机械原理第一章
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机械原理课件第1章绪论
太空探险、水平钻探、深海采矿、打捞作业、血管清理
与其它学科的交叉渗透作用增强：与电子工程、计算 机科学、控制工程、材料科学、生物医学相互渗透， 诞生了若干新学科。如机械电子学、仿生机械学、机 器人机械学、机械CAD。
本学科的研究课题与日俱增: 新机构不断涌现-----如自控机构、机器人机构、仿生 机构、柔性及弹性机构、机电气液综合机构等。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
本课程研究机械的途径： ▲ 研究机械所具有的一般共性问题。如机构的组成
原理、机构运动学、机器动力学。
▲ 研究各种常用机构的运动和动力性能，以及它们 的设计 方法。
如何学习本课程？
▲ 着重搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构 分析与综合的基本方法。
▲ 注意把一般原理和方法与具体运用密切联系起来。 并用所学知识观察日常生活与生产遇到的各种机械。
▲设计新机构的方法。按一定几何条件和运动条件
3. 机器动力学 ▲分析机构的受力情况及力做功的情况；
▲分析机器在已知外力作用下的运动； ▲机器的调速和平衡方法。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
按解决问题的性质，研究内容又可分为两大类：
▲机构分析－对已有机构的研究。包括结构、运动 和力分析。
▲机构综合－设计新的机构。包括型综合、尺度综 合、运动和动力综合。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
注重理论联系实际
本课程并不是研究某种具体的机械，而是着重研究 一般机械的共性问题，即机构的结构分析和综合的基 本理论和基本的方法。这些基本理论和方法是紧密为 工程服务的。因此，在本课程的学习过程中，一方面 要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性 和逻辑性，另一方面更要注意这些理论和方法如何在 工程实际中的应用。此外还应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 所学到的理论和方法认识分析这些机械，以加深理解， 使理论和实践相互促进。
与其它学科的交叉渗透作用增强：与电子工程、计算 机科学、控制工程、材料科学、生物医学相互渗透， 诞生了若干新学科。如机械电子学、仿生机械学、机 器人机械学、机械CAD。
本学科的研究课题与日俱增: 新机构不断涌现-----如自控机构、机器人机构、仿生 机构、柔性及弹性机构、机电气液综合机构等。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
本课程研究机械的途径： ▲ 研究机械所具有的一般共性问题。如机构的组成
原理、机构运动学、机器动力学。
▲ 研究各种常用机构的运动和动力性能，以及它们 的设计 方法。
如何学习本课程？
▲ 着重搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构 分析与综合的基本方法。
▲ 注意把一般原理和方法与具体运用密切联系起来。 并用所学知识观察日常生活与生产遇到的各种机械。
▲设计新机构的方法。按一定几何条件和运动条件
3. 机器动力学 ▲分析机构的受力情况及力做功的情况；
▲分析机器在已知外力作用下的运动； ▲机器的调速和平衡方法。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
按解决问题的性质，研究内容又可分为两大类：
▲机构分析－对已有机构的研究。包括结构、运动 和力分析。
▲机构综合－设计新的机构。包括型综合、尺度综 合、运动和动力综合。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
注重理论联系实际
本课程并不是研究某种具体的机械，而是着重研究 一般机械的共性问题，即机构的结构分析和综合的基 本理论和基本的方法。这些基本理论和方法是紧密为 工程服务的。因此，在本课程的学习过程中，一方面 要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性 和逻辑性，另一方面更要注意这些理论和方法如何在 工程实际中的应用。此外还应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 所学到的理论和方法认识分析这些机械，以加深理解， 使理论和实践相互促进。
机械原理 第一章 构件 约束 运动副
按在机械传动中的功能分类：
机 构件分成 活动构件 从动件 机 架：机架是指要被固定、而作为机构运动的参考 系的构件 。 原动件：作用有驱动力或驱动力矩的活动构件，又称主 动件。 从动件：在机构中除机架和原动件以外的其余构件则称 为从动件 。
动画链接1 2
架（或固定构件） 原动件（主动件）
机架 原动件
从动件
传动构件
从动件
输出构件
按照其几何和运动特征进行分类：
如齿轮、凸轮、摩擦轮、滑块、导槽、杆件等
滑块、导槽、杆件
动画链接
