《机械原理与机构》课件

机械原理与机构本课程介绍机械原理基础知识与各类机构工作原理，帮助学生理解机械设计核心概念机械原理基础知识回顾机械系统定义机械学科分支用于传递运动和力的装置组合机构学、动力学、机械设计工程应用案例自动化生产线、精密仪器、交通工具机构与机械的区别机构定义机械定义区别与联系能实现确定运动的运动链含动力源的机构系统机械包含机构无动力源的运动变换系统完成特定工作的完整装置机构是机械的核心组成部分机构的基本组成构件机构中各个刚体部件如连杆、曲柄、滑块等运动副构件之间的连接限制相对运动的接触部分组合方式构件通过运动副连接形成确定运动的整体系统机构的分类平面机构空间机构构件在同一平面内运动构件在三维空间运动••如四杆机构、凸轮机构如万向节、球铰链••应用最为广泛结构复杂但功能强大••常见实例发动机曲柄连杆机构•机器人关节机构•自动门合页机构•机构运动分析基础速度分析确定各构件瞬时速度加速度分析计算构件的加速度变化分析步骤简述建立坐标系写运动方程求解参数→→机械运动类型平移运动构件各点速度相同如滑块、活塞等旋转运动构件绕固定轴旋转如齿轮、飞轮等综合运动平面运动和旋转组合如连杆、摇臂等约束与自由度概念自由度定义机构独立运动参数数量运动约束类型完全约束、局部约束公式KutzbachF=3n-1-2PL-PH机构自由度计算机构类型自由度计算公式典型实例平面机构四杆机构F=3n-1-2PL-PH F=1空间机构机械臂F=6n-1-5P5-F=64P4-3P3-2P2-P1特殊机构考虑几何约束平行四边形机构机构运动副分类低副高副复合副面接触，如铰链、滑动点线接触，如齿轮啮合多种约束组合，如螺旋副平面连杆机构简介四杆机构组成机架、曲柄、连杆、摇杆工程应用起重机、印刷机、擦窗器传动特点输入旋转转化为复杂输出运动四杆机构运动分析四杆机构运动关系复杂多变，可通过几何分析确定输入输出关系曲柄能完整旋转的条件与杆长关系密切相关四杆机构类型123曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构-一杆可完全旋转，另一杆摇摆两杆均不能完全旋转两杆均可完全旋转连杆长度与机构构形夹杂曲柄的构型分析曲柄存在条件广泛应用举例最短杆最长杆中间两杆之和内燃机曲轴连杆+•缝纫机踏板机构•满足条件Grashof机械臂关节•连杆机构的死点现象死点定义机构运动暂时停滞的特殊位置动作影响传动中断，运动不连续规避措施加装飞轮、双曲柄并联、调整杆长束缚机构和装配问题束缚机构判定自由度为零或负值装配问题产生过约束导致无法组装干涉问题构件相互阻碍运动解决方案增加自由度、修改结构、添加弹性元件柱塞机构与滑块机构柱塞机构原理滑块机构类型将旋转变为往复直线运动曲柄滑块、偏心轮滑块应用领域运动特点4发动机、泵、压缩机位移与角度非线性关系平面滑动副与旋转副旋转副结构形式滑动副结构形式轴承支撑导轨配合••销钉连接直线轴承••主动限制一个自由度限制五个自由度••工程选用原则精度要求•承载能力•运动速度•铰链四杆机构实例工程案例发动机连杆案例液压剪动画演示12将旋转变为往复运动放大力和行程变换直观展示运动轨迹凸轮机构基本原理曲线设计确定从动件运动规律分类盘形、圆柱形、空间凸轮凸轮及从动件定义凸轮驱动从动件按特定规律运动常见凸轮从动件形式平底从动件滚子从动件接触面积大，压力小滚动接触，摩擦小摆动从动件输出为角位移，结构紧凑凸轮轮廓几何设计位移曲线确定从动件位移函数速度规划控制运动平滑性加速度规划避免冲击和振动曲线Maxwell实现平稳加减速凸轮机构的