机械原理深度讲解课件

机械原理深度讲解欢迎参加机械原理深度讲解课程！本课程将带您深入探索机械设计的核心原理，从基础概念到高级应用，全面系统地介绍机械原理的各个方面课程概述课程目标学习内容考核方式12本课程旨在培养学生对机械原理基课程包括机构学基础、平面机构运本概念的深刻理解，使学生掌握机动分析、平面连杆机构、凸轮机构分析与设计的基本方法，能够独构、齿轮机构、轮系、螺旋机构、立分析和解决机械工程中的基础问机械平衡、机械调速、机械振动基题，并为后续专业课程学习奠定坚础以及机械原理的计算机应用等内实基础容第一章机械原理导论机械原理的定义1机械原理是研究机械的组成、结构、运动和力传递规律的学科，是机械工程专业的重要基础课程它是以理论力学为基础，专门研究机构和机械的理论、分析方法与设计原理，为机械设计提供科学依据机械原理的发展历史2机械原理可追溯至古代文明时期的简单机械使用从文艺复兴时期的达芬奇设计图到18世纪工业革命时期的系统理论，再到现代计算机辅助分析，机械原理学科经历了从实践经验到理论系统的演变过程机械原理在工程中的应用3机械原理在汽车制造、航空航天、机器人技术、现代制造业等领域有广泛应用它为各种机械设备的设计、分析和改进提供了理论基础，是工程师解决实际问题的重要工具机构的基本概念机构的定义运动副的分类自由度的概念机构是由多个构件通过运动副相互连接运动副是连接两个构件并允许它们之间自由度是指机构中所有构件相对于机架而成的运动系统，用于实现特定的运动有相对运动的连接根据允许自由度数的独立运动参数的数目，也是确定机构和力的传递机构是机械的核心部分，量，可分为

一、

二、

三、

四、五类运动位置所需的独立坐标数量自由度决定决定了机械的运动特性和功能机构通副；根据接触形式，可分为高副和低了机构的可控性，是机构分析和设计的过构件之间的相对运动，将一种运动转副；根据空间特性，可分为平面运动副重要参数化为另一种所需的运动和空间运动副机构的组成原理链接组成原理机构由多个构件通过运动副连接而成，形成运动链当运动链中一个构件固定为机架时，运动链便成为机构构件间的连接必须保证适当的自由度，以实现预期的运动功能运动简图的绘制运动简图是机构运动学分析的基础，它使用简化符号表示构件和运动副，清晰地展示机构的拓扑结构和运动关系绘制运动简图时，需遵循固定的符号标准，反映机构的实际连接关系常见机构类型常见的机构类型包括铰链四杆机构、曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构等每种机构都有其特定的运动特性和应用场景，机构的选择应基于具体的功能需求和工作条件第二章机构的结构分析结构分析的目的机构结构分析旨在确定机构的自由度、可动性和约束条件，判断机构是否能按预期方式运动通过结构分析，可以发现机构设计中的冗余约束或不足约束，为机构的优化设计提供依据结构分析的方法结构分析方法包括图解法、解析法和拓扑学方法图解法直观但精度有限；解析法通过数学模型分析，精度高但计算复杂；拓扑学方法通过分析机构的连接关系，快速判断机构的结构特性结构分析的步骤典型的结构分析步骤包括绘制机构运动简图、计算机构自由度、分析机构可动性、确定机构的约束条件、分析机构的特殊位置（如死点位置）、判断机构的结构合理性，最后给出改进建议机构的自由度计算F3n-2PL-PH自由度公式平面机构平面机构自由度计算公式为F=3n-2PL-PH，其平面机构中，每个活动构件有3个自由度，每中n为活动构件数，PL为低副数，PH为高副个低副如转动副、移动副提供2个约束，每个数空间机构自由度计算公式为F=6n-Σfi，其高副如点接触、线接触提供1个约束计算时中fi为各运动副的约束数需考虑冗余约束和局部自由度的影响6n-Σfi空间机构空间机构中，每个活动构件有6个自由度，各类运动副提供不同数量的约束例如，空间球铰链提供3个约束，圆柱副提供4个约束，平面副提供3个约束空间机构的自由度分析更为复杂机构的可动性分析可动性的定义可动性分析方法机构的可动性是指机构按照预期可动性分析包括几何法、解析法方式运动的能力自由度计算仅和数值模拟法几何法通过观察是判断可动性的一个必要条件，机构的几何特性直观判断；解析而非充分条件机构可能存在自法通过求解运动方程组判断；数由度大于零但不可动，或自由度值模拟法通过计算机仿真分析机为零但可动的特殊情况构在各位置的运动状态，更适用于复杂机构常见问题及解决方案机构可动性问题常见的有过约束导致的不可动、特殊位置如死点导致的局部不可动、错误的连接方式导致的意外运动等解决方案包括增减约束、添加辅助机构、改变连接方式或优化几何参数等机构的瞬时自由度瞬时自由度的计算计算瞬时自由度需分析特定位置下约束2方程的秩当约束方程线性相关时，实瞬时自由度的概念际约束数小于名义约束数，瞬时自由度瞬时自由度是指机构在特定位置的自由增加；反之则减少1度，它可能与名义自由度不同在某些特殊位置，机构的约束条件可能发生变瞬时自由度的应用化，导致瞬时自由度增加或减少瞬时自由度分析有助于识别机构的奇异位置，预测机构在特殊位置的行为，避3免设计缺陷，确保机构在全运动范围内正常工作机构的演化方法增加构件法增加运动副法机构演化实例分析增加构件法是通过向原增加运动副法是在原有以四杆机构为例，通过有机构中添加新构件来机构的构件之间添加新改变连杆长度比例，可创造新机构的方法新的运动副连接，从而改演化出曲柄摇杆、双曲增构件可以改变原机构变机构的拓扑结构和运柄、双摇杆等不同类的运动