机械设计基础知识培训教材

绪论

本章学习后，要使学生能解决三大问题，学什么，为啥学，怎样学三

大问题。

01机器的组成

人们广泛使用过，接触过机器，放一课件（单缸内燃机、颗式破碎机）,

图01,02所示，但定义如何，为什么称它为机器，学生们是不大清楚的。

它要有三个特征，才能称上机器。

1）是一种人为的实物组合。

2）各部分形成运动单元，各单元之间具有确定的相对运动关系。

3）能实现能量转换或完成有用的机械功。

什么叫能量转换，指的是机械能转换成电能，或反之。这样具备三个

条件者就称为机器，这样学生就可说出车床是机器吗？电动机是否也是机

器，电动机根据三个条件可得出一定为机器。

随着科学技术的发展，创造出各种新型机器，故对机器的定义也有了

更广泛的定义，什么叫机器，是一种用来转换或传递能量、物料和信息的,

能执行机械运动的装置，那么一台机器由什么组成，从装配角度来看：由

零件一构件一机构~机器，因此设计制造一台机器必有零件开始，组装成

构件，再由构件组装成机构，加上原动件装置就成为一台机器了。

接下来说说什么叫机构、构件、零件。

什么叫机构：具备前二个条件的称为机构，即为多个实物的组合，又

能实现预期的机械运动，例齿轮机构、连杆机构等，放课件（连杆机构、

齿轮机构）。

什么叫构件，构件为组成机械的各个相对运动的实物。例连杆，放课

件（构件）从中可看连杆为多个零件装配而成的。

什么叫零件，零件是机械中不可拆的制造单元，因此构件可以是一个

零件组成也可以由多个零件组成的。

因此可以看出从运动观点来看，机构和机器是无什么差别的，例如缝

纫机本身为机构，由多种机构所组合起来的，再加上能量转换就成为机器

了，如加上电动机或加上人力都可以成为机器了，在习惯上把机器与机构

总称为机械。因此机器，机械这二个名称都可统起作用的。

零件又可分为二大类：

1）通用零件：各种机器中都经常使用，并完成同一功用的零件，例螺

钉等。

2）专用零件：只适用于一定类型机器使用的零件，例曲轴等。

02本课程的内容、性质和任务

本课程研究对象是什么？有二条：

1）机械中常用机构。

2）在一般工作条件下，常用参数的通用零件。

这里要说明一下：

什么叫一般工作条件？

•2•

什么叫常用参数？

具体地说内容是什么？工作原理f设计计算，设计计算又包括结构设

计与设计计算。

本课程的内容为

常用机构：在教材中介绍了几种常用机构，例如传动机构（带，齿轮…

机构）。

通用零件：连接零件（螺栓、键等）；

传动零件（齿轮、链、蜗轮、蜗杆等）；

轴系零件（轴、轴承）；

其它零件（联轴器、弹簧等）。

现在谈一下通用零件的系统性是什么？常用机构也是相似的。

1）研究对象，工作原理。

2）分析工作情况，包括运动，力，失效形式等。

3）设计计算，包括设计计算（强度计算，校核计算）和结构设计。

所有通用零件均按此系统来组织教材内容，讲授时均按此系统进行。

本课程的主要任务有三条，教材中有，略加说明一下，总的说来，使

学生学习后具有一定设计理论基础和一定设计计算能力。

这门课程的性质是一门为机械设计打基础的课程，是一门主干课程，所以对学习

机械的学生来讲是一门十分重要的课程，在工程师培养中起到十分重要作用，是一门

技术基础课，只要有好的基础，再加上专业知识，就有条件去进行有关机械专业的设

计。

03学习方法

本课程是应用了以前所学到的理论与实际生产知识，并把它们运用到

工程实际中，去解决生产实际问题，是一门理论与实践相结合的课程，同

学们开始接触此课程时，总有些不习惯，总认为它的理论性不强，系统性

差，零零碎碎，不像以前的基础课逻辑推理严格。同学不适应，不习惯，

这一点同学一定要赶快适应，如以前课程没学好，自己一定要补上，否则

会影响到目前的学习。我们说它的系统性是有的，也是很强的，学习它们

是有一个总的目的，是如何来满足整台机器的要求设计好机构、各种通用

零件。这样目的是很强，一般基础课就无法做到的。一定要改变以前的学

习方法，用新学习方法来适应本课程的学习，注意理论联系实际，注意分

析比较，注意理论的应用，这样才能学好。

•4•

第1章机械设计概述

一、教学要求

本章概括地论述了两大部分：第一部分为关于机械总体设计的概述,

第二部分为关于机械零件的设计概述。

具体的教学要求如下：

1)初步理解机械设计和设计机械零件应满足的基本要求。

2)了解机械设计和零件设计的步骤。

3)理解机械零件工作能力的判定方法和设计准则。

4)了解机械设计的标准化、系列化及通用化。

二、重点、难点

重点：机械设计基本要求及机械零件的失效形式及设计计算准则。

难点：从整体上建立起机械设计，尤其是机械零件设计的整体概念。

教学内容学时数

1.机械设计的基本要求2

2.机械设计的内容与步骤

