《机械原理》课件

机械原理欢迎大家学习《机械原理》课程！本课程将系统介绍机械学科的基础理论与核心概念，从机构的组成与运动分析到常见机构类型的设计与应用，全面培养工程技术人才的机械设计能力。通过本课程的学习，你将掌握机构运动学与动力学分析方法，了解各类机构的工作原理，并能够应用这些知识解决实际工程问题。课程将理论与实践相结合，帮助你建立扎实的机械工程基础。让我们一同探索机械世界的奥秘，理解其中的科学原理，掌握机械设计的精髓！机械原理导论课程内容与目标《机械原理》是一门研究机器和机构的组成、结构、运动和动力的基础理论课程。本课程旨在培养学生分析和设计机械的能力，为后续专业课程和工程实践奠定基础。通过本课程的学习，学生将掌握机构运动学与动力学分析方法，了解常见机构的工作原理及设计方法，并能将理论知识应用于实际工程问题的解决。机械原理的重要性机械原理是机械工程的理论基础，在汽车、航空、制造等领域有广泛应用。例如，发动机的曲柄连杆机构、自动变速箱的行星轮系、工业机器人的关节机构等，都体现了机械原理的应用。掌握机械原理知识，能够帮助工程师优化机械设计，提高机器的性能和可靠性，降低能耗和制造成本。机械与机器机械的定义与分类机械是用于传递或转换运动和力的装置。根据功能可分为动力机械（如发动机、电动机）、工作机械（如机床、印刷机）和控制机械（如仪表、计算机）。机械是人类利用自然规律实现特定功能的重要工具。机器的组成机器通常由三类基本零部件组成：原动件（提供动力，如电动机）、执行件（完成特定工作，如切削刀具）和连接件（传递动力和运动，如轴、齿轮）。这些部件通过特定方式组合，协同工作，完成预定的功能任务。机构与机械系统机构是具有确定运动的构件组合，是机械的核心部分。机械系统则是一个完整的能量、信息、材料流动系统，包括动力源、传动系统、控制系统和执行机构等。设计机械需遵循功能、经济、可靠等基本原则。机构的组成与运动构件与运动副构件是机构中的基本单元，是刚性部件。运动副是两个构件之间的活动连接，限制它们之间的相对运动。运动副按自由度分类，可分为低副（面接触）和高副（点或线接触）。运动链运动链是由若干构件通过运动副连接而成的系统。根据构件的连接方式，可分为开链（如机械臂）和闭链（如四杆机构）。运动链是构成机构的基础，通过固定不同的构件可形成不同的机构。机构自由度机构自由度是指确定机构位置所需的独立坐标数，反映机构运动的可控性。平面机构和空间机构的自由度计算方法不同，机构要有确定运动，必须使其自由度等于输入运动的数量。平面机构自由度计算平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算采用库茨巴赫(Kutzbach)公式：F=3n-2PL-PH，其中n为可动构件数量，PL为低副数量，PH为高副数量。该公式反映了构件数量与运动副对自由度的影响关系。虚约束与局部自由度虚约束是指在计算时被考虑但实际不起作用的约束，常见于对称或特殊结构的机构中。局部自由度是指机构中某些构件具有的额外自由度，但不影响机构的整体运动。识别这些特殊情况对正确计算自由度至关重要。复合铰链复合铰链是指三个或更多构件共用一个转动副的连接方式。在计算自由度时，一个n构件复合铰链等效于n-1个普通转动副。复合铰链常见于平面连杆机构中，能够简化机构结构。实例分析以四杆机构为例，它有3个可动构件（除去机架），4个转动副（均为低副），代入公式：F=3×3-2×4-0=9-8=1，表明四杆机构有1个自由度，需要1个输入运动即可确定其位置。机构的运动简图运动简图的概念与目的机构运动简图是用简化的符号表示机构的结构和运动关系的图示，目的是清晰展示机构的工作原理和运动特性。绘制运动简图能够帮助工程师快速理解机构的功能，是进行运动分析和动力分析的基础。简图绘制步骤与规范绘制运动简图的步骤包括：确定机构类型、识别各构件、选择适当比例、按规范绘制符号、标注尺寸和运动参数。简化原则是忽略次要因素（如零件形状细节），突出主要运动关系，确保图示清晰易懂。常用符号与应用实例运动简图常用符号包括：转动副（圆点）、移动副（矩形滑道）、构件（直线段）等。以曲柄滑块机构为例，其简图由固定机架、旋转曲柄、连杆和滑块四部分组成，清晰展示了运动转换过程。凸轮机构简图则重点表现凸轮轮廓和从动件的接触关系。常用机构类型曲柄滑块机构曲柄滑块机构能将旋转运动转换为往复直线运动，或反之。广泛应用于内燃机、蒸汽机和往复泵等。其特点是结构简单，传动效率高，但存在速度和加速度不均匀的问题。曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构是四杆机构的一种，能将连续旋转运动转换为摆动运动。常用于雨刷器、印刷机和纺织机等。其特点是运动平稳，结构紧凑，但摇杆的摆动角度有限。