机械原理-课件 第1-7章 绪论、现代机械发展简介 -凸轮机构及其设计

机械设计基础I—机械原理机械基础工程系18:42:20第1章

绪论机械原理的研究对象和内容机械原理课程的地位及学习方法机械原理学科的发展趋势18:42:2018:42:20机械本课程研究的对象1.1机械的定义设计：潘存云进气压缩爆炸排气内燃机的工作过程：

活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：齿轮机构各部分协调动作的结果：能量转换化学能机械能运动方式转变直线运动定轴转动18:42:20总称——机械内燃机—机器连杆、凸轮齿轮机构—机构机器的共有特征：①人造的实物组合体（机械零部件）；②各部分有确定的相对运动；③代替或减轻人类劳动，完成有用功

或实现能量的转换。机构的共有特征：①若干构件的组合体；②各构件具有确定的相对运动；机器与机构的关系：

任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。由机器与机构的共有特征可知：机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同），故统称为机械。

运动和力的传递或运动方式转换。18:42:20作用？构件：内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖18:42:20独立的运动单元。可以是单一的零件，也可以是几个零件联接而成。零件：零部件：实现某个动作(或功能)的零件组合18:42:20制造的基本单元标准件—采购非标件—按零件图加工18:42:20机械在社会发展中的重要地位人因为会直立行走，使用火，制造工具，才叫做人。生产力社会发展的决定力量生产力是人们利用自然、改造自然和生产物质资料的能力，即人类创造新财富的能力。18:42:2018:42:20由于机器的发明及运用成为了这个时代的标志，因此历史学家称这个时代为“机器时代”(theAgeofMachines)。工业革命的主要因素：蒸汽机、煤、钢铁18:42:20中国古代机械祖冲之(429年-500年)，字文远，南北朝时期杰出的数学家、天文学家。《大明历》、圆周率、水碓磨、指南车、千里船、定时器首次将圆周率精算到小数第七位，即在3.1415926和3.1415927之间。中国古代机械18:42:20指南车记里鼓18:42:20超大型盾构机OLED真空蒸镀机国富民强离不开制造业！制造业的基础之一：机械钱买不到高科技！18:42:20超大型盾构机OLED真空蒸镀机国富民强离不开制造业！制造业的基础之一：机械18:42:201.2机械原理课程研究的内容机械原理的研究内容：

主要解决设计和分析各种具体机械过程中的共性问题。1）怎样才能把许多构件组合并以一定方式连接起来，使之有确定的相对运动？2）构件间的不同类型的连接对机械的性能有何影响？3）如何根据不同的工艺目的，实现将一种运动形式变换成另一种运动形式？4）使机械运转的外力如何在各个构件间传递的，对机械的运转有何影响？5）如何使机械在工作过程中效率最高？1.2机械原理课程研究的内容3）机械系统方案设计：主要通过实验介绍设计内容、设计过程、设计思想和设计方案。1）机构的运动设计：

主要介绍机构的组成原理及各种机构的类型、特点、功能和运动设计方法。2）机械的动力设计：

主要介绍机械运转过程中所出现的若干动力学问题，以及如何通过合理设计和实验改善机械动力性能（包括机械效率和摩擦问题）的途径。

18:42:201.3机械原理课程的地位

及学习本课程的目标18:42:2018:42:20工程力学与机械设计的关系

工程力学为机械设计提供重要的理论基础。理论力学是研究刚体机械运动一般规律的科学。内容包含静力学、运动学和动力学。

材料力学研究一定材料、形状尺寸的工程构件在外力作用下变形和破坏规律，以及为保证机械或工程结构的正常工作选择适宜的材料、确定合理的结构形状和尺寸，为保证构件既安全又经济的要求，提供基本理论和基本计算方法。解决运动问题—机械设计基础I解决强度问题—机械设计基础IIEngineeringMechanics课程体系安排简介18:42:20工程力学机械原理工程制图机械设计公差互换性工程材料与热成形技术课程体系安排简介计算量[许用量]可靠性技术课程目标：为机械产品的创新设计打好工程思维基础。18:42:20目标1：（知识目标）能够掌握机械的组成和结构分析、常用机构和机构运动学、动力学的基本知识、理论、计算和设计方法，并结合前期所学相关的基本知识，培养学生具有识别和表达现有机械系统的构成及分析其运动和动力学特征的能力；为现有机械的合理使用和改进打好理论基础。目标2：（能力目标）能够在表达和分析简单机械系统的基础上，结合工程实际设计案例，培养学生的问题求解和分析建模能力，为提升解决复杂工程问题的能力奠定基础；为理论结合实际解决工程问题打好实践基础。目标3：（素质目标）能够针对具体工程问题，制定设计方案、处理和分析实验数据，培养学生遵照工程规范的实践创新和团队协作能力，并在设计过程中体现安全、健康和环保意识。18:42:20课程目标与毕业要求的关联：

毕业要求（指标点）1：工程知识

毕业要求（指标点）2：问题分析课程目标1课程目标2

毕业要求（指标点）3：设计/开发解决方案课程目标3机械设计制造及其自动化专业

机械电子工程专业车辆工程专业

材料成型及控制工程专业18:42:20工业设计（产品工程师、总工程师）机械设计（项目经理、机械设计工程师）机械设计（机械设计工程师、工艺工程师）制造、销售、售后服务反馈智能化机器人在硬件上越来越拟人化18:42:20机器人在记忆力上远超人类18:42:2018:42:20虚拟与现实人工智能对人类社会的冲击！

