機械設計基礎(陳立德版)(教案)

1、緒 論本章學習后，要使學生能解決三大問題，學什么，為啥學，怎樣學三大問題。01 機器的組成人們廣泛使用過，接觸過機器，放一課件（單缸內燃機、顎式破碎機），圖01，02所示，但定義如何，為什么稱它為機器，學生們是不大清楚的。它要有三個特征，才能稱上機器。1）是一種人為的實物組合。2）各部分形成運動單元，各單元之間具有確定的相對運動關系。3）能實現(xiàn)能量轉換或完成有用的機械功。什么叫能量轉換，指的是機械能轉換成電能，或反之。這樣具備三個條件者就稱為機器，這樣學生就可說出車床是機器嗎？電動機是否也是機器，電動機根據三個條件可得出一定為機器。隨著科學技術的發(fā)展，創(chuàng)造出各種新型機器，故對機器的定義也有了更

2、廣泛的定義，什么叫機器，是一種用來轉換或傳遞能量、物料和信息的，能執(zhí)行機械運動的裝置，那么一臺機器由什么組成，從裝配角度來看：由零件構件機構機器，因此設計制造一臺機器必有零件開始，組裝成構件，再由構件組裝成機構，加上原動件裝置就成為一臺機器了。接下來說說什么叫機構、構件、零件。什么叫機構：具備前二個條件的稱為機構，即為多個實物的組合，又能實現(xiàn)預期的機械運動，例齒輪機構、連桿機構等，放課件（連桿機構、齒輪機構）。什么叫構件，構件為組成機械的各個相對運動的實物。例連桿，放課件（構件）從中可看連桿為多個零件裝配而成的。什么叫零件，零件是機械中不可拆的制造單元，因此構件可以是一個零件組成也可以由多個零

3、件組成的。因此可以看出從運動觀點來看，機構和機器是無什么差別的，例如縫紉機本身為機構，由多種機構所組合起來的，再加上能量轉換就成為機器了，如加上電動機或加上人力都可以成為機器了，在習慣上把機器與機構總稱為機械。因此機器，機械這二個名稱都可統(tǒng)起作用的。零件又可分為二大類：1）通用零件：各種機器中都經常使用，并完成同一功用的零件，例螺釘?shù)取?）專用零件：只適用于一定類型機器使用的零件，例曲軸等。02 本課程的內容、性質和任務本課程研究對象是什么？有二條：1）機械中常用機構。2）在一般工作條件下，常用參數(shù)的通用零件。這里要說明一下：什么叫一般工作條件？什么叫常用參數(shù)？具體地說內容是什么？工作原理設計

4、計算，設計計算又包括結構設計與設計計算。本課程的內容為常用機構：在教材中介紹了幾種常用機構，例如傳動機構（帶，齒輪機構）。通用零件：連接零件（螺栓、鍵等）； 傳動零件（齒輪、鏈、蝸輪、蝸桿等）； 軸系零件（軸、軸承）； 其它零件（聯(lián)軸器、彈簧等）?，F(xiàn)在談一下通用零件的系統(tǒng)性是什么？常用機構也是相似的。1） 研究對象，工作原理。2） 分析工作情況，包括運動，力，失效形式等。3） 設計計算，包括設計計算（強度計算，校核計算）和結構設計。所有通用零件均按此系統(tǒng)來組織教材內容，講授時均按此系統(tǒng)進行。本課程的主要任務有三條，教材中有，略加說明一下，總的說來，使學生學習后具有一定設計理論基礎和一定設計計算

5、能力。這門課程的性質是一門為機械設計打基礎的課程，是一門主干課程，所以對學習機械的學生來講是一門十分重要的課程，在工程師培養(yǎng)中起到十分重要作用，是一門技術基礎課，只要有好的基礎，再加上專業(yè)知識，就有條件去進行有關機械專業(yè)的設計。03 學習方法本課程是應用了以前所學到的理論與實際生產知識，并把它們運用到工程實際中，去解決生產實際問題，是一門理論與實踐相結合的課程，同學們開始接觸此課程時，總有些不習慣，總認為它的理論性不強，系統(tǒng)性差，零零碎碎，不像以前的基礎課邏輯推理嚴格。同學不適應，不習慣，這一點同學一定要趕快適應，如以前課程沒學好，自己一定要補上，否則會影響到目前的學習。我們說它的系統(tǒng)性是有的

6、，也是很強的，學習它們是有一個總的目的，是如何來滿足整臺機器的要求設計好機構、各種通用零件。這樣目的是很強，一般基礎課就無法做到的。一定要改變以前的學習方法，用新學習方法來適應本課程的學習，注意理論聯(lián)系實際，注意分析比較，注意理論的應用，這樣才能學好。第1章 機械設計概述一、教學要求本章概括地論述了兩大部分：第一部分為關于機械總體設計的概述，第二部分為關于機械零件的設計概述。具體的教學要求如下：1）初步理解機械設計和設計機械零件應滿足的基本要求。2）了解機械設計和零件設計的步驟。3）理解機械零件工作能力的判定方法和設計準則。4）了解機械設計的標準化、系列化及通用化。二、重點、難點重點：機械設計

7、基本要求及機械零件的失效形式及設計計算準則。教學內容學時數(shù)1. 機械設計的基本要求2. 機械設計的內容與步驟3. 機械零件的失效形式及設計計算準則4. 機械零件設計的標準化、系列化及通用化2難點：從整體上建立起機械設計，尤其是機械零件設計的整體概念。三、教學安排四、教學思路設計機械設計概述主要是論述設計基本知識和一些共性問題。本章扼要地闡述機械設計的基本知識，如機械設計的基本要求、內容與過程等。第1章 第1講知識點教學手段1. 1）設計機械零件的基本要求 2）機械設計的基本要求2. 機械設計的內容與步驟3. 1）失效形式 2）設計計算準則4. 標準化、系列化及通用化課堂講授一、講授時注意幾點1

