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本课程研究的主要内容 2 0.2.2 本课程的主要任务 3 0.3 机械设计的基本要求和一般步骤 3 0.3.1 机械设计的基本要求 3 0.3.2 机械零件的设计准则 4 0.3.3 机械零件设计的一般步骤 4 0.4 课程设计的基本要求和内容 5 0.4.1 课程设计的目的 5 0.4.2 课程设计的内容及任务 5 0.4.3 课程设计的一般步骤 6 0.4.4 课程设计应注意的问题 7 第1篇 常用机构原理及设计资料 第1章 平面机构的运动简图及 自由度 8 1.1 机构的组成 8 1.1.1　运动副的概念 8 1.1.2　自由度与约束条件 8 1.1.3　平面运动副的分类 9 1.2 平面机构的运动简图 9 1.2.1 机构运动简图的定义 9 1.2.2　平面机构运动简图的绘制 10 1.2.3 利用ADAMS进行颚式 破碎机的运动分析 12 1.2.4 利用ADAMS进行单缸 内燃机的运动分析 13 1.3 平面机构的自由度 14 1.3.1 平面机构自由度的计算 14 1.3.2 平面机构具有确定运动的 条件 15 1.3.3 计算平面机构自由度时应 注意的事项 16 习题 18 第2章 平面连杆机构 19 2.1 铰链四杆机构的基本类型与工作 特性 19 2.1.1 铰链四杆机构的基本类型 19 2.1.2　铰链四杆机构的工作特性 21 2.1.3 利用ADAMS进行牛头 刨床机构的运动分析 23 2.2 铰链四杆机构的曲柄存在条件 25 2.3 平面四杆机构的演化 26 2.3.1 曲柄滑块机构 26 2.3.2 导杆机构 27 2.3.3　摇块机构和定块机构 28 2.3.4 偏心轮机构 28 2.4 平面四杆机构的图解法设计 29 2.4.1 按给定的行程速比系数Ｋ 设计平面四杆机构 29 2.4.2 按给定的连杆位置设计 平面四杆机构 30 习题 30 第3章 凸轮机构 32 3.1 凸轮机构的组成和分类 32 3.1.1 凸轮机构的组成 32 3.1.2 凸轮机构的分类 33 3.2 从动件的常用运动规律 34 3.2.1 等速运动规律 35 3.2.2 等加速等减速运动规律 35 3.2.3 简谐运动规律 36 3.3 图解法设计凸轮轮廓 36 3.3.1 凸轮轮廓设计的基本原理 36 3.3.2　对心直动从动件盘形凸轮 轮廓曲线的设计 37 3.3.3　偏置直动从动件盘形凸轮 轮廓曲线的设计 39 3.3.4 利用ADAMS进行凸轮 机构的设计与仿真 40 3.4 凸轮机构基本参数的确定 42 3.4.1　凸轮机构压力角及其许用值 42 3.4.2　滚子半径的选择 43 3.4.3　基圆半径的确定 44 3.5 圆柱凸轮机构的课程设计 44 3.5.1　滚子直动从动件圆柱凸轮 轮廓的设计 45 3.5.2　滚子摆动从动件圆柱凸轮 展开轮廓曲线的设计 46 3.5.3　直动-摆动从动件圆柱凸轮 组合机构设计实例 49 习题 52 第4章 间歇运动机构 53 4.1 棘轮机构 53 4.1.1 棘轮机构的工作原理 53 4.1.2 棘轮机构的类型 53 4.1.3 棘轮机构的应用 55 4.2 槽轮机构 55 4.2.1　槽轮机构的组成及工作原理 55 4.2.2 槽轮机构的分类及运用 56 4.3 不完全齿轮机构 57 4.4 凸轮间歇运动机构 58 4.5　间歇运动机构的课程设计 58 4.5.1 棘轮机构的设计 58 4.5.2 槽轮机构的设计 60 习题 62 第2篇 传动零部件资料及设计 第5章 齿轮传动 63 5.1 齿轮传动的类型、特点及应用 63 5.1.1 齿轮传动的类型 63 5.1.2　齿轮传动的特点及应用 63 5.2 齿廓啮合基本定律 64 5.3 渐开线和渐开线齿廓的啮合特性 65 5.3.1　渐开线及其性质 65 5.3.2　渐开线齿廓满足定传动比 传动的要求 66 5.3.3　渐开线齿廓的啮合特性 67 5.4 标准直齿圆柱齿轮的基本参数和 几何尺寸 68 5.4.1　齿轮各部分的名称及符号 68 5.4.2　标准直齿圆柱齿轮的基本 参数及几何尺寸计算 69 5.5 渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合 传动 71 5.5.1　正确啮合条件 71 5.5.2　连续传动条件 72 5.5.3　正确安装条件 73 5.6 渐开线直齿圆柱齿轮的加工 74 5.6.1　齿轮轮齿的加工方法 74 5.6.2　轮齿的根切现象、齿轮的 最小齿数 76 5.6.3　变位齿轮简介 76 5.7 轮齿的失效形式和齿轮材料 77 5.7.1　轮齿的失效形式 