机械原理学习指南-陈作模.docx

1、高 等 学 校 教 材机 械 原 理 学 习 指 南( 第四版 )陈作模 张永红 苏 华 编高 等教 育出 版社内 容 简 介本书是为配合学习孙桓、陈作模主编机械原理( 第六版 ) 而编写的。 本书对各章内容的学习要求、重点 难点、学习方 法和注 意事项 作了简 要说明 , 并对一些较为典型的例题和问题 进行了 较为详 细的分 析求解 , 对课 程 中某些重要问题作了适当延伸补充。在编写中注意了内容的启发性、科 学性 和趣味性。本书可作为高等工业学校工科机 械类专 业学生 学习机 械原理 课程的 辅 助教材 , 也可供机械工程技术人员和自 学机械 原理课 程的人 员参考 , 对学 生 考研和青

2、年教师备课也有帮助。 图书在版编目 ( CIP ) 数据 机械原理学习指南/ 陈作模、张永红 , 苏华编 . 4 版 .北京 : 高等教育出版社 , 2001.7 高等学校教材 ISBN 7 - 04 - 009353 - 7 . 机 . . . .陈 . . .张 . . .苏 . . . . 机构学 -高等学校 - 自学参考资料 . T H111 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2001) 第 07706 号责任编辑 马盛明 封面设计 李卫青 责任绘图 李维平版式设计 马静如 责任校对 马桂兰 责任印制机械原理学习指南 (第四版 )陈作模 张永红 苏 华 编出版发行 高等教育出版社社

3、址 北京市东城区沙滩后街 55 号 邮政编码 100009电 话 010 - 64054588传 真 010 - 64014048网 址 htt p : htt p : 经 销 新华书店北京发行所印 刷 版 次 1987 年 2 月第 1 版开 本 8501168 1/ 32年 月第 4 版印 张 4.375印 次 年 月第 次印刷字 数 100 000定 价 5.00 元本书如有缺页、倒页、脱页等质量问题 , 请到所购图书销售部门联系调换。版权所有 侵权必 究前 言机械原理课程是高等工业学校机械类专业普遍开设的一门重 要的技术基础课程。机械工 业是 一个 国家 , 尤其 是一 个大 国必 不

4、 可少的基础工业。信息业的 发展 只能 给机械 工业 锦上 添花 , 如 虎 添翼 , 而不可能取代机 械工 业。所以 , 努 力学好 本课 程 , 对 机械 类 高级工程技术人员来说是十分必要的。为了培养具有工程实践能 力的、具有开拓精神的 创造性 人才 , 孙 桓、陈作模 主编机 械原 理 ( 第六版 ) 作为高等教育“九五”国家级重点教材较前几版教材有较 大变化 , 与 之 配 套 的机 械 原 理 学 习 指 南一 书 也 作 了 相 应 的 修 订。 本书删去了 前 版中 对 本课 程 学 习方 法 所 作 的 一般 性 指 导 一 节 , 增强了对各章学习 内容的 具体 指导 ;

5、对各 章内 容的 学习 要求、 重点难点、学习方法和注意事项都作了简要说明 ; 结合各章的主要 内容选取了一些较为 典型 的例 题及问 题进 行了分 析求 解 ; 还针 对 学生在考试、作业、答疑中较 常出 错的 部分 , 作了 较为 详细 具体 的 解说 ; 对课程中的某些重要问题作了适当的延伸和补充 ; 各章都列 出了复习思考题 , 并在全书末列出了学习效果的自我检测题 , 以及 部分复习思考题和自我检测题的答案。在本书的编写中 , 我们特别注意理论与实践的结合 , 注重培养 学生分析问题和解决问题的能力 , 关注内容的启发性、科学性和趣 味性 , 使学生能从中获得 较大 的教益 和有 助

6、于 工程实 践能 力的 培 养 , 以期对读者学好本课程有更多的帮助。本书可作为机械类 专业 ( 不 论是 普通 高校 , 还是 函 授大 学、电 视大学、普通高等专科 学校、高等 职业 技术学 院或 职工大 学 ) 等 学 生学习机械原理课程的辅助教材 , 也可供近机类、非机类各专业的 1 学生及自学者在学习机 械原理 课程 时参考。 本书 对学 生考 研、青 年教师备课也有一定的帮助。编者2000 年 2 目 录一、关于机械原理课程的说明1二、各章内容学习方法指导3( 一 ) 绪论3( 二 ) 机构的结构分析4( 三 ) 平面机构的运动分析14( 四 ) 平面机构的力分析27( 五 ) 机

