机械原理课程学习指南.doc

机械原理课程学习指南2013-2014学年第1学期，适用于机械1221-2任课教师：孟宪举说明：为配合学生机械原理课程的学习，根据机电工程学院本科机械原理课程教学大纲的要求，对本课程基本情况、性质、任务、教材和多媒体课件的处理、学习参考书、考核要求及各章节重点、难点等均在本学习指南中做出了较详细的说明。同时针对各章的不同要求，配备了一定数量的自测练习题，学生通过自测检查可以发现自身学习中存在的问题，有的放矢地进行学习。一、 课程基本情况、性质、研究对象和任务总学时：56学时，课堂教学：50学时，实验教学：6学时。先修课：大学物理、高等数学、机械制图、理论力学、材料力学、计算机应用基础等。机械原理是高等工业院校机械类专业普遍开设的一门重要技术基础课，在整个教学计划中，以主干课程的角色，起着承上启下的作用，具有十分重要的地位。本课程主要研究机械系统的运动学和动力学分析及机械系统方案设计基本理论，包括各种机构的结构分析、运动分析和受力分析问题，常用机构的设计问题，机器动力学问题和机械运动系统设计的问题。它的主要任务是：1、 通过本课程的学习，使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能。2、 通过本课程的学习，使学生学会常用机构的分析和综合方法，培养学生的创新精神和机械系统运动方案创新设计的能力。二、 教材及多媒体课件说明1、 教材本课程教材选用由刘会英、杨志强、张明勤编著，机械工业出版社出版的新世纪高校机电工程规划教材机械原理。本教材内容精炼、结构合理、理论性强，是“十一五”国家级规划教材。由于计划学时有限，不可能在课堂上对教材所有内容一一进行详细讲解。因此，学生应该抓住每章节的重点、难点，搞清分析问题、解决问题的基本思路，并注意寻找同类问题间的内存规律。真正做到举一反三，将问题由“繁”变“易”，将课本由“厚”读“薄”。2、 多媒体课件机械原理多媒体教学课件是本校机械基础学科组集体创作的，它综合了图、文、声、像、二维图形、三维动画等多种媒体手段，经科学、合理的重组、整合、加工，构筑了一种虚拟实际场景的教学氛围。对学生开阔视野、扩展思路、增强工程实践意识以及提高分析问题、解决问题的能力和创造能力都具有非常重要的作用。但是，应该提醒的是，在利用多媒体课件进行学习时，不能将注意力只集中在丰富多彩的课件画面上，而忽视对课程内容的关注和理解；课堂学习中，由于信息量较大，课堂进度较快，应注意对重要内容作记录，并在课下及时复习和总结。三、 参考书1、 机械原理 孙桓 陈作模 主编2、 机械原理教程 申永胜 主编3、 机械原理学习指南 孙桓 主编4、 机械原理辅导与习题 申永胜 主编5、 机械原理常见题型解析及模拟题 葛文杰 主编6、 机械原理试题精选与答题技巧 焦映厚 编四、 课程考核机械原理课程的考核成绩由以下几部分构成：1、 平时表现（以作业为主，包括课程出勤、课堂讨论、提问等情况）：20 %2、 实验(未完成规定实验者不得参加期末考试)：10 % 3、 期末考试：70 %五、 各章基本内容、重点难点及自测练习题第一章 绪论一、 本章要求1、 掌握机械原理学科的研究对象及机械、机器、机构等名词概念。2、 了解机械原理学科的研究内容、发展趋势及学习特点。二、 本章重点和难点机械原理课程的研究对象是机器和机构，对于机器和机构的含义和特征应清楚地掌握，这是本章的重点。同时，要注意课程的性质和学习特点。至于课程内容的几个方面及发展趋势，有一初步了解即可。三、 自测练习题1、 填空题（1） 零件是机器中的 单元体；构件是机构中的 单元体。（2） 内燃机中的连杆属于 。 A：零件B：机构C：构件（3） 机器与机构的主要区别是： 。 