凸轮机构凸轮机构通过凸轮轮廓控制从动件运动，能实现复杂的运动规律。广泛用于内燃机配气系统、自动机床和包装设备。其优点是运动规律灵活，缺点是对制造精度要求高。齿轮机构齿轮机构通过啮合传递旋转运动，可改变转速、转向和转矩。广泛应用于各类机械传动系统。其特点是传动平稳，效率高，精度好，但制造成本较高，噪声问题需要解决。机构的运动分析位移分析确定机构各构件在不同时刻的位置和姿态，是运动分析的第一步，为速度和加速度分析奠定基础。速度分析计算机构各点的线速度和各构件的角速度，用于评估机构的运动性能和动态特性。加速度分析确定机构各点的线加速度和各构件的角加速度，是进行动力分析和强度计算的重要依据。分析方法包括图解法（如矢量多边形法）和解析法（建立坐标系求解方程组），现代工程中常采用计算机辅助分析。平面连杆机构平面连杆机构是最基本也是应用最广泛的机构类型。其中，四杆机构根据构件的运动特性可分为曲柄摇杆（一个构件做完全回转，另一个做摆动）、双曲柄（两个构件均可做完全回转）和双摇杆（两个构件均做摆动）三种基本形式。四杆机构在运动过程中可能遇到死点位置，这时机构的运动方向变得不确定。为保证机构顺利越过死点，通常采用飞轮储能、增加辅助机构或优化尺寸比例等措施。四杆机构广泛应用于缝纫机、压力机等设备中，能够实现各种复杂的运动规律和轨迹。凸轮机构凸轮类型包括盘形凸轮、筒形凸轮和移动凸轮运动规律等速运动、简谐运动、加速度连续的摆线运动从动件类型滚子从动件、平底从动件和尖底从动件轮廓设计基于逆向法设计正切凸轮或摆线凸轮轮廓凸轮机构是一种能够实现复杂运动规律的高副机构，通过精心设计的凸轮轮廓曲线控制从动件的运动。凸轮机构在内燃机配气系统中扮演关键角色，控制进排气门的开闭时间和升程，直接影响发动机的性能和效率。齿轮机构齿轮的应用领域广泛应用于汽车、航空、船舶等各工业领域齿轮的多样类型直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、蜗轮蜗杆等啮合基本条件齿距相等、齿廓曲线满足啮合基本定律渐开线齿形通用性好、制造简便、中心距变化不影响传动尺寸基本参数模数、压力角、齿数、齿高等几何参数运动学基础位移物体从一个位置到另一个位置的变化量，是矢量。平移位移可用线段表示，转动位移可用角度表示。位移是描述机构几何位置变化的基本量。速度物体位移对时间的一阶导数，表示物体运动快慢的物理量。速度也是矢量，具有大小和方向。在机构分析中，常需计算各构件的线速度和角速度。加速度物体速度对时间的一阶导数，表示速度变化快慢的物理量。加速度同样是矢量。在机构分析中，线加速度和角加速度的计算对动力分析和强度设计至关重要。合成运动当物体同时参与多种运动时，其总运动是各分运动的叠加。例如，点的合成运动可分解为绝对运动、相对运动和牵连运动，这是分析复杂机构的重要方法。速度分析图解法速度影像法是一种直观的图解方法，通过绘制速度多边形确定机构各点的速度。该方法基于构件的刚体特性，即同一构件上各点的速度可分解为转动分量和平移分量。瞬时速度中心法利用刚体平面运动中存在的瞬时速度中心，简化速度计算。对于两构件的相对运动，确定其瞬时速度中心后，可直接计算任意点的速度大小和方向。解析法解析法通过建立坐标系，列写速度方程，求解未知速度。此方法适合复杂机构和计算机编程实现，具有计算精度高、适用范围广的优点。基本步骤包括：建立坐标系统、推导位置方程、对时间求导得到速度方程、确定边界条件、求解方程组。通过解析法，可以得到机构任意位置的速度值。应用实例以曲柄滑块机构为例，可以通过速度分析确定滑块在各位置的速度变化规律。这对于内燃机的设计至关重要，因为活塞速度直接影响发动机的性能和效率。速度分析的结果用于评估机构的运动性能，检查是否存在速度突变点，并为加速度分析和动力分析提供基础数据。在实际工程中，常结合计算机软件进行高效分析。加速度分析图解法加速度影像法是机构加速度分析的常用图解方法，通过绘制加速度多边形确定机构各点的加速度。先确定已知加速度分析构件间的约束关系按刚体加速度合成原理绘制加速度多边形解析法解析法通过建立坐标系和加速度方程求解未知加速度，适合复杂机构分析和计算机编程。对位置方程求二阶导数得到加速度方程列写边界条件求解方程组科里奥利加速度当点在一个运动构件上还有相对运动时，会产生科里奥利加速度。大小等于2倍角速度与相对速度的乘积方向垂直于相对速度，按右手法则确定实例应用加速度分析对机构的动力学计算至关重要，为惯性力的确定提供依据。内燃机活塞加速度分析高速机构的动态平衡设计减振降噪方案制定4运动轨迹规划时间线性插值抛物线插值三次样条插值运动轨迹规划是为机构设计合理运动路径和速度规律的过程，对确保机构平稳高效运行至关重要。常用的插值方法有线性插值（简单但加速度不连续）、抛物线插值（加速度分段连续）和三次样条插值（加速度全程连续），不同插值方法产生的运动曲线如图所示。