机械原理-中国铁道出版社

高等教育机械基础课程系列教材

机械原理

郭宏亮袁修华主编

内容简介

本书是根据教育部关于机械类及近机类本科专业教学目标及课程大纲要求编写的全书共

。

分章包括绪论机构的组成和结构分析平面机构的运动分析平面机构的力分析平面连杆

11,、、、、

机构及其设计凸轮机构及其设计齿轮机构及其设计轮系及其设计其他常用机构机械系统

、、、、、

动力学设计机械系统的方案设计书中内容条理清晰详略得当具有很强的实用性

、。、,。

本书可作为普通高等学校机械类近机类相关专业的教材也可供相关工程技术人员参考

、,

使用

。

图书在版编目CIP数据

()

机械原理郭宏亮袁修华主编北京中国铁道出版社

/,.—:

有限公司

,2022.8

高等教育机械基础课程系列教材

ISBN978-7-113-29149-5

机郭袁机械原理高等学校

Ⅰ.①…Ⅱ.①…②…Ⅲ.①--

教材

Ⅳ.①TH111

中国版本图书馆数据核字第号

CIP(2022)089166

书名:机械原理

作者:郭宏亮袁修华

策划:钱鹏读者热线:

(010)83552550

责任编辑:钱鹏

封面设计:高博越

责任校对:孙玫

责任印制:樊启鹏

出版发行:中国铁道出版社有限公司北京市西城区右安门西街号

(100054,8)

网址:

/51eds/

印刷:三河市宏盛印务有限公司

版次:年月第版年月第次印刷

202281202281

开本:印张:字数:千

787mm×1092mm1/1618.25440

书号:

ISBN978-7-113-29149-5

定价:元

49.80

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,,。:(010)63550836

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前言

本书是根据教育部关于机械类及近机类本科专业教学目标及课程大纲要求编写的。

全书共分章,其中第章概括讲述了本课程研究的对象和内容,以及学习本课

111

程的目的和方法;第章至第章主要讲了机构的组成和平面机构的结构分析、运动

24

分析、力分析;第章至第章主要讲了机构的设计,包括平面连杆机构、凸轮机构、

59

齿轮机构、轮系及其他常用机构等;第章和第章介绍了机械系统的动力学设计

1011

和方案设计。

本书力求条理清晰,图文并茂,注重理论与实践的紧密结合。在内容的取舍方面

着重于讲清机械原理的基本概念、基本理论和基本方法,同时,又介绍了机械原理学

科的新的发展动向。本书配有多样化的习题类型,方便学生自学,是一本具有鲜明特

点的实用教材。

本书是按照授课学时数为学时编写的,可供普通高等学校机械类、近机类相关

48

专业学生选用,也可供相关工程技术人员参考使用。

本书由聊城大学郭宏亮和袁修华任主编,聊城大学赵栋杰和上海应用技术大学张

珂任副主编。参与编写的老师还有聊城大学张翠华、丁玲、郭安福。具体编写分工如

下:郭宏亮编写第章,张珂和袁修华编写第章,张翠华编写第章,赵栋

1~23~78

杰编写第章,丁玲编写第章,郭安福编写第章。

91011

本书由聊城大学包春江教授和青岛理工大学李长河教授主审。两位老师认真审阅

了全书,提出了许多宝贵意见和建议,提高了本书的质量,向他们表示衷心的感谢。

在本书编写过程中,得到了许多专家和同行的热情支持,并参考和借鉴了许多国

内外公开出版和发表的文献,在此深表感谢!