3.机械零件的失效形式及设计计算准则

4.机械零件设计的标准化、系列化及通用化

三、教学安排

四、教学思路设计

机械设计概述主要是论述设计基本知识和一些共性问题。本章扼要地

阐述机械设计的基本知识，如机械设计的基本要求、内容与过程等。

,6,

第1章第1讲

知识点教学手段

1.1）设计机械零件的基本要求课堂讲授

2）机械设计的基本要求

2.机械设计的内容与步骤

3.1）失效形式

2）设计计算准则

4.标准化、系列化及通用化

一、讲授时注意几点

1.1.1、1.2机械设计的基本要求及内容与过程

这两节内容属于机械（零件）设计中的全局性问题。这里，只能勾画

一下概貌，起到开阔视野的作用。

2.1.3机械零件的失效形式及设计计算准则

这节内容与先修的力学课程有着密切的联系，是在力学基础之上，结

合工程实际所形成的，故比较容易理解。如学生力学基础差的话，必须学

前补一下。

3.1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化

要了解标准化、系列化及通用化的重要意义，应提高到是否遵守法律

的高度来认识，这点学生是不易理解的。

二、讲授程序设计

首先了解设计机械零件的基本要求，然后才能得出机械设计的基本要

求、内容与步骤，对于具体的机械零件的设计方法总是根据失效形式得出

设计计算准则，应用力学知识，就可设计出零件的大小等。

讲授教案编写如下所述。

•8•

第1章机械设计概述

1.1机械设计的基本要求

一台机器进行设计包括以下两种设计：

1）应用新技术，新方法开发创造新机器。

2）在原有机器基础以上重新设计或进行局部改造，从而改变或提高原

有机器的性能。

设计质量的高低直接关系到机械产品的性能、价格及经济效益。

机械零件是组成机器的基本单元，在讨论机械设计的基本要求之前，

我们首先应了解一下设计机械零件的基本要求。

1.1.1设计机械零件的基本要求

有二条：可靠，成本低。

什么叫可靠，什么叫成本低，说明一下。

为此要注意以下三点：

1）合理选择材料，降低材料费用。

2）保证良好工艺性，减少制造费用。

3）尽量采用标准化，通用化设计零件，简化设计过程，从而降低成本。

1.1.2机械设计的基本要求

有五条：1.实现预定功能；2.满足可靠性要求；3.满足经济性要求；4.

操作方便，工作安全；5.造型美观，减少污染。

1.2机械设计的内容与步骤

机械设计是一项复杂、细致、创造性和科学性很强的工作，随着科学

技术的发展，对设计的理解也在不断深化，设计方法也在不断发展，近年

来发展起来的有：“优化设计”，“有限元计算”，“计算机辅助设计”等等。

即使如此，常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要方法，

必须要很好掌握，常规设计方法有理论设计、经验设计和模型实验设计等

三种。

机械设计的过程通常分为以下四个阶段：

1）产品规划阶段主要工作为提出设计任务和明确设计要求。

2）方案设计阶段在满足设计任务书中具体要求的前提下，由设计人

员构思出各种可行方案进行分析比较，选出较优者。

3）技术设计阶段完成机械产品的总体设计、部件设计、零件设计、

设计结果以工程图及设计书形式表达出来。

4）制造与试验阶段进行试运行，发现问题反馈给设计人员，经修改、

完善，最后鉴定。

与设计机械一样，设计机械零件也需拟定出几种方案，分析比较、选

优，那么设计零件的一般步骤如下几点。教材共有五点，分析之。

对于不同的零件的工作条件，以上这五点可以有所不同，互相交错，

•10•

反复进行，不能作机械分割。

最后提出一点，什么叫条件性计算，这一点是大家所不大了解的，生

疏的，但这是工程实际所需作的。

1.3机械零件的失效形式及设计计算准则

失效形式在工程力学中已学过，结合到机械零件应该如何，它的理论

基础还是一样的，进行机械零件设计必须要根据零件的失效形式分析失效

原因，提出防止或减轻失效的措施，根据不同的失效形式提出不同的设计

计算准则。

1.3.1失效形式

1）断裂常见的有二种：断裂，疲劳断裂，解释一下。

2）过量变形应力超过屈服极限，发生塑性变形。

3）表面失效主要有疲劳点蚀、磨损、压溃和腐蚀等形式。

4）破坏正常工作零件引起的失效，例带传动。

1.3.2设计计算准则

同一零件对于不同失效形式的承载能力是各不相同的。这个承载能力

就是零件的工作能力，它的计算方法就是设计计算准则。下面对以上失效

形式，谈一下设计计算准则。

1.强度准则

是零件必须满足的基本计算准则。可分为整体强度，表面强度二种。

(1)整体强度的准则

。勺。],T0T]

或可用安全系数来表示，s2[s]

(2)表面强度的准则

接触强度0HW[OH]；挤压强度OpW[Op]

