华北理工机械原理教案

课程名称：《机械原理》第1讲次授课题目第一章绪论1-1本课程研究的对象及内容1-2本课程的性质、学习目的、任务及要求1-3机械原理学科的发展趋势第二章机构的结构分析2-1机构的结构分析的内容和目的2-2机构的组成本课授课学时为52学时，另外作2个或3个实验，最后有一周的课程设计。参考书目很多本讲目的要求及重点难点：目的要求]通过本讲课的学习，要弄清楚“学什么”、“为什么学”、“如何学”等问题，掌握组成机构的构件和运动副等概念[重点]机构、机器、机械、构件、零件等概念，运动副的定义、分类和约束特点[难点]构件、运动副内容[本讲课程的内容]第一章绪论1-1本课程研究的对象及内容一、机械原理的研究对象顾名思义，本课程的研究对象就是“机械”，主要内容是关于机械的一些基本理论和设计方法。那么，什么是“机械”呢？一）机构、机器和机械机械：是机构和机器的总称。机器：根据某种使用要求而设计的一种用于执行机械运动的装置。主要用于变换或传递能量、物料、信息等。讲几个实例，来研究机器、机构的组成和工作原理。【例1-1】单缸四冲程内燃机，图1-1组成：活塞连杆曲轴气缸体凸轮进气阀排气阀小齿轮大齿轮这里，曲柄滑块机构将活塞的移动曲柄的转动，齿轮机构改变转速和转向，凸轮机构将凸轮的转动推杆的往复移动。内燃机是由若干个机构组成的。图1-1【例1-2】工件自动装卸装置，图1-2图1-2由带传动机构、蜗轮蜗杆机构、凸轮机构、连杆机构等。当电动机转动通过上述机构使滑杆左移时，滑杆夹持器的动爪和定爪将工件夹住；而当滑杆带着工件向右移动到夹持器的动爪碰到上面的挡块时，将工件松开，工件落到工件载送器中，以被送到下道工序。从上面的例子可以知道，一部机器可能由一个或多个机构组成。如空气压缩机只含有一个曲柄滑块机构，而大多数机器都含有多个机构。机构是由一系列的运动单元体（称为构件）组成的具有确定相对运动的系统，它起着运动的传递和运动形式转换的作用。常见的机构有齿轮机构，凸轮机构，平面连杆机构等。机器按动作的先后及所起作用分为：(1)原动机：是机器动力的来源，常用：电动机，内燃机，液压缸等，也可采用人力、畜力、风力等；(2)执行部分处于传动路线的终端，完成机器预期的动作。(3)传动部分位于原动部分和执行部分之间，把原动机的运动和动力传递给执行部分。传动部分主要有功能：减速或增速、变速、改变运动形式、传递动力。(4)控制部分常控制、监测、调节原动部分或执行部分，使机器能够实时实现或终止各种预定的功能。（二）构件与零件前面提到的活塞、连杆、曲轴、凸轮、带轮、滑杆等都是构件，构件是机构中的运动单元体，即在运动过程中始终作为一个整体一起运动。而我们熟知的零件是制造的单元体，小至螺钉、螺母，大至机床床身、齿轮等。一个构件可能是一个零件，也可能是几个零件的刚性联接。讲连杆的结构，说明构件和零件图1-5曲轴与连杆的结构a)曲轴b)连杆1—连杆体2—连杆盖3、4、5—轴瓦6—螺栓7—螺母8—开口销连杆是由多个零件组成的构件。曲轴既是加工单元，又是运动单元，因此，曲轴是一个零件，也是一个构件.机构中的构件按动作的先后及所起作用分为：原动件（输入件、主动件），常在其上标有反映其运动形式的箭头机架：相对不动的构件，任何机构都含有一个机架从动件：随从原动件而运动的构件。机器和机构的关系构件和零件的关系二、研究内容机械原理课程的研究内容主要包括：1．机构的分析(1)机构的结构分析：研究机构的组成，机构运动简图的绘制，机构运动的可能性及确定性等。(2)机构的运动分析：在给定机构类型、尺寸和原动件运动的条件下，研究构件上某些点的轨迹、位移、速度和加速度，构件的位移、速度和加速度等运动特性，介绍机构运动分析的常用方法和基本原理。(3)机构的力分析：分析机器在运转过程中其各构件的受力情况，研究各种运动副中的摩擦，机器的机械效率及自锁等问题。2．常用机构的分析与设计研究齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、轮系、间歇运动机构等常用基本机构的类型、功能及运动特点，以及各种常用机构的设计理论和计算方法。