设计一般过程如图图 0-5 所示所示。1.明确设计任务明确设计任务 产品设计是一项为实现预定目标的有目的的活动，因此正确产品设计是一项为实现预定目标的有目的的活动，因此正确地决定设计目地决定设计目 标（标（任务）任务）是设计成功的基础是设计成功的基础。明确设计任。明确设计任务包括定出技术系统的总体目标和各项具体的技术要求，务包括定出技术系统的总体目标和各项具体的技术要求，这这是设计、是设计、优化、优化、评价、评价、决策的依据决策的依据。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍2.总体设计总体设计 机械系统总体设计根据机器要求进行功能设计研究机械系统总体设计根据机器要求进行功能设计研究。总体设总体设计包括确定工作部分的运动和阻力，选择原动机的种类和功计包括确定工作部分的运动和阻力，选择原动机的种类和功率，选择传动系统，机械系统的运动和动力计算，确定各级率，选择传动系统，机械系统的运动和动力计算，确定各级传动比和各轴的转速、传动比和各轴的转速、转矩和功率转矩和功率。3.技术设计技术设计 技术设计又称结构设计技术设计又称结构设计。其任务是根据总体设计的要求，确其任务是根据总体设计的要求，确定机械系统各零部件的材料、定机械系统各零部件的材料、形状、形状、数量、数量、空间相互位置、空间相互位置、尺寸、尺寸、加工和装配，并进行必要的强度、加工和装配，并进行必要的强度、刚度、刚度、可靠性设可靠性设计，计，若有几种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案若有几种方案时，需进行评价决策最后选择最优方案。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍4.样机试制样机试制 样机试制阶段是通过样机制造、样机试制阶段是通过样机制造、样机试验、样机试验、检查机械系统的检查机械系统的功能及整机、功能及整机、零部件的强度、零部件的强度、刚度、刚度、运转精度、运转精度、振动稳定振动稳定性、性、噪声等方面的性能，随时检查及修正设计图纸，以更好噪声等方面的性能，随时检查及修正设计图纸，以更好地满足设计要求地满足设计要求。5.批量正式生产批量正式生产 批量正式生产阶段是根据样机试验、批量正式生产阶段是根据样机试验、使用、使用、测试、测试、鉴定所鉴定所暴露的问题，暴露的问题，进一步修正设计，以保证完成系统功能，同时进一步修正设计，以保证完成系统功能，同时验证各工艺的正确性，以提高生产率、降低成本，提高经济验证各工艺的正确性，以提高生产率、降低成本，提高经济效益效益。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍课题三课题三 机械零件常用材料与选择机械零件常用材料与选择 一、一、机械零件常用材料机械零件常用材料 机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金，机械制造中最常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金，非金属材料如塑料、非金属材料如塑料、橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应橡胶等，在机械制造中也得到广泛的应用用。1.金属材料金属材料（1）铸铁铸铁。常用的铸铁有灰铸铁、常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、可锻铸铁、合金铸铁等合金铸铁等。（2）钢钢。钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、钢的强度较高，塑性较好，可通过轧制、锻造、锻造、冲压、冲压、焊焊接和铸造方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面接和铸造方法加工各种机械零件，并且可以用热处理和表面处理方法提高机械性能，因此其应用极为广泛处理方法提高机械性能，因此其应用极为广泛。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍（3）有色金属合金有色金属合金。有色金属合金具有良好的减摩性、有色金属合金具有良好的减摩性、跑合性、跑合性、抗腐蚀性、抗腐蚀性、抗抗磁性、磁性、导电性等特殊的性能，在工业中应用最广的是铜合金、导电性等特殊的性能，在工业中应用最广的是铜合金、轴承合金和轻合金，但有色金属合金比黑色金属价格贵轴承合金和轻合金，但有色金属合金比黑色金属价格贵。2.