機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)知識培訓(xùn)教材

緒論

本章學(xué)習(xí)后，要使學(xué)生能解決三大問題，學(xué)什么，為啥學(xué)，怎樣學(xué)三

大問題。

01機(jī)器的組成

人們廣泛使用過，接觸過機(jī)器，放一課件（單缸內(nèi)燃機(jī)、顆式破碎機(jī)）,

圖01,02所示，但定義如何，為什么稱它為機(jī)器，學(xué)生們是不大清楚的。

它要有三個特征，才能稱上機(jī)器。

1）是一種人為的實物組合。

2）各部分形成運(yùn)動單元，各單元之間具有確定的相對運(yùn)動關(guān)系。

3）能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或完成有用的機(jī)械功。

什么叫能量轉(zhuǎn)換，指的是機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，或反之。這樣具備三個

條件者就稱為機(jī)器，這樣學(xué)生就可說出車床是機(jī)器嗎？電動機(jī)是否也是機(jī)

器，電動機(jī)根據(jù)三個條件可得出一定為機(jī)器。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造出各種新型機(jī)器，故對機(jī)器的定義也有了

更廣泛的定義，什么叫機(jī)器，是一種用來轉(zhuǎn)換或傳遞能量、物料和信息的,

能執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，那么一臺機(jī)器由什么組成，從裝配角度來看：由

零件一構(gòu)件一機(jī)構(gòu)~機(jī)器，因此設(shè)計制造一臺機(jī)器必有零件開始，組裝成

構(gòu)件，再由構(gòu)件組裝成機(jī)構(gòu)，加上原動件裝置就成為一臺機(jī)器了。

接下來說說什么叫機(jī)構(gòu)、構(gòu)件、零件。

什么叫機(jī)構(gòu)：具備前二個條件的稱為機(jī)構(gòu)，即為多個實物的組合，又

能實現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動，例齒輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等，放課件（連桿機(jī)構(gòu)、

齒輪機(jī)構(gòu)）。

什么叫構(gòu)件，構(gòu)件為組成機(jī)械的各個相對運(yùn)動的實物。例連桿，放課

件（構(gòu)件）從中可看連桿為多個零件裝配而成的。

什么叫零件，零件是機(jī)械中不可拆的制造單元，因此構(gòu)件可以是一個

零件組成也可以由多個零件組成的。

因此可以看出從運(yùn)動觀點來看，機(jī)構(gòu)和機(jī)器是無什么差別的，例如縫

紉機(jī)本身為機(jī)構(gòu)，由多種機(jī)構(gòu)所組合起來的，再加上能量轉(zhuǎn)換就成為機(jī)器

了，如加上電動機(jī)或加上人力都可以成為機(jī)器了，在習(xí)慣上把機(jī)器與機(jī)構(gòu)

總稱為機(jī)械。因此機(jī)器，機(jī)械這二個名稱都可統(tǒng)起作用的。

零件又可分為二大類：

1）通用零件：各種機(jī)器中都經(jīng)常使用，并完成同一功用的零件，例螺

釘?shù)取?/p>

2）專用零件：只適用于一定類型機(jī)器使用的零件，例曲軸等。

02本課程的內(nèi)容、性質(zhì)和任務(wù)

本課程研究對象是什么？有二條：

1）機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)。

2）在一般工作條件下，常用參數(shù)的通用零件。

這里要說明一下：

什么叫一般工作條件？

?2?

什么叫常用參數(shù)？

具體地說內(nèi)容是什么？工作原理f設(shè)計計算，設(shè)計計算又包括結(jié)構(gòu)設(shè)

計與設(shè)計計算。

本課程的內(nèi)容為

常用機(jī)構(gòu)：在教材中介紹了幾種常用機(jī)構(gòu)，例如傳動機(jī)構(gòu)（帶，齒輪…

機(jī)構(gòu)）。

通用零件：連接零件（螺栓、鍵等）；

傳動零件（齒輪、鏈、蝸輪、蝸桿等）；

軸系零件（軸、軸承）；

其它零件（聯(lián)軸器、彈簧等）。

現(xiàn)在談一下通用零件的系統(tǒng)性是什么？常用機(jī)構(gòu)也是相似的。

1）研究對象，工作原理。

2）分析工作情況，包括運(yùn)動，力，失效形式等。

3）設(shè)計計算，包括設(shè)計計算（強(qiáng)度計算，校核計算）和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

所有通用零件均按此系統(tǒng)來組織教材內(nèi)容，講授時均按此系統(tǒng)進(jìn)行。

本課程的主要任務(wù)有三條，教材中有，略加說明一下，總的說來，使

學(xué)生學(xué)習(xí)后具有一定設(shè)計理論基礎(chǔ)和一定設(shè)計計算能力。

這門課程的性質(zhì)是一門為機(jī)械設(shè)計打基礎(chǔ)的課程，是一門主干課程，所以對學(xué)習(xí)

機(jī)械的學(xué)生來講是一門十分重要的課程，在工程師培養(yǎng)中起到十分重要作用，是一門

技術(shù)基礎(chǔ)課，只要有好的基礎(chǔ)，再加上專業(yè)知識，就有條件去進(jìn)行有關(guān)機(jī)械專業(yè)的設(shè)

計。

03學(xué)習(xí)方法

本課程是應(yīng)用了以前所學(xué)到的理論與實際生產(chǎn)知識，并把它們運(yùn)用到

工程實際中，去解決生產(chǎn)實際問題，是一門理論與實踐相結(jié)合的課程，同

學(xué)們開始接觸此課程時，總有些不習(xí)慣，總認(rèn)為它的理論性不強(qiáng)，系統(tǒng)性

差，零零碎碎，不像以前的基礎(chǔ)課邏輯推理嚴(yán)格。同學(xué)不適應(yīng)，不習(xí)慣，

這一點同學(xué)一定要趕快適應(yīng)，如以前課程沒學(xué)好，自己一定要補(bǔ)上，否則

會影響到目前的學(xué)習(xí)。我們說它的系統(tǒng)性是有的，也是很強(qiáng)的，學(xué)習(xí)它們

是有一個總的目的，是如何來滿足整臺機(jī)器的要求設(shè)計好機(jī)構(gòu)、各種通用

零件。這樣目的是很強(qiáng)，一般基礎(chǔ)課就無法做到的。一定要改變以前的學(xué)

習(xí)方法，用新學(xué)習(xí)方法來適應(yīng)本課程的學(xué)習(xí)，注意理論聯(lián)系實際，注意分

析比較，注意理論的應(yīng)用，這樣才能學(xué)好。

?4?

