机械原理经典版

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,械,原,原,理,理,武汉,理,理工,大,大学,目录,第一,章,章,绪,绪,论,论,1,-,1,本课,程,程研,究,究的,对,对象,及,及内,容,容,l,-,2,学,学,习,习本,课,课程,的,的目,的,的,l,-,3,如,如何,进,进行,本,本课,程,程的,学,学习,第二,章,章,平,平,面,面机,构,构的,结,结构,分,分析,2,-,1,机,机,构,构结,构,构分,析,析的,内,内容,及,及目,的,的,2,-,2,机,机,构,构的,组,组成,2,-,3,机,机,构,构运,动,动简,图,图,2,-,4,机构,具,具有,确,确定,运,运动,的,的条,件,件,2,-,5,平面,机,机构,自,自由,度,度的,计,计算,2,-,6,计算,平,平面,机,机构,自,自由,度,度时,应,应注,意,意的,事,事项,第三,章,章,平,平面,机,机构,的,的运,动,动分,析,析,3,-,1,机,机构,运,运动,分,分析,概,概述,3,-,2,速,速度,瞬,瞬心,及,及其,在,在平,面,面机,构,构速,度,度分,析,析中,的,的应,用,用,3,-,3,用,用,矢,矢量,方,方程,图,图解,法,法作,机,机构,的,的速,度,度和,加,加速,度,度分,析,析,第四,章,章平面,机,机构,的,的力,分,分析,4,-,1,机,机构,力,力分,析,析的,目,目的,和,和方,法,法,4,-,2,构,构件,惯,惯性,力,力的,确,确定,第五,章,章,机,机械,中,中的,摩,摩擦,和,和机,械,械效,率,率,5,-,1,研究,机,机械,中,中摩,擦,擦的,目,目的,和,和研,究,究内,容,容,5-2,运,运动,副,副中,的,的摩,擦,擦,5-3,机,机,械,械的,效,效率,5,-,4,机,机械,的,的自,锁,锁,第六,章,章,平,平面,连,连杆,机,机构,及,及其,设,设计,6,-,1,连,连,杆,杆机,构,构及,其,其传,动,动特,点,点,6,-,2,平,平,面,面四,杆,杆机,构,构的,类,类型,和,和应,用,用,6,-,3,有,有,关,关平,面,面四,杆,杆机,构,构的,一,一些,基,基本,知,知识,6,-,4,平面,四,四杆,机,机构,的,的设,计,计,第七,章,章,凸,凸轮,机,机构,及,及其,设,设计,7,-,1,凸,凸,轮,轮机,构,构的,应,应用,和,和分,类,类,7,-,2,推杆,的,的运,动,动规,律,律,7,-,3,凸,凸轮,轮,轮廓,曲,曲线,的,的设,计,计,7,-,4,凸轮,机,机构,基,基本,尺,尺寸,的,的确,定,定,第八,章,章,齿,齿,轮,轮机,构,构及,其,其设,计,计,8-1,齿,齿轮,机,机构,的,的应,用,用及,分,分类,8,-,2,齿,齿轮,的,的齿,廓,廓曲,线,线,8,-,3,渐开,线,线的,形,形成,及,及其,特,特性,8,-,4,渐,渐开,线,线齿,廓,廓的,啮,啮合,特,特性,8,-,5,渐开,线,线标,准,准齿,轮,轮各,部,部分,的,的名,称,称和,尺,尺寸,8-6渐开,线,线直,齿,齿圆,柱,柱齿,轮,轮的,啮,啮合,传,传动,8,-,7,渐开,线,线齿,廓,廓的,切,切制,8-8,变,变位,齿,齿轮,概,概述,8-9,变,变位,齿,齿轮,传,传动,8-10,斜,斜齿,圆,圆柱,齿,齿轮,传,传动,8-11,蜗,蜗杆,传,传动,8-12,圆,圆锥,齿,齿轮,传,传动,第九,章,章,轮,轮,系,系及,其,其设,计,计,9,-,1,轮,轮,系,系及,其,其分,类,类,9,-,2,定轴,轮,轮系,的,的传,动,动比,9,-,3,周转,轮,轮系,的,的传,动,动比,第十,章,章,机,机,械,械的,运,运转,及,及其,速,速度,波,波动,的,的调,节,节,10,-,1,概述,10,-,2,机械,的,的运,动,动方,程,程式,10,-,3,稳定,运,运转,状,状态,下,下机,械,械的,周,周期,性,性速,度,度波,动,动及,其,其,调,节,10,-,4,机械的,非,非周期,性,性速度,波,波动及,其,其调节,第十一,章,章,机,机械的,平,平衡,11,-,1,机,机,械,械平衡,的,的目的,及,及内容,11,-,2刚性转,子,子的平,衡,衡计算,第一章,绪,绪,论,论,“机械原,理,理”(MechanicalPrinciple)研,究,究的对,象,象是机,械,械，研,究,究的内,容,容是有,关,关机械(mechanism)的,基,基本理,论,论问题,。,。,机械,是,机,机器(machine)和,机,机构(mechanism)的总,称,称。,右图所,示,示为一,内,内燃机,示,示意图,，,，主要,由,由以下,机,机构组,成,成：,活塞(piston)、连,杆,杆(connectingrod)、,曲,曲轴和,机,机架(frame),组,组成连,杆,杆机构,；,；大齿,轮,轮(gear)、小,齿,齿轮和,机,机架组,成,成齿轮,机,机构；,凸,凸轮(cam)、推,杆,杆和机,架,架组成,凸,凸轮机,构,构。,1,-,1,本课程,研,研究的,对,对象及,内,内容,除了机,器,器外，,实,实际中,存,存在如,图,图1-2所示,的,的开窗,机,机构和,如,如图1-3所,示,示的千,斤,斤顶，,它,它们借,助,助于人,力,力驱动,实,实现所,需,需的运,动,动或传,递,递力。,这,这些装,置,置我们,称,称之为,机,机构。,图1-2 开,窗,窗机构,图1-3 千,斤,斤顶,机器的,特,特征,：,1.,它,它们是,由,由零件,人,人为装,配,配组合,而,而成的,实,实物体,；,；,2.各实物,体,体之间,具,具有确,定,定的相,对,对运动,；,；,3.,能,能完成,有,有用的,机,机械功,或,或转化,机,机械能,。