机械原理大纲.docx

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机械原理大纲

《机械原理》课程教学（自学）大体要求

适用层次

本科

适应专业

机械设计制造及其自动化等

使用学期

2008秋

自学学时

96

面授学时

32

实验学时

使用教材

教材名称

机械原理（第七版）

编者

孙桓等

出版社

高等教育出版社

参考教材

《机械原理》（第七版），郑文伟主编，高等教育出版社

《机械设计基础》綦耀光主编，中国石油大学出版社

《机械原理》（第二版），申永胜主编，清华大学出版社

课程简介

机械原理是机械类大学生的主要技术基础课程和学位课程，是认识机械、分析机械、设计机械的基础。

机械原理的前修课程为高等数学、理论力学、机械制图、金工实习等课程。

机械原理主要介绍机构的组成原理、机构学、机械系统动力学和有关机械系统设计的有关理论和基础知识，是进行认识机械、设计机械、分析机械的基础课程。

学习建议

学习本门课程应注意理论学习与实验相结合，注意在了解机械、认识机械和实验过程中以及生活实际中体会理论知识的应用，注意培养自己初步的分析机构与设计机构的能力、联系工程实际能力等；完成一定量的作业是掌握该课程的重要辅助手段，应该说明的是，机械设计的答案不是唯一的，因此，应该掌握理论，分析作业结果的正确性；有的章节的内容，如齿轮机构、机构的效率、机器的运转、连杆机构、凸轮机构、其他机构等章节，仅靠完成作业，还不能达到了解课程内容的目的，建议对有关内容要加强复习；认真体会从实际到物理模型的建立及其数学模型的建立，机构的应用与分类等，做到从实践中来，到实践中去，是学好机械原理应该注意的问题。

