1、机械设计原理完整教学课件机械设计原理完整教学课件 中南大学专用 作者： 潘存云教授 中南大学专用 作者： 潘存云教授 第第0章章 绪绪 论论 01 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容 02 本课程在教学中的地位本课程在教学中的地位 03 机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程 中南大学专用 作者： 潘存云教授 顾名思义顾名思义，本课程研究对象为：机械本课程研究对象为：机械 机械机械 机器机器 斜面斜面 任何机械都经历了：任何机械都经历了：简单简单复杂的发展过程复杂的发展过程。 机械机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的
2、组合体组合体。 机构机构 （包括：龙门吊包括：龙门吊、鹤式吊鹤式吊、汽车吊汽车吊、 卷扬机卷扬机、叉车叉车、电梯电脑控制电梯电脑控制）。 一般而言， 机械是机器和机构的总称 杠杆杠杆 起重轱辘起重轱辘 滑轮组滑轮组 手动手动(电动)葫芦葫芦 现代起重机现代起重机 起重机的发展历程：起重机的发展历程： 01 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容 中南大学专用 作者： 潘存云教授 机器机器根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合 体体。 机构机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件 实物的组合体实物的组
3、合体。如：如：连杆机构连杆机构、凸轮机构凸轮机构、 齿轮机构齿轮机构等等。种类有限 如如: : 缝纫机缝纫机、洗衣机洗衣机、各类机床各类机床、运输车辆运输车辆、农用农用 机器机器、起重机起重机等等。 机器的种类繁多机器的种类繁多，结构结构、性能和用途等各不相同性能和用途等各不相同，但但 具有具有相同的基本特征相同的基本特征。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 典型机器的分析：典型机器的分析： 1.内燃机内燃机 内燃机内燃机 组 成 ：组 成 ： 6 5 4 3 8 7 1 2 9 10 汽缸体汽缸体1、 活 塞活 塞 2 、 进气阀进气阀3、 排气阀排气阀4、 连 杆连 杆 5 、 曲 轴曲
4、轴 6 、 凸 轮凸 轮 7 、 顶 杆顶 杆 8 、 齿轮齿轮9、10 工作原理：工作原理： 1.活塞下行活塞下行，进气阀开启进气阀开启，混合气体混合气体 进入汽缸；进入汽缸； 2.活塞上行活塞上行，气阀关闭气阀关闭，混合气体被压缩混合气体被压缩， 在顶部点在顶部点 火燃烧；火燃烧； 3.高压燃烧气体推动活塞下行高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；两气阀关闭； 4.活塞上行活塞上行，排气阀开启排气阀开启，废气体被排出汽缸废气体被排出汽缸。 循环运动的结果，使曲轴 输出连续的旋转运动 中南大学专用 作者： 潘存云教授 设计：潘存云 进气进气 压缩压缩 爆炸爆炸 排气排气 内燃机的工作过程：内
5、燃机的工作过程： 活塞的往复运动通过连杆转变为曲活塞的往复运动通过连杆转变为曲 轴的连续转动轴的连续转动，该组合体称为：该组合体称为： 内燃机各部分的作用：内燃机各部分的作用： 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为： 凸轮机构凸轮机构 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动 作，称为：作，称为： 齿轮机构齿轮机构 各部分各部分协调动作协调动作的结果：的结果： 化学能化学能 机械能机械能 中南大学专用 作者： 潘存云教授 机器的共有特征：机器的共有特征： 人造的实物组合体；人
6、造的实物组合体； 各部分有各部分有确定的相对运动确定的相对运动； 代替或减轻人类劳动代替或减轻人类劳动完成有用功完成有用功或或实现能量实现能量 的转换的转换 机器的作用 机器的分类：机器的分类： 原动机原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机） 种类有限 工作机工作机完成有用功（如机床等）完成有用功（如机床等） 种类繁多 中南大学专用 作者： 潘存云教授 工作机的组成：工作机的组成： 原动部分原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机是工作机动力的来源，最常见的是电动机 和内燃机。和内燃机。 工作部分工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。完成预
7、定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。联接原动机和工作部分的中间部分。 控制部分控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。保证机器的启动、停止和正常协调动作。 其关系如下 机械机械 机器机器 机构机构 原动机原动机 传动传动 工作工作 控制控制 原动机原动机 工作机工作机 中南大学专用 作者： 潘存云教授 控制器控制器(控制控制) 电动机电动机(原动原动) 带带(传动传动) 减速器减速器(传动传动) 波轮波轮(工作工作) 分析自动洗衣机的组成：分析自动洗衣机的组成： 中南大学专用 作者： 潘存云教授 同理，通过对典型机构进行分析可知： 机构的共有特征
8、：机构的共有特征： 人造的实物组合体；人造的实物组合体； 各部分有确定的相对运动；各部分有确定的相对运动； 用来传递力或实现运动的转换。用来传递力或实现运动的转换。 机构的分类：机构的分类：通用机构通用机构和和专用机构专用机构。 通用机构通用机构-用途广泛，如用途广泛，如齿轮机构齿轮机构、连杆机构连杆机构等。等。 专用机构专用机构-只能用于特定场合，如钟表的只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构擒纵机构。 机器与机构的关系：机器与机构的关系：由两个实例推广到一般 任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组 合而成的。合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但
