2021-武汉理工大学机械原理课件

机械原理武汉理工大学目录•第一章绪论§1-1本课程研究的对象及内容§l-2学习本课程的目的§l-3如何进行本课程的学习•第二章平面机构的结构分析§2-1机构结构分析的内容及目的§2-2机构的组成§2-3机构运动简图§2-4机构具有确定运动的条件§2-5平面机构自由度的计算§2-6计算平面机构自由度时应注意的事项•第三章平面机构的运动分析§3-1机构运动分析概述§3-2速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用§3-3用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析•第四章平面机构的力分析§4-1机构力分析的目的和方法§4-2构件惯性力的确定•第五章机械中的摩擦和机械效率§5-1研究机械中摩擦的目的和研究内容§5-2运动副中的摩擦§5-3机械的效率§5-4机械的自锁•第六章平面连杆机构及其设计§6-1连杆机构及其传动特点§6-2平面四杆机构的类型和应用§6-3有关平面四杆机构的一些基本知识§6-4平面四杆机构的设计•第七章凸轮机构及其设计§7-1凸轮机构的应用和分类§7-2推杆的运动规律§7-3凸轮轮廓曲线的设计§7-4凸轮机构基本尺寸的确定•第八章齿轮机构及其设计§8-1齿轮机构的应用及分类§8-2齿轮的齿廓曲线§8-3渐开线的形成及其特性§8-4渐开线齿廓的啮合特性§8-5渐开线标准齿轮各部分的名称和尺寸§8-6渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动§8-7渐开线齿廓的切制§8-8变位齿轮概述§8-9变位齿轮传动§8-10斜齿圆柱齿轮传动§8-11蜗杆传动§8-12圆锥齿轮传动•第九章轮系及其设计§9-1轮系及其分类§9-2定轴轮系的传动比§9-3周转轮系的传动比•第十章机械的运转及其速度波动的调节§10-1概述§10-2机械的运动方程式§10-3稳定运转状态下机械的周期性速度波动及其调节§10-4机械的非周期性速度波动及其调节•第十一章机械的平衡§11-1机械平衡的目的及内容§11-2刚性转子的平衡计算第一章绪论“机械原理”(MechanicalPrinciple)研究的对象是机械，研究的内容是有关机械(mechanism)的基本理论问题。机械——是机器(machine)和机构(mechanism)的总称。右图所示为一内燃机示意图，主要由以下机构组成：活塞(piston)、连杆(connectingrod)、曲轴和机架(frame)组成连杆机构；大齿轮(gear)、小齿轮和机架组成齿轮机构；凸轮(cam)、推杆和机架组成凸轮机构。§1-1本课程研究的对象及内容除了机器外，实际中存在如图1-2所示的开窗机构和如图1-3所示的千斤顶，它们借助于人力驱动实现所需的运动或传递力。这些装置我们称之为机构。图1-2开窗机构图1-3千斤顶机器的特征：1.它们是由零件人为装配组合而成的实物体；2.各实物体之间具有确定的相对运动；3.能完成有用的机械功或转化机械能。机构的特征：机构具有机器特征中的前两个特征。机器与机械的共有特征决定了机器与机构可以统称为机械。本课程研究的内容：1.机构结构分析的基本知识2.机构的运动分析3.机器动力学4.常用机构的分析与设计5.机构的选型及机械传动系统的设计本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要求设计新机械的途径。§l-2学习本课程的目的本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，并为专业课程打下基础。§l-3如何进行本课程的学习在学习本课程的过程中，要着重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法。在本课程的学习过程中，要注意培养自己运用所学的基本理论和方法去分析和解决工程实际问题的能力。为此要十分注意各种理论和方法的适用范围和条件，以求能逐步作到正确而灵活的应用。第二章平面机构的结构分析§2-1机构结构分析的内容及目的研究内容：(1)研究机构的组成及其具有确定运动的条件；(2)根据结构特点进行机构的结构分类；(3)研究机构的组成原理。研究目的：在机构设计中，需要知道机构是怎样组合起来的，而且在什么条件下才能实现确定的运动；对机构组成原理的研究还可以为新机构的创造提供途径；通过对机构的结构分析与分类，可以为举一反三地研究机构的运动分析和动力分析提供方便。§2-2机构的组成1.构件构件(link)—机器中每一个独立的运动单元体。2.运动副由两个构件组成的可动的联接称为运动副(kinematicspair)。而把两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素。例如轴与轴衬的配合(图2-1)，滑块与导轨的接触(图2-2)。图2-1回转副图2-1移动副两齿轮轮齿的啮合(图2-3,a)，球面与平面的接触(图2-3,b)，圆柱与平面的接触(图2-3,c)。图2-3,b图2-3,c图2-3,a齿轮副任意两个构件1与2，当它们尚未构起运动副之前，构件1相对于构件2共有6个相对运动的自由度。当两构件以某种方式相联接而构成运动副，则两者间的相对运动便受到一定的约束，其相对运动自由度减少的数目就等于该运动副所引入的约束的数目。两构件构成运动副后所受到的约束数最少为1(如图2-3，b所示的运动副)，而最多为5(如图2-1和2-2所示的运动副)运动副的分类：(1)按引入约束的数目分：I级副、Ⅱ级副、Ⅲ级副、Ⅳ级副、Ⅴ级副。(2)按两构件的接触情况进行分：点或线接触而构成的运动副统称为高副；面接触(surfacecontact)而构成的运动副则称为低副(lowerpair)。(3)按两构件之间的相对运动的不同分：转动副或回转副(revolutepair)、移动副(slidingpair)、螺旋副、球面副、平面运动(planemotion)副、空间运动副。图2-5螺旋副图2-6球面副3.运动链把两个以上的构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统称为运动链(kinematicschin)。如运动链的各构件构成了首末封闭的系统，则称其为闭式运动链或简称闭链(图2-7，a和b)；如运动链的构件未构成首末封闭的系统，则称其为开式运动链，或简称开链(图2-7，c和d)。4.机构在运动链中，如果将某一构件加以固定而成为机架，则这种运动链便成为机构。