[工学]机械原理课件

机械原理本课程全面介绍机构的基础理论与应用，培养学生的机械设计能力与工程实践思维通过系统学习机构分析、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等核心内容，掌握机械系统设计的基本方法和工程应用技能课程大纲12机构的结构分析与运动分析平面连杆机构及其设计学习机构的基本概念、自由度计算和运动分析方法掌握铰链四杆机构的分析与综合设计方法3凸轮机构及其设计齿轮机构与传动系统学习凸轮轮廓曲线设计和运动规律分析第一部分基础概念机械与机构的定义运动简图与运动副自由度计算建立机械系统的基本概念框架，理学习用简化图形表示复杂机械结掌握机构自由度的计算方法，为机解机械与机构的本质区别和内在联构，掌握各种运动副的特点和应构分析和设计提供理论基础系用机械与机构的定义机械的本质机构的核心机械是实现特定运动和力传递的装置，它将输入的能量转换机构是确定运动的构件组合，它专门研究构件之间的相对运为有用的输出功或运动机械系统包含动力源、传动系统、动关系机构是机械的运动学基础，不考虑力的作用，只关执行机构和控制系统等基本组成部分注运动的几何学特征在工程实践中，机械设备承担着生产制造、运输搬运、能量机械原理课程的核心就是研究各种机构的运动规律与传递方转换等重要功能，是现代工业文明的重要支撑式，为机械设计提供理论依据和分析方法运动副的类型高副接触转动副点接触或线接触形式，如齿轮副、凸轮两构件绕固定轴线相对转动的面接触运动副、带轮副等副螺旋副移动副两构件既转动又移动的复合运动副两构件沿直线相对移动的面接触运动副机构自由度平面机构F=3n−2PL−PH，其中n为可动构件数，PL为低副数，PH为高副数空间机构F=6n−5PL−4P4−3P3−2P2−P1，考虑各种约束级别的运动副实际应用自由度确定机构的运动确定性，指导机构设计和控制系统配置机构的组成原理1铰链四杆机构最基本的平面连杆机构，由四个构件和四个转动副组成2曲柄摇杆机构一个构件可完整转动，另一个构件作往复摆动3双曲柄机构两个构件都能完成360度连续转动4Assur杆组用于机构分析的基本构件组合分类方法第二部分平面机构的运动分析机构的位置分析确定机构在任意时刻各构件的位置关系，建立位置方程和几何约束条件速度分析方法研究机构各点的速度关系，掌握瞬心法、图解法和解析法等分析技术加速度分析方法分析机构运动过程中的加速度特性，为动力学分析奠定基础机构的位置分析闭链方程法几何分析法死点位置利用矢量环路建立机运用几何学原理直接曲柄摇杆机构中摇杆构的位置约束方程，分析机构的位置关处于极限位置时的特通过数学求解获得各系，适用于简单机构殊状态，影响机构的构件的位置关系的快速分析传动性能速度分析方法瞬心法利用瞬时速度中心进行快速分析速度多边形图解法绘制速度关系向量方程法建立速度矢量方程复数解析法数学解析求解方法加速度分析方法法向与切向加速度分解加速度的两个基本分量加速度多边形图解法构造加速度关系矩阵解法利用计算机进行精确分析第三部分平面连杆机构及其设计机构类型分析曲柄存在条件掌握各种铰链四杆机构的运动特点判断机构能否实现连续转动尺寸综合设计传动角优化根据运动要求确定机构参数分析力传递效率的几何因素铰链四杆机构的类型双曲柄机构曲柄摇杆机构两个构件可完成全回转运动，常用于传递连续旋转运动典一个构件完成全回转，另一个构件作往复摆动这是