各章节主要学习内容及要求（上交作业电子文档附后）

第一章绪论

主要内容

一、核心知识点

1、机构、机器、构件、零件的定义；2、机械设计的过程；3、机械原理学习的方法

二、教学基本要求

【掌握】1、机械设计的过程，机构、机器的定义，机械领域的发展方向等基本知识。

【重点掌握】建立学习机械原理的兴趣。

三、思考与练习

【思考】

机械如何设计出来的

上交作业

参考课件中的安排

备注

第二章机构的结构分析

主要内容

一、核心知识点

1、运动链成为机构的条件；2、机构的组成；3、杆组的概念；4、机构运动简图的绘制。

二、教学基本要求

【掌握】1、机构的机构度计算；2、机构运动简图绘制；3、杆组的概念与高副低代的概念。

【重点掌握】1、机构的机构度计算；2、机构运动简图绘制；3、运动副

【了解】运动链的概念等

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

2—12～2—26选作5～10题，要求，做题时，绘出机构简图。

上交作业

2-13、2-11、2-14、2-20

备注

第三章平面机构的运动分析

主要内容

一、核心知识点

1、速度分析的瞬心法；2、运动分析图解法；3、运动分析的解析法。

二、教学基本要求

【掌握】1、速度分析的瞬心法；2、运动分析图解法；3、运动分析的解析法。

【重点掌握】1、运动分析的图解法与解析法，图解法包括含哥式加速度和不含哥氏加速度的机构分析。

解析法矩阵法和坐标系法任选一种。

【了解】运动线图的概念等等

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

3—12～3—29选作5～10题，要求，做题时，尽量按照比例进行绘图，解析发选作一题求解并编制计算机程序即可。

上交作业

参考课件中的安排，3-1、3-2、3-4、3-8、3-9、3-10

备注

第四章平面机构的动力分析

主要内容

一、核心知识点

1、动力分析的图解法；3、动力分析的解析法。

二、教学基本要求

【掌握】动态静力分析的概念与方法。

【重点掌握】解析法和图解法选一种进行重点掌握。

【了解】质量代换、作用在机械上的力等。

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

4-8,4-14,4-22,4-23,4-20等选作

上交作业

4-7、4-8

备注

第五章机械的效率

主要内容

一、核心知识点

1、考虑摩擦时运动副的受力分析，2、简单机械的效率计算，3、常用机械的效率分析

二、教学基本要求

【掌握】1、移动副、转动副考虑摩擦时的受力分析2、简单机械的效率计算3、机械组合的效率计算4、自锁的概念与分析。

【了解】考虑摩擦时机构的力学分析。

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

4-13,4-11,4-15,4-16,5-8，5-6,5-10,5-9,5-12,5-14等选作

上交作业

参考课件中的安排，4-13、5-12、5-8

备注

第六章机械的平衡

主要内容

一、核心知识点

1、机械平衡的目的，2、刚性回转件的动平衡与静平衡，3、机构在机架上的平衡

二、教学基本要求

【掌握】1、刚性回转件的动平衡与静平衡，2、机构在机架上的平衡

【了解】挠性转子的平衡，刚性转子平衡试验机的基本原理

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

6-5～6-15等选作3～5题

上交作业

参考课件中的安排,6-5,6-8,6-11

备注

第七章机械的运转机器速度波动的调节

主要内容

一、核心知识点

1、机械的真实运动规律，2、机械速度波动的调节

二、教学基本要求

【掌握】1、机械的等效动力学模型，2、机械等效动力学模型的求解，3、机械周期性速度波动与非周期性速度波动的调节。

4、飞轮设计

【了解】作用的机器上的力，机器的自调性，等效动力学模型的解，考虑机械弹性的机械动力学分析初步

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

7-7,7-8,7-9,选一题，7-11,7-12,7-13选2题，补充：

试求油田三缸单作用泥浆泵的曲柄转速规律。

上交作业

参考课件中的安排,7-9,7-11,7-10

备注

第八章连杆机构及其设计

主要内容

一、核心知识点

1、连杆机构的分类，2、四连杆机构的基本特性，3、四连杆机构设计的图解法，4、连杆机构设计的解析法

二、教学基本要求

【掌握】连杆机构的演化分类与应用，四连杆机构的基本特性，连杆机构设计的基本思想。

【了解】连杆设计的图解法、试验法与解析法，连杆机构杆长确定的优化设计方法，多杆机构。

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

8-4～8-5选作一题，8-6～8-10选作2题，8-11～8-18选作2题

上交作业

参考课件中的安排,8-4、8-8、8-17

备注

第九章凸轮机构及其设计

主要内容

一、核心知识点

1、凸轮机构的分类，2、凸轮机构从动件常见的运动规律，3、凸轮机构设计的反转原理，4、凸轮机构设计的图解法和解析法，5、凸轮机构基本参数的选择

二、教学基本要求

【掌握】1、凸轮机构的分类，2、凸轮机构从动件常见的运动规律，3、凸轮机构设计的反转原理，4、凸轮机构设计的图解法和解析法，5、凸轮机构基本参数的选择

【了解】高速凸轮设计

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

9-1～9-5选作一题，9-6～9-7选作1题，9-9～9-14选作2题

上交作业

参考课件中的安排，9-8、9-11、9-12

备注

第十章齿轮机构及其设计

主要内容

一、核心知识点

1、齿轮机构的分类，2、齿廓啮合基本定律，3、渐开线及其性质，4、渐开线标准齿轮，5、渐开线齿轮的啮合传动，6、渐开线齿轮的加工与齿轮的根切及其防止，7、变位齿轮与变位齿轮传动，8、平行轴斜齿圆柱齿轮，9、蜗轮蜗杆和圆锥齿轮

二、教学基本要求

【掌握】1、齿轮传动的特点与分类，2、齿廓啮合基本定律，3、渐开线及其性质，4、渐开线标准齿轮及其尺寸计算，5、渐开线齿轮的啮合传动原理（分齿条件、重合度、正确安装条件、齿廓啮合过程），6、渐开线齿轮的加工与齿轮的根切及其防止，7、平行轴斜齿圆柱齿轮

