机械原理教案20100113.doc

1、吴海涛机械原理讲义 1 机械原理 西北工业大学 孙恒主编 讲稿 第一章第一章 绪论绪论 1 1-1 1 本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容 机构 机械 机构综合 运动分析 机械动力学 机器 1 1 构件-运动单元（从运动角度来说不可再分割的部分）以内燃机为例：活塞-活塞体-活塞环-滑环 从运动角度讲：它是一个部件，将推力转化为整个元件的往复移动。同理可得：连杆-曲柄，机架等构件。机构的定义：第一章 绪 论 2 2 机构定义 （1）（1）多个构件的人为组合（2）（2）各构件间有确定的相对运动 3 3 机器 除机构定义的二个特征外，另外能进行能量的转换。4 4 本课程研究的主要内容 各种

2、常用机构及综合，机构的工作原理，运动分析，参数计算以及有关机器动力学的一些基本知识。1 1-2 2 学习的目的学习的目的 本课程作为一门机械系的重点技术基础课，研究机械的运动、工作性能，以及机械动力学方面的基本理论。通过本课程的学习，为学习机械设计、机床、机械制造工艺及其它专业课程打下基础。本课程是上连基础课，下接专业课的一门重点课程。第二章第二章 平面机构的结构分析平面机构的结构分析 平面机构：机构的各主要运动构件在同一剖面内（同一平面内），或在几个相互平行的平面内运动。本章的重点：（1）了解机构的基本组成及自由度计算 （2）机构具有确定运动的条件 （3）掌握机构运动简图的画法 吴海涛机械原

3、理讲义 2 2-2 运动副及其分类运动副及其分类 1运动副定义：两构件直接接触并能保证一定运动关系的联结。三要素：两构件 直接接触 判别运动副的前提。可动联结 2运动副元素：构件上能够直接参加接触以构成运动副的部分。就几何形状来说，不外乎点、线、面三种形式。3分类*低副-以副元素为面接触，引入二个约束 移动副-相对运动为移动。转动副-相对运动为转动。固定铰 活动铰*高副-以点或线接触，引入一个约束。引入约束情况：平面构件有三个自由度，即：二移一转 运动副约束了 保留 属于 约束数 1 移 1 转 1 移 高副 1 1 转 1 移 1 移 移动副 2 2 移 1 转 回转副 2 2 转 1 移

4、0 刚性结构 3 1 转 2 移 不存在 思考：为什么不存在最下一行这种情况？4结论：*平面构件组成运动副只有三种形式（高、移、转）*将引入一个约束的称为一级副（级），依此类推，引入二个约束 的为级。5运动副规定画法（表 2-1）6运动链 定义：通过运动副联结面构成的相对可动的系统称为。开链：运动链的构件未形成首末封闭的系统（多用在机械手）。闭链：各构件构成了首末封闭的系统（经常采用）2-3 机构运动简图机构运动简图 1 1 定义-说明机构各构件的相对运动关系的简单图形，且以规定线条和符号严格按比例绘制（不按比例画出为示意图）2 2 构件分类：原动件、从动件、机架 3 3 绘制简图的一般步骤：

5、1）分清运动状况，认清哪些是固定件、原动件 2）从原动件开始，按运动传递的顺序，仔细分析各构件之间的相对运动性质，确定构件的数目、运动种类和数目。3）选择适当的比例尺，定出各运动副的相对位置，用规定的符号和线条连结各运动副。如：例 2-1 （图 2-8）注意：选视图正确，可用局部视图补充，原动件位置选得正确以求图形清晰。2-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 条件：机构的原动件数=机构的运动自由度数 吴海涛机械原理讲义 3 2-5 平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算 自由度计算：F=活动构件所可能具有的总自由度 运动副所引入的约束数 即：F=3 n 2PL-PH 例 1铰链