工程中型应用包括搅拌机构、振动筛分设备等这种机构具有运动最常见的机构类型，能够实现旋转运动与摆动运动的转换平稳、传动可靠的特点平行四边形机构是双曲柄机构的特殊形式，能够实现平行移典型应用包括内燃机的活塞连杆机构、抽油机、摇摆输送机动，广泛应用于导向装置和平行传动系统中等设计时需要特别关注传动角和行程系数的优化曲柄存在条件Grashof条件双曲柄形成条件最短杆长度s与最长杆长度l当满足Grashof条件且最短之和必须小于等于其他两杆作为机架时，相邻的两杆长度p和q之和杆都能成为曲柄曲柄摇杆形成条件当满足Grashof条件且最短杆的相邻杆作为机架时，最短杆为曲柄传动角分析50°90°最小传动角理想传动角工程设计中的传动角下限标准力传递效率最佳的传动角度85%传动效率良好传动角对应的力传递效率行程系数与机构尺寸综合行程系数计算K=θ/φ反映机构运动不均匀程度三点法综合给定三个位置求解机构参数最优化设计建立数学模型寻求最佳解第四部分凸轮机构及其设计基本组成运动规律设计方法凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成，通过精确设计凸轮轮廓，可以控制从动现代凸轮设计采用计算机辅助方法，能能够实现任意预定的运动规律，是自动件按照特定的位移、速度和加速度规律够快速生成复杂的轮廓曲线并优化运动化设备中的关键机构运动性能凸轮机构的基本组成凸轮机构包括多种类型的凸轮和从动件组合盘形凸轮是最常见的类型，移动凸轮适用于直线传动，圆柱凸轮用于空间运动传递从动件的选择影响接触应力和运动精度，滚轮从动件能有效减少摩擦和磨损从动件运动规律运动类型速度特性加速度特性应用场合等速运动恒定无穷大冲击低速场合等加速等减线性变化有限跳跃中速传动速简谐运动正弦变化连续变化中高速应用摆线运动平滑过渡无冲击高速精密传动轮廓曲线设计方法反转法原理将凸轮固定，让整个机构反向旋转极坐标设计建立极坐标系统进行轮廓计算CAD辅助设计利用专业软件精确生成轮廓尖点与凹陷问题分析凹陷产生临界半径曲率半径变化过大形成凹陷避免缺陷的最小基圆半径确区域定尖点形成设计优化基圆半径过小导致轮廓出现尖角通过参数调整避免轮廓缺陷第五部分齿轮机构及其设计传动基本原理渐开线齿廓特性齿轮传动通过啮合齿面的渐开线齿廓具有良好的啮相互作用实现动力和运动合性能，能够保证传动比的传递，具有传动比准恒定，制造和安装误差敏确、效率高、结构紧凑等感性低优点加工制造工艺现代齿轮加工采用展成法原理，通过滚齿、插齿等工艺实现高精度大批量生产齿轮传动的基本原理啮合传动机理传动比计算齿轮传动基于两个齿轮的齿面接触和相对滚动在理想情况齿轮传动比等于从动轮齿数与主动轮齿数的比值，也等于主下，齿面接触点处的相对速度为零，实现纯滚动传动动轮转速与从动轮转速的比值啮合线是两齿轮齿面接触点的轨迹，啮合角影响传动的平稳在齿轮系设计中，合理选择齿数比能够实现所需的传动比，性和承载能力齿轮传动的基本定理确保了传动比的恒定同时避免根切现象和确保传动的平稳性性渐开线齿廓及其特性基圆与渐开线渐开线由直线在基圆上纯滚动时直线上任一点的轨迹形成压力角特性渐开线上各点的压力角不同，分度圆处压力角为标准值互换性优势相同模数和压力角的渐开线齿轮具有良好的互换性标准齿轮与变位齿轮齿轮加工方法与精度分析展成法加工滚齿工艺精度等级利用刀具与工件的相使用滚刀进行连续切根据使用要求选择适对运动