在进行强度计算时，一般有如下两种计算形式

1)设计计算可求出零件的主要几何尺寸。

2)校核计算判断一下是否符合强度条件；已有零件能否承受如此大

的载荷，是否安全。

2.刚度准则

3.耐磨性准则

4.散热性准则

5.可靠性准则

1.4机械零件设计的标准化、系列化及通用化

作一般性介绍，说明其重要性。

•12•

第2章摩擦、磨损及润滑概述

一、教学要求

本章主要内容为对摩擦、磨损、润滑、密封的基本问题作简单扼要的

介绍。

具体的教学要求如下：

1)了解摩擦、磨损、润滑、密封的基本概念和四者之间的联系。

2)了解干摩擦、流体摩擦、边界摩擦、混合摩擦的特点与区别。

3)初步了解磨损的一般规律及各种磨损的机理、物理特征和影响因素。

4)了解润滑的作用及润滑剂的主要质量指标。

5)了解密封的作用及密封装置。

二、重点、难点

重点：1)各类摩擦的机理、物理特征及其影响因素

2)各类磨损的机理、物理特征及其影响因素

3)润滑与密封

难点：如何根据工作情况，合适地选择润滑剂和密封装置。

三、教学安排

教学内容学时数

1.摩擦与磨损2

2.润滑

3.密封方法及装置

四、教学思路设计

本章内容是按照摩擦一磨损一润滑一密封的顺序安排的。过去这部分

内容是分散在各章之中，现为了加强系统性和对其共性问题的认识，将这

部分内容集中在这一章之中，而针对某个零件的某些具体内容则仍分散于

各章之中，故本章内容也是机械设计中的共性问题。

•14•

第2章第1讲

知识点教学手段

1.1）摩擦及其分类课件（摩擦副的表面润

2）磨损及其过程滑状态、零件磨损过程、润

3）磨损分类滑方式、常用密封装置）

2.1）润滑剂的性能与选择

2）润滑方法和润滑装置

3.1）密封装置的分类

2）常用密封装置

3）密封装置的选择

一、讲授时注意几点：

1.2.1摩擦与磨损

本章着重讨论摩擦的机理及物理本质；对于磨损过程有所了解，目的

在于如何采取措施使跑合期缩短，延长稳定磨损期，推迟剧烈磨损阶段。

2.2.2润滑

对润滑、润滑剂的种类有一个初步了解；对润滑油、润滑脂的主要物

理性质指标有所了解。重点在润滑油、对润滑脂作一般性了解。

3.2.3密封方法及装置

要重点地学习密封的作用与密封装置的分类、以及根据不同的工作条

件选择合适的密封装置。

二、讲授程序设计

本章是按摩擦f磨损一润滑f密封的顺序来讲授，它也是机械设计中

的共性问题。

讲授教案编写如下所述。

•16・

第2章摩擦、磨损及润滑概述

2.1摩擦与磨损

在人们生活中都存在摩擦与磨损，各种机械零件因磨损失效的占全部

失效零件的一半以上。

2.1.1摩擦及其分类

在法向力作用下，一个物体相对于另一个物体，有相对运动或运动趋

势时，两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力，这种

现象称为摩擦，这一对摩擦物体称为摩擦副。

根据二物体接触时润滑状态的不同，可将摩擦状态分为四种情况：

放课件（摩擦副的表面润滑状态），一种一种解释一下。

1.干摩擦（图2.1a）

解释后，可得出库仑定律F=f-FN

2.流体摩擦（图2.1b）

3.边界摩擦（图2.1c）

4.混合摩擦（图2.Id）

2.1.2磨损及其过程

表面物质在摩擦过程中不断损失的现象称为磨损。一般情况下磨损是

有害的。

磨损过程，可分为三个阶段，放课件（零件磨损过程），图2.2所示，

一个过程，一个过程解释一下。

1.跑合磨损阶段（oa阶段）

跑合磨损到一定程度后，表面上尖峰逐渐被磨平，磨损速度却逐渐减

慢，这阶段对机械零件而言是十分必要的。

2.稳定磨损阶段（ab阶段）

磨损缓慢，磨损稳定下来，零件进入正常工作阶段。

3.剧烈磨损阶段（be阶段）

此阶段的特征为磨损速度及磨损率都急剧增大，直至零件失效。

最后指出一点，在跑合结束后，一定要清洗零件，更换润滑油，这样

才能正常地进入稳定磨损阶段。

2.1.3磨损分类

按照磨损的机理以及零件磨损状态的不同，可分为四种基本类型：粘

着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损（点蚀）、腐蚀磨损，教材中具体说明，

略之。

2.2润滑

首先说明一下润滑的作用

2.2.1润滑剂的性能与选择

润滑剂有几种：油、脂、固体（石墨、二硫化铜）、气体（空气、氢气、

•18•

水蒸汽）。

1.润滑油

为目前使用得最多的润滑剂，有矿物油、合成油、动植物油等，矿物

油为应用最广的。

物理性能指标为粘度：表示液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度大,

内摩擦阻力就越大，液体流动性就越差。粘度有三种表示，解释一下。

（1）动力粘度n

（2）运动粘度v我国采用的为运动粘度

（3）条件粘度（恩氏粘度）nE

还有一些性能指标，如凝点、闪点、燃点等，表2.1列出。

要指出一下：压力、温度对粘度有影响的。

2.润滑脂

在润滑油中加入稠化剂（钙、钠、锂、金属皂）而成的脂状润滑剂，

又称为黄油。

主要物理性能指标为滴点、针入度、耐水性。

目前使用最多的为钙基润滑脂，它的耐水性强，耐热性差，还是钠基,

锂基的。

使用时要注意使用条件，不要乱用，性能列于表2.2之中。

3.固体润滑剂

4.气体润滑剂

润滑剂的选用原则为低速、重载、高温、间隙大，应选用粘度大的润

滑油；对脂主要用于速度低、载荷大，不需经常加油，使用要求不高或灰

尘较高的场合；气体、固体的主要用于高温、高压，防止污染等一般润滑

油不能适用的场合。

对润滑剂选用一定要严肃对待，不能乱用。

2.2.2润滑方法和润滑装置

为了获得良好的润滑效果外，除了正确选择润滑剂外，还应选择适当

的润滑方法和相应的润滑装置，具体情况学生自学教材内容，不作讲解。

2.3密封方法及装置

学生自学，不作讲解。

•20•

第3章平面机构的结构分析

一、教学要求

本章内容是学习机构设计的基础，为各类机构的运动分析和设计打下

一定的基础，同时也为机械系统设计和新机构设计提供了一种结构分析的