,。,机构的,特,特征：,机构具,有,有机器,特,特征中,的,的前两,个,个特征,。,。,机器与,机,机械的,共,共有特,征,征决定,了,了机器,与,与机构,可,可以统,称,称为机,械,械。,本课程,研,研究的,内,内容：,1.,机,机构结,构,构分析,的,的基本,知,知识,2.,机,机构的,运,运动分,析,析,3.,机,机器动,力,力学,4.,常,常用机,构,构的分,析,析与设,计,计,5.,机,机构的,选,选型及,机,机械传,动,动系统,的,的设计,本课程,研,研究的,内,内容可,以,以概括,为,为两个,方,方面，,第,第一是,介,介绍对,已,已有机,械,械进行,结,结构、,运,运动和,动,动力分,析,析的方,法,法，第,二,二是探,索,索根据,运,运动和,动,动力性,能,能方面,的,的要求,设,设计新,机,机械的,途,途径。,l,-,2,学,学习本,课,课程的,目,目的,本课程,所,所学的,内,内容乃,是,是研究,现,现有机,械,械的运,动,动及工,作,作性能,和,和设计,新,新机械,的,的知识,基,基础。,所,所以它,成,成为机,械,械类各,专,专业必,修,修的一,门,门重要,的,的技术,基,基础课,程,程，并,为,为专业,课,课程打,下,下基础,。,。,l,-,3 如,何,何进行,本,本课程,的,的学习,在学习,本,本课程,的,的过程,中,中，要,着,着重注,意,意搞清,楚,楚基本,概,概念，,理,理解基,本,本原理,，,，掌握,机,机构分,析,析和综,合,合的基,本,本方法,。,。,在本课,程,程的学,习,习过程,中,中，要,注,注意培,养,养自己,运,运用所,学,学的基,本,本理论,和,和方法,去,去分析,和,和解决,工,工程实,际,际问题,的,的能力,。,。为此,要,要十分,注,注意各,种,种理论,和,和方法,的,的适用,范,范围和,条,条件，,以,以求能,逐,逐步作,到,到正确,而,而灵活,的,的应用,。,。,第二章,平,平,面,面机构,的,的结构,分,分析,2,-,1,机,机构结,构,构分析,的,的内容,及,及目的,研究内容：,(1) 研,究,究机构的组,成,成及其具有,确,确定运动的,条,条件；,(2) 根,据,据结构特点,进,进行机构的,结,结构分类；,(3) 研,究,究机构的组,成,成原理。,研究目的：,在机构设计,中,中，需要知,道,道机构是怎,样,样组合起来,的,的，而且在,什,什么条件下,才,才能实现确,定,定的运动；,对,对机构组成,原,原理的研究,还,还可以为新,机,机构的创造,提,提供途径；,通,通过对机构,的,的结构分析,与,与分类，可,以,以为举一反,三,三地研究机,构,构的运动分,析,析和动力分,析,析提供方便,。,。,2,-,2 机构的,组,组成,1. 构件,构件(link)机,器,器中每一个,独,独立的运动,单,单元体。,2. 运动,副,副,由两个构件,组,组成的可动,的,的联接称为,运动副(,kinematicspair)。而把两,构,构件上能够,参,参加接触而,构,构成运动副,的,的表面称为,运动副元素,。例如轴与,轴,轴衬的配合(图2-1)，滑块与,导,导轨的接触(图2-2)。,图2-1,回,回转副,图2-1,移,移动副,两齿轮轮齿,的,的啮合(图2-3,a)，球面与,平,平面的接触(图2-3,b)，圆,柱,柱与平面的,接,接触(图2-3,c),。,。,图2-3,b,图2-3,c,图2-3,a 齿轮副,任意两个构,件,件1与2，,当,当它们尚未,构,构起运动副,之,之前，构件1相对于构,件,件2共有6,个,个相对运动,的,的自由度。,当,当两构件以,某,某种方式相,联,联接而构成,运,运动副，则,两,两者间的相,对,对运动便受,到,到一定的约,束,束，其相对,运,运动自由度,减,减少的数目,就,就等于该运,动,动副所引入,的,的约束的数,目,目。两构件,构,构成运动副,后,后所受到的,约,约束数最少,为,为1(如图2-3，b,所,所示的运动,副,副)，而最,多,多为5(如,图,图2-1和2-2所示,的,的运动副),运动副的分,类,类,：,(1) 按,引,引入约束的,数,数目分：I,级,级副、级,副,副、级副,、,、级副、,级副。,(2) 按,两,两构件的接,触,触情况进行,分,分：点或线,接,接触而构成,的,的运动副统,称,称为高副；,面,面接触(surface contact),而,而构成的运,动,动副则称为,低,低副(lower pair ),。,。,(3) 按,两,两构件之间,的,的相对运动,的,的不同分：,转,转动副或回,转,转副(revolute pair)、移动,副,副(slidingpair),、,、螺旋副、,球,球面副、平,面,面运动(planemotion)副、空,间,间运动副。,图2-5,螺,螺旋副,图2-6,球,球面副,3. 运动,链,链,把两个以上,的,的构件通过,运,运动副的联,接,接而构成的,相,相对可动的,系,系统称为,运动链,(,kinematicschin),。如运动链,的,的各构件构,成,成了首末封,闭,闭的系统，,则,则称其为,闭式运动链或简称闭链(图2-7,，,，a和b),；,；如运动链,的,的构件未构,成,成首末封闭,的,的系统，则,称,称其为开式运动链，或简称开链(图2-7，c和d),。,。,4. 机构,在运动链中,，,，如果将某,一,一构件加以,固,固定而成为,机,机架，则这,种,种运动链便,成,成为机构。,机构中按给,定,定的已知运,动,动规律独立,运,运动的构件,称,称为原动件,；,；而其余活,动,动构件则称,为,为从动件。,从,从动件的运,动,动规律决定,于,于原动件的,运,运动规律和,机,机构的结构,。,。