[西北工业大学国家精品课程]机械原理-PPT课件完整版 (1)

西北工业大学
【国家精品教程 国家精品教程】
机械原 机械原理
（课件完整版）


目 录
• • • • • • 第一章 第 章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 机构的结构分析 平面机构的运动分析 平面机构的力分析 机械的效率及自锁 机械的平衡


目 录
• 第七章 机械的运转及其速度 波动的调节 • 第八章 平面连杆机构及其设计 • 第九章 凸轮机构及其设计 • 第十章 齿轮机构及其设计


目 录
• 第十 第十一章 章 齿轮系及其设计 • 第十 第十二章 章 其他常用机构 • 第十三章 工业机器人机构 及其设计


第 章 第一章
绪
论
§1-1 本课程研究的对象及内容 §1-2 学习本课程的目的 §1-3 如何进行本课程的学习
返回


§1-1
本课程研究的对象及内容
1．研究对象 机械 是机构和机器的总称。

机构是指一种用来传递与变换运动 和力的可动装置 和力的可动装置。

机器是指一种执行机械运动装置， 可用来变换和传递能量、物料和信息。

可用来变换和传递能量 物料和信息 实例： 内燃机 工件自动装卸装置 六自由度工业机器人 2．研究内容 有关机械的基本理论
操 作 机 示 教 板
控制系统


§1-2
学习本课程的目的
课程性质、任务及作用 机械未来发展
§1-3
如何进行本课程的学习
掌握本课程的特点 注重理论联系实际 逐步建立工程观点 认真对待每个教学 节 认真对待每个教学环节


机器和机构的概念
（1）机构 机构 是指 是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置 种用来传递与变换运动和力的可动装置。

如常 见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、螺 旋机构等等。

旋 等等 这些机构一般被认为是由刚性件组成的。

而现代机构中除了 刚性件以外，还可能有弹性件和电、磁、液、气、声、光…等元 故这类机构称为广义机构 而由刚性件组成的机构就称为狭 件 故这类机构称为广义机构；而由刚性件组成的机构就称为狭 件。

义机构。

（2）机器 机器 是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、 物料和信息 物料和信息。

例如： 电动机 内燃机用来变换能量； 电动机、内燃机用来变换能量；


机器和机构的概念(2/3)
机床用来变换物料的状态； 汽车、起重机用来传递物料； 计算机用来变换信息。

由于各种机器的主要组成部分都是各种机构。

所以可以说， 机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合。

机器按其用途可分为两类：凡将其他形式的能量转换为机械 能的机器称为原动机；凡利用机械能来完成有用功的机器称为工 作机。

（3）机器的结构 传统的机器由如下三个部分组成：
原动部分
传动部分
执行部分
现代机器一般由如下四个部分组成：


机器和机构的概念(3/3)
原动部分
传动部分 控制部分
执行部分
而现代先进的机器则由以下五个部分组成：
位形检测 控制系统 驱动 传动机构 驱动-传动机构 智能系统 执行机构 工作系统


有关机械的基本理论
（1）机构的结构分析
1）研究机构是怎样组成的，其组成对运动的影响，以及机构具有确定运动的条件。

2）研究机构的组成原理及机构的结构分类。

3）如何绘制机构运动简图的问题。

（2）机构的运动分析
介绍对机构进行运动分析（包含位移速度及加速度分析）的介绍对机构进行运动分析（包含位移、速度及加速度分析）的基本原理及方法。

（3）机器动力学
1）分析机器在运转过程中其各构件的受力情况，以及这些力的作功情况。

的作功情况
（4）常用机构的分析与设计
有关机械的基本理论
(2/2)
研究常用机构（如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）的类
（5）机械传动系统运动方案的设计
研究在进行具体机械设计时机构的选型组合变异及机械型、工作原理及运动特性分析和机构设计的基本原理及方法。

研究在进行具体机械设计时机构的选型、组合、变异及机械传动系统运动方案的设计等问题。

机械未来发展的两个方向：
（1）微机械
实例：
（2）智能机械
智能机器人
本课程的地位、任务及作用机械原理课程是研究机械基础理论的一门科学，是机械类各（1）地位
机械原理课程是研究机械基础理论的门科学，是机械类各专业的一门主干技术基础课程，在创新设计机械所需的知识结构中也占有核心地位。

