机械原理教学课件

机械原理教学课件课程目标和学习要求课程目标学习要求

1.掌握机械原理的基本概念和理论体系

2.熟悉各种常用机构的结构、运动和动力特性

3.能够运用所学知识分析和设计简单的机械装置

4.培养解决实际工程问题的能力第一章绪论机械的定义机械是能转换能量或传递运动以完成特定任务的装置它由多个零件组成，通过相对运动实现预定的功能机构的定义机构是由若干构件通过运动副联接组成的能够实现确定运动的系统机构是机器的重要组成部分，是机器完成特定功能的关键本章重点机械与机构的定义机械机构机械是能够完成有用功或转换能机构是由多个构件通过运动副连量的装置，通常包含一个或多个接而成的运动系统，其主要目的机构机械的设计需要考虑其功是实现特定的运动规律机构的能、效率、可靠性等因素，以满设计重点在于运动的精确性和可足特定的使用需求靠性，以保证机械的正常运行联系机构的分类1按用途分类2按运动形式分类动力机构、执行机构、控制机平面机构、空间机构等平面构等不同用途的机构具有不机构的运动在同一平面内，空同的结构和性能要求，需要根间机构的运动则可以在三维空据实际需求进行选择和设计间中进行，具有更强的灵活性按结构特点分类机构的自由度自由度的定义自由度的计算自由度的意义自由度是指机构中独立运动参数的数自由度可以通过公式进行计算，需要考自由度是评价机构运动性能的重要指目，它决定了机构的运动能力自由度虑构件的数目和运动副的类型正确计标，它直接影响机构的功能和应用范越高，机构的运动越灵活，但设计和控算自由度是分析和设计机构的基础，也围合理选择自由度是设计机构的重要制也越复杂是保证机构正常运行的关键环节，也是提高机构性能的重要手段第二章平面机构的结构分析运动链2构件通过运动副连接运动副1构件间的可动连接机构组成具有确定运动的运动链3运动副的概念和分类运动副的定义1运动副是两个构件之间的可动连接，它允许构件之间产生相对运动运动副的类型决定了构件之间的运动关系，是机构运动分析的基础按接触形式分类2面接触、线接触、点接触等不同接触形式的运动副具有不同的承载能力和摩擦特性，需要根据实际需求进行选择按运动形式分类3转动副、移动副、螺旋副等不同运动形式的运动副具有不同的运动特性和适用范围，需要根据实际需求进行选择运动链的概念和分类运动链的定义运动链是由若干构件通过运动副连接而成的链状结构，它是机构的基本组成单元运动链的结构决定了机构的运动特性，是机构设计的基础按封闭性分类开式运动链、闭式运动链等开式运动链的末端没有与其他构件连接，闭式运动链的末端则与其他构件形成闭合回路按运动形式分类平面运动链、空间运动链等平面运动链的运动在同一平面内，空间运动链的运动则可以在三维空间中进行机构的组成原理确定性1机构的运动应该是确定的，即给定输入运动，输出运动也应该是唯一确定的这是机构正常运行的基本要求运动连续性2机构的运动应该是连续的，避免出现sudden的跳跃或中断这可以提高机构的平稳性和可靠性结构紧凑3机构的结构应该紧凑，尽量减少构件的数目和尺寸，以提高机构的效率和降低成本这是机构设计的重要目标平面机构的自由度计算公式应用实例F=3n-2PL-PH，其通过自由度计算，可以通过具体的实例，演示中F代表自由度，n代表判断机构是否具有确定如何应用自由度计算公构件数，PL代表低副的运动如果自由度小式例如，分析四杆机数，PH代表高副数于等于0，则机构无法构的自由度，并解释其理解公式中的每个参数运动；如果自由度大于运动特性这有助于加是正确计算自由度的关0，则机构可以运动，深对自由度概念的理键但需要施加额外的约解束平面机构的结构简图绘制步骤注意事项

