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第1章绪论,第 1 章绪 论,1.1机械原理课程的研究对象,1.2机械原理课程的内容和地位,1.3机械原理课程的学习目的和学习方法,1.4机械原理学科的开展,思考题及习题,1.1机械原理课程的研究对象,机械原理是一门以机械为研究对象的课程和学科。机械是机器与机构的总称，故机械原理又称机器理论与机构学。,机器,机器是一种作机械运动的装置，它用来变换或传递能量、物料和信息，以代替或减轻人类的体力或脑力劳动。机器的种类很多，根据用途不同，机器可分为动力机器、工作机器和信息机器。,1.动力机器,动力机器又称原动机，其功用是把其它形式的能量变换成机械能，或者把机械能转变成其它形式的能量，如电动机、内燃机、发电机、涡轮机等。,2.工作机器,工作机器是用来完成机械功的。工作机器可分为加工机器和运输机器两类，如金属切削机床、纺织机、包装机、轧钢机等属于加工机器；汽车、拖拉机、起重机、输送机等属于运输机器。,3.信息机器,信息机器的功用是完成信息的传递和变换，如计算机、打印机、复印机、绘图机、照相机等。,机器的种类繁多，其构造、性能、用途也各不相同，下面通过两个实例来说明机器的组成和机器的特征。,图1-1所示为单缸内燃机。它是汽车、飞机、轮船等流动性机械最常用的动力装置。内燃机的功能是将热能转换成机械能。其工作原理是(参见图1-1(a)：活塞4在气缸1中向下移动时，排气阀门5关闭，进气阀门7在凸轮8的控制下翻开，将可燃气体吸入气缸，此过程称为进气冲程。,当活塞4向上移动时，进、排气阀门均关闭，可燃气体被压缩，此过程称为压缩冲程；压缩冲程结束后，火花塞6利用高压放电，使燃气在气缸中燃烧、膨胀，产生的压力推动活塞4向下移动，此过程称为爆炸冲程；活塞4向下移动的同时，通过连杆3推动曲轴2转动，向外输出机械运动和力机械能；当活塞4再向上移动时，进气阀门7仍处于关闭状态，而排气阀门5在凸轮12的控制下翻开，将废气排出，此过程称为排气冲程。以上各局部协调动作，完成一个运动循环，活塞上、下移动两次，曲轴转两圈。如此往复运动，便能把燃气燃烧时的热能转变为曲轴转动的机械能。,图1-1单缸内燃机,图1-2所示为牛头刨床示意图。它是将电动机1的旋转运动通过皮带传动，使齿轮2带动大齿轮3转动；大齿轮3带动滑块4在杆5中滑动，同时推动杆5绕滑块6的中心作往复摆动；杆5推动牛头7在刨床床身的导轨中往复滑动，带动刀架8往复运动，实现工作过程切削和空行程退回的动作，从而代替人完成有用的机械功。工作台的横向进给是由齿轮3通过连杆和棘轮图中未画出及螺杆10使工作台9横向移动一个进刀距离。,图1-2牛头刨床,从以上两个实例可以看出，虽然机器的构造、用途和性能各不相同，但从它们的组成、运动确实定性以及功能关系来看，都具有以下几个共同的特征：,(1)机器是由假设干个人为的实物构件组成的；,(2)组成机器的各运动实物之间都具有确定的相对运动；(3)机器能完成有用的机械功或转换机械能。,因此，同时具有以上三个特征的实物组合体就称为机器。,机构,机构是实现机械运动的构件组合体，是用来传递与变换运动和动力的可动装置，它是机器的重要组成局部。机构具有机器的前两个特征。,常用的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、带传动机构、链传动机构、螺旋传动机构等。在图1-1(b)所示的单缸内燃机运动简图中，曲轴2连杆3活塞4气缸1称为曲柄滑块机构；从动轮9主动轮10气缸1和主动轮10从动轮11气缸1称为齿轮机构；进气阀门7凸轮8气缸1和排气阀门5凸轮12气缸1称为凸轮机构。,由以上分析可知，机器是由机构组成的，它可以完成能量转换、做有用功或处理信息；而机构在机器中起着运动的传递和转换作用。一部机器可能由多个机构组成，如内燃机是由连杆机构、凸轮机构和齿轮机构组成的；一部机器也可能由一个机构组成，如发电机是由定子与转子双杆机构组成的。,从实现运动的观点看，机构和机器之间并无区别，故人们常用“机械作为机器和机构的总称。