《机械原理 第5版》 课件全套 刘会英 01-绪论、02-机构组成-总10-机械系统方案设计、11总复习

第一章绪论机械原理本章内容提要第一节机械原理课程学习概述第二节机械的基本概念《机械原理》是什么？为什么学习《机械原理》？如何学习《机械原理》？WWHhat?hy?ow?第一节机械原理课程学习概述What?《机械原理》是什么？机械原理是一门研究机械的运动学和动力学分析与设计的基本理论问题的课程。

（——定义）研究对象：机械（机器和机构）包含What?《机械原理》是什么？研究内容

本课程专门研究各种机器和机构的共性的基本理论问题，其主要内容有：(1)各种机构的分析问题：主要研究机构的结构分析、机构的运动分析和机构的受力分析等。(2)常用的各种机构的设计问题。(3)机器动力学问题。(4)机构创新与机械系统方案设计问题。机械原理教学内容体系机构分析结构分析力分析运动分析机构设计连杆机构轮系齿轮机构凸轮机构其他常用机构机构创新设计机械设计机械系统动力学设计机械系统方案设计

研究内容从机械设计的一般过程看学习机械原理的重要性。Why?为什么要学习《机械原理》？初期规划设计阶段选题调研预测可行性论证确定设计任务选择设计对象，提出设计题目市场调查：预测销售量及市场占有率技术调查：预测技术可行性及产品成本同行调查：预测领先的可能性论证产品开发的必要性和产品设计、制造、销售上各项措施实施的可能性明确设计目标及需达到的功能和性能指标调研报告论证报告设计任务书总体方案设计阶段目标分析根据设计任务，进行功能分析、工艺动作分解，明确各工艺动作的工作原理创新构思构思执行机构的运动方案并进行运动规律设计、机构形式设计和协调设计方案拟定拟定总体方案，进行执行系统、传动系统、原动机的选择和基本参数设计方案评价对方案进行有关计算，做模拟试验，进行功能、性能评价和技术、经济评价方案决策选最优，确认总体设计方案，绘制系统运动简图，编写总体方案设计计算说明书总体方案示意图、机械系统运动简图、运动循环图、方案设计计算说明书结构设计尺寸设计图纸绘制工艺设计工装设计施工设计结构技术设计阶段生产施工设计阶段从加工工艺、装配工艺性等因素出发，设计零部件的结构形式及连接方法选择零件材料、热处理方法和要求，确定零部件各部分的尺寸、公差、精度及制造安装的技术条件绘制总装配图、各类系统图、部件装配图和零件图。编制设计计算说明书进行加工工艺、装配工艺设计。制定工艺流程及零部件检验标准进行加工、装配时必要的工具、卡具、夹具和模具的设计，包括必要的专用加工设备及装置的设计制定装配调试、试运行及性能测试的步骤及各阶段的技术指标全套设计图纸、设计计算说明书工艺流程卡、工装设计图、基础安装图、使用说明书等Why?为什么要学习《机械原理》？从机械设计的一般过程看学习机械原理的重要性认识机械，了解机械本课程对机械的组成原理、工作原理、运动分析以及设计理论与方法都作了基本介绍，这对于在以后的专业课学习、实习以及在生活和工作中认识机械、了解机械和进一步创新机械都大有好处。例如：蒸汽机车的驱动机构实质上就是平行双曲柄机构与曲柄滑块机构的应用。Why?为什么要学习《机械原理》？掌握方法，分析机构

各种机械的形态和用途各不相同，但它们都有一个共同的特点：作机械运动。因而，运动几何学中的相对运动不变原理、相互包络原理等基本概念和方法，在各种机构的分析和设计中都得到广泛应用。例如：Why?为什么要学习《机械原理》？曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构开阔思路，设计与创新机械本课程的目的是提供基本方法，开阔思路，便于学习者运用它。根据实际要求分析比较各种机构的优缺点，合理地选择机构，构思并设计基本机构和机械系统。例如，以下几种机构都可以实现直线运动，但是在什么情况下用哪种机构更好一些，这要由设计者进行创造性运用。Why?为什么要学习《机械原理》？曲柄滑块机构凸轮机构齿轮齿条机构更新观念，发展机械学科当今机械学学科的发展与计算机技术的结合越来越紧密，在学习过程中，要充分利用机构分析与计算机快速计算、存储和比较的功能去解决较为复杂的机构设计问题，要把对机械的研究与其他学科的技术（电、液、气、计算机、控制等）充分地结合起来，去推动机械学科的发展。Why?为什么要学习《机械原理》？How?如何学习《机械原理》？常上网看看与同学侃侃(BBS)留心处处皆“机械”……多创新实践动脑动眼动耳动嘴动腿动手多想多看多听多问（讲）多跑多做同老师谈谈(BBS)保持好习惯——预习、听课、讨论、作业、博览、广闻、践行、总结How?如何学习《机械原理》？常上网看看

课程简介

基本要求

教学设计

教学进度

电子教案

CAI课件

网络课程

学习指南

师资队伍

教改成果

教材建设

课堂录像

课程设计

课程实验

课后作业知识拓展丰富的网络资源从几个名词概念开始认识、学习机械:

机器

机构

构件

零件

机械第二节机械的基本概念2.机器

是一种可用来传递或变换能量、物料与信息的机构或机构的组合。它有三个特征。在日常生活和工程实践中随处都可见到各种各样的机器。例如：1.机构是用来传递与变换运动和动力的可动装置。它有两个特征。

它是机器的重要组成部分。例如：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。例如：

机构组成机器两个特征1）它是人为的实体组合；2）各实体之间具有确定的相对运动；机器的特征3）它用来完成有用功、转换能量或处理信息。从结构与运动的角度分析，二者无异，统称为机械。机构机器3.机械