8、. 1.1、1.2 機械設計的基本要求及內容與過程這兩節(jié)內容屬于機械（零件）設計中的全局性問題。這里，只能勾畫一下概貌，起到開闊視野的作用。2. 1.3 機械零件的失效形式及設計計算準則這節(jié)內容與先修的力學課程有著密切的聯(lián)系，是在力學基礎之上，結合工程實際所形成的，故比較容易理解。如學生力學基礎差的話，必須學前補一下。3. 1.4 機械零件設計的標準化、系列化及通用化要了解標準化、系列化及通用化的重要意義，應提高到是否遵守法律的高度來認識，這點學生是不易理解的。二、講授程序設計首先了解設計機械零件的基本要求，然后才能得出機械設計的基本要求、內容與步驟，對于具體的機械零件的設計方法總是根據失效形

9、式得出設計計算準則，應用力學知識，就可設計出零件的大小等。講授教案編寫如下所述。第1章 機械設計概述1.1 機械設計的基本要求一臺機器進行設計包括以下兩種設計：1）應用新技術，新方法開發(fā)創(chuàng)造新機器。2）在原有機器基礎以上重新設計或進行局部改造，從而改變或提高原有機器的性能。設計質量的高低直接關系到機械產品的性能、價格及經濟效益。機械零件是組成機器的基本單元，在討論機械設計的基本要求之前，我們首先應了解一下設計機械零件的基本要求。1.1.1 設計機械零件的基本要求有二條：可靠，成本低。什么叫可靠，什么叫成本低，說明一下。為此要注意以下三點：1）合理選擇材料，降低材料費用。2）保證良好工藝性，減少

10、制造費用。3）盡量采用標準化，通用化設計零件，簡化設計過程，從而降低成本。1.1.2 機械設計的基本要求有五條：1.實現(xiàn)預定功能；2.滿足可靠性要求；3.滿足經濟性要求；4.操作方便，工作安全；5.造型美觀，減少污染。1.2 機械設計的內容與步驟機械設計是一項復雜、細致、創(chuàng)造性和科學性很強的工作，隨著科學技術的發(fā)展，對設計的理解也在不斷深化，設計方法也在不斷發(fā)展，近年來發(fā)展起來的有：“優(yōu)化設計”，“有限元計算”，“計算機輔助設計”等等。即使如此，常規(guī)設計方法仍然是工程技術人員進行機械設計的重要方法，必須要很好掌握，常規(guī)設計方法有理論設計、經驗設計和模型實驗設計等三種。機械設計的過程通常分為以下

11、四個階段：1） 產品規(guī)劃階段 主要工作為提出設計任務和明確設計要求。2） 方案設計階段 在滿足設計任務書中具體要求的前提下，由設計人員構思出各種可行方案進行分析比較，選出較優(yōu)者。 3） 技術設計階段 完成機械產品的總體設計、部件設計、零件設計、設計結果以工程圖及設計書形式表達出來。4） 制造與試驗階段 進行試運行，發(fā)現(xiàn)問題反饋給設計人員，經修改、完善，最后鑒定。與設計機械一樣，設計機械零件也需擬定出幾種方案，分析比較、選優(yōu)，那么設計零件的一般步驟如下幾點。教材共有五點，分析之。對于不同的零件的工作條件，以上這五點可以有所不同，互相交錯，反復進行，不能作機械分割。最后提出一點，什么叫條件性計算，

12、這一點是大家所不大了解的，生疏的，但這是工程實際所需作的。1.3 機械零件的失效形式及設計計算準則失效形式在工程力學中已學過，結合到機械零件應該如何，它的理論基礎還是一樣的，進行機械零件設計必須要根據零件的失效形式分析失效原因，提出防止或減輕失效的措施，根據不同的失效形式提出不同的設計計算準則。1.3.1 失效形式1） 斷裂 常見的有二種：斷裂，疲勞斷裂，解釋一下。2） 過量變形 應力超過屈服極限，發(fā)生塑性變形。3） 表面失效 主要有疲勞點蝕、磨損、壓潰和腐蝕等形式。4） 破壞正常工作零件引起的失效，例帶傳動。1.3.2 設計計算準則同一零件對于不同失效形式的承載能力是各不相同的。這個承載能力

13、就是零件的工作能力，它的計算方法就是設計計算準則。下面對以上失效形式，談一下設計計算準則。1. 強度準則 是零件必須滿足的基本計算準則?？煞譃檎w強度，表面強度二種。（1）整體強度的準則 , 或可用安全系數(shù)來表示，ss（2）表面強度的準則接觸強度HH；擠壓強度pp在進行強度計算時，一般有如下兩種計算形式1）設計計算 可求出零件的主要幾何尺寸。2）校核計算 判斷一下是否符合強度條件；已有零件能否承受如此大的載荷，是否安全。2. 剛度準則3. 耐磨性準則4. 散熱性準則5. 可靠性準則1.4 機械零件設計的標準化、系列化及通用化作一般性介紹，說明其重要性。第2章 摩擦、磨損及潤滑概述一、教學要求本