1.确定机构的构件和运动副

1.结构简图应该清晰、简洁，能够准确表达机构的结构和运动关

2.用简单的几何图形表示构件系

3.用符号表示运动副

2.构件的形状可以简化，但必须保留其主要特征

4.标注构件的尺寸和运动参数

3.运动副的符号应该统一，便于识别第三章平面机构的运动分析速度分析2确定机构中各构件的速度位置分析1确定机构中各构件的位置加速度分析确定机构中各构件的加速度3机构的位置分析1位置方程法2图解法建立机构的位置方程，通过求通过绘制机构的运动图，直接解方程组来确定构件的位置测量构件的位置这种方法简这种方法适用于结构简单的机单直观，但精度较低，适用于构，例如四杆机构初步分析3数值法采用数值计算方法，例如迭代法，求解机构的位置方程这种方法精度较高，适用于结构复杂的机构机构的速度分析瞬心法矢量多边形法解析法利用瞬心的概念，简化速度分析过程瞬通过绘制速度矢量多边形，求解构件的速建立速度方程，通过求解方程组来确定构心是指机构中两个构件的相对速度为零的度这种方法直观易懂，适用于平面机构件的速度这种方法精度较高，适用于结点，通过确定瞬心的位置，可以快速求解的速度分析构复杂的机构构件的速度瞬心法瞬心的定义瞬心的性质瞬心是指机构中两个构件的相对机构中任意两个构件之间都存在速度为零的点瞬心的位置随机瞬心瞬心既属于一个构件，又构的运动而变化，是机构速度分属于另一个构件，是这两个构件析的重要工具的相对运动的中心瞬心的应用通过确定瞬心的位置，可以简化机构的速度分析过程例如，可以利用瞬心法快速求解四杆机构中各构件的速度机构的加速度分析矢量多边形法解析法通过绘制加速度矢量多边形，求解构件的加速度这种方法直观建立加速度方程，通过求解方程组来确定构件的加速度这种方易懂，适用于平面机构的加速度分析需要注意的是，加速度矢法精度较高，适用于结构复杂的机构解析法需要较高的数学基量多边形比速度矢量多边形更复杂础第四章平面连杆机构及其设计应用2广泛应用于各种机械设备类型1曲柄摇杆、双曲柄、双摇杆设计需要考虑运动特性和力学性能3四杆机构的类型1曲柄摇杆机构2双曲柄机构一个构件为曲柄，可以做整周两个构件都为曲柄，可以做整转动，另一个构件为摇杆，只周转动双曲柄机构常用于实能做往复摆动曲柄摇杆机构现两个旋转运动之间的协调常用于将旋转运动转换为往复运动3双摇杆机构两个构件都为摇杆，只能做往复摆动双摇杆机构常用于实现两个往复运动之间的协调曲柄摇杆机构特点应用曲柄可以做整周转动，摇杆只能做往复摆动曲柄摇杆机构的运曲柄摇杆机构广泛应用于各种机械设备，例如缝纫机、冲床、内动特性取决于其结构参数，例如连杆长度、曲柄长度、摇杆长度燃机等它可以将旋转运动转换为往复运动，实现特定的功能等双曲柄机构特点两个构件都为曲柄，可以做整周转动双曲柄机构的运动特性取决于其结构参数，例如连杆长度、曲柄长度等应用双曲柄机构常用于实现两个旋转运动之间的协调例如，在某些印刷机械中，需要两个旋转运动保持一定的相位关系，就可以采用双曲柄机构双摇杆机构特点两个构件都为摇杆，只能做往复摆动双摇杆机构的运动特性取决于其结构参数，例如连杆长度、摇杆长度等双摇杆机构的运动范围受到限制应用双摇杆机构常用于实现两个往复运动之间的协调例如，在某些纺织机械中，需要两个往复运动保持一定的相位关系，就可以采用双摇杆机构四杆机构的设计方法确定运动规律1根据实际需求，确定机构的运动规律，例如曲柄的转速、摇杆的摆动范围等这是四杆机构设计的基础选择机构类型2根据运动规律，选择合适的机构类型，例如曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等不同的机构类型具有不同的运动特性确定结构参数3根据运动规律和机构类型，确定机构的结构参数，例如连杆长度、曲柄