【正文】 第一章 緒論 教學(xué)內(nèi)容 *本課程研究的對象和內(nèi)容 *本課程的性質(zhì)、任務(wù)及作用 *機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀 學(xué)習(xí)要求 *明確本課程研究的對象和內(nèi)容，及其在培養(yǎng)機(jī)械類高級工程技術(shù)人才全局中的地位、任務(wù)和作用。 *對機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀有所了解。 重點(diǎn)難點(diǎn) 本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是：本課程研究的對象及內(nèi)容。本章介紹了機(jī)器、機(jī)構(gòu)、機(jī)械等名詞，并通過實(shí)例說明各種機(jī)器的主要組成部分是各種機(jī)構(gòu)，從而明確了機(jī)構(gòu)是本課程研究的主要對 象。當(dāng)然，由于此時尚未具體學(xué)習(xí)這些內(nèi)容，故只能是一個概括的了解。 學(xué)習(xí)安排授課自學(xué)觀看機(jī)械原理電教片1學(xué)時《中國古代機(jī)械》、《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》學(xué)習(xí)方法 如何學(xué)好本課程。 要學(xué)好本課程,首先必須對機(jī)械在一個國家中的重要作用有明確的認(rèn)識，機(jī)械現(xiàn)在是、將來仍是人類利用和改造自然界的直接執(zhí)行工具，沒有機(jī)械的支持,一切現(xiàn)代工程(宇航工程、深海工程、生物工程、通信工程、跨江大橋、過海隧道、摩天大樓、……)都將無法實(shí)現(xiàn)。 了解機(jī)械原理學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，既有助于對機(jī)械原理課程的深入學(xué)習(xí)，也有助于讓我們深信機(jī)械工業(yè)將永不停歇地日新月異地迅猛發(fā)展。 第二章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 學(xué)習(xí)內(nèi)容 *機(jī)構(gòu)的組成(構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)) *機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及其繪制 *機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件 *機(jī)構(gòu)自由度的計算 *計算平面機(jī)構(gòu)的自由度時應(yīng)注意的事項(xiàng) *虛約束對機(jī)構(gòu)工作性能的影響及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計 *平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析 *平面機(jī)構(gòu)中的高副低副 學(xué)習(xí)要求 *搞清構(gòu)件、運(yùn)動副、約束、自由度、運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)等重要概念。 *能繪制比較簡單的機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 *能正確計算平面機(jī)構(gòu)的自由度并能判斷其是否具有確定的運(yùn)動；對空間機(jī)構(gòu)自由度的計算有所了解。 *對虛約束對機(jī)構(gòu)工作性能的影響及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理設(shè)計問題的重要性有所認(rèn)識。 *對平面機(jī)構(gòu)的組成原理有所了解。 重點(diǎn)難點(diǎn) 本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是：構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)等概念，機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件及機(jī)構(gòu)自由度的計算。至于平面機(jī)構(gòu)中的高副低代則屬于拓寬知識面性質(zhì)的內(nèi)容。學(xué)習(xí)難點(diǎn)是：機(jī)構(gòu)中虛約束的判定問題。 學(xué)習(xí)安排本章授課本章自學(xué)作業(yè)課外討論題綜合分析題實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時）4學(xué)時6學(xué)時習(xí)題22222210習(xí)題22229習(xí)題211機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖測繪實(shí)驗(yàn) 學(xué)習(xí)方法 本章需要搞清的概念。 首先，要把構(gòu)件、運(yùn)動副、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖、機(jī)構(gòu)的自由度、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件、復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束、機(jī)構(gòu)組成原理和桿組等基本概念搞清楚。