第二章機(jī)械設(shè)計(jì)概論1

2.5機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及平面機(jī)構(gòu)的自在度平面機(jī)構(gòu)：一切構(gòu)件都在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)，否那么稱為空間機(jī)構(gòu)2.5.1運(yùn)動(dòng)副及其分類運(yùn)動(dòng)副：使兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副分為：低副、高副1、低副：兩構(gòu)件經(jīng)過面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副〔1〕轉(zhuǎn)動(dòng)副(鉸鏈〕組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件只能在一個(gè)平面內(nèi)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)〔2〕挪動(dòng)副組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件只能沿某一軸線相對(duì)挪動(dòng)2、高副：兩構(gòu)件經(jīng)過點(diǎn)或線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副球面高副柱面高副空間運(yùn)動(dòng)副球面副螺旋副圓柱套筒副一切機(jī)械都是假設(shè)干構(gòu)件的組合體，這些構(gòu)件由運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)接并具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2.5.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖：實(shí)踐構(gòu)件的外形和構(gòu)造往往很復(fù)雜，在研討機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),為使問題簡(jiǎn)化，撇開與運(yùn)動(dòng)無關(guān)的構(gòu)件外形和運(yùn)動(dòng)副詳細(xì)構(gòu)造,僅用簡(jiǎn)單線條和符號(hào)來表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副。這種用簡(jiǎn)單線條和符號(hào)來表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按比例定出各運(yùn)動(dòng)副的位置，以闡明機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)化圖形，稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖〔1〕固定件〔機(jī)架〕：是用來支承活動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)件。〔2〕原動(dòng)件：是運(yùn)動(dòng)規(guī)律知的活動(dòng)構(gòu)件。它的運(yùn)動(dòng)是由外界輸入的，故又稱為輸入構(gòu)件?！?〕從動(dòng)件:隨著原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的其他活動(dòng)構(gòu)件，其中輸出機(jī)構(gòu)的預(yù)期運(yùn)動(dòng)的從動(dòng)件稱為輸出構(gòu)件。任何一個(gè)機(jī)構(gòu)中，必有一個(gè)固定件，一個(gè)或幾個(gè)原動(dòng)件，其他的都是從動(dòng)件。機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件分三類：固定件〔機(jī)架〕原動(dòng)件(自動(dòng)件〕從動(dòng)件繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的方法和步驟1.確定機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件和輸出構(gòu)件，兩者之間為傳動(dòng)部份，分析確定傳動(dòng)部份的構(gòu)件及構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副的類型，從而確定整個(gè)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副。2.為將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖表示清楚，恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。普通選擇與多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面相平行的面為投影面，必要時(shí)也可以就機(jī)械的不同部分選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的投影面，然后展開到同一平面上。3.選擇適當(dāng)?shù)谋壤撸鶕?jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，然后用規(guī)定的符號(hào)畫出各類運(yùn)動(dòng)副，并將同一構(gòu)件上的運(yùn)動(dòng)副符號(hào)用簡(jiǎn)單線條銜接起來，這樣便繪制出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中的常用符號(hào)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中的常用符號(hào)例2-1繪制如下圖顎式破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自在構(gòu)件具有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于參考坐標(biāo)系，構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為構(gòu)件的自在度運(yùn)動(dòng)副限制構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)即為引入約束2.5.3平面機(jī)構(gòu)的自在度〔1〕轉(zhuǎn)動(dòng)副(鉸鏈〕〔2〕挪動(dòng)副各種運(yùn)動(dòng)副引入的約束高副：1平面機(jī)構(gòu)自在度的計(jì)算公式對(duì)于具有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的平面機(jī)構(gòu)，假設(shè)各構(gòu)件之間共構(gòu)成了PL個(gè)低副和PH個(gè)高副，那么它們共引入(2PL+PH)個(gè)約束。機(jī)構(gòu)的自在度F應(yīng)為:

