机械设计基础知识点整理

第0章绪论

一、本课程研究的对象和内容

1、研究的对象：机械的组成原理、机械运动学和动力学以及机械零件设计理论和计算方法

机械：机器和机构的总称

（1）机器：是根据某种使用要求而设计的一种人为实物组合的执行机械运动的装置，它可以用来变换或传递能量、物料、信息，以代替或减轻人类的劳动。

三个特征：①人为的实物组合（不是天然形成的）；②各实物单元具有确定的相对运动；③能完成有用的机械功或转换机械能，可用来代替或减轻人类的劳动；

一般机器包含四个组成部分：动力部分、传动部分、控制部分和执行部分。

（2）机构：能实现预期机械运动的各构件（包括机架）的基本组合体称为机构。是一个具有相对机械运动的构件系统，用来传递与变换运动和力的可动装置。它是机器的重要组成部分，具有机器的前两个特征。分类：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇机构。

机构只是一个构件系统，而机器除构件系统外，还包含电气、液压等其它系统。

构件：是运动的单元。可以是单一的整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构。

零件：是制造的单元。

2、研究内容：是研究机械的组成原理、运动学和动力学以及组成机械的零件（通用零件）设计等一般方法的学科。

第一章平面机构及其自由度

一、运动副及其分类

1、运动副：两个构件直接接触形成的一种可动联接。

（1）高副：点、线接触，应力高。一个约束、相对自由度等于2。

（2）低副：面接触，应力低。两个约束，一个自由度。低副有转动副和移动副。

二、平面机构运动简图

1、机构运动简图：用简单线条和规定的符号来表示构件和运动副，并按比例表示各运动副的相对位置。用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。

机构示意图：仅以构件和运动副的符号表示机构而不按精确比例绘制的简图。

2、构件的分类：固定件、原动件、从动件

3、绘制机构运动简图

（1）应满足条件：①构件数目与实际相同；②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成比例

（2）步骤：①分析清楚所要绘制机械的结构和动作原理；②从原动件开始，按照运动传递的顺序，仔细分析各构件相对运动的性质，确定运动副的类型和数目；③合理选择视图平面，通常选择与大多数构件的运动平面相平行的平面为视图平面；④选取适当的长度比例尺，按一定的顺序进行绘图，并将比例尺标注图上。

三、平面机构的自由度及其运算

1、平面机构的自由度

自由度：各构件相对于机架所能有的独立运动的数目

作平面运动有三个自由度，空间运动有六个自由度。

每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高幅引入一个约束，使构件失去一个自由度

自由度数：F = 3n - 2 P L - P H（设平面机构共有K个构件，则活动构件n=K-1）

2、机构具有确定运动的条件：机构的自由度数目必须大于零且等于原动件的数目。

（1）当机构的自由度数>原动件数时，机构从动件的运动是不确定的。

（2）当构件组的自由度>0，<原动件数时，会发生运动干涉而破坏构件。

（3）当构件组的自由度小于等于零时，它不是机构，而是不能产生相对运动的静定或超静定刚性结构

3、计算机构自由度时注意事项

（1）复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副相联。由M个构件汇成的复合铰链应当按M-1个转动副计算。

（2）局部自由度：与输出运动无关的自由度。计算时应除去不计。

（3）虚约束：不起独立限制作用的约束。计算时应除去不计。

①轨迹相同；②移动副平行；③转动副轴线重合；④对称结构

四、速度瞬心及其在机构速度分析中的应用

1、速度瞬心：两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动，该点称瞬时速度中心。

相对速度瞬心：当两个刚体都在运动时，其瞬心称为相对速度瞬心；

绝对速度瞬心：当两个刚体之一是静止的，则其瞬心称为绝对速度瞬心。

瞬心数目：若机构有n个构件，则瞬心有N=n(n-1)/2

2、瞬心的求法

（1）直接观察法：适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。

转动副连接：铰链中心即为瞬心；

移动副连接：瞬心位于垂直于移动副导路的无穷远处；

高副纯滚动：接触点为瞬心；否则，无法确定，但必定在公法线上。

（2）三心定律：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。

第二章平面连杆机构

一、概述

1、定义：由若干刚性构件用低副链接而成的平面机构

2、特点：

①构件运动形式多样；②低副面接触的结构使其具有磨损减小，制造方便，几何封闭的优点；③只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，且设计较为复杂；④运动中惯性力难以平衡，常用于速度较低的场合。

二、平面四杆机构的类型

曲柄：能作整周转动的连架杆；摇杆：只能在一定角度范围内摆动的连架杆。

1、曲柄摇杆机构：一个曲柄、一个摇杆（雷达天线俯仰机构、缝纫机踏板）

通常曲柄为原动件，并作匀速转动，而摇杆为从动件，作变速往复摆动。

2、双曲柄机构：两连架杆均为曲柄（惯性筛）

3、双摇杆机构：两连架杆均为摇杆（汽车转向机构）

三、平面四杆机构的特性

1、曲柄存在的必要条件：①最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；②在曲柄摇杆机构中，曲柄是短杆

平面四杆机构类型的判断条件：

在满足杆长和的条件下：①取最短杆为机架时，其连架杆均为曲柄——双曲柄机构；

②取最短杆相邻的构件为机架，最短杆为曲柄，另一连杆架为摇杆——曲柄摇杆机构；

③取最短杆的对边为机架——双摇杆机构

不满足杆长和条件：只能是双摇杆机构