机械原理电子教案

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机械原理电子教案,机械原理电子教案机械原理电子教案第一章 绪 论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。,机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及机械运动方案设计的一门基础技术学科。它是机械设计理论和方法中的重要分支。,机械原理的研究对象是机械。,第一章 绪 论,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。,机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及机械运动方案设计的一门基础技术学科。它是机械设计理论和方法中的重要分支。,机械原理的研究对象是机械。,第一章 绪 论,一、机器的组成,定义：,机器是一种由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，它用来完成一定的工作过程，以代替人类的劳动。,根据工作类型不同，机器一般可以分为：,动力机器,的功用是将任何一种能量变换成机械能，或者将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、发电机等都属于动力机器。,工作机器,的功用是完成有用的机械功或搬运物品。例如，金属切削机床、轧钢机、织布机、包装机、汽车、机车、飞机、起重机、输送机等都属于工作机器。,信息机器,的功用是完成信息的传递和变换。例如，复印机、打印机、绘图机、传真机、照相机等都属于信息机器。,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。,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。,第一章 绪 论,活塞、连杆、曲轴和气缸体,曲柄连杆机构；,凸轮、阀杆和气缸体,凸轮机构,曲轴、凸轮轴上的齿轮和气缸体,齿轮机构,第一章 绪 论,机械是机构与机器的总称。,第一章 绪 论,二、机械原理课程的主要内容,1、各种机构共同的基本问题；,2、分别讨论几种主要机构所特有的问题；,3、机器运转的平稳性问题。,第一章 绪 论,应达到的基本要求,1)对一般由平面机构和简单空间机构(包括蜗轮蜗杆机构、,圆锥齿轮机构等)所组成的机械系统能绘出其机构运动简图，,计算其自由度，并判定其具有确定运动的条件。并对平面机,构组成的基本原理有所了解。,2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图解,法或解析法对级机构进行运动分析的基本技能。,3)掌握运动副中摩擦力的计算，以及确定机械效率和机械,自锁条件的方法，并能用图解法或解析法对级机构进行力,分析。,第一章 绪 论,4)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。,5)初步具有确定简单机械运动方案的能力。,6)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本知,识。,7)具有与本课程有关的解题、运算、制图和使用技术资,料等方面的基本技能。,8)了解一些与本课程有关的最基本的机械实验方法和运,用实验方法研究机械的技术。,9)了解各种常用机构的性能、特点及适用场合。,10)对有关机械原理学科方面的工程常识、重要新技术成,就及学科的新的发展趋向有所了解。,第二章 平面机构的结构分析,2-1 机构结构分析的内容及目的,1、探讨机构组成的基本原理；,2、为机构的运动分析和力分析指明途径；,2-2 机构的组成,1、构件,零件：,加工制造的单元；,构件：,运动的单元。,2、运动副,运动副：,每两个构件直接接触而形成的可动联接。,运动副元素：,两构件上能够参加接触而构成运动副的表面。,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,平面运动副：,平面机构所采用的运动副。,两构件之间的运动副的作用,限制该两构件之间的相对运动，引入约束，使相对运动的自由度的数目减少。,自由度减少的数目等于运动副所引入的约束的数目,第二章 平面机构的结构分析,运动副的分类,1、根据引入约束的数目分为：级副、级副，,n,级副。,2、按两构件的接触特性分类：低副（转动副和移动副）、高副。,第二章 平面机构的结构分析,低副具有的特点：,1、引入两个约束，相对自由度为1；,2、运动副元素都是面；,3、耐磨损。