《机械原理清华》课件

机械原理（清华大学版）本课程将深入探讨机械设计的基本原理和基础理论知识。通过理论学习和实践应用相结合的教学方式，帮助学生全面掌握机械设计的基本知识和技能。机械原理课程简介系统性从基础概念到实际应用,全面系统地介绍机械学的基本原理。应用性重点分析机械设计与分析中的关键问题,培养解决实际问题的能力。理论性深入探讨机械学的数学基础,提高对复杂机械系统的分析能力。绪论从机械运动的历史发展概况开始，介绍机械原理学科的重要性和基本内容，为后续章节的学习做好铺垫。机械运动的基本概念1静止与运动物体可以处于静止状态或运动状态。静止意味着物体相对于参考系没有相对位置变化，而运动则表示物体相对参考系位置随时间而变化。2平移运动与旋转运动平移运动是物体各部分保持相对位置不变的直线式运动。旋转运动是物体围绕固定轴线做圆周运动。3速度与加速度速度描述物体运动的快慢程度，加速度描述速度变化的大小和方向。速度和加速度是机械运动分析的两个关键参数。4运动学与动力学运动学研究物体运动本身，不考虑引起运动的原因。动力学则研究导致物体运动的各种作用力及其效应。机械学基本定律牛顿第一定律物体的运动状态只有在受到外力作用时才会发生改变。静止的物体保持静止状态,运动的物体保持匀速直线运动状态。牛顿第二定律物体受到外力的加速度与作用力成正比,与物体质量成反比。外力越大,加速度越大;质量越大,加速度越小。牛顿第三定律任何一个作用力都存在着一个大小相等、方向相反的反作用力。作用力与反作用力同时存在、同时作用于两个不同的物体上。理想机构与实际机构理想机构理想机构指在理想情况下运行的机构,它们忽略了现实世界中的各种因素如摩擦、误差等,可用于进行初步分析和设计。实际机构实际机构则需要考虑现实中存在的各种限制和影响因素,如尺寸公差、装配偏差、表面粗糙度、润滑状态等,以确保机构能正常可靠地工作。两者关系理想机构可作为研究和设计的基础,而实际机构则是理想机构在实际应用中的体现,两者相互补充和发展。实际应用实际机构的分析和设计是机械原理课程的重点,要求学生能够将理想模型转化为能够满足实际需求的可靠机构。机构及其分类链式机构由多个连杆构成的机构，可实现复杂的运动方式，如机器人的关节式结构。平面机构机构的运动全部限制在一个平面内，如曲柄滑块机构、齿轮传动等。空间机构机构的运动不限于一个平面，可在三维空间内移动，如球面机构等。换向机构可以改变运动方向的机构，如双曲面凸轮机构、摆杆机构等。静力学基础探讨力的基本概念、合成分解、平衡条件,以及摩擦力的应用,为后续的运动学和动力学分析奠定基础。力的基本概念1力的定义力是造成物体形状或运动状态改变的原因。它是一种向量量，既有大小也有方向。2力的表示力可用大小和方向两个数据来完全描述，通常用箭头表示。力的作用点是力作用于物体的位置。3力的种类力可分为接触力和距离力。接触力如摩擦力、压力等是物体直接接触时产生的；距离力如重力、弹力等是物体间相互作用产生的。4力的单位力的单位是牛顿(N)，是由质量、长度和时间三个基本量组成的。力的合成与分解分解力将一个作用于物体上的力分解成两个或多个相互垂直的分力,这种方法可以简化分析和计算。合成力将两个或多个作用于同一物体的力合成为一个等效的单一力,这样可以更方便地分析和计算。三角形法则使用三角形法则可以直观地计算出作用于物体上的合力的大小和方向。力的平衡条件力的合成与分解通过将力在不同方向上进行合成和分解，可以找到保持物体静止或均匀直线运动的力的平衡条件。平衡方程的建立根据物体受力的情况，可以建立力的平衡方程，从而确定满足静力平衡的条件。受力分析与计算通过分析物体所受各个力的大小和方向，并进行数学计算，可以得出满足平衡条件的解。摩擦力及其应用摩擦力的定义摩擦力是当两个接触面相对运动时产生的阻碍力。这种力会影响机械运动的效率和稳定性。摩擦力的种类主要包括滑动摩擦、滚动摩擦和静止摩擦。不同类型的摩擦力有不同的特点和作用。摩擦力的应用摩擦力在机械设计中具有广泛应用,如制动系统、传动系统等。合理运用摩擦力可以提高机械的性能和可靠性。摩擦力的控制通过选择合适的材料、表面处理和润滑方式等,可以有效控制摩擦力,最大限度地发挥机械的性能。运动学基础运动学是研究机构或物体的几何运动特性的学科,包括位移、速度和加速度分析。这是理解机械原理的基础。