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1、机械原理,武汉理工大学机电工程学院机械设计系,制作人：董皊指导老师：曹泗秋,机械原理教学课件,第一章绪论第二章机构的结构分析第三章平面机构的运动分析第四章平面机构的力分析第五章机械的效率和自锁第六章机械的平衡第七章机械的运转及其速度波动的调节第八章平面连杆机构第九章凸轮机构及其设计第十一章轮系及其分类,第一章绪论,1-11-21-31-4,本课程研究的对象及内容,学习本课程的目的,如何进行本课程的目的,机械原理学科发展现状简介,返回首页,机械原理:研究机械的运动及动力特性，及机械运动方案设计的一门基础技术学科。是机械设计理论和方法中的重要分支。研究对象:机械。而机械是机构与机器的总称。1机构：
2、用来传递与变换运动和力的可动装置。连杆机构最常用的机构有：齿轮机构间歇运动机构等。2机器：一种由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。根据工作类型的不同，机器分为：动力机器：将其他形式能量和机械能互换机器信息机器：完成信息的传递和变换。,凸轮机构,工作机器：完成有用机械功或搬运物品。,1-1本课程研究的对象及内容,返回首页,3机构举例：例1，内燃机示意图（如图1-1）：它包含：汽缸11活塞10连杆3曲柄4齿轮机构：凸轮轴7阀门推杆8阀门推杆9,齿轮1和18,凸轮机构,连杆机构,返回首页,内燃机示意图,返回上页,例2，工件自动装卸装置（如图1-2）：工作
3、原理：电动机通过机构的传动使滑杆左移，滑杆上的动爪和定爪将工件夹住。当滑杆带着工件右移到一定位置时，动爪受挡块的压迫将工件松开，于是工件落于载送器上，被送到下道工序。,返回首页,本课程研究的内容主要包括以下几个方面：（1）.机构结构分析的基本知识（2）.机构的运动分析（3）.机器动力学（4）.常用机构的分析与设计（5）.机械传动系统运动方案的设计,返回首页,1-2学习本课程的目的,1.它研究的是现有机械的运动及工作性能和设计新机械的基础知识，是机械类各专业必修的一门重要技术基础课程。2现代各国间的竞争主要表现为综合国力的竞争。要提高综合国力，就要实现生产的机械化和自动化，就需要创造出大量的、新
4、颖优良的机械来装备，为其高速发展创造有利条件。机械工业是国家综合国力发展的基石。3随着各种新兴学科的兴起，机械工业也向更高的阶段发展，以与各相关学科的发展相适应。4机械工业历史悠久，至今仍在蓬勃发展。一些高科技成果，都有赖于现代机械工业的支持，没有现代机械工业为基础的信息社会是难以想象的。5机械原理方面的知识，在新机械的创造中起到不可或缺的基础作用。,返回首页,1-3如何进行本课程的学习,1.机械原理课程是一门技术基础课程。它一方面较物理、理论力学等理论课程更加结合工程实际；另一方面，又与专业机械的课程有所不同。在学习过程中，要着重搞清基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法。2.