第1章機(jī)械設(shè)計概述

一、教學(xué)要求

本章概括地論述了兩大部分：第一部分為關(guān)于機(jī)械總體設(shè)計的概述,

第二部分為關(guān)于機(jī)械零件的設(shè)計概述。

具體的教學(xué)要求如下：

1)初步理解機(jī)械設(shè)計和設(shè)計機(jī)械零件應(yīng)滿足的基本要求。

2)了解機(jī)械設(shè)計和零件設(shè)計的步驟。

3)理解機(jī)械零件工作能力的判定方法和設(shè)計準(zhǔn)則。

4)了解機(jī)械設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化。

二、重點、難點

重點：機(jī)械設(shè)計基本要求及機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計計算準(zhǔn)則。

難點：從整體上建立起機(jī)械設(shè)計，尤其是機(jī)械零件設(shè)計的整體概念。

教學(xué)內(nèi)容學(xué)時數(shù)

1.機(jī)械設(shè)計的基本要求2

2.機(jī)械設(shè)計的內(nèi)容與步驟

3.機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計計算準(zhǔn)則

4.機(jī)械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化

三、教學(xué)安排

四、教學(xué)思路設(shè)計

機(jī)械設(shè)計概述主要是論述設(shè)計基本知識和一些共性問題。本章扼要地

闡述機(jī)械設(shè)計的基本知識，如機(jī)械設(shè)計的基本要求、內(nèi)容與過程等。

,6,

第1章第1講

知識點教學(xué)手段

1.1）設(shè)計機(jī)械零件的基本要求課堂講授

2）機(jī)械設(shè)計的基本要求

2.機(jī)械設(shè)計的內(nèi)容與步驟

3.1）失效形式

2）設(shè)計計算準(zhǔn)則

4.標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化

一、講授時注意幾點

1.1.1、1.2機(jī)械設(shè)計的基本要求及內(nèi)容與過程

這兩節(jié)內(nèi)容屬于機(jī)械（零件）設(shè)計中的全局性問題。這里，只能勾畫

一下概貌，起到開闊視野的作用。

2.1.3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計計算準(zhǔn)則

這節(jié)內(nèi)容與先修的力學(xué)課程有著密切的聯(lián)系，是在力學(xué)基礎(chǔ)之上，結(jié)

合工程實際所形成的，故比較容易理解。如學(xué)生力學(xué)基礎(chǔ)差的話，必須學(xué)

前補(bǔ)一下。

3.1.4機(jī)械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化

要了解標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化的重要意義，應(yīng)提高到是否遵守法律

的高度來認(rèn)識，這點學(xué)生是不易理解的。

二、講授程序設(shè)計

首先了解設(shè)計機(jī)械零件的基本要求，然后才能得出機(jī)械設(shè)計的基本要

求、內(nèi)容與步驟，對于具體的機(jī)械零件的設(shè)計方法總是根據(jù)失效形式得出

設(shè)計計算準(zhǔn)則，應(yīng)用力學(xué)知識，就可設(shè)計出零件的大小等。

講授教案編寫如下所述。

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第1章機(jī)械設(shè)計概述

1.1機(jī)械設(shè)計的基本要求

一臺機(jī)器進(jìn)行設(shè)計包括以下兩種設(shè)計：

1）應(yīng)用新技術(shù)，新方法開發(fā)創(chuàng)造新機(jī)器。

2）在原有機(jī)器基礎(chǔ)以上重新設(shè)計或進(jìn)行局部改造，從而改變或提高原

有機(jī)器的性能。

設(shè)計質(zhì)量的高低直接關(guān)系到機(jī)械產(chǎn)品的性能、價格及經(jīng)濟(jì)效益。

機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，在討論機(jī)械設(shè)計的基本要求之前，

我們首先應(yīng)了解一下設(shè)計機(jī)械零件的基本要求。

1.1.1設(shè)計機(jī)械零件的基本要求

有二條：可靠，成本低。

什么叫可靠，什么叫成本低，說明一下。

為此要注意以下三點：

1）合理選擇材料，降低材料費用。

2）保證良好工藝性，減少制造費用。

3）盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化，通用化設(shè)計零件，簡化設(shè)計過程，從而降低成本。

1.1.2機(jī)械設(shè)計的基本要求

有五條：1.實現(xiàn)預(yù)定功能；2.滿足可靠性要求；3.滿足經(jīng)濟(jì)性要求；4.

操作方便，工作安全；5.造型美觀，減少污染。

1.2機(jī)械設(shè)計的內(nèi)容與步驟

機(jī)械設(shè)計是一項復(fù)雜、細(xì)致、創(chuàng)造性和科學(xué)性很強(qiáng)的工作，隨著科學(xué)

技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)計的理解也在不斷深化，設(shè)計方法也在不斷發(fā)展，近年

來發(fā)展起來的有：“優(yōu)化設(shè)計”，“有限元計算”，“計算機(jī)輔助設(shè)計”等等。

即使如此，常規(guī)設(shè)計方法仍然是工程技術(shù)人員進(jìn)行機(jī)械設(shè)計的重要方法，

必須要很好掌握，常規(guī)設(shè)計方法有理論設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計和模型實驗設(shè)計等

三種。

機(jī)械設(shè)計的過程通常分為以下四個階段：

1）產(chǎn)品規(guī)劃階段主要工作為提出設(shè)計任務(wù)和明確設(shè)計要求。

2）方案設(shè)計階段在滿足設(shè)計任務(wù)書中具體要求的前提下，由設(shè)計人

員構(gòu)思出各種可行方案進(jìn)行分析比較，選出較優(yōu)者。

3）技術(shù)設(shè)計階段完成機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計、部件設(shè)計、零件設(shè)計、

設(shè)計結(jié)果以工程圖及設(shè)計書形式表達(dá)出來。

4）制造與試驗階段進(jìn)行試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)問題反饋給設(shè)計人員，經(jīng)修改、

