机械原理讲义.docx
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机械原理讲义
机械原理讲义
第一章绪论
机器特征：
一、多个构件人为组合而成
二、构件间具有确定的相对运动
三、能减轻或代替人类的劳动或者实现能量的转换
同时具备三个特征的即为机器，具备前两个特征的为机构；机构可以是一个零件也可以是多个零件的刚性组合。
第二章机构的结构分析
基本要求：
１、掌握机构运动简图的绘制方法。
２、掌握运动链成为机构的条件。
３、熟练掌握机构自由度的计算方法。
４、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。
重点：
１、机构具有确定运动的条件。
２、机机构运动简图及其绘制。
３、机构自由度的计算。
难点：
１、机构运动简图的绘制。
２、正确判别机构中的虚约束。
本章口诀诗：
活杆三乘有自由，
两低一高减中求；
认准局复虚约束，
简式易记考无忧。
本章作业：
２－８（要求用五个方案改进）、２－１０、２－１２、２－１４
２－１５（a）、２－１６（b）、２－１７、２－１９
§2-1平面机构运动简图
一、机构及其组成
1、机构的两大类型：
平面机构、空间机构
2、机构的两组成要素：
①构件 ②运动副
3、构件类型：
①活动构件 ②固定构件（又称机架）
二、运动副及其分类
1、活动构件的自由度与约束
自由度：
作为独立运动单元可能的独立运动数
约 束：
对物体运动自由度的限制
2、运动副及其分类
定义：
构件间的可动联接。
类型：
高副、低副。
三、平面机构运动简图
1、定义及意义
定义：
用简单的线条和规定符号分别代表构件和运动副、用以表示各构件之间相对位置和相互运动关系的图形。
意义：
方便进行运动学和动力学分析，便于技术出差时很快画出你所感兴趣的机器或机 构的结构与运动特点。
2、绘制步骤
从原动件开始、顺藤摸瓜（构件为藤，运动副为瓜）依次用线条和符号表示之（按尺寸比例）。
总结：
低副产生两个约束即限制两个自由度。
高副，限制沿公法线方向的移动，但可沿切向移动和绕接触点转动。
§2-2平面机构自由度计算
一、平面机构具有确定运动的条件
1、平面机构自由度公式的推导
N个构件，1个机架，n=N-1为活动件数
低副包括移动副和转动副
自由度计算公式：
F=3n-2Pl-Ph
2、机构具有确定运动的条件:
机构的原动件数等于机构的自由度数；Ｆ≥１
二、自由度计算时的注意事项：
1、认准复合铰链、局部自由度和虚约束
1）复合铰链：
多构件在同一处用回转副联接时，真正的回转副个数等于 构件数-1。
2）局部自由度：
一般高副联接出现等径滚子的场合。
3）虚约束（消极、多余）：
将虚约束及其构件（或运动副）去掉
2、虚约束的三种情况
1）两构件间形成多个移动副或多个回转副。
2）对称情形。
3）轨迹重合
复合铰链 虚约束
局部自由度
§2-3平面机构的结构分析
一、杆组及其级别
1、机构组成的两大部分
自由度为原动件所独有，从动件系统无独立自由度
1）原动件与机架部分：
F>=1
2）从动件系统（从动件运动链）：
F=0
2、杆组及其级别
二、高副低代
将所有高副用低副代替以便进行机构的结构分析。
第三章平面机构的运动分析
基本要求：
１、熟练掌握用速度瞬心法求机构速度。
２、用相对运动图解法求机构的速度及加速度。
重点：
１、速度瞬心法及其应用。
２、矢量方程。
３、相对运动图解法。
４、图解法作平面机构的运动分析。
难点：
１、科氏加速度
２、加速度图解法
３、构件异化（构件改形及简化解题过程）
本章口诀诗：
1、矢量图解法（同时适用于运动和力分析）：
图解分析列方程，
等号两端双进军。
多边形里量尺寸，
比例乘来信息灵。
２、科氏加速度分析：
辨认科氏莫马哈，
两种速度相乘加；
顺转维阿九十度，
箭头直指老哥家.
