機械原理電子教案

1、第一章 緒論 教學內容 *本課程研究的對象和內容 *本課程的性質、任務及作用 *機械原理學科的發(fā)展現(xiàn)狀 學習要求 *明確本課程研究的對象和內容，及其在培養(yǎng)機械類高級工程技術人才全局中的地位、任務和作用。 *對機械原理學科的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解。 重點難點 本章的學習重點是：本課程研究的對象及內容。本章介紹了機器、機構、機械等名詞，并通過實例說明各種機器的主要組成部分是各種機構，從而明確了機構是本課程研究的主要對 象。當然，由于此時尚未具體學習這些內容，故只能是一個概括的了解。 學習安排授課自學觀看機械原理電教片1學時1.5學時中國古代機械、工業(yè)機器人及其應用學習方法 如何學好本課程。 要學好本課程

2、,首先必須對機械在一個國家中的重要作用有明確的認識，機械現(xiàn)在是、將來仍是人類利用和改造自然界的直接執(zhí)行工具，沒有機械的支持,一切現(xiàn)代工程(宇航工程、深海工程、生物工程、通信工程、跨江大橋、過海隧道、摩天大樓、)都將無法實現(xiàn)。 了解機械原理學科發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，既有助于對機械原理課程的深入學習，也有助于讓我們深信機械工業(yè)將永不停歇地日新月異地迅猛發(fā)展。 第二章 機構的結構分析 學習內容 *機構的組成(構件、運動副、運動鏈及機構) *機構運動簡圖及其繪制 *機構具有確定運動的條件 *機構自由度的計算 *計算平面機構的自由度時應注意的事項 *虛約束對機構工作性能的影響及機構結構的合理設計 *平面機構的

3、組成原理、結構分類及結構分析 *平面機構中的高副低副 學習要求 *搞清構件、運動副、約束、自由度、運動鏈及機構等重要概念。 *能繪制比較簡單的機械機構運動簡圖。 *能正確計算平面機構的自由度并能判斷其是否具有確定的運動；對空間機構自由度的計算有所了解。 *對虛約束對機構工作性能的影響及機構結構合理設計問題的重要性有所認識。 *對平面機構的組成原理有所了解。 重點難點 本章的學習重點是：構件、運動副、運動鏈及機構等概念，機構運動簡圖的繪制，機構具有確定運動的條件及機構自由度的計算。至于平面機構中的高副低代則屬于拓寬知識面性質的內容。學習難點是：機構中虛約束的判定問題。 學習安排本章授課本章自學作

4、業(yè)課外討論題綜合分析題實驗（2學時）4學時6學時習題2-1、2-2、2-3、2-6、2-8、2-10習題2-4、2-5、2-7、2-9習題2-11機構運動簡圖測繪實驗 學習方法 本章需要搞清的概念。 首先，要把構件、運動副、運動鏈、機構、機構運動簡圖、機構的自由度、機構具有確定運動的條件、復合鉸鏈、局部自由度、虛約束、機構組成原理和桿組等基本概念搞清楚。應做到能準確地解釋，并對機構作出正確的分析和判斷。 其次，要注意構件與零件、運動副與運動副元素、自由度與約束、高副與低副、開鏈與閉鏈、運動鏈與桿組以及機構等概念之間的聯(lián)系和區(qū)別。 如何正確繪制出機構運動簡圖？ 由于機構的運動分析和動力分析都是就

5、機構運動簡圖來進行的，而且機械設計之初也首先是設計機械的機構運動簡圖，所以對機構運動簡圖的繪制必須十分重視，能正確閱讀和繪制機構運動簡圖是工程技術人員必須具備的基本技能。 當然，由于實際機械的結構狀況及構件形狀一般都比較復雜，所以如何用機構運動簡圖把它表示出來，對于初學者可能有一定的難度。但只要沿著 運動傳遞路線細心觀察，把運動在構件間的傳遞情況，構件數(shù)的多少，各構件間組成了什么樣的運動副，以及運動副所在的位置搞清后，就不難將其機構運動簡圖正 確地繪制出來。通過多作練習，就一定能逐步具備繪制機構運動簡圖的能力。 何謂正確判斷機構中的虛約束？ 要正確判定機構中的虛約束，首先要把什么是虛約束這一概

6、念搞清楚。所謂虛約束是指對機構的運動起重復約束作用的約束，即機構中的一些運動副所帶入的約束與另一些運動副所帶入的約束相重復。在計算機構的自由度時應將虛約束除去。 但要注意，機構中的虛約束都是在一些特定的條件下出現(xiàn)的，如果這些條件不能滿足，則原認為是虛約束的約束就將成為實際有效的約束，而影響 到機構運動的可能性或靈活性。而為了滿足這些特定的條件，就要求有較高的加工精度和裝配精度，而這就意味著有較高的制造成本。一般說，機構的虛約束數(shù)越 多，機構在運動中被卡住的可能性也就越大，要求有較高精度的尺度參數(shù)也就越多，制造成本也就越高，故虛約束數(shù)的多少也是機構性能的一個重要指標。 在機械設計中為什么要設置虛

7、約束？ 通常在機械中設置虛約束的主要目的有： (1)改善機構的受力情況(參看教材圖2-23)； (2)增加機構的剛度(參看教材題2-13c圖)； (3)使機構能順利通過轉折點(參看教材圖8-7)。 在儀表機構中，機構運動的靈活性是十分重要的，故要盡可能避免在機構中出現(xiàn)虛約束(參看教材圖2-28)；(題2-19圖)，另外在一些剛性較差的地方，如布置在飛機機翼上的一些機構，在受力時易發(fā)生較大的變形，約束成為虛約束必須滿足的幾何條件易遭到破壞，故這種情況下也應力求避免虛約束。 但要注意，正如教材中所指出的那樣，當把平面機構(3族機構)按平面機構來計算其自由度的時候，往往從表面看似乎沒有虛約束，實際上