4.构件

所谓构件是指机器或机构中独立的运动单元。例如：

5.零件

所谓零件是指机器或机构中独立的制造单元。例如：零件组成构件习题

1.辨一辨：辨析以下术语，并填空。

机器

机构

构件

零件

机械

2.谈一谈：谈谈你对机械学科的认识。

3.想一想：说说机械原理课程的地位和作用。

4.练一练：试就某简单日用机械（如摇头风扇）分析其组成与工作原理。（）个（）个（）个参考文献[1]王知行,刘廷荣.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2000.[2]孙桓,陈作模.机械原理[M].5版.北京:高等教育出版社,2000.[3]郑文纬,吴克坚.机械原理[M].北京:高等教育出版社,1997.[4]曹惟庆.机构组成原理[M].北京:高等教育出版社,1983.[5]张启先.空间机构的分析与综合[M].北京:机械工业出版社,1984.[6]孙桓.机械原理课程参考教案[M].西安:西北工业大学,1992.[7]申永胜.机械原理教程[M].北京:清华大学出版社,1999.[8]申永胜.机械原理辅导与习题[M].北京:清华大学出版社,1999.进入下一章学习回本章首页该下课了！第二章机构的组成和结构分析机械原理第一节机构的组成第二节机构运动简图及其绘制第三节机构自由度的计算第四节平面机构的组成原理与结构分析第五节平面机构的结构综合本章内容提要

研究机构的组成及机构具有确定运动的条件。研究机构运动简图的绘制方法，即研究如何用简单的图形表示机构的结构和运动状态。

研究机构的组成原理，并根据结构特点对机构进行分类，以便于对机构进行结构分析。

研究机构结构综合方法，即研究在满足预期运动及工作条件下，如何综合出机构可能的结构形式。机构结构分析的目的第一节机构的组成平面机构：所有构件在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。

1.构件构件的自由度：构件的独立运动参数的数目。一、平面机构的组成原动件:运动规律已知的活动构件。从动件:随原动件运动的其余活动构件。固定件(机架):支承活动构件的构件。机器中每一个独立的运动单元。2.运动副两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接。球面高副螺旋副柱面副球销副球面低副圆柱套筒副转动副移动副平面运动副低副——面接触（转动副、移动副）高副——点、线接触（凸轮副、齿轮副)齿轮副凸轮副3.运动链将构件通过运动副连接而构成的系统。闭式链开式链构件+运动副=运动链机构=

运动链固定一个构件的4.机构一、平面机构运动简图

用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。这种说明机构各构件间相对运动关系的简单图形称为机构运动简图。构件表示方法原动件：固定件：构件刚化：第二节机构运动简图及其绘制运动副表示方法运动副表示方法二、运动简图的绘制步骤1.分析机构运动，弄清构件数目；4.标注——构件编号、运动副字母、原动件箭头。3.表达运动副和构件；三选——选视图、选比例、选位置2.判定运动副的类型和数目；

——按接触情况和相对运动例2-1牛头刨床运动简图试绘制图示牛头刨床主运动机构的机构运动简图。

牛头刨床主运动机构试绘制图示摆动式液压泵的机构运动简图。

例2-2三、平面机构运动简图绘制时注意问题1.忽略构件外形，关注运动副关系；2.视图平面一般选择为构件的运动平面；3.同一构件上的不同零件尽可能用同一数字标注。机构的自由度——机构所具有的独立运动的数目。第三节机构自由度的计算结论：

平面低副具有两个约束，平面高副具有一个约束。转动副构件移动副构件高副构件一、机构自由度计算公式例2-3

求铰链四杆机构的自由度。（当构件1为原动件时，机构有确定的相对运动。给出一个参变量

1，构件2、3便有一个相应位置）

设机构有N个构件，N-1=n个活动构件，用PL个低副，PH个高副连接后，机构的3n个自由度，受到2PL+PH个约束，则机构自由度解：n=3，PL=4，PH=0F＝3×3－2×4－0＝1

铰链四杆机构解：

n=2，PL=3，PH=0F＝3×2－2×3－0＝0

（机构不能运动）例2-5求铰链五杆机构的自由度。（构件１为原动件，处于AB位置时，构件2、3、4位置不确定。当取构件1和4为原动件时，机构各构件的运动确定。）铰链五杆机构三杆机构例2-4求三杆机构的自由度。解：

n=4，PL=5，PH=0

F＝3×4－2×5－0＝2结论：机构具有确定运动的条件是

F>0且F等于原动件数W。二、机构具有确定运动的条件通常，每个原动件只具有一个独立运动，因此，机构自由度数与原动件的数目相等时，机构才能有确定的运动。牛头刨床的原动件为电动机例2-6分析牛头刨床机构的自由度。（因原动件数为1，等于自由度数，故机构具有确定的相对运动。）解：n=6，PL=8，PH=1

F＝3×6－2×8－1＝1

复合铰链——两个以上的构件同在一处以转动副相连接。

Ｋ个构件，构成Ｋ-１个转动副。三、计算平面机构自由度时的注意问题（有错误吗？）惯性筛机构例2-7计算图示惯性筛机构的自由度。解：此机构C处由三个构件组成复合铰链，则n=5，PL=7，PH=0。由机构自由度公式得

局部自由度F′

——与整个机构运动无关的自由度。凸轮机构中图：右图：（有错误吗？）

虚约束——重复限制机构运动的约束。中图：右图：轨迹重合——被连接件上的轨迹和机构上连接点的轨迹完全重合。平行四边形机构虚约束之一（有错误吗？）

移动副导路平行——两构件在多处构成移动副且移动方向彼此平行时，只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。如右图所示机构D、D′之一为虚约束。这时：虚约束之二

虚约束之三

转动副轴线重合——两构件有多处接触而构成转动副且转动轴线相互重合时，只有一个转动副起约束作用，如右图，曲轴的两转动副A

、B之一为虚约束。这时：AB

虚约束之四

高副接触点公法线重合——两构件在多处接触而构成平面高副且各接触点处的公法线彼此重合时，只有一个高副起约束作用，如图中凸轮与从动杆构成的两高副A

、B之一为虚约束。这时：ABF=3×2－2×2－1×1=1虚约束之五

对称部分——机构中存在对传递运动不起独立作用的对称部分。行星轮系中的行星轮2′、2〞为虚约束，去掉后行星轮系行星轮2"行星轮2'

例2-8计算大筛机构的自由度，并判断机构运动是否确定。

解：由左图可知滚子具有局部自由度，Ｃ处为复合铰链，

Ｅ、G之一为虚约束。按右图分析。则因F＝W＝２，所以该机构运动是确定的。机构自由度计算公式讨论：局部自由度数虚约束数一、全低副机构的组成=基本机构+从动件系统试分析曲柄摇杆机构的组成特点：全低副机构=第四节平面机构的组成原理与结构分析1.