7、械的效率和自锁36( 六 ) 机械的平衡41( 七 ) 机械的运转及其速度波动的调节48( 八 ) 平面连杆机构及其设计58( 九 ) 凸轮机构及其设计72( 十 ) 齿轮机构及其设计83( 十一 ) 齿轮系及其设计96( 十二 ) 其他常用机构106( 十三 ) 工业机器人机构及其设计112( 十四 ) 机械传动系统的方案设计116三、学习效果的自我检测119附 : 部分复习思考题和自我检测题的答案130一 、关 于 机 械 原 理 课 程 的 说 明机械原理课程是研究机 械基础 理论 的一门 学科 , 是高 等工 业 院校机械类各专业普 遍开 设的 一门主 干技 术基础 课程 , 在 培养

8、 具 有创造性设计新机械能力人才所需的知识结构中占有核心地位作 用。其任务是使学生掌握机 构学 和机 器动力 学的 基本 理论、基 本 知识和基本技能 , 学会各种常用基本机构的分析和综合方法 , 并初 步具有按照机械的使用要求拟定机械传动系统方案的能力。本课 程在培养高级技术人 才的 全局 中 , 不 仅为 学生 学习相 关技 术基 础 和专业课程起到承前 启后 的作 用 , 而 且为 今后 从事机 械设 计和 研 究工作起到增强适应能力和开发创新能力的作用。本课程研究的内容可以概括分为两个方面 : 第一 , 介绍对已有 机械进行结构分析、运 动分析 和动 力分析 的方 法 ; 第二 , 探

9、 索根 据 运动和动力性能方面的 要求 , 设计 新机 械的途 径和 方法。 此处 应 当指出 , 在本课程中对机械设计的研究 , 只限于根据运动和动力性 能方面的要求 , 对机构各部分的运动尺度 ( 直接影响到机构运动的 尺度 ) 进行综合 , 而不涉及各零件的强度计算、材料选择、零件的结 构形状和工艺性等问题。它所完成的只是机械设计总过程中的第 一步传动方案 ( 即机构 运动 简图 ) 的 设计。 因此 , 为了 强调 这 一特点 , 在许多文献 中常用“ 综合”两 字来代 替“ 设计”。故 本课 程 研究的内容可以概括为机构的分析和机构的综合两个方面。本课程要用到许多先修 课程中 的知

10、识 , 尤其是 理 论力 学中 的 关于约束及约束反力、力的简化与平衡、摩擦、相对运动原理、动能 定理、惯性力、转动惯量、达朗伯 尔原 理及虚 位移 原理 等方 面的 知 识。但本课程的内容不是先 修课 中知 识的简 单重 复或 堆砌 , 而 是 要引导学生如何应用所学得的知识去解决工程实际中所遇到的问 19 题 , 本课程具有很强的工程实践性。本课程并不研究某种具 体的机 械 , 而是 着重研 究 一般 机械 的 共性问题 , 即机构的分析与综合的基本理论和基本方法 , 这些基本 理论和方法是紧密为工程实践服务的。所以在对本课程的学习过 程中 , 一方面要注意这些 理论 和方法 在理 论上

11、建立和 推演 的严 密 性和逻辑性 ; 另一方面更 要注 意这些 理论 和方 法如何 在工 程实 践 中应用。此外 , 在学习本课程的过程中 , 应随时留意在日常生活和 生产中所遇到的各种机械 , 以丰富自己的感性认识 ; 并用所学得的 理论和方法去认识分析这些机械 , 以加深理解 , 使得理论和实践相 互促进。在本课程中要用到 许多 名词、符号、公 式、标准 和 尺度 参数 等 等。对名词应正确理解其含义 , 对公式则应着重于应用 , 一般不要 求强记。为了简化对机械的 研究 , 在 本课程 中采 用了 许多 为机 械 工程所常用的 简 化方 法 , 如 倒置、反 转、转 化、当 量、等 效

12、、代 换 等 等 ; 除此之外 , 在机构的分析 和综 合中 , 除了 运用 大家 都较 为习 惯 的解析法外 , 还介绍了 图解 法、实验法、试 凑法 等。前 者可 利用 计 算机获得一系列的精确解 , 而 后者 则比较 直观 , 易 于掌 握 , 其解 的 精度一般已能满足工 程问 题的 需要 , 而且 我们 还常常 要利 用它 来 为解析法提供初值 , 并用它来检验计算机所获解的真伪性。在对本课程的学习 过程 中 , 要逐 步树立 起 工程 观点。 实际 工 程问题都是涉及多方面因素的问题 , 其求解可采用多种方法 , 其解 一般也不是 唯 一的。 这就 需 要设 计 者 具 有 分析、