党的二十大报告将基本实现新型工业化作为2035年基本实现社会主义现代化的一项重要目标，并提出推进新型工业化，加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。如果现在你不创造未来，那么未来你将生活在过去！18:42:2018:42:20与同学们共勉！第2章

现代机械发展简介2.2现代机械发展趋势简介2.1现代机械产品简介18:42:202.1现代机械产品简介18:42:202.1.1智能机械产品(1)智能工业机器人智能下料、分拣、送料机器人智能装配机器人智能焊接机器人智能检测机器人18:42:20（2）智能物流机器人智能码垛机器人智能整列、分拣、送货机器人

18:42:20（3）智能机床

a)智能高速五轴数控机床

b)智能加工中心

c)智能滚齿机2.1现代机械产品简介18:42:202.1.2仿生机械产品(1)仿人机械产品(2)仿动物机械产品

18:42:202.1.3微型机械产品(1)微型医用机械(3)微型机构(2)微型机器昆虫1.高速、重载、精密、微型化趋势3.仿生机械趋势2.2现代机械发展趋势2.极端应用环境趋势4.工作原理多样化趋势5.发展新型机构和新型传动装置趋势作业18:42:20学习通上发布第3章平面机构的结构分析重点3.2运动副、运动链3.3平面机构运动简图3.4平面机构的自由度3.5平面机构的组成原理和结构分析3.1概述18:42:203.1研究机构结构的目的1）为现有机构的分析提供工具；2）为设计复杂机构及机构的运动分析、动力分析提供方便；

设计一流水线上阻挡工件前进的机构，要求：图示机构能否实现预期要求？为什么？

机构如何由构件组成？如何使各构件之间有相对运动并使之确定？

对分析现有机构或设计新机构至关重要。因何及如何绘制机构运动简图？18:42:201）汽缸右端进气时，摆杆从实线摆到虚线所示位置；2）汽缸左端进气时，摆杆摆回实线所示位置；1.运动副定义运动副及其分类1）按相对运动范围分：3.运动副类型两构件间直接接触形成的可动连接。2）平面运动副分类平面、

空间低副高副

转动副（铰链）移动副两构件通过面接触两构件通过点线接触3.2基本概念

2.运动副元素:

构件直接接触构成的运动副表面。为点、线、面形式。滚动副

凸轮副

齿轮副球面副球销副圆柱副球与圆柱副螺旋副空间运动副18:42:204.运动链基本概念两个以上构件以运动副联接而成的系统。组成运动链的每个构件至少包含两个运动副元素，则构件形成封闭系统。传统机械一般为闭链；机器人和机械手一般为开链。18:42:20将运动链的某一构件固定，并使其余构件有确定运动。机架原动件从动件固定构件，作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。（其余构件都称为活动构件）按给定运动规律独立运动的构件。其余活动构件，其活动取决于原动件的运动规律及机构的组成情况。运动链机构机构特征：①若干构件的组合体；②各构件具有确定的相对运动；若干1个或几个1个机构的组成＝机架＋原动件＋从动件18:42:203.3平面机构的运动简图问题简单化：机构的简明图形为了分析现有机构、构思新的机械运动方案、机构的运动和动力分析定义：

用简单线条和规定的符号表示构件和运动副，并按一定的比例表示各运动副的相对位置，表明机构的组成和准确表达机构运动特性的简单图形。不严格按比例绘制的机构运动简图，只是定性地表示机构的组成及运动原理，则称为：机构示意图18:42:20机构运动

有关（取）：

原动件的运动规律运动副类型

无关（舍）：

构件外型断面尺寸零件数及运动副的具体构造。如何表达机构运动方案的设计结果？1.一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件18:42:20三副构件两副构件1.一般构件的表示方法18:42:202.常见运动副符号的表示:国标GB4460－84转动副移动副高副18:42:20机构运动简图的绘制思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。18:42:20注意事项:

画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。简图比例尺：μl

=实际尺寸

m（或mm）/图上长度mm从原动件开始，依次标示各构件与运动副，运动副用大写英文字母表示，构件号用阿拉伯数字表示；用箭头表示出原动件的运动方向。18:42:20颚式破碎机典型机构运动简图绘制：18:42:20如何使组合起来的构件产生运动并具有运动确定性？2、机构具有确定性运动的条件1、机构的自由度18:42:203.4平面机构的自由度1、构件的运动及平面机构的自由度

构件的运动指构件每一瞬时位置的变化。一自由构件作平面运动，其位置由三个参变量确定:构件自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动的数目。一个作平面运动的自由构件有3个自由度。（x,y,)机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。机构的自由度：18:42:20构件即理论力学里的刚体理论力学里质点系的自由度：唯一确定质点系在空间位置所需的独立坐标个数。自由构件的自由度数运动副

自由度数约束数回转副1+2=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：构件自由度＝3－约束数＝自由构件的自由度数－约束数移动副