14、章主要內容為對摩擦、磨損、潤滑、密封的基本問題作簡單扼要的介紹。具體的教學要求如下：1）了解摩擦、磨損、潤滑、密封的基本概念和四者之間的聯(lián)系。2）了解干摩擦、流體摩擦、邊界摩擦、混合摩擦的特點與區(qū)別。3）初步了解磨損的一般規(guī)律及各種磨損的機理、物理特征和影響因素。4）了解潤滑的作用及潤滑劑的主要質量指標。5）了解密封的作用及密封裝置。二、重點、難點重點：1）各類摩擦的機理、物理特征及其影響因素 2）各類磨損的機理、物理特征及其影響因素 3）潤滑與密封難點：如何根據工作情況，合適地選擇潤滑劑和密封裝置。三、教學安排教學內容學時數(shù)1. 摩擦與磨損2. 潤滑3. 密封方法及裝置2四、教學思路設計本章

15、內容是按照摩擦磨損潤滑密封的順序安排的。過去這部分內容是分散在各章之中，現(xiàn)為了加強系統(tǒng)性和對其共性問題的認識，將這部分內容集中在這一章之中，而針對某個零件的某些具體內容則仍分散于各章之中，故本章內容也是機械設計中的共性問題。第2章 第1講知識點教學手段1. 1）摩擦及其分類 2）磨損及其過程 3）磨損分類2. 1）潤滑劑的性能與選擇 2）潤滑方法和潤滑裝置3. 1）密封裝置的分類 2）常用密封裝置 3）密封裝置的選擇課件（摩擦副的表面潤滑狀態(tài)、零件磨損過程、潤滑方式、常用密封裝置）一、講授時注意幾點：1. 2.1 摩擦與磨損本章著重討論摩擦的機理及物理本質；對于磨損過程有所了解，目的在于如何采

16、取措施使跑合期縮短，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損階段。2. 2.2 潤滑對潤滑、潤滑劑的種類有一個初步了解；對潤滑油、潤滑脂的主要物理性質指標有所了解。重點在潤滑油、對潤滑脂作一般性了解。3. 2.3 密封方法及裝置要重點地學習密封的作用與密封裝置的分類、以及根據不同的工作條件選擇合適的密封裝置。二、講授程序設計本章是按摩擦磨損潤滑密封的順序來講授，它也是機械設計中的共性問題。講授教案編寫如下所述。第2章 摩擦、磨損及潤滑概述2.1 摩擦與磨損在人們生活中都存在摩擦與磨損，各種機械零件因磨損失效的占全部失效零件的一半以上。2.1.1 摩擦及其分類在法向力作用下，一個物體相對于另一個物體，有相對

17、運動或運動趨勢時，兩物體接觸面間產生的阻礙物體運動的切向阻力稱為摩擦力，這種現(xiàn)象稱為摩擦，這一對摩擦物體稱為摩擦副。根據二物體接觸時潤滑狀態(tài)的不同，可將摩擦狀態(tài)分為四種情況：放課件（摩擦副的表面潤滑狀態(tài)），一種一種解釋一下。1. 干摩擦（圖2.1a） 解釋后，可得出庫侖定律 F=f·FN2. 流體摩擦（圖2.1b）3. 邊界摩擦（圖2.1c）4. 混合摩擦（圖2.1d）2.1.2 磨損及其過程表面物質在摩擦過程中不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。一般情況下磨損是有害的。磨損過程，可分為三個階段，放課件（零件磨損過程），圖2.2所示，一個過程，一個過程解釋一下。1. 跑合磨損階段（oa階段）跑合

18、磨損到一定程度后，表面上尖峰逐漸被磨平，磨損速度卻逐漸減慢，這階段對機械零件而言是十分必要的。2. 穩(wěn)定磨損階段（ab階段）磨損緩慢，磨損穩(wěn)定下來，零件進入正常工作階段。3. 劇烈磨損階段（bc階段）此階段的特征為磨損速度及磨損率都急劇增大，直至零件失效。最后指出一點，在跑合結束后，一定要清洗零件，更換潤滑油，這樣才能正常地進入穩(wěn)定磨損階段。2.1.3 磨損分類按照磨損的機理以及零件磨損狀態(tài)的不同，可分為四種基本類型：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損（點蝕）、腐蝕磨損，教材中具體說明，略之。2.2 潤滑首先說明一下潤滑的作用2.2.1 潤滑劑的性能與選擇潤滑劑有幾種：油、脂、固體（石墨、二硫化

19、銅）、氣體（空氣、氫氣、水蒸汽）。1. 潤滑油為目前使用得最多的潤滑劑，有礦物油、合成油、動植物油等，礦物油為應用最廣的。物理性能指標為粘度：表示液體流動時其內摩擦阻力的大小，粘度大，內摩擦阻力就越大，液體流動性就越差。粘度有三種表示，解釋一下。（1）動力粘度 （2）運動粘度 我國采用的為運動粘度（3）條件粘度（恩氏粘度）E還有一些性能指標，如凝點、閃點、燃點等，表2.1列出。要指出一下：壓力、溫度對粘度有影響的。2. 潤滑脂在潤滑油中加入稠化劑（鈣、鈉、鋰、金屬皂）而成的脂狀潤滑劑，又稱為黃油。主要物理性能指標為滴點、針入度、耐水性。目前使用最多的為鈣基潤滑脂，它的耐水性強，耐熱性差，還是鈉

20、基，鋰基的。使用時要注意使用條件，不要亂用，性能列于表2.2之中。3. 固體潤滑劑4. 氣體潤滑劑潤滑劑的選用原則為低速、重載、高溫、間隙大，應選用粘度大的潤滑油；對脂主要用于速度低、載荷大，不需經常加油，使用要求不高或灰塵較高的場合；氣體、固體的主要用于高溫、高壓，防止污染等一般潤滑油不能適用的場合。對潤滑劑選用一定要嚴肅對待，不能亂用。2.2.2 潤滑方法和潤滑裝置為了獲得良好的潤滑效果外，除了正確選擇潤滑劑外，還應選擇適當?shù)臐櫥椒ê拖鄳臐櫥b置，具體情況學生自學教材內容，不作講解。2.3 密封方法及裝置學生自學，不作講解。第3章 平面機構的結構分析一、教學要求本章內容是學習機構設計的

