1、目 錄第一篇 總 論1緒論 11機械原理課程的研究對象 12機械原理課程的地位、研究內容及學習方法 13機械原理學科發展及機械工業展望 思考題第二篇 機構的組成和分析2機構的組成和結構分析 21機構的組成 22機構運動簡圖 23機構的自由度及其計算 24平面機構的組成原理及結構分析 思考題與習題3平面機構的運動分析 31機構運動分析的目的和方法 32速度瞬心法在平面機構運動分析中的應用 33整體運動分析法在平面機構運動分析中的應用 34桿組法在平面機構運動分析中的應用 35典型題解析 思考題與習題4平面機構的力分析和機械效率 41機構力分析的目的和方法 42作用在機構上的力 43桿組法在平面連

2、桿機構動態靜力分析中的應用 44運動副中的摩擦和自鎖 45考慮摩擦時平面機構的動態靜力分析示例 46機械的效率與自鎖 47典型題解析 思考題與習題第三篇 常用機構及其設計5平面連桿機構及其設計 51連桿機構及其傳動特點 52平面四桿機構的基本類型及其演化 53平面四桿機構的基本特性 54平面連桿機構的設計 55多桿機構的應用簡介 思考題與習題6凸輪機構及其設計 61 凸輪機構的應用與分類 62從動件的運動規律設計 63凸輪輪廓曲線的設計 64凸輪機構基本參數設計 思考題與習題7齒輪機構及其設計 71齒輪機構的應用、特點與分類 72齒廓嚙合基本定律與齒輪的齒廓曲線 73漸開線齒廓 74漸開線齒廓

3、的嚙合特性 75漸開線標準齒輪的基本參數和尺寸計算 76漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動 77漸開線齒輪的加工 78變位齒輪傳動 79斜齒圓柱齒輪傳動 710蝸桿傳動機構 711直齒圓錐齒輪傳動 712典型題解析 思考題與習題8齒輪系及其設計 81齒輪系及其分類 82定軸輪系的傳動比 83周轉輪系的傳動比 84復合輪系的傳動比 85輪系的功用 86輪系的設計 87其他行星傳動簡介 思考題與習題9其他常用機構 91間歇運動機構 92萬向聯軸節機構 93螺旋機構 思考題與習題第四篇 機構系統的動力學10機械的運轉及其速度波動的調節 101概述 102機械系統運動方程的建立 103機械系統運動方程式的求

4、解 104機械的速度波動及其調節方法 思考題與習題11機械的平衡 111機械平衡的目的、分類與方法 112 剛性轉子平衡的原理與方法 113剛性轉子的平衡試驗 114平面機構的平衡 思考題與習題第五篇 機械運動系統的方案設計12機械運動系統的方案設計 121機械運動系統方案設計的內容 122執行機構的功能原理設計 123執行機構的運動規律設計 124執行機構的型式設計 125執行機構的運動協調設計 126原動機的選擇 127機械傳動系統方案設計 128機械系統運動方案的評價 思考題與習題 參考文獻第一篇 總 論1 緒 論內容概要 本章介紹機械原理課程的研究對象、研究內容；從認識機器入手，了解機

5、器和機構的特點和組成，形成機械的基本概念；了解本課程的學習特點及本學科發展狀況和趨勢。11 機械原理課程的研究對象 機械原理是機器與機構理論的簡稱，它是一門以機器和機構為研究對象的學科，是一門研究機械的運動學、動力學分析與設計基本理論問題的課程。機器對于我們并不陌生，從家用的洗衣機、自行車，旅行用的汽車、火車、飛機，到建筑用的推土機、吊車，加工用的車床、銑床、刨床等。雖然機器種類繁多，機器的用途和結構各不相同，但組成機器的常用機構是有限的，本課程就是要通過學習這些機構的分析和綜合的方法，以此研究各種機構和機器所具有的一般共性問題。 111 機器 盡管各種機器的組成、功能和運動特點不盡相同，但它