1+2=3高副

2+1=3θ当两构件组成运动副后，对独立运动产生约束，自由度减少，构件间只能产生某些相对运动，而不再完全自由。18:42:20

n

平面机构自由度计算公式：F=3n－2PL-Ph

构件总自由度低副约束数高副约束数3×n

2×低副数PL1

×高副数Ph①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n

－2PL

－PH

=3×3－2×4=1高副数PH=0123S3推广到一般：活动构件数18:42:20ABCD二、计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。18:42:20圆盘锯机构版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云版权所有作者：潘存云教授设计：潘存云二、计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n

－2PL

－PH

高副数PH=0=3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！18:42:20圆盘锯机构两个以上的构件在同一回转中心处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。两个低副1.复合铰链：18:42:20上例：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n

－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1工作要求：F点的轨迹为一直线。12345678ABCDEF计算图示凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n

－2PL

－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1123122.局部自由度滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。定义：构件局部运动所产生的自由度。18:42:20解：n=4，PL=6，

F=3n

－2PL

－PH

=3×4－2×6=0PH=03.虚约束对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。增加的约束不起作用，应去掉构件4。已知：AB＝CD＝EF，且AB∥CD∥EF

;计算图示平行四边形机构的自由度。1234ABCDEF解:重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n

－2PL－PH=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：已知：AB＝CD＝EF，

且AB∥CD∥EF，试计算图示平行四边形机构的自由度。AB、CD、EF三杆平行且相等。1234ABCDEF4F出现虚约束的场合：

1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合。2.两构件构成多个移动副，且导路平行。

3.两构件构成多个转动副，且同轴。4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。EF5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个对称布置构件。②增加机构的刚度，如多支撑布置。③使机构运动顺利，避免运动不确定。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!CDABGFoEE’计算图示大筛机构的自由度位置C，2个低副复合铰链:局部自由度F虚约束E’

n=7PL=9PH=1F=3n

－2PL

－PH=3×7－2×9－1=2机构具有确定运动的条件机构的自由度

F≤0，运动链约束过多，成为桁架，不能成为机构；18:42:20F＝0F＝-1机构的自由度

F>

0，但原动件的数目小于自由度的数目，运动链没有确定的运动，不能成为机构；机构的自由度

F>

0，但原动件的数目大于自由度的数目，运动链将破坏，不能成为机构；18:42:20原动件活塞，自由度为1。将直线运动变位往复摆动。机构具有确定性运动的条件：F＞0且等于原动件的数目F=018:42:203.5机构的组成原理和结构分析平面机构的高副低代（用低副代替高副）代替条件：代替前后机构自由度不变；瞬时度和瞬时加速度不变。代替方法：一个构件加两个低幅。

构件：过接触点法线；

两个低幅：即为接触点圆弧曲率中心。高副接触有三种：圆弧和圆弧接触；点和圆弧接触；线和圆弧接触。18:42:20（1）圆形曲线：图示，两构件在c点构成高副，机构在运动过程中，AO1、BO、O1O长度不变，用一杆O1O加两副O1和O代替了原高副C。18:42:201、圆弧和圆弧接触（2）非圆形曲线由于曲线各处曲率中心的位置不同，故在机构运动中随着接触点的改变，曲率中心相对于构件的位置及两个曲率中心的距离也会随之改变。因此对于一般的高副机构，在不同的位置有不同的瞬时替代机构。

如果是一对齿轮，如何替代？18:42:202、点和圆弧接触18:42:202、直线和圆弧接触18:42:20平面机构的组成原理（低副机构）对机构去机架及原动件F=0的从动件系统拆成更简单的构件组（F=0）拆成不能再拆的F=0的构件组基本杆组任何机构都是由若干基本杆组依次联接于机架和原动件上构成的。设基本杆组中

F=3n-2PL=0(Ph采用高副低代）n=2/3PLPL=3，6，9……

n=2，4，618:42:20最简单组合：Pl=3,n=2两杆三副Ⅱ级组工程中大部分机构由Ⅱ级杆组组成。18:42:20Pl=6,n=4如含有运动副最多的构件为三副杆，则称为Ⅲ级组。18:42:20机构的组成原理：把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成一个新的机构，其自由度数与原动件数目相等。设计机构的准则：在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单，杆组的级别越低，构件的运动副数目越少越好。18:42:201、拆杆组：流程如下图机构的结构分析18:42:20实例118:42:20拆成4个二级杆组18:42:20机构的级别：18:42:2018:42:2018:42:20构件机架原动件从动件运动副高副低副转动副移动副平面机构自由度计算平面机构运动简图1、F＝3n-2Pl-Ph2、注意事项复合铰链局部自由度虚约束具有确定运动的条件F＞0＝原动件数本章小结18:42:20作业18:42:20学习通上发布第4章平面机构的运动分析§4.3用相对运动图解法求做机构的运动分析§4.1研究机构运动分析的目的和方法§4.2速度瞬心法及其在机构速度分析上的应用18:42:20机构运动分析的任务 §4.1机构运动分析的目的及方法机构运动分析的目的

位移、轨迹分析ACBEDHEHD①确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。②确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。③确定构件(活塞)行程，找出上下极限位置。④确定点的轨迹（连杆曲线）。

在已知机构尺寸和原动件运动规律的情况下，确定机构中其它构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和某些构件的角位移、角速度及角加速度。18:42:20

