下载文档原格式
第一章绪论介绍机械、机器、机构的基本概念，说明机械原理课程的研究对象、研究内容以及本课程在人才培养中的地位，建立机械原理课程是高等工科学校机械类专业中的重要技术基础课的概念。
第一节机械原理的研究对象一、机械的概念机械是伴随人类社会的不断进步逐渐发展与完善的。
从原始社会早期人类使用的诸如石斧、石刀等最简单的石制工具，到杠杆、辘轳、人力脚踏水车、兽力汲水车等简单木制工具，发展到较复杂的水力驱动和风力驱动的水碾和风车等都是机械。
18世纪英国的工业革命以后，蒸汽机、内燃机、电动机的问世，促进了机械制造业、交通运输业的快速发展，人类开始进入机械文明社会。
20世纪电子计算机的发明、自动控制技术、信息技术、传感技术的有机结合，使机械进入完全现代化阶段。
机器人、数控机床、高速运载工具，重型机械、微型机械等大量先进机械设备加速了人类社会的繁荣和进步，人类可以遨游太空、登陆月球，可以探索辽阔的大海深处，可以在地面以下居住和通行，所有这一切都离不开机械，机械的发展已进入智能化阶段。
机械已经成为现代社会生产和服务的五大要素（人、资金、能量、材料、机械）之一。
中国正在成为全世界的最大机械制造中心。
不同的历史时期，人们对机械的定义也有所不同。
从广义角度讲，凡是能完成一定机械运动的装置都是机械。
如螺丝刀、锤子、钳子、剪子等简单工具是机械，汽车、坦克、飞机、舰船、各类加工机床、机械手、机器人、复印机、打印机等高级复杂装备也是机械。
无论其结构和材料如何，只要是能实现一定的机械运动的装置，就称之为机械。
但是，在现代社会中，人们常把最为简单的、没有动力源的机械称为工具或器械。
如杠杆、钳子、剪子、手推车等最简单的机械常称为工具。
工具是最简单的机械。
本书所讨论的是至少要含有一个以上动力源的复杂机械。
工程中，常把每一个具体的机械称为机器。
就象日常生活中的“桌子”，是一个集合名词，是各种各样具体的桌子的统称。
办公桌、饭桌、课桌、写字台、计算机桌等各种各样的桌子才是具体的桌子。
课程内容简介课程中文名称：机械系统动力学课程英文名称：Dynamics of mechanical system开课单位：机电工程学院任课教师及职称(3名以上)：开课学期：学分：总学时：适用专业：机械制造及其自动化课程内容简介（400字以内）：本课程介绍机械系统中常见的动力学问题、机械动力学问题的类型和解决问题的一般过程，讲述刚性机械系统的动力学分析与设计；机构惯性力平衡的原理与方法；含弹性构件的机械系统的动力学；含柔性转子机械的平衡原理与方法；含间隙副机械的动力学；含变质量机械系统动力学以及机械动力学数值仿真数学基础以及相关软件的仿真实例讲解。
通过本课程的学习，使学生能从系统的角度和动力学的观点了解机械产品动态设计的基础知识，掌握当前机械动力学分析的基本方法，学会运用机械多刚体动力学进行复杂机构的动力学分析与综合运用机械弹性动力学和多柔体系统动力学方法对各类典型机构进行弹性动力分析及综合，具备分析和解决工程实际问题的能力。
教材及主要参考书目：1.杨义勇.机械系统动力学.北京: 清华大学出版社，2009.2.陈立平,张云清,任卫群等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.北京：清华大学出版社，2005.3.徐业宜.高等学校试用教材.北京：机械工业出版社,1991.4.蒋伟.机械动力学分析.北京：中国传媒大学出版社,2005.5.邵忍平. 机械系统动力学.北京：机械工业出版社,20056.唐锡宽,金德闻.机械动力学.北京:高等教育出版社,1983.课程教学大纲课程中文名称：机械系统动力学课程英文名称：Dynamics of mechanical system学分和学时分配：教学目的：本课程着重培养学生对复杂机械系统动力学建模及分析的能力。
通过本课程学习，要求学生掌握当前机械动力学分析的基本方法，学会运用机械多刚体动力学进行复杂机构的动力学分析与综合运用机械弹性动力学和多柔体系统动力学方法对各类典型机构进行弹性动力分析及综合，具备分析和解决工程实际问题的能力。
§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。