,2,-,3 机构运,动,动简图,用简单的线,条,条和规定的,符,符号表示组,成,成机构的构,件,件和运动副,，,，并按一定,的,的比例尺表,示,示运动副的,相,相对位置的,简,简单图形称,为,为,机构运动简,图,图,(kinematicsketch ofmechanism)。绘制步,骤,骤如下：,(1) 分,析,析机构的运,动,动情况，定,出,出其原动部,分,分、工作部,分,分，搞清楚,传,传动部分。,(2) 合,理,理选择投影,面,面及原动件,适,适当的投影,瞬,瞬时位置。,(3) 选,择,择适当的比,例,例尺(scale)。,(4) 用,简,简单的线条,和,和规定的符,号,号绘图。,(5) 检,验,验。,6,1,A,O,F,2,3,4,5,B,D,E,C,颚式碎石机,a,b,图2-8,2,-,4,机构具有确,定,定运动的条,件,件,机构具有确,定,定运动时所,必,必须给定的,独,独立运动参,数,数的数目，,称,称为机构的自由度。,机构具有确,定,定运动的条件：机构的自由,度,度必须大于,或,或等于,l，,且机构原动,件,件的数目应,等,等于机构的,自,自由度的数,目,目。,如图2-10，只有在,给,给构件4确,定,定运动规律,后,后，此时系,统,统才成为机,构,构。,图2-9,图2-10,2,-,5,平面机构自,由,由度的计算,平面机构自,由,由度计算公,式,式,2,-,6,计算平面机,构,构自由度时,应,应注意的事,项,项,1. 复合,铰,铰链：两个以上的,构,构件同在一,处,处以转动副,相,相联接，如,图,图2-11,所,所示。,若有m个构,件,件以复合铰,链,链(,joint)相联接时,，,，其构成的,转,转动副数应,等,等于(m-1)个。,图2-11,2. 局部,自,自由度,在有些机构,中,中，某些构,件,件所产生的,局,局部运动，,并,并不影响其,他,他构件的运,动,动。我们把,这,这种局部运,动,动的自由度,称,称为局部自,由,由度，如图,所,所示。在计,算,算机构的自,由,由度时，应,从,从机构自由,度,度的计算公,式,式中将局部,自,自由度减去,。,。,对于图示凸,轮,轮机构自由,度,度为,F=3,3-(2,3+1)-1=1,凸轮机构三,维,维实体图,图2-12,3. 虚约,束,束,在机构中，,有,有些运动副,带,带入的约束,，,，对机构的,运,运动实际上,不,不起约束作,用,用，我们把,这,这类约束称,为,为虚约束。,在,在计算机构,的,的自由度时,应,应将这类虚,约,约束除去。,机构中的虚,约,约束常发生,在,在下列情况,：,：,1) 在机,构,构中如果两,构,构件用转动,副,副联接其联,接,接点的运动,轨,轨迹重合，,则,则该联接将,带,带入1个虚,约,约束。如图214所,示,示的机构简,图,图。,F = 3*n2P,l,P,h,= 3*4,2*6=0,错,错,F = 3*n2P,l,P,h,= 3*3,2*4= 1,对,对,图2-13,2),如果两构件,在,在多处接触,而,而构成移动,副,副，且移动,方,方向彼此平,行,行,(,如图,2,-,14,所示,),，则只能算,一,一个移动副,。,。,如果两构件,在,在多处相配,合,合而构成转,动,动副，且转,动,动轴线重合(如,2-15所,示,示)，则只,能,能算一个转,动,动副。,如果两构件,在,在多处相接,触,触而构成平,面,面高副，且,各,各接触点处,的,的公法线彼,此,此重合(如,图,图2-16,所,所示)，则,只,只能算一个,平,平面高副。,图2-14,图2-15,图2-16,3)在机构,运,运动的过程,中,中，若两构,件,件上某两点,之,之间的距离,始,始终保持不,变,变，则如用,双,双转动副杆,将,将此两点相,联,联，也将带,入,入1个虚约,束,束，图2-17所示。,4)在机构,中,中，某些不,影,影响机构运,动,动传递的重,复,复部分所带,入,入的约束亦,为,为虚约束，,如,如图2-18所示。,F = 3*n2P,l,P,h,= 3*4,2*6=0 错F= 3*n,2P,l,P,h,= 3*5,2*56= -1,错,错,F = 3*n,2P,l,P,h,= 3*3,2*4 =1,对,F = 3*n,2P,l,P,h,= 3*3,2*3,2= 2,对,图2-17,图2-18,第三章 平,面,面机构的运,动,动分析,3,-,1 机构运,动,动分析概述,机构的运动,分,分析：根据,原,原动件的已,知,知运动规律,，,，求该机构,其,其他构件上,某,某些点的位,移,移(displacement)、轨迹、,速,速度和加速,度,度，以及这,些,些构件的角,位,位移、角速,度,度和角加速,度,度。,机构运动分,析,析的方法主,要,要有图解法,和,和解析法。,3,-,2 速度瞬,心,心及其在平,面,面机构速度,分,分析中的应,用,用,一、速度瞬,心,心,瞬心为互相作平,面,面相对运动,的,的两构件上,，,，瞬时相对,速,速度为零的,点,点；或者说,，,，瞬时速度,相等的重合,点,点(即等速,重,重合点)。,若,若该点的绝,对,对速度为零,则,则为绝对瞬,心,心；若不等,于,于零则为相,对,对瞬心。如,图,图3-1所,示,示。,图3-1,二、,机构中瞬心,的,的数目,因为每两个,构,构件就有一,个,个瞬心，所,以,以由,N,个构件,(,含机架,),组成的机构,，,，其总的瞬,心,心数,K,由排列组合,的,的知识可得,：,：,三、机构中,瞬,瞬心位置的,确,确定,如上所述，,机,机构中每两,个,个构件之间,就,就有一个瞬,心,心，如果两,个,个构件是通,过,过运动副直,接,接联接在一,起,起的，那末,其,其瞬心的位,置,置，根据瞬,心,心的定义可,以,以很容易地,加,加以确定。,而,而一般情况,下,下，两构件,的,的瞬心则需,藉,藉助于所谓,“,“三心定理,”,”来确定。