13、判 断、决 策 的 能 力 , 要养成综合分析、全面考 虑问 题的 习惯和 科学 严谨、一 丝不 苟 的工作作风。二 、各 章 内 容 学 习 方 法 指 导机械原理教材共计 十四 章 , 现将各 章的 学习 要 求、重点、难 点 及学习方法等介绍如下。( 一 ) 绪 论1. 学习要求1) 明确本课程研究的对象和内容 , 及其 在培养机 械类高级 工 程技术人才全局中的地位、任务和作用。2) 对机械原理学科的发展现状有所了解。2. 学习的重点及注意事项本章学习的重点是“本课程研究的对象及内容”。本章介绍了 机器、机构、机械等名词 , 并通过 实例 说明各 种机 器的 主要 组成 部 分是各种机

14、构 , 从而明 确了机 构是 本课 程研究 的主 要对 象。在 对 本章的学习中 , 要把注意 力集 中在了 解本 课程 研究的 对象 及内 容 上。当然 , 由于此时尚未具体学习这些内容 , 故只能是一个概括的 了解。此外 , 对本课程的性质和特点也应有所了解 , 以便采取适当的 方法把本课程学好。要学好 本课 程 , 首先必 须对 机械 在一 个国 家 中的重要作用有明确的认识 , 机械现在是、将来仍是人类利用和改 造自然界的直接执行工具 , 没 有机 械的支 持 , 一切 现代工 程 ( 宇 航 工程、深海工程、生物工程、通信工程、跨江大桥、过海隧道、摩天大 楼、 ) 都将无法实现。了解

15、机械原理学科发展 现状和 趋势 , 既 有助于 对 机械 原理 课 程的深入学习 , 也有助于 让我 们深信 机械 工业 将永不 停歇 地日 新月异地迅猛发展。3. 复习思考题1) 何谓机构 ? 何谓机器 ? 何谓机械 ?2) 本课程研究的内容主要包括哪几个方面的问题 ?3) 何谓机构分析及机构综合 ? 它们研究哪些主要内容 ?4) 为什么要学习本课程 ? 通过对本课程的 概括了解 , 为了 学 好本课程 , 你认为在学习过程中应注意哪些问题 ?5) 试设想一个国家没有机械工业将会成为什么样子 ?( 二 ) 机构的结构分析1. 学习要求1) 搞清构件、运动副、约束、自由度及运动链等重要概念。2

16、) 能绘制比较简单的机械的机构运动简图。3) 能正确计算平面 机构 的 自由 度并 能判 断其 是 否具 有确 定 的运动 ; 对空间机构自由度的计算有所了解。4) 对虚约束对机构 工作 性 能的 影响 及机 构结 构 合理 设计 问 题的重要性有所认识。5) 对平面机构的组成原理有所了解。2. 学习的重点及难点本章的重点是构件、运 动副、运 动链等 的概 念 , 机 构运 动简 图 的绘制 , 机构具有确定 运动的 条件 及机 构自由 度的 计算。 本章 的 难点是机构中虚约束的判定问题。至于平面机构中的高副低代则 属于拓宽知识面性质的内容。3. 学习方法指导1) 首先要把构件、运动副、运动

17、链、机构 及机构具 有确定运 动 的条件等概念搞清楚。2) 由于机构的运动 分析 和 动力 分析 都是 就机 构 运动 简图 来 进行的 , 而且机械设计之初也首先是设计机械的机构运动简图 , 所以对机构运动简图的 绘制 必须 十分重 视 , 能正 确阅读 和绘 制机 构 运动简图是工程技术人 员必须 具备 的基本 技能。 当然 , 由 于实 际 机械的结构状况及构 件形 状一 般都比 较复 杂 , 所以如 何用 机构 运 动简图把它表示出来 , 对于初 学者 可能 有一定 的难 度。但 只要 沿 着运动传递路线细心观察 , 把运动在构件间的传递情况 , 构件数的 多少 , 各构件间组成了什么