特性，扩展其功动特性这种方法可以型；通过改变某运动副能，或解决原机构中的增加机构的灵活性，但类型，如将转动副改为问题设计时需确保新也可能增加结构复杂度滑动副，可演化出曲柄增构件不会引入不必要和制造难度滑块机构；通过增加构的约束或自由度件，可演化出多杆机构第三章平面机构的运动分析运动分析的应用1机械设计优化与性能评估运动分析的基本方法2图解法、解析法、瞬心法等运动分析的目的3确定机构构件的位置、速度和加速度平面机构的运动分析是机械原理中的核心内容，其基本目的是确定机构各构件的位置、速度和加速度关系通过运动分析，可以预测机构的运动性能，为机构设计提供依据运动分析的基本方法包括图解法、解析法和瞬心法等图解法直观但精度有限；解析法精确但计算复杂；瞬心法适用于平面刚体的速度分析选择何种方法取决于分析目的和精度要求运动分析的结果广泛应用于机械设计优化、性能评估和故障诊断等领域例如，通过分析内燃机曲柄连杆机构的运动特性，可以优化活塞的运动，提高发动机效率图解法图解法的原理图解法基于几何作图原理，直接在图纸上或计算机辅助绘图软件中，通过作图方式确定机构构件的位置、速度和加速度它利用向量合成原理，将复杂运动分解为简单运动的组合，通过几何作图方式求解图解法的步骤图解法的基本步骤包括绘制机构的比例运动简图；标注已知条件（如驱动构件的位置、速度或加速度）；根据运动传递关系，按顺序作图求解各构件的运动参数；最后通过测量图中的长度和角度，得到所需的数值结果图解法的应用范围图解法适用于结构简单的平面机构分析，特别是对于初步设计阶段的快速分析和验证它直观易懂，不需要复杂的数学计算，但精度受限于作图工具和技术在高精度要求或复杂机构分析中，常与其他方法结合使用解析法1解析法的基本原理2解析法的数学基础解析法是通过建立机构的数学解析法的数学基础包括向量代模型，利用代数、微积分和向数、矩阵理论、微分方程等量分析等数学工具求解机构运位置分析通常涉及非线性方程动参数的方法它将机构的几组的求解；速度分析则通过对何关系转化为数学方程，然后位置方程求一阶导数得到；加通过求解这些方程获得位置、速度分析则需要对速度方程再速度和加速度等运动参数次求导或对位置方程求二阶导数3解析法的优缺点解析法的主要优点是精度高、适用范围广，特别适合需要高精度分析或计算机实现的场合缺点是计算过程复杂，对数学基础要求高，对于复杂机构可能导致求解困难此外，解析解可能不直观，难以直接反映机构的物理意义瞬心法瞬心的定义瞬心的确定方法瞬心在运动分析中的应用瞬心是平面运动刚体上瞬时速度为零的瞬心的确定方法包括两点法（通过已知瞬心法在速度分析中尤为有效，通过确定点任何平面运动都可以看作是绕瞬心的两点的运动方向确定）、共线点法（利用构件的瞬心，可以将复杂的平面运动简化瞬时转动，瞬心位置随时间变化固定瞬共线点的速度比例关系）和Kennedy定理为绕瞬心的转动，从而简化速度分析过心是相对于机架的瞬心，而相对瞬心是两（三构件相对运动的三个瞬心共线）在程瞬心法还可以用于加速度分析，但需个活动构件之间的瞬心实际应用中，常结合机构的具体特点选择结合加速度瞬心或其他方法合适的方法速度和加速度分析分析方法适用场景精度复杂度速度多边形法平面机构速度分析中等低加速度多边形法平面机构加速度分中等中等析瞬心法平面刚体速度分析高低解析法复杂机构分析高高图解-解析混合法综合分析高中等速度多边形法是基于相对速度合成原理，通过绘制向量多边形确定机构各点的速度此方法直观，但在复杂机构中可能因误差累积导致精度下降加速度多边形法类似于速度多边形法，但需考虑法向加速度和切向加速度两部分法向加速度与速度方向垂直，切向加速度与速度方向平行，二者合成得到总加速度实际应用案例中，如内燃机的曲柄连杆机构分析，常结合使用多种方法首先用图解法获得初步结果，再用解析法进行精确计算，最后通过计算机仿真验证结果的正确性第四章平面连杆机构连杆机构的分类连杆机构可按构件数量分为四杆机构、五杆2机构、多杆机构等；按运动特性分为全回连杆机构的定义转、部分回转、摇摆、直线运动等类型；按用途分为传动型、成形型、路径生成型等连杆机构是由多个刚性杆件通过转动副相互连接而成的机构，是最基本也是最常用的平1连杆机构的应用面机构类型它能将一种运动转换为另一种不同形式的运动，广泛应用于各种机械设备连杆机构在工程中应用广泛，如内燃机的曲中柄连杆机构、起重机的支臂系统、挖掘机的铲斗机构、印刷机的送纸机构等其简单、3可靠、高效的特点使其成为机械设计中的首选方案四杆机构四杆机构是最简单的闭环连杆机构，由四个构件通过四个转动副相互连接而成根据构件的运动特性，可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构和平行四边形机构等类型四杆机构的类型由连杆长度比例决定根据Grashof准则，当最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆之和时，机构中至少有一个构件可以完成全回转运动这是判断四杆机构类型的重要依据四杆机构具有结构简单、传动平稳、承载能力强等特点，在机械传动、路径生成、运动变换等方面有广泛应用例如，汽车雨刷器、缝纫机送料机构、收割机切割装置等都采用了四杆机构原理曲柄滑块机构曲柄滑块机构的组成1基本构件与连接方式曲柄滑块机构的运动特性2直线往复运动与旋转运动的转换曲柄滑块机构的应用3内燃机、压力机等实际应用曲柄滑块机构由曲柄、连杆、滑块和机架四个构件组成，其中曲柄与机架通