,现,现分别介绍,如,如下。,1.,通过运动副,直,直接相联的,两,两构件的瞬,心,心,1) 以转,动,动副相联接,的,的两构件，,如,如图3-2,a所示，,转,转动副的中,心,心即为其瞬,心,心P,12,。,2),以移动副相,联,联接的两构,件,件，如图,3,-,2,b,所示，因两,构,构件间任一,重,重合点的相,对,对运动速度,方,方向均平行,于,于导路，故,其,其瞬心,P,12,必位于移动,副,副导路的垂,直,直方向上的,无,无穷远处。,3) 以平,面,面高副相联,接,接的两构件,，,，如图3-2，c、d,所,所示。如果,高,高副两元素,之,之间为纯滚,动,动则其两元,素,素的接触点M即为瞬心P,12,；如果高副,两,两元素之间,既,既作相对滚,动,动，又有相,对,对滑动，则,瞬,瞬心P,12,必位于高副,两,两元素在接,触,触点处的公,法,法线nn上,，,，具体位置,尚,尚需根据其,他,他条件来确,定,定。,图3-2,2.,用三心定理,确,确定两构件,的,的瞬心,三心定理,(Kennedysthrorem),：三个彼此,作,作平面平行,运,运动的构件,的,的瞬心必位,于,于同一直线,上,上。如图,3,-3所示。,图3-3,四、 速度,瞬,瞬心(instantaneous center of velocity)在机构速,度,度分析中的,应,应用,1)求构件,的,的角速度,在图3-4,所,所示的平面,四,四杆机构中,，,，设各构件,的,的尺寸已知,，,，原动件2,以,以角速度,2,沿顺时针方,向,向回转。,因为已知瞬,心,心,P,24,为构件,2,及构件,4,的等速重合,点,点，故得：,图3-4,2)求构件,上,上某点的速,度,度,如图3-5,所,所示的凸轮,机,机构。设各,构,构件的尺寸,已,已知，原动,件,件2的角速,度,度为,2,。利用瞬心,来,来确定从动,件,件3的移动,速,速度，同样,十,十分简便。,如图所示，,得,得从动件的,移,移动速度的,大,大小为,：,3,-,3 用矢,量,量方程图解,法,法作机构的,速,速度和加速,度,度分析,矢量方程,图,图解法所,依,依据的基,本,本原理是,理,理论力学,中,中学过的,运,运动合成,的,的原理。,在,在对机构,进,进行速度,和,和加速度,分,分析时，,首,首先要根,据,据运动合,成,成原理列,出,出机构运,动,动的矢量,方,方程，然,后,后再根据,该,该方程进,行,行作图求,解,解。,图3-5,一、 同,一,一构件上,两,两点间的,速,速度、加,速,速度的关,系,系,1. 速,度,度分析,图,3,-,6,在如图3-6，a,所,所示的曲,柄,柄滑块机,构,构中，连,秆,秆BC为,一,一作平面,运,运动的构,件,件。由运,动,动合成原,理,理可知，,此,此构件上,任,任一点(,如,如点c),的,的运动可,认,认为是由,其,其随同该,构,构件上另,一,一任意点(如点B)的平动(牵连运,动,动)与绕,该,该点(点B)的转,动,动(相对,运,运动)所,合,合成。因,此,此，点c,的,的速度为,：,：,现设点B,的,的速度为,已,已知，求,点,点c的速,度,度。,步骤：,1)对机,构,构进行运,动,动分析，,列,列出矢量,方,方程式；,2)取速,度,度比例尺,，,，定极点,；,；,3)按矢,量,量作图法,作,作图。(从已知,到,到未知),其大小分,别,别为：,现如求连,杆,杆上点E,的,的速度则,利,利用B、E两点和C、E两,点,点间的速,度,度关系可,分,分别列出,矢,矢量方程,并,并将它们,联,联立起来,，,，可得矢,量,量方程：,用图解法,求,求解，得,：,：,V,E,=,图b所示,的,的由各速,度,度矢量构,成,成的图形,称,称为,速度多边,形,形,。p点称,为,为速度多,边,边形的,极点,。其,特点,如下：,1)由极,点,点P向外,放,放射的矢,量,量，代表,构,构件上相,应,应点的绝,对,对速度；,2)相对,速,速度是联,接,接两绝对,速,速度矢端,的,的矢量，,下,下标字母,相,相反；,3)极点,的,的速度为,零,零；,4)速度,影,影象原理,。,。,由图可见,，,，因,bce与,BCE,的对应边,相,相互垂直,，,，故知两,者,者相似，,且,且其角标,字,字母符号,的,的顺序也,是,是一致的,，,，只是前,者,者的位置,是,是后者沿,的方向转,过,过了90,0,而已。所,以,以，我们,把,把图形bce称为,构,构件图形BCE的,速,速度影像,。,。,2. 加,速,速度分析,同理点,c,的加速度,为,为：,为求E点,的,的加速度,与,与进行速,度,度分析相,似,似，需利,用,用点E与B、C两,点,点的加速,度,度关系联,立,立求解，,即,即得：,图C所示,的,的由各加,速,速度矢量,构,构成的图,形,形称为,加速度多,边,边形,。p点,称,称为加速,度,度多边形,的,的,极点,。其特点,如,如下：,1)由极,点,点P向,外,外放射的,矢,矢量，代,表,表构件上,相,相应点的,绝,绝对加速,度,度；,2)相对,加,加速度是,联,联接两绝,对,对加速度,矢,矢端的矢,量,量，下标,字,字母相反,；,；,3)极点,的,的加速度,为,为零；,4)加速,度,度影象原,理,理。,由图可见,，,，因,bce与,BCE,相似，且,其,其角标字,母,母符号的,顺,顺序也是,一,一致的。,所,所以，我,们,们把图形bce称为,构,构件图形BCE的,加,加速度影,像,像。,3.,两,两构件重,合,合点间的,速,速度、加,速,速度的关,系,系,如图,3,-7所示,的,的平面四,杆,杆机构中,，,，构件,1,与构件,2,组成移动,副,副，点,c,为此两构,件,件上的一,个,个重合点,。,。