基本机构原动件+机架=一个基本机构的自由度数为12.从动件系统n为2的倍数，PL为3的倍数杆组——最简单的自由度为零的构件组——Ⅱ级杆组（Ⅱ级组）a)RRR型b)RRP型c)RPR型d)PRP型e)RPP型——Ⅲ级杆组（Ⅲ级组）基本机构+杆组=机构若干机构的组成原理：任何机构都是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的系统。在同一机构中可包含不同级别的基本杆组，我们把机构中所包含的基本杆组的最高级数作为机构的级数，这就是机构的结构分类方法。++=

综上所述，把若干个自由度为零的基本杆组依次连接到原动件和机架上，就可组成一个新的机构，其自由度数与原动件数目相等。上图表示了根据机构组成原理组成机构的过程。首先把Ⅱ级杆组BCD通过其外副B、D连接到基本机构上形成四杆机构ABCD。再把Ⅲ级杆组通过外副E、I、J依次与Ⅱ级杆组及机架连接，组成图示的八杆机构。根据机构的级的定义，该机构为Ⅲ级机构。例2-91.高副低代：将机构中的高副根据一定的条件虚拟地以低副加以代替。2.应满足的条件：3.替代关键：

高副用一个构件、两个低副代替。过接触点找曲率中心。二、高副机构的组成——用高副低代机构分析自由度完全相同。瞬时速度和加速度完全相同。代替机构和原机构例2-10图示机构中高副用低副取代。43124.高副低代有两种特殊情况:(1)如果两接触轮廓之一为直线，替代转动副演化成移动副,如左图所示。(2)若两接触轮廓之一为一点，其替代方法如右图所示。方法：例2-11计算上图所示机构的自由度，并确定机构的级别。③从远离原动件的构件开始拆杆组，先试拆Ⅱ级组，不成，再拆Ⅲ级组。每拆出一杆组后，剩下部分仍是一个与原机构有相同自由度的机构，直至只剩下基本机构。②高副低代。①正确计算机构自由度。三、平面机构的结构分析目的：了解已知机构的组成情况，并确定机构的级别。解：该机构自由度，F=3×5－

2×7=1。该机构为II级机构。该机构为低副机构。由两个II级杆组加基本机构组成。例2-12计算图示机构的自由度，并分析当构件1和5分别为原动件时机构的级别。612345解：F=3×5－

2×7=1

构件1为原动件时：612435机构为Ⅱ级机构。123465构件5为原动件时：机构为Ⅲ级机构。根据机构的输入特性与输出特性的要求设计机构运动简图的过程。机构综合：结构综合的方法：

基本杆组叠加法。往基本机构上连接自由度等于零的基本杆组第五节平面机构的结构综合

例如：破碎机机构就是由两个II级杆组和基本机构串联构成的。

平面机构如果没有高副，则可综合出各种类型的基本杆组，再利用串联、并联等方式将基本杆组与基本机构连接起来，即可得到各种类型的机构。例2-13试分析图示牛头刨床的结构，如有问题，请改正。a)d)b)c)（2）结构分析解:（1）

计算机构自由度

F＝3n－2PL－PH＝3×4－2×6＝0

机构不能动。

上页图c所示部分不是杆组，机构组成不合理。可变成图d所示杆组。这时机构改成如右图所示的机构。该机构为Ⅱ级机构。请分析其他改进方案？试一试能够提出几种？请分析其他改进方案？试一试能够提出几种？大讨论分析总结使机构增加一个自由度的方法。绘制机构运动简图计算自由度结构分析结构综合→→结构？NY构件+运动副→→运动链→→F>0?→→机构有确定运动的条件(1)分析运动，数清构件(2)判定运动副性质并表达之(3)表达构件注意：(1)复合铰链

(2)局部自由度

(3)虚约束F=原动件数机构=基本机构+杆组杆组：3n=2PL二级杆组：n=2，PL=3三级杆组：n=4，PL=6零件机器机械高副低副转动副移动副代机架主动件从动件本章小结进入下一章学习回本章首页该下课了！第三章平面机构的性能分析机械原理第一节平面机构的运动分析第二节平面机构的力分析本章内容提要机构运动分析：目的：方法：1一、机构运动分析的目的和方法第一节平面机构的运动分析根据原动件已知运动规律求其他构件上某点的位移、速度、加速度及构件角位移、角速度、角加速度。

确定构件运动空间、行程及某点的轨迹；判定构件是否干涉；为机构受力分析做准备。图解法（速度瞬心法、矢量方程图解法）；解析法。图解法作机构位置图：由原动件开始，按机构组成顺序，逐步按杆组依次确定各运动副的位置。动点轨迹：作出机构位置图后，任何动点的位置随之确定。同一动点的一系列位置的连线，即是该动点的轨迹。二、平面机构的位置图及动点轨迹的求法平面机构的位置图平面机构的动点轨迹速度瞬心

做平面相对运动的两构件上，瞬时相对速度为零的点或瞬时绝对速度相等的点。用Pij表示。2.瞬心的数目

设N

为组成机构的构件数（含机架），K为瞬心数，则若该点绝对速度为零——绝对瞬心。若该点绝对速度不为零——相对瞬心。三、速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用12P12(1)两构件组成转动副