过转动副连接，曲柄与连杆通过转动副连接，连杆与滑块通过转动副连接，滑块与机架通过移动副连接曲柄滑块机构的主要功能是将旋转运动转换为直线往复运动，或反之当曲柄做匀速旋转时，滑块做非匀速往复直线运动，这种不均匀性在某些应用中需要特别考虑曲柄滑块机构广泛应用于内燃机、蒸汽机、压力机、泵等设备中例如，在汽车发动机中，曲柄的旋转带动连杆和活塞做往复运动，将燃气爆炸的能量转换为曲轴的旋转动力连杆机构的设计设计目标和要求1连杆机构设计的主要目标包括实现特定的运动轨迹、速度特性或力传递效果设计要求通常涉及运动精度、传动比范围、空间限制、强度要求、制造成本等多个方面明确设计目标是成功设计的前提设计步骤和方法2连杆机构设计通常包括功能分析、类型选择、尺寸综合、性能分析和优化设计等步骤设计方法有图解法、解析法和数值优化法等现代设计常采用计算机辅助设计软件，结合参数化设计和优化算法设计实例分析3以印刷机送纸机构设计为例首先分析送纸运动要求，确定采用四杆机构；然后通过三点近似法确定机构尺寸；接着分析机构的运动特性，检查是否满足速度要求；最后通过调整参数优化性能，完成设计连杆机构的运动分析曲柄角度°滑块位置mm滑块速度m/s滑块加速度m/s²位置分析是运动分析的基础，目的是确定机构各构件在任意时刻的位置关系对于连杆机构，常通过闭合向量方程或几何关系方程求解例如，曲柄滑块机构的滑块位置可表示为曲柄长度、连杆长度和曲柄角度的函数速度分析是通过对位置方程求导获得的，可采用图解法（速度多边形法）或解析法速度分析能够帮助理解机构的运动特性，预测可能的振动和冲击加速度分析是对速度方程再次求导或对位置方程求二阶导数获得的加速度分析对于计算机构的惯性力、预测动态性能和设计减振措施至关重要图中展示了典型曲柄滑块机构一个周期内滑块的位置、速度和加速度变化曲线第五章凸轮机构凸轮机构的定义凸轮机构的分类凸轮机构是由凸轮、从动件和机凸轮机构可按从动件运动类型分架组成的高副机构，能将旋转运为移动从动件和摆动从动件两动或往复运动转换为预定规律的类；按接触方式分为尖顶从动运动凸轮通常做驱动构件，其件、滚子从动件和平底从动件；轮廓曲线决定了从动件的运动规按凸轮形状分为圆盘凸轮、圆柱律，是实现复杂运动规律的有效凸轮和三维凸轮等类型手段凸轮机构的应用凸轮机构广泛应用于内燃机气门机构、自动机床、包装设备、纺织机械等领域它能实现精确的运动控制，如内燃机中控制进排气时机，自动化设备中实现特定的工作节拍等从动件运动规律等速运动等加速等减速运动余弦加速度运动等速运动是最简单的运动规律，从动件等加速等减速运动将从动件的运动过程余弦加速度运动的加速度函数是余弦函在凸轮旋转过程中做匀速运动其位移分为两段前半段做等加速运动，后半数，速度和位移函数分别是通过积分得函数是凸轮转角的一次函数，速度恒段做等减速运动其位移函数是分段二到的这种运动规律在起始和结束点的定，加速度为零这种运动规律在理论次函数，速度函数是分段一次函数，加加速度为零，能够有效减小冲击和振上最简单，但在实际应用中会在运动起速度函数是分段常数函数这种运动规动，是实际应用中最常用的运动规律之始和结束点产生冲击，因此常与其他运律虽然减小了冲击，但加速度在转折点一动规律结合使用处仍有突变凸轮轮廓曲线设计设计原理凸轮轮廓曲线设计的核心原理是通过对偶反演法，将已知的从动件运动规律转换为凸轮轮廓曲线设计时需考虑基圆半径、从动件类型、运动规律和行程等参数，确保凸轮轮廓曲线能够实现所需的运动功能设计步骤凸轮轮廓设计的主要步骤包括确定从动件运动要求；选择合适的运动规律；计算从动件位移、速度和加速度函数；选择基圆半径和从动件参数；应用对偶反演法绘制凸轮轮廓曲线；检查轮廓曲线的凹凸性和压力角等特性常见问题及解决方案设计中常见问题包括轮廓曲线出现尖点或凹陷导致加工困难、压力角过大导致卡死、凸轮尺寸过大等解决方案包括调整基圆半径、修改运动规律、优化从动件参数、使用偏置凸轮等技术手段凸轮机构的压力角压力角的定义压力角的计算压力角对机构性能的影响压力角是从动件所受推力方向与从动件运动对于移动从动件凸轮，压力角可通过几何关压力角过大会导致滑动摩擦增加、传动效率方向之间的夹角它是衡量凸轮机构传动性系计算，一般表示为基圆半径、从动件参数降低、磨损加剧和噪声增大一般建议最大能的重要参数，直接影响传动效率和平稳性和从动件位移速度的函数计算中需考虑凸压力角不超过30°-40°压力角变化剧烈也压力角越大，从动件越容易卡住；压力角过轮转角、从动件类型和运动规律等因素，确会导致运动不平稳在设计中，需通过合理小则可能导致凸轮尺寸过大保压力角在整个工作周期内不超过允许值选择基圆半径和优化运动规律来控制压力角凸轮机构的动力学分析惯性力的影响弹性变形的影响12凸轮机构中，从动件在运动过程实际凸轮机构中，凸轮和从动件中会产生惯性力和惯性力矩，特都存在弹性变形，特别是在高速别是高速运转时，这些惯性力可运转和重载条件下这些变形会能导致额外的载荷和振动动力导致从动件的实际运动与理论运学分析需要考虑从动件的质量分动存在偏差，影响机构的工作精布、运动规律和工作转速等因度需要通过增加刚度、优化材素，计算各工作状态下的惯性力料或调整设计参数来减小弹性变和受力情况形的影响振动和噪声分析3凸轮机构在工作过程中可能产生振动和噪声，尤其是高速运转或运动规律不合理时振动分析需考虑系统的固有频率和强迫振动，避免共振；噪声分析则需关注冲击、摩擦和共振等因素解决方案包括优化运动规律、改进接触面设计和添加减振装置等第六章齿轮机构