速度分析

加速度分析①为了确定从动件的速度变化规律是否满足预定的工作要求。③为加速度分析作准备。②为了确定机器所需要的功率（Fv）。①为了确定从动件的加速度变化规律是否满足预定的工作要求。②为了计算构件的惯性力、惯性力矩以及研究机械的动力性能。③为力分析作前期工作，构件的惯性力与其加速度成正比，惯性力矩与其角加速度成正比。18:42:20（一）图解法

（二）解析法

（三）实验法速度瞬心法

相对运动图解法(矢量方程图解法）

复数法矩阵法矢量法形象直观，对平面机构较为简单。精度不高，对于分析一系列位置时较复杂建立机构中已知的尺寸参数、运动变量与未知的运动变量之间的数学解析式计算便捷，精度高但是不形象直观，计算量较大。试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决实现预定轨迹问题机构运动分析的方法18:42:20理论力学中的运动学分析方法§4.2用速度瞬心作平面机构的速度分析

速度瞬心(瞬心):

两个互相作平面相对运动的刚体（构件）上绝对速度相等的重合点。

——两构件的瞬时等速重合点一、速度瞬心(InstantaneousCenterofVelocity——ICV)12A2(A1)B2(B1)P21

VA2A1VB2B1相对瞬心－重合点绝对速度不为零绝对瞬心－重合点绝对速度为零瞬心的表示——构件i和j的瞬心用Pij表示。特点：①该点涉及两个构件;

②绝对速度相同，相对速度为零;③相对回转中心。(两刚体均运动)(其中一刚体静止)18:42:20二、机构中瞬心的数目根据排列组合有若机构中有k个构件（包括机架），每两个构件就有一个瞬心,则1）以转动副相联的两构件的瞬心12P12——转动副的中心。2）以移动副相联的两构件的瞬心——移动副导路的垂直方向上的无穷远处。12P12∞1.通过运动副直接相联的两构件的瞬心位置确定式中，k=n+1N

=18:42:20三、机构中瞬心位置的确定※注意：无穷远处的点为位置确定的点，可看作是两条平行线的交点。3）以平面高副相联的两构件的瞬心当两高副元素作纯滚动时——瞬心在接触点上。t12nnt当两高副元素之间既有相对滚动，又有相对滑动时——瞬心在过接触点的公法线n-n

上，具体位置需要根据其它条件确定。V1212P1218:42:202.不直接相联两构件的瞬心位置确定三心定理：作平面运动的3个构件的3个瞬心在一条直线上。32

2

31VK2VK3P12P13

2321P12P13P23VP23

3K(K2,K3)用三心定理确定。18:42:20P12P23P34→∞P141234P13P24技巧：瞬心多边形演示。214318:42:20四、用瞬心法进行机构速度分析例1如图所示为一平面四杆机构，（1）试确定该机构在图示位置时其全部瞬心的位置。（2）原动件2以角速度ω2顺时针方向旋转时，求图示位置时其他从动件的角速度ω3、ω4。解

1、首先确定该机构所有瞬心的数目N=K（K－1）/2=4（4－1）/2=62、求出全部瞬心一般步骤：①通过运动副类型确定直接相连两构件的瞬心。②通过三心定理确定不直接相连两构件的瞬心。18:42:20瞬心P13、P24用三心定理来求P24P133241ω4ω21234P12P34P14P2318:42:20P24P133241ω4ω2P12P34P14P23∵P24为构件2、4的等速重合点构件2：构件3：思考题：如何求3构件的角速度？18:42:20已知构件2的角速度，所以利用瞬心P24绝对速度瞬心2134例2：图示为一曲柄滑块机构，设各构件尺寸为已知，又已原动件1以角速度ω1，现需确定图示位置时从动件3的移动速度V3。P34

∞P34

∞解

1、如前例确定出全部瞬心18:42:20VP13∵P13为构件1、3等速重合点2134P34

∞P34

∞3、求出3的速度18:42:20已知构件1的速度，所以利用瞬心P13123K例3

图示为一凸轮机构，设各构件尺寸为已知，又已原动件2的角速度ω2，现需确定图示位置时从动件3的移动速度V3。解：先求出构件2、3的瞬心P23

P13→∞nn123P12P13→∞P2318:42:20§4.3机构运动分析的矢量方程图解法—简介一、矢量方程图解法的基本原理和作法

基本原理——(1)矢量加减法；(2)理论力学运动合成原理。因每一个矢量具有大小和方向两个参数，根据已知条件的不同，上述方程有以下四种情况：设有矢量方程：D＝A+B+C(1)矢量加减法大小：？

a

a

a方向：？

a

a

aABDC18:42:20大小：a

??

a方向：a

a

a

aCD大小：a

a

a

a方向：aa

??大小：a

?

a

a方向：a

a

?

aABADCBCDAB※特别注意矢量箭头方向！18:42:20●所依据的基本原理:运动合成原理机构运动分析的矢量方程图解法

一构件上任一点（C）的运动

C

，可以看作是随同该构件上另一点（B）的平动(牵连运动)

B和绕该点的转动(相对运动)

CB的合成。

CB

C

B

CB18:42:20绝对运动=牵连运动+相对运动

作法：1）根据运动合成原理——列出矢量方程式。2）根据矢量方程式——

作图求解。大小：

?

a

?