21、基礎，為各類機構的運動分析和設計打下一定的基礎，同時也為機械系統(tǒng)設計和新機構設計提供了一種結構分析的方法。具體的教學要求如下：1）了解平面機構的基本概念。2）掌握平面機構運動簡圖的繪制方法。3）熟練掌握平面機構自由度的計算方法，能夠準確地識別機構中的局部自由度，復合鉸鏈和虛約束。二、重點、難點重點：1）有關機構組成的概念及機構具有確定運動的條件。 2）機構運動簡圖及其繪制。 3）機構的自由度。難點：1）機構運動簡圖的繪制。 2）機構中虛約束的正確判別。三、教學安排教學內容學時數(shù)1. 機構的組成2. 平面機構的運動簡圖23. 平面機構的自由度2四、教學思路設計本章是進入整個機械系統(tǒng)設計的開端，它

22、不僅為學習各類機構的運動設計和動力設計打下初步基礎，也為機械系統(tǒng)方案設計和新機構的創(chuàng)新設計提供一條途徑。由于是高職學生，因此教學要求也與本科生有所區(qū)別，故對機構分類、機構組成原理等只作一般性了解，而教學重點放在機構運動簡圖的繪制及自由度計算上。第3章 第1講知識點教學手段1. 1）運動副 2）自由度和運動副的約束 3）運動鏈和機構2. 1）運動副及構件的表示法 2）繪制機構運動簡圖的步驟課件（平面運動構件的自由度、平面高副，運動鏈，運動副簡圖符號、運動鏈）一、講授時注意幾點：1. 3.1 機構的組成主要應該掌握：運動副是由兩構件組成的相對可動的連接，是組成機構的又一個基本要素；兩構件構成運動副

23、應至少要引入一個約束，也至少要保留一個自由度。2. 3.2 平面機構的運動簡圖平面機構運動簡圖應能正確地表達機構的組成和機構的運動情況。因此，與運動無關的內容應拋開，如構件的外形、運動副的具體構造等。在畫圖時應注意以下三點：（1）注意運動副的位置及表示方法。（2）注意構件的表達。（3）注意機構運動簡圖要真實、簡法。機構運動簡圖的繪制是把實際機構抽象化的過程。因此，必須搞清機構的組成才能正確地畫出機構運動簡圖。二、講授程序設計首先從運動副的組成開始，分析其分類、類型及其自由度與約束關系，然后討論其機械運動簡圖的繪制，這是本章的重點。講授教案編寫如下所述。第1講 教案第3章 平面機構的結構分析放課

24、件，說明一下。機構運行時，除機架外其余所有構件都按照某種運動規(guī)律運動，如果機構中的所有構件都在相同或相互平行的平面內運動，這種機構稱為平面機構，否則稱為空間機構，工程中常見的為平面機構，本章就是研究平面機構。3.1 機構的組成3.1.1 運動副圖3.1說明一下。使兩個構件直接接觸并能產生一定相對運動的連接稱為運動副。因此，副一定是一對接觸構件，但還要保持相對運動關系，同學以前見到過的，能舉例嗎？例如螺紋副，導軌副等。接觸情況有三種：點接觸，線接觸，面接觸，這點、線、面稱為運動副元素。根據運動副各構件間的相對運動是平面運動，還是空間運動，這樣把運動副可分為平面運動副，空間運動副。本章討論的為平面

25、運動副，它又可分為低副、高副二大類型。3.1.2 自由度和運動副約束一個空間自由狀態(tài)的構件，具有6個獨立運動的參數(shù)，作平面運動的構件就具有三個獨立運動參數(shù)，放課件（平面運動構件的自由度），這個獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為構件的自由度。兩個構件通過運動副連接，這樣相對運動必會受到限制，這個限制稱為約束，引入一個約束條件將減少一個自由度。下面分析一下具體的運動副的運動、約束情況：1. 低副 什么叫低副說明一下。構件之間以面接觸形成的運動副稱為低副，放課件（轉動副）說明一下低副定義。根據形成低副的兩個構件之間的可以產生的相對運動的形式不同，低副又可分為轉動副與移動副兩種。轉動副（轉動副） 圖3.3所示，這

26、運動副只能在某一平面內作相對轉動，相對運動形式為轉動。移動副（移動副） 只能沿某一方向作相對移動，相對運動形式為移動，圖3.4所示。2. 高副 以點或線接觸組成的運動副，圖3.5所示，分析一下運動情況。那么約束如何：分析一下。對于轉動副：引入二個約束，保留了一個自由度。對于移動副：引入二個約束，保留了一個自由度。故平面低副的運動副，引入二個約束，保留一個自由度。對于平面高副，引入一個約束，保留了二個自由度。3.1.3 運動鏈和機構圖3.6所示，放課件（運動鏈），兩個以上構件以運動副連接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈，如果運動鏈中有的構件只包括一個運動副元素稱為開鏈（圖3.6a）。如每個構件至少包括兩個運