齿轮机构是由齿轮、轴和轴承等元件组成的机构，是最常用的传动机构之一通过齿轮啮合，能够传递旋转运动和转矩，实现转速变换、传动方向改变和动力分配等功能齿轮机构按齿轮形状可分为圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗杆蜗轮等；按齿形可分为直齿、斜齿、人字齿等；按轴位置关系可分为平行轴、相交轴和交错轴齿轮传动不同类型的齿轮传动适用于不同的工作条件和性能要求齿轮机构在工程中应用极为广泛，涵盖汽车变速箱、工业减速器、电动工具、医疗设备、精密仪器等各个领域其高效率、高精度、紧凑可靠的特点使其成为机械传动的首选方案齿轮的基本参数mαh*模数压力角齿顶高系数模数是齿轮的最基本参数，定义为齿轮分度压力角是齿轮啮合时，作用力方向与相切方齿顶高系数是齿顶高与模数的比值，标准值圆直径与齿数的比值，单位为毫米模数决向的夹角，一般为20°或25°压力角影响齿为

1.0该系数影响齿轮的啮合性能和强度，定了齿的大小，是齿轮设计和制造的基准根强度和啮合性能，压力角增大有利于齿根适当增大可提高啮合系数，但过大会导致根标准模数系列便于工具标准化和齿轮互换性强度提高，但会增加轴承负荷切现象，降低齿轮强度渐开线齿轮渐开线齿轮的啮合原理渐开线齿轮啮合遵循共轭齿廓原理，即2齿轮啮合点的公法线始终通过节线上的渐开线齿形的特点固定点（节点）这确保了啮合过程中渐开线是圆上一点在其切线上滚动时所传动比恒定，运动平稳1形成的轨迹渐开线齿形的特点是啮合过程中能保持恒定的传动比，且对中心渐开线齿轮的标准距变化不敏感，便于制造和调整，因此渐开线齿轮的主要标准包括模数、压力成为最常用的齿形角、齿高系数等参数国际上通用的标3准有ISO、AGMA等，不同国家也有各自的标准系统，如中国的GB标准齿轮传动的几何分析齿轮传动比中心距齿顶间隙齿轮传动比是从动轮齿数与主动轮齿数中心距是两啮合齿轮轴线间的距离，等齿顶间隙是一个齿轮的齿顶与啮合齿轮之比，也等于主动轮角速度与从动轮角于两齿轮分度圆半径之和标准中心距的齿根之间的距离适当的齿顶间隙能速度之比传动比是齿轮传动设计的关等于模数与两齿轮齿数和的一半，非标避免干涉，减小噪声，但过大会降低啮键参数，决定了速度变换的程度单级准中心距则需通过变位齿轮实现中心合系数标准齿轮的齿顶间隙一般为齿轮传动的传动比一般不超过8，如需更距的选择需考虑设计空间、制造精度和

0.25模数，可根据工作条件适当调整大传动比，可采用多级传动啮合性能等因素齿轮传动的设计设计目标和要求齿轮传动设计的主要目标包括实现特定的传动比、满足强度和寿命要求、保证运转平稳、控制噪声和振动等设计要求通常涉及功率、转速、工作环境、安装空间、重量和成本等多个方面明确设计目标和约束条件是设计的首要步骤设计步骤和方法齿轮传动设计通常包括确定传动方案、计算齿轮几何参数、强度校核、制造工艺分析和优化设计等步骤设计方法有经验设计法、参数优化法和计算机辅助设计法等现代设计常利用有限元分析和仿真技术验证设计结果设计实例分析以减速器设计为例首先根据输入功率和传动比确定传动方案；然后计算模数、齿数等参数；接着进行弯曲强度和接触强度校核；如不满足要求，调整设计参数；最后优化齿形修正、材料选择和热处理工艺，完成设计第七章轮系轮系的应用1机床变速箱、汽车变速器、差速器、测量仪表等轮系的分类2定轴轮系、周转轮系、复合轮系、差动轮系轮系的定义3由多个齿轮组成的传动系统轮系是由多个齿轮按一定方式组合而成的传动系统，能够实现大传动比、多速比变换和复杂运动合成等功能相比单对齿轮传动，轮系具有更大的功能灵活性和结构多样性根据齿轮轴的运动特性，轮系可分为定轴轮系各齿轮轴相对机架固定、周转轮系存在轴随齿轮一起转动的情况、复合轮系由多个基本轮系组合而成和差动轮系能实现运动合成或分解轮系在各类机械中应用广泛，如机床变速箱用于提供多级速度变换，汽车变速器实现不同行驶速度，差速器允许同轴两轮以不同速度转动，精密仪表中用于信号传递和位移放大等定轴轮系定轴轮系的特点定轴轮系的传动比计算定轴轮系的应用实例定轴轮系是所有齿轮轴线相对机架固定不定轴轮系的总传动比等于各级传动比的乘定轴轮系广泛应用于各类机械中，如机床动的轮系，是最基本的轮系形式其特点积对于单级齿轮传动，传动比等于从动主轴变速箱、汽车变速器、减速器等例是结构简单、传动可靠、效率高、制造和轮齿数与主动轮齿数之比；对于多级传如，车床的变速箱通过多级定轴轮系组装配较为方便定轴轮系可实现较大的传动，总传动比等于各级传动比的乘积在合，可实现十几种不同的主轴转速，满足动比，但单级传动的传动比受到限制，需计算中，需注意中间轮对传动方向的影不同加工工艺的需求；工业减速器通过多要多级传动来获得更大的传动比响，但不影响传动比的大小级定轴轮系，实现大传动比的动力传递周转轮系周转轮系的传动比计算周转轮系传动比计算常用Willis方法，即假想全系统相对行星架反向转动一个角速度，2使行星架静止，转化为定轴轮系计算对于周转轮系的特点基本行星轮系，传动比与太阳轮、行星轮和内齿圈的齿数有关，可通过合理选择齿数获周转轮系中，至少有一个齿轮的轴线相对机得所需传动比架做周转运动最典型的是行星轮系，其中行星轮绕太阳轮旋转，同时自身也在转动1周转轮系的应用实例周转轮系结构紧凑，可实现较大传动比，且具有功率分流特性，适合大功率传动周转轮系在汽车自动变速器、风力发电机组、工程机械减速装置等领域有广泛应用3例如，汽车自动变速器中的行星齿轮组，通过控制不同部件的制动和释