方向：

a

a

a构件间的相对运动问题可分为两类：同一构件上的两点间的运动关系AB1A(A1,A2)218:42:20两构件重合点间的运动关系3A3原理——构件2的运动可以认为是随同构件1的牵连运动和构件2相对于构件1的相对运动的合成。

当牵连点系（动参照系）为转动时，存在科氏加速度。科氏加速度动系转动速度相对速度ω1

1科氏加速度方向——将vC2C1沿牵连角速度w1转过90o。B123B123B123B1231B23B123B123B123无ak

无ak

有ak

有ak

有ak

有ak

有ak

有ak

哥氏加速度存在的条件：判断下列几种情况取B点为重合点时有无ak

2）两构件要有相对移动。1）牵连构件要有转动；18:42:20

如图所示为一偏心轮机构。设已知机构各构件的尺寸，并知原动件2以角速度w2等速度转动。现需求机构在图示位置时，1、滑块5移动的速度vE、加速度aE2、构件3、4、5的角速度w3、w4、w5和角速度a3、a4、a5。典型例题分析解：1.画机构运动简图E(E5,E6)α3ω3α6ω63DB2ω256Cα4ω4xxA18:42:202.速度分析：(1)求vB:E(E5,E6)α3ω3α6ω63DB2ω256Cα4ω4xxA（2）求vC:ce3(e5)be6P(a、d、f)（3）求vE3:用速度影像求解（4）求vE6:大小：方向：？√?⊥EF√∥xx（5）求w3、w4、w5;/3sradBCbclvlvBCCBmmw==18:42:203.加速度分析(1)求aB:E(E5,E6)α3ω3α6ω63DB2ω256Cα4ω4xxA(2)求aC及a3、a4大小：方向：√

？√√？C→D⊥CDB→AC→B⊥CD其方向与(3)求aE

：利用影像法求解18:42:20(4)求aE6和a6E→F⊥EF√⊥xx∥xx大小：方向：√？√√？E(E5,E6)α3ω3α6ω63DB2ω256Cα4ω4xxAn

6k

e6

akE6E5=2

5

vrE6E518:42:20矢量方程图解法小结1.列矢量方程式

第一步：判明机构的级别——适用二级机构第二步：分清基本原理中的两种类型第三步：矢量方程式图解求解条件——只能有两个未知数2.做好速度多边形和加速度多边形

（1）分清绝对矢量和相对矢量的作法，并掌握判别指向的规律（2）比例尺的选取及单位。3.注意速度影像法和加速度影像法的应用原则和方向4.构件的角速度和角加速度的求法5.科氏加速度存在条件、大小、方向的确定。18:42:2018:42:20第5章平面机构的力分析与机械效率§5.1概述§5.2机构惯性力及惯性力系简化§5.3不考虑摩擦的机构动态静力分析§5.4机械效率和自锁18:42:20机构动力学研究外力对机构运动的影响§5.5运动副中的摩擦及考虑摩擦时机构的静力分析18:42:20理论力学基础知识—质点系动力学普遍定理质点系动量定理质点系动量矩定理质点系动能定理建立了质点系的运动与受力之间的关系牛顿三大定律惯性定律任何质点如不受力作用，则将保持原来静止或等速直线运动状态。运动定律物体运动量的改变与所施加的力成正比，并发生在力的作用线方向上。运动量—质点的动量p＝

mv；运动量的改变—dp

/dt当质量为恒定时，质点的动量定理：作用反作用定律静力学公理四质点基本运动方程

当质点受多个力作用时，牛顿第二定律（动量定理）的右端应为多个力的合力，即矢量形式的质点运动微分方程（r为质点的瞬时位置矢径）。与其作用点的速度方向相同或者成锐角；1.机构中力的分类5）惯性力驱动机械运动的力。其特征：其功为正功，阻止机械运动的力。其特征：与其作用点的速度方向相反或成钝角；其功为负功，称为阻抗功。（1）有效阻力（2）有害阻力其功称为有效功或输出功；称为驱动功或输入功。（工作阻力）（非生产阻力）其功称为损失功。正压力（法向力）；加在变速、变向运动构件上的虚拟力。摩擦力（切向力）§5.1概述18:42:201）驱动力2）阻抗力3）运动副反力4）重力质心下降为驱动力，质心上升为阻力。2．机构力分析的目的及方法（1）目的确定运动副中的反力确定机构需加的平衡力和平衡力矩内力外力驱动力、有效阻力、重力惯性力、运动副反力18:42:20机械能量守恒定律（动能定理）：在某一时间段内，所有驱动力（输入功）、工作阻力（输出功）、有害阻力（损失功）、运动构件自重所作的功的变化，等于该时间段结束与开始时，机器所具有的动能变化量。建立了质点系的受力与运动之间的关系（2）方法静力分析动态静力分析用途：已知输出，选择输入，或，根据输入，确定最大工作载荷，并判断运动是否满足设计要求。低速机械，忽略惯性力高速机械，根据达朗贝尔原理理论力学中的方法应用到构件上传力特性校核在完成机构运动方案设计，获得了机构运动简图，在进行详细设计（构件

