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1、机 械 原 理主讲：咸斌盐城工学院机械工程学院盐城工学院机械工程学院E-mail: 第一章绪论第一节本课程研究的对象第一节本课程研究的对象研究对象：机械（机器和机构的总称）研究对象：机械（机器和机构的总称）一、机器一、机器 例：内燃机例：内燃机 图图1-1。内燃机的三维动画显示内燃机的三维动画显示 。第一节本课程研究的对象（2）1、机器的特征：、机器的特征：1）它们都是一种人为的实体组合；2）各部分之间具有确定的相对运动。3）能实现能量、物料和信息的变换和传递。2、机器的定义：、机器的定义：一种用来转换或传递能量、物料和信息的、能执行机械运动的装置。3、机器的组成：、机器的组成：原动部分、执行
2、部分、传动部分、控制部分等。例：汽车第一节本课程研究的对象（3）二二、机构机构 n 机构：能实现预期的机械运动的各构件的基本组合体。n或：1）人为的构件的组合体；2)各构件间有确定的相对运动。例：连杆机构齿轮机构1）机构的组成及其自由度的计算即研究机构的组成原理、机构运动的可能性及确定性条件；即研究机构的组成原理、机构运动的可能性及确定性条件；2）机构的运动分析即研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、位移、即研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、位移、速度和加速度等运动特性；速度和加速度等运动特性；3）机构的力分析和机器动力学分析即研究机构各运动副中力的计算方法即研究机构各运动
3、副中力的计算方法4）常用机构的分析与设计常用机构：齿轮机构、凸轮机构和连杆机构。常用机构：齿轮机构、凸轮机构和连杆机构。将用大量篇将用大量篇幅讨论该三大常用机构的特点、设计理论和设计方法。幅讨论该三大常用机构的特点、设计理论和设计方法。第二节第二节 机械原理课程的内容机械原理课程的内容第三节本课程的地位和学习方法一、地位一、地位1.本课程是机械类各专业的一门技术基础课程。本课程是机械类各专业的一门技术基础课程。2.机械原理在发展国民经济方面有重要的意义。机械原理在发展国民经济方面有重要的意义。二、学习方法二、学习方法注意分析、比较、综合，加强实践锻炼，理注意分析、比较、综合，加强实践锻炼，理论
4、联系实际。论联系实际。作业n1-1 什么是机器、机构和机械？n1-2 机器和机构有何异同？机器和机构的基本特征是什么？第二章机构的结构分析第一节机构的组成一、构件零件一、构件零件 机构是若干机构是若干构件构件组合而成的。组合而成的。内燃机内燃机曲柄滑块机构曲柄滑块机构图图第一节机构的组成 构件零件构件零件 构件是运动的单元，是由一个或几个零件组装构件是运动的单元，是由一个或几个零件组装而成的。比如：连杆而成的。比如：连杆图图2-1零件是制造单元。零件是制造单元。二、运动副二、运动副 1.运动副定义运动副定义:两个构件直接接触形成的可动联两个构件直接接触形成的可动联接称为运动副。接称为运动副。图
5、图22四杆机构1第一节机构的组成（2）2.运动副元素运动副元素:两构件上参加接触而构成两构件上参加接触而构成运动副的点、线、面部分称为运动副元素。运动副的点、线、面部分称为运动副元素。3.运动副分类：运动副分类：n按接触形式分：（1）低副低副：面接触的运动副。：面接触的运动副。图图（2）高副高副：点或线接触的运动副。：点或线接触的运动副。图图第一节机构的组成（3）n按相对运动形式分：（1）平面运动副转动副图 移动副 高副图 （2）空间运动副n圆柱副、球面副、螺旋副等。第一节机构的组成（4）n按运动副引入的约束数分：x个约束，x级副。1级副、2级副、n构件的自由度：构件具有的独立运动的数目。作平
6、面运动的自由构件具有三个自由度。作空间运动的自由构件具有六个自由度。n 约束：对构件独立运动所加的限制称为约束。第一节机构的组成（5）n运动链运动链：两个以上构件以运动副联接而成的系统。n闭式运动链：首尾封闭。首尾封闭。图 n开式运动链：首尾不封闭。首尾不封闭。n平面运动链：相对运动为平面运动。相对运动为平面运动。图n空间运动链：相对运动为空间运动。相对运动为空间运动。图三、运动链三、运动链第一节机构的组成（6）n机构：具有确定相对运动的运动链。固定机架，给定原动件，运动确定。机架：固定不动的构件。原动件：按给定的运动规律按给定的运动规律独立独立运动的构运动的构件。件。从动件：其余的活动构件。
7、其余的活动构件。n平面机构n空间机构四、机构四、机构第二节机构运动简图一、机构运动简图一、机构运动简图n机构运动简图：用简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副的相对位置。这种能够表达机构运动特性的简单图形称为机构运动简图。n运动副、构件的表示：表运动副、构件的表示：表22 n常见机构表示：表23第二节机构运动简图（2）n二、机构运动简图绘制二、机构运动简图绘制n1.分析机械的结构和动作原理，确定构件的数目。n2.分析构件间的相对运动，确定运动副的数目和类型。n3.选定视图投影面及比例尺L=实际尺寸/图上尺寸(m/mm)，顺序确定转动副和移动副导路的位置，根据原动件的
