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1、机械原理（试讲）机械原理（试讲）主主讲人：米振人：米振华第一章第一章绪绪论论1-1本课程研究的对象及内容本课程研究的对象及内容“机械原理”(Mechanical Principle)研究的对象是机械，研究的内容是有关机械(mechanism)的基本理论问题。 机械机械是机器(machine)和机构(mechanism)的总称。 右图所示为一内燃机示意图，主要由以下机构组成： 活塞(piston)、连杆(connecting rod)、曲轴和机架(frame)组成连杆机构；大齿轮(gear)、小齿轮和机架组成齿轮机构；凸轮(cam)、推杆和机架组成凸轮机构。除除了了机机器器外外，实实际际中中存存
2、在在如如图图1-2所所示示的的开开窗窗机机构构和和如如图图1-3所所示示的的千千斤斤顶顶，它它们们借借助助于于人人力力驱驱动动实实现现所所需需的的运运动动或或传传递递力力。这这些些装装置置我我们们称称之之为机构。为机构。图1-2 开窗机构图1-3 千斤顶机器的特征：机器的特征：1.它们是由零件人为装配组合而成的实物体；它们是由零件人为装配组合而成的实物体；2.各实物体之间具有确定的相对运动；各实物体之间具有确定的相对运动；3.能完成有用的机械功或转化机械能。能完成有用的机械功或转化机械能。机构的特征：机构的特征：机构具有机器特征中的前两个特征。机构具有机器特征中的前两个特征。机器与机械的共有特
3、征决定了机器与机构可以统称为机械。机器与机械的共有特征决定了机器与机构可以统称为机械。本课程研究的内容：本课程研究的内容：1.机构结构分析的基本知识机构结构分析的基本知识2.机构的运动分析机构的运动分析3.机器动力学机器动力学4.常用机构的分析与设计常用机构的分析与设计5.机构的选型及机械传动系统的设计机构的选型及机械传动系统的设计本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要求设计新机械的途径
4、。求设计新机械的途径。l- -2学习本课程的目的学习本课程的目的 本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，并为知识基础。所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，并为专业课程打下基础。专业课程打下基础。l- -3如何进行本课程的学习如何进行本课程的学习在在学学习习本本课课程程的的过过程程中中，要要着着重重注注意意搞搞清清楚楚基基本本概概念念，理理解解基基本本原原理理，掌握机构分析和综合的基本方法。掌握机构分析和综合的基本方法。 在在本本课课
5、程程的的学学习习过过程程中中，要要注注意意培培养养自自己己运运用用所所学学的的基基本本理理论论和和方方法法去去分分析析和和解解决决工工程程实实际际问问题题的的能能力力。为为此此要要十十分分注注意意各各种种理理论论和和方方法法的的适适用用范范围和条件，以求能逐步做到正确而灵活的应用。围和条件，以求能逐步做到正确而灵活的应用。第二章第二章平面机构的结构分析平面机构的结构分析2- -1机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的研究内容：研究内容：(1)研究机构的组成及其具有确定运动的条件；研究机构的组成及其具有确定运动的条件；(2)根据结构特点进行机构的结构分类；根据结构特点进行机构的结构分类
6、；(3)研究机构的组成原理。研究机构的组成原理。研究目的：研究目的：在在机机构构设设计计中中，需需要要知知道道机机构构是是怎怎样样组组合合起起来来的的，而而且且在在什什么么条条件件下下才才能能实实现现确确定定的的运运动动；对对机机构构组组成成原原理理的的研研究究还还可可以以为为新新机机构构的的创创造造提提供供途途径径；通通过过对对机机构构的的结结构构分分析析与与分分类类，可可以以为为举举一一反反三三地地研研究究机机构构的的运运动动分析和动力分析提供方便。分析和动力分析提供方便。2- -2机构的组成机构的组成1.构件构件构件构件(link)机器中每一个独立的运动单元体。机器中每一个独立的运动单元
