《机械原理讲解》课件

机械原理讲解欢迎来到《机械原理讲解》课程本课程将系统地介绍机械工程中的核心原理和基础理论，帮助同学们建立对机械系统的整体认识通过本课程的学习，你将掌握各类机构的分析与设计方法，为后续专业课程和工程实践奠定坚实基础机械原理是现代工业的基石，理解这些原理将使你能够解释日常生活中各种机械的工作方式，也能为你未来设计创新机械装置提供理论支持让我们一起探索机械世界的奥秘课程概述课程目标学习内容考核方式掌握机械运动和力传递的基本原涵盖机构学、运动学和动力学分平时成绩（30%）出勤、课堂表理，能独立进行机构运动分析和结析，包括平面机构、凸轮、齿轮、现和作业完成情况；期中考试构设计，培养机械创新设计能力和连杆等机械元素的原理与设计方（20%）基础知识考核；期末考工程实践能力法，以及机械平衡与效率分析试（50%）综合能力评估，包括设计计算和分析应用第一章绪论机械原理的定义课程研究对象学习目的和方法机械原理是研究机械的组成、结构、运主要研究各类机构的结构特点、运动规目的在于培养机械设计能力和创新思动和动力传递规律的学科，是机械工程律和动力特性，包括平面机构、空间机维学习方法应结合理论与实践，通过的理论基础它将物理学和数学原理应构、凸轮机构、齿轮机构等常见工程机实验、模型构建和计算机仿真等手段深用于分析机械系统的运动和力传递过构的分析与设计方法化对机械原理的理解程机构的基本概念构件运动副构件是机构中不可分割的刚体部分，是运动副是构件之间的可动连接，它限制组成机构的基本单元在分析时，将构了构件之间的相对运动根据允许的相件视为理想刚体，忽略其变形构件可对运动自由度，可分为低副和高副分为主动件、从动件和机架•主动件接受外力驱动的构件•低副面接触，如转动副、移动副•从动件由其他构件驱动的构件•高副点或线接触，如凸轮副、齿轮副•机架固定不动的参考构件运动链运动链是由多个构件通过运动副连接而成的系统当一个运动链的一个构件固定为机架时，就形成了一个机构•开链链中没有闭合回路•闭链链中存在闭合回路机构的自由度自由度的定义平面机构自由度计实际应用意义算自由度是指机构中所有自由度分析是机构设计构件相对于机架的独立使用Grubler-Kutzbach的第一步，确保设计的运动参数的数量，代表公式计算F=3n-1-机构具有预期的运动特机构运动的可控制程2PL-1PH，其中n为构性自由度过多会导致度自由度决定了驱动件数，PL为低副数，机构运动不确定，自由机构所需的独立驱动PH为高副数当F=1度为零或负值则表示机数时，称为确定机构，只构已完全约束或过约需一个驱动即可控制整束个机构运动第二章平面机构的结构分析结构综合设计满足特定运动要求的机构组成运动分析确定机构各部分运动参数结构分析确定机构类型与组成结构分析是机构学研究的基础环节，目的是确定机构的组成、类型和特性，为后续的运动和力分析奠定基础通过结构分析，我们可以判断机构是否满足设计需求，避免冗余或欠驱动问题结构分析的主要内容包括确定机构的自由度、分析构件间的连接关系、识别机构的运动特性以及判断机构的可动性这些分析将帮助工程师理解机构的工作原理和性能限制平面机构的组成原理Grubler公式应用使用公式F=3n-1-2PL-PH确定机构自由度，其中:•n为构件总数（包括机架）•PL为低副数量（转动副、移动副等）•PH为高副数量（点接触、线接触副）连杆组分析将复杂机构分解为基本连杆组•二进制连杆组两个构件、三个运动副•三进制连杆组三个构件、四个运动副•多进制连杆组多个构件组合机构简化与等效通过结构等效转换简化机构分析•等效连杆替代复杂组件•虚拟连杆表示复杂接触•运动副合并简化计算平面四杆机构定义和特点曲柄摇杆机构平面四杆机构由四个构件和四个转动副一个构件可完成360°旋转（曲柄），另组成，是最简单、最基本的闭链机构12一构件做往复摆动（摇杆）应用于发其特点是结构简单、运动可靠、制造方动机、抽水机等设备便双摇杆机构双曲柄机构两个构件均做有限角度的往复摆动，不43两个构件均可完成360°旋转常用于传能完成全旋转常用于需要角度变换的递旋转运动，适用于需要变速比的场场合合平面四杆机构的演示曲柄摇杆机构驱动杆（曲柄）可做完整旋转，从动杆（摇杆）做往复摆动满足Grashof条件:最短杆+最长杆其余两杆之和，且最短杆为机架相邻杆时形成双曲柄机构驱动杆和从动杆均可做完整旋转当最短杆为机架时形成这种机构能够将输入旋转转换为输出旋转，但速度比会随位置变化双摇杆机构驱动杆和从动杆均做往复摆动，不能完成全旋转当最短杆不与机架相连且不满足Grashof条件时形成用于角度转换和方向改变平面连杆机构的应用实例汽车雨刷系统挖掘机工作装置缝纫机送料机构典型的曲柄摇杆机构应用，将电机的旋转复杂的多杆机构，通过液压缸驱动，实现精密的四杆机构，将电机的旋转运动转换运动转换为雨刷的往复摆动这种设计使铲斗的灵活运动这种设计能够产生较大为送料牙的椭圆轨迹运动这种运动使布雨刷能够在挡风玻璃上均匀地摆动，确保的挖掘力，并且可以在不同方向和位置进料能够在缝纫过程中均匀前进，同时避免良好的清洁效果行精确操作损坏织物第三章平面机构的运动分析位置分析确定机构各构件相对位置速度分析确定构件的速度大小和方向加速度分析确定构件的加速度特性运动分析是机构学研究的核心内容，目的是确定机构各构件的运动参数，包括位置、速度和加速度通过运动分析，我们可以预测机构的实际工作状态，为后续的动力学分析和结构优化提供基础数据运动分析的方法包括图解法、解析法和数值法，不同方法各有优缺点在实际工程中，通常需要根据问题的复杂性和精度要求选择合适的分析方法随着计算机技术的发展，数值分析法和机构仿真软件已成为现代机构分析的重要工具图解法1:503绘图比例主要步骤使用适当的比例尺进行矢量绘制，确保精度位置→速度→加速度的分析顺序

