機械設(shè)計與分析基礎(chǔ)- 課件 第二章 機械傳動系統(tǒng)的運動分析

第二章機械傳動系統(tǒng)的運動分析

第一節(jié)機構(gòu)的組成及運動簡圖第二節(jié)平面機構(gòu)具有確定運動的條件第三節(jié)機械傳動系統(tǒng)概述教學重點：一、運動鏈成為機構(gòu)的條件二、平面機構(gòu)自由度的計算三、機械傳動的運動和動力參數(shù)四、機械傳動系統(tǒng)的基本功能教學難點：一、平面機構(gòu)運動簡圖的繪制二、自由度計算應(yīng)注意的特殊情況第二章機械傳動系統(tǒng)的運動分析

第一節(jié)機構(gòu)的組成及運動簡圖三、運動鏈與機構(gòu)一、構(gòu)件的運動形式二、運動副及其分類四、平面機構(gòu)運動簡圖一、構(gòu)件的運動形式

1．構(gòu)件的平動構(gòu)件作平動（或移動）時，其上任一條直線始終與初始位置保持平行。平面機構(gòu)——所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)。直線平動——構(gòu)件運動時，其上各點的運動軌跡為直線。工程實例：活塞的運動——直線平動

曲線平動——構(gòu)件運動時，其上各點的運動軌跡為曲線。

工程實例：料槽的平動——曲線平動一、構(gòu)件的運動形式

1．構(gòu)件的平動平面機構(gòu)——所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)。構(gòu)件平動時的特征：①構(gòu)件上各點的軌跡形狀相同；②

在同一瞬時，構(gòu)件上各點的速度及加速度相同。

工程實例：內(nèi)燃機推桿和氣門、車輪聯(lián)動機構(gòu)中的連桿車輪聯(lián)動機構(gòu)中連桿內(nèi)燃機推桿和氣門轉(zhuǎn)軸——構(gòu)件轉(zhuǎn)動時，其上固定不動的直線。構(gòu)件作轉(zhuǎn)動時，其上（或其延伸部分）有唯一的一條直線固定不動。例如：齒輪、凸輪、帶輪、電機轉(zhuǎn)子、機床主軸等。

2．構(gòu)件的定軸轉(zhuǎn)動齒輪

飛輪

構(gòu)件定軸轉(zhuǎn)動時的特征：①除轉(zhuǎn)軸上的點不動外，其余各點都在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)作圓周運動；②各點作圓周運動時，圓心在轉(zhuǎn)軸上，半徑為點到轉(zhuǎn)軸的距離。

2．構(gòu)件的定軸轉(zhuǎn)動齒輪

飛輪工程實例：車輪沿直線軌道的滾動構(gòu)件作平面運動時，其上任一點始終在某一平面內(nèi)運動。

平動和定軸轉(zhuǎn)動是平面運動的特殊情形。平面運動可視作平動和轉(zhuǎn)動的合成。

3

．構(gòu)件的平面運動工程實例：內(nèi)燃機連桿的運動二、運動副及其分類一個作平面運動的自由構(gòu)件S

可有三個獨立運動。構(gòu)件的自由度——構(gòu)件所具有的獨立運動數(shù)目?？梢?，一個作平面運動的自由構(gòu)件有三個自由度。約束——對構(gòu)件獨立運動的限制。

運動副——兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生確定相對運動的連接。

1．低副——兩構(gòu)件以面接觸構(gòu)成的運動副。二、運動副及其分類（1）轉(zhuǎn)動副鉸鏈——由圓柱銷和銷孔構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副。

構(gòu)成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件只能繞某一軸線作相對轉(zhuǎn)動。軸與軸承