转动副中心即为瞬心(2)两构件组成移动副

瞬心位于移动副导路的垂直方向上无穷远处12P12∞(3)两构件组成高副

瞬心位于接触点公法线nn上某一点12P12nn3.瞬心的位置(4)两构件不直接成副

用三心定理确定瞬心三心定理：

三个彼此作平面平行运动的构件的三个瞬心必位于同一直线上。证明：

设三个构件应有三个瞬心，已知P12、P13，何处为P23？要满足瞬心定义，P12、P13、P23必位于一条直线上。K321vK3P12P13

2

3vK2例3-1已知构件1为原动件，求四杆机构的全部瞬心及C点速度和构件2及构件3的角速度。4.用瞬心法进行机构速度分析(1)求C点速度及构件2角速度vB

=ABω1ω2=vBBP24vC

=CP24ω2(2)求构件3的角速度vP13

=AP13ω1ω3=DP13vP13=DP13ω3(2)可求某构件的角速度。(1)可求某一构件上某点的速度。(3)不便对构件较多的机构进行速度分析，且不能进行加速度分析。1)找出该构件的绝对瞬心；2)求该构件与已知构件相对瞬心一点的速度；3)求出该构件角速度；4)求出该构件上某点的速度。1)找出该构件的绝对瞬心；2)找出该构件与已知构件的相对瞬心；3)两构件的角速度之比等于其绝对瞬心至其相对瞬心的距离的反比。小结瞬心法矢量——具有大小和方向的物理量回顾一下。。。四、用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析ωεOaAn=0Aω2刚体转动：AaAτ=0Aε回顾一下。。。刚体平动：aAnaAτvA=0Aω刚体上任一直线始终与原位置平行。刚体平动时各点速度和加速度均相同。平面运动：可分解为平动加转动回顾一下。。。刚体平面运动：刚体内任一点与某个固定平面之间的距离始终保持不变。1.同一构件上两点间速度、加速度关系C点运动=随B点平动+绕B点转动ABC1

1234E例3-2已知图示机构各构件的尺寸及原动件1的角速度

1，求C点的速度vc及构件2和构件3的角速度

2及

3。解：

(1)列矢量方程,

分析各矢量大小和方向。(2)定比例尺，作矢量图。(3)量取图示尺寸，求解未知量。求E点的速度vE。ABC1

1234D

大小：？lAB

1

？

方向：⊥CD⊥AB⊥BC列方程:

pbc定比例尺：作矢量图：求未知量：ABC1

1234D

大小：√？√？方向：⊥AB⊥EB⊥CD⊥EC列方程:

pbce求E点的速度vEEABC1

1234D速度多边形特性：(1)连接极点p和任一点的矢量代表该点的绝对速度，指向为从p指向该点。(2)连接其他任意两点的矢量代表该两点的相对速度，指向与速度角标相反。(3)极点代表构件上速度为零的点。(4)因

bce与

BCE相似，故图形bce称为构件图形BCE的速度影像。

pbceEABC1

1234D例3-3已知原动件1的角速度

1，并求出了构件2和3的角速度

2及

3。求C点的加速度ac及构件3的角加速度

3。求E点的加速度aE。解：

(1)列矢量方程，(2)定比例尺，作矢量图。(3)量取图示尺寸，求解未知量。分析各矢量大小和方向。EABC1

1234D大小：

lCD

32

？lAB

12

0lBC

22

？

方向：

C→D⊥CD

B→A⊥AB

C→B⊥BC列方程：定比例尺：p’b’c’n3n2e’EABC1

1234D加速度多边形特性(1)连接极点p'和任一点的矢量代表该点的绝对加速度，指向是从p'点指向该点。(2)连接其他任意两点的矢量代表该两点的相对加速度，指向与加速度的下角标相反。(3)极点p'代表构件上加速度为零的点。(4)因

b'c'e'与

BCE相似，故图形b'c'e'称为构件图形BCE的加速度影像。P'b'c'n3n2e’EABC1

1234D平面机构的运动分析运动传递：1→2→3→4→5知求1→B1(B2)→B3→D→E(5)CF求解顺序：杆组2-3影像法杆组4-5杆组2-3杆组4-5同一构件上两点间速度、加速度关系两个构件重合点间速度、加速度关系2.

两个构件（组成移动副）重合点间速度、加速度关系B2点运动=

B3点牵连运动+B2与B3的相对运动4A1B2C3绝对运动：构件2上B点相对于机架的运动牵连运动：构件3相对于机架的运动相对运动：构件2上B点相对于构件3的运动速度合成定理绝对速度=牵连速度+相对速度加速度合成定理牵连运动为平动时绝对加速度

=牵连加速度+相对加速度牵连运动为定轴转动时绝对加速度

=牵连加速度+相对加速度+哥式加速度例3-4已知原动件1的角速度

1及机构尺寸，求

3

、

3。4A1B2C3

1列方程：

大小：lAB

1

？

？

方向：⊥AB⊥BC∥BC定比例尺：作矢量图：pb2b3解：(1)求构件3的角速度

3。4A1B2C3

1作矢量图：大小：

lAB

120lBC

32

？

？

2

3vB2B3

方向：

B→A⊥AB

B→C⊥BC∥BC⊥BC定比例尺：p’b2’b3’b3’’k(2)求构件3的角加速度

3。列方程：例3-5已知原动件1的角速度

1及机构尺寸，分析B点的加速度。4A1B2C3

1例3-6已知原动件1的角速度

1及机构尺寸，分析构件3的角速度和角加速度。A1B2C3D

14⊥AB⊥BC∥DCpb2b3B→AB→C⊥BC∥DC⊥DC

√√？？√p'b2'n3b3'k

√?？

两构件重合点间运动关系分析时应注意：(1)

滑块与导杆相对移动时，滑块角速度同导杆一致。(2)

对于活动导路为转动的移动副进行加速度分析时，除牵连加速度和相对加速度之外，应添加：哥氏加速度aKC2C1其大小为

aKC2C1

=2

1vC2C1其方向为相对速度vC2C1按牵连角速度

1的方向转过90的指向。例3-7综合运用瞬心法和矢量方程图解法，对复杂机构进行速度分析。++=67B→C→E→F→G→H↑↑↑↑↑DDP58JI课堂测验：试用图解法对图示平面机构进行运动分析运动传递：1→2→3→4→5知求1→B1(B2)→B3→D→E(5)CF求解顺序：杆组2-3影像法杆组4-5杆组2-3杆组4-5同一构件上两点间速度、加速度关系两个构件重合点间速度、加速度关系列方程、画速度加速度多边形示意图图解法小结：（1）直观、方便；（2）精度不高；（3）分析一系列位置不便。封闭矢量多边形投影法矩阵法复数矢量法杆组法位置分析是关键！位置分析确定后，对时间求一阶、二阶导数，就可得到速度、加速度。五、用解析法作机构的运动分析ABCD1234xy