27、動副元素，則構件形成了封閉系統(tǒng)稱為閉鏈（圖3.6b）。如在閉鏈中將其中一個構件固定，就成為機架，這運動鏈就成為機構。當它的一個或幾個構件具有獨立運動，也就是這構件的運動規(guī)律為已知的，這機構的運動和動力由這一個構件輸入，這構件稱為原動件（主動件），其余構件稱為從動件。3.2 平面機構的運動簡圖課件（粉碎機）放一下，我們分析運動，這圖就很復雜。為了使問題簡單化，在研究機構運動時，可以不考慮那些與運動無關的因素（如具體結構、外形等等），僅用簡單的線條和符號來代表構件和運動副，并按一定比例表示出各運動副的相對位置，這種說明機構各構件間的相對運動關系的簡單圖形稱為機構運動簡圖，課件（運動副簡圖表示）放一

28、下。這簡圖有二個作用：1）可以簡明地表達一部復雜機器的傳動原理。2）可以用圖解法求機構上各點的軌跡、位移、速度、加速度等。3.2.1 運動副及構件的表示方法1. 構件2. 轉動副 圖3.7 課件（轉動副）3. 移動副 圖3.8 課件（移動副）4. 平面高副 圖3.9 課件（平面高副）3.2.2 繪制機構運動簡圖的步驟作圖時，因為實物很大，無法按11繪制，只得選用一個比例尺，有位置比例尺，速度、加速度比例尺，下面只談位置比例尺如何表達 物體實際長度/構件圖示長度 （m/mm）繪制步驟教材中已談了，可自學一下。第3章 第2講知識點教學手段機構具有確定運動的條件平面機構自由度的計算計算機構自由度的注

29、意事項課件（局部自由度、復合鉸鏈、虛約束、圖3.163.22）一、講授時注意幾點應該掌握如下幾點：1）機構的自由度是機構具有確定運動時所需的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。2）機構的自由度計算公式能很熟練地推導出。3）在計算自由度時，應注意處理好三種情況，才能使計算正確，符合實際情況。二、講授程序設計首先從運動副的約束，自由度的概念開始，推導出機構自由度計算公式，然后得到機構具有確定運動的條件，最后指出在應用自由度計算公式要注意三個問題，這樣才能使公式應用正確。講授教案編寫如下所述。第2講 教案3.3 平面機構的自由度3.3.1 平面機構的自由度計算設某一平面運動機構，其中包括N個構件，PL個低副，PH個

30、高副，現(xiàn)以平面四桿機構為例，說明一下N，PL，PH值=？這N個構件中有一個構件被看作為固定不動的為機架，所以其余均為活動的構件，則活動構件數(shù)就為n=N-1，這n個活動構件，在未用運動副將它們連接起來以前，共具有3n個自由度。在黑板上寫上3n。當用PL個低副，PH個高副將構件連接起來，便會使構件活動受到影響，也就是3n個自由度就要被減少。以前已講過：加入一個低副，就引入二個約束，自由度只有1個。即 3n-2PL 在黑板上寫成 3n-2PL 加一個高副，就引入一個約束，自由度只有2個。即 3n-PH 最后黑板上就寫成 3n-2PL-PH這式子就可說明為：整個機構相對機架的自由度數(shù)就應為活動構件的自

31、由度的總數(shù)減去（2PL+PH）個約束 機構的自由度數(shù)為F 則 這就是機構的自由度計算公式3.3.2 機構具有確定運動的條件一般要求一個機構，當原動件給定一個運動規(guī)律運動時，從動件也就得到按某一個運動規(guī)律進行運動，不允許從動件亂動，無規(guī)律地運動。圖3.1.3所示，課件（曲柄滑塊機構）放一下，計算一下機構自由度F=1，也就是這機構能具有獨立運動的數(shù)目為1，主動件為1，輸入運動，從動件就按確定規(guī)律運動，這就是機構運動的確定性。結論為機構自由度 = 原動機數(shù)圖3.12所示，課件（五桿鉸鏈機構）放一下，計算出機構自由度為2，如給機構一個獨立運動構件，那么其它構件運動如何，從圖中可見出運動是不確定的，構件

32、2，3，4位置不確定，當構件1占AB位置時，構件2，3，4可占位置BC、CD、DE或BC、CD、DE或其它位置。如再給定一個原動件（二個原動件運動規(guī)律可以相同，也可以不同）這時其它構件運動就確定了，這時機構自由度數(shù)等于原動件數(shù)。結論：1）當F0 這機構不可能產生相對運動，為一剛體 2）F>0 當原動件數(shù)小于機構自由度數(shù)時，構件間的相對運動就為無規(guī)則的。 當原動件數(shù)大于機構自由度數(shù)時，機構不能運動。 當原動件數(shù)等于機構自由度數(shù)時，構件間才能確定的相對運動，這就是機械運動的確定條件。3.3.3 應用公式時注意事項1. 局部自由度圖3.16所示，放課件（局部自由度）滾子繞其本身軸線作自由轉動，

33、絲毫不會影響其它構件的運動，這在進行自由度計算時，要將局部自由度去除，改為圖3.16b)。2. 復合鉸鏈圖3.14所示，放課件（復合鉸鏈）什么叫復合鉸鏈，如何進行計算結論：由m個構件匯成的復合鉸鏈應當作為m-1的轉動副，如圖3-1所示。圖3-1 復合鉸鏈計算3. 虛約束在運動副所加的約束中，有些約束所起的限制作用是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束，在計算自由度時，虛約束應當除去不計，圖3.17所示，放課件（圖3.17），說明一下圖3.17b）中EF為虛約束，簡化成圖3.17a）虛約束是很難找出，一般可從下面二點來找1）運動狀態(tài)不改變2）虛約束去掉前后F不同，圖3.17a中F=1，圖