完善，最后鑒定。

與設(shè)計機(jī)械一樣，設(shè)計機(jī)械零件也需擬定出幾種方案，分析比較、選

優(yōu)，那么設(shè)計零件的一般步驟如下幾點。教材共有五點，分析之。

對于不同的零件的工作條件，以上這五點可以有所不同，互相交錯，

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反復(fù)進(jìn)行，不能作機(jī)械分割。

最后提出一點，什么叫條件性計算，這一點是大家所不大了解的，生

疏的，但這是工程實際所需作的。

1.3機(jī)械零件的失效形式及設(shè)計計算準(zhǔn)則

失效形式在工程力學(xué)中已學(xué)過，結(jié)合到機(jī)械零件應(yīng)該如何，它的理論

基礎(chǔ)還是一樣的，進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計必須要根據(jù)零件的失效形式分析失效

原因，提出防止或減輕失效的措施，根據(jù)不同的失效形式提出不同的設(shè)計

計算準(zhǔn)則。

1.3.1失效形式

1）斷裂常見的有二種：斷裂，疲勞斷裂，解釋一下。

2）過量變形應(yīng)力超過屈服極限，發(fā)生塑性變形。

3）表面失效主要有疲勞點蝕、磨損、壓潰和腐蝕等形式。

4）破壞正常工作零件引起的失效，例帶傳動。

1.3.2設(shè)計計算準(zhǔn)則

同一零件對于不同失效形式的承載能力是各不相同的。這個承載能力

就是零件的工作能力，它的計算方法就是設(shè)計計算準(zhǔn)則。下面對以上失效

形式，談一下設(shè)計計算準(zhǔn)則。

1.強(qiáng)度準(zhǔn)則

是零件必須滿足的基本計算準(zhǔn)則?？煞譃檎w強(qiáng)度，表面強(qiáng)度二種。

(1)整體強(qiáng)度的準(zhǔn)則

。勺。],T0T]

或可用安全系數(shù)來表示，s2[s]

(2)表面強(qiáng)度的準(zhǔn)則

接觸強(qiáng)度0HW[OH]；擠壓強(qiáng)度OpW[Op]

在進(jìn)行強(qiáng)度計算時，一般有如下兩種計算形式

1)設(shè)計計算可求出零件的主要幾何尺寸。

2)校核計算判斷一下是否符合強(qiáng)度條件；已有零件能否承受如此大

的載荷，是否安全。

2.剛度準(zhǔn)則

3.耐磨性準(zhǔn)則

4.散熱性準(zhǔn)則

5.可靠性準(zhǔn)則

1.4機(jī)械零件設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及通用化

作一般性介紹，說明其重要性。

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第2章摩擦、磨損及潤滑概述

一、教學(xué)要求

本章主要內(nèi)容為對摩擦、磨損、潤滑、密封的基本問題作簡單扼要的

介紹。

具體的教學(xué)要求如下：

1)了解摩擦、磨損、潤滑、密封的基本概念和四者之間的聯(lián)系。

2)了解干摩擦、流體摩擦、邊界摩擦、混合摩擦的特點與區(qū)別。

3)初步了解磨損的一般規(guī)律及各種磨損的機(jī)理、物理特征和影響因素。

4)了解潤滑的作用及潤滑劑的主要質(zhì)量指標(biāo)。

5)了解密封的作用及密封裝置。

二、重點、難點

重點：1)各類摩擦的機(jī)理、物理特征及其影響因素

2)各類磨損的機(jī)理、物理特征及其影響因素

3)潤滑與密封

難點：如何根據(jù)工作情況，合適地選擇潤滑劑和密封裝置。

三、教學(xué)安排

教學(xué)內(nèi)容學(xué)時數(shù)

1.摩擦與磨損2

2.潤滑

3.密封方法及裝置

四、教學(xué)思路設(shè)計

本章內(nèi)容是按照摩擦一磨損一潤滑一密封的順序安排的。過去這部分

內(nèi)容是分散在各章之中，現(xiàn)為了加強(qiáng)系統(tǒng)性和對其共性問題的認(rèn)識，將這

部分內(nèi)容集中在這一章之中，而針對某個零件的某些具體內(nèi)容則仍分散于

各章之中，故本章內(nèi)容也是機(jī)械設(shè)計中的共性問題。

?14?