模拟齿轮啮合削，适用于外齿轮的当的精度等级，平衡过程，自动形成正确大批量高效加工加工成本与使用性能的齿形轮廓强度校核进行齿根弯曲强度和齿面接触强度计算，确保安全可靠运行第六部分齿轮系及其设计行星齿轮系具有行星轮的复杂传动系统周转齿轮系包含旋转轴线的齿轮传动定轴齿轮系所有齿轮轴线固定的基本传动定轴齿轮系基本组成所有齿轮的几何轴线位置固定不变，是最简单的齿轮传动形式传动比计算等于各级传动比的乘积，外啮合为正，内啮合影响转向多级布置通过多级传动实现大传动比，需要合理分配各级传动比变速箱应用汽车变速箱采用定轴齿轮系实现多档位传动周转齿轮系太阳轮行星轮位于中心的固定轴齿轮绕太阳轮公转并自转的齿轮行星架内齿圈支承行星轮的旋转构件外围的内齿轮环行星齿轮系3-895%传动比范围传动效率单级行星传动的典型传动比优质行星传动的效率水平1/3功率分流每个行星轮承担的功率比例齿轮系传动比的计算方法Willis公式应用利用相对运动原理建立传动比方程，适用于各种复杂齿轮系的分析计算轮系拆分方法将复杂轮系分解为定轴轮系和周转轮系的组合，分别计算后合成总传动比复杂轮系分析对于多自由度轮系，需要建立多个独立的传动比方程进行求解第七部分其他常用机构间歇运动机构实现周期性间歇运动的专用机构，广泛应用于自动化生产线和包装设备中棘轮机构具有单向传动和制动功能的机构，常用于手动工具和起重设备万向节机构传递相交轴间转动的机构，汽车传动系统的关键部件机械手机构模拟人手动作的机械装置，工业自动化的重要组成部分间歇运动机构槽轮机构特点工程应用槽轮机构能够将连续转动转换为间歇转动，运动精度高，定槽轮机构广泛应用于包装机械、印刷设备、自动装配线等需位准确机构由主动拨盘、槽轮和锁止弧组成要精确定位的场合拨盘上的销子进入槽轮的径向槽时，槽轮转动；销子脱离槽马耳他十字机构是槽轮机构的变形，常用于计数器、定时器轮时，锁止弧将槽轮锁定在固定位置等精密设备中，具有结构简单、可靠性高的优点棘轮机构1单向棘轮只能单方向传动，反向时棘爪在棘轮齿面上滑动手动工具应用棘轮扳手利用此原理实现单向加力操作起重设备手动葫芦和绞车的防倒退装置精密计时机械表的上弦机构和擒纵机构连锁机构连锁机构通过多个杆件的巧妙组合实现复杂的运动轨迹平行四边形机构保证运动的平行性，瓦特和切比雪夫机构能近似产生直线运动，在蒸汽机时代发挥了重要作用现代连锁机构设计更加精密，广泛应用于精密加工设备和测量仪器中万向节机构机械手机构串联机构关节依次连接，工作空间大但刚度较低并联机构多条运动链并联，刚度高但工作空间有限精确定位通过精密控制实现高精度操作第八部分机械中的摩擦和机械效率滑动摩擦滚动摩擦效率分析两个固体表面相对滑动滚动体在支承面上滚动机械效率是输出功与输时产生的阻力，遵循库时的阻力，通常远小于入功的比值，反映能量仑摩擦定律滑动摩擦转换效果润滑技术通过润滑剂减少摩擦，提高机械效率和使用寿命滑动摩擦与滚动摩擦滑动摩擦特性滚动摩擦分析滑动摩擦力与正压力成正比，比例系数为摩擦系数静摩擦滚动摩擦阻力矩与正压力和滚动摩擦系数相关滚动摩擦系系数通常大于动摩擦系数，这解释了静止物体需要更大力才数具有长度量纲，其值通常比滑动摩擦系数小得多能开始运动的现象滚动轴承利用滚动摩擦替代滑动摩擦，显著提高了机械传动摩擦系数取决于材料性质、表面粗糙度、润滑条件等因素效率不同类型轴承适用于不同的载荷和速度条件合理选择材料配对和表面处理可以有效控制