應(yīng)做到能準(zhǔn)確地解釋，并對機(jī)構(gòu)作出正確的分析和判斷。 其次，要注意構(gòu)件與零件、運(yùn)動副與運(yùn)動副元素、自由度與約束、高副與低副、開鏈與閉鏈、運(yùn)動鏈與桿組以及機(jī)構(gòu)等概念之間的聯(lián)系和區(qū)別。 如何正確繪制出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖？ 由于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析和動力分析都是就機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖來進(jìn)行的，而且機(jī)械設(shè)計之初也首先是設(shè)計機(jī)械的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，所以對機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制必須十分重視，能正確閱讀和繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖是工程技術(shù)人員必須具備的基本技能。 當(dāng)然，由于實(shí)際機(jī)械的結(jié)構(gòu)狀況及構(gòu)件形狀一般都比較復(fù)雜，所以如何用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖把它表示出來，對于初學(xué)者可能有一定的難度。但只要沿著 運(yùn)動傳遞路線細(xì)心觀察，把運(yùn)動在構(gòu)件間的傳遞情況，構(gòu)件數(shù)的多少，各構(gòu)件間組成了什么樣的運(yùn)動副，以及運(yùn)動副所在的位置搞清后，就不難將其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖正 確地繪制出來。通過多作練習(xí)，就一定能逐步具備繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的能力。 何謂正確判斷機(jī)構(gòu)中的虛約束？ 要正確判定機(jī)構(gòu)中的虛約束，首先要把什么是虛約束這一概念搞清楚。所謂虛約束是指對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動起重復(fù)約束作用的約束，即機(jī)構(gòu)中的一些運(yùn)動副所帶入的約束與另一些運(yùn)動副所帶入的約束相重復(fù)。在計算機(jī)構(gòu)的自由度時應(yīng)將虛約束除去。 但要注意，機(jī)構(gòu)中的虛約束都是在一些特定的條件下出現(xiàn)的，如果這些條件不能滿足，則原認(rèn)為是虛約束的約束就將成為實(shí)際有效的約束，而影響 到機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可能性或靈活性。而為了滿足這些特定的條件，就要求有較高的加工精度和裝配精度，而這就意味著有較高的制造成本。一般說，機(jī)構(gòu)的虛約束數(shù)越 多，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動中被卡住的可能性也就越大，要求有較高精度的尺度參數(shù)也就越多，制造成本也就越高，故虛約束數(shù)的多少也是機(jī)構(gòu)性能的一個重要指標(biāo)。 在機(jī)械設(shè)計中為什么要設(shè)置虛約束？ 通常在機(jī)械中設(shè)置虛約束的主要目的有： (1)改善機(jī)構(gòu)的受力情況(參看教材圖223)； (2)增加機(jī)構(gòu)的剛度(參看教材題213c圖)； (3)使機(jī)構(gòu)能順利通過轉(zhuǎn)折點(diǎn)(參看教材圖87)。 在儀表機(jī)構(gòu)中，機(jī)構(gòu)運(yùn)動的靈活性是十分重要的，故要盡可能避免在機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)虛約束(參看教材圖228)；(題219圖)，另外在一些剛性較差的地方，如布置在飛機(jī)機(jī)翼上的一些機(jī)構(gòu)，在受力時易發(fā)生較大的變形，約束成為虛約束必須滿足的幾何條件易遭到破壞，故這種情況下也應(yīng)力求避免虛約束。 但要注意，正如教材中所指出的那樣，當(dāng)把平面機(jī)構(gòu)(3族機(jī)構(gòu))按平面機(jī)構(gòu)來計算其自由度的時候，往往從表面看似乎沒有虛約束，實(shí)際上絕大多數(shù)情況下都存在族別虛約束，即實(shí)際上存在虛約束。只有把機(jī)構(gòu)按空間一般機(jī)構(gòu)來看不存在虛約束時才真正沒有虛約束。 為了減少虛約束數(shù)，在工程實(shí)際中常用球面副、球銷副代替轉(zhuǎn)動副，用圓柱副代替移動副或轉(zhuǎn)動副，用鼓形齒代替直齒等。 如何判斷是否為復(fù)合鉸鏈？ 關(guān)于復(fù)合鉸鏈的確定一般不難掌握，但在判斷是否為復(fù)合鉸鏈時要細(xì)心。如下兩種情況易發(fā)生誤解: 其一，復(fù)合鉸鏈?zhǔn)莾蓚€以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接的情形。不應(yīng)把若干個構(gòu)件匯交在一起就認(rèn)為是復(fù)合鉸鏈。例:(構(gòu)件在同一處匯交相聯(lián)接的情形)。 