[工学]天津大学机械原理课件

天津大学机械原理本课程全面深入介绍机械原理的核心概念与实践应用，采用面向工程设计的系统化教学内容课程强调理论与实践相结合的工程教育理念，帮助学生建立扎实的机械工程基础通过系统学习机械原理，学生将掌握机构分析与设计的基本方法，理解机械系统的工作原理，培养解决实际工程问题的能力课程内容涵盖从基础理论到工程应用的完整知识体系课程内容概述机械原理基础理论机构组成与分析系统学习机构学基本概念，掌深入理解机构的组成原理，学握机械系统分析方法，建立扎习运动学和动力学分析的基本实的理论基础方法工程设计实践掌握常用机构设计方法，培养解决实际工程问题的综合能力第一篇导论学科发展历程机械工程学科从古代简单机械发展到现代复杂系统的历史演进过程现代工程地位机械原理在当代工程技术中的核心地位和重要作用学习方法指导科学的学习方法和思维模式，理论联系实际的学习思路机械的组成与分类动力部分传动部分提供机械运动所需的动力源将动力传递和转换为所需的运动形式控制部分执行部分控制和调节机械系统的工作状态完成预定工作任务的机构组件机械的发展历程古代简单机械早期人类利用杠杆、轮轴、滑轮等简单机械减轻劳动强度，提高工作效率这些基本机械原理至今仍是现代机械设计的重要基础古代工匠通过经验积累，创造了许多精巧的机械装置工业革命推动蒸汽机的发明标志着机械工业的重大突破，机械制造从手工业向大规模工业生产转变工业革命促进了机械理论的系统化发展，奠定了现代机械工程的理论基础现代机械特点现代机械设计注重高精度、高效率、智能化和环保要求数控技术、自动化控制和先进材料的应用，使机械系统具备更强的功能性和可靠性机械设计的要求功能性要求实现预期工作目标和技术指标技术性要求保证效率、精度与可靠性经济性要求成本控制与资源优化利用机械设计必须在满足功能需求的前提下，综合考虑技术可行性和经济合理性设计师需要在性能、成本、质量之间找到最佳平衡点，确保产品的市场竞争力机械设计的过程需求分析深入了解用户需求，明确技术指标和使用条件制定详细的设计任务书和技术要求方案设计提出多种设计方案，进行技术经济比较选择最优方案并进行可行性验证详细设计完成零部件的详细设计和强度计算绘制工程图纸，编制技术文件优化改进根据试验结果和使用反馈进行改进持续优化设计，提高产品性能机械设计的方法分析法综合法类比法通过分析现有机械产品的结构和工作原根据功能需求和技术要求，运用机械原借鉴其他领域或相似产品的成功设计经理，总结设计规律和经验，为新产品设理知识，创新性地构建新的机构方案验，通过类比和移植来解决设计问题计提供参考依据这种方法有助于避免这种方法强调创新思维和理论应用的结这种方法能够拓宽设计思路，促进创重复错误，提高设计效率合新第二篇机构的组成和分析机构基本概念运动副与约束机构是具有确定相对运动的构件运动副连接两个构件并允许特定系统，是机器实现运动变换和力的相对运动，同时约束其他方向传递的基本单元理解机构的定的运动不同类型的运动副具有义对于后续学习至关重要不同的约束特性自由度分析机构的自由度决定了其运动的独立性，是机构设计和分析的重要参数正确计算自由度是机构分析的基础机构的组成与结构分析构件运动副运动链构件是机构中的运动单运动副是两个构件之间运动链是由构件和运动元，可以是单个零件或的可动连接，限制某些副组成的系统当其中刚性连接的零件组合方向的相对运动而允许一个构件固定作为机架构件的形状和尺寸决定其他方向的运动运动时，运动链就成为机了机构的运动特性副是机构运动的基础构运动副的类型分类方式运动副类型特点应用实例按自由度低副面接触，约束铰链、滑动副多按自由度高副点线接触，约齿轮啮合、凸束少轮接触按运动形式转动副允许相对转动轴承、铰链按运动形式移动副允许相对移动活塞缸套、导轨按运动形式螺旋副转动与移动复螺纹传动、螺合旋机构机构自由度自由度公式特殊情况平面机构自由度₁₂，其中F=3n-2P-P识别和处理过约束、局部自由度和虚约为活动构件数，₁为低副数，₂为n