本書共分為4篇，第一篇主要介紹了常用的機構(gòu)原理及相應(yīng)的設(shè)計資料；第二篇主要介紹了包括齒輪傳動、蝸桿傳動、撓性傳動、輪系、軸承、軸、聯(lián)軸器與離合器等傳動零部件在內(nèi)的設(shè)計計算相關(guān)知識；第三篇主要介紹了連接與支撐零部件的相關(guān)設(shè)計資料；第四篇以圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器與圓柱蝸桿減速器為設(shè)計對象，較為詳細、具體地介紹了課程設(shè)計的具體步驟及設(shè)計規(guī)范。
《機械設(shè)計基礎(chǔ)與課程設(shè)計》是機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的配套教材。本書從普通高等教育機械類應(yīng)用型人才及卓越工程師培養(yǎng)的需要出發(fā)，根據(jù)教育部有關(guān)"機械設(shè)計基礎(chǔ)"課程教學(xué)基本要求和近幾年教學(xué)內(nèi)容改革和綜合能力培養(yǎng)的需要，汲取各院校在培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才方面的經(jīng)驗和成果，密切結(jié)合工程實際并充分運用現(xiàn)代設(shè)計方法，結(jié)合編者多年的教學(xué)經(jīng)驗和教改實踐編寫而成，可供機械及近機械類、機電類各專業(yè)使用。 本書以常見的齒輪減速器課程設(shè)計為例，引出了各類相關(guān)的零部件設(shè)計資料及原理，系統(tǒng)地介紹了機械傳動裝置的設(shè)計內(nèi)容、步驟和方法，并注重設(shè)計思路和現(xiàn)代設(shè)計方法的引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生把先修課程的理論知識融會貫通地應(yīng)用到設(shè)計中去。將課程設(shè)計指導(dǎo)書、設(shè)計參考圖、有關(guān)國家標準規(guī)范及設(shè)計參考資料等有機地結(jié)合起來，是一本適用于課程講授與課程設(shè)計的教材。
前 言
《機械設(shè)計基礎(chǔ)與課程設(shè)計》是機械設(shè)計基礎(chǔ)課程的配套教材。本書從普通高等教育機械類應(yīng)用型人才及卓越工程師培養(yǎng)的需要出發(fā)，根據(jù)教育部有關(guān)"機械設(shè)計基礎(chǔ)"課程教學(xué)基本要求和近幾年教學(xué)內(nèi)容改革和綜合能力培養(yǎng)的需要，汲取各院校在培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才方面的經(jīng)驗和成果，密切結(jié)合工程實際并充分運用現(xiàn)代設(shè)計方法，結(jié)合編者多年的教學(xué)經(jīng)驗和教改實踐編寫而成，可供機械及近機械類、機電類各專業(yè)使用。 本書以常見的齒輪減速器課程設(shè)計為例，引出了各類相關(guān)的零部件設(shè)計資料及原理，系統(tǒng)地介紹了機械傳動裝置的設(shè)計內(nèi)容、步驟和方法，并注重設(shè)計思路和現(xiàn)代設(shè)計方法的引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生把先修課程的理論知識融會貫通地應(yīng)用到設(shè)計中去。將課程設(shè)計指導(dǎo)書、設(shè)計參考圖、有關(guān)國家標準規(guī)范及設(shè)計參考資料等有機地結(jié)合起來，是一本適用于課程講授與課程設(shè)計的教材。 本書作為機械學(xué)科課程體系中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課教材，在編寫中力求具有如下特色。 (1) 對課程設(shè)計所需設(shè)計資料進行了重新編排與整理。按照實際工程的內(nèi)在聯(lián)系和認識的一般規(guī)律，將全書內(nèi)容分為4篇進行闡述。第一篇主要介紹常用機構(gòu)原理與設(shè)計；第二篇包括各類傳動零部件設(shè)計；第三篇包括連接、支撐零部件設(shè)計；第四篇為常見齒輪減速器課程設(shè)計內(nèi)容。 (2) 本書不僅講述課程設(shè)計相關(guān)理論與方法，而且涵蓋了系統(tǒng)的機械設(shè)計基礎(chǔ)知識體系與設(shè)計資料，最大的特色在于融入了現(xiàn)代設(shè)計工具的應(yīng)用方法，使得學(xué)生所學(xué)的理論知識有確切的工程實踐命題得以印證。 (3) 本書編寫組創(chuàng)建QQ群，用于專業(yè)教師同行探討問題、研究教學(xué)方法、交流教學(xué)資源，同時為本書提供課件下載。 本書由山東理工大學(xué)于文強、重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室趙相路、湖南常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院宋道沙、內(nèi)蒙古包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院孫慧、內(nèi)蒙古呼和浩特職業(yè)學(xué)院牛艷萍等教學(xué)一線的老師合作編寫，由山東中天科技工程有限公司工程師孫冰擔(dān)任技術(shù)指導(dǎo)。本書編寫的具體分工如下：于文強編寫第1～9章，趙相路編寫第10～12章，孫冰編寫第13、14章，宋道沙編寫第15、16章，孫慧編寫第17～20章，牛艷萍編寫第21～23章。 本書由山東理工大學(xué)王蘭美教授擔(dān)任主審，在此表示衷心的感謝。在編寫過程中，我們參考了相關(guān)文獻，在此對這些文獻的作者表示衷心的感謝！ 盡管我們?yōu)楸緯冻隽耸值呐托难珪腥源嬖诓蛔阒帲瑧┱垙V大同行和讀者批評指正。 編 者
目 錄
緒論 10.1 機械的組成 10.2 本課程的研究內(nèi)容和任務(wù) 20.3 機械設(shè)計的基本要求和一般步驟 30.4 課程設(shè)計的基本要求和內(nèi)容 5
第1篇 常用機構(gòu)原理及設(shè)計資料
第1章 平面機構(gòu)的運動簡圖及自由度 81.1 機構(gòu)的組成 81.2 平面機構(gòu)的運動簡圖 91.3 平面機構(gòu)的自由度 14習(xí)題 18 第2章 平面連桿機構(gòu) 192.1 鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型與工作特性 192.2 鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄存在條件 252.3 平面四桿機構(gòu)的演化 262.4 平面四桿機構(gòu)的圖解法設(shè)計 29習(xí)題 30 第3章 凸輪機構(gòu) 323.1 凸輪機構(gòu)的組成和分類 323.2 從動件的常用運動規(guī)律 343.3 圖解法設(shè)計凸輪輪廓 363.4 凸輪機構(gòu)基本參數(shù)的確定 423.5 圓柱凸輪機構(gòu)的課程設(shè)計 44習(xí)題 52第4章 間歇運動機構(gòu) 534.1 棘輪機構(gòu) 534.2 槽輪機構(gòu) 554.3 不完全齒輪機構(gòu) 574.4 凸輪間歇運動機構(gòu) 584.5 間歇運動機構(gòu)的課程設(shè)計 58習(xí)題 62
第2篇 傳動零部件資料及設(shè)計
第5章 齒輪傳動 635.1 齒輪傳動的類型、特點及應(yīng)用 635.2 齒廓嚙合基本定律 645.3 漸開線和漸開線齒廓的嚙合特性 655.4 標準直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸 685.5 漸開線標準直齒圓柱齒輪的嚙合傳動 715.6 漸開線直齒圓柱齒輪的加工 745.7 輪齒的失效形式和齒輪材料 775.8 直齒圓柱齒輪的強度計算 815.9 斜齒圓柱齒輪傳動 885.10 直齒圓錐齒輪傳動 925.11 齒輪傳動的潤滑 965.12 斜齒圓柱齒輪SolidWorks三維 設(shè)計實例 97習(xí)題 101第6章 蝸桿傳動 1036.1 概述 1036.2 圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸 1076.3 蝸桿傳動的失效形式、材料和結(jié)構(gòu) 1116.4 蝸桿傳動的受力分析和強度計算 1126.5 蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算 1136.6 阿基米德蝸輪蝸桿在SolidWorks中的建模與裝配 115習(xí)題 119第7章 撓性傳動 1207.1 帶傳動的類型、特點及運用 1207.2 V帶和帶輪的結(jié)構(gòu) 1227.3 帶傳動的工作情況分析 1257.4 普通V帶傳動的計算 1287.5 帶傳動的張緊、安裝及維護 1337.6 鏈傳動簡介 134習(xí)題 138第8章 輪系 1398.1 輪系及其分類 1398.2 定軸輪系傳動比的計算 1408.3 周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計算 1438.4 復(fù)合輪系傳動比的計算 1468.5 輪系的應(yīng)用 147習(xí)題 151第9章 軸承 1529.1 軸承的分類 1529.2 滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號 1529.3 滾動軸承的壽命計算和尺寸選擇 1579.4 滾動軸承的組合設(shè)計 1649.5 滑動軸承的類型及結(jié)構(gòu) 1699.6 非液體摩擦滑動軸承的設(shè)計計算 174習(xí)題 176第10章 軸 17810.1 概述 17810.