【了解】1、变位齿轮与变位齿轮传动，2、蜗轮蜗杆和圆锥齿轮，3、其他常用齿廓

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

10-19～10-40选作10题以上。

上交作业

参考课件中的安排，10-19、10-20、10-24、10-25、10-26、10-28、10-29、10-30、10-34、10-35、10-37

备注

第十一章齿轮系及其设计

主要内容

一、核心知识点

1、齿轮系的分类，2、定轴轮系的传动比计算，3、基本的周转轮系的传动比计算，4、复合轮系的传动比计算，5、轮系的功用，6、轮系的设计

二、教学基本要求

【掌握】复合轮系的传动力计算

【了解】1、齿轮系的分类，2、轮系的功用，3、轮系的设计

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

11-11～11-13，选作1题，11-14～11-6选作1题，11-17～11-21选作2题以上。

，11-22后选作1题

上交作业

参考课件中的安排，11-14、11-16、11-17、11-19、11-21、11-23、11-28

备注

第十二章其他常用机构

主要内容

一、核心知识点

1、了解间歇运动机构，2、了解其他常用机构，3、了解机构的组合与组合机构

二、教学基本要求

【掌握】间歇运动机构、万向联轴节

【了解】其他类型的机构的特点

三、思考与练习

【思考】

参考教材

【练习】

选作1-3题

上交作业

参考课件中的安排，12-4、12-6、12-11、12-15

备注

第十三章工业机器人简介

备注

不做必学内容，请参考有关专著

第十四章机械系统设计

备注

作为开阔知识面，了解机械系统设计的过程，运动循环图等

编者：

綦耀光

作业

第二章作业题

2-13、图示为一新型偏心轮滑阀式真空泵。

其偏心轮1绕固定轴心A转动，与外环2固连在一路的滑阀3在可绕固定轴心C转动的圆柱4中滑动。

当偏心轮1按图示方向持续回转时，可将设备中的空气吸入，并将空气从阀5中排出，从而形成真空。

试绘制其机构运动简图，并计算其自由度。

题2-13图

2-11、图示为一简易冲床的初拟设计方案。

设计者的思路是：

动力由齿轮1输入，使轴A持续回转；而固装在轴A上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构，将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。

试绘出其机构运动简图，分析其是不是能实现设计用意，并提出修改方案。

题2-11图

2-14、图示是高位截肢的人所设计的一种假肢膝关节结构。

该结构能维持人行走的稳固性。

假设以胫骨1为机假，试绘制其机构运动简图，计算其自由度，并作出大腿弯曲时的机构运动简图。

题2-14图

2-20、试绘制图示凸轮驱动式四缸活塞空气紧缩机的机构运动简图，并计算其机构的自由度（图中凸轮1为原动件，当其转动时，别离推动装于四个活塞上A、B、C、D处的滚子，使活塞在相应的气缸内往复运动。