6、們都具有如下三個共同特征： (1)機器是人為的實物組合； (2)機器各部分之間具有確定的相對運動； (3)機器具有確定的功能，可以用來轉換能量、傳遞信息、完成有用功，以代替或者減輕人類的勞動。 如圖1-1所示為空氣壓縮機工作原理圖，它將機械能轉換成氣體的勢能。壓縮機的動力來自曲軸8，通過連桿7將曲軸8的旋轉運動轉變成滑塊的往復運動，并通過連接桿4帶動活塞3作往復運動。當活塞3從左向右運動時，氣缸2內的氣腔容積增大，腔內壓力低于進氣口壓力，此時進氣閥9打開，排氣閥1關閉，壓力較低的外部氣體充滿氣腔；當活塞3從右向左運動時，彈簧10使進氣閥9關閉，此時氣處于密閉狀態，隨著運動的繼續，腔內氣體受到壓

7、縮使壓力增高，當腔內壓力大于排氣口壓力p時，排氣口1打開，壓力較高的壓縮空氣向外排出。在圖1-1中，滑塊5、機架6、連桿7、曲軸8組成了一個機構，它們將曲軸的旋轉運動轉變成為滑塊的往復運動，這種機構稱為曲柄滑塊機構。圖1-2所示為單缸四沖程內燃機結構圖，它是由氣缸體1，曲軸2，連桿3，活塞4，排氣閥5，火花塞6，進氣閥7，頂桿8，齒輪9、10、11，凸輪12等組成。燃氣推動活塞作往復移動，經連桿轉變為曲軸的連續轉動。凸輪和頂桿是用來啟閉進氣閥和排氣閥的。為了保證曲軸每轉兩周進、排氣閥各啟閉一次，曲軸與凸輪軸之間安裝了齒數比為1：2的齒輪。其運動關系如圖1-3所示。這樣，當燃氣推動活塞運動時，各

8、構件協調地動作，進、排氣閥有規律地啟閉，加上汽化、點火等裝置的配合，就把熱能轉換為曲軸回轉的機械能。 內燃機中主要包含了以下機構： (1)曲柄滑塊機構由曲軸2(曲柄)、連桿3、活塞4(滑塊)和汽缸體1(機架)組成，活塞為主動件，曲軸為從動件，其功用為將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，用于實現移動與轉動之間的運動變換，完成做功、吸氣、壓縮、排氣等工作過程所需的運動。 (2)凸輪機構 由凸輪12、頂桿8和機架(內燃機殼體)組成，兩套凸輪機構相差一定的相位，分別控制進、排氣閥的動作。 (3)齒輪機構 由小齒輪10、大齒輪9、11組成，其傳動比為2。用于保證進氣閥、排氣閥和活塞之間形成一定的運動規

9、律(曲軸每轉兩周進、排氣閥各啟閉一次)。 另外，內燃機的工作循環包括進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。這四個沖程中，只有一個沖程做功，因此，單缸四沖程內燃機的運轉不平穩，常在曲軸上安裝一個具有很大轉動慣量的圓盤，稱之為“飛輪”，其目的是減少速度波動。 如上所介紹的各種類型機器中可以看出，盡管其用途和結構各不相同，機器的主體部分都是由各種運動構件組成的。根據工作類型或用途的不同，機器可分為動力機器、加工機器、運輸機器和信息機器。 動力機器的用途是轉換機械能。將機械能轉換為其他形式的能量的機器稱為換能機，如空氣壓縮機(圖1-1)。將其他形式的能量轉換為機械能的機器稱為原動機，如蒸汽機、內燃機(如圖1