18、样的运动副 , 以及运动副所在的位置搞 清楚后 , 就不难将其机 构运动 简图 正确 地绘制 出来。 通过 多作 练 习 , 就一定能逐步具备绘制机构运动简图的能力。3) 机构中虚 约 束的 判定 是本 章的 一 个难 点。要 正确 判定 机 构中的虚约束 , 首先要 把什么 是虚 约束 这一概 念搞 清楚。 所谓 虚 约束是指对机构的运 动起 重复 约束作 用的 约束 , 即机 构中 的一 些 运动副所带入的约束与另一些运动副所代入的约束相重复。在计 算机构的自由度时应将虚约束除去。但要注意 , 机构中的虚约束都是在一些特定的条件下出现的 , 如果这些条件不能满 足 , 则原 认为是 虚约

19、束的 约束就 将成 为实 际 有效的约束 , 而影响到 机构运 动的 可能 性或灵 活性。 而为 了满 足 这些特定的条件 , 就要求有较高的加工精度和装配精度 , 而这就意 味着有较高的制造成本。一般说 , 机构的虚约束数越多 , 机构在运 动中被卡住的可能性 也就 越大 , 要求 有较 高精 度的尺 度参 数也 就 越多 , 制造成本也就越高 , 故虚约束数的多少也是机构性能的一个 重要指标。那末在机械设计中为什么要设置虚约束呢 ? 这主要是为了改 善机构的受力情况 ( 参看教材图 2 - 23 ) , 增 加机构的 刚度 ( 参看 教 材题 2 - 13c 图 ) 或 使机 构 能顺 利

20、通 过转 折点 ( 参看 教 材 图 8 - 7) 等。在仪表机构中 , 机构运动的灵活性是十分重要的 , 故要尽可能 避免在机构中出现虚约束 ( 参看教材图 2 - 28、题 2 - 19 图 ) , 另外 在一些刚性较差的地方 , 如布置在飞机机翼上的一些机构 , 在受力 时易发生较大的变形 , 约 束成 为虚约 束必 须满 足的几 何条 件易 遭到破坏 , 故这种情况下也应力求避免虚约束。但要注意 , 正如教材 中所指 出的 那样 , 当把 平面 机构 ( 3 族 机构 ) 按 平面 机构来 计算 其 自由度的时候 , 往往从表面看似乎没有虚约束 , 实际上绝大多数情 况下都存在族别虚约

21、束 , 即实 际上 存在 虚约束。 只有 把机 构按 空 间一般机构来看不存在虚约束时才真正没有虚约束。为了减少虚 约束数 , 在工程实际中 常用球 面副、球 销副代 替转 动副 , 用 圆柱 副 代替移动副或转动副 , 用鼓形齿代替直齿等。4) 关于复合铰链的确定一般不难掌握 , 但在判断 是否为复 合 铰链时要细心。如下两种情况易发生误解。其一 , 复合铰链是两个以上 的构件在 同一 处以转动副相 联 接 的 情形。 不 应 把 若干 个 构 件汇交在一起 就认 为是 复合铰 链。如 图 2 - 1 所示 , 在 A 处虽有四个构件汇交 , 但构 件 1、2和 3、4 之间组 成 的是 移

22、 动 副 , 只 有 2、3 之 间 才组成转动副 , 故并非复合铰链。图 2 - 1其二 , 有齿轮、机架参与的 联接是 否为 复合 铰链 , 常易 发生 混 淆 , 如图 2 - 2a, 在 A 处因有齿轮 1、3 和机架 4 参与 联接 , 故为 复 合铰链 , 而铰链 B 则不 是。在 图 b 中 , 因 B、C、D 处 各 有三 个 构 件参与联接 , 故 均 为复 合铰 链。而 在 A 处 , 因 齿轮 2 和 构件 A B 固联在一起 , 只有两个构件参与联接 , 故非复合铰链。5) 关于齿轮副的约束 , 存在如下两种情况。图 2 - 2其一 , 一般情况下两 齿轮的中心距受 到

23、约束 , 轮 齿两侧 齿廓只 有一侧接触 , 另一侧存在间隙 , 如图 2 - 3a 所示 , 故只提供一个约束。图 2 - 3其二 , 当两齿轮的中心可以彼此靠近 , 直至轮齿两侧齿廓均接 触为止时 , 如图 b 所示。 这时因 轮齿 两侧接 触点 处的 法线 方向 并 不彼此重合 , 故其提 供两个约 束 , 在解教材 题 2 - 13 时 , 就 应分 清 齿轮副约束的上述两种情况。6) 根据平面机构的组成原理知任何平面机 构都可以 由机架、 原动件和若干个基本 杆组 组成 , 因此 在对 机构 进行运 动分 析或 动 力分析时 , 可就原动件和基本杆组来进行 , 对于相同的基本杆组可

