机械原理教案课程.docx
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机械原理教案课程
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第一章绪论
基本要求:
1.明确机械原理课程的研究对象和内容，以及学习本课程的目的。
2.了解机械原理在培养机械类高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用。
3.了解机械原理学科的发展趋势。
教学内容:
1.机械原理课程的研究对象
2.机械原理课程的研究内容
3.机械原理课程的地位及学习本课程的目的
4.机械原理课程的学习方法
重点难点:
本章的学习重点是机械原理课程的研究对象和内容，机器、机构和机械的概念，机器和机构的用途以及区别；了解机械原理课程的性质和特点。
机械原理课程的研究对象
机械是人类用以转换能量和借以减轻人类劳动、提高生产率的主要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。
机械工业是国民经济的支柱工业之一。
当今社会高度的物质文明是以近代机械工业的飞速发展为基础建立起来的，人类生活的不断改善也与机械工业的发展紧密相连。
机械原理（TheoryofMachinesandMechanisms）是机器和机构理论的简称。
它以机器和机构为研究对象，是一门研究机构和机器的运动设计和动力设计，以及机械运动方案设计的技术基础课。
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机器的种类繁多，如内燃机、汽车、机床、缝纫机、机器人、包装机等，它们的组成、功用、性能和运动特点各不相同。
机械原理是研究机器的共性理论，必须对机器进行概括和抽象?
内燃机与机械手的构造、用途和性能虽不相同，但是从它们的组成、运动确定性及功能关系看，都具有一些共同特征：
（1）人为的实物（机件）的组合体。
（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。
（3）能完成有用机械功或转换机械能。
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凡同时具备上述3个特征的实物组合体就称为机器
内燃机和送料机械手等机器结构较复杂，如何分析和设计这类复杂的机器呢？
我们可以采取“化整为零”的思想，即首先将机器分成几个部分，对其局部进行分析。
机构是传递运动和动力的实物组合体。
最常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。
它们的共同特征是：
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（1）人为的实物（机件）的组合体。
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（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。
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可以看出，机构具有机器的前两个特征。
机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。
在开发设计新型机器时，我们采用“积零为整”的设计思想，根据机器要完成的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型机器。
内燃机就是由曲柄滑块机构（由活塞、连杆、曲轴和机架组成）、凸轮机构（由凸轮、顶杆和机架组成）和齿轮机构等组成。
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随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：
1．某些情况下，机件不再是刚体，气体、液体等也可参与实现预期的机械运动。
我们将利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构统称为广义机构。
由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。
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利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液压机构和气动机构，它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。
利用光电、电磁物理效应，实现能量传递或运动转换或实现动作的一类机构，应用也十分广泛。
例如，采用继电器机构实现电路的闭合与断开；电话机采用磁开关机构，提起受话器时，接通线路进行通话，当受话器放到原位时断路。
2．机器内部包含了大量的控制系统和信息处理、传递系统。
3．机器不仅能代替人的体力劳动，还可代替人的脑力劳动。
除了工业生产中广泛使用的工业机器人，还有应用在航空航天、水下作业、清洁、医疗以及家庭服务等领域的"服务型"机器人。
例如Sony公司新近推出的SDR-3X娱乐机器人。
研究内容
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机械原理课程的研究内容分为以下三部分：
（1）机构的运动设计
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主要研究机构的组成原理以及各种机构的类型、特点、功用和运动设计方法。
通过机构类型综合，探索创新设计机构的途径。
主要内容包括机构的组成和机构分析、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等一些常用的机构及组合方式，阐述满足预期运动和工作要求的各种机构的设计理论和方法。
（2）机械的动力设计
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主要介绍机械运转过程中所出现的若干动力学问题，以及如何通过合理设计和实验改善机械动力性能的途径。
主要包括求解在已知力作用下机械的真实运动规律的方法、减少机械速度波动的调节问题、机械运动过程中的平衡问题、以及机械效率和摩擦问题。
（3）机械系统方案设计
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主要介绍机械系统方案设计的设计内容、设计过程、设计思路和设计方法。
主要内容包括机械总体方案的设计和机械执行系统的方案设计等内容。