放，可实现多种传动比；大型风力发电机组中的行星齿轮减速器，能高效传递大扭矩复合轮系简单定轴轮系复合定轴轮系简单周转轮系复合周转轮系差动轮系复合轮系是由多个基本轮系定轴轮系或周转轮系组合而成的轮系根据组成方式的不同，可分为复合定轴轮系、复合周转轮系和定轴-周转复合轮系复合轮系能实现更复杂的运动功能和更大范围的传动比复合轮系的组成通常采用串联、并联或混联方式串联结构中，上一级轮系的输出轴与下一级轮系的输入轴连接，总传动比为各级传动比的乘积；并联结构中，多个轮系共用输入轴或输出轴，可实现多路输出；混联结构综合了前两种特点复合轮系的传动比计算需分解为基本轮系的计算，然后根据连接方式确定总传动比设计复合轮系时，需考虑传动比分配、结构布局、轴向尺寸、齿轮选择等因素，以实现最优的传动性能和结构紧凑性差动轮系差动轮系的原理1差动轮系是一种特殊的轮系，能够实现两个输入运动的代数和或差它通常由行星轮系构成，具有三个自由度，当其中两个自由度确定后，第三个自由度随之确定差动轮系的核心原理是运动的合成与分解差动轮系的传动比计算2差动轮系的传动关系可表示为ω₁=i₁₂ω₂+i₁₃ω₃，其中ω₁、ω₂、ω₃是三个构件的角速度，i₁₂和i₁₃是相应的传动比计算时常采用Willis方法，将周转轮系转化为定轴轮系，然后建立传动比关系式差动轮系在工程中的应用3差动轮系在汽车差速器、工程机械转向机构、加减速机构和测量仪器中有广泛应用例如，汽车差速器允许两驱动轮以不同速度转动，保证转弯时内外轮速度差；车辆转向机构利用差动原理，转换方向盘转动为前轮的转向运动第八章螺旋机构螺旋机构的定义螺旋机构的分类螺旋机构是利用螺旋副将旋转运动螺旋机构按螺纹类型可分为普通螺转换为直线运动或反之的机构它纹机构和滚动螺纹机构；按用途可的核心部件是螺旋副，由螺杆和螺分为传动型如丝杠传动和紧固型母组成，通过螺旋面的接触实现运如螺栓连接；按螺杆数量可分为单动和力的传递螺旋机构的特点是螺杆机构和多螺杆机构；按运动方结构简单、传动比大、自锁性好、向可分为顺螺旋和反螺旋机构可实现精确运动控制螺旋机构的应用螺旋机构在机床进给系统、起重设备、测量仪器、精密调整装置和紧固连接中有广泛应用例如，车床的丝杠进给系统，利用螺旋机构将电机的旋转转换为刀架的直线进给；千斤顶则利用螺旋机构的力放大效应，实现重物的举升螺旋副的几何参数螺距p是螺纹相邻两牙在轴向上的距离，它决定了螺旋副的运动转换比率大螺距意味着旋转一周对应较大的轴向位移，传动速度高但力传递能力小；小螺距则相反，适合大力传动但速度较低导程角α是螺旋线在螺杆表面展开后与周向的夹角，它与螺距和螺杆直径有关，tanα=p/πd导程角是决定螺旋副自锁性的关键参数，也影响传动效率一般来说，导程角越大，效率越高但自锁性越差螺纹型线是螺纹截面的形状，常见的有三角形、梯形、矩形和圆弧等不同型线具有不同的特点三角形适合紧固连接；梯形和矩形适合传动用途，具有较高的承载能力；圆弧型线则适合高速和重载条件螺纹型线的选择应考虑使用条件、制造难度和成本等因素螺旋机构的运动分析速度关系力传递关系效率分析螺旋机构的基本速度关螺旋机构的力传递关系螺旋机构的效率系是螺母的轴向速度可表示为轴向力F与η=tanα/tanα+φ，v与螺杆的角速度ω之转矩T之间满足关系其中α为导程角，φ为间满足关系T=F·d·tanα+φ/2，其摩擦角效率受导程角v=pω/2π，其中p为中d为螺杆平均直径，α和摩擦角的影响，导程螺距这一关系表明，为导程角，φ为摩擦角越大、摩擦角越小，螺距越大，同样角速度角这一关系表明，导效率越高普通螺纹机下的轴向速度越大对程角和摩擦角越小，同构的效率一般在30%-于多头螺纹，轴向速度样轴向力下所需转矩越50%，而滚动螺纹机构还与螺纹头数成正比，小，即力放大效果越显因摩擦小，效率可达即v=Lpω/2π，其中L著90%以上为螺纹头数螺旋机构的自锁条件自锁的定义自锁条件的推导自锁在工程中的应用螺旋机构的自锁是指在无外力作用下，从力平衡角度分析，当导程角α小于或等自锁特性广泛应用于需要保持位置的机轴向载荷不能驱动螺杆旋转的特性自于摩擦角φ时，即α≤φ，螺旋机构具有自构中，如千斤顶、机床夹具、调节装置锁是许多应用中的重要特性，如千斤锁性用另一种表达方式，当螺距等例如，千斤顶利用自锁特性在操作顶、夹紧装置等需要保持位置的场合p≤πdμ时其中d为螺杆平均直径，μ为摩停止后保持负载；精密调节装置利用自自锁性取决于螺旋副的几何参数和摩擦擦系数，螺旋机构具有自锁性这一条锁性保持精确位置；而在需要反向驱动特性，是设计中需要重点考虑的问题件是设计自锁螺旋机构的理论基础的场合，如某些进给系统，则要避免自锁，选择较大的导程角螺旋机构的设计设计目标和要求螺旋机构设计的主要目标包括实现特定的运动转换、满足载荷和精度要求、确保使用寿命和可靠性等设计要求通常涉及行程、速度、载荷、精度、自锁性、使用环境和成本等多个方面明确设计要求是设计的首要步骤设计步骤和方法螺旋机构设计通常包括选择螺旋副类型、确定基本几何参数如螺距、直径、强度校核、精度分析、摩擦和磨损分析、润滑和密封设计等步骤设计方法包括经验设计法、参数优化法和计算机辅助设计法等设计实例分析以精密调节机构设计为例首先根据调节精度和范围确定螺距和型线；然后计算所需直径以满足强度要求；接着分析自锁性和反向间隙；为减小间隙，可采用预紧设计；最后考虑材料选择、热处理和润滑方案，完成设计第九章机械的平衡平衡的概念平衡的重要性12机械平衡是指通过消除或减小机平衡对机械系统