由运动,合,合成原理,可,可知，构,件,件,2,上的点,c,2,的运动可,以,以认为是,由,由构件,1,上与其相,重,重合的点,c,1,的运动,(,牵连运动,),和点,c2,相对于点,c,1,的相对运,动,动所合成,。,。,图3-7,哥,氏,氏,加,加,速,速,度,度,大,大,小,小,为,为,：,：,(3-7),方,向,向,：,：,将,将,相,相,对,对,速,速,度,度V,C1C2,沿,角,角,速,速,度,度,1,的,转,转,向,向,转,转,过,过90,0,所,得,得,的,的,方,方,向,向,一,一,致,致,。,。,(3-5),(3-6),第,四,四,章,章平,面,面,机,机,构,构,的,的,力,力,分,分,析,析,4,-,1,机,机,构,构,力,力,分,分,析,析,的,的,目,目,的,的,和,和,方,方,法,法,一,、,、,作,作,用,用,在,在,机,机,械,械,上,上,的,的,力,力,作,用,用,在,在,机,机,械,械,上,上,的,的,力,力,，,，,包,包,括,括,由,由,外,外,部,部,施,施,于,于,机,机,械,械,的,的,原,原,动,动,力,力,、,、,生,生,产,产,阻,阻,力,力,、,、,重,重,力,力,和,和,运,运,动,动,构,构,件,件,受,受,到,到,的,的,空,空,气,气,和,和,油,油,液,液,等,等,的,的,介,介,质,质,阻,阻,力,力,；,；,构,构,件,件,在,在,变,变,速,速,运,运,动,动,时,时,产,产,生,生,的,的,惯,惯,性,性,力,力,；,；,以,以,及,及,由,由,于,于,上,上,述,述,诸,诸,力,力,在,在,运,运,动,动,副,副,中,中,所,所,引,引,起,起,的,的,反,反,力,力,。,。,根,据,据,各,各,力,力,对,对,机,机,械,械,运,运,动,动,的,的,影,影,响,响,的,的,不,不,同,同,，,，,可,可,将,将,它,它,们,们,概,概,分,分,为,为,两,两,大,大,类,类,：,：,(1),驱,驱,动,动,力,力,凡,凡,是,是,驱,驱,使,使,机,机,械,械,产,产,生,生,运,运,动,动,的,的,力,力,统,统,称,称,为,为,驱,驱,动,动,力,力,。,。,所,所,作,作,的,的,功,功,为,为,正,正,功,功,，,，,称,称,为,为,驱,驱,动,动,功,功,，,，,或,或,输,输,入,入,功,功,。,。,(2),阻,阻,抗,抗,力,力,凡,凡,是,是,阻,阻,止,止,机,机,械,械,产,产,生,生,运,运,动,动,的,的,力,力,统,统,称,称,为,为,阻,阻,抗,抗,力,力,。,。,所,所,作,作,的,的,功,功,为,为,负,负,功,功,，,，,称,称,为,为,阻,阻,抗,抗,功,功,。,。阻,抗,抗,力,力,又,又,可,可,分,分,为,为有,效,效,阻,阻,力,力和有,害,害,阻,阻,力,力两,种,种,：,：,1),有,有,效,效,阻,阻,力,力,，,，,即,即,工,工,作,作,阻,阻,力,力,。,。它,是,是,机,机,械,械,在,在,生,生,产,产,过,过,程,程,中,中,为,为,了,了,改,改,变,变,工,工,作,作,物,物,的,的,外,外,形,形,、,、,位,位,置,置,或,或,状,状,态,态,等,等,所,所,受,受,到,到,的,的,阻,阻,力,力,，,，,克,克,服,服,了,了,这,这,些,些,阻,阻,力,力,就,就,完,完,成,成,了,了,有,有,效,效,的,的,工,工,作,作,。,。,克,克,服,服,有,有,效,效,阻,阻,力,力,所,所,完,完,成,成,的,的,功,功,称,称,为,为,有,有,效,效,功,功,或,或,输,输,出,出,功,功,。,。,2),有,有,害,害,阻,阻,力,力,，,，,即,即,机,机,械,械,在,在,运,运,转,转,过,过,程,程,中,中,所,所,受,受,到,到,的,的,非,非,生,生,产,产,阻,阻,力,力,。,。机,械,械,为,为,了,了,克,克,服,服,这,这,类,类,阻,阻,力,力,所,所,做,做,的,的,功,功,是,是,一,一,种,种,纯,纯,粹,粹,的,的,浪,浪,费,费,。,。,克,克,服,服,有,有,害,害,阻,阻,力,力,所,所,作,作,的,的,功,功,称,称,为,为,损,损,失,失,功,功,。,。,二,、,、,机,机,构,构,力,力,分,分,析,析,的,的,目,目,的,的,和,和,方,方,法,法,由,于,于,作,作,用,用,在,在,机,机,械,械,上,上,的,的,力,力,，,，,不,不,仅,仅,是,是,影,影,响,响,机,机,械,械,的,的,运,运,动,动,和,和,动,动,力,力,性,性,能,能,的,的,重,重,要,要,参,参,数,数,，,，,而,而,且,且,也,也,是,是,决,决,定,定,相,相,应,应,构,构,件,件,尺,尺,寸,寸,及,及,结,结,构,构,形,形,状,状,等,等,的,的,重,重,要,要,依,依,据,据,。,。,机,机,构,构,力,力,分,分,析,析,的,的,任,任,务,务,，,，,主,主,要,要,有,有,以,以,下,下,两,两,部,部,分,分,内,内,容,容,：,：,1.,确,确,定,定,运,运,动,动,副,副,中,中,的,的,反,反,力,力,。,。,2.,确,定,定,为,为,了,了,使,使,机,机,构,构,原,原,动,动,件,件,按,按,给,给,定,定,规,规,律,律,运,运,动,动,时,时,需,需,加,加,于,于,机,机,械,械,上,上,的,的,平,平,衡,衡,力,力,(,或平衡,力,力偶,),。,4,-,2构件,惯,惯性力,的,的确定,一、,作,作平面,复,复合运,动,动的构,件,件,由理论,力,力学可,知,知，对,于,于作平,面,面复合,运,运动而,且,且具有,平,平行于,运,运动平,面,面的对,称,称面的,构,构件,(,例如图,4,1,所示铰,链,链四杆,机,机构中,的,的连杆,BC),，其惯,性,性力系,可,可简化,为,为一个,加,加在质,心,心上的,惯,惯性力,和,和一个,惯,惯性力,偶,偶矩。