8、絕大多數(shù)情況下都存在族別虛約束，即實際上存在虛約束。只有把機構按空間一般機構來看不存在虛約束時才真正沒有虛約束。 為了減少虛約束數(shù)，在工程實際中常用球面副、球銷副代替轉動副，用圓柱副代替移動副或轉動副，用鼓形齒代替直齒等。 如何判斷是否為復合鉸鏈？ 關于復合鉸鏈的確定一般不難掌握，但在判斷是否為復合鉸鏈時要細心。如下兩種情況易發(fā)生誤解: 其一，復合鉸鏈是兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯(lián)接的情形。不應把若干個構件匯交在一起就認為是復合鉸鏈。例:(構件在同一處匯交相聯(lián)接的情形)。 其二，有齒輪、機架參與的聯(lián)接是否為復合鉸鏈，常易發(fā)生混淆。例:(含有齒輪的機構的情形)。 如何判斷齒輪副的約束？ 關

9、于齒輪副的約束，存在如下兩種情況： 其一，一般情況下兩齒輪的中心距受到約束，輪齒兩側齒廓只有一側接觸,另一側存在間隙，故只提供一個約束。如圖a所示。 其二，當兩齒輪的中心可以彼此靠近，直至輪齒兩側齒廓均接觸為止時，如圖b所示。這時因輪齒兩側接觸點處的法線方向并不彼此重合，故其提供兩個約束。 在解教材題2-13時，就應分清齒輪副約束的上述兩種情況。 如何將機構分解為基本桿組？ 根據(jù)平面機構的組成原理知，任何平面機構都可以由機架、原動件和若干個基本桿組組成。因此在對機構進行運動分析或動力分析時，可就原動件 和基本桿組來進行，對于相同的基本桿組可采用相同的方法(可編成子程序調用)，由于基本桿組的類型

10、不多，這就給運動分析和動力分析提供了很大的方便。 在將機構分解為基本桿組時要注意： 首先應將機構中的虛約束和局部自由度除去。如:(精壓機機構)。 再進行拆桿組分析。在拆分基本桿組時，應從遠離原動件的地方開始拆分，先試按級組拆分，若不行再依次按級組、級組拆分。 例:(斯蒂芬森型機構的結構分析)。 基本桿組的級別是以該桿組中所構成的封閉形（由一個或若干個構件所構成的）中所包含的最多運動副數(shù)來確定的。一般說，桿組的級別越高，其運動分析和動力分析的難度也就越大。第三章 平面機構的運動分析 學習內容 *機構運動分析任務、目的和方法 *用速度瞬心法作機構的速度分析 *用矢量方程圖解法作機構的運動分析 *用

11、綜合法作復雜機構的速度分析 *用解析法作機構的運動分析 學習要求 *正確理解速度瞬心(包括絕對瞬心及相對瞬心)的概念，并能運用“三心定理”確定一般平面機構各瞬心的位置。 *能用瞬心法對簡單高、低副機構進行速度分析。 *能用矢量方程圖解法或解析法對級機構進行運動分析。 重點難點 本章的學習重點是：對級機構進行運動分析。學習難點是：對機構的加速度分析，特別是兩構件重合點之間含有哥氏加速度時的加速度分析。 學習安排 授課自學作業(yè)課外討論習題大作業(yè)4學時6學時習題3-1、3-2、3-3、3-3、3-4、3-6、3-10習題3-5、3-9、3-12平面六桿機構或級 機構運動的電算分析學習方法 為什么要進

12、行機構的運動分析? 首先，要認識到對機構進行運動分析的重要意義。無論在設計新機械時，或是在利用現(xiàn)有機械時，或在作反求設計時，對機構進行運動分析都是十分重要的。在利用現(xiàn)有機械時，許多機械只有經(jīng)過詳細的運動分析，我們才能很好掌握它的性能，充分發(fā)揮機械的功能。如:(搖動篩機構教材圖3-9a)，只有知道了在一個周期中搖篩(構件4)的速度、加速度變化情況，才能知道它是否能達到很好的篩分效果。在反求設計中，常常只有經(jīng)過運動分析后才能吃透原設計的意圖，也才可能進行創(chuàng)造性的改進和發(fā)展。 其次，對機構進行分析一般說是比較容易的，有固定程次可以遵循，而機構的綜合，因無固定程次， 一般說是比較難的。但因計算技術和計

13、算機的發(fā)展，我們可以把機構的綜合與機構的分析融合起來，即先選定一個適當?shù)臋C構，對其進行運動分析，看是否能滿足預 期的運動要求，若不滿足,則對原機構作適當調整，再進行運動分析，如此循環(huán)迭代，直至滿足預期的設計要求為止，以作到化難為易。 如何才能正確地掌握機構運動分析的方法？ 一些學生認為機構的運動分析，尤其是加速度分析很難掌握。其實機構的運動分析(不管是速度分析還是加速度分析)是并不難掌握的，因為機構的運動分析有固定的程次可以遵循，只要按照教材上所講的方法一步一個腳印的做下去，就會得到正確的結果，條理清晰，一點也不難。 一些學生之所以覺得很難、很亂，難于下手，是因為他們通常犯了如下的錯誤： 1)

