02第二章 機械設計概論2.5-2.6

2.5機構運動簡圖及平面機構的自由度平面機構：所有構件都在相互平行的平面內運動的機構稱為平面機構，否則稱為空間機構2.5.1運動副及其分類運動副：使兩構件直接接觸并能產生一定的相對運動的聯接稱為運動副運動副分為：低副、高副1、低副：兩構件通過面接觸組成的運動副（1）轉動副(鉸鏈）組成運動副的兩構件只能在一個平面內相對轉動（2）移動副組成運動副的兩構件只能沿某一軸線相對移動2、高副：兩構件通過點或線接觸組成的運動副球面高副

柱面高副空間運動副球面副螺旋副圓柱套筒副一切機械都是由運動副相聯接并具有確定相對運動的若干構件的組合體.2.5.2平面機構運動簡圖機構運動簡圖：實際構件的外形和結構往往很復雜，在研究機構運動時,為使問題簡化，撇開與運動無關的構件外形和運動副具體構造,僅用簡單線條和符號來表示構件和運動副。

這種用簡單線條和符號來表示構件和運動副，并按比例定出各運動副的位置，以說明機構中各構件間相對運動關系的簡化圖形，稱為機構運動簡圖（1）固定件（機架）：是用來支承活動構件的構件。（2）原動件：是運動規(guī)律已知的活動構件。它的運動是由外界輸入的，故又稱為輸入構件。（3）從動件:

隨著原動件的運動而運動的其余活動構件，其中輸出機構的預期運動的從動件稱為輸出構件。任何一個機構中，必有一個固定件，一個或幾個原動件，其余的都是從動件。

機構中的構件分三類：固定件（機架）原動件(主動件）

從動件繪制機構運動簡圖的方法和步驟1.確定機構的原動件和輸出構件，兩者之間為傳動部份，分析確定傳動部份的構件及構件間運動副的類型，從而確定整個機構的構件及運動副。2.為將機構運動簡圖表示清楚，恰當地選擇投影面。一般選擇與多數構件的運動平面相平行的面為投影面，必要時也可以就機械的不同部分選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到同一平面上。還可用局部簡圖?？傊?，繪制機構運動簡圖要以正確、簡單、清晰為原則。3.選擇適當的比例尺，根據機構的運動尺寸定出各運動副之間的相對位置，然后用規(guī)定的符號畫出各類運動副，并將同一構件上的運動副符號用簡單線條連接起來，這樣便繪制出機構的運動簡圖。機構運動簡圖中的常用符號名稱符號名稱符號運動簡圖中的常用符號名稱符號名稱符號例2-1繪制如圖所示顎式破碎機的機構運動簡圖一個作平面運動的自由構件具有三個獨立運動。相對于參考坐標系，構件所具有的獨立運動稱為構件的自由度運動副限制構件的獨立運動即為引入約束2.5.3平面機構的自由度（1）轉動副(鉸鏈）（2）移動副各種運動副引入的約束高副：1平面機構自由度的計算公式對于具有n個活動構件的平面機構，若各構件之間共構成了PL個低副和PH個高副，則它們共引入(2PL+PH)個約束。機構的自由度F顯然應為:F=3n－(2PL+PH)=3n－2PL－PH2機構自由度的意義及具有確定運動的條件例2.2例2.3例2.4例2.5兩個原動件綜上所述，機構的自由度Ｆ、機構原動件的數目和機構的運動有著密切的關系：1)若機構自由度Ｆ≤０，則機構不能動；2)若Ｆ>０且與原動件數相等，則機構各構件間的相對運動是確定的，因此，機構具有確定運動的條件是：機構的自由度Ｆ>０且機構的原動件數等于機構的自由度數；3)若Ｆ>0，而原動件數<F，則構件間的運動是不確定的;4）若Ｆ>０，而原動件數>F，則構件間不能運動或產生破壞。機構的自由度的意義就是機構具有確定位置時所必須給定的獨立運動參數的數目。3計算機構自由度時應注意的事項（1）復合鉸鏈例由兩個以上構件在同一處構成的重合轉動副稱為復合鉸鏈。由m個構件匯集而成的復合鉸鏈應當包含(m-1)個轉動副。（2）局部自由度