第2章第1講

知識點教學(xué)手段

1.1）摩擦及其分類課件（摩擦副的表面潤

2）磨損及其過程滑狀態(tài)、零件磨損過程、潤

3）磨損分類滑方式、常用密封裝置）

2.1）潤滑劑的性能與選擇

2）潤滑方法和潤滑裝置

3.1）密封裝置的分類

2）常用密封裝置

3）密封裝置的選擇

一、講授時注意幾點：

1.2.1摩擦與磨損

本章著重討論摩擦的機(jī)理及物理本質(zhì)；對于磨損過程有所了解，目的

在于如何采取措施使跑合期縮短，延長穩(wěn)定磨損期，推遲劇烈磨損階段。

2.2.2潤滑

對潤滑、潤滑劑的種類有一個初步了解；對潤滑油、潤滑脂的主要物

理性質(zhì)指標(biāo)有所了解。重點在潤滑油、對潤滑脂作一般性了解。

3.2.3密封方法及裝置

要重點地學(xué)習(xí)密封的作用與密封裝置的分類、以及根據(jù)不同的工作條

件選擇合適的密封裝置。

二、講授程序設(shè)計

本章是按摩擦f磨損一潤滑f密封的順序來講授，它也是機(jī)械設(shè)計中

的共性問題。

講授教案編寫如下所述。

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第2章摩擦、磨損及潤滑概述

2.1摩擦與磨損

在人們生活中都存在摩擦與磨損，各種機(jī)械零件因磨損失效的占全部

失效零件的一半以上。

2.1.1摩擦及其分類

在法向力作用下，一個物體相對于另一個物體，有相對運(yùn)動或運(yùn)動趨

勢時，兩物體接觸面間產(chǎn)生的阻礙物體運(yùn)動的切向阻力稱為摩擦力，這種

現(xiàn)象稱為摩擦，這一對摩擦物體稱為摩擦副。

根據(jù)二物體接觸時潤滑狀態(tài)的不同，可將摩擦狀態(tài)分為四種情況：

放課件（摩擦副的表面潤滑狀態(tài)），一種一種解釋一下。

1.干摩擦（圖2.1a）

解釋后，可得出庫侖定律F=f-FN

2.流體摩擦（圖2.1b）

3.邊界摩擦（圖2.1c）

4.混合摩擦（圖2.Id）

2.1.2磨損及其過程

表面物質(zhì)在摩擦過程中不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。一般情況下磨損是

有害的。

磨損過程，可分為三個階段，放課件（零件磨損過程），圖2.2所示，

一個過程，一個過程解釋一下。

1.跑合磨損階段（oa階段）

跑合磨損到一定程度后，表面上尖峰逐漸被磨平，磨損速度卻逐漸減

慢，這階段對機(jī)械零件而言是十分必要的。

2.穩(wěn)定磨損階段（ab階段）

磨損緩慢，磨損穩(wěn)定下來，零件進(jìn)入正常工作階段。

3.劇烈磨損階段（be階段）

此階段的特征為磨損速度及磨損率都急劇增大，直至零件失效。

最后指出一點，在跑合結(jié)束后，一定要清洗零件，更換潤滑油，這樣

才能正常地進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。

2.1.3磨損分類

按照磨損的機(jī)理以及零件磨損狀態(tài)的不同，可分為四種基本類型：粘

著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損（點蝕）、腐蝕磨損，教材中具體說明，

略之。

2.2潤滑

首先說明一下潤滑的作用

2.2.1潤滑劑的性能與選擇

潤滑劑有幾種：油、脂、固體（石墨、二硫化銅）、氣體（空氣、氫氣、

?18?

水蒸汽）。

1.潤滑油

為目前使用得最多的潤滑劑，有礦物油、合成油、動植物油等，礦物

油為應(yīng)用最廣的。

物理性能指標(biāo)為粘度：表示液體流動時其內(nèi)摩擦阻力的大小，粘度大,

內(nèi)摩擦阻力就越大，液體流動性就越差。粘度有三種表示，解釋一下。

（1）動力粘度n

（2）運(yùn)動粘度v我國采用的為運(yùn)動粘度

（3）條件粘度（恩氏粘度）nE

還有一些性能指標(biāo)，如凝點、閃點、燃點等，表2.1列出。

要指出一下：壓力、溫度對粘度有影響的。

2.潤滑脂

在潤滑油中加入稠化劑（鈣、鈉、鋰、金屬皂）而成的脂狀潤滑劑，

又稱為黃油。

主要物理性能指標(biāo)為滴點、針入度、耐水性。

目前使用最多的為鈣基潤滑脂，它的耐水性強(qiáng)，耐熱性差，還是鈉基,

鋰基的。

使用時要注意使用條件，不要亂用，性能列于表2.2之中。

3.固體潤滑劑

4.氣體潤滑劑

潤滑劑的選用原則為低速、重載、高溫、間隙大，應(yīng)選用粘度大的潤

滑油；對脂主要用于速度低、載荷大，不需經(jīng)常加油，使用要求不高或灰

塵較高的場合；氣體、固體的主要用于高溫、高壓，防止污染等一般潤滑

油不能適用的場合。

對潤滑劑選用一定要嚴(yán)肅對待，不能亂用。

2.2.2潤滑方法和潤滑裝置

為了獲得良好的潤滑效果外，除了正確選擇潤滑劑外，還應(yīng)選擇適當(dāng)

的潤滑方法和相應(yīng)的潤滑裝置，具體情況學(xué)生自學(xué)教材內(nèi)容，不作講解。

2.3密封方法及裝置

學(xué)生自學(xué)，不作講解。

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第3章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

一、教學(xué)要求

本章內(nèi)容是學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，為各類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析和設(shè)計打下

一定的基礎(chǔ)，同時也為機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計和新機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了一種結(jié)構(gòu)分析的

方法。

具體的教學(xué)要求如下：

1）了解平面機(jī)構(gòu)的基本概念。

2）掌握平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制方法。

3）熟練掌握平面機(jī)構(gòu)自由度的計算方法，能夠準(zhǔn)確地識別機(jī)構(gòu)中的局

部自由度，復(fù)合較鏈和虛約束。

二、重點、難點

重點：1）有關(guān)機(jī)構(gòu)組成的概念及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件。

2）機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖及其繪制。

3）機(jī)構(gòu)的自由度。

難點：1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制。

2）機(jī)構(gòu)中虛約束的正確判別。

三、教學(xué)安排

教學(xué)內(nèi)容學(xué)時數(shù)

1.機(jī)構(gòu)的組成2

2.平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖

3.平面機(jī)構(gòu)的自由度2

四、教學(xué)思路設(shè)計

本章是進(jìn)入整個機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的開端，它不僅為學(xué)習(xí)各類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動

設(shè)計和動力設(shè)計打下初步基礎(chǔ)，也為機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計和新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)

計提供一條途徑。由于是高職學(xué)生，因此教學(xué)要求也與本科生有所區(qū)別，

故對機(jī)構(gòu)分類、機(jī)構(gòu)組成原理等只作一般性了解，而教學(xué)重點放在機(jī)構(gòu)運(yùn)

動簡圖的繪制及自由度計算上。

?22?

第3章第1講

知識點教學(xué)手段

1.1）運(yùn)動副課件（平面運(yùn)動構(gòu)件的自

2）自由度和運(yùn)動副的約束由度、平面高副，運(yùn)動鏈，運(yùn)

3）運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)動副簡圖符號、運(yùn)動鏈）

2.1）運(yùn)動副及構(gòu)件的表示法

2）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的步驟

一、講授時注意幾點：

1.3.1機(jī)構(gòu)的組成

主要應(yīng)該掌握：運(yùn)動副是由兩構(gòu)件組成的相對可動的連接，是組成機(jī)

構(gòu)的又一個基本要素；兩構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動副應(yīng)至少要引入一個約束，也至少

要保留一個自由度。

2.3.2平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖

平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖應(yīng)能正確地表達(dá)機(jī)構(gòu)的組成和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況。因

此，與運(yùn)動無關(guān)的內(nèi)容應(yīng)拋開，如構(gòu)件的外形、運(yùn)動副的具體構(gòu)造等。在

畫圖時應(yīng)注意以下三點：

（1）注意運(yùn)動副的位置及表示方法。

（2）注意構(gòu)件的表達(dá)。

（3）注意機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖要真實、簡法。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制是把實際機(jī)構(gòu)抽象化的過程。因此，必須搞清機(jī)

構(gòu)的組成才能正確地畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。

二、講授程序設(shè)計

首先從運(yùn)動副的組成開始，分析其分類、類型及其自由度與約束關(guān)系,

然后討論其機(jī)械運(yùn)動簡圖的繪制，這是本章的重點。

講授教案編寫如下所述。

?24?