轨迹规划必须考虑运动的平稳性和连续性，避免速度和加速度的突变。在工业应用中，机器人和数控机床的轨迹规划直接影响加工质量和设备寿命。现代运动控制系统通常包括轨迹规划器、控制器和驱动装置，通过反馈控制实现精确的轨迹跟踪。机构的运动特性传动比传动比是输出构件与输入构件的角速度之比或线速度之比，表征运动传递的特性。在齿轮传动中，传动比等于从动轮齿数与主动轮齿数之比；在其他机构中，传动比可能随位置变化。正确设计传动比可优化机构性能。压力角压力角是动力传递方向与从动构件运动方向的夹角，影响传动效率和受力状况。过大的压力角会导致卡滞现象，通常应控制在较小范围（如30°以内）。减小压力角的措施包括优化机构尺寸和采用合理的运动轨迹。急回特性急回特性指机构在工作行程与返回行程用时不同的特性，常见于冲床、剪切机等工作机构。实现急回特性的方法包括使用非圆齿轮、凸轮机构或特殊连杆机构。好的急回机构可提高生产效率和设备利用率。死点与平稳性死点是机构失去确定运动能力的位置，会导致运动中断或方向不确定。为确保机构越过死点，通常采用飞轮储能、双机构协同或优化设计等措施。机构的运动平稳性通常用速度波动系数衡量，受传动链刚度、间隙和负载变化的影响。动力学基础力的概念与分类力是物体间的相互作用，可引起物体形变或运动状态变化。在机构分析中，力按来源可分为三类：主动力（如重力、弹性力、电磁力）、约束力（运动副产生的反作用力）和惯性力（物体由于加速运动而表现出的惯性效应）。正确识别和计算这些力是机构动力分析的基础。在实际机构中，摩擦力、空气阻力等也需考虑。牛顿力学定律牛顿第一定律（惯性定律）：物体在无外力作用下保持静止或匀速直线运动状态。第二定律：物体加速度与所受合力成正比，与质量成反比（F=ma）。第三定律：作用力与反作用力大小相等、方向相反、作用在不同物体上。这三个定律是经典力学的基础，是进行机构动力分析的理论依据。达朗贝尔原理与虚位移原理达朗贝尔原理通过引入惯性力，将动力学问题转化为静力学问题处理，即主动力、约束力和惯性力构成的力系处于平衡状态。虚位移原理则规定，平衡状态下，所有作用力在任意虚位移上所做的虚功之和为零。这两个原理为解决复杂机构动力学问题提供了有效方法。力的分析1动力平衡基础综合应用力的平衡方程和力矩平衡方程主动力分析直接影响机构运动的驱动力和阻力3约束力计算由运动副产生的反作用力4惯性力考虑施加在构件重心的等效力和力矩自由体图法隔离各构件并标注所有作用力力的分析是机构动力学研究的核心内容，旨在确定机构各构件的受力状况和运动状态。在分析过程中，首先需明确主动力的大小和方向，它们直接影响机构的运动；然后计算惯性力，包括惯性平移力和惯性力矩；最后通过力平衡和力矩平衡方程确定约束力。以曲柄滑块机构为例，需分析曲柄转动产生的驱动力矩、连杆和滑块的惯性力以及各转动副和移动副的约束力。这些分析结果是机构强度设计、结构优化和性能评估的重要依据。动力分析分析方法选择动力分析可采用图解法或解析法。图解法直观但精度有限，适合初步设计；解析法精确但计算复杂，适合详细设计和计算机实现。选择合适的方法取决于问题复杂度和精度要求。静力法静力法基于力的平衡条件，忽略惯性力影响，适用于低速运动机构。分析步骤包括：隔离各构件，绘制自由体图，列写平衡方程，求解未知力。这种方法简单直观，但在高速情况下误差较大。动力法动力法考虑惯性力影响，适用于高速运动机构。通过引入惯性力和惯性力矩，将动力问题转化为静力问题。分析需先计算加速度，再确定惯性力，最后求解平衡方程。这种方法计算量大但结果准确。应用价值动力分析结果用于机构强度设计、尺寸优化和性能评估。例如，通过曲柄滑块机构的动力分析，可优化发动机设计，提高效率，降低振动。动力分析也是计算机辅助机械设计(CAD/CAE)的重要环节。平衡力系2平衡力系类型平衡力系包括静平衡和动平衡两种类型。静平衡要求系统重心位于转动轴线上，解决偏心引起的离心力问题；动平衡则进一步要求惯性力矩为零，解决力偶引起的振动问题。3平衡设计步骤平衡设计通常包括理论计算、平衡块设计和实验验证三个步骤。设计中需确定平衡块的质量、位置和数量，使其产生的离心力和力矩能抵消原系统的不平衡力和力矩。60%振动降低效率良好的平衡设计能显著降低机构振动，减少能量损失，提高效率达60%以上。内燃机、涡轮机等高速旋转设备尤其需要精确平衡，否则会导致过度振动、增加磨损和降低效率。平衡力是使机构处于平衡状态的力系，对减少振动、降低噪声和延长机构寿命至关重要。在高速旋转机构中，即使很小的不平衡也会产生显著的离心力和振动。例如，汽车发动机要通过曲轴平衡块和平衡轴设计实现动态平衡，确保发动机平稳运行。机械的效率机械效率是输出功与输入功的比值，反映机械传递能量的能力。