机械原理期末复习资料1.doc

第一章 绪论学习要求： 1.明确本课程研究的对象、内容以及在培养机械类高级技术人才全局中的地位、作用和任务.2.对机械原理的新发展有所了解.内容提要: 本章讲授的重点是“本课程研究的对象及内容”.在本章的开始,介绍了机器、机构、机械等名词的概念,介绍了机器和机构的用途几区别,并通过实例说明各种机器的主要部分一般都是由各种机构组成的,目的是为了便于介绍本课程研究的对象及内容.在本章的学习中,应始终把注意力集中在了解本课程研究的对象及内容上.此外,对本课程的性质和特点也应有所了解,以便采取合适的学习方法把本课程学好. 机械人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。 原理机械的组成原理、工作原理、分析和设计原理(方法)等。 任何机械都经历了：简单复杂的发展过程。 机构能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物的组合体。机器的共有特征： 人造的实物组合体；各部分有确定的相对运动；代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换机器的作用.机器的分类： 原动机实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）工作机完成有用功（如机床等）工作机的组成：原动部分是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。 工作部分完成预定的动作，位于传动路线的终点。 传动部分联接原动机和工作部分的中间部分。控制部分保证机器的启动、停止和正常协调动作。第2章 机构的结构分析学习要求:1.搞清运动副、运动链、约束和自由度等重要概念.2.能计算平面机构的自由度并判定其具有确定运动的条件.3.对于一般由平面机构及简单空间机构(包括蜗轮蜗杆机构、圆锥齿轮机构、万向联轴节等)所组成的机械系统,能正确的画出其机构运动简图并计算其自由度.4.对平面机构组成的基本原理有所了解.内容提要: 1.机构的组成构件 构件是机器中每一个独立运动的单元体,是组成机构的基本要素之一,而零件是机器制造的单元体.实际的构件可以是一个独立运动的零件,也可以是若干个零件固连在一起的一个独立运动的整体;构件是机构中的刚性系统,构件中各零件间不能相对运动;构件的图形在表达上是用最简单的线条或几何图形来表示.运动副 运动副是由两构件直接接触而组成的可动的连接,是组成机构的又一基本要素.而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素.运动副的基本特征为:机构运动副的两构件具有一定的接触形式;两构件能产生一定形式的相对运动.运动副的分类:按其两构件的相对运动情况分为平面运动和空间运动副;按其两构件的接触情况分为低副(面接触)和高副(点线接触或线接触);按其两构件所能产生的相对运动分为转动副、移动副、平面滚滑副(高副)及空间运动副的螺旋副、球面副、球销副等;还可根据保持运动副两构件上运动副元素互相接触方式分为封闭运动副和力封闭运动副.根据运动副引入的约束数目,运动副又可分为级副、级副、级副、级副和级副.运动链 构件通过运动副的联接而构成的相对可动系统称为运动链.如组成运动链的各构件构成了首末封闭的系统,则称为闭式运动链或简称闭链.如组成运动链的构件末构成首末封闭的系统,则称其为开链.机构 机构从其功能上来理解是一种用来传递运动和力的可动装置,从机构组成来看,机构是具有固定构件的运动链. 机构中固定的构件称为机架,给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件,而其余活动构件称为从动件.2.机构运动简图机构运动简图 机构运动简图是用规定的简单线条和符号代表构件和运动副,按比例尺定出各运动副的位置,准备表达机构运动特征的简单图形. 