本章作业：
３－１（c）、３－２、３－１０、３－１４
概述
运动分析内涵：
从纯几何角度出发，对机构构件某点的位移（轨迹）、速度和加速度进行分析
运动分析目的：
位移分析，用以确定机构运动时构件所占据空间以供设计时定尺寸。
§3-1瞬心法及其在平面机构运动分析中的应用
一、瞬心概念
1、瞬心定义与类型
定义：
相对运动两构件间的同速点（即瞬时回转中心）
类型：
绝对、相对。
2、平面机构瞬心个数K
K＝N（N-1）/2（N为构件数）
3、瞬心的确定
1）按定义确定
2）用运动副联接的两构件间的瞬心
①回转副：
回转副中心即为瞬心
②移动副：
瞬心在垂直于导路中心线的无穷远处
③高 副：
位于过接触点所作的公法线上
3）三心定理
三个构件之间有三个瞬心且共线——采用审问法求瞬心
二、瞬心法的应用示例
1、铰链四杆机构
2、曲柄滑块机构
3、高副机构
高副机构 曲柄滑块机构 铰链四杆机构
§3-2图解法在平面机构运动（速度和加速度）求解中的应用
一、同一构件不同点间的速度、加速度分析
1、矢量方程式
速度式； 加速度式
2、速度影象和加速度影象
二、不同构件重合点间的速度、加速度分析
1、矢量方程式
速度式
加速度
2、科氏加速度
1）存在条件（既有公共转动又有相对移动）
2）ak=2wVr
3）方向（Vr沿转动方向转90°即可）
三、运动分析的矢量图解法
1、求解原则：
等号为界，兵分两路，合兵一处
2、应用示例——改变构件形状有利于简化方程之说明
第四章平面机构的力分析（不计摩擦
基本要求：
1、明确平面机构力分析的任务和目的。
2、掌握确定构件惯性力的方法。
3、能正确进行机构的动态静力分析。
重点：
1、静定系统
2、力平衡分析
3、力的多边形图解法
4、动态静力分析
难点：
动态静力分析
本章作业：
４－１２；４－１３；４－１４
概述：
1、力参数分析是机械设计的前提。
2、惯性力的分析与计算为在设计阶段预先确定机器的动态特性。
§4-1平面机构的力分析
一、运动副反力
回转副、移动副产生两约束
高副产生一个约束
二、静力平衡条件
从动件系统（运动链）：
自由为为０
原动件加机架：
自由为不为０
1、代数方程组式平衡条件
∑Fx=0,∑Fy=0,∑M0（F）=0
∑MA（F）=0,∑MB（F）=0,∑Mc（F）=0（A、B、C不共线）
2、矢量方程式
设某静定系统上A、B、C、D、……，受力分别为FA、FB、FC、FD、……
则FA+FB+FC+FD+……=0
3、特殊构件平衡条件
二力构件、三力构件
三、机构中构件惯性力的确定
Pi=-ma
1、作平动的构件仅可能有惯性力
2、绕过质心轴转动构件仅可能有惯性力偶矩。
3、不绕质心轴转动构件至少有离心惯性力
4、作平面运动构件惯性力的确定，可将该构件的运动一分为二：
１）、质心平动
2）、绕质心的转动
3）、总惯性力的确定
第五章机械的效率和自锁
重点
1、摩擦角
２、当量摩擦系数
３、摩擦圆、支反总力、机械及机组效率
本章难点：
１、回转副支反总力方向与方位的确定
２、效率计算新公式及其应用
本章作业：
５－６；５－８；５－１２；５－１３
前言：
摩擦学概念、摩擦学发展简史
§5-1运动副中的摩擦
一.移动副中的摩擦
1.平面摩擦
2.槽面摩擦
二.回转副中的摩擦
1.径向轴径摩擦
2.轴端摩擦
３、自锁性——从摩擦角和摩擦圆分析
三.自锁性
四.考虑摩擦时的受力分析
1.滑动副受力分析
2.回转副受力分析
§5-2机械的效率
一.机械效率的计算式
1.一般计算式
2.新的计算式
3.效率计算实例
1）滑动副例 2）回转副例 ３）综合实例