F=3n－(2PL+PH)=3n－2PL－PH2機(jī)構(gòu)自在度的意義及具有確定運(yùn)動(dòng)的條件例2.2例2.3例2.4綜上所述，機(jī)構(gòu)的自在度Ｆ、機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的數(shù)目和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有著親密的關(guān)系：1)假設(shè)機(jī)構(gòu)自在度Ｆ≤０，那么機(jī)構(gòu)不能動(dòng)；2)假設(shè)Ｆ>０且與原動(dòng)件數(shù)相等，那么機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是確定的，因此，機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)的自在度Ｆ>０且機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自在度數(shù)；3)假設(shè)Ｆ>0，而原動(dòng)件數(shù)<F，那么構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)是不確定的;4〕假設(shè)Ｆ>０，而原動(dòng)件數(shù)>F，那么構(gòu)件間不能運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生破壞。機(jī)構(gòu)自在度的意義就是機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所必需給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。3計(jì)算機(jī)構(gòu)自在度時(shí)應(yīng)留意的事項(xiàng)〔1〕復(fù)合鉸鏈例由兩個(gè)以上構(gòu)件在同一處構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動(dòng)副稱為復(fù)合鉸鏈。由m個(gè)構(gòu)件聚集而成的復(fù)合鉸鏈該當(dāng)包含(m-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副?！?〕部分自在度不影響機(jī)構(gòu)輸入與輸出運(yùn)動(dòng)關(guān)系的個(gè)別構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為部分自在度。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自在度時(shí)，部分自在度該當(dāng)舍棄不計(jì)?！?〕虛約束在運(yùn)動(dòng)副的約束中，有些約束所起的限制造用是反復(fù)的，這種不起獨(dú)立限制造用的約束稱為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自在度時(shí)，應(yīng)將產(chǎn)生虛約束的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副去掉，然后再進(jìn)展計(jì)算。虛約束對(duì)運(yùn)動(dòng)不起作用，但可以添加構(gòu)件的剛性、使構(gòu)件受力平衡。常見的虛約束有以下幾種情況:１〕當(dāng)兩構(gòu)件組成多個(gè)挪動(dòng)副，且其導(dǎo)路相互平行或重合時(shí)，那么只需一個(gè)挪動(dòng)副起約束作用，其他都是虛約束。帶虛約束的凸輪機(jī)構(gòu)２〕當(dāng)兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且軸線相互重合時(shí)，那么只需一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副起作用，其他轉(zhuǎn)動(dòng)副都是虛約束。帶虛約束的曲軸3〕機(jī)構(gòu)中對(duì)運(yùn)動(dòng)起反復(fù)限制造用的對(duì)稱部分也往往會(huì)引入虛約束。帶虛約束的行星輪系自在度：機(jī)構(gòu)自在度計(jì)算舉例圖示牛頭刨床設(shè)計(jì)方案草圖。設(shè)計(jì)思緒為：動(dòng)力由曲柄1輸入，經(jīng)過滑塊2使擺動(dòng)導(dǎo)桿3作往復(fù)擺動(dòng)，并帶動(dòng)滑枕4作往復(fù)挪動(dòng)，以到達(dá)刨削加工目的。試問圖示的構(gòu)件組合能否能到達(dá)此目的？假設(shè)不能，該如何修正？圖1解：首先計(jì)算設(shè)計(jì)方案草圖的自在度改良措施：1、添加一個(gè)低副和一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件；2、用一個(gè)高副替代低副。即表示假設(shè)按此方案設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)是不能運(yùn)動(dòng)的。必需修正，以到達(dá)設(shè)計(jì)目的。2.6現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介1．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)〔ComputerAidedDesign〕，簡(jiǎn)稱CAD。它是把計(jì)算機(jī)技術(shù)引入設(shè)計(jì)過程，利用計(jì)算機(jī)來完成計(jì)算、選型、繪圖及其它作業(yè)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。

2．優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)〔OptimalDesign〕是把最優(yōu)化數(shù)學(xué)原理運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)問題，在一切可行方案中尋求最正確設(shè)計(jì)方案的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。進(jìn)展工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需將工程問題按優(yōu)化設(shè)計(jì)所規(guī)定的格式建立數(shù)學(xué)模型，然后選用適宜的優(yōu)化計(jì)算方法在計(jì)算機(jī)上對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)展尋優(yōu)求解，得到工程設(shè)計(jì)問題的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。3．