24、采用相同的方法 ( 可编成子程序调用 ) , 由于基本杆组的类型不多 , 这就给运动分析和动力分析提供了很大的方便。在将机构分解为基本杆 组时要 注意 , 首 先应将 机 构中 的虚 约 束和局部自由度除去 , 如图 2 - 4 所示 的精压机 机构 , 由于 杆组 I- HJD 与 GEFD 为重复部分 , 带来一个虚约束 , 应 将两 者之一 去掉 , 再进行拆杆组分析。在拆分 基本 杆组 时 , 应 从远 离原 动件 的地 方 开始拆分 , 先 试 按 级 组 拆 分 , 若 不 行 再 依 次 按 级 组、 级 组 拆分。如图 2 - 5 所示机构为教材图 8 - 65d 所示的斯蒂芬

25、森 型 机构 , 当以 EFG 杆 为原 动件 时 , 机 构不 可能 拆出 级 杆组 , 因如把构件 1 、2 和运动副 A、B、C( 或 A、B、D ) 作 为级 杆组 拆 出是不对的 , 因为在拆出杆组时 , 要把该杆组上的所有运动副全部 带走 , 即要把 A、B、C、D 四个运动副带走 , 这样 一来 , 拆出了二 个杆、四个低副 , 不满足杆组自 由度 应为 零的条 件 , 同时 剩下 的部 分 的自由度 F = 3 也与原机构不符 , 故不可以。拆出构 件 2、3 或 2、 4 也会遇到同 样 的 问 题。这 时 只 能 拆 出 级 杆 组 , 如图 b 所 示。 若以构件 A B

26、 为原动件 , 则 只能 拆出 一个 级杆 组 , 如 图 c 所示。 基本杆组的级别是以 该杆 组中 所构成 的封 闭形 ( 由 一个或 若干 个 构件所构成的 ) 中所包含的最多运动副数来确定的。一般说 , 杆组 的级别越高其运动分析和动力分析的难度也就越大。图 2 - 4图 2 - 5 4. 典型例题及问题分析1) 例 题 2 - 1 试 画 出 图 2 - 6a 所示泵机构 的 机 构 运 动简 图 , 并 计算 其自由度。解 在绘 制 机 构 运 动 简 图 时 , 首 先必须搞清机构的组成及运 动传递情 况。在图示机构 中 , 偏 心 盘 1 为 原动 件 , 其与机架 4 构成转

27、动副 A ; 构件 1 与带环 的 柱 塞 2 构 成 转 动 副 B ( 不 管 转动副外形 尺 寸 大 小 如何 , 均 系 绕着 它的转动中 心 回 转 , 故 均 用 在 转 动中心处 的 小 圆 圈 来 表 示 ) ; 构 件 2 则 在图 2 - 6摆动盘 3 的槽中来回移动 , 构成移动副 , 其相对移动方向沿 BC 方 向 ; 构件 3 与机架 4 组成转动副 C , 其在摆动盘 3 的中心处。根据上述分析 , 再选定一适当的比例尺和视图平面 , 并依次定 出各转动副的位置和移动副导路的方位。就不难画出其机构运动 简图 , 如图 b 所示。由于该机构具有三个活动构件、三个转动副

28、和 一个移动副 , 没有高副 , 没有 局部 自由 度和虚 约束 , 故 机构 的自 由 度为F = 3 n - (2 pl + ph - p) - F= 3 3 - ( 24 + 0 - 0 ) - 0 = 12) 例题 2 - 2 试画 出图 2 - 7a 所示冲压 机构的机 构运动 简 图 , 并判断其是否有确定的相对运动。解 首 先 弄 清 机 构 的 组 成及 运 动 传 递 情 况。其 中 偏 心盘 1 为 原 动 件 , 与 机 架 4 构成转动副 A , 构件 1 与月牙 块 2 在以 R 为半 径的 圆弧 上 部分接触 , 月牙块 与偏心盘 之 间的相对 运 动为 绕着 B

29、点 的 转动 , 故 构 件 1、2 之 间 组 成 转动中心在 B 点的转动副 ; 构件 2、3 之 间 有 类 似 情 况 , 它图 2 - 7们在 C 点处构成转动副 ; 构件 3 与机架 4 组成移动副。弄清了 机 构的组成情况及运动 传递 情况 之后 , 再选 定一 适当比 例尺 和视 图 平面 , 就不难画出其机 构运动 简图 如图 b 所示。 此题 的关 键在 于 要认识到构件 2 ( 月牙 块 ) 上的 两个 运动副 为转 动副 , 并能 正确 找 出它们所在的位置。机构的自由度为F = 3 n - (2 pl + ph - p) - F= 3 3 - ( 24 + 0 - 0