,它,它们分,别,别为：,为了分,析,析的方,便,便，上,述,述惯性,力,力和惯,性,性力偶,矩,矩又可,以,以用一,大,大小等,于,于,P,1,，作用,线,线由质,心,心,S,偏移一,距,距离,L,h,的总惯,性,性力来,代,代替,(,图,6),，此时,距,距离的,值,值,L,h,为：,二、,作平面,移,移动的,构,构件,对于作,平,平面移,动,动的构,件,件，由,于,于没有,角,角加速,度,度，故,不,不会产,生,生惯性,力,力偶。,只,只是当,构,构件为,变,变速移,动,动时，,持,持有一,个,个加在,其,其质心S上的,惯,惯性力,P,1,-m,s,。,三、,绕定轴,转,转动的,构,构件,对于绕,定,定轴转,动,动的构,件,件，其,惯,惯性力,和,和惯性,力,力偶矩,的,的确定,又,又有两,种,种情况,。,。,(1),绕通过,质,质心的,定,定轴转,动,动的构,件,件,(,如齿轮,、,、飞轮,等,等构件,),因其质,心,心的加,速,速度为,零,零，故,惯,惯性力,为,为零。,只,只是当,构,构件为,变,变速转,动,动时，,将,将产生,一,一惯性,力,力偶矩,M,1,-J,s,s,。,(2),绕,绕不,通,通过质,心,心的定,抽,抽转动,的,的构件(如曲,柄,柄、凸,轮,轮等构,件,件),如,如果,构,构件是,变,变速转,动,动(如,图,图4-2所示)，则,将,将产生,惯,惯性力,P,1,-m,s,及惯性,力,力偶矩M,1,-J,s,s,。同样,，,，两者,可,可用一,个,个不通,过,过其质,心,心的总,惯,惯性力,来,来代替,。,。,第五章,机,机械,中,中的摩,擦,擦和机,械,械效率,5,-,1,研究机,械,械中摩,擦,擦的目,的,的和研,究,究内容,我们知,道,道运动,副,副中的,摩,摩擦力,是,是一种,主,主要的,有,有害阻,力,力，它,会,会使机,械,械的效,率,率降低,，,，使运,动,动副元,素,素受到,磨,磨损，,因,因而降,低,低零件,的,的强度,、,、机械,的,的精度,和,和工作,寿,寿命；,使,使零件,发,发热膨,胀,胀，将,导,导致机,械,械运转,不,不灵活,，,，甚至,卡,卡死，,并,并使机,械,械润滑,情,情况恶,化,化。而,另,另一方,面,面在某,些,些情况,下,下机械,中,中的摩,擦,擦又是,有,有用的,，,，在不,少,少机械,中,中，就,正,正是利,用,用摩擦,来,来工作,的,的。,研究的,主,主要内,容,容有：,1),几,几种,最,最常见,的,的运动,副,副中的,摩,摩擦的,分,分析；,2),考,考虑,摩,摩擦时,机,机构的,受,受力分,析,析；,3),机,机械,效,效率的,计,计算；,4),由,由于摩,擦,擦的存,在,在而可,能,能发生,的,的所谓,机,机械的,“,“自锁,”,”现象,，,，以及,自,自锁现,象,象发生,的,的条件,等,等。,5-2,运,运动副,中,中的摩,擦,擦,一、,移动副,中,中摩擦,力,力的确,定,定,图(a)摩擦,力,力F21的大,小,小为：,图(b)摩擦,力,力F21的大,小,小为：,若令f/sinQ，则,上,上式可,写,写为：,图5-1,图(c)摩擦,力,力F,21,的大小,为,为：,式中f,v,称为,当量摩,擦,擦系数,。,二、,移动副,中,中总反,力,力的确,定,定,在进行,机,机械的,受,受力分,析,析时，,由,由于,N,21,及,F,21,都是构,件,件,2,作用于,构,构件,1,上的反,力,力，故,可,可将它,们,们合成,为,为一个,总,总反力,，,，以,R,21,表示,(,如图,5,-2所,示,示,),。设总,反,反力,R,21,和法向,反,反力,N,21,之间的,夹,夹角为,，则：,角称,为,为,摩擦角,。,总反力R,21,的作用,线,线方向,的,的确定：,R,21,与构件,1,相对于,构,构件,2,的相对,运,运动速,度,度,V,12,的方向,成,成钝角(,90,+ ,)。,图5-2,例如：,图,图5-3,a,中,中，设,滑,滑块1,置,置于升,角,角为,的,的斜面2上，Q为作,用,用在滑,块,块1上,的,的铅垂,载,载荷。,求,求：,(1),滑,滑块1,沿,沿斜面,等,等速上,行,行(通,常,常称此,行,行程为,正,正行程) 时,所,所需的,水,水平驱,动,动力P,。,。,根据力,的,的平衡,条,条件可,知,知：,作出力,的,的三角,形,形，如,图,图,b,所示。,由,由图可,得,得：,(2),滑,滑块1,是,是沿斜,面,面2等,速,速下滑(通常,称,称此行,程,程为反,行,行程),时,时所,需,需的水,平,平驱动,力,力P,。,。如图5-4,a所,式,式。,根据力,的,的平衡,条,条件可,知,知：,作出力,的,的三角,形,形，如,图,图b所,示,示。由,图,图可得,：,：,三、螺,旋,旋副中,的,的摩擦,矩形螺,纹,纹螺旋,副,副中肋,摩,摩擦,图5-5，a,为,为一矩,形,形螺纹,螺,螺旋副(screwpair),，,，通常,在,在研究,螺,螺旋副,的,的摩擦,时,时，都,假,假定螺,母,母与螺,杆,杆间的,作,作用力,系,系集中,作,作用在,其,其中径,的,的圆柱,面,面上。,因,因螺杆,的,的螺纹,可,可以设,想,想为由,一,一斜面,卷,卷绕在,圆,圆柱体,上,上形成,的,的。,因此，,如,如将螺,杆,杆沿中,径,径,d,2,的圆柱,面,面展开,，,，则其,螺,螺纹将,展,展成一,个,个斜面,，,，该斜,面,面的升,角,角,即为螺,杆,杆在其,中,中径,d,2,上的螺,纹,纹的导,程,程角，,于,于是得,：,：,假定螺,母,母与螺,杆,杆间的,作,作用力,系,系集中,作,作用在,一,一小段,螺,螺纹上,，,，这样,就,就把对,螺,螺旋副,中,中摩擦,的,的研究,，,，简化,为,为对滑,块,块与斜,平,平面的,摩,摩擦来,研,研究了,。