9、机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素 由机器与机构的共有特征可知：由机器与机构的共有特征可知： 机器与机构在结构和运动方面并无区别机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不仅作用不 同同） ，故统称为故统称为机械机械。人造的组合体、有确定的相对运动 中南大学专用 作者： 潘存云教授 课程性质：课程性质： 技术基础课技术基础课 作用作用： 承前启后承前启后 本课程的特点：是本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造工程制图、工程材料及机械制造 基础、理论力学，材料力学、金工实习基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识等理论知识 和实践技能的综合运用。和实践技能的综合运用。 同时，
10、通过本课程的学习，可为今后学习诸如自动同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如自动 武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学 等专业课程打下基础，等专业课程打下基础， 作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机 械，因此必须掌握机械方面的基础知识。 通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学 们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为 今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件。今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件
11、。 02 本课程在教学中的地位本课程在教学中的地位 中南大学专用 作者： 潘存云教授 机械设计机械设计-规划和设计实现预期功能的新机械或改规划和设计实现预期功能的新机械或改 进原有机械的性能。进原有机械的性能。 基本要求：基本要求：在满足预期功能的前提下，在满足预期功能的前提下，性能好、效性能好、效 率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和 造型美观。造型美观。 机械设计的内容：机械设计的内容： 1.1.确定确定机械的工作原理，选择合宜的机构；机械的工作原理，选择合宜的机构； 2. 拟定设计方案；拟定设计方案； 3. 进行运动分析和动力分析，计算
12、各构件上的载荷；进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷； 4. 进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。 03 机械设计的基本要求和一般过程机械设计的基本要求和一般过程 中南大学专用 作者： 潘存云教授 为了实现我国的国防现代化，必然要有大量的机械化、自动化的武器装备于部队，这些武器从何来？恐怕大多 数只能靠我国自力更生解决，这是一项十分艰巨的任务，设计、制造、使用、维护现代化的武器装备，需要大 批的机械方面专业人才。在座的各位都是未来的工程师和部队的主要技术骨干，掌握好本课程的有关知识，将 为你们未来的工作打下一个良好的基础。最后希望我们共
13、同努力，把这门课程教好学好。 3）仔细观察实物和模型仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观欢迎到实验室参观，并动手并动手 组装各种机构组装各种机构。 课程安排：课程安排：共共56学时，其中讲授学时，其中讲授52学时，实验学时，实验4学时。学时。 要求：要求： 1）作业必须按时完成作业必须按时完成，绘图准确绘图准确，字迹工整字迹工整，作业作业 量未达到规定者不能参加考试量未达到规定者不能参加考试。 2）上课认真听讲上课认真听讲，及时消化及时消化，不主张占用较多的课不主张占用较多的课 外时间外时间。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 第第1章章 平面机构的自由度和速度分析平面机构的自由度和速度分析
14、11 运动副及其分类运动副及其分类 12 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 13 平面机构的自由度平面机构的自由度 14 速度瞬心及其在机构速度速度瞬心及其在机构速度 分析中的应用分析中的应用 中南大学专用 作者： 潘存云教授 名词术语解释名词术语解释: 1.构件构件 独立的运动单元独立的运动单元 内燃机内燃机中的连杆 11 运动副及其分类运动副及其分类 内燃机内燃机 连杆连杆 套筒套筒 连杆体连杆体 螺栓螺栓 垫圈垫圈 螺母螺母 轴瓦轴瓦 连杆盖连杆盖 零件零件 独立的制造单元独立的制造单元 中南大学专用 作者： 潘存云教授 2.运动副运动副 a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接
15、接触、c) 有相对运动有相对运动 运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面） 例如：例如：凸轮凸轮、齿轮齿廓齿轮齿廓、活塞与缸套活塞与缸套等。等。 定义：定义：运动副两个构件直接接触组成的仍能产运动副两个构件直接接触组成的仍能产 生某些相对运动的联接。生某些相对运动的联接。 三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可 中南大学专用 作者： 潘存云教授 运动副的分类：运动副的分类： 1)按引入的约束数分有：按引入的约束数分有： I级副级副 II级副级副 III级副级副 I级副、级副、II级副、级副、III级副、级副、IV级副、级副、V级副。级副。 中南大学专用 作者：