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通过对机械原理课程的学习，应掌握对已有的机械进行结构、运动和动力分析的方法，以及根据运动和动力性能方面的设计要求设计新机械的途径和方法。
机械原理课程的地位和作用
机械原理是以高等数学、物理学及理论力学等基础课程为基础的，研究各种机械所具有的共性问题；它又为以后学习机械设计和有关机械工程专业课程以及掌握新的科学技术成就打好工程技术的理论基础。
因此，机械原理是机械类各专业的一门非常重要的技术基础课，它是从基础理论课到专业课之间的桥梁，是机械类专业学生能力培养和素质教育的最基本的课程。
在教学中起着承上启下的作用，占有非常重要的地位。
其目的在于培养学生以下几点：
1.掌握机构运动学和机械动力学的基本理论和基本技能，并具有拟定机械运动方案、分析和设计机构的能力，为学习机械设计和机械类有关专业课及掌握新的科学技术打好工程技术的理论基础。
2.掌握机构和机器的设计方法和分析方法，为现有机械的合理使用和革新改造打基础。
3.掌握创新设计方法，培养创造性思维和技术创新能力，针对原理方案设计阶段，为机械产品的创新设计打下良好的基础。
机械原理课程的学习方法
1.学习机械原理知识的同时,注重素质和能力的培养。
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在学习本课程时，应把重点放在掌握研究问题的基本思路和方法上，着重于创新性思维的能力和创新意识的培养。
2．重视逻辑思维的同时,加强形象思维能力的培养。
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从基础课到技术基础课，学习的内容变化了，学习的方法也应有所转变；要理解和掌握本课程的一些内容，要解决工程实际问题，要进行创造性设计，单靠逻辑思维是远远不够的，必须发展形象思维能力。
3．注意把理论力学的有关知识运用于本课程的学习中。
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在学习本课程的过程中，要注意把高等数学、物理、理论力学和工程制图中的有关知识运用到本课程的学习当中。
4．注意将所学知识用于实际,做到举一反三。
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第二章?
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平面机构的结构分析
基本要求:
1.熟练掌握机构运动简图的绘制方法。
能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。
2.掌握运动链成为机构的条件。
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3.熟练掌握机构自由度的计算方法。
能自如地运用平面机构自由度计算公式计算机构自由度。
能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。
4．了解机构的组成原理和结构分析的方法。
了解高副低代的方法；学会根据机构组成原理，用基本杆组、原动件和机架创新构思新机构的方法。
教学内容:
1机构的组成；
2机构运动简图；
3机构的自由度的计算及机构具有确定运动的条件；
4机构的组成原理和结构分析。
机构的组成
1．构件与零件
构件：
从运动的观点分析机械时，构件是参加运动的最小单元体。
构件可以是一个零件，也可以是由多个零件组成的刚性系统。
零件：
从制造的观点分析机械时，零件是组成机械的最小单元体。
任何机械都由许多零件组合而成的。
2．运动副及其分类
运动副：
两构件直接接触所形成的可动联接。
运动副元素：
两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。
构件的自由度：
构件所具有的独立运动的数目。
?
两个构件构成运动副后，构件的某些独立运动受到限制，这种限制称为约束。
约束：
运动副对构件的独立运动所加的限制。
运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。
运动副的分类：
1）按运动副的接触形式分：
低副：
构件与构件之间为面接触，其接触部分的压强较低。
高副：
构件与构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。
2）按相对运动的形式分
平面运动副：
两构件之间的相对运动为平面运动。
空间运动副：
两构件之间的相对运动为空间运动。
3）按运动副引入的约束数分类
引入1个约束的运动副称为1级副，引入2个约束的运动副称为2级副，引入3个约束的运动副称为3级副，引入4个约束的运动副称为4级副，引入5个约束的运动副称为5级副。
4．按接触部分的几何形状分
3．运动链
运动链是指两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。
闭式运动链（闭链）：
运动链的各构件构成首末封闭的系统。
开式运动链（开链）：
运动链的各构件未构成首末封闭的系统。
在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。
机构：
具有确定运动的运动链。
机架：
机构中固定不动的构件；
原动件：
按照给定运动规律独立运动的构件
从动件：
其余活动构件。
平面机构：
组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互平行的平面内。
空间机构：
机构的各构件的相对运动不在同一平面内或平行的平面内。
运动简图
机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，还是构思新机械的运动方案和对组成新机械的各种机构作进一步的运动及动力设计时，需要一种表示机构的简明图形——机构运动简图。
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机构运动简图：
用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。
它与原机械具有完全相同运动特性。
机构示意图：
为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。
功用：
1.现有机械分析
2.新机械总体方案的设计
机构简图的绘制步骤：
1.分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；?
2.沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；?
3.适当地选择运动简图的视图平面；?