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18010.3 軸的強度計算 18410.4 軸的剛度計算 186習(xí)題 187第11章 聯(lián)軸器、離合器和制動器 18811.1 聯(lián)軸器 18811.2 離合器 19311.3 制動器 196習(xí)題 198第12章 傳動零件的設(shè)計計算 19912.1 軸徑的初算 19912.2 聯(lián)軸器的選擇 19912.3 減速器箱體外部傳動零件的 設(shè)計 20012.4 減速器箱體內(nèi)部傳動零件的設(shè)計 202習(xí)題 204
第3篇 連接、支撐零部件資料及設(shè)計
第13章 螺紋連接 20513.1 螺紋連接的基本知識 20513.2 螺紋連接的預(yù)緊和防松 20813.3 螺栓連接的強度計算和結(jié)構(gòu) 設(shè)計 210習(xí)題 217第14章 鍵連接和銷連接 21914.1 鍵連接 21914.2 銷連接 226習(xí)題 228
第4篇 減速器的課程設(shè)計
第15章 傳動裝置的總體設(shè)計 22915.1 減速器簡介 22915.2 傳動裝置的布置 23215.3 電動機的選擇 233第16章 減速器的結(jié)構(gòu)與附件 24116.1 減速器的構(gòu)造 24116.2 軸系部件 24116.3 箱體 24216.4 減速器附件 242第17章 圓柱齒輪減速器軸系部件 設(shè)計 25117.1 確定齒輪及箱體軸承座的位置 25117.2 軸承類型選擇及其在箱體座孔中 位置的確定 25317.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 25417.4 軸、軸承、鍵的校核計算 25817.5 軸承組合設(shè)計 25917.6 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 263第18章 圓柱齒輪減速器箱體及附件 設(shè)計 26518.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計 26518.2 附件的結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計 270第19章 圓錐齒輪減速器裝配工作 圖設(shè)計 27619.1 軸系部件設(shè)計 27619.2 箱體及附件設(shè)計 281第20章 圓柱蝸桿減速器裝配 工作圖設(shè)計 28220.1 軸系部件設(shè)計 28220.2 箱體及附件設(shè)計 287第21章 零件圖的設(shè)計與繪制 28921.1 軸類零件圖的設(shè)計及繪制 28921.2 齒輪類零件工作圖的設(shè)計與繪制 29121.3 箱體類零件圖的設(shè)計及繪制 292第22章 編制設(shè)計計算說明書與 準備答辯 29422.1 設(shè)計計算說明書的要求 29422.2 設(shè)計計算說明書的主要內(nèi)容 29522.3 準備答辯 296第23章 現(xiàn)代機械設(shè)計實例-- 減速器 29823.1 減速器零部件建模設(shè)計 29823.2 減速器虛擬裝配設(shè)計 30923.3 減速器關(guān)鍵零部件力學(xué)性能分析 與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 31223.4 減速器運動仿真 317參考文獻 319
第1篇 常用機構(gòu)原理及設(shè)計資料 本篇以常用設(shè)備為載體，介紹常用機構(gòu)即平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間歇機構(gòu)及其他機構(gòu)的工作原理、應(yīng)用及設(shè)計等內(nèi)容。 第1章 平面機構(gòu)的運動簡圖及自由度