（2）任务
本课程的任务是使学生掌握机构学和机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会各种常用基本机构的分析和综合方法，并具有按照机械的使用要求进行机械传动系统方案设计的初步能力
（3）作用
在培养高级机械工程技术人才的全局中本课程不仅为学生在培养高级机械工程技术人才的全局中，本课程不仅为学生学习相关技术基础和专业课程起到承前起后的作用，而且为今后从事机械设计和研究工作起到增强适应能力和开发创新能力的作用。

掌握本课程的特点
本课程要用到理论力学等先修课程的知识。

但并不是这些课程的简单重复和堆砌，而是要学生运用所学的知识解决工程实际程的简单重复和堆砌而是要学生运用所学的知识解决工程实际中所遇到的问题。

所以本课程的学习不同于理论课程的学习，也
不同于专业课，而具有一定的理论系统性及逻辑性和较强的工程不同于专业课而具有定的
实践性的特点。

在学习本课程时应注意:
掌握基本的概念、原理及机构的分析与综合的方法。

注重理论联系实际
本课程是着重研究一般机械的共性问题，即机构的结构分析和综合的基本理论及方法这些理论和方法是紧密为工程服务的和综合的基本理论及方法。

这些理论和方法是紧密为工程服务的。

在学习过程中要注意这些理论和方法：
1）在理论上建立和推演的严密性和逻辑性；
2）如何在工程实际中的应用；
3）随时留意日常生活和生产中遇到的各种机械，以丰富自
己的感性认识，并用它们认识分析这些机械，以加深理解。

初步建立工程观点
本课程要用到很多与工程有关的名词、符合、公式、标准及参数和一些简化方法如
参数和些简化方法，如倒置、反转、转化、当量、等效、代换等等。

在机构分析与综合中，除解析法外还介绍图解法、实验法以及试凑法等些工程中实用的方法。

一些工程中实用的方法
在学习时应注意：
对名词应正确理解其含义，对公式应着重于应用，而对方法则着重掌握其基本原理和作法。

实际工程问题都是涉及多方面的因素的问题，其求解可采用多种方法，其解一般也不是唯一的。

这就要求设计者具有分析、判断、决策的能力，要养成综合分析、全面考虑问题的习惯和科学严谨、一丝不苟的工作作风。

认真对待教学的每一个环节
本课程全部教学工作的完成，需要自学、听课、习题课、实验课、课后作业、答疑和考试，以及课程设计等教学环节。

要学好这门课，首先必须对每个教学环节予以充分重视。

其次，还要转变被动学习方式为自主学习方式。

大学学习应该是学生在教师指导下充分利用学校的教学资
源进行自主学习。

国家机械基础课程教学基地开放式教学环境
（地点：航空楼D308 ~ D318)
（地点航空楼D308D318)
机械创新设计教学中心
开放课程学习室和网络教学环境
第二章机构的结构分析
2-1
§21机构结构分析的内容及目的
§2-2机构的组成
§2-3机构运动简图
23
§2-4机构具有确定运动的条件
§2-5机构自由度的计算
§2-6计算平面机构自由度时应注意的事项
§2-7虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计
§2-8平面机构的组成原理、结构分类及结构分析§2-9平面机构中的高副低代
返回
§2-1机构结构分析的内容及目的
主要内容及目的是：
研究机构的组成及机构运动简图的画法；
了解机构具有确定运动的条件；
研究机构的组成原理及结构分类。

1.构件
气缸体
活塞
零件是机器中的一个独立制造单元体；任何机器都是由许多零件组合而成的。

连杆体
构件是机器中的一个独立运动单元体。

齿轮
构件往往是由若干零件刚性地联接在一起的独立运动的整体
连杆体
螺栓螺母垫圈从运动来看任何机器都是由若干个连杆头
曲轴
真实连杆
连杆头
从运动来看，任何机器都是由若干个
2.运动副
运动副
为两构件参与接触而构成运动副的表面。

是两构件直接接触而构成的可动联接。

运动副元素
轴轴块与轨
例轴与轴承、滑块与导轨、两轮齿啮合。

圆柱面与圆孔面棱柱面与棱孔面两轮轮齿曲面空间两构件构成的运动副，其自由度f 和约束数s满足
f + s = 6
机构的组成(2/4)（1）运动副的分类
1）按其引入的约束数目分：Ⅰ级副、Ⅱ级副、……Ⅴ级副。

