第1章緒論機械原理

1.1內(nèi)容提要及根本概念1.2本章重點、難點第一章緒論1.1內(nèi)容提要及根本概念機械原理又稱機器實際與機構(gòu)學(xué)。是機械工程各專業(yè)的一門重要的技術(shù)根底課程。本課程的實際知識對于機械的設(shè)計、制造、運轉(zhuǎn)、維修等方面具有非常重要的作用。1.1.1內(nèi)容提要機械原理的研討對象機械設(shè)計概述機械原理課程的位置和作用機械原理學(xué)科開展動向1.機械原理的研討對象1〕研討對象是機械.機械。機械是機構(gòu)與機器的總稱。機構(gòu)的定義:把一個或幾個構(gòu)件的運動變換成其他構(gòu)件所需的具有確定運動的構(gòu)件系統(tǒng)。常用的機構(gòu)包括連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、齒輪系、間歇運動機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、萬向聯(lián)軸器等。機構(gòu)種類有限。本章內(nèi)容包括連桿機構(gòu)齒輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)機器的定義：由人為物體組成的具有確定機械運動的安裝，完成一定的任務(wù)過程，以替代人類的勞動。實例：縫紉機、洗衣機、各類機床、運輸車輛、農(nóng)用機器、起重機等。機器與機構(gòu)之間的關(guān)系——機器是由機構(gòu)組成的。例如圖示單缸內(nèi)燃機中就包含了三種常用機構(gòu)：連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)。機構(gòu)的作用：一是用來將一種運動方式〔如旋轉(zhuǎn)〕變換成另外一種運動方式，二是用來傳送動力。機器的作用：替代或減輕人類勞動，或?qū)⒁环N能量方式轉(zhuǎn)換成另一種方式。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，機器的內(nèi)涵在不斷變化。但是，機器完成運動變換和動力傳送或轉(zhuǎn)換的本質(zhì)屬性不會改動。現(xiàn)代科技在機器中的運用，只是使機器具有信息化、智能化和柔性化。3〕機器的組成動力機器——完成能量的轉(zhuǎn)換任務(wù)機器——完成有用的機械功或搬運物品信息機器——完成信息的傳送和變換機器的類別2〕機器的類別和功用其中實現(xiàn)機械運動的執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)是機器的中心，機器中各個機構(gòu)經(jīng)過有序的運動和動力傳送來最終實現(xiàn)功能變換，完成任務(wù)過程。機器中的運動單元體稱為構(gòu)件。因此，機構(gòu)是把一個或幾個構(gòu)件的運動，變換成其他構(gòu)件所需的具有確定運動的構(gòu)件系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)信息丈量和處置系統(tǒng)——由計算機來完成動力部分傳動部分及執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)——完成任務(wù)過程機器的組成潘存云教授研制控制器(控制部分)電動機(原動部分)減速器(傳動部分)波輪(任務(wù)部分)分析自動洗衣機的組成：潘存云教授研制帶(傳動部分)2.機械設(shè)計概述不了解機械設(shè)計的進(jìn)程和內(nèi)容，就不能深化了解機械原理課程的作用及其重要性。1〕機械設(shè)計的普通進(jìn)程普通而言，機械產(chǎn)品的研制過程包括設(shè)計、制造、實驗，定型等環(huán)節(jié)。其中機械設(shè)計階段又包括以下四個進(jìn)程：產(chǎn)品規(guī)劃——根據(jù)市場需求確定產(chǎn)品設(shè)計要求。方案設(shè)計——產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。主要完成機械運動方案的設(shè)計，本課程將為方案設(shè)計提供設(shè)計實際與方法。詳細(xì)設(shè)計——將機械運動方案設(shè)計結(jié)果——運動簡圖詳細(xì)化為機器及零部件的合理構(gòu)造。它對產(chǎn)品的技術(shù)性能和經(jīng)濟目的有直接影響。該步驟涉及機械設(shè)計、資料力學(xué)等課程的內(nèi)容。