由于时间仓促,水平有限,书中难免有不足和疏漏之处,恳请广大读者批评指正。

编者

年月

20223

目录

第1章绪论

机械原理课程的研究对象和内容…………………

1.11

学习本课程的目的…………………

1.23

如何进行本课程的学习……………

1.34

机械原理学科发展现状简介………

1.44

本章小结……………………

5

第2章机构的组成和结构分析

机构的组成…………

2.17

机构运动简图………………………

2.212

机构自由度的计算…………………

2.314

平面机构的组成原理和结构分析…………………

2.420

本章小结…………………

26

习题…………………

26

第3章平面机构的运动分析

用速度瞬心法作机构的速度分析…………………

3.132

用矢量方程图解法作机构的速度与加速度分析…………………

3.236

用解析法作机构的运动分析………

3.341

本章小结…………………

48

习题…………………

48

第4章平面机构的力分析

机构力分析的基本知识……………

4.153

不考虑摩擦时机构的力分析………

4.256

考虑摩擦时机构的受力分析………

4.360

本章小结…………………

68

习题…………………

68

第5章平面连杆机构及其设计

平面四杆机构的基本类型及其演化………………

5.171

平面四杆机构的基本知识…………

5.277

2机械原理

平面四杆机构的设计………………

5.384

多杆机构……………

5.495

本章小结…………………

97

习题…………………

97

第6章凸轮机构及其设计

凸轮机构的类型及其应用………

6.1101

推杆运动规律设计………………

6.2104

凸轮轮廓曲线的设计……………

6.3111

凸轮机构基本尺寸的确定………

6.4117

本章小结…………………

122

习题…………………

122

第7章齿轮机构及其设计

齿轮机构的特点及类型…………

7.1127

齿轮的齿廓曲线…………………

7.2129

渐开线齿廓及其啮合特点………

7.3131

渐开线标准齿轮的基本参数和几何尺寸………

7.4133

渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动…………

7.5137

渐开线齿廓的加工与变位………

7.6142

斜齿圆柱齿轮传动………………

7.7149

直齿锥齿轮传动…………………

7.8157

蜗杆传动…………

7.9160

本章小结…………………

165

习题…………………

165

第8章轮系及其设计

轮系及其分类……………………

8.1170

定轴轮系的传动比………………

8.2173

周转轮系的传动比………………

8.3175

复合轮系的传动比………………

8.4179

轮系的功用………………………

8.5179

行星轮系的效率…………………

8.6182

行星轮系的类型选择及其设计…………………

8.7185

本章小结…………………

190

习题…………………

191

第9章其他常用机构

棘轮机构…………

9.1194

目录3

槽轮机构…………

9.2201

不完全齿轮机构…………………

9.3205

凸轮间歇运动机构………………

9.4210

螺旋机构…………

9.5212

组合机构…………

9.6214

本章小结…………………

220

习题…………………

221

第10章机械系统动力学设计

机械的运转过程…………………

10.1224

机械的等效动力学模型…………

10.2225

机械运动方程式的建立及求解…………………

10.3228

机械的平衡………………………

10.4233

机械运转速度波动及调节………

10.5243

本章小结…………………

249

习题…………………

250

第11章机械系统的方案设计

机械系统的设计过程……………

11.1253

机械系统的总体方案设计………

11.2255