3．机械动力学问题研究在已知外力作用下机械的真实运动规律；机械运转过程中速度波动的调节问题以及机械运转过程中所产生的惯性力、惯性力矩的平衡问题。4．机械系统的方案设计讨论机构的选型、组合、变异及机械系统的方案设计等问题，培养初步确定机械系统运动方案设计的能力。内容1-2机械原理课程的地位和作用课程的性质和重要性：机械原理是机械类各专业必修的一门主干技术基础课，与现场联系较紧密，是考研的主要考试科目之一。主要的先修课：工程制图、金属工艺学、理论力学和材料力学、互换性与技术测量、工程数学和算法语言。后续课程：机械设计、机械制造工艺学、机床、夹具、机械创新设计等。学习任务：1．具有初步拟定简单机械系统传动方案的能力2．掌握机构的结构、运动特性和机械动力学的基本知识，具有分析和设计简单机构的能力。1-3机械原理课程的学习方法1.多观察，多思考，注重理论联系实际2.归纳共性，突破个性3.在学习知识的同时，注重能力的培养要求：独立、按时、认真完成作业，及时复习，多动脑，多思考1-4机械原理学科的发展现状简介发展动态：1.新型机构自动化水平的不断提高，需要不断创造一些新型机构，从而使机构学得到迅速的发展。如：多杆多自由度的平面机构，各种组合机构，包括含有挠性构件的组合机构和空间机构，以及机、电、液一体化的机构等。2.机械手、机器人等仿生机械如：在高温、高压、有毒、有放射性物质的严峻场合下代替人工作的机器人；喷漆机器人、高压接线机器人、超高压架空线路清障检测机器人、自动换档机器人、管道清淤机器人、深海作业机器人等。3.微型机械如：无创伤的腹内手术等（切除胆结石）；沿人体血管壁爬行的机器人，可清楚血管壁上的杂质内容4.概念设计、计算机辅助设计计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、机构的最优化设计等。提出了多种便于对机械进行分析和综合的数学工具，编制了许多通用或专用的计算程序，Matlab、Adams、Ansys、Pro/E等软件的出现为机械原理的计算机设计与分析提供了很大的方便。5.柔性机械系统、弹性机械系统为适应机械向高速、重载、高精度、高效率、低噪音、机电液一体化和多品种、变化快等方向发展，出现了柔性机械系统、弹性机构、新型齿轮传动机构（抛物线齿廓，圆形齿廓）等新的研究领域。同时，各种加工机械更加趋于综合化和自动化。第二章机构的组成原理和结构分析平面机构：是指各构件均在同一平面内或相互平行的平面内运动的机构。本章研究的主要内容：1、研究机构运动的可能性和确定性——机构的自由度2、机构运动简图的画法3、研究机构的组成原理及结构分类2-1机构的组成要素机构是由若干构件用运动副联接而成的具有相对运动的系统。构件和运动副是组成机构的两个基本要素。一、构件构件是运动的单元体，是组成机构的一个基本要素。组成机构的构件按所起的作用可分为：机架、原动件和从动件。任何机构中，必有一个机架，有一个或几个原动件，若干个从动件。二、运动副1．定义两构件直接接触形成的可动联接。2、分类及表示方法图2-1中，轴和轴承，圆柱面接触，相对运动为绕轴线的转动按二者的相对运动，运动副分为：1）转动副——两构件之间的相对运动为转动的运动副。也称铰链或回转副。图2-2中，滑块和导路，平面接触，相对运动为沿着导路的移动2）移动副——相对运动为移动的运动副。图2-3a)中，齿轮轮齿和轮齿，线接触b)中，球与平面，点接触c)中，圆柱与平面，线接触运动副的分类、定义及约束内容3）螺旋副——螺栓与螺母间的联接4）球面副——球形铰链按二者的接触情况，运动副分为：低副——两构件通过面接触构成的运动副高副——两构件通过线接触或点接触构成的运动副按二者的相对运动平面，运动副分为：平面运动副——两构件间的相对运动为平面运动的运动副，如：图2-1，2-2空间运动副——两构件的相对运动为空间运动的运动副。如：图2-4螺旋副，图2-5球面副。