非金属材料非金属材料 非金属材料是现代工业和高技术领域中不可缺少和占有重要非金属材料是现代工业和高技术领域中不可缺少和占有重要地位的材料，地位的材料，非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材非金属材料包括除金属材料以外几乎所有的材料料。机械制造中应用的非金属材料种类很多，机械制造中应用的非金属材料种类很多，有塑料、有塑料、橡橡胶、胶、陶瓷、陶瓷、木料、木料、毛毡、毛毡、皮革、皮革、棉丝等棉丝等。（1）橡胶橡胶。（2）塑料塑料。上一页 下一页返回0.3 相关知识点介绍相关知识点介绍（3）复合材料复合材料。（4）陶瓷陶瓷。二、二、机械材料选用的原则机械材料选用的原则 从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因从各种各样的材料中选择出合用的材料是一项受到多方面因素制约的工作，通常应考虑下面的原则：素制约的工作，通常应考虑下面的原则：（1）载荷的大小和性质载荷的大小和性质。（2）零件的工作条件零件的工作条件。（3）零件的尺寸及质量零件的尺寸及质量。（4）经济性经济性。上一页 返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 一、一、计算机辅助设计计算机辅助设计 在机械设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、在机械设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存信息存储和制图等项工作储和制图等项工作。1.CAD 简介简介 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）是指工程技术人员利用计算机的硬件和软件系统，对产品是指工程技术人员利用计算机的硬件和软件系统，对产品进行总体设计、进行总体设计、绘图、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总分析和编写技术文档等设计活动的总称。称。下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 如如图图 0-6 所示，所示，CAD 是一个设计过程，是一个设计过程，它是它是“在计算机在计算机环境下完成产品的创造、环境下完成产品的创造、分析和修改，分析和修改，以达到预期设计目以达到预期设计目 标的过程标的过程”。一般认为，一般认为，CAD 功能可归纳为：功能可归纳为：几何建模、几何建模、工程分析、工程分析、模拟仿真、模拟仿真、自动绘图四大类自动绘图四大类。CAD 硬件系统的典型组成分为三大部分：硬件系统的典型组成分为三大部分：计算机（计算机（键盘、键盘、鼠标、鼠标、显示器和主机）、显示器和主机）、图形输入设备（图形输入设备（如扫描仪等）、如扫描仪等）、绘图输出设备（绘图输出设备（如打印机、如打印机、绘图机等）绘图机等）。上一页 下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 2.常用的常用的 CAD 软件软件（1）解决几何图形设计问题解决几何图形设计问题。在几何图形设计中，通常有以下四种方法在几何图形设计中，通常有以下四种方法。交互式绘图交互式绘图。程序参数化绘图程序参数化绘图。尺寸驱动式参数化绘图尺寸驱动式参数化绘图。三维实体造型三维实体造型。（2）解决工程分析与计算问题解决工程分析与计算问题此类软件针对机械领域的需要，一般配置有计算方法库、此类软件针对机械领域的需要，一般配置有计算方法库、优优化方法库及常用零部件优化模型库、化方法库及常用零部件优化模型库、机构分析及机构综合软机构分析及机构综合软件、件、机械系统动态分析软件、机械系统动态分析软件、模具分析软件等模块模具分析软件等模块。上一页 下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法（3）商品化软件简介商品化软件简介除了除了 AutoCAD 之外，之外，近年来国内外比较流行的软件有开近年来国内外比较流行的软件有开目机械零件设计系统（目机械零件设计系统（国产）、国产）、美国美国 SDRC 公司公司 推出推出 的的 IDEAS、PTC 公司公司 推出推出 的的 Pro/Engineer、CNCSoftware 公司的公司的 MasterCAM 等等。开目机械零件设计系统开目机械零件设计系统。I-DEAS 设计系统设计系统。Pro/Engineer 实体设计系统实体设计系统。MasterCAM 设计及制造系统设计及制造系统。