绪论及结构分析

1、大庆石油学院讲 稿 学院(系、部)机械科学与工程学院教研室机械设计课 程 名 称机械原理主 讲 教 师职 称 年 月 日 讲稿（首页）课程名称机械原理课程编号0401101总计： 学时64讲课：58 实验：6 上机： 学 分4类别必修课（ ） 限选课（ ） 任选课（ ） 任课教师刘彩玉职称副教授授课对象专业班级：机自04-58 共4 个班基本教材主要参考资料教 材： 机械原理付则绍主编，石油工业出版社，1998年参考书： 机械原理教程申永胜主编，清华大学出版社，1999年机械原理栾庆德主编，兵器工业出版社，1993年教学目的要求使学生掌握机构学和机械动力学的基础理论、基本知识和基本技能，要求学

2、生初步具有拟定机械运动方案与分析和设计机构的能力。得到创新意识的基本训练，增强学生对机械技术工作的适应能力和开发创造能力的作用。教学重点难点本课在教学上要体现“广而新”的原则，扩大知识领域，重点介绍各种机构的特点、应用场合及设计方法，启发学生的思维，让学生在设计和应用上能有所创新。难点在于如何理论基础联系实际，提高独立分析问题、解决实际问题的能力。机械原理 课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第一章 绪 论授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他课时安排1教学要求：1、学生了解本课程研究的对象、内容及学习本课程的目的。2、掌握几个主要的工程术语。教学重点、难点及关键知识点：重点介

3、绍本课程的性质、研究对象、学习目的、课程特点和学习方法。特别注意讲清楚机械、机器与机构之间的区别。方法及手段方法：在这一讲中要使学生明确学习目的、内容及任务，坚定学习信心，授课时要多联系实际，调动学生学习本课程的积极性。教学手段：在讲授本课程研究的对象和内容时，可利用合适的模型或多媒体演示。而在课后应再组织学生进行机械认知，使学生进一步了解本课程研究的对象和内容。教学基本内容（教学过程）改进设想机械原理（Theory of Machines and Mechanisms）是机器和机构理论的简称。它以机器和机构为研究对象，是一门研究机构和机器的运动设计和动力设计，以及机械运动方案设计的技术基础课

4、。第一节 基本概念和定义1 机器机器的特征机器的种类繁多，如内燃机、汽车、机床、缝纫机、机器人、包装机等，它们的组成、功用、性能和运动特点各不相同。机械原理是研究机器的共性理论，必须对机器进行概括和抽象。先来看机器实例：内燃机内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器，其工作过程如下：通过各部分的协同配合动作，内燃机便能把燃气燃烧时的热能转化为曲柄转动的机械能。从不同机器的组成、运动确定性及功能关系看，都具有一些共同特征：（1）人为的实物的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。（3）能完成有用机械功或转换机械能。凡同时具备上述3个特征的实物组合体就称为机器。动画演示机械设计

5、基础 课程讲稿机械原理 课程讲稿2 机构 内燃机和送料机械手等机器结构较复杂，如何分析和设计这类复杂的机器呢？我们可以采取“化整为零”的思想，即首先将机器分成几个部分，对其局部进行分析。下面以内燃机为例进行说明。内燃机的输出运动由活塞、连杆和曲轴等完成内燃机看似复杂，其实也是由几种基本机构组成的内燃机的进气阀、排气阀和活塞之间一定规律的动作由一组齿轮来实现进气阀和排气阀的开启和关闭由凸轮和顶杆实现上述三种机件的组合体在输入运动给定后都有确定的运动，我们将它们称之为机构，即机构是传递运动和动力的实物组合体。最常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。它们的共

6、同特征是： （1）人为的实物组合体。 （2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。动画演示机械原理课程讲稿可以看出，机构具有机器的前两个特征。机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。在开发设计新型机器时，我们采用“积零为整”的设计思想，根据机器要完成的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型机器。内燃机就是由曲柄滑块机构(由活塞、连杆、曲轴和机架组成)、凸轮机构(由凸轮、顶杆和机架组成)和齿轮机构等组成。以下是一些常用的典型机构:连杆机构凸轮机构齿轮机构间歇运动机构螺旋机构开式链机构3 机械机器和机构统称

7、为机械。现代机械系统一般由四部分组成：注意：机器与机构的区别动画演示机械原理课程讲稿（1）原动部分 机械动力的来源。 （2）执行部分 处于整个传动路线的终端，完成机 械预期的动作。（3）传动部分 介于原动机和执行部分之间，把原动机的运动和动力传递给执行部分。（4）控制部分 控制机械的其它基本部分，使操作者能随时实现或终止各种预定的功能。汽车实例:新技术、新进展 随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：1）某些情况下，机件不再是刚体，气体、液体等也可参与实现预期的机械运动。我们将利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构统称为广义机构。由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能