第1講教案

第3章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

放課件，說明一下。機(jī)構(gòu)運(yùn)行時，除機(jī)架外其余所有構(gòu)件都按照某種

運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動，如果機(jī)構(gòu)中的所有構(gòu)件都在相同或相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動,

這種機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)，否則稱為空間機(jī)構(gòu)，工程中常見的為平面機(jī)構(gòu)，

本章就是研究平面機(jī)構(gòu)。

3.1機(jī)構(gòu)的組成

3.1.1運(yùn)動副

圖3.1說明一下。使兩個構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運(yùn)動的連接稱

為運(yùn)動副。因此，副一定是一對接觸構(gòu)件，但還要保持相對運(yùn)動關(guān)系，同

學(xué)以前見到過的，能舉例嗎？例如螺紋副，導(dǎo)軌副等。

接觸情況有三種：點接觸，線接觸，面接觸，這點、線、面稱為運(yùn)動

副元素。

根據(jù)運(yùn)動副各構(gòu)件間的相對運(yùn)動是平面運(yùn)動，還是空間運(yùn)動，這樣把

運(yùn)動副可分為平面運(yùn)動副，空間運(yùn)動副。

本章討論的為平面運(yùn)動副，它又可分為低副、高副二大類型。

3.1.2自由度和運(yùn)動副約束

一個空間自由狀態(tài)的構(gòu)件，具有6個獨立運(yùn)動的參數(shù)，作平面運(yùn)動的

構(gòu)件就具有三個獨立運(yùn)動參數(shù)，放課件（平面運(yùn)動構(gòu)件的自由度），這個獨

立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目稱為構(gòu)件的自由度。

兩個構(gòu)件通過運(yùn)動副連接，這樣相對運(yùn)動必會受到限制，這個限制稱

為約束，引入一個約束條件將減少一個自由度。

下面分析一下具體的運(yùn)動副的運(yùn)動、約束情況：

1.低副什么叫低副說明一下。構(gòu)件之間以面接觸形成的運(yùn)動副稱為

低副，放課件（轉(zhuǎn)動副）說明一下低副定義。

根據(jù)形成低副的兩個構(gòu)件之間的可以產(chǎn)生的相對運(yùn)動的形式不同，低

副又可分為轉(zhuǎn)動副與移動副兩種。

轉(zhuǎn)動副（轉(zhuǎn)動副）圖3.3所示，這運(yùn)動副只能在某一平面內(nèi)作相對轉(zhuǎn)

動，相對運(yùn)動形式為轉(zhuǎn)動。

移動副（移動副）只能沿某一方向作相對移動，相對運(yùn)動形式為移

動，圖3.4所示。

2.高副以點或線接觸組成的運(yùn)動副，圖3.5所示，分析一下運(yùn)動情

況。

那么約束如何：分析一下。

對于轉(zhuǎn)動副：引入二個約束，保留了一個自由度。

對于移動副：引入二個約束，保留了一個自由度。

故平面低副的運(yùn)動副，引入二個約束，保留一個自由度。

對于平面高副，引入一個約束，保留了二個自由度。

?26?

3.1.3運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)

圖3.6所示，放課件（運(yùn)動鏈），兩個以上構(gòu)件以運(yùn)動副連接而成的系

統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈，如果運(yùn)動鏈中有的構(gòu)件只包括一個運(yùn)動副元素稱為開鏈（圖

3.6a）。如每個構(gòu)件至少包括兩個運(yùn)動副元素，則構(gòu)件形成了封閉系統(tǒng)稱為

閉鏈（圖3.6b）。如在閉鏈中將其中一個構(gòu)件固定，就成為機(jī)架，這運(yùn)動鏈

就成為機(jī)構(gòu)。當(dāng)它的一個或幾個構(gòu)件具有獨立運(yùn)動，也就是這構(gòu)件的運(yùn)動

規(guī)律為已知的，這機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和動力由這一個構(gòu)件輸入，這構(gòu)件稱為原動

件（主動件），其余構(gòu)件稱為從動件。

3.2平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖

課件（粉碎機(jī)）放一下，我們分析運(yùn)動，這圖就很復(fù)雜。為了使問題

簡單化，在研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，可以不考慮那些與運(yùn)動無關(guān)的因素（如具體

結(jié)構(gòu)、外形等等），僅用簡單的線條和符號來代表構(gòu)件和運(yùn)動副，并按一定

比例表示出各運(yùn)動副的相對位置，這種說明機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對運(yùn)動關(guān)系

的簡單圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，課件（運(yùn)動副簡圖表示）放一下。

這簡圖有二個作用：

1）可以簡明地表達(dá)一部復(fù)雜機(jī)器的傳動原理。

2）可以用圖解法求機(jī)構(gòu)上各點的軌跡、位移、速度、加速度等。

3.2.1運(yùn)動副及構(gòu)件的表示方法

1.構(gòu)件

2.轉(zhuǎn)動副圖3.7課件（轉(zhuǎn)動副）

3.移動副圖3.8課件（移動副）

4.平面高副圖3.9課件（平面高副）

3.2.2繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的步驟

作圖時，因為實物很大，無法按1：1繪制，只得選用一個比例尺，有

位置比例尺，速度、加速度比例尺，下面只談位置比例尺如何表達(dá)

4=物體實際長度/構(gòu)件圖示長度（m/mm）

繪制步驟教材中已談了，可自學(xué)一下。

?28?

第3章第2講

知識點教學(xué)手段

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件課件（局部自由度、復(fù)合較鏈、虛約

平面機(jī)構(gòu)自由度的計算束、圖3.16-3.22)

計算機(jī)構(gòu)自由度的注意事項

一、講授時注意幾點

應(yīng)該掌握如下幾點：

1）機(jī)構(gòu)的自由度是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所需的獨立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。

2）機(jī)構(gòu)的自由度計算公式能很熟練地推導(dǎo)出。

3）在計算自由度時，應(yīng)注意處理好三種情況，才能使計算正確，符合

實際情況。

二、講授程序設(shè)計

首先從運(yùn)動副的約束，自由度的概念開始，推導(dǎo)出機(jī)構(gòu)自由度計算公

式，然后得到機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件，最后指出在應(yīng)用自由度計算公式

要注意三個問題，這樣才能使公式應(yīng)用正確。

講授教案編寫如下所述。

?30?