方法。

具体的教学要求如下：

1）了解平面机构的基本概念。

2）掌握平面机构运动简图的绘制方法。

3）熟练掌握平面机构自由度的计算方法，能够准确地识别机构中的局

部自由度，复合较链和虚约束。

二、重点、难点

重点：1）有关机构组成的概念及机构具有确定运动的条件。

2）机构运动简图及其绘制。

3）机构的自由度。

难点：1）机构运动简图的绘制。

2）机构中虚约束的正确判别。

三、教学安排

教学内容学时数

1.机构的组成2

2.平面机构的运动简图

3.平面机构的自由度2

四、教学思路设计

本章是进入整个机械系统设计的开端，它不仅为学习各类机构的运动

设计和动力设计打下初步基础，也为机械系统方案设计和新机构的创新设

计提供一条途径。由于是高职学生，因此教学要求也与本科生有所区别，

故对机构分类、机构组成原理等只作一般性了解，而教学重点放在机构运

动简图的绘制及自由度计算上。

•22•

第3章第1讲

知识点教学手段

1.1）运动副课件（平面运动构件的自

2）自由度和运动副的约束由度、平面高副，运动链，运

3）运动链和机构动副简图符号、运动链）

2.1）运动副及构件的表示法

2）绘制机构运动简图的步骤

一、讲授时注意几点：

1.3.1机构的组成

主要应该掌握：运动副是由两构件组成的相对可动的连接，是组成机

构的又一个基本要素；两构件构成运动副应至少要引入一个约束，也至少

要保留一个自由度。

2.3.2平面机构的运动简图

平面机构运动简图应能正确地表达机构的组成和机构的运动情况。因

此，与运动无关的内容应抛开，如构件的外形、运动副的具体构造等。在

画图时应注意以下三点：

（1）注意运动副的位置及表示方法。

（2）注意构件的表达。

（3）注意机构运动简图要真实、简法。

机构运动简图的绘制是把实际机构抽象化的过程。因此，必须搞清机

构的组成才能正确地画出机构运动简图。

二、讲授程序设计

首先从运动副的组成开始，分析其分类、类型及其自由度与约束关系,

然后讨论其机械运动简图的绘制，这是本章的重点。

讲授教案编写如下所述。

•24•

第1讲教案

第3章平面机构的结构分析

放课件，说明一下。机构运行时，除机架外其余所有构件都按照某种

运动规律运动，如果机构中的所有构件都在相同或相互平行的平面内运动,

这种机构称为平面机构，否则称为空间机构，工程中常见的为平面机构，

本章就是研究平面机构。

3.1机构的组成

3.1.1运动副

图3.1说明一下。使两个构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称

为运动副。因此，副一定是一对接触构件，但还要保持相对运动关系，同

学以前见到过的，能举例吗？例如螺纹副，导轨副等。

接触情况有三种：点接触，线接触，面接触，这点、线、面称为运动

副元素。

根据运动副各构件间的相对运动是平面运动，还是空间运动，这样把

运动副可分为平面运动副，空间运动副。

本章讨论的为平面运动副，它又可分为低副、高副二大类型。

3.1.2自由度和运动副约束

一个空间自由状态的构件，具有6个独立运动的参数，作平面运动的

构件就具有三个独立运动参数，放课件（平面运动构件的自由度），这个独

立运动参数的数目称为构件的自由度。

两个构件通过运动副连接，这样相对运动必会受到限制，这个限制称

为约束，引入一个约束条件将减少一个自由度。

下面分析一下具体的运动副的运动、约束情况：

1.低副什么叫低副说明一下。构件之间以面接触形成的运动副称为

低副，放课件（转动副）说明一下低副定义。

根据形成低副的两个构件之间的可以产生的相对运动的形式不同，低

副又可分为转动副与移动副两种。

转动副（转动副）图3.3所示，这运动副只能在某一平面内作相对转

动，相对运动形式为转动。

移动副（移动副）只能沿某一方向作相对移动，相对运动形式为移

动，图3.4所示。

2.高副以点或线接触组成的运动副，图3.5所示，分析一下运动情

况。

那么约束如何：分析一下。

对于转动副：引入二个约束，保留了一个自由度。

对于移动副：引入二个约束，保留了一个自由度。

故平面低副的运动副，引入二个约束，保留一个自由度。

对于平面高副，引入一个约束，保留了二个自由度。

•26•

3.1.3运动链和机构

图3.6所示，放课件（运动链），两个以上构件以运动副连接而成的系

统称为运动链，如果运动链中有的构件只包括一个运动副元素称为开链（图

3.6a）。如每个构件至少包括两个运动副元素，则构件形成了封闭系统称为

闭链（图3.6b）。如在闭链中将其中一个构件固定，就成为机架，这运动链

就成为机构。当它的一个或几个构件具有独立运动，也就是这构件的运动

规律为已知的，这机构的运动和动力由这一个构件输入，这构件称为原动

件（主动件），其余构件称为从动件。

3.2平面机构的运动简图

课件（粉碎机）放一下，我们分析运动，这图就很复杂。为了使问题

简单化，在研究机构运动时，可以不考虑那些与运动无关的因素（如具体

结构、外形等等），仅用简单的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定

比例表示出各运动副的相对位置，这种说明机构各构件间的相对运动关系

的简单图形称为机构运动简图，课件（运动副简图表示）放一下。

这简图有二个作用：

1）可以简明地表达一部复杂机器的传动原理。

2）可以用图解法求机构上各点的轨迹、位移、速度、加速度等。

3.2.1运动副及构件的表示方法

1.构件

2.转动副图3.7课件（转动副）

3.移动副图3.8课件（移动副）

4.平面高副图3.9课件（平面高副）

3.2.2绘制机构运动简图的步骤

作图时，因为实物很大，无法按1：1绘制，只得选用一个比例尺，有

位置比例尺，速度、加速度比例尺，下面只谈位置比例尺如何表达

4=物体实际长度/构件图示长度（m/mm）

绘制步骤教材中已谈了，可自学一下。

•28•

第3章第2讲

知识点教学手段

机构具有确定运动的条件课件（局部自由度、复合较链、虚约

平面机构自由度的计算束、图3.16-3.22)