机构运动简图不仅表示了机构的组成和运动情况,而且可用作机构的运动分析和力分析.机构运动简图一定要严格按比例尺绘制,否则只能称为机构示意图.绘制机构运动简图的步骤及方法分析机构的运动及组成 通过观察和分析机械的实际构造和运动情况,先搞清楚机械的原动部分和执行部分,然后循着运动传递的路线,查明组成机构的构件情况和运动副的类别,数目及相对位置情况.选择投影面选平面机构运动平面或运动平面平行的平面为投影面.选取比例尺=(m/mm)具体画法是:先根据机构的运动尺寸,确定出各运动副的位置(转动副的中心、移动副的导路方位及高副的接触点等),画上相应的运动副符号;再用简单的线条代表构件,将各运动副连接起来;最后,要标出构件号数字及运动副的代号字母,画出原动件的运动方向箭头.3.机构具有确定运动的条件机构的自由度是机构具有确定运动时所需的独立运动参数的数目.为了使机构具有确定的运动,机构的原动件的数目应等于机构的自由度数目.4.机构自由度的计算平面机构自由度的计算公式为F=3n-(2pl+ph) 式中,F为机构自由度,n为机构中活动构件数; pl为机构中的低副数; ph为机构中的高副数.在利用上式计算机构自由度时,应特别注意下列三种情况:A.正确计算运动副的数目两个以上的构件在同一轴线处以转动副相联接,则构成复合铰链,m个构件以复合铰链相联接,则构成复合铰链,m个构件以复合铰链相联结时,构成转动副的数目为(m-1)个.两构件在多处配合而构成转动副,且各转动轴线重合,计算运动副数目时也只能算作一个转动副.两构件在多处接触而构成移动副,且移动方向彼此平行或者重合,计算运动副数目时只能算作一个移动副.如果两构件在多处相接触而构成平面高副,且各接触点处的公法线彼此重合,计算运动副数目时也只能算作一个平面高副.如果两构件在多处接触而构成平面高副,但各接触点处的公法线方向并不彼此重合,计算运动副数目时,则相当于一个低副.虚约束是机构中实际上不起约束作用的约束.在计算机构自由度时,可将引入虚约束的运动副或运动链部分划掉不计,以达到除去机构中的虚约束目的.B.除去局部自由度局部自由度是在一些机构中某些构件所产生的不影响整个机构运动的局部运动的自由度在计算机构自由度时，可将产生局部运动的构件和与其相联接的构件视为焊接在一起，以达到除去局部自由度C.除去虚约束 虚约束是机构中实际上不起约束作用的约束.在计算机构自由度时,可将引入虚约束的运动副或运动链部分划掉不计,以达到除去机构中的虚约束目的.计算机构自由度的另一种方法是在确定了运动副数目pl, ph及局部自由度数目F,虚约束数目p后,再按下式计算机构的自由度. F=3n-(2pl+ph-p)-F 式中:n, pl, ph为未排除局部自由度及虚约束时机构的活动构件数,低副数及高副数;p虚约束数目;F局部自由度数目.5.平面机构的组成原理机构的折组分析:将机构分解为机架和原动件及若干个基本杆组,然后,对相同的基本杆组以相同的方法进行运动分析或力分析.机构的组成原理:任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上而构成的.6.平面机构的机构分类 根据机构的杆组的条件3n-2pl-ph可知,最简单的杆组是由2个构件和3个低副组成的,这种杆组称为级杆组.把4个构件和6个低副组成的基本杆组称为级杆组. 在同一机构中可包含不同级别的基本杆组,把最高级别为级的杆组组成的机构称为级机构;把最高级别为级的杆组组成的机构称为级机构;而把由机架和原动件组成的机构称为级机构.7.平面机构中的高副低代高副低代是将机构中的高副虚拟地以低副来代替,替代后机构的自由度不变,机构的瞬时速度、瞬时加速度也不变.高副低代只便于对机构进行自由度计算、机构组成分析和机构运动分析,但不能用于机构的力分析.高副低代的方法是:用一个虚拟两副构件将两高副构件在过接触点的曲率中心处相连起来即可.若高副两元素之一为直线时,则因其曲率中心在无穷远处,故所连接这一端的运动副为移动副.