机械工程控制基础学习辅导与题解（修订版）第1章绪论内容提要1.1 机械工程控制论的研究对象与任务1.1.1 系统及广义系统系统是由相互联系、相互作用的若干部分构成，且具有一定运动规律的一个有机整体。
系统各元素之间存在着非常紧密的联系，而且，系统与外界也存在一定的联系。
系统及其与外界的关系如图1.1-1所示，其中.输入是指外界对系统的作用，输出是指系统对外界的作用。
系统可大可小可繁可简，甚至可“实”可“虚”，完全由研究的需要而定，因而将它们统称为为广义系统。
图1.l-l 系统及其与外界的联系1.1.2 机械工程控制论的研究对象机械工程控制论实质上足研究机械工程技术中广义系统的动力学问题。
具体地说，它研究机械工程广义系统在一定的外界条件（即输入或激励、干扰）作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程，研究这一系统与其输入、输出三者之间的动态关系。
1.1.3 机械工程控制论的研究任务从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五方面：（1）已知系统和输入，求系统的输出，即系统分析问题；（2）已知系统和系统的理想输出，设计输入，即最优控制问题；（3）已知输入和理想输出，设计系统，即最优设计问题；（4）已知输出，确定系统，以识别输入或输入中的有关信息.此即滤波与预测问题；（5）已知系统的输^和输出，求系统的结构与参数即系统辨识问题。
1.2 系统及其模型1.2.1 系统的特性（1）系统的性能不仅与构成系统的元素有关，而且还与系统的结构有关；（2）系统具有层次性；（3）系统的内容比组成系统各元素的内容要丰富得多；（4）系统是运动的，具有～定的动态特性。
1.2.2 机械系统以实现一定的机械运动、输出一定的机械能，以及承受一定的机械载荷为目的的系统称为机械系统。
对于机械系统，其输入和输出分别称为“激励”和“响应”。
机械原理知识点归纳总结范文第一章绪论基本概念：机器、机构、机械、零件、构件、机架、原动件和从动件。
第二章平面机构的结构分析机构运动简图的绘制、运动链成为机构的条件和机构的组成原理是本章学习的重点。
1.机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制是本章的重点，也是一个难点。
为保证机构运动简图与实际机械有完全相同的结构和运动特性，对绘制好的简图需进一步检查与核对（运动副的性质和数目来检查）。
2.运动链成为机构的条件判断所设计的运动链能否成为机构，是本章的重点。
运动链成为机构的条件是：原动件数目等于运动链的自由度数目。
机构自由度的计算错误会导致对机构运动的可能性和确定性的错误判断，从而影响机械设计工作的正常进行。
机构自由度计算是本章学习的重点。
准确识别复合铰链、局部自由度和虚约束，并做出正确处理。
(1)复合铰链复合铰链是指两个以上的构件在同一处以转动副相联接时组成的运动副。
正确处理方法：k个在同一处形成复合铰链的构件，其转动副的数目应为(k-1)个。
(2)局部自由度局部自由度是机构中某些构件所具有的并不影响其他构件的运动的自由度。
局部自由度常发生在为减小高副磨损而增加的滚子处。
正确处理方法：从机构自由度计算公式中将局部自由度减去，也可以将滚子及与滚子相连的构件固结为一体，预先将滚子除去不计，然后再利用公式计算自由度。
(3)虚约束虚约束是机构中所存在的不产生实际约束效果的重复约束。
正确处理方法：计算自由度时，首先将引入虚约束的构件及其运动副除去不计，然后用自由度公式进行计算。
虚约束都是在一定的几何条件下出现的，这些几何条件有些是暗含的，有些则是明确给定的。
对于暗含的几何条件，需通过直观判断来识别虚约束；对于明确给定的几何条件，则需通过严格的几何证明才能识别。
3.机构的组成原理与结构分析机构的组成过程和机构的结构分析过程正好相反，前者是研究如何将若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，以组成新的机构，它为设计者进行机构创新设计提供了一条途径；后者是研究如何将现有机构依次拆成基本杆组、原动件及机架，以便对机构进行结构分类。
第一章绪论1.机械系统：以实现一定的机械运动、输出一定的机械能和承受一定的机械载荷为目的。
激励（输入）：外界与系统的作用，如作用力（载荷）。
分为控制输入和扰动输入。