2）按其接触形式分
高副：点、线接触的运动副
转动副（回转副或铰链）
低副：面接触的运动副
3）按其相对运动形式分移动副
螺旋副
球面副
两类
还可分为平面运动副与空间运动副两类。

（2）运动副符号
运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。

动链
各种常用运动副模型常用运动副的符号表
3.运动链构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。

闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）
2
3
23
233451
4
1
4
1
4
1
2
平面闭式运动链
空间闭式运动链
平面开式运动链空间开式运动链
4机构4.机构
具有固定构件的运动链称为机构。

机构中的定构件2
从动件
但当机构安装在运动的机械上时则是运动的机架——机构中的固定构件；13
4
一般机架相对地面固定不动，原动件
构安装在运动的机械上时则是运动的。

——按给定已知运动规律
原动件平面铰链四杆机构机架
2
独立运动的构件；
从动件——机构中其余活动构件。

常以转向箭头表示。

原动件
1
3
其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。

从动件
4
机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。

机架
空间铰链四杆机构
§2-3机构运动简图
在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构运动简图
运动简图。

1.何谓机构运动简图？根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出例内燃机机构运动简图。

机构运动简图根据机构的运动尺寸，按定的比例尺定出
各运动副的位置，
采用运动副及常用机构运动简图符号和构件的，将机构运动传递情况表示出来的简化图形。

不严格按比例绘出的，只表示机械结构状况的表示方法，将机构运动传递情况表示出来的简化图形机构示意图简图。

机构运动简图(2/2)
2机构运动简图的绘制2.机构运动简图的绘制
绘制方法及步骤：
）搞清机械的构造及运动情况沿着运动传递路线查明）选定视图面
（1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；（2）选定视图平面；（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运动副和机构的符号最后用简单线条连接即得机构运动简图举例：
动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。

内燃机机构运动简图绘制颚式破碎机机构运动简图绘制
§2-4机构具有确定运动的条件
先来看两个例子：
一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？
例1 铰链四杆机构
例1
若给定机构一个独立运动，则机构的运动完全确定；
则机构的最薄弱环节损坏若给定机构两个独立运动，则机构的最薄弱环节损坏。

例2铰链五杆机构
若给定机构一个独立运动，则机构的运动不确定；
若给定机构两个独立运动，则机构的运动完全确定。

机构的自由度机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，其数目用F表示。

结论机构具有确定运动的条件是：
机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。

机构的原动件数目应等于机构的自由度数目
机构具有确定运动的条件(2/2)结论：机构具有确定运动的条件是：机构原动件数目应等于机构的自由度的数目。

如果原动件数<F,
如果原动件数>F,
则机构的运动将不完全确定；
则会导致机构最薄弱环节的损坏。

§2-5机构自由度的计算
1.平面机构自由度的计算（1）计算公式
F ＝3n 式中2
(2p l ＋p h)
－式中：
n 为机构的活动构件数目；p l 为机构的低副数目；1
3
4p h 为机构的高副数目。

(2)举例
1）铰链四杆机构F ＝3n －(2p l ＋p h )
＝3×3－2×4－0＝12
3
2）铰链五杆机构F ＝3n －(2p l ＋p h )
1
4
5
＝3×4－2×5－0＝2
310
11
C
）内燃机机构F ＝3n －(2p l ＋p h )
＝3×6－2×7－3＝1
2.空间机构自由度的计算）一般空间机构自由度的计算3
89
,=125)则
（1）般空间机构自由度的计算设一空间机构共有n 个活动构件，级运动副1
47A B
D
其约束数为i (i =1,2,~5)，则p i 个i 级运动副，F ＝6n －(5p 5＋4p 4＋3p 3＋2p 2＋p 1)
5
18
B
2
＝6n －Σip i
i =1
例1空间四杆机构
C
解F ＝6n －5p 5－4p 4－3p 3
＝－1
3
D
A 6×35×2＋3×1＝1
4
（2）含公共约束的空间机构自由度的计算
公共约束(5
是指机构中所有构件均受到的共同的约束，以m 表示。

