清华大学《机械原理》课件-第1章

机械原理

教材及参考文献教材申永胜机械原理清华大学出版社2005申永胜机械原理辅导与习题清华大学出版社2006参考文献Norton,RobertL.DesignOfMachinery:AnIntroductionToTheSynthesisAndAnalysisOfMechanismsAndMachines.Boston:McGraw-HillHigherEducation,2004.《机械原理与机械设计》张策主编,北京：机械工业出版社，2004«机械原理»(第5版)孙桓主编高等教育出版社,1996TheoryOfMachinesAndMechanisms/JosephEdwardShigley&JohnJosephUicker.1980«MechanismsandDynamicsofMachinenery»,HamiltonH.Mahie,FredW.Ocvirk,1987绪论0.1机械发展的历史回顾0.2本课程研究的对象0.3本课程的研究内容0.4本课程的地位及学习课程的目的0.5本课程的学习方法0.1机械发展的历史回顾五千年前已开始使用简单的纺织机械；晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮原理；西汉时应用轮系传动原理制成了指南车和记里鼓车；东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我国东汉年代的文物中都可以找到它们的原始形态。

我国古代在机械研制方面有许多杰出的发明创造。0.1机械发展的历史回顾18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次产业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。哈格里沃斯发明的

“珍妮纺纱机”法国陆军技术军官古诺发明了世界上第一辆蒸汽动力车0.1机械发展的历史回顾19世纪到20世纪初的第二次产业革命：内燃机，汽车、飞机。1898年问世的“雷诺”牌汽车“圣路易斯精神”号飞机1927年美国人林德伯格驾驶着它完成了人类首次不着陆飞越大西洋的壮举。20世纪中后期机电一体化技术发展：机器人，火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器国际太空站航天飞机利用机械臂施放哈勃空间望远镜蜘蛛形探雷机器人0.1机械发展的历史回顾21世纪：智能机械、微型机构、仿生机械材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合用光刻技术做成的微米尺寸的微机械机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计基础知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。0.2本课程研究的对象机器具有确定的运动可以实现能量转换,完成有用机械功0.2本课程研究的对象机器的共同特征：组成： 由一系列人为的机件组合而成运动特性： 组成的各部分之间具有确定的运动功、能关系：能够代替人的劳动完成有用功或者实现能量的转换机器组成：原动机部分执行部分传动部分操纵控制部分机构0.2本课程研究的对象组成：由一系列人造的机件组成运动特性：组成的各部分之间具有确定的相对运动具有完全确定的相对运动机构：传递运动和动力的机件组合，如传递回转运动、往复运动，实现复杂的运动规律和复杂的运动轨迹。机械：机器与机构的总称2.机械的动力设计1.机构的运动设计常见机构机构的运动分析与综合机构的结构分析与综合机械的平衡机械速度波动调节机械系统的动力分析3.机械系统的方案设计0.3本课程研究的内容0.4本课程的地位及目的基础课程技术基础课程专业课程机械设计基础A(2)更接近工程实际知识面更宽、适应性更广教学目标：

培养机械系统运动方案设计与分析能力、创新设计能力和工程实践能力。机构分析与设计机械系统的方案设计0.5本课程的学习方法形象思维能力的培养理论联系实际注重实践和实验，增强动手能力考察组成实际机械的机构，做到举一反三实验安排每位同学需要上4次课，即每位同学在选课时也要分别选4次。

实验课二级选课时间：序号实验类型实验名称实验周次实验学时备注1实验一典型机构的运动与应用实例展示第3周1学时2实验二典型机械系统的机构简图测绘第5、6周2学时3实验三（1）渐开线齿轮的加工原理实验研究（I）第8周2学时讲课：范成法加工齿轮及相关知识综述，以及“齿轮范成实验II”题目分配4实验三（2）渐开线齿轮的加工原理实验研究（II）第9、10、11周3学时课程成绩评定序号考察项目成绩比例备注1期末考试（闭卷）或综合训练（免试）60%免试题目题目1：复杂机构计算机模拟，15分

（认定免试资格题）题目2：机构性能实验与评价，15分

题目3：机构组合设计与搭接，15分题目4：机械系统分析及新方案构思，15分2平时作业成绩15%约45道作业题，以及课外小论文3实验成绩15％1.