4.选择适当比例尺
（
=实际尺寸（m）/图示长度（mm）），用机构简图符号，绘制机构运动简图。
并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。
在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
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机构自由度的计算及具有确定运动的条件
1.机构自由度的概念：
机构的独立运动数称为机构的自由度。
2.平面机构自由度的计算
机构的自由度取决于活动构件的数目、联接各构件的运动副的类型和数目。
（1〕平面机构自由度计算的一般公式
设一个平面机构中共有n个活动构件，在用运动副将所有构件联接起来前，这些活动构件具有3n个自由度。
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当用
个高副、
个低副联接成运动链后，这些运动副共引入了
个约束。
由于每引入一个约束构件就失去了一个自由度，故整个机构相对于机架的自由度数为
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（）
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该式称为平面机构的结构公式。
3．计算平面机构自由度的注意事项
（1）复合铰链
定义：
两个以上构件在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称为复合铰链。
解决问题的方法：
若有K个构件在同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（K-1）个
（2）局部自由度
定义：
若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为局部自由度。
局部自由度经常发生的场合：
滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。
解决的方法：
计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。
（3）虚约束
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在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束可能与其他运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。
虚约束经常发生的场合：
a.两构件之间构成多个运动副时；
b.两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变时；
c.联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时；
d.机构中对运动不起作用的对称部分。
a）b）c）d）
机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动。
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采用虚约束是为了改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要。
4．机构具有确定运动的条件：
机构的自由度数等于机构的原动件数。
【学习指导】
本节的难点是正确判别机构中的虚约束。
在学习时应首先搞清楚虚约束的概念，掌握机构中存在虚约束的特定几何条件，以便计算机构自由度时，能正确判定出机构中的虚约束。
同时应注意虚约束在特定的几何条件破坏后将成为实际约束。
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复合铰链与局部自由度比较简单，学习时应在基本概念清楚的基础上，搞清复合铰链与局部自由度发生的场合，并采取相应的解决方法。
平面机构的组成原理分析
1.平面机构的组成原理
任何机构中都包含原动件、机架和从动件系统三部分。
由于机架的自由度为零，每个原动件的自由度为1，而机构的自由度等于原动件数，所以，从动件系统的自由度必然为零。
杆组：
自由度为零的从动件系统。
基本杆组：
不可再分的自由度为零的构件组合称为基本杆组，简称基本组。
杆组的结构式为：
机构的组成原理：
把若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成新的机构，其自由度数目与原动件的数目相等。
在进行新机械方案设计时，可以按设计要求根据机构的组成原理，创新设计新机构。
在设计中必须遵循的原则：
在满足相同工作要求的前提下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副的数目越少越好。