效率低于100%的本质原因是能量在传递过程中存在不可避免的损耗，主要表现为摩擦引起的热能、振动和噪声。不同传动形式的效率存在显著差异，如图所示，齿轮传动和滚动轴承效率较高，而蜗轮蜗杆传动效率相对较低。影响机械效率的因素包括：摩擦副的材料组合、表面粗糙度、润滑状况、运行速度和负载大小等。提高效率的措施主要有：选择高效传动形式、优化零件设计、改善润滑条件、提高加工精度和使用新型材料等。在机械系统设计中，需全面分析各环节能量损耗，有针对性地进行优化，实现高效、节能的整体方案。齿轮传动直齿轮齿线平行于轴线，结构简单，制造容易，效率高，但噪声较大。适用于低速、低负荷场合，常见于普通机械设备。直齿轮传动时只有径向力和切向力，无轴向力，设计计算相对简单。斜齿轮齿线与轴线成一定角度，啮合平稳，噪声小，承载能力强，但存在轴向力。广泛应用于中高速传动，如汽车变速箱。斜齿轮的齿面接触逐渐过渡，能显著减小冲击和振动。蜗轮蜗杆传动比大（可达100:1），结构紧凑，传动平稳，但效率较低，发热严重。常用于需要大传动比且空间有限的场合，如起重机、电梯。蜗杆通常采用硬钢，蜗轮则使用青铜，以降低摩擦和磨损。齿轮设计齿轮强度计算齿轮设计的核心是强度计算，包括弯曲强度和接触强度两方面。弯曲强度检验齿根承受弯曲应力的能力，防止齿断裂；接触强度检验齿面承受接触应力的能力，防止齿面点蚀和磨损。计算中需考虑工作条件系数、动载系数和寿命系数等多种因素。几何尺寸设计齿轮的几何尺寸设计围绕模数、齿数和压力角三个核心参数进行。模数决定齿的大小，通常标准化以便制造；齿数影响传动比和齿轮大小，需防止根切；压力角（通常为20°）影响齿的强度和啮合特性。此外，还需设计齿顶高系数、齿根高系数和中心距等参数。精度与润滑齿轮的加工精度直接影响传动质量和噪声水平。精度等级根据应用场合选择，高速精密传动要求更高精度。齿轮的润滑方式包括油浴、喷油和油雾润滑等，需根据转速、负载和环境条件选择。好的润滑不仅减小摩擦，还能带走热量，防止润滑油氧化和齿面损伤。轮系定轴轮系定轴轮系中所有齿轮的轴心位置固定不动，是最基本的轮系形式。其传动比计算简单，等于末齿轮与首齿轮齿数之比乘以负一的齿轮对数次方。定轴轮系结构简单，但传动比有限，通常需多级传动才能实现大传动比。周转轮系周转轮系中存在绕其他齿轮轴线公转的行星轮，结构更为复杂。其传动比计算需使用公式i=(1-i0)ωH/ωL+i0，其中i0为固定架时的传动比。周转轮系可实现大传动比，结构紧凑，且具有功率分流特性，承载能力强。混合轮系混合轮系同时包含定轴轮系和周转轮系部分，具有更大的设计灵活性。分析时需将系统分解为基本轮系单元，逐一计算，最后综合得出整体传动比。混合轮系广泛应用于复杂的变速装置，如汽车自动变速器。应用实例轮系在工程中有广泛应用，如汽车差速器利用行星轮系实现两轮不同速转动，自动变速箱利用多组行星轮系和离合器实现多档位变速，工业减速器利用多级齿轮传动降低转速增大转矩。轮系设计需兼顾传动比要求和空间限制。蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动是一种特殊的螺旋传动形式，能实现两个相交轴之间的运动传递。其最大优势是传动比大（单级可达100:1），结构紧凑，传动平稳，且具有良好的自锁性能，适用于不允许反向传动的场合。然而，这种传动形式的效率相对较低（通常为70-90%），发热严重，需要良好的润滑和散热条件。蜗杆通常采用硬质合金钢制造，经过淬火处理以提高耐磨性；蜗轮则多用锡青铜或铝青铜材料，以减小摩擦系数和磨损。蜗轮蜗杆传动广泛应用于工业减速器、提升机、机床分度头和转向机构等领域。设计时需特别注意润滑、冷却和效率问题，合理选择传动参数和材料，确保系统可靠运行。齿轮的失效形式齿面磨损齿面磨损是最常见的齿轮失效形式，表现为齿廓形状的渐变、表面粗糙度增加和啮合间隙增大。主要原因包括润滑不良、润滑油中杂质过多和过载运行。长期磨损会引起啮合不良、传动精度下降和噪声增加，最终导致设备性能恶化。齿面胶合齿面胶合是一种严重的粘着磨损，发生在高速、高温和高压条件下润滑膜被破坏时。表现为齿面金属间发生微焊接然后被撕裂，产生严重的表面损伤。胶合通常发生得很突然，可在极短时间内使齿轮失效，是一种灾难性故障。轮齿折断轮齿折断通常始于齿根部位的疲劳裂纹，随着循环载荷作用逐渐扩展，最终导致齿的完全断裂。过载、冲击载荷和材料缺陷是主要诱因。齿断裂是最危险的失效形式，可能导致整个传动系统的连锁故障和严重事故。齿面点蚀点蚀是表面疲劳损伤，表现为齿面出现密集的小凹坑。这是由于循环接触应力引起表面下微裂纹，随着润滑油渗入裂纹并在压力下产生液压作用，使材料微粒脱落。点蚀初期可继续使用，但会逐渐扩展为大面积剥落，影响传动精度和平稳性。