响应（输出）：系统由于激励作用而产生的变形或位移。
2.机械工程控制论的研究对象和任务是什么？机械工程控制论实质上是研究机械工程中广义系统的动力学问题。
具体地说，是广义系统在一定的外界条件作用下，从系统的一定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性所决定的整个动态历程，研究系统与其输入、输出三者之间的动态关系。
从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械控制工程论的任务可以分为以下五个方面：（系统分析问题）已知系统和输入，求系统的输出。
（最优控制问题）已知系统和理想输出，设计输入。
（最优设计问题）已知输入和理想输出，设计系统（滤波与预测问题）已知输出，确定系统，以识别输入或输出中的有关信息。
（系统辨识问题）已知输入和输出，求系统的结构与参数。
3.控制系统的基本要求（稳、准、快）稳定性：动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力。
稳定性是系统工作的首要条件。
准确性：在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差。
衡量系统工作性能的重要指标。
快速性：系统输出量与希望值之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。
控制的三要素：控制对象、控制目标、控制手段。
控制论的两个核心：信息和反馈需要解决的两大基本问题：控制系统的分析和控制系统的设计。
4.反馈：将系统的输出以一定的方式返回到系统的输入端并共同作用于系统的过程。
内反馈：系统或过程中存在的各种自然形成的反馈。
内反馈是造成机械系统存在动态特性的根本原因。
外反馈：在自动控制系统中，为达到某种控制目的而人为加入的反馈。
正反馈：能使系统的绝对值增大的反馈。
负反馈：能使系统的绝对值减小的反馈。
5.自动控制的本质：闭环自动控制系统的工作过程就是一个“检测偏差并纠正偏差”的过程。
第一章绪论1.1机械系统动力学的研究内容机械系统动力学是研究机械结构在动态载荷作用下的动力学行为的科学，是20世纪中叶才发展起来的一门学科。
机械动力学与机械振动学是紧密相关的学科，它是进行机械结构动力优化设计的基础。
动态载荷作用于动态系统，就构成一个动态问题。
所谓动态载荷即迅速变化的载荷，它包括交变载荷与突变载荷。
当载荷的频率成分之一接近或超过系统的某一固有频率时，就必须作为一个动态问题，而不是静态问题来处理。
事实上，工程中的许多问题都必须看作动态问题。
与静态问题比较起来，动态问题具有以下特点：1.复杂性造成动态问题的复杂性的主要原因是其载荷作用的“后效性”与其响应对应于过去经历载荷的“记忆性”。
前者是指某时刻作用在系统上的载荷不仅只影响系统在该时刻的响应，而影响系统在此后各时刻的响应；后者则是指系统在任一时刻的响应不只由该时刻的载荷来决定，而是由在该时刻之前系统所经受的载荷的全部历程来决定，好像系统能记住它过去的经历一样。
动载荷对系统的作用是首先改变系统在各个时刻的初态，这些受扰的初态就按系统内在的模式，向前运动和发展，然后才能决定系统在其后各个时刻的总的响应。
由此可见，一个动态系统在受到外加扰动时，其响应并不是亦步亦趋地跟踪载荷的变化，而是力图表现出它的个性；对一个动态系统施加控制，只有顺应该系统的内在模式，才能收到预期的效果。
由于上述特性，使得对一个动态系统的辨识、响应预测或控制，都要比对静态问题复杂得多。
2.危险性动态系统可能十分危险，其危险性主要是由两种因素引起的：其一为共振现象，当扰动频率接近系统的固有频率时，微小的载荷可以引起“轩然大波”，在结构中激起比静态响应大很多倍的动态位移响应与应力响应，产生巨大的破坏力；其二为自激振动，在一定的条件下，一个动态系统(例如金属切削机床、轧钢机或飞机等等)，可以在没有外加交变激励的情况下，突然振动起来，振幅猛烈上升而产生巨大的破坏性。
例如机床上如果发生这种振动，便难于正常地进行切削加工，而飞机如果产生这种振动，往往会产生机毁人亡的后果。
这种振动即自激振动。
它似乎是“无缘无故”地发生的，对其机理的剖析及防治都比较困难。
