机械原理绪论

1.1内容提要及基本概念1.2本章重点、难点第一章绪论1.1内容提要及基本概念

机械原理又称机器理论与机构学。是机械工程各专业的一门重要的技术基础课程。本课程的理论知识对于机械的设计、制造、运行、维修等方面具有十分重要的作用。1.1.1内容提要

机械原理的研究对象机械设计概述机械原理课程的地位和作用机械原理学科发展动向1.机械原理的研究对象1）研究对象是机械.机械。机械是机构与机器的总称。机构的定义:把一个或几个构件的运动变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。常用的机构包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系、间歇运动机构、螺旋机构、万向联轴器等。机构种类有限。本章内容包括连杆机构齿轮机构凸轮机构机器的定义：由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。实例：缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。机器与机构之间的关系——机器是由机构组成的。例如图示单缸内燃机中就包含了三种常用机构：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构。

机构的作用：一是用来将一种运动形式（如旋转）变换成另外一种运动形式，二是用来传递动力。

机器的作用：代替或减轻人类劳动，或将一种能量形式转换成另一种形式。随着科学技术的发展，机器的内涵在不断变化。但是，机器完成运动变换和动力传递或转换的本质属性不会改变。现代科技在机器中的应用，只是使机器具有信息化、智能化和柔性化。3）机器的组成动力机器——完成能量的转换工作机器——完成有用的机械功或搬运物品信息机器——完成信息的传递和变换机器的类别2）机器的类别和功用其中实现机械运动的执行机构系统是机器的核心，机器中各个机构通过有序的运动和动力传递来最终实现功能变换，完成工作过程。机器中的运动单元体称为构件。因此，机构是把一个或几个构件的运动，变换成其他构件所需的具有确定运动的构件系统。控制系统信息测量和处理系统——由计算机来完成动力部分传动部分及执行机构系统——完成工作过程机器的组成潘存云教授研制控制器(控制部分)电动机(原动部分)减速器(传动部分)波轮(工作部分)分析自动洗衣机的组成：潘存云教授研制带(传动部分)2.机械设计概述不了解机械设计的进程和内容，就不能深刻理解机械原理课程的作用及其重要性。1）机械设计的一般进程一般而言，机械产品的研制过程包括设计、制造、试验，定型等环节。其中机械设计阶段又包括以下四个进程：产品规划——根据市场需求确定产品设计要求。方案设计——产品设计的关键。主要完成机械运动方案的设计，本课程将为方案设计提供设计理论与方法。详细设计——将机械运动方案设计结果——运动简图具体化为机器及零部件的合理结构。它对产品的技术性能和经济指标有直接影响。该步骤涉及机械设计、材料力学等课程的内容。详细设计方案设计产品规划改进设计产品定型运行试验加工制造改进设计——对试验或使用过程中发现的问题进行改进，使产品性能日益完善。2）机械运动方案设计的主要内容①机械运动简图的类型综合。通常称为机构选型，即根据机械所要完成的一系列执行动作选择适宜的执行机构类型，组合成完整的机械系统。②机械运动简图的尺度综合。确定机构各部分的尺寸参数，以使机械能完成预定的执行动作，必要时，还可以改变机构的类型。3）机电一体化技术在机械运动方案设计中的应用随着机电一体化技术的不断发展和广泛采用，一方面，使机械的性能得到极大提高，另一方面，又大大简化了机械传动系统。因此，现代机械设计应该尽可能采用机电一体化技术。3.机械原理课程的地位和作用1）课程的地位和作用机械原理是研究机构和机械运动简图设计的一门重要技术基础课程，其任务主要是使学生掌握机构学和机械动力学的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生初步拟定机械系统运动方案、分析和设计基本机构的能力。