习题:一填空：1、机构的组成原理，任何机构都可以看作是由 机架 、 原动件 和 从动件 组成的。2、平面运动副的最大约束为 2 ，最小约束为 1 。3、平面机构中若引入一个高副将带入 1 个约束，而引入一个低副将带入 2 个约束。约束数与自由度数的关系是 增加的约束数目等于减小的自由度数目 。4、构件的自由度为 3 ，运动链的自由度为 32lh ，机构的自由度为 32l。5、机构具有确定运动的条件是 F0，自由度等于原动件数 。6、由M个构件组成的复合铰链应包括 M1 个转动副。7、机构要能够运动，自由度必须 大于或等于1 ，机构具有确定相对运动的条件是 机构的原动件数目与机构自由度相等 。8、机构中的运动副是指 两个构件组成的可动联接 ，平面连杆机构是由许多刚性构件用 运动副 联接而成的。9、机构中的相对静止件称为 机架 ，机构中按给定运动规律运动的构件称为 原动件 。10、机构倒置是指 变换机架 。倒置以后 相对运动不变，其原因是 相对尺寸未变 。11、平面运动副所提供的额约束为 1或2 。12、杆组是自由度等于 0 的运动链二 简答题1、 机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？答：机构具有确定运动的条件是机构自由度数等于原动件数。机构的原动件数小于机构的自由度，机构的运动将不确定。如果原动件数大于机构的自由度，则将导致机构中最薄弱环节的损失。2、什么是运动副？什么是低副？什么是高副？答：运动副是两构件直接接触组成的可动联接。两构件通过点或线接触而构成的运动副统称为高副。两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副。3、何为复合铰链、局部自由度和虚约束？答：两个以上的构件在同一轴线处以转动副相联接，则构成复合铰链。局部自由度是机构中某些构件具有的不影响其它构件运动的自由度。虚约束是机构中与其它约束重复而不起限制运动作用的约束。4、机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？答：机构具有确定运动的条件是机构的原动件的数目应等于机构的自由度的数目。如果机构的原动件数小于机构的自由度，机构的运动将不确定。如果原动件数大于机构的自由度，则将导致机构中最薄弱的环节损失。 5、为何要对平面高副机构进行“高副低代”？“高副低代”应满足的条件是什么？答：为使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于所有平面机构，便于对含有高副的平面机构进行研究，要对平面高副机构进行“高副低代”。“高副低代”应满足以下条件：（1）代替前后机构的自由度完全相同；（2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。6、机构中的虚约束一般出现在哪些场合？既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机械中为什么又常常存在虚约束？答：在机构中，如果用转动副联接的是两构件上运动轨迹相重合的点，则引入一个虚约束；若两构件上某两点之间的距离始终不变，用双转动副杆将此两点相联，引入一个虚约束；在机构中，不影响机构运动传递的重复部分将引入虚约束。2-1计算图示齿轮一连杆组合机构的自由度.解:3n-(2pl+ph)=36-(27+3)=1或F=3n-(2pl+ph-p)-F=36-(27+3-0)-0=12-2计算图示机构自由度.解:3n-(2pl+ph)=36-(28+1)=1或F=3n-(2pl+ph-p)-F=37-(29+1-0)-1=12-3试计算如图所示的机构的自由度,并指出局部自由度、复合铰链和虚约束,最后判定该机构是否具有确定的运动规律.