機(jī)械原理課件(試講)【一類教資】

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1、機(jī)械原理（試講）主講人：米振華1蒼松課資第一章第一章 緒緒 論論1-1本課程研究的對(duì)象及內(nèi)容本課程研究的對(duì)象及內(nèi)容“機(jī)械原理”(Mechanical Principle)研究的對(duì)象是機(jī)械，研究的內(nèi)容是有關(guān)機(jī)械(mechanism)的基本理論問(wèn)題。機(jī)械機(jī)械是機(jī)器(machine)和機(jī)構(gòu)(mechanism)的總稱。右圖所示為一內(nèi)燃機(jī)示意圖，主要由以下機(jī)構(gòu)組成：活塞(piston)、連桿(connecting rod)、曲軸和機(jī)架(frame)組成連桿機(jī)構(gòu)；大齒輪(gear)、小齒輪和機(jī)架組成齒輪機(jī)構(gòu)；凸輪(cam)、推桿和機(jī)架組成凸輪機(jī)構(gòu)。2蒼松課資 除了機(jī)器外，實(shí)際中存在如圖1-2所示的開窗機(jī)

2、構(gòu)和如圖1-3所示的千斤頂，它們借助于人力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動(dòng)或傳遞力。這些裝置我們稱之為機(jī)構(gòu)。圖1-2 開窗機(jī)構(gòu)圖1-3 千斤頂3蒼松課資 機(jī)器的特征機(jī)器的特征：1.它們是由零件人為裝配組合而成的實(shí)物體；2.各實(shí)物體之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；3.能完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)化機(jī)械能。機(jī)構(gòu)的特征：機(jī)構(gòu)的特征：機(jī)構(gòu)具有機(jī)器特征中的前兩個(gè)特征。機(jī)器與機(jī)械的共有特征決定了機(jī)器與機(jī)構(gòu)可以統(tǒng)稱為機(jī)械。本課程研究的內(nèi)容：本課程研究的內(nèi)容：1.機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的基本知識(shí) 2.機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 3.機(jī)器動(dòng)力學(xué) 4.常用機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 5.機(jī)構(gòu)的選型及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課程研究的內(nèi)容可以概括為兩個(gè)方面，第一是介紹對(duì)已有機(jī)

3、械進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析的方法，第二是探索根據(jù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能方面的要求設(shè)計(jì)新機(jī)械的途徑。4蒼松課資l-2 學(xué)習(xí)本課程的目的學(xué)習(xí)本課程的目的 本課程所學(xué)的內(nèi)容乃是研究現(xiàn)有機(jī)械的運(yùn)動(dòng)及工作性能和設(shè)計(jì)新機(jī)械的知識(shí)基礎(chǔ)。所以它成為機(jī)械類各專業(yè)必修的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，并為專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。l-3 如何進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí)如何進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí) 在學(xué)習(xí)本課程的過(guò)程中，要著重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握機(jī)構(gòu)分析和綜合的基本方法。在本課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，要注意培養(yǎng)自己運(yùn)用所學(xué)的基本理論和方法去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。為此要十分注意各種理論和方法的適用范圍和條件，以求能逐步做到正確而靈活的應(yīng)用。

4、5蒼松課資第二章第二章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2-1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容：(1)研究機(jī)構(gòu)的組成及其具有確定運(yùn)動(dòng)的條件；(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類；(3)研究機(jī)構(gòu)的組成原理。研究目的：研究目的：在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要知道機(jī)構(gòu)是怎樣組合起來(lái)的，而且在什么條件下才能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)；對(duì)機(jī)構(gòu)組成原理的研究還可以為新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)造提供途徑；通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類，可以為舉一反三地研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析提供方便。6蒼松課資2-2 機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成 1.構(gòu)件構(gòu)件 構(gòu)件(link)機(jī)器中每一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元體。2.運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副 由兩

5、個(gè)構(gòu)件組成的可動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副(kinematics pair)。而把兩構(gòu)件上能夠參加接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的表面稱為運(yùn)動(dòng)副元素運(yùn)動(dòng)副元素。例如軸與軸襯的配合(圖2-1)，滑塊與導(dǎo)軌的接觸(圖2-2)。圖圖2-1 回轉(zhuǎn)副回轉(zhuǎn)副 圖圖2-2 移動(dòng)副移動(dòng)副 7蒼松課資 兩齒輪輪齒的嚙合(圖2-3,a)，球面與平面的接觸(圖2-3,b)，圓柱與平面的接觸(圖2-3,c)。圖圖2-3,b圖圖2-3,c圖圖2-3,a 齒輪副齒輪副 8蒼松課資 任意兩個(gè)構(gòu)件1與2，當(dāng)它們尚未構(gòu)起運(yùn)動(dòng)副之前，構(gòu)件1相對(duì)于構(gòu)件2共有6個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的自由度。當(dāng)兩構(gòu)件以某種方式相聯(lián)接而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副，則兩者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)便受到一定的約