14、在做題之前沒有很好復習教材相關的內容。 2)做題時沒有按教材上所講的程次步驟進行，而是急于求成，跳過了一些步驟。如一些學生在用作圖法作機構的運動分析時，往往不寫出有關的矢量方程，或對方程中的每一項的大小和方向未作計算與判斷，就急于作速度多邊形和加速度多邊形，因畫圖時缺少矢量方程的指引，而導致錯誤是常見的。 3)缺乏工程觀點，作為工程技術人員，其所作的分析計算，將來都要經(jīng)過實踐的檢驗，不認真對待分析中的每一個細節(jié)，都是導致錯誤的根源。 如何掌握利用速度瞬心對機構進行速度分析？ 利用速度瞬心對機構進行速度分析往往比較簡便。掌握這種方法的關鍵是要正確地找出所需瞬心的位置。 當兩構件直接組成運動副時，

15、其間的瞬心位置很容易確定，而非直接接觸的兩構件之間的瞬心則可借助于三心定理來確定。為了便于確定機構中各瞬心的位置，可以利用瞬心多邊形的幫助。 在瞬心多邊形中，各頂點的數(shù)字就代表機構中各相應構件的編號，各頂點間的連線，就代表相應兩構件間的瞬心，已知瞬心位置的連線用實線表 示，尚未求出其位置的瞬心用虛線表示。由三心定理知，在瞬心多邊形中任一三角形的三個邊所代表的三個瞬心應位于一直線上。據(jù)此就不難求得未知瞬心所在位 置。 例:(平面六桿機構的速度分析)。 還要注意：構件的速度瞬心一般不是構件的加速度瞬心，所以不能根據(jù)速度瞬心來對機構進行加速度分析。 掌握機構的速度及加速度圖解法應注意的圖解程次。 在

16、對機構作速度及加速度圖解時，可按如下程次進行。 a)選擇適當?shù)拈L度比例尺1，并按題給的原動件位置，準確作出機構運動簡圖。 b)弄清題意，確定解題思路，即確定求解的先后次序。 c)列出求解所需的運動分析矢量方程。矢量方程有兩類，一類是同一構件上兩點之間的速度及加速度關系；另一類是兩構件重合點之間的速度及加速度關系。后者用在有移動副的情況。 d)對矢量方程中的各項逐項分析其大小和方向。最好能在矢量方程各項的下面簡要注出其大小和方向、已知(用“”號)或未知(用“?”號)。若一個矢量方程中只有兩個未知量，即可用作圖法求解。否則就需列出補充方程式，以減少未知數(shù)。 e)選擇適當?shù)乃俣群图铀俣缺壤呒啊⑺俣?/p>

17、及加速度圖極點P及P，分別按矢量方程的指引，依次作出速度圖及加速度圖。 f)需要的解可直接從圖中量取。 如何判斷相對速度、相對加速度和哥氏加速度的方向？ 1)據(jù)速度圖和加速度圖來判斷(相對速度及相對加速度的方向)。 2)兩構件組成移動副時的:(哥氏加速度方向的判斷)。 用矢量方程解析法作級機構的運動分析時應注意的程次和事項? 用矢量方程解析法作級機構的運動分析是比較容易的，也有很強的程次性，只要按著一定的步驟求解，即可很容易獲得所需的結果。 在作運動分析時，要先作位置分析，位置分析的求解可按如下步驟進行： a)首先建立一直角坐標系，并把各構件當作桿矢量對待。 b)根據(jù)機構具有的獨立封閉環(huán)數(shù)的多

18、少，為每一獨立封閉環(huán)各建立一矢量封閉方程。 c)從只有兩個未知量的矢量封閉方程開始求解，求解時可利用適當?shù)氖噶奎c積的方法消去一個未知量，從而求得另一未知量。 在求得各桿矢未知量后，機構的速度和加速度分析只不過是位置方程對時間的一次求導和二次求導而已。也可用適當矢量，點積的方法來消去一個未知量以求得另一未知量。 在用矢量方程解析法作機構的運動分析時應注意如下事項：分析時不需要準確作出機構運動簡圖，只要畫出機構示意圖即可；各桿矢的方位角均 由軸開始，沿逆時針方向計量。作這樣的規(guī)定，在書寫方程和進行運算時具有統(tǒng)一的格式，給運算帶來很大的方便，同時也便于確定各方位角所在的象限；用矢量 方程解析法作級以

19、上機構的運動分析，往往顯得比較困難，不如用矩陣法方便。 如何正確用矩陣法作機構的運動分析？ 矩陣法位置分析的前一部分與矢量方程解析法相似，也要為機構的每一個獨立的封閉環(huán)寫一個矢量封閉方程，并將其投影到X軸 Y軸上，得一非線性方程組。在此方程組中方程的數(shù)量應與機構中的未知位置變量數(shù)相等。要求得各未知位置變量，必須求解此非線性方程組，而這正是位置分析 比較難的原因。 在作機構的速度和加速度分析時，可將求解所需公式寫成(矩陣形式)。 在機構速度分析時，如何正確應用速度影像關系？ 如由齒輪-連桿組合機構及其速度圖(教材圖3-8),可明顯看出盡管機構中的每個構件均與其速度圖有影像關系，但整個機構與其速度

20、圖無影像關系。故在速度分析時超出單個構件范圍利用影像關系的作法是錯誤的。對加速度分析也有同樣的結論。第四章 平面機構的力分析 學習內容 *機構力分析的任務、目的和方法 *構件慣性力的確定 *運動副中摩擦力的確定 *不考慮摩擦時機構的力分析 *考慮摩擦時機構的力分析 學習要求 *了解機構中作用的各種力的分類及機構力分析的目的和方法。 *能對幾種最常見的運動副中的摩擦力進行分析和計算。 *能對級機構進行動態(tài)靜力分析。 重點難點 本章的學習重點是：構件慣性力的確定及質量代換法；幾種常見運動副中摩擦力及總反力的確定；用圖解法和解析法對平面機構作動態(tài)靜力分析。學習難點是：轉動副中總反力作用線的確定。 學

