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第13章 机械的调速与平衡
第一讲： 13.1 机械速度的波动及调节 课 题： 13.1.1 机械的运转过程 13.1.2 机械速度波动的调节 教学目标：1.了解机械的运转过程
2.掌握机械速度波动的调节 教学重点：机械速度波动的调节 教学难点：机械速度波动的调节
教学内容： 13.1 机械速度的波动及调节 13.1.1 机械的运转过程
机械从开始运动到停止运动的整个过程称为机械运动的全过程。一般可分为以下三个阶段:启动阶段、稳定运转阶段和停车阶段，如图13-1所示。
图13-1 机械的运转过程 1.启动阶段
机械从静止状态启动到开始正常工作的过程称为启动阶段。此阶段内驱动力所做的功Wd 大于阻抗力所消耗的功Wr，则有
Wd-Wr =E>0 2.稳定运转阶段
机械保持等速运转或在其正常工作速度所对应的均值上下周期性波动运转是机械的稳定运转阶段，这也是机器的正常工作阶段。在这一阶段做变速稳定运动。
则有
Wd-W r =E B-E A =0
有些机械，如提升机、鼓风机等，其原动件的角速度ω在稳定运转过程中恒定不变，称为等速稳定运转。3.停车阶段
撤去驱动力，即Wd =0。
则有
Wr =E
13.1.2 机械速度波动的调节 1.周期性速度波动的调节
对机械的速度波动加以调节，使其速度波动被限制在允许的范围内，从而减少上述不良影响，这就是调节机械速度波动的主要目的。
图13-2，在每个周期内，原动件的角速度ω变化规律是相同的，而且其平均角速度ωm 保持不变。
度，即
在工程中常用最大角速度与最小角速度的算术平均值来近似计算平均角速
机械速度波动的程度可以用机械运转速度不均匀系数δ来表示，即
图13-2 周期性速度波动
结论：δ越小，机械运转的速度波动越小。
在一个周期内，系统动能的最大变化量，其大小应等于同一周期内外力对系统所做的最大有用功，即
机械中安装一个具有等效转动惯量J F 的飞轮后，速度不均匀系数δ变为
飞轮的转动惯量用下式近似计算
JF =ΔWmax /ω m ［δ］
2.非周期性速度波动的调节
由于机器运转速度的波动不是周期性的，且其作用不是连续的，故称为非周期性速度波动。
防止非周期性速度波动所引起的机器毁坏或停车是调节机器速度波动的另一目的。
第二讲： 13.2 机械的平衡
课 题： 13.2.1 机械平衡的目的与分类 13.2.2 刚性回转件的平衡 教学目标：1.了解机械的运转过程
2.掌握机械速度波动的调节 教学重点：机械速度波动的调节 教学难点：机械速度波动的调节
教学内容： 13.2.1 机械平衡的目的与分类 1.机械平衡的目的：
消除或部分消除惯性力和惯性力矩的影响，尽可能减轻有害的机械振动。2.机械的平衡问题可分为以下两类:
（1）绕固定轴回转构件的惯性力的平衡：简称回转件的平衡或转子的平衡。
刚性回转件：
当回转件的刚性较好、工作转速较低，远低于其一阶临界转速时，转件完全可以看作是刚性物体，称为刚性回转件。挠性回转件：
当回转件转速较高，接近或超过回转系统的第一阶临界转速时，回转件将
2产生明显的弹性变形，这时回转件将不能视为刚体，而成为一个挠性体，这种回转件称为挠性回转件。
（2）机构的平衡：就整个机器而言，各构件的惯性力和惯性力偶矩可以合成为一个过机器质心的总惯性力和一个总惯性力偶矩，它们全部作用于机架上。总惯性力及总惯性力偶矩的平衡称为机构在机架上的平衡，简称机构的平衡。13.2.2 刚性回转件的平衡 1.静平衡
刚性回转件的静平衡就是利用在刚性回转件上加减平衡质量的方法，使其质心回到回转轴线上，从而使回转件的惯性力得以平衡的一种平衡措施。根据平衡条件。
有
F1 +F 2 +F3 +Fb =0 故有
m 1 r 1 +m 2 r 2 +m 3 r 3 +m b r b =0
图13-3 回转件的静平衡
