机械基础（多学时）第3版 课件 第一章 概述

第一章概述第一节中国机械发展简史第二节机械的构成第三节机械的运动可行

性评价第一节中国机械简史

机械工程是所有应用工程的基础，是人类改造世界最基本的手段。

机械基础是工业生产一线技术人员的必备知识。

中国五千年文明史是一部创造史，它铸就了灿烂的精神文化和卓越的工程文明，成为

推动世界物质文明和精神文明的关键驱动力。机械工程技术是一切工程技术的基础。中国的机械工程技术历史悠久，成就辉煌。

例1商代发明的桔槔用来汲水灌溉(图1-1),可扫二维码观看原理。其桔槔的结构相当于杠杆。例2汉朝张衡发明的天文仪候风地动仪（图1-2）

古代的机械设计创新

现代中国机械科技创新大国重器国产盾构机大国重器空间站大国重器亚洲最大重型自航绞吸船“天鲲号”机器——根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体。机构——能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物的组合体。如：连杆机构、凸轮机构、

齿轮机构等。如:缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。

机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。第二节机械的构成典型机器的分析：1.内燃机内燃机组成：65438712910汽缸体1、活塞2、进气阀3、排气阀4、连杆5、曲轴6、凸轮7、顶杆8、齿轮9、10工作原理：1）活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸；2）活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；3）高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4）活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动设计：潘存云进气压缩爆炸排气内燃机的工作过程：活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：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：化学能机械能机器的共有特征：①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换。

机器的作用

机器的分类：

原动机——实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）种类有限工作机——完成有用功（如机床等）

种类繁多工作机的组成：原动部分——是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内燃机。工作部分——完成预定的动作，位于传动路线的终点。

传动部分——联接原动机和工作部分的中间部分。

控制部分——保证机器的启动、停止和正常协调动作。

其关系如下机械机器机构原动机传动工作控制

原动机工作机控制器(控制)电动机(原动)带(传动)减速器(传动)波轮(工作)分析自动洗衣机的组成：同理，通过对典型机构进行分析可知：机构的共有特征：

①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③用来传递力或实现运动的转换。机构的分类：通用机构和专用机构。

通用机构——用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。专用机构——只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。机器与机构的关系：由两个实例推广到一般

任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。类似关系：化合物与化学元素由机器与机构的共有特征可知：机器与机构在结构和运动方面并无区别（仅作用不同），故统称为机械。人造的组合体、有确定的相对运动构件——独立的运动单元

内燃机中的连杆内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖零件——独立的制造单元第三节机械的运动可行性评价一、运动副、自由度与约束1.构件的自由度空间1构件有6个自由度，平面1构件有3个自由度。

2.约束

构成运动副的构件接触，会形成约束。约束是对构件自由度的限制。构件间不同的接触情况形成不同的约束数。

1.运动副的概念a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动定义：运动副——两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接。三个条件，缺一不可运动副元素——直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。I级副II级副III级副I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。3.运动副的分类：（1)按引入的约束数分有：(2)按相对运动范围分有：平面运动副——平面运动平面机构——全部由平面运动副组成的机构。IV级副例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。空间运动副——空间运动V级副1V级副2V级副3两者关联空间机构——至少含有一个空间运动副的机构。(3)按运动副元素分有：①高副——点、线接触，应力高。②低副——面接触，应力低例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副）、移动副。常见运动副符号的表示:国标GB4460－2013给定S3＝S3(t)，一个独立参数θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。

若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。若同时给定θ1和θ4

，则θ3θ2

能唯一确定，该机构需要两个独立参数。θ4S3123S’3θ11234θ1二、平面机构自由度的计算定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。原动件——能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数一、平面机构的自由度计算作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。yxθ(x,y)F=3单个自由构件的自由度为3自由构件的自由度数运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：构件自由度＝3－约束数移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3θ经运动副相联后，构件自由度会有变化：

＝自由构件的自由度数－约束数活动构件数

n

计算公式：

F=3n－(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度低副约束数

高副约束数

3×n2×PL1

×Ph①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1高副数PH=0S3123推广到一般：②计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2

高副数PH=01234θ1③计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1高副数PH=1123二、计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL－PH高副数PH=0=3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！1.复合铰链——两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。两个低副1.复合铰链——两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。两个低副⑥计算图示两种凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，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或计算时去掉滚子和铰链：

F=3×2－2×2－1=1定义：构件局部运动所产生的自由度。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp。滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。123123解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH=3×4－2×6=0PH=03.虚约束

对机构的运动实际不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。增加的约束不起作用，应去掉构件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。1234ABCDEF重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF4FAB＝CD＝EF虚约束⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。出现虚约束的场合：

1）两构件联接前后，联接点的轨迹重合，2）两构件构成多个移动副，且导路平行。

如平行四边形机构，火车轮，椭圆仪等。4）运动时，两构件上的两点距离始终不变。如天平机构。3）两构件构成多个转动副，且同轴。5）对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。EF6）两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!CDABGFoEE’⑧计算图示大筛机构的自由度。位置C，2个低副复合铰链:局部自由度1个虚约束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×9－1=2CD