机械原理绪论课件(杨家军版).

z 2z 3 n1 101 99 1 H 1 i13 1 1 nH z 1 z 2' 100 100 10000
或 iH1=10000
可见行星轮系可实现很大的传动比。
(一般用于减速传动)
§5-3 复合齿轮系及其传动比
3
1 2 4 H 2'
复合轮系:既有行星轮系又有定轴轮系或有若干个行星系 组合而成的复杂轮系。 轮系的传动比：轮系中首轮与末轮的角速度的比 传动比的计算内容包括：传动比的大小和齿轮的转向。
对上式作以下说明： 1）只适用于转化齿轮系的首末轮的回转轴线平行（或重 合）的周转齿轮系。 2）齿数比前一定有“+”或“—”号。其正负号判定，可将 z2 转臂H视为静止，然后按定轴齿轮系判别主从动轮转向关 HH 注意 i 系的方法确定。 例 1k 与i1K的区别 3）注意1 、 k 、 H 应分别用正负号代入（推导时假 z1 定三者同向）； 4）1 、 k 、 H 三个量，须知其中任意两个角速度的 大小和转向，才能确定第三个角速度的大小和转向；
2 1 3
2
H 1
OH
2
3
1
3
行星轮
转臂
中心轮
2、周转齿轮系传动比的计算（反转法）
构件名称 转臂 中心轮1 中心轮3 各构件的绝对角速度 H 各构件的相对角速度 HH = H — H = 0 1H = 1 — H 3H = 3 — H
1 3
-H
H 1 3
转化齿轮系的传动比就可以按定轴 齿轮系传动比求解：
z 2z 3z 4z 5 1 i 15 5 z 1z 2'z 3 z 4' Z3：仅改变转向，惰轮
3.首、末两轮转向关系的确定（与齿轮传动类型有关） 1）全部由平行轴圆柱齿轮组成的定轴齿轮系，可在传 动比计算公式的齿数比前乘以（-1）m，m为外啮合 齿轮的对数。 1

机构分析与综合
常用机构的研究 已经非常深入 自动控制机构、机器人机构、仿生机构、机电光液 综合机构等进展也非常大 计算机的应用：计算机辅助设计、优化设计、大 型通用或专用的软件等
机械原理课程的性质与任务
是研究机械性能分析与设计的基本理论与 方法的专业基础课程之一。
机械原理的教学内容（归纳起来三大点）
动力机器
发电机等是能量变换的装置，即可将某种 形式的能量变换成机械能，或者把机械能 变换成其他形式的能量。例如：内燃机、 压气机、涡轮机、电动机等。
机器
工作机器 是完成有用的机械功或者是搬运物品。
例如：轧钢机、织布机、缝纫机、汽
车、飞机和金属切削加工机床等。
信息机器 是用来获得和变换信息的。例如：机 械式积分仪、计帐机、打字机和绘图 仪。
§1-3 如何进行本课程的学习
教学环节：
理论教学 课程设计
学习方法：
1. 在学习知识的同时，注重能力的培养。 2. 在重视逻辑思维的同时，加强形象思维能力的培养。 3. 注意先修课程的应用。 4. 理论联系实际，能够做到举一反三。
§1-4 机械原理学科的发展现状及趋势
机械工业发展方向：
高速、高精度、重载、高效率、低噪声 先进制造技术的应用、激光制造 自动生产线机器与其它来自置的主要区别是：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
机构（mechanism） 用来传递运动和力或改变运动形
式的构件系统
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
1、研究机构的组成及具有确定运动的条件。