21、習安排 本章授課本章自學作業(yè)綜合練習題實驗4學時6學時習題4-1、4-3、4-4、 4-5、4-6習題4-2、4-7學習方法 應將力分析與前一章的運動分析聯(lián)系起來學習 對機構進行動態(tài)靜力分析的理論基礎是理論力學中已介紹過的達朗伯爾原理，本課程在應用該原理時，為便于其在工程實踐中的應 用，增加了一些便于為工程實踐應用的方法，如質量代換法、圖解法等。同時本章的力分析與前一章的運動分析有許多相同之處，都是矢量方程的建立和求解，所不 同的僅是建立矢量方程所依據(jù)的原理一個是力的平衡條件，一個是運動學原理，故將兩者聯(lián)系起來學習既可相互借鑒和補充，又便于我們擴展思路。 工程上常用的計算方法-質量代換法 質量

22、代換是一種很有用的工程計算方法。工程上用得較多的是兩點質量代換(三點和四點質量代換在工程上也有用的，但應用較 少，其應滿足的代換條件與兩點代換相似)，其又分為動代換和靜代換。靜代換由于使用上較自由，雖然在靜代換后在轉動慣量上有一些誤差，但在工程上的應用仍 最多。 為什么說研究機器中的摩擦主要是研究運動副中的摩擦？ 摩擦在機器中是一個普遍存在的重要問題。摩擦對機器的工作有其不利的一面(摩擦引起能量的損耗，使運動副元素遭到磨損，摩 擦發(fā)熱改變了機器的尺寸精度、配合性質和潤滑劑的性能)；也有有利的一面(許多傳動和裝置是靠摩擦來工作的，如帶傳動、螺紋聯(lián)接、制動器、摩擦焊接機 等)。機器中摩擦主要發(fā)生在

23、運動副中，因運動副中有產(chǎn)生摩擦的全部必需條件，故研究機器中的摩擦也就主要是研究運動副中的摩擦。 如何確定運動副中摩擦力的大小和總反力的方向？ 研究運動副中的摩擦力主要是要確定其中摩擦力的大小和總反力的方向。 （1）移動副移動副中的摩擦力大小為 FG 式中G為外載荷； 為當量摩擦系數(shù)，其值取決于接觸面的幾何形狀和實際摩擦系數(shù)f。如對于槽面摩擦=f/sin,為槽面的槽形半角。 當量摩擦系數(shù)是一個假想的摩擦系數(shù)，引入當量摩擦系數(shù)的目的，是為了簡化計算，即不管相互接觸的兩運動副元素的幾何形狀如何，只需引入適當?shù)漠斄磕Σ料禂?shù)，均可按平面摩擦來計算其摩擦力。與當量摩擦系數(shù)相對應的當量摩擦角為=arctan

24、。 移動副中總反力的方向確定： 其總反力的方向應與法向反力偏斜一摩擦角； 總反力與法向反力偏斜的方向與構件1相對于構件2的相對速度的方向相反。 例:一相對移動滑塊副中總反力方向的確定。 （2）轉動副 如圖4-2所示，當軸頸1在驅動力偶矩Md的作用下,相對于軸承2轉動時，軸承2作用于軸頸1上的摩擦力Ff21=fvG，對軸頸中心O之矩為阻止軸頸轉動的摩擦力矩Mf=fvGr。摩擦力Ff21與法向反力FN21的合力FR21為軸承作用給軸頸的總反力。 由軸頸的力平衡條件，有FR21=-G。由于法向反力對軸頸中心O之矩為零，故Mf=fvGr=FR21，由之得=fv,為FR21對軸頸中心O的力臂。以O為圓心

25、，以為半徑所作的圓稱為摩擦圓，為摩擦圓半徑。由圖可見，總反力將切于轉動副中的摩擦圓。 轉動副中總反力方向的確定一些同學認為較難。其實并不難，它有很強的規(guī)律性，只需按下述步驟確定即可。 在不考慮摩擦的情況下，根據(jù)構件的力的平衡條件初步確定總反力的方向； 只要軸頸與軸承之間有相對運動，總反力應切于摩擦圓； 總反力對軸頸中心之矩的方向必與相對角速度的方向相反。 例:一動滑輪的轉動副中的總反力的方向確定。 （3）軸端摩擦機器中推力滑動軸承中的摩擦，螺母端面中的摩擦，單片、多片摩擦離合器或制動器中的摩擦等均屬端面摩擦，根據(jù)軸端工作情況的不同，將軸端分為新軸端和跑合軸端。 對于新制成的軸端或像螺母端面等很

26、少有相對運動的軸端，屬新軸端。這時可假設軸端接觸面上的壓強處處相等，p=即常數(shù)，由之可推得新軸端的摩擦力矩為 Mf=2fG(R3-r3)/3(R2-r2) 對于常有相對運動的軸端，經(jīng)過一段時間的工作(跑合)之后(跑合是機器工作初期，運動副元素彼此磨合，相互適應的過程)，這時較符合實際的假設是軸端和軸承接觸面間處處等磨損，也即假設常數(shù)，由之可推得跑合軸端的摩擦力矩為 Mf=fG(R+r)/2 在機器設計和研究中，對于復雜受力和應力狀況常需作一些假設，以簡化計算。合理的假設既可簡化計算，又可獲得所必需的計算精度。要能作出合理的簡化假設，必須深入觀察和仔細分析，才能作到。 在對機構作力分析時拆出基本