机械系统的执行构件设计和原动机选择………

11.3260

机械传动系统的方案设计………

11.4274

本章小结…………………

281

习题…………………

282

参考文献…………………

283

第1章绪论

主要内容

机械原理的研究对象和研究内容;学习本课程的目的;如何进行本课程的学习;机械原

理课程的发展现状。

学习目的

()了解机械原理课程的研究对象和内容。

1

()了解学习本课程的目的,掌握学习本课程的方法。

2

()了解机械原理学科的发展趋势。

3

刘仙洲教授,机械学家和机械工程教育家,中国科学史事业的开

拓者,中国工程专家,中国科学院院士。

早在世纪初,刘仙洲教授“于教学之暇,孜孜不倦,努力著述,

20

将大学机械工程之课本一而再,再而三贡献于国人”,发奋编写中文

教材,出版了《普通物理》《画法几何》《机械原理》《热工学》等种中

15

文教材,成为我国中文版机械工程教材的创始人。

刘仙洲教授长期从事机械工程发明史的研究,并积极从事农业机

械的推广和中国农业机械工程发明史的研究工作。他编订了《英汉对

图刘仙洲教授

照机械工程名词》,统一了一些名词,如凸轮、泵、化油器等;创造了一1-1

些字词,如节圆、熵、焓等,共汇集了万多个名词,结束了机械名词的混乱状况,成为中国机

2

械工程名词统一的开拓者。出版了专著《中国机械工程发明史》《中国农业机械方面的发明》

等,系统地总结了我国古代在机械领域的发明创造,为人类科学技术史增添了新篇章。

刘仙洲教授为祖国工科大学教育事业,以及机械科学和中国机械发明史的研究奋斗终

生,为后人留下了宝贵的精神和物质财富。

1.1机械原理课程的研究对象和内容

1.1.1机械原理课程的研究对象

机械原理课程研究的对象是机械机械是机器和机构的总称

,“”“”。

2机械原理

机器是根据某种使用要求而设计的一种执行机械运动的装置是具有确定运动的构件

,

组合体可用来变换或传递能量物料和信息如电动机或发电机用来变换能量加工机械

,、。,

用来变换物料的状态起重运输机械用来传递物料计算机用来变换信息等

,,。

机构是用来传递与变换运动和力的可动的构件组合体如常见的齿轮机构连杆机构

,、、

凸轮机构螺旋机构带和链传动机构等

、、。

在日常生活和生产中我们都接触过许多机器例如缝纫机洗衣机复印机各种机床

,,、、、、

汽车拖拉机起重机等各种不同的机器具有不同的形式构造和用途但通过分析可以

、、。,、,

看到这些不同的机器就其组成来说却都是由各种机构组合而成的图所示的内燃

,,,。1-2

机就包含着由壳体活塞连杆和曲轴所组成的连杆机构由小齿轮和大齿轮所

1、2、34,67

组成的齿轮机构以及由凸轮和阀门推杆所组成的凸轮机构等

,58。

从上述分析可知各种机器的主要组成部分都是各种机构用以实现机器的动作要求

,,。

一部比较复杂的机器可能包含多种类型的机构而简单的机器也可能只包含一种机构

,,,。

所以可以说机器是一种可用来变换或传递能量物料与信息的机构或机构的组合这些机

,、。

构就是本课程研究的主要对象

。

图内燃机

1-2

壳体活塞连杆曲轴凸轮小齿轮大齿轮阀门推杆

1—;2—;3—;4—;5—;6—;7—;8—

1.1.2机械原理课程的主要研究内容

本课程研究的内容主要包括以下几个方面

:

机构结构分析的基本知识首先研究机构是怎样组成的机构的组成情况对其运动

(1)。,

的影响以及机构具有确定运动的条件等其次研究机构的结构分类机构的组成原理和方

,;、

法最后研究如何用简单的图形把机构的结构状况表示出来以便据此对机构进行运动及动

;,

力分析此即所谓机构运动简图的绘制问题

,。

机构的运动分析研究并介绍机构在给定原动件运动的条件下求解其他构件的位

(2)。,

移轨迹速度加速度的基本原理和方法进而考察输出构件的运动变化规律对机构进行

、、、,。

运动分析将为机构受力和动力学分析提供基础也是设计新机械合理使用现有机械的必

,,、

需步骤和重要依据

。

第1章绪论3

机械动力学机械动力学研究的内容主要包括两个方面其一是分析机器在运转过

(3)。:

程中其各构件的受力情况以及这些力的做功情况以便了解机构上的动压力及其变化情

,,

况机械的效率和动力性能等其二是研究机器在已知外力作用下的运动机器速度波动的

、;、

调节和不平衡惯性力的平衡问题

。

常用机构的分析与设计尽管机器的种类不同但它们的主要组成机构是有限的

(4)。,,

也可以是相同的所以对连杆机构凸轮机构齿轮机构及间歇机构等常用机构的运动及

。,、、

工作特性进行分析并探索为了满足一定的运动和工作要求来设计这些机构的方法这是十

,,

分必要的

。

机械系统的方案设计概略研究机械的设计过程机构的选型组合变异及机械传

(5)。、、、

动系统的设计等问题通过学习初步具有拟定简单机械运动方案的能力

,。

综上所述可知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

、,

径不过此处应当指出在本课程中对机械设计的研究只限于根据运动和动力要求对机

。,,,,

构各部分的尺度关系进行综合而不涉及各个零件的强度计算材料选择以及其具体结构形

、,

状和工艺要求等问题所以本课程中的机构设计又常称为机构综合机械原理课程研究的

。。

内容可概括为机构分析与机构综合两部分

。

1.2学习本课程的目的

首先机械原理是机械类及近机械类专业进入专业课学习前必修的一门重要的技术基

,

础课起着承上启下的作用它主要在高等数学普通物理理论力学等理论基础课后开设

,。、、,

将先修课程所学理论与实际机械相结合来探讨机械内部基本规律的基础性理论课程通

,。

过对本课程的学习将为学习机械设计机床机械制造工艺以及其他专业课程打下基础

,、、。

课程所学内容是研究现有机械运动工作性能和设计发明新机械的知识基础它对机械类

、、。

及近机械类各专业的专业课学习毕业设计乃至参加实际工作都有直接的和长远的意义起

、,

着非常重要的作用

。

由于机械原理研究内容的相对独立性在工程技术中也发展为许多独立实用的分支如

,,

机器人机构学仿生机构学自动控制机构学等它们与其他学科相结合在工程技术中发挥

、、,,

着重要作用

。

其次机械原理在发展国民经济方面也具有重要意义为了提高我国的综合国力就要

,。,

在一切生产部门实现生产的机械化和自动化这就需要创造出大量种类繁多新颖优良的机

,、

械来装备各行各业需要对现有设备进行革新改造和合理使用以充分发挥其潜力为了完

,,。

成这些任务有关机械原理的知识是必不可少的因为虽然任何机械的改革和创造都是设

,。,

计工艺等各种机械知识的综合运用但机械原理的知识却是最为基本的当我们掌握了本

、,。

课程所介绍的内容之后我们就有可能为现有机械设备的合理改进和根据需要创造新的机

,

械提出切实可行的建议

。

最后对于工作人员来说要想充分发挥机械设备的潜力关键在于了解机器的性能

,,,。

学习机械原理掌握机构分析的方法才能了解机器的性能从而更合理地使用机器

,,。

4机械原理

总之本课程所学的内容一方面是有关的专业课程的基础同时也是一个工科学生所

,,,

应具备的关于机械的一般基础知识

。

1.3如何进行本课程的学习

由于机械原理课既不同于理论基础课又有别于专业课因此在学习本课程的过程中

,,,

一方面要着重搞清基本概念理解基本原理掌握机构分析和设计的基本方法另一方面也

,,;

要注意这些原理和方法在机械工程上实际应用的范围和条件具体强调以下几点

。:

回顾先修课的相关内容机械原理作为一门技术基础课其先修课是高等数学物

(1)。,、

理理论力学和工程制图等其中理论力学与本课程的学习关系最为密切要适时回顾先

、,,。

修课中的有关内容如刚体的平面运动点的复合运动动能定理运动瞬心等避免由于基

(、、、),

本概念和基础理论的生疏而影响学习的深入但同时应注意本课程在将先修课的基本理

。,

论应用于工程实践问题时也形成了自己的体系和方法因此要注意掌握本课程不同于先

,。,

修课的一些方法和惯例

。

加强形象思维能力从理论基础课到技术基础课学习的内容变化了学习方法也

(2)。,,

应有所转变重要的一点是要在发展逻辑思维的同时重视形象思维能力的培养本课程中

,,。

的机构大都是用简图来表示的初学者缺乏对实际机械的感性认识可能会觉得抽象面对

,,。

一幅机构简图不能只看成是几段静止不