上一页 下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 二、二、有限元法设计有限元法设计 有限元法（有限元法（Finite Element Method）是以电子计算机是以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法为工具的一种现代数值计算方法。目。目 前，前，该法不仅能用于该法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（非稳态问题（如结构力学、如结构力学、流流体力学、体力学、热传导、热传导、电磁场等方面问题）电磁场等方面问题）的求解，的求解，而且还可而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确并能准确地计算形状复杂零件（地计算形状复杂零件（如机架、如机架、汽轮机叶片、汽轮机叶片、齿轮等）齿轮等）的的应力分布和变形，应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具工具。上一页 下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 三、三、优化设计优化设计 优化设计（优化设计（Optimal Design）是把最优化数学原理应用是把最优化数学原理应用于工程设计问题，于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法种现代设计方法。进行工程优化设计，进行工程优化设计，首先需将工程问题首先需将工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程得到工程设计问题的最优设计方案设计问题的最优设计方案。四、四、可靠性设计可靠性设计 可靠性设计（可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理是以概率论和数理统计为理论基础；以失效分析、统计为理论基础；以失效分析、失效预测及各种可靠性试验失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。上一页 下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 五、五、工业艺术造型设计工业艺术造型设计 工业艺术造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一门新学工业艺术造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一门新学科科。它是指在保证产品实用功能的前提下，它是指在保证产品实用功能的前提下，用艺术手段按用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动，对工业产品的结构尺照美学法则对工业产品进行造型活动，对工业产品的结构尺寸、寸、体面形态、体面形态、色彩、色彩、材质、材质、线条、线条、装饰及人机关系等因装饰及人机关系等因素进行有机的综合处理，从而设计出优质美观的产品造型素进行有机的综合处理，从而设计出优质美观的产品造型。六、六、设计方法学设计方法学 设计法学（设计法学（Design Methedology）是研究设计的一般是研究设计的一般性方法、性方法、技巧、技巧、手段、进程及规律的一门新型综合学科；目手段、进程及规律的一门新型综合学科；目前国际上对设计方法学的研究主要分为两大学派，即德国学前国际上对设计方法学的研究主要分为两大学派，即德国学派和英美学派派和英美学派。上一页 下一页返回0.4 知识拓展知识拓展 现代设计方法现代设计方法 七、七、反求工程设计反求工程设计 反求工程（反求工程（Reverse Engineering）是消化吸收并改进是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。它对提高它对提高我国的科技和管理水平有着重要的意义我国的科技和管理水平有着重要的意义。八、八、现代设计方法的特点现代设计方法的特点 通过上述几种典型现代设计方法的内容介绍可知，现代设计通过上述几种典型现代设计方法的内容介绍可知，现代设计方法的基本特点如下：方法的基本特点如下：（1）程式性程式性。（2）创造性创造性。（3）系统性系统性。上一页 返回0.5 思考及练习题思考及练习题 0-1 试述机械、试述机械、机构、机构、构件、构件、零件的含义零件的含义。