27、桿組的方法 在對機構進行受力分析時，若需同時求得作用在機構上的平衡力和各運動副中的反力，則需將機構拆分為各基本桿組，然后對各基本桿組逐個進行 受力分析?？梢宰C明，各基本桿組同時也都是靜定桿組。所謂靜定桿組是指桿組中包含的未知量的個數(shù)恰與桿組所能列出的獨立的力平衡方程式的個數(shù)相等。 拆出基本桿組的方法與機構結構分析時基本相同，但不是由遠離原動件的地方開始拆分桿組，而是從遠離作用有未知平衡力的構件開始，在拆出的桿組中不應包含有未知的外力。通過對各桿組的受力分析，最后才分析作用有未知平衡力的構件，以求出平衡力。 利用矩陣法對機構進行力分析，可同時求出各運動副中的反力和所需的平衡力，而不必按靜定桿組逐

28、一進行推算。且矩陣運算有標準子程序可資利用，這是利用矩陣法的優(yōu)點。 進行受力分析時，什么情況下必須考慮摩擦？ 在對機構進行受力分析時，在一般情況下可不考慮摩擦，所帶來的誤差也不會太大。但當機構處于某些特殊位置時(如第八章將會 講到的死點、極位等)，這時若不考慮摩擦將會帶來巨大誤差，故在確定沖壓類設備所能產(chǎn)生的最大沖壓力、鋼筋剪類設備的實際增力倍數(shù)時，就不能不考慮摩擦。 對一些較復雜的機構在考慮摩擦的情況下作受力分析時，常只有采用逐步逼近的方法才能得解。 參考書目 1.張世民編著.平面連桿機構設計.北京：高等教育出版社，1983 2.(美)R.L.諾頓(RobertL.Norton)著，陳立周，

29、韓建友，李威，邱立芳譯.機械設計機器和機構綜合與分析（原書第二版）.北京：機械工業(yè)出版社，2003 第五章 機械的效率和自鎖 學習內容 *機械的效率 *機械的自鎖 學習要求 *能確定簡單機械的機械效率及自鎖條件。 重點難點 本章的學習重點是：機械效率的計算，機械的自鎖現(xiàn)象和自鎖條件的確定。學習難點是：某些機械自鎖條件的確定。 學習安排 授課自學作業(yè)討論練習題可選修實驗2學時3學時習題5-1、5-3、5-6、5-95-2、5-5、5-8蝸桿傳動等傳動機構效 率的測定（1學時）學習方法 確定簡單機械效率時要注意的問題: 1)用功或功率之比表示的機械效率的計算是大家都比較熟悉的。在此基礎上，本課又推

30、導了以力或力矩之比的形式(F0F 或M0M)表達的效率計算式。此式對機構效率的計算具有普遍性、有效性和簡便性。因為在計及摩擦的情況下，對機構進行受力分析可求得F或M，再令式中的 摩擦系數(shù)及摩擦角為零或摩擦圓的半徑為零，即可求得F0或M0，從而即可求得機構的效率。 2)在使用公式=F0/F=MoM時要注意，式中的F及F0為驅動力，M及Mo為驅動力矩。而一個力或力矩是否為驅動力或驅動 力矩，不是由我們主觀假定的，而是看該力或力矩與構件之間的運動關系如何來確定的，如圖5-1所示的曲柄滑塊機構，設構件1沿逆時針方向回轉，因M1與 1方向相反故為阻力矩，而F與v3的方向一致，故F為驅動力。 3)在推導公

31、式=F0/F=MoM時，是根據(jù)F0F/(GG)=1，以及=GG/(FF)求得的，故要求Fo與F作用 于同一點且方向不變，且對應于同一個阻抗力G；對于Mo與M則要求其作用在同一個構件上，且方向不變，并對應于同一個阻抗力矩M。 機械效率的計算很簡單，并不難掌握，而由之得出的結論也很簡單明確，但它們對我們設計機械卻有重要的指導意義。 什么是機械的自鎖？ 機械的自鎖是一個重要的概念，對機械的性能有重要影響。有時我們需要克服自鎖，有時我們又需要利用自鎖。因此必須正確理解什么是機械的自鎖，所謂機械的自鎖是指：自由度F1，從機構結構來講原本可以運動的機械，在驅動力任意增大的情況下，都不能使之運動的現(xiàn)象。 如

32、何判斷機械是否自鎖和自鎖存在的條件？ 為了判斷機械是否自鎖和在什么條件下自鎖，可根據(jù)已知條件和具體情況，采用下列方法之一來確定機械的自鎖條件。 a）根據(jù)運動副的自鎖條件來確定機械的自鎖條件： 對于移動副，當驅動力作用在移動副的摩擦角之內時，將發(fā)生自鎖。例:一人在爬墻。 對于轉動副，當驅動力為一單一力，并作用在摩擦圓之內時，將發(fā)生自鎖。例:偏心夾具。 對于螺旋副，當螺紋導程角將發(fā)生自鎖。例:螺紋聯(lián)接。 b）計算所得的機械的生產(chǎn)阻力當驅動力任意增大時均0，該機械發(fā)生自鎖。因為這說明當驅動力任意增大時，機械都不能運動，要生產(chǎn)阻力反向變?yōu)轵寗恿Σ拍艽偈箼C械運動。 c）當驅動力任意增大時若機械的效率恒等

33、于小于零(0)，機械發(fā)生自鎖。其理由與上者相似。后面第十一章在講到行星輪系的自鎖條件時，就要用到這種方法。這時若要用其他的方法來判斷行星輪系是否自鎖都較困難。 d）可根據(jù)作用在構件上的有效驅動力是否始終等于或小于由其所能引起的同方向上的最大摩擦力(FtFfmax)的條件來確定。 例1:凸輪推桿自鎖條件的確定。 例2:雜技演員爬竿的自鎖要求。第六章 機械的平衡 學習內容 *機械平衡的目的及內容 *剛性轉子的平衡計算 *剛性轉子的平衡實驗 *轉子的許用不平衡量 *平面機構的平衡 學習要求 *掌握剛性轉子靜、動平衡的原理和方法，明確轉子許用不平衡量的意義。 *了解平面四桿機構的平衡原理。 重點難點