77 5.7.2　设计准则 79 5.7.3　齿轮材料 79 5.8 直齿圆柱齿轮的强度计算 81 5.8.1　轮齿的受力分析和载荷计算 81 5.8.2　齿根弯曲强度计算 82 5.8.3　齿面接触疲劳强度计算 83 5.8.4　轮齿的许用弯曲应力和许用 接触应力 84 5.8.5　齿轮强度计算中的参数选择 85 5.8.6 利用ADAMS进行圆柱齿轮 啮合的仿真分析 86 5.9 斜齿圆柱齿轮传动 88 5.9.1　斜齿圆柱齿轮齿廓的形成及 啮合特点 88 5.9.2　斜齿圆柱齿轮的基本参数和 几何尺寸计算 89 5.9.3　斜齿轮正确啮合的条件和 重合度 91 5.10 直齿圆锥齿轮传动 92 5.10.1　圆锥齿轮传动概述 92 5.10.2　圆锥齿轮的齿廓曲线、 背锥和当量齿数 93 5.10.3　标准直齿圆锥齿轮的几何 尺寸计算 95 5.11　齿轮传动的润滑 96 5.12 斜齿圆柱齿轮SolidWorks三维 设计实例 97 5.12.1 绘制齿形 97 5.12.2 创建齿条 98 5.12.3 创建齿轮基体 99 5.12.4 创建齿轮安装孔 100 习题 101 第6章 蜗杆传动 103 6.1 概述 103 6.1.1 蜗杆传动的特点 103 6.1.2　蜗杆传动的类型 104 6.1.3 利用ADAMS进行蜗杆 传动啮合的运动仿真 105 6.2 圆柱蜗杆传动的主要参数和几何 尺寸 107 6.2.1　圆柱蜗杆传动的主要参数 107 6.2.2　蜗杆传动的几何尺寸计算 109 6.3 蜗杆传动的失效形式、材料 和结构 111 6.3.1　蜗杆传动的失效形式及材料 选择 111 6.3.2　蜗杆、蜗轮的结构 111 6.4 蜗杆传动的受力分析和强度计算 112 6.4.1　蜗杆传动的受力分析 112 6.4.2　蜗杆传动的强度计算 113 6.5 蜗杆传动的效率、润滑和热平衡 计算 113 6.5.1　蜗杆传动的效率 113 6.5.2　蜗杆传动的润滑 114 6.5.3　热平衡计算 114 6.6 阿基米德蜗轮蜗杆在SolidWorks 中的建模与装配 115 6.6.1 阿基米德蜗杆的建模方法 115 6.6.2 阿基米德蜗轮轮齿的建模 方法 116 6.6.3 阿基米德蜗轮蜗杆建模与 装配实例 117 习题 119 第7章 挠性传动 120 7.1 带传动的类型、特点及运用 120 7.1.1　带传动的类型 120 7.1.2 带传动的特点与运用 121 7.2 V带和带轮的结构 122 7.2.1　普通V带的结构和尺寸 标准 122 7.2.2 V带轮的结构 124 7.3 带传动的工作情况分析 125 7.3.1 带传动的受力分析 125 7.3.2　带传动的应力分析 126 7.4 普通V带传动的计算 128 7.4.1 带传动的失效形式和设计 准则 128 7.4.2　单根V带的基本额定 功率P0 128 7.4.3 带传动设计的原始数据及 内容 130 7.4.4　设计步骤和传动参数的选择 130 7.5 带传动的张紧、安装及维护 133 7.5.1　V带传动的张紧 133 7.5.2 带传动的安装与维护 134 7.6 链传动简介 134 7.6.1　链传动的组成、特点、 分类及应用 134 7.6.2　滚子链的结构及标准 135 7.6.3　链传动的运动特性 136 7.6.4 链传动的设计简介及主要 参数的选择 137 习题 138 第8章 轮系 139 8.1 轮系及其分类 139 8.1.1　定轴轮系 139 8.1.2　周转轮系 139 8.1.3　复合轮系 140 8.2　定轴轮系传动比的计算 140 8.2.1　一对齿轮啮合的传动比 141 8.2.2　定轴轮系传动比的计算 141 8.3　周转轮系传动比的计算 143 8.3.1 周转轮系的组成 143 8.3.2 周转轮系传动比的计算 144 8.4 复合轮系传动比的计算 146 8.5 轮系的应用 147 8.5.1 轮系的应用 147 8.5.2 利用ADAMS进行汽车后 桥差速器轮系的设计与运动 分析 148 习题 151 第9章 轴承 152 9.1 轴承的分类 152 9.2 滚动轴承的结构、类型和代号 152 9.2.1　滚动轴承的结构 152 9.2.2　滚动轴承的特性和类型 153 9.2.3　滚动轴承的代号 155 9.3 滚动轴承的寿命计算和尺寸选择 157 9.3.1　滚动轴承的载荷分析 157 9.3.2 滚动轴承的失效形式及 设计准则 158 9.3.3 基本额定寿命和基本额 定动载荷 158 9.3.4 滚动轴承的寿命计算 160 9.3.5　角接触轴承的轴向载荷 计算 161 9.3.6　滚动轴承的静强度计算 163 9.4 