0.5mm绘图精度图解法的误差控制在可接受范围内图解法是最直观的平面机构运动分析方法，通过绘制矢量多边形来确定机构各点的速度和加速度速度分析基于瞬时运动中各点速度的相对关系，构建速度多边形；加速度分析则考虑法向加速度和切向加速度，构建加速度多边形图解法的优点是直观形象，便于理解机构的运动特性；缺点是精度受绘图工具和技术限制，且对复杂机构分析困难在计算机辅助设计普及前，图解法是工程师分析机构的主要工具现在它主要用于教学和简单机构的初步分析瞬心法瞬心概念理解瞬心是平面运动中瞬时速度为零的点，相当于构件在该瞬间绕瞬心做瞬时旋转每个构件相对于另一构件都存在一个瞬心，所有瞬心按特定规律分布瞬心的确定方法对于两个已知点速度方向的构件，其瞬心位于从这两点出发并垂直于其速度方向的两条直线的交点对于特殊运动副，如转动副和移动副，瞬心具有特定位置速度分析应用确定瞬心后，构件上任意点的速度大小与该点到瞬心的距离成正比，方向垂直于该点与瞬心的连线这一特性使得瞬心法在速度分析中非常高效解析法解析法是通过建立机构的数学模型，利用向量代数和微积分原理求解机构运动参数的方法其核心是建立闭链方程，描述机构构件之间的几何约束关系，然后对方程进行求导获得速度和加速度方程相比图解法，解析法具有更高的精度和适用性，特别适合于复杂机构的分析和计算机程序实现现代机构分析软件大多基于解析法原理开发解析法的缺点是数学计算较为复杂，特别是对于多自由度机构，方程组的求解可能变得繁琐第四章平面连杆机构及其设计需求分析方案构思明确设计目标和约束条件选择合适的机构类型并初步确定参数验证评估参数优化检验设计方案是否满足预期要求通过分析计算确定最佳结构参数平面连杆机构的设计目的是创造能实现特定运动或功能的机械系统设计过程需要综合考虑功能需求、空间限制、制造成本、可靠性和使用寿命等多方面因素良好的设计原则包括简化结构、标准化零件、优化尺寸和减少摩擦损失等四杆机构的设计设计目标确定明确四杆机构需要实现的功能和性能要求•运动轨迹生成•运动函数实现•力传递优化尺寸综合确定四个连杆的长度和初始角度•轨迹生成法满足特定点的运动要求•优化迭代法通过算法优化杆长比例•图解试算法通过图形直观调整运动特性分析验证设计的机构是否满足要求•传动角分析确保良好的力传递•死点检查避免机构卡滞•速度和加速度分析控制动态性能曲柄存在条件Grashof条件机构类型判断Grashof条件是判断四杆机构中是否根据Grashof条件和最短杆的位置，存在可以完成全旋转的构件（曲柄）可以判断四杆机构的具体类型的重要准则其表述为四杆机构•当最短杆为机架相邻杆时曲柄中，如果最短杆长s加上最长杆长l小摇杆机构于或等于其余两杆长度之和（s+l≤p•当最短杆为机架时双曲柄机构+q），则该机构中至少有一个构件能够相对于机架完成360°全旋转•当最短杆为连杆时双摇杆机构设计应用Grashof条件在实际设计中有重要应用•提前预测机构运动特性•帮助设计师选择合适的杆长比例•避免设计出不符合运动要求的机构压力角定义和意义计算方法压力角是机构中力传递方向与从动件运动方向之间的夹角这个对于四杆机构，压力角可通过以下步骤计算角度决定了力传递的效率和平稳性，是评价机构传动质量的重要