6、四杆机构 F=33-24 0=1 例 2铰链五杆机构 F=34-25 0=2 例 3仪表示值机构 F=36-28 1=1 例 4计算多杆的自由度 解：n=10,PL=14,PH=0 F=3n 2PL-PH=310 214=2 例 5计算轮系的自由度 解：n=4,PL=4,PH=2 吴海涛机械原理讲义 4 F=3n 2PL-PH=34 24-2=2 例 6 F=0，应改进结构 讨论：#平面机构的自由度 F 取决于构件的数目、以及运动副的种类和数目。#要使机构能运动，F0#F=0,刚性静定结构#F,F，0,滑块下滑的阻抗力；当 ,F，0，由上式可知1，且 wf（或 Nf）越大，越低。为了使机械具有

7、较高的机械效率，应尽量减少机械中的损耗功，而机械中的损耗主要是摩擦损耗，因此在设计机械时应尽量简化机械传动系统，减少运动副的数目和设法减少运动副中的摩擦 机械损失系数（损失率）dfdfNNWW/=（53）二机械效率以力或力矩的形式表达 机械效率还可以用力或力矩的比值形式来表达。图 5-1 所示为一机械传动示意图，设 F 为实际驱动力，G 为相应的实际生产阻力；vF和vG分别为 F 和 G 的作用点沿该力作用线方向的速度，根据式（52）可得 FGdrFvGvNN=（a）如设该机械系统不存在摩擦力（称为理想机械），因而 Nf=0，其效率0必等于 1。对于理想机械，为了克服同样生产阻力 G 所需的驱

8、动力称为理想驱动力 F0，它必定小于实际驱动力 F。由理想机械的定义可得 10=FGvFGv FGvFGv0=（b）将式（b）代入式（a）得 FFFvvFFvGvFFFG00=（c）此式说明，机械效率也等于在克服同样生产阻力 G 的情况下，理想驱动力 F0与实际驱动力 F 的比值。同理，如设 M 和 M0各为实际的和理想的驱动力矩，可得：吴海涛机械原理讲义 30 MM0=（d）所以：实际驱动力矩理想驱动力矩实际驱动力理想驱动力=（54）举例举例：斜面机构 正行程：tan0GF=)tan(+=GF)tan(/tan/0+=FF 反行程：（此时 G 为驱动力）tancFG=0 )tan(cFG=t

9、an)tan()tan(ctancGG=0 螺旋机构 同理：拧紧时：)tan(/tan/0vMM+=拧松时：tan/)tan(v=机械效率的确定 计算方法 实验方法 常用机构的机械效率见表常用机构的机械效率见表 5-1 三三、机、机器器机机组组效效率率的的确定确定 串联（只要其中任一个环节的效率很低，整个机组的效率就很低）如图 5-2 所示 kkkddrPPPPPPPPPP321123121=并联 输入总功率：kdPPPPP+=321 输出总功率：+=krPPPPP321 吴海涛机械原理讲义 31 kkkdiriPPPPPPPP+=212211 此式表明：并联机组的总效率不仅与各机器的效率有关

10、，还 与各机器传递功率的大小有关。混联 计算方法：先弄清输入功至输出功的路线 分别计算各支路效率 按串联、并联混合计算总效率 5-2 机械自锁机械自锁 1机械自锁的概念：2研究自锁的意义：为使机械实现预期运动，应避免自锁 有些机械利用自锁 3利用自锁的例子：手摇螺旋千斤顶 机床工作台升降、进给机构 4自锁条件：移动副-作用力作用在摩擦角内，即：F-驱动力，Ft-有效分力 tansinntFFF=摩擦力：tanmaxnfFF=当 ，总有 maxftFF 即：当 ，不管 F 如何增大，Ft 总小于 Ffmax 转动副-驱动力 F 作用在摩擦圆之内，即：a F-外载荷，当 F 作用线在摩擦圆之内（即