A：机器较机构运动复杂B：机器能完成有用的机械功或转换能量C：机器能变换运动形式。（4） 一种相同的机构 机器。A：只能组成相同的B：可以组成不同的C：只能组成一种2、 简答题（1） 什么是机械、机器、机构、构件、零件？各举一例说明。（2） 机械原理课程研究的对象与内容是什么？第二章 平面机构的结构分析一、 本章要求1、 了解机构的组成。搞清运动副、运动链、约束、自由度等基本概念。2、 掌握机构运动简图的绘制方法。能将实际机构结构图绘制成机构运动简图；能看懂机构的运动简图并以此表达自己的设计构思。3、 掌握平面机构自由度的计算及平面机构具有确定运动的判断方法。能准确识别机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确的处理。能对机构是否具有确定的运动作出判断。4、 了解平面机构组成原理及结构分析方法。能够将简单机构分解为机架、原动件和若干基本杆组，并正确判断机构的级别。学会根据机构组成原理对简单的设计方案进行分析。二、 本章重点和难点本章的重点一是机构运动简图的绘制，二是平面机构自由度计算。至于平面机构的高副低代内容，属于拓宽知识面性质的内容，不作重点要求。在机构运动简图的绘制是本章的重点也是难点，其关键在于如何根据相接触的两构件间的联接方式分析确定两者的运动性质，即判定运动副种类。此外，在运动简图上绘制构件时，只表达与运动有关的因素，与运动无关的因素（如构件复杂的外形）应略去。在平面机构自由度计算中，有关虚约束的识别及处理是本章的另一个难点，但不是重点。因此，只要对虚约束有一明确的概念，并对机构存在虚约束的一些常见情况能够作出识别和判断，以便正确计算机构的自由度即可。三、 自测练习题1、 填空题（1） 两构件通过点或线接触而构成的运动副为 ；它引入 个约束。两构件通过面接触而构成的运动副为 ，它引入 个约束。（2） 根据平面机构组成原理，任何机构都可看成是由 加 和 组成。（3） 机构中相对静止的构件称为 ，机构中按给定运动规律运动的构件称为 。（4） 杆组是自由度等于 的运动链。A：1B：0C：原动件数（5） 某机构为级机构，那么该机构应满足的必要充分条件是 。A：至少含有一个级杆组B：至少含有三个基本杆组C：含有基本机构和二个基本杆组（6） 机构中只有一个 。A：原动件B：从动件C：机架（7） 有两个平面机构的自由度都等于1，现用一个有两铰链的运动构件将它们串成一个平面机构，这时其自由度等于 。A：1B：0C：22、 计算分析题（1） 画出下图所示各机构的运动简图。 （a） （b） （c）（2） 计算下图所示各机构的自由度并判断机构是否具有确定的运动。（在计算中，如有复合铰链、局部自由度和虚约束应说明） （a） （b）（3） 下面所示两图分别为一机构的初拟设计方案。试：计算图示各机构的自由度，如有复合铰链，局部自由度和虚约束需说明。分析其设计是否合理，如此初拟方案不合理，请用简图表示其修改方案，并对其合理性进行验证。 （a） （b）（4） 分析下图所示机构的杆组组成，画图表示拆杆组过程并指出各级杆组的级别和机构的级别。 若构件1为机架、构件5为原动件，分析机构组成； 若构件2为机架、构件3为原动件，分析机构组成。 第三章 平面机构的性能分析一、 本章要求1、 了解平面机构运动分析和力分析的目的和不同方法。2、 掌握图解法对平面机构进行运动分析的基本方法。3、 理解速度瞬心的概念及“三心定理”，能够运用瞬心法对简单平面机构进行速度分析。4、 能够运用矢量方程图解法对平面机构进行速度分析和加速度分析。5、 掌握机构力分析的基本方法。运用图解法或解析法对平面机构进行动态静力分析；熟悉移动副、转动副及螺旋副中摩擦力的确定。