计算机构自由度的注意事项

一、讲授时注意几点

应该掌握如下几点：

1）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。

2）机构的自由度计算公式能很熟练地推导出。

3）在计算自由度时，应注意处理好三种情况，才能使计算正确，符合

实际情况。

二、讲授程序设计

首先从运动副的约束，自由度的概念开始，推导出机构自由度计算公

式，然后得到机构具有确定运动的条件，最后指出在应用自由度计算公式

要注意三个问题，这样才能使公式应用正确。

讲授教案编写如下所述。

•30・

第2讲教案

3.3平面机构的自由度

3.3.1平面机构的自由度计算

设某一平面运动机构，其中包括N个构件，PL个低副，PH个高副，现

以平面四杆机构为例，说明一下N,PL,PH值=?这N个构件中有一个构

件被看作为固定不动的为机架，所以其余均为活动的构件，则活动构件数

就为n=NT,这n个活动构件，在未用运动副将它们连接起来以前，共具

有3n个自由度。在黑板上写上3n。

当用PL个低副，PH个高副将构件连接起来，便会使构件活动受到影响,

也就是3n个自由度就要被减少。以前已讲过：加入一个低副，就引入二个

约束，自由度只有1个。

即3n-2Pi.在黑板上写成3n-2Pi.

加一个高副，就引入一个约束，自由度只有2个。

即3n-PH

最后黑板上就写成3n-2P「PH

这式子就可说明为：整个机构相对机架的自由度数就应为活动构件的

自由度的总数减去（2PL+PH）个约束

3〃一（£+为

机构的自由度数为F则

尸=3〃一（黑+七

这就是机构的自由度计算公式

3.3.2机构具有确定运动的条件

一般要求一个机构，当原动件给定一个运动规律运动时，从动件也就

得到按某一个运动规律进行运动，不允许从动件乱动，无规律地运动。

图3.1.3所示，课件（曲柄滑块机构）放一下，计算一下机构自由度F=l,

也就是这机构能具有独立运动的数目为1,主动件为1,输入运动，从动件

就按确定规律运动，这就是机构运动的确定性。

结论为机构自由度=原动机数

图3.12所示，课件（五杆钱链机构）放一下，计算出机构自由度为2,

如给机构一个独立运动构件，那么其它构件运动如何，从图中可见出运动

是不确定的，构件2,3,4位置不确定，当构件1占AB位置时，构件2,

3,4可占位置BC、CD、DE或BC'、C'D'、D'E或其它位置。如再给

定一个原动件（二个原动件运动规律可以相同，也可以不同）这时其它构

件运动就确定了，这时机构自由度数等于原动件数。

结论：1）当FWO这机构不可能产生相对运动，为一刚体

2）F>0当原动件数小于机构自由度数时，构件间的相对运动

就为无规则的。

当原动件数大于机构自由度数时，机构不能运动。

当原动件数等于机构自由度数时，构件间才能确定的

•32•

相对运动，这就是机械运动的确定条件。

3.3.3应用公式时注意事项

1.局部自由度

图3.16所示，放课件（局部自由度）滚子绕其本身轴线作自由转动，

丝毫不会影响其它构件的运动，这在进行自由度计算时，要将局部自由度

去除，改为图3.16b）。

2.复合较链

图3.14所示，放课件（复合较链）

什么叫复合钱链，如何进行计算

结论：由m个构件汇成的复合钱链应当作为m-1的转动副，如图3-1

所示。

图3-1复合较链计算

3.虚约束

在运动副所加的约束中，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不

起独立限制作用的约束称为虚约束，在计算自由度时，虚约束应当除去不

计，图3.17所示，放课件（图3.17）,说明一下图3.17b）中EF为虚约束，

简化成图3.17a）

虚约束是很难找出，一般可从下面二点来找

1）运动状态不改变

2）虚约束去掉前后F不同，图3.17a中F=l,图3.17b中F=0,故EF

为虚约束。

接下来放课件（图3.18~3.22）说明一下。

那么虚约束有什么用途？它可提高构件的刚性，改善其受力情况，因

此，在现场，还是被广泛地使用。

•34•

第4章平面连杆机构

一、教学要求

本章的主要内容为用相对运动图解法作平面连杆机构的运动（速度）

分析、力分析；平面四杆机构的基本特性及其演化；较链四杆机构的曲柄

存在条件；平面四杆机构的设计。

具体的教学要求如下：

1）了解平面机构的运动（速度）分析。

2）掌握平面机构的力分析。

3）了解平面四杆机构的基本型式，掌握其演化方法。

4）掌握平面四杆机构的基本特性。

5）掌握平面四杆机构的图解法设计。

二、重点、难点

重点：平面四杆机构的基本型式、演化及其基本特性。

难点：1）平面四杆机构相关的基本概念。

2）平面四杆机构的力分析。