16、 潘存云教授 2)按相对运动范围分有：按相对运动范围分有： 平面运动副平面运动平面运动副平面运动 平面机构平面机构全部由平面运动副组成的机构。全部由平面运动副组成的机构。 IV级副级副 例如：例如：球铰链球铰链、拉杆天线、拉杆天线、螺旋螺旋、生物关节。、生物关节。 空间运动副空间运动空间运动副空间运动 V级副级副1 V级副级副2 V级副级副3 两者关联 空间机构空间机构至少含有一个空间运动副的机构至少含有一个空间运动副的机构。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 3)按运动副元素分有：按运动副元素分有： 高副点、线接触，应力高。高副点、线接触，应力高。 低副面接触，应力低低副面接触，应力低 例如
17、：例如：滚动滚动副副、凸轮副凸轮副、齿轮副齿轮副等。等。 例如：例如：转动副转动副（回转副）、（回转副）、移动副移动副 。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446084 中南大学专用 作者： 潘存云教授 常用运动副的符号常用运动副的符号 运动副运动副 名称名称 运动副符号运动副符号 两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副 转转 动动 副副 移移 动动 副副 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副 1 2 2 1 2
18、 1 平平 面面 运运 动动 副副 中南大学专用 作者： 潘存云教授 平平 面面 高高 副副 螺螺 旋旋 副副 2 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 球球 面面 副副 球球 销销 副副 1 2 1 2 1 2 空空 间间 运运 动动 副副 1 2 1 2 1 2 中南大学专用 作者： 潘存云教授 构件的表示方法构件的表示方法: 中南大学专用 作者： 潘存云教授 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件 固定构件固定构件 同一构件同一构件 中南大学专用 作者： 潘存云教授 三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 中南大学专用
19、作者： 潘存云教授 运动链两个以上的构件通过运动副运动链两个以上的构件通过运动副 的联接而构成的系统。的联接而构成的系统。 注意事项注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副 的性质的性质。 闭式链闭式链、开式链开式链 3. 运动链运动链 中南大学专用 作者： 潘存云教授 若干若干 1个或几个个或几个 1个个 4. 机构机构 定义定义：具有确定运动的运动链称为机构具有确定运动的运动链称为机构 。 机架机架作为参考系的构件作为参考系的构件，如机床床身、车辆如机床床身、车辆 底盘、飞机机身。底盘、飞机机身。 机构的组成：机构的组成： 机构机
20、构机架原动件从动件机架原动件从动件 机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就 能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论： 在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系 按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。 原（主）动件原（主）动件按给定运动规律运动的构件按给定运动规律运动的构件。 从动件从动件其余可动构件。其余可动构件。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 12 平面机构运动简图平面机构运动简图 机构运动简图机构运动简图用
21、以说明机构中各构件之间的相对用以说明机构中各构件之间的相对 运动关系的简单图形。运动关系的简单图形。 作用：作用： 1.表示机构的结构和运动情况。表示机构的结构和运动情况。 机动示意图不按比例绘制的简图机动示意图不按比例绘制的简图 现摘录了部分现摘录了部分GB446084机构示意图如下表机构示意图如下表。 2.作为运动分析和动力分析的依据。作为运动分析和动力分析的依据。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在 机机 架架 上上 的的 电电 机机 齿齿 轮轮 齿齿 条条 传传 动动 带带 传传 动动 圆圆 锥锥 齿齿 轮轮 传传 动动 中南大学专用 作者
22、： 潘存云教授 链链 传传 动动 圆柱圆柱 蜗杆蜗杆 蜗轮蜗轮 传动传动 凸凸 轮轮 传传 动动 外啮外啮 合圆合圆 柱齿柱齿 轮传轮传 动动 中南大学专用 作者： 潘存云教授 机构运动简图机构运动简图应满足的应满足的条件条件： 1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符运动副的性质、数目与实际相符 3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例成比例。 棘棘 轮轮 机机 构构 内啮内啮 合圆合圆 柱齿柱齿 轮传轮传 动动 中南大学专用 作者： 潘存云教授 绘制机构运动简图绘制机构运动简图 顺口溜：顺口溜：先两头
