機(jī)械基礎(chǔ)（多學(xué)時）第3版 課件 第一章 概述

第一章概述第一節(jié)中國機(jī)械發(fā)展簡史第二節(jié)機(jī)械的構(gòu)成第三節(jié)機(jī)械的運動可行

性評價第一節(jié)中國機(jī)械簡史

機(jī)械工程是所有應(yīng)用工程的基礎(chǔ)，是人類改造世界最基本的手段。

機(jī)械基礎(chǔ)是工業(yè)生產(chǎn)一線技術(shù)人員的必備知識。

中國五千年文明史是一部創(chuàng)造史，它鑄就了燦爛的精神文化和卓越的工程文明，成為

推動世界物質(zhì)文明和精神文明的關(guān)鍵驅(qū)動力。機(jī)械工程技術(shù)是一切工程技術(shù)的基礎(chǔ)。中國的機(jī)械工程技術(shù)歷史悠久，成就輝煌。

例1商代發(fā)明的桔槔用來汲水灌溉(圖1-1),可掃二維碼觀看原理。其桔槔的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于杠桿。例2漢朝張衡發(fā)明的天文儀候風(fēng)地動儀（圖1-2）

古代的機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新

現(xiàn)代中國機(jī)械科技創(chuàng)新大國重器國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)大國重器空間站大國重器亞洲最大重型自航絞吸船“天鯤號”機(jī)器——根據(jù)某種具體使用要求而設(shè)計的多件實物的組合體。機(jī)構(gòu)——能夠用來傳遞運動和力或改變運動形式的多件實物的組合體。如：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、

齒輪機(jī)構(gòu)等。如:縫紉機(jī)、洗衣機(jī)、各類機(jī)床、運輸車輛、農(nóng)用機(jī)器、起重機(jī)等。

機(jī)器的種類繁多，結(jié)構(gòu)、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。第二節(jié)機(jī)械的構(gòu)成典型機(jī)器的分析：1.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)組成：65438712910汽缸體1、活塞2、進(jìn)氣閥3、排氣閥4、連桿5、曲軸6、凸輪7、頂桿8、齒輪9、10工作原理：1）活塞下行，進(jìn)氣閥開啟，混合氣體進(jìn)入汽缸；2）活塞上行，氣閥關(guān)閉，混合氣體被壓縮，在頂部點火燃燒；3）高壓燃燒氣體推動活塞下行，兩氣閥關(guān)閉；4）活塞上行，排氣閥開啟，廢氣體被排出汽缸。循環(huán)運動的結(jié)果，使曲軸輸出連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動設(shè)計：潘存云進(jìn)氣壓縮爆炸排氣內(nèi)燃機(jī)的工作過程：活塞的往復(fù)運動通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的連續(xù)轉(zhuǎn)動，該組合體稱為：內(nèi)燃機(jī)各部分的作用：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)凸輪和頂桿用來啟閉進(jìn)氣閥和排氣閥；稱為：凸輪機(jī)構(gòu)兩個齒輪用來保證進(jìn)、排氣閥與活塞之間形成協(xié)調(diào)動作，稱為：齒輪機(jī)構(gòu)各部分協(xié)調(diào)動作的結(jié)果：化學(xué)能機(jī)械能機(jī)器的共有特征：①人造的實物組合體；②各部分有確定的相對運動；③代替或減輕人類勞動完成有用功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

機(jī)器的作用

機(jī)器的分類：

原動機(jī)——實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、電動機(jī)）種類有限工作機(jī)——完成有用功（如機(jī)床等）

種類繁多工作機(jī)的組成：原動部分——是工作機(jī)動力的來源，最常見的是電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。工作部分——完成預(yù)定的動作，位于傳動路線的終點。

傳動部分——聯(lián)接原動機(jī)和工作部分的中間部分。

控制部分——保證機(jī)器的啟動、停止和正常協(xié)調(diào)動作。

其關(guān)系如下機(jī)械機(jī)器機(jī)構(gòu)原動機(jī)傳動工作控制

原動機(jī)工作機(jī)控制器(控制)電動機(jī)(原動)帶(傳動)減速器(傳動)波輪(工作)分析自動洗衣機(jī)的組成：同理，通過對典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析可知：機(jī)構(gòu)的共有特征：

①人造的實物組合體；②各部分有確定的相對運動；③用來傳遞力或?qū)崿F(xiàn)運動的轉(zhuǎn)換。機(jī)構(gòu)的分類：通用機(jī)構(gòu)和專用機(jī)構(gòu)。

通用機(jī)構(gòu)——用途廣泛，如齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。專用機(jī)構(gòu)——只能用于特定場合，如鐘表的擒縱機(jī)構(gòu)。機(jī)器與機(jī)構(gòu)的關(guān)系：由兩個實例推廣到一般

任意復(fù)雜的機(jī)器都是由若干組機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律組合而成的。實際機(jī)器的種類有成千上萬種，但機(jī)構(gòu)的種類確有限。類似關(guān)系：化合物與化學(xué)元素由機(jī)器與機(jī)構(gòu)的共有特征可知：機(jī)器與機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和運動方面并無區(qū)別（僅作用不同），故統(tǒng)稱為機(jī)械。人造的組合體、有確定的相對運動構(gòu)件——獨立的運動單元