0-2 试述机械零件失效、试述机械零件失效、失效主要形式及机械零件设计准则失效主要形式及机械零件设计准则的含义的含义。0-3 机械中常用哪些材料？试简述钢和铸铁的主要性能及其机械中常用哪些材料？试简述钢和铸铁的主要性能及其应用应用。0-4 试各举出具体有下述功能的机器的两个事例：试各举出具体有下述功能的机器的两个事例：（1）原动机；原动机；（2）将将机械能机械能变换为其他形式能的机器变换为其他形式能的机器；（；（3）实现物料变换的机器；实现物料变换的机器；（4）变换或传递变换或传递信息信息的机器；的机器；（5）传递物料的机器；传递物料的机器；（6）传递机械能的机器传递机械能的机器。下一页返回0.5 思考及练习题思考及练习题 0-5 指出下列的机器的原动部分、指出下列的机器的原动部分、工作部分、工作部分、传动部分、传动部分、支承部分、支承部分、控制部分：控制部分：（1）汽车；汽车；（2）自行车；自行车；（3）电风扇；电风扇；（4）缝纫机缝纫机。0-6 指出汽车中三个通用零件和专用零件指出汽车中三个通用零件和专用零件。0-7 CAD 是什么？是什么？常用的常用的 CAD 软件有哪些？软件有哪些？上一页 返回图图 0-1 卷扬机卷扬机 1 电动机；电动机；2、4 联轴器；联轴器；3 齿轮减速器；齿轮减速器；5 卷筒卷筒 返回图图 0-2 牛头刨床牛头刨床 返回图图 0-3 内燃机内燃机 返回图图 0-5 机械设计过程机械设计过程 返回图图 0-6 机械机械 CAD 的工作过程的工作过程 返回项目项目 一一 平面连杆机构平面连杆机构 1.1 任务引入任务引入 1.2 解决任务的方法解决任务的方法 1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 1.4 知识拓展知识拓展 机构的组合与应用机构的组合与应用 1.5 思考及练习题思考及练习题 1.1 任务引入任务引入 在起重机等设备中，在起重机等设备中，都会包含平面连杆机构都会包含平面连杆机构。如如图图 1-1 所所示的起重机中，示的起重机中，AB、BC、CD、DA 组成的是一个平组成的是一个平面连杆机构面连杆机构。通过摇杆通过摇杆 AB 的摆动，的摆动，带动带动 BE 运动，吊起运动，吊起重物重物 Q。返回1.2 解决任务的方法解决任务的方法 要完成起重机的平面连杆机构设计，需要掌握以下内容：要完成起重机的平面连杆机构设计，需要掌握以下内容：（1）平面连杆机构有哪些构件构成？平面连杆机构有哪些构件构成？（2）各构件间采用何种连接方式？各构件间采用何种连接方式？（3）平面连杆机构有哪些运动和动力特性？平面连杆机构有哪些运动和动力特性？（4）平面连杆机构的设计方法平面连杆机构的设计方法。返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 课题一课题一 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 一、一、运动副及其分类运动副及其分类 1.运动副运动副 机构由若干个相互连接起来的构件组成机构由若干个相互连接起来的构件组成。机构中两构件之间机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动连接，直接接触并能作相对运动的可动连接，称为运动副称为运动副。下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 2.运动副的分类运动副的分类（1）低副低副。两构件通过面接触构成的运动副称为低副两构件通过面接触构成的运动副称为低副。根据两构件间的根据两构件间的相对运动形式，低副又分为移动副和转动副相对运动形式，低副又分为移动副和转动副。两构件间的相两构件间的相对运动为直线运动的，对运动为直线运动的，称为移动副，如称为移动副，如图图 1-2 所示；所示；两构两构件间的相对运动为转动的，件间的相对运动为转动的，称为转动副或铰链，称为转动副或铰链，如如图图 1-3 所示所示。（2）高副高副。两构件通过点或线接触构成的运动副称为高副两构件通过点或线接触构成的运动副称为高副。如如图图 1-4，凸轮凸轮 1 与尖顶推杆与尖顶推杆 2 构成高副，如构成高副，如图图 1-5，两齿轮轮，两齿轮轮齿啮合处也构成高副齿啮合处也构成高副。