1.确定连杆的运动方向（速度方向）指标

2.确定力的作用方向（通常沿连杆轴线）较小的压力角能提供更有效的力传递，减少侧向力和摩擦，延长

3.测量两者之间的夹角机构使用寿命工程上通常将最大压力角控制在40°以内以保证良好的传动性能在设计过程中，需要分析整个运动周期的压力角变化，确保在全过程中压力角都在合理范围内可通过优化杆长比例和初始位置来改善压力角特性典型四杆机构设计案例汽车悬挂系统中的四杆机构设计需考虑减震性能和路面附着力之间的平衡通过合理设计连杆长度和安装位置，可以实现轮胎在垂直运动过程中保持良好的接地角度，提高行驶稳定性和操控性农业收割机中的分禾器利用四杆机构将旋转运动转换为复杂的平面曲线运动，实现对作物的温和分离和引导设计重点在于确保运动轨迹符合农作物的自然生长状态，同时具有足够的强度应对田间复杂环境这类设计充分体现了四杆机构在实现复杂运动方面的优势第五章凸轮机构及其设计多样化运动规律高精度运动控制结构紧凑高效凸轮机构能实现几乎任通过精确加工的凸轮轮凸轮机构结构紧凑，传意的预定运动规律，包廓，可以实现高精度的动效率高，且运动可靠括复杂的加减速过程和位移、速度和加速度控性好，适用于空间受限精确的停留阶段，是实制，广泛应用于自动化的场合和要求高可靠性现精确运动控制的首选设备、精密仪器和高速的长期运行设备方案机械凸轮机构是由凸轮和从动件组成的高副机构，通过凸轮的特殊轮廓将旋转运动转换为从动件的预定运动凸轮形状决定了从动件的运动规律，因此凸轮设计是整个机构设计的核心常见的凸轮机构类型包括盘形凸轮、筒形凸轮和端面凸轮等从动件可以是推杆（做直线运动）或摇臂（做摆动运动）在实际应用中，需要根据具体工作条件选择合适的凸轮类型和从动件形式从动件的运动规律凸轮轮廓曲线设计图解法解析法图解法是通过几何作图逐点确定凸轮轮廓的方法，步骤如下解析法通过数学方程描述凸轮轮廓，获得更精确的结果

1.将凸轮旋转周期等分为多个位置对于尖顶推杆

2.根据预定运动规律计算每个位置从动件的位移x=r₀+s cosθ-e sinθ

3.在各角度位置上作出从动件位置y=r₀+s sinθ+e cosθ

4.连接从动件轮廓的包络线，即为凸轮轮廓其中r₀为基圆半径，s为位移，e为偏心距，θ为转角图解法直观且易于理解，适合教学和简单凸轮的初步设计，但精度有限解析法精度高，适合计算机辅助设计，是现代凸轮设计的主要方法凸轮机构的压力角定义和计算合理范围凸轮机构中，压力角是凸轮与凸轮机构的最大压力角一般应从动件接触点处的公法线与从控制在30°以内，高速机构可动件运动方向之间的夹角对能需要更小的压力角（20°左于推杆式凸轮机构，压力角右）压力角过大会导致楔入α可通过公式tanα=s×ω/效应，增加摩擦损失，降低传r₀+s计算，其中s是位移动效率，甚至可能导致机构卡对角度的导数，是凸轮角速死ω度，r₀是基圆半径对设计的影响降低压力角的方法包括增大基圆半径、优化运动规律（降低最大速度）、减小行程这些方法需要在凸轮尺寸、运动性能和结构复杂性之间进行平衡，是凸轮设计中的关键考量因素凸轮机构设计实例汽车发动机中的气门机构是凸轮应用的典型案例凸轮轴上的凸轮控制进排气门的开闭时间和升程，直接影响发动机的性能设计时需考虑气门的开闭时间、升程曲线和接触应力等因素现代发动机采用可变气门正时技术，通过调整凸轮相对位置实现不同工况下的最佳性能自动包装机中的凸轮机构用于控制切刀、折纸和封口等精确时序动作这类应用要求凸轮具有高精度的运动控制能力，同时满足高速、长寿命和低噪音的要求设计时通常采用复合运动规律，在关键位置保证平稳过渡，避免机械冲击第六章齿轮机构及其设计传动精度高承载能力强使用寿命长齿轮传动能实现精确的传齿轮传动比带传动和摩擦经过热处理和精密加工的动比，保证运动的连续性传动具有更高的功率密齿轮具有优异的耐磨性和和均匀性，是精密机械不度，能在较小空间内传递抗疲劳性能，能在恶劣环可或缺的传动元件较大扭矩，适用于重载工境下长期可靠工作况传动效率高齿轮传动的效率通常在98%以上，能量损失小，适合对效率要求较高的场合，如汽车变速箱渐开线齿廓特点和优势生成原理渐开线齿廓是现代齿轮最常用的齿形，它具有以下显著优点渐开线是圆上一点在该圆上绷紧的弦绳沿圆周展开时描绘的轨迹在齿轮制造中，渐开线齿廓可通过以下方式生成•中心距变化时仍能保持恒定传动比