凸轮机构盘形凸轮最常见的凸轮类型，轮廓曲线位于与轴垂直的平面内圆柱凸轮轮廓曲线位于圆柱面上，适合轴向运动控制2移动凸轮凸轮本身做直线运动，应用于特殊场合主要应用内燃机配气系统、自动机床、包装设备4凸轮机构是一种能够实现复杂运动规律的高副机构，其核心是通过精心设计的凸轮轮廓曲线来控制从动件的运动。凸轮可根据形状分为盘形、圆柱形和移动凸轮等类型；按照工作面可分为正向凸轮、反向凸轮和沟槽凸轮。凸轮机构的主要优点是能够实现几乎任意的运动规律，适应性强，传动精度高；缺点是对制造精度要求高，磨损较快，高速工作时冲击和振动较大。在内燃机中，凸轮轴控制气门的开启和关闭时间与升程，直接影响发动机的性能；在自动机床中，凸轮控制刀具的进给运动，保证加工精度。凸轮轮廓设计确定运动规律凸轮轮廓设计的第一步是确定从动件的运动规律，即在凸轮旋转过程中从动件的位移、速度和加速度变化规律。常用的运动规律包括等速运动、简谐运动、摆线运动和多项式运动等，每种规律都有各自的特点和适用场合。设计者需根据实际工况要求选择合适的运动规律。应用逆向设计法凸轮轮廓的设计采用逆向法，即已知从动件的运动规律和初始位置，反推凸轮的轮廓曲线。具体步骤是：在凸轮旋转的不同角度位置，根据从动件的位移计算其在凸轮上的对应点，然后将这些点连接成光滑曲线。设计过程考虑从动件的类型（尖顶、平底或滚子）和压力角要求。轮廓加工与优化凸轮轮廓的加工通常采用数控机床，以确保高精度。在制造前，需进行轮廓优化设计，包括：减小压力角以避免卡滞，确保曲率半径合适以防尖点出现，考虑加工和热处理变形的影响。现代CAD/CAM技术大大简化了凸轮的设计和加工过程，提高了精度和效率。凸轮运动规律的选择运动规律速度连续性加速度连续性最大加速度适用场合等速运动不连续不连续无穷大低速场合简谐运动连续连续较大中速场合摆线运动连续连续较小高速场合多项式运动连续连续可调各种场合凸轮运动规律的选择是凸轮设计的关键，直接影响机构的动态性能和使用寿命。等速运动规律最为简单，但在起止点存在速度突变，导致无穷大的加速度和冲击，仅适用于低速场合。简谐运动规律（正弦曲线）确保速度连续变化，加速度有界但变化较大，适合中速应用。摆线运动规律通过数学优化，使加速度变化更加平缓，冲击小，特别适合高速场合。多项式运动规律（如5次多项式）具有较大的设计自由度，可以根据具体需求调整参数，实现各种特殊要求。在实际应用中，应考虑工作转速、负载特性、噪声要求和寿命期望等因素，综合选择最合适的运动规律。凸轮机构的从动件滚子从动件滚子从动件在凸轮和从动件之间采用滚动接触，大大减小了摩擦力和磨损。滚子通常采用硬质轴承钢制造，经过精密加工和热处理，确保高硬度和耐磨性。滚子从动件的主要优点是摩擦小、效率高、寿命长；缺点是结构复杂，成本较高，且需要定期检查滚子的旋转灵活性。滚子的直径选择需要权衡：直径过大会增加从动件的质量和惯性力，直径过小则会增加接触应力和磨损。在设计中，通常将滚子直径控制在凸轮基圆半径的15%-30%范围内。平底与尖底从动件平底从动件具有较大的接触面积，接触应力小，但存在滑动摩擦，磨损较大。它适用于低速、重载场合，结构简单，成本低。平底从动件的底面需精密加工，确保与凸轮轮廓良好接触。尖底从动件形状简单，接触点位置确定，便于精确计算，但接触应力集中，只适用于轻载低速场合。在现代凸轮机构中，尖底从动件较少使用，除非对位置精度有特殊要求。从动件的导向与润滑从动件的导向方式直接影响机构的运动精度和平稳性。常见的导向方式包括滑动导轨、导套和导杆等。良好的导向设计应确保从动件只能沿设计方向运动，无侧向游隙，同时摩擦阻力最小。凸轮机构的润滑对防止磨损至关重要。滚子从动件通常采用密封轴承并注入润滑脂；平底和尖底从动件则需要持续的油膜润滑。适当的润滑不仅减小摩擦，还能带走热量，延长凸轮和从动件的使用寿命。凸轮机构的失效形式凸轮轮廓磨损凸轮轮廓磨损主要发生在与从动件接触的工作面上，表现为轮廓形状的逐渐改变和表面粗糙度的增加。磨损严重时会导致运动误差增大、噪声增加和振动加剧。主要原因包括润滑不良、过载运行和材料不当。预防措施包括选用耐磨材料、表面淬火处理和保证充分润滑。从动件滚子损坏滚子从动件的失效通常表现为滚子表面点蚀、裂纹或烧结现象。当滚子不能正常转动时，会转变为滑动摩擦，导致凸轮和滚子快速磨损。导致滚子损坏的原因包括过载、润滑不足、安装误差和轴承故障。定期检查滚子的转动情况，确保轴承润滑良好是预防措施的关键。凸轮轴断裂凸轮轴断裂是最严重的失效形式，通常始于疲劳裂纹，在循环载荷作用下逐渐扩展，最终导致完全断裂。主要原因包括设计强度不足、材料缺陷、过载和共振。特别是在内燃机中，凸轮轴断裂可能导致整个配气系统损坏，造成严重后果。预防措施包括合理设计轴径、选择高质量材料和避免应力集中。连杆机构连杆机构的类型连杆机构根据构件数量可分为四杆机构、五杆机构和六杆机构等。