滚动轴承的组合设计 164 9.4.1　轴系的轴向固定 164 9.4.2　轴承组合的调整 165 9.4.3　滚动轴承的配合 166 9.4.4　滚动轴承的装拆 167 9.4.5　滚动轴承的润滑和密封 167 9.5 滑动轴承的类型及结构 169 9.5.1 滑动轴承的类型与摩擦 状态 169 9.5.2 滑动轴承的结构 170 9.5.3 轴瓦的结构及材料 171 9.5.4 滑动轴承的润滑 173 9.6　非液体摩擦滑动轴承的设计计算 174 9.6.1 向心滑动轴承的计算 175 9.6.2 推力滑动轴承的计算 176 习题 176 第10章 轴 178 10.1 概述 178 10.1.1 轴的类型 178 10.1.2　轴的材料 179 10.2　轴的结构设计 180 10.2.1　轴的组成 180 10.2.2　零件在轴上的固定方法 181 10.2.3　轴的结构工艺性 182 10.2.4　减小应力集中、提高轴的 疲劳强度 183 10.2.5　轴的结构尺寸 183 10.3 轴的强度计算 184 10.3.1　按扭转强度条件计算 184 10.3.2 按弯扭合成强度条件计算 185 10.4 轴的刚度计算 186 习题 187 第11章 联轴器、离合器和制动器 188 11.1 联轴器 188 11.1.1 刚性联轴器 189 11.1.2　挠性联轴器 190 11.2 离合器 193 11.2.1 嵌合式离合器 193 11.2.2 摩擦式离合器 194 11.2.3　超越离合器 195 11.3 制动器 196 11.3.1　带式制动器 196 11.3.2　块式制动器 197 11.3.3　盘式制动器 197 习题 198 第12章 传动零件的设计计算 199 12.1 轴径的初算 199 12.2 联轴器的选择 199 12.3 减速器箱体外部传动零件的 设计 200 12.3.1 带传动 200 12.3.2 链传动 201 12.3.3　开式齿轮传动 201 12.4 减速器箱体内部传动零件的设计 202 12.4.1 圆柱齿轮传动 202 12.4.2 圆锥齿轮传动 203 12.4.3 蜗杆传动 203 习题 204 第3篇 连接、支撑零部件资料及设计 第13章 螺纹连接 205 13.1 螺纹连接的基本知识 205 13.1.1　螺纹的形成 205 13.1.2　螺纹的类型和应用 205 13.1.3　螺纹的主要参数 206 13.1.4　螺纹连接的主要类型和 应用 207 13.2 螺纹连接的预紧和防松 208 13.2.1　螺纹连接的预紧 208 13.2.2　螺纹连接的防松 209 13.3 螺栓连接的强度计算和结构 设计 210 13.3.1 普通螺栓连接的强度 计算 210 13.3.2　螺纹连接的结构设计要点 214 13.3.3 利用ANSYS进行螺栓的 强度校核 215 习题 217 第14章 键连接和销连接 219 14.1 键连接 219 14.1.1 键连接的类型与特点 219 14.1.2 平键连接的尺寸选择和 强度验算 221 14.1.3 花键连接 223 14.1.4 利用ANSYS进行平键的 有限元分析 224 14.2 销连接 226 习题 228 第4篇 减速器的课程设计 第15章 传动装置的总体设计 229 15.1 减速器简介 229 15.1.1 减速器的类型、特点及 应用 229 15.1.2　减速器的典型结构 230 15.2 传动装置的布置 232 15.3 电动机的选择 233 15.3.1 电动机类型和结构形式 233 15.3.2 电动机功率的确定 233 15.3.3 电动机转速的确定 235 15.3.4 总传动比的计算和各级 传动比的分配 235 15.3.5 计算传动装置的运动和 动力参数 237 第16章 减速器的结构与附件 241 16.1 减速器的构造 241 16.2 轴系部件 241 16.3 箱体 242 16.4 减速器附件 242 16.4.1 视孔和视孔盖 242 16.4.2 通气器 243 16.4.3 油面指示器 244 16.4.4 放油孔和螺塞 246 16.4.5 启盖螺钉 247 16.4.6 定位销 247 16.4.7 起吊装置 248 16.4.8 挡油盘 249 16.4.9 轴承盖 249 第17章 圆柱齿轮减速器轴系部件 设计 251 17.1 确定齿轮及箱体轴承座的位置 251 17.1.1 确定齿轮的位置 251 17.1.2 确定箱体与轴承座位置 253 17.2 轴承类型选择及其在箱体座孔中 位置的确定 253 17.2.1 轴承类型选择 253 17.2.2 确定轴承在箱体座孔中的 轴向位置 253 17.3 