机械原理绪论

机械原理主要参考书：1黄茂林，秦伟．机械原理．北京：机械工业出版社，20022申永胜．机械原理教程．北京：清华大学出版社，19993黄锡凯，郑文纬．机械原理（第六版）．北京：高等教育出版社，19934孙桓，陈作模．机械原理（第五版）．北京：高等教育出版社，1996绪论第一节机器的功能结构及机构机器的概念机器(Machine)是人类通过长期生活及实践创造出来的技术装置，用以代替或减轻人的体力劳动与脑力劳动，完成某种特定的功能，实现某种工艺（工作）过程的机械化、自动化与智能化，有效地提高工作效率、工作精确性与可靠性，是人类改造自然强有力的工具，是社会生产力的重要组成部分。机器的功能实现物料(Materials)、能量(Energy)、信息(Information)的传递与变换。机器的分类工作（或工艺）机器、力能机器、信息机器。机器的功能结构现代机器一般都由动力(Power)子系统、传动(Transmission)子系统、执行(Execution)子系统及测控(Detectionandcontrol)子系统组成。机器最根本的共性特征通过机械运动实现物料、能量、信息的传递与变换。机器最基本的功能结构实现运动的传递与变换的系统—机构(Mechanism)。机器与机构统称为机械(Machinery)。机械原理课程的主要研究内容机械原理研究机器与机构，特别是机构的结构、运动学及动力学原理及其设计理论与方法。它从运动学、动力学等更加综合、系统的角度来认识、分析与设计机器的共性基本功能组成—机构及其组合系统。单缸四冲程内燃机主要构成：1–小齿轮、2–气缸体、3–连杆、4–曲轴、6–大齿轮、7–凸轮轴、8–气门挺杆、10–活塞、11–气缸、12–进气阀、13–火花塞、17–排气阀、18–大齿轮内燃机工件自动装卸装置工业机器人机构的共性特征由若干个实体之间以一定的几何形状表面相互接触形成可动联接，且各实体具有确定的相对运动规律所构成的多体系统。这种多体系统称为机构。组成机构，在运动时作为一个整体的结构实体称为构件(Link)。实例：内燃机中的缸体、活塞、连杆、曲轴等。一个构件，也可以是若干个彼此没有相对运动的实体联接而成。实例：连杆，由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺钉、定位套、连杆衬套等相互固联组成。零件—机器的制造单元，构件—机器的运动单元。机构的定义及功能定义机构，是两个以上的构件通过可动联接形成的构件系统。各构件之间具有确定的相对运动。功能●可按预期的规律实现运动和力的传递与变换。●能将一个或几个构件的给定运动，转变成其他构件所需的某一确定运动。机构中按给定运动规律运动的构件称为原动件(Drivinglink)或输入构件(Inputlink)，其余的可动构件具有预期的运动规律，对外完成某种工艺动作，称为从动件(Drivenlink,Follower)、输出构件(Outputlink)或执行构件(Executivelink)，固定不动的构件称为机架(Fixedlink,Frame)。一台机器可能是由一种机构组成，也可能是由若干种机构组成，它们按一定的规律相互协调配合，通过有序的运动和动力的传递与变换来完成预期的功能。内燃机的机构组成：曲柄滑块机构(Slider-crankmechanism)、凸轮机构(Cammechanism)和齿轮机构(Gears)。工件自动装卸装置的机构组成：带传动机构(Beltdrive)、蜗杆传动机构(Wormdrive)、凸轮机构以及连杆机构(Linkages)等。单缸四冲程内燃机工作循环过程进气→压缩→作功→排气主要工作机构曲柄滑块机构，用于实现移动与转动之间的运动变换，完成作功、吸气、压缩、排气等工作过程所需的运动。其他机构凸轮机构，用于启闭进气阀、排气阀。齿轮机构，用于保证进气阀、排气阀和活塞之间形成一定的运动规律。单缸四冲程内燃机工作循环图构件平面运动类型定轴转动、直线移动、平面平行运动、一般平面运动。