2．平面机构的结构分析
对已有机构或已设计完的机构进行运动分析和力分析时，首先需要对机构进行结构分析，即将机构分解为基本杆组、原动件和机架，结构分析的过程与由杆组依次组成机构的过程正好相反。
通常称此过程为拆杆组。
拆杆组时应遵循的原则：
从传动关系离原动件最远的部分开始试拆；每拆除一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一个完整的机构；试拆时，按二级组试拆，若无法拆除，再试拆高一级别的杆组。
3．平面机构的高副低代法
目的：
为了使平面低副机构结构分析和运动分析的方法适用于含有高副的平面机构。
概念：
用低副代替高副
方法：
用含两个低副的虚拟构件代替高副
高副低代必须满足的条件：
1.替代前后机构自由度不变
2.替代瞬时速度加速度不变
对于一般的高副机构，在不同位置有不同的瞬时替代机构。
经高副低代后的平面机构，可视为平面低副机构。
第三章平面机构的运动分析和力分析
基本要求：
1．掌握速度瞬心的概念，平面机构速度瞬心的数目及确定方法，学会用速度瞬心法对现有机构进行速度分析；
2．掌握用相对运动图解法对机构进行速度分析的方法；
3．掌握机构运动分析的复数矢量法，了解矩陈法；
4．掌握平面机构力分析中的动态静力分析法，能够对给出机构用解析法建模并进行机构运动分析和力分析。
教学内容:
1．机构速度分析的瞬心法；
2．机构运动分析的相对运动图解法；
3．机构运动分析的解析法；
4．平面机构的力分析。
机构速度分析的瞬心法
1．速度瞬心的概念
定义：
当两构件（即两刚体）1，2作平面相对运动时（如图示），在任一瞬时，都可以认为它们是绕某一重合点作相对转动，而该重合点则称为瞬时速度中心，简称瞬心，以P12（或P21表示）。
瞬心是相对运动两构件上相对速度为零的重合点。
瞬心法是利用机构的瞬时速度中心来求解机构的运动问题的。
瞬心分绝对瞬心和相对瞬心，前者是指等速重合点的绝对速度为零；后者是指等速重合点的绝对速度不为零。
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任意两个构件无论它们是否直接形成运动副都存在一个瞬心。
故若机构全部构件数为n，则共有N=n（n-1）/2个瞬心。
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2．求瞬心的方法
求瞬心的方法有两种：
通过直接观察和利用三心定理。
三心定理：
作平面运动的三个构件的三个瞬心位于同一条直线上。
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利用瞬心法可以进行某一瞬时构件的角速度之比、构件的角速度和构件上某点的速度分析。
进行运动分析时不受机构级别的限制，当所求构件与已知构件相隔若干构件时，也可直接求得。
在用瞬心法进行速度分析时，需要用哪个瞬心找哪个瞬心，不必找出所有瞬心后求解。
在机构构件数较少的情况下，利用瞬心法对机构进行速度分析不失为一种简洁的方法。
3．2机构运动分析的相对运动图解法
基本原理是理论力学中的运动学理论：
刚体的平面运动可认为是随基点的平动和绕基点的相对转动的合成；重合点的绝对运动可认为是动系的牵连运动和动点相对动系相对运动的合成。
1．同一构件上各点的速度和加速度分析
以铰链四杆机构为例，介绍速度图、加速度图的绘制方法。
为速度图的极点，它代表机构上所有绝对速度为零的点。
过点
向外的矢量代表绝对速度，不通过点
的矢量代表相对速度。
当已知一构件上两点的速度时，该构件上其它任意点的速度均可用速度影像的原理求出。
为加速度图的极点，它代表机构上所有绝对加速度为零的点。
由点
向外的矢量代表绝对加速度，不通过点
的矢量代表相对加速度。
当已知一构件上两点的加速度时，该构件上任意其它点的加速度均可用加速度影像的原理求出。
注意：
速度影像和加速度影像的原理只能应用于同一构件上的各点。
2．组成移动副两构件重合点的速度和加速度分析
以导杆机构为例，介绍有移动副的机构的运动分析方法。
其重点是列出矢量方程，必须正确判断各矢量的方向，难点是科氏加速度的确定，分别以导杆机构和正弦机构为例，使学生了解科氏加速度存在的场合，并注意方向的判断。
3．3机构运动分析的解析法
1．以铰链四杆机构为例，介绍复数矢量法，重点掌握建模方法，矢量方程的建立方法。
2．以曲柄摇块机构为例，介绍有移动副的机构的复数矢量法。
3．4平面机构的力分析
1．简单介绍机械上作用的力及惯性力的求解方法。
2．以六杆机构为例，简单介绍动态静力分析的图解法。
重点是机构的拆组方法及绘力多边形的方法。
3．简介动态静力分析的解析法，为课程设计打下基础。
第四章机械中的摩擦和机械效率
基本要求:
1．能够熟练地对移动副中的摩擦问题进行分析和计算；
2．掌握螺旋副及转动副中摩擦问题的分析和计算方法；
3．掌握考虑摩擦时机构的受力分析方法；
4．熟练掌握机械效率的概念及效率的各种表达形式，掌握机械效率的计算方?