,一部完整的机器通常由以下几局部组成。,1 原动局部：机器动力的来源，也称为原动机。常用的原动机有电动机、内燃机、液压缸或气动缸等。,2 执行局部：处于整个传动路线的末端，以完成机械预期的动作，如汽车的车轮、牛头刨床的走刀局部等。3 传动局部：介于原动机和执行局部之间，用于把原动机的运动和动力传递给执行局部，如汽车中从发动机到车轮之间的变速器、差速器等，牛头刨床中从电动机到刨刀之间的带传动机构、齿轮机构、导杆机构等局部。,1.2机械原理课程的内容和地位,机械原理课程的内容,1.机构的运动设计,机构的运动设计主要研究机构的组成原理以及各种机构的类型、特点、功用和运动设计方法;通过机构类型综合，探索创新设计机构的途径；阐述满足预期运动和工作要求的各种机构的设计理论和方法。其主要内容包括机构的组成和机构分析，连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等一些常用的机构及组合机构等。,2.机械的动力设计,机械的动力设计主要介绍机械运转过程中所出现的假设干动力学问题，以及如何通过合理设计和实验来改善机械动力性能的途径。其主要内容包括求解在力作用下机械的真实运动规律的方法，减少机械速度波动的调节问题、机械运动过程中的平衡问题以及机械效率问题。,3 机械系统方案设计,机械系统方案设计主要介绍机械系统方案设计的设计内容、设计过程、设计思路和设计方法。其主要内容包括机械总体方案设计、机械执行系统方案设计和机械传动系统方案设计等。,通过对机械原理课程的学习，学生应掌握对已有的机械进行结构、运动和动力分析的方法，以及根据运动和动力性能方面的设计要求设计新机械的途径和方法。,机械原理课程的地位,机械原理以高等数学、物理学、材料力学和理论力学等根底课程为根底，研究各种机械所具有的共性问题，它又为以后学习机械设计和有关机械工程专业课程以及掌握新的科学技术打好工程技术的理论根底。因此，机械原理是机械类各专业的一门非常重要的技术根底课，它是根底理论课与专业课之间的桥梁，是机械类专业学生能力培养和素质教育的最根本的课程，在教学中起着承上启下的作用，占有非常重要的地位。,1.3机械原理课程的学习目的和学习方法,机械原理课程的学习目的,(1)为学习机械类有关专业课打好根底。机械原理课程中对机械的组成原理，各种机构的工作原理、运动分析、设计理论和方法都作了介绍，这对于机械类专业学生认识机械、了解机械和使用机械都会有很大帮助，而且这些有关机械的根本理论和知识将为学习机械设计和机械类相关专业课及掌握新的科学技术打好工程技术的理论根底。,(2)为机械产品的创新设计打下良好的根底。随着科学技术的开展和市场经济体制的建立，多数产品的商业寿命正在逐渐缩短，品种需求增多，这就使产品的生产要从传统的单一品种大批量生产逐渐向多品种小批量柔性生产过渡。要使所设计的产品在国际市场上具有竞争力，就需要设计和制造出大量种类繁多、性能优良的新机械。机械的创新设计首先是在运动方式和执行运动方式的机构上创新，而这正是机械原理课程所研究的主要内容。,(3)为现有机械的合理使用和革新改造打好根底。对于使用机械的工作人员来讲，要充分发挥机械设备的潜力，关键在于了解机械的性能。通过学习机械原理课程，应掌握机构运动学和机械动力学的根本理论和根本技能，并具有拟定机械运动方案、分析和设计机构的能力，以合理使用现有机械和革新改造旧机械。,机械原理课程的学习方法,(1)学习机械原理知识的同时,注重素质和能力的培养。,在学习本课程时，应把重点放在研究问题的根本思路和方法上，着重于创新性思维能力和创新意识的培养。(2)重视逻辑思维的同时,加强形象思维能力的培养。,从根底课到技术根底课，学习的内容变化了，学习的方法也应有所转变。要理解和掌握本课程的一些内容，解决工程实际问题，进行创造性设计，单靠逻辑思维是远远不够的，必须培养形象思维能力。,(3)注意把理论力学的有关知识运用于本课程的学习中。,在学习本课程的过程中，要注意运用高等数学、物理、理论力学和工程制图中的有关知识。