圓柱銷與銷孔

構(gòu)成移動副的兩構(gòu)件只能沿一個方向作相對移動?；钊c氣缸滑板與導(dǎo)軌

1．低副——兩構(gòu)件以面接觸構(gòu)成的運動副。二、運動副及其分類（2）移動副

——兩構(gòu)件以點或線接觸構(gòu)成的運動副。

2．高副組成平面高副的兩構(gòu)件可沿接觸處切線tt方向的相對移動和繞接觸點A（或接觸線）的相對轉(zhuǎn)動。

2．高副車輪與鋼軌凸輪與頂桿兩輪齒嚙合螺旋副

球副

空間運動副——兩構(gòu)件間的相對運動是空間運動。

1．運動鏈閉式運動鏈——各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)。三、運動鏈與機構(gòu)開式運動鏈——各構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)。

——兩個或兩個以上的構(gòu)件通過運動副聯(lián)接而成的系統(tǒng)。在運動鏈中，固定某一構(gòu)件，并讓另一個（或幾個）構(gòu)件按給定運動規(guī)律相對于固定構(gòu)件運動，其余構(gòu)件能隨之作確定的相對運動，即形成機構(gòu)。

2．機構(gòu)

機構(gòu)是由機架、原動件和從動件組成的傳遞機械運動和力的構(gòu)件系統(tǒng)。

——用簡單的線條和符號來表示構(gòu)件和運動副，并按一定比例確定各運動副的相對位置，以表示機構(gòu)中各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的簡化圖形。四、平面機構(gòu)運動簡圖12

1

2在機構(gòu)運動簡圖中，運動副的表示方法見表2-1；一般構(gòu)件的表示方法見表2-2。機構(gòu)示意圖——只反映機構(gòu)組成情況及其運動的傳遞方式，不要求嚴格地按比例繪制的運動簡圖。

工程實例：單缸四沖程內(nèi)燃機常見機構(gòu)示意圖符號見表2-3。機構(gòu)示意圖——只反映機構(gòu)組成情況及其運動的傳遞方式，不要求嚴格地按比例繪制的運動簡圖。常見機構(gòu)示意圖符號見表2-3。

工程實例：牛頭刨床繪制機構(gòu)運動簡圖的一般步驟為：①分析機構(gòu)的組成和運動原理。確定機構(gòu)的機架、原動件和從動件，及原動件的運動方向。②從原動件開始，沿運動傳遞路線，確定運動副的類型和數(shù)目。③選擇繪制簡圖的視圖平面；測量各運動副相對位置的實際尺寸。④選擇合適的比例尺，按比例定出各運動副的相對位置；用規(guī)定符號繪制出機構(gòu)運動簡圖；并以箭頭表示原動件的運動方向。常用的比例尺為：

【例2-1】繪制卡車翻斗自動卸料機構(gòu)的運動簡圖。

解：

（1）分析機構(gòu)的組成和運動原理。

（2）依次確定運動副的類型。

（3）選擇視圖平面，繪制機構(gòu)草圖，并測量確定各運動副相對位置的實際尺寸。

（4）確定長度比例尺μl=amm/mm，并繪制機構(gòu)運動簡圖，用箭頭表示活塞桿3的運動方向。車體翻斗活塞桿油缸體

【例2-2】繪制液壓泵的機構(gòu)示意圖。

解：

（1）分析機構(gòu)的組成和運動原理。

（2）依次確定運動副的類型。

（3）選擇視圖平面后，目測各運動副的相對位置，按大致比例繪圖。箭頭表示原動件1的運動方向。1－偏心輪2－

圓套3－

隔板4－泵體

【例2-3】繪制壓力機的運動簡圖。

連桿滑竿連桿滾子槽凸輪齒輪滑塊沖桿機座齒輪偏心輪解：

（1）分析機構(gòu)的組成和運動原理。

（2）依次確定運動副的類型。

（3）選擇視圖平面和比例尺；測量各構(gòu)件尺寸和各運動副間的相對位置。（4

）設(shè)偏心輪1相對機架9處于某一位置，并從偏心輪1開始，分別沿著兩條運動路線，用規(guī)定的符號依次畫出各個構(gòu)件和運動副。箭頭表示原動件1-1'的轉(zhuǎn)動方向。返回第二節(jié)平面機構(gòu)具有確定運動的條件一、平面機構(gòu)自由度的計算二、運動鏈的可動性及運動確定性的條件三、平面機構(gòu)自由度計算中的特殊情況

