西工大机械原理电子教案(第七版)

第一章绪论教学内容*本课程研究的对象和内容*本课程的性质、任务及作用*机械原理学科的发展现状学习要求*明确本课程研究的对象和内容，及其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。

*对机械原理学科的发展现状有所了解。

重点难点本章的学习重点是：本课程研究的对象及内容。

本章介绍了机器、机构、机械等名词，并通过实例说明各种机器的主要组成部分是各种机构，从而明确了机构是本课程研究的主要对象。

当然，由于此时尚未具体学习这些内容，故只能是一个概括的了解。

学习安排学习方法如何学好本课程。

要学好本课程,首先必须对机械在一个国家中的重要作用有明确的认识，机械现在是、将来仍是人类利用和改造自然界的直接执行工具，没有机械的支持, 一切现代工程(宇航工程、深海工程、生物工程、通信工程、跨江大桥、过海隧道、摩天大楼、……)都将无法实现。

了解机械原理学科发展现状和趋势，既有助于对机械原理课程的深入学习，也有助于让我们深信机械工业将永不停歇地日新月异地迅猛发展。

第二章机构的结构分析学习内容*机构的组成(构件、运动副、运动链及机构)*机构运动简图及其绘制*机构具有确定运动的条件*机构自由度的计算*计算平面机构的自由度时应注意的事项*虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计*平面机构的组成原理、结构分类及结构分析*平面机构中的高副低副学习要求*搞清构件、运动副、约束、自由度、运动链及机构等重要概念。

*能绘制比较简单的机械机构运动简图。

*能正确计算平面机构的自由度并能判断其是否具有确定的运动；对空间机构自由度的计算有所了解。

*对虚约束对机构工作性能的影响及机构结构合理设计问题的重要性有所认识。

*对平面机构的组成原理有所了解。

重点难点本章的学习重点是：构件、运动副、运动链及机构等概念，机构运动简图的绘制，机构具有确定运动的条件及机构自由度的计算。

至于平面机构中的高副低代则属于拓宽知识面性质的内容。

学习难点是：机构中虚约束的判定问题。

学习安排学习方法本章需要搞清的概念。

首先，要把构件、运动副、运动链、机构、机构运动简图、机构的自由度、机构具有确定运动的条件、复合铰链、局部自由度、虚约束、机构组成原理和杆组等基本概念搞清楚。

应做到能准确地解释，并对机构作出正确的分析和判断。

其次，要注意构件与零件、运动副与运动副元素、自由度与约束、高副与低副、开链与闭链、运动链与杆组以及机构等概念之间的联系和区别。

如何正确绘制出机构运动简图？由于机构的运动分析和动力分析都是就机构运动简图来进行的，而且机械设计之初也首先是设计机械的机构运动简图，所以对机构运动简图的绘制必须十分重视，能正确阅读和绘制机构运动简图是工程技术人员必须具备的基本技能。

当然，由于实际机械的结构状况及构件形状一般都比较复杂，所以如何用机构运动简图把它表示出来，对于初学者可能有一定的难度。

但只要沿着运动传递路线细心观察，把运动在构件间的传递情况，构件数的多少，各构件间组成了什么样的运动副，以及运动副所在的位置搞清后，就不难将其机构运动简图正确地绘制出来。

通过多作练习，就一定能逐步具备绘制机构运动简图的能力。

何谓正确判断机构中的虚约束？要正确判定机构中的虚约束，首先要把什么是虚约束这一概念搞清楚。

所谓虚约束是指对机构的运动起重复约束作用的约束，即机构中的一些运动副所带入的约束与另一些运动副所带入的约束相重复。

在计算机构的自由度时应将虚约束除去。

但要注意，机构中的虚约束都是在一些特定的条件下出现的，如果这些条件不能满足，则原认为是虚约束的约束就将成为实际有效的约束，而影响到机构运动的可能性或灵活性。

而为了满足这些特定的条件，就要求有较高的加工精度和装配精度，而这就意味着有较高的制造成本。

一般说，机构的虚约束数越多，机构在运动中被卡住的可能性也就越大，要求有较高精度的尺度参数也就越多，制造成本也就越高，故虚约束数的多少也是机构性能的一个重要指标。

在机械设计中为什么要设置虚约束？通常在机械中设置虚约束的主要目的有：(1) 改善机构的受力情况(参看教材图2-23)；(2) 增加机构的刚度(参看教材题2-13c图)；(3) 使机构能顺利通过转折点(参看教材图8-7)。