广义来讲，随着科学技术的不断发展，机构中的构件可 以是有形的，也可以是无形的，只要它在传递运动和力或在 运动的导引的过程中能完成一些确定的运动任务，我们都可 以将其视为一个构件。例如：液态介质或气态介质、可塑性 的颗粒状物质等等，只要这些物质能够充满所提供的空腔， 在运动的传递过程中起到了必不可少的作用，都可以看作为 压力构件；机械运动的计算机控制程序等也可以看作是一个 构件。
只有1个自由度
用平面和曲面构造约束：用四个平面构造的相对移动约束
只有1个自由度
约束中加入中间元件，改变接触处的摩擦状态 滑动摩擦
滚动摩擦
钢球
滑动摩擦
保持架
滚动摩擦
2-9(b)
2-9(c)
1.4
1.4.1
运动副及其分类
运动副
运动副：两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运 动的联接。
三个条件，缺一不可
第一章 构件、约束和运动副
1.2 构件及其分类
构件和零件是两个不同的概念：构件是运
动时的单元体，而零件是制造时的单元体。
构件是由一个或若干个零件组成。
这些零件之间没有任何的相对运动。
机械原理课件第一章
内燃机
③它用来代替或减轻人类劳动去完成有用的机械功、 转换机械能或处理信息。
机器和机构的概念(4/6)
2. 机构
机器的特征中，主要是这些人为的实物组 合体能实现预期的动作。
经过分析，可以知道：机器还不是能实现预 期动作的最基本的组合体。
内燃机中基本组合体：
活塞8－连杆3－曲轴4－机架9 曲柄滑块机构
黄帝十分着急，只好命令军队停止前进，原地பைடு நூலகம்动，并马上召集 大臣们商讨对策。大臣风后对黄帝说：“你看，为什么天上的北斗星， 斗转而柄不转呢? 我们能不能根据北斗星的原理，制造一种会指方向 的东西，有了这种东西就不怕迷失方向了。”黄帝把风后的这个想法 告诉众臣，大家议论了一番，都认为这是一个好办法。
然后，就由风后设计，大家动 手制作。经过几天几夜奋战，终于造 出了一个能指引方向的仪器。风后把 它安装在一辆战车上，车上安装了一 个假人，伸手指着南方。然后告诉所 有的军队，打仗时一旦被大雾迷住， 只要一看指南车上的假人指着什么方 向，马上就可辨认出东南西北。
速度的求法和机构的运动规律。
3. 机器动力学 a) 分析机器在运转过程中各构件的受力情况，以及这些力的
做功情况； b) 分析机器在已知外力作用下的运动； c) 对机器速度波动调节和不平衡惯性力的平衡问题。
4. 常用机构的分析与设计 分析研究连杆、凸轮、齿轮等常用机构的运动与工作特性，
以及相应的设计方法。
机械
机器是执行机械运动的装置，用来完成有用的机械功或转换机械能。
机器
原动机 －凡如将电其动他机形、式蒸的汽能机量等转。换为机械能的机器， 工作机 －凡用来完成有用机械功的机器，如起重机、发电机等。
工程中大多是工作机和原动机配合应用，有时再加上独立
机械原理第一章绪论PPT课件
机构(machanism)：用来传递 运动和力或改变运动形式的构 件系统
-
13
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14
-
15
机械是机构与机器的总称。
机构和机器的区别：
•机构只是一个构件系统，而机 器除构件系统外，还包含电气、 液压等其它系统
• 机构只用来传递运动和力，而 机器除传递运动和力外，还具 有变换或传递能量、物料和信 息的功能
2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图 解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析的基本技能。
3)具有按已知的几何条件和运动条件对几种主要的平面 机构进行运动设计的某些基本知识和能力。
4)初步具有确定简单机械运动方案的能力。
-
21
第一章 绪 论
5)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本 知识。
-
1
第一章 绪 论 (Introduction) §1-1 本课程研究的对象及内容
机械原理又称为机器理论与机构学。 机械原理 Theory of Machines and Mechanisms
机械原理的研究对象是机械(machinery) 。 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及
机
是完成有用的机械功或者是搬运物品。
工作机器 例如：起重机、织布机、缝纫机、汽
器
车、飞机和金属切削加工机床等。
是用来获得和变换信息。例如：机械 信息机器 式积分仪、计帐机、机器人和绘图仪。
机器与其它装置的主要区别是：机器一定要作机械运动， 并通过运动来实现能量、物料和信息的变换
-
7
第一章 绪 论
现代机器通常由控制系统、信息测量和处理系统、动 力部分、传动部分及执行机构系统等组成。 机器的三个共同特点： 1、都是人为的实物组合； 2、各部分之间具有确定的相对运动； 3、用来变换或传递能量、物料和信息。
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机械是机构与机器的总称。
机构和机器的区别：
•机构只是一个构件系统，而机 器除构件系统外，还包含电气、 液压等其它系统
• 机构只用来传递运动和力，而 机器除传递运动和力外，还具 有变换或传递能量、物料和信 息的功能