34、本章的學習重點是：剛性轉子靜平衡和動平衡的原理及計算方法。 學習安排 授課自學作業(yè)大作業(yè)必修實驗2學時3學時習題6-1、6-2、6-4、6-5剛性轉子動平衡實驗（1學時）學習方法 機械平衡要解決的問題是什么？ 機械平衡要解決的問題是設法消除或減小在機械運轉中構件所產(chǎn)生的不平衡慣性力和慣性力偶矩。關于構件慣性力和慣性力偶矩的 確定,在理論力學課程中和教材第四章中都研究過了，關于力平衡的概念我們也很熟悉,所以本章的學習在理論基礎上是不會有什么困難的。而重點在于如何在工程 實際中應用這些知識來達到完全或部分消除不平衡慣性力對機械工作的不良影響的目的。 如何正確理解兩類不同的平衡問題？ 根據(jù)構件的不同

35、運動形式，其所產(chǎn)生的慣性力的平衡方法也不同。對于繞固定軸轉動的回轉構件(即轉子),可以在構件本身上用 增減平衡質量的方法來使構件獲得平衡；對于作往復移動或平面運動的構件則不能作到這一點，而只能在機座上進行平衡,使各不平衡慣性力在機座上獲得平衡，而 不致傳到地基上去。故對于轉子的平衡和機構在機座上的平衡這兩類不同的平衡問題應有正確理解。 何謂剛性轉子和撓性轉子？ 根據(jù)轉子剛度大小的不同，將轉子分為剛性轉子和撓性轉子兩類。當轉子剛度大時其一階臨界轉速nc1自然也大；而當轉子的工作轉速n高時，轉子軸線產(chǎn)生的動撓度也就大。故將n(06075)nc1的轉子稱為剛性轉子，在作平衡計算時，不考慮轉子軸線的彈

36、性變形；而將n(06075)nc1的轉子稱為撓性轉子，在作平衡計算時，必須考慮轉子軸線的彈性變形。本課程重點討論前者。 何謂動平衡和靜平衡？ 剛性轉子根據(jù)其相對長度的不同又可分為兩種。 當其長徑比bD0.2時，因轉子的相對長度很短,可近似認為轉子中各偏心質量位于垂直于回轉軸線的同一平面內，這樣處理實際上是略去 了相對較小的慣性力偶矩的影響，而只考慮慣性力的平衡問題。即認作是一個平面匯交力系的平衡問題，故其只要在該平面內適當?shù)募訙p平衡質量就可作到構件的平 衡，我們稱這樣的平衡為靜平衡。 當bD0.2時，因構件的相對長度較大，慣性力偶矩的影響已不能忽視，故必須把各偏心質量所產(chǎn)生的離心慣性力按空間力

37、系來處理，但其可以用兩個平衡基面上的匯交力系來代替。這種既平衡慣性力又平衡慣性力偶矩的平衡稱為動平衡，它需兩個平衡平面。 顯然，已動平衡的轉子必然是靜平衡的，而已靜平衡的轉子，卻不一定是動平衡的。 如何處理好實際轉子的平衡問題？ 轉子的平衡尤其是高速轉子的平衡必須認真對待，在設計時需經(jīng)過平衡計算，推薦用解析法，因用作圖法一般難以達到所需的計算精度。轉子做好后還需作平衡試驗。在轉速較高的轉子零件圖上，應明確提出動平衡要求，即應在圖紙上標注出允許的殘余不平衡量的大小。 要注意區(qū)別機械的平衡和機械的調速概念。 機械經(jīng)過平衡后，如果其運轉速度發(fā)生波動，即有角加速度存在，仍會產(chǎn)生動載荷，但此動載荷的方向

38、在轉子周向。所以，機械的平衡和機械的調速(在教材第七章中介紹)，雖然都是為了減輕機械中的動載荷，但卻是兩類不同性質的問題，不能互相混淆。第七章 機械的運轉及其速度波動的調節(jié) 學習內容 *概述 *機械運動方程式 *機械運動方程式的求解 *穩(wěn)定運轉條件下機械的周期性速度波動及其調節(jié) *機械的非周期性速度波動及其調節(jié) 學習要求 *了解建立單自由度機械系統(tǒng)等效動力學模型及運動方程的方法。 *能求解運動方程式。 *了解飛輪調速原理，掌握飛輪轉動慣量的簡易計算法。 *了解機械非周期性速度波動調節(jié)的基本概念和方法。 *對考慮構件彈性時的機械動力學有所了解。 重點難點 本章的學習重點是：關于等效質量、等效轉動

39、慣量和等效力、等效力矩的概念及其計算方法；單自由度機械系統(tǒng)等效動力學模型的建立；機械運轉產(chǎn)生周期性和非周期性速度波動的根本原因及其調節(jié)方法的基本原理。學習難點是：最大盈虧功的確定及機械運動方程的求解。 學習安排授課自學作業(yè)大作業(yè)必修實驗4學時6學時習題7-1、7-2、7-3、7-5機械系統(tǒng)運動及動力參數(shù)測 定及飛輪調速（1學時）學習方法 搞清楚機器動力學研究的主要內容是什么？ 機器動力學研究的主要內容是兩類基本問題： 其一,是分析機器在運轉過程中其各構件的受力情況,以及這些力的作功情況,教材第四、五兩章介紹的內容就是這方面的問題； 其二,是研究機器在已知外力作用下的運動,這是本章將要研究的主要