詳細(xì)設(shè)計方案設(shè)計產(chǎn)品規(guī)劃改良設(shè)計產(chǎn)品定型運轉(zhuǎn)實驗加工制造改良設(shè)計——對實驗或運用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)展改良，使產(chǎn)品性能日益完善。2〕機械運動方案設(shè)計的主要內(nèi)容①機械運動簡圖的類型綜合。通常稱為機構(gòu)選型，即根據(jù)機械所要完成的一系列執(zhí)行動作選擇適宜的執(zhí)行機構(gòu)類型，組合成完好的機械系統(tǒng)。②機械運動簡圖的尺度綜合。確定機構(gòu)各部分的尺寸參數(shù)，以使機械能完成預(yù)定的執(zhí)行動作，必要時，還可以改動機構(gòu)的類型。3〕機電一體化技術(shù)在機械運動方案設(shè)計中的運用隨著機電一體化技術(shù)的不斷開展和廣泛采用，一方面，使機械的性能得到極大提高，另一方面，又大大簡化了機械傳動系統(tǒng)。因此，現(xiàn)代機械設(shè)計應(yīng)該盡能夠采用機電一體化技術(shù)。3.機械原理課程的位置和作用1〕課程的位置和作用機械原理是研討機構(gòu)和機械運動簡圖設(shè)計的一門重要技術(shù)根底課程，其義務(wù)主要是使學(xué)生掌握機構(gòu)學(xué)和機械動力學(xué)的根本實際、根本知識和根本技藝。培育學(xué)生初步擬定機械系統(tǒng)運動方案、分析和設(shè)計根本機構(gòu)的才干。2〕課程的主要內(nèi)容機械原理課程主要包括以下內(nèi)容：①機構(gòu)的組成原理和類型綜合。②典型機構(gòu)的設(shè)計。③機械系統(tǒng)的設(shè)計。④機械動力學(xué)。3〕本課程的學(xué)習(xí)方法①掌握各種典型機構(gòu)的構(gòu)造、分析和設(shè)計方法。②掌握機械運動簡圖的畫法，并習(xí)慣用簡圖來認(rèn)識機構(gòu)和機器。③深化了解課程中的根本概念。④掌握本課程的根本研討方法，如桿組法、轉(zhuǎn)換機架法、機構(gòu)演化法、等效法等。⑤擅長將前后內(nèi)容聯(lián)絡(luò)，融會貫穿。⑥復(fù)習(xí)有關(guān)例題，歸納總結(jié)解題思緒。運用領(lǐng)域擴展——上天(太空探險)、入地(程度鉆探)、下海(深?？碧健⒋驌谱鳂I(yè))、甚至鉆入人體內(nèi)(血管清理)與其他學(xué)科的交叉浸透作用加強——與電子工程、計算機科學(xué)、控制工程、資料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等相互浸透，誕生了假設(shè)干新學(xué)科。如機械電子學(xué)、仿活力械學(xué)、機器人機械學(xué)、機械CAD新機構(gòu)不斷涌現(xiàn)——如自控機構(gòu)、機器人機構(gòu)、仿活力構(gòu)、柔性及彈性機構(gòu)、機電氣液綜合機構(gòu)等注重機械的動力性能——在機械分析與綜合時，由只思索運動性能過渡到同時思索其動力性能機械原理學(xué)科的開展4.機械原理學(xué)科的開展多種星際探測器神舟六號載人飛船和平號空間站國際空間站空中客車A380的最大載客量為840人，最大航程16,000km，是目前全球載客量最大的飛機。波音777-200LR客機的載客量為301人，最大飛行間隔為17,500km，是目前世界上航程最遠(yuǎn)的客機。深井鉆探設(shè)備沙漠石油鉆探作業(yè)定向鉆井是一種新技術(shù)，可不用挪動井架就能實現(xiàn)遠(yuǎn)間隔程度鉆探。海洋石油鉆探平臺海底探求救助打撈人體器官內(nèi)的微型機器人醫(yī)療機器人正輔助心臟病手術(shù)形形色色的水下機器人6000米水下機器人5.機械原理學(xué)科的開展動向1〕機構(gòu)的構(gòu)造實際由于機器人、步行機、人工假肢和新型機器的開展需求，以及機器的動力源日益廣泛采用液壓與氣動，因此近年來對多自在度、多閉環(huán)的多桿平面連桿機構(gòu)以及開式運動鏈的構(gòu)造實際有了較多的研討。同時，由于空間連桿機構(gòu)運用日益廣泛，對于空間連桿機構(gòu)的公共約束和過約束等問題也作了很多研討。在機構(gòu)的構(gòu)造實際研討中，近年來采用了圖論、網(wǎng)絡(luò)分析、線性幾何學(xué)、螺旋坐標(biāo)等各種工程數(shù)學(xué)方法。利用計算機系統(tǒng)地研討機構(gòu)的機構(gòu)類型及運動自在度問題也日益普遍。