平面運動副的定義和分類，平面機構(gòu)運動簡圖的繪制，平面機構(gòu)自由度的計算以及機構(gòu)具有確定運動的條件。
復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束的確定，平面機構(gòu)運動簡圖的繪制。 機構(gòu)是由具有確定的相對運動的構(gòu)件組成的。當(dāng)所有組成構(gòu)件在同一平面內(nèi)或在平行平面內(nèi)運動，則為平面機構(gòu)；否則為空間機構(gòu)。本章討論的是平面機構(gòu)。1.1 機構(gòu)的組成1.1.1 運動副的概念 機構(gòu)是具有確定相對運動的多構(gòu)件組合體，為了傳遞運動和動力，各構(gòu)件之間必須以一定的方式連接起來，并且具有確定的相對運動。兩構(gòu)件之間直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的連接稱為運動副，如軸與軸承、活塞與缸筒、車輪與鋼軌以及一對輪齒嚙合形成的連接，都構(gòu)成了運動副。構(gòu)件上參與接觸的點、線、面，稱為運動副元素。兩構(gòu)件只能在同一平面做相對運動的運動副，稱為平面運動副。1.1.2 自由度與約束條件 機構(gòu)是構(gòu)件的人為組合，各構(gòu)件間具有確定的相對運動。構(gòu)件的運動是指構(gòu)件的位置、速度和加速度等參數(shù)的變化。如圖1-1所示，在坐標系中，構(gòu)件S有3個獨立運動的可能性，即沿軸、軸方向移動和繞其上任意一點的轉(zhuǎn)動。構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨立運動的數(shù)目稱為自由度。一個做平面運動的自由構(gòu)件有3個自由度。當(dāng)一個構(gòu)件與其他構(gòu)件相互連接時，某些獨立運動將受到限制，對構(gòu)件獨立運動所加的限制稱為約束。約束增多，構(gòu)件的自由度將減少，約束的數(shù)目與構(gòu)件的連接形式有關(guān)。構(gòu)件每增加一個約束，便失去一個自由度。1.1.3 平面運動副的分類 按兩構(gòu)件間接觸性質(zhì)不同，平面運動副通常可分為低副和高副。 1. 低副 兩構(gòu)件通過面與面接觸形成的運動副稱為低副，如圖1-2所示。根據(jù)構(gòu)成低副的兩構(gòu)件間的相對運動的特點，又可分為轉(zhuǎn)動副和移動副。轉(zhuǎn)動副是兩構(gòu)件只能做相對轉(zhuǎn)動的運動副。圖1-2(a)所示的鉸鏈連接組成轉(zhuǎn)動副，一個轉(zhuǎn)動副引入了兩個約束，使構(gòu)件失去了兩個自由度。移動副是兩構(gòu)件只能沿某一軸線相對移動的運動副，如圖1-2(b)所示，一個移動副也引入了兩個約束，使構(gòu)件失去了兩個自由度。 2. 高副 兩構(gòu)件通過點或線接觸形成的運動副稱為高副。圖1-3(a)所示為線接觸，圖1-3(b)所示為點接觸，在圖1-3(b)中，由構(gòu)件2來觀察，它限制構(gòu)件1沿法線n-n方向的移動，形成一個約束，保留沿切線t-t方向獨立的相對移動和繞接觸點獨立的轉(zhuǎn)動，所以，一個高副引入一個約束，使構(gòu)件失去了一個自由度。兩輪齒接觸、凸輪與其從動件的接觸、火車車輪與鐵軌的接觸等都屬于高副機構(gòu)。
(a) 線接觸 (b) 點接觸圖1-3 平面高副1,2-構(gòu)件1.2 平面機構(gòu)的運動簡圖1.2.1 機構(gòu)運動簡圖的定義 在研究機構(gòu)運動時，為了使問題簡化，可以不考慮那些與運動無關(guān)的構(gòu)件外形和運動副的具體構(gòu)造，僅用簡單線條和符號表示構(gòu)件和運動副，并按比例定出各運動副的位置。這種表明機構(gòu)各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。
1.2.2 平面機構(gòu)運動簡圖的繪制 機構(gòu)運動簡圖符號如表1-1所示。表1-1 機構(gòu)運動簡圖符號(摘自GB4460-1984)名 稱簡圖符號名 稱簡圖符號構(gòu)件軸、桿 機架機 架
三副元素構(gòu)件
機架是轉(zhuǎn)動副的一部分
構(gòu)件的永久連接
機架是移動副的一部分
平面低副轉(zhuǎn)動副
平面高副齒輪副外嚙合內(nèi)嚙合
移動副
凸輪副
繪制平面機構(gòu)運動簡圖通常可按以下步驟進行。 (1) 分析機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動傳遞情況，找出固定件(機架)、原動件和從動件。 (2) 從原動件開始，按照傳動路線仔細分析各構(gòu)件間的相對運動性質(zhì)和接觸情況，確定構(gòu)件數(shù)目和運動副的類型及數(shù)目。 (3) 選擇視圖平面，一般選擇與構(gòu)件運動平面相平行的平面作為視圖平面。 (4) 根據(jù)機構(gòu)的實際尺寸和圖紙大小確定適當(dāng)?shù)拈L度比例尺