3）平面四杆机构的设计

三、教学安排

教学内容学时数

1.概述

2.平面机构的运动分析2

3.平面机构的力分析

4.钱链四杆机构的基本型式及演化2

5.平面四杆机构的基本特性

2

6.平面四杆机构的设计

注：为了照顾编写教案时的系统性，表中列出的学时数只仅供参考，但全

章总学时数不变。全教案同。

四、教学思路设计

本章主要介绍平面四杆机构的类型、特性、运动分析、力分析及运动

设计等，同时简要讨论机构的效率和自锁问题。学习了这些内容，其最终

目的为根据实际需求，确定满足此需求的连杆机构类型，选择合适的设计

方法设计出此连杆机构。

•36•

第4章第1讲

知识点教学手段

1.平面连杆机构概况介绍课件（同一构件上点的运动分析、平

2.同一构件上各点速度分析面摩擦、楔形滑块等速移动受力、轴颈的

3.1）运动副中的摩擦摩擦和摩擦圆、转动副、考虑摩擦时机构

2）机构的受力分析的静力分析、矩形螺旋副受力、滑块等速

3）机械效率及自锁上升受力、滑块等速下滑受力）

4）螺旋机构的效率

一、讲授时注意几点：

1.4.2平面机构的运动分析

主要讲授用相对运动图解法求解同一构件各点速度的方法，其中提出

速度影像原理，求解加速度等不作要求。

2.4.3平面机构的力分析

是本章的难点，主要是为了确定各运动副中的反力，进而确定平衡力、

平衡力矩。对这部分内容主要应了解运动副的摩擦情况，机构受力分析方

法、机械效率及自锁概念。

二、讲授程序设计

分析应该要求低些，因此在讲授此内容时，只得以简单、典型情况进

行分析，例如只分析同一构件点的速度，不分析加速度和不分析组成移动

副的两构件瞬时重合点的速度、加速度求法等。

平面机构设计必须要进行运动分析及力分析。由于高职学生对设计的

理论讲授教案编写如下所述

第1讲教案

第4章平面连杆机构

4.1概述

放课件（钱链四杆机构）

平面连杆机构是由若干个构件以低副连接形成的平面机构。若干个构

•38•

件可以是4杆、5杆等，其中平面四杆机构是平面连杆机构中最常用的一

种形式。

平面连杆机构的优缺点（教材中有，说明一下）

4.2用图解法作平面机构的运动分析

一个机构必须要有确定运动及其一定的运动规律，因此必须要进行机

构的运动分析。

其任务：根据机构原动件的已知运动规律，分析确定该机构其它构件

上的某些点的位移、速度、加速度或角位移、角速度、角加速度等。

研究这些有什么用途：

1）如研究位移，就能看出构件是否能到达这个位置、构件间会不会发

生互相碰撞。

2）如知道了机构的速度，就可求出机构的功率等。

分析方法有图解法、解析法，这里只谈图解法，而图解法中又有速度

瞬心法、相对运动法、线图法，本章只谈相对运动图解法，现只介绍应用

相对运动图解法进行同一构件点的速度分析。

这里就要指出一点：这些运动分析是在不考虑引起机构运动外力的影

响下进行的。

放课件（同一构件上各的运动分析），图4.1所示，这种四杆机构构件

间用钱链相连的，又称为钱链四杆机构。

已知：1）各构件的尺寸，位置

2）原动件1以等3转动

求：1.图示位置时的机构中C点、E点的%、v£o

2.

分玉点的

平动手2个点

上的运

放

图4-1同一构件上点的速度分析

选一个比例尺4,做出机构位置图。

步骤：

(1)求力

取基点为A点，匕大小为叼心，方向指向与外相同。

取比例尺4作图，取一极点P,作一线段=作矢量为p。。

(2)求七

因为B点与C点同为构件2上的点，物体2作平面运动，基点取在B

点，这是为什么？问一下学生，根据工程力学可知：

%=VB+VC

VB：为基点的速度。VCB：为C点绕B点相对转动的速度。

%=%+%

大小？吼8?

・40・

方向A.CDLAB±BC

下面说明二点：

1)为什么〃的方向为

在构件3上，C点的速度为％3

在构件2上，C点的速度为％2

这C点为同一点，在二个构件上，因此％3=%2，由于％3方向为上CD,

所以七方向也为，8。

2)为什么方向，BC?

C点相对于B点的速度，即为B点不动，C点的速度，构件2作转动,

相对于B点作转动，因此方向必定，于BCo

一边作图，一边讲解，根据相对运动矢量方程，就可得出pbc图形，

求出七大小及吆大小。

量出线段长度pc、be

%=4,，VCB^/JLh,

(3)求吗、吗

牡=沪从速度多边形中可见出，因为方向％8方向图示，

则g为顺时转。

例=占同上法，可得出g为逆时转。

‘CD

g、①3标在图上。

(4)求以

因为B、C、E为同上构件上的点，同样道理可得出下列矢量方程

VE=以+也曝=%+也

这方程是以B点为基点，列出的。这方程是以C点为基点，列出

的。

二者同等于以则

以=腺+VEB=%+U

大小？吼8?〃「pc?