3.超常性动态问题的现象、规律及其防治方法往往超越人们的生活常识之外，无法以直观的方法来说明和理解，而必须通过严谨的理论分析，才能得以解释和加以预测。
动态问题的许多解答当然是在乎道理之中，却往往又出人意料之外。
这里举一个很简单的例子。
例如，一个工作机械，受到一定频率的扰动，而扰动频率又正好等于机械结构的固有频率，于是产生强烈的共振，无法正常工作。
如果不是基于理论分析，而凭“想当然”，恐怕谁也不敢想象以下的消振方案：在该工作机械上再加装一个子系统，并使此子系统的固有频率正好等于扰动频率。
人们可能“直观”地以为，这样以来，振动将会加倍厉害。
但事实是工作机械的振动竟然完全被消除了，此即所谓“无阻尼调谐消振器”。
振动理论对其工作原理给出了满意的解释。
总之，动态问题在本质上不同于静态问题，不能归结为静态问题。
以静态的观点与方法来看待与处理动态问题这是非常危险的，而动态的观念与动态的知识不是自然而然地可以得到的，而必须经过刻苦的学习和钻研才能掌握。
机械结构或者机械系统是我们研究的一个客观实体，我们称之为系统。
外界对系统的作用可以是力(力矩)或称载荷，也可以是运动，我们通称为激励，前者为力激励，后者为运动激励。
系统受到激励后的行为我们则称之为响应。
一般用机械系统的某一个构件或某点的位移(线、角)、速度、加速度的时间函数来表示，其实机械中的各构件，运动副中受到的力，如应力应变也都属于响应。
现代机械动力学主要研究对象就是激励、系统和响应，而其主要研究内容就是三者的关系，归结为以下三个方面的问题：1.已知载荷和结构参数求结构的响应，称为响应预估问题，它是机械动力学的正问题，也是机械动力学研究的核心问题。
这类问题一般借助于多种动态分析方法(如模态分析法、机械阻抗法、有限元法等)对结构的动态特性进行研究。
即为已知激励和系统求响应。
2.已知载荷和结构响应求结构参数或数学模型，称为参数辨识或系统辨识问题，它是机械动力学的第一类逆问题。
这类问题通常要借助于模态分析的方法来识别结构参数，正确地建立结构的数学模型，并完成从模态参数到物理参数的转换，这样才能弄清结构的薄弱环节，为改进结构提供依据。
即为已知激励和响应求系统。
3.已知结构参数和响应求载荷，称为载荷辨识问题，它是机械动力学的第二类逆问题。
这类问题通常先进行第一类逆问题的计算和测试，求得结构参数，然后方能进行载荷辨识，以弄清外界扰动力的水平和规律。
即为已知系统和响应求激励。
1.2系统与机械系统现代的工程问题不仅要对系统进行动态特性的分析，而且还需要对系统进行综合，即将所要研究和处理的对象当作一个系统，看其中元素和元素之间的关联，并从整体的角度来协调好这种关联，使这个系统在我们所要求的某种性能指标下达到最佳状态，这正是系统论的基本思想。
从系统论的观点看，系统是一些元素的组合，这些组合在一起的元素通过相互作用共同完成给定的任务。
系统的概念不仅适用于物理系统，而且可以推广到任何动态现象，包括自然系统(例如太阳系统，生态系统)和人工系统(例如经济系统，交通运输系统、商业系统)等。
本书所要研究的是由机械元件组成的机械系统，例如平面连杆机构系统，由凸轮元件组成的凸轮机构系统，由齿轮元件组成的齿轮系统等等。
这些元件常与电气系统，液压系统相结合一种新的系统。
如机和电形成的机电一体化系统，机械和液压结合形成的机液控制系统等。
因此，机械系统动力学也常常研究这些系统的动力学问题，所以研究机械系统动力学具有极其重要的意义。
分析任何一种动态系统，都应首先建立它的数学模型，建立一个合理的数学模型是分析过程的关键。
机械系统的数学模型是指对机械系统动态特性的数学描述，通常机械系统的数学模型是用微分方程来描述的。
机械系统的数学模型通常可分为离散系统和连续系统两大类，也可以根据描述系统的微分方程是否为线性的，分为线性系统和非线性系统。
有时也根据其数学模型的确定性、随机性和模糊性进行分类。
1.3离散系统和连续系统机械系统动力学是借助于模型进行研究，模型是将实际事物抽象化而得到的。
例如质点、刚体、梁、板、壳、弹簧-质量系统等等都是抽象化的模型。
抽象化的方法并不是脱离实际，而是为了抓住事物的主要因素，忽略次要因素，在一定的条件下更能深刻地反映客观实际。
任何机器、结构或它们的零部件都具有弹性与质量。
若机械各构件的弹性变形很小，以致可以忽略不计，则可近似认为系统是由刚体构件组成的，当构件的弹性变形不能忽略时，则机械系统的动力学模型可分为离散系统(或称集中参数系统)和连续系统(或称分布参数系统)两大类。