5、本课程对于机械的研究，是通过以下两大内容来进行的：（1）研究各种机构和机器所具有的一般共性问题。（2）研究各种机器中常用的一些机构的运动和动力性能，和它们的设计方法。3随着各种新学科的兴起，机械工业也向更高阶段发展，以与各相关学科的发展相适应。4一些高科技成果，都有赖于现代机械工业的支持，没有现代机械工业为基础的信息社会是难以想象的。,返回首页,1-4机械原理学科发展现状简介,1.现代机械工业日益向高速、重载、高精度、高效率、低噪声等方向发展。为适应这种情况，机械原理学科的新研究课题与新研究方法日新月异。故机械现在是，将来仍是人类利用和改造自然界的直接执行工具。2.当前在自控机构、机器人机构、
6、仿生机构、柔性及弹性机构和机电光液综合机构等的研制上有很大进步。在机械的分析与综合中，也由只考虑其运动性能过渡到同时考虑其动力性能；考虑到机械运转时，构件的震动和弹性变形，运动副中的间隙和构件的误差对机械运动及动力性能的影响；以及如何对构件和机械进一步做好动力平衡。,返回首页,3.目前，在机械的分析和综合中广泛的应用了计算机，发展并推广了计算机辅助设计、优化设计、考虑误差的概率设计。提出了多种便于对机械进行分析与综合的数学工具，编制了许多大型通用或专用的计算程序。此外，随着现代科技的发展，测试手段的日益完善，也加强了对机械的实验研究。4.总之，作为机械原理学科，其研究领域十分广阔，内涵非常丰富
7、。在机械原理的各个领域中，每年都有大量的内容新颖的文献资料涌现。,返回首页,第二章机构的结构分析,2-12-22-32-42-52-62-7,机构结构分析的内容及目的,机构的组成,机构运动简图,机构具有确定运动的条件,机构自由度的计算,计算平面机构自由度时应注意的事项,虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计,返回首页,2-1机构结构分析的内容及目的,机构结构分析研究的主要内容及目的是：（1）研究机构的组成及机构运动简图的画法（2）了解机构具有确定运动的条件（3）研究机构的组成原理及结构分类研究的主要对象是机构，所以首先必须知道机构是怎样组成的。另外，为了对机构进行分析与综合，还必须画出
8、其机构运动简图。还必须知道在什么条件下它的运动才是确定的。,返回首页,2-2机构的组成,1.构件2.运动副.运动链4、机构,返回首页,1.构件：组成机构的每一个独立运动单元体。从运动的观点看，可以说任何机器都是由若干（两个以上）构件组合而成的。2.运动副（1）.概念：运动副：两构件直接接触而又能产生一定的相对运动的连接。运动副元素：两构件上能够参加接触而构成运动副的表面。由度：构件含有独立运动的数目约束：对独立运动的限制,返回首页,例：轴1与轴承2的配合（图2-1）；,运动副元素：圆柱面、圆孔面,图2-1,返回首页,滑块1与导轨2的接触（图2-2）；,运动副元素：棱柱面、棱孔面,图2-2,返回
9、首页,两齿轮轮齿的啮合（图2-3，a）；球面与平面的接触（图2-3，b）；圆柱与平面的接触（图2-3，c）。,运动副元素：两齿廓曲面,运动副元素：球面与平面,运动副元素：圆柱面与平面,a）,b）,c）,图2-3,返回首页,（2）.运动副的分类：1）.根据其所引入的约束的数目分类：I级副；II级副；III级副；IV副和V级副。2）.根据构成运动副的两构件的接触情况分类：高副：两构件通过点或线接触而构成的运动副，如图2-1示；低副：两构件通过面接触而构成的运动副，如图2-2所示。3）.根据两构件之间的相对运动的不同来分类：转动副：两构件之间的相对运动为转动的运动副。如图2-1移动副：相对运动为移动
10、的运动副，如图2-2所示。螺旋副：相对运动为螺旋运动的运动副。球面副：相对运动为球面运动的运动副,如图2-5所示。4）.根据两构件的空间位置分类：平面运动副：两构件间的相对运动为平面运动的运动副。空间运动副：两构件间的相对运动为空间运动的运动副。,返回首页,球面副：相对运动为球运动的运动副,返回上页,常用运动副的简化符号,（3）.,表2-1,返回首页,常用运动副的简化符号,表2-1,返回首页,.运动链构件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统称为运动链。（1）闭链：组成运动链的构件构成了首末封闭的系统，如图2-6，a、b（2）开链：组成运动链的构件未构成首末封闭的系统，如图2-6，c、d此外，