p
分度圆上有： d=z
p
为了设计、制造等方面的方便性，令：
p
于是有： d = mz
p
=m
标准值
模数系列
第 系 一 列 0.1 0.8 8 第 系 二 列 0.35 (6.5) 0.12 1 10 0.7 7 9 1.25 12 0.9 0.15 1.5 16 1.75 (11) 14 20 2.25 18 0.2 2 25 2.75 22 28 0.25 2.5 32 (3.25) 3.5 （30） 0.3 3 40 0.4 4 50 (3.75) 36 4.5 45 5.5 0.5 5 0.6 6
A
AB = AN2 - N2B
= =
=
同侧
7)渐开线齿廓各点具有不同的压力 角，点Ｋ离基圆中心Ｏ愈远，压力 角愈大。K0的压力角为0
Vk
k
Pk
N
K
rk
NOK=
rb cos k = rk
k
rb k k
O
K0
基圆
3. 渐开线方程
F VK 渐开线
K——渐开线在K点的压力角。
αK
K
rb(θK + K) =AN=KN= rbtan K
（2）蜗杆蜗轮传动
总结：齿轮传动的特点
①传动比稳定 ②传动效率高 ③工作可靠性高 ④结构紧凑 ⑤使用寿命长
①制造和安装精度要求较高
特点：蜗杆蜗轮传动多用 于两轴交错角为90的传 动，其传动比大，传动平 稳，具有自锁性，但效率 较低。
②不适宜用于两轴间距离较大的 传动
4. 齿轮机构的机构运动简图
齿廓曲线，均可作为齿轮机构的齿廓。实际上
摆线和圆弧等作为齿廓曲线。 2）节圆作纯滚动，外啮合中心距=节圆半径之和 3）相互啮合传动时存在节圆 还应该考虑制造、安装和强度等要求。渐开线、

3、平面连杆机构的应用
机械手
汽车中那些部位用到连杆机构
起重装置
§3-2 平面四杆机构的基本类型及应用
一、平面四杆机构的基本形式 1. 构件及运动副名称 构件名称：
连架杆——与机架连接的构件 曲柄——作整周回转的连架杆 摇杆——作来回摆动的连架杆 连杆——未与机架连接的构件 机架——固定不动的构件
α1 180° +θ t1 V2 ω = α = = = 180° -θ V1 2 t2 ω
连杆机构输出件具有急回特性的条件： 1）原动件等角速整周转动； 2）输出件具有正、反行程的往复运动； 3）极位夹角θ >0。
分析： 180° +θ K= 180° -θ
K≥1,K=1时无急回特性
设计具有急回特性的机构时，一般先根据使用要求给 定K值，则有 (K-1) θ=180° (K+1) θ＝ 0 θ≠0 θ↑,K↑,急回运动越明显，一般取K＜2
●导杆机构（曲柄为主动件） ●导杆机构（摇杆为主动件）
α B2 ≡0°
3 2 1 3 A B VB2 D 4 FB2 1 2 FB3 B D VB2 FB2 FB1
机构压力角:在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下， 机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受 力点的速度方向间所夹的锐角，称为机构压力角， 通常用α 表示。P50
传动角：压力角的余角。 通常用γ 表示.
F2 C
B
A
δ
D
γ F α
F1
vc
机构的传动角和压力角作出如下规定： γ min≥[γ ]；[γ ]= 3060°； α max≤[α ]。 [γ ]、[α ]分别为许用传动角和许用压力角。
C
(2) 推广到导杆机构 结论：有急回特性，且极位夹角等于摆杆摆角，即

的组合体。
2.零件 －独立的制造单元(制造的单元体) 零件 构件 －独立的运动单元(运动的单元体) 内燃机 曲柄滑块机构
一个构件是由一个零件如内燃机中活塞 或多个零件刚性组成。彼此之间无相对运动。 如内燃机中连杆
湘潭大学
套筒
螺栓
垫圈 螺母
连杆体 轴瓦
作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机 械，因此必须掌握机械方面的基础知识。
设计出满足功能与制造要求的机构和机械零件 任务 研究的内容：
（1）机械设计基础知识
（2）常用机构及传动设计 （3）通用零件设计 （4）有关机械总体设计中的一些问题 （5）机械现代设计方法与手段的概念和特点
内燃机
2.工件自动载送装置 含带传动、蜗杆传动、 凸轮机构、连杆机构等。
滑杆左移时，夹持器将 工件夹住。
滑杆带着工件右移时，夹 持器动爪受挡块的压迫将 工件松开，工件落入载送 器被传送到下一道工序。
动画
强调代替人类完成有用工作
机器的共有特征：
①人造的实物组合体；
工件 定爪 动爪 装配夹具 工件载送器
天然工具 ——→简单机器 ——→工业革命 ——→现代机器
人类在征服自然中
改革开放后：我国机械工业得到了长足发展。
任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程。 以起重机为例，它经历了： 斜面 →杠杆 →起重轱辘 →滑轮组→手动(电动)葫芦 →现代起重机 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。
典型机器的分析： 1.内燃机 活塞的往复运动通过连杆变位曲轴的连续 转动，该组合体称为：曲柄滑块机构 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 各部分协调动作的结果，就将燃料中化 学能转化为曲轴旋转的机械能。