离散系统是由集中参数元件组成的，基本的集中参数有三种，即质量，弹簧与阻尼器。
如图1-1a所示的安装在混凝土基础上的精密机器，为了隔振，在基础下面一般装有弹性衬垫。
在隔振分析中需要考察机器与基础的整体振动，这时机器与基础可视为一个刚体。
起着质量的作用具有惯性，弹性衬垫起着弹簧的作用，衬垫的内摩擦以及基础与周围约束之间的摩擦起着阻尼的作用。
因而这一系统可以简化成图l-1b所示的集中参数系统。
离散系统的运动在数学上用常微分方程来描述。
再如图1-2所示简支梁系统，当研究梁在垂直平面内的振动时，若只考虑梁作为一个整体而振动，且简化质心点取在梁的中点处时，梁有总体重量m和纵向方向的变形，可简化为图1-2b所示的具有m和k集中参数元件的系统，即用离散系统来研究和分析。
而要研究每一点的振动特性时，由于梁具有分布的空间质量和每点都有不同的变形，故用图1-2a作为连续系统来处理。
m Array Array k ca) b)a) b)图1-1 机床系统图1-2 简支梁系统连续系统是由弹性元件组成的。
典型的弹性元件有杆、梁，轴，板、壳等。
弹性体的惯性，弹性和阻尼实际上是连续分布的，亦称为分布参数系统，连续系统的运动在数学上用偏微分方程来描述。
机械系统中有不少问题需要简化为连续系统的模型。
离散系统和连续系统形式上代表不同类型的系统，似乎它们具有不同的动态特性，但事实上恰恰相反，因为离散系统和连续系统只不过是表示同一物理系统的两个数学模型而已，由此推测它们应具有类似的动力学性态。
尽管这两种系统分别是由常微分方程和偏微分方程来描述的，但它们的性态实际上是相似的。
为了论证这一点，我们将从杆的纵向振动微分方程的导出来说明它们之间的内在联系。
a )1-Ti F Ti Fb ) 图1-3 连续系统与离散系统现在我们讨论如图1-3a 所示的两端固定的杆的纵向振动方程。
取杆的纵向作为x 轴，各个截面的纵向位移表示为u (x ，t )，见图1-3a 。
杆的微元dx 在自由振动中的受力图也在图1-3a 中给出。
设杆单位体积的质量为ρ、杆长为l 、截面面积为A 、材料的弹性模量为E ，杆在x 截面处的纵向应变为ε(x )，纵向张力为F T (x )。
由材料力学可知，在x 截面处有：xu x ∂∂=)(ε x u AE AE x F T ∂∂==ε)( 而在x +d x 截面处的张力则为：)(22dx xu x u AE dx x F F T T ∂∂+∂∂=∂∂+ 杆的微元dx 的运动微分方程为：dx x uAE t u Adx 2222∂∂=∂∂ρ令c 2=E/ρ，则上式可化为：222221t uc x u∂∂=∂∂ (1-1)式(1-1)称为波动方程。
杆的纵向振动除要满足上述波动方程外，还必须满足下列边界条件：u (0，t )=u (l ，t )=0 （1-2）方程式(1-1)和(1-2)即为用连续系统模型导出的杆的纵向振动偏微分方程。
在第八章中将说明它们构成了所谓的边值问题，其解法亦将在那里进行讨论。
以下，我们将改用离散系统模型来研究上述问题，并指出当离散系统模型取极限时，它将趋近于上述连续系统模型。
首先将系统简化为图1-3b 所示的由无质量弹簧k i (i =1，2，…，n +1)和集中质量m i (i =1，2，…，n )组成的系统。
为了导出有代表性的质量m i 的运动微分方程，可研究图1-3b 中的三个相邻质量m i -1，m i 和m i +1。
连结m i 和m i -1及m i 和m i +1的线段中的张力分别用F Ti-1及F Ti 表示，这二线段分别为Δx i -1和Δx i 。
由牛顿第二定律，质量m i 在水平方向的运动方程为：22111)()(dt u d m u u k u u k ii i i i i i i =----++ (1-3)方程式(1-3)适用于任一质量m i (i =2，3，…，n -1)，也可用于i =1和i =n ，但必须附加一些规定以反映系统的支承形式，因为方程式(1-3)对i =1和i =n 分别包含位移u 0和u n +1，如果杆两端固支，方程式(1-3)中必须令u 0(t )=u n +1(t )=0为了得到离散系统和连续系统的相似性，我们有必要对方程式(1-3)作进一步讨论。