,。,四、转,动,动副中,的,的摩擦,1.,轴,轴颈,摩,摩擦,如图,5,-,6,所示，,设,设受有,径,径向载,荷,荷,Q,作用的,轴,轴颈,1,，在驱,动,动力偶,矩,矩,M,d,的作用,下,下，在,轴,轴承,2,中等速,转,转动。,设,设法向,反,反力的,总,总和为,N,21,，则如,前,前所述,，,，轴承,2,对轴颈,1,的摩擦,力,力,F,21,f*N,21,f,v,*Q,。则摩,擦,擦力矩,Mr,为：,图 5-6,(5-6),根据平,衡,衡条件,可,可知：,R,21,= -Q,；,M,d,= -R,21,*r= -M,f,即总反,力,力R,21,对轴颈,中,中心O,的,的力矩,即,即为摩,擦,擦阻力,矩,矩M,f,，而由,式,式(5,6),知,知：,对于一,个,个具体,的,的轴颈,，,，由于,f,v,及,r,均为定,值,值，所,以,以,是一固,定,定长度,。,。以轴,颈,颈中心,O,为圆心,，,，以,为半径,作,作圆，,则,则称其,为,为摩擦,圆,圆，,称为摩,擦,擦圆半,径,径。,转动,副,副总,反,反力,的,的方,位,位可,根,根据,如,如下,三,三点,来,来确,定,定：,1),在,在,不,不考,虑,虑摩,擦,擦的,情,情况,下,下，,根,根据,力,力的,平,平衡,条,条件,，,，初,步,步确,定,定总,反,反力,的,的方,向,向；,2),总,总,反,反力,应,应与,摩,摩擦,圆,圆相,切,切；,3),总,总,反,反力R,21,对轴,颈,颈中,心,心之,矩,矩的,方,方向,必,必与,相,相对,角,角速,度,度,12,的,方向,相,相反,。,。,(5-7),5-3,机,机械,的,的效,率,率,当机,器,器正,常,常运,转,转时,，,，输,入,入功,将,将等,于,于输,出,出功,和,和损,失,失功,之,之和,。,。即,：,：,W,d,=W,r,+W,f,机械,效,效率,为,为：,效率,也,也可,用,用功,率,率表,示,示，,即,即：,机械,效,效率,也,也可,以,以用,力,力的,比,比值,的,的形,式,式来,表,表达,。,。,图5-7,所示,一,一机,械,械传,动,动装,置,置的,示,示意,图,图。,设P,为,为驱,动,动力,，,，Q,为,为生,产,产阻,力,力，V,P,、V,Q,分别,为,为P,和,和Q,的,的作,用,用点,沿,沿该,力,力作,用,用线,方,方向,的,的分,速,速度,，,，于,是,是根,据,据式(5-9,，,，a)可,得,得：,P,V,P,Q,V,Q,图 5-7,设想,在,在该,机,机械,中,中不,存,存在,摩,摩擦,，,，为,了,了克,服,服同,样,样的,生,生产,阻,阻力,Q,，其,所,所需,的,的驱,动,动力,P,0,(,称为,理,理想,驱,驱动,力,力,),。显然,：,：,PP,0,，且,此,此时,，,，其,效,效率,应,应等,于,于,。,(5-8),(5-9),故得,：,：,将其,代,代入,式,式(a),，,，得,：,：,同理,，,，机,械,械效,率,率也,可,可以,用,用力,矩,矩之,比,比的,形,形式,来,来表,达,达，,即,即,综合,式,式,(c),与,(d),可得,：,：,对于,由,由许,多,多机,器,器组,成,成的,机,机组,而,而言,，,，只,要,要知,道,道了,各,各台,机,机器,的,的机,械,械效,率,率，,则,则该,机,机组,的,的总,效,效率,也,也可,以,以由,计,计算,求,求得,。,。,(1),串联,如图,5-8,所示,为,为几,种,种,机器,串,串联,组,组成,的,的机,组,组。,该机,组,组的,机,机械,效,效率,为,为：,。,。而,功,功率,在,在传,递,递的,过,过程,中,中，,前,前一,机,机器,的,的输,出,出功,率,率即,为,为后,一,一机,器,器的,输,输入,功,功率,。,图5-8,(5-10),a,b,c,设各,机,机器,的,的效,率,率分,别,别为,1,、,2,K,则得,：,：,将,1,、,2,K,连乘,起,起来,，,，得,此即,表,表明,，,，串,联,联机,组,组的,总,总效,率,率等,于,于组,成,成该,机,机组,的,的各,个,个机,器,器的,效,效率,的,的连,乘,乘积,。,。由,此,此可,见,见，,只,只要,串,串联,机,机组,中,中任,一,一机,器,器的,效,效率,很,很低,，,，就,会,会使,整,整个,机,机组,的,的效,率,率极,低,低。,(2),并联,如图5-9所,示,示为,几,几种,机,机器,并,并联,组,组成,的,的,机组,。,。,总输,入,入功,率,率为,总输,出,出功,率,率为,图5-9,(5-11),所以,总,总效,率,率为,上式,表,表明,并,并联,机,机组,的,的总,效,效率,不,不仅,与,与各,机,机器,的,的效,率,率有,关,关，,而,而且,也,也与,各,各机,器,器所,传,传递,的,的功,率,率大,小,小有,关,关。,要,要提,高,高并,联,联机,组,组的,效,效率,，,，应,着,着重,提,提高,传,传递,功,功率,大,大的,传,传动,路,路线,的,的效,率,率。,(3),混联,如图5-10,所,所示,为,为兼,有,有串,联,联和,并,并联,的,的混,联,联机,组,组。,为了,计,计算,其,其总,效,效率,，,，可,先,先将,输,输入,功,功至,输出,功,功的,路,路线,弄,弄清,，,，然,后,后分,别,别计,算,算出,总,总的,输入,功,功率,和,和总,的,的输,出,出功,率,率，,最,最后,可,可按,下,下式,计算,其,其总,机,机械,效,效率,。