四杆机构是最基本的闭链机构，包括固定架、曲柄、连杆和摇杆四个构件；五杆和六杆机构则增加了构件和自由度，可实现更复杂的运动。此外，根据运动特性，连杆机构还可分为平面机构和空间机构。连杆机构的特点和应用连杆机构最显著的特点是能够实现复杂的运动轨迹和运动规律，且具有结构简单、传动效率高、运动可靠等优势。它广泛应用于各种机械设备中，如缝纫机的送布机构、印刷机的送纸装置、挖掘机的铲斗机构等。在这些应用中，连杆机构巧妙转换了运动形式，满足了特定的工艺要求。连杆机构的运动分析连杆机构的运动分析旨在确定各构件的位置、速度和加速度关系。分析方法包括图解法和解析法，前者直观但精度有限，后者准确但计算复杂。现代机构设计中，常借助计算机辅助分析软件进行运动模拟和优化，大大提高了设计效率和精度。四杆机构1曲柄摇杆机构曲柄做完全回转运动，摇杆做往复摆动运动。应用于雨刷器、印刷机等场合。特点是能将连续旋转运动转化为往复摆动运动，结构简单紧凑，运动可靠。2双曲柄机构两个活动构件都可做完全回转运动。应用于搅拌机、切刀机构等。特点是两个构件都能连续旋转，但转速比变化较大，主要用于需要不均匀转动的场合。3双摇杆机构两个活动构件都只能做往复摆动运动。应用于控制机构、舵机等。特点是运动范围受限，但在某些特定轨迹合成中很有用。4死点及越死点措施死点是机构失去确定运动能力的位置，通常在连杆与曲柄或摇杆共线时出现。越死点措施包括使用飞轮储能、设计双曲柄机构协同工作或优化构件尺寸比例。连杆机构的设计尺寸确定根据运动要求和空间限制确定各构件长度和铰链位置传动角分析保证传动角在合理范围内，通常最小传动角不小于30°强度计算考虑静载荷、动载荷和疲劳载荷，确保各构件安全可靠4润滑与安装设计合理的润滑系统，确保装配精度和运动准确性连杆机构的设计是一个综合考虑几何、运动学和动力学因素的过程。首先，根据预期的运动轨迹或运动规律，采用几何设计或优化设计方法确定各构件的尺寸和铰链位置。这一步通常需要反复迭代，直至满足设计要求。在设计过程中，传动角是一个重要指标，它影响机构的传动效率和平稳性。过小的传动角会导致力的传递不良，甚至出现卡滞现象。构件的强度计算需考虑静态载荷、动态惯性力和疲劳效应，特别是连杆这类受交变载荷作用的构件，疲劳强度往往是决定性因素。良好的润滑和精确的安装是确保连杆机构长期可靠运行的关键。连杆机构的优化设计优化目标连杆机构优化设计的目标通常包括提高运动精度、降低振动水平、减小尺寸重量、增加传动效率和延长使用寿命等。在实际应用中，往往需要在多个目标之间进行权衡，形成综合优化方案。例如，减小尺寸可能会增加应力水平，影响寿命。优化方法连杆机构的优化方法包括传统的数学规划法（如梯度法、单纯形法）和现代智能算法（如遗传算法、粒子群算法）。数学规划法计算效率高但容易陷入局部最优；智能算法全局搜索能力强但计算量大。实际应用中常结合两类方法，先用智能算法获得近似解，再用数学规划法精确优化。优化变量连杆机构优化设计的主要变量包括各构件的长度、铰链的位置坐标、初始安装角度和质量分布等。这些变量共同决定了机构的运动特性和动力学行为。在设计过程中，需建立这些变量与目标函数之间的关系模型，通过改变变量值来优化机构性能。优化约束优化设计必须满足各种约束条件，包括几何约束（如装配条件、空间限制）、运动约束（如速度限制、加速度平稳性）和强度约束（如应力限制、疲劳安全系数）。这些约束条件形成了可行解的边界，只有在满足所有约束的情况下，优化结果才具有实际工程意义。连杆机构的失效形式1连杆弯曲变形连杆弯曲是常见的失效形式，表现为连杆形状的永久变形，导致机构运动不准确甚至卡死。主要原因包括过载运行、材料强度不足、设计裕度不足和突发冲击载荷。弯曲往往始于微小的塑性变形，随着使用逐渐增大，最终导致功能丧失。2铰链磨损铰链是连杆机构的关键部分，其磨损直接影响机构的精度和可靠性。磨损表现为间隙增大、运动不平稳和噪声增加。主要原因是润滑不良、异物进入、材料匹配不当和过载运行。铰链磨损是一个渐进过程，需通过定期检查和维护来控制。3紧固件松动螺栓、销钉等紧固件的松动是连杆机构常见问题，尤其在有振动和冲击的工况下。松动会导致额外的间隙、运动不准确和噪声增加，严重时可能导致构件脱落和机构破坏。松动的主要原因包括初始紧固不足、振动引起的自松脱和材料蠕变。4预防与维护预防连杆机构失效的关键措施包括：正确设计（留有足够的强度裕度）、选择合适的材料、确保良好的润滑条件、定期检查和维护铰链、使用防松装置固定紧固件、避免超载运行。定期检查应关注铰链间隙、构件形状变化和紧固件状态，及时发现并处理潜在问题。