轴的结构设计 254 17.3.1 确定轴的径向尺寸 254 17.3.2 确定轴的轴向尺寸 256 17.3.3 确定轴上键槽位置和尺寸 258 17.4 轴、轴承、键的校核计算 258 17.5 轴承组合设计 259 17.5.1 轴系部件的轴向固定 260 17.5.2 轴承的润滑与密封 260 17.6 齿轮结构设计 263 第18章 圆柱齿轮减速器箱体及附件 设计 265 18.1 箱体结构设计 265 18.1.1 箱体的刚度 265 18.1.2 箱体的密封 268 18.1.3 箱体结构的工艺性 268 18.2 附件的结构选择与设计 270 18.2.1 视孔和视孔盖 270 18.2.2 通气器 271 18.2.3 油标 272 18.2.4 放油孔和螺塞 273 18.2.5 启盖螺钉 274 18.2.6 定位销 274 第19章 圆锥齿轮减速器装配工作 图设计 276 19.1 轴系部件设计 276 19.1.1 确定传动零件、箱体内壁 及轴承座位置 276 19.1.2 轴的结构设计和轴承类型 的选择 278 19.1.3 确定力作用点及校核轴、 键、轴承 278 19.1.4 小圆锥齿轮轴系部件的 轴承组合设计 278 19.2 箱体及附件设计 281 第20章 圆柱蜗杆减速器装配 工作图设计 282 20.1 轴系部件设计 282 20.1.1 确定传动零件、箱体内壁 及轴承座位置 282 20.1.2 轴的结构设计和轴承类型 的选择 283 20.1.3 确定力的作用点及校核轴、 键、轴承 284 20.1.4 蜗杆轴系部件的轴承组合 设计 284 20.1.5 蜗杆减速器的散热 286 20.2 箱体及附件设计 287 第21章 零件图的设计与绘制 289 21.1 轴类零件图的设计及绘制 289 21.1.1 视图的选择 289 21.1.2 标注尺寸 289 21.1.3 标注尺寸的极限偏差和 形位公差 290 21.1.4 标注表面粗糙度 290 21.1.5 编写技术要求 291 21.2 齿轮类零件工作图的设计与绘制 291 21.2.1 视图的选择 291 21.2.2 尺寸的标注 291 21.2.3 啮合特性表 292 21.2.4 主要技术要求 292 21.3 箱体类零件图的设计及绘制 292 21.3.1 视图的选择 292 21.3.2 尺寸标注 292 21.3.3 形位公差和表面粗糙度 292 21.3.4 编写技术要求 293 第22章 编制设计计算说明书与 准备答辩 294 22.1 设计计算说明书的要求 294 22.2 设计计算说明书的主要内容 295 22.3 准备答辩 296 第23章 现代机械设计实例-- 减速器 298 23.1 减速器零部件建模设计 298 23.1.1 箱体造型设计 298 23.1.2 主动轴造型设计 305 23.1.3 从动轴齿轮造型设计 307 23.2 减速器虚拟装配设计 309 23.3 减速器关键零部件力学性能分析 与结构优化 312 23.3.1 箱体的力学分析 312 23.3.2 从动轴的力学分析 314 23.4 减速器运动仿真 317 参考文献 319 內容試閱： 前 言 《机械设计基础与课程设计》是机械设计基础课程的配套教材。本书从普通高等教育机械类应用型人才及卓越工程师培养的需要出发，根据教育部有关"机械设计基础"课程教学基本要求和近几年教学内容改革和综合能力培养的需要，汲取各院校在培养应用型技术人才方面的经验和成果，密切结合工程实际并充分运用现代设计方法，结合编者多年的教学经验和教改实践编写而成，可供机械及近机械类、机电类各专业使用。 本书以常见的齿轮减速器课程设计为例，引出了各类相关的零部件设计资料及原理，系统地介绍了机械传动装置的设计内容、步骤和方法，并注重设计思路和现代设计方法的引导，启发学生把先修课程的理论知识融会贯通地应用到设计中去。将课程设计指导书、设计参考图、有关国家标准规范及设计参考资料等有机地结合起来，是一本适用于课程讲授与课程设计的教材。 本书作为机械学科课程体系中的一门专业基础课教材，在编写中力求具有如下特色。 1 对课程设计所需设计资料进行了重新编排与整理。按照实际工程的内在联系和认识的一般规律，将全书内容分为4篇进行阐述。第一篇主要介绍常用机构原理与设计；第二篇包括各类传动零部件设计；第三篇包括连接、支撑零部件设计；第四篇为常见齿轮减速器课程设计内容。 2 本书不仅讲述课程设计相关理论与方法，而且涵盖了系统的机械设计基础知识体系与设计资料，最大的特色在于融入了现代设计工具的应用方法，使得学生所学的理论知识有确切的工程实践命题得以印证。 3 本书编写组创建QQ群，用于专业教师同行探讨问题、研究教学方法、交流教学资源，同时为本书提供课件下载。 