按照各運動副間的距離和相對位置，以規(guī)定的符號將各運動副表示出來。圖中各運動副標以大寫的英文字母，各構(gòu)件標以阿拉伯?dāng)?shù)字，并將機構(gòu)的原動件用箭頭標明。 (5) 用直線或曲線將同一構(gòu)件上的運動副連接起來，即為所要畫的機構(gòu)運動簡圖。 例1-1 圖1-4所示為顎式破碎機。試繪制該機構(gòu)的運動簡圖。 解 ①找出各構(gòu)件和選定視圖平面。 如圖1-4(a)所示，顎式破碎機由機架1、偏心軸2、動顎板3、肋板4等構(gòu)件組成。偏心軸2是原動件，動顎板3和肋板4都是從動件。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)分析選取構(gòu)件的運動平面作為繪制機構(gòu)運動簡圖的平面。
(a) 結(jié)構(gòu)圖 (b) 運動簡圖圖1-4 顎式破碎機1-機架；2-偏心軸；3-動顎板；4-肋板；5-飛輪 ② 找出各構(gòu)件之間的聯(lián)系：運動副。 當(dāng)偏心軸繞軸線A轉(zhuǎn)動時，驅(qū)使動顎板3做平面運動，從而將礦石軋碎。偏心軸2與機架1繞軸線A做相對轉(zhuǎn)動，故構(gòu)件1、2組成以A為中心的轉(zhuǎn)動副。動顎板3與偏心軸2繞軸線B做相對轉(zhuǎn)動，故構(gòu)件2、3組成以B為中心的轉(zhuǎn)動副。肋板4與動顎板3繞軸線C做相對轉(zhuǎn)動，所以，構(gòu)件3、4組成以C為中心的轉(zhuǎn)動副。肋板與機架繞軸線D做相對轉(zhuǎn)動，所以構(gòu)件4、1組成以D為中心的轉(zhuǎn)動副。 ③ 測量各運動副間的相對位置。 逐一測量運動副中心A與B、B與C、C與D、A與D之間的長。 ④ 作機構(gòu)運動簡圖。 選定長度比例尺，在確定的視圖上按比例畫出運動副的符號和連線表示構(gòu)件，注上運動副代號和構(gòu)件號，對原動件要畫上表示運動方向的箭頭，最后便繪成機構(gòu)運動簡圖，如圖1-4(b)所示。比例尺的計算如下。
例1-2 繪制圖1-5所示單缸內(nèi)燃機的機構(gòu)運動簡圖。 已知 解 ① 在內(nèi)燃機中，活塞為原動件，曲軸為工作構(gòu)件。活塞的往復(fù)運動經(jīng)連桿變換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。 ② 活塞與缸體(機架)組成移動副，與連桿在點組成轉(zhuǎn)動副；曲軸與缸體在點組成轉(zhuǎn)動副，與連桿在點組成轉(zhuǎn)動副。 ③ 選長度比例尺，按規(guī)定符號繪制機構(gòu)運動簡圖，如圖1-5所示。活塞的大小與運動無關(guān)，可酌定。
1.2.3 利用ADAMS進行顎式破碎機的運動分析 啟動ADAMS程序，建模時，本節(jié)使用ADAMS自帶的幾何建模工具箱建立破碎機的曲柄搖桿機構(gòu)模型，也可以通過其他三維軟件建模后導(dǎo)入。以下為顎式破碎機模型的建立及仿真過程。模型包括破碎機偏心軸、破碎機動顎板、破碎機肘板和機架4個機構(gòu)。 (1) 啟動ADAMS/View，創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)文件，在模型名稱輸入框輸入eshiposuiji，將單位設(shè)置為MMKS。 (2) 設(shè)置工作環(huán)境。操作步驟如下。 ① 在Setting菜單中選擇Units命令，將長度單位設(shè)置為毫米(mm)，單擊OK按鈕。 ② 在Setting菜單中選擇Working Grid命令，則彈出工作柵格設(shè)置對話框。 ③ 將工作柵格尺寸設(shè)置為1000，格距為10，單擊OK按鈕。 (3) 建立設(shè)計點。操作步驟如下。 ① 單擊Construction工具欄中的Point圖標。 ② 設(shè)計參考點：Point_1(0,0,0)、Point_2(-30,0,0)、Point_3(0,-700,0)、Point_4(-400,-800,0)。使用點的默認設(shè)置，即Add to Ground和Don't Attach。 (4) 創(chuàng)建破碎機偏心軸，操作步驟如下。 ① 選擇連桿工具Link。 ② 在Point_1和Point_2之間建立連桿。 ③ 為連桿改名，將Part:Part_1改為crank。 (5) 創(chuàng)建破碎機動顎板，操作步驟如下。 ① 選擇連桿工具Link。 ② 在Point_2和Point_4之間建立連桿。 ③ 為連桿改名，將Part:Part_1改為jaw。 (6) 創(chuàng)建破碎機肘板，操作步驟如下。 ① 選擇連桿工具Link。 ② 在Point_3和Point_4之間建立連桿。 ③ 為連桿改名，將Part:Part_1改為brackets。 顎式破碎機仿真模型如圖1-6所示。幾何模型建立好后，進行運動分析計算之前，要用運動副連接各個構(gòu)件，即對模型施加約束，通過約束將不同的構(gòu)件連接起來，限制構(gòu)件之間的某些相對運動，組成一個機械系統(tǒng)。 (7) 將部件crank與機架之間以旋轉(zhuǎn)副進行連接。 選擇2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；將約束放在點Point_1上。 (8) 將部件crank與部件jaw之間以旋轉(zhuǎn)副進行連接。 選擇2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；將約束放在部件crank與部件jaw間的交點上。 (9) 將部件jaw與部件brackets之間以旋轉(zhuǎn)副進行連接。 選擇2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；將約束放在部件jaw與部件brackets間的交點上。 (10) 將部件brackets與機架之間以旋轉(zhuǎn)副進行連接。 選擇2 Bodies-1 Location和Normal To Grid；將約束放在點Point_3上。 對模型施加約束后，還要對模型施加驅(qū)動。建立工作件之間的約束與驅(qū)動關(guān)系，對曲柄偏心輪施加驅(qū)動力矩。 (11) 添加約束驅(qū)動。 使用Rotational Joint Motion工具在部件crank和機架之間的約束上添加驅(qū)動，其表達式為：D(t)=360.0d * time。 (12) 進行仿真計算。在1s內(nèi)進行100步的計算，單擊Simulation選項卡中的(仿真)按鈕，按圖1-7所示進行計算。 圖1-6 顎式破碎機的仿真模型 圖1-7 顎式破碎機的仿真計算 經(jīng)過仿真計算得出了破碎機動顎板的質(zhì)心加速度、速度以及位移曲線(其中動顎板在水平和垂直方向上的行程曲線省略)。從以上數(shù)據(jù)可見，顎式破碎機動顎板的平均水平行程大，這就保證了動顎板對物料施加足夠的擠壓力，而且破碎腔由上向下水平行程是遞增的，保證排料通暢。同時可以看出動顎垂直行程小，減少了磨損和過粉碎現(xiàn)象。有利于破碎過程，也有利于排料過程，破碎效果很好，是比較合理的。 1.2.4 利用ADAMS進行單缸內(nèi)燃機的運動分析 在SolidWorks 2011中建立虛擬樣機模型，獲取構(gòu)件質(zhì)量特性參數(shù)，如構(gòu)件質(zhì)心位置、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等，將裝配模型導(dǎo)入ADAMS。以S195柴油機為例，通過實物測取尺寸建立機構(gòu)分析模型，連桿長度為210mm，曲軸半徑為57.5mm。下面介紹在ADAMS中的單缸內(nèi)燃機的運動仿真分析。 (1) 啟動ADAMS/View。在歡迎對話框中選擇新建文件，在新建窗口中輸入模型名稱，設(shè)定當(dāng)前工作路徑，最后單擊OK按鈕。 (2) 導(dǎo)入SolidWorks虛擬樣機模型。選擇File→Import菜單命令，在彈出對話框的"文件類型"下拉列表框中選擇SolidWorks類型，而后找到路徑，確定Model Name(模型名稱)，單擊OK按鈕。導(dǎo)入模型如圖1-8所示。 (3) 添加約束副。由于SolidWorks模型導(dǎo)入ADAMS后，模型中原有的裝配關(guān)系都已經(jīng)無效，故需要使用ADMAS中的約束副將它們連接起來，以定義物體之間的相對運動。調(diào)用ADAMS中的Connectors命令中的旋轉(zhuǎn)副，在曲軸與大地之間創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副。在曲軸與連桿之間創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，連桿與內(nèi)燃機缸之間創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副。然后調(diào)用ADAMS中的Connectors命令中的移動副，在內(nèi)燃機缸與大地之間創(chuàng)建移動副。 (4) 添加約束驅(qū)動。