PP束等特殊情况，确保计算准确性高副数计算验证工程应用通过多种方法验证自由度计算结果，避根据自由度分析结果指导机构设计，确免设计错误和运动干涉定原动件数量和运动确定性平面机构的运动分析基础运动分析目的确定机构各点的位置、速度和加速度分析方法图解法直观易懂，解析法精确可靠工程应用为机构设计和性能评估提供依据运动分析是机构设计的重要环节，通过分析机构各构件的运动规律，可以评估机构的运动性能，发现设计中的问题并进行优化改进平面机构的位置分析360°2D完整运动周期平面分析分析机构在整个运动周期内的位置变化建立二维坐标系统进行位置计算3基本方程闭链机构的位置方程组求解方法位置分析是运动分析的基础，通过建立机构的几何约束方程，可以确定各构件在任意瞬时的位置图解法适用于概念设计阶段，解析法则用于精确计算和计算机辅助分析平面机构的速度分析瞬心法速度多边形相对速度速度特性利用瞬时转动中心进行速度图解法求解各点的速度大小应用相对运动原理简化分析分析典型机构的速度变化规分析和方向过程律平面机构的加速度分析加速度分析涉及法向加速度、切向加速度和科氏加速度的计算科氏加速度出现在复合运动中，是加速度分析的难点和重点掌握加速度多边形法对于解决实际工程问题具有重要意义平面机构的力分析静力分析动力分析摩擦影响分析机构在静止或匀速运动状态下的受考虑构件质量和加速度的影响，分析机实际机构中摩擦不可避免，会影响机构力情况静力分析相对简单，主要考虑构在变速运动时的受力状态动力分析的传动效率和工作性能摩擦力分析有重力、弹簧力等静载荷的影响通过力需要考虑惯性力和惯性力矩，计算过程助于优化润滑设计，提高机构的可靠性和力矩平衡方程可以求解各运动副的反更加复杂，但结果更接近实际情况和使用寿命力第三篇常用机构及其设计连杆机构连杆机构是最基本的平面机构，具有结构简单、传力性能好、可实现复杂运动轨迹等优点广泛应用于各种机械设备中凸轮机构凸轮机构能够实现任意预定的运动规律，结构紧凑，但制造精度要求高常用于需要精确控制运动的场合齿轮机构齿轮机构传动比准确，效率高，适用范围广是机械传动中最重要的机构类型，在各种机械中都有广泛应用连杆机构连杆机构的设计方法尺寸设计根据运动要求确定各杆长度，满足机构的运动学约束条件传动角分析确保传动角在许用范围内，保证良好的传力性能优化设计综合考虑运动、动力和结构要求，优化机构参数性能验证通过仿真分析验证设计方案的可行性和性能指标凸轮机构凸轮从动件具有变化径向距离的回转体，与凸轮保持接触并获得预定运是机构中的主动件，其轮廓曲动的构件，可以是直动从动件线决定了从动件的运动规律或摆动从动件机架支承凸轮和从动件的固定构件，为机构提供基准和约束凸轮轮廓曲线设计基圆确定基圆半径影响凸轮尺寸和压力角需要综合考虑结构紧凑性和传力性能运动规律选择合适的运动规律函数常用等速、等加速等减速、简谐运动等轮廓构造运用包络法或解析法构造轮廓曲线确保曲线光滑连续，避免尖点和凹陷精度验证检验轮廓曲线的几何精度验证压力角和曲率半径是否满足要求齿轮机构基础传动比恒定1齿轮传动比准确稳定效率高传动效率可达以上98%结构紧凑3功率密度大，适用范围广寿命长工作可靠，使用寿命长齿轮机构基于啮合基本定理工作，渐开线齿形具有传动比恒定、中心距变化时传动比不变、易于制造等优点，是现代齿轮传动的标准齿形齿轮参数设计参数名称符号计算公式设计要点模数标准化选择m