可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)〔ReliabilityDesign〕是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為實(shí)際根底，以失效分析、失效預(yù)測(cè)及各種可靠性實(shí)驗(yàn)為根據(jù)，以保證產(chǎn)品的可靠性為目的的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品可靠性的定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能的才干。有許多力學(xué)和場(chǎng)問題，如復(fù)雜構(gòu)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(shù)值解。常用的數(shù)值解法有：有限差分法和有限元法。差分法雖簡(jiǎn)單但采用的是正交網(wǎng)格，不宜逼近曲線邊境；有限元法的網(wǎng)格那么可逼近任何曲線邊境，因此它是一種較通用的數(shù)值算法。4．有限元法〔FiniteElementMethod〕5．工業(yè)藝術(shù)外型設(shè)計(jì)它是指在保證產(chǎn)品適用功能的前提下，用藝術(shù)手段按照美學(xué)法那么對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)展外型活動(dòng)，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的構(gòu)造尺寸、面子形狀、顏色、材質(zhì)、線條、裝飾及人機(jī)關(guān)系等要素進(jìn)展有機(jī)的綜合處置，從而設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)美觀的產(chǎn)品外型。適用和美觀的最正確一致是工業(yè)藝術(shù)外型設(shè)計(jì)的根本原那么。最終應(yīng)使產(chǎn)品在保證明用的前提下，具有美的、富有表現(xiàn)力的審美特性。6．反求工程設(shè)計(jì)反求工程是消化吸化并改良國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的一系列任務(wù)方法和技術(shù)的總和。它對(duì)提高我國(guó)的科技和管理程度有著重要的意義。它是經(jīng)過實(shí)物或技術(shù)資料對(duì)已有的先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)展分析、解剖、實(shí)驗(yàn)，了解其資料、組成、構(gòu)造、性能、功能，掌握其工藝原理和任務(wù)機(jī)理，以進(jìn)展消化仿制、改良或開展、發(fā)明新產(chǎn)品的一種方法和技術(shù)。它是針對(duì)消化吸收先進(jìn)技術(shù)的系列分析方法和運(yùn)用技術(shù)的組合。反求工程包括設(shè)計(jì)反求、工藝反求、管理反求等各個(gè)方面。7．模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)展功能分析的根底上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，經(jīng)過模塊的不同選擇和組合就可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求。產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)是用盡能夠少的種類和數(shù)量的模塊組成盡能夠多種類和規(guī)格的產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，縮短供貨周期，；有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)，；有利于提高產(chǎn)質(zhì)量量，降低消費(fèi)本錢，；便于產(chǎn)品的維修。類似設(shè)計(jì)是類似性實(shí)際在機(jī)械領(lǐng)域的詳細(xì)運(yùn)用。是參考與所設(shè)計(jì)的內(nèi)容類似的實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)結(jié)果來進(jìn)展設(shè)計(jì)。類似設(shè)計(jì)包含以下四個(gè)方面：系列產(chǎn)品的類似設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)系列產(chǎn)品時(shí)，首先選定某一中檔型號(hào)的產(chǎn)品為基型，對(duì)它進(jìn)展最正確方案設(shè)計(jì)，定出其資料參數(shù)和尺寸。然后經(jīng)過類似性原理求出系列中其它產(chǎn)品的參數(shù)和尺寸。模型實(shí)驗(yàn)：是指不直接研討自然景象或過程本身，而是用與這些景象或過程類似的模型來進(jìn)展研討的一種方法。實(shí)物仿真：是對(duì)所研討和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模型進(jìn)展實(shí)驗(yàn)的過程。仿真模型和實(shí)踐景象普通是不同的物理過程，但過程的本質(zhì)是能用一樣的數(shù)學(xué)方程描畫的。8．類似設(shè)計(jì)9．設(shè)計(jì)方法學(xué)設(shè)計(jì)方法學(xué)是以系統(tǒng)的觀念來研討產(chǎn)品的設(shè)計(jì)程序、設(shè)計(jì)規(guī)律和設(shè)計(jì)中的思想與任務(wù)方法。它所研討的內(nèi)容包括：〔1〕設(shè)計(jì)過程及程序。研討將功能要求轉(zhuǎn)化為圖紙的設(shè)計(jì)過程，總結(jié)設(shè)計(jì)思想規(guī)律，尋求合理的設(shè)計(jì)程序?！?〕設(shè)計(jì)思想。研討設(shè)計(jì)中的思想規(guī)律，總結(jié)設(shè)計(jì)人員發(fā)明性思想的方法和技術(shù)。〔3〕設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。研討設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)方法，建立評(píng)價(jià)目的體系，運(yùn)用價(jià)值工程和多目的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)展定性和定量的綜合評(píng)價(jià)?！?〕設(shè)計(jì)信息。研討能經(jīng)過計(jì)算機(jī)調(diào)閱的設(shè)計(jì)信息庫的建立和運(yùn)用?！?〕現(xiàn)代設(shè)計(jì)實(shí)際與方法的運(yùn)用。研討如何把各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)實(shí)際與方法運(yùn)用到設(shè)計(jì)過程中去，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。2.6.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的根本特點(diǎn)如下：〔1〕程式性〔并行設(shè)計(jì)〕：采用并行設(shè)計(jì)的思想，