使用工具Rotational Joint Motion在部件曲軸和大地之間的旋轉(zhuǎn)約束上添加驅(qū)動，其表達式為：D(t)=720.0d * time。 (5) 進行仿真計算。在1s內(nèi)進行100步的計算，單擊Simulation選項卡中的按鈕，按圖1-9所示進行計算。 經(jīng)過仿真計算，得出了內(nèi)燃機缸的質(zhì)心位移、速度以及加速度的曲線，由此知氣缸運動行程特性。分析研究這些參數(shù)與曲柄連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系, 對于曲柄連桿機構(gòu)平衡方案的選擇及相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化具有極其重要的意義。 圖1-8 單缸內(nèi)燃機的虛擬樣機模型 圖1-9 單缸內(nèi)燃機的仿真計算1.3 平面機構(gòu)的自由度 機構(gòu)是具有確定相對運動的系統(tǒng)，要判斷構(gòu)件的組合是否能動及運動是否確定，必須要研究機構(gòu)的自由度。1.3.1 平面機構(gòu)自由度的計算 設(shè)一個運動鏈中，除去固定件，其余活動構(gòu)件的數(shù)目為個。一個不受任何約束的構(gòu)件在平面中有3個自由度，故一個運動鏈中活動構(gòu)件在平面中共具有個自由度。當(dāng)兩構(gòu)件用運動副連接后，其運動受到約束，自由度將減少。自由度減少的數(shù)目，應(yīng)等于運動副引入的約束數(shù)目。平面運動鏈中，每個低副引入的約束數(shù)為2，每個高副引入的約束數(shù)為1。因此，對于平面運動鏈，若各構(gòu)件之間共構(gòu)成了個低副和個高副，則它們共引入個約束。 設(shè)運動鏈的自由度數(shù)為，則有 (1-1)式中：--運動鏈的自由度數(shù)目； --活動構(gòu)件的數(shù)目； --低副的數(shù)目； --高副的數(shù)目。1.3.2 平面機構(gòu)具有確定運動的條件 機構(gòu)的自由度數(shù)是機構(gòu)具有的獨立運動數(shù)。例如，機構(gòu)的自由度為1，則表示機構(gòu)只有一個獨立運動。如果通過一個原動件，并給定一個運動規(guī)律對此獨立運動加以控制，則該機構(gòu)的運動就完全確定了。一般一個原動件只能給定一個運動規(guī)律，所以機構(gòu)若有兩個自由度，則需要兩個原動件。由此可知，機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件個數(shù)應(yīng)與其自由度相等。 如圖1-10所示的四構(gòu)件系統(tǒng)，，其自由度為
當(dāng)原動件1在任何瞬時位置時，從動件2和3都占有相應(yīng)的確定位置，這說明從動件的運動是確定的，故該構(gòu)件系統(tǒng)是機構(gòu)。 如給定兩個原動件1和3，勢必將該機構(gòu)破壞。 如圖1-11所示的五構(gòu)件系統(tǒng)，，其自由度為
圖1-10 四構(gòu)件系統(tǒng) 圖1-11 五構(gòu)件系統(tǒng) 1-原動件；2,3-從動件；4-機架 1～4-構(gòu)件；5-機架 設(shè)只有構(gòu)件1為原動件，當(dāng)構(gòu)件1在圖示瞬時位置時，則構(gòu)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。這說明從動件的運動不是確定的，故該構(gòu)件系統(tǒng)就不是機構(gòu)。若構(gòu)件4也是原動件，而該瞬時它在DE位置，則構(gòu)件2、3的位置完全確定，此構(gòu)件系統(tǒng)就成為機構(gòu)，它的運動是確定的。
1.3.3 計算平面機構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項 1．復(fù)合鉸鏈 兩個以上的構(gòu)件在同一處以同軸線的轉(zhuǎn)動副相連，稱為復(fù)合鉸鏈。 圖1-12所示為3個構(gòu)件在點形成復(fù)合鉸鏈。從側(cè)視圖可見，這3個構(gòu)件實際上組成了軸線重合的兩個轉(zhuǎn)動副，而不是一個轉(zhuǎn)動副。一般地，個構(gòu)件形成復(fù)合鉸鏈應(yīng)具有k-1個轉(zhuǎn)動副，計算自由度時應(yīng)注意找出復(fù)合鉸鏈。 圖1-13所示為直線機構(gòu)，其構(gòu)件的長度，，，當(dāng)構(gòu)件搖動時，點的軌跡為垂直于的直線。該機構(gòu)在四點均為由3個構(gòu)件組成軸線重合的兩個轉(zhuǎn)動副，即復(fù)合鉸鏈。該機構(gòu)，，其自由度數(shù)為