11、根据运动链中各构件相对运动为平面还是空间运动，分为：平面运动链（如图2-6所示）空间运动链（如图2-7所示）,返回首页,a),b),c),d),图2-6,图2-7,返回上页,4、机构机构：如果运动链中的一个构件固定作为机架时则这种运动链称为机构。机构中各构件的名称：机架：设定固定不动的构件。原动件：机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件。从动件：构件中其余的活动构件。根据各构件间的相对运动为平面运动或空间运动，机构可分为：平面机构（应用较广泛）空间机构,返回首页,2-3机构运动简图,1.机构运动简图：用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况，这样
12、绘制出的简明图形。常用机构运动简图符号如表2-2所示。,返回首页,常用机构运动简图符号,表2-2,返回上页,一般构件的表示方法如表,返回首页,表2-3,2、绘制机构运动简图的步骤,（1）、观察机构的组成、运动情况，分析运动副（找中心、找方向从原动件开始，顺着运动传递路线，依次进行）；（2）、选择投影面（视图）；一般以机械的多数构件的运动平面为投影面（不要垂直运动平面），必要时要可补充辅助视图；（3）、选择适当的比例尺l；l=实际长度m/图示长度mm（4）、定出各运动副相对位置，用规定的符号和线条绘出简图，原动件上标上箭头（指示运动方向）,返回首页,3、机构运动简图绘制举例,例2-1图2-8，a
13、所示为一颚式破碎机。当曲轴1绕轴心O连续回转时，动颚板5绕轴心F往复摆动，从而将碎石轧碎。试绘制此破碎机的机构运动简图。,返回首页,解：原动件：曲轴1；执行部分：动颚板5。循着运动传递路线，它由曲轴1，构件2、3、4，动颚板5和机架6等组成。曲轴1和机架6、构件2在O、A分别构成转动副。构件2与构件3、4在D、B两点分别构成转动副。构件3与机架6在E点构成转动副。动颚板5与构件4、机架6分别在C、F点构成转动副。搞清组成后，选定视图平面和比例尺，并定出各转动副O、A、B、C、D、E、F的位置，即可绘出其机构运动简图，如图b所示。,返回首页,2-4机构具有确定运动的条件,机构的自由度数目和机构原
14、动件的数目与机构的运动有着密切的关系：(1)若机构自由度0，则机构不能动；(2)若0，且与原动件数相等，则机构各构件间的相对运动是确定的；这就是机构具有确定运动的条件。(3)若0，且多于原动件数，则构件间的运动是不确定的；(4)若0，且少于原动件数，则构件间不能运动或产生破坏。,返回首页,例2-2试绘制图1-1，a所示内燃机的机构运动简图。,返回首页,解：如前所述，其主体机构是：曲柄滑块机构：由汽缸11、活塞10、连杆3和曲轴4组成齿轮机构凸轮机构在燃气的压力作用下，活塞10首先运动，再通过连杆3使曲轴4输出回转运动；而为了控制进气和排气，由固装于曲轴4上的小齿轮1带动固装于凸轮轴7上的大齿轮
15、18使凸轮轴回转，再有凸轮轴7上的两个凸轮，分别推动推杆8及9以控制进气阀12和排气阀17。把其构造情况搞清楚后，选定视图平面和比例尺，即不难绘出其机构运动简图，如图b所示。,返回首页,2-5机构自由度的计算,机构自由度：机构中各构件相对机架所能有的独立运动的数目。1平面机构自由度的计算公式一个不受约束的构件在平面中的运动是三个自由度，设活动构件：n个低副：PL个高副：PH个共：(2PL+PH)个约束，机构的自由度F显然为：F=3n-(2PL+PH)=3n-2PL-PH（2-1）这就是平面机构自由度的计算公式，即：平面机构结构公式。,返回首页,2平面自由度的计算举例,解：n=3;Pl=4;Ph
16、=0.则机构自由度F=33-24-0=1原动件数=机构自由度，机构运动确定。,例1.如图2-9所示的四杆机构。,返回首页,例2如图2-10所示的铰链五杆机构。,而如果再给定另一个独立的运动参数，则此机构的运动就完全确定了。,解：n=4;Pl=5;Ph=0.则机构自由度：F=34-25-0=2原动件数机构自由度数，机构运动不确定,返回首页,解：内燃机结构简图如图：由图可知：n=6；PL=7，PH=3；故机构的自由度为：F=3n-(2PL+PH)=36-(27+3)=1,例3试计算图1-1所示内燃机的自由度。,返回首页,2-6计算平面机构自由度时应注意的事项,要正确计算运动副的数目在计算机构的运动副数目时，必须注意如下三种情况：（1）.两个以上的构件同在一处以转动副相连接，就构成了复合铰链。由m个构件组成的复合铰链，共有（m-1）个转动副。,返回首页,解：此机构B、C、D、F四处都是由三个构件组成的复合铰链，各具有两个转动副。故其n=7，Pl=10，Ph=0，由式（2-1）得：F=3n-(2Pl+Ph)=7-(210+0)=1,例试计算图2-15
