机械设计基础知识点

第二章平面机构的结构分析
§2.1 基本概念
构件：运动单元体
零件：制造单元体构件可由一个或几个零件组成。

•构件：由一个或几个零件组成的没有相对运动的刚性系统。

机器或机构中最小的运动单元。

•零件：机器或机构中最小的制造单元。

•例如：曲轴——单一零件。

•连杆——多个零件的刚性组合体。

•注意：构件与零件联系与区别？
一、机构的组成
机架：机构中相对不动的构件
原动件：驱动力（或力矩）所作用的构件。

→输入构件
从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。

→输出构件
在任何一个机构中，只能有一个构件作为机架。

在活动构件中至少有一个构件为原动件，其余的活动构件都是从动件。

二、自由度、约束
自由度：构件具有独立运动参数的数目（相对于参考系）
在平面内作自由运动的构件具有3个自由度；在三维空间作自由运动的构件具有6个自由度。

约束：运动副对构件间相对运动的限制作用
❖对构件施加的约束个数等于其自由度减少的个数。

三、运动副
使两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接成为运动副。

运动副的作用是约束构件的自由度。

四、运动副类型及其代表符号
1. 低副——两构件以面接触而形成的运动副。

A.转动副：两构件只能在一个平面内作相对转动，又称作铰链。

自由度数1，只能转动；
约束数2，失去了沿X、Y方向的移动。

B.移动副：两构件只能沿某一轴线作相对移动。

自由度数1，只能X方向移动；
约束数2，失去Y方向移动和转动。

2. 高副—— 两构件以点或线接触而构成的运动副。

自由度数 2， 保持切线方向的移动和转动 约束数 1， 失去法线方向的移动。

五、运动链
运动链:若干个构件通过运动副联接而成的相互间可作相对运动的系统。

闭式运动链简称闭链：运动链的各构件首尾封闭 开式运动链简称开链：未构成首尾封闭的系统
§2.2 机构运动简图
定义：用运动副代表符号和简单线条来反映机构中各构件之间运动关系的简图。

构件均用形象、简洁的直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。

§2.3 平面机构的自由度计算
机构的自由度：机构中活动构件相对于机架所具有的独立运动的数目。

（与构件数目，运动副的类型和数目有关）
一、机构自由度计算公式 H L 23P P n F --=
式中，n 为活动构件个数; L P 为低副个数；H P 为高副个数。

(a)双曲线画规机构
F=3n- 2PL-PH=3×5-2×7-0=1 (b) 牛头刨床机构
F=3n- 2PL-PH=3×6-2×8-1=1
二、机构具有确定运动的条件
机构要能运动，它的自由度必须大于零。

F ≤0，构件间无相对运动，不成为机构。

原动件数W＝F，运动确定
F＞0 原动件数W＞F，运动不确定
原动件数W＜F，机构破坏
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。

W=F 且 F＞0
三、注意事项
1.复合铰链：两个以上个构件在同一条轴线上形成的转动副。

由M个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（M-1）个
2.局部自由度
在某些机构中，不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度。

3. 虚约束
重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束。

计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。

平面机构的虚约束常出现于下列情况：
（1）不同构件上两点间的距离保持恒定……
（2）两构件构成多个移动副且导路互相平行
（3）两构件构成多个转动副且轴线互相重合……
（4）在输入件与输出件之间用多组完全相同的运动链来传递运动
学习重点
1. 搞清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念
2. 能读懂常用机构的机构运动简图
3. 能掌握平面机构的自由度计算
计算自由度
（先看有无注意事项，复合铰链……，再看有几个构件）
第三章平面连杆机构
§3.1 平面连杆机构的特点
一、平面连杆机构：用低副连接而成的平面机构。

二、平面连杆机构的特点：
1、能实现多种运动形式。

如：转动，摆动，移动，平面运动
2、运动副为低副：
面接触：①承载能力大；②便于润滑。

寿命长
几何形状简单——便于加工，成本低。

3、缺点：
①只能近似实现给定的运动规律；
②设计复杂；
③只用于速度较低的场合。

三、平面四杆机构的基本型式及其演化
铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构
图中固定不动的构件AD是机
架；与机架相连的构件AB、CD
称为连架杆；不与机架直接相连
的构件BC称为连杆。