23、，后中间，先两头，后中间， 从头至尾走一遍，从头至尾走一遍， 数数构件是多少数数构件是多少， 再看它们怎相联再看它们怎相联。 步骤：步骤： 1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目； 4.检验机构是否满足运动确定的条件。检验机构是否满足运动确定的条件。 2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。绘制示意图。 3.按比例绘制运动简图。按比例绘制运动简图。 简图比例尺：简图比例尺： l = =实际尺寸 实际尺寸 m / m / 图上长度图上长度mmmm 思路：思路：先定原动部分
24、和工作部分（一般位于传动线先定原动部分和工作部分（一般位于传动线 路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运 动副的类型，并用符号表示出来。动副的类型，并用符号表示出来。 举例：举例：绘制绘制破碎机破碎机和和偏心泵偏心泵的机构运动简图。的机构运动简图。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 D C B A 1 4 3 2 绘制图示绘制图示鳄式破碎机鳄式破碎机的运动简图。的运动简图。 中南大学专用 作者： 潘存云教授 1 2 3 4 绘制图示绘制图示偏心泵偏心泵的运动简图的运动简图 偏心泵偏心泵 中南大学专用 作者： 潘存云教授 13 平面机构的自由度平
25、面机构的自由度 给定给定S S3 3S S3 3(t)(t)，一个独立参数一个独立参数 1 1 1 1（ （t t）唯一确定，该机唯一确定，该机 构仅需要一个独立参数。构仅需要一个独立参数。 若仅给定若仅给定 1 1 1 1（ （t t）, ,则则 2 2 3 3 4 4 均不能唯一确定 均不能唯一确定。若同若同 时给定时给定 1 1和 和 4 4 ， ，则则 3 3 2 2 能 能 唯一确定唯一确定，该机构需要两个独立该机构需要两个独立 参数参数 。 4 4 S3 1 2 3 S3 1 1 1 2 3 4 1 1 中南大学专用 作者： 潘存云教授 定义：定义：保证机构具有确定运动时所必须给定
26、的保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度独立运动参数称为机构的自由度。 原动件能独立运动的构件原动件能独立运动的构件。 一个原动件只能提供一个独立参数一个原动件只能提供一个独立参数 机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为： 自由度原动件数自由度原动件数 中南大学专用 作者： 潘存云教授 一、一、 平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式 作平面运动的刚体在空间的位置需作平面运动的刚体在空间的位置需 要三个独立的参数要三个独立的参数（x，y, ） 才能唯一确定才能唯一确定。 y x (x , y) F = 3 单个自由构件的自由度为单个自由构件的自由
27、度为 3 3 中南大学专用 作者： 潘存云教授 自由构自由构 件的自件的自 由度数由度数 运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数 回转副回转副 1（ ） + 2（x，y） = 3 y x 1 2 S y x 1 2 x y 1 2 R=2, F=1 R=2, F=1 R=1, F=2 结论：结论：构件自由度构件自由度3约束数约束数 移动副移动副 1（x） + 2（y， ）= 3 高高 副副 2（x, ） + 1（y） = 3 经运动副相联后经运动副相联后，构件自由度会有变化：构件自由度会有变化： 自由构件的自由度数约束数自由构件的自由度数约束数 中南大学专用 作者： 潘存云教授 活动构件
28、数活动构件数 n 计算公式：计算公式： F=3n(2PL +Ph ) 要求：要求：记住上述公式记住上述公式，并能熟练应用并能熟练应用。 构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 3n 2 PL 1 Ph 计算曲柄滑块机构的自由度计算曲柄滑块机构的自由度。 解：活动构件数解：活动构件数n= 3 低副数低副数PL= 4 F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副数高副数PH= 0 S3 1 2 3 推广到一般：推广到一般： 中南大学专用 作者： 潘存云教授 计算五杆铰链机构的自由度计算五杆铰链机构的自由度 解：活动构件数解：活动构件数n= 4 低副数低副数PL=
29、5 F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副数高副数PH= 0 1 2 3 4 1 1 中南大学专用 作者： 潘存云教授 计算图示凸轮机构的自由度计算图示凸轮机构的自由度。 解：活动构件数解：活动构件数n= 2 低副数低副数PL= 2 F=3n 2PL PH =32 221 =1 高副数高副数PH= 1 1 2 3 中南大学专用 作者： 潘存云教授 二、二、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 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 计算图示圆盘锯机构的自由度计算图示圆盘锯机构的自由度。 解：活动构件数解：活动构件数n= 7 低副数低副数PL = 6
30、 F=3n 2PL PH 高副数高副数PH=0 =37 26 0 =9 计算结果肯定不对计算结果肯定不对！ 中南大学专用 作者： 潘存云教授 1.复合铰链复合铰链 两个以上的构件在同一处以转动两个以上的构件在同一处以转动 副相联副相联。 计算：计算：m个构件个构件, 有有m1转动副转动副。 两个低副两个低副 中南大学专用 作者： 潘存云教授 上例：在上例：在B、C、D、E四处应各有四处应各有 2 个运动副。个运动副。 计算图示圆盘锯机构的自由度计算图示圆盘锯机构的自由度。 解：活动构件数解：活动构件数n=7 低副数低副数PL= 10 F=3n 2PL PH =37 2100 =1 可以证明：可以证明：F点的轨迹为一直线点的轨迹为一直线。 1 2 3 4 5 6 7 8 A B C D E F 圆盘锯机构圆盘锯机构 中南大学专用 作者： 潘存云教