本书由山东理工大学于文强、重庆大学机械传动国家重点实验室赵相路、湖南常德职业技术学院宋道沙、内蒙古包头职业技术学院孙慧、内蒙古呼和浩特职业学院牛艳萍等教学一线的老师合作编写，由山东中天科技工程有限公司工程师孙冰担任技术指导。本书编写的具体分工如下：于文强编写第1～9章，赵相路编写第10～12章，孙冰编写第13、14章，宋道沙编写第15、16章，孙慧编写第17～20章，牛艳萍编写第21～23章。 本书由山东理工大学王兰美教授担任主审，在此表示衷心的感谢。在编写过程中，我们参考了相关文献，在此对这些文献的作者表示衷心的感谢！ 尽管我们为本书付出了十分的努力和心血，但书中仍存在不足之处，恳请广大同行和读者批评指正。 编 者 第1篇 常用机构原理及设计资料 本篇以常用设备为载体，介绍常用机构即平面连杆机构、凸轮机构、间歇机构及其他机构的工作原理、应用及设计等内容。 第1章 平面机构的运动简图及自由度 平面运动副的定义和分类，平面机构运动简图的绘制，平面机构自由度的计算以及机构具有确定运动的条件。 复合铰链、局部自由度、虚约束的确定，平面机构运动简图的绘制。 机构是由具有确定的相对运动的构件组成的。当所有组成构件在同一平面内或在平行平面内运动，则为平面机构；否则为空间机构。本章讨论的是平面机构。 1.1 机构的组成 1.1.1　运动副的概念 机构是具有确定相对运动的多构件组合体，为了传递运动和动力，各构件之间必须以一定的方式连接起来，并且具有确定的相对运动。两构件之间直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副，如轴与轴承、活塞与缸筒、车轮与钢轨以及一对轮齿啮合形成的连接，都构成了运动副。构件上参与接触的点、线、面，称为运动副元素。两构件只能在同一平面做相对运动的运动副，称为平面运动副。 1.1.2　自由度与约束条件 机构是构件的人为组合，各构件间具有确定的相对运动。构件的运动是指构件的位置、速度和加速度等参数的变化。如图1-1所示，在坐标系中，构件S有3个独立运动的可能性，即沿轴、轴方向移动和绕其上任意一点的转动。构件可能出现的独立运动的数目称为自由度。一个做平面运动的自由构件有3个自由度。当一个构件与其他构件相互连接时，某些独立运动将受到限制，对构件独立运动所加的限制称为约束。约束增多，构件的自由度将减少，约束的数目与构件的连接形式有关。构件每增加一个约束，便失去一个自由度。 1.1.3　平面运动副的分类 按两构件间接触性质不同，平面运动副通常可分为低副和高副。 1. 低副 两构件通过面与面接触形成的运动副称为低副，如图1-2所示。根据构成低副的两构件间的相对运动的特点，又可分为转动副和移动副。转动副是两构件只能做相对转动的运动副。图1-2a所示的铰链连接组成转动副，一个转动副引入了两个约束，使构件失去了两个自由度。移动副是两构件只能沿某一轴线相对移动的运动副，如图1-2b所示，一个移动副也引入了两个约束，使构件失去了两个自由度。 2. 高副 两构件通过点或线接触形成的运动副称为高副。图1-3a所示为线接触，图1-3b所示为点接触，在图1-3b中，由构件2来观察，它限制构件1沿法线n-n方向的移动，形成一个约束，保留沿切线t-t方向独立的相对移动和绕接触点独立的转动，所以，一个高副引入一个约束，使构件失去了一个自由度。两轮齿接触、凸轮与其从动件的接触、火车车轮与铁轨的接触等都属于高副机构。 a 线接触 b 点接触 图1-3　平面高副 1,2-构件 1.2 平面机构的运动简图 1.2.1 机构运动简图的定义 在研究机构运动时，为了使问题简化，可以不考虑那些与运动无关的构件外形和运动副的具体构造，仅用简单线条和符号表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。这种表明机构各构件间相对运动关系的简单图形称为机构运动简图。 1.2.2　平面机构运动简图的绘制 机构运动简图符号如表1-1所示。 表1-1 机构运动简图符号摘自GB4460-1984 名　称 简图符号 名　称 简图符号 构 件 轴、杆 机 架 机架 三副元素 构件 机架是转动 副的一部分 构件的永久 连接 机架是移动 副的一部分 平面低副 转动副 平面高副 齿轮副 外啮合 内啮合 移动副 凸轮副 绘制平面机构运动简图通常可按以下步骤进行。 1 分析机构的结构和运动传递情况，找出固定件机架、原动件和从动件。 2 从原动件开始，按照传动路线仔细分析各构件间的相对运动性质和接触情况，确定构件数目和运动副的类型及数目。 3 选择视图平面，一般选择与构件运动平面相平行的平面作为视图平面。 