8、方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液压机构和气动机构，它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。利用光电、电磁物理效应，实现能量传递或运动转换或实现动作的一类机构，应用也十分广泛。例如，采用继电器机构实现电路的闭合与断开；电话机采用磁开关机构，提起受话器时，接通线路进行通话，当受话器放到原位时断路。2）机器内部包含了大量的控制系统和信息处理、传递系统。3）机器不仅能代替人的体力劳动，还可代替人的脑力劳动。除了工业生产中广泛使用的工业机器人，还有应用在航空航天、水下作业、清洁、医疗以及

9、家庭服务等领域的 服务型机器人。机械原理课程讲稿4、构件组成机构的各个相对运动部分。以抽油机中的连杆机构为例。1-曲柄；2-连杆；3-摆杆；4-机架。机构由一个或多个构件组成。构件可为单一整体，也可为一个或多个零件组成的刚性结构。如内燃机中的连杆由连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母和轴套等零件组成。如如自行车的车轮，由车圈、轮毂、幅条和螺母组成。从运动的观点，构件为机械的最小运动单元体动画演示机械原理课程讲稿5、零件构件由零件组成；从机器制造的角度，它是一部机器的最小制造单元；专用零件： 仅用于某些专用机械上的零件。通用零件： 广泛应用于各种机械的零件。综上所述：二、本课程研究的内容和目的基本内

10、容：机械原理是研究机构与机器的运动、动力特性及机构简图设计的一门学科。基本问题：机构分析与机构综合 机构分析据已有机构分析运动及动力特性；机构综合据运动和动力特性的要求设计新机构。 1、机构的结构分析研究机构的组成原理及机构具有确定性运动的条件。2、机构运动学据原动件的运动规律来确定机构构件上某些点的轨迹、速度和加速度3、机械动力学（1）构件上力的求法及机械效率（2）机械的运转与调速及惯性力的平衡。4、常用机构的分析与设计5、机械传动系统的设计 注意：构件与零件的区别机械原理课程讲稿主要介绍平面机构的结构分析、连杆机构、齿轮机构、轮系重在研究各种常用机构，从运动的观点研究其组成原理、运动分析和

11、运动设计。前沿学科：机械制图、热处理工艺学、公差与配合、理力、材力等。课程性质：机械原理课是研究机械学共性问题的一门主干技术基础课，是多学科知识的综合运用。任务： 掌握机构学和机械动力学的基础理论、基本知识和基本技能，并初步具有拟定机械运动方案与分析和设计机构的能力。作用：在培养高级工程技术人员的全局中，起到创新意识的基本训练，增强学生对机械技术工作的适应能力和开发创造能力的作用。学习指导：1明确本课程的研究对象、内容、目的和任务。2理解机器、机构、构件、部件、零件等概念。机械原理课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第二章 平面机构的结构分析授课方式（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其

12、他课时安排3教学要求：1、 熟练掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。 2、 掌握运动链成为机构的条件。3、 对平面机构的组成原理有所了解。熟练掌握机构自由度的计算方法。能自如地运用自由度计算公式计算机构自由度，尤其是平面机构的自由度。能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。教学重点、难点及关键知识点：重点：机构运动简图的绘制、机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算。注意向学生强调，绘制机构运动简图是一项很有用的能力。而这种能力的培养，不可能通过一两个

13、实例的练习就能完成，所以要随时注意日常生活和生产中所遇到的各种机械，多作绘制其机构运动简图的练习，以求逐渐熟练和掌握。方法及手段方法设计：结合上堂课内容讲授机构自由度，由不同运动副引入的约束情况，讲述机构自由度计算公式。我们知道机构是由若干构件通过运动副联接而构成的，而且为了用来进行运动传递及变换，机构需具有确定的运动。通过简单杆机构为例推机构具有确定性运动的条件，而此条件与机构自由度有关，则对学生指出自由度计算的关键，接着引出自由度计算中的三个注意事项，通过演示和实例达到正确计算自由度的目的。将机构自由度、机构运动简图的绘制及机构具有确定运动的条件结合起来，寻找它们之间的关系。教学手段：多媒

14、体课件演示与板书结合。 教学基本内容（教学过程）改进设想第一节 平面机构的组成一、构件的自由度及约束条件构件M作平面运动，其位置由三个参变量确定:（x,y,a）构件自由度：构件所具有的独立运动的数目。M（x,y, a）-三个独立运动。M（x,yA, a0）-沿X轴移动，即有一个独立运动；机械原理课程讲稿M（xA,yA, a0）-瞬时位置确定；一个作平面运动的自由构件有3个自由度。约束：对构件的独立运动所加的限制。构件受一约束，失去一个自由度。二、运动副为了使多个构件组成一个系统后相互之间具有确定的运动，构件与构件需要一种既直接接触又有相对运动的联接，这种联接称为运动副。运动副：两构件直接接触所