30、 ) - 0 = 1机构只有一个原动件 ( 构件 1) , 其数目与机构的自由度相 等 , 故 知 机构具有确定的相对运动。3) 例题 2 - 3 试计算 图 2 - 8 a 所 示凸轮 - 连杆组 合机构 的 自由度。图 2 - 8解 图示机构在 D 处 的结 构与 图 2 - 1 所 示者 一致 , 经分 析 知该机构共有 7 个活动构件 , 8 个低副 ( 注意移动 副 F 与 F, E 与 E均只算作一个移动副 ) , 2 个高副 ; 因有两个 滚子 2、4 , 所以有 两 个局部自由度 , 没有虚约束 , 故机构的自由度为F = 3 n - (2 pl + ph - p) - F=

31、3 7 - ( 28 + 2 - 0 ) - 2 = 1如将 D 处结 构 改为 如 图 b 所示 形 式 , 即 仅 由 两个 移 动 副 组 成。注意 , 此时在该处将带来一个虚约束。因 为构件 3、6 和构 件 5、6 均组成移动 副 , 均 要 限制 构 件 6 在 图 纸平 面 内转 动 , 这 两 者 是重复的 , 故其中有一 个为虚 约束。 经分析 知这 时机 构的 活动 构 件数为 6 , 低 副数为 7 , 高副数 和局部自由度数 均为 2 , 虚约束数 为 1 , 故机构的自由度为F = 3 n - (2 pl + ph - p) - F= 3 6 - ( 27 + 2 -

32、 1 ) - 2 = 1上述两种结构的机构虽 然自由 度均 为一 , 但在 性 能上 却各 有 千秋 : 前者的结构较复 杂 , 但 没有 虚约 束 , 在 运动 中不 易产 生卡 涩 现象 ; 后者则相反 , 由于有一 个虚 约束 , 假如 不能 保证 在运 动过 程 中构件 3 、5 始终垂直 , 在 运动 中就 会 出现 卡涩 甚至 卡死 现 象 , 故 其对制造精度要求较高。4) 例题 2 - 4 试确定图 2 - 9a 所示机构的自由度 , 并确定该 机构的级别 ( 以凸轮 1 为原动件 ) 。图 2 - 9解 a) 机构自由度的计算机构共有 8 个活动构 件 , 10 个低 副 (

33、 G 是 铰链 数为 2 的复 合 铰链 ) , 2 个高副 , 1 个局部自由度 , 没有虚约束 , 故机构的自由度为F = 3 n - (2 pl + ph - p) - F= 3 8 - ( 210 + 2 - 0) - 1 = 1b) 机构级别的确定首先将机构进行高副低代 , 化为图 b 所示的全低副机构 , 该机 构已无局部自由度和虚约束 , 故可就其对机构进行结构分析。从远离原动件 1 处 开 始 拆分 基 本杆 组。 首先 拆 出 级 杆 组 6、7 , 注 意 由 于 G 为 复合 铰 链 , 故 随杆 组 6、7 带 走一 个 铰链 G 后 , 该处还剩下一个铰链 G。下一步

34、只能拆出一 个 级杆 组 4、5、8、10 ( 因 要 再拆 出 级 杆组的尝试均遭失 败 ) 。紧跟 着 又可 再拆 出另 一个 级 杆 组 2、3 , 剩下一个原动件和一个机架。 因杆组的 最高 级别 为级 , 故 该 机构为级机构。 * 5) 例题 2 - 5 试计算图 2 - 10 所示多环空间机构的自由度。 解 图 示 空间 机 构具 有 三 个封 闭 环 ( 5 、1、2、5 ; 5、1、2 、3、4、5 ; 5 、2、3、4 、5) , 但其 中只 有两 个 独立 的封 闭 环 , 所 谓独 立 的 封闭环即在该环中至少包含一个在其他环 中 没有 出 现过 的 构 件 , 今 取