10、-2)、電動機等。 加工機器用來改變被加工對象的尺寸、形狀、性質或狀態。如金屬加工機床、紡織機、軋鋼機、包裝機等。 運輸機器用來搬運物品和人，如各種汽車、飛機、起重機、運輸機。加工機器和運輸機器都要完成有用功。 信息機器的功能是處理信息，完成信息的傳遞與變換，例如復印機、打印機、照相機等。信息機器雖然也作機械運動，但其目的是處理信息，而不是完成有用的機械功，因而其所需的功率甚小。 112 機構 在理論力學中我們對一些機構的運動學、動力學問題進行過研究。而上面提到的曲柄滑塊機構、齒輪機構、凸輪機構等組成了機器。那么什么是機構呢? 用來傳遞運動和力的、有一個構件為機架的、用構件間能夠相對運動的連接

11、方式組成的構件系統稱為機構。機構所涉及的基本單元是構件，如曲軸、連桿、滑塊等，它們具有各自的運動特征。如圖1-4所示為內燃機的連桿，它由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、開口銷8等零件構成。這些零件之間沒有相對運動，它們是作為一個整體來運動的。構件和我們常用的另一個術語“零件”有所不同。構件是運動的單元，而零件是制造的單元。構件可以是由一個零件組成的，也可以是由多個沒有相對運動的零件組成的。 機構具有以下兩個特征： (1)機構是人為的實物組合； (2)機構各部分之間具有確定的相對運動。 由此可見，機構具有機器的前兩個特征。機器是由各種機構組成的，它可以完成能量的轉換或做有用

12、的機械功，而機構則僅僅起著傳遞運動和力的作用。也就是說，機構是實現預期機械運動的實物組合體，而機器是由各種機構組成的，能實現預期機械運動并完成有用機械功或轉換機械能的機構系統。由于機構具有機器的前兩個特征，所以從結構和運動的觀點來看，兩者之間并無區別，傳統上認為，機械是機器和機構的總稱，將機器和機構均用“機械”來表示。113 現代機械的組成 隨著科技的發展，機械的內涵不斷變化。機電一體化已成為現代機械的最主要特征，機電一體化拓展到光、機、電、聲、控制等多學科的有機融合?，F代機械系統綜合運用了機械工程、控制系統、電子技術、計算機技術和電工技術等多種技術，是將計算機技術融合于機械的信息處理和控制功

13、能中，實現機械運動、動力傳遞和變換，完成設定的機械運動功能的機械系統。就功能而言，一臺現代化的機械包含四個組成部分。 (1)動力部分 其作用是向機器提供動力，稱之為原動機，可采用人力、畜力、液力、電力、熱力、磁力、壓縮空氣等作為動力源。其中以利用電力(電動機)和熱力(內燃機)的原動機應用最為廣泛。 (2)執行系統 執行系統是直接完成機器功能的部分，按照工藝要求完成確定的運動，其動力由原動機通過傳動系統提供。因此，在機器中，執行系統處于整個傳動路線的終端，執行系統的工作原理和結構隨機器的用途不同而不同，它屬于各種專業機械課程研究的內容。 (3)傳動部分 傳動部分介于驅動部分和執行部分之間。將原動

14、機的運動和動力傳遞給執行裝置，并實現運動速度和運動形式的轉換。例如，電動機都是作回轉運動，而機器的執行部分則可能有各種運動形式：如回轉、往復擺動、往復移動、間歇運動等，還有的執行部分要走出一定的軌跡，這就需要實現運動形式轉換的各種機構，即傳動部分。另外，一般原動機的轉速都比較高，而機器的執行部分速度則各不相同，而且許多機器還需要執行裝置可以有多種不同的速度，這就需要實現速度變換的機構，此亦為傳動部分。從上一節的實例中可以清楚地看出，連桿機構、凸輪機構、棘輪機構用來實現運動形式的轉換，而齒輪機構和帶傳動則用來實現速度變換。 (4)控制部分 它的作用是控制機器各部分的運動，處理機器各組成部分之間的