7、体。2.运动副运动副由由两两个个构构件件组组成成的的可可动动的的联联接接称称为为运运动动副副(kinematicspair)。而而把把两两构构件件上上能能够够参参加加接接触触而而构构成成运运动动副副的的表表面面称称为为运运动动副副元元素素。例例如如轴轴与与轴轴衬衬的的配配合合(图图2-1)，滑块与导轨的接触，滑块与导轨的接触(图图2-2)。图图2-1 回转副回转副 图图2-2 移动副移动副 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) 。图图2-3,b图图2-3,c图图2-3,a 齿轮副齿轮副 任意两个构件任意两个构件1与与2，当它们尚未
8、构起运动副之前，构件，当它们尚未构起运动副之前，构件1相对于构件相对于构件2共有共有6个相对运动的自由度。当两构件以某种方式相联接而构成运动副，则个相对运动的自由度。当两构件以某种方式相联接而构成运动副，则两者间的相对运动便受到一定的约束，其相对运动自由度减少的数目就等于两者间的相对运动便受到一定的约束，其相对运动自由度减少的数目就等于该运动副所引入的约束的数目。两构件构成运动副后所受到的约束数最少为该运动副所引入的约束的数目。两构件构成运动副后所受到的约束数最少为1(如图如图2-3，b所示的运动副所示的运动副)，而最多为，而最多为5(如图如图2-1和和2-2所示的运动副所示的运动副)运动副的
9、分类：运动副的分类：(1)按引入约束的数目分：按引入约束的数目分：I级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副。级副。(2)按按两两构构件件的的接接触触情情况况进进行行分分：点点或或线线接接触触而而构构成成的的运运动动副副统统称称为为高高副副；面面接接触触(surfacecontact)而而构构成成的的运运动动副副则则称称为为低低副副(lowerpair)。(3)按按两两构构件件之之间间的的相相对对运运动动的的不不同同分分：转转动动副副或或回回转转副副(revolutepair)、移移动动副副(slidingpair)、螺螺旋旋副副、球球面面副副、平平面面运运动动(planemoti
10、on)副、空间运动副。副、空间运动副。图图2-5 螺旋副螺旋副图图2-6 球面副球面副3.运动链运动链 把把两两个个以以上上的的构构件件通通过过运运动动副副的的联联接接而而构构成成的的相相对对可可动动的的系系统统称称为为运运动动链链(kinematicschin)。如如果果运运动动链链的的各各构构件件构构成成了了首首末末封封闭闭的的系系统统，则则称称其其为为闭闭式式运运动动链链或或简简称称闭闭链链(图图2-7，a和和b)；如如果果运运动动链链的的构构件件未未构构成成首末封闭的系统，则称其为首末封闭的系统，则称其为开式运动链开式运动链，或简称，或简称开链开链(图图2-7，c和和d)。4.机构机构
11、 在在运运动动链链中中，如如果果将将某某一一构构件件加加以以固固定定而而成成为为机机架架，则则这这种种运运动动链链便便成为机构。成为机构。 机机构构中中按按给给定定的的已已知知运运动动规规律律独独立立运运动动的的构构件件称称为为原原动动件件；而而其其余余活活动动构构件件则则称称为为从从动动件件。从从动动件件的的运运动动规规律律决决定定于于原原动动件件的的运运动动规规律律和和机机构构的结构。的结构。2- -3机构运动简图机构运动简图用用简简单单的的线线条条和和规规定定的的符符号号表表示示组组成成机机构构的的构构件件和和运运动动副副，并并按按一一定定的的比比例例尺尺表表示示运运动动副副的的相相对对
12、位位置置的的简简单单图图形形称称为为机机构构运运动动简简图图(kinematicsketchofmechanism)。绘制步骤如下：。绘制步骤如下：(1)分析机构的运动情况，定出其原动部分、工作部分，搞清楚传动部分。分析机构的运动情况，定出其原动部分、工作部分，搞清楚传动部分。(2)合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置。合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置。(3)选择适当的比例尺选择适当的比例尺(scale)。(4)用简单的线条和规定的符号绘图。用简单的线条和规定的符号绘图。(5)检验。检验。61AOF2345BDEC颚式碎石机ab图2-82- -4机构具有确定运动的条件机构具有确定运