2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图 解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析的基本技能。
3)具有按已知的几何条件和运动条件对几种主要的平面 机构进行运动设计的某些基本知识和能力。
4)初步具有确定简单机械运动方案的能力。
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第一章 绪 论
5)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本 知识。
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第一章 绪 论 (Introduction) §1-1 本课程研究的对象及内容
机械原理又称为机器理论与机构学。 机械原理 Theory of Machines and Mechanisms
机械原理的研究对象是机械(machinery) 。 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及
机
是完成有用的机械功或者是搬运物品。
工作机器 例如：起重机、织布机、缝纫机、汽
器
车、飞机和金属切削加工机床等。
是用来获得和变换信息。例如：机械 信息机器 式积分仪、计帐机、机器人和绘图仪。
机器与其它装置的主要区别是：机器一定要作机械运动， 并通过运动来实现能量、物料和信息的变换
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第一章 绪 论
现代机器通常由控制系统、信息测量和处理系统、动 力部分、传动部分及执行机构系统等组成。 机器的三个共同特点： 1、都是人为的实物组合； 2、各部分之间具有确定的相对运动； 3、用来变换或传递能量、物料和信息。
机械原理第一章
机构具有确定运动的条件： 机构自由度数目大于零并等于原动件数目。
若F >原动件数，则机构运动将不确定； 若F <原动件数，则导致最薄弱处损坏。
1.4.1 平面机构自由度的计算
每个自由构件的自由度：3 (x，y, q ) 设平面机构由N个构件、PL个低副和PH 个高副组成。 设N个构件中有一个构件为机架，则机 构中的活动构件数为：n=N – 1 O
例：计算颚式破碎机的自由度，并 判断机构是否有确定的运动。 解： n =5 PL=7 PH=0
6 F 5 4 C
O 1 A
2 3 B D E
F =3n –2PL –PH =3×5 –2×7 =1
机构原动件为1，∴ 机构运动确定。
例：判断牛头刨床主体机构是否 有确定的运动。 解： n =5 PL=7 PH=0
1 3
2
1
3
2
3
1
2
3 4
1
3 两个转动副
1 2
2
4 两个转动副
两个转动副
关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副。
2. 局部自由度
局部自由度：是指在机构中某些构件所产生的不影响其他构件 运动的局部运动的自由度。 F =3n–2PL–PH =3×3–2×3–1=2
B O
去除局部自由度后： F =3n–2PL–PH =3×2–2×2–1=1
C 5 D E 6
2 1
A
F
上图中C为复合铰链，由3个构件组成，转动副为2个，∴PL=7。 F =3n –2PL –PH =3×5 –2×7 =1 ， ∴ 机构运动确定。 若复合铰链由m个构件组成，则其转动副的数目为(m –1 )个。
正确识别复合铰链举例：
机械原理第1章绪论
4.机械原理学科的发展
应用领域扩大——上天(太空探险)、入地(水平钻探)、下海(深海勘
探、打捞作业)、甚至钻入人体内(血管清理)
与其他学科的交叉渗透作用增强——与电子工程、计算机科学、控
机械原 理学科 的发展
制工程、材料科学、生物医学等相互渗透，诞生了若干新学科。如 机械电子学、仿生机械学、机器人机械学、机械CAD
第
章 一
章
绪
节
论
一
二一 ．．
本内 章容 重提 点要 、及 难基 点本
概 念
单击此处添加大标题内容
1.1
内容提要及基本概念
机械原理又称机器理论与机构学。是机械工程各专业的一门重要的技术基础课程。本课程的理论知识对于机械的设计、制造、运行、维修等方面具有十分重要的作用。
1.1.1 内容提要
机械原理的研究对象
3）凸轮机 构
1 为了改善凸轮机构的动 力性能，凸轮曲线由等 加-等减速运动规律、 正弦加速度运动规律、 余弦加速度运动规律改 用改进正弦加速度运动 规律、改进梯形加速度 运动规律和代数多项式 运动规律。
2 寻找高速运转时具有良好动 力性能的凸轮曲线是一个重 要的研究内容。按动力学要 求设计凸轮廓线除了采用动 力多项式凸轮曲线外，现在 较多采用某些符合动力特性 要求的凸轮曲线。这种曲线 使凸轮从动件系统残留振动 的振幅在全部工作速度范围 内不超过某一极限值。
本章内容包括
机器的定义：由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，完成一定的工作 过程，以代替人类的劳动。
实例：缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。
机器与机构之间的关系——机器是由机构组成的。例如图示单缸内燃机中就 包含了三种常用机构：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构。