35、 5、1、2、5 及 5 、2 、3 、4、5 为 两 个 独立的封闭环。若各独立封闭环的 公共约 束数 相同 , 则可 利用 式 ( 2 -3) 来直接计算机构的自由度。若各独立封 闭 环的 公 共约 束 数 不 相 同 ,图 2 - 10则应先分别计算各独 立封 闭环 的自由 度 , 再计 算整个 机构 的自 由 度 , 其计算步骤如下 :在图示机构的 5、1、2、5 封 闭环 中 , 公共 约束 数 m = 1 ( 所 有 构件均不能绕垂直于图纸平面的轴转动 ) , 活动构件数为 2 , 5 级副 数为 2 , 2 级副数为 1 , 故该封闭环的自由度为F1 = 2 ( 6 - 1 )

36、- 2 (5 - 1) - (2 - 1) = 1在封闭环 5、2、3 、4、5 中 , 公 共约束 数 m = 0 , 活动构 件数 为3 , 5 级副数为 1 , 3 级副数为 2 , 2 级副数为 1 , 故该闭环的自由度为F2 = 36 - 15 - 23 - 2 = 5两封闭环均用到的公 用部 分只 有一 个活 动构 件 ( 齿 轮 2 ) , 一 个齿轮副 F (2 个约束 ) , 其自由度为F3 = 6 - 2 = 4整个机构的自由度为F = F1 + F2 - F3 = 1 + 5 - 4 = 2在机构的 2 个自由度中 , 有一个是 构件 3 绕自 己轴 线回转 的局 部 自

37、由度 , 故只有一个是有效自由度。5. 复习思考题1) 机构的结 构 分析 包括 哪些 主要 内 容 ? 对机 构 进行 结构 分 析的目的何在 ?2) 何谓构件 ? 构件与零件有何区别 ?3) 何谓高 副 ? 何 谓低 副 ? 在 平面 机构 中高 副 和低 副一 般 各 带入几个约束 ? 齿轮副的约束数应如何确定 ?4) 何谓运动链 ? 运动链与机构有何联系和区别 ?5) 何谓机 构运 动 简图 ? 它 与机 构 示意 图有 何区 别 ? 绘 制 机 构运动简图的目的和意义是什么 ? 绘制机构运动简图的主要步骤 如何 ?6) 何谓机构 的 自由 度 ? 在 计算 平面 机构 的自 由 度时

38、 应注 意 哪些问题 ?7) 何谓公共 约 束 ? 平面 机 构自 由度 的计 算实 际 上是 一般 机 构自由度计算的什么特殊情况 ?8) 为什么说 虚 约束 也是 表征 机构 性 能的 一个 重要 指标 ? 虚 约束对机构有哪些重要影响 ?9) 试判定图 2 - 11 所示各简图中何者存在虚约束 ?图 2 - 1110 ) 机构具有确定运动的条件是什么 ? 该条件是 在什么前 提 下获得的 ? 若不满足这一条件 , 机构将会出现什么情况 ?11 ) 最小阻力定律说明什么问题 ? 你能 用它简释 用脚随便 踢一个垫圈或螺母一下 , 垫圈或螺母的运动常会变成滚动的原因吗 ?图 2 - 1212

39、 ) 在图 2 - 12 中 , 图 a 为万向轮 , 图 b 为玩 具汽车遇到障 碍 后能自动改变行 驶 方 向的 自 动转 向 机构 * , 图 c 为小 面 包车 的 车 门机构 , 你知道它们的工作原理和工作过程吗 ?13 ) 对 平 面 机 构 进 行 高 副 低 代 时 应满足什么条件 ?14 ) 何 谓 基 本 杆 组 ? 机 构 的 组 成 原理是 什么 ? 如 何 确定 基 本 杆 组 及机 构的级 别 ? 确 定 基 本杆 组 及 机 构 级别 有何意 义 ? 在 图 2 - 13 所 示摇 筛 机构中 , 若取构件 1 为 原 动件 , 试分 析 该机构的基本杆组及机构的

40、级 别 ; 又 若取件图 2 - 134 为原动件 , 机构的基本杆组及级别是否仍与前者相同。( 三 ) 平面机构的运动分析1. 学习要求1) 正确理解速度瞬心 ( 包括绝对瞬心及相对瞬心 ) 的概念 , 并* 参 看 复 习 思 考 题 1 1 - 10 。能运用“三心定理”确定一般平面机构各瞬心的位置。2) 能用瞬心法对简单高、低副机构进行速度分析。3) 能用矢量方程图解法或解析法对级机构进行运动分析。2. 学习的重点及难点本章的学习重点是对级机构进行运动分析。难点是对机构 的加速度分析 , 特别是两 构件 重合点 之间 含有 哥氏加 速度 时的 加 速度分析。3. 学习方法指导1) 首先