,第二章 平面机构的结构分析,高副的特点：,1、引入一个约束，相对自由度为2；,2、运动副元素是线或点；,3、不耐磨。,第二章 平面机构的结构分析,约束一个相对转动而保留两个独立相对移动的运动副存在吗？,不存在,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,（1）转动副的表示方法,第二章 平面机构的结构分析,(2)移动副的表示方式,注意：移动副的导路必须与相对移动的方向一致,第二章 平面机构的结构分析,（3）高副的表示方法,第二章 平面机构的结构分析,3、运动链,若干构件借助于运动副联接而组成的系统。,闭式运动链：运动链的各构件构成了首末封闭的系统。,第二章 平面机构的结构分析,开式运动链：运动链的构件未构成首末封闭的系统。,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,4、机构,（1）固定件（机架）,（2）原动件或主动件,（3）从动件,组成机构的四要素,机架、原动件、从动件和运动副,第二章 平面机构的结构分析,2-3 机构运动简图,根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副,的位置，就可以用运动副的代表符号及国家标准规定的,常用机构运动简图的符号和简单的线条将机构的运动情,况表示出来。这种用以表示机构运动情况的简化图形就,称为,机构运动简图。,第二章 平面机构的结构分析,（一）构件的表示方法,表示参与组成两个转动副的构件,表示参与组成一个转动副和一个移动副的构件,第二章 平面机构的结构分析,表示参与组成两个移动副的构件,表示参与组成一个回转副和一个高副的构件,第二章 平面机构的结构分析,具有三个运动副元素的构件,第二章 平面机构的结构分析,具有四个运动副的构件如何画？,第二章 平面机构的结构分析,特殊零件的画法：,凸轮：,齿轮：,第二章 平面机构的结构分析,（二）绘制运动简图的步骤,1、恰当的选择投影面，一般可以选择机械的多数构件的运动平面为投影面。,2、观察各个机构的运动情况，确定出构件的数目。,3、根据两构件接触情况及相对运动性质，确定出运动副的种类和数目。,4、用表示运动特征的简单线条，画出各个机构。,5、从原动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。,例21 图29,a,所示为一颚式破碎机。当曲轴1绕轴心,O,连续回转时，动颚板5绕轴心,F,往复摆动，从而将矿石轧碎。试绘制此破碎机的机构运动简图。,第二章 平面机构的结构分析,2-4机构具有确定运动的条件及平面机构自由度的计算,活动构件数为,n=N-1,未用运动副联接时具有,3,n,个自由度,受到运动副联接时，其引入的约束数为 个。,设某一平面运动链共包含,N,个构件（含机架）， 个低副， 个高副。,机构的自由度数：,第二章 平面机构的结构分析,基本概念：,机构的自由度即是机构所具有的独立运动的数目；,机构的自由度就是机构应具有的原动件数目。,第二章 平面机构的结构分析,机构自由度、原动件数与机构具有确定运动之间有何关系？,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,机构自由度、原动件数与机构具有确定运动之间关系:,1),F0,的运动链不可能产生相对运动；,2）,F0,的运动链,当运动件数小于机构自由度时，构件间的相对运动是无规则的；,当原动件数大于机构自由度时，机构不能运动；,只有当原动件数等于机构自由度时，构件之间才有确定的相对运动。,第二章 平面机构的结构分析,例：计算自由度,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,计算平面机构自由度时应注意的事项,1、正确计算运动副数目,1）复合铰链,第二章 平面机构的结构分析,复合铰链：,两个以上的构件在同一处以转动副相联接所构成。,由,m,个构件汇成的复合铰链应当包含,m-1,个转动副。,第二章 平面机构的结构分析,B、C、D、E,处都是由三个构件组成的复合铰链，各有2个转动副,第二章 平面机构的结构分析,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,1,3,1,2,4,第二章 平面机构的结构分析,2)两构件构成多个运动副,两构件构成多个转动副，其轴线互相重合时，只有一个转动副起约束作用。,两构件构成多个移动副，其导路互相平行时，只有一个移动副起约束作用。,两构建在多处相接触构成平面高副，且各接触点的公法线彼此重合，只能算一个平面高副。