15、形成的可动联接。 运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。 轴与轴承间构成运动副，轴的外圆柱面与轴承内孔为运动副元素。凸轮与滚子间构成运动副，凸轮 与滚子接触部分为运动副元素。与滚子接触部分为运动副元素。两个构件构成运动副后，构件的某些独立运动受到限制。运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。运动副的分类：按运动副的接触形式分：低副：构件与构件之间为面接触，其接触部分的压强较低。据构件相对运动形式，低副又分为：转动副移动副低副提供约束及自由度情况：引入2个约束，保留1个自由度。动画演示机械原理课程讲稿线接触点接触高副：构件与构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。高副提

16、供约束及自由度情况：引入1个约束，保留2个自由度。三、 运动链运动链是指两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。 闭式运动链（闭链）：运动链的各构件构成首末封闭的系统。 开式运动链（开链）：运动链的各构件未构成首末封闭的系统。 闭链开链 机械原理课程讲稿在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。机构：具有确定运动的运动链。 机架：机构中固定不动的构件； 原动件：按照给定运动规律独立运动的构件 从动件：其余活动构件。 平面机构： 组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互

17、平行的平面内。 空间机构： 机构的各构件的相对运动不在同一平面内或平行的平面内。平面机构空间机构动画演示动画演示机械原理课程讲稿第二节 机构运动简图机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，还是构思新机械的运动方案和对组成机械的各种机构作进一步的运动及动力设计分析时，需要一种表示机构的简明图形机构运动简图。与机构运动有关：原动件的运动规律 运动副类型 机构的运动尺寸无关：构件外型 断面尺寸 零件数及运动副的具体构造。机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相同运动特性。机构示意图：为了表明机

18、械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。一、运动副的表示方法1、转动副（铰链）2、移动副机械原理课程讲稿3、高副二、构件的表示方法1、参与组成两个运动副的构件2、参与组成三个运动副的构件注：关于工程常用机构运动简图符号国家已有规定。三、绘制机构运动简图的方法步骤：1、分析机械的工作原理、组成及运动传递情况；确定其组成的各构件。2、确定运动副的类型和数目。3、恰当选择运动简图的视图平面（投影面）。（一般选大多数构件的运动平面）。4、选取比例尺（ml），定出各运动副的相对位置，开始绘制。ml构件的实际长度（m）图长（mm）如ml110，若构件实长为2m，则图长20mm本章一次课结束机械原理

19、课程讲稿构件要编号；运动副要有代号；原动件要用箭头表示方向。注意问题：实例：颚式破碎机机架1肘板4动颚3曲轴21、工作原理电机带传动曲轴旋转动颚作平面复杂运动，压碎矿石。 2、机构组成（1）机架（2）曲轴（原动件）（3）动颚（4）肘板3、运动副1与2在A回转副2和3 在B回转副3与4在C回转副4与1在D回转副4、选择投影面5、比例尺1：16、开始绘制。动画演示机械原理课程讲稿第三节 机构的自由度及其确定性运动的条件机构自由度的定义：机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目。1、计算公式1）机构的构件总数K2）活动构件数n=K13）组成运动副前，机构总自由度3nF3n-2PL-Ph组成运

20、动副后，机构的自由度颚式破碎机的自由度：F332 412、机构具有确定性运动的条件机构自由度原动件结论F33-2 4=1F=1 原动件数目机构有确定运动F33-2 4 =1F 原动件数目机构运动不确定F 34-2 5 =2F 原动件数目1机构运动不确定F 32-23 =00F0机构为桁架结构，不能运动机构具有确定性运动的条件：F0且等于原动件的数目要使所设计的运动链成为机构，组成运动链的各构件之间必须具有确定的相对运动。不能产生运动或作无规则运动的运动链均不能成为机构。 动画一次课结束机械原理课程讲稿3、 计算平面机构自由时的注意事项局部自由度定义：不影响其它构件相对运动的自由度，只与局部运动

21、有关。F3 222 11（）F3 323 12（）F3n-2Pl-Ph =35-27=1定义：三个或三个以上的构件在同一处以转动副相联接。复合铰链三个问题：动画演示机械原理课程讲稿三种情况的虚约束定义：对机构运动实际上不起约束作用的约束，是构件几何尺寸满足某些特殊要求的产物。F3 426 0（）F3 324 1（）2）两构件组成多个移动副或回转副，其导路平行或回转轴线重合。F3 222 11（ ）3）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分。F3 323 21（）动画演示机械原理课程讲稿机构有确定的运动。F3n-2Pl-ph =37-29-1 =2=原动件数大筛机构的自由度综 合 例 题机械原理课程讲稿第四节 平面机构