零件）之前，进行的初步设计。图解法和解析法（1）目的确定运动副中的反力确定机构需加的平衡力和平衡力矩构件质心惯性力系的确定由理论力学知，质量对称的刚体（构件）作平面运动时，惯性力系向质心简化为：一个作用在质心S上的惯性力系的主失Fi（惯性力）；一个对质心的主矩Mi（惯性力矩）。18:42:20构件的运动形式FiMi实例平面复杂运动－maS－JSa平面连杆机构中的连杆平面移动变速－maS0曲柄滑块机构中的滑块和直动从动件凸轮机构中的从动件等速00凸轮从动件在某一特定时间范围内可能实现绕质心转动变速0－JSa飞轮及非匀速回转的带轮和转子等等速00齿轮和匀速回转的已平衡的转子等绕非质心转动变速－maS－JSa未平衡的曲柄、摇杆、导杆等等速－maS0匀速回转的曲柄、偏心盘、凸轮等不同运动形式下构件的惯性力和惯性力矩计算§5.2机构惯性力及惯性力系简化惯性力系的进一步简化

为了便于进行力分析，通过惯性力偏移的方法替代掉惯性力矩，便于用图解法进行力分析。用一等于Fi且距离质心h的总惯性力F́i来代替，偏离方向由Mi的方向决定。18:42:20作平面复杂运动的构件作绕非质心变速转动的构件对于高速及重型机械的设计和分析，需要考虑惯性力影响。将惯性力视为一般外力加于产生该惯性力的构件上，此时可将该机械看做处于静力平衡状态，仍可用静力学方法对其进行受力分析，此方法称为机构的动态静力分析。一、动态静力法的应用18:42:20§5.3不考虑摩擦的机构动态静力分析1.机构运动分析，确定各构件的角加速度和质心加速度；机械设计中机构构件惯性力系的计算步骤：2.根据初估的尺寸和材料，初步定出各构件的质心位置、质量和转动惯量；3.求出各构件的惯性力和惯性力偶矩。二、构件组的静定条件：

构件组所能列出的独立的力平衡方程式数量＝构件组中所有力的未知要素数量。

若构件组中有n个活动构件、PL个低副和PH个高副，则各运动副中反力应有2PL+PH个未知要素。而每个做平面运动的构件可列出3个独立的力平衡方程，即有3n个独立方程，静定条件为3n=2PL+PH每个基本杆组都是静定的18:42:20运动副类型受力图力分析要素大小方向作用点低副转动副？？已知：通过轴心移动副？已知：垂直导路？高副？已知：沿接触点法线n—n已知：两构件接触轮廓上的接触点不考虑摩擦时运动副中力的未知要素进行机构动态静力分析的一般步骤为：动态静力法图解法例题：六杆机构1）先对机构进行运动分析，确定在已知的机构位置时各构件的惯性力和惯性力偶矩，2）将惯性力及其它已知外力和力矩分别加在相应的构件上。3）从已知的驱动力或生产阻力所作用的构件开始，对外力全部已知的一个构件或基本杆组计算其运动副反力。4）最后计算平衡力及其所作用的构件的运动副反力。18:42:20通常把驱动力所做的功称为驱动功（输入功），克服生产阻力所做的功称为输出功，而克服有害阻力所做之功称为损耗功。机械稳定运转时，输入功等于输出功与损耗功之和§5.4机械效率和自锁输出功和输入功的比值反映了输入功在机械中有效利用的程度，称为机械效率，通常以η表示。

1、机械效率的概念所以η也可以表示为：损耗功和输入功的比值称为机械损失系数。

由于损失系数不可能为零，所以机械的效率总是小于1。为提高机械效率，应尽量减少机械中的损耗，主要是减少摩擦损耗。（1）效率以功或功率的形式表达用功率可表示为：式中Pd、Pr、Pf分别为输入功率、输出功率和损耗功率2、机械效率的表达式用功的形式表达，即机械效率的定义，（2）效率以力或力矩的形式表达（2）效率以力或力矩的形式表达F为驱动力，Q为生产阻力，vF和vQ分别为F和Q沿该力作用线的速度为了进一步将上式简化，假设机械中不存在摩擦，该机械称为理想机械。此式表明，机械效率等于不计摩擦时理想驱动力与实际驱动力的比。为了克服同样阻力Q所需的驱动力称为理想驱动力F0，显然F0

<F理想机械效率为η0若用力矩之比的形式表达机械效率为：

式中MF0、MF分别表示为了克服同样生产阻力所需的理想驱动力矩和实际驱动力矩。机械效率也有下式成立：

MQ

,MQ0所能克服的实际生产阻力矩和理想生产阻力矩。3．机械效率的计算机械效率的确定，除了用计算方法外，更常用实验法来测定。对于已有机械可用实验方法直接测得；对于正在设计和制造的机械，先把组成机械的常用机构的效率预先估算，通过计算得出整个机械效率。如表所示

对于由许多机械或机器组成的机械系统的机械效率计算，可根据组成系统的机械效率计算求得。机械的连接方式一般有串联、并联、混联。（1）串联由k台机械串连组成的机械系统，设系统的输入功率为Pd

,各机械的效率分别为η1,η2,┄,ηk；Pk为系统的输出功率。则系统的总效率为：结论：串联系统的总效率等于各机器的效率的连乘积。串联的级数越多，机械系统的效率越低，η<ηmin

。

3．机械系统的效率计算（2）并联设系统的输入功率为Pd

,各机械的效率分别为η1,η2,┄,ηk；Pk为系统的输出功率。则系统的总功率：总输出功率Pr为：

并联系统的总效率不仅与各组成机器的效率有关,而且与各机器所传递的功率也有关。设ηmax和ηmin为各个机器中效率的最大值和最小值，则ηmin<η<ηmax。系统的总效率主要取决于传递功率最小的机器。1）若各台机器的输入功率均相等,即