2）课程的主要内容机械原理课程主要包括以下内容：①机构的组成原理和类型综合。②典型机构的设计。③机械系统的设计。④机械动力学。3）本课程的学习方法①掌握各种典型机构的结构、分析和设计方法。②掌握机械运动简图的画法，并习惯用简图来认识机构和机器。③深刻理解课程中的基本概念。④掌握本课程的基本研究方法，如杆组法、转换机架法、机构演化法、等效法等。⑤善于将前后内容联系，融会贯通。⑥复习有关例题，归纳总结解题思路。应用领域扩大——上天(太空探险)、入地(水平钻探)、下海(深海勘探、打捞作业)、甚至钻入人体内(血管清理)与其他学科的交叉渗透作用增强——与电子工程、计算机科学、控制工程、材料科学、生物医学等相互渗透，诞生了若干新学科。如机械电子学、仿生机械学、机器人机械学、机械CAD新机构不断涌现——如自控机构、机器人机构、仿生机构、柔性及弹性机构、机电气液综合机构等注重机械的动力性能——在机械分析与综合时，由只考虑运动性能过渡到同时考虑其动力性能机械原理学科的发展4.机械原理学科的发展多种星际探测器神舟六六号载载人飞飞船和平号号空间间站国际空空间站站空中客客车A380的的最大大载客客量为为840人人，最最大航航程16,000km，是是目前前全球球载客客量最最大的的飞机机。波音777-200LR客机机的载载客量量为301人，，最大大飞行行距离离为17,500km，是是目前前世界界上航航程最最远的的客机机。深井钻钻探设设备沙漠石石油钻钻探作作业定向钻钻井是是一种种新技技术，，可不不用移移动井井架就就能实实现远远距离离水平平钻探探。海洋石石油钻钻探平平台海底探探索救助打打捞人体器官内的微型机器人医疗机机器人人正辅辅助心心脏病病手术术形形色色色的的水下下机器器人6000米米水下下机器器人5.机机械原原理学学科的的发展展动向向1）机机构的的结构构理论论由于机机器人人、步步行机机、人人工假假肢和和新型型机器器的发发展需需要，，以及及机器器的动动力源源日益益广泛泛采用用液压压与气气动，，因此此近年年来对对多自自由度度、多多闭环环的多多杆平平面连连杆机机构以以及开开式运运动链链的结结构理理论有有了较较多的的研究究。同时，，由于于空间间连杆杆机构构应用用日益益广泛泛，对对于空空间连连杆机机构的的公共共约束束和过过约束束等问问题也也作了了很多多研究究。在在机构构的结结构理理论研研究中中，近近年来来采用用了图图论、、网络络分析析、线线性几几何学学、螺螺旋坐坐标等等各种种工程程数学学方法法。利利用计计算机机系统统地研研究机机构的的机构构类型型及运运动自自由度度问题题也日日益普普遍。。为了创创造和和设计计出更更好的的机构构，开开展机机构创创新方方法的的研究究已得得到大大家的的重视视。为为了深深入研研究机机械运运动简简图设设计理理论和和方法法，机机构分分类方方法、、结构构类型型知识识库建建立和和机构构选型型的研研究也也日益益受到到重视视。为为了广广泛应应用机机电一一体化化技术术，开开展包包括液液压、、气动动、电电磁、、电子子、光光电等等非机机械传传动元元件的的广义义机构构设计计方法法的研研究已已日益益迫切切。2））平平面面与与空空间间连连杆杆机机构构为了了利利用用计计算算机机对对平平面面连连杆杆机机构构进进行行各各种种复复杂杂的的分分析析和和综综合合运运算算，，已已开开发发出出成成熟熟的的商商业业软软件件。。计算算机机的的广广泛泛应应用用也也推推动动了了平平面面连连杆杆机机构构的的最最优优化化综综合合。。用用多多自自由由度度、、多多闭闭环环、、多多杆杆的的平平面面连连杆杆机机构构的的连连杆杆曲曲线线来来再再现现各各种种工工作作机机械械中中工工艺艺要要求求的的轨轨迹迹已已引引起起注注意意并并加加以以研研究究。。另外外，，近近年年来来开开展展了了具具有有可可变变长长结结构构、、可可变变运运动动学学和和动动力力学学参参数数的的机机构构的的研研究究。。3））凸凸轮轮机机构构为了了改改善善凸凸轮轮机机构构的的动动力力性性能能，，凸凸轮轮曲曲线线由由等等加加-等等减减速速运运动动规规律律、、正正弦弦加加速速度度运运动动规规律律、、余余弦弦加加速速度度运运动动规规律律改改用用改改进进正正弦弦加加速速度度运运动动规规律律、、改改进进梯梯形形加加速速度度运运动动规规律律和和代代数数多多项项式式运运动动规规律律。。