,。,图5-10,(5-12),5,-,4,机,机,械,械的,自,自锁,有些,机,机械,，,，由,于,于其,结,结构,的,的形,式,式以,及,及摩,擦,擦影,响,响，,导,导致,当,当沿,某,某一,方,方向,施,施加,无,无论,多,多大,的,的驱,动,动力(矩)时,，,，都,无,无法,使,使它,运,运动,的,的现,象,象，,这,这种,现,现象,就,就叫,作,作机,械,械的,自锁,。,一,移,移动,副,副的,自,自锁,条,条件,由图5-11,可,可知,，,，P,t,=P*sin(有,效,效分,力,力),P,n,=P*cos(,有害,分,分力,),最大,摩,摩擦,力,力为,：,：,当,时,时，由上,述,述可知,此式说明,，,，在,的情况,下,下，不管,驱,驱动力P,如,如,何增大，,驱,驱动力的,有,有效分力,总,总是小于,驱,驱动力本,身,身所可能,引,引起的最,大,大摩擦力,，,，因而滑,块,块1总不,会,会发生运,动,动，即发,生,生了所谓,的,的自锁现,象,象。,平面移动,副,副自锁条,件,件,：作用于滑,块,块上的合,外,外力作用,线,线落在移,动,动副摩擦,角,角以内，,即,即, ,。,图 5-11,二、转动,副,副自锁条,件,件,如图,5,-,12,所示，轴,颈,颈和轴承,组,组成转动,副,副。设作,用,用在轴颈,上,上的外裁,荷,荷为一单,力,力,P,，则当力,P,的作用线,在,在摩擦圆,之,之内时,(,即,a,),，因它对,轴,轴颈中心,的,的力矩,M,Pa,，始终小,于,于它本身,所,所能引起,的,的最大摩,擦,擦力矩,M,f,R,P,。所以力,P,任意增大,力臂,a,保持不变,),，也不能,驱,驱使轴颈,转,转动，亦,即,即出现了,自,自锁现象,。,。,转动副自,锁,锁条件：,作用于轴,颈,颈且垂直,于,于轴线的,合,合外力的,作,作用线切,割,割于摩擦,圆,圆，即a,。,三、利,用,用效率,判,判断机,构,构自锁,的,的条件,当机械,自,自锁时,其,其机械,效,效率将,恒,恒小于,或,或等于,零,零，即,设计机,械,械时，,可,可以利,用,用上式,来,来判断,其,其是否,自,自锁及,出,出现自,锁,锁的条,件,件。当,然,然，因,机,机械自,锁,锁时已,根,根本不,能,能作功,，,，故此,时,时，,已没有,一,一般效,率,率的意,义,义，它,只,只表明,机,机械自,锁,锁的程,度,度。当,o,时，机,械,械处于,临,临界自,锁,锁状态,；,；若,o,，则其,绝,绝对值,越,越大，,表,表明自,锁,锁越可,靠,靠。,图 5-12,(5-13),第六章,平,平,面,面连杆,机,机构及,其,其设计,6,-,1,连,连杆机,构,构及其,传,传动特,点,点,连杆机,构,构,(linkages),是一种,应,应用十,分,分广泛,的,的机构,，,，图,6,-,1中,所示机,构,构的共,同,同特点,是,是其原,动,动件,1,的运动,都,都要经,过,过一个,不,不直接,与,与机架,相,相联的,中,中间构,件,件,2,才能传,动,动从动,件,件,3,，这个,不,不直接,与,与机架,相,相联的,中,中间构,件,件称为,连,连杆，,而,而把具,有,有连杆,的,的这些,机,机构统,称,称为连,杆,杆机构,。,。,图6-1,b,a,c,优点,：,1),其,其运动,副,副为低,副,副面接,触,触，压,强,强较小,，,，可以,承,承受较,大,大的载,荷,荷。便,于,于润滑,，,，不易,产,产生大,的,的磨损,，,，几何,形,形状较,简,简单，,便,便于加,工,工制造,。,。,2),从,从动,件,件能实,现,现各种,预,预期的,运,运动规,律,律。,3),连,连杆上,各,各不同,点,点的轨,迹,迹是各,种,种不同,形,形状的,，,，从而,可,可以得,到,到各种,不,不同形,状,状的曲,线,线，我,们,们可以,利,利用这,些,些曲线,来,来满足,不,不同轨,迹,迹的要,求,求。,缺点,：,1),有,有较长,的,的运动,链,链，使,连,连杆机,构,构产生,较,较大的,积,积累误,差,差，降,低,低机械,效,效率。,2),连杆及,滑,滑块的,质,质心都,在,在作变,速,速运动,，,，它们,所,所产生,的,的惯性,力,力难于,用,用一般,的,的平衡,方,方法加,以,以消除,，,，增加,机,机构的,动,动载荷,。,。所以,连,连杆机,构,构一般,不,不宜用,于,于高速,传,传动。,连杆机,构,构在实,际,际中用,处,处较多,，,，如图6-2, a,中,中的机,械,械手驱,动,动机构,，,，图6-2,b 中,的,的溜冰,鞋,鞋刹车,机,机构和,图,图6-2,c,中,中的夹,子,子驱动,机,机构。,图6-2，a,图6-2，b,图6-2，c,6,-,2,平,平面四,杆,杆机构,的,的类型,和,和应用,一、平,面,面四杆,机,机构的,基,基本型,式,式,图6-l，b,所,所示的,铰,铰链四,杆,杆机构(所有,运,运动副,都,都是回,转,转副的,四,四杆机,构,构)是,平,平面四,杆,杆机构,的,的基本,型,型式，,其,其他型,式,式的四,杆,杆机构,可,可看作,是,是在它,的,的基础,上,上通过,演,演化而,成,成的。AD为,机,机架，AB、CD为,连,连架杆,，,，BC,为,为连杆,。,。在连,架,架杆中,，,，能作,整,整周回,转,转的称,为,为,曲柄,，只能,在,在一定,范,范围内,摆,摆动的,则,则称为,摇杆,。,1.,曲,曲柄摇,杆,杆机构,在铰链,四,四杆机,构,构中，,若,若两个,这,这架秆,中,中一个,为,为曲柄,，,，另一,个,个为摇,杆,杆，则,此,此四杆,机,机构称,为,为曲柄摇,杆,杆机构(carnk-rocker meghanism),；,；当曲,柄,柄为原,动,动件，,摇,摇杆为,从,