運動鏈成為機構(gòu)時必定可動，并具有運動的確定性，其條件與機構(gòu)的獨立運動數(shù)目即自由度有關(guān)。一、平面機構(gòu)自由度的計算在一個平面機構(gòu)中，設(shè)：

n個活動構(gòu)件，PL個低副，PH個高副。

則平面機構(gòu)自由度F為：F=3n－2PL－PH

【例2-4】計算圖示機構(gòu)的自由度。

解：n＝4

PL＝5（A、B、C、D、E）

PH＝0＝3×4－2×5－0＝2F＝3n－2PL－PH根據(jù)

【例2-5】計算圖示機構(gòu)的自由度。

解：n＝3

PL＝4（A、B、C、D）

PH＝0＝3×3－2×4－0＝1F＝3n－2PL－PH根據(jù)運動鏈可動性的必要條件：自由度F＞0二、運動鏈的可動性及運動確定性的條件否則，構(gòu)件系統(tǒng)沒有運動的可能性。運動鏈的自由度F=0，該運動鏈不可動。運動鏈的自由度F=－1，該運動鏈也不可動。工程實例：桁架工程實例：超靜定桁架機構(gòu)具有確定運動的條件是：自由度F＞0，

且F＝原動件數(shù)。二、運動鏈的可動性及運動確定性的條件工程實例：曲柄滑塊機構(gòu)A123BCD三、平面機構(gòu)自由度計算中的特殊情況

1．復(fù)合鉸鏈

K個構(gòu)件匯集而成復(fù)合鉸鏈，應(yīng)有(K－1)個轉(zhuǎn)動副。處理方法：計算自由度時應(yīng)識別復(fù)合鉸鏈，并確定所包含的轉(zhuǎn)動副個數(shù)?！纠?-6】計算圓盤鋸機構(gòu)的自由度，并判定其原動件數(shù)是否合適。解：n=7，PL＝10，PH＝0。因該機構(gòu)中的構(gòu)件1為原動件，故原動件數(shù)等于自由度，合適。F＝3n－2PL－PH＝3×7－2×10＝1根據(jù)

2．局部自由度——機構(gòu)中與輸出構(gòu)件運動無關(guān)的自由度。例如：凸輪機構(gòu)

n＝3

PL＝3（A、B、C）

PH＝1（a）F＝3n－2PL－PH＝3×3－2×3－1＝2根據(jù)？處理方法：在計算自由度時應(yīng)預(yù)先排除局部自由度。

2．局部自由度——機構(gòu)中與輸出構(gòu)件運動無關(guān)的自由度。此時：

n＝2，

PL＝2(A、B)，

PH＝1(a)。結(jié)果：計算結(jié)果與實際一致。即當凸輪為原動件時，機構(gòu)的運動確定。＝3×2－2×2－1＝1F＝3n－2PL－PH例如：凸輪機構(gòu)

3．虛約束

處理方法：在計算機構(gòu)的自由度時應(yīng)當除去虛約束。

常見虛約束的引入情況見表2-4

。

——對機構(gòu)的運動不起獨立限制作用的約束，即與其它約束的作用重復(fù)。解：n＝9，PL＝12，PH＝2

。

＝3×9－2×12－2＝1弧線箭頭表明：小齒輪是原動件。即：原動構(gòu)件數(shù)與機構(gòu)自由度相等，故原動件數(shù)恰當。

【例2-7】試計算沖壓機構(gòu)的自由度，并判斷原動件數(shù)目是否恰當。

F＝3n－2PL－PH根據(jù)返回第三節(jié)機械傳動系統(tǒng)概述一、機械傳動的運動和動力參數(shù)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能三、機械傳動系統(tǒng)運動方案分析實例一、機械傳動的運動和動力參數(shù)

