导图社区 机械原理
这是一篇关于机械原理的思维导图，主要内容包括：机械的运转及其速度波动的调节，机械的平衡，机械的动力分析，平面机构的静力分析，平面机构的运动分析，机构的结构分析，绪论。
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民法分论
机械原理
绪论
机械是机器和机构的总称
机械>=1个机器>=1个机构>=2个构件>=1个零件
机械：盾构机，拖拉机
机器：柴油机，发动机
机构：点火装置，弹射装置
构件：基本运动
零件：基本加工制造
研究对象
机械
机构
机器
机构的基础知识
机构的组成
机构的组成要素
构件（Link）
构件：至少具有一个铰点的刚体。
铰点是用来和其他构件相连接的。
二阶构件——具有两个铰点
三阶构件——具有三个饺点
四阶构件——具有四个铰点
机构运动中具有独立运动的单元
运动副（Joints/Kinematic pairs）
两构件直接接触形成的可动连接
运动链（Kinematic Chain）
两个以上的构件通过运动副连接而成的系统
机构（Mechanism）
运动链中至少有一个构件为机架
运动副的分类
低副
转动副
移动副
高副
机构的运动简图
机构自由度的计算
注意：复合铰链、局部自由度、虚约束
机构具有确定运动的条件
F>0且原动件数=F
自由度必须大于零，且等于原动件。
机构的结构分析
组成
构件
运动副
自由度
约束度
分类
接触情况
高副（点或线）
低副（面）
相对运动
运动链
机架
主动件
低副机构
高副机构
开链
闭链
机构运动简图
根据机构的运动尺寸，按比例尺绘出的，用以表示机构运动传递情况的简化图形称为机构运动简图
原则：
能简单清楚地把机构的结构及运动传递情况正确地表示出来
绘制步骤
1）分析机构组成
搞清机械的构造及运动情况
查明各机构和运动副的类别及位置
2）选定视图平面
3）取比例尺作图
先根据机械机构的运动尺寸，确定出各运动副的位置
然后再画出各运动副符号及常用机构运动简图符号
最后用简单线条或几何图形连接即可
4）完成必要标注
运动确定性及自由度分析
机构具有确定运动的条件和最小阻力定律
机构的原动件数应等于其自由度数
机构的自由度（用F表示）
机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目
最小阻力定律
即优先沿阻力最小的方向运动
原动件数小于机构自由度
欠驱机构
优点：驱动小；缺点：运动不确定
机构运动将不完全确定，此时遵循阻力最小定律
原动件数大于机构自由度
冗驱机构
优点：承载能力强，刚度大
将导致机构中最薄弱的环节损坏
自由度计算
运动副数目
复合铰链
m个构件构成的复合铰链有(m-1)个转动副(低副）
两构件多处接触
构成转动副，转动轴线重合
一个转动副
构成移动副，移动方向彼此平行
一个移动副
构成平面高副
接触点处公法线重合
一个平面高副
接触点公法线不重合
构成一个复合高副，相当于一个低副
除去局部自由度
滚子 局部自由度为1
除去虚约束
虚约束
轨迹重合
距离相等
机构重复
平面机构
组成原理
任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于主动件和机架上而构成的。这就是机构的组成原理。
结构分类
基本杆组是由2个构件和3个低副构成的，我们把这种基本杆组称为Ⅱ级组
由2个构件和3个低副构成的
二级组
2杆3副
由4个构件和6个低副所组成的
三级组
4杆6副
机构按含最高级别杆组分类
二级机构
三级机构
一级机构
只由机架和原动件构成
同一机构可包含不同级别的杆组
结构分析
运动副全部为低副
正确计算机构的自由度（注意除去机构中的虚约束和局部自由度)，并确定主动件。
从远离主动件的构件开始拆杆组。先试拆Ⅱ级组，若不成，再拆Ⅲ级组。每拆出一个杆组后，留下的部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直至全部杆组拆出只剩下主动件和机架为止
确定机构的级别
高副低代
条件
自由度相等
瞬心速度加速度相等
高副低代的方法
用一个虚拟两副构件分别联接两构件高副接触点处的曲率中心。
若高副两元素之一为直线
则低代时变为移动副
若高副两元素之一为一点
则低代时就变为此点
机构的变换
构件和运动副变换
移动副与转动副
高副与低副
规则2：任何低副可被一个高副替代，但此时将增加一个自由度
规则3：去掉一个构件将减少一个自由度。
自由度不变
高阶构件变换
