機(jī)械基礎(chǔ)（多學(xué)時(shí)）第3版 課件 第一章 概述

第一章概述第一節(jié)中國(guó)機(jī)械發(fā)展簡(jiǎn)史第二節(jié)機(jī)械的構(gòu)成第三節(jié)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)可行

性評(píng)價(jià)第一節(jié)中國(guó)機(jī)械簡(jiǎn)史

機(jī)械工程是所有應(yīng)用工程的基礎(chǔ)，是人類改造世界最基本的手段。

機(jī)械基礎(chǔ)是工業(yè)生產(chǎn)一線技術(shù)人員的必備知識(shí)。

中國(guó)五千年文明史是一部創(chuàng)造史，它鑄就了燦爛的精神文化和卓越的工程文明，成為

推動(dòng)世界物質(zhì)文明和精神文明的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。機(jī)械工程技術(shù)是一切工程技術(shù)的基礎(chǔ)。中國(guó)的機(jī)械工程技術(shù)歷史悠久，成就輝煌。

例1商代發(fā)明的桔槔用來(lái)汲水灌溉(圖1-1),可掃二維碼觀看原理。其桔槔的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于杠桿。例2漢朝張衡發(fā)明的天文儀候風(fēng)地動(dòng)儀（圖1-2）

古代的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新

現(xiàn)代中國(guó)機(jī)械科技創(chuàng)新大國(guó)重器國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)大國(guó)重器空間站大國(guó)重器亞洲最大重型自航絞吸船“天鯤號(hào)”機(jī)器——根據(jù)某種具體使用要求而設(shè)計(jì)的多件實(shí)物的組合體。機(jī)構(gòu)——能夠用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和力或改變運(yùn)動(dòng)形式的多件實(shí)物的組合體。如：連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、

齒輪機(jī)構(gòu)等。如:縫紉機(jī)、洗衣機(jī)、各類機(jī)床、運(yùn)輸車輛、農(nóng)用機(jī)器、起重機(jī)等。

機(jī)器的種類繁多，結(jié)構(gòu)、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。第二節(jié)機(jī)械的構(gòu)成典型機(jī)器的分析：1.內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)組成：65438712910汽缸體1、活塞2、進(jìn)氣閥3、排氣閥4、連桿5、曲軸6、凸輪7、頂桿8、齒輪9、10工作原理：1）活塞下行，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，混合氣體進(jìn)入汽缸；2）活塞上行，氣閥關(guān)閉，混合氣體被壓縮，在頂部點(diǎn)火燃燒；3）高壓燃燒氣體推動(dòng)活塞下行，兩氣閥關(guān)閉；4）活塞上行，排氣閥開(kāi)啟，廢氣體被排出汽缸。循環(huán)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，使曲軸輸出連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)：潘存云進(jìn)氣壓縮爆炸排氣內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程：活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，該組合體稱為：內(nèi)燃機(jī)各部分的作用：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)凸輪和頂桿用來(lái)啟閉進(jìn)氣閥和排氣閥；稱為：凸輪機(jī)構(gòu)兩個(gè)齒輪用來(lái)保證進(jìn)、排氣閥與活塞之間形成協(xié)調(diào)動(dòng)作，稱為：齒輪機(jī)構(gòu)各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作的結(jié)果：化學(xué)能機(jī)械能機(jī)器的共有特征：①人造的實(shí)物組合體；②各部分有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；③代替或減輕人類勞動(dòng)完成有用功或?qū)崿F(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

機(jī)器的作用

機(jī)器的分類：

原動(dòng)機(jī)——實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換（如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)）種類有限工作機(jī)——完成有用功（如機(jī)床等）

種類繁多工作機(jī)的組成：原動(dòng)部分——是工作機(jī)動(dòng)力的來(lái)源，最常見(jiàn)的是電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。工作部分——完成預(yù)定的動(dòng)作，位于傳動(dòng)路線的終點(diǎn)。

傳動(dòng)部分——聯(lián)接原動(dòng)機(jī)和工作部分的中間部分。

控制部分——保證機(jī)器的啟動(dòng)、停止和正常協(xié)調(diào)動(dòng)作。

其關(guān)系如下機(jī)械機(jī)器機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)工作控制

原動(dòng)機(jī)工作機(jī)控制器(控制)電動(dòng)機(jī)(原動(dòng))帶(傳動(dòng))減速器(傳動(dòng))波輪(工作)分析自動(dòng)洗衣機(jī)的組成：同理，通過(guò)對(duì)典型機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析可知：機(jī)構(gòu)的共有特征：

①人造的實(shí)物組合體；②各部分有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；③用來(lái)傳遞力或?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。機(jī)構(gòu)的分類：通用機(jī)構(gòu)和專用機(jī)構(gòu)。

通用機(jī)構(gòu)——用途廣泛，如齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。專用機(jī)構(gòu)——只能用于特定場(chǎng)合，如鐘表的擒縱機(jī)構(gòu)。機(jī)器與機(jī)構(gòu)的關(guān)系：由兩個(gè)實(shí)例推廣到一般

任意復(fù)雜的機(jī)器都是由若干組機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律組合而成的。實(shí)際機(jī)器的種類有成千上萬(wàn)種，但機(jī)構(gòu)的種類確有限。類似關(guān)系：化合物與化學(xué)元素由機(jī)器與機(jī)構(gòu)的共有特征可知：機(jī)器與機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方面并無(wú)區(qū)別（僅作用不同），故統(tǒng)稱為機(jī)械。人造的組合體、有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件——獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元

內(nèi)燃機(jī)中的連桿內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋零件——獨(dú)立的制造單元第三節(jié)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)可行性評(píng)價(jià)一、運(yùn)動(dòng)副、自由度與約束1.構(gòu)件的自由度空間1構(gòu)件有6個(gè)自由度，平面1構(gòu)件有3個(gè)自由度。