1

2

31.位置分析2.速度分析3.加速度分析

封闭矢量多边形投影法ABCD1234xy

1

2

3

矩阵法以速度分析为例：用矩阵表示：式中：——机构从动件位置参数矩阵——机构从动件速度矩阵——机构原动件位置参数矩阵课堂小结2.矢量方程图解法进行运动分析矢量方程，1.瞬心法对简单机构进行速度分析速度瞬心的概念；三心定理的应用。两种情况：同一构件上两点间运动关系分析；组成移动副两构件重合点间运动关系分析。速度多边形及加速度多边形作法及特性。3.解析法进行运动分析的基本思路机构位置方程的建立。作业：3-1、3-4、3-9、3-10（选做）、补充题练习

在图示机构中，设已知各构件长度lAD=85mm，lAB=25mm，lCD=45mm，lBC=70mm，原动件以角速度ω1=10rad/s转动，试用图解法求在图示位置时E点的速度vE和加速度aE，以及构件2的角速度ω2和角加速度ε2。预习内容：

平面机构力分析1.作用在机构上的力驱动力——促使机构运动的力。

特征：力与受力点速度方向相同或成锐角。阻抗力——阻止机构运动的力。

特征：力与受力点速度方向相反或成钝角。

一、机构中所受的力及力分析的目的和方法第二节平面机构的力分析2.力分析的目的和方法目的：确定运动副中反力，从而计算构件强度；确定机械功率、效率;

确定平衡力。方法：

不计惯性力——静力分析（低速机械）计及惯性力——动态静力分析（高速机械）（图解法、解析法）(1)作平面复合运动的构件PIPI′lh质心处惯性力

PI=-m

aS惯性力偶矩

MI=-JS

合成为：PI'lh=MI/PI

1.一般力学方法

二、构件惯性力的确定ABCDass

MIPIABCaSs(2)作平面移动的构件质心处的惯性力

PI=-maSSaSaStaSn

(3)作定轴转动的构件绕通过质心的定轴转动惯性力偶矩

MI=-JS

绕不通过质心的定轴转动PIPI'质心处惯性力

PI=-maS惯性力偶矩

MI=-JS

合成：PI'S

MIMI

按一定的条件将构件的质量假想地用集中于若干选定点上的质量来代换，并使其惯性效果与原来相同——质量代换法。

选定点——代换点集中于代换点的质量——代换质量2.质量代换法代换条件构件总质量不变；构件质心位置不变；构件对质心的转动惯量不变。mB+mK=mmBb=mKkmBb2+mKk2=JSmB=mk/(k+b)mk=mb/(k+b)k=JS/mbSBKmBmKbkm代换类型此时可同时选定B、K两点，mB=mk/(k+b)保证PI不变。mK=mb/(k+b)此时只能选定一点B，K点由计算确定，保证PI、MI均不变。满足构件总质量不变；构件质心位置不变；构件对质心的转动惯量不变。——动代换满足构件总质量不变；构件质心位置不变。——静代换质心处惯性力

PI=-maS惯性力偶矩MI=-JS

连杆质量m，质心s：PCIPI选定B、C两点作静代换PBI代换质量：mb、mcB处惯性力

PBI=-mbaBC处惯性力

PCI=-mcaCABCsMI1.构件组的静定条件RRnncR运动副反力分析反力通过转动副中心反力沿导路垂线方向反力过接触点沿公法线已知作用点，未知大小和方向已知方向，未知作用点和大小已知作用点和方向，未知大小

转动副移动副高副

三、图解法作机构动态静力分析设：构件数为n，低副数为PL，高副数为PH，基本杆组是静定的，受力分析时，应以基本杆组为隔离体。若运动副全为低副，条件为

3n-2PL=0即3n=2PL即3n–2PL

–PH

=0——力的静定条件则：平衡方程数为3n,未知要素数为2PL+PH，须满足3n=2PL+PH2.机构动态静力分析方法(1)机构运动分析；(3)拆杆组并逐一对基本杆组进行受力分析，写出矢量平衡方程，作矢量多边形，求解未知力。(2)求各构件惯性力，作为外力和外力矩加在相应构件上；

画出构件上的已知外力、惯性力、拆杆组后运动副之间的反力。例3-8已知图示机构中各构件尺寸及构件3的重量G3、转动惯量J3，滑块5的重量G5及生产阻力Fr，求各运动副反力及原动件1上应加的平衡力矩Mb。pb2b3P'b2’n3b3’kded'e’(1)运动分析4A1B2C3

15DEs3G3G56Frds3'4A1B2C3

15DEs3G3G5(2)求惯性力及惯性力偶矩构件3上惯性力构件3上惯性力偶矩FI3'h3FI3'滑块5上惯性力FI5'G5FI5'(3)拆杆组进行受力分析45FrR654A1B2C3

15DEs3G3FI3'h3FI5'6R34G5FrFI5R65R34(3)拆杆组进行受力分析（续）4A1B2C3

15DEs3G3FI3'h3FI5'6G5FrFI5R65R3423FI3'h3G3R43R12R43R12FI3G3ΣMC=04A1B2C3

15DEs3G3FI5'6R21G5FrFI5R65R34R43R12FI31R61MbR63平衡力矩：Mb运动副反力：R61、R12、R63、R43、R65(3)拆杆组进行受力分析（续）(3)

作力多边形时，同一构件上的作用力应放在一起，成对的力衔接画，将只知方向不知大小的力作为力多边形的封闭边。图解法进行机构动态静力分析时应注意：(2)

基本杆组外端副为转动副时，反力分解为沿构件轴线和垂直于构件轴线的两个分力。借助于力矩平衡条件，对内端副取力矩，求出垂直分力的大小。(1)

基本杆组的拆分顺序应从离作用有未知平衡力构件最远的基本杆组开始，最后剩下作用有未知平衡力的构件，而不管该构件是原动件还是从动件。本章小结机构惯性力的确定；质量代换法；平面复杂运动构件的惯性力质量代换的条件及代换意义

机构动态静力分析。适用场合，分析方法及平衡力的意义作业：4-8，4-9（静代换），4-16预习内容：运动副中的摩擦、机械效率及自锁摩擦的影响：运动副元素受磨损，降低强度、精度、寿命；发热膨胀、运转不灵、润滑恶化；降低效率。研究目的：了解运动副中摩擦状况并掌握其分析计算方法，以减小摩擦的不利影响，充分发挥其有利作用。1.研究机械中摩擦的目的四、机械的摩擦和机械效率QPv1212(1)移动副中的摩擦平面摩擦N21F21R21法向反力N21=Q摩擦力F21=fN21=fQ合成为总反力R21