不影響機構輸入與輸出運動關系的個別構件的獨立運動稱為局部自由度。在計算機構自由度時，局部自由度應當舍棄不計。在運動副的約束中，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。（3）虛約束在計算機構的自由度時，應將產生虛約束的構件和運動副去掉，然后再進行計算。虛約束對運動不起作用，但可以增加構件的剛性、使構件受力均衡。常見的虛約束有以下幾種情況:１）當兩構件組成多個移動副，且其導路互相平行或重合時，則只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束。帶虛約束的凸輪機構２）當兩構件構成多個轉動副，且軸線互相重合時，則只有一個轉動副起作用，其余轉動副都是虛約束。帶虛約束的曲軸3）機構中對運動起重復限制作用的對稱部分也往往會引入虛約束。帶虛約束的行星輪系自由度：F=3*3-2*3-2*1=1機構自由度計算舉例例1圖示牛頭刨床設計方案草圖。設計思路為：動力由曲柄1輸入，通過滑塊2使擺動導桿3作往復擺動，并帶動滑枕4作往復移動，以達到刨削加工目的。試問圖示的構件組合是否能達到此目的？如果不能，該如何修改？圖1解：首先計算設計方案草圖的自由度改進措施：1、增加一個低副和一個活動構件；2、用一個高副代替低副。即表示如果按此方案設計機構，機構是不能運動的。必須修改，以達到設計目的。圖1-1圖1-2圖1-3圖1-4圖1-5圖1-6圖1-7圖1-8例2如圖2所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行。計算此機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。圖2局部自由度復合鉸鏈虛約束圖2-1例3計算圖3所示機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。圖3局部自由度虛約束例4如圖4所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。計算此機構的自由度(若存在局部自由度、復合鉸鏈、虛約束請標出）。

圖4局部自由度復合鉸鏈虛約束2.6現代設計方法簡介1．計算機輔助設計計算機輔助設計（ComputerAidedDesign），簡稱CAD。它是把計算機技術引入設計過程，利用計算機來完成計算、選型、繪圖及其它作業(yè)的一種現代設計方法。智能CAD2．優(yōu)化設計優(yōu)化設計（OptimalDesign）是把最優(yōu)化數學原理應用于工程設計問題，在所有可行方案中尋求最佳設計方案的一種現代設計方法。進行工程優(yōu)化設計，首先需將工程問題按優(yōu)化設計所規(guī)定的格式建立數學模型，然后選用合適的優(yōu)化計算方法在計算機上對數學模型進行尋優(yōu)求解，得到工程設計問題的最優(yōu)設計方案。優(yōu)化計算方法：隨機方向搜索法；單純形法；復合形法；拉格朗日乘子法；懲罰函數法；共軛梯度法；變尺度法等。遺傳算法舉例：內燃機閥門壓縮彈簧的優(yōu)化設計

已知最大工作載荷F2及變形λ,工作頻率fr及壽命N,彈簧指數C>6及剛度K,試求彈簧質量最輕時的鋼絲直徑d、中徑D2和工作圈數n。解：㈠建立數學模型⑴設計變量為d,D2,n⑵目標函數為彈簧重量，