15、工作協調。以及與外部其他機器或原動機之間的關系協調。如各種傳感器的收集信息，輸入計算機進行處理，并向機器各個部分發指令等。隨著現代機械設備自動化程度的提高，控制部分將變得越來越重要。如圖1-5所示的工業機器人的構造，工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。執行機構由多個剛性的桿件所組成，各桿件間由運動副相連(在機器人學中，通常稱這些運動副為關節)，使得相鄰桿件間能產生相對運動。大多數工業機器人有36個運動自由度，其中腕部通常有13個運動自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統

16、是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。圖1-6為神舟飛船模擬圖，飛船各組成系統通常按照功能或應用情況分乘員艙、服務艙、軌道艙等。乘員艙是航天員在飛行過程中生活和工作的地方，除結構外，它包含了全部環境控制與生命保障系統，如用于空氣更新、廢水處理和再生、通風、溫度和濕度控制等的環境控制和生命保障系統、報話通信系統、儀表和照明系統、宇航服、載人機動裝置和逃逸系統等。服務艙用于裝載各種消耗器、安裝姿態和軌道控制系統發動機。軌道艙主要用于裝載各類科學探測與試驗儀器。宇宙飛船都有基本的結構系統、通信系統、電源系統、溫控系統、遙測系統、姿態控制系統、變軌系統和推進器等。在回收時，只需

17、將乘員艙實施軟著陸并安全回收。而宇宙飛船的發射塔、運載火箭也都是組成龐大的機械系統。 12 機械原理課程的地位、研究內容及學習方法 121 機械原理課程的地位 機械原理是許多產品和現代技術裝備創新的基礎和技術創新的核心，它不僅對培養學生的工程素質和綜合能力具有重要的教學作用，而且在整個機械類創新型人才培養的全局中占據重要的教學地位。作為一門技術基礎課，它一方面較物理、理論力學等理論課程更加結合工程實際，另一方面又不同于流體機械、機械裝備設計等研究某一類機械所具有的特殊問題的專業課程，它具有更寬的研究面和更廣的適應性。在專業教學體系中，機械原理課程具有承上啟下的橋梁作用，為學生學習后續課程和掌握

18、專業知識以及新的科學技術打下基礎。通過本課程的學習，使學生掌握關于機構的結構、機構運動學和機器動力學的基本理論和基本知識，初步具備機構分析和設計的綜合能力，并得到必要的基本技能訓練。 122 機械原理課程的研究內容 機械原理課程的研究內容一般可以概括如下： (1)對已有機械進行分析它包括機構的結構分析，即研究機構的組成原理、機構運動的可能性及確定性條件；機構的運動分析，即研究在給定原動件運動的條件下，機構各點的軌跡、位移、速度和加速度等運動特性；機構的動力分析，即研究機構各運動副中力的計算方法、摩擦及機械效率等問題。 (2)常用機構的分析和設計問題如連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、間歇運動機構等

19、常用機構的相關概念、結構特點、基本設計理論與方法。它們是機械原理課程學習的主要內容。 (3)機器動力學問題研究在已知力作用下，具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規律；分析機械運動過程中各構件之間的相互作用力；機械運轉過程中速度波動的調節和飛輪設計問題，回轉構件和機構平衡的理論和方法。 (4)根據運動和動力性能方面的要求設計新機械包括機構的選型、機構的構型、機構的創新設計、機構的運動設計及動力設計。最后確定能夠滿足功能要求的機構運動簡圖。 本課程著重于根據運動和動力要求，設計機構的結構類型，確定機構的幾何尺寸，亦即進行機構的結構綜合和運動綜合，但不涉及各零件的強度計算、材料選擇、具體結構形狀、

20、工藝要求等方面的內容。 123 機械原理課程的學習方法 在學習本課程的過程中，最好把所學理論知識與工程實踐相結合，從對現有機械的分析與觀察中體會本課程介紹的基本理論與方法，從本課程知識體系的學習中領悟現有機械的長處、發現現有機械的不足，這樣，既可以提高本課程的學習效率，又可鞏固和加深本課程所學的知識。具體學習要求綜述如下： (1)熟悉和掌握各種常用機構的結構和運動特點，深入理解滿足實際生產需要的機構分析和設計方法。 (2)熟悉和掌握機械運動簡圖的畫法，習慣采用運動簡圖來描述機構和機器，分析機構和機器的運動情況。 (3)深刻理解課程中的基本概念，如各種機構的壓力角、運動的相對性和運動幾何學等基本