连架杆中，能作整周回转的称为
曲柄，只能作往复摆动的称为摇
杆。

根据两连架杆中曲柄(或摇
杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

铰链四杆机构的基本形式运动特点
1）曲柄摇杆机构运动形式的改变
2）双曲柄机构运动速度的改变
3）双摇杆机构摆角的改变
§3.2 平面四杆机构的基本特性
一、急回特性
曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，反行程的平均速度较快，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动特性。

概念： 摆角φ、极位夹角θ • 急回特性分析： • ω1 = C
• α1 = ω1 t1 =1800 + θ • α2 = ω1 t2 =1800 - θ
• t1 > t2 , v2 > v1
• 行程速比系数θ
θ
αα-+=
====00212112122112180180//t t t C C t C C v v K 1
1
180+-⋅
︒=K K θ • 若θ=0，K=1, 无急回特性 θ↑K ↑急回特征越显著
二、传力分析 压力角和传动角
1、压力角α
从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。

α
αsin cos t P P P P n ==
2、传动角γ，压力角的余角 （经常用γ衡量机构的传动质量）
压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好
3、许用压力角［α］ 一般：［α］≤40º
4、传动角的计算 δ≤90° γ=δ
δ≥90° γ=180°－δ
曲柄摇杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。

即AB 1和 AB 2处。

三、死点
死点:传动角为零γ=0(连杆与从动件共线),机构顶死
死点位置：曲柄摇杆机构中，若以摇杆为原动件，当连杆与从动件（曲柄）共线时的位置称死点位置。

这时机构的传动角γ=0，压力角α=90º，即连杆对从动曲柄的作用力恰好通过其回转中心A，不能推动曲柄转动。

存在死点位置的标志：连杆与从动件共线。

摇杆为原动件，有2个死点位置；
曲柄为原动件，没有死点位置。

（因连杆与从动杆不会共线）
§3.3 铰链四杆机构的曲柄存在条件
铰链四杆机构存在曲柄的条件：
（1）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；
（2）连架杆和机架中必有一个是最短杆。

根据上述曲柄存在条件可得以下推论：
①铰链四杆机构中，若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，则
取最短杆的相邻杆为机架时，得曲柄摇杆机构；
取最短杆为机架时，得双曲柄机构；
取与最短杆相对的杆为机架时，得双摇杆机构。

②铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和大于其余两杆长度之和，则不论取何杆为机架时均无曲柄存在，而只能得双摇杆机构。

§3.4机构演化方式
一、曲柄滑块机构
转动副转化为移动副
根据导路中心m-m是否通过曲柄转动中心A，可分为对心曲柄滑块机构和偏置曲柄滑块机构。

二、偏心轮机构
扩大转动副尺寸
1
2 F0
F0
F0
F0
第八章挠性传动
第一节带传动概述
1、传动原理：以张紧在至少两轮上带作为中间挠性件，靠带与轮接触面间产生摩擦力来传递运动与动力。

2、优点：1）有过载保护作用
2）有缓冲吸振作用
3）运行平稳无噪音
4）适于远距离传动（amax=15m）
5）制造、安装精度要求不高
3、缺点：1）有弹性滑动使传动比i不恒定
2）张紧力较大（与啮合传动相比）轴上压力较大
3）结构尺寸较大、不紧凑
4）打滑，使带寿命较短
5）带与带轮间会产生摩擦放电现象，不适宜高温、易燃、易爆的场合。

4、主要类型与应用
1)平型带传动——最简单，适合于中心距a较大的情况
2)V 带传动——三角带
3)圆带传动——功率小，轻载、小型机械
4)多楔带传动——适于传递功率较大要求结构紧凑场合
5)同步带传动——啮合传动，高速、高精度，适于高精度仪器装置中带比较薄，比较轻。

