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机械原理绪论机械－人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程起重机的发展历程：斜面→杠杆→起重轱辘→滑轮组→手动(电动)葫芦→现代起重机（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。机构－能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物的组合体。如：连杆机构、机械凸轮机构、齿轮机构等。机器－根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体。如:缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。一、典型机器的分析：机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。1.内燃机内燃机工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。内燃机的工作过程：进气压缩爆炸排气内燃机各部分的作用：活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：齿轮机构各部分协调动作的结果：化学能机械能二、机器的共有特征：①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换三、机器的分类：原动机－实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）工作机－完成有用功（如机床等）机构机械原动机机器工作机四、机器的组成：原动部分－是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。原动机传动工作控制§2本课程在教学中的地位一、课程性质：技术基础课二、作用：承前启后同时，通过本课程的学习，可为今后学习诸如自动武器原理、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础，通过本课程的学习和课程设计实践，可以培养同学们初步具备运用手册设计简单机械装备的能力，为今后操作、维护、管理、革新武器装备创造条件。三、本课程的特点：是工程制图、工程材料及机械制造基础、理论力学，材料力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。§3机械设计的基本要求和一般过程机械设计---规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。一、基本要求：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。二、机械设计的内容：1.确定机械的工作原理，选择合宜的机构2.拟定设计方案；3.进行运动分析和动力分析，计算各构件上的载荷；4.进行零部件工作能力计算、总体设计和结构设计。科程安排：共64学时，其中讲授56学时，实验8学时。第1章平面机构的自由度和速度分析§1－1运动副及其分类一、名词术语解释:1.构件－独立的运动单元零件－独立的制造单元2.运动副定义：运动副－－两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动三个条件，缺一不可运动副元素－直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。运动副的分类：1)按引入的约束数分有：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。2)按相对运动范围分有：平面运动副－平面运动，空间运动副－空间运动例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。平面机构－全部由平面运动副组成的机构。空间机构－至少含有一个空间运动副的机构。3)按运动副元素分有：①高副－点、线接触，应力高。例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。②低副－面接触，应力低例如：转动副（回转副）、移动副。常见运动副符号的表示:国标GB4460－84构件的表示方法:3.运动链运动链－两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。闭式链、开式链4.机构定义：具有确定运动的运动链称为机构。机架－作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。从动件－其余可动构件。机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件§1－2平面机构运动简图机构运动简图－用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用：1.表示机构的结构和运动情况。2.作为运动分析和动力分析的依据。机动示意图－不按比例绘制的简图机构运动简图应满足的条件：1.构件数目与实际相同2.运动副的性质、数目与实际相符3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。绘制机构运动简图思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）3.按比例绘制运动简图。简图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm4.检验机构是否满足运动确定的条件。举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。§1－3平面机构的自由度定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。原动件－能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数一、平面机构自由度的计算公式单个自由构件的自由度为3经运动副相联后，构件自由度会有变化：构件自由度＝3－约束数＝自由构件的自由度数－约束数推广到一般：活动构件数n,构件总自由度3×n,低副约束数2×PL,高副约束数1×Ph计算公式：F=3n－(2PL+Ph)1.复合铰链－－两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。上例：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。解：F=3n－2PL－PH=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。2.局部自由度定义：构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。