二.机组效率计算
1.串联机组
2.并联机组
3.混联机组
三.螺旋副的效率
１.矩形螺旋副效率
２.三角形等螺旋副效率
四.机械的自锁性——从机械效率角度分析
第六章机械的平衡
基本要求：
１、了解机械平衡的目的及其分类，掌握机械平衡的方法。
２、熟练掌握刚性转子的平衡设计方法，了解平衡试验的原理及方法。
３、了解柔性转子的特点及其与刚性转子的主要区别。
重点：
１、刚性转子与柔性转子的概念
２、单面平衡与双面平衡概念及其试验方法
难点：
转子的平衡计算与平衡实验。
本章口诀诗：
动静平衡两类型，
转子短长各不同，
光轴刀口单配重，
双面称量无离心。
§6—1预备知识
一、刚性转子与柔性转子的概念
二、转子质量偏心及危害
§6—2刚性回转体的平衡分析
一、静平衡（质量分布在一个平面内的转子）
1、静不平衡体∑miri≠0
2、静平衡条件：
3、平衡质量配置位置
二、动平衡（质量分布不在同一平面内的转子）
1、动不平衡体，静平衡体不一定是动平衡体，但动平衡体一定是静平衡的。
2、动平衡条件
3、动平衡原理：
任一不平衡质径积可向任选的两个方向平面分解之。
三、刚性转子平衡实验
1、静平衡实验——介绍水泵叶轮的平衡法
2、动平衡实验——通过框架式结构简要说明之
第七章机械的运转及其速度波动的调节
基本要求：
１、了解速度波动类型与调节方法
２、了解飞轮调速原理，掌握飞轮转动惯量的计算方法
重点：
１、等效构件及等效参数概念
2、机械运转速度波动及其调节方法
难点：
最大盈亏功与飞轮转动惯量计算
本章口诀诗：
波动原来有周期，
周期转速见高低；
高低幅度飞轮定，
轮定盈亏是前提。
本章作业：
７－４；７－１０；7-10
§7—1等效构件
一、等效构件
以等效参数标识的构件
二、等效参数
1、等效力P和等效力矩M
机器的总功率
（N=∑Pjυj+∑Mjωj）则
（P=∑[Pj（υj/υB）+Mj（ωj/υB）]）或
（M=∑[Pj（υj/ω）+Mj（ωj/ω）]）
2、等效质量m与等效转动惯量J
机器在某一时刻位于某位置时的总动能为
（W=∑1/2[mjυj2+Jsjωj2]）则
（m=∑[mj（υj/υB）2+Jsj（ωj/υB）2]）或
（J=∑[mj（υj/ω）2+Jsj（ωj/ω）2）]
§7—2机器工作过程及速度波动类型
一、机器运转的三个阶段
启动——稳定运转——停车
ω↑ ω~ ω↓
二、名词术语
1、额定转速ωm：
ωm=（1/T∫0Tω（t）dt）
ωm=1/2（ωmax-ωmin）
2、运动不均匀系统δ：
δ=（ωmax-ωmin）/ωm
3、盈亏功ΔＷ
三、波动类型与调节方法
1、非周期性速度波动调速器（机械式飞锤调速器）
2、周期性速度波动，飞轮调节
§7—3飞轮设计
一、飞轮设计的基本问题
1、针对性（由δ求JF）
2、等效性（Je—机械的等效转动惯量）
等效构件总的转动惯量（J=JF+Je）
由于JF>>Je ∴J≈JF、
3、一个周期内机器等等效驱动力（矩）与阻力（矩）矩的变化趋势
二、最大盈亏功的计算
1、飞轮转动惯量计算
2、讨论
1）JF与δ关系；
2）JF与n关系；
3）ΔＷmax与δ关系；
3、最大盈亏功的计算
以单缸四冲程内燃机水泵机组说明计算过程
第八章平面连杆机构及其设计
基本要求：
１、了解与掌握四杆机构的基本类型与基本概念
2、了解四杆机构的的演化及其应用
重点：
1、平面连杆机构类型、演化、特性
2、曲柄存在条件
3、图解设计方法
难点：
透明刚性转板的图解设计方法
本章口诀诗：
曲柄摇杆铰连成,
演化实用无穷尽;
若逢三点共一线,
快慢轻重看主从.