寻找找高高速速运运转转时时具具有有良良好好动动力力性性能能的的凸凸轮轮曲曲线线是是一一个个重重要要的的研研究究内内容容。。按按动动力力学学要要求求设设计计凸凸轮轮廓廓线线除除了了采采用用动动力力多多项项式式凸凸轮轮曲曲线线外外，，现现在在较较多多采采用用某某些些符符合合动动力力特特性性要要求求的的凸凸轮轮曲曲线线。。这这种种曲曲线线使使凸凸轮轮从从动动件件系系统统残残留留振振动动的的振振幅幅在在全全部部工工作作速速度度范范围围内内不不超超过过某某一一极极限限值值。。在凸凸轮轮-从从动动件件系系统统动动力力学学问问题题的的研研究究中中，，凸凸轮轮-从从动动件件系系统统动动力力学学模模型型的的建建立立，，动动力力学学模模型型的的运运动动微微分分方方程程式式及及其其求求解解方方法法，，系系统统动动力力响响应应的的分分析析，，凸凸轮轮机机构构设设计计参参数数的的选选择择及及其其最最优优化化，，凸凸轮轮廓廓线线的的动动力力综综合合等等问问题题研研究究都都取取得得了了重重要要的的研研究究成成果果。。为了了建建立立更更符符合合实实际际情情况况的的动动力力学学模模型型和和更更精精确确的的分分析析和和设设计计方方法法，，考考虑虑质质量量分分布布、、弹弹性性变变形形、、间间隙隙、、阻阻尼尼、、外外界界干干扰扰的的频频率率、、不不平平衡衡力力、、表表面面润润滑滑等等多多方方面面的的动动力力学学问问题题正正得得到到重重视视和和加加以以研研究究。。4））间间歇歇运运动动机机构构槽轮轮机机构构是是一一种种常常用用的的间间歇歇运运动动机机构构。。为为了了提提高高机机器器运运行行速速度度，，改改善善动动力力性性能能，，近近年年来来提提出出了了改改直直线线槽槽为为曲曲线线槽槽，，使使用用串串联联槽槽轮轮机机构构，，导导杆杆机机构构与与槽槽轮轮机机构构组组合合使使用用，，采采用用链链条条式式槽槽轮轮机机构构，，以以及及使使用用行行星星链链轮轮式式槽槽轮轮机机构构，，等等等等。。对于于凸凸轮轮间间歇歇分分度度机机构构，，由由于于分分度度凸凸轮轮的的加加速速度度变变化化规规律律可可以以自自由由选选择择，，使使冲冲击击与与振振动动现现象象大大大大减减轻轻，，工工作作平平稳稳性性和和送送料料精精度度有有较较大大提提高高。。目目前前在在高高速速卷卷烟烟机机组组中中使使用用的的凸凸轮轮间间歇歇机机构构分分度度频频率率已已达达每每分分钟钟8,000次次（（如如下下图图））。。对对于于凸凸轮轮间间歇歇分分度度机机构构的的运运动动规规律律、、凸凸轮轮空空间间曲曲面面设设计计以以及及制制造造技技术术均均有有不不少少研研究究。。开开展展这这类类机机构构的的ACD/CAM研究究也也受受到到重重视视。。5））组组合合机机构构组合合机机构构由由于于其其结结构构相相对对简简化化又又能能实实现现单单一一基基本本机机构构无无法法实实现现的的运运动动规规律律和和运运动动轨轨迹迹，，如如近近似似或或精精确确地地实实现现某某些些预预期期的的轨轨迹迹，，或或输输入入-输输出出运运动动规规律律，，常常可可用用作作实实现现直直线线、、圆圆弧弧或或平平行行导导向向，，能能实实现现有有停停歇歇期期或或步步进进运运动动等等特特殊殊工工作作要要求求，，因因此此近近年年来来在在农农业业机机械械、、纺纺织织机机械械、、印印刷刷机机械械、、包包装装机机械械、、冶冶金金机机械械中中应应用用日日益益广广泛泛。。常常用用的的有有齿齿轮轮-连连杆杆机机构构、、凸凸轮轮-连连杆杆机机构构和和齿齿轮轮-齿齿轮轮机机构构。。组合合机机构构的的组组成成原原理理、、基基本本类类型型、、功功能能等等方方面面均均还还需需要要作作深深入入、、系系统统的的研研究究，，其其应应用用领领域域还还需需要要进进一一步步扩扩展展。。此外外，，机机械械与与液液压压、、气气动动、、电电磁磁等等传传动动相相组组合合的的广广义义机机构构的的设设计计方方法法还还需需作作深深入入研研究究。。微微处处理理器器控控制制的的智智能能组组合合机机构构还还需需要要作作进进一一步步开开发发。。