m=p/π压力角标准值影响齿形和强α20°度齿数根据传动比确避免根切和干z定涉分度圆直径基本尺寸参数d d=mz中心距₁₂结构布置依据a a=mz+z/2轮系设计定轴轮系周转轮系复合轮系所有齿轮轴线位置固定的轮系，传动比至少有一个齿轮轴线绕其他轴线转动的定轴轮系和周转轮系的组合，具有更大计算简单直观通过各级齿轮传动比的轮系，结构紧凑，传动比大行星轮系的设计灵活性可以实现复杂的传动关连乘即可得到总传动比适用于需要大是典型的周转轮系，广泛应用于自动变系，满足特殊的运动和动力要求传动比和多输出的场合速器和减速器中传动形式多样•结构简单，制造容易传动比大，结构紧凑••适应性强•传动比计算方便多个行星轮分担载荷••设计较为复杂•可实现多轴输出可实现差速传动••其它常用机构间歇运动机构实现周期性间歇运动的机构，如槽轮机构、不完全齿轮机构广泛应用于自动化生产线和分度装置中，能够精确控制停留时间和转位角度棘轮机构利用棘爪与棘轮的啮合实现单向间歇运动具有结构简单、工作可靠的特点，常用于手动工具和安全装置中往复机构将连续旋转运动转换为往复直线运动的机构曲柄连杆机构是最典型的往复机构，在内燃机、压缩机等设备中应用广泛第四篇机器动力学基础动力学建模建立系统的数学模型和运动方程动态分析分析系统的动态响应和稳定性平衡设计消除有害振动，提高系统性能机器动力学研究机械系统在力作用下的运动规律，是机械设计中不可缺少的重要内容通过动力学分析可以预测系统的动态性能，指导结构优化和控制系统设计机械系统动力学建模方法方程求解运用牛顿第二定律、拉格朗日方程等建采用解析法或数值法求解动力学方程，立动力学模型，考虑系统的质量分布、获得系统的运动响应和动态特性刚度和阻尼特性验证优化能量方法通过实验验证理论分析结果，不断完善运用动能、势能和耗散函数建立能量方和优化动力学模型程，适用于复杂多自由度系统分析机构的动态负荷23惯性力类型分析步骤切向惯性力和法向惯性力的计算方法加速度分析、惯性力计算、力平衡求解15%功率波动典型机构中驱动功率的波动范围机构在变速运动时会产生惯性力和惯性力矩，这些动态载荷会影响机构的受力状态和工作性能正确计算动态负荷对于机构的强度设计和振动控制具有重要意义机械的平衡静平衡质心位于转轴上的平衡状态动平衡消除不平衡力和不平衡力偶平衡试验实际测量和校正不平衡量平衡技术选择合适的平衡方法和精度等级第五篇机械零部件的工作能力设计强度设计理论连接与传动基于材料力学和疲劳理论的强度螺纹连接、键连接、齿轮传动等计算方法，考虑静强度、疲劳强常用零部件的设计计算方法，涵度和接触强度等多种失效模式，盖几何参数确定、强度校核和结确保零件在预定寿命内安全工构设计等关键内容作轴承系统轴系设计的基本原理和方法，包括轴的强度和刚度计算，滚动轴承和滑动轴承的选择与设计，轴承润滑和密封技术机械零件设计基础失效分析研究零件的各种失效形式，如断裂、磨损、腐蚀等，为设计提供理论依据强度理论运用第四强度理论等计算复杂应力状态下的当量应力可靠性设计考虑载荷和强度的随机性，进行概率设计和可靠性评估安全系数根据工作条件和重要程度确定合理的安全系数螺纹连接设计轴毂连接设计键连接结构简单，拆装方便，适用于一般传动平键连接通过键的侧面传递转矩，楔键连接还能传递轴向力设计时要进行挤压和剪切强度校核花键连接承载能力大，对中性好，适用于重载和高精度传动矩形花键制造简单，渐开线花键强度高，三角形花键用于轻载场合过盈连接依靠过盈配合产生的摩擦力传递载荷，结构紧凑，对中精度高设计时需要计算过盈量，考虑装配工艺和拆卸要求螺旋传动传动精度高1能够实现精确的直线位移控制增力效果显著能够将小的输入力