,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,2、要除去局部自由度,去掉局部自由度算法,保留局部自由度算法,第二章 平面机构的结构分析,3、要除去虚约束,不产生实际约束效果的重复约束。,去掉虚约束算法,保留虚约束算法,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,平面机构虚约束常出现情况：,1）被连接构件上的点的轨迹和机构上联接点的轨迹重合为一时。,第二章 平面机构的结构分析,2）两构件上两点之间的距离始终保持不变。,3）机构中对运动不起作用的对称部分。,第二章 平面机构的结构分析,例1,第二章 平面机构的结构分析,例2 试计算图2-24所示某包装机,送纸机构的自由度(图中,) ，,并判断该,机构是否具有确定的相对,运动。,=,=,第二章 平面机构的结构分析,习 题 课,第二章 平面机构的结构分析,计算自由度,其中转动副,B,为复合铰链，由构件1、2和4组成。,第二章 平面机构的结构分析,其中构件1、3、5组成复合铰链。,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第二章 平面机构的结构分析,第三章 平面机构的运动分析,3-1 机构运动分析的目的和方法,第三章 平面机构的运动分析,3-2 速度瞬心及其在平面机构速度分析中的应用,1、速度瞬心,当两构件互作平面相对运动时，在任意瞬时都可以认为它们是在绕某一点作相对转动。该点即为两构件的速度瞬心。,瞬心是该两刚体上相对速度为零的重合点。,如果两刚体之一是静止的，则瞬心为绝对瞬心。,如果两刚体都是运动的，则瞬心为相对瞬心,第三章 平面机构的运动分析,瞬心的定义：,瞬心是相对运动两刚体上顺势相对速度为零的重合点，也就是具有同一的瞬时绝对速度的重合点。,2、机构中瞬心的数目,第三章 平面机构的运动分析,3、机构中瞬心位置的确定,（1）两构件组成转动副,铰接点即为瞬心,P,12,（2）两构件组成移动副,以移动副相联接的两构件间的瞬心位于垂直于导路方向的无穷远处。,A,V,A,1,A,2,(,A,1、,A,2),P,12,2,1,n,n,P,12,第三章 平面机构的运动分析,（3）两构件组成高副,当高副两元素作纯滚动时瞬心就在接触点处。,当高副两元素间有相对滑动时，瞬心在过接触点高副元素的公法线上。,第三章 平面机构的运动分析,（4）两构件不直接成副,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。,第三章 平面机构的运动分析,4、速度瞬心在机构速度分析中的应用,1,2,3,4,P,12,P,34,P,23,P,13,P,14,P,24,P,14,P,34,P,23,P,12,P,24,P,13,求铰链点,P,34,的速度。已知点,P,23,的速度,方法一：将点,P,34,与点,P,23,看成是构件3上的点，利用构件3上速度为零的点求解。,方法二：将点,P,34,与点,P,23,看成是构件2、4上的两个点，利用两构件的瞬心,P,24,求解。,第三章 平面机构的运动分析,已知构件2的角速度，求构件3和构件4,的角速度,第三章 平面机构的运动分析,求构件2和构件4的角速度比。,把,P,24,看作是构件2上的点,把,P,24,看作是构件4上的点,如果两构件的瞬心位于两个速度为零的瞬心的连线之外，则两构件的转向相同，否则，转向相反。,第三章 平面机构的运动分析,例,已知图示曲柄摇块机构各构件的长度，试在图上标出机构的全部瞬心位置。若已知曲柄的角速度,1,，,试用瞬心法求构件3的角速度,3,。,第三章 平面机构的运动分析,解：,由,K=N（N-1）/2=4（4-1）/2=6 （,个）, 瞬心有6个。,顺时针方向,例：已知凸轮1以逆时针角速度绕,A,点回转，摆杆2绕,C,点回转，如图。且已知各构件尺寸，试求图示位置时机构的全部瞬心以及构件2的角速度。,解：,求瞬心数,P,23,P,13,P,12,2,与,1,方向相同。,3,第三章 平面机构的运动分析,例：已知一正切机构的有关尺寸。,1）找出图示位置机构的所有瞬心；,2）若已知1构件的角速度,1,，,根据瞬心特性写出构件3的速度,V,3,的表达式。,第三章 平面机构的运动分析,解：由,K=N（N-1）/2=4X（4-1）/2=6 （,个）,瞬心有6个。如图所示,V,P,13,=,1, l,P,14,P,13,= V,3,第三章 平面机构的运动分析,3-3 用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析,1、,矢量方程图解法的基本原理和作法,构件的运动形式：定轴转动、直线移动、平面运动。