6、 对机械效率、自锁有明确的概念。二、 本章重点和难点1、 本章重点是图解法对平面机构进行速度和加速度分析，其中包括瞬心法和矢量方程图解法。2、 本章的难点一是运用瞬心法对机构进行速度分析，二是运用矢量方程图解法对平面机构进行加速度分析。三、 自测练习题1、 填空题（1） 在由6个构件组成的机构中，瞬心总数为 个，其中有 个相对瞬心，有 个绝对瞬心。 （2） 当两构件的相对运动为 动，牵连运动为 动时，两构件的重合点之间将有哥式加速度。（3） 在用矢量方程图解法对机构进行运动分析时，影像原理适用于 各点之间速度和加速度关系。A：任意构件上B：同一机构上C：同一构件上。（4） 机械效率等于 功与 功之比，它反映了输入功在机械中的有效利用程度。（5） 平面移动副的自锁条件是：驱动力作用在 ；转动副的自锁条件是：驱动力作用在 ；用机械效率判断自锁的条件是： 。（6） 当移动副中摩擦系数大于零时，滑块所受导路总反力的方向与滑块运动方向成 。A：直角B： 锐角C：钝角。（7） 两运动副的材料一定时，当量摩擦系数取决于 。A：运动副元素的几何形状 B：运动副元素间的相对运动速度 C：运动副元素间作用力 （8） 一台机器空运转，对外不作功，这时机器的效率 。A：大于零B：等于零C：小于零2、 作图分析题（1） 在下图所示机构中，设已知各构件长度，原动件以角速度转动，试用图解法求在图示位置时点的速度和加速度，及构件2的角速度和角加速度。（2） 在下图（a）所示曲柄滑块机构中，已知各构件的尺寸及位置，设原动件的角速度为常数。图b和图c分别为该机构在图示位置时的速度多边形和加速度多边形，各图的比例尺分别为：， 列出与图（b）速度多边形相对应的速度矢量方程式，并标明速度多边形中各线段所代表的矢量。 列出与图c加速度多边形相对应的加速度矢量方程式，并标明加速度多边形中各线段所代表的矢量。 求构件2的角速度2和角加速度2。要求写出计算关系式，并根据图中线段尺寸比例求出其大小，说明其方向。 利用影像原理，求出构件2上速度为零的点和加速度为零的点。（a） （b） （c）（3） 在下图所示机构中， 曲柄1上作用着驱动力矩，滑块3上作用有工作阻力。设已知机构尺寸、移动副中的摩擦角以及转动副中摩擦圆（图中虚线圆所示）。若不计各构件的质量，试求：构件2上运动副B、C处的反力方向和位置；构件1上运动副A处的反力方向和位置；并分析滑块的受力情况（列出平衡方程，并画力多边形）。 第四章 平面连杆机构一、 本章要求1. 了解平面四杆机构的基本形式及演化方法。对铰链四杆机构的三种基本形式及演化方式中的曲柄摇杆机构和摆动导杆机构要熟悉其结构组成和运动特点。2. 掌握平面连杆机构的运动特性的分析方法。对曲柄存在条件、急回特性、行程速比系数、传动角或压力角、死点有明确的概念；3. 掌握设计平面四杆机构的基本方法。能够按照给定行程速比系数、给定连杆位置或两连架杆位置运用图解法或解析法完成四杆机构各构件基本尺寸的确定。二、 本章重点和难点1. 本章的重点一是铰链四杆机构基本形式的判断；二是四杆机构中急回特性分析、传动角压力角分析及死点位置分析；三是平面四杆机构的设计。2. 本章的难点是平面四杆机构最小传动角的分析及按给定两连架杆位置设计平面四杆机构。三、 自测练习题1填空题（1） 当曲柄摇杆机构处于死点位置时，原动件应是 ，此时，机构的压力角为 。（2） 在曲柄摇杆机构中，若把摇杆变换为机架，则机构演变成 机构。（3） 一对心曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成 机构。（4） 在四杆机构中，能实现急回运动的机构有 、 、 。