规则5：任何三阶或高阶构件可通过合并铰点使其部分铰点缩减成为一个低阶构件。这样变换可产生一个复合（多重）运动副，但机构的自由度并不改变。
规则6：全部缩减一个高阶构件的全部铰点等于去掉该构件，一个复合运动副产生了，但自由度将减少。
机架变换
对于低副所连接的两个构件之间的相对运动关系不因其中哪个构件作为参考坐标而变化。这一性质称为“低副运动可逆性”
高副不具有相对运动可逆性
构成分析-杆组法
首先高副低代
高副低代的方法：
用一个带有两个转动副的构件来代替一个高副，这两个转动副分别处在高副两元素接触点的曲率中心。
高副低代的条件：
1）替前后机构的自由度完全相同；
2）代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。
高副为两曲线时，曲率中心
当机构运动时，随着接触点的改变，其接触点的曲率半径也随之改变，因而在不同的位置有不同的瞬时替代机构。
点接触，曲率为0
其中一个是直线
杆组
二级杆组
三级杆组
平面机构的运动分析
图解法
同一构件上两点间的速度及加速度图解
运动矢量方程
速度
加速度
两个重要特性
速度多边形、加速度多边形
速度影像、加速度影像
两个构件重合点（运动副重合点）
科式加速度
机构中有两构件组成为移动副情况下， 当牵连运动为转动，相对运动是移动时，一定会产生哥氏加速度。
速度分析
速度瞬心法
速度瞬心P
绝对瞬心，Vp =0
相对瞬心
N—机构构件总数（含机架）
位置
1）由瞬心定义确定
在其中心处
在其导路的无穷远处
纯滚动副
在其接触点处
滚动高副
在过其接触点两高副元素的公法线上
2）三心定理
互作平面运动三构件的三个瞬心必位于同一直线上
机构的传动比
原动件与从动件的瞬时角速度之比等于两构件绝对瞬心至相对瞬心距离的反比
综合法
综合运用瞬心法和矢量方程图解法作机构速度分析的方法
平面机构的静力分析
运动副中摩檫力的确定
平面移动副
斜面移动副
槽面移动副
螺旋副
考虑摩擦的机构图解受力分析
基本原理
1. 摩擦库伦定理
2. 二力平衡
3. 三力平衡汇交
若构件受三个共面的力作用而平衡时，则这三个力的作用线必汇交于一点。
4. 牛顿第三定律
5. 驱动力及摩擦力作用原则
构件所受的驱动力与其运动方向一致，所受的摩擦力与其运动方向相反。
运动总反力判断原则
由力平衡条件，初步确定构件的总受力状态（受拉或压）
对于转动副：总反力FR总是与摩擦圆相切； 对于移动副：总反力FR总是与摩擦锥相切
对于转动副：总反力FR对轴心之矩M_FR的方向与相对转动方向ω总是相反； 对于移动副：总反力FR的方向与相对移动方向v间夹角总是等于(90°+j)
分析步骤
1)根据各转动副轴径尺寸及摩擦因数画出各个摩擦圆：
2)根据主动件的运动，判定各个通过运动副直接连接的构件间的相对运动方向：
3)基于基本力学原理及运动副总反力判定准则，判定各个构件间的作用力：
a)根据机构所受外力，初步判定各构件间作用力的总体方向（受拉或压)
b)由受已知力较多的构件入手开始进行受力分析：
若该构件连有转动副，则其总反力F恒切于摩擦圆，且其对转动中心的转矩方向与相对转动方向ω：
相反；若该构件连有移动副，则其总反力F恒切于摩擦锥，且其方向与相对移动方向y:间夹角为(90°+j):
c)重复步骤b),直至所有构件均已求出待求力。
机械效益与传动角
机械的效率
机械的自锁
无论多么大的驱动力，都不能使机构运动的现象，
自锁条件
机械的动力分析
构件惯性力确定
牛二
质量代换
动态静力分析
机械的平衡
刚性转子的平衡
静平衡计算
动平衡计算
平面机构的平衡
机械的运转及其速度波动的调节
机械运动方程式
一般表达式
等效构件
转动构件
移动构件
稳定运转状态下机械的周期性波动及其调节
原因
调节
机构分析基础
连杆机构及其设计
平面连杆机构
平面连杆机构是由若干构件用低副（转动副、移动副）连接而成，故又称低副机构。
铰链四杆机构--所有运动副均为转动副
整转副——能作整周相对转动的转动副
摆转副——不能作整周相对转动的转动副
机架—相对参考系固定不动的构件
连架杆——直接与机架相连的杆
曲柄—连架杆中能作整周转动的构件
摇杆—连架杆中只能作往复摆动的构件
连杆——与机架不直接连接且做复杂运动的构件
运动特性
整转副存在条件 即Grashof条件
S+L≤P+Q
取最短杆为连杆时，构成双摇杆机构;
取最短杆为机架时，构成双曲柄机构;
取最短杆的邻杆为机架时，构成曲柄摇杆机构;
整转副存在于最短杆两端
相等时，当所有构件共线时，变换点输出行为不定
当最短杆与最长杆长度之和>其余两杆长度之和