工程应用凸轮机构广泛应用于汽车发动机、包装机械和自动化生产线，通过精确控制从动件运动规律，实现复杂工作要求往复回转运动机构-滑块曲柄机构偏心轮机构-将旋转转化为直线往复轮心与转轴不同心应用发动机、泵应用凸轮轴、阀门齿轮机构基础知识常见齿轮类型齿轮参数直齿、斜齿、锥齿、蜗轮蜗杆齿轮工作原理模数、压力角、齿数、齿形啮合传递转矩和运动直齿圆柱齿轮传动斜齿和伞齿轮机构斜齿轮特点伞齿轮特点啮合平稳轴交角传动••噪音低常用于°传动••90轴向力大结构复杂••行星齿轮机构行星轮内齿圈围绕太阳轮转动外部固定或转动齿圈太阳轮行星架中心齿轮支撑行星轮的框架蜗杆与蜗轮机构结构特点传动特性垂直轴传动运动精确••大传动比噪音低••啮合线接触效率较低••自锁性分析螺旋角小于摩擦角时自锁•单向驱动特性•用于不可逆传动•齿轮传动误差与啮合干涉误差类型制造误差、装配误差、变形误差影响分析噪音增大、寿命降低、精度下降解决措施齿形修正、加工精度提高、润滑改善间歇运动机构不完全齿轮机构槽轮机构滚子凸轮间歇机构部分齿轮环缺齿槽轮和销钉配合特殊轮廓实现周期停顿日内瓦轮机构（机构）Geneva结构组成应用案例驱动轮和槽轮机械手表•传送带定位•销钉和槽口配合包装机械•棘轮棘爪间歇机构1棘轮圆周带锯齿的轮盘2棘爪与棘轮啮合的档块3间歇传动仅允许单向转动4应用场景卷扬机、千斤顶、计数器联动与组合机构联动原理多个机构串联或并联组合方式级联、叠加、混合连接复杂动作生成实现单一机构无法完成的运动典型应用包装机械、纺织设备、机器人其它典型机构介绍滑块曲柄机构螺旋机构铰链机构-曲柄连接滑块，转化运动形式旋转转化为轴向运动，力放大实现空间运动转换，如剪刀铰链平面机构运动分析常用方法向量法图解法方程法用向量方程描述机构运直观形象构建约束方程组动适合简单机构分析高精度数值解适合计算机求解速度瞬心法与应用速度瞬心定义位置判定平面构件瞬时速度为零的点两点速度方向垂线交点典型实例速度计算4连杆机构、车轮滚动分析点速度与瞬心距离成正比力分析基础受力识别确定各构件受力情况平衡方程建立力平衡和力矩平衡方程摩擦影响考虑运动副摩擦力影响惯性力分析基本原理惯性力计算等效惯性力系统质量分布•加速度确定•牛顿欧拉方程-惯性力与力矩•机构动力学理论平衡分析机构冲击问题静平衡冲击成因••动平衡冲击力计算••平衡质量确定减小冲击措施••振动分析固有频率•共振现象•减振方法•运动仿真与计算机辅助分析建模运动仿真力学分析CAD建立虚拟几何模型模拟机构实际运动分析应力分布和变形机构创新方法创新思维突破常规设计思路机构演化基于现有机构改进机构合成组合基本机构创造新机构机构优化设计目标定义明确优化目标和约束条件参数分析确定关键设计参数优化方法3遗传算法、灵敏度分析评价验证样机测试、性能评估新型机构发展趋势现代机构学研究向微型化、柔性化、智能化方向发展，技术使微米级机构成为可能，柔性机构和仿生结构带来全新设计理念MEMS机械原理与自动化结合机器人机构自动控制机电一体化集成传感器和执行电子控制取代纯机机械、电子、信息机构械传动集成工业应用工业智能制造

4.0机械原理与绿色制造节能型机构可持续材料降低能耗设计环保材料选择低污染工艺低损耗传动清洁生产技术减少摩擦和磨损典型机构综合实例分析实例机械臂传动系统实例包装设备机构链12多自由度串联机构凸轮与间歇机构组合••精确位置控制同步控制多工位••速度与力矩传递高速精确定位••期末复习与考试说明复习要点机构分析方法和典型机构原理题型说明计算题、分析题、设计题备考建议理解原理、多做习题、联系实际课程总结与展望。