（5） 摆动导杆机构，当以曲柄为原动件时，传动角总是 。A：等于0 ； B：等于90； C： 大于0而小于90。（6） 曲柄滑块机构中，若增大曲柄长度，则滑块行程将 。A：增大； B：不变； C：减小。（7） 铰链四杆机构ABCD各杆长度分别为，取AB杆为机架，则该机构为 。A：双摇杆机构； B：双曲柄机构； C：曲柄摇杆机构。2作图分析题（1） 已知下图所示曲柄滑块机构中，偏距。试用作图法决定： 滑块的行程长度。 极位夹角并计算行程速比系数。 出现机构最小传动角的位置及最小传动角。 如果该机构用作曲柄压力机，滑块朝右运动是冲压工件的工作过程，请确定曲柄的合理转向和传力效果最好的机构瞬时位置，并说明最大传动角。 （2） 设计一曲柄摇杆机构，当曲柄为原动件，从动摇杆处于两极限位置时，连杆的两铰链点的连线正好处于图示和位置。并且在连杆处于位置时机构的传动角为40。若连杆与摇杆的铰链点取在C点（即图中点或点），试用图解法求曲柄AB、连杆BC、摇杆CD和机架AD之长。 第五章 凸轮机构一、 本章要求1、 了解凸轮机构的分类及应用。2、 掌握推杆几种常用运动规律的特点和适用场合，了解其及选择原则。3、 掌握并灵活运用反转原理，学会根据选定这一原理设计凸轮廓曲线的方法，了解在确定凸轮机构的基本尺寸时应考虑的主要问题。二、 本章重点和难点1、 本章的重点一是推杆几种常用运动规律的特点及适用场合；二是盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计；三是凸轮机构压力角及运动失真的主要影响因素。2、 本章的难点是在凸轮轮廓设计及分析中”反转法”原理的理解和运用。三、 自测练习题1填空题（1） 在凸轮机构推杆常用的运动规律中， 运动规律会使机构产生刚性冲击，而 运动规律会使机构产生柔性冲击。（2） 图示几种凸轮机构中 的润滑条件和传力性能最好。A：aB：bC：c（3） 尖顶从动件凸轮机构中，基圆的大小会影响 。A：从动件位移B：从动件加速度C：机构的压力角（4） 与其它机构相比，凸轮机构的最大优点是 。A：便于润滑B：制造方便C：可实现各种预期的运动规律。（5） 为避免从动件运动失真，滚子从动件凸轮的理论轮廓不能 。A：内凹B：有尖点C：变平。（6） 若凸轮机构出现运动失真，可采取 的措施。A：增大滚子半径B：增大基圆半径C、减小基圆半径。（7） 设计滚子直动从动杆盘形凸轮机构时，若压力角超过许用值，则应 。A：增大滚子半径B：增大基圆半径C：减小基圆半径（8） 平底推杆盘形凸轮机构，其压力角 。A：为常数B：随凸轮转动而变化C：一定比尖顶推杆的大2作图分析题（1） 图所示一对心直动滚子从动杆盘形凸轮机构，已知凸轮转向为逆时针方向，凸轮工作轮廓如图所示，要求： 画出凸轮的理论轮廓。 画出凸轮的基圆。 标出从动杆的行程。 标出凸轮的推程角、远休止角、回程角、近休止角。 标出凸轮由图示位置按逆时针方向转过45时机构的压力角。（2） 图示为一偏心圆盘构成的凸轮机构。已知凸轮转向如图，要求： 标出基圆、推程运动角及推杆图示位置的位移。 标出图示位置的压力角及凸轮转过 时的压力角。 若推杆末端改为平底，试分析其压力角和a90 与中情况有何不同。 第六章 齿轮机构一、 本章要求1、 了解齿轮机构的类型和应用；2、 理解齿廓啮合基本定律。掌握关于节点、节圆的概念及节圆尺寸与中心距、与传动比的关系。3、 了解渐开线的形成及性质，掌握渐开线齿廓的啮合特性；明确啮合线、啮合角待概念。4、 掌握渐开线齿轮传动的正确啮合条件、正确安装条件及连续传动条件；熟悉一对标准齿轮正确安装使用时各尺寸参数之间的关系，明确理论啮合线、实际啮合线及重合度的含义。