40、問題之一。 機器的真實運動規(guī)律是由其各構件的尺寸、質量、轉動慣量和作用在各構件上的力等許多因素決定的。由于這些因素的變動，機械運動速度一般是 波動的，這種速度波動將直接影響到機械的工作，所以必須設法加以調節(jié)，使其速度波動控制在許可的范圍之內，這就是調速問題。這是本章將要研究的另一主要問 題。 在學習本章時,對上述將要研究的兩個主要問題,思想必須明確,并對研究的方法多加注意。 如何建立機械的等效動力學模型？ 依據(jù)：一般機械的自由度為1,對于自由度為1的機械,只要能確定其某一構件的真實運動規(guī)律,其余構件的運動規(guī)律也就相應的確定了。 方法：在我們研究機械的運轉情況時,可就機械中某一選定的構件來進行研

41、究,但為了保持原有的運動狀態(tài),要把其余所有構件的質量、轉動慣量 都等效的轉化(即折算)到這個選定的構件上去,并把各構件上所作用的力、力矩也都等效的轉化到這個構件上去。然后列出此構件的運動方程式，研究其運動規(guī) 律。這一過程，就是建立等效動力學模型。 顯然，這里關于質量、轉動慣量、力及力矩的等效轉化的概念是非常重要的。所以必須把質量、轉動慣量、力及力矩等效轉化的條件和方法搞清楚。 注意構件的質量及轉動慣量與等效質量及等效轉動慣量的區(qū)別。 機構各構件的質量和轉動慣量雖然一般都是定值，但轉化后的等效轉動慣量，因和各構件與轉化構件的傳動比有關，所以除非這些傳動比均為定值，否則等效質量及等效轉動慣量都是機

42、構位置的函數(shù)。 飛輪和調速器的調速原理不同，解決的問題也不同。 飛輪的作用是當機器出現(xiàn)盈功時用動能的形式把多余的能量吸收和儲存起來，當機器出現(xiàn)虧功時又把儲存的能量釋放出來以彌補能 量之不足，從而降低機器運轉速度的波動程度，即在機器內部起轉化和調節(jié)功能的作用，而其本身并不能產(chǎn)生新的能量使機器在一個運動循環(huán)中的能量增加或減少。 而調速器的作用則不同，它是從機器的外部來調節(jié)輸入(或輸出)機器的能量，使機器恢復穩(wěn)定運轉。兩者的調速原理不同，解決的問題也不同。 正因如此，所以在同一部機器中可能既裝有飛輪又裝有調速器，這也是一個必須搞清楚的概念。 要注意機械的周期性速度波動和非周期性速度波動有著本質的區(qū)別

43、。 機械的周期性速度波動和非周期性速度波動是兩種性質完全不同的現(xiàn)象。 機械的等速運轉只有在等效驅動力矩和等效阻抗力矩隨時相等(亦即驅動功率和阻抗功率隨時相等)的情況下才能實現(xiàn)。否則，機械運轉的速度便將發(fā)生波動。而機械運轉速度的波動有兩種不同的形態(tài)。 一種是周期性的速度波動。產(chǎn)生這種速度波動的條件是：在一個運動周期內機械的等效驅動力矩和等效阻抗力矩的平均值是相等的(亦即其驅動功和阻抗功是相等的)，所以機械處于變速穩(wěn)定運轉。 另一種則是非周期性速度波動。這時機械的驅動功和阻抗功已失去平衡，機械已不再是穩(wěn)定運轉，機械運轉的速度將持續(xù)升高或持續(xù)下降，如不加以調節(jié)就不可能恢復到穩(wěn)定運轉狀態(tài)。 因此，機械

44、的周期性速度波動和非周期性速度波動是兩種性質完全不同的現(xiàn)象。學習時必須把它們發(fā)生的原因、速度波動的形態(tài)以及調節(jié)的方法分別搞清，不要混淆。 飛輪設計的基本問題是什么？ 飛輪設計的基本問題是根據(jù)機器的平均角速度m和許可的運轉速度不均勻系數(shù)來確定飛輪的轉動慣量JF。 我們可就機器穩(wěn)定運轉時期任一運動循環(huán)來進行研究，設E0表示相應于一個運動循環(huán)開始時機器所具有的動能,表示從一個運動循環(huán)開始到其中任一位置時機器動能的增量,Je表示除飛輪外機器所有其余運動構件的等效轉動慣量，則飛輪在運動循環(huán)內任一瞬時所具有的動能為： JF2/2=E0+E-Je2/2(a) 上式為確定飛輪轉動慣量JF的基本方程。 而 當把

45、Je、JF均看作常數(shù)時，這時飛輪轉動慣量JF計算是不精確的，稱為:飛輪轉動慣量的簡易計算法。但其計算結果已能滿足一般工程的需要。 當計及等效轉動慣量Je中的變量部分求JF時，稱為精確法。其具體算法又有多種，但因其計算復雜，一般工程上很少采用。 計算飛輪轉動慣量的關鍵是要正確確定機械系統(tǒng)的最大盈虧功。 計算飛輪轉動慣量的關鍵是確定該機械系統(tǒng)的最大盈虧功，而為了確定最大盈虧功，需先確定機械最大動能及最小動能出現(xiàn)的位置。 對于一些比較簡單的情況，最大動能及最小動能出現(xiàn)的位置可直接由Me-圖中看出； 對于復雜的情況，則可借助于教材中介紹的“能量指示圖”來確定。值得注意的是,不要簡單地以為在Me-圖中,

46、Med與Mer之間所包圍的諸面積之中，面積最大的一塊面積之值就代表最大盈虧功Wmax的大小。 例:某一機械最大盈虧功的確定。 關于考慮構件彈性時的機械動力學說明。 考慮構件彈性時的機械動力學部分是屬于擴展知識面性質的內容,隨著機械日益向高速、高精度、輕巧方向發(fā)展,其重要性也日益顯露出來。但因此方面的內容涉及較深的數(shù)學及振動方面的知識,故教材中只作了非常膚淺的簡介,若有需要可參考專門的文獻。第八章 連桿機構及其設計 學習內容 *連桿機構及其傳動特點 *平面四桿機構的類型和應用 *平面四桿機構的基本知識 *平面四桿機構的設計 *多桿機構 學習要求 *了解連桿機構的傳動特點及其主要優(yōu)缺點。 *了解平