2h s h 2 ( ) 2 4 h v 2 ( ) 4h 2 a 2
s
从动件加速度 a0 = 常数
从动件前半推程速度 v = a0 t 1 2 s = a t 从动件的位移 0 2
h
δ
v
δ
特点：存在柔性冲击
δ
a a0
位置：发生在运动的起始点、 中间点和终止点
位移
S f ()
dS dS d dS v dt d dt d
类速度
速度
类加速度
加速度
2 dv dv d d S 2 a dt d dt d 2
类跃动度
跃动度
da da d 3 d S j 3 dt d dt d
3
1.从动件的基本运动规律 （一） 多项式运动规律 位移方程为： s=c0 + c1 + c22 + c33 + ……+ cnn v=( c1 + 2c2 + 3c32 + ……+ncnn-1) a=2(2c2 + 6c3 +12c42 + ……+n(n-1)cnn-2) j=3(6c3 + 24c4 + ……+n(n-1)(n-2)cnn-3)， 式中，为凸轮的转角（rad）； c0，c1，c2，… ， 为n+1个待定系数。
f. 光滑连接i′ 得凸轮廓线。
2. 滚子从动件 1) 分析
ω
ω
ω
2) 设计
-ω
′ 1 1 2′ 2 3 ′ 1 4′ 5′ 6′ 7′ 8′ 9′ 1 2′ 2 3
-ω
3′
3′ 4′ 5′ 6′ 7′ 8′ 9′

机构(machanism)：用来传递 运动和力或改变运动形式的构 件系统
-
13
-
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。

机器和机构的概念(2/4)
机床用来变换物料的状态； 汽车、起重机用来传递物料； 计算机用来变换信息。 由于各种机器的主要组成部分都是各种机构，所以可以说， 机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合。 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；凡利用机械能来变换和传递物料和信息的 机器称为工作机。
机器和机构的概念(4/4)
机构 1. 由各种材料制成的制造单元 （零件）经装配而成的组合体 2. 由零件组成的各运动单元 （构件）间有确定的相对运动
有关机械的基本理论
（1）机构的结构分析 1）研究机构是怎样组成的，其组成对运动的影响，以及机构 具有确定运动的条件。 2）研究机构的组成原理及机构的结构分类。
（1）机构
机器和机构的概念(1/4)
机构是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常 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。 这些机构一般认为是由刚性件组成的。而现代机构中除了刚 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。 （2）机器 机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、 物料和信息。 例如： 电动机、内燃机用来变换能量；
（3）机器的结构
传统的机器由如下三个部分组成： 原动部分 传动部分 执行部分
机器和机构的概念(3/4)
现代机器一般由如下四个部分组成：
原动部分
传动部分 控制部分
执行部分
而现代先进的机器则由以下五个部分组成：
位形检测 控制系统 驱动-传动机构 智能系统 执行机构 工作系统
机器和机构的特征 机器 1. 由各种材料制成的制造单元 （零件）经装配而成的组合体 2. 由零件组成的各运动单元 （构件）间有确定的相对运动 3. 变换和传递能量、物料和信 息。

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。

机构的组成(2/4)
（1）运动副的分类
1）按其引入的约束数目分： Ⅰ级副、 Ⅱ级副、 ……Ⅴ级副。
2）按其接触形式分 高副： 点、线接触的运动副 低副： 面接触的运动副
3）按其相对运动形式分
转动副（回转副或铰链） 移动副 螺旋副 球面副
还可分为平面运动副与空间运动副两类。
机构的组成(3/4)
（2）运动副符号 运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。 各种常用运动副模型 常用运动副的符号表 3.运动链 构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。
常用机构构件、运动副代表符号
机构运动简图(2/2)
2.机构运动简图的绘制 绘制方法及步骤： （1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明 组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；
（2）选定视图平面；
（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运 动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。 举例：
§2-1 机构结构分析的内容及目的
主要内容及目的是：
研究机构的组成及机构运动简图的画法； 了解机构具有确定运动的条件； 研究机构的组成原理及结构分类。
§2-1 概
述
平面机构：机构中所有构件均在一个或几个平面运动。
2 3 2 1 3
1
4
4
另有空间机构概念。
(avi)
§2-2 机构的组成
1.构件 活塞 任何机器都是由许多零件组合而成 的。 零件是机器中的一个独立制造单元体； 构件是机器中的一个独立运动单元体。 构件往往是由若干零件刚性地联接在一 起的独立运动的整体
两轮轮齿曲面
空间两构件构成的运动副，其自由度 f 和约束数 s 满足