机械原理第1章
B A
§1-5平面机构的组成原理
一、平面机构中的高副低代： 平面机构中的高副低代： 1、目的：使平面低副机构的结构、运动分析能适用于 一 、目的：使平面低副机构的结构、 切平面机构。 切平面机构。 2、条件：自由度不变；瞬时速度、加速度不变。 、条件：自由度不变；瞬时速度、加速度不变。 3、方法：两个转动副和一个构件代替一个高副，在两个转 、方法：两个转动副和一个构件代替一个高副， 动副分别处在两轮廓接触点的曲率中心。 动副分别处在两轮廓接触点的曲率中心。
§1-3：平面机构的运动简图
一、机构运动简图： 机构运动简图：
在研究机构运动时,不考虑那些与运动无关的因素， 在研究机构运动时,不考虑那些与运动无关的因素，仅用简单 的线条和符号来代表构件和运动副， 的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副 的相对位置，来说明各构件相对运动关系的简单图形。 的相对位置，来说明各构件相对运动关系的简单图形。 1、构件：用线条 构件： 2、运动副：见表 运动副：
E C
3、按杆组的级别对杆组分类： 、按杆组的级别对杆组分类：
杆组 级别
决定 级别 的封 闭形
ⅱ
ⅲ
ⅳ
ⅴ
三、平面机构的机构分析 将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。 将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。 机构的组装与拆分： 机构的组装与拆分： 1、机构的组装 、
6 5 1 4 3 2 2 7 6 8 1 5 4 3
C
D E E E
D E O
A
B
O
A
B
C E E
C
A
B
O
C
例：试计算图所示压床 机构的自由度。
机械原理第一章
化石燃料 化石燃料 水能 风能
内燃机 外燃机 水轮机 风力机
机器 机器 机器 机器
电动机
机器
电动机 电动机
液压马达
泵
机器
液压缸
空气压缩机
气压马达 气缸
机器
常用原动机形式 原动机主要有电动、液动、气动三种形式 从运动形式来划分有回转、往复直线和步进等多
种运动形式。
这是最常用的交流异步电动机
这是步进电机，它可以按输入的电脉 冲数回转相应的角度。
它是美国国家航空航 天局于格林威治时间 1997年7月4日17时07 分发射的火星探路者 号宇宙飞船成功地在 火星表面着陆，该飞 船携带了索杰纳火星 车，这也是一种机器。
机器人
机器的共同特征： 1. 由人为实物组成。 2. 能够传递运动和力。 3. 能够转换能量或做功。
机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置， 它用来完成有用功、转换能量或处理信息，以代替或减 轻人类的劳动。
冲压式蜂窝煤成型机
机器的功能和设计要求
冲压式峰窝煤成型机的功能是将粉煤加入转盘的模筒 内，经冲头冲压成峰窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型， 冲压式蜂窝煤成型机必须完成五个动作：
（1）粉煤加料； （2）冲头将蜂窝煤压制成型； （3）清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动； （4）将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模； （5）将冲压成型的蜂窝煤输送。
信息机器的功用是完成信息的传递和变换，例如， 复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。
举例：
机构: 卷笔刀，钟表，折叠椅，自行车…
钳物机构(avi)
钳物机构(avi)
开窗机构(avi)
运动鞋刹车机构(avi)
连杆机构(avi)
凸轮机构(avi)
机械原理ppt
F = 3×n - （2pl+ph)-F'
虚约束及其去除方法 虚约束是指机构中某些运动副代入得对机构运动
其重复约束作用的约束，其数目以p´表示。 除去虚约束的方法：
先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除 去，再来计算机构的自由度。
或从机构的约束数中减去虚约束数目p´。 F = 3×n - （2pl+ph-p')-F'
位 置 ， 因 P13 为 机 构 3 的绝对瞬心，则有
3
vB l BP13
2l AB l
BP13
2.56rad / s
vC l CP133 0.4m / s vE l P13E3 0.357m / s
3）定出构件3的BC线上速度最小的点E的位置，因 BC线上速度最小之点必与P13点的距离最近，故 从P13 引BC的垂线交于点E。由图可得
4）定出VC =0 时机构的两个位置，量出
1 26.4
2 226.6
已 知 ： 图 示 导 杆 机 构 尺 寸 ： lAB=0.051m ， lAC=0.114m, ω1 =5rad/s。试用瞬心法确定：机构在 图示位置导杆3的角速度ω3的大小和方向。
通过自由度计算判断图示运动链是否有确定运动 （图中箭头所示构件为原动件）。如果不满足有确定 运动的条件，请提出修改意见并画出运动简图。
n=4, PL=6, PH=0, F= 3n-2PL -PH=3×4－2×6-1×0=0
F=3×10－2×13－2－1=1