结论：一个静不平衡回转件无论含有多少个偏心质量，均可在一个平面内的适当位置，用增加（或去除）一个平衡质量的办法予以平衡，故静平衡又可称为单面平衡。
图13-4 静平衡试验示意图
图13-4是静平衡试验的示意图。将欲平衡的回转件放到已调好水平的轨道上。如果回转件有偏心质量，回转件将在重力矩的作用下沿着轨道滚动，直至回转件的质心S处于轴心正下方，才停止滚动。此时可在轴心的正上（下）方任意半径处加（减）一适当的平衡质量，然后再重复上述试验，直到回转件在任何位置都能保持静止为止。2.动平衡（1）动不平衡：
当回转件的轴向尺寸较大，其质量就不能再视为分布在同一平面内了。其偏心质量可看成是分布在几个不同的回转平面内。即使回转件的质心位于转轴上，也将产生不可忽略的惯性力矩，这种状态只有在回转件转动时才能显示出来，故称为动不平衡。
图13-5 静平衡而动不平衡的长回转件
（2）动平衡的条件: 分布于该回转件上各个质量的离心力的合力等于零，同时离心力所引起的力偶的合力偶矩也等于零。结论:
（1）静平衡只需在一个平面内进行平衡，动平衡则必须在垂直于轴线的两个平面内进行平衡。
（2）回转件满足了静平衡，不一定满足动平衡;若满足了动平衡，则一定满足静平衡。
第14章 计算机辅助机械设计
第一讲：CAD简介 课 题： 14.1.1 CAD技术发展概况 14.1.2 CAD系统的组成 教学目标：1.熟悉CAD技术发展概况
2.掌握CAD系统的组成教学重点：认识CAD技术在机械设计领域中的应用和发展 教学难点：认识CAD技术在机械设计领域中的应用和发展 教学方法：课件
教学内容： 14.1.1 CAD技术发展概况
计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术：
是电子信息技术的一个重要组成部分，它把计算机所具有的运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等特殊功能与人们的经验、智慧和创造力结合起来，从而减轻设计人员的体力劳动，提高设计质量，缩短设计周期。14.1.2 CAD系统的组成 硬件系统：
是计算机辅助设计技术的物质基础。软件系统：
是计算机辅助设计技术的核心，它决定了系统所具有的功能。CAD系统：
硬件和软件的组合形成了CAD系统。1.CAD系统硬件的基本组成CAD系统的硬件一般由计算机主机、常用外围设备、图形输入设备和图形输出设备组成。图14-1为一个CAD系统硬件的基本组成。
图14-1 CAD系统硬件的基本组成2.CAD系统软件的组成 系统软件：
对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统和数据通信系统等。支撑软件：
是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具。主要包括图形支撑系统和数据库管理系统，它们是计算机辅助设计的核心技术。应用软件：
是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件，自行编制的用于解决各种实际问题的程序。
所以计算机辅助设计系统是工程技术与计算机技术相结合的综合性产物。
第二讲： 14.2 CAD系统的硬件分类
14.3 典型机械零件的程序设计
课 题： 14.2 CAD系统的硬件分类
14.3.1 机械零件程序设计的一般步骤
14.3.2 渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的程序设计 教学目标：1.了解CAD系统的硬件分类
2.掌握机械零件程序设计的一般步骤
3.理解渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的程序设计
教学重点： CAD技术在机械设计领域中应用的基础知识、设计零件的一般步骤。教学难点：CAD技术在机械设计领域中应用的基础知识、设计零件的一般步骤。教学方法：课件 教学内容： 14.2 CAD系统的硬件分类 1.主机系统（Mainframe-based system）