,约 定：,如果机构中作平面运动的构件的两个基本运动副都是转动副，则利用“缸体的平面运动”来进行运动分析；,如果机构中作平面运动的构件的两个基本运动副中只有一个转动副，而另一个是移动副，则利用“点的复合运动”来进行运动分析。,第三章 平面机构的运动分析,1.1 同一构件上两点间的速度、加速度的关系,平面运动的构件的两个基本运动副都是转动副,B,1,C,1,B,2,C,C,2,平面复杂运动分解：,1、以连杆上任一点的位移作平移运动；,2、绕该点作转动。,牵连运动,相对运动,牵连运动点或基点,第三章 平面机构的运动分析,总 结,连杆上点,C,的运动是两个简单运动的合成：,1、,以连杆上某一基点,B,的位移作牵连运动。,2、连杆,BC,绕该基点,B,作相对转动，其上,C,点的速度方向垂直于这两点的连线,BC。,3、,连杆的角速度应等于相对转动的角速度，而与牵连运动无关。,利用构件的平面运动关系作机构的速度分析,方向,xx,AB,BC,大小,？,？,约定：,所有的绝对速度的矢量，均有极点引出，而任何两个动点之间的相对速度的矢量，均不可有极点引出。,选取适当的比例尺,方向,？,AB,EB,大小,？,？,方向,？,EB,大小,？,？,xx,2,1,2,1,第三章 平面机构的运动分析,影像原理,同一构件上各点速度矢量矢端所形成的多边形，必相似于该构件上对应点所形成的位置多边形，并且二者的字母顺序的绕行方向相同。,第三章 平面机构的运动分析,速度多边形的特性,1）在速度多边形中，连接极点和任意点的矢量代表该点在机构图中的同名点的绝对速度，其指向是从极点,p,指向该点。,2）,在速度多边形中，连接其他任意两点的矢量代表该两点在机构图中的同名点的相对速度，其指向和速度的角标相反。,3）极点,p,代表该构件上速度为零点的影像点。,4）BCEbce，,图形,bce,称为图形,BCE,的速度影像。,利用构件的平面运动关系作机构的加速度分析,(,CB,且由,CB）,(,AB,且由,BA）,方向,xx,CB,BC,大小,？,？,0,约 定：,所有的绝对加速度的矢量，均由极点引出，而任何两个动点之间的相对加速度的矢量必须衔接着画，不得被其它是两隔开，以便能够获得它们的合矢量。,选取适当的比例尺,逆时针,方向,EB,EB,大小,？,？,？,方向,EC,EC,大小,？,？,？,2,1,2,2,2,1,第三章 平面机构的运动分析,加速度多边形的特性,1）在加速度多边形中，连接极点和任意点的矢量代表该点在机构图中的同名点的绝对加速度，其指向是从极点,p,指向该点。,2）,每个加速度的两个分量必须衔接着画，不能分开。,3）与速度矢量相同，对相对加速度而言，矢量 代表加速度 而不是 。,4）,极点,p,代表机构所有构件上加速度为零点的影像点。,5）BCEb,c,e,，,图形,b,c,e,称为图形,BCE,的加速度影像，字母,BCE,的顺序与字母,b,c,e,的顺序相同。,第三章 平面机构的运动分析,1.2 两构件重合点间的速度、加速度的关系,平面运动构件的两个基本运动副中只有一个转动副,1,1,2,3,A,B,2,C,3,B,2,B,2,取构件3为动坐标，构件2上的铰链点,B,2,作为动点，则动点的绝对运动由两部分运动合成：,1）动点随着动坐标作牵连运动；,2）动坐标相对固定，动点由点,B,2,沿动坐标相对移动到终点,B,2,。,1）动点,B,2,随着动坐标上的重合点,B,3,作牵连运动；,2）动点,B,2,对其重合点,B,3,沿动坐标作相对移动,。,(,B,2,、B,3,),(B,3,),第三章 平面机构的运动分析,利用点的复合运动作机构的速度分析,方向,AB,CD,AC,大小,？,？,第三章 平面机构的运动分析,利用点的复合运动作机构的加速度分析,当动点,B,2,在一个转动（或含有转动）的动坐标上运动时，动点,B,2,具有牵连加速度 、相对加速度 和哥氏加速度 。,1,2,3,A,B,2,C,3,B,2,B,2,1,(,B,2,、B,3,),(B,3,),的方向：,把 的指向按,3,的方向转过90。,第三章 平面机构的运动分析,例题 如图所示的机构中，设已知,l,AB,=38mm，l,BC,=20mm， l,DE,=50mm,；原动件1以等角速度,1,10 rad/s,沿顺时针方向回转。试用图解法求此时构件3的角速度,3,、,角加速度,3,以及,E,点的速度及加速度。,解：1、速度分析 已知,B,2,点的速度,利用,B,3,与,B,2,重合点之间的关系，可求得,B,3,点的速度,方向,EC,DB,AB,大小,？,？