解:F=3n-(2pl+ph)=37-(29+1)=2或F=3n-(2pl+ph-p)-F=38-(212+1-4)-1=2或F=3n-(2pl+ph-p)-F=38-(212+1-4)-1=2 该机构中E处有一个局部自由度;C处为复合铰链;M与N、R与S均有一个虚约束.该机构具有确定的相对运动.2-4试对图示机构进行分析.在图中标出复合铰链、局部自由度和虚约束,求出机构的自由度.解:C处三杆组成复合铰链,F处为局部自由度;G、J为二构件组成的二个移动副,且方向重合,属虚约束,3n-(2pl+ph)=38-(211+1)=1或F=3n-(2pl+ph-p)-F=39-(213+1-2)-1=1.2-5计算下列机构的自由度,并在图上指出其中的复合铰链、局部自由度和虚约束.解:3n-(2pl+ph)=34-(25+1)=1或F=3n-(2pl+ph-p)-F=35-(27+2-3)-1=1D处有局部自由度;E、F中有一个虚约束,滚子外廓两处高副接触,有一处为虚约束,虚约束: p=2pl+ph- 3n= 21+1-0=32-6计算图虱机构的自由度,并在图上标出复合铰链、局部自由度和虚约束.解:C处为复合铰链;滚子转动副为局部自由度;圆偏心凸轮、滚子各有两处高副接触,其中一处为虚约束;垂直移动赶导轨两处移动副中有一个为虚约束.则3n-(2pl+ph)=39-(212+2)=1或F=3n-(2pl+ph-p)-F=310-(214+4-4)-1=1其中p=2pl+ph- 3n= 21+2-0=42-7计算图示机构的自由度，并判断机构是否具有确定的运动,说明如何才能使机构具有确定的运动解：3n-(2pl+ph)=36-(27+2)=2或3n-(2pl+ph-p)-F= 36- (28+3 3)- 0=2式中两处虚约束：凸轮处及导轨处：p=2pl+ph- 3n=21+1-0=3.因为只有一个单自由度原动件,机构自由度为2,所以运动不确定.若将活动齿轮与连杆BC固定成一个构件,则:3n-(2pl+ph)=35-(26+2)=1,机构就具有确定的相对运动了.2-8试分析图示两个机构:若在机构中具有复合铰链、局部自由度、虚约束,请说明在何处.计算机构的自由度,分析其运动的确定性,并说明机构的组成是否合理,若不合理应怎样修改?解(a)B处有一局部自由度;E、F处为4、5两构件组成移动副,且方向重合,属虚约束, p=2pl+ph- 3n=2pl=2.3n-(2pl+ph)=33-(24+1)=0或F=3n-(2pl+ph-p)-F=34-(26+1-2)-1=0该机构自由度为零,不能运动,机构的组成不合理.修改方法为在D处加一赶和一个转动副;或在D处加一个滑块和一个移动副.(b) B处为构件2、3、4组成的复合铰链,C处为构件4、5、6组成的复合铰链;D、E处为两构件6、7组成的移动副,且方向重合,属虚约束, p=2pl+ph- 3n=2pl=2. 3n-(2pl+ph)=36-(27+2)=2或F=3n-(2pl+ph-p)-F=36-(28+2-2)-0=2D、E处虚约束:p=2pl+ph- 3n=2pl=2.该机构自由度为2,只有一个单自由度原动件,机构运动不确定,机构组成不合理.修改办法为将构件1也变成为原动件,或将构件1改为固定件等.第3章 平面机构的运动分析学习要求:1.明确理解速度瞬心(绝对速度瞬心和相对速度瞬心)的概念,并能运用”三心定理”确定一般平面机构各瞬心的位置.2.能用瞬心法对简单高、低副机构进行速度分析.3.能用图解法或解析法对级机构进行运动分析.内容提要:1.速度瞬心法作机构的速度分析速度瞬心速度瞬心(简称瞬心)是互相作平面相对运动的两构件上瞬时相对速度为零点,又称同速点.若该点的绝对速度为零,则为绝对瞬心,否则为相对瞬心.由于每两个构件有一个瞬心,所以由N个构件(含机构)组成的机构,其瞬心的数目为: K=N(N-1)/2瞬心位置的确定方法A.由瞬心定义确定瞬心的位置:两构件组成转动副时,该副的回转中心即为其瞬心.两构件组成移动副时,它们之间的瞬心位于移动方向垂直于导路方向的无穷远处.