8、位置及各杆长等绘出各构件，得到机构运动简图。n例1：小型压力机图25例2第三节机构自由度分析一、平面机构的自由度n 机构的自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。n 机构自由度计算公式:F=3n-2PL-PH n其中：n是可动构件数 n例：四杆机构图2712 F=1n五杆机构图2-812 F=2n三杆桁架图29 F=0,F=-1二、机构具有确定运动的条件二、机构具有确定运动的条件（1）F0时，机构蜕化成刚性桁架，构件间不可能产生相对运动。图（2）F0时，原动件数大于机构自由度，机构遭到破坏；原动件数小于机构自由度，机构运动不确定，只有当原动件数等于机构自由度时机构才具有确定的运动
9、。n机构具有确定运动的条件：F0且原动件数等于机构的自由度。例：判断是不是机构图 例：图211例：图三、计算机构自由度时应注意的事项三、计算机构自由度时应注意的事项1.复合铰链复合铰链:两个以上的构件同时在一处以两个以上的构件同时在一处以转动副相联接转动副相联接,就构成了复合铰链。若就构成了复合铰链。若m个构件以复合铰链相联接时个构件以复合铰链相联接时,其构成的转其构成的转动副数应等于动副数应等于(m-1)个。个。图图例例22：图图2-122.局部自由度局部自由度:某些构件所产生的局部运动并某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动不影响其他构件的运动,这种局部运动的自由这种局部运动的自由
10、度称为度称为局部自由度局部自由度。在计算机构自由度时在计算机构自由度时,应将机构中的局部应将机构中的局部自由度除去不计。自由度除去不计。处理处理方法：方法：把滚子焊死，成为一个构件。把滚子焊死，成为一个构件。图图2-133.虚约束虚约束:对机构运动实际上不起约束作用的对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束。约束称为虚约束。（1）两构件间组成多个运动副）两构件间组成多个运动副转动副：转动副：图图移动副：移动副：图图高高 副：副：图图（2）两点之间的距离始终保持不变）两点之间的距离始终保持不变图图（3）两构件上的联接点的轨迹是互相重合）两构件上的联接点的轨迹是互相重合图图（4）对）对机构运动
11、不起作用的对称部分机构运动不起作用的对称部分图图 处理处理方法：方法：计算机构自由度时计算机构自由度时,先要去掉虚先要去掉虚约束。约束。例例24：P22图图例：例：例例第四节机构结构分析及机构分类第四节机构结构分析及机构分类一、平面机构的高副低代一、平面机构的高副低代目的：便于对机构进行分析。目的：便于对机构进行分析。1、高副低代、高副低代：采用低副来代替高副的方法。：采用低副来代替高副的方法。2、高副低代的条件：、高副低代的条件：代替前后机构的自由度完全相同；代替前后机构的自由度完全相同；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。完全相同。方法：方法：一个
12、构件两个低副一个高副一个构件两个低副一个高副第四节机构结构分析及机构分类（2）3、替代方法：、替代方法：用一个虚拟构件分别在高副接触点处的曲用一个虚拟构件分别在高副接触点处的曲率中心与构成该高副的两构件以转动副相联；率中心与构成该高副的两构件以转动副相联；图图1图图2若高副两元素之一为直线，则因其曲率中若高副两元素之一为直线，则因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；动副；图图如果高副之一为一点，则因其曲率半径为如果高副之一为一点，则因其曲率半径为零，其中一个转动副就在此点处。零，其中一个转动副就在此点处。图图第四节机构结构分析及机构分类（3
13、）二、机构的组成原理二、机构的组成原理机构的组成机构的组成：机架、原动件和从动件系统。：机架、原动件和从动件系统。1、基本杆组基本杆组：从动件系统中不能再分的自由：从动件系统中不能再分的自由度为零的构件组合。度为零的构件组合。2、杆组满足杆组满足：即：构件数只能为2、4、6、等（1 1）级杆组级杆组：由两个构件和三个低副组成的杆：由两个构件和三个低副组成的杆组。组。图图（2）级杆组级杆组：由四个构件，六个低副组成的基：由四个构件，六个低副组成的基本杆组，且本杆组，且 都含有一个具有三个低副的构件。都含有一个具有三个低副的构件。图图3、机构的、机构的组成原理组成原理：任何机构都可以看做是由：任何