1.通过基圆上的线段绕基圆展开时端点的轨迹•制造工艺相对简单，便于标准化生产

2.用刀具模拟渐开线形状，通过滚切或滚压成形•受力均匀，传动平稳，噪音低

3.数控加工中通过数学方程直接生成渐开线•具有良好的耐磨性和承载能力理解渐开线生成原理有助于深入理解齿轮啮合机理和设计原则这些特性使渐开线齿轮成为工业机械中最通用的传动元件标准齿轮模数压力角模数是表示齿轮尺寸的基本参数，定义压力角是齿轮啮合时公法线与分度圆切为分度圆直径与齿数的比值（m=线的夹角，影响齿根强度和传动平稳d/z）它决定了齿轮的大小和强度，性标准压力角有20°和25°两种，其中是齿轮设计和制造中最重要的参数20°应用最广泛标准模数系列（单位mm）

0.1,较大的压力角提高齿根强度但增加径向

0.12,

0.16,

0.2,

0.25,

0.3,

0.4,

0.5,

0.6,力，较小的压力角则相反现代传动趋

0.8,1,

1.25,

1.5,2,

2.5,3,4,5,6,8,10,12,向于使用较大压力角以提高负载能力16,20,25,32,40,

50.齿顶高系数齿顶高系数决定齿顶高度（ha=ha*×m），标准值为

1.0齿顶高系数影响齿轮的啮合重合度和强度变位齿轮通过调整齿顶高系数和中心距，可以改善啮合性能，避免根切，提高承载能力，是高性能齿轮设计的常用手段齿轮啮合基本定律啮合曲线啮合线1两齿轮齿廓接触点在坐标系中的轨迹啮合曲线在固定坐标系中的投影2渐开线特性4啮合定律3渐开线齿轮的啮合线为直线，即公法线啮合线必须通过节点，确保传动比恒定齿轮啮合基本定律是齿轮传动理论的核心，它确保了齿轮传动的基本特性——恒定的角速度比该定律指出设计良好的齿轮啮合过程中，接触点的公法线必须始终通过分度圆的节点（两分度圆的切点）对于渐开线齿轮，啮合线是一条直线，即两基圆的公切线这一特性使得渐开线齿轮即使在中心距有微小变化的情况下，也能保持恒定的传动比，这是其广泛应用的重要原因理解啮合定律对于分析齿轮传动问题和设计高性能齿轮系统至关重要齿轮的根切1根切现象根切是指在齿轮制造过程中，刀具（齿条）在切削齿轮时，其齿顶与被加工齿轮的齿根发生干涉，切削掉部分齿根的现象根切会削弱齿根强度，是齿轮设计中需要避免的问题2根切条件当齿数少于最小齿数时，会发生根切对于标准齿轮（α=20°，ha*=

1.0），最小齿数为17当齿数小于此值时，需要采取特殊措施如变位齿轮来避免根切3影响因素影响根切的主要因素包括压力角、齿顶高系数和齿数增大压力角或减小齿顶高系数可以减少根切风险，但会影响啮合性能4避免方法避免根切的主要方法是采用正变位设计，通过增加变位系数使刀具与齿轮的相对位置发生变化，避免刀具齿顶切入齿根变位还能改善齿轮的啮合性能和承载能力齿轮的干涉和卡滞齿轮干涉避免方法齿轮干涉是指在啮合过程中，一个齿轮的齿顶部分与另一个齿轮避免齿轮干涉和卡滞的常用方法包括的非工作齿廓部分发生碰撞的现象主要有两种类型•合理选择齿数和模数，避免使用过小齿数