34、3.17b中F=0，故EF為虛約束。接下來放課件（圖3.183.22）說明一下。那么虛約束有什么用途？它可提高構件的剛性，改善其受力情況，因此，在現(xiàn)場，還是被廣泛地使用。第4章 平面連桿機構一、教學要求本章的主要內容為用相對運動圖解法作平面連桿機構的運動（速度）分析、力分析；平面四桿機構的基本特性及其演化；鉸鏈四桿機構的曲柄存在條件；平面四桿機構的設計。具體的教學要求如下：1）了解平面機構的運動（速度）分析。2）掌握平面機構的力分析。3）了解平面四桿機構的基本型式，掌握其演化方法。4）掌握平面四桿機構的基本特性。5）掌握平面四桿機構的圖解法設計。二、重點、難點重點：平面四桿機構的基本型式、演化

35、及其基本特性。難點：1）平面四桿機構相關的基本概念。 2）平面四桿機構的力分析。 3）平面四桿機構的設計三、教學安排教學內容學時數(shù)1. 概述2. 平面機構的運動分析3. 平面機構的力分析24. 鉸鏈四桿機構的基本型式及演化25. 平面四桿機構的基本特性6. 平面四桿機構的設計2注：為了照顧編寫教案時的系統(tǒng)性，表中列出的學時數(shù)只僅供參考，但全章總學時數(shù)不變。全教案同。四、教學思路設計本章主要介紹平面四桿機構的類型、特性、運動分析、力分析及運動設計等，同時簡要討論機構的效率和自鎖問題。學習了這些內容，其最終目的為根據實際需求，確定滿足此需求的連桿機構類型，選擇合適的設計方法設計出此連桿機構。第4章

36、 第1講知識點教學手段1. 平面連桿機構概況介紹2. 同一構件上各點速度分析3. 1）運動副中的摩擦 2）機構的受力分析 3）機械效率及自鎖 4）螺旋機構的效率課件（同一構件上點的運動分析、平面摩擦、楔形滑塊等速移動受力、軸頸的摩擦和摩擦圓、轉動副、考慮摩擦時機構的靜力分析、矩形螺旋副受力、滑塊等速上升受力、滑塊等速下滑受力）一、講授時注意幾點：1. 4.2 平面機構的運動分析主要講授用相對運動圖解法求解同一構件各點速度的方法，其中提出速度影像原理，求解加速度等不作要求。2. 4.3 平面機構的力分析是本章的難點，主要是為了確定各運動副中的反力，進而確定平衡力、平衡力矩。對這部分內容主要應了解

37、運動副的摩擦情況，機構受力分析方法、機械效率及自鎖概念。二、講授程序設計分析應該要求低些，因此在講授此內容時，只得以簡單、典型情況進行分析，例如只分析同一構件點的速度，不分析加速度和不分析組成移動副的兩構件瞬時重合點的速度、加速度求法等。平面機構設計必須要進行運動分析及力分析。由于高職學生對設計的理論講授教案編寫如下所述第1講 教案第4章 平面連桿機構4.1 概述放課件（鉸鏈四桿機構）平面連桿機構是由若干個構件以低副連接形成的平面機構。若干個構件可以是4桿、5桿等，其中平面四桿機構是平面連桿機構中最常用的一種形式。平面連桿機構的優(yōu)缺點（教材中有，說明一下）4.2 用圖解法作平面機構的運動分析一

38、個機構必須要有確定運動及其一定的運動規(guī)律，因此必須要進行機構的運動分析。其任務：根據機構原動件的已知運動規(guī)律，分析確定該機構其它構件上的某些點的位移、速度、加速度或角位移、角速度、角加速度等。研究這些有什么用途：1）如研究位移，就能看出構件是否能到達這個位置、構件間會不會發(fā)生互相碰撞。2）如知道了機構的速度，就可求出機構的功率等。分析方法有圖解法、解析法，這里只談圖解法，而圖解法中又有速度瞬心法、相對運動法、線圖法，本章只談相對運動圖解法，現(xiàn)只介紹應用相對運動圖解法進行同一構件點的速度分析。這里就要指出一點：這些運動分析是在不考慮引起機構運動外力的影響下進行的。放課件（同一構件上各的運動分析）

39、，圖4.1所示，這種四桿機構構件間用鉸鏈相連的，又稱為鉸鏈四桿機構。已知：1）各構件的尺寸，位置 2）原動件1以等轉動求：1. 圖示位置時的機構中C點、E點的、。2. 、分析時理論依據為工程力學，即剛體作平面運動時可分解為隨基點的平動和繞基點的轉動，因此基點的選擇是一個關鍵問題，一定要選這個點上的速度為已知的，下面分析一下同一構件上各點的速度求法。放課件，并按圖4-1所示的，一邊講，一邊徒手在黑板上作圖。圖4-1 同一構件上點的速度分析選一個比例尺，做出機構位置圖。步驟：（1）求取基點為A點，大小為，方向，指向與相同。取比例尺作圖，取一極點P，作一線段作矢量為。（2）求因為B點與C點同為構件2

40、上的點，物體2作平面運動，基點取在B點，這是為什么？問一下學生，根據工程力學可知： ：為基點的速度。 ：為C點繞B點相對轉動的速度。 大小 ？ ？方向 下面說明二點：1）為什么的方向為？在構件3上，C點的速度為在構件2上，C點的速度為這C點為同一點，在二個構件上，因此=，由于方向為，所以方向也為。2）為什么方向？C點相對于B點的速度，即為B點不動，C點的速度，構件2作轉動，相對于B點作轉動，因此方向必定于BC。一邊作圖，一邊講解，根據相對運動矢量方程，就可得出pbc圖形，求出大小及大小。量出線段長度 、 ， （3）求、 從速度多邊形中可見出，因為方向方向圖示，則為順時轉。 同上法，可得出為逆時