两构件组成纯滚动的高副时,其瞬心在其高副接触点上;若组成滚动兼滑动的高副时,其瞬心在接触点处的公法线上.B.借助三心定理确定瞬心的位置: 三心定理:三个彼此作平面平行运动的构件的三个瞬心必位于同一直线上.瞬心法不能用于求机构的加速度.2.矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析矢量方程图解法 矢量方程图解法是利用机构中各点之间的相对运动关系列出他们之间的速度或加速度矢量方程式,然后按一定的比例尺根据方程作矢量多边形来进行求解.此又称相对运动图解法.基本原理同一构件上两点间的速度、加速度的关系如图3-1（a）所示的平面机构中，连杆2上A、B两点间的运动关系表达为图式中, vBA 为点B对点A的相对速度,其大小vBA =2lAB ,方向垂直于AB,指向与2方向一致; 与 分别为点B对点A的相对法向加速度和相对切向加速度,且大小 ,方向由B指向A;而 ,方向垂直于AB,指向与2 方向一致.B.两构件上重合点间的速度、加速度关系: 如图3-1(a)所示,构件4与构件5上的重合点一、填空1 、相对瞬心与绝对瞬心的相同点是 互作平面相对运动的两构件上瞬时相对速度为零的点 ，不同点是 后者绝对速度为零，前者不是 。2 、当两构件的相对运动为 移 动，牵连运动为 转 动时，两构件的重合点之间将有哥氏加速度。3、 确定平面机构速度瞬心位置的三心定理是三个作平面运动的构件共有三个瞬心，这三个瞬心应该在 同一直线上 。4、速度瞬心可以定义为互相做平面相对运动的两构件上 瞬时速度为零点 的点。5、在由N个构件组成的机构中，有 （N1）（N/21） 个相对瞬心，有 N 1 个绝对瞬心。6、当构件组成转动副是，其瞬心就在 转动副中心 处；当组成移动副时，其瞬心就位于 垂直于导路方向无穷远 处；当组成兼有滑动和滚动的高副时，其瞬心就在 接触点法线上 。7、速度影象的相似原理只能应用于 同一构件上 的各点，而不能应用于机构的 不同构件上的 各点。二、简答题1、机构在什么条件下，才会有哥氏加速度存在，其大小如何计算？答：机构中存在具有转动的两构件组成的移动副时，机构中便存在哥氏加速度。2、何为速度瞬心？绝对瞬心？相对瞬心？答：速度瞬心是互相作平面相对运动的两构件上瞬时相对速度为零的点。若该点的绝对速度为零则为绝对瞬心，否则为相对瞬心。3、在机构中怎样确定瞬心的位置？答：两机构组成转动副时，该副的回转中心即为其瞬心。两构件组成移动副时，它们之间的瞬心位于移动方向垂直线上的无穷远处。两构件组成纯滚动的高副时，其瞬心在其高副接触点上，若组成滚动兼滑动的高副时，其瞬心在接触点处的公法线上。当两个构件不直接组成运动副时，可用三心定理来确定其瞬心。4、在用解析法作运动分析时,如何判断各杆的方位角所在象限?如何确定速度、加速度、角速度和角加速度的方向?答:在用解析法作运动分析时,根据方位角正弦值分子及分母的正负情况来判断各杆的方位角所在象限.将杆矢对时间求导得到速度,若值为正,表示速度方向与杆矢方向相同,否则相反.将速度对时间求导得到加速度,若值为正,表示加速度方向与速度方向相同,否则相反.将方位角对时间求导得到角速度,若值为正,表示角速度方向与方位角方向相同,否则相反.将角速度对时间求导得到角加速度,若值为正,表示角加速度方向与角速度方向相同,否则相反3-1在图示转动导杆机构中,导杆1以等角速度回转,且1=10s-1,lAB=lAC=200mm,求图示位置时构件3的角速度3及角加速度3.3-2图示机构的尺寸位置均已知,其中凸轮以匀角速度1=10rad/s运转,长度比例尺l=0.02m/mm.求构件2的角速度2和角加速度2.3-3图示四杆机构中,lAB= 90mm,lCD= 65mm,lAD= lBC =125mm,求图示位置的2/ 4之值.解:P12在A点,P14在D点,P32在B点,P34在C点,根据三心定理,P24也在D点.3-4 求图示机构的全部速度瞬心.