1.齿顶干涉一个齿轮的齿顶与另一个齿轮的非工作齿廓相撞•采用变位齿轮设计，通过正变位改善啮合条件•修改齿顶，如顶隙修整和倒角处理

2.齿根干涉一个齿轮的齿根与另一个齿轮的齿顶相撞•增大压力角，减少干涉风险（如从20°增至25°）干涉会导致齿轮噪音增大、磨损加剧，严重时可能导致传动卡死•控制中心距误差，确保装配精度或齿轮损坏在高性能齿轮设计中，这些措施往往需要综合应用以获得最佳效果啮合传动比i12传动比定义从动轮转速与主动轮转速之比z2/z1齿数比计算从动轮齿数除以主动轮齿数d2/d1分度圆直径比与齿数比相同，可用作验证±5%精度要求普通工业用齿轮传动比精度啮合传动比是齿轮传动设计中的核心参数，它表示从动轮与主动轮角速度的比值对于标准齿轮，传动比等于齿数之比，即i₁₂=z₂/z₁=n₁/n₂=ω₁/ω₂传动比的正负号表示旋转方向正值表示同向旋转，负值表示反向旋转在实际工程中，传动比的选择要考虑多种因素，包括速度要求、空间限制、承载能力和制造难度等通常情况下，单级齿轮传动的传动比应控制在i≤8范围内，过大的传动比可能导致从动轮尺寸过大或主动轮齿数过少，不利于传动的平稳性和效率内啮合齿轮传动结构紧凑运转平稳内啮合齿轮传动中，小齿轮位于大齿轮内部，两轮中心距等于分内啮合齿轮啮合时，相邻齿对的相位差小，重合度高，接触线度圆半径之差，比外啮合结构更为紧凑，适用于空间受限场合长，受力均匀，运转更平稳，噪音更低，适合高精度传动场合承载能力强加工难度大内齿轮齿根厚度大于外齿轮，强度更高；啮合时齿顶接触应力较内齿轮加工需要特殊工具和设备，制造精度控制难度大，成本比低，耐磨性好，使用寿命长，特别适合重载和高可靠性要求场外齿轮高，限制了其在某些领域的应用，需在设计时充分考虑制合造可行性齿轮设计实例风力发电机齿轮箱精密机床传动汽车自动变速箱风力发电机齿轮箱需要将风轮低速高扭矩精密机床中的齿轮传动要求高精度和高刚现代汽车自动变速箱采用多组行星齿轮系的旋转转换为发电机所需的高速设计采性采用高精度级别（5-6级）的斜齿轮，统，通过控制不同部件的锁止和释放，实用多级行星齿轮系统，实现约1:100的传动减小传动误差和振动齿面经过精密磨现多个传动比设计中采用优化的齿形和比，同时保持高效率和可靠性特殊硬化削，并采用合理的齿轮修形，确保在不同啮合参数，提高传动效率，降低噪音和振处理和表面涂层提高了齿轮的耐久性负载下保持最佳接触状态动，延长使用寿命第七章齿轮系及其设计行星轮系差动轮系包含绕中心轮公转的行星轮，如汽车差具有两个输入和一个输出的轮系，如织速器机中的差动装置定轴轮系复合轮系各齿轮轴心位置固定，如变速箱中的普由多个基本轮系组合而成，实现复杂传通齿轮组动功能23齿轮系是由多个齿轮组成的传动系统，用于实现复杂的传动功能，如改变转速、转向、分配动力等齿轮系的设计需要综合考虑传动比、空间限制、效率和成本等因素不同类型的齿轮系各有特点定轴轮系结构简单，易于制造和维护；行星轮系体积小，承载能力大；差动轮系可实现复杂的运动关系；复合轮系则可实现更大范围的传动比或特殊功能设计时应根据具体需求选择合适的轮系类型定轴轮系简单轮系传动比计算应用特点简单轮系是指轮系中每个轴上只有一个齿定轴轮系的总传动比等于各级传动比的乘定轴轮系结构简单，布置灵活，易于制造轮的定轴轮系典型的简单轮系包括两个积对于多级传动，总传动比i=i₁×和维护，但空间利用率较低，适用于传动或多个直接啮合的齿轮，如单级减速器i₂×...×i比要求不太大的场合ₙ中间轴上的惰轮不影响传动比大小，只改在设计多级定轴轮系时，应合理分配各级简单轮系的传动比计算i₁=变旋转方向增加惰轮会使输出轴转向与传动比，一般将较大的传动比安排在低速ₙz₁·z₃·...·z₍/z₂·z₄·...·z×-增加奇数个惰轮前相反级，这样可以减小高速级的负荷，提高传ₙ₋₁₎ₙ1^m，其中m为外啮合齿轮对数量动效率周转轮系周转轮系的定义周转轮系是指将原本固定的机架作为输出构件，使其转动的轮系通过对整个轮系施加一个公共角速度，实现从一个角速度关系到另一个角速度关系的转换周转原理应用周转原理可用于复杂传动关系的分析在周转轮系中，给定速度系统中的所有构件一个相同的角速度，不改变构件之间的相对运动，但可以使某个构件的角速度变为零，简化分析传动比计算周转轮系传动比计算方法将原轮系所有零件施加一个角速度ω₀，使某一构件通常是机架的角速度变为零，然后利用定轴轮系的计算方法求解新的传动比工程实例周转轮系的典型应用包括行星齿轮系统和差动器例如，在汽车差速器中，通过周转轮系原理可以实现当车辆转弯时，两侧车轮以不同速度转动，保证平稳转向复合轮系连接方式复合轮系由多个简单轮系通过中间轴连接组成，实现更复杂的传动功能和更大范围的传动比连接方式主要有串联连接和并联连接两种传动比计