长度、摇杆长度等结构参数的确定需要进行优化设计第五章凸轮机构及其设计运动规律2决定了从动件的运动特性类型1盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮设计需要考虑压力角和轮廓曲线3凸轮机构的类型1盘形凸轮机构2移动凸轮机构凸轮为盘形，从动件在垂直于凸轮做直线运动，从动件也做凸轮轴线的平面内运动盘形直线运动移动凸轮机构常用凸轮机构结构简单，应用广于实现直线运动的传递泛3圆柱凸轮机构凸轮为圆柱形，从动件在平行于凸轮轴线的平面内运动圆柱凸轮机构常用于实现复杂的运动规律从动件的运动规律等速运动从动件以恒定的速度运动等速运动的加速度为零，但会产生冲击，不适用于高速运动简谐运动从动件的运动规律符合简谐运动的规律简谐运动的加速度变化平缓，冲击较小，适用于中速运动余弦加速度运动从动件的加速度变化符合余弦函数的规律余弦加速度运动的冲击最小，适用于高速运动凸轮轮廓曲线的设计确定从动件的运动规律计算凸轮的理论轮廓曲线根据实际需求，选择合适的从动根据从动件的运动规律，计算凸件运动规律，例如等速运动、简轮的理论轮廓曲线理论轮廓曲谐运动、余弦加速度运动等不线是凸轮设计的基础同的运动规律具有不同的运动特性修正凸轮的实际轮廓曲线考虑从动件的尺寸和形状，对凸轮的理论轮廓曲线进行修正，得到凸轮的实际轮廓曲线实际轮廓曲线是凸轮加工的依据尖点和凹角的处理尖点凹角尖点是指凸轮轮廓曲线上的一个突变点，会导致从动件产生冲击凹角是指凸轮轮廓曲线上的一个凹陷点，会导致从动件产生干和振动为了避免尖点，需要对凸轮轮廓曲线进行修正，例如采涉为了避免凹角，需要对凸轮轮廓曲线进行修正，例如增大凸用圆弧过渡轮的基圆半径凸轮机构的压力角定义1压力角是指凸轮推力方向与从动件运动方向之间的夹角压力角越大，从动件受到的侧向力越大，机构的效率越低影响因素2压力角的大小受到凸轮轮廓曲线和从动件运动规律的影响合理选择凸轮轮廓曲线和从动件运动规律可以减小压力角设计原则在凸轮机构设计中，应该尽量减小压力角，以提高机构的效率3和寿命通常，压力角应该控制在一定的范围内，例如小于30度第六章齿轮机构及其设计齿形2渐开线齿形参数1模数、齿数、压力角设计避免干涉和保证强度3齿轮的基本参数1模数2齿数模数是齿轮设计中最基本的参齿数是指齿轮上的齿的数目数，它决定了齿轮的尺寸和承齿数越多，齿轮的传动比越精载能力模数越大，齿轮的尺确，但齿轮的尺寸也越大齿寸越大，承载能力也越强数应该根据传动比和齿轮的尺寸进行选择3压力角压力角是指齿轮齿廓的切线与齿轮中心连线之间的夹角压力角越大，齿轮的承载能力越强，但齿轮的啮合效率越低压力角通常选择20度渐开线齿形定义渐开线齿形是指齿轮齿廓的形状符合渐开线的规律渐开线是由基圆上的一点沿直线滚动的轨迹形成的特点渐开线齿形具有良好的啮合性能，可以保证齿轮传动的平稳性和可靠性渐开线齿形也是目前应用最广泛的齿轮齿形优点对中心距误差不敏感，可以保证齿轮传动的平稳性具有良好的承载能力，可以承受较大的载荷易于加工，可以降低齿轮的制造成本标准齿轮定义优点标准齿轮是指齿轮的各个参数都易于设计和制造，可以降低齿轮符合国家标准的齿轮标准齿轮的制造成本具有良好的互换的模数、齿数、压力角等参数都性，便于齿轮的更换和维护性有明确的规定能稳定可靠，可以保证齿轮传动的正常运行应用标准齿轮广泛应用于各种机械设备，例如减速器、变速器等在齿轮设计中，应该尽量采用标准齿轮，以降低成本和提高效率齿轮传动的干涉和最少齿数干涉最少齿数干涉是指齿轮传动过程中，齿轮齿廓之间发生碰撞的现象干涉为了避免干涉，齿轮的齿数不能太少最少齿数是指在不发生干会导致齿轮传动不平稳，产生噪声和振动，甚至损坏齿轮涉的情况下，齿轮的最小齿数最少齿数与齿轮的压力角有关，压力角越