则

2）若各台机器的效率均相等，即

则：

（3）混联由串联和并联组成的混联式机械系统。其总效率的求法按其具体组合方式而定。图示系统中，设串联部分效率为ή，并联部分效率为η

́

́，则总效率为：

η=

ή

ή́

η

＜0：机构自锁，此时全部驱动力所做的功都不足以克服有害阻力的功，所以机器不论其原来情况如何，最终必处于静止状态，即机器必发生自锁。η=0：1）当机器原来就在转动，它仍能转动，但此时Wr=0机器不做任何有用功，机器空转；2）当机器原来就不动，不管驱动力多大，它能完成的功总是刚够克服相应的有害阻力所需的功，没有多余的功可以转化为机器的动能，所以此时机器总不能动。从力的观点确定机构的自锁条件：与摩擦角相关；4．机械的自锁从效率的观点确定机械自锁的条件：正行程的效率η一般和反行程的效率η’不等，在计算实际机器的正、反行程效率时，可能遇到下列两种情况（1）η＞0及η’＞

0；(2)η＞0及η’

＜0；第一种情形表示正反行程机器都能运动；第二种情形表示正行程机器能运动，反行程机器自锁，这时不论驱动力有多大，机器都不能运动。自锁机构：凡使机器反行程自锁的机构。这种自锁的原理常用于各种夹具、楔连接、起重装置和压榨机上。正行程：驱动力作用在原动件上，运动从原动件向从动件传递；反行程：正行程的生产阻力作为驱动力作用到原来的从动件上，使运动自正行程的从动件向原动件传递。5．自锁机构提高机械效率的途径机械运转中影响其效率的主要因素为机械中的损耗，而损耗主要是有摩擦引起的。因此提高效率的途径减少摩擦，一般从设计、维护和使用三个方面来考虑。设计方面主要采取措施：1）尽量简化机械系统；2）选择合适运动副形式；3）在满足强度、刚度的条件下，减小构件尺寸；4）设法减少摩擦；5）减小因惯性力引起的动载荷。如图所示为一输送辊道的传送简图。已知：圆柱齿轮传动效率h柱＝0.97，圆锥齿轮传动效率h锥＝0.95（均已包括轴承效率），试求总效率h。混联系统圆柱齿轮1－2和3－4串联，可得圆锥齿轮5－6、7－8、9－10和11－12并联，可得则总效率为一、移动副中的摩擦力平面移动副中的摩擦力F:作用A上所有外力合力，与接触面法线夹角β§5.5运动副中的摩擦及考虑摩擦时机构的静力分析1）当时，自锁

2）当

时，

临界状态3）当时，加速运动18:42:20摩擦角对构件运动的影响2、斜面摩擦当滑块在水平力作用下等速上升时18:42:20当滑块在水平力作用下等速下滑时

（3）楔面摩擦18:42:20引入当量摩擦系数的意义在于：当量摩擦系数引入后,在分析运动副中的滑动摩擦系数时,不管运动副两元素的几何形状如何,均可视为单一平面接触来计算其摩擦力。18:42:20与当量摩擦系数对应的摩擦角称为当量摩擦角（4）螺旋副中的摩擦（自学）1）矩形螺纹的摩擦——斜面摩擦2）三角螺纹的摩擦角——引入当量摩擦系数后利用矩形螺纹力分析的公式例题：摩擦斜面机构二、转动副中摩擦力的确定常见的转动副可以看成由轴和轴承构成。轴颈：轴安装在轴承中的部分；径向轴颈载荷作用在半径方向载荷作用在轴线方向止推轴颈18:42:20根据力偶等效定律，可将驱动力偶矩M与载荷Q合并成一合力Q'，其大小仍为Q

，作用线偏移距离为h

=M/Q，如图所示。则有1）当h<ρ2）当h=ρ3）当h>ρ自锁保持原有运动状态加速转动18:42:201.径向轴颈转动副中的摩擦力f0：当量摩擦系数

重点是确定摩擦圆

轴端接触面

当轴端1在止推轴承2上旋转时，接触面间也将产生摩擦力。

则其正压力dFN=pds

，取环形微面积ds=2πρdρ，设ds

上的压强p为常数，摩擦力dFf=fdFN=fρds，故其摩擦力矩dMf为dMf=ρdFf=ρfpds轴用以承受轴向力的部分称为轴端。

其摩擦力矩的大小确定如下：2r2RGMω12MfdρρrRω2.止推轴颈转动副中的摩擦力*

极易压溃，故轴端常作成空心的。

而较符合实际的假设是轴端与轴承接触面间处处等磨损，即近似符合pρ＝常数的规律。

对于新制成的轴端和轴承，或很少相对运动的轴端和轴承，1）新轴端各接触面压强处处相等,即p=G/[π(R2-r2)]=常数，2）跑合轴端=fG(R+r)/2根据

pρ=常数的关系知，在轴端中心部分的压强非常大，Mf=fG(R3-r3)/(R2-r2),则32轴端经过一定时间的工作后，称为跑合轴端。此时轴端和轴承接触面各处的压强已不能再假定为处处相等。Mf=2πf∫r