4 根据机构的实际尺寸和图纸大小确定适当的长度比例尺 按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的符号将各运动副表示出来。图中各运动副标以大写的英文字母，各构件标以阿拉伯数字，并将机构的原动件用箭头标明。 5 用直线或曲线将同一构件上的运动副连接起来，即为所要画的机构运动简图。 例1-1 图1-4所示为颚式破碎机。试绘制该机构的运动简图。 解　①找出各构件和选定视图平面。 如图1-4a所示，颚式破碎机由机架1、偏心轴2、动颚板3、肋板4等构件组成。偏心轴2是原动件，动颚板3和肋板4都是从动件。根据以上结构分析选取构件的运动平面作为绘制机构运动简图的平面。 　a 结构图 b 运动简图 图1-4　颚式破碎机 1-机架；2-偏心轴；3-动颚板；4-肋板；5-飞轮 ② 找出各构件之间的联系：运动副。 当偏心轴绕轴线A转动时，驱使动颚板3做平面运动，从而将矿石轧碎。偏心轴2与机架1绕轴线A做相对转动，故构件1、2组成以A为中心的转动副。动颚板3与偏心轴2绕轴线B做相对转动，故构件2、3组成以B为中心的转动副。肋板4与动颚板3绕轴线C做相对转动，所以，构件3、4组成以C为中心的转动副。肋板与机架绕轴线D做相对转动，所以构件4、1组成以D为中心的转动副。 ③ 测量各运动副间的相对位置。 逐一测量运动副中心A与B、B与C、C与D、A与D之间的长。 ④ 作机构运动简图。 选定长度比例尺，在确定的视图上按比例画出运动副的符号和连线表示构件，注上运动副代号和构件号，对原动件要画上表示运动方向的箭头，最后便绘成机构运动简图，如图1-4b所示。比例尺的计算如下。 例1-2　绘制图1-5所示单缸内燃机的机构运动简图。 已知 解 ① 在内燃机中，活塞为原动件，曲轴为工作构件。活塞的往复运动经连杆变换为曲轴的旋转运动。 ② 活塞与缸体机架组成移动副，与连杆在点组成转动副；曲轴与缸体在点组成转动副，与连杆在点组成转动副。 ③ 选长度比例尺，按规定符号绘制机构运动简图，如图1-5所示。活塞的大小与运动无关，可酌定。 1.2.3 利用ADAMS进行颚式破碎机的运动分析 启动ADAMS程序，建模时，本节使用ADAMS自带的几何建模工具箱建立破碎机的曲柄摇杆机构模型，也可以通过其他三维软件建模后导入。以下为颚式破碎机模型的建立及仿真过程。模型包括破碎机偏心轴、破碎机动颚板、破碎机肘板和机架4个机构。 1 启动ADAMSView，创建一个新的数据文件，在模型名称输入框输入eshiposuiji，将单位设置为MMKS。 2 设置工作环境。操作步骤如下。 ① 在Setting菜单中选择Units命令，将长度单位设置为毫米mm，单击OK按钮。 ② 在Setting菜单中选择Working Grid命令，则弹出工作栅格设置对话框。 ③ 将工作栅格尺寸设置为1000，格距为10，单击OK按钮。 3 建立设计点。操作步骤如下。 ① 单击Construction工具栏中的Point图标。 ② 设计参考点：Point_10,0,0、Point_2-30,0,0、Point_30,-700,0、Point_4-400,-800,0。使用点的默认设置，即Add to Ground和Don''t Attach。 4 创建破碎机偏心轴，操作步骤如下。 ① 选择连杆工具Link。 ② 在Point_1和Point_2之间建立连杆。 ③ 为连杆改名，将Part：Part_1改为crank。 5 创建破碎机动颚板，操作步骤如下。 ① 选择连杆工具Link。 ② 在Point_2和Point_4之间建立连杆。 ③ 为连杆改名，将Part：Part_1改为jaw。 6 创建破碎机肘板，操作步骤如下。 ① 选择连杆工具Link。 ② 在Point_3和Point_4之间建立连杆。 ③ 为连杆改名，将Part：Part_1改为brackets。 颚式破碎机仿真模型如图1-6所示。几何模型建立好后，进行运动分析计算之前，要用运动副连接各个构件，即对模型施加约束，通过约束将不同的构件连接起来，限制构件之间的某些相对运动，组成一个机械系统。 7 将部件crank与机架之间以旋转副进行连接。 选择2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；将约束放在点Point_1上。 8 将部件crank与部件jaw之间以旋转副进行连接。 选择2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；将约束放在部件crank与部件jaw间的交点上。 9 将部件jaw与部件brackets之间以旋转副进行连接。 选择2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；将约束放在部件jaw与部件brackets间的交点上。 