图中四个连杆的长度相等，即

）

题2-20图

第三章作业题

3-1、何谓速度瞬心？

相对瞬心与绝对瞬心有何异同点？

3-2、何谓三心定理？

何种情形下的瞬心需要用三心定理来确信？

3-4、在图示的齿轮—连杆组合机构中，试用瞬心法求齿轮1与3的传动比

题3-4图

3-8、图示的各类机构中，设已知各构件的尺寸及B点的速度

，试作出其在图示位置时的速度多变形。

题3-8图

3-9、既然机构中各构件与其速度图和加速度图之间均存在影像关系，因此整个机构与其速度图和加速度图之间也存在影像关系，对吗？

依照对题3-8的演算，你的结论是什么？

3-10、当用速度瞬心法和用速度影像法求统一构件，如四杆机构连杆上任一点的速度时，它们的求解条件有何不同？

各有何特点？

第四章作业题

4-7、机械效益

是衡量机构力放大程度的一个重要指标。

其概念为在不考虑摩擦的条件下机构的输出力（力矩）与输入力（力矩）之比值，即

。

试求图示各机构的机械效益，图a所示为一铆钉机，图b为一小型压力机，图c为一剪子机。

（计算中所需各尺寸从图中量取。

）

题4-7图

4-8、在图示的曲柄滑块机构中，设已知

（为常数），活塞及其附件的重量

，连杆重量

，

，连杆质心S2至曲柄销B的距离

。

试确信在图示位置时活塞的惯性力和连杆的总惯性力。

题4-8图

第五章作业题

4-13、图示为一曲柄滑块机构的三个位置，F为作用在活塞上的力，转动副A及B上所画的虚线小圆为摩擦圆。

试决定在此三个位置时作用在连杆AB上的作使劲的真实方向（构件重量及惯性力略去不计）。

题4-13图

5-12、图示为一提升装置，6为被提升的重物，设各接触面间的摩擦系数为f（不计铰链中的摩擦），为了能靠得住提起重物，试确信连杆2（3、4）杆长的取值范围。

题5-12图

5-8、图a所示为一焊接用的楔形夹具。

利用那个夹具把两块要焊接的工件1及1＇预先夹妥，以便焊接。

图中2为夹具体，3为楔块。

试确信其自锁条件（即当夹紧后，楔块3可不能自动松脱出来的条件）。

图b为一颚式破碎机，在破碎矿石时要求矿石不致被向上挤出，试问α角应知足什么条件？

经分析可得出什么结论？

题5-8图

第六章作业题

6-5、图示为一钢制圆盘，盘厚b=50mm。

位置Ⅰ处有一直径φ=50mm的通孔，位置Ⅱ处有一质量m2=0.5kg的重块。

为了使圆盘平稳，拟在圆盘上r=200mm处制一通孔，试求此孔的直径与位置。

（钢的密度ρ=7.8g/cm3。

）

题6-5图

6-8、图示为一滚筒，在轴上装有带轮。

现已测知带轮有一偏心质量m1=1kg。

另外，依照该滚筒的结构，知其具有两个偏心质量m2=3kg，m3=4kg，各偏心质量的方位如下图（长度单位为mm）。

假设将平稳基面选在滚筒的两头面上，两平稳基面中平稳质量的回转半径均取为400mm，试求两平稳质量的大小及方位。

假设将平稳基面Ⅱ改选在带轮宽度的中截面上，其他条件不变，两平稳质量的大小及方位作何改变？

题6-8图

6-11、有一中型电机转子其质量为m=50kg，转速n=3000r/min，已测得其不平稳质径积mr=300g·mm，试问其是不是知足平稳精度要求？

第七章作业题

7-9、已知某机械稳固运转时主轴的角速度

，机械的等效转动惯量

，制动器的最大制动力矩

（制动器与机械主轴直接相连，并取主轴为等效构件）。

要求制动时刻不超过3s，试查验该制动器是不是能知足工作要求。

7-11、在图示的刨床机构中，已知空程和工作行程中消耗于克服阻抗力的恒功率别离为P1=和P2=3677W，曲柄的平均转速n=100r/min，空程曲柄的转角为

。

当机构的运转不均匀系数

时，试确信电动机所需的平均功率，并别离计算在以下两种情形中的飞轮转动惯量JF（略去各构件的重量和转动惯量）：

1）飞轮装在曲柄轴上；

2）飞轮装在电动机轴上，电动机的额定转速nn=1440r/min。