第2講教案

3.3平面機(jī)構(gòu)的自由度

3.3.1平面機(jī)構(gòu)的自由度計算

設(shè)某一平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其中包括N個構(gòu)件，PL個低副，PH個高副，現(xiàn)

以平面四桿機(jī)構(gòu)為例，說明一下N,PL,PH值=?這N個構(gòu)件中有一個構(gòu)

件被看作為固定不動的為機(jī)架，所以其余均為活動的構(gòu)件，則活動構(gòu)件數(shù)

就為n=NT,這n個活動構(gòu)件，在未用運(yùn)動副將它們連接起來以前，共具

有3n個自由度。在黑板上寫上3n。

當(dāng)用PL個低副，PH個高副將構(gòu)件連接起來，便會使構(gòu)件活動受到影響,

也就是3n個自由度就要被減少。以前已講過：加入一個低副，就引入二個

約束，自由度只有1個。

即3n-2Pi.在黑板上寫成3n-2Pi.

加一個高副，就引入一個約束，自由度只有2個。

即3n-PH

最后黑板上就寫成3n-2P「PH

這式子就可說明為：整個機(jī)構(gòu)相對機(jī)架的自由度數(shù)就應(yīng)為活動構(gòu)件的

自由度的總數(shù)減去（2PL+PH）個約束

3〃一（￡+為

機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為F則

尸=3〃一（黑+七

這就是機(jī)構(gòu)的自由度計算公式

3.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件

一般要求一個機(jī)構(gòu)，當(dāng)原動件給定一個運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動時，從動件也就

得到按某一個運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動，不允許從動件亂動，無規(guī)律地運(yùn)動。

圖3.1.3所示，課件（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)）放一下，計算一下機(jī)構(gòu)自由度F=l,

也就是這機(jī)構(gòu)能具有獨立運(yùn)動的數(shù)目為1,主動件為1,輸入運(yùn)動，從動件

就按確定規(guī)律運(yùn)動，這就是機(jī)構(gòu)運(yùn)動的確定性。

結(jié)論為機(jī)構(gòu)自由度=原動機(jī)數(shù)

圖3.12所示，課件（五桿錢鏈機(jī)構(gòu)）放一下，計算出機(jī)構(gòu)自由度為2,

如給機(jī)構(gòu)一個獨立運(yùn)動構(gòu)件，那么其它構(gòu)件運(yùn)動如何，從圖中可見出運(yùn)動

是不確定的，構(gòu)件2,3,4位置不確定，當(dāng)構(gòu)件1占AB位置時，構(gòu)件2,

3,4可占位置BC、CD、DE或BC'、C'D'、D'E或其它位置。如再給

定一個原動件（二個原動件運(yùn)動規(guī)律可以相同，也可以不同）這時其它構(gòu)

件運(yùn)動就確定了，這時機(jī)構(gòu)自由度數(shù)等于原動件數(shù)。

結(jié)論：1）當(dāng)FWO這機(jī)構(gòu)不可能產(chǎn)生相對運(yùn)動，為一剛體

2）F>0當(dāng)原動件數(shù)小于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)時，構(gòu)件間的相對運(yùn)動

就為無規(guī)則的。

當(dāng)原動件數(shù)大于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)時，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動。

當(dāng)原動件數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)時，構(gòu)件間才能確定的

?32?

相對運(yùn)動，這就是機(jī)械運(yùn)動的確定條件。

3.3.3應(yīng)用公式時注意事項

1.局部自由度

圖3.16所示，放課件（局部自由度）滾子繞其本身軸線作自由轉(zhuǎn)動，

絲毫不會影響其它構(gòu)件的運(yùn)動，這在進(jìn)行自由度計算時，要將局部自由度

去除，改為圖3.16b）。

2.復(fù)合較鏈

圖3.14所示，放課件（復(fù)合較鏈）

什么叫復(fù)合錢鏈，如何進(jìn)行計算

結(jié)論：由m個構(gòu)件匯成的復(fù)合錢鏈應(yīng)當(dāng)作為m-1的轉(zhuǎn)動副，如圖3-1

所示。

圖3-1復(fù)合較鏈計算

3.虛約束

在運(yùn)動副所加的約束中，有些約束所起的限制作用是重復(fù)的，這種不

起獨立限制作用的約束稱為虛約束，在計算自由度時，虛約束應(yīng)當(dāng)除去不

計，圖3.17所示，放課件（圖3.17）,說明一下圖3.17b）中EF為虛約束，

簡化成圖3.17a）

虛約束是很難找出，一般可從下面二點來找

1）運(yùn)動狀態(tài)不改變

2）虛約束去掉前后F不同，圖3.17a中F=l,圖3.17b中F=0,故EF

為虛約束。

接下來放課件（圖3.18~3.22）說明一下。

那么虛約束有什么用途？它可提高構(gòu)件的剛性，改善其受力情況，因

此，在現(xiàn)場，還是被廣泛地使用。

?34?

第4章平面連桿機(jī)構(gòu)

一、教學(xué)要求

本章的主要內(nèi)容為用相對運(yùn)動圖解法作平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動（速度）

分析、力分析；平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性及其演化；較鏈四桿機(jī)構(gòu)的曲柄

存在條件；平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

具體的教學(xué)要求如下：

1）了解平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動（速度）分析。

2）掌握平面機(jī)構(gòu)的力分析。

3）了解平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式，掌握其演化方法。

4）掌握平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性。

5）掌握平面四桿機(jī)構(gòu)的圖解法設(shè)計。

二、重點、難點

重點：平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式、演化及其基本特性。

難點：1）平面四桿機(jī)構(gòu)相關(guān)的基本概念。

2）平面四桿機(jī)構(gòu)的力分析。

3）平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

三、教學(xué)安排

教學(xué)內(nèi)容學(xué)時數(shù)

1.概述

2.平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析2

3.平面機(jī)構(gòu)的力分析

4.錢鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及演化2

5.平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性

2

6.平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計

注：為了照顧編寫教案時的系統(tǒng)性，表中列出的學(xué)時數(shù)只僅供參考，但全

章總學(xué)時數(shù)不變。全教案同。

四、教學(xué)思路設(shè)計

本章主要介紹平面四桿機(jī)構(gòu)的類型、特性、運(yùn)動分析、力分析及運(yùn)動

設(shè)計等，同時簡要討論機(jī)構(gòu)的效率和自鎖問題。學(xué)習(xí)了這些內(nèi)容，其最終

目的為根據(jù)實際需求，確定滿足此需求的連桿機(jī)構(gòu)類型，選擇合適的設(shè)計

方法設(shè)計出此連桿機(jī)構(gòu)。

?36?