3．平面运动副的约束特点构件的自由度：构件具有的独立运动的数目。一个作平面运动的自由构件有三个自由度。当一个构件与其他构件相连时，其相对运动将受到限制，这种限制称为约束。约束的个数等于自由度减少的数目。图2-3所示，组成转动副的两构件，只剩下一个相对转动，所以，一个转动副引入两个约束。组成移动副的两构件，只剩下一个沿着导路的相对移动，故一个移动副引入两个约束。组成高副的两构件，沿公法线方向的移动被限制，剩下沿切向的移动和绕接触点的相对转动，则一个高副引入一个约束。图2-3结论：一个平面低副具有1个自由度，即引入2个约束；一个平面高副具有2个自由度，即引入1个约束。三、运动链构件通过运动副连接而成的相对可动的系统称为运动链。有闭链和开链，如图2-4所示。图2-4一般机构中常用闭链，开链多用于一些多自由度机构，如挖掘机，机械手中。四、运动链与机构的关系如果将运动链中的一个构件固定为机架，当给定一个或几个原动件时，机构中的其余构件有相对运动，则运动链成为机构。[本讲小结]今天我们主要讲了（1）《机械原理》的研究对象及内容；（2）机器、机构、机械、构件、零件等概念；（3）发展前沿和动态（4）运动副的定义、分类，运动副元素，运动副的约束；[本讲作业]复习运动副等概念课程名称：《机械原理》第2讲次授课题目第二章机构的结构分析2-2平面机构运动简图2-3平面机构的自由度本讲目的要求及重点难点：目的要求]通过本讲课的学习和实践教学，学会机构运动简图的绘制方法，熟练掌握平面机构的自由度计算，掌握机构有确定运动的条件[重点]机构运动简图的绘制，机构的自由度计算[难点]机构运动简图的绘制虚约束的判定内容[本讲课程的引入]在设计新机器时，经常用机构运动简图来表达传动方案的设计原理，在现场，经常搞复杂机器的测绘，这些都需要会绘制机构运动简图。它是工程工具，必须学会。任意设计的构件组合不一定能动，能动时也不一定具有确定的相对运动，为了研究机构运动的可能性和确定性，必须计算机构的自由度。[本讲课程的内容]2-2平面机构运动简图一、机构运动简图的定义用简单的线条表示构件，用规定的符号表示运动副，按比例定出各运动副的相对位置，这种表明机构中各构件间相对运动关系的简单图形，就是机构运动简图。一般为平面图形。二、简图的作用对现有机械，方便测绘，可清晰地表达出它的传动原理。设计机械时，可方便地进行方案设计。它相当于机械工程上的一种工具或语言。三、简图的画法机构＝构件＋运动副，因此要绘制机构运动简图，先要掌握构件和运动副的画法。简图表示法内容1、运动副的画法1）转动副：当回转轴线垂直纸面时，在回转中心处画一个小圆圈即可。回转轴线不平行纸面时，见左属第4个图。2）移动副：注意移动方向3）高副：画出高副接触点处的曲线轮廓，注意曲率中心与构件的实际曲率中心要一致。2、构件的画法原则：忽略构件的外形和截面尺寸，突出特征尺寸。1）含两个运动副的构件2）含三副构件3）特殊构件：如：齿轮要用点划线或细实线画出相互啮合齿轮的一对节圆；凸轮、滚子要画出全部轮廓3、简图的画法（1）分清机构中的原动件，从动件，机架，点清构件个数；（2）分清运动副的种类和数目，确定运动副的位置。（3）选择恰当的比例尺，选择合理的投影平面（多数构件所在的平面）（4）用规定的线条和符号表示构件和运动副，画图。例：绘制图1-3鄂式破碎机的机构运动简图如左图所示。机构运动简图一定要画到最简，构件尽量用直线表示，运动副用规定的符号表示。内容2-3平面机构的自由度一、平面机构的自由度机构具有的独立运动的数目，就是机构的自由度。设机构由N个构件组成（活动件数目n=N-1），其中含有LP个低副，HP个高副，则机构的自由度LH32FnPP二、机构具有确定运动的条件通过计算，三角架、铰链四杆机构、铰链五杆机构的自由度分别为0，1，2，我们知道，若0F，构件的组合不能运动；只有当0F时，构件的组合才可以运动。若自由度数大于原动件的个数，运动不确定；若自由度数小于原动件的个数，必将导致薄弱环节的破坏。所以，机构具有确定运