其中，為死圈，ρ為密度。⑶約束條件①

剪切強度條件:②

彈簧指數限制:③

穩(wěn)定性條件：

H0/D2>5.3;④

無共振條件：自振頻率;㈡選擇優(yōu)化方法。㈢編寫源程序。㈣優(yōu)化計算結果：d,D2,n,W。

⑤剛度條件:最大變形允許的載荷3．可靠性設計可靠性設計（ReliabilityDesign）是以概率論和數理統(tǒng)計為理論基礎，以失效分析、失效預測及各種可靠性試驗為依據，以保證產品的可靠性為目標的現代設計方法。產品可靠性的定義為：產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定的功能的能力?？煽啃栽O計包括：（1）機械零件的可靠性設計（2）系統(tǒng)的可靠性設計規(guī)定的功能：如強度、精度、效率、穩(wěn)定性等規(guī)定的條件：如載荷、溫度、壓力、振動、潤滑、腐蝕等規(guī)定的時間：如壽命、循環(huán)次數、周期數、距離等（1）機械零件的可靠性設計傳統(tǒng)的設計方法采用許用應力和安全系數法，它們把設計變量（零件尺寸、材料特性、工作載荷等）當成常量，安全系數的大小由經驗來確定，判斷設計結果只能用“安全”或“不安全”，為了保險，往往采用較大的安全系數，導致結構尺寸被人為地放大。而實際情況是尺寸、強度、應力等都是離散的和隨時間變化的，機械零件的可靠性設計方法正是將設計變量看作離散變量的概率設計方法。系統(tǒng)的可靠性設計是：選定產品的可靠性指標及量值，對可靠性指標進行合理的分配，再把規(guī)定的可靠性指標設計到產品中去。（2）系統(tǒng)的可靠性設計機械可靠性設計的基本指標：常用的有：可靠度、失效率、失效密度、平均壽命和平均無故障時間等有許多力學和場問題，如復雜構件的變形與受力，彈流問題等，都很難得出解析解，通常只能求出數值解。常用的數值解法有：有限差分法和有限元法。差分法雖簡單但采用的是正交網格，不宜逼近曲線邊界；有限元法的網格則可逼近任何曲線邊界，因而它是一種較通用的數值算法。4．有限元法（FiniteElementMethod）有限元法是以計算機為工具的一種現代數值計算方法。目前，該法不僅能用于工程中復雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題（如結構力學、流體力學、熱傳導、電磁場等方面問題）的求解，而且還可用于工程設計中進行復雜結構的靜態(tài)和動態(tài)分析，并能準確地計算形狀復雜零件（如機架、汽輪機葉片、齒輪等）的應力分布和變形，成為復雜零件強度和剛度計算的有力分析工具。有限元法是將求解區(qū)域劃分成有限個一定形狀的簡單單元（如三角形等），單元間由節(jié)點聯接，并傳遞力、位移、溫度和其它參量。根據基本方程和邊界條件，可求出所有節(jié)點的參量值。單元內任一點的參量值都可由插值而得。有限元法隨計算機的發(fā)展很快，對求解大型復雜問題（如汽車、飛機等）極為有效。有限元法的解題步驟大體如下：⑴建模憑經驗或試算，建立起最佳的計算模型。⑵計算模型的離散先選定單元的類型和形狀（如三角形、四邊形、桿、梁、四面體、三棱柱、六面體、板殼等單元）；然后，按力變化的程度和位置的重要性選定單元的大小和密度；再按試算結果決定單元是否需要逐步加密。⑶單元特性分析包括單元位移模式的選擇和剛度矩陣的推導。⑷有限元方程的求解。⑸有限元分析的自動前、后處理。5．工業(yè)藝術造型設計它是指在保證產品實用功能的前提下，用藝術手段按照美學法則對工業(yè)產品進行造型活動，對工業(yè)產品的結構尺寸、體面形態(tài)、色彩、材質、線條、裝飾及人機關系等因素進行有機的綜合處理，從而設計出優(yōu)質美觀的產品造型。實用和美觀的最佳統(tǒng)一是工業(yè)藝術造型設計的基本原則。最終應使產品在保證實用的前提下，具有美的、富有表現力的審美特性。6．反求工程設計反求工程是消化吸化并改進國內外先進技術的一系列工作方法和技術的總和。它對提高我國的科技和管理水平有著重要的意義。它是通過實物或技術資料對已有的先進產品進行分析、解剖、試驗，了解其材料、組成、結構、性能、功能，掌握其工藝原理和工作機理，以進行消化仿制、改進或發(fā)展、創(chuàng)造新產品的一種方法和技術。它是針對消化吸收先進技術的系列分析方法和應用技術的組合。反求工程包括設計反求、工藝反求、管理反求等各個方面。7．模塊化設計模塊化設計是在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的不同選擇和組合就可以構成不同的產品，以滿足市場的不同需求。產品模塊設計的主要目標之一是用盡可能少種類和數量的模塊組成盡可能多種類和規(guī)格的產品。模塊化設計相對傳統(tǒng)設計具有如下優(yōu)點：能減少產品的設計和制造時間，縮短供貨周期，有利于爭取客戶；有利于產品的更新換代和新產品的開發(fā)，增強企業(yè)對市場的快速應變能力；有利于提高產品質量，降低生產成本，增強產品的市場競爭能力；便于產品的維修。相似設計是相似性理論在機械領域的具體應用。它可以解決模型試驗如何進行，系列產品如何設計以及計算機仿真原理等問題。模型試驗：是指不直接研究自然現象或過程本身，而是用與這些現象或過程相似的模型來進行研究的一種方法。系列產品的相似設計：設計系列產品時，首先選定某一中檔型號的產品為基型，對它進行最佳方案設計，定出其材料參數和尺寸。然后通過相似性原理求出系列中其它產品的參數和尺寸。仿真（實物仿真）：是對所研究和設計系統(tǒng)的模型進行試驗的過程。仿真模型和實際現象一般是不同的物理過程，但過程的本質是能用相同的數學方程描述的。仿真（虛擬設計）：計算機仿真8．相似設計9．設計方法學設計方法學（DesignMethodology）是以系統(tǒng)的觀點來研究產品的設計程序、設計規(guī)律和設計中的思維與工作方法的一門綜合性學科。它所研究的內容包括：（1）設計過程及程序。設計方法學從系統(tǒng)觀點出發(fā)來研究產品的設計過程，它將產品（即設計對象）視為由輸入、轉換、輸出三要素組成的系統(tǒng)，重點討論將功能要求轉化為產品結構圖紙的這一設計過程，并分析設計過程的特點，總結設計過程的思維規(guī)律，尋求合理的設計程序。（2）設計思維。設計是一種創(chuàng)新，設計思維應是創(chuàng)造性思維。設計方法學通過研究設計中的思維規(guī)律，總結設計人員科學的創(chuàng)造性的思維方法和技術。（3）設計評價。設計方案的優(yōu)劣如何評價？其核心取決于設計評價指標體系。設計方法學研究和總結評價指標體系的建立，以及應用價值工程和多目標優(yōu)化技術進行各種定性、定量的綜合評價方法。（4）設計信息。設計方法學研究設計信息庫的建立和應用，即探討如何把分散在不同學科領域的大量設計信息集中起來，建立各種設計信息庫，使之可通過計算機等先進設備方便快速地