11、 a 阻抗功，“+”,盈功 eredMM,驱动功 Mer，甚至会出现“飞车”现象；Med Mer，机械又会越转越慢，最后将停止不动。为了避免以上两种情况的发生，必须对这种非周期性的速度波动进行调节，以使机械重新恢复稳定运转。为此就需要设法使等效驱动力矩与等效工作阻力矩恢复平衡关系。关于机械非周期性速度波动的调节，对于选用电动机作为原动机的机械，其本身就可使等效驱动力矩和等效工作阻力矩协调一致。如图 72 所示，当电动机的转速由于 MedMer,导致电动机转速上升时，其所产生的驱动力矩将减小，所以可使 Med 与 Mer 自动地重新达到平衡。电动机的这种性能称为自调性。但是，若机械的原动机为蒸汽

12、机、汽轮机或内燃机等，就必须安装一种专门的调节装置-调速器，来调节机械出现的非周期性速度波动。调速器的种类很多，按执行机构分类：主要有机械式、气动式的、机械气动式的、液压式的、电液和电子等型式的。图 712 所示为燃气涡轮发动机中采用的离心式调速器的工作原理图。吴海涛机械原理讲义 47 第八章第八章 平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计 8-1 连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点 连杆机构是一种应用十分广泛的机构，它不仅在众多工农业 机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的 展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构以及人体假肢等，也都用到连杆机构。图 81，a 所

13、示的铰链四杆机构，图 b 所示的曲柄滑块机构,图 c 所示的导杆机构是最常见的连杆机构型式。它们的共同特点是：其原动件的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件 2 才能传动从动件 3。该构件称为连杆。把具有连杆的机构统称为连杆机构。一、连杆机构传动特点：1)运动副一般均为低副，低副两运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造。2)当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。3)连杆上各点的轨迹是各种不同形状的连杆曲线，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的

14、连杆曲线，可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。4)连杆机构运动须经中间构件传递，运动链长，较大累积误差，机械效率低。5)构件的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，增加动载荷，连杆机构不宜用于高速运动。二、两类应用 实现对应位置 实现一定的轨迹曲线（图 8-36，37 8 82 2 平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用 1平面四杆机构的基本型式 图 83 为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构均可认为是它的演化型式。吴海涛机械原理讲义 48 AD-机架 BC 为连杆（不与机架相连的构件）AB、CD-与机架相连的构件称为连架杆 AB曲柄（能作 3600 回转

15、）CD摇杆（在一定范围内摆动）基本型式分类：1）1）曲柄摇杆机构 曲柄摇杆机构-铰链四杆机构的两个连架杆，若其一为曲柄，另一为摇杆。图 84 所示的雷达天线俯仰机构 若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动，此种机构在农用、民用，以人力为动力的机械中应用较多，如图 85 所示的缝纫机踏板机构。2）双曲柄机构 双曲柄机构-若铰链四杆机构中的两个连架杆均为曲柄，则称其为。正平行四边形机构 双曲柄机构 反平行四边形机构 在双曲柄机构中，若相对两杆平行且长度相等则称其为平行四边形机构(图 86)。它有两个显著特性：a.两曲柄以相同速度同向转动；b.连杆作平动。如图 87 所示的机车车轮的

16、联动机构就利用了其第个特性；而图 88，a 所示的摄影平台升降机构和图 b 所示的播种机料斗机构则是利用了其第二个特性。吴海涛机械原理讲义 49 双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行则称为反平行四四边形机构。图 810 车门开闭机构。3）3）双摇杆机构 若铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆，则称其为双摇杆机构。图 811 所示的铸造用大型造型机的翻箱机构，就应用了双摇杆机构。在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则形成等腰梯形机构。（如图 812 所示）2、平面四杆机构的演化型式 改变构件的形状和运动尺寸 如图 8-13（a）演化为如图 8-13 a）吴海涛机械原理讲义 50 铰链四杆机构演化为：偏置曲柄滑块机构（图 8-14 a）对心曲柄滑块机构（图 8-14 b）演化为双滑块四杆机构（图 8-15 a）图 8-15 b)为正玄机构sinABlS=改变运动副尺寸 如图 8-16 偏心轮机构 用不同的构件作机架（如图 8-17）例：曲柄滑块机构转换机架：a导杆机构（AB 为机架）回转导杆机构（图 8-17b），应用见（图 8-18）摆动导杆机构，应用见（图 8-19）牛头刨 b曲柄摇