6、束，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)自由度減少的數(shù)目就等于該運(yùn)動(dòng)副所引入的約束的數(shù)目。兩構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副后所受到的約束數(shù)最少為1(如圖2-3，b所示的運(yùn)動(dòng)副)，而最多為5(如圖2-1和2-2所示的運(yùn)動(dòng)副)9蒼松課資 運(yùn)動(dòng)副的分類運(yùn)動(dòng)副的分類：(1)按引入約束的數(shù)目分：I級(jí)副、級(jí)副、級(jí)副、級(jí)副、級(jí)副。(2)按兩構(gòu)件的接觸情況進(jìn)行分：點(diǎn)或線接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副統(tǒng)稱為高副；面接觸(surface contact)而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副則稱為低副(lower pair)。(3)按兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同分：轉(zhuǎn)動(dòng)副或回轉(zhuǎn)副(revolute pair)、移動(dòng)副(sliding pair)、螺旋副、球面副、平面運(yùn)動(dòng)(plane moti

7、on)副、空間運(yùn)動(dòng)副。圖圖2-5 螺旋副螺旋副圖圖2-6 球面副球面副10蒼松課資 3.運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈 把兩個(gè)以上的構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的相對(duì)可動(dòng)的系統(tǒng)稱為運(yùn)運(yùn)動(dòng)鏈動(dòng)鏈(kinematics chin)。如果運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件構(gòu)成了首末封閉的系統(tǒng)，則稱其為閉式運(yùn)動(dòng)鏈或簡(jiǎn)稱閉鏈(圖2-7，a和b)；如果運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，則稱其為開式運(yùn)動(dòng)鏈，或簡(jiǎn)稱開鏈(圖2-7，c和d)。11蒼松課資 4.機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 在運(yùn)動(dòng)鏈中，如果將某一構(gòu)件加以固定而成為機(jī)架，則這種運(yùn)動(dòng)鏈便成為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為原動(dòng)件；而其余活動(dòng)構(gòu)件則稱為從動(dòng)件。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)

8、規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。2-3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 用簡(jiǎn)單的線條和規(guī)定的符號(hào)表示組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按一定的比例尺表示運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置的簡(jiǎn)單圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(kinematic sketch of mechanism)。繪制步驟如下：(1)分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，定出其原動(dòng)部分、工作部分，搞清楚傳動(dòng)部分。(2)合理選擇投影面及原動(dòng)件適當(dāng)?shù)耐队八矔r(shí)位置。(3)選擇適當(dāng)?shù)谋壤?scale)。(4)用簡(jiǎn)單的線條和規(guī)定的符號(hào)繪圖。(5)檢驗(yàn)。12蒼松課資61AOF2345BDEC顎式碎石機(jī)ab圖2-813蒼松課資2-4 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)

9、時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，稱為機(jī)構(gòu)的自由度。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件：機(jī)構(gòu)的自由度必須大于或等于l，且機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。如圖2-10，只有在給構(gòu)件4確定運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，此時(shí)系統(tǒng)才成為機(jī)構(gòu)。圖2-9圖2-1014蒼松課資2-5 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式2-6 計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng) 1.復(fù)合鉸鏈：兩個(gè)以上的構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)接，如圖2-11所示。若有m個(gè)構(gòu)件以復(fù)合鉸鏈(joint)相聯(lián)接時(shí)，其構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)應(yīng)等于(m-1)個(gè)。圖2-1115蒼松課資 2.局部自由度 在有些機(jī)構(gòu)中，某些

10、構(gòu)件所產(chǎn)生的局部運(yùn)動(dòng)，并不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。我們把這種局部運(yùn)動(dòng)的自由度稱為局部自由度，如圖所示。在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)從機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式中將局部自由度減去。對(duì)于圖示凸輪機(jī)構(gòu)自由度為 F=33-(23+1)-1=1 凸輪機(jī)構(gòu)三維實(shí)體圖圖2-1216蒼松課資 3.虛約束 在機(jī)構(gòu)中，有些運(yùn)動(dòng)副帶入的約束，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上不起約束作用，我們把這類約束稱為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)應(yīng)將這類虛約束除去。機(jī)構(gòu)中的虛約束常發(fā)生在下列情況：1)在機(jī)構(gòu)中如果兩構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接其聯(lián)接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡重合，則該聯(lián)接將帶入1個(gè)虛約束。如圖214所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。F=3*n2PlPh=3*42*6=0 錯(cuò) F=3*

11、n2PlPh=3*32*4=1 對(duì)圖2-1317蒼松課資 2)如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成移動(dòng)副，且移動(dòng)方向彼此平行(如圖2-14所示)，則只能算一個(gè)移動(dòng)副。如果兩構(gòu)件在多處相配合而構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合(如2-15所示)，則只能算一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。如果兩構(gòu)件在多處相接觸而構(gòu)成平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線彼此重合(如圖2-16所示)，則只能算一個(gè)平面高副。圖2-14圖2-15圖2-1618蒼松課資 3)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，若兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變，則如用雙轉(zhuǎn)動(dòng)副桿將此兩點(diǎn)相聯(lián)，也將帶入1個(gè)虛約束，圖2-17所示。4)在機(jī)構(gòu)中，某些不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束亦為虛約束，如圖2-18所示。F=3*n2PlPh=3*42*6=0 錯(cuò) F=3*n2PlPh=3*52*56=-1 錯(cuò)F=3*n2PlPh=3*32*4=1 對(duì) F=3*n2PlPh=3*32*32=2 對(duì) 圖2-17圖2-1819蒼松課資