《東南大學機械原理》課件

《東南大學機械原理》課程簡介機械原理課程是機械工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課。本課程主要介紹機械運動的基本規(guī)律，包括運動學和動力學的基礎(chǔ)理論。機械原理的研究范圍1機構(gòu)的運動分析機構(gòu)的運動分析涉及運動規(guī)律、速度、加速度等。2機械傳動機械傳動包括各種形式的傳動，例如齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動等。3機械設(shè)計機械設(shè)計包括機械部件的設(shè)計、選擇和計算，并考慮各種因素。4機械動力學機械動力學研究機械系統(tǒng)的運動規(guī)律、力學特性以及各種因素的影響。機械原理的基本概念運動和力機械原理研究的是機器的運動和力的相互作用。機構(gòu)機構(gòu)是由多個構(gòu)件組成的，用于實現(xiàn)特定運動和力傳遞的系統(tǒng)。運動分析研究機構(gòu)各構(gòu)件的運動規(guī)律，包括位移、速度、加速度。力分析研究機構(gòu)各構(gòu)件所受的力和力矩，以及力的傳遞和平衡。約束概念及其分類約束的概念約束是指限制物體運動的條件。物體在運動時，受到外部或內(nèi)部的限制，使其不能自由運動。機械原理中，約束是限制機構(gòu)運動的重要因素。約束的分類約束可以分為幾何約束和運動約束。幾何約束限制物體的位置和形狀，而運動約束限制物體運動的方向和速度。約束的作用約束可以使機構(gòu)按照預期的方式運動，并實現(xiàn)預定的功能。例如，齒輪副可以使機構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，而滑動副可以使機構(gòu)實現(xiàn)直線運動。自由度和約束方程機械系統(tǒng)中，每個剛體都有六個自由度，表示其在空間中的運動自由。但是，由于零件之間的連接和約束，系統(tǒng)實際的自由度會減少，稱為約束度。約束方程是用來描述約束關(guān)系的數(shù)學方程。約束方程可以通過分析零件之間的連接方式和約束條件來建立。每個約束對應一個約束方程，系統(tǒng)自由度等于剛體自由度減去約束度。機構(gòu)的運動分析1運動分析機構(gòu)的運動分析是機械原理的重要內(nèi)容，它是研究機構(gòu)中各構(gòu)件運動規(guī)律的過程。2運動分析方法常見的運動分析方法包括圖解法、解析法和數(shù)值法，不同方法適用于不同類型的機構(gòu)和分析目的。3運動分析應用運動分析結(jié)果可以用于確定機構(gòu)的運動特性，如速度、加速度、位移等，從而為機構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。平面機構(gòu)的運動分析平面機構(gòu)的運動分析是機械原理課程的核心內(nèi)容之一，是研究機械運動規(guī)律的基礎(chǔ)。1機構(gòu)類型確定機構(gòu)、不定機構(gòu)、過約束機構(gòu)2運動分析方法圖解法、解析法、矩陣法3運動參數(shù)速度、加速度、角速度、角加速度4運動軌跡點、線、面通過運動分析，我們可以掌握機構(gòu)的運動規(guī)律，為后續(xù)的設(shè)計和制造提供理論依據(jù)。轉(zhuǎn)動副和滑動副轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副是兩種構(gòu)件之間允許相對轉(zhuǎn)動而不能相對平移的連接。例如，軸承和軸之間的連接。轉(zhuǎn)動副通常由兩個零件組成，一個為軸，另一個為軸承。軸承可以是滾動軸承或滑動軸承?；瑒痈被瑒痈笔莾煞N構(gòu)件之間允許相對平移而不能相對轉(zhuǎn)動的連接。例如，活塞和氣缸之間的連接。滑動副通常由兩個零件組成，一個為滑塊，另一個為導軌?；瑝K可以在導軌上滑動，但不能旋轉(zhuǎn)。齒輪副的基本參數(shù)模數(shù)齒輪模數(shù)是齒輪尺寸的基本參數(shù)之一，它決定著齒輪的大小和強度。模數(shù)越大，齒輪尺寸越大，強度也越高。壓力角壓力角是齒輪嚙合過程中齒面壓力線與齒輪中心線之間的夾角，它是影響齒輪傳動效率和齒輪壽命的重要參數(shù)。齒數(shù)齒數(shù)是齒輪上齒的個數(shù)，它是決定齒輪傳動比和齒輪運動規(guī)律的重要參數(shù)。中心距中心距是兩個齒輪中心之間的距離，它是決定齒輪傳動機構(gòu)安裝尺寸的重要參數(shù)。齒輪傳動的幾何分析1齒廓形狀齒廓形狀決定傳動比和效率2齒輪參數(shù)模塊、齒數(shù)、壓力角等影響齒輪傳動性能3齒輪嚙合嚙合關(guān)系影響齒輪傳動的平穩(wěn)性和效率4齒輪傳動比齒輪傳動比影響轉(zhuǎn)速和扭矩的分配幾何分析是齒輪傳動設(shè)計的關(guān)鍵，確保齒輪傳動效率和精度。