第4章第1講

知識點教學(xué)手段

1.平面連桿機(jī)構(gòu)概況介紹課件（同一構(gòu)件上點的運(yùn)動分析、平

2.同一構(gòu)件上各點速度分析面摩擦、楔形滑塊等速移動受力、軸頸的

3.1）運(yùn)動副中的摩擦摩擦和摩擦圓、轉(zhuǎn)動副、考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)

2）機(jī)構(gòu)的受力分析的靜力分析、矩形螺旋副受力、滑塊等速

3）機(jī)械效率及自鎖上升受力、滑塊等速下滑受力）

4）螺旋機(jī)構(gòu)的效率

一、講授時注意幾點：

1.4.2平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

主要講授用相對運(yùn)動圖解法求解同一構(gòu)件各點速度的方法，其中提出

速度影像原理，求解加速度等不作要求。

2.4.3平面機(jī)構(gòu)的力分析

是本章的難點，主要是為了確定各運(yùn)動副中的反力，進(jìn)而確定平衡力、

平衡力矩。對這部分內(nèi)容主要應(yīng)了解運(yùn)動副的摩擦情況，機(jī)構(gòu)受力分析方

法、機(jī)械效率及自鎖概念。

二、講授程序設(shè)計

分析應(yīng)該要求低些，因此在講授此內(nèi)容時，只得以簡單、典型情況進(jìn)

行分析，例如只分析同一構(gòu)件點的速度，不分析加速度和不分析組成移動

副的兩構(gòu)件瞬時重合點的速度、加速度求法等。

平面機(jī)構(gòu)設(shè)計必須要進(jìn)行運(yùn)動分析及力分析。由于高職學(xué)生對設(shè)計的

理論講授教案編寫如下所述

第1講教案

第4章平面連桿機(jī)構(gòu)

4.1概述

放課件（錢鏈四桿機(jī)構(gòu)）

平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干個構(gòu)件以低副連接形成的平面機(jī)構(gòu)。若干個構(gòu)

?38?

件可以是4桿、5桿等，其中平面四桿機(jī)構(gòu)是平面連桿機(jī)構(gòu)中最常用的一

種形式。

平面連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點（教材中有，說明一下）

4.2用圖解法作平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

一個機(jī)構(gòu)必須要有確定運(yùn)動及其一定的運(yùn)動規(guī)律，因此必須要進(jìn)行機(jī)

構(gòu)的運(yùn)動分析。

其任務(wù)：根據(jù)機(jī)構(gòu)原動件的已知運(yùn)動規(guī)律，分析確定該機(jī)構(gòu)其它構(gòu)件

上的某些點的位移、速度、加速度或角位移、角速度、角加速度等。

研究這些有什么用途：

1）如研究位移，就能看出構(gòu)件是否能到達(dá)這個位置、構(gòu)件間會不會發(fā)

生互相碰撞。

2）如知道了機(jī)構(gòu)的速度，就可求出機(jī)構(gòu)的功率等。

分析方法有圖解法、解析法，這里只談圖解法，而圖解法中又有速度

瞬心法、相對運(yùn)動法、線圖法，本章只談相對運(yùn)動圖解法，現(xiàn)只介紹應(yīng)用

相對運(yùn)動圖解法進(jìn)行同一構(gòu)件點的速度分析。

這里就要指出一點：這些運(yùn)動分析是在不考慮引起機(jī)構(gòu)運(yùn)動外力的影

響下進(jìn)行的。

放課件（同一構(gòu)件上各的運(yùn)動分析），圖4.1所示，這種四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件

間用錢鏈相連的，又稱為錢鏈四桿機(jī)構(gòu)。

已知：1）各構(gòu)件的尺寸，位置

2）原動件1以等3轉(zhuǎn)動

求：1.圖示位置時的機(jī)構(gòu)中C點、E點的%、v￡o

2.

分玉點的

平動手2個點

上的運(yùn)

放

圖4-1同一構(gòu)件上點的速度分析

選一個比例尺4,做出機(jī)構(gòu)位置圖。

步驟：

(1)求力

取基點為A點，匕大小為叼心，方向指向與外相同。

取比例尺4作圖，取一極點P,作一線段=作矢量為p。。

(2)求七

因為B點與C點同為構(gòu)件2上的點，物體2作平面運(yùn)動，基點取在B

點，這是為什么？問一下學(xué)生，根據(jù)工程力學(xué)可知：

%=VB+VC

VB：為基點的速度。VCB：為C點繞B點相對轉(zhuǎn)動的速度。

%=%+%

大??？吼8?

?40?

方向A.CDLAB±BC

下面說明二點：

1)為什么〃的方向為

在構(gòu)件3上，C點的速度為％3

在構(gòu)件2上，C點的速度為％2

這C點為同一點，在二個構(gòu)件上，因此％3=%2，由于％3方向為上CD,

所以七方向也為，8。

2)為什么方向，BC?

C點相對于B點的速度，即為B點不動，C點的速度，構(gòu)件2作轉(zhuǎn)動,

相對于B點作轉(zhuǎn)動，因此方向必定，于BCo

一邊作圖，一邊講解，根據(jù)相對運(yùn)動矢量方程，就可得出pbc圖形，

求出七大小及吆大小。

量出線段長度pc、be

%=4,，VCB^/JLh,

(3)求嗎、嗎

牡=滬從速度多邊形中可見出，因為方向％8方向圖示，

則g為順時轉(zhuǎn)。

例=占同上法，可得出g為逆時轉(zhuǎn)。

‘CD

g、①3標(biāo)在圖上。

(4)求以

因為B、C、E為同上構(gòu)件上的點，同樣道理可得出下列矢量方程

VE=以+也曝=%+也

這方程是以B點為基點，列出的。這方程是以C點為基點，列出

的。

二者同等于以則

以=腺+VEB=%+U

大??？吼8?〃「pc?