机构运动简图测绘：5分2.齿轮范成加工原理研究型实验：10分4专题讨论课10％共2次，每次5分课程成绩评定（续）注意事项：全体主讲教师严格执行下述规定：学生作业必须当天上交；补交作业不再批改，以0分计。2.免试：本次免试环节继续实行免试资格认定，人数控制在60人以下。3.重修学生原则上按正常选课学生的课程要求执行，不允许用往届的平时成绩替代；可以直接参加考试，最终成绩以考试卷面分数计，但不鼓励这种情况。第1章机构的组成和结构

第1章机构的组成和结构1.1机构的组成1.2机构运动简图1.3运动链成为机构的条件1.4机构的组成原理和结构分析机构：具有确定运动的实物组合体零件：单独加工的制造单元体1.1机构的组成

构件：独立影响机构功能且能独立运动的单元体

一个构件:1)一个零件

2)多个零件构件？零件？1.1.1构件1.1.2运动副运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接两个相邻构件直接接触两者之间允许一定的相对运动机构中每个构件至少与另外一个构件通过运动副联接运动副元素：

两个构件上参与接触构成运动副的部分（点、线、面）接触形式：点、线、面自由度：构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的独立变量的数目自由构件(空间)：F=6自由构件(平面)：F=3运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。一个运动副引入多少约束？取决于运动副类型。约束：运动副对构件独立运动所加的限制。运动副的分类方法：1按照运动副的相对运动形式分类平面运动副、空间运动副2按照运动副的接触形式分类低副（面面）、高副（点线）4按照运动副接触部分的几何形状分类圆柱副、平面与平面副、球面副、螺旋副、球面与平面副等3按照运动副引入的约束数目分类n级副n=1,2…5按接触部分的几何形状分类：按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：平面运动副低副转动副五级副RP按接触部分的几何形状分类：按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：平面运动副低副移动副五级副?按接触形式分类：按引入的约束数目分类：按相对运动形式分类：按接触部分的几何形状分类：平面运动副高副平面高副四级副1.1.3运动链运动链：两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统开式运动链（开链）运动链的各构件未构成首末封闭系统闭式运动链（闭链）运动链的各构件构成首末封闭的系统1.1.4机构机构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。机构是具有确定运动的运动链。机架原动件从动件低副机构高副机构闭式链机构开式链机构如何简要的表达设计思想？绘制机构运动简图！1.2机构运动简图

用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。国标规定的构件和运动副的表示符号运动简图的绘制方法1.2.1构件与运动副的表达方法机架AB机架和活动构件通过转动副联接(内副)机架和活动构件通过移动副联接两个活动构件联接双副构件(一个构件和两个外副)注：点划线表示与其联接的其他构件偏心轮AB12BA21三副构件(一个构件和三个外副)原动机1.2.2运动简图的绘制1.分析整个机构的工作原理－构件沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目－运动副3.选择适当的视图平面4.选择比例尺，采用标准的符号和线条绘图1.2.2运动简图的绘制小型压力机编号原则：注意区分位置重叠的不同构件和同轴刚性联接的多个零件。前者分别编号，后者采用一个编号，加`以示区别。1.分析整个机构的工作原理机构组成动作原理和运动情况偏心轮1齿轮1`杆件2齿轮6`杆件3槽凸轮6杆件4滑块7压头8原动件执行构件2.沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动关系，确定运动副的类型和数目。转动副移动副平面高副3.选择适当的视图平面

选择原则1清楚表达机构的主体部分；2尽可能反映机构的全面运动；3可以选择其他视图平面作为补充。4.绘图选择机架提取构件的运动尺寸确定比例尺选择机构运动中的一个状态确定各运动副位置，绘图编号：A、B、C…表示运动副1、2、3…表示构件

O1、O2…表示固定转轴标注原动件运动方向用于现有机械或新机械原理方案的分析与设计（构件的具体结构、组成方式等在方案设计阶段并不影响机构的运动特性）表征构件运动尺寸运动副类型表明了构件之间的联接关系和传动方式不严格按比例可绘制机构示意图功用：1.3运动链成为机构的条件

运动链的自由度：确定运动链中各构件相对于其中某一构件的位置所需要的独立参变量的数目。具有公共约束数为q的运动链自由度：n个活动构件，所有活动构件都有公共约束数为q，则去除公共约束后的有（6-q）n个自由度1.3.1运动链的自由度计算Pk