——摩擦角tan

=F21/N21=f考虑摩擦时，移动副中总反力偏离法向一摩擦角。

偏离方向与运动方向相反。2.运动副中的摩擦

12Qv12P

槽面摩擦N21/2N21/2F21法向反力

N21=Q/sin

摩擦力

F21=fN21=fQ/sin=fvQ

fv=f/sin

——当量摩擦系数tan

v=fv

v——当量摩擦角

vR21

受力分析

v12QP21N21F21滑块沿斜面匀速上升法向反力N21摩擦力F21合成为总反力R21R21

P+Q+R21=0驱动力P=Qtan(+)PQR21

+

受力分析滑块沿斜面匀速下降法向反力N21摩擦力F21合成为总反力R21P'+Q+R21=0

阻抗力P'=Qtan(-)

v12QP'21N21F21R21

-

P'QR21当

＜

时，P'为负

——驱动力螺母逆Q而上时P=Qtan(

+

)即正行程M=Pd2/2=Qd2tan(

+

)/2螺母顺Q而下时P’=Qtan(

-

)即反行程M’=P’d2/2=Qd2tan(

-

)/2螺母逆Q而上时P=Qtan(

+

v)即正行程M=Pd2/2=Qd2tan(

+

v)/2螺母顺Q而下时P'=Qtan(

-

v)即反行程M'=P'd2/2=Qd2tan(

-

v)/2(2)螺旋副中的摩擦矩形螺纹QMQ

d2l

P三角螺纹返回(3)转动副中的摩擦1)轴颈摩擦Q12R21=QMd=R21

=QR21

N21F21以O为圆心，

为半径的圆——摩擦圆摩擦力矩Mf=F21r=fvQr=QF21=fvQ

，fv=(1-1.57)f摩擦力=fvr考虑摩擦时，转动副中总反力偏离转动中心一摩擦圆半径。Md转动副中总反力方向的判定：不考虑摩擦，初定总反力方向；

总反力应切于摩擦圆；

总反力对轴颈中心的矩的方向与轴颈相对于轴承的角速度方向相反。例3-9四杆机构如图所示，驱动力矩M1，阻抗力矩M3，试确定转动副中作用力方向和位置。

R12R32BAR21M1R41DCR23R42M3ABCD1234

1M1M32)轴端摩擦新轴端：p=常数Mf=2fQ(R3-r3)/3(R2-r2)跑合轴端：=常数Mf=fQ(R+r)/212QMd

Rr输入功Wd

——驱动力所作的功。输出功Wr

——克服生产阻力所作的功。损失功Wf——克服有害阻力所作的功。Wd=Wr+Wf机械效率

——输出功与输入功的比值。

＜13.机械的效率vpPQvQ设：P为驱动力，该处速度vp；

Q为生产阻力，该处速度vQ。机械效率=不计摩擦时克服生产阻力所需理想驱动力与克服同样生产阻力（连同摩擦力）所需实际驱动力之比。机械效率：理想机械效率实际机械效率：假设：机械中不存在摩擦——理想机械克服同样生产阻力Q需要的驱动力P0——理想驱动力例如，分析螺旋机构的效率。逆Q而上，正行程中:顺Q而下，反行程中:机组效率串联：并联：混联：减小运动副摩擦缩短传动链12KNdN1N2Nk123NdN1N2NkN1’N2’Nk’提高效率的措施12机械自锁——不论作用在机械上的驱动力如何增大，也无法使机械运动的现象。自锁条件——根据运动副判别

PPtPn驱动力PPt=Psin=Pntan

Pn=Pcos

摩擦力F21=fN21=fPn=Pntan

当

≤

时，Pt

≤F21自锁N21F21

R21移动副中，驱动力作用在摩擦角之内时将发生自锁。4.机械的自锁12a

PR21驱动力P驱动力矩Md=Pa摩擦力矩Mf=R21=P当a≤

时，Md

≤Mf

——自锁转动副中，驱动力作用线与摩擦圆相切时将发生自锁。自锁条件——根据机械效率判别当Wd≤Wf时，

≤0例如，分析螺旋千斤顶机构在重力Q作用下的自锁条件。反行程时效率：自锁条件：

≤0即

≤

V自锁条件——根据阻抗力判别机械自锁时：阻抗力≤0即该力变为驱动力时，才能使机械运动例如螺旋千斤顶反行程时，阻抗力为P'P'=Qtan(-)自锁条件：P'≤0，即≤课堂小结1.机械中摩擦的影响。2.移动副、转动副、螺旋副中摩擦力的分析。3.机械效率的意义、表达方式。4.机械的自锁及自锁条件的判别。作业：5-8、5-11进入下一章学习回本章首页该下课了！第四章连杆机构及其设计机械原理第一节平面四杆机构的类型及其演化第二节平面四杆机构的基本特性第三节平面连杆机构设计第四节多杆机构本章内容提要平面连杆机构

将若干个构件用低副连接起来并作平面运动的机构，称为平面连杆机构。这种机构也称为低副机构。铰链四杆机构

雷达天线机构第一节平面四杆机构的类型及其演化运动副为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击。平面连杆机构的特点可以实现不同的运动规律和特定轨迹要求。构件可以很长，用于远距离的操作。运动副的形状简单、规则，容易制造。5.运动传递路线较长，易产生累积误差。6.惯性力难以平衡，不易于高速运动。用于实现远距离操作及受力大的场合挖掘机用于受力大的场合破碎机搅拌机实现给定轨迹用于实现各种不同的运动规律要求

惯性筛铰链四杆机构

全部运动副都为转动副的四杆机构。连杆：不与机架相连并作平面运动的构件。一、基本类型四杆机构

由四个构件组成的平面连杆机构。机架：支承传动零件。曲柄：与机架相连并作整周转动的构件。摇杆：与机架相连并作往复摆动的构件。曲柄、摇杆——连架杆曲柄机架连杆摇杆1.曲柄摇杆机构两连架杆中，一个作整周转动，一个作往复摆动。曲柄摇杆机构的应用颚式破碎机构四杆破碎机构曲柄摇杆机构的应用雷达天线机构搅拌机机构2.双曲柄机构两连架杆均能作整周转动。双曲柄机构的应用正平行四边形机构机车车轮驱动机构摄影平台升降机构车门机构3.双摇杆机构