摩擦摩擦类型分类静摩擦、滑动摩擦和滚动摩擦三种基本形式摩擦力方向特性总是与相对运动方向相反，阻碍相对运动3摩擦力大小规律与接触面法向压力成正比，与接触面积无关4摩擦系数影响因素材料组合、表面粗糙度、温度、润滑状态5摩擦的工程应用制动装置、传动系统、紧固连接等领域滑动摩擦干摩擦系数润滑摩擦系数滑动摩擦是两个接触面相对滑动时产生的阻力，其大小可用公式F=μN计算，其中μ是摩擦系数，N是法向压力。摩擦系数受多种因素影响：材料组合是最基本因素，不同材料对之间的摩擦系数相差很大；运动速度对摩擦系数有复杂影响，通常低速时摩擦系数较大；温度升高往往导致摩擦系数下降；表面状态如粗糙度、硬度和氧化膜也显著影响摩擦特性。滑动摩擦广泛应用于制动器、离合器等需要控制运动的装置中。同时，在各种滑动轴承中，必须通过设计控制摩擦系数以平衡摩擦损失和承载能力。减少有害滑动摩擦的主要措施包括：选择合适的材料组合、改善润滑条件、减小接触压力、提高表面光洁度和采用表面处理技术。现代轴承设计中，还需考虑散热、密封和寿命等综合因素。滚动摩擦滚动摩擦原理滚动摩擦是物体在表面上滚动时产生的阻力，其产生机制与滑动摩擦有本质区别。滚动摩擦主要来源于物体与支承面的微小变形及其恢复过程中的能量损耗。滚动摩擦力矩计算公式为M=μrN，其中μr是滚动摩擦系数，具有长度量纲，N是法向压力。滚动摩擦系数主要受材料弹性性能、表面光洁度和滚动体直径的影响。通常，硬度高的材料滚动摩擦系数小；表面越光滑，滚动摩擦越小；滚动体直径越大，滚动摩擦系数越小。这些特性是设计滚动传动系统的重要依据。滚动摩擦的应用滚动摩擦广泛应用于需要减小摩擦的场合，最典型的应用是各类滚动轴承。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦小、启动阻力低、效率高和发热少等优点，特别适合高速、轻载和对摩擦损失敏感的场合。此外，轮胎与路面接触、传送带系统和滚筒输送机等也都利用了滚动摩擦的特性。在这些应用中，正确选择材料和结构设计对确保系统高效运行至关重要。例如，汽车轮胎的材料和花纹设计既要保证足够的摩擦以提供牵引力，又要最小化滚动阻力以节省燃料。减小滚动摩擦的措施减小滚动摩擦的基本措施包括：选择硬度高、弹性模量大的材料；提高接触表面的光洁度；增加滚动体的直径；使用合适的润滑剂。在滚动轴承设计中，还需考虑预载荷、间隙和润滑方式等因素。滚动轴承的选择需综合考虑载荷类型(径向、轴向或组合载荷)、转速范围、使用环境和预期寿命等因素。例如，深沟球轴承适合高速轻载；圆锥滚子轴承适合径向轴向组合载荷；推力轴承专门承受轴向载荷。正确的轴承选择和安装是确保机械系统可靠性的关键。润滑润滑是在运动副表面间引入润滑剂，形成隔离膜，减少直接接触和摩擦的过程。根据润滑膜的形成状态，可分为液体润滑（流体动力润滑和流体静压润滑）、边界润滑和干摩擦三种基本类型。润滑剂可以是液体（矿物油、合成油）、半固体（润滑脂）、固体（石墨、二硫化钼）或气体（空气、氮气），选择取决于工作条件和要求。润滑的主要作用包括减少摩擦损失、降低磨损、冷却摩擦表面、防止腐蚀和密封隔离。润滑方法的选择要考虑设备的类型、运行速度、负载大小、温度条件和环境因素。常见的润滑方法有人工加油、油杯润滑、飞溅润滑、油环润滑、压力循环润滑和油雾润滑等。现代机械设计中，润滑系统的可靠性直接影响整机性能和寿命，是不可忽视的重要环节。摩擦的危害与利用摩擦的危害摩擦是机械系统中不可避免的现象，其危害主要表现在三个方面：一是能量损耗，降低机械效率；二是产生磨损，减短零件寿命；三是产生热量，可能导致热变形和材料性能下降。在高速、重载条件下，摩擦热甚至可能引起焊合和烧结现象，造成灾难性故障。摩擦的利用尽管摩擦常被视为有害现象，但在许多场合它是必不可少的。例如，制动系统利用摩擦产生制动力；传动带和离合器利用摩擦传递动力；螺纹连接和摩擦连接利用摩擦保持紧固状态。这些应用中，摩擦力的大小和稳定性直接影响设备的功能和安全性。减少有害摩擦的措施减少不必要摩擦的主要措施包括：选择合适的材料配对；采用有效的润滑方法；优化表面加工工艺，提高表面光洁度；减小接触压力，如增大接触面积；将滑动摩擦转变为滚动摩擦，如用滚动轴承代替滑动轴承；使用表面处理技术，如硬化、镀层和离子注入等。增加有益摩擦的措施增强有用摩擦的方法包括：选择高摩擦系数的材料配对；增加接触压力，通常通过弹簧、液压或气压装置实现；增大接触面积，提供更多的摩擦力；采用特殊的表面处理，如喷砂和压花，增加表面粗糙度；保持接触面的清洁和干燥，避免润滑剂或污染物的干扰。机械振动自由振动系统受到初始扰动后自行振动，无外力作用强迫振动系统在周期性外力作用下的振动，频率取决于外力自激振动系统本身参数或外界条件变化引起的持续振动振动参数频率、幅值、相位是描述振动的基本参数4机械振动是机构或机器部件相对于平衡位置的周期性或非周期性往复运动。从本质上看，振动是能量在势能和动能之间的转换过程。