10 将部件brackets与机架之间以旋转副进行连接。 选择2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；将约束放在点Point_3上。 对模型施加约束后，还要对模型施加驱动。建立工作件之间的约束与驱动关系，对曲柄偏心轮施加驱动力矩。 11 添加约束驱动。 使用Rotational Joint Motion工具在部件crank和机架之间的约束上添加驱动，其表达式为：Dt=360.0d * time。 12 进行仿真计算。在1s内进行100步的计算，单击Simulation选项卡中的仿真按钮，按图1-7所示进行计算。 图1-6　颚式破碎机的仿真模型 图1-7　颚式破碎机的仿真计算 经过仿真计算得出了破碎机动颚板的质心加速度、速度以及位移曲线其中动颚板在水平和垂直方向上的行程曲线省略。从以上数据可见，颚式破碎机动颚板的平均水平行程大，这就保证了动颚板对物料施加足够的挤压力，而且破碎腔由上向下水平行程是递增的，保证排料通畅。同时可以看出动颚垂直行程小，减少了磨损和过粉碎现象。有利于破碎过程，也有利于排料过程，破碎效果很好，是比较合理的。 1.2.4 利用ADAMS进行单缸内燃机的运动分析 在SolidWorks 2011中建立虚拟样机模型，获取构件质量特性参数，如构件质心位置、质量和转动惯量等，将装配模型导入ADAMS。以S195柴油机为例，通过实物测取尺寸建立机构分析模型，连杆长度为210mm，曲轴半径为57.5mm。下面介绍在ADAMS中的单缸内燃机的运动仿真分析。 1 启动ADAMSView。在欢迎对话框中选择新建文件，在新建窗口中输入模型名称，设定当前工作路径，最后单击OK按钮。 2 导入SolidWorks虚拟样机模型。选择FileImport菜单命令，在弹出对话框的"文件类型"下拉列表框中选择SolidWorks类型，而后找到路径，确定Model Name模型名称，单击OK按钮。导入模型如图1-8所示。 3 添加约束副。由于SolidWorks模型导入ADAMS后，模型中原有的装配关系都已经无效，故需要使用ADMAS中的约束副将它们连接起来，以定义物体之间的相对运动。调用ADAMS中的Connectors命令中的旋转副，在曲轴与大地之间创建旋转副。在曲轴与连杆之间创建旋转副，连杆与内燃机缸之间创建旋转副。然后调用ADAMS中的Connectors命令中的移动副，在内燃机缸与大地之间创建移动副。 4 添加约束驱动。使用工具Rotational Joint Motion在部件曲轴和大地之间的旋转约束上添加驱动，其表达式为：Dt=720.0d * time。 5 进行仿真计算。在1s内进行100步的计算，单击Simulation选项卡中的按钮，按图1-9所示进行计算。 经过仿真计算，得出了内燃机缸的质心位移、速度以及加速度的曲线，由此知气缸运动行程特性。分析研究这些参数与曲柄连杆机构转速之间的关系, 对于曲柄连杆机构平衡方案的选择及相关参数的优化具有极其重要的意义。 图1-8　单缸内燃机的虚拟样机模型 图1-9　单缸内燃机的仿真计算 1.3 平面机构的自由度 机构是具有确定相对运动的系统，要判断构件的组合是否能动及运动是否确定，必须要研究机构的自由度。 1.3.1 平面机构自由度的计算 设一个运动链中，除去固定件，其余活动构件的数目为个。一个不受任何约束的构件在平面中有3个自由度，故一个运动链中活动构件在平面中共具有个自由度。当两构件用运动副连接后，其运动受到约束，自由度将减少。自由度减少的数目，应等于运动副引入的约束数目。平面运动链中，每个低副引入的约束数为2，每个高副引入的约束数为1。因此，对于平面运动链，若各构件之间共构成了个低副和个高副，则它们共引入个约束。 设运动链的自由度数为，则有 1-1 式中：--运动链的自由度数目； --活动构件的数目； --低副的数目； --高副的数目。 1.3.2 平面机构具有确定运动的条件 机构的自由度数是机构具有的独立运动数。例如，机构的自由度为1，则表示机构只有一个独立运动。如果通过一个原动件，并给定一个运动规律对此独立运动加以控制，则该机构的运动就完全确定了。一般一个原动件只能给定一个运动规律，所以机构若有两个自由度，则需要两个原动件。由此可知，机构具有确定运动的条件是：机构的原动件个数应与其自由度相等。 如图1-10所示的四构件系统，，其自由度为 当原动件1在任何瞬时位置时，从动件2和3都占有相应的确定位置，这说明从动件的运动是确定的，故该构件系统是机构。 如给定两个原动件1和3，势必将该机构破坏。 如图1-11所示的五构件系统，，其自由度为 图1-10　四构件系统 图1-11　五构件系统 1-原动件；2,3-从动件；4-机架 1～4-构件；5-机架 设只有构件1为原动件，当构件1在图示瞬时位置时，则构件2、3和4可以占有BC、CD、DE位置，也可以占有BC''、C''D''、D''E位置或其他位置。