方向？LABLBEICELCE

这矢量方程为二个未知数，就可用速度图解法求出。

过b点作％的方向线，beJ_B

过c点作以。的方向线，ce，cJx这二线交于e点

矢量pe代表匕，大小为V。=4•pe,pAec为速度矢量多边形，〃为极

点，根据上述，我们可得出速度多边形的特性。

1）极点〃代表该构件上速度为零的点。

2）在速度多边形中连接0点和任一点的矢量，便代表该点在机构图中

的同名点的绝对速度，其指向是从p点指向该点。

3）在速度多边形中，连接其他任意两点的矢量，便代表该两点在机构

图中的同名点间的相对速度，其指向与速度下标的顺序相反。如及代表七B

而不是VB（.O

4）从图中可见出，代表各相对速度的矢量儿，ce,反分别，于机构图中

的灰，而，荏。因此△BCEs/^ce,且字母顺序一致，（图示的为顺时

针方向）。

图形bee称为机构图中BCE的速度影像，这样我们就可利用图形相似

・42・

原理求出同一构件上某一点的速度。

最后要强调一下，这原理只能用于同一个构件上的各点速度求法，而

不能用于机构的不同构件上各点速度求法。

4.3平面机构的力分析

作用于机构上的力有5种类型

1.驱动力驱使机构产生运动的力，这力所作的功为正值，称输入功。

2.阻力阻止机构运动之力，其功为负值，阻力又可分为二种。

1）有效阻力：这个与生产工作直接相关的阻力，其功称有效功或输

出功，又称工作阻力。

2）有害阻力：除了有效阻力外的无效部分，其功对生产没有用，反

而有害的。

3.运动副反力。

当机构运转时，在运动副中产生的反作用力简称为反力，在进行力

分析时，反力可分为沿运动副两构件接触处的法向和切向两个分力。

法向反力：又称正压力，它与运动副元素的相对运动方向相，的。此

力不作功。

切向反力：即为运动副中的摩擦力，因它是由于正压力而产生的，起

到阻止运动的作用，一般情况下摩擦力对生产是无效的，有害的，但有些

机构中摩擦力是起到有利的作用，如带传动中的摩擦力。

考虑到摩擦力后的运动副的反力称为总反力。

4.重力。

5.惯性力（在高速时才考虑它）。

为了保证机构作持续的预先确定运动，根据此运动条件与作用在机构

上的已知外力，就可求出与之相平衡的未知外力，这未知外力称为平衡力

或平衡力矩，这一点学生一定要记牢，理解，以后就要用到这原理去求平

衡力的。再说明一下未知外力与已知外力一起作用在机构上，使机构处于

平衡状态，根据平衡条件就可求出未知外力（即平衡力，平衡力矩）。

最后说明一下，研究机构力的分析的目的有两个。

①确定机构运动副的反力;

②确定机构需加的平衡力或平衡力矩。

力的分析可为今后计算各构件零件的强度，确定机械效率及轴承型式

等提供了必需的资料。因此这一内容不但是重点，也是一个难点，学生一

定要掌握它。

4.3.1运动副中的摩擦

1.移动副中的摩擦力

最常见的移动副中的反擦和槽形滑块的摩擦二

种，我们先谈平滑块的摩

图4.3所示，放课件（平面摩擦），在黑板上按分析顺序作图。

在外力厂作用下，滑块1向左移动一%，滑块1和平面2组成一个移

动副，因此分析一下滑块1上作用什么力:

①驱动力F；②平面2给1的反力。

•44•

下面分析讨论之。

驱动力K尸力为作用在滑块1上的所有作用力的合力，它与接触面法

线间所夹的角度为£，将尸力分解为法向分力A和切向分力Ft二部分。

①居：使1滑块紧贴于平面上。

②Ft：使1滑块在E作用下向左运动或具有向左运动趋势。

从图中可得出

ta=—

F.