機械傳動是用各種型式的機構(gòu)來傳遞運動和動力，各種常用機構(gòu)傳遞運動的一般型式、特點及應(yīng)用見表2-5。動力參數(shù)——功率、轉(zhuǎn)矩、效率等。

運動參數(shù)——速度、傳動比等。

1．構(gòu)件的速度（1）角速度

轉(zhuǎn)動構(gòu)件的轉(zhuǎn)角

摩擦輪

轉(zhuǎn)角φ——固定平面Ⅰ與動平面Ⅱ（固聯(lián)在摩擦輪上）的夾角。轉(zhuǎn)角φ是代數(shù)量。規(guī)定：自z軸的正端看，摩擦輪逆時針方向轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)角為正值；反之為負值。

角速度ω是代數(shù)量，它能夠反映構(gòu)件轉(zhuǎn)動的快慢和轉(zhuǎn)動的方向。

當ω＞0時，構(gòu)件逆時針轉(zhuǎn)動；當ω＜0時，構(gòu)件順時針轉(zhuǎn)動。

角速度ω的單位：rad/s（弧度/秒）。轉(zhuǎn)速n——每分鐘轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。單位：r/min（轉(zhuǎn)/分）。角速度ω和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為：角速度ω——構(gòu)件轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)角φ隨時間t變化的變化率，即：轉(zhuǎn)動構(gòu)件的轉(zhuǎn)角

摩擦輪υ=rω轉(zhuǎn)動構(gòu)件上任一點線速度的大小與該點的轉(zhuǎn)動半徑成正比；方向垂直于轉(zhuǎn)動半徑，指向與角速度的轉(zhuǎn)向一致。

當以轉(zhuǎn)速n(r/min)表示構(gòu)件轉(zhuǎn)動快慢，則在直徑為d(mm)的圓周上，各點的線速度(即圓周速度)可表示為：

（2）線速度

減速傳動時i12＞1；增速傳動時i12＜1。傳動系統(tǒng)總傳動比等于各級傳動比的連乘積，即：i1k=i12﹒i23…ijk式中：n1、n2——主、從動輪轉(zhuǎn)速；

z1、z2——主、從動輪齒數(shù)；

d1、d2——主、從動輪計算直徑。

2．傳動比功率P是單位時間內(nèi)力F（N）所作的功，即：式中：υ——線速度，m/s；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

T——轉(zhuǎn)矩，N·m；即作用在轉(zhuǎn)動構(gòu)件上的力F對轉(zhuǎn)軸O點之矩，

T=Fr。

3．功率力對轉(zhuǎn)軸之矩機械效率能夠反映輸入功率在機械傳動中的有效利用程度。則輸出功率P輸出等于輸入功率P輸入乘以機械效率η，即：機械效率η等于機械的輸出功W輸出（功率P輸出）與輸入功W輸入（功率P輸入）之比，即：

4．機械效率P輸出=P輸入·η

機械傳動系統(tǒng)總效率η為各級傳動和各處軸承、聯(lián)軸器的效率之乘積，即：η=η1·η2·η3…ηk

其中：一對軸承效率為：0.98~0.995；聯(lián)軸器的效率為：0.99~0.995；各類傳動效率可查配套指導(dǎo)書表2-4。對各零件進行工作能力計算時，均以其輸入功率作為計算功率。

4．機械效率

【例2-8】在二級齒輪傳動系統(tǒng)中，已知：P輸入、P輸出以及η齒輪和η軸承，試求Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸的計算功率及兩齒輪副的計算功率。解：設(shè)：