14、机构都可以看做是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架而构若干个基本杆组依次联接于原动件和机架而构成的。成的。例例第四节机构结构分析及机构分类（5）三、机构的结构分析和分类（分解或称拆杆组）三、机构的结构分析和分类（分解或称拆杆组）1、正确计算机构的自由度，去除局部自由度和虚约束。、正确计算机构的自由度，去除局部自由度和虚约束。2、从远离原动件的构件开始拆杆组，先拆、从远离原动件的构件开始拆杆组，先拆级组，若不级组，若不成，再拆成，再拆级组，每拆出一个杆组后，留下的部分仍级组，每拆出一个杆组后，留下的部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩下应是一个与原机构有相同自由度的机构，直到只
15、剩下一个原动件为止。一个原动件为止。例：例：1图图第四节机构结构分析及机构分类（6）n机构的级别机构的级别：由最高级别的杆组的级别：由最高级别的杆组的级别确定。确定。n级机构：由最高级别为级机构：由最高级别为级的基本杆级的基本杆组构成的机构。组构成的机构。n级机构：由最高级别为级机构：由最高级别为级的基本杆级的基本杆组构成的机构。组构成的机构。例2-5 P27试确定图2-24a所示机构的级别。原动件1。基本杆组的最高级别为级杆组级杆组，所以该机构为级机构。若将机构的原动件由构件1改为构件8，可拆出下图所示的级基本杆级基本杆组及原动件与机架。通过上述分析可知，同一机构因所取的原动件不同，有可通过
16、上述分析可知，同一机构因所取的原动件不同，有可能成为不同级别的机构。能成为不同级别的机构。但当机构的原动件确定后，该机构的级别就唯一确定。但当机构的原动件确定后，该机构的级别就唯一确定。本章小结1机构是具有确定运动的构件的组合体；2运动副是两构件之间的可动联接；3运动副分为：平面运动副 ：低副：转动副 移动副 高副 空间运动副4机构的独立运动称为机构的自由度，计算公式为F=3n2PLPH5计算自由度应注意的三个问题：（1）复合铰链；（2）局部自由度；（3）虚约束。6机构具有确定运动的条件是：自由度数等于主动构件数。主动构件数。7.7.机构的组成原理：任何机构都可以看做是由若机构的组成原理：任何
17、机构都可以看做是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架而构成干个基本杆组依次联接于原动件和机架而构成的。的。本章小结习题 P2832习题2-8(b)、(c)习题2-9(a)、(b)习题2-10(a)、(f)、(h)习题2-12(a)、(d)习题2-13(b)、(f)习题2-14习题2-15思考题：一、填空题1、所有构件均在 运动的机构称为平面机构。2、两个构件 接触，并且具有 动的联接，称为运动副。3、两个构件通过面接触而组成的运动副为 副。4、两构件以 （点线面）相接触而组成的运动副为高副，它引入了 （123）个约束，还保留了 （123）个自由度。5、由运动副联接组成的构件系统 （一定不一定
18、一定不）是机构。6、绘制机构运动简图的长度比例尺为 。7、一个构件，它的实际长度，在机构运动简图中，图示长度AB=40mm，试问其长度比例尺 。8、在比例尺的机构运动简图中，量得构件长度AB=20mm，试问该构件的实际长度 =。9、机构具有确定运动的条件是主动构件数 （多于等于少于）机构的自由度数。10、一个作独立平面运动的构件具有个自由度。二、简答题二、简答题1、构件与零件有何不同？2、常用的平面运动副有哪几种？各有几个约束？3、从运动的观点来说，构成机构的基本要素是什么？4、试述机构与运动链的关系？5、机器的特征有哪些？6、在计算机构的自由度时，应注意哪些事项?7、“高副低代”应满足的条件
19、是什么？8、何谓基本杆组？它有什么特征？9、机构具有确定运动的条件是什么?当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况?10、何谓运动副元素?按运动副元素可将运动副分为哪几类?汽车连杆机构运动副类型齿轮机构连杆开闭式运动链空间运动链平面机构平面机构空间机构空间机构压力机四杆机构一个原动件的四杆机构二个原动件的四杆机构五杆机构一个原动件五杆二个原动件小型压力机刚性桁架F=3n-2PL-PH=3X2-2X3-0=0F=3n-2PL-PH=3X3-2X5-0=-1摇筛机构凸轮机构n=2,PL=2,PH=1n=3,PL=3,PH=1油泵1234作者：潘存云教授1234绘制图示绘制图示偏心泵偏心泵的运动简图的运动简图偏心泵偏心泵复合铰链复合铰链多个运动副两点距离不变对称部分轨迹重合轨迹重合判断机构1n=3,PL=4,PH=1?计算机构自由度计算机构的自由度计算机构的自由度n=7,PL=10,PH=0圆弧接触高副低代任意曲线接触高副低代直线与曲线接触高副低代两构件形成多个转动副两构件形成多个移动副高副两构件形成多个高副两构件形成多个高副计算自由度点与曲线接触高副低代结构分析级杆组级杆组级杆组计算自由度，高副低代计算自由度n=4,PL=5,PH=1拆杆组机构的组成机构的分解五杆机构大筛机构