F ＝(6－m )n －Σ (i －m )p i
i=m +1由上式可知公共约束故相应的机构分别由上式可知，公共约束m =0、1、2、3、4。

故相应的机构分别称为0族、1族、2族、3族、4族机构（五类）。

例2楔形滑块机构
解因此机构为全移动副平面机构故因此机构为全移动副平面机构，故m ＝4，则
F ＝(6－m )n －(5－m )p 5＝(6－4)×2－(5－4)×3＝1
例2
滚子绕其轴线的转动为一个局部自F ′滚子推杆凸轮机构
解由度，在计算机构自由度时，应将从计算公式中减去，即
F ＝3n －(2＋－F ′(p l p h )故凸轮机构的自由度为
－－＝F ＝3×3(2×3＋1)11
3.要除去虚约束
虚约束是指机构中某些运动副带入的对机构运动起重复约束作用的约束，以p ′表示。

例3平行四边形四杆机构F ＝3n －(2＋－F ′
(p l p h )＝3×3－(2×4＋0)－0＝1
当增加个构件BE AF则当增加一个构件5和两个转动副E、F，且BE AF，则
∥＝
F＝3n－(2p
l＋p h)－F′
＝3×4－(2×6＋0)－0＝0
5 E、F 引入的一个约束为虚约束。

原因：构件和两个转动副、引入的个约束为虚约束在计算机构的自由度时，应从机构的约束数中减去虚约束数′
目p，故
F＝3n－(2p
l＋p h －p′)－F′
如平行四边形五杆机构的自由度为F＝3×4－(2×6＋0－0)－0＝1
机构中的虚约束常发生的几种情况（1）轨迹重合的情况
4．机构中的虚约束常发生的几种情况
在机构中，如果用转动副联接的是
两个构件上运动轨迹相重合的点，该联
个虚约束
接将带入1个虚约束。

例如椭圆仪机构（图中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。

显然，转动副C所联接的C
2、C
3
两点
的轨迹重合，将带入一个虚约束。

（2）用双副杆联接两构件上距离恒定不变的两点的情况
在机构运动过程中，如果两构件上两点之间的距离始终保持不变，若用一双副杆将此两点相连，也将带入一个虚约束。

例如图示平行四边形机构就属于此种情况例如图示平行四边形机构就属于此种情况。

显然，构件5和转动副E 、F 所联接的两点间的距离始终保持不变故接的两点间的距离始终保持不变，故带入一个虚约束。

（3）结构重复的情况
在机构中，不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。

例如图示轮系就属于这种情况例如图示轮系就属于这种情况。

显然，从机构运动传递来看，仅有个齿轮就可以了而其余两个齿有一个齿轮就可以了，而其余两个齿轮并不影响机构的运动传递，故带入′＝了虚约束，且p 2。

§
2-7虚约束对机构工作性能的影响
及机构结构的合理设计
1.虚约束对机构工作性能的影响（1）虚约束的作用
为了改善构件的受力情况；增加机构的刚度；
保证机械通过某些特殊位置（2）虚约束对机构运动的影响
虚约束是存在于某些特定几何条件下的但这些条件不满足保证机械通过某些特殊位置。

虚约束是存在于某些特定几何条件下的，但这些条件不满足时，它就将成为实际有效的约束，从而影响到机构的性能。

例如平行四边形机构如不能满足此条件时：
例如平行四边形机构，若误差较小则机构装配困难内若误差较小，则机构装配困难，内应力将增大，运动不灵活；
若误差较大，则机构无法装配，若勉强装配，则传动效率低，易损坏。

故机构中的虚约束数越多制造精度要求越高制造成本也
故机构中的虚约束数越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。

结论从保证机构运动灵活性和便于加工装配方面来说，应从保证机构运动灵活性和便于加工装配方面来说应尽量减少机构的虚约束。

因此，虚约束的多少是机构性能的一个重要指标。

2、机构结构的合理设计
机构结构的合理设计是指在不影响机构其他性能的前提下，通过运动副类型的合理选择和装配来尽可能的减少虚约束的问题。

（1) 0
)族别虚约束即将某些机构视为族机构时机构所存在的虚约束的数目，以p″表示，则
p F F
″＝－
式中：F 为机构的实际自由度；
F 0为机构被视为0族机构时的自由度数目。