构件运动方式连续单向运动、间歇单向运动、连续往复运动、间歇往复运动等。输入构件与输出构件之间的运动变换形式●连续转动→单向直线移动●连续转动→往复直线移动●连续转动→带停歇往复直线移动●连续转动→单向间歇直线运动●连续转动→单向间歇转动●连续转动→双向摆动●连续转动→带停歇双向摆动●连续转动→连续转动●往复摆动→单向间歇转动●连续转动→实现预定轨迹等。实现这些运动传递与变换的机构是有限的。机构的种类可以根据其运动传递与转换的特征来进行区分。例如：连续转动→往复直线移动连续转动→双向摆动连续转动→带停歇往复直线移动连续转动→连续转动连续转动→单向直线移动连续转动→单向间歇转动连续转动→带停歇双向摆动往复摆动→单向间歇转动以上列举的是一些典型机构，其结构特点是：各构件通过一定接触形式的可动联接，构成了一个封闭的环路。在这些机构中，当一个构件的运动规律确定后，其余各构件的运动即随之确定。这类机构称为单自由度机构。在机械手和机器人中，还广泛应用开环、多自由度的机构。在工程实际中，还大量使用分别以液体和气体作为传递运动和力的介质的液动机构(Hydraulicmechanism)、气动机构(Pneumaticmechanism)等。机械手Manipulator机械手Manipulator从上面所述可以看出：机构是所有机器的共性功能组成部分。凡需要实现某种运动传递与变换的地方，都可采用对应的某种机构。如曲柄滑块机构可以用于内燃机、压缩机、冲压机、剪切机、锯床、输送机等。这些机器都需要连续转动与往复直线移动的运动变换，以实现工作要求。同一种机构，通过各构件的尺寸、形状等参数的变化，就可以获得运动形式相同，但运动范围、运动方向以及速度、加速度等运动参数不同的输出运动。通过一些典型机构的不同组合以及改变机构的几何参数，可以实现各种各样的运动及动力要求，完成各种工作过程，创造出千差万别、各种功能的机器。第二节机械总体方案设计的内容及机械原理课程的定位与任务1.机械产品的总体方案设计(Conceptdesign)是在概念设计阶段通过需求分析、市场预测、可行性分析，提出了产品的设计要求(包括产品要实现的工艺过程要求、设计技术参数要求)及制约条件后，具体实现产品功能要求、品质要求及成本要求的关键性设计。方案设计主要包括三方面内容：⑴功能原理方案设计(Functionandworkingprincipleschemedesign)。根据产品的工作要求，进行产品的功能原理构思，探寻能实现产品功能的物理、化学或生物学原理；进行功能分析，确定功能组成；进行功能原理方案的求解，最后得出产品的功能原理方案。⑵机械系统运动方案设计(Kinematicpreceptdesign)。设计出能实现功能原理方案所需动作的机械系统结构及运动简图方案。⑶方案的评价与优选(Evaluationandoptimalselection)。实现同一工作要求可以有不同的功能原理，实现同一功能原理有可以有不同的机械结构方案，因此需要进行方案的评价和优选。2.机械运动方案设计(Movementschemedesign)的主要内容及机械原理的定位与任务机械运动方案是机械产品方案设计的最终体现，它是机械产品设计中一个非常重要的环节，设计结果以机械系统运动简图(Kinematicsketch)的形式表达，也称为机械系统运动简图设计，即根据机械产品功能原理方案所确定的工作过程和工作的运动学、动力学要求，设计出由若干机构组成的机构系统运动学结构简图。其设计内容为：⑴机构及机械系统的选型与综合机构及机械系统的选型与综合(Typeselectionandsynthesis)即是根据工艺过程所需动作的要求，确定机械产品输出运动（或执行动作）以及输入运动的形式和数量，选择或创新出能实现所需运动传递与变换要求的机构（包括传动机构与执行机构）的结构形式；根据从原动机(Primemover)到各执行构件的运动传递与变换的要求和协调配合关系，并考虑其它要求(如效率、可靠性、稳定性、工艺性等)，将这些机构组合成一机械系统(Mechanicalsystem)。