為了發(fā)明和設(shè)計出更好的機構(gòu)，開展機構(gòu)創(chuàng)新方法的研討已得到大家的注重。為了深化研討機械運動簡圖設(shè)計實際和方法，機構(gòu)分類方法、構(gòu)造類型知識庫建立和機構(gòu)選型的研討也日益遭到注重。為了廣泛運用機電一體化技術(shù)，開展包括液壓、氣動、電磁、電子、光電等非機械傳動元件的廣義機構(gòu)設(shè)計方法的研討已日益迫切。2〕平面與空間連桿機構(gòu)為了利用計算機對平面連桿機構(gòu)進(jìn)展各種復(fù)雜的分析和綜合運算，已開發(fā)出成熟的商業(yè)軟件。計算機的廣泛運用也推進(jìn)了平面連桿機構(gòu)的最優(yōu)化綜合。用多自在度、多閉環(huán)、多桿的平面連桿機構(gòu)的連桿曲線來再現(xiàn)各種任務(wù)機械中工藝要求的軌跡已引起留意并加以研討。另外，近年來開展了具有可變長構(gòu)造、可變運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)的機構(gòu)的研討。3〕凸輪機構(gòu)為了改善凸輪機構(gòu)的動力性能，凸輪曲線由等加-等減速運動規(guī)律、正弦加速度運動規(guī)律、余弦加速度運動規(guī)律改用改良正弦加速度運動規(guī)律、改良梯形加速度運動規(guī)律和代數(shù)多項式運動規(guī)律。尋覓高速運轉(zhuǎn)時具有良好動力性能的凸輪曲線是一個重要的研討內(nèi)容。按動力學(xué)要求設(shè)計凸輪廓線除了采用動力多項式凸輪曲線外，如今較多采用某些符合動力特性要求的凸輪曲線。這種曲線使凸輪從動件系統(tǒng)殘留振動的振幅在全部任務(wù)速度范圍內(nèi)不超越某一極限值。在凸輪-從動件系統(tǒng)動力學(xué)問題的研討中，凸輪-從動件系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立，動力學(xué)模型的運動微分方程式及其求解方法，系統(tǒng)動力呼應(yīng)的分析，凸輪機構(gòu)設(shè)計參數(shù)的選擇及其最優(yōu)化，凸輪廓線的動力綜合等問題研討都獲得了重要的研討成果。為了建立更符合實踐情況的動力學(xué)模型和更準(zhǔn)確的分析和設(shè)計方法，思索質(zhì)量分布、彈性變形、間隙、阻尼、外界干擾的頻率、不平衡力、外表光滑等多方面的動力學(xué)問題正得到注重和加以研討。4〕間歇運動機構(gòu)槽輪機構(gòu)是一種常用的間歇運動機構(gòu)。為了提高機器運轉(zhuǎn)速度，改善動力性能，近年來提出了改直線槽為曲線槽，運用串聯(lián)槽輪機構(gòu)，導(dǎo)桿機構(gòu)與槽輪機構(gòu)組合運用，采用鏈條式槽輪機構(gòu)，以及運用行星鏈輪式槽輪機構(gòu)，等等。對于凸輪間歇分度機構(gòu)，由于分度凸輪的加速度變化規(guī)律可以自在選擇，使沖擊與振動景象大大減輕，任務(wù)平穩(wěn)性和送料精度有較大提高。目前在高速卷煙機組中運用的凸輪間歇機構(gòu)分度頻率已達(dá)每分鐘8,000次〔如以下圖〕。對于凸輪間歇分度機構(gòu)的運動規(guī)律、凸輪空間曲面設(shè)計以及制造技術(shù)均有不少研討。開展這類機構(gòu)的ACD/CAM研討也遭到注重。5〕組合機構(gòu)組合機構(gòu)由于其構(gòu)造相對簡化又能實現(xiàn)單一根本機構(gòu)無法實現(xiàn)的運動規(guī)律和運動軌跡，如近似或準(zhǔn)確地實現(xiàn)某些預(yù)期的軌跡，或輸入-輸出運動規(guī)律，?？捎米鲗崿F(xiàn)直線、圓弧或平行導(dǎo)向，能實現(xiàn)有停歇期或步進(jìn)運動等特殊任務(wù)要求，因此近年來在農(nóng)業(yè)機械、紡織機械、印刷機械、包裝機械、冶金機械中運用日益廣泛。常用的有齒輪-連桿機構(gòu)、凸輪-連桿機構(gòu)和齒輪-齒輪機構(gòu)。組合機構(gòu)的組成原理、根本類型、功能等方面均還需求作深化、系統(tǒng)的研討，其運用領(lǐng)域還需求進(jìn)一步擴展。此外，機械與液壓、氣動、電磁等傳動相組合的廣義機構(gòu)的設(shè)計方法還需作深化研討。微處置器控制的智能組合機構(gòu)還需求作進(jìn)一步開發(fā)。6〕機械動力學(xué)隨著機械安裝向高速、精細(xì)和重載方向開展，對于機械的精度和可靠性要求也日益提高，按動力性能要求進(jìn)展機構(gòu)的分析與綜合愈來愈遭到注重。