內(nèi)燃機(jī)中的連桿內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋零件——獨立的制造單元第三節(jié)機(jī)械的運動可行性評價一、運動副、自由度與約束1.構(gòu)件的自由度空間1構(gòu)件有6個自由度，平面1構(gòu)件有3個自由度。

2.約束

構(gòu)成運動副的構(gòu)件接觸，會形成約束。約束是對構(gòu)件自由度的限制。構(gòu)件間不同的接觸情況形成不同的約束數(shù)。

1.運動副的概念a)兩個構(gòu)件、b)直接接觸、c)有相對運動定義：運動副——兩個構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對運動的聯(lián)接。三個條件，缺一不可運動副元素——直接接觸的部分（點、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。I級副II級副III級副I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副。3.運動副的分類：（1)按引入的約束數(shù)分有：(2)按相對運動范圍分有：平面運動副——平面運動平面機(jī)構(gòu)——全部由平面運動副組成的機(jī)構(gòu)。IV級副例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關(guān)節(jié)。空間運動副——空間運動V級副1V級副2V級副3兩者關(guān)聯(lián)空間機(jī)構(gòu)——至少含有一個空間運動副的機(jī)構(gòu)。(3)按運動副元素分有：①高副——點、線接觸，應(yīng)力高。②低副——面接觸，應(yīng)力低例如：滾動副、凸輪副、齒輪副等。例如：轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副）、移動副。常見運動副符號的表示:國標(biāo)GB4460－2013給定S3＝S3(t)，一個獨立參數(shù)θ1＝θ1（t）唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個獨立參數(shù)。

若僅給定θ1＝θ1（t）,則θ2θ3θ4均不能唯一確定。若同時給定θ1和θ4

，則θ3θ2

能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個獨立參數(shù)。θ4S3123S’3θ11234θ1二、平面機(jī)構(gòu)自由度的計算定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。原動件——能獨立運動的構(gòu)件?！咭粋€原動件只能提供一個獨立參數(shù)∴機(jī)構(gòu)具有確定運動的條件為：自由度＝原動件數(shù)一、平面機(jī)構(gòu)的自由度計算作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數(shù)（x，y,θ）才能唯一確定。yxθ(x,y)F=3單個自由構(gòu)件的自由度為3自由構(gòu)件的自由度數(shù)運動副自由度數(shù)約束數(shù)回轉(zhuǎn)副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2結(jié)論：構(gòu)件自由度＝3－約束數(shù)移動副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3θ經(jīng)運動副相聯(lián)后，構(gòu)件自由度會有變化：

＝自由構(gòu)件的自由度數(shù)－約束數(shù)活動構(gòu)件數(shù)

n

計算公式：

F=3n－(2PL+Ph)要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度低副約束數(shù)

高副約束數(shù)

3×n2×PL1

×Ph①計算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：②計算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度解：活動構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=5F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2

高副數(shù)PH=01234θ1③計算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1高副數(shù)PH=1123二、計算平面機(jī)構(gòu)自由度的注意事項12345678ABCDEF④計算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=6F=3n－2PL－PH高副數(shù)PH=0=3×7－2×6－0=9計算結(jié)果肯定不對！1.復(fù)合鉸鏈——兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。計算：m個構(gòu)件,有m－1轉(zhuǎn)動副。兩個低副1.復(fù)合鉸鏈——兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)。計算：m個構(gòu)件,有m－1轉(zhuǎn)動副。兩個低副⑥計算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：n=3，PL=3，F(xiàn)=3n－2PL－PH=3×3－2×3－1=2PH=1對于右邊的機(jī)構(gòu)，有：

F=3×2－2×2－1=1事實上，兩個機(jī)構(gòu)的運動相同，且F=11231232.局部自由度F=3n－2PL－PH－FP=3×3－2×3－1－1=1本例中局部自由度

FP=1或計算時去掉滾子和鉸鏈：

F=3×2－2×2－1=1定義：構(gòu)件局部運動所產(chǎn)生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場合，計算時應(yīng)去掉Fp。滾子的作用：滑動摩擦滾動摩擦。123123解：n=4，PL=6，F(xiàn)=3n－2PL－PH=3×4－2×6=0PH=03.虛約束

對機(jī)構(gòu)的運動實際不起作用的約束。計算自由度時應(yīng)去掉虛約束?！逨E＝AB＝CD，故增加構(gòu)件4前后E點的軌跡都是圓弧。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。1234ABCDEF重新計算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：1234ABCDEF4FAB＝CD＝EF虛約束⑦已知：AB＝CD＝EF，計算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。出現(xiàn)虛約束的場合：

1）兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點的軌跡重合，2）兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副，且導(dǎo)路平行。

如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪，橢圓儀等。4）運動時，兩構(gòu)件上的兩點距離始終不變。如天平機(jī)構(gòu)。3）兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副，且同軸。5）對運動不起作用的對稱部分。如多個行星輪。EF6）兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。如等寬凸輪W注意：法線不重合時，變成實際約束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A虛約束的作用：①改善構(gòu)件的受力情況，如多個行星輪。②增加機(jī)構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。③使機(jī)構(gòu)運動順利，避免運動不確定，如車輪。注意：各種出現(xiàn)虛約束的場合都是有條件的!CDABGFoEE’⑧計算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。位置C，2個低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度1個虛約束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×9－1=2CD