本例中局部自由度FP=1F=3n－2PL－PH－FP=3×3－2×3－1－1=1或计算时去掉滚子和铰链：F=3×2－2×2－1=1滚子的作用：滑动摩擦T滚动摩擦。3.虚约束－－对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。增加的约束不起作用，应去掉构件4。重新计算：F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：出现虚约束的场合：1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，如平行四边形机构，火车轮，椭圆仪等。2.两构件构成多个移动副，且导路平行。3.两构件构成多个转动副，且同轴。4.运动时，两构件上的两点距离始终不变。5.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!§1－4速度瞬心及其在机构速度分析中的应用机构速度分析的图解法有：速度瞬心法、相对运动法、线图法。瞬心法尤其适合于简单机构的运动分析。一、速度瞬心及其求法1)速度瞬心的定义两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动，该点称瞬时速度中心。相对瞬心－重合点绝对速度不为零。Vp2=Vp1≠0绝对瞬心－重合点绝对速度为零。Vp2=Vp1=0特点：①该点涉及两个构件。②绝对速度相同，相对速度为零。③相对回转中心。2）瞬心数目若机构中有n个构件，则∵每两个构件就有一个瞬心∴根据排列组合有N＝n(n-1)/2构件数4568瞬心数61015283）机构瞬心位置的确定1.直接观察法适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置。2.三心定律定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。2.求角速度a)铰链机构已知构件2的转速ω2，求构件4的角速度ω4。解：①瞬心数为6个②直接观察能求出4个余下的2个用三心定律求出。③求瞬心P24的速度。ω4＝ω2·(P24P12)/P24P14方向:CW,与ω2相同。3.求传动比定义：两构件角速度之比传动比。ω3/ω2＝P12P23/P13P23推广到一般：ωi/ωj＝P1jPij/P1iPij结论:①两构件的角速度之比等于绝对瞬心至相对瞬心的距离之反比。②角速度的方向为：相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧时，两构件转向相同。相对瞬心位于两绝对瞬心之间时，两构件转向相反。瞬心法的优缺点：①适合于求简单机构的速度，机构复杂时因瞬心数急剧增加而求解过程复杂。②有时瞬心点落在纸面外。③仅适于求速度V,使应用有一定局限性。本章重点：机构运动简图的测绘方法。自由度的计算。用瞬心法作机构的速度分第2章平面连杆机构§2－1铰链四杆机构的基本型式和特性定义：由低副（转动、移动）连接组成的平面机构。特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。特点：采用低副，面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。②改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。③连杆曲线丰富。可满足不同要求。缺点：①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。②产生动载荷（惯性力），不适合高速。③设计复杂，难以实现精确的轨迹。平面连杆机构分类:空间连杆机构常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。本章重点内容是介绍四杆机构。一、平面四杆机构的基本型式:基本型式－铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。名词解释：曲柄—作整周定轴回转的构件；连杆—作平面运动的构件；摇杆—作定轴摆动的构件；连架杆—与机架相联的构件；周转副—能作3608相对回转的运动摆转副—只能作有限角度摆动的运动副。三种基本型式：（1）曲柄摇杆机构特征：曲柄＋摇杆作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。（2）双曲柄机构特征：两个曲柄作用：将等速回转转变为等速或变速回转。应用实例：如叶片泵、惯性筛等。（3）双摇杆机构特征：两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构、风扇摇头机构特例：等腰梯形机构－汽车转向机构二、平面四杆机构的特性1.急回运动在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。此两处曲柄之间的夹角θ称为极位夹角。当曲柄以ω转过180°+θ时，摇杆从C1D位置摆到C2D。所花时间为t1,平均速度为V1。当曲柄以ω继续转过180°-θ时，摇杆从C2D,置摆到C1D，所花时间为t2,平均速度为V2。显然：t1t2V2V1摇杆的这种特性称为急回运动。称K为行程速比系数。只要θ≠0，就有K1且θ越大，K值越大，急回性质越明显。设计新机械时，往往先给定K值，于是:2.压力角和传动角压力角：从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。切向分力:F′=Fcosα=Fsinγ法向分力:F′′=Fcosγγ↑→F′↑→对传动有利。可用γ的大小来表示机构传动力性能的好坏,称γ为传动角。设计时要求:γmin≥50°，γmin出现的位置：当∠BCD≤90°时，γ＝∠BCD当∠BCD90°时，γ＝180°-∠BCD当∠BCD最小或最大时，都有可能出现γmin此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。由余弦定律有：∠B1C1D＝arccos[l42+l32-(l4-l1)2]/2l2l3若∠B1C1D≤90°,则γ1＝∠B1C1D∠B2C2D＝arccos[l42+l32-(l4-l1)2]/2l2l3若∠B2C2D90°,则γ2＝180°-∠B2C2Dγmin＝[∠B1C1D,180°-∠B2C2D]min机构的传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。3.机构的死点位置摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：此时机构不能运动.称此位置为：“死点”避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具§2－2铰链四杆机构有整转副的条件平面四杆机构具有整转副→可能存在曲柄。杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线则由△B’C’D可得：l1+l4≤l2+l3则由△B”C”D可得：l2≤(l4–l1)+l3→l1+l2≤l3+l4l3≤(l4–l1)+l2→l1+l3≤l2+l4将以上三式两两相加