本章作业：
８－６；８－８；８－１４；８－１５；８－２３；８－２４；８－２５；８－２７
§8—1铰链四杆机构的基本形式，演化及其基本概念
一、基本形式
1.各杆件名称
2.基本形式及其区别
3.曲柄存在的条件
二、机构的演化
1.偏心轮机构
2.曲柄滑块机构（对心、偏置）
3.变换机架的机构演化
1）针对曲柄摇杆机构
2）针对曲柄滑块机构
三、基本概念
1.压力角与转动角，最小传动角的位置
2.死点位置及其应用
3.急回运动
1）摇杆极限位置、极位夹角
2）行程速比系数K=（180°+θ）/（180°-θ）
§8—2四杆机构的图解设计法
两类设计：
位置设计、轨迹设计
一、按给定的连杆位置设计
例：
箱式电炉的炉门开启机构
二、按给定的行程速比系数设计
1.曲柄摇杆机构设计
2.曲柄滑块机构设计
3.导杆机构设计
三、按给定的连架杆对应位置设计——采用透明刚性转板设计
§8—3四杆机构的解析设计法
主要介绍代数法位置设计
第九章凸轮机构及其设计
基本要求：
1、了解凸轮机构的基本类型及其应用
2、掌握从动件常用运动规律的特点及选择运动规律时应考虑的因素
3、能根据给定的运动规律，用反转法绘制出各种从动件盘形凸轮的轮廓曲线
４、掌握压力角与自锁的关系，基圆半径对压力角的影响，滚子半径的选用原则
重点：
1、从动件运动规律及其特点
2、盘形凸轮轮廓曲线的绘制原理与方法
难点：
反转法原理及其应用
本章口诀诗：
机成自动靠凸轮，
尖底推回有规循；
画取廓形压力角，
原理都在反转中。
本章作业：
９－６；９－８；９－１１；
§9—1概述
一、机构组成
1.基本构件
2.凸轮测绘方法——分度头结构与使用，带有兴趣学生参观之。
二、机构类型
1.按凸轮形状分：
盘形——平面；圆柱——空间
2.按从动件形状分：
尖底；滚子；平底（直动）
3.按维持高副的条件分：
形封闭型和力封闭型
三、名词术语
以尖底对心盘形凸轮机构为例
基圆，推（回）程，推（回）程运动角，远（近）休止角（δ0,δ'0,δ01,δ02）
从动件运动线图
§9—2从动件的常见运动规律
一、等速运动规律
以推程运动为例
1.运动规律方程式
2.运动线图
3.特点:
刚性冲击
二、等加速等减速运动规律
１、问题的提出
２、运动方程式
加速段方程推导：
减速段方程推导:
3.全推程运动线图绘制与特点
4.特点——柔性冲击（不可消除）
三.简谐运动规律（余弦加速度运动规律）
1.定义
2.运动方程
3.运动线图
4.特点——柔性冲击（可以减少或消除）
四、摆线运动规律（正弦加速度运动规律）
1.定义
2.运动方程
3.运动线图
4.特点——既无刚性也无柔性冲击
§9—3盘形凸轮轮廓曲线的绘制
一、反转法原理
二、绘制示例
1.偏置直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制
2.摆动尖底从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制
三、讨论
1.滚子和平底从动件盘形凸轮轮廓的绘制
2.理论轮廓、实际轮廓与基圆的关系
§9—4凸轮机构设计时的注意事项
一、压力角的验算、偏距e的正负确定
二、滚子半径的确定
三、基圆半径的确定（注：
圆柱凸轮设计仅作提示）
第十章齿轮机构及其设计
基本要求：
１、了解齿轮机构的类型和应用
２、掌握齿廓啮合基本定律的概念
３、深入了解渐开线直齿圆柱齿轮传动的啮合特性
４、掌握标准直齿圆柱齿轮传动的基本参数和几何尺寸计算
５、明确根切现象及其最少齿数，齿轮的变位修正和变位齿轮传动的基本概念
６、了解平行轴斜齿圆柱齿轮的啮合特点，掌握标准斜齿圆柱齿轮传动几何尺寸的计算
７、了解标准直齿圆锥齿轮传动的特点及其几何尺寸的计算
８、对蜗杆传动的特点有所了解
重点：
１、渐开线的性质
２、齿轮的基本尺寸
３、齿轮的加工与变位
４、当量齿轮与当量齿数
难点：
１、齿轮变位
２、啮合传动过程分析
本章口诀诗：
齿廓性质记六条，
标准变位在于刀；
正负零型多尺寸，
四大参数细推敲。
本章作业：
１０－１６；１０－２０；１０－２３；１０－２５；１０－２７；