至关重要，特别械系统中的不平衡力和力矩，使是高速旋转设备良好的平衡可系统在运转时振动和噪声最小化以减小轴承载荷、降低振动和噪的技术不平衡主要来源于旋转声、提高加工精度、延长设备寿部件的质量分布不均匀或往复运命、减少能量损失并提高系统可动部件的惯性力，会导致振动、靠性随着设备运行速度的提噪声、应力增加和使用寿命下降高，平衡的重要性愈加突出等问题平衡在工程中的应用3平衡技术广泛应用于汽车发动机、涡轮机械、电机、风机、泵、工业离心机、精密仪器等领域例如，汽车发动机中的曲轴平衡、车轮的动平衡；高速电机转子的平衡；大型涡轮机的现场平衡等，都是平衡技术的典型应用刚性转子的静平衡静平衡的原理静平衡的方法静平衡的测试静平衡是指转子质心位于旋转轴线上，使静平衡主要通过添加或去除平衡块质量静平衡测试设备主要有水平支承式和垂直得旋转时不产生离心力静不平衡表现为实现常用方法包括重力平衡法如滚轮支承式两类水平支承式适用于盘状转转子质心偏离旋转轴线，产生径向离心力法、平衡机测量法等滚轮法利用重力作子，通过测量支承反力确定不平衡；垂直导致轴承载荷周期变化静平衡的条件是用，转子在水平导轨上滚动，最重点向支承式适用于各种形状转子，通过测量旋转子上各质点相对于旋转轴的一阶力矩总下；平衡机测量法通过测量轴承反力确定转力矩确定不平衡测试精度受支承摩和为零不平衡量和位置擦、环境振动等因素影响刚性转子的动平衡动平衡是指转子在旋转时不产生力矩，使得转子旋转轴线与惯性主轴重合动不平衡表现为转子惯性主轴与几何轴线不重合，产生离心力偶，导致轴两端产生相反方向的振动完全平衡需同时满足静平衡和动平衡条件动平衡一般采用两平面平衡法，在转子两端布置平衡面，通过添加或去除质量抵消不平衡力和力矩动平衡需要专用的动平衡机，通过测量支承振动或力来确定不平衡量和角位置，然后计算所需平衡块的质量和安装位置动平衡测试设备主要为动平衡机，包括硬支承式和软支承式两类硬支承式平衡机结构简单但精度受转速限制；软支承式平衡机可在接近工作转速下测量，精度高但设备复杂图表显示了不同平衡等级的允许残余不平衡量，平衡等级的选择应考虑转子工作转速和应用场合柔性转子的平衡柔性转子平衡的方法柔性转子平衡常采用模态平衡法，针对不同的振动模态进行平衡通常需要在多个转速下进行测量和调整，逐步消除柔性转子的特点2各阶不平衡影响还可采用影响系数柔性转子是指在工作转速下存在明显弹法，建立振动与不平衡之间的数学关性变形的转子与刚性转子不同，柔性1系转子的变形与转速密切相关，特别是在经过临界转速时变形显著柔性转子平柔性转子平衡的实例衡更为复杂，因为不同转速下的变形模大型汽轮发电机组是典型的柔性转子系态不同统平衡时先在低速下进行基础平衡，3然后在接近工作转速下进行精细平衡，可能需要多次迭代现场平衡技术允许在设备实际安装状态下进行平衡调整往复运动部件的平衡往复运动部件的特点往复运动部件如内燃机的活塞、连杆产生的惯性力与往复运动的加速度成正比这些惯性力可分解为一阶惯性力与转速的平方成正比和高阶惯性力往复质量的不平衡力难以完全消除，通常采用部分平衡的方法往复运动部件平衡的方法往复运动部件平衡的基本方法是利用旋转质量产生的离心力来抵消往复质量的惯性力常用技术包括对重法如曲轴平衡块、平衡轴法如平衡轴带动配重旋转和多缸布置法利用多个往复部件的相位差实现部分自平衡往复运动部件平衡的实例汽车发动机是往复运动部件平衡的典型实例直列四缸发动机中，二阶平衡轴用于平衡二阶惯性力；V型八缸发动机通过特殊的曲轴结构和缸体布置实现较好的自平衡；单缸发动机则需要较大的平衡块来抵消一阶惯性力第十章机械的调速调速是指控制机械运动速度在一定范围内稳定或按照预定规律变化的技术机械调速的主要目的是消除或减小工作过程中的速度波动，保证机械稳定可靠地运行，提高产品质量和生产效率调速的重要性体现在许多方面稳定的速度可以提高加工精度和质量；减小速度波动可以降低机械振动和噪声；合理的速度控制可以避免共振和过载；在某些特殊工艺中，速度的精确控制直接关系到产品质量调速技术在工程中有广泛应用，如内燃机的转速调节系统保证发动机在不同负载下维持稳定转速；机床的变速系统提供不同的加工速度；发电机组的调速器维持稳定的输出频率；冶金轧机的调速系统确保材料的均匀加工等机械系统的等效质量等效质量的概念等效质量的计算方等效质量在分析中法的应用等效质量或等效惯量是将复杂机械系统简化等效质量的计算基于能等效质量广泛应用于机为单一质量点或刚体的量守恒原理，即简化系械系统的动力学分析、方法，使简化后的系统统的动能等于原系统各振动分析和调速系统设与原系统具有相同的动部件动能之和对于平计中例如，在飞轮设力学特性等效质量考移运动，等效质量m=计中，通过计算系统等虑了各构件的质量、几Σmi·vi/v²；对于转效转动惯量，确定所需何特性和运动方式，是动运动，等效转动惯量飞轮尺寸；在振动分析分析机械系统动力学特J=ΣJi·ωi/ω²，其中中，利用等效质量模型性的重要工具vi/v和ωi/ω表示速度比简化分析过程；在传动或角速度比系统设计中，考虑等效质量来评估加速性能机械的周期性速度波动时间s瞬时转速rpm周期性速度波动是指机械在一个工作循环中速度的周期性变化这种波动通常由负载的周期性变化如往复机械的工作冲程或驱动力的周期性变化如内燃机的爆发冲程引起速度波动的特征可通过不均匀系数δ=ωmax-ωmin/ωavg来描述速度波动的计算需考虑系统的动力平衡，即驱动力矩与阻力矩的差值导致系统速度的变化对于周期性工作的机械，可以建立每个工