计算下列各运动链的自由度，并指出其中是否 有复合铰链、局部自由度、虚约束（应说明属于哪 一类虚约束）。最后判断该机构是否有确定运动 （图中箭头所示构件为原动件），为什么？
若构成的是相对不可动的系统，则为珩架或结构 体，即蜕变为一个构件。运动链有首末封闭的闭链， 也有未封闭的开链。运动链还有平面运动链和空间运 动链之分。
虚约束及其去除方法 虚约束是指机构中某些运动副代入得对机构运动
其重复约束作用的约束，其数目以p´表示。 除去虚约束的方法：
先将机构中引入虚约束的运动副或运动链部分除 去，再来计算机构的自由度。
或从机构的约束数中减去虚约束数目p´。 F = 3×n - （2pl+ph-p')-F'
位 置 ， 因 P13 为 机 构 3 的绝对瞬心，则有
3
vB l BP13
2l AB l
BP13
2.56rad / s
vC l CP133 0.4m / s vE l P13E3 0.357m / s
3）定出构件3的BC线上速度最小的点E的位置，因 BC线上速度最小之点必与P13点的距离最近，故 从P13 引BC的垂线交于点E。由图可得
4）定出VC =0 时机构的两个位置，量出
1 26.4
2 226.6
已 知 ： 图 示 导 杆 机 构 尺 寸 ： lAB=0.051m ， lAC=0.114m, ω1 =5rad/s。试用瞬心法确定：机构在 图示位置导杆3的角速度ω3的大小和方向。
通过自由度计算判断图示运动链是否有确定运动 （图中箭头所示构件为原动件）。如果不满足有确定 运动的条件，请提出修改意见并画出运动简图。
n=4, PL=6, PH=0, F= 3n-2PL -PH=3×4－2×6-1×0=0
F=3×10－2×13－2－1=1
计算下列各运动链的自由度，并指出其中是否 有复合铰链、局部自由度、虚约束（应说明属于哪 一类虚约束）。最后判断该机构是否有确定运动 （图中箭头所示构件为原动件），为什么？
若构成的是相对不可动的系统，则为珩架或结构 体，即蜕变为一个构件。运动链有首末封闭的闭链， 也有未封闭的开链。运动链还有平面运动链和空间运 动链之分。
机械原理第一章 绪论
研究常用机构齿轮机构（7章）、连杆机构（5章）、凸轮机构 （6章）、间歇运动机构（9章）、轮系（8章）的类型、功能及运 动特性，以及机构设计的基本理论和方法。
3．机械动力学问题 研究在已知外力作用下机械的真实运动规律；机械运转过程中速 度波动的调节问题（第11章）以及机械运转过程中所产生的惯性力、 惯性力矩的平衡问题（第10章）。 4．机械系统的方案设计 第12章讨论在进行具体机械设计时机构的选型、组合、变异及 机械系统运动方案的设计等。
机构是由构件组成的具有确定相对运动的系统，起着运动的 传递和运动形式转换的作用。 常见的机构如：齿轮机构、凸轮机构、平面连杆机构、带传 动机构、链传动机构等。 机器和机构的关系：一部机器可能含有一个或多个机构。 （2）构件、零件 构件：运动的单元体。零件：制造的单元体 构件和零件的关系：一个构件可能含有一个或多个零件。 二、研究内容
实例一
组成：带传动机构、蜗轮蜗 杆机构、凸轮机构、连杆机 构等。
工作原理：电动机带动各机 构使滑杆左移时，滑杆夹持 器的动爪和定爪将工件夹住 ； 当滑杆带着工件向右移动到 夹持器的动爪碰到上面的挡 块时，将工件松开 ，落到载 送器中。 工件自动装卸装置
实例二、内燃机 组成
进 活 连 曲 汽 机凸 顶 机 齿 排 气 塞 杆 轴 缸 体轮 杆 体 轮 气 9 阀 阀 2 5 6 体 1 7 8 1 10 4 3 1 曲 柄 滑 块 机 构 凸 轮 机 构
内部结构
1 轴传动链主要由伺服电机、减速器、轴构成； 2 轴传动链由伺服电机、同步带、减速器、轴构成； 3 轴传动链主要由伺服电机、同步带、丝杠构成； 4 轴传动链主要由步进电机、减速器构成，在机器人末端还有一个气动的 夹持器。
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。 机器的结构 传统的机器由如下三个部分组成：
机械原理课件第一章讲解
念概本基及象对究研的理原械机
机器的类别
? 动力机器 ：内燃机、压力机、电动机…… ? 工作机器 ：金属切削机床、织布机、印刷机、包装机 ? 信息机器 ：复印机、打字机、绘图机、传真机……
念概本基及象对究研的理原械机
动力机器：内燃机
念概本基及象对究研的理原械机
内燃机工作原理
?
燃气由进气管通过进气 阀3被下行的活塞2吸入气缸， 然后3关闭，2上行压缩燃气，
要提容内
基本概念
? 机械原理 ? 机构
连杆机构，凸轮机构，齿轮机构，间歇运动机构
? 机器
动力机器，工业机器，工作机器，信息机器
? 机械
要提容内
容内节本
重点与难点
一、重点内容：
1．机械原理的研究对象:机构、机器 2. 机械运动方案．机械运动方案设计 3．机械原理课程的主要内容包括典型机构的分析和设计，机械系统
常用机构
念概本基及象对究研的理原械机
常用机构
念概本基及象对究研的理原械机
常用机构
念概本基及象对究研的理原械机
常用机构
机械设计概述
? 机械设计的一般进程 ? 机械运动方案设计的主要内容 ? 机电一体化技术在机械运动方案设计中的作
用
述概计设械机
机械设计的一般进程
机械设计过程并没有一个通用的固定顺序， 而必须按具体情况确定。机械设计的一般进 程。可分为四个阶段： ? 产品规划阶段 ? 方案设计阶段 ? 详细设计阶段 ? 改进设计阶段
用作和位地的程课理原械机
机械原理课程学习方法