族机构时的自由度数目
例1平面铰链四杆机构F ＝(6－m )n －(5－m )p 5＝(6－3)×3－(5－3)×4()()＝1
F 0＝6n －5p 5＝6×3－5×4＝－2
故p ″＝F －F 0＝1－(－2)＝3
显然，这三个族别虚约束存在的条件是：所有铰链的轴线要彼此平行。

若不满足上述条件，则机构将变成为F 0＝－2的结构了。

（2）消除或减少族别虚约束的方法
通过合理选择和配置运动副的类型来消除或减少机构中族别虚约束
虚约束。

例2
虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计(4/4)铰链四杆机构
将转动副B、C改为球面副和球销副，则机构变为0族机构，
即无族别虚约束。

即无族别虚约束
F＝6n－5p
5－4p4－3p3
＝6×3－5×2－4×1－3×1B
C
＝1A
D 例3曲柄滑块机构
将转动副C变为球面副，则此机构可减
少2个族别虚约束。

例4正切机构
将其低副高副替代即
将其低副用高副替代，即
变为含点接触的高副机构，则
此机构中无虚约束
此机构中无虚约束。

§2-8平面机构的组成原理、结构
分类及结构分析
1.平面机构的组成原理
例颚式碎矿机
不能再拆的最简单
的自由度为零的构件组，也称阿苏尔
1）基本杆组：或杆组。

2任何机构都可看作
是由若干个基本杆组依次连接于原动
）组成原理：件和机架而构成的。

注意：在杆组并接时，不能将同
一杆组的各个外接运动副接于同一构杆组的各个外接运动副接于同构
件上，否则将起不到增加杆组的作用。

2平面机构的结构分类
（1）杆组的条件2.平面机构的结构分类式中n 、p l 及p h 分别为杆组中的构件数、低副数和高副数。

3n －2p l －p h ＝0全低副杆组的条件：
/3（2）杆组的类型
级杆组个低副构成的杆组3n －2p l ＝0或n /2＝p l /3 1）Ⅱ级杆组：由2个构件和3个低副构成的杆组。

B B 12B B
B 2A
C 12c)A C d)A C 12e)A
C
1
2a)A C 1b)2）Ⅲ级杆组：由4个构件和6个低副构成的杆组。

A C D 3A C E 24A C E 12B E F 124a)B D F 13b)B D F
34c)
3平面机构的结构分析
3.平面机构的结构分析
（1）目的：了解机构的组成，确定机构的级别。

（2）方法：
）方法
1）先计算机构的自由度，并确定原动件；
2）从远离原动件的构件先试拆Ⅱ级组，若不成；再拆Ⅲ
级组若不成再拆级组，直至只剩下原动件和机架为止；
3）最后确定机构的级别。

（3）举例：破碎机机构的结构分析。

1）若取构件1为原动件时，
此机构为Ⅱ级机构。

2
为原动件时显然这种级杆组）若取构件5为原动件时，显然，这种拆法不成。

再试拆级组先试拆Ⅱ级杆组，Ⅲ级组。

故此机构为
Ⅲ级机构。

§2-9平面机构中的高副低代
高副低代——机构中的高副以低副来代替的方法。

（1）高副低代应满足的条件：
1）代替前后机构的自由度完全相同；
2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。

（2）高副低代的方法：
圆弧高副机构非圆弧高副机构
平面机构中的高副低代
(2/2)
结论：在对平面机构进行高副低代时，为了满足高副低代的条件，只要用一个虚拟的构件分别与两高副构件在接触点的曲率中心处以转动副相联即可。

若高副两元素之为直线若高副两元素之一为直线，则低代时
虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。

若高副两元素之一为一个点，
则低代
时虚拟构件这一端的转动副就在此点处。

结论：
时虚拟构件这端的转动副就在此点处。

在对高副机构进行分析时，可根据高副低代的方法，先将高副机构转化为低副机构，然后在进行机构的结构、运动及力分析
动及力分析。

内燃机及其机构运动简图10
C 11
3
89
,1
4
7B D
18A
第三章平面机构的运动分析
§3-1机构运动分析的任务、目的和方法
31机构运动分析的任务目的和方法
用度瞬法作机构的度分析
§3-2用速度瞬心法作机构的速度分析
§3-3用矢量方程图解法作机构的速度及
加速度分析
§34
3-4综合运用瞬心法和矢量方程图解法
对复杂机构进行速度分析
§3-5用解析法作机构的运动分析
返回。