作阶段的动力平衡方程，通过积分得到速度变化曲线，从而确定最大和最小速度，计算不均匀系数速度波动会影响机械的工作精度、稳定性和使用寿命过大的速度波动可能导致加工精度下降、振动加剧、零件磨损加速和能耗增加在精密加工、生产自动化和高速运转设备中，控制速度波动尤为重要图中显示了某机械一个工作循环内的转速变化曲线飞轮的设计E=1/2·J·δ·ω²J=E·2/δ·ω²飞轮的作用飞轮的设计方法飞轮是一种储能元件，通过自身的转动惯量储存飞轮设计的核心是确定所需转动惯量J根据系统和释放能量，减小机械系统的速度波动飞轮在的工作特性、允许的不均匀系数δ和平均角速度速度较高时储存多余能量，在速度较低时释放能ω，可计算所需储能E，进而确定转动惯量设量，从而使系统速度保持相对稳定飞轮的设计计时还需考虑飞轮的形状、尺寸、材料和安装位直接影响系统的稳定性和调速效果置等因素，平衡性能和成本δ=5%飞轮设计实例以内燃机飞轮设计为例首先分析发动机工作周期内的转矩变化曲线，确定能量盈亏E；然后根据允许的速度波动率如δ=5%和额定转速，计算所需转动惯量；最后选择盘形或轮辐形结构，确定尺寸和材料，并进行强度和平衡检验调速器的设计调速器的类型1调速器主要分为机械式、液压式和电子式三大类机械式调速器如离心式调速器，利用离心力检测转速变化；液压式调速器利用液压放大作用，提高控制精度和响应速度；电子式调速器则通过电子传感器检测速度，电子控制单元处理信号并控制执行机构调速器的工作原理2调速器的基本工作原理是检测-比较-调节的闭环控制过程首先检测实际速度，与设定速度比较，产生偏差信号；然后通过控制机构放大信号，驱动执行机构调节燃料供应或其他控制参数；调节后的速度变化再被检测，形成闭环反馈控制，使速度稳定在设定值附近调速器的设计方法3调速器设计需考虑稳定性、灵敏度、不等时性和调节质量等性能指标设计步骤包括确定调速系统类型和控制策略；设计传感、比较和执行机构；分析系统动态特性和稳定性；优化参数设置以获得最佳响应性能现代设计常采用计算机仿真辅助分析和优化第十一章机械振动基础振动对机械的影响1磨损加剧、疲劳失效、噪声增加、工作精度下降振动的分类2自由振动/强迫振动、阻尼振动/无阻尼振动、线性振动/非线性振动振动的基本概念3周期、频率、振幅、相位、阻尼、固有频率、共振机械振动是指机械系统或其部件围绕平衡位置做的往复运动振动是机械系统普遍存在的现象，既可能是系统的正常工作状态如振动筛，也可能是不良的伴生效应如机床振动导致加工精度下降振动根据激励方式可分为自由振动由初始条件引起和强迫振动由外力周期性激励引起；根据阻尼特性可分为阻尼振动和无阻尼振动；根据系统特性可分为线性振动和非线性振动；根据自由度数量可分为单自由度振动和多自由度振动振动对机械的影响主要表现在增加构件应力，加速疲劳破坏；加剧零件磨损，缩短使用寿命；产生噪声，恶化工作环境；降低工作精度，影响产品质量；增加能量消耗，降低效率因此，除特殊设计的振动机械外，一般都需要控制和减小振动单自由度系统的自由振动自由振动的特征自由振动的计算自由振动的实例分析单自由度系统的自由振动是指系统在初无阻尼自由振动的运动方程为mẍ+kx=弹簧质量系统是典型的单自由度振动系始条件初始位移或初始速度作用下，没0，其中m为质量，k为刚度解得振动统例如，汽车悬架的自由振动当车有外力激励的情况下的振动其特征是位移x=A·sinωnt+φ，其中ωn=轮遇到凹坑后，悬架系统产生自由振振动频率等于系统的固有频率，振幅随√k/m为固有圆频率，A和φ由初始条件动，振动频率取决于悬架刚度和车身质时间逐渐衰减有阻尼时自由振动反映确定有阻尼自由振动的运动方程为mẍ量，阻尼装置则控制振动衰减速度适了系统的固有动力学特性，是研究系统+cẋ+kx=0，其中c为阻尼系数，解的当的阻尼设计可以在舒适性和操控性间动态行为的基础形式取决于阻尼比ζ=c/2√km的大取得平衡小单自由度系统的强迫振动频率比ω/ωn放大系数ζ=

0.1放大系数ζ=

0.2放大系数ζ=

0.5强迫振动是指系统在外力周期性激励下的振动单自由度系统的强迫振动运动方程为mẍ+cẋ+kx=F0·sinωt，其中F0为激励力幅值，ω为激励频率与自由振动不同，强迫振动的频率由外力决定，而非系统固有频率强迫振动的稳态响应为x=X·sinωt-φ，其中振幅X与频率比ω/ωn和阻尼比ζ有关，X=F0/k/√[1-ω/ωn²²+2ζω/ωn²]当激励频率接近固有频率时ω/ωn≈1，系统会发生共振，振幅显著增大，尤其是在阻尼较小时共振现象在工程中极为重要，它可能导致系统振动过大而失效，如桥梁在风荷载或行人行走频率接近其固有频率时的剧烈振动；但也可被有意利用，如振动筛、超声波设备等图表显示了不同阻尼比下，振幅放大系数随频率比变化的关系，清晰展示了共振特性多自由度系统的振动多自由度系统的特点多自由度系统的分析方法多自由度振动系统具有多个独立坐标多自由度系统分析的主要方法包括直描述其运动状态，如多层建筑、多缸接法和模态分析法直接法直接求解发动机等与单自由度系统不同，多运动微分方程组；模态分析法通过坐自由度系统有多个固有频率和振型模标变换将耦合方程组解耦为独立的模态，系统在外力激励下的响应是各阶态方程，简化计算对于复杂系统，模态响应的叠加多自由度系统的分常采用有限元法、传递矩阵法或动刚析复杂度随自由度增加而大幅提高度法等数值方法模态分析简介模态分析是研究多自由度系统动态特性的重要方法，它将系统的振动分解为一系列独立的模态，每个模态有其固