第二节带传动的工作情况分析
2.1带传动的力分析
预紧力：F0 ( 工作前，两边初拉力F0 =F0 )
工作时,两边拉力变化：
紧边拉力：F1 , (F0→F1) 拉力增加，带增长
松边拉力：F2 , (F0→F2) 拉力减少，带缩短
假设总长不变→带增长量＝带缩短量
有效拉力:Fe=F1-F2
带沿接触弧上摩擦力的总和:Ff
有效拉力=带沿接触弧上摩擦力的总和
Fe =Ｆf＝Ｆ1－Ｆ2
在初拉力一定的情况下,带与带轮之间的摩擦力有一极限值，当带和带轮之间的有效拉力超过接触弧上极限摩擦力的总和时，带和带轮间将发生显著的滑动，这种现象称为打滑。

有效拉力F(N)、带速υ(m/s)和传递功率P (kW)之间的关系为：1000
Fv
P =
当F f 达到极限值 F flim 时，带传动的有效拉力达到最大值，这时，F 1与F 2的关系可用欧拉公式表示，即 αf e F F 21
=
由于小轮包角小于大轮包角，所以计算带传动所能传递的有效拉力时，包角取小轮包角。

需要注意的是，V 带用当量磨擦系数f f v 代替(ϕ为带轮槽角): 2
sin /ϕ
f f v =
增大初拉力、包角和增大摩擦系数都可提高带传动所能传递的圆周力。

(1)初拉力Ｆ0↑→Ｆec ↑， 因为压力越大摩擦力越大，但F 0过大，会加剧带的磨损. (2)包角α↑→Ｆec ↑，因为包角α越大，带与带轮接触弧越长，总摩擦力越大. (3)摩擦系数f ↑ →Ｆec ↑
2.2 带的应力分析
传动时，带中的应力由以下三部分组成：
(1)拉应力：由紧边和松边拉力产生的拉应力（单位为MPa ） 紧边拉应力
松边拉应力 有效拉应力
式中：A 为带的横截面积（mm ²） 2121σσ≥→≥F F
(2)离心应力：离心力产生的拉应力
离心力只发生在带作圆周运动的部分，但因平衡它所引起的拉力，却作用在带的全长上。

1
1()
F MPa A σ=
22()
F
MPa A
σ=12()
F MPa A σσσ=-=ec 01e 11
2(1)
e 1e fa fa fa F F F -==-+
离心拉应力为：A
q c 2
υσ=
q 是传动带单位长的质量（㎏／m ），v 是带速（m ／s ）
(3)弯曲应力：d
d Eh =
b σ E 是带的弹性模量（MPa ），h 是带的厚度（mm ），d d 是带轮的基准直径（mm ）
两个带轮直径不同，所以带在两个带轮上的弯曲应力不同，小带轮上的弯曲应力大于大带轮上的弯曲应力。

可知，小带轮直径d d1越小，带的弯曲应力越大。

因此，对于指定型号的V 带，d d1不允许过小。

但同时要注意到 d d1过大将使带传动的结构尺寸过大。

最大应力：11max b c σσσσ++=
如图最大应力产生在由紧边进入小带轮处： 在一般情况下，弯曲应力最大，离心应力最小
2.3弹性滑动及打滑
1、弹性滑动
定义：由于带的两边弹性变形不等所引起的带与带轮之间的微量相对滑动 产生的原因：带的弹性、松边与紧边拉力差 变形量改变，相对轮滑动
弹性滑动的特点：弹性滑动率：%1001
2
1⨯-=v v v ε 弹性滑动不可避免 Fe ↑弹性滑动 ↑
弹性滑动范围↑
后果：
带速滞后于主动轮，超前于从动轮 →v1> v 带> v2 ，v1 > v2 带传动传动比不稳定 1
21221
)1(d d d d d d d d n n i ≈-==ε 2、打滑
定义：带沿带轮面发生全面滑动 产生的原因：Fe>F flim 弹性滑动扩展到整个接触弧
显著滑动(打滑)
特点：
打滑可以避免，而且应当避免 短时打滑起到过载保护作用 打滑先发生在小带轮处 后果： 打滑
带的剧烈磨损
从动轮转速剧烈降低
失效。