⑵机械系统运动学及动力学综合及分析根据构件从原动机到执行构件的运动传动与变换的具体参数及规律，考虑各执行运动间的协调配合关系，进行各机构的运动学尺度设计(Dimensionalsynthesis)及动力学初步设计，并根据综合的结果进行运动及动力性能的分析，对方案进行评价与优选，最后得到一个最佳方案，作为下一阶段详细设计的依据并为详细设计提供运动、受力及动力学方面的具体参数。机械运动方案设计这两方面的内容，实际上都是并行、交叉进行的。要完成一个好的设计，往往需要反复进行分析和比较，这是综合应用多门学科知识、综合应用各种先进技术进行分析设计的过程，是进行创造性构思(Creativedesign)和创新设计(Innovation)的过程，是机械产品创新设计中极其重要的内容，是决定产品性能、质量、水平和经济效益等品质的重要步骤。机械原理课程是研究机器的共性原理(特别是机器的运动学原理)和组成的课程，其研究内容的核心是机械运动方案设计。机械原理是面向机械方案设计的一门技术基础课。在整个机械设计的内容与进程中，机械原理课程定位于学习解决机械系统中的执行机构及其系统运动方案设计的基本理论与方法。重点是解决机器的四个功能子系统中，执行机构及其系统的运动方案设计。课程任务为机械系统的运动方案设计奠定坚实的理论、方法与技能的基础。具体要求⑴掌握机构及机械系统的运动学、动力学分析与设计的基本理论、基本知识和基本技能(包括各种现代分析与设计方法以及工程机械CAD的应用开发)。⑵具有综合应用已学过的基础理论和知识以及工程实践知识进行基本机构的分析与设计能力。⑶初步具有拟定机械系统运动方案的能力。⑷具有进行机械产品功能原理和结构方案创新的意识与能力。第三节机械原理课程的主要内容、基本要求与学习方法本课程属于设计性课程，课程内容以设计为主线，分析与设计有机结合与统一。基本内容及基本要求如下：●机构的结构设计机构的基本结构组成；运动链、机构的约束及自由度；运动链及机构的构型设计(型数综合)；机构的结构分析与分类。要求掌握机构的组成要素、机构运动简图的绘制，能正确计算运动链及机构（包括平面机构及简单空间机构）的自由度。了解机构中的各种约束的性质与结构，掌握基本杆组的概念，了解按杆组的机构创新综合。能对平面机构进行分类。●常用机构的设计1.平面连杆机构及设计研究平面连杆机构的基本结构与应用；平面连杆机构的运动特性分析及选用；平面连杆机构的力学分析与传力特性；平面连杆机构的运动学尺度综合。2.凸轮机构及设计凸轮机构的结构类型及应用；凸轮机构的运动学及动力学参数及其确定的原则；凸轮机构从动件的常用运动规律与选择；凸轮轮廓曲线及凸轮机构基本尺寸设计。3.轮系轮系的结构、分类与应用；轮系的传动比计算；行星轮系设计中应注意的基本问题(包括类型的选择、传动效率与齿数的确定等)。4.其他常用机构间歇运动机构、螺旋机构等其他常用机构的主要类型与应用举例。要求了解常用平面机构的基本结构、类型与应用；掌握机构运动分析、设计理论与方法，了解机构的运动及传力特性与选择原则；能对常用机构(平面四杆机构及平面凸轮机构)按基本运动要求进行尺寸设计。●机械动力学主要研究机械系统动力学的基本内容及其分析、设计理论与方法。包括机构的动态静力分析；机械的平衡，刚性转子的平衡，机构惯性力的平衡；机器的运转及其真实运动规律，速率波动及其控制。要求掌握平面机构动态静力分析的方法，了解连杆机构的动力学特性；了解刚体机械平衡的原理与方法；掌握单自由度系统的等效动力学模型及两类机械系统运动方程的建立与应用；了解运动方程的求解方法；了解周期性速率波动的调节原理及飞轮转动惯量的近似计算方法。●系统运动方案设计介绍机械系统运动方案设计的内容、要求及基本步骤；功能原理的分解与方案的功能组成；机构的选型与机械系统的创新综合；系统的协调设计及系统的运动方案简图的制订；方案的评价与优选。要求了解机械系统运动方案设计的内容与一般步骤；熟悉机