6））机机械械动动力力学学随着着机机械械装装置置向向高高速速、、精精密密和和重重载载方方向向发发展展，，对对于于机机械械的的精精度度和和可可靠靠性性要要求求也也日日益益提提高高，，按按动动力力性性能能要要求求进进行行机机构构的的分分析析与与综综合合愈愈来来愈愈受受到到重重视视。。对于于刚刚性性构构件件组组成成的的机机构构的的动动力力学学有有了了进进一一步步深深入入研研究究。。机构构的的平平衡衡问问题题日日益益受受到到重重视视，，对对平平面面机机构构惯惯性性力力完完全全平平衡衡的的研研究究比比较较充充分分，，采采用用方方法法也也较较多多，，如如主主矢矢量量法法、、线线性性无无关关矢矢量量法法、、附附加加机机构构法法等等。。平面面机机构构惯惯性性力力矩矩平平衡衡问问题题也也有有不不少少研研究究成成果果。。另另外外，，对对于于平平面面连连杆杆机机构构和和空空间间连连杆杆机机构构惯惯性性力力和和惯惯性性力力矩矩的的综综合合优优化化平平衡衡的的研研究究也也日日益益受受到到重重视视。。机构构高高速速运运转转时时的的振振动动动动力力学学问问题题、、变变质质量量构构件件的的机机构构动动力力分分析析、、高高速速运运动动时时的的弹弹性性变变形形的的运运动动弹弹性性动动力力综综合合等等研研究究，，在在机机械械设设计计中中也也日日益益受受到到重重视视。。高速速自自动动切切条条机机高速速粉粉碎碎机机磁悬悬浮浮列列车车的的动动力力学学特特性性是是悬悬浮浮控控制制与与走走行行控控制制的的关关键键因因素素磁悬悬浮浮列列车车的的运运行行速速度度高高达达550km/h7））机机构构的的最最优优化化设设计计机构构的的最最优优化化设设计计是是机机构构综综合合中中普普遍遍适适用用的的方方法法和和主主要要发发展展方方向向。。机机构构优优化化设设计计大大致致包包括括：：根根据据设设计计要要求求确确定定设设计计准准则则和和设设计计变变量量；；给给出出数数学学模模型型，，确确定定设设计计约约束束，，建建立立目目标标函函数数；；探探索索最最优优化化途途径径，，优优选选设设计计变变量量；；最最优优化化方方案案确确定定。。机构构最最优优化化设设计计应应用用十十分分广广泛泛。。对对于于平平面面连连杆杆机机构构和和凸凸轮轮机机构构的的运运动动综综合合和和动动力力综综合合，，组组合合机机构构中中再再现现函函数数与与轨轨迹迹的的设设计计以以及及如如何何使使齿齿轮轮减减速速器器体体积积最最小小等等，，均均采采用用了了最最优优化化设设计计方方法法，，并并得得到到了了显显著著效效果果。。另外外，，对对于于机机构构的的优优化化平平衡衡、、机机构构运运动动弹弹性性动动力力综综合合以以及及空空间间连连杆杆机机构构的的最最优优化化问问题题也也有有不不少少研研究究。。8））仿仿生生机机构构学学仿生生机机构构学学的的研研究究一一直直受受到到很很大大重重视视。。不不少少国国家家积积极极开开展展对对人人的的手手指指、、手手腕腕和和手手臂臂的的结结构构、、动动作作原原理理和和运运动动范范围围的的分分析析研研究究，，已已研研制制出出各各种种多多自自由由度度的的生生物物电电控控或或声声控控的的机机械械假假手手，，造造福福于于人人类类。。同同时时，，各各种种仿仿生生步步行行机机构构也也不不断断被被研研究究出出来来。。另外，，通过过研制制蛇形形机构构来探探测管管道故故障；；通过过鱼游游机构构研制制来解解决深深水探探测问问题。。随着人人们对对各种种仿生生机构构的深深入研研究，，将会会有利利于创创造出出各种种新颖颖的、、具有有特殊殊功能能的新新机构构来。。中国首首台拟拟人形形机器器人翩翩起起舞的的机器器人仿真美美女机机器人人各式各各样的的仿生生机械械9）微微型机机械随着现现代科科学技技术的的发展展，20世世纪80年年代中中后期期兴起起了对对微型型机械械（或或称为为微型型机电电系统统）的的研制制，以以适应应生物物、环环境控控制、、医学学、航航空航航天、、数字字通信信、传传感技技术、、灵巧巧武器器等领领域在在微小小型化化方面面提出出的日日益增增长的的要求求。微型机机械在在尺度度、构构造、、材料料、制制造方方法和和工作作原理理等方方面都都与传传统机机械截截然不不同。。微型型机械械具有有体