2．局部自由度 在有些機構(gòu)中，其某些構(gòu)件產(chǎn)生的局部運動并不影響其他構(gòu)件的運動。將這些構(gòu)件所能產(chǎn)生的這種局部運動的自由度稱為局部自由度。 例如，在如圖1-14(a)所示的滾子從動件凸輪機構(gòu)中，為了減少高副元素的磨損，在推桿和凸輪之間裝了一個滾子。該機構(gòu)的計算自由度數(shù)為，但實際上當(dāng)該機構(gòu)以凸輪一個構(gòu)件為原動件時，便具有確定的運動。產(chǎn)生這種與平面機構(gòu)具有確定相對運動條件不相吻合的原因是：滾子繞其自身軸線轉(zhuǎn)動所形成的運動副是一個多出來的局部自由度，它是否存在并不影響機構(gòu)的運動規(guī)律。排除局部自由度的方法是假想地將滾子與從動件固結(jié)為一體，如圖1-14(b)所示。按圖1-14(b)計算出的凸輪機構(gòu)的自由度數(shù)為，與實際情況吻合。 圖1-12 復(fù)合鉸鏈 圖1-13 直線機構(gòu) 圖1-14 局部自由度 1～3-構(gòu)件 1～4-構(gòu)件 由此可見，在計算機構(gòu)的自由度時，應(yīng)將機構(gòu)中的局部自由度除去不計。 3．虛約束 虛約束指機構(gòu)中與其他約束重復(fù)，對機構(gòu)不產(chǎn)生新的約束作用的約束。計算機構(gòu)自由度時應(yīng)將虛約束除去不計。虛約束經(jīng)常出現(xiàn)的場合有以下幾個。 (1) 兩構(gòu)件間形成多處具有相同作用的運動副。如圖1-15(a)所示，輪軸2與機架1在A、B兩處形成轉(zhuǎn)動副，其實兩個構(gòu)件只能構(gòu)成一個運動副，這里應(yīng)按一個運動副計算自由度。又如圖1-15(b)所示，在液壓缸的缸筒與活塞、缸蓋與活塞桿兩處構(gòu)成移動副，實際上缸筒與缸蓋、活塞與活塞桿是兩兩固連的，只有兩個構(gòu)件而并非4個構(gòu)件，此兩個構(gòu)件也只能構(gòu)成一個移動副。 (2) 兩構(gòu)件上連接點的運動軌跡重合。例如，圖1-16所示是火車頭驅(qū)動輪聯(lián)動裝置示意圖，它形成一個平行五邊形機構(gòu)，其中構(gòu)件EF存在與否并不影響平行四邊形ABCD的運動，進一步可以肯定地說，三構(gòu)件AB、CD、EF中缺省其中任意一個，均對余下的機構(gòu)運動不產(chǎn)生影響，實際上是因為此三構(gòu)件的動端點的運動軌跡均與構(gòu)件BC上對應(yīng)點的運動軌跡重合。應(yīng)該指出，AB、CD、EF三構(gòu)件是互相平行的；否則就形成不了虛約束，機構(gòu)就出現(xiàn)過約束而不能運動。 圖1-15 兩構(gòu)件間形成多處運動副的虛約束 圖1-16 兩構(gòu)件上連接點運動軌跡重合 1～4-構(gòu)件 (3) 機構(gòu)中具有對運動起相同作用的對稱部分。圖1-17所示為一對稱的齒輪減速裝置，從運動的角度看，運動由齒輪1輸入，只要經(jīng)齒輪2、3就可以從齒輪4輸出了。但是為使輸入輸出軸免受徑向力，即從力學(xué)的角度考慮，加入了齒輪6、7。未引入對稱結(jié)構(gòu)時，機構(gòu)由4個構(gòu)件、3個轉(zhuǎn)動副、2個高副組成，自由度為F = 3×(4-1)-3×2-2 = 1 引入對稱結(jié)構(gòu)后，如果不將虛約束去除，則機構(gòu)由5個構(gòu)件、4個轉(zhuǎn)動副、4個高副組成，自由度為F = 3×(5-1)-4×2-4 = 0 這顯然是錯誤的。 例1-3 計算圖1-18(a)所示篩料機構(gòu)的自由度。 解 經(jīng)分析可知，機構(gòu)中滾子自轉(zhuǎn)為局部自由度；頂桿與機架組成兩導(dǎo)路重合的移動副、，故其中之一為虛約束；C處為復(fù)合鉸鏈。去除局部自由度和虛約束，按如圖1-18(b)所示的機構(gòu)計算自由度，機構(gòu)中，，，其自由度為
圖1-18 篩料機構(gòu)習(xí) 題 1-1 什么是運動副？平面高副與平面低副各有什么特點？ 1-2 機構(gòu)具有確定運動的條件是什么？ 1-3 在計算機構(gòu)的自由度時，要注意哪些事項？ 1-4 什么是虛約束？什么是局部自由度？有人說虛約束就是實際上不存在的約束，局部自由度就是不存在的自由度，這種說法對嗎？為什么？ 1-5 指出如圖1-19所示的機構(gòu)中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束，并計算機構(gòu)的自由度，判定它們是否有確定的相對運動(標有箭頭的構(gòu)件為原動件)。
(c) (d)圖1-19 習(xí)題1-5圖
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