2.約束

構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件接觸，會(huì)形成約束。約束是對(duì)構(gòu)件自由度的限制。構(gòu)件間不同的接觸情況形成不同的約束數(shù)。

1.運(yùn)動(dòng)副的概念a)兩個(gè)構(gòu)件、b)直接接觸、c)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)定義：運(yùn)動(dòng)副——兩個(gè)構(gòu)件直接接觸組成的仍能產(chǎn)生某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。三個(gè)條件，缺一不可運(yùn)動(dòng)副元素——直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。I級(jí)副II級(jí)副III級(jí)副I級(jí)副、II級(jí)副、III級(jí)副、IV級(jí)副、V級(jí)副。3.運(yùn)動(dòng)副的分類：（1)按引入的約束數(shù)分有：(2)按相對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍分有：平面運(yùn)動(dòng)副——平面運(yùn)動(dòng)平面機(jī)構(gòu)——全部由平面運(yùn)動(dòng)副組成的機(jī)構(gòu)。IV級(jí)副例如：球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關(guān)節(jié)?？臻g運(yùn)動(dòng)副——空間運(yùn)動(dòng)V級(jí)副1V級(jí)副2V級(jí)副3兩者關(guān)聯(lián)空間機(jī)構(gòu)——至少含有一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)副的機(jī)構(gòu)。(3)按運(yùn)動(dòng)副元素分有：①高副——點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力高。②低副——面接觸，應(yīng)力低例如：滾動(dòng)副、凸輪副、齒輪副等。例如：轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副）、移動(dòng)副。常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)副符號(hào)的表示:國(guó)標(biāo)GB4460－2013給定S3＝S3(t)，一個(gè)獨(dú)立參數(shù)θ1＝θ1（t）唯一確定，該機(jī)構(gòu)僅需要一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。

若僅給定θ1＝θ1（t）,則θ2θ3θ4均不能唯一確定。若同時(shí)給定θ1和θ4

，則θ3θ2

能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)。θ4S3123S’3θ11234θ1二、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算定義：保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度。原動(dòng)件——能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件?！咭粋€(gè)原動(dòng)件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)∴機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件為：自由度＝原動(dòng)件數(shù)一、平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算作平面運(yùn)動(dòng)的剛體在空間的位置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（x，y,θ）才能唯一確定。yxθ(x,y)F=3單個(gè)自由構(gòu)件的自由度為3自由構(gòu)件的自由度數(shù)運(yùn)動(dòng)副自由度數(shù)約束數(shù)回轉(zhuǎn)副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2結(jié)論：構(gòu)件自由度＝3－約束數(shù)移動(dòng)副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3θ經(jīng)運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)后，構(gòu)件自由度會(huì)有變化：

＝自由構(gòu)件的自由度數(shù)－約束數(shù)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

n

計(jì)算公式：

F=3n－(2PL+Ph)要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度低副約束數(shù)

高副約束數(shù)

3×n2×PL1

×Ph①計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：②計(jì)算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=5F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2

高副數(shù)PH=01234θ1③計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1高副數(shù)PH=1123二、計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng)12345678ABCDEF④計(jì)算圖示圓盤(pán)鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=6F=3n－2PL－PH高副數(shù)PH=0=3×7－2×6－0=9計(jì)算結(jié)果肯定不對(duì)！1.復(fù)合鉸鏈——兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)。計(jì)算：m個(gè)構(gòu)件,有m－1轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩個(gè)低副1.復(fù)合鉸鏈——兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)。計(jì)算：m個(gè)構(gòu)件,有m－1轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩個(gè)低副⑥計(jì)算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：n=3，PL=3，F(xiàn)=3n－2PL－PH=3×3－2×3－1=2PH=1對(duì)于右邊的機(jī)構(gòu)，有：

F=3×2－2×2－1=1事實(shí)上，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相同，且F=11231232.局部自由度F=3n－2PL－PH－FP=3×3－2×3－1－1=1本例中局部自由度

FP=1或計(jì)算時(shí)去掉滾子和鉸鏈：

F=3×2－2×2－1=1定義：構(gòu)件局部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的自由度。出現(xiàn)在加裝滾子的場(chǎng)合，計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉Fp。滾子的作用：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦。123123解：n=4，PL=6，F(xiàn)=3n－2PL－PH=3×4－2×6=0PH=03.虛約束

對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際不起作用的約束。計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉虛約束?！逨E＝AB＝CD，故增加構(gòu)件4前后E點(diǎn)的軌跡都是圓弧。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，計(jì)算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。1234ABCDEF重新計(jì)算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：1234ABCDEF4FAB＝CD＝EF虛約束⑦已知：AB＝CD＝EF，計(jì)算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合：

1）兩構(gòu)件聯(lián)接前后，聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合，2）兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副，且導(dǎo)路平行。

如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪，橢圓儀等。4）運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩構(gòu)件上的兩點(diǎn)距離始終不變。如天平機(jī)構(gòu)。3）兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且同軸。5）對(duì)運(yùn)動(dòng)不起作用的對(duì)稱部分。如多個(gè)行星輪。EF6）兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。如等寬凸輪W注意：法線不重合時(shí)，變成實(shí)際約束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A虛約束的作用：①改善構(gòu)件的受力情況，如多個(gè)行星輪。②增加機(jī)構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。③使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順利，避免運(yùn)動(dòng)不確定，如車輪。注意：各種出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合都是有條件的!CDABGFoEE’⑧計(jì)算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。位置C，2個(gè)低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度1個(gè)虛約束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×9－1=2CD