(pρ)ρdρR则总摩擦力矩Mf为

Mf=∫rρfpds=2πf∫r

pρ2dρRR18:42:20

故有滚动摩擦力和滑动摩擦力；3．平面高副中摩擦力的确定

平面高副两元素之间的相对运动通常是滚动兼滑动，

因滚动摩擦力一般较小，其总反力方向的确定为：1）总反力FR21的方向与法向反力偏斜一摩擦角；2）偏斜方向应与构件1相对构件2的相对速度v12的方向相反。

机构力分析时通常只考虑滑动摩擦力。平面高副中摩擦力的确定，通常是将摩擦力和法向反力合成一总反力来研究。ttnnV12ω12MfFf21FN21FR21φ18:42:20例题：曲柄滑块例题：铰链四杆机构例题：凸轮机构导轨长度确定例题：偏心自锁18:42:20作业在学习通上发放第6章平面连杆机构及其设计§6.1概述§6.2平面四杆机构的基本类型及应用§6.3平面四杆机构的基本特性§6.4平面四杆机构的设计1.平面连杆机构的定义§6.1概述由若干刚性构件用低副联接而成的平面机构。平面低副机构2.平面连杆机构的特点（2）构件运动形式多样；（3）实现多种多样的运动轨迹；连杆构件可以实现往复摆动、连续转动与往复移动之间的相互转换，构件具有多种运动形式。（1）采用低副：面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。缺点：①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。②产生动载荷（惯性力），不适合高速。③设计复杂，难以实现精确的轨迹。18:42:2018:42:20一、平面四杆机构的基本型式:基本型式——铰链四杆机构，构件间联接都是转动副

。名词解释：三种基本型式：1、曲柄摇杆机构特征：曲柄＋摇杆作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。连杆——作平面复杂运动的构件；连架杆——与机架相联的构件；摇杆——作定轴摆动的连架杆；曲柄连杆摇杆曲柄——整周定轴回转的连架杆；连架杆连架杆机架§6.2平面四杆机构的基本类型及应用整转副摆动副18:42:20设计：潘存云ABC1243DABDC1243雷达天线俯仰机构设计：潘存云缝纫机踏板机构2143摇杆主动3124曲柄主动18:42:20设计：潘存云设计：潘存云ADCB1234旋转式叶片泵ADCB123ABDC1234E6惯性筛机构31（2）双曲柄机构特征：两个曲柄；作用：将等速回转转变为等速或变速回转。18:42:20设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云反平行四边形机构——车门开闭机构反向F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。采用两组机构错开排列。演示18:42:20设计：潘存云设计：潘存云ABDCE（3）双摇杆机构特征：两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构、特例：等腰梯形机构——汽车转向机构风扇摇头机构B’C’ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDCEABDCE电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆ABDC此机构为哪类机构？18:42:20双摇杆机构曲柄摇杆机构设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云(1)

改变构件的形状和运动尺寸二、四杆机构的演化形式偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构双滑块机构

正弦机构s=lsinφ→∞φl18:42:20↓∞ee=018:42:20双滑块机构椭圆规滑块联轴器18:42:20设计：潘存云(2)改变运动副的尺寸(3)选不同的构件为机架偏心轮机构314A2BC曲柄滑块机构314A2BC导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构(机架长度<曲柄长度)(机架长度>曲柄长度)18:42:20设计：潘存云设计：潘存云牛头刨床(摆动导杆)导杆机构应用实例:ABDC1243C2C1小型插床(转动导杆)ABDCE12345618:42:20ACB1234设计：潘存云应用实例B234C1A自卸卡车举升机构应用实例B34C1A2应用实例4A1B23C应用实例13C4AB2A1C234Bφ314A2BC曲柄滑块机构摇块机构314A2BC应用实例18:42:20314A2BC曲柄滑块机构314A2BC定块机构设计：潘存云手摇唧筒BC3214AABC3214应用实例18:42:20平面四杆机构具有整转副

可能存在曲柄。铰链四杆机构三种基本形式的区别在于机构中是否存在曲柄和有几个曲柄？（一）铰链四杆机构存在曲柄的条件:1.整转副存在条件：

最长杆与最短杆长度和≤其于两杆长度和。§6.3平面连杆机构的基本特性△B”C”D中，a+d≤b+c（1）△B’C’D中，b≤d–a+c，

即a+b≤d+c（2）c≤d–a+b，

即a+c≤d+b（3）以上三式中每两式相加，化简后得：a≤b；a≤c；a≤d；思考题：曲柄滑块机构整转副存在条件？b–a>e(2)a+b>e(1)可得整转副存在条件，

a+e<b18:42:20在AB和BC的两次共线时，根据斜边大于直角边，分别有：（1）当满足构件长度和条件时，说明存在整转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构:2.铰链四杆机构类型的判定（2）当不满足构件长度和条件时，无论哪个杆作机架，均为双摇杆机构。曲柄摇杆曲柄摇杆双曲柄双摇杆机构（1）最长杆与最短杆的长度之和应≤其他两杆长度之和。（2）连架杆与机架中必有一杆为最短杆。

3.曲柄存在条件：18:42:20曲柄是连架杆整转副摆动副Y

NYY最短杆和最长杆之和≤其它两杆之和最短杆邻边是机架最短杆是机架双摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构NN四杆机构类型判别：18:42:201.平面四杆机构的极位:在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。（二）平面四杆机构的运动特性B1C1ADAD