算复合轮系的总传动比等于各级简单轮系传动比的乘积计算时需要注意中间轴上齿轮的关系，如共轴齿轮转速相同，啮合齿轮转速满足啮合关系设计原则设计复合轮系时应遵循负荷分级原则，将大传动比安排在低速级；注意空间布置合理性；考虑各级传动效率，减少传动级数；选择标准模数和齿数，降低制造成本差动轮系行星轮系结构组成类型与特点应用优势行星轮系由中心轮（太阳轮）、行星轮、行星轮系根据固定构件的不同，可分为多行星轮系具有结构紧凑、承载能力大、传行星架和内齿圈（齿圈）组成行星轮同种工作方式常见的有固定齿圈型（用动效率高等优点由于负荷分散在多个行时与太阳轮和齿圈啮合，并由行星架支于减速）、固定太阳轮型（用于增速）和星轮上，单个齿轮受力小，故在相同体积撑行星轮不仅自转，还绕太阳轮公转，固定行星架型（用于换向）不同工作方下能传递更大功率此外，同轴输入输出形成复杂的运动关系式具有不同的传动比和运动特性的特点也使其在空间受限场合具有优势齿轮系设计实例第八章其他常用机构1间歇运动机构的意义2实现方式多样间歇运动机构能将连续输入转间歇运动可通过不同机构实换为间歇性输出，实现步进、现，如棘轮、槽轮、日内瓦机停留和精确定位功能，广泛应构等，各有特点和适用场景用于自动化生产线、包装机械设计时需根据停留时间、步进和精密仪器等领域精度和负载要求选择合适类型3动态性能关键间歇机构在启动和停止过程中易产生振动和冲击，影响精度和寿命良好设计应重视加减速过程的优化，通过合理的运动规律和减震措施降低动态冲击棘轮机构基本原理应用与特点棘轮机构由棘轮和棘爪组成，是一种最简单的间歇运动机构棘棘轮机构的主要特点包括爪在往复运动中，仅在一个方向上驱动棘轮转动，而在反方向运•结构简单，制造成本低动时，棘轮保持静止或受另一棘爪制动•只允许单向转动，具有自锁功能棘轮的齿形通常为不对称的锯齿状，便于棘爪爬过或卡住棘爪•可实现精确的角度控制通常由弹簧或重力保持与棘轮的接触，确保可靠的单向传动•工作可靠，维护简便常见应用包括机械表的上弦机构、千斤顶、捕鱼绞盘、自行车飞轮和安全装置等在需要防止反向运动的场合尤为有用槽轮机构槽轮机构是由带有特殊形状槽的轮盘和与之配合的从动销组成的间歇运动机构当槽轮连续旋转时，从动销在进入槽内后与槽轮一起运动，带动从动件旋转；而当从动销离开槽后，从动件停止运动，实现间歇传动常见的槽轮机构包括麦尔他十字机构（日内瓦机构）、内槽轮机构和外槽轮机构等麦尔他十字机构是最典型的槽轮机构，特点是运动平稳，定位精确，广泛应用于电影放映机、自动分度装置和包装机械等领域设计槽轮机构时需重点考虑槽的形状、数量和从动销的尺寸，以确保运动顺畅和定位准确连续往复运动机构曲柄连杆机构1实现旋转与往复运动的相互转换凸轮机构通过特殊轮廓控制从动件往复运动曲柄滑块机构将旋转运动转换为直线往复运动曲柄滑块机构是机械工程中最常用的运动转换机构之一，它由曲柄、连杆和滑块三个主要部件组成曲柄做连续旋转运动，通过连杆驱动滑块做直线往复运动这种机构的关键特性是滑块的位移、速度和加速度都是曲柄角位置的函数，呈现周期性变化曲柄滑块机构广泛应用于内燃机、往复泵、压缩机和剪切机等设备在设计这类机构时，需要注意曲柄长度与连杆长度的比例关系，它直接影响滑块的运动特性和传递的力合理的设计可以减小侧向力、降低振动和延长机构使用寿命螺旋机构精确的线性运动1将旋转运动转换为精确的直线位移力的放大通过小扭矩产生大的轴向力自锁功能适当的螺距可防止反向驱动螺旋机构是利用螺纹副将旋转运动转换为直线运动的机构，由螺杆和螺母组成当螺杆转动时，螺母沿轴向移动；当螺母转动时，螺杆沿轴向移动这种机构的传动比取决于螺距，螺距越小，直线位移与旋转角度的比值越小，但力的放大效果越显著螺旋机构的应用非常广泛，包括各类螺旋升降机、精密定位装置、机床丝杠、测微器和螺栓紧固等现代精密机械中常用的滚珠丝杠是螺旋机构的一种改进形式，通过滚珠的滚动代替滑动摩擦，大幅提高了传动效率和定位精度螺旋机构设计中需要重点考虑螺距选择、材料配对、润滑方式和防反转措施等因素连杆曲线机构直线机构现代应用瓦特机构通过特定比例的四杆机构，使连杆上的一点近似沿直线运动，最连杆曲线机构在现代工业中仍有广泛应用，如汽车雨刷系统、门窗开闭装早应用于蒸汽机切比雪夫机构能产生更高精度的近似直线运动，适用于置、包装机械中的轨迹控制等先进制造技术使得复杂连杆机构的精密制造精密导向成为可能123复杂曲线机构通过巧妙设计的连杆组合，可以产生各种复杂曲线，如椭圆、抛物线、双摆线等这类机构广泛应用于自动化生产线中需要特定轨迹运动的场合第九章机械的效率与自锁效率的定义计算方法机械效率是描述机械系统能量利用程度的重要参数，定义为输出效率计算有多种方法，常用的包括功率与输入功率之比η=Pout/Pin理想情况下，η=1，但