电动机通过减速器驱动曲柄，为简化计算，减速器的转动惯量忽略不计。

题7-11图

7-10、设有一由电动机驱动的机械系统，以主轴为等效构件时，作用于其上的等效驱动力矩

，等效阻抗力矩

，等效转动惯量

，主轴的初始角速度

。

试确信运转进程中角速度

与角加速度

随时刻的转变关系。

第八章作业题

8-4、图a为偏心轮式容积泵；图b为由四个四杆机构组成的转动翼板式容积泵。

试绘出两种泵的机构运动简图，并说明它们为何种四杆机构，什么缘故？

题8-4图

8-八、图示铰链四杆机构中，各杆的长度为

=28mm，

=52mm，

=50mm，

=72mm，试求：

1）当取杆4为机架时，该机构的极位夹角

、杆3的最大摆角

、最小传动角

和行程速度转变系数

；

2）当取杆1为机架时，将演化成何种类型的机构？

什么缘故？

并说明这时C、D两个转动副是周转副仍是摆转副；

3）当取杆3为机架时，又将演化成何种机构？

这时A、B两个转动副是不是仍为周转副？

题8-8图

8-17图示为某仪表中采纳的摇杆滑块机构，假设已知滑块和摇杆的对应位置为

=36mm，

=8mm，

=9mm，

，

，摇杆的第Ⅱ位置在铅垂方向上。

滑块上铰链点取在B点，偏距e=28mm。

试确信曲柄和连杆长度。

题8-17图

第九章作业题

9-八、在图示凸轮机构中，圆弧底摆动推杆与凸轮在B点接触。

当凸轮从图示位置逆时针转过90°时，试用图解法标出：

1）推杆在凸轮上的接触点；

2）摆杆位移角的大小；

3）凸轮机构的压力角。

题9-8图

9-1一、试设计一对心直动滚子推杆盘形凸轮机构，滚子半径rr=10mm，凸轮以等角速度逆时针回转。

凸轮转角δ=0°～120°时，推杆等速上升20mm；δ=120°～180°时，推杆远停止；δ=180°～270°时，推杆等加速等减速下降20mm；δ=270°～360°时，推杆近停止。

要求推程的最大压力角αmax≤30°，试选取适合的基圆半径，并绘制凸轮的廓线。

问此凸轮结构是不是有缺点，应如何补救。

9-12、试设计一个对心平底直动推杆盘形凸轮机构凸轮的轮廓曲线。

设已知凸轮基圆半径r0=30mm，推杆平底与导轨的中心线垂直，凸轮顺时针方向等速转动。

当凸轮转过120°时推杆以余弦加速度运动上升20mm，再转过150°时，推杆又以余弦加速度运动回到原位，凸轮转过其余90°时，推杆静止不动。

问这种凸轮机构压力角的转变规律如何？

是不是存在自锁问题？

假设有，应如何幸免？

第十章作业题

10-1九、什么缘故要计算锥齿轮的分锥角、顶锥角和根锥角？

如何计算直齿锥齿轮的顶锥角？

10-20、图示中的C、C＇、C＇＇为由同一基圆上所生成的几条渐开线。

试证明其任意两条渐开线（不论是同向的仍是反向的）沿公法线方向对应两点之间的距离处处相等。

题10-20图

10-24、测量齿轮的公法线长度是查验齿轮精度的经常使用方式之一。

试推导渐开线标准齿轮公法线长度的计算公式

式中，k为跨齿数，其计算公式为

并分析：

测量齿轮的公法线长度时利用了渐开线的哪些特点？

跨测齿数k需要圆整为整数，跨测齿数圆整后对公法线长度测量会带来哪些阻碍？

提示：

假设卡尺的卡脚与齿廓的切点a、b恰好在分度圆上，如下图。

题10-24图

10-2五、在一机床的主轴箱中有一直齿圆柱渐开线标准齿轮，发觉该齿轮已经损坏，需要重做一个齿轮改换，试确信那个齿轮的模数。

经测量，其压力角α=20°，齿数z=40，齿顶圆直径da=83.82mm①，跨5齿的公法线长度L5=27.512mm，跨6齿的公法线长度L6=33.426mm。

①齿轮的齿顶圆直径da通常都有较大的负误差。

10-2六、已知一对渐开线标准外啮合圆柱齿轮传动的模数m=5mm，压力角a=20°，中心矩α=350mm，传动比i12=9/5，试求两轮的齿数、分度圆直径、齿顶圆直径、基圆直径和分度圆上的齿厚和齿槽宽。