齒輪副傳動比和效率齒輪傳動比是指輸出軸轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速之比，表示齒輪傳動的增速或減速能力。效率是指輸出功率與輸入功率之比，表示能量傳遞的效率。傳動比和效率是齒輪傳動設(shè)計中重要的參數(shù)。傳動比決定了傳動裝置的增速或減速功能，效率決定了傳動裝置的能量損耗。1傳動比傳動比越大，增速或減速效果越明顯。0.95效率效率越高，能量損耗越低。10齒輪齒輪設(shè)計復雜，需要考慮傳動比和效率。100應用齒輪傳動廣泛應用于汽車、機械等領(lǐng)域。滾動接觸副的基本原理滾動軸承滾動軸承由滾動體、內(nèi)圈、外圈、保持架等組成。齒輪齒輪副通過齒輪間的嚙合實現(xiàn)動力傳遞和運動變換。蝸輪蝸桿蝸輪蝸桿副由蝸輪和蝸桿組成，可實現(xiàn)大幅減速和扭矩增大。滾動接觸副的應力分析滾動接觸副承受的載荷類型包括徑向載荷和軸向載荷。滾動接觸副的應力分析主要包括接觸應力、彎曲應力和疲勞應力分析。接觸應力由接觸面之間的壓力產(chǎn)生彎曲應力由滾動體和滾道之間的彎曲變形產(chǎn)生疲勞應力由重復載荷引起的材料內(nèi)部微觀裂紋擴展產(chǎn)生軸系的設(shè)計原理11.軸的強度軸系設(shè)計必須保證足夠的強度和剛度，以承受工作載荷和防止過早失效。22.軸的剛度軸的剛度是指抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的能力，確保軸在工作過程中保持穩(wěn)定和精度。33.軸的穩(wěn)定性軸在高速運轉(zhuǎn)時要避免產(chǎn)生振動，因此軸系設(shè)計要考慮軸的穩(wěn)定性和共振頻率。44.軸的壽命軸系設(shè)計應考慮軸的疲勞壽命，選擇合適的材料和表面處理工藝，提高軸的耐用性。鍵連接的設(shè)計與計算鍵連接的基本概念鍵連接是一種常見的機械連接方式，用于傳遞轉(zhuǎn)矩并防止軸上零件的軸向移動。鍵連接的設(shè)計步驟確定鍵型計算鍵的尺寸設(shè)計鍵槽鍵連接的強度計算鍵連接的強度主要取決于鍵的抗剪強度和軸的抗壓強度。鍵連接的應用鍵連接廣泛應用于各種機械傳動系統(tǒng)，例如齒輪、軸承、聯(lián)軸器等。螺紋連接的設(shè)計與計算螺紋連接類型常見螺紋連接類型包括螺栓連接、螺釘連接和螺母連接等。不同的連接類型適用于不同的應用場景，需要根據(jù)實際情況選擇。螺紋連接尺寸選擇螺紋連接的尺寸選擇需要考慮承載能力、連接強度和工作環(huán)境等因素。選擇合適的螺紋尺寸能夠確保連接的可靠性和安全性。螺紋連接強度計算螺紋連接的強度計算主要包括螺栓的拉伸強度和螺紋的剪切強度，需要根據(jù)材料特性和連接方式進行計算。螺紋連接緊固力計算螺紋連接的緊固力計算需要考慮螺栓的預緊力、螺紋摩擦系數(shù)和工作環(huán)境等因素，確保連接的可靠性和緊固程度。螺紋連接疲勞壽命分析螺紋連接的疲勞壽命分析需要考慮螺紋的應力集中和循環(huán)載荷等因素，確保連接的長期可靠性和安全性。焊接連接的設(shè)計與計算1材料選擇焊接材料的種類和性能直接影響焊接接頭的強度和可靠性。2焊接工藝焊接方法和工藝參數(shù)決定著焊接接頭的質(zhì)量和性能。3結(jié)構(gòu)設(shè)計焊接接頭的形狀和尺寸要根據(jù)受力情況和工藝要求進行合理設(shè)計。液壓傳動的基本原理壓力能量液壓傳動利用液體的壓力變化來傳遞能量。封閉系統(tǒng)液壓系統(tǒng)是一個封閉的系統(tǒng)，液體在管道中循環(huán)流動。能量轉(zhuǎn)換液壓泵將機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能。執(zhí)行機構(gòu)液壓馬達將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能。液壓傳動系統(tǒng)的組成動力元件提供液壓能量，如液壓泵。執(zhí)行元件將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，如液壓缸和液壓馬達?？刂圃刂埔簤河偷牧髁?、壓力和方向，如方向閥、壓力閥和流量閥。輔助元件為系統(tǒng)提供輔助功能，如油箱、過濾器、冷卻器等。液壓泵的工作原理1能量轉(zhuǎn)換將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能2流體壓力通過旋轉(zhuǎn)或往復運動3輸出液壓油驅(qū)動液壓系統(tǒng)執(zhí)行動作液壓泵是液壓系統(tǒng)中最重要的元件之一，它將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，為液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵通過旋轉(zhuǎn)或往復運動將液壓油加壓，并將其輸送到液壓系統(tǒng)中，驅(qū)動液壓缸或液壓馬達等執(zhí)行元件執(zhí)行工作。