1.功率法直接测量输入功率和输出功率实际机械系统中由于各种损耗，效率总小于

12.能量法测量一个完整周期内的能量转换主要损耗来源包括

3.分析法基于机构模型分析各环节损耗•摩擦损耗运动副处的滑动摩擦对于复杂系统，通常需要结合试验和理论计算方法，确定各子系•冲击损耗间隙导致的机械冲击统效率，再计算整体效率效率评估是机械系统优化设计的重要•变形损耗部件弹性变形的能量消耗依据，可以指导设计人员改进能量传递过程•阻力损耗空气、液体阻力等机构效率机械效率系统分析效率计算1确定功率流路径和能量损失点计算各子系统效率并推导总效率效果验证方案优化通过测试验证效率改进结果针对低效环节改进设计方案串联机构的效率计算相对简单，总效率等于各级效率的乘积例如，一个三级减速器，如果各级效率分别为98%、97%和96%，则总效率为98%×97%×96%=

91.2%这表明机构级数越多，总效率越低，因此在设计中应尽量减少传动级数并联机构的效率计算需要考虑功率分配比例如果总输入功率P分别以P₁和P₂的比例流向两个并联支路（P₁+P₂=P），且两支路效率分别为η₁和η₂，则总效率η=P₁×η₁+P₂×η₂/P这意味着，功率主要流经高效支路时，系统总效率较高；反之则较低在设计并联系统时，应尽量使大部分功率通过高效率的传动路径自锁现象定义和条件常见自锁机构自锁是指在某些条件下，机构无法通过从自锁现象在多种机构中存在动件反向驱动主动件的现象自锁条件通•螺旋机构小螺距和高摩擦时自锁常与摩擦系数和机构几何参数有关•蜗杆传动大导程角蜗杆通常不自锁例如，对于螺旋机构，当螺旋升角α小于等•楔块机构楔角小于摩擦角时自锁效摩擦角φ时（α≤φ，或tanα≤μ，其中μ•棘轮机构结构设计确保单向自锁为摩擦系数），系统将出现自锁现象这一条件可解释为摩擦力产生的阻力矩大•制动器通过摩擦实现动力切断于或等于负载产生的驱动矩自锁的双面性自锁现象在不同应用场景中可能是有利或不利的特性有利方面维持位置（如螺栓紧固）、安全防护（防止意外反转）、简化系统（无需额外锁止装置）不利方面降低系统效率、增加驱动力要求、可能导致卡死和磨损加剧自锁的应用与防止自锁的应用防止自锁的措施自锁特性在许多领域有重要应用在某些需要可逆传动的场合，需采取措施防止自锁•紧固件螺栓、螺钉利用自锁防松