41、轉。、標在圖上。（4）求因為B、C、E為同上構件上的點，同樣道理可得出下列矢量方程 這方程是以B點為基點，列出的。 這方程是以C點為基點，列出的。二者同等于則 大小 ？ ？ ？方向 ？ AB BE CE CE這矢量方程為二個未知數(shù)，就可用速度圖解法求出。這二線交于e點過b點作的方向線，beBE 過c點作的方向線，ceCE矢量代表，大小為，pbec為速度矢量多邊形，p為極點，根據上述，我們可得出速度多邊形的特性。1）極點p代表該構件上速度為零的點。2）在速度多邊形中連接p點和任一點的矢量，便代表該點在機構圖中的同名點的絕對速度，其指向是從p點指向該點。3）在速度多邊形中，連接其他任意兩點的矢量，

42、便代表該兩點在機構圖中的同名點間的相對速度，其指向與速度下標的順序相反。如代表而不是。4）從圖中可見出，代表各相對速度的矢量分別于機構圖中的。因此BCE bce，且字母順序一致，（圖示的為順時針方向）。圖形bce稱為機構圖中BCE的速度影像，這樣我們就可利用圖形相似原理求出同一構件上某一點的速度。最后要強調一下，這原理只能用于同一個構件上的各點速度求法，而不能用于機構的不同構件上各點速度求法。4.3 平面機構的力分析作用于機構上的力有5種類型1. 驅動力 驅使機構產生運動的力，這力所作的功為正值，稱輸入功。2. 阻力 阻止機構運動之力，其功為負值，阻力又可分為二種。 1）有效阻力：這個與生產工

43、作直接相關的阻力，其功稱有效功或輸出功，又稱工作阻力。 2）有害阻力：除了有效阻力外的無效部分，其功對生產沒有用，反而有害的。3. 運動副反力。 當機構運轉時，在運動副中產生的反作用力簡稱為反力，在進行力分析時，反力可分為沿運動副兩構件接觸處的法向和切向兩個分力。法向反力：又稱正壓力，它與運動副元素的相對運動方向相的。此力不作功。切向反力：即為運動副中的摩擦力，因它是由于正壓力而產生的，起到阻止運動的作用，一般情況下摩擦力對生產是無效的，有害的，但有些機構中摩擦力是起到有利的作用，如帶傳動中的摩擦力。考慮到摩擦力后的運動副的反力稱為總反力。4. 重力。5. 慣性力 （在高速時才考慮它）。為了保

44、證機構作持續(xù)的預先確定運動，根據此運動條件與作用在機構上的已知外力，就可求出與之相平衡的未知外力，這未知外力稱為平衡力或平衡力矩，這一點學生一定要記牢，理解，以后就要用到這原理去求平衡力的。再說明一下未知外力與已知外力一起作用在機構上，使機構處于平衡狀態(tài)，根據平衡條件就可求出未知外力（即平衡力，平衡力矩）。最后說明一下，研究機構力的分析的目的有兩個。 確定機構運動副的反力； 確定機構需加的平衡力或平衡力矩。力的分析可為今后計算各構件零件的強度，確定機械效率及軸承型式等提供了必需的資料。因此這一內容不但是重點，也是一個難點，學生一定要掌握它。4.3.1 運動副中的摩擦1. 移動副中的摩擦力最常見

45、的移動副中的摩擦可分為平滑塊的摩擦和槽形滑塊的摩擦二種，我們先談平滑塊的摩擦。圖4.3所示，放課件（平面摩擦），在黑板上按分析順序作圖。在外力F作用下，滑塊1向左移動，滑塊1和平面2組成一個移動副，因此分析一下滑塊1上作用什么力：驅動力F；平面2給1的反力。下面分析討論之。驅動力F：F力為作用在滑塊1上的所有作用力的合力，它與接觸面法線間所夾的角度為，將F力分解為法向分力Fn和切向分力Ft二部分。 Fn：使1滑塊緊貼于平面上。 Ft：使1滑塊在Ft作用下向左運動或具有向左運動趨勢。從圖中可得出 (4.4)反力：平面2加在滑塊1上的反作用力，它有兩部分組成。 正壓力FN ：為法向反力，它與Fn關

46、系是大小相等，方向相等的力，這是為什么？學生去想一下。 摩擦力Ff ：Ff的方向是與1相對于2的運動方向相反，大小為fFN。FN與Ff的合力就是平面上加在滑塊1上的總反作用力FR，又稱總反力FR。 角稱為摩擦角（FN與Ff之間夾角），在一定工作條件下，f（摩擦系數(shù)）為一定的，也為一定值，可得出式（4.9）。討論一下：1）當>時，說明了外力F的作用線在摩擦角之外的情況，這時Ft>Ff，推動力Ft大于摩擦力，使滑塊作加速運動。2）當=時，外力F的作用線與總反力FR作用線相重合。此時Ft=Ff，使滑塊作等速運動，如滑塊原來不動、靜止，那么滑塊1仍然保持靜止不動狀態(tài)。3）<時，外力F

47、的作用線在摩擦角所包圍區(qū)域的里面，此時Ft<Ff，滑塊作減速運動，而終于靜止。如滑塊1原來不動，那么無論外力F加得多大，滑塊1都不能運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。下面談一下楔形滑塊在楔形槽中的摩擦情況。放一下課件（楔形滑塊等速移動受力），圖4.4所示，滑塊1在楔形槽2中作等速滑移（圖中沿z向移動）。圖4.4 槽面摩擦分析方法同平滑塊的，作圖。驅動力為水平的F反力，滑塊的兩個接觸面上同時承受正壓、，和摩擦力Ff（畫圖加上這三個力）。根據平衡條件，經推導可得出式（4.6）F=fFr/sin=fvFr 4.6式中fv稱為當量摩擦系數(shù)，其數(shù)值始終大于f，也就是說槽面摩擦的摩擦力總是大于滑塊的摩擦力，這