? 熟悉和掌握各种典型机构的结构和运动特点，深入理解 满足实际生产需要的机构分析和设计方法 。
? 熟悉和掌握机械运动简图的画法，要习惯于采用运动简 图来认识机构相机器，想象机构和机器的运动情况。
机械原理第一章 绪论
§1-1 研究对象及内容1.研究对象：本课程研究的对象是机械。
所谓机械就是机构与机器的总称。
2.机构：用来传递与变换运动和力的可动装置。
它可以变换和传递机器之间的运动形式（比如往复移动变为转动）及速度（比如高速变低速）。
比如自行车要通过链条传动把脚踏的旋转运动变为后轮的旋转运动，链条就是一种机构；指针手表通过齿轮保持时、分、秒针之间的比例关系，齿轮也是一种机构；还有折叠式家具及门铰链大多采用的是连杆机构；还有一定功率下电机的输出力矩很小，不能直接使用，也是采用齿轮机构来获得所需的力矩。
常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、曲柄滑块机构、蜗轮蜗杆传动机构、螺旋机构。
3.机器：由原动部分、传动部分（机构）、执行部分和控制部分组成的、执行机械运动的装置，它可以转换和传递能量、物料和信息。
比如缝纫机可以缝合衣服，它是机器；汽车可以运送物料，它也是机器；打印机可以把电子信息变为纸上可见的信息，它还是机器；这些机器的共同点就是它们都是由多个机构组成的，且都是通过做有用功来完成机械运动的。
4.机器的分类：机器按其用途可分为两类：①原动机凡将其他形式的能量转换为机械能的机器称为原动机；②工作机凡利用机械能来完成有用功的机器称为工作机。
5.机器的结构：①传统的机器由如下三个部分组成：②现代的机器由如下四个部分组成：③现代先进的机器由如下五个部分组成：6.实例：①内燃机内燃机就是把燃油的热能（化学能）转换为机械能的机器。
它由活塞、连杆、曲轴组成的连杆机构进行动力驱动，并由一对大小齿轮机构、凸轮机构组成配气系统。
其原理如下：当气缸内的气体受热膨胀后，气体产生的压力会使活塞作上下往复运动，连杆把活塞的往复运动变为连续旋转的运动并传递给曲轴，使其对外输出动力，同时装在曲轴上的小齿轮又将曲轴的旋转传递给相邻的大齿轮，带动大齿轮轴上的凸轮按另一种速度旋转，进一步推动配气系统的阀杆上下往复运动，使阀门按一定的时间要求启闭实现配气，从而让活塞能周而复始地进行往复运动，机器能连续地实现能量的转换。
机械原理第一章
在解决机构的设计问题时，仅限于根据运动和动力要求，确定 机构各部分与运动相关的尺寸，并不涉及各个具体零件的强度要 求、具体的结构形状、材料选择及工艺性要求问题，得出的结果 是机构运动简图，而并非工程上作为加工制造依据的结构设计图。 所以本课程称机构“综合”而非“设计” 。
§1-2 学习本课程的目的（为什么学）
专用机构---只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。
本课程研究重点：通用机构
机构与机器的区别在于：
• 机构只是一个构件系统， • 而机器除构件系统之外还包含电气、液压等其 他装置； • 机构只用于传递运动和力， • 机器除传递运动和力之外，还应当具有变换或 传递能量、物料、信息的功能。
机器与机构的关系：
祝同学们学习愉快！
千斤顶Βιβλιοθήκη 借助人力驱动实现所需的运动或传递力，这些装置称之为 机构
机构：是一个具有确定的机械运动的构件系统，
或称它是用来传递运动和动力的可动装置。
机构的作用：传递运动和动力或改变运动形式
齿轮机构
凸轮机构
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。这些机构一般被认为是由刚性件组成的。 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义机构。 机构的分类：通用机构和专用机构。 通用机构---用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。
机器是由机构组成的
什么是机构呢？
活塞的往复运动通过连杆变为曲轴的连续 该组合体称为：曲柄滑块机构 转动， 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀； 称为：凸轮机构
两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之 间形成协调动作，称为：齿轮机构
内燃机
机械原理第1章
链 传 动
圆柱 蜗杆 蜗轮 传动
外啮 合圆 柱齿 轮传 动
凸 轮 传 动
内啮 合圆 柱齿 轮传 动
棘 轮 机 构
机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符
3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。
绘制机构运动简图 思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线 路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运 动副的类型，并用符号表示出来。
§1-3
机构自由度的计算
一、平面机构自由度的计算公式
(1)自由度与约束
构件独立运动的数目称为自由度 对构件运动的限制作用称为约束
y
y
x
x
z
z
(2)机构自由度
机构独立运动的数目称为机构的自由度
什么是独立运动?