1.几何参数优化选择大于临界值的螺旋角或导程角•提升设备千斤顶、升降台保持位置

2.摩擦系数控制使用润滑剂降低摩擦，选用低摩擦材料配对•安全装置防止意外反向运动

3.结构改进使用滚动摩擦代替滑动摩擦，如滚珠丝杠•精密调节显微镜微调装置

4.辅助装置添加反锁装置或助力装置•制动系统利用楔块自锁原理

5.动态控制通过振动或脉冲减小静摩擦影响在设计利用自锁特性的机构时，应考虑足够的安全裕度，确保在各种工况下可靠自锁例如，精密定位系统通常使用滚珠丝杠代替普通丝杠，既保证传动效率，又避免自锁导致的控制困难第十章机械的平衡减少振动不平衡引起的振动会导致机械部件疲劳失效，降低设备寿命，并造成噪音污染良好的平衡设计可以显著减少振动，提高设备运行的平稳性和可靠性提高精度对于精密机械，如机床和测量设备，振动会直接影响加工或测量精度实现良好的平衡是保证高精度的必要条件，尤其对高速旋转的部件更为重要延长寿命不平衡引起的振动会加速轴承和其他部件的磨损，导致设备过早失效通过静平衡和动平衡技术，可以显著延长机械系统的使用寿命，降低维护成本保障安全大型和高速旋转设备如不平衡，可能产生危险的振动甚至导致机械故障和安全事故对关键设备进行平衡处理是确保安全运行的重要措施刚性转子的静平衡静平衡原理静平衡是指转子的质心位于旋转轴上，使转子处于任意角位置时都不产生重力矩静不平衡主要表现为转子的质心偏离旋转轴，形成偏心，导致旋转时产生离心力和振动检测方法静平衡检测常用的方法包括平衡台法（将转子放在水平轴承上，观察是否有转动趋势）；吊挂法（将转子悬挂，观察重点位置）；滚动法（在倾斜平面上滚动，观察停止位置）这些方法都是基于重力作用原理检测质心位置平衡技术静平衡的实现通常通过添加或去除质量的方式添加平衡块（如焊接、螺栓连接）或去除材料（如钻孔、铣削）是常用方法对于批量生产的转子，可以在设计阶段通过合理布置质量分布实现初步平衡刚性转子的动平衡动平衡是指除满足静平衡条件外，还要使转子各部分的离心力形成的力矩相互平衡，避免转子旋转时产生摇摆动不平衡主要表现为转子的惯性主轴与几何旋转轴不重合，导致旋转时产生离心力矩和振动动平衡通常通过在两个或多个平衡面上添加或去除质量来实现现代动平衡设备可以自动测量不平衡量的大小和位置，并计算所需的平衡质量高精度动平衡对高速旋转设备如涡轮、电机转子和精密轴承等至关重要随着转速提高，对动平衡的要求也随之提高，尤其在航空航天、精密制造等领域平面机构的平衡力平衡力矩平衡通过添加配重使各个构件的质心尽可能在满足力平衡的基础上，进一步平衡构接近其运动副，减小离心力对支架的作件运动产生的力矩这通常需要对整个12用对于曲柄等旋转构件，通常通过配机构进行系统分析，确定各构件之间的重使其质心与旋转中心重合相互作用关系部分平衡完全平衡考虑到完全平衡可能导致机构过于复杂完全平衡要求机构在任何位置和任何速43和增加质量，实际工程中常采用部分平度下都不对机架产生不平衡力和力矩，衡，即只平衡主要的不平衡分量，接受通常需要增加辅助机构或采用镜像设计一定程度的残余不平衡方法实现平衡实例分析汽车发动机平衡洗衣机动态平衡高速机床主轴平衡多缸发动机通过合理排列曲轴曲柄角度和现代滚筒洗衣机采用自动平衡系统，通过高速机床主轴要求极高的平衡精度，通常添加平衡轴实现平衡例如，直列四缸发液体平衡环或移动块来动态补偿不平衡的采用精密动平衡技术现代机床主轴在制动机的曲轴通常采用0°-180°-180°-0°曲衣物分布高端型号还配备电子传感器和造后经过多次高精度动平衡处理，并在刀柄排列，使一阶惯性力相互抵消对于V控制系统，可根据振动情况自动调整转速具更换时进行在线平衡调整，确保在高达型发动机，则通过特殊的气缸排列和曲轴或重新分布衣物，大幅降低脱水过程中的20,000rpm以上的转速下仍能保持稳定运设计实现平衡振动行，提高加工精度第十一章机械系统动力学基础静力学分析研究机械在静态平衡条件下的力与力矩关系运动学分析2研究机械运动的几何特性，不考虑力的作用动力学分析3研究力与运动之间的关系，考虑惯性力和外力机械系统动力学是研究机械在受力作用下运动规律的学科，它将静力学和运动学的研究方法结合，考虑惯性力的影响，能够更全面地揭示机械系统的运动特性动力学分析对于高速机械、精密设备和有冲击载荷的系统尤为重要动力学分析的重要性体现在预测系统在实际工况下的运动行为；识别潜在的振动和噪声问题；优化控制策略和驱动系统；提高机械的可靠性和使用寿命随着计算机辅助工程的发展，动力学分析已成为现代机械设计不可或缺的环节机械系统的动力学模型系统简化将复杂机械简化为质点、刚体或质点-弹簧-阻尼系统等理想模型，忽略次要因素，突出关键特性常见简化方法包括•集中质量法将分布质量简化为离散质点•等效刚度法将复杂弹性元件简化为等效弹簧•线性化处理将非线性关系在工作点附近线性化参数确定确定模型中的关键参数，包括•质量和转动惯量通过CAD模型或试验测定•刚度系数通过理论计算或实验测量•阻尼系数主要通过试验或经验公式确定•外部载荷分析工作环境中的作用力模型验证通过对比理论预测与实验结果验证模型有效性•频率响应分析比较固有频率和模态•时域响应比较时间-位移曲线•稳态性能比较稳态运行特性•模型修正根据实验结果优化模型参数机械系统的运动方程运动方程的建立方法求解与分析建立机械系统动力学方程的常用方法包括对于单自由度系统，运动方程通常表示为

1.牛顿-欧拉方法直接应用牛顿第二定律和转动定律，适合简mẍ+cẋ+kx=Ft单系统其中m为质量，c为阻尼系数，k为刚度系数，Ft为外力

2.拉格朗日方法基于系统能量和广义坐标，适合复杂系统求解方法包括

3.达朗伯原理将惯性力视为外力，转化为静力学问题

4.凯恩方法适用于多体系统，考虑约束方程•解析法适用于简单系统和特定激励形式•数值积分如龙格-库塔法，适用于复杂非线性系统选择何种方法取决于系统复杂性、自由度和研究目的复杂系统通常采用拉格朗日方法更为便捷•模态分析将多自由度系统分解为模态坐标•频域分析研究系统在不同频率下的响应现代动力学分析通常借助专业软件如ADAMS、ANSYS等进行总结与展望课程回顾数字化设计本课程系统讲解了机械原理的基础随着计算机技术的发展，机械设计理论和应用方法，包括机构运动学正向数字化、智能化方向发展基分析、常见机构设计、效率与平衡于参数化设计、仿真分析和优化算等内容通过学习，同学们应掌握法的机械设计方法将成为主流，使机械系统分析与设计的基本思路和设计过程更加高效、精确和创新方法，具备解决实际工程问题的能力学科交叉融合未来机械工程将与电子、信息、材料等学科深度融合，产生柔性机构、智能机械系统等新兴领域机械原理的应用范围将不断扩大，在微纳制造、生物医学、航空航天等前沿领域发挥关键作用机械原理作为机械工程的基础学科，其重要性将随着科技发展而不断提升希望同学们在课程学习的基础上，持续关注学科前沿，不断更新知识结构，成为能够适应未来发展需求的高素质机械工程人才。