（4.4）

反力：平面2加在滑块1上的反作用力，它有两部分组成。

①正压力K：为法向反力，它与A关系是大小相等，方向相等的力,

这是为什么？学生去想一下。

②摩擦力Ft：R的方向是与1相对于2的运动方向相反，大小为./FN。

FN与R的合力就是平面上加在滑块1上的总反作用力FR,又称总反力

FRO

Ff

（P角称为摩擦角（尺与Ff之间夹角），在一定工作条件下，/（摩擦系

数）为一定的，夕也为一定值，可得出式（4.9）。

讨论一下：1）当£>夕时，说明了外力厂的作用线在摩擦角8之外的

情况，这时R>R,推动力E大于摩擦力，使滑块作加速运动。

2）当£=夕时，外力F的作用线与总反力珠作用线相重合。此时Ft=Ff,

使滑块作等速运动，如滑块原来不动、静止，那么滑块1仍然保持静止不

动状态。

3）£<8时，外力尸的作用线在摩擦角所包围区域的里面，此时“<Ff,

滑块作减速运动，而终于静止。如滑块1原来不动，那么无论外力尸加得

楔形滑块

（图中沿z

图4.4槽面摩擦

分析方法同平滑块的，作图。

驱动力为水平的尸反力，滑块的两个接触面上同时承受正压FV21、F、，

和摩擦力R（画图加上这三个力）。

根据平衡条件，经推导可得出式（4.6）

F=/Fr/sin0于F「4.6

式中人称为当量摩擦系数，其数值始终大于/,也就是说槽面摩擦的摩

擦力总是大于滑块的摩擦力，这样引入人概念后，就可将槽面摩擦简化为

平面摩擦概念来处理。

2.转动副中的摩擦力

轴承就是转动副，轴在轴承孔中转动，轴安装在轴承孔的那一部分称

为轴颈。

•46・

根据作用在轴颈上载荷的方向可分为径向轴颈和轴向轴颈，本讲只讨

论径向轴颈摩擦问题。

图4.4所示，放课件（轴颈摩擦和摩擦圆、转动副）。

作用力如何？轴颈上作用着径向载荷a及轴承孔2加在轴颈I上的总

反力耳21。在驱动力矩M作用下，使1在轴承孔2中作等速转动3⑵根

据平衡条件可知：

Fr与及21必须构成一个阻止轴颈转动的力矩，这力矩称为摩擦力矩Mf,

这的大小必须与驱动力矩M相平衡。

M=Mf

因此，及必与R为大小相等，方向相反的二个力组成的一个力偶。

其作用线间相距一个距离为0，可得出M-尸始•P=F「Po

可推出：P-r*

（4.7）

以轴心为圆心，O为半径，所作的圆称为摩擦圆。

总反力Fg的作用线始终切于摩擦圆。

下面总结一下，运动副中反力情况：

1）移动副：不计摩擦时，反力方向，于相对移动的导路；考虑摩擦时，

反力方向与相对移动导路的_L方向之间偏转一个摩擦角（P，偏转方向与移

动方向相反，反力的大小与作用点位置为未知，随着外力变化而变化的。

2）转动副：不计摩擦时，反力作用线经过回转中心；考虑摩擦时，反

力作用线与摩擦圆相切，且反力对回转中心的力矩的转向，与组成转动副

的两构件间的相对转动方向相反，反力大小和方向均为未知。

3）高副：不计摩擦时，反力作用线为沿接触点的公法线；考虑摩擦时,

反力作用线为过接触点与公法线之间偏转个摩擦角，偏转方向与相对滑动

方向相反，反力大小未知。

4.3.2机构受力分析

在不考虑惯性力情况下，构件上受力后，要达到力的平衡，这些力有

什么特点。

教材中指出四个特点，说明一下就可以了。

下面举例说明一下如何进行静力分析，放课件（静力分析）。

例4.1此曲柄滑块机构，在滑块3上受到驱动力F的作用，使1转动,

也就是克服工作阻力矩%使1作等叼转动，具体解法见教材，这里不叙

述，由教师们自编了。

4.3.3机械效率及自锁

1.机械效率的计算

在稳定运转的周期内，输入功=输出功+损失功

Wd=叱,+W

叼值越小越好，表示出对能量的有效利用程度就越高。

w

〃这为效率用来衡量出对能量有效利用的程度，Z7<1,不

W,

可能大于lo

・48・

2.机械自锁

当〃=0,不管驱动力加得多大，都不能使机械运动，这现象称为

机械自锁。因此机械自锁条件为〃W0

4.3.4螺旋机构的效率

放课件（矩形螺旋副的受力），图4.9所示为矩形螺纹，2为螺钉一部

分螺纹，螺母画出一小块1,螺纹升角为人，螺矩为P,将螺纹展开，就成

为一斜面2,螺母为1滑块。

作一图4.10a）,边分析，边作图。

现在拧螺母，相当于滑块在斜面上上升或下降，螺母1上受到轴向载

荷居和驱动力片或矩•••滑块1作用的外力为居、Fd,使螺母沿轴向

移动。

放课件（滑块等速上升受力），现在加上E/,使滑块上升，相当于滑块

在驱动力"作用下，克服阻力居沿斜面上升（移动方向与R方向相反），

这种情况就相当于拧紧螺母情况。

力分析：螺母1上作用力为

①外力：Fd、Fa

②反力：根据移动副摩擦原理可知品21，＜P

这三个力拓、Fa、品,/乍用下，根据平衡条件可得出

F,=Frtana+（p）

Md=Fr■—tan（A+（p）

若不考虑摩擦力（（p=0）2d,,

tan2

7

tan(%+°)

拧紧后，如果螺母在作用力居作用下，会使滑块1沿斜面下滑，这时

居为驱动力，Fd变为尸。为生产阻力（支持力），这时受力情况就成为图

4.10c）情况，放课件（滑块等速下滑象力）同样可得出下列公式。

M'd=Fr--^-tan（A-9）

,_tan（4一9）

如果要求螺母还能承受"作用短8防宁紧后,不会在居作用下，自动使

螺母下滑，这时螺母沿轴向移动方向与居方向相同，却螺母不会自动松开,

这时就要求螺纹副自锁即〃'<0,可得出自锁条件为

A<（p

以上为矩形螺纹分析，对于△螺纹分析方法一样，它相当于楔形滑块

在楔形槽面内滑动，只要将夕改为”就可以了，这里可说明为什么△螺纹

用于连接之中，传动用的螺纹就用矩形螺纹。

•50•

第4章第2讲

知识点教学手段

四杆机构的基本型式课件（钱链四杆机构等、平面四杆机

平面四杆机构的演化构的演化）

一、讲授时注意几点

1.4.4.1四杆机构的基本型式

平面四杆机构的基本型式为钱链四杆机构，在学习时需要掌握以下基

本概念：连杆、连架杆、曲柄、摇杆等。

2.4.4.2平面四杆机构的演化

学习时要了解到可以通过几种方式将较链四杆机构演化成其他形式的

平面四杆机构。

二、讲授程序设计

虽然世界上有很多种平面四杆机构，分析一下，实质上它们是通过几

种方式将钱链四杆机构演化而成的。

讲授教案编写如下所述。

第2讲教案

4.4较链四杆机构的基本型式及演化

4.4.1四杆机构的基本型式

四个构件以转动副连接构成的平面四杆机构称为钱链四杆机构，它是

平面四杆机构的最基本的型式。

放课件（钱链四杆机构），图4.11所示。

较链四杆机构的基本型式

图4.11所示，说明一下机架、连架杆、连杆、曲柄、摇杆的定义。

根据两连架杆为曲柄或摇杆的不同，