典型机器的分析：
3
4 2
1.内燃机
组成： 汽缸体1、 活塞2、 排气阀4、 连杆5、 凸轮7、 进气阀3、 曲轴6、
8 7
潘存云教授研制
1 5 6
顶杆8、 齿轮9、10
9 10
工作原理： 1.活塞下行，进气阀开启，混合气体 内燃机 进入汽缸； 2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩， 在顶部点 火燃烧； 循环运动的结果，使曲轴 3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭； 输出连续的旋转运动 4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。
Y y=f(x)
y=f (x rK)
m - 机构结构参数的个数
O
X
xa x1 x2 x3 …..xn xb
y=y-y'
差值
y=y-y’ 称为机构的结构误差。
Y y=f(x) y‘=f’(x rK)
*准点符合预定 条件的几个位置
X
O
xa x1 x2 x3 …..xn xb
1．准点法
*只要求几个位置处符 合给定条件的机构综合方 法称为准点法。
3.机构的动力学综合
按机构的某些动力学参数进行的尺寸设计。
如使机构达到动力平衡时如何确定构 见质量及其位置尺寸。
二. 机构综合方法
本课采用三种方法—— *准点法 数值迭代法 优化方法
1．准点法
给定位置：y=f(x)，
y=f (x) Y
X O
机构能实现的位置： y '=f '(x, rk), (k=1,2,……m)
D
A
C B
E1 E2 E3 E4 E5 E6 E 7
D
A
C
B
E1 E2 E3 E4 E5 E6

病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
机器的特征： 1. 它们是由零件人为装配组合而成的实物体； 2. 各实物体之间具有确定的相对运动； 3. 能完成有用的机械功或转化机械能。 机构的特征：机构具有机器特征中的前两个特征。 机器与机械的共有特征决定了机器与机构可以统称为机械。 本课程研究的内容： 1. 机构结构分析的基本知识 2. 机构的运动分析 3. 机器动力学 4. 常用机构的分析与设计 5. 机构的选型及机械传动系统的设计 本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行 结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要 求设计新机械的途径。
2. 局部自由度 在有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运 动。我们把这种局部运动的自由度称为局部自由度，如图所示。在计算机 构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度减去。 对于图示凸轮机构自由度为
F=3×3-(2×3+1)-1=1
凸轮机构三维实体图
图2-12
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
3. 虚约束 在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动实际上不起约束作 用，我们把这类约束称为虚约束。在计算机构的自由度时应将这类虚约束 除去。 机构中的虚约束常发生在下列情况： 1) 在机构中如果两构件用转动副联接其联接点的运动轨迹重合，则该 联接将带入1个虚约束。如图2—14所示的机构简图。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程

介绍几种常 用的机构
连杆机构
步进式搬运机
连杆曲线凸轮机构e321
1
e
3
2
1
1
e
3
2
1
1
e
3
2
1
1
e
3 2
1
e
3 2
1
e
3 2
1
e
3 2
1
e
3 2
1
e
3
2
h
1
e
3
2
h
1
e
3
2
h
1
e
3
2
h
1
e
3
2
h
1
e
3
2
h
1
e
3
每天只看目标，别老想障碍
•
3、
。20.1 0.1508: 53:070 8:53Oct-2015-Oct-20
宁愿辛苦一阵子，不要辛苦一辈子
•
4、
。08:5 3:0708: 53:070 8:53Thursday, October 15, 2020
• •
积极向上的心态，是成功者的最基本要素 5、
。20.1 0.1520. 10.150 8:53:07 08:53:0 7Octobe r 15, 2020
第一章 概论
第一节 本课程的研究内容
*什么是机器、机构？
内燃机工作示意图
凸轮机构
曲柄滑块机构 齿轮机构
*机器的三特征：
1）由一系列的运动单元体所组成。 2）各运动单元体之间都具有确定的相对运动。
*3减）轻能具人转们有换的机以劳械动上能。1或、完成2有两用个的特机械征功以代替或