无曲柄，为双摇杆机构
无整转副
曲柄滑块机构条件：a+e≤b，偏心距e a为曲柄，是最短杆
急回特性
极限位置
从动件位于两极限位置时，曲柄所处一个极限位置和另一个极限位置反向所夹的角
θ>0，k>1有急回特性
θ=0，k=1无急回特性
行程速比系数K
动力特性
压力角α
压力角：从动件的速度方向与作用力方向所夹锐角
压力角和传动角随机构位置而变化。
压力角愈大径向压力愈大，有效分力愈小！
[α]许用压力角
α max ≤[α]
传动角γ
传动角：压力角的余角
传动角越大，传力特性越好！
[γ]许用传动角
γ min ≥[γ]
【γ】=40°一般机械
【γ】=50°重型机械
min：曲柄与机架共线
max：曲柄与机架共线 or摇杆与连杆垂直90°
最小传动角
发生在曲柄与机架拉直共线和重叠共线时

比较二者大小，可求得最小传动角
死点位置
传动角γ=0°，压力角α=90°，即连杆与摇杆的接触点C的作用力与C的运动方向垂直
曲柄为主动件不会有死点位置，只有摇杆和滑块为主动件时，曲柄与连杆共线时
机构死点
六种死点位置，实线为出现死点的情况
规避方法：在曲柄轴上安装飞轮，利用飞轮转动的惯性；多组机构错位
设计方法
刚体导引机构

函数生成机构
刚化反转法

急回机构
轨迹生成机构
解析法
实验法
平面四杆机构
平面平行四杆机构的特点及使用目的
平行四边形机构
特点
两曲柄长度相等，连杆与机架的长度也相等
两曲柄的转动和速度方向相同，连杆始终平动
轴间距不可变
当两曲柄与机架重合时，出现位置不确定问题 解决方法
通过虚约束保持平行四边形
加惯性轮利用惯性维持从动曲柄转向不变
使用目的
1.机车车轮联动：各车轮与主动轮运动相同
2.升降台：升降过程中，平台始终水平
反平行四边形机构
两曲柄长度相同，连杆与机架的长度也相同，但不平行
主动曲柄转动时，从动曲柄做反向转动
实例：公共汽车门，两扇门同时开启和关闭
凸轮机构及其设计
凸轮机构
凸轮
从动件
类型
盘形、移动、圆柱凸轮
尖端、曲面从动件
滚子、平底从动件
移动、摆动从动件
力锁合、型锁合
运动规律
等速运动
等加速等减速（抛物线）运动
简谐运动
摆线运动
3-4-5次多项式运动
将常用运动规律组合起来，保证位移、速度和加速度曲线连续
凸轮轮廓的设计
反转法
推杆的运动规律
凸轮轮廓曲线的设计
解析法设计凸轮廓线
移动滚子从动件 盘形凸轮机构
摆动滚子从动件 盘形凸轮机构
已知设计要求：a,r0,l,ω,Ψ=Ψ(φ)
理论廓线方程
x=A'C-A'D
y=OC+BD
廓线--确定尺寸
齿轮机构及其设计
平面齿轮机构
直齿圆柱齿轮机构
外啮合
内啮合
齿轮齿条
平行轴斜齿圆柱齿轮机构
（优）传动平稳承载能力高，机构更紧凑
（缺）产生轴向力，于传动不利
人字齿轮机构
曲线齿圆柱齿轮机构
空间齿轮机构
圆锥齿轮机构
交错轴斜齿轮机构
蜗杆机构
准双曲齿轮机构
正确啮合条件
渐开线直齿圆柱齿轮机构：两轮模数和压力角相等
无侧隙啮合条件
一个齿轮节圆上的齿厚等于另一个齿轮节圆上的齿槽宽
根切
用展成法加工齿轮时，若刀具的齿顶线或齿顶圆与啮合线的交点超过被切齿轮的极限点，则刀具的齿顶会将被切齿轮之齿根的渐开线齿廓切去了一部分
影响：减弱轮齿的弯曲强度，重合度下降，破坏定传动比传动，影响传动平稳性
变位齿轮
齿轮的齿廓曲线
渐开线齿廓
渐开线齿廓啮合特点
啮合线是直线，啮合线、公法线及两基圆的切线三线合一
啮合角不变
具有可分性：基圆不变，中心距略有改变，传动比保持不变
分度圆：齿轮上具有标准模数和标准压力角的圆
齿廓啮合基本定理：在啮合传动的任一瞬时，两轮齿廓曲线在相应接触点的公法线必须通过按给定传动比确定的该瞬时的节点
对于定传动比传动：在啮合传动的任一瞬时，两轮齿廓曲线在相应接触点的公法线必须通过按给定传动比确定的固定节点
齿轮系及其设计
轮系的类型
定轴轮系
周转轮系
行星轮系
机构自由度为1
n为固有的太阳轮
差动轮系
混合轮系
传动比计算
定轴轮系的传动比计算
周转轮系的传动比计算
方法
例题
w1与w3的方向
混合轮系的传动比计算
周转轮系齿数的确定
传动比条件
同心条件
装配条件
邻接条件
其它常用机构
摩擦传动
打滑
i不准确
过载保护
挠性传动
带传动
组成：主动轮、从动轮、传动带、机架
类型：摩擦型、啮合型
摩擦型特点：打滑、定期张紧
打滑可起到过载保护的作用
链传动
组成：主动链轮、从动链轮、链条、机架
特点：平均传动比准确
可展机构
并联机构
柔顺机构
柔性铰链运动精度可达纳米级
间歇运动机构
棘轮机构
槽轮机构
凸轮式间歇运动机构
不完全齿轮