液壓馬達的工作原理1液壓能轉(zhuǎn)化為機械能液壓馬達將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能2旋轉(zhuǎn)運動液壓馬達主要輸出旋轉(zhuǎn)運動3工作原理工作液壓油進入馬達4旋轉(zhuǎn)輸出馬達內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)液壓馬達內(nèi)部有旋轉(zhuǎn)元件，工作液壓油進入馬達后推動旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)元件連接到輸出軸，從而輸出機械能。電動機的基本結(jié)構(gòu)定子定子是電動機的外殼，它由機座、端蓋、定子鐵芯和定子繞組組成。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部件，它由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。電動機的速度特性空載速度電機不負載時的轉(zhuǎn)速，通常為最大轉(zhuǎn)速。額定速度電機在額定負載下的轉(zhuǎn)速，一般為銘牌上標明的速度。臨界速度電機達到額定轉(zhuǎn)速后，如果負載繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)速將下降，當下降到臨界速度時，電機可能會停轉(zhuǎn)。電動機的轉(zhuǎn)矩特性電動機的轉(zhuǎn)矩特性是指電動機在不同轉(zhuǎn)速下輸出的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩特性曲線通常呈現(xiàn)下降趨勢，這意味著隨著轉(zhuǎn)速的增加，電動機的轉(zhuǎn)矩會逐漸減小。轉(zhuǎn)矩特性曲線是電動機性能的重要指標之一，可以幫助人們了解電動機在不同負載下的運行狀態(tài)。制動裝置的分類和選擇制動裝置分類制動裝置按結(jié)構(gòu)分為摩擦式制動器和電磁制動器。摩擦式制動器依靠摩擦力來實現(xiàn)制動，常見于機械設(shè)備中。電磁制動器利用電磁力來實現(xiàn)制動，通常應用于高精度控制系統(tǒng)。選擇制動裝置制動裝置的選擇需要考慮多種因素，包括制動力矩、響應速度、可靠性、工作環(huán)境以及成本等。根據(jù)具體應用場景，選擇合適的制動裝置以確保系統(tǒng)安全可靠地運行。驅(qū)動裝置的組成結(jié)構(gòu)11.動力源動力源為驅(qū)動裝置提供動力，例如電動機、內(nèi)燃機等。22.傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)將動力源的動力傳遞給工作機，例如齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動等。33.控制裝置控制裝置控制驅(qū)動裝置的速度、方向和運行狀態(tài)，例如變速箱、離合器等。44.安全裝置安全裝置確保驅(qū)動裝置的安全運行，例如制動器、限位開關(guān)等。機械傳動系統(tǒng)的效率分析機械傳動系統(tǒng)的效率是指輸入功率與輸出功率之比。效率是衡量傳動系統(tǒng)性能的重要指標之一。90%機械機械傳動系統(tǒng)效率一般在90%左右。10%損耗傳動系統(tǒng)效率降低主要是由于摩擦、漏氣、漏油等損耗導致的。2-5%齒輪齒輪傳動效率一般在95%以上，而鏈傳動和帶傳動效率則相對較低。5-10%摩擦摩擦損失是傳動系統(tǒng)的主要能量損失來源之一，其大小與摩擦表面接觸面積、摩擦系數(shù)以及壓力有關(guān)。機械傳動系統(tǒng)的可靠性分析可靠性指標定義影響因素平均無故障時間（MTBF）設(shè)備正常運行的平均時間材料、加工精度、潤滑故障率（λ）單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率環(huán)境溫度、振動、沖擊維修時間（MTTR）設(shè)備發(fā)生故障后修復所需的時間維修人員技能、備件供應機械傳動系統(tǒng)的維修保養(yǎng)定期檢查檢查潤滑油位，檢查齒輪磨損，檢查軸承是否松動。清潔保養(yǎng)定期清潔傳動系統(tǒng)，清除灰塵和雜物，防止部件腐蝕。部件更換及時更換磨損的部件，如齒輪、軸承、密封件等，確保系統(tǒng)正常運行。維護記錄記錄每次維修保養(yǎng)的時間、內(nèi)容和更換的部件，方便后續(xù)維護和故障分析。機械傳動系統(tǒng)的安全性分析安全操作規(guī)范