5、 熟悉渐开线齿轮各部分的名称、基本参数及几何尺寸计算；熟练掌握渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算方法。6、 了解渐开线齿廓的切齿原理、根切现象、变位修正原理及变位齿轮的概念；7、 了解斜齿圆柱齿轮、直齿锥齿轮、蜗轮蜗杆的传动特点及基本几何尺寸的计算。二、 本章重点和难点本章的内容较多，学习时注意抓住以下重点：一是齿廓啮合基本定律的深入理解；二是外啮合渐开线直齿圆柱齿轮传动的啮合原理和设计计算。对于其它类型的齿轮传动注意掌握其与直齿圆柱齿轮相比的特殊点。本章的难点是：一对渐开线齿轮传动的啮合条件、安装条件及连续传动条件的分析；变位齿轮；斜齿轮和锥齿轮的当量齿轮。三、 自测练习题1、 填空题（1） 渐开线直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是 ；外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件是 ；渐开线锥齿轮正确啮合条件是 ；蜗杆与蜗轮正确啮合条件是 。（2） 一对渐开线直齿圆柱齿轮外啮合传动时，两轮的 圆总是相切并相互作纯滚动的，而两轮的中心距不一定总等于两轮的 圆半径之和。（3） 渐开线标准齿轮除了模数、压力角、齿顶高系数和顶隙系数为标准值外，还应当满足的条件是 。（4） 用齿条刀具加工标准齿轮时，齿条刀具中线与齿轮分度圆 ；加工正变位齿轮时，齿条刀具中线与齿轮分度圆 。（5） 一对渐开线齿廓啮合时，接触点处两者的压力角 ，而在节点啮合时两者的压力角则 。A：一定相等 B：一定不相等 C：一般不相等（6） 渐开线斜齿轮 参数为标准值；A：端面B：法向C：轴向（7） 渐开线锥齿轮在 具有标准模数和标准压力角。A：大端B：小端 C：齿宽中点处（8） 8）若两轴夹角为90的渐开线直齿锥齿轮的齿数分别为，这两轮的分度圆锥角分别为 和 。（9） 渐开线齿轮的传动比不仅与两轮 圆半径成反比，也与 圆半径成反比，还与 圆半径成反比。（10） 的圆称为分度圆。A：齿厚等于齿槽宽处B：齿顶高等于齿根高处C：具有标准模数和标准压力角（11） 渐开线齿轮传动的可分性是指 不受中心距变化的影响。A：节圆半径B：传动比C：啮合角（12） 斜齿圆柱齿轮的当量齿数是用来 的。A：计算传动比B：计算重合度C：选择盘形铣刀（13） 范成法加工齿数少于17的渐开线 时，一定会产生根切。A：标准直齿圆柱齿轮B：标准斜齿圆柱齿轮C：变位直齿圆柱齿轮（14） 正变位齿轮与标准齿轮相比其分度圆 ，齿顶圆 ，齿根圆 。A：变大B：变小C：不变 2、 分析计算题（1） 已知一对正常齿渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，箱体的标准中心距，工作一段时间后小齿轮发生轮齿折断。 测得大齿轮的齿数，齿顶圆直径。试求：小齿轮的模数、齿数、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、齿距、齿厚、齿槽宽及两轮的节圆直径、啮合角、传动比，并简要分析小齿轮发生轮齿折断的主要原因； 若要利用原有箱体及大齿轮，保持传动比不变，重新恢复并改善这对齿轮传动，请说明新设计的齿轮传动应是什么类型？其大小齿轮的各项几何尺寸有何变化？节圆直径、啮合角是否会改变？ （2） 设有一对外啮合渐开线标准直齿圆柱齿轮传动，已知两轮的齿数分别为，模数，压力角，齿顶高系数，顶隙系数。 试求：齿轮1的分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、基圆直径、齿距、齿厚、和齿槽宽。 当实际中心距时，两轮是否为无侧隙啮合？