其二，有齒輪、機(jī)架參與的聯(lián)接是否為復(fù)合鉸鏈，常易發(fā)生混淆。例:(含有齒輪的機(jī)構(gòu)的情形)。 如何判斷齒輪副的約束？ 關(guān)于齒輪副的約束，存在如下兩種情況： 其一，一般情況下兩齒輪的中心距受到約束，輪齒兩側(cè)齒廓只有一側(cè)接觸,另一側(cè)存在間隙，故只提供一個約束。如圖a所示。 其二，當(dāng)兩齒輪的中心可以彼此靠近，直至輪齒兩側(cè)齒廓均接觸為止時，如圖b所示。這時因輪齒兩側(cè)接觸點(diǎn)處的法線方向并不彼此重合，故其提供兩個約束。 在解教材題213時，就應(yīng)分清齒輪副約束的上述兩種情況。 如何將機(jī)構(gòu)分解為基本桿組？ 根據(jù)平面機(jī)構(gòu)的組成原理知，任何平面機(jī)構(gòu)都可以由機(jī)架、原動件和若干個基本桿組組成。因此在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析或動力分析時，可就原動件 和基本桿組來進(jìn)行，對于相同的基本桿組可采用相同的方法(可編成子程序調(diào)用)，由于基本桿組的類型不多，這就給運(yùn)動分析和動力分析提供了很大的方便。 在將機(jī)構(gòu)分解為基本桿組時要注意： 首先應(yīng)將機(jī)構(gòu)中的虛約束和局部自由度除去。如:(精壓機(jī)機(jī)構(gòu))。 再進(jìn)行拆桿組分析。在拆分基本桿組時，應(yīng)從遠(yuǎn)離原動件的地方開始拆分，先試按Ⅱ級組拆分，若不行再依次按Ⅲ級組、Ⅳ級組……拆分。 例:(斯蒂芬森Ⅱ型機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析)。 基本桿組的級別是以該桿組中所構(gòu)成的封閉形（由一個或若干個構(gòu)件所構(gòu)成的）中所包含的最多運(yùn)動副數(shù)來確定的。一般說，桿組的級別越高，其運(yùn)動分析和動力分析的難度也就越大。第三章 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 學(xué)習(xí)內(nèi)容 *機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析任務(wù)、目的和方法 *用速度瞬心法作機(jī)構(gòu)的速度分析 *用矢量方程圖解法作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 *用綜合法作復(fù)雜機(jī)構(gòu)的速度分析 *用解析法作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 學(xué)習(xí)要求 *正確理解速度瞬心(包括絕對瞬心及相對瞬心)的概念，并能運(yùn)用“三心定理”確定一般平面機(jī)構(gòu)各瞬心的位置。 *能用瞬心法對簡單高、低副機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析。 *能用矢量方程圖解法或解析法對Ⅱ級機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析。 重點(diǎn)難點(diǎn) 本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是：對Ⅱ級機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析。學(xué)習(xí)難點(diǎn)是：對機(jī)構(gòu)的加速度分析，特別是兩構(gòu)件重合點(diǎn)之間含有哥氏加速度時的加速度分析。 學(xué)習(xí)安排 授課自學(xué)作業(yè)課外討論習(xí)題大作業(yè)4學(xué)時6學(xué)時習(xí)題333333310習(xí)題33312平面六桿機(jī)構(gòu)或Ⅲ級 機(jī)構(gòu)運(yùn)動的電算分析學(xué)習(xí)方法 為什么要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析? 首先，要認(rèn)識到對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析的重要意義。無論在設(shè)計新機(jī)械時，或是在利用現(xiàn)有機(jī)械時，或在作反求設(shè)計時，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析都是十分重要的。在利用現(xiàn)有機(jī)械時，許多機(jī)械只有經(jīng)過詳細(xì)的運(yùn)動分析，我們才能很好掌握它的性能，充分發(fā)揮機(jī)械的功能。如:(搖動篩機(jī)構(gòu)教材圖39a)，只有知道了在一個周期中搖篩(構(gòu)件4)的速度、加速度變化情況，才能知道它是否能達(dá)到很好的篩分效果。在反求設(shè)計中，常常只有經(jīng)過運(yùn)動分析后才能吃透原設(shè)計的意圖，也才可能進(jìn)行創(chuàng)造性的改進(jìn)和發(fā)展。 其次，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析一般說是比較容易的，有固定程次可以遵循，而機(jī)構(gòu)的綜合，因無固定程次， 一般說是比較難的。