这种系统一般以大型机为主机，集中配备某些公司的外部设备，同时接出许多用户工作站及字符终端，图14-2（a）。每个用户工作站的结构图14-2（b），一般有一个图形终端，并配有图形输入设备，如鼠标或图形输入板等，键盘用来进行文本或命令输入，屏幕图形则用点阵或激光打印机等硬拷贝机输出。
图14-2 主机系统
优点：是主机功能强，能进行大信息量的作业。
缺点：是当终端用户过多时，会使系统过载，响应速度变慢，而且一旦主机发生故障，整个系统就不能工作，此外价格也昂贵。2.小型机系统（Minicomputer-based system）
这种系统与图14-2的主机系统在形式上非常类似，只不过用小型机或超小型机代替主机，用户工作站数量较少，一般在4～6个。
优点：系统大多采用符合工业标准的各种硬件平台（如SUN、HP、DEC及IBM公司等提供的计算机），使用流行的操作系统，使用性能取决于软件水平，系统具有专用性。
缺点：是系统比较封闭，即开放性较差。3.微型机系统（Microcomputer-based system）
图14-3 微型机系统
图14-3为一个微型机系统的构成，一般每台微型机只配一个图形终端，以保证对操作命令的快速响应。
优点：从图形软件、工程分析软件到各种应用软件，满足了用户的大部分要求，做到了网内资源共享。因此微型机系统在中小型企业中得到了广泛应用。
缺点：但也要看到由于目前微型机在速度及内外存方面的限制，使一些大型工程分析、复杂三维造型等CAD作业在微型机上运行还有一定困难。4.工作站系统（Workstation-based system）
这种系统设计遵循这样一种思想:一个工程师可以使用一台计算机，也可以使用所有的计算机。前半句话意味着摒弃了多用户分时系统的结构，后半句话意味着采用网络技术，由于系统的单用户性质，保证了优良的时间响应，提高了用户的工作效率。
优点：其性能还是优于微型机系统，它为各种功能强大的CAD/CAM软件及复杂应用提供了坚实的平台，装机容量正在逐年增加，这种系统目前所需的软硬件投资仍然较大。
14.3 典型机械零件的程序设计 14.3.1 机械零件程序设计的一般步骤（1）建立数学模型: 一般机械零件基本都有现成的数学模型，但对没有数学模型的则首先要建立正确的数学模型。（2）设计程序框图: 程序框图根据手工计算的步骤来设计。反映出计算的步骤，从而能思路清晰地编制出相应的程序，也能对所编程序的全局一目了然，便于理解和调整程序的结构模块。
（3）用高级语言编制程序: 根据程序框图来编程。（4）程序调试: 程序编好后，先仔细检查源程序，然后将其输入计算机进行试算（可准备有答案的实例），再对程序适用范围的边界、转折点进行试算，要求与手算结果完全吻合。注意： 机械零件程序设计和一般数学问题的程序不同，主要涉及到机械设计中的许多特殊问题。
14.3.2 渐开线标准直齿圆柱齿轮传动的程序设计 1.程序编制任务和说明
（1）已知条件:传递功率P、传动比i、小齿轮转速n1、原动机工作情况和工作机械的载荷特性。
（2）可选齿轮材料:45钢正火、45钢调质、40Cr调质、35SiMn调质四种牌号。
（3）模数和齿数:标准模数m按GB1357—1987第一系列选择，取2～50mm。小齿轮齿数z 1 =20～30，共输出11种参数不同的方案，可根据实际需要选择。
（4）设计准则:按齿面接触疲劳强度设计，按齿根弯曲疲劳强度校核。
（5）设计要求:双向传动的单级外啮合渐开线标准直齿圆柱齿轮闭式软齿面传动的设计计算。2.设计程序框图
如图14-4所示，图中的符号BM（J+1）表示标准模数数组。
图14-4 闭式传动软齿面直齿圆柱齿轮传动设计程序图
3.编制源程序
根据图14-4编制源程序。在程序设计中，合理设计程序的输入、输出格式，经过上机反复调试，编制出软齿面直齿圆柱齿轮传动设计计算程序。