方向？LABLBEICELCE

這矢量方程為二個未知數(shù)，就可用速度圖解法求出。

過b點作％的方向線，beJ_B

過c點作以。的方向線，ce，cJx這二線交于e點

矢量pe代表匕，大小為V。=4?pe,pAec為速度矢量多邊形，〃為極

點，根據(jù)上述，我們可得出速度多邊形的特性。

1）極點〃代表該構(gòu)件上速度為零的點。

2）在速度多邊形中連接0點和任一點的矢量，便代表該點在機(jī)構(gòu)圖中

的同名點的絕對速度，其指向是從p點指向該點。

3）在速度多邊形中，連接其他任意兩點的矢量，便代表該兩點在機(jī)構(gòu)

圖中的同名點間的相對速度，其指向與速度下標(biāo)的順序相反。如及代表七B

而不是VB（.O

4）從圖中可見出，代表各相對速度的矢量兒，ce,反分別，于機(jī)構(gòu)圖中

的灰，而，荏。因此△BCEs/^ce,且字母順序一致，（圖示的為順時

針方向）。

圖形bee稱為機(jī)構(gòu)圖中BCE的速度影像，這樣我們就可利用圖形相似

?42?

原理求出同一構(gòu)件上某一點的速度。

最后要強(qiáng)調(diào)一下，這原理只能用于同一個構(gòu)件上的各點速度求法，而

不能用于機(jī)構(gòu)的不同構(gòu)件上各點速度求法。

4.3平面機(jī)構(gòu)的力分析

作用于機(jī)構(gòu)上的力有5種類型

1.驅(qū)動力驅(qū)使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動的力，這力所作的功為正值，稱輸入功。

2.阻力阻止機(jī)構(gòu)運(yùn)動之力，其功為負(fù)值，阻力又可分為二種。

1）有效阻力：這個與生產(chǎn)工作直接相關(guān)的阻力，其功稱有效功或輸

出功，又稱工作阻力。

2）有害阻力：除了有效阻力外的無效部分，其功對生產(chǎn)沒有用，反

而有害的。

3.運(yùn)動副反力。

當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在運(yùn)動副中產(chǎn)生的反作用力簡稱為反力，在進(jìn)行力

分析時，反力可分為沿運(yùn)動副兩構(gòu)件接觸處的法向和切向兩個分力。

法向反力：又稱正壓力，它與運(yùn)動副元素的相對運(yùn)動方向相，的。此

力不作功。

切向反力：即為運(yùn)動副中的摩擦力，因它是由于正壓力而產(chǎn)生的，起

到阻止運(yùn)動的作用，一般情況下摩擦力對生產(chǎn)是無效的，有害的，但有些

機(jī)構(gòu)中摩擦力是起到有利的作用，如帶傳動中的摩擦力。

考慮到摩擦力后的運(yùn)動副的反力稱為總反力。

4.重力。

5.慣性力（在高速時才考慮它）。

為了保證機(jī)構(gòu)作持續(xù)的預(yù)先確定運(yùn)動，根據(jù)此運(yùn)動條件與作用在機(jī)構(gòu)

上的已知外力，就可求出與之相平衡的未知外力，這未知外力稱為平衡力

或平衡力矩，這一點學(xué)生一定要記牢，理解，以后就要用到這原理去求平

衡力的。再說明一下未知外力與已知外力一起作用在機(jī)構(gòu)上，使機(jī)構(gòu)處于

平衡狀態(tài)，根據(jù)平衡條件就可求出未知外力（即平衡力，平衡力矩）。

最后說明一下，研究機(jī)構(gòu)力的分析的目的有兩個。

①確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動副的反力;

②確定機(jī)構(gòu)需加的平衡力或平衡力矩。

力的分析可為今后計算各構(gòu)件零件的強(qiáng)度，確定機(jī)械效率及軸承型式

等提供了必需的資料。因此這一內(nèi)容不但是重點，也是一個難點，學(xué)生一

定要掌握它。

4.3.1運(yùn)動副中的摩擦

1.移動副中的摩擦力

最常見的移動副中的反擦和槽形滑塊的摩擦二

種，我們先談平滑塊的摩

圖4.3所示，放課件（平面摩擦），在黑板上按分析順序作圖。

在外力廠作用下，滑塊1向左移動一%，滑塊1和平面2組成一個移

動副，因此分析一下滑塊1上作用什么力:

①驅(qū)動力F；②平面2給1的反力。

?44?

下面分析討論之。

驅(qū)動力K尸力為作用在滑塊1上的所有作用力的合力，它與接觸面法

線間所夾的角度為￡，將尸力分解為法向分力A和切向分力Ft二部分。

①居：使1滑塊緊貼于平面上。

②Ft：使1滑塊在E作用下向左運(yùn)動或具有向左運(yùn)動趨勢。

從圖中可得出

ta=—

F.

（4.4）

反力：平面2加在滑塊1上的反作用力，它有兩部分組成。

①正壓力K：為法向反力，它與A關(guān)系是大小相等，方向相等的力,

這是為什么？學(xué)生去想一下。

②摩擦力Ft：R的方向是與1相對于2的運(yùn)動方向相反，大小為./FN。

FN與R的合力就是平面上加在滑塊1上的總反作用力FR,又稱總反力

FRO

Ff

（P角稱為摩擦角（尺與Ff之間夾角），在一定工作條件下，/（摩擦系

數(shù)）為一定的，夕也為一定值，可得出式（4.9）。

討論一下：1）當(dāng)￡>夕時，說明了外力廠的作用線在摩擦角8之外的

情況，這時R>R,推動力E大于摩擦力，使滑塊作加速運(yùn)動。

2）當(dāng)￡=夕時，外力F的作用線與總反力珠作用線相重合。此時Ft=Ff,

使滑塊作等速運(yùn)動，如滑塊原來不動、靜止，那么滑塊1仍然保持靜止不

動狀態(tài)。

3）￡<8時，外力尸的作用線在摩擦角所包圍區(qū)域的里面，此時“<Ff,

滑塊作減速運(yùn)動，而終于靜止。如滑塊1原來不動，那么無論外力尸加得

楔形滑塊

（圖中沿z

圖4.4槽面