二、
机构具有确定运动的条件
◆问题：取运动链中某个构件为机架，其余 构件在什么条件下才具有确定运动？
其目的是：
１、研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件
２、研究机构的组成原理
３、研究机构运动简图的绘制 ４、研究机构结构的综合方法
§1-2 机构的组成 一、机构的组成要素
１、构件
作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件
一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若 干个不同零件组装起来的刚性体。
机构的种类可以根据其运动传递与转换的特征来进行区 分。 例如：
连续转动→往复直线移动
连续转动→双向摆动
连续转动→带停歇往复直线移动
连续转动→连续转动
连续转动→单向直线移动
连续转动→单向间歇转动
1-3
机构运动简图
为什么要画机 构运动简图？
《机械原理》第一章平面机构的结构分析
依据机构的运动是平面运动还是空间运动分为：
◆ 平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 ◆ 空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。
§1-3 机构运动简图
内燃机
一、 机构运动简图的定义及作用
1、机构运动简图：不考虑那些与运动无关的因素，仅 仅用简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副，并 按一定比例表示运动副的相对位置。这种能准确表达机 构运动特性的简单图形称为机构运动简图。
目的：
对称机构1、2
为了传递较大功率，保持机构受力平衡。
5） 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的 公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合， 将提供2个约束。
有一处为虚约束 等径凸轮
此两种情况没有虚约束
小结
◆ 复合铰链 ◆局部自由度 ◆ 虚约束
存在于转动副处 正确处理方法：复合铰链处有m个构件 则有(m-1)个转动副
凸轮副
齿轮副
1个高副 带来1个约束
按运动副的运动空间分:
平面运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面
运动的运动副。
空间运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间
运动的运动副。
只讲平面运动副。
球面副
二、运动链
运动链：指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。
★平面运动链：各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 ★ 空间运动链：各构件间的相对运动为空间运动的运动链。
三、平面机构的结构分析
结构分析目的：了解机构的组成，确定机构的级别。
机构的结构分析：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。
杆组拆分要领（原则）： 1）首先…… 2）从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成， 再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一 个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。 3）杆组的增减不应改变机构的自由度。
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轻人类的劳动。
根据机器工作类型的不同，机器一般可以分为动力 机器、工作机器和信息机器三类。
动力机器的功用是将任何一种能量变换成机械能， 或者将机械能变换成其它形式的能量。例如，内燃机、 涡轮机、电动机、发电机等。 工作机器的功用是完成有用的机械功或搬运物品。 例如，金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车 机车、飞机、起重机、输送机等。
常用机构：齿轮机构、凸轮机构和连杆机构。将用大 量篇幅讨论该三大常用机构的特点、设计理论和设计方法。
③ 机器动力学问题
主要研究在已知力作用下机械的真实运动规律；机 器运转过程中速度波动的调节问题以及机械运转过程中 所产生惯性力系的平衡问题。 ④ 机构的选型及机械运动系统设计的基本知识。
冲压式蜂窝煤成型机
机器的功能和设计要求
冲压式峰窝煤成型机的功能是将粉煤加入转盘的模筒 内，经冲头冲压成峰窝煤。为了实现蜂窝煤冲压成型， 冲压式蜂窝煤成型机必须完成五个动作：
（1）粉煤加料； （2）冲头将蜂窝煤压制成型； （3）清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动； （4）将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模； （5）将冲压成型的蜂窝煤输送。
它是美国国家航空航 天局于格林威治时间 1997年7月4日17时07 分发射的火星探路者 号宇宙飞船成功地在 火星表面着陆，该飞 船携带了索杰纳火星 车，这也是一种机器。
机器人
机器的共同特征： 1. 由人为实物组成。 2. 能够传递运动和力。 3. 能够转换能量或做功。
机器是一种人为实物组合的具有确定机械运动的装置， 它用来完成有用功、转换能量或处理信息，以代替或减
控制系统
用于实现机器执行机构之间的工作协调，或者各机器 之间的工作协调。
控制模式
原动机 传动机构 控制系统 原动机 传动机构 控制系统 原动机 传动机构 执行机构 执行机构 执行机构
2. 研究内容
什么是机构和机器?
研究对象
机构 & 机器
运动学 动力学
① 各种机构的分析问题 包括机构的结构分析，即研究机构的组成原理、机构 运动的可能性及确定性条件；机构的运动分析，即研究在 给定原动件运动的条件下，机构各点的轨迹、位移、速度 和加速度等运动特性；机构的力分析，即研究机构各运动 副中力的计算方法、摩擦及机械效率问题。 ② 常用机构的分析与设计问题
The Space shuttle deploy The Hobbler Radio Telescope A space age symbol
航天飞机正在利用机械臂 施放哈勃空间望远镜
展望刚刚到来的21世纪，智能机械、微型机构、 仿生机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技 术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展 机械基础学科知识。