10-2八、已知一对标准外啮合直齿圆柱齿轮传动的α=20°、m=5mm、z1=19、z2=42，试求其重合度εa。

问当有一对轮齿在节点P处啮合时，是不是还有其他轮齿也处于啮合状态；又当一对轮齿在B1点处啮合时，情形又如何？

（参看图10-12。

）

图10-12

10-2九、设有一对外啮合齿轮的z1=30，z2=40，m=20mm，α=20°，ha*=1。

试求当a＇=725mm时，两轮的啮合角α＇。

又当啮合角α＇=22°30＇时，试求其中心距a＇。

10-30、已知一对外啮合变位齿轮传动的z1=z2=12，m=10mm，α=20°，ha*=1，a＇=130mm，试设计这对齿轮（取x1=x2）。

10-34、设已知一对斜齿轮传动的z1=20，z2=40，mn=8mm，β=15°（初选值），B=30mm，han*=1。

试求a（应圆整，并精准重算β）、εγ及zv1、及zv2。

10-3五、为减小齿轮传动的尺寸和重量，近来提出一种渐开线少齿数传动，其小齿轮的齿数可少到2～3个齿。

试问要设计这种传动应注意哪些问题，如何解决？

10-37、已知一对直齿锥齿轮的z1=15，z2=30，m=5mm，ha*=1，∑=90°，试确信这对锥齿轮的几何尺寸（按表10-7）。

第十一章作业题

11-14、图示为一装配用电动螺丝刀的传动简图。

已知各轮齿数为z1=z4=7，z3=z6=39。

假设n1=3000r/min，试求螺丝刀的转速。

题11-14图

11-1六、如图a、b所示为两个不同结构的锥齿轮周转轮系，已知z1=20，z2=24，z2＇=30，z3=40，n1=200r/min，n3=－100r/min。

求两轮系的nH等于多少？

题11-16图

11-17、在图示的电动三爪卡盘传动轮系中，设已知各轮齿数为z1=6，z2=z2＇=25，z3=57，z4=56。

试求传动比i14。

在解题前应先试探以下问题：

图示轮系为何种轮系，其自由度F等于多少？

要求这种轮系的传动比i14，至少必需列出几个计算式？

题11-17图

11-1九、图示为纺织机中的差动轮系，设z1=30，z2=25，z3=z4=24，z5=18，z6=121，n1=48～200r/min，nH=316r/min。

，求n6等于多少？

题11-19图

11-2一、在图示轮系中，设各轮的模数均相同，且为标准传动，假设已知z1=z2＇=z3＇=z6＇=20，z2=z4=z6=z7=40，试问：

1）当把齿轮1作为原动件时，该机构是不是具有确信的运动？

2）齿轮3、5的齿数应如何确信？

3）当n1=980r/min时，n3及n5各为多少？

题11-21图

11-23、现需设计一个2K－H型行星减速器，要求减速比i≈，设行星轮数k=4，并采纳标准齿轮传动，试确信各齿轮的齿数。

第十二章作业题

12-4、当电钟电压不足时，什么缘故步进式电钟的秒针只在原地震荡，而不能作整周回转？

12-六、什么缘故槽轮机构的运动系数k不能大于1？

12-1一、擒纵机构也是一种间歇运动机构，应用这种机构的要紧目的是什么？

你能利用擒纵机构设计一种高楼失火自救器吗？

12-15、某机床分度机构中的双万向联轴器，在设备检修时，被误装成如下图的形式。

试求其从动轴3的角速度转变范围，并说明应如何更正。

题12-15图