13、动的条件 机机构构具具有有确确定定运运动动时时所所必必须须给给定定的的独独立立运运动动参参数数的的数数目目，称称为为机机构构的的自由度自由度。 机机构构具具有有确确定定运运动动的的条条件件：机机构构的的自自由由度度必必须须大大于于或或等等于于l，且且机机构构原动件的数目应等于机构的自由度的数目。原动件的数目应等于机构的自由度的数目。如图如图2-10，只有在给构件，只有在给构件4确定运动规律后，此时系统才成为机构。确定运动规律后，此时系统才成为机构。图2-9图2-102- -5平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式2- -6计算平面机构自由度时应注
14、意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项1.复复合合铰铰链链：两两个个以以上上的的构构件件同同在在一一处处以以转转动动副副相相联联接接，如如图图2-11所示。所示。若若有有m个个构构件件以以复复合合铰铰链链(joint)相相联联接接时时，其其构构成成的的转转动动副副数数应应等等于于(m-1)个。个。 图2-112.局部自由度局部自由度 在在有有些些机机构构中中，某某些些构构件件所所产产生生的的局局部部运运动动，并并不不影影响响其其他他构构件件的的运运动动。我我们们把把这这种种局局部部运运动动的的自自由由度度称称为为局局部部自自由由度度，如如图图所所示示。在在计计算算机机构的自由度时，应从机构自
15、由度的计算公式中将局部自由度减去。构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去。 对于图示凸轮机构自由度为对于图示凸轮机构自由度为F=33-(23+1)-1=1凸轮机构三维实体图图2-123.虚约束虚约束在在机机构构中中，有有些些运运动动副副带带入入的的约约束束，对对机机构构的的运运动动实实际际上上不不起起约约束束作作用用，我我们们把把这这类类约约束束称称为为虚虚约约束束。在在计计算算机机构构的的自自由由度度时时应应将将这这类类虚虚约约束除去。束除去。机构中的虚约束常发生在下列情况：机构中的虚约束常发生在下列情况：1)在在机机构构中中如如果果两两构构件件用用转转动动副副联联接接其其
16、联联接接点点的的运运动动轨轨迹迹重重合合，则则该联接将带入该联接将带入1个虚约束。如图个虚约束。如图214所示的机构简图。所示的机构简图。F=3*n2PlPh=3*42*6=0错错F=3*n2PlPh=3*32*4=1对对图2-132)如如果果两两构构件件在在多多处处接接触触而而构构成成移移动动副副，且且移移动动方方向向彼彼此此平平行行(如如图图2- -14所示所示)，则只能算一个移动副。，则只能算一个移动副。 如如果果两两构构件件在在多多处处相相配配合合而而构构成成转转动动副副，且且转转动动轴轴线线重重合合( (如如2-15所所示示)，则只能算一个转动副。，则只能算一个转动副。如如果果两两构
17、构件件在在多多处处相相接接触触而而构构成成平平面面高高副副，且且各各接接触触点点处处的的公公法法线线彼此重合彼此重合(如图如图2-16所示所示)，则只能算一个平面高副。，则只能算一个平面高副。 图2-14图2-15图2-163)在在机机构构运运动动的的过过程程中中，若若两两构构件件上上某某两两点点之之间间的的距距离离始始终终保保持持不不变变，则如用双转动副杆将此两点相联，也将带入则如用双转动副杆将此两点相联，也将带入1个虚约束，图个虚约束，图2-17所示。所示。4)在在机机构构中中，某某些些不不影影响响机机构构运运动动传传递递的的重重复复部部分分所所带带入入的的约约束束亦亦为为虚约束，如图虚约束，如图2-18所示。所示。F=3*n2PlPh=3*42*6=0错错F=3*n2PlPh=3*52*56=-1错错F=3*n2PlPh=3*32*4=1对对F=3*n2PlPh=3*32*32=2对对 图2-17图2-18