41、要认 识 到对 机构 进行 运动 分 析的 重要 意义。 无论 在 设计新机械时 , 或是在 利用现 有机 械时 , 或在 作反 求设 计时 , 对 机 构进行运动分析都是十分重要的。许多机械只有经过详细的运动 分析 , 我们才能很好掌握它的性能 , 充分发挥机械的功能。如教材 图 3 - 9 a 所示的摇动筛机构 , 只有知道了在一个周期中摇筛 ( 构 件 4) 的速度、加速 度 变化 情况 , 才 能 知道 它是 否 能 达到 很 好的 筛 分 效果 ; 又在反求设计中 , 常常只有经过运动分析后才能吃透原设计 的意图 , 也才可能进行 创造性 的改 进和发 展 ; 最后 , 对 机构 进

42、行 分 析一般说是比较容易的 , 有固 定程 次可以 遵循 , 而 机构 的综 合 , 因 无固定程次 , 一般说是 比较难 的 , 但因 计算技 术和 计算 机的 发展 , 我们可以把机构的综 合与 机构 的分析 融合 起来 , 即先 选定 一个 适 当的机构 , 对其进行运 动分析 , 看 是否 能满足 预期 的运 动要 求 , 若 不满足 , 则对原机构作适当调整 , 再进行运动分析 , 如此循环迭代 , 直至满足预期的设计要求为止 , 以作到化难为易。2) 一些学生认为机构的运动分析 , 尤其 是加速度 分析很难 掌 握。其实机构的运动分析 ( 不管是速度分析还是加速度分析 ) 是并

43、不难掌握的 , 因为机构的运动分析有固定的程次可以遵循 , 只要按 照教材上所讲的方法 一步 一个 脚印的 做下 去 , 就会得 到正 确的 结 果 , 条理清晰 , 一点也不难。一些学生之所以觉得很难、很乱 , 难于 下手 , 是因为他们通常犯了如下的错误 , 一是做题之前没有很好复 习教材 ; 二是做题时没有按教材上所讲的程次步骤进行 , 而是急于求成 , 跳过了一些步骤。 如一些 学生 在用作 图法 作机 构的 运动 分 析时 , 往往不写出有关的矢量方程 , 或对方程中的每一项的大小和 方向未作计算与判断 , 就急于作速度多边形和加速度多边形 , 因画 图时缺少矢量方程的指引 , 而导

44、致错误是常见的 ; 三是没有工程观 点 , 作为工程技术人员 , 其所 作的 分析 计算 , 将来 都要 经过 实践 的 检验 , 不认真对待分析中的每一个细节 , 都是导致错误的根源。3) 利用速度 瞬 心对 机构 进行 速度 分 析往 往比 较简 便。而 这 种方法的关键是要找出所需瞬心的位置。当两构件直接组成运动 副时 , 其间的瞬心位置很容易确定 , 而非直接接触的两构件之间的 瞬心则可借助于三心定理来确定。为了便于确定机构中各瞬心的 位置 , 可以利用瞬心多边形的帮助。例如在图 3 - 1 所 示 的平 面 六 杆机 构 中 , 已 知构 件 2 的 角 速 度2 , 需求滑块 6

45、的速度 v6 , 为此需要找出瞬心 P2 6 。图 b 即为该 机构的瞬心多边形。在瞬心 多边 形中 , 各顶 点的 数字 就代 表机 构 中各相应构件的编号 , 各顶点间的连线 , 就代表相应两构件间的瞬 心 , 已知瞬心位置的连线用实线表示 , 尚未求出其位置的瞬心用虚 线表示。由三心定理知 , 在瞬心 多边 形中任 一三 角形 的三 个边 所 代表的三个瞬心应位于一直线上。据此就不难求得未知瞬心所在 位置。例如由 234 知瞬心 P2 4 应在 瞬心 P2 3 、P3 4 的 连线上 ; 再 由 124 知瞬心 P2 4 应在 P1 2 与 P1 4 的 连 线上 , 故 上述 两 连线 的交 点图 3 - 1即为瞬心 P2 4 所在位置 ( 图 a ) 。在 P2 4 求出 后 , 其在 瞬心多 边形 中 的代表线段 , 即 可改 为实 线。同样 , 利 用 146 和 456 知 P4 6 应 在 P1 4 、P1 6 的 连 线 与 P4 5 、P5 6 连 线的 交 点 上 ; 最后 利 用 126 与 246 即可求得瞬心 P2 6 的位置 ( 图 a ) 。根据瞬