两连架杆均不能作整周转动。双摇杆机构的应用鹤式起重机构1.改变运动副尺寸——

曲柄演化为偏心轮二、演化形式

当曲柄的实际尺寸很短并传递较大的动力时,可将曲柄做成几何中心与回转中心距离等于曲柄长度的圆盘，常称此机构为偏心轮机构。偏心轮机构的演化曲柄摇杆机构双偏心轮机构

在曲柄摇杆机构中，若摇杆的杆长增大至无穷长，则其与机架相连的转动副转化成移动副。2.改变构件形状——转动副演化为移动副单移动副机构双移动副机构1)曲柄滑块机构（固定导杆）3.选用不同构件为机架对心式偏置式2)曲柄摇块机构（固定与滑块相对转动的构件）自卸卡车3)导杆机构

(固定与滑块不相连的构件)摆动导杆机构导杆机构转动导杆摆动导杆转动导杆机构转动导杆机构的应用

摆动导杆机构的应用4)定块机构（固定滑块）

唧筒定块机构四杆机构的基本形式

曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构

课堂小结2.四杆机构的演化形式

偏心轮与转动副的关系移动副与转动副的关系曲柄滑块机构摆动导杆机构一、曲柄存在的条件第二节平面四杆机构的基本特性

曲柄整周转动，曲柄AB必须顺利通过与机架AD共线的两个位置AB1和AB2。当曲柄处于AB2时，有

b≤(d－a)＋c

a＋b≤c＋d

c≤(d－a)＋b

a＋c≤b＋d

a＋d≤b＋c

当曲柄处于AB1时，有前三式两两相加可得

转动副成为周转副的条件:

(2)组成周转副的两杆中必有一杆为四杆中的最短杆。(1)杆长条件：最短杆与最长杆的长度和应小于或等于其余两杆的长度和。同时即最短杆为机架——

双曲柄机构最短杆为连杆——

双摇杆机构(2)当时：双曲柄机构双摇杆机构(1)当时：最短杆为连架杆——曲柄摇杆机构铰链四杆机构类型的判断方法：无论何杆为机架——均为双摇杆机构曲柄摇杆机构例4-1图示铰链四杆机构，BC=50mm，CD=35mm，

AD=30mm，AD为机架，若为曲柄摇杆机构，

试讨论AB的取值范围。解：ABCD若为曲柄摇杆机构，则AB必为最短杆，由杆长条件得AB+BC≤CD+AD所以，AB≤CD＋AD－BC=(35＋30－50)mm=15mm即AB≤15mm时，该铰链四杆机构为曲柄摇杆机构。二、急回运动特性——原动件匀速连续回转，从动件往复运动速度不同的性质。机构极位——曲柄与连杆两次共线时的位置。极位夹角——原动件曲柄在机构极位时所夹的锐角

。摆角——从动件摇杆两极限位置的夹角

。摆角

,时间t1摆角

,时间t2

因为α1＞α2且曲柄匀速所以t1

＞t2

曲柄摇杆

原动件匀速转动时，从动件往复运动速度快慢不同，称为急回运动特性。故摇杆C点平均速度

四杆机构从动件空回行程平均速度与工作行程平均速度的比值称为行程速比系数，用K表示：

（2）当

>0°，K>1，机构有急回作用。因此，（1）当

=0°，K=1，机构无急回作用。压力角——从动件在Ｃ点的受力方向与该点速度方向所夹的锐角，称机构在此位置的压力角，用

表示。有效分力有害分力

压力角

越小，推动机械运动的有效分力越大，故压力角越小越好。三、压力角和传动角F

Fn

vFtFABCD

传动角

越大，推动机械运动的有效分力越大，故传动角越大越好。

min

40°大功率机械：

min

50°

min的位置：曲柄与机架两共线位置之一——最小传动角位置。对

min的要求：

传动角：压力角的余角，用

表示。（图示∠

B1C1D=

min）死点位置:

机构顶死，不能运动；或出现运动不确定。四、死点位置死点位置的危害：

从动件的传动角

等于零时机构所处的位置。

克服死点的措施：1.利用惯性,如飞轮。2.采用几套相同的机构错位。3.利用虚约束,如蒸汽机车中的平行四边形机构。死点位置的利用夹紧机构

从动件不能在两个不连通的可行域内连续运动，这种运动的不连续一般称为错位不连续；C2B1AC1DB2BC

'

五、运动的连续性从动件不能违反运动顺序，否则称为错序不连续。设计任务：根据给定的运动要求选定机构的型式,并确定其各构件的尺寸参数。设计的基本问题:

满足预定的运动规律要求:

要求原动件运动规律一定的条件下，从动件满足预定的运动规律要求。（图解法、解析法）

满足预定的轨迹要求:

要求连杆上某些点的轨迹能符合预定的要求，称为轨迹机构设计。（解析法、实验法）

满足预定的连杆位置要求:

要求连杆能顺序地实现一些给定位置，称为导引机构设计。（图解法、解析法）继续第三节平面连杆机构设计一、图解法

1.按连杆预定的位置设计四杆机构1）作出已知的连杆位置B1C1、B2C2、B3C3；2）分别连接B1B2、B2B3、C1C2、C2C3；3）分别作B1B2、B2B3、C1C2、C2C3的垂直平分线,取对应的交点为A与D；4）连接AB1、C1D，并求得各构件尺寸长度。已知条件：连杆长度lBC和连杆的三个给定位置B1C1、B2C2、B3C3。应用于车门装置、炉门装置等。返回炉门装置2.按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构已知条件：机架长度lAD和两连架杆的三个对应位置AB1、ID和AB2、IID及AB3、IIID。C1B2'-

12B3'-

131）作出两连架杆的几个对应位置；2）连接B2D，绕D点转-

12角，得B2'点；3）连接B3D，绕D点转-

13角，得B3'点；4）分别作B1B2'、B2'B3'的垂直平分线，两线交于ⅠD

杆上C1点；5）确定连杆BC和连架杆CD的长度。

12

13ⅠⅡⅢD

12

13B2B3AB13.按给定的行程速比系数Ｋ设计四杆机构已知条件：摆角

设计关键：找铰链中心A

点的位置。C1

D

A

？摇杆长度和行程速比系数Ｋ。

C2

B1

θ

1)画出摇杆CD两极限位置，且C1DC2=ψ;N

C2

C1

D

A

B2E

ψ

θ

2)画辅助圆;3)根据机架长度或位置确定A点;4)连接AC1、AC2，

C1AC2=θ;5)确定曲柄、连杆长度。设计方法：90－θ图解法思路：（4）利用其他辅助条件完成设计。（3）利用几何关系寻找问题的关键；（2）将运动条件转化为几何条件；（1）将已知的几何条件尽可能画出；返回二、解析法