但因計算技術(shù)和計算機(jī)的發(fā)展，我們可以把機(jī)構(gòu)的綜合與機(jī)構(gòu)的分析融合起來，即先選定一個適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行運(yùn)動分析，看是否能滿足預(yù) 期的運(yùn)動要求，若不滿足,則對原機(jī)構(gòu)作適當(dāng)調(diào)整，再進(jìn)行運(yùn)動分析，如此循環(huán)迭代，直至滿足預(yù)期的設(shè)計要求為止，以作到化難為易。 如何才能正確地掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的方法？ 一些學(xué)生認(rèn)為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，尤其是加速度分析很難掌握。其實(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析(不管是速度分析還是加速度分析)是并不難掌握的，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析有固定的程次可以遵循，只要按照教材上所講的方法一步一個腳印的做下去，就會得到正確的結(jié)果，條理清晰，一點(diǎn)也不難。 一些學(xué)生之所以覺得很難、很亂，難于下手，是因?yàn)樗麄兺ǔ７噶巳缦碌腻e誤： 1)在做題之前沒有很好復(fù)習(xí)教材相關(guān)的內(nèi)容。 2)做題時沒有按教材上所講的程次步驟進(jìn)行，而是急于求成，跳過了一些步驟。如一些學(xué)生在用作圖法作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析時，往往不寫出有關(guān)的矢量方程，或?qū)Ψ匠讨械拿恳豁?xiàng)的大小和方向未作計算與判斷，就急于作速度多邊形和加速度多邊形，因畫圖時缺少矢量方程的指引，而導(dǎo)致錯誤是常見的。 3)缺乏工程觀點(diǎn)，作為工程技術(shù)人員，其所作的分析計算，將來都要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，不認(rèn)真對待分析中的每一個細(xì)節(jié)，都是導(dǎo)致錯誤的根源。 如何掌握利用速度瞬心對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析？ 利用速度瞬心對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析往往比較簡便。掌握這種方法的關(guān)鍵是要正確地找出所需瞬心的位置。 當(dāng)兩構(gòu)件直接組成運(yùn)動副時，其間的瞬心位置很容易確定，而非直接接觸的兩構(gòu)件之間的瞬心則可借助于三心定理來確定。為了便于確定機(jī)構(gòu)中各瞬心的位置，可以利用瞬心多邊形的幫助。 在瞬心多邊形中，各頂點(diǎn)的數(shù)字就代表機(jī)構(gòu)中各相應(yīng)構(gòu)件的編號，各頂點(diǎn)間的連線，就代表相應(yīng)兩構(gòu)件間的瞬心，已知瞬心位置的連線用實(shí)線表 示，尚未求出其位置的瞬心用虛線表示。由三心定理知，在瞬心多邊形中任一三角形的三個邊所代表的三個瞬心應(yīng)位于一直線上。據(jù)此就不難求得未知瞬心所在位 置。 例:(平面六桿機(jī)構(gòu)的速度分析)。 還要注意：構(gòu)件的速度瞬心一般不是構(gòu)件的加速度瞬心，所以不能根據(jù)速度瞬心來對機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析。 掌握機(jī)構(gòu)的速度及加速度圖解法應(yīng)注意的圖解程次。 在對機(jī)構(gòu)作速度及加速度圖解時，可按如下程次進(jìn)行。 a)選擇適當(dāng)?shù)拈L度比例尺μ1，并按題給的原動件位置，準(zhǔn)確作出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 b)弄清題意，確定解題思路，即確定求解的先后次序。 c)列出求解所需的運(yùn)動分析矢量方程。矢量方程有兩類，一類是同一構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的速度及加速度關(guān)系；另一類是兩構(gòu)件重合點(diǎn)之間的速度及加速度關(guān)系。后者用在有移動副的情況。 d)對矢量方程中的各項(xiàng)逐項(xiàng)分析其大小和方向。最好能在矢量方程各項(xiàng)的下面簡要注出其大小和方向、已知(用“√”號)或未知(用“?”號)。若一個矢量方程中只有兩個未知量，即可用作圖法求解。否則就需列出補(bǔ)充方程式，以減少未知數(shù)。 e)選擇適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣缺壤擀苔图唉苔?、速度及加速度圖極點(diǎn)P及P39。，分別按矢量方程的指引，依次作出速度圖及加速度圖。 f)需要的解可直接從圖中量取。 如何判斷相對速度、相對加速度和哥氏加速度的方向？ 1)據(jù)速度圖和加速度圖來判斷(相對速度及相對加速度的方向)。 2)兩構(gòu)件組成移動副時的:(哥氏加速度方向的判斷)。 用矢量方程解析法作Ⅱ級機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析時應(yīng)注意的程次和事項(xiàng)? 用矢量方程解析法作Ⅱ級機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析是比較容易的，也有很強(qiáng)的程次性，只要按著一定的步驟求解，即可很容易獲得所需的結(jié)果。 在作運(yùn)動分析時，要先作位置分析，位置分析的求解可按如下步驟進(jìn)行： a)首先建立一