基本运动学概念运动描述运动学研究物体在空间中的位置、速度和加速度等变化规律，建立数学模型描述运动过程。参考系确定参照物体或坐标系是理解和分析运动的关键，常用绝对参照系和相对参照系。运动分类常见运动类型包括平移、旋转和复合运动，根据运动轨迹和特点进行区分。运动描述量位移、速度和加速度是描述运动状态的三大基本量，是分析运动规律的关键参数。平面运动学分析1分析平面机构平面机构的运动学分析通常从平面内部件的相对位置和相对运动开始，确定整个机构的运动特性。2应用坐标系统常用的平面坐标系如直角坐标系、极坐标系等，可以描述机构中各部件的运动状态。3运动学参数位移、速度、加速度等参数是分析平面机构运动的重要指标，可以全面了解机构的运动特性。空间运动学分析13D运动探讨机械在三维空间中的运动规律2位置描述采用欧拉角或旋转矩阵等方法描述空间位置3速度分析求解空间机构各部件的线速度和角速度4加速度分析分析空间机构各部件的线加速度和角加速度空间运动学分析是机械原理的重要组成部分。它研究机械在三维空间中的位置、速度和加速度变化规律。通过欧拉角、旋转矩阵等方法描述空间位置,并推导出各部件的运动参数,为后续的动力学分析奠定基础。机构的速度分析速度分析通过速度分析，可以了解机构各部件之间的相对运动状态，为设计提供重要依据。加速度分析加速度分析可以预测机构运动过程中的动态负荷，为结构设计提供依据。运动学分析运动学分析是研究机构运动的基本问题，是动力学分析的基础。动力学基础深入探讨机械运动的动力学原理与分析方法，全面掌握动力学的基本概念和公式。动力学基本方程牛顿运动定律动力学的基本定律包括牛顿三大运动定律,用于描述物体的平衡和运动行为。动量与动力矩动量是物体运动的量度,动力矩则描述物体转动运动的特征。能量守恒定律能量可以相互转换但总量不变,是分析动力学问题的另一基础。动力学分析方法力学平衡方程运用牛顿力学定律建立系统的力学平衡方程组，为动力学问题的求解奠定基础。动量及能量原理利用动量守恒和能量守恒定律对机械系统的动力学行为进行分析和预测。建立动力学模型根据机械系统的实际结构和参数特性，建立相应的动力学微分方程模型。转动惯量及其应用1定义和重要性转动惯量是物体绕轴旋转时的惯性特性,决定了物体在旋转运动中的动能。它在机械设计中至关重要。2计算方法可通过质量和长度等参数来计算物体的转动惯量,对于不同的几何形状有不同的公式。3应用实例转动惯量广泛应用于各种旋转机械,如马达、飞轮、离合器等,可影响系统的加速度和动态特性。4优化设计合理控制转动惯量有助于提高机械系统的性能,如降低启动电流、减小振动等。机构的动力学分析动力学分析动力学分析可以帮助我们深入了解机构在运动过程中的力学特征。它不仅涉及机构的各种运动量，如速度、加速度、力、扭矩等，还包括这些量之间的关系。分析步骤确定机构的构型和运动类型建立机构的动力学模型应用牛顿运动定律进行动力学分析确定关键动力学参数如驱动力矩、支反力等应用价值动力学分析结果可用于设计优化、性能预测、故障诊断等，对机械系统的设计、制造和运行至关重要。机械传动机械传动是机械系统中重要组成部分,负责将动力从源头传递到被动负荷,确保机械系统的有效工作。本章将深入探讨机械传动的各种形式及其应用。机械传动概述传动形式常见的机械传动形式包括带传动、齿轮传动、链传动等。每种形式都有自己的特点和适用范围。传动效率在选择合适的传动形式时需要考虑传动效率，以确保机械装置的整体性能。传动寿命机械传动部件的使用寿命直接影响到整个机械系统的可靠性和使用年限。维护保养合理的维护保养对于延长传动装置的使用寿命和保证机械系统的正常运行至关重要。带传动传动原理带传动通过摩擦力将动力从一个轴传递到另一个轴，实现机械动力的传递。传动形式常见的带传动形式有皮带传动和链条传动，具有结构简单、成本低廉等优点。传动特性带传动能够实现不同转速比的级数调整，适用于需要可变速比的场合。齿轮传动1齿轮咬合原理齿轮通过相互咬合传递动力,实现速度和扭矩的转换。2齿轮传动优点可靠性高,传动效率好,能承受大载荷,广泛应用于机械设备。3常见齿轮类型包括直齿轮、斜齿轮、蜗轮蜗杆等,适用于不同传动需求。4齿轮设计注意事项需考虑材料强度、几何尺寸、制造工艺等因素,确保传动性能。色差传动运动平稳色差传动采用棘轮机构,可提供平稳连续的间歇运动,避免突然加速或减速引起的冲击和振动。无级变速通过调节色差轮的