机构选型
机构的形态矩阵 冲头和脱模 对心曲柄滑块机 偏置曲柄 六杆冲压机 盘机构 构 滑块机 构 构
扫屑刷机构 附加滑块摇杆机 固定移动凸轮移动从动 构 件机构 模筒转盘间 槽轮机构 不完全齿 凸轮式间歇 歇运动机 轮机构 运动机构 构
N＝3 X 2 X 3＝18
机械运动方案简图
§1-2 机械发展史简介
机器:
机器人，电梯，起重机，引擎…
普通车床——加工机械，机器
数控车床——加工机械，机器
主轴
安装 铣刀
工作台
数控铣床——加工机械，机器
四 缸 十 六 气 门 内 燃 机
轿车内部机械结构
凸轮轴磨削机床
凸轮轴
主旋翼
尾 旋 翼
美国西科斯基公司生产的 “黑鹰”直升机
运载火箭是庞大的机器。
索杰纳火星车
1898年问世的“雷诺”牌汽车
In 1927 An American called Lindberg flied Across the Atlantic Ocean with this air plane The inner combustion engine pushed the invention of Automobile and airplane forward
有导杆气缸 无导杆气缸
气 缸
传动机构
将运动和动力传递或变换给执行机构 在传动机构中一般首先与电机联接的是减速机构，最常 用的是各种类型的减速器、变速器等。
锥齿轮减速器 圆柱齿轮减速器
执行机构
用于实现机器的功能，如机床的刀架、机器人的手爪等。
该机器人的手爪协调运动夹持球体实现任 意运动，这是一种智能型机器人。
18世纪初以蒸汽机的出现为代表产生了第一次产业 革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、 火车、汽轮船。
This is called Jean spinning machine It is a symbol of Industry revolution
哈格里沃斯发明的 “珍妮纺纱机”
The first steam engine invented by a French Military officer
信息机器的功用是完成信息的传递和变换，例如， 复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等。
举例：
机构:
卷笔刀，钟表，折叠椅，自行车…
钳物机构(avi)
钳物机构(avi)
开窗机构(avi)
运动鞋刹车机构(avi)
连杆机构(avi)
凸轮机构(avi)
齿轮机构(avi)
什么是机构呢？
机构可以定义为：是一个具有确定运动的构件系统。
电动机
机 器
化石燃料
水 能 风 能
外燃机
水轮机 风力机
机 器 机 器
机 器
液压马达 电动机 泵 液 压 缸 气压马达 电动机 空气压缩机 气 缸 机 器 机 器
常用原动机形式 原动机主要有电动、液动、气动三种形式 从运动形式来划分有回转、往复直线和步进等多
种运动形式。
这是最常用的交流异步电动机
这是步进电机，它可以按输入的电脉 冲数回转相应的角度。
参考书
1. Design of Machinery An Introduction to the Synthesis and Analysis of Mechanism and Machine, Robert L.Norton 2. Mechanisms and Dynamics of Machinery, Hamilton H. Mabie, Charles F. Reinholtz 3. Theory of Machines and Mechanisms, J.E.Shigley, 4. 黄纯颖， 机械创新设计，高等教育出版社， 1999.12
冲头、脱模盘、扫屑刷、模筒转盘位置示意图
工作原理和工艺动作分解
（1）加料：这一动作可利用粉煤重力自动加料；
（2）冲压成型：要求冲头上下往复运动； （3）脱模：要求脱模盘上下往复运动，可以将它与冲头 一起固结在上下往复运动的滑梁上； （4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中完成； （5）模筒转盘间歇转动：以完成冲压、脱模、加料的转 换； （6）输送：将成型脱模后的蜂窝煤落在输送带上送出成 品。
这是伺服电动机，它可以精确的控制电动机的输出位移和转速。
液压原动机:
液压原动机的形式是：液压马达和液压油缸。
液压马达输出回转运动，液压油缸输出往复直线运动。
BM型摆线液压马达
液压油缸
气动原动机: 气动原动机的形式是：气动马达和气缸。
气动马达输出回转运动，气缸输出往复直线运动。
叶片马达
柱塞马达
The miniature gear
用光刻技术做成的微米尺寸的微机械
A spider Robot
蜘蛛形探雷机器人
§1-3 机械原理课程的学习目的和作用
一、认识机械，了解机械
二、掌握方法，分析机械 三、开阔思路，设计和创新机械 四、更新观念，发展机械学科
学习方法
1. 多做练习。 2. 参观实验室。 3. 注意观察身边的机械。 4. 更多讨论。
“圣路易斯精神”号飞机 1927年美国人林德伯格驾驶着它完成了人 类首次不着陆飞越大西洋的壮举。
20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机 器人，航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新 机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空 母舰、深海探测器等
The space station
国际太空站
单缸四冲 程内燃机
凸轮机构 连杆机构
一部机器可能包含多种类型的机构， 也可能只包含一种机构。
齿轮机构
机构相同
机器不同
结论： 机械是机器与机构的总称。 机械
机器 机构
机械的组成：
原动机
传动机构
机 械
执行机构
控制系统
原动机用于提供动力
内燃机 化石燃料 水 能 风 能 太阳能 化石燃料 外燃机 水轮机 风力机 太阳能电池 内燃机 机 器 发电机
本章结束
法国陆军技术军官古诺发明了世 界上第一辆蒸汽动力车
19世纪到20世纪初的第二次产业革命，随着内燃 机的出现，促进了汽车、飞机等运输工具的出现和发 展。
The invention of inner-combustion Engine induced the second industry revolution
课程组织
1. 授课 2. 家庭作业 3. 实验 4. 讨论和习题课
评分
– – – –
作业 - 20% 实验- 5% 出勤– 5% 期末考试 - 70%
教材
1. 机械设计 彭文生,李志明,高等教育出版社 2.机械原理 孙恒,陈作模,高等教育出版社 3.机械设计习题集 候玉英,孙立鹏,高等教育出版社
机械原理
(Mechanisms and Machine Theory)
§1-1 课程内容
1、研究对象 机械原理(Mechanisms and Machine Theory)