在仪表机构中，机构运动的灵活性是十分重要的，故要尽可能避免在机构中出现虚约束(参看教材图2-28)；(题2-19图)，另外在一些刚性较差的地方，如布置在飞机机翼上的一些机构，在受力时易发生较大的变形，约束成为虚约束必须满足的几何条件易遭到破坏，故这种情况下也应力求避免虚约束。

但要注意，正如教材中所指出的那样，当把平面机构(3族机构)按平面机构来计算其自由度的时候，往往从表面看似乎没有虚约束，实际上绝大多数情况下都存在族别虚约束，即实际上存在虚约束。

只有把机构按空间一般机构来看不存在虚约束时才真正没有虚约束。

为了减少虚约束数，在工程实际中常用球面副、球销副代替转动副，用圆柱副代替移动副或转动副，用鼓形齿代替直齿等。

如何判断是否为复合铰链？关于复合铰链的确定一般不难掌握，但在判断是否为复合铰链时要细心。

如下两种情况易发生误解:其一，复合铰链是两个以上的构件在同一处以转动副相联接的情形。

不应把若干个构件汇交在一起就认为是复合铰链。

例:(构件在同一处汇交相联接的情形)。

其二，有齿轮、机架参与的联接是否为复合铰链，常易发生混淆。

例:(含有齿轮的机构的情形)。

如何判断齿轮副的约束？关于齿轮副的约束，存在如下两种情况：其一，一般情况下两齿轮的中心距受到约束，轮齿两侧齿廓只有一侧接触,另一侧存在间隙，故只提供一个约束。

如图a所示。

其二，当两齿轮的中心可以彼此靠近，直至轮齿两侧齿廓均接触为止时，如图b所示。

这时因轮齿两侧接触点处的法线方向并不彼此重合，故其提供两个约束。

在解教材题2-13时，就应分清齿轮副约束的上述两种情况。

如何将机构分解为基本杆组？根据平面机构的组成原理知，任何平面机构都可以由机架、原动件和若干个基本杆组组成。

因此在对机构进行运动分析或动力分析时，可就原动件和基本杆组来进行，对于相同的基本杆组可采用相同的方法(可编成子程序调用)，由于基本杆组的类型不多，这就给运动分析和动力分析提供了很大的方便。

在将机构分解为基本杆组时要注意：首先应将机构中的虚约束和局部自由度除去。

如:(精压机机构)。

再进行拆杆组分析。

在拆分基本杆组时，应从远离原动件的地方开始拆分，先试按Ⅱ级组拆分，若不行再依次按Ⅲ级组、Ⅳ级组……拆分。

例:(斯蒂芬森Ⅱ型机构的结构分析)。

基本杆组的级别是以该杆组中所构成的封闭形（由一个或若干个构件所构成的）中所包含的最多运动副数来确定的。

一般说，杆组的级别越高，其运动分析和动力分析的难度也就越大。

第三章平面机构的运动分析学习内容*机构运动分析任务、目的和方法*用速度瞬心法作机构的速度分析*用矢量方程图解法作机构的运动分析*用综合法作复杂机构的速度分析*用解析法作机构的运动分析学习要求*正确理解速度瞬心(包括绝对瞬心及相对瞬心)的概念，并能运用“三心定理”确定一般平面机构各瞬心的位置。