PⅠ——Ⅰ軸的計算功率；

PⅡ——Ⅱ軸的計算功率；

PⅢ——Ⅲ軸的計算功率。

P1——1、2齒輪副的計算功率；

P2——3、4齒輪副的計算功率。功率流：

η聯(lián)軸器η軸承

η齒輪

η軸承P電機

P輸入=PⅠ

P1

P2

PⅢ

P輸出PⅡ

η齒輪

η軸承（1）若由P輸入計算，可得：

【例2-8】在二級齒輪傳動系統(tǒng)中，已知：P輸入、P輸出以及η齒輪和η軸承，試求Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸的計算功率及兩齒輪副的計算功率。（2）若由P輸出計算，可得：已知運動件的輸入功率P(kW)和轉(zhuǎn)速n(r/min)，則運動件的轉(zhuǎn)矩T可由下式求得：在傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩的普遍關(guān)系式為：

式中：T1

、T

k——主、從動軸轉(zhuǎn)矩；

i1k——主、從動軸間傳動比；

η1k——主、從動軸間機械效率。

5．轉(zhuǎn)矩

【例2-8】汽車發(fā)動機的額定功率P=74kW，若不考慮功率損耗，當傳動軸的轉(zhuǎn)速n=1000r/min時，試求傳動軸所輸出的轉(zhuǎn)矩；當駕駛員換檔以后，傳動軸的轉(zhuǎn)速降為n1=650r/min，試求此時傳動軸輸出的轉(zhuǎn)矩。解：（1）轉(zhuǎn)速n=1000r/min時，傳動軸的輸出轉(zhuǎn)矩為：

（2）轉(zhuǎn)速降為n1=650r/min時，傳動軸的輸出轉(zhuǎn)矩為：二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換從動件連續(xù)回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)變向、變速。原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)工程實例：外嚙合齒輪機構(gòu)、內(nèi)嚙合齒輪機構(gòu)、圓錐齒輪機構(gòu)外嚙合齒輪機構(gòu)內(nèi)嚙合齒輪機構(gòu)圓錐齒輪機構(gòu)蝸桿蝸輪機構(gòu)帶傳動機構(gòu)鏈傳動機構(gòu)從動件連續(xù)回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)變向、變速。工程實例：蝸桿蝸輪機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換從動件間歇回轉(zhuǎn)工程實例：電影放映機（槽輪機構(gòu)）二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)從動件間歇回轉(zhuǎn)工程實例：不完全齒輪機構(gòu)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)工程實例：圓柱凸輪分度機構(gòu)從動件間歇回轉(zhuǎn)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)擺動導(dǎo)桿機構(gòu)擺動圓柱凸輪機構(gòu)從動件往返擺動工程實例：擺動導(dǎo)桿機構(gòu)、擺動圓柱凸輪機構(gòu)原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換內(nèi)燃機氣門機構(gòu)圓柱凸輪輸送機從動件移動工程實例：圓柱凸輪輸送機、內(nèi)燃機氣門機構(gòu)原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換揉面機連桿步進輸送機構(gòu)從動件作平面復(fù)雜運動工程實例：揉面機、連桿步進輸送機構(gòu)原動件連續(xù)回轉(zhuǎn)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換原動件擺動鶴式起重機棘輪機構(gòu)手搖唧筒從動件擺動，或移動，或間歇回轉(zhuǎn)工程實例：鶴式起重機、手搖唧筒、棘輪機構(gòu)二、機械傳動系統(tǒng)的基本功能

1．實現(xiàn)運動形式的變換

2．實現(xiàn)運動速度的變換

工程實例：

二級齒輪減速器

2．實現(xiàn)運動速度的變換工程實例：

汽車齒輪變速箱機械傳動中，常需要將兩個運動合成為一個輸出運動或?qū)⒁粋€運動分解為兩個輸出運動。傳動機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)運動合成和分解。

3．實現(xiàn)運動合成和分解

工程實例：電風扇搖頭機構(gòu)

3．實現(xiàn)運動合成和分解工程實例：平板印刷機吸紙機

4．獲得大的機械效益工程實例：手動蝸桿傳動起重機構(gòu)起重時，作用在卷筒上的轉(zhuǎn)矩為：驅(qū)動蝸桿驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為T