振动会带来诸多危害：降低机械的加工和操作精度；加速零件磨损和疲劳，缩短使用寿命；产生噪声，影响工作环境；在共振条件下甚至可能导致结构破坏。减小振动的主要技术手段包括：使用阻尼装置消耗振动能量；采用隔振技术阻断振动传递路径；通过平衡技术减少振源；优化结构设计改变固有频率，避免共振。现代机械设计中，振动分析已成为必不可少的环节，工程师通过理论计算、计算机模拟和实验测试等方法，确定振动特性并制定相应的控制措施，确保机械系统的平稳运行。自由振动1固有频率单自由度系统的固有频率ω=√(k/m)，其中k为刚度系数，m为质量。这是系统最容易产生共振的频率，也是没有阻尼时系统自由振动的频率。设计中通常需要使固有频率远离可能的激励频率，避免共振。3阻尼类型根据阻尼比ζ的大小，阻尼振动可分为三种类型：欠阻尼(ζ<1)、临界阻尼(ζ=1)和过阻尼(ζ>1)。欠阻尼系统会产生衰减的振荡；临界阻尼系统以最快速度回到平衡位置而无振荡；过阻尼系统回到平衡位置较慢。0.05阻尼比实际机械系统的阻尼比通常较小，约为0.01-0.05，属于欠阻尼系统。这导致振动衰减较慢，需要较长时间才能恢复平衡。通过增加阻尼装置，如阻尼器、减振器等，可以增大阻尼比，加速振动衰减。自由振动是系统在初始扰动（如位移或速度）作用下，没有外力持续激励的情况下的振动。对于单自由度系统，其运动方程为mẍ+cẋ+kx=0，其中m为质量，c为阻尼系数，k为刚度系数。该方程的解表明，系统的振动特性完全由其质量、刚度和阻尼三个参数决定。临界阻尼是一个重要概念，它代表系统从扰动状态返回平衡位置最快而不产生振荡的阻尼值。在精密仪器、测量设备和某些控制系统中，常设计成临界阻尼或接近临界阻尼的状态，以便快速稳定。而在需要吸收能量的减振系统中，则常采用欠阻尼设计，通过振荡过程逐渐消耗能量。强迫振动激励频率与响应强迫振动的频率等于外力激励频率，而不取决于系统固有频率。但振动幅值与频率比(激励频率/固有频率)有关，当这个比值接近1时，系统接近共振状态，振幅显著增大。随着频率比进一步增大，振幅会迅速减小。2共振共振是激励频率接近系统固有频率时出现的现象，此时振动幅值达到最大，阻尼越小，共振峰越尖锐。共振状态下，即使很小的激励力也能引起很大的振动，可能导致机械部件过度变形甚至破坏，同时伴随噪声增大和效率下降。避免共振避免共振的基本方法有两种：一是改变系统固有频率，使其远离可能的激励频率，通常通过调整质量或刚度实现；二是增加系统阻尼，降低共振峰值，减小振动幅度。在实际设计中，常常综合采用这两种方法。隔振装置隔振器是阻断振动传递的装置，通常由弹性元件和阻尼元件组成。隔振效果与频率比关系密切：当激励频率远高于隔振系统固有频率时（频率比>√2），隔振效果良好；当频率比<√2时，隔振器可能放大振动。因此，隔振器设计要确保其固有频率足够低。平衡静平衡静平衡又称重力平衡，指旋转体的质心位于旋转轴线上。当一个物体处于静平衡状态时，它在任何角度位置都不会因重力而转动。检验静平衡的简单方法是将轴水平放置在两个精密水平轨道上，如果轴在任何位置都不会自行转动，则达到静平衡。静平衡可以通过在轴上添加或减少质量来实现，使得所有不平衡力矩相互抵消。不过，静平衡只考虑了重力因素，对于高速旋转体，仅达到静平衡是不够的。动平衡动平衡考虑的是旋转体在高速旋转时的平衡状态，要求不仅质心在轴线上（满足静平衡），还要求惯性主轴与旋转轴重合，即惯性力矩为零。当一个物体未达到动平衡时，即使它处于静平衡状态，高速旋转仍会产生变化的力矩，导致轴承负荷变化和振动。动平衡的实现通常需要在两个或多个平面上添加或减少质量，通过专门的平衡机测试和调整。现代平衡机可以精确测量不平衡量和角度位置，指导平衡块的添加。平衡的应用平衡技术在各类旋转机械中都至关重要。例如，汽车轮胎需要进行动平衡，以避免高速行驶时的振动；电机转子必须精确平衡，以减小轴承载荷和噪声；涡轮机叶轮的平衡直接影响其效率和寿命；飞机发动机的平衡更是关系到飞行安全。随着机械运行速度的不断提高，平衡技术也在持续发展。现代平衡技术不仅包括传统的添加平衡块方法，还包括主动平衡系统，能够实时监测和自动调整平衡状态，适应工作条件的变化。减振措施阻尼技术阻尼是通过消耗振动能量来减小振幅的技术。常用的阻尼装置包括粘性阻尼器、摩擦阻尼器和材料阻尼。粘性阻尼器利用流体的粘性产生与速度成正比的阻力；摩擦阻尼器通过固体间的滑动摩擦消耗能量；材料阻尼则利用特殊材料的内部摩擦转化能量，如橡胶、聚合物和复合材料等。隔振系统隔振是阻断振动传递路径的技术，通常通过在振源和被保护物体之间插入柔性元件实现。常见的隔振装置包括金属弹簧、橡胶隔振垫和气垫隔振器等。隔振效果取决于频率比和阻尼比，当激励频率远高于隔振系统固有频率时，隔振效果最佳。因此，隔振器设计的关键是降低其固有频率。结构优化通过改变结构刚度和质量分布，可以调整系统的固有频率，避开可能的