摩擦摩擦对机构运动的影响动力学方程修正考虑摩擦后的运动方程更加复杂，需要区分静摩擦和动摩擦状态能量损失与发热摩擦消耗机械能转化为热能，导致温升和热变形问题振动噪声摩擦激发的stick-slip现象是机械振动和噪声的重要来源磨损寿命摩擦磨损直接影响机械零件的使用寿命和维护周期自锁现象与效率计算自锁条件当摩擦角大于螺纹升角时发生自锁螺旋副分析螺栓连接利用自锁保持紧固状态效率计算机构效率等于有用阻力功与驱动功的比值典型效率值滚动轴承98%，齿轮传动95%，蜗杆传动80%提高机械效率的方法润滑系统优化材料表面改进采用适当粘度的润滑油，建立有效的选用低摩擦系数材料，进行表面硬化润滑循环系统和减摩涂层处理滚动替代滑动结构设计优化尽可能采用滚动轴承替代滑动轴承，合理设计传动路径，减少传动级数和3降低摩擦损失不必要的摩擦副第九部分机械的平衡平衡理论基础刚体平衡是保证机械平稳运行的基本要求，分为静平衡和动平衡两种状态转子平衡技术旋转机械必须进行动平衡，消除离心力和离心力偶的有害影响往复机构平衡往复运动产生的惯性力需要通过平衡块或多缸布置来平衡多缸机械应用发动机等多缸机械通过合理的缸数和布置实现整体平衡刚体平衡基础平衡类型特征应用条件检测方法静平衡质心在转轴盘状转子静态检测上动平衡消除力和力长轴类转子动态试验偶单面平衡一个平衡面L/D≤

0.2单面校正双面平衡两个平衡面L/D＞

0.2两面校正转子静平衡与动平衡不平衡量测量使用动平衡机测量转子的不平衡量大小和相位，确定需要校正的质量和位置平衡计算根据两平面平衡理论，计算各校正面上需要增加或去除的质量平衡校正通过钻孔、铣削或焊接配重等方法进行实际校正，达到平衡精度要求往复机构的平衡多缸机械的平衡多缸发动机通过合理的气缸布置和曲轴设计实现平衡直列四缸发动机能完全平衡一阶惯性力，V型布置可以减小发动机尺寸，水平对置布置具有最佳的平衡特性曲轴的配重设计和平衡轴的应用进一步改善了发动机的平衡性能第十部分机械的速度波动及其调节速度波动原理调节方法机械系统在运行过程中，由于驱动力矩和阻力矩的周期性变飞轮是调节速度波动的主要装置，通过增大系统的转动惯量化，会产生速度波动现象这种波动影响机械的工作精度和来减小速度波动飞轮的设计需要在调节效果和重量成本之平稳性间找到平衡速度波动系数定义为最大角速度与最小角速度的差值与平均现代机械还采用电子调速系统、液力耦合器等先进技术来实角速度的比值，是衡量速度波动程度的重要指标现更精确的速度控制机械周期性运动特性360°运动周期一个完整工作循环对应的角度±5%速度波动限制精密机械允许的速度波动范围倍2-4惯量增加飞轮使系统惯量的典型增加倍数

0.1-

0.3波动系数一般机械的速度波动系数范围机械传动系统的方案设计需求分析明确功能要求、性能指标、工作环境和成本约束等设计条件2机构选型根据运动要求选择合适的机构类型，进行运动学和动力学分析参数优化建立优化目标函数，确定最佳的机构参数组合计算机辅助设计利用CAD/CAE软件进行建模、仿真和优化，验证设计方案的可行性工程实现考虑制造工艺、装配要求和维护便利性，完成详细设计机械原理课程的学习为学生提供了扎实的理论基础和分析方法通过掌握各种机构的工作原理、分析方法和设计技巧，学生能够运用所学知识解决实际工程问题，为后续的机械设计和创新打下坚实基础现代机械设计越来越依赖计算机辅助技术，但基本的机械原理永远是设计的核心。