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法；
5．正确理解机械自锁的概念，掌握确定自锁条件的方法。
教学内容:
1．移动副中的摩擦；
2．螺旋副中的摩擦；
3．转动副中的摩擦；
4．考虑摩擦时机构受力分析；
5．机械效率及自锁。
重点难点:
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效率是衡量机械性能的重要指标，对于一部机器，其效率的大小在很大程度上取决于机械中摩擦所引起的功率损耗。
研究机械中摩擦的主要目的在于寻找提高机械效率的途径。
在本章的学习中要求重点掌握物体所受总反力方向的确定、移动副、转动副中摩擦问题的分析方法以及自锁现象和自锁条件的判断。
关于自锁条件的判断是本章的难点。
4．1移动副中的摩擦
移动副中的摩擦是运动副摩擦的一种简单的方式，广泛存在于机械运动中。
有三种情况，即平面摩擦、斜面摩擦和槽面摩擦。
1.平面摩擦
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滑块与平面构成的移动副，滑块在自重和驱动力的作用下向右移动。
分析滑块的受力如下图。
摩擦角：
总反力R21与法向反力N21的夹角Φ。
由图可知
故
总反力R21与相对运动方向v12的夹角总为钝角。
其大小为
2.斜面摩擦
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一滑块置于斜面上，在铅锤载荷Q的作用下滑块沿斜面等速运动，分析使滑块沿斜面等速运动时所需的水平力。
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置于斜面上的滑块有两种运动可能即沿斜面等速上升及沿斜面等速下滑。
下面分别讨论滑块所受摩擦力。
（1）滑块等速上升
（2）滑块等速下滑
当滑块在水平力作用下等速上升时当滑块在水平力作用下等速下滑时
式中F与R的大小未知,作力的三角形由力的三角形得
a）平面摩擦b）滑块等速上升c）滑块等速下滑d）槽面摩擦
3．槽面摩擦
由力三角形得：
故
若令
则
。
式中
称当量摩擦系数，相当于把楔形滑块视为平滑块时的摩擦系数。
与之对应的摩擦角称为当量摩擦角。
引入当量摩擦系数的意义在于：
当量摩擦系数引入后,在分析运动副中的滑动摩擦系数时,不管运动副两元素的几何形状如何,均可视为单一平面接触来计算其摩擦力。
螺旋副中的摩擦
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螺旋副为一种空间运动副,其接触面是螺旋面。
当螺杆和螺母的螺纹之间受有轴向载荷时，拧动螺杆或螺母，螺旋面之间将产生摩擦力。
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在研究螺旋副中的摩擦时,通常假设螺杆与螺母之间的作用力Q集中在平均直径为d的螺旋线上。
由于螺旋线可以展成平面上的斜直线，螺旋副中力的作用与滑块和斜面间的力的作用相同。
就可以把空间问题转化为平面问题来研究。
下面就矩形螺纹螺旋副中的摩擦和三角形螺纹螺旋副中的摩擦进行研究。
1.矩形螺纹螺旋副中的摩擦
由力的三角形得：
拧紧力矩：
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2.三角形螺纹螺旋副中的摩擦
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三角形螺纹和矩形螺纹的区别在于螺纹间接触面的形状不同。
螺母在螺杆上的运动近似的认为是楔形滑块沿斜槽面的运动。
此时，斜槽面的夹角等于2θ（
β称为牙形半角）
可得拧紧力矩
由于
，故三角形螺纹的摩擦力矩较大，宜用于联接紧固。
矩形螺纹摩擦力矩较小，宜用于传递动力的场合。
转动副中的摩擦
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转动副在各种机械中应用很广,常见的有轴和轴承以及各种铰链。
转动副可按载荷作用情况的不同分成径向轴颈与轴承和止推轴颈与轴承。
1.径向轴颈的摩擦
当载荷垂直于轴的几何轴线时，称为径向轴颈与轴承。
轴颈在驱动力矩的作用下，在轴承中等速回转。
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由于存在法向反力N12，摩擦力
，其中
为当量摩擦系数。
对于非跑和的径向轴颈
，跑和的径向轴颈
摩擦力矩为
由力平衡
（R21为总反力），力矩平衡
。
可得：
。
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对于具体的轴颈，ρ为定值。
以轴颈中心O为圆心，ρ为半径的圆称为摩擦圆，ρ为摩擦圆半径。
总反力R21始终切于摩擦圆，大小与载荷Q相等。
其对轴颈轴心O之距的方向必与轴颈相对于轴承的角速度的方向相反。
上图中用一偏距为e的载荷Q代替原载荷及驱动力矩M，则
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轴颈将加速运动
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轴颈将等速运动
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轴颈将减速运动，若加载前静止，则保持静止状态。
2.止推轴颈的摩擦
轴用以承受载荷的部分称为轴端或轴踵。
轴端和承受轴向载荷的止推轴承2构成一转动副。
非跑合的止推轴承轴端各处压强相等；跑合的止推轴承，轴端各处的压强不相等，离中心远的地方磨损较快，因而压强减小；离中心近的部分磨损较慢，因而压强增大。
4．4考虑摩擦时机构的受力分析
运动副中的摩擦是客观存在的，考虑摩擦的机构受力分析才能反映机构的实际受力状况。
以曲柄滑块机构为例，介绍机构的受力分析方法。
4．5机械效率及自锁
1．机械的效率
作用在机械上的力可分为驱动力、生产阻力和有害阻力三种。
通常把驱动
力所做的功称为驱动功（输入功），克服生产阻力所做的功称为输出功，而克服有害阻力所做之功称为损耗功。
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机械稳定运转时，有
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式中Wd、Wr、Wf分别为输入功，输出功和损耗功。
输出功和输入功的比值反映了输入功在机械
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