１０－３０；１０－３２；１０－３５；１０－３７
§10—1渐开线及渐开线齿廓
一、齿轮应用概述（含发展简史）
二、渐开线
1.定义
2.方程
3.性质（共六条）
三、渐开线齿廓
1.齿廓啮合基本定律
2.渐开线齿廓满足啮合基本定律
3.共轭齿廓及其共轭点（以图解法为例说明之）
§10—2标准渐开线直齿圆柱齿轮计算
一、齿轮的四个同心圆
1.两个可见圆：
da，df
2.两个不可见圆：
从任一同心圆dk引出d；db
二、分度圆上基本参数
m，α，p，s，e 并且s=e=p/2=πm/2
三、基本尺寸
1、两个不可见圆
d=mz
db=mz·cosα
２、两个可见圆（正齿轮）
da=d+2ha
df=d-2hf
四、任一圆周上的齿厚，在课程堂上推导计算式
§10—3标准直齿圆柱渐开线齿轮啮合传动
一、齿轮机构的安装
1.节圆及啮合角d'，α'
2.标准安装及其特点
d=d'，无侧隙顶隙c=c*m
3.标准中心距a
4.可分性
二、齿轮机构的啮合过程
1.名词术语
啮合线，理论啮合线，实际啮合线（作图指出啮哈起点导出实际啮合线长度）
2.正确啮合条件
3.连续传动条件，由实际啮合线长计算重合系数
§10—4齿轮的加工与变位
一、齿轮的加工
1.成型法，介绍某些工厂做法
2.范成法
3.齿轮的测量：
公法线长、固定弦齿厚与齿高
二、根切现象与最少齿数
1.根切现象及原因
2.最少齿数
3.防止根切的措施（介绍历史）
三、变位齿轮
1.变位齿轮与最小变位系数
2.变位齿轮的计算
1）齿厚S，（Sk）
2）中心距（a'）
3）无侧隙啮合方程（由任意圆周上齿厚计算式推导之）
4）四圆直径
3.齿轮传动类型及适用条件
零传动,正传动,负传动
§10—5斜齿圆柱齿轮
一、齿廓曲面的形成及其基本参数
1.形成原理（作图演示）
2.基本参数
二、正确啮合条件和重迭系数
1.正确啮合条件（mn,αn,β）
2.重迭系数（ε=εα+εβ）
三、几何尺寸计算
四、当量齿轮与当量齿数
五、斜齿轮机构的演化
1.螺旋齿轮机构
2.蜗杆蜗轮机构
1）演化
2）正确啮合条件
3）主要尺寸
4）相互转向关系
§10—6直齿圆锥齿轮
一、圆锥齿轮特点
1.从圆柱齿轮看圆锥齿轮
2.标准传动
3.模数
二、当量齿轮与当量齿数
1.理论齿廓曲线球面渐开线
2.背锥齿轮与齿数（用大皮球和纸圆锥演示之）
3.基本尺寸
第十一章齿轮系及其设计
本章重点
轮系类型与传动比计算
本章难点
复合轮系传动比
本章口诀诗：
行星周转臂杆撑，
中心两轮分主从；
基本系里论传动，
复合速比联方程。
本章作业：
１１－１１；１１－１２；１１－１４；１１－１７；１１－１８；１１－２０；１１－２１；１１－２２；１１－２３
§11—1轮系的功能与类型
一、功能
1.增大传动比，实现大传动比传动
2.实现大中心距传动
3.实现多速传动
4.实现换向传动
5.实现多路传动
6.实现运动的分解与合成
二、类型
定轴轮系平面与空间
动轴轮系基本轮系与复合轮系
行星轮系与动轮系
§11—2定轴轮系传动比
一、一对齿轮之间的传动比大小与符号
二、多对齿轮之间的传动比
1.平面定轴轮系
2.空间定轴轮系
§11—3周转轮系传动比计算
一、周转轮系的组成与类型
二、周转轮系传动比计算
1.相对运动小实验与思考（手表反转实验与三个思考题）
2.周转轮系的转化机构（动定法）
3.周转轮系传动比计算
4.计算传动比时的注意事项
三、计算实例（用含圆锥齿轮的周转轮系示例）
§11—4复合轮系传动比计算
三个计算实例说明，通过多个实例说明求解三步骤以及识别基本周转轮系三步骤
第十二其他常用机构
本章重点：
1、螺旋机构
2、棘轮机构
3、槽轮机构
4、双万向联轴节结构
教学方法：
实验室结合实物上课或者看录象带。
双万向节口诀诗：
万向联节应成双，
成双未必无损伤；
损伤叉两轴关键，
关键角面靠安装。
第十四章机械传动系统方案设计
本章口诀：
基本机构串并联，
综合创新史无前；
轨迹位移随君想，
飞天入海胜先贤。
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