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 二、二、平面机构运动简图平面机构运动简图 实际构件的外形和结构往往很复杂，实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，在研究机构运动时，为为了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉，保留了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉，保留与运动有关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副，并与运动有关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例表示各种运动副的相对位置按一定的比例表示各种运动副的相对位置。这种表示机构各这种表示机构各构件之间相对运动的简化图形，称为机构运动简图构件之间相对运动的简化图形，称为机构运动简图。机构中的构件可分为三类：机构中的构件可分为三类：（1）固定件或机架固定件或机架。（2）原动件原动件。（3）从动件从动件。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 绘制机构运动简图的一般方法和步骤：绘制机构运动简图的一般方法和步骤：（1）分析机构的运动及组成，确定机架、分析机构的运动及组成，确定机架、原动件和从动原动件和从动件件。（2）识别运动副的类型识别运动副的类型。由原动件开始，由原动件开始，依次分析构依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目。（3）选择投影平面，画机构草图选择投影平面，画机构草图。（4）确定比例尺，绘制机构运动简图确定比例尺，绘制机构运动简图。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 例例 1-1 试绘制试绘制图图 1-6（a）所示颚式破碎机的机构运动所示颚式破碎机的机构运动简图简图。解解 颚式破碎机的主体机构由机架颚式破碎机的主体机构由机架 1、偏心轴偏心轴 2、动颚动颚 3、肘板肘板 4 共四个构件组成共四个构件组成。偏心轴是原动件，动颚和肘板偏心轴是原动件，动颚和肘板都是从动件都是从动件。偏心轴在与它固连的带轮偏心轴在与它固连的带轮 5 的拖动下绕轴线的拖动下绕轴线 A 转动，驱使输出构件动颚转动，驱使输出构件动颚 3 作平面运动，从而将矿石轧碎作平面运动，从而将矿石轧碎。偏心轴偏心轴 2 与机架与机架 1 绕轴线绕轴线 A 作相对转动，作相对转动，故构件故构件 1、2 组成以组成以 A 为中心的转动副；为中心的转动副；动颚动颚 3 与偏心轴与偏心轴 2 绕轴线绕轴线 B 作相对转动，作相对转动，故构件故构件 2、3 组成以组成以 B 为中心的回转副；为中心的回转副；肘板肘板 4 与动颚与动颚 3 绕轴线绕轴线 C 相对转动，相对转动，故构件故构件 3、4 组成组成以以 C 为中心的转动副；为中心的转动副；肘板与机架绕轴线肘板与机架绕轴线 D 作相对转动，作相对转动，故构件故构件 4、1 组成以组成以 D 为中为中 心的转动副心的转动副。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 选定适当比例尺，选定适当比例尺，根据根据图图 1-6（a）尺寸定出尺寸定出 A、B、C、D 的相对位置，的相对位置，用构件和运动副的规定符号绘出机构用构件和运动副的规定符号绘出机构运动简图，运动简图，如如图图 1-6（b）所示所示。最后，最后，将图中的机架将图中的机架画上斜线，在原动件上标出指示运动方向的箭头画上斜线，在原动件上标出指示运动方向的箭头。三、三、平面机构的自由度平面机构的自由度 为了使所设计的机构能够运动并具有运动的确定性，必须研为了使所设计的机构能够运动并具有运动的确定性，必须研究机构的自由度究机构的自由度和机构具有运动确定性的条件和机构具有运动确定性的条件。1.平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算（1）自由度自由度。自由度是构件可能出现的独立运动自由度是构件可能出现的独立运动。任任何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍（2）约束约束。当两构件组成运动副后，当两构件组成运动副后，它们之间它们之间的某些相对运动受到限制，对于相对运动所加的限制的某些相对运动受到限制，对于相对运动所加的限制称为约束称为约束。（3）机构自由度的计算机构自由度的计算。机构相对于机架所具有的独立机构相对于机架所具有的独立运动数日，运动数日，称为机构的自由度称为机构的自由度。2.平面机构具有确定运动的条件平面机构具有确定运动的条件 机构的自由度即机构所具有的独立运动的个数机构的自由度即机构所具有的独立运动的个数。