矩转换为大的轴向力具有自锁性当导程角小于摩擦角时具有自锁功能螺旋传动广泛应用于千斤顶、压力机、测量仪器等设备中设计时需要计算传动效率、自锁条件和强度，选择合适的螺纹参数和材料带传动和链传动带传动特点链传动特点设计要点带传动结构简单，成本低廉，能够缓冲链传动没有弹性滑动，传动比准确，效带传动需要合理确定带的类型、截面和冲击和振动，运转平稳噪声小但存在率较高，适用于中等功率和中等速度的长度，计算张紧力和包角链传动要选弹性滑动，传动比不够精确，不适用于传动但运转时有冲击和噪声，需要润择链条型号，确定链轮齿数和中心距，要求传动比恒定的场合滑和维护设计张紧装置传动平稳，噪声低传动比准确恒定功率和速度匹配•••结构简单，成本低传动效率较高几何参数计算•••能够过载保护适应性强张紧装置设计•••中心距可以较大可用于多轴传动润滑和维护•••齿轮传动齿轮传动根据轴线位置关系可分为平行轴、相交轴和交错轴传动直齿轮制造简单但有冲击，斜齿轮传动平稳但产生轴向力，锥齿轮用于相交轴传动设计时需要进行齿面接触强度和齿根弯曲强度计算蜗杆传动10-8050-90%传动比范围传动效率单级蜗杆传动可实现的传动比范围蜗杆传动的效率范围，与导程角有关90°轴交角蜗杆轴与蜗轮轴的标准交角蜗杆传动适用于传动比大、结构紧凑的场合，具有传动平稳、噪声小、可以自锁等优点但效率相对较低，发热较多，需要良好的润滑和散热条件设计时要注意热平衡计算和材料匹配轴的设计计算轴的分类按功能分为转轴、传动轴和心轴按形状分为直轴、曲轴和软轴强度计算进行弯曲强度和扭转强度计算考虑疲劳强度和应力集中影响刚度校核计算轴的弯曲变形和扭转变形确保变形量在许用范围内结构设计合理安排轴上零件的位置和固定方式注意工艺性和装配性要求滚动轴承滑动轴承润滑机理压力分布流体动力润滑形成承载油膜，将轴颈和楔形油膜产生动压力，最大压力出现在轴瓦完全分离，实现液体摩擦最小油膜厚度附近区域参数设计温升控制确定轴承间隙、长径比等关键参数，保通过润滑油循环和冷却措施控制轴承温证充分润滑和稳定运行度，维持正常工作状态联轴器、离合器和制动器刚性联轴器弹性联轴器离合器用于轴线对中精度高能够补偿轴线偏移，控制动力传递的接合的场合，结构简单可缓冲冲击和振动梅和分离，分为操纵式靠凸缘联轴器和套花联轴器、橡胶联轴和自动式摩擦离合筒联轴器是常用类器等广泛应用于动力器依靠摩擦力传递转型，要求两轴严格对传动系统中矩，设计时需要计算中摩擦面积和压紧力制动器利用摩擦将运动能量转换为热能，实现减速和停车设计时要考虑制动力矩、制动时间和散热能力弹簧设计弹簧类型工作方式应用场合设计要点压缩弹簧承受压缩载荷减震、复位机稳定性和共振构拉伸弹簧承受拉伸载荷门窗、工具端部钩环设计扭转弹簧承受扭转力矩钟表、仪器扭转角和刚度板弹簧弯曲变形汽车悬架变截面设计碟形弹簧轴向压缩重载缓冲组合特性第六篇机械零部件的结构设计设计原则工艺考虑结构设计要遵循功能性、工艺充分考虑加工工艺的要求，合性、经济性和美观性的统一原理设计零件的形状、尺寸和表则，确保零件既能满足使用要面质量，减少加工难度和成本求，又便于制造和装配创新方法运用现代设计方法和工具，如计算机辅助设计、有限元分析、优化设计等，提高设计质量和效率机械结构设计的方法和准则功能与工艺统一模块化标准化可靠性维修性结构设计必须在满足功能要求的前提采用模块化设计思想，将复杂产品分设计时要考虑产品的可靠性和维修性下，充分考虑制造工艺的可行性和经解为若干标准模块，提高设计效率和要求，合理安排关键零件的位置，便济性避免过度设计，选择合理的加产品质量标准化有利于降低成本和于检查、调整和更换，提高产品的使工方法和装配工艺简化维护用寿命。