大，最少齿数越大齿轮的移位及其计算定义1移位是指齿轮在加工过程中，刀具相对于齿轮坯的径向位置发生改变的现象移位可以改变齿轮的齿廓形状，从而改善齿轮的性能作用2避免根切，提高齿轮的承载能力，改善齿轮的啮合性能合理选择移位系数可以优化齿轮的性能计算3移位量的计算需要考虑齿轮的模数、齿数、压力角等参数移位量的计算公式比较复杂，需要参考相关的设计手册第七章齿轮系及其设计周转轮系2至少有一个齿轮轴线绕其他齿轮轴线转动定轴轮系1所有齿轮轴线固定应用3实现不同的传动比和运动形式定轴轮系1定义2特点定轴轮系是指所有齿轮的轴线结构简单，传动效率高，易于都是固定的齿轮系定轴轮系设计和制造定轴轮系广泛应的传动比等于各齿轮齿数的乘用于各种机械设备，例如减速积之比器、变速器等3应用减速器，变速器，传递动力和改变转速在设计定轴轮系时，需要考虑齿轮的模数、齿数、压力角等参数，以保证齿轮传动的平稳性和可靠性周转轮系定义周转轮系是指至少有一个齿轮的轴线绕其他齿轮的轴线转动的齿轮系周转轮系的传动比计算比较复杂，需要采用特定的方法特点可以实现较大的传动比，结构紧凑，运动灵活周转轮系广泛应用于各种机械设备，例如行星齿轮减速器、差速器等应用行星齿轮减速器、差速器，实现较大的传动比和复杂的运动形式在设计周转轮系时，需要考虑齿轮的模数、齿数、压力角等参数，以及行星架的结构和运动特性复合轮系定义特点复合轮系是指由多个定轴轮系或可以实现更大的传动比，结构更周转轮系组成的齿轮系复合轮加紧凑，运动更加灵活复合轮系可以实现更复杂的传动比和运系广泛应用于各种机械设备，例动形式如自动变速器、精密仪器等应用自动变速器、精密仪器，实现更大的传动比和更复杂的运动形式在设计复合轮系时，需要综合考虑各齿轮系的参数和特性，以及整体的结构和运动要求差动轮系定义应用差动轮系是一种特殊的周转轮系，其特点是具有两个输入和一个差动轮系广泛应用于汽车的差速器中，可以使左右车轮以不同的输出，或者一个输入和两个输出差动轮系可以实现两个输入运速度旋转，保证汽车在转弯时的平稳性此外，差动轮系还可以动的差动或叠加应用于精密仪器和控制系统中轮系传动比的计算定轴轮系1传动比等于各齿轮齿数的乘积之比计算公式简单，易于应用需要注意的是，要区分主动轮和从动轮周转轮系2需要采用特定的方法，例如相对速度法或锁固法计算公式比较复杂，需要仔细分析机构的运动关系复合轮系3需要将各齿轮系的传动比相乘计算过程比较繁琐，需要仔细分析机构的结构和运动关系第八章间歇运动机构槽轮机构21棘轮机构日内瓦机构3棘轮机构1组成2原理棘轮、棘爪、弹簧等棘轮是棘爪只能沿一个方向推动棘轮带有棘齿的齿轮，棘爪是只能转动，反向则被棘齿阻挡棘沿一个方向移动的零件，弹簧轮机构可以实现单向的间歇运用于保证棘爪与棘轮的啮合动3应用千斤顶、卷扬机等棘轮机构结构简单，可靠性高，广泛应用于各种机械设备中槽轮机构组成槽轮、驱动盘、锁止机构等槽轮是带有槽的齿轮，驱动盘上带有销，锁止机构用于保证槽轮在停止时不会转动原理驱动盘上的销进入槽轮的槽中，推动槽轮转动槽轮机构可以实现间歇性的转动应用自动送料机、自动装配机等槽轮机构的运动规律比较复杂，需要进行精确的设计和计算日内瓦机构组成原理日内瓦轮、驱动盘、锁止机构驱动盘上的销进入日内瓦轮的槽等日内瓦轮是带有槽的齿轮，中，推动日内瓦轮转动日内瓦驱动盘上带有销，锁止机构用于机构可以实现精确的间歇性转保证日内瓦轮在停止时不会转动动应用电影放映机、自动换刀机构等日内瓦机构的运动规律比较精确，广泛应用于需要精确间歇运动的场合第九章其他常用机构连杆曲柄机构21螺旋机构凸轮机构3螺旋机构1组成2原理螺杆、螺母等螺杆是带有螺螺杆转动时，螺母沿螺杆轴线旋线的杆件，螺母是带有内螺方向移动螺旋机构可以实现纹的零件旋转运动和直线运动之间的转换3