这说明从动件的运动不是确定的，故该构件系统就不是机构。若构件4也是原动件，而该瞬时它在DE位置，则构件2、3的位置完全确定，此构件系统就成为机构，它的运动是确定的。 1.3.3 计算平面机构自由度时应注意的事项 1．复合铰链 两个以上的构件在同一处以同轴线的转动副相连，称为复合铰链。 图1-12所示为3个构件在点形成复合铰链。从侧视图可见，这3个构件实际上组成了轴线重合的两个转动副，而不是一个转动副。一般地，个构件形成复合铰链应具有k-1个转动副，计算自由度时应注意找出复合铰链。 图1-13所示为直线机构，其构件的长度，，，当构件摇动时，点的轨迹为垂直于的直线。该机构在四点均为由3个构件组成轴线重合的两个转动副，即复合铰链。该机构，，其自由度数为 2．局部自由度 在有些机构中，其某些构件产生的局部运动并不影响其他构件的运动。将这些构件所能产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度。 例如，在如图1-14a所示的滚子从动件凸轮机构中，为了减少高副元素的磨损，在推杆和凸轮之间装了一个滚子。该机构的计算自由度数为，但实际上当该机构以凸轮一个构件为原动件时，便具有确定的运动。产生这种与平面机构具有确定相对运动条件不相吻合的原因是：滚子绕其自身轴线转动所形成的运动副是一个多出来的局部自由度，它是否存在并不影响机构的运动规律。排除局部自由度的方法是假想地将滚子与从动件固结为一体，如图1-14b所示。按图1-14b计算出的凸轮机构的自由度数为，与实际情况吻合。 图1-12　复合铰链 图1-13　直线机构 图1-14　局部自由度 1～3-构件 1～4-构件 由此可见，在计算机构的自由度时，应将机构中的局部自由度除去不计。 3．虚约束 虚约束指机构中与其他约束重复，对机构不产生新的约束作用的约束。计算机构自由度时应将虚约束除去不计。虚约束经常出现的场合有以下几个。 1 两构件间形成多处具有相同作用的运动副。如图1-15a所示，轮轴2与机架1在A、B两处形成转动副，其实两个构件只能构成一个运动副，这里应按一个运动副计算自由度。又如图1-15b所示，在液压缸的缸筒与活塞、缸盖与活塞杆两处构成移动副，实际上缸筒与缸盖、活塞与活塞杆是两两固连的，只有两个构件而并非4个构件，此两个构件也只能构成一个移动副。 2 两构件上连接点的运动轨迹重合。例如，图1-16所示是火车头驱动轮联动装置示意图，它形成一个平行五边形机构，其中构件EF存在与否并不影响平行四边形ABCD的运动，进一步可以肯定地说，三构件AB、CD、EF中缺省其中任意一个，均对余下的机构运动不产生影响，实际上是因为此三构件的动端点的运动轨迹均与构件BC上对应点的运动轨迹重合。应该指出，AB、CD、EF三构件是互相平行的；否则就形成不了虚约束，机构就出现过约束而不能运动。 图1-15 两构件间形成多处运动副的虚约束 图1-16 两构件上连接点运动轨迹重合 1～4-构件 3 机构中具有对运动起相同作用的对称部分。图1-17所示为一对称的齿轮减速装置，从运动的角度看，运动由齿轮1输入，只要经齿轮2、3就可以从齿轮4输出了。但是为使输入输出轴免受径向力，即从力学的角度考虑，加入了齿轮6、7。未引入对称结构时，机构由4个构件、3个转动副、2个高副组成，自由度为 F = 34-1-32-2 = 1 引入对称结构后，如果不将虚约束去除，则机构由5个构件、4个转动副、4个高副组成，自由度为 F = 35-1-42-4 = 0 这显然是错误的。 例1-3　计算图1-18a所示筛料机构的自由度。 解　经分析可知，机构中滚子自转为局部自由度；顶杆与机架组成两导路重合的移动副、，故其中之一为虚约束；C处为复合铰链。去除局部自由度和虚约束，按如图1-18b所示的机构计算自由度，机构中，，，其自由度为 图1-18 筛料机构 习 题 1-1　什么是运动副？平面高副与平面低副各有什么特点？ 1-2　机构具有确定运动的条件是什么？ 1-3　在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？ 1-4　什么是虚约束？什么是局部自由度？有人说虚约束就是实际上不存在的约束，局部自由度就是不存在的自由度，这种说法对吗？为什么？ 1-5 指出如图1-19所示的机构中的复合铰链、局部自由度、虚约束，并计算机构的自由度，判定它们是否有确定的相对运动标有箭头的构件为原动件。 c d 图1-19 习题1-5图

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