解：3-5在图示正弦机构中，曲柄1以等角速度回转,且1=20rad/s, lAB= 1000mm,求图示位置时构件3的速度v3及加速度33-6在图示的齿轮连杆组成机构中，已知lAB=45mm,lBC=100mm,lCD=70mm,lAD=120mm,试分析:齿轮1能否绕A点作整周转动(说明理由)该机构的自由度为多少?在图示位置瞬心P13在何处?解:lAB+lAD=165mmlBC+lCD=170mmAB杆是最短杆,且又为连架杆,它与最长杆长度之和小于另外两杆长度之和,所以,构件1为曲柄,能做整周转动.3n-(2pl+ph)=35-(26+2)=1或F=3n-(2pl+ph-p)-F=35-(26+2-0)-0=1P13位置见题图. 第四章 平面机构的力分析 一、填空1、在滑动摩擦系数相同的条件下,槽面摩擦比平面摩擦大,其原因是 槽面的法向反力大于平面的法向反力 。2、轴径1与轴承2组成转动副，设初始状态时轴径相对轴承静止，轴径受单外力Q作用，当外力Q的作用线与摩擦圆相交时，轴承对轴径的总反力R12的作用线与摩擦圆 相切 ；当外力Q的作用线与摩擦圆相切时，轴承对轴径的总反力R12的作用线与摩擦圆 相切 ；当外力Q的作用线与摩擦圆相离时，轴承对轴径的总反力 R12的作用线与摩擦圆 相切 。3、移动副中总反力与其相对运动方向的夹角大小是 90 。4、风力发动机的叶轮受到空气的作用力，此力在机械中属于 驱动 力。5、机械中，V带比平带应用广泛，从摩擦角度来看，其主要原因是 V带的当量摩擦角大于平带摩擦角 。6、力偶距总是等于 力 与 力偶臂 的乘积，与距心位置无关。7、二力杆平衡条件是 此两力在两作用点的联线上，并且大小相等，方向相反 。8、机构的静力分析只适合用于 低速 机械。二、简答1、何谓机构的动态静力分析？对机构进行动态静力分析的步骤如何？答：动态静力学分析指将惯性力视为一般外力加于相应构件上,在按静力学分析的方法进行分析. 对机构进行动态静力学分析的一般步骤:计算各构件的惯性力;确定机构动态静力学分析中的起始构件(一般把作用未知外力的连架构件作为起始构件),并进行拆杆组(如有高副,应先低代);从离开起始构件最远的杆组进行力的计算,最后再推算到起始构件;对机构的一系列位置进行动态静力计算,求出各运动副中的反力和平衡力的变化规律.如需考虑运动副中摩檫,可在上述力分析的基础上加入摩檫力后多次后复计算而得,此法称逐步逼近法.2、何谓质量代换法？进行质量代换的目的何在？动代换和静代换各应满足什么条件？各有何优缺点？静代换两代换点与构件质心不在一直线上可以吗？答：质量代换法设想把构件的质量,按一定条件用集中于构件上某几个选定点的假想集中质量来代替的方法叫质量代换法. 质量代换法的目的:质量代换法只需求各集中质量的惯性力,而无需求惯性力偶矩,从而达到简化惯性力确定的目的.动代换满足条件:各代换质量的总和应等于原来构件的质量.代换前后构件的质心位置不变代换前后构件对质心轴的转动惯量不变优点:代换后,构件的惯性力和惯性力偶都不会发生改变.缺点:一代换点确定后,另一代换点位置不能随意选择,给工程计算带来不便.静代换满足条件:代换前后构件的质量不变;代换前后构件的质心位置不变;优点:使用上简便,常为工程上所采纳.缺点:代换后,构件的惯性力偶会产生一定误差.静代换时,两代换点与构件质心必在一条两代换点与构件质心必在一条直线上,因为两代换点的质心在两代换的连线上，如果两代换点,不与构件质心在一条直线上,则无法满足代换前后构件的质心位置不便这个条件.3、何谓平衡力与平衡力距？平衡力是否总是驱动力？ 答：平衡力和平衡力矩:与作用在机构各构件上的已知外力和惯性力相平衡的,作用在某构件上的未知外力或力矩叫平衡力或平衡力矩.平衡力不总是驱动力.驱动力是驱动机械运动的力.平衡力与已知外力平衡,可以驱使外力运动,成为驱动力;也可阻碍机械运动成为阻抗力.4、构件组的静定条件是什么？基本杆组都是静定杆组吗？答：构件的静定条件:3n=2pl+ph ,其中n为构件