机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件；而其余活动构件则称为从动件。从动件的运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构。§2-3机构运动简图用简单的线条和规定的符号表示组成机构的构件和运动副，并按一定的比例尺表示运动副的相对位置的简单图形称为机构运动简图(kinematicsketchofmechanism)。绘制步骤如下：(1)分析机构的运动情况，定出其原动部分、工作部分，搞清楚传动部分。(2)合理选择投影面及原动件适当的投影瞬时位置。(3)选择适当的比例尺(scale)。(4)用简单的线条和规定的符号绘图。(5)检验。61AOF2345BDEC颚式碎石机ab图2-8§2-4机构具有确定运动的条件机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，称为机构的自由度。机构具有确定运动的条件：机构的自由度必须大于或等于l，且机构原动件的数目应等于机构的自由度的数目。如图2-10，只有在给构件4确定运动规律后，此时系统才成为机构。图2-9图2-10§2-5平面机构自由度的计算平面机构自由度计算公式§2-6计算平面机构自由度时应注意的事项1.复合铰链：两个以上的构件同在一处以转动副相联接，如图2-11所示。若有m个构件以复合铰链(joint)相联接时，其构成的转动副数应等于(m-1)个。图2-112.局部自由度在有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动。我们把这种局部运动的自由度称为局部自由度，如图所示。在计算机构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去。对于图示凸轮机构自由度为F=3×3-(2×3+1)-1=1凸轮机构三维实体图图2-123.虚约束在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动实际上不起约束作用，我们把这类约束称为虚约束。在计算机构的自由度时应将这类虚约束除去。机构中的虚约束常发生在下列情况：1)在机构中如果两构件用转动副联接其联接点的运动轨迹重合，则该联接将带入1个虚约束。如图2—14所示的机构简图。F=3*n—2Pl—Ph=3*4—2*6=0错F=3*n—2Pl—Ph=3*3—2*4=1对图2-132)如果两构件在多处接触而构成移动副，且移动方向彼此平行(如图2-14所示)，则只能算一个移动副。如果两构件在多处相配合而构成转动副，且转动轴线重合(如2-15所示)，则只能算一个转动副。如果两构件在多处相接触而构成平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合(如图2-16所示)，则只能算一个平面高副。图2-14图2-15图2-163)在机构运动的过程中，若两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则如用双转动副杆将此两点相联，也将带入1个虚约束，图2-17所示。4)在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束亦为虚约束，如图2-18所示。F=3*n—2Pl—Ph=3*4—2*6=0错F=3*n—2Pl—Ph=3*5—2*5—6=-1错F=3*n—2Pl—Ph=3*3—2*4=1对F=3*n—2Pl—Ph=3*3—2*3—2=2对图2-17图2-18第三章平面机构的运动分析§3-1机构运动分析概述机构的运动分析：根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移(displacement)、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。机构运动分析的方法主要有图解法和解析法。§3-2速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用一、速度瞬心瞬心为互相作平面相对运动的两构件上，瞬时相对速度为零的点；或者说，瞬时速度相等的重合点(即等速重合点)。若该点的绝对速度为零则为绝对瞬心；若不等于零则为相对瞬心。如图3-1所示。图3-1二、机构中瞬心的数目因为每两个构件就有一个瞬心，所以由N个构件(含机架)组成的机构，其总的瞬心数K由排列组合的知识可得：三、机构中瞬心位置的确定如上所述，机构中每两个构件之间就有一个瞬心，如果两个构件是通过运动副直接联接在一起的，那末其瞬心的位置，根据瞬心的定义可以很容易地加以确定。而一般情况下，两构件的瞬心则需藉助于所谓“三心定理”来确定。现分别介绍如下。1.通过运动副直接相联的两构件的瞬心1)以转动副相联接的两构件，如图3-2,a所示，转动副的中心即为其瞬心P12。2)以移动副相联接的两构件，如图3-2,b所示，因两构件间任一重合点的相对运动速度方向均平行于导路，故其瞬心P12必位于移动副导路的垂直方向上的无穷远处。3)以平面高副相联接的两构件，如图3-2，c、d所示。如果高副两元素之间为纯滚动则其两元素的接触点M即为瞬心P12；如果高副两元素之间既作相对滚动，又有相对滑动，则瞬心P12必位于高副两元素在接触点处的公法线nn上，具体位置尚需根据其他条件来确定。图3-22.用三心定理确定两构件的瞬心三心定理(Kennedy’sthrorem)：三个彼此作平面平行运动的构件的瞬心必位于同一直线上。如图3-3所示。图3-3四、速度瞬心(instantaneouscenterofvelocity)在机构速度分析中的应用1)求构件的角速度在图3-4所示的平面四杆机构中，设各构件的尺寸已知，原动件2以角速度ω2沿顺时针方向回转。因为已知瞬心P24为构件2及构件4的等速重合点，故得：图3-42)求构件上某点的速度如图3-5所示的凸轮机构。设各构件的尺寸已知，原动件2的角速度为ω2。利用瞬心来确定从动件3的移动速度，同样十分简便。如图所示，得从动件的移动速度的大小为：§3-3用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析矢量方程图解法所依据的基本原理是理论力学中学过的运动合成的原理。在对机构进行速度和加速度分析时，首先要根据运动合成原理列出机构运动的矢量方程，然后再根据该方程进行作图求解。图3-5一、同一构件上两点间的速度、加速度的关系1.速度分析图3-