有频率、阻尼比和振型模态分析可通过理论计算或实验测量获得，广泛应用于结构动力学分析、振动控制和故障诊断等领域振动的测量与控制振动测量的方法振动控制的原理减振措施的应用振动测量的基本物理量包括位移、速度和振动控制的基本原理包括改变系统参数如减振措施广泛应用于各种机械设备和结构加速度常用的测量设备有机械式振动质量、刚度、阻尼、隔离振源、吸收振动中例如，精密机床基础采用特殊减振材计、电感式和电容式传感器、压电式加速能量或主动抵消振动具体方法有避开料和结构，隔离环境振动；汽车发动机安度计、激光测振仪等不同设备适用于不共振调整固有频率、增加阻尼消耗振动装弹性支承，减小振动传递；高层建筑安同频率范围和振幅大小，选择时需考虑测能量、使用隔振器阻断振动传播、安装装调谐质量阻尼器TMD，抵抗风荷载和量精度、频率响应、安装方式和环境适应动力吸振器吸收特定频率振动和实施主地震引起的振动；旋转机械采用动平衡技性等因素动控制产生抵消力术，减小运行振动第十二章机械原理的计算机应用计算机技术已经深刻改变了机械设计和分析的方式，在机械原理应用中发挥着越来越重要的作用计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程CAE和计算机辅助制造CAM已成为现代机械工程不可或缺的工具，大大提高了设计效率和产品质量常用的机械设计和分析软件包括AutoCAD、SolidWorks、Pro/E等CAD软件，ADAMS、Working Model等运动仿真软件，ANSYS、ABAQUS等有限元分析软件，以及Matlab、Simulink等数学分析和系统仿真软件这些软件各有特点和适用范围，工程师需根据具体需求选择合适的工具计算机辅助设计与分析在机械原理中的优势体现在复杂机构的快速建模和参数化设计；机构运动和力学性能的可视化仿真；优化算法辅助的最优设计；有限元分析辅助的强度和振动分析；以及虚拟样机技术减少物理原型成本等方面机构运动仿真运动仿真的原理机构运动仿真基于计算机图形学和动力学建模，通过数值求解运动方程，模拟机构在时间域内的运动状态仿真系统首先建立机构的几何和动力学模型，定义约束条件和运动输入，然后通过求解器计算各时刻的位置、速度和加速度，最后以图形或数据形式输出结果常用仿真软件常用的机构运动仿真软件包括ADAMS、RecurDyn、Working Model等专业动力学软件，以及SolidWorks Motion、Inventor DynamicSimulation等集成在CAD软件中的模块不同软件有各自的特点和优势，如ADAMS适合复杂多体系统分析，Working Model操作简便适合教学，SolidWorks Motion则与CAD模型无缝集成仿真实例分析以发动机曲柄连杆机构仿真为例首先在软件中建立几何模型，定义构件间的运动副；然后设置材料属性、质量特性和运动输入如曲轴转速；接着运行仿真，获取活塞位移、速度和加速度曲线；最后分析结果，优化设计参数以改善性能，如减小活塞冲击或优化空间布局机构优化设计优化设计的方法机构优化方法包括解析法、数值搜索法和智能算法解析法通过建立数学模型直接求解；数值搜索法如梯度法、单纯形法通过迭代逼近最优解；智能算法如遗传算法、粒子优化设计的目标2群算法模拟自然进化过程，适合处理多目机构优化设计旨在找到满足特定约束条件下标、非线性优化问题的最优设计参数常见优化目标包括最小1化机构尺寸或重量、最大化传动效率、最小优化设计的实例化速度波动、最优化运动轨迹、改善动力学以四杆机构路径生成优化为例目标是使连性能如减小惯性力、提高可靠性和使用寿杆点轨迹最接近期望路径首先确定评价指命等标如轨迹偏差均方根；然后选择优化变量3杆长和初始位置和约束条件如空间限制；利用优化算法搜索最优参数组合；最后验证优化结果，检查机构是否满足所有设计要求虚拟样机技术1虚拟样机的概念2虚拟样机的构建方法3虚拟样机在产品开发中的应用虚拟样机是产品或系统的数字化模型，虚拟样机构建通常包括几何建模、装配虚拟样机技术在汽车、航空航天、电子能够模拟实际产品的几何特征、物理特关系定义、材料属性分配、运动学和动产品等领域有广泛应用例如，汽车开性和功能行为与传统物理样机不同，力学模型建立、控制系统集成等步骤发中，虚拟样机用于碰撞安全性、空气虚拟样机存在于计算机环境中，可以快现代虚拟样机平台如Siemens NX、动力学、NVH噪声、振动、声振粗糙度速修改和测试，大大缩短开发周期和降和耐久性分析；在机械设备设计中，虚Dassault Systèmes3DEXPERIENCE低成本虚拟样机是产品数字化开发的等提供了从设计到仿真的全流程集成工拟样机用于验证装配干涉、运动性能、核心技术具，支持多物理场耦合分析结构强度和制造可行性等课程总结知识点回顾1本课程系统介绍了机械原理的基础知识和应用方法，涵盖了从机构学基础、平面机构分析、各类机构设计、平衡调速到振动分析等内容这些知识构成了机械设计的理论基础，是理解和设计各类机械系统的关键机械原理的发展趋势机械原理学科正向数字化、智能化和多学科融合方向发展数字孪生技术、人工智能辅助设计、2柔性机构和微纳机械系统成为研究热点未来机械原理将更多地与电子、信息、材料等学科交叉融合，推动机械工程领域的创新发展学习建议和展望建议学生在掌握基础理论的同时，加强实践能力培养，熟练运用现代3计算机辅助工具，并关注新兴技术发展机械原理的学习是一个不断深入和拓展的过程，终身学习的理念对于成为优秀的机械工程师至关重要。