由前所述可由前所述可知，知，从动件是不能独立运动的，只有原动件才能独立运动从动件是不能独立运动的，只有原动件才能独立运动。通常每个原动件只具有一个独立运动，因此，机构自由度必通常每个原动件只具有一个独立运动，因此，机构自由度必定与原动件的数目相等定与原动件的数目相等。机构具有确定运动的条件是：机构自由度必须大于零、机构具有确定运动的条件是：机构自由度必须大于零、且原且原动件数与其自由度必须相等动件数与其自由度必须相等。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 3.计算平面机构自由度的注意事项计算平面机构自由度的注意事项（1）复合铰链复合铰链。两个以上构件组成两个或更多个共轴线两个以上构件组成两个或更多个共轴线的转动副，的转动副，即为复合铰链即为复合铰链。图图 1-9（a）为三个构件在为三个构件在 A 处构成的复合铰链，由其侧视处构成的复合铰链，由其侧视图图1-9（b）可知，可知，此三此三构件共组成两个共轴线转动副构件共组成两个共轴线转动副。当由当由 K 个构件组成复合铰个构件组成复合铰链时，则应当组成（链时，则应当组成（K-1）个共轴线转动副个共轴线转动副。（2）局部自由度局部自由度。机构中常出现一种与输出构件运动无机构中常出现一种与输出构件运动无关的自关的自 由度，由度，称为局部自由度或多余自由度称为局部自由度或多余自由度。在计算机构。在计算机构自由度时，自由度时，可可 预预 先先 排排 除除。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍（3）虚约束虚约束。机构中与其他约束重复而对机构运动不起机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的约束，新的限制作用的约束，称为虚约束称为虚约束。虚约束常出现在下列场合：虚约束常出现在下列场合：两构件间形成多个具有相同作用的运动副，分为下列三种两构件间形成多个具有相同作用的运动副，分为下列三种情况情况。a.两构件在同一轴线上形成多个转动副两构件在同一轴线上形成多个转动副。b.两构件形成多个导路平行或重合的移动副两构件形成多个导路平行或重合的移动副。c.两构件组成多处接触点公法线重合的高副两构件组成多处接触点公法线重合的高副。两构件上连接点的运动轨迹互相重合两构件上连接点的运动轨迹互相重合。机构中对传递运动不起独立作用的对称部分，机构中对传递运动不起独立作用的对称部分，也为虚约束也为虚约束。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 综上所述，在计算平面机构自由度时，必须考虑是否存在复综上所述，在计算平面机构自由度时，必须考虑是否存在复合铰链，并应将局部自由度和虚约束除去不计，才能得到正合铰链，并应将局部自由度和虚约束除去不计，才能得到正确的结果确的结果。例例 1-2 试计算试计算图图 1-14 中，发动机配气机构的自由度中，发动机配气机构的自由度。解解 此机构中，此机构中，G，F 为导路重合的两移动副，为导路重合的两移动副，其中一个是其中一个是虚约束；虚约束；P 处的滚子为局部自由度处的滚子为局部自由度。除去虚约束及局部自除去虚约束及局部自由度后，由度后，该机构则有该机构则有n=6;PL=8;PH=1,其自由度为其自由度为:F=3n-2PL-PH=3*6-2*8-1=1例例 1-3 试计算试计算图图 1-15（a）所示的大筛机构的自由度，所示的大筛机构的自由度，并判断它是否有确定的运动并判断它是否有确定的运动。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 解解 机构中的滚子有一个局部自机构中的滚子有一个局部自 由度由度。顶杆与机架在顶杆与机架在 E 和和 E 组成两个导路平行的移动副，组成两个导路平行的移动副，其中之一为虚约束其中之一为虚约束。C 处是复合铰链处是复合铰链。今将滚子与顶杆焊成一体，去掉移动副今将滚子与顶杆焊成一体，去掉移动副 E ，并在并在 C 点注明回转副的个数，点注明回转副的个数，如如图图 1-15（b）所示，所示，由此得，由此得，n=7;PL=9;PH=1,其自由度为其自由度为:F=3n-2PL-PH=3*7-2*9-1=2因为机构有两个原动件，其自由度等于因为机构有两个原动件，其自由度等于 2，所以具有确定的，所以具有确定的运动运动。上一页 下一页返回1.3 相关知识点介绍相关知识点介绍 课题二课题二 常用设备的平面连杆机构形式分析常用设备的平面连杆机构形式分析 一、一、铰链四杆机构的基本形式铰链四杆机构的基