21、概念，對更好地掌握課程內容，起到事半功倍的效果。 (4)深入理解和全面掌握本課程的基本研究方法。這些基本研究方法有：速度瞬心法、桿組分析法、轉換機架法、機構演化法、等效法等。這些方法使我們能容易地對各種機構進行分析和設計。 (5)注意在學習中聯系實際、融會貫通，求解習題前應先重點復習有關例題，歸納總結解題思路，以達到舉一反三的效果。 (6)強化工程觀點，注重實踐環節，掌握機械系統運動方案設計的能力。通過實驗課的安排和課程學習結束后的課程設計，使課程學習的理論知識得到綜合運用。 13 機械原理學科發展及機械工業展望 131 機械原理學科發展 機械原理學科是機械學學科的重要組成部分，是機械工業和現

22、代科學技術發展的重要基礎。這一學科的主要組成部分為機構學和機械動力學。 18世紀下半葉，由于資本主義的興起，在英國產生了世界第一次工業革命，推動了用機械化生產代替手工生產的過程，大大促進了紡織機械、縫紉機械、農業機械、蒸汽機、內燃機等各類機械的產生和應用。同時，也促進了機械工程學科的形成和發展。機構學在原來的機械力學的基礎上發展為一門獨立的學科。 機構學的研究對象是機器中的各種常用機構，如連桿機構、凸輪機構、齒輪機構和間歇運動機構等。它的研究內容是機構結構的組成原理和運動確定性，以及機構的運動分析和綜合。機構學在研究機構的運動時僅從幾何的觀點出發，而不考慮力對運動的影響。如內燃機、壓縮機等的主

23、體機構都是曲柄滑塊機構，這些機構的運動不同于一般力學上的運動，它只與其幾何約束有關，而與其受力、構件質量和時間無關。1875年，德國的F勒洛把上述共性問題從一般力學中獨立出來，編著了理論運動學一書，創立了機構學的基礎。書中提出的構件、運動副、運動鏈和機構運動簡圖等概念，以及相關觀點和研究方法至今仍在沿用。1841年，英國的R威利斯發表了機構學原理。早期的機構學局限在具有確定運動的剛性構件系統，且將運動副視為沒有間隙的，將機器的概念局限于由原動機、傳動機械和工作機械組成，用于代替人類的勞動。 機械動力學的研究對象是機器或機器的組合。研究內容是確定機器在已知力作用下的真實運動規律及其調節、摩擦力和

24、機械效率、慣性力的平衡等問題。19世紀中葉以來，由于各類機器的出現，工作負荷變化很大，產生很大速度波動，影響機器的工作質量，且在運動副中產生附加動壓力，引起振動，降低工作精度和可靠性。因此，機械動力學也逐步形成。進入20世紀，出現了把機構學和機械動力學合在一起研究的機械原理。1934年，中國人劉仙洲所著的機械原理出版。1969年，在波蘭成立了國際機構和機器原理協會。 傳統的機械原理研究對低速運轉的機械一般是可行的。但隨著機械向高速、高精度方向發展，構件接觸面的間隙、構件的彈性或溫差變形以及制造和裝配等所引起的誤差必將影響運動的變化，因而從20世紀40年代開始，提出了機構精確度問題。由于航天技術以及機械手和工業機器人的飛速發展，機構精確度問題已越來越引起人們的重視，并已成為機械原理的不可缺少的一個組成部分。 20世紀70年代機電一體化概念的提出，形成了以計算機協調和控制的現代機械，如并聯機床、柔性機器人、航天機械以及21世紀的智能機械、微型機械及仿生機械等。機器和機構的概念也有相應的擴展。如在某些情況下，組成機構