,取速度比例尺,b,1,、b,2,b,3,p,逆时针,b,1,、b,2,b,3,p,求,E,点速度,方法1：计算,方向垂直于,DE,方法2：采用速度影像法,、d,e,2、加速度分析,由于构件1以等角速度回转，故知,B,点只有法向加速度，,而无切向加速度，即,方向沿,BA,线，由,B,点指向,A,点。,方法：,利用,B,3,与,B,2,重合点之间的关系，再利用,B,3,与,D,为同一构件上两点之间的关系。,方向,EC,零矢,BD,大小,？,？,？,BA,？,BD,方向：,V,B3B2,沿,3,方向（逆时针方向）转过90后的方向。,b,1,、b,2,b,3,p,、d,e,（顺时针）,第三章 平面机构的运动分析,注意的问题：,哥氏加速度中的“牵连角速度的转向”应该按照顺时针和逆时针的方向来判断，而不要只看箭头的指向。,1,2,3,A,B,2,C,1,3,p,b,2,b,3,正确,错误,第三章 平面机构的运动分析,1,2,3,A,B,C,1,BC,AB,？,？,BC,p,b,3,b,2,3,=0,第三章 平面机构的运动分析,1,2,3,B,C,1,A,BC,AB,？,？,BC,b,3,p,b,2,第六章 平面连杆机构及其设计,6-1 连杆机构及其传动特点,优点：,1、可传递较远距离的动作,2、运动副均为低副，承载大，耐磨损；,3、连杆上各不同点的轨迹是各种不同形状的曲线（连杆曲线）,4、构件运动形式具有多样性,缺点：,1、运动链长，累积误差大，效率较低。,2、不宜用于高速,第六章 平面连杆机构及其设计,第六章 平面连杆机构及其设计,6-2 平面四杆机构的类型和应用,1、平面四杆机构的基本形式,摇杆,连架杆,曲柄,连杆,机架,连架杆,第六章 平面连杆机构及其设计,1.1 曲柄滑块机构,在铰链四杆机构中，若两个连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。,第六章 平面连杆机构及其设计,1.2 双曲柄机构,在铰链四杆机构中，若两个连架杆都是曲柄，则称为双曲柄机构。,第六章 平面连杆机构及其设计,在铰链四杆机构中，若两连架杆都是摇杆，则称为双摇,杆机构。,2、平面四杆机构的演化型式,2.1,改变构件的形状和运动尺寸,偏置曲柄滑块机构,对心曲柄滑块机构,第六章 平面连杆机构及其设计,曲柄移动导杆机构或正弦机构,第六章 平面连杆机构及其设计,2.2 改变运动副的尺寸,在曲柄摇杆机构中，若把曲柄端点的转动副半径扩大，使它超过曲柄的长度，曲柄就演化成一个偏心轮，其偏心距为曲柄的长度。同样，曲柄滑块机构中曲柄端点的转动副半经扩大，使它超过曲柄的长度，曲柄就演化成了一个偏心轮。,2.3 选用不同的构件为机架,周转副,周转副,摆转副,摆转副,低副运动的可逆性：,对于低副，它所联接的两个构件之间的相对运动关系，不因其中哪个构件是机架而改变。,第六章 平面连杆机构及其设计,取构件,BC,为机架曲柄摇杆机构,取构件,CD,为机架双摇杆机构,取构件,AB,为机架双曲柄机构,取构件1为机架回转导杆机构,取构件2为机架曲柄摇块机构,摆动导杆机构,取构件3为机架直动滑杆机构,第六章 平面连杆机构及其设计,6-3 有关平面四杆机构的一些基本知识,1、平面四杆机构有曲柄的条件,设铰链,A,所联接的构件1和构件4的杆长关系,ar,负变位齿轮：,Lr,L-r =xm,变位系数,被加工齿轮的变位系数取决于刀具中线和轮坯中心的相对位置。,3、渐开线齿廓的根切,根切：,刀具的齿顶部分把被加工齿轮齿根部分已经范成出来的渐开线齿廓切去一部分。,3.1 产生根切的原因,基圆转过的弧长,刀具的位移量,当刀具的齿顶线超过了啮合线与基圆的切点,N,1,时，就会产生根切现象。从啮合线上看，当,时，就会产生根切现象。,第八章 齿轮机构及其设计,3.2 渐开线标准齿轮不发生根切时的最少齿数,第八章 齿轮机构及其设计,3.3 避免发生根切现象的方法,1、减小齿顶高系数,2、加大刀具压力角,3、增大被加工齿轮的基圆半径,4、使刀具远离轮坯中心,8-9 变位齿轮概述,L=r,L=r+xm,2、被切齿轮刚好无根切时的刀具的最小变位系数,第八章 齿轮机构及其设计,3、变位齿轮的几何尺寸,3.1 它们的分度圆及基圆大小是相同的,正变位齿轮的齿面接触强度比标准齿轮大，负变位齿轮的接触强度最小。,3.2 它们的齿厚及齿槽宽是不同的,正变位齿轮的轮齿根部抗弯强度比标准齿轮大，负变位齿轮的轮齿根部抗弯强度则较小。,第八章 齿轮机构及其设计,3.3 它们的齿顶高及齿根高是不同的,第八章 齿轮机构及其设计,8-11 斜齿圆柱齿轮传动,1、,斜齿轮齿廓曲面的形成及啮合特点,渐开线螺旋面,基圆螺旋角,第八章 齿轮机构及其设计,右旋,左旋,第八章 齿轮机构及其设计,2、斜齿轮的基本参数,法面参数,（下角标为,n):