48、樣引入fv概念后，就可將槽面摩擦簡化為平面摩擦概念來處理。2. 轉動副中的摩擦力軸承就是轉動副，軸在軸承孔中轉動，軸安裝在軸承孔的那一部分稱為軸頸。根據作用在軸頸上載荷的方向可分為徑向軸頸和軸向軸頸，本講只討論徑向軸頸摩擦問題。圖4.4所示，放課件（軸頸摩擦和摩擦圓、轉動副）。作用力如何？軸頸上作用著徑向載荷Fr及軸承孔2加在軸頸1上的總反力。在驅動力矩M作用下，使1在軸承孔2中作等速轉動12，根據平衡條件可知：Fr與必須構成一個阻止軸頸轉動的力矩，這力矩稱為摩擦力矩Mf，這Mf大小必須與驅動力矩M相平衡。 M=Mf因此，必與Fr為大小相等，方向相反的二個力組成的一個力偶。其作用線間相距一個距

49、離為，可得出Mf =·=Fr·?？赏瞥觯?=r·f0 (4.7)以軸心為圓心，為半徑，所作的圓稱為摩擦圓。總反力的作用線始終切于摩擦圓。下面總結一下，運動副中反力情況：1）移動副：不計摩擦時，反力方向于相對移動的導路；考慮摩擦時，反力方向與相對移動導路的方向之間偏轉一個摩擦角，偏轉方向與移動方向相反，反力的大小與作用點位置為未知，隨著外力變化而變化的。2）轉動副：不計摩擦時，反力作用線經過回轉中心；考慮摩擦時，反力作用線與摩擦圓相切，且反力對回轉中心的力矩的轉向，與組成轉動副的兩構件間的相對轉動方向相反，反力大小和方向均為未知。3）高副：不計摩擦時，反力作用線為沿

50、接觸點的公法線；考慮摩擦時，反力作用線為過接觸點與公法線之間偏轉個摩擦角，偏轉方向與相對滑動方向相反，反力大小未知。4.3.2 機構受力分析在不考慮慣性力情況下，構件上受力后，要達到力的平衡，這些力有什么特點。教材中指出四個特點，說明一下就可以了。下面舉例說明一下如何進行靜力分析，放課件（靜力分析）。例4.1 此曲柄滑塊機構，在滑塊3上受到驅動力F的作用，使1轉動，也就是克服工作阻力矩Mq使1作等轉動，具體解法見教材，這里不敘述，由教師們自編了。4.3.3 機械效率及自鎖 1. 機械效率的計算在穩(wěn)定運轉的周期內，輸入功=輸出功+損失功 Wf值越小越好，表示出對能量的有效利用程度就越高。 這為效

51、率用來衡量出對能量有效利用的程度，<1，不可能大于1。 2. 機械自鎖 當=0，不管驅動力加得多大，都不能使機械運動，這現(xiàn)象稱為機械自鎖。因此機械自鎖條件為04.3.4 螺旋機構的效率放課件（矩形螺旋副的受力），圖4.9所示為矩形螺紋，2為螺釘一部分螺紋，螺母畫出一小塊1，螺紋升角為，螺矩為P，將螺紋展開，就成為一斜面2，螺母為1滑塊。作一圖4.10a），邊分析，邊作圖?，F(xiàn)在擰螺母，相當于滑塊在斜面上上升或下降，螺母1上受到軸向載荷Fa和驅動力Fd或矩Md，滑塊1作用的外力為Fa、Fd，使螺母沿軸向移動。放課件（滑塊等速上升受力），現(xiàn)在加上Fd，使滑塊上升，相當于滑塊在驅動力Fd作用下，

52、克服阻力Fa沿斜面上升（移動方向與Fr方向相反），這種情況就相當于擰緊螺母情況。力分析：螺母1上作用力為外力：Fd、Fa反力：根據移動副摩擦原理可知，這三個力Fd、Fa、作用下，根據平衡條件可得出若不考慮摩擦力（=0）擰緊后，如果螺母在作用力Fa作用下，會使滑塊1沿斜面下滑，這時Fa為驅動力，F(xiàn)d變?yōu)镕d為生產阻力（支持力），這時受力情況就成為圖4.10c）情況，放課件（滑塊等速下滑受力）同樣可得出下列公式。如果要求螺母還能承受Fa作用，即擰緊后，不會在Fa作用下，自動使螺母下滑，這時螺母沿軸向移動方向與Fa方向相同，卻螺母不會自動松開，這時就要求螺紋副自鎖即，可得出自鎖條件為 以上為矩形螺紋分析，對于螺紋分析方法一樣，它相當于楔形滑塊在楔形槽面內滑動，只要將改為就可以了，這里可說明為什么螺紋用于連接之中，傳動用的螺紋就用矩形螺紋。第4章 第2講知識點教學手段四桿機構的基本型式平面四桿機構的演化課件（鉸鏈四桿機構等、平面四桿機構的演化）一、講授時注意幾點1. 4.4.1 四桿機構的基本型式平面四桿機構的基本型式為鉸鏈四桿機構，在學習時需要掌握以下基本概念：連桿、連架桿、曲柄、搖桿等。2. 4.4.2 平面四桿機構