對于剛性構(gòu)件組成的機構(gòu)的動力學(xué)有了進(jìn)一步深化研討。機構(gòu)的平衡問題日益遭到注重，對平面機構(gòu)慣性力完全平衡的研討比較充分，采用方法也較多，如主矢量法、線性無關(guān)矢量法、附加機構(gòu)法等。平面機構(gòu)慣性力矩平衡問題也有不少研討成果。另外，對于平面連桿機構(gòu)和空間連桿機構(gòu)慣性力和慣性力矩的綜合優(yōu)化平衡的研討也日益遭到注重。機構(gòu)高速運轉(zhuǎn)時的振動動力學(xué)問題、蛻變量構(gòu)件的機構(gòu)動力分析、高速運動時的彈性變形的運動彈性動力綜合等研討，在機械設(shè)計中也日益遭到注重。高速自動切條機高速粉碎機磁懸浮列車的動力學(xué)特性是懸浮控制與走行控制的關(guān)鍵要素磁懸浮列車的運轉(zhuǎn)速度高達(dá)550km/h7〕機構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計機構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計是機構(gòu)綜合中普遍適用的方法和主要開展方向。機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計大致包括：根據(jù)設(shè)計要求確定設(shè)計準(zhǔn)那么和設(shè)計變量；給出數(shù)學(xué)模型，確定設(shè)計約束，建立目的函數(shù)；探求最優(yōu)化途徑，優(yōu)選設(shè)計變量；最優(yōu)化方案確定。機構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計運用非常廣泛。對于平面連桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)的運動綜合和動力綜合，組合機構(gòu)中再現(xiàn)函數(shù)與軌跡的設(shè)計以及如何使齒輪減速器體積最小等，均采用了最優(yōu)化設(shè)計方法，并得到了顯著效果。另外，對于機構(gòu)的優(yōu)化平衡、機構(gòu)運動彈性動力綜合以及空間連桿機構(gòu)的最優(yōu)化問題也有不少研討。8〕仿活力構(gòu)學(xué)仿活力構(gòu)學(xué)的研討不斷遭到很大注重。不少國家積極開展對人的手指、手腕和手臂的構(gòu)造、動作原理和運動范圍的分析研討，已研制出各種多自在度的生物電控或聲控的機械假手，造福于人類。同時，各種仿生步行機構(gòu)也不斷被研討出來。另外，經(jīng)過研制蛇形機構(gòu)來探測管道缺點；經(jīng)過魚游機構(gòu)研制來處理深水探測問題。隨著人們對各種仿活力構(gòu)的深化研討，將會有利于發(fā)明出各種新穎的、具有特殊功能的新機構(gòu)來。中國首臺擬人形機器人翩翩起舞的機器人仿真美女機器人各式各樣的仿活力械9〕微型機械隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開展，20世紀(jì)80年代中后期興起了對微型機械〔或稱為微型機電系統(tǒng)〕的研制，以順應(yīng)生物、環(huán)境控制、醫(yī)學(xué)、航空航天、數(shù)字通訊、傳感技術(shù)、乖巧武器等領(lǐng)域在微小型化方面提出的日益增長的要求。微型機械在尺度、構(gòu)造、資料、制造方法和任務(wù)原理等方面都與傳統(tǒng)機械截然不同。微型機械具有體積小、分量輕、能耗低、集成度高和智能化高等特點，它與多門學(xué)科嚴(yán)密結(jié)合。微型機械的出現(xiàn)還推進(jìn)了處于機械原理學(xué)科前沿的微型光-機-電學(xué)分支的產(chǎn)生，開場了對微型機構(gòu)的尺寸效應(yīng)、準(zhǔn)確度、運動變換和動力傳送以及運動過程中動態(tài)特性等的研討。10〕機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計面對21世紀(jì)產(chǎn)品競爭日益加劇的挑戰(zhàn)，人們越來越注重機械產(chǎn)品方案設(shè)計的智能化。機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)新機器的任務(wù)過程要求，運用機構(gòu)學(xué)知識和系統(tǒng)設(shè)計原理及方法來進(jìn)展的。機構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計是機械