个k（K=q+1,…,5）级副，则去除公共约束后的约束数为在无公共约束的空间，q=0；则其运动链的自由度：

F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P11.3.1运动链的自由度计算具有公共约束数为q运动链的自由度：平面运动链的公共约束q=3，则其自由度：

F=3n-2P5-P4自动驾驶仪操作装置1.3.1运动链的自由度计算（举例q=0）2314构件数目：N=4活动构件数目：n=3运动副：机架1和活塞2：圆柱副（4级副）活塞2和连杆3：转动副（5级副）连杆3和摇杆4：球面副（3级副）摇杆4和机架1：转动副（5级副）P3=1，P4=1，P5=2F=6n-5P5-4P4-3P3-2P2–P1

=

6×3－5×2－4×1－3×1=112345P4=1P5=5n=4F

=3n-2P5–P4=3×4–2×5–1=11.3.1运动链的自由度计算（举例q=3）1.3.2运动链成为机构的条件运动链成为机构的条件：运动链中取一个构件相对固定作为机架，运动链相对于机架的自由度必须大于零；（运动链可动）原动件数目等于运动链自由度数。（而且要有规律运动）满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的计算可采用运动链自由度的计算公式。机构：在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。1.3.2运动链成为机构的条件（举例1）Fa=3×2-2×3=0Fb=3×3-2×5=-1F0运动链不能运动，不成为机构

F

=3×4-2×5=2F>0，但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。

F

=3×3-2×4=12个原动件F>0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。F>0，原动件数目等于自由度数目，运动链是机构。F=

11

个原动件：活塞实现摇杆的往复摆动F=

11

个原动件运动链已成为机构1.3.2运动链成为机构的条件（举例2）1.3.3计算机构自由度时应注意的问题问题1：复合铰链两个以上的构件在同一处以转动副联接所构成的运动副。解决方案k

个构件在同一处构成复合铰链，实际上构成了(k-1)个转动副。

F

=3n-2P5–P4=3×5-2×7=1解决方案计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子的构件固接为一个整体，成为一个构件或在计算结果中去除局部自由度问题2：局部自由度某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。

F

=3×3-2×3-1×1=2

F

=3n-2P5–P4=3×2-2×2-1×1=1

问题3：虚约束

在特定的几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。场合一：两个构件之间形成多个运动副

F

=3×1-2×2=-1解决方案计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为两个构件之间只形成一个运动副

F

=3×1-2×1=1两个构件之间形成多个与导路重合或平行的移动副等宽凸轮机构等径凸轮机构两构件组成的多个平面高副，各接触点之间的距离为常数场合二：两构件上某两点之间的距离在运动中保持不变5EF

F

=3×1-2×2=-1

ABCDAFDE点E、F距离在运动过程中始终不变

杆式联轴器ABAB=BC=BD<DAC=90°除

B、C、D点，各点轨迹为一椭圆D点轨迹是沿Y轴的直线场合三：联接构件和被联接构件上联接点的轨迹重合

F

=3×1-2×2=-1场合四：机构中存在不起作用的对称部分为了传递较大功率，保持机构受力平衡，在机构中增加对称部分虚约束的引入，一般是为了改善机构受力，增大传递功率或者其它特殊需求；计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用；虚约束的成立，要满足一定的几何条件或者结构条件，如果这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动；虚约束问题小结：机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工、装配精度，以确保满足虚约束存在的条件。例：计算大筛机构自由度复合铰链？局部自由度？虚约束？n=7

P4=1P5=9F

=3×7-2×9–1=2构件+运动副

运动链

机构1.4机构的组成原理和结构分析

机架原动件从动件组合F=0最简单的不可再拆的自由度为零的构件组，简称为杆组。

平面低副杆组自由度：

F=3n-2P5=0P5=3n/2n只能取偶数！若干个基本杆组n

=2P5=3Ⅱ级杆组（双杆组）P5=n32n

=4P5=6Ⅲ级杆组三副构件3个双副构件P5=n321.4.1机构的组成原理机构的组成原理：若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动机和机架上构成机构；机构的自由度等于原动件的数目。构件+运动副

运动链

机构机架原动件若干基本杆组机架和原动件Ⅱ级杆组Ⅲ级杆组四杆机构八杆机构新机构设计：增加基本杆组。

原则：在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单越好，杆组级别越低越好，运动副数目越少越好。