47、面四桿機構的基本型式、演化型式及平面四桿機構的一些應用實例。 *對四桿機構一些基本知識(如四桿機構有曲柄的條件，行程速比系數(shù)及急回運動、傳動角及死點，以及運動連續(xù)性等)應有明確的認識。 *能按連桿的三個位置，兩連架桿的三個對應位置，及行程速比系數(shù)等條件設計平面四桿機構。 *了解實現(xiàn)預定連桿曲線的平面四桿機構的設計方法。 *對多桿機構有所了解。 重點難點 本章的學習重點是：平面四桿機構的基本型式及其演化，有關四桿機構的一些基本知識，以及平面四桿機構的一些基本設計方法。學習難點是：按兩連架桿多對對應位置、或連桿的多個精確位置、或軌跡的多個精確點的設計。 學習安排 授課自學作業(yè)討論題實驗5學時7.5

48、學時習題8-1、8-2、8-3、8-5、8-6、 8-8、8-9、8-12、8-15習題8-4、8-7、 8-10、8-16學習方法 如何掌握好四桿機構的基本型式及其演化這部分內容？ 連桿機構的應用非常廣泛，在日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常遇到各種型式的連桿機構，盡管連桿機構的外形千變萬化，但通過用機構運動 簡圖來表示及機構的演化知識，可將其歸為少數(shù)幾種基本類型，這就為連桿機構的分析和綜合提供了方便，也為將來連桿機構的結構設計提供了很大的自由度。所 以，在學習過程中，對四桿機構的基本型式及其演化這部分內容要特別注意。 為了幫助同學們掌握這部分內容，這里再著重說明幾點： 其一，由改變構件的形狀及運動尺寸所

49、作的機構演化可知，移動副可認為是轉動副的一種特殊情況，即轉動中心位于垂直于移動副導軌的無限遠處的一個:轉動副(圖8-1)。從工程實際的角度來看，我們往往可以把無限遠理解為足夠遠的一個有限值，這樣就可把含有移動副的四桿機構與全轉動副的四桿機構完全統(tǒng)一起來了。由全轉動副四桿機構得出的結論可直接推廣到含移動副的四桿機構中去。 其二，由改變運動副的尺寸所作的機構演化可知，偏心輪滑塊機構與曲柄滑塊機構在運動學上是完全等效的。當然從強度的觀點來說，偏心輪的強 度要高得多；而從摩擦的觀點，由于Mf=frG，因偏心輪的半徑r大得多，故其摩擦損耗也就大得多。這些知識一般分散在全書各處，甚至分散在不同的學科 中，

50、但在解決工程實際的問題時，必須聯(lián)系在一起綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，才能作出正確的決策。 其三，選用不同構件作為機架的演化(機構的倒置)是相對運動原理在機械學中的應用。利用機構的倒置，可將已知機架位置求連桿上鉸鏈的位置的設計，以及已知兩連架桿對應位置的設計均可化為簡單的已知連桿位置求機架上鉸鏈位置的設計問題。 其四，由低副的副元素可以逆換知，導桿機構和搖塊機構在運動學上是完全等效的。 如何掌握好四桿機構的基礎知識？ 有關四桿機構的基礎知識是深入了解四桿機構性能的重要基礎，應給以足夠的重視。 其一，在判斷平面四桿機構是否存在曲柄時，首先要判斷其是否滿足桿長條件。滿足桿長條件且有最短桿參與構成的轉動副為周

51、轉副，否則為(擺轉副)。進一步再看以何桿為機架，就可知道有無曲柄和有幾個曲柄存在。例:(一運動鏈和(收放式折疊機構)。判斷四桿機構是否存在曲柄，對為四桿機構選擇原動機的類型是重要的，因為以普通電動機作為原動機時，拖動曲柄最為方便。 其二，急回運動和行程速比系數(shù)是一對重要的概念。行程速比系數(shù)K和極位夾角之間的關系為 K=(180+)/(180-) =180(K-1)/(K+1) 應記住。此時要注意兩點。一是:急回運動有方向性，一般機械大多利用慢進快退的特性，以節(jié)約輔助時間；但在破碎礦石、焦炭等的破碎機中，則有利用其快進慢退特性的，使礦石有充足的時間下落，以避免礦石因被多次破碎而形成過粉碎。由此可

52、見機械工程的要求的多樣性，故在設計機械時我們的思路一定要放開。另一是:兩個不具有急回特性的四桿機構經(jīng)適當組合后，也可能產(chǎn)生急回特性，且往往可獲得較大的行程速比系數(shù)。 例:(導桿機構與曲柄滑塊機構的組合)。由此例可見，在設計中若能對機構進行適當組合可使機構獲得新的性能。也由之可見，設計工作中的靈活機動性的重要性。若能用類似方法對教材上(圖8-2)、(8-18)進行分析，我們對該機構的認識就會更深刻。 其三，壓力角和傳動角是表征機構傳力性能好壞的重要指標，齒輪機構、凸輪機構等中都涉及到壓力角問題，所以一定要把壓力角的概念搞清楚。 傳動角和壓力角互為余角，兩者的作用是相當?shù)?。由于在連桿機構中連桿和從動件之間所夾的銳角即為傳動角，很直觀，也便于計算，故連桿機構中常采用傳動角的 概念。例:(根據(jù)傳動角的概念來確定一偏置曲柄滑塊機構的傳動角)。