此时，啮合角为多少？两轮节圆直径、各为多少？顶隙为多少？传动比为多少？ 保持实际中心距和传动比不变，若要实现无侧隙啮合，可采用什么类型的齿轮传动？第七章 轮系一、 本章要求1、 了解轮系的分类和主要功用；2、 熟练掌握定轴轮系、周转轮系、复合轮系传动比计算方法，会确定主、从动轮的转向关系；3、 了解行星轮系的选型及设计中的主要问题，熟悉行星轮系各轮齿数的确定方法。二、 本章重点和难点1、 本章重点是各种轮系传动比的计算。2、 本章难点是周转轮系传动比计算及复合轮系中基本轮系的划分。三、 自测练习题1、 填空题（1） 在轮系传动比计算中，表示 A、B两轮的传动比。A：在转化轮系中B：在实际轮系中C：在周转轮系中。（2） 惰轮对轮系传动比 。A：大小方向均无影响B：仅影响大小，不影响方向C：仅影响方向，不影响大小。（3） 下图所示轮系，三个传动比计算式中， 式是正确的。A：B：C：（4） 图示轮系中各轮均为标准齿轮且隙标准安装，其齿数分别为，则齿轮3的齿数 ，齿轮4的齿数 。2、 计算题（1） 在图所示轮系中，已知各轮的齿数，齿数l的转速n1=70r/min,方向如图所示。试求齿轮5的转速的大小及方向。（2） 已知右上图所示轮系中各轮齿数分别为，。试问： 该轮系为何种轮系？其组成情况如何？ 若齿轮1，2，23均为模数相同的标准齿轮，则 传动比轮5与轮1的转向是相同还是相反？第八章 其他常用机构一、 本章要求1、 了解棘轮机构、槽轮机构的工作原理、运动特点、应用场合及设计要点。2、 了解几种常见的组合机构的组合方式、工作特点及主要应用。二、 本章重点和难点本章内容难度不大，重点掌握几种常用机构的组成、运动特点及应用。三、 自测练习题1、 填空题（1） 单销外槽轮机构中，槽轮的运动时间总是 静止时间。A：大于B：等于C：小于。（2） 若要实现周期性间歇转动，且希望转角大小可调，可选取 机构。A：槽轮B：不完全齿轮C：棘轮。（3） 在单向间歇运动机构中，棘轮机构常用于 场合。A：低速轻载B：高速重载C：低速重载。（4） 当输入运动为连续匀速转动时，要求输出运动为单向间歇转动，可选用 机构、 机构和 机构。（5） 能满足超越要求的机构是 。A、外啮合棘轮机构B、内啮合槽轮机构C、内啮合棘轮机构（6） 棘轮机构中止动爪的作用是 。2、 简答题（1） 实现间歇转动的机构有哪几种？哪一种间歇回转角可调？那一种较适用于高速情况？为什么？（2） 如下图所示为一摩擦式单向离合器，若以构件1为原动件，试问构件1在什么转向下能带动构件3同速转动？在什么转向下构件1不能带动构件3转动？第九章 机械系统动力学设计一、 本章要求1、 了解等效力或等效力矩、等效质量或等效转动惯量等概念的意义和计算；2、 了解机器运动速度波动的原因、特点以及相应的调节方法，掌握飞轮转动惯量的计算。3、 掌握刚性转子静平衡和动平衡的原理和方法，了解平面四杆机构的平衡原理。二、 本章重点和难点本章的重点一是对等效力或等效力矩、等效质量或等效转动惯量的理解及周期性速度波动的调节中飞轮转动惯量的确定；二是刚性转子静平衡和动平衡的条件、原理和方法。三、 自测练习题1、 填空题（1） 在机械系统的 阶段，系统的动能增加，并且输入功大于总消耗功。A：启动B：稳定运转C：停车。（2） 在研究机械系统动力学问题时，常采用等效力（或力矩）来代替作用在系统中的所有外力，它是按 的原则确定的。A：动能相等B：做功相等C：力的平衡。（3） 对于单自由度的机构系统，假想用一个移动构件等效时其等效质量按等效前后 相等的条件进行计算。A：动能B：瞬时功率C：转动惯量。（4） 在机械系统速度波动的一个周期中的某一时间间隔内，当系统出现亏功时，系统的运动速度 ，此时飞轮将 能