1.按预定的两连架杆对应位置设计四杆机构令令返回由上两式分别消去

和

得2.按预定的运动轨迹设计四杆机构返回

三、实验法按两连架杆对应角位移设计返回连杆机构设计方法小结：

图解法：简便、易行，精度稍差；

解析法：精确、繁杂；

实验法：直观、精度低。返回五、六、七、八、九、十杆……改善受力——传动角改善运动——位移（行程、可调）、速度（匀速、停歇）何为多杆？第四节多杆机构锻压设备中的肘杆机构——获得较大机械利益进入下一章学习回本章首页该下课了！第五章凸轮机构及其设计机械原理第一节凸轮机构的类型及应用第二节推杆运动规律设计第三节平面凸轮轮廓设计第四节凸轮机构基本尺寸设计本章内容提要一、凸轮机构的组成、特点与应用基本组成：凸轮1一般为主动件推杆2一般为从动件机架31.凸轮机构的组成附加装置：

锁合装置弹簧的作用是保持高副锁合（封闭）第一节凸轮机构的类型及应用2.凸轮机构的特点和应用

推杆可实现各种预期的运动规律；用于传力不大的控制和调节装置凸轮机构特点应用组成凸轮+推杆+机架（+锁合装置）

结构简单，构件少。

凸轮与推杆高副接触，传力小；

二、凸轮机构的分类与命名用一例说明，对图示凸轮机构作如下分析：凸轮形状：那么，该凸轮机构的名字可以命为：力锁合对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构形锁合偏置滚子从动件平低从动件空间凸轮移动凸轮其他类型盘形凸轮（对心）直动滚子重力锁合可以组合出多种类型的凸轮机构……摆动高副的锁合方式：运动副元素形状：从动件运动形式：

对心直动滚子从动件盘形凸轮机构

滚子摆动从动件盘形凸轮机构

摆动从动件直动从动件

直动滚子从动件移动凸轮机构

空间凸轮机构形锁合凸轮机构一、从动件位移与凸轮转角的对应关系偏距e推杆凸轮距凸轮转动中心最近→最远=推程AB----推程运动角φ0(δ0)在最远处停止不动=远休BC----远休止角φs(δ01)

距凸轮转动中心最远→最近=回程CD----回程运动角φ0'(δ0')在最近处停止不动=近休DA----近休止角φs'(δ01')

凸轮基圆r0;从动件行程h;

h从动件位移线图0δsδ0δ01δ'0δ02δ01δ02δ0δ'0第二节推杆运动规律设计ω1ABCD二、从动件常用运动规律多项式型一次多项式等速运动规律组合改进型二次多项式等加速等减速五次多项式三角函数型余弦加速度简谐运动正弦加速度摆线运动1.

等速运动规律

svaV0

0

0h＋∞-∞01位移：速度：加速度：（以推程为例分析）

当速度有突变时，理论上加速度为无穷大，此时推杆上的惯性力产生的冲击。刚性冲击:运动特点：

在行程的起始和终止位置有刚性冲击，适用于低速。2.等加速等减速运动规律

sva位移：速度：加速度：

0A0-A0

0

0h（以推程为例分析）

当加速度有突变时，推杆上的惯性力产生的冲击。柔性冲击:运动特点：

在行程的起始、中间和终止位置有柔性冲击，适用于中速。3.余弦加速度(简谐)运动规律（以推程为例分析）

sva

0

0

0h位移：速度：加速度：运动特点：

在行程的起始和终止位置有柔性冲击，适用于中速。

4.正弦加速度(摆线)运动规律运动特点：

无冲击，适用于高速。5.

改进型等速运动规律运动特点：

满足等速要求且无冲击，适用于高速。三、从动件运动规律的选择1.首先考虑满足机器工作要求2.考虑使机器有良好的动力特性3.考虑凸轮加工方便

简单

h-φ关系——简单曲线

模拟函数关系——别无选择考虑因素：冲击、速度幅值vmax、加速度幅值amax对于重载凸轮机构：应选择vmax值较小的运动规律；对于高速凸轮机构：应选择amax值较小的运动规律。

高速凸轮一、凸轮轮廓设计基本原理反转法：第三节平面凸轮轮廓设计设想给整个凸轮机构加上一个绕转动轴心转动的公共角速度，此时，凸轮相对静止，从动杆一边随导路以转动，一边沿导路作往复运动。1.直动尖顶从动件盘形凸轮二、图解法设计凸轮轮廓已知：凸轮以角速度ω逆时针回转，其基圆半径r0、偏距e及从动杆运动规律为：凸轮转角从动杆运动0°～120°等速上升h120°～180°远休180°～270°余弦加速度下降h

270°～360°近休(1)作从动件位移线图。

s60°120°90°90°（2）作凸轮机构初始位置。

s60°120°90°90°r0e（3）找从动杆的反转位置。0120°60°90°90°56789（4）量取从动杆在各反转位置上的位移。1243（5）将从动杆末端各点连成光滑曲线。-ω（1）作从动件位移线图。2.直动滚子从动件盘形凸轮(1)

将滚子中心视为尖顶，按尖顶从动杆设计凸轮轮廓——理论轮廓。(2)

以理论轮廓上各点为圆心，滚子半径为半径，作一系列滚子圆，并作滚子圆族的包络线——工作轮廓。3.直动平底从动件盘形凸轮(1)将从动杆导路中心线与平底的交点视为尖顶，按尖顶从动杆设计方法找到从动杆末端的一系列点的位置。(2)过从动杆末端各点作一系列平底直线，并作平底直线族的包络线——工作轮廓。4.摆动从动件盘形凸轮注意：（1）从动件位移表示的为角位移；（2）找从动件反转位置时，应保持凸轮转动中心与从动杆摆动中