,(4)注意将所学知识用于实际,做到举一反三。机械原理来源于生产实践，并应用于工程实际。因此，本课程是一门与工程实际密切相关的课程，要更加注意理论联系实际。如果能注意观察、分析和比较，并把所学知识应用于实际，就能到达举一反三的目的。这样，当你从事设计工作时，就有可能从日常的积累中获得创造的灵感。,1.4机械原理学科的开展,生产的开展促进了机械原理学科的开展，而学科的开展又反过来为生产的开展提供了有利条件，促进了生产的开展。机械原理作为机械及现代科学技术开展的根底学科，是机械工业和现代科学技术开展的重要根底，一直受到国内外的重视。20 世纪后期，随着科学技术的开展，机械原理的领域、内容及研究方法都有了飞速的开展。目前，机械原理学科已经和电子学、信息科学、计算机科学、生物科学及管理科学等相互渗透，相互结合，而成为一门崭新的学科，充满着生机与活力。它的研究领域已扩展到航空航天、深海作业、生物工程、微观世界、电子机械等。它的研究课题层出不穷，研究方法日新月异。,机构结构理论,由于机器人、步行机、人工假肢和新型机器的开展需要，以及机器的动力源广泛采用液压与气动，因此近年来对于多自由度、多闭环的多杆机构以及开式运动链的结构理论有了较多的研究。,在机构结构理论方面的研究，主要是机构的类型综合、杆数综合和机构自由度的计算。对平面机构来说，虽然机构结构的分析与综合研究比较成熟，但仍有一些新的开展。,例如将关联矩阵、图论、拓扑学、网络理论等引入对结构的研究；用拆副、拆杆甚至拆运动链的方法将复杂杆组转化为简单杆组，以简化机构的运动分析和力学分析；仿照机构组成原理对机构功能原理的研究；关于机构中虚约束的研究及无虚约束机制的综合；组合机构的类型综合等。近年来对空间机构结构分析与综合的研究也有不少的进展，特别是在机器人机构学方面取得了较多成就。,为了创造和设计出更好的机构，开展机构创新方法的研究越来越得到重视。为了深入研究机构运动简图设计的理论和方法，开展机构分类方法、机构类型知识库建立和机构选型的研究也日益受到重视。为了广泛地应用机电一体化技术，开展包括液压、气动、电磁、电子、光电等非机械传动元件的广义机构设计方法的研究已迫在眉睫。,平面与空间连杆机构,为了广泛地采用电子计算机进行平面连杆机构的各种复杂分析和综合运算，人们已开发出较为成熟的商业软件，利用电子计算机来编制表示其主要参数与运动特性、动力特性之间关系的曲线图谱。电子计算机的广泛应用也推动了平面连杆机构的最优化综合。用多自由度、多闭环、多杆平面连杆机构的连杆曲线来再现各种工作机械中工艺要求的轨迹已引起业界注意并加以研究，其中研究了提高机构动力性能为目标的综合方法和多精确点的四杆机构的综合方法等。另外，近年来还开展了对具有可变长结构、可变运动学和动力学参数的机构研究。,空间连杆机构分析与综合的计算公式和运算过程都比较繁复，常采用矢量、张量、矩阵、对偶数、四元数、旋量计算等数学工具进行研究。对于空间连杆机构的最优化设计问题也开始加以研究。近年来由于机器人技术开展的需要，对多自由度空间机构与开式空间运动链及特殊串联和多环并联机器人机构的工作空间、运动分析与综合，包括它们的动力学已作了不少有效的研究。,凸轮机构,为了改善凸轮机构的动力性能，凸轮曲线由等加速等减速运动规律、正弦加速度运动规律、余弦加速度运动规律改用为改进型正弦加速度运动规律、改进梯形加速度运动规律和代数多项式运动规律。寻找高速运转时具有良好动力性能的凸轮曲线是一个重要的研究内容，高速凸轮的弹性动力学是一个受到普遍重视的研究课题，按动力学要求设计凸轮廓线除了采用多项式凸轮曲线外，现在较多地采用具有某些符合动力特性要求的凸轮曲线，这种曲线使凸轮从动件系统残留振动的振幅在全部工作速度范围内不超过某一极限值。,在凸轮从动件系统动力学问题的研究中，对于凸轮从动件系统动力学模型的建立，动力学模型的运动微分方程式及其求解方法，系统动力响应的分析，凸轮机构设计参数的选择及其最优化，凸轮廓线的动力综合等问题都取得了重要的研究成
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