*能用瞬心法对简单高、低副机构进行速度分析。

*能用矢量方程图解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析。

重点难点本章的学习重点是：对Ⅱ级机构进行运动分析。

学习难点是：对机构的加速度分析，特别是两构件重合点之间含有哥氏加速度时的加速度分析。

学习安排学习方法为什么要进行机构的运动分析?首先，要认识到对机构进行运动分析的重要意义。

无论在设计新机械时，或是在利用现有机械时，或在作反求设计时，对机构进行运动分析都是十分重要的。

在利用现有机械时，许多机械只有经过详细的运动分析，我们才能很好掌握它的性能，充分发挥机械的功能。

如:(摇动筛机构教材图3-9a)，只有知道了在一个周期中摇筛(构件4)的速度、加速度变化情况，才能知道它是否能达到很好的筛分效果。

在反求设计中，常常只有经过运动分析后才能吃透原设计的意图，也才可能进行创造性的改进和发展。

其次，对机构进行分析一般说是比较容易的，有固定程次可以遵循，而机构的综合，因无固定程次，一般说是比较难的。

但因计算技术和计算机的发展，我们可以把机构的综合与机构的分析融合起来，即先选定一个适当的机构，对其进行运动分析，看是否能满足预期的运动要求，若不满足,则对原机构作适当调整，再进行运动分析，如此循环迭代，直至满足预期的设计要求为止，以作到化难为易。

如何才能正确地掌握机构运动分析的方法？一些学生认为机构的运动分析，尤其是加速度分析很难掌握。

其实机构的运动分析(不管是速度分析还是加速度分析)是并不难掌握的，因为机构的运动分析有固定的程次可以遵循，只要按照教材上所讲的方法一步一个脚印的做下去，就会得到正确的结果，条理清晰，一点也不难。

一些学生之所以觉得很难、很乱，难于下手，是因为他们通常犯了如下的错误：1) 在做题之前没有很好复习教材相关的内容。

2) 做题时没有按教材上所讲的程次步骤进行，而是急于求成，跳过了一些步骤。

如一些学生在用作图法作机构的运动分析时，往往不写出有关的矢量方程，或对方程中的每一项的大小和方向未作计算与判断，就急于作速度多边形和加速度多边形，因画图时缺少矢量方程的指引，而导致错误是常见的。

3) 缺乏工程观点，作为工程技术人员，其所作的分析计算，将来都要经过实践的检验，不认真对待分析中的每一个细节，都是导致错误的根源。

如何掌握利用速度瞬心对机构进行速度分析？利用速度瞬心对机构进行速度分析往往比较简便。

掌握这种方法的关键是要正确地找出所需瞬心的位置。

当两构件直接组成运动副时，其间的瞬心位置很容易确定，而非直接接触的两构件之间的瞬心则可借助于三心定理来确定。

为了便于确定机构中各瞬心的位置，可以利用瞬心多边形的帮助。

在瞬心多边形中，各顶点的数字就代表机构中各相应构件的编号，各顶点间的连线，就代表相应两构件间的瞬心，已知瞬心位置的连线用实线表示，尚未求出其位置的瞬心用虚线表示。

由三心定理知，在瞬心多边形中任一三角形的三个边所代表的三个瞬心应位于一直线上。

据此就不难求得未知瞬心所在位置。

例:(平面六杆机构的速度分析)。

还要注意：构件的速度瞬心一般不是构件的加速度瞬心，所以不能根据速度瞬心来对机构进行加速度分析。

掌握机构的速度及加速度图解法应注意的图解程次。

在对机构作速度及加速度图解时，可按如下程次进行。

a) 选择适当的长度比例尺μ1，并按题给的原动件位置，准确作出机构运动简图。

b) 弄清题意，确定解题思路，即确定求解的先后次序。

c) 列出求解所需的运动分析矢量方程。

矢量方程有两类，一类是同一构件上两点之间的速度及加速度关系；另一类是两构件重合点之间的速度及加速度关系。

后者用在有移动副的情况。

d) 对矢量方程中的各项逐项分析其大小和方向。

最好能在矢量方程各项的下面简要注出其大小和方向、已知(用“√”号)或未知(用“?”号)。