应用千斤顶、螺旋压力机等螺旋机构结构简单，传动比大，广泛应用于各种需要大力或精确运动的场合轮系机构组成齿轮、轴、轴承等齿轮是带有齿的零件，轴用于支撑和传递转矩，轴承用于减少轴的摩擦原理齿轮之间通过啮合传递运动和动力轮系机构可以实现不同的传动比和运动形式应用减速器、变速器等轮系机构结构紧凑，传动效率高，广泛应用于各种机械设备中连杆曲柄机构组成原理应用曲柄、连杆、滑块等曲柄是能够做曲柄转动时，通过连杆带动滑块沿直内燃机、冲床等连杆曲柄机构结构整周转动的杆件，连杆是连接曲柄和线运动连杆曲柄机构可以实现旋转简单，运动可靠，广泛应用于各种机滑块的杆件，滑块是只能沿直线运动运动和直线运动之间的转换械设备中的零件第十章机械的平衡动平衡21静平衡目的减少振动和噪声3刚体的平衡概念1静平衡2动平衡刚体在静止状态下，所受到的刚体在运动状态下，所受到的力系满足平衡条件静平衡是力系满足平衡条件动平衡可机械正常运行的基本要求以减少机械的振动和噪声3平衡条件合力为零，合力矩为零满足平衡条件可以保证刚体的稳定性和可靠性旋转体的静平衡和动平衡静平衡旋转体在静止状态下，重心位于旋转轴线上静平衡可以通过加重或减重的方法来实现动平衡旋转体在旋转状态下，惯性力系满足平衡条件动平衡需要通过专业的动平衡试验机来进行调整重要性旋转体的静平衡和动平衡对于减少机械的振动和噪声至关重要不平衡的旋转体容易产生振动，影响机械的寿命和精度往复运动部件的平衡部分平衡完全平衡只能平衡一部分惯性力，适用于可以完全平衡惯性力，适用于对对平衡要求不高的场合部分平平衡要求高的场合完全平衡的衡的实现比较简单，成本较低实现比较复杂，成本较高平衡方法加平衡重、采用平衡机构等平衡方法的选择需要根据具体的机构和平衡要求来确定第十一章机械的速度波动调节飞轮2调节速度波动1周期性波动目的提高机械的平稳性3机械的周期性速度波动1原因2影响3调节机械在工作过程中，受到的阻力是降低机械的平稳性，影响机械的精采用飞轮等措施来调节速度波动变化的，导致机械的速度产生波度，甚至损坏机械速度波动过大飞轮可以储存能量，在阻力增大时动周期性速度波动是指速度波动会导致机械无法正常工作释放能量，从而减小速度波动具有周期性的特点飞轮的设计确定飞轮的转动惯量根据机械的速度波动要求，计算飞轮的转动惯量转动惯量越大，飞轮的储能能力越强，调节速度波动的效果越好选择飞轮的材料和尺寸根据飞轮的转动惯量和强度要求，选择合适的材料和尺寸飞轮的材料通常选择钢或铸铁，尺寸需要满足强度和刚度的要求校核飞轮的强度和刚度对飞轮进行强度和刚度校核，保证飞轮在高速旋转时不会发生破坏强度和刚度是飞轮设计的重要指标第十二章机械中的摩擦、润滑与效率润滑2减少摩擦和磨损摩擦1滑动摩擦和滚动摩擦效率能量利用率3滑动摩擦和滚动摩擦滑动摩擦滚动摩擦影响两个物体表面之间发生相对滑动时产生一个物体在另一个物体表面上滚动时产摩擦会消耗能量，降低机械的效率，甚的摩擦滑动摩擦力的大小与物体表面生的摩擦滚动摩擦力的大小与物体表至导致机械零件的磨损和损坏减少摩的粗糙程度和正压力有关面的粗糙程度和正压力有关，但远小于擦是提高机械效率和寿命的重要手段滑动摩擦力机械的效率计算总效率1等于各传动环节效率的乘积总效率反映了机械整体的能量利用率提高效率的方法2减少摩擦、采用合理的润滑方式、优化机械结构等提高效率可以降低能耗，延长机械寿命影响因素3摩擦、润滑、结构、材料等机械的设计需要综合考虑各种因素，以提高效率课程总结与复习要点本课程系统地介绍了机械原理的基本概念、理论和方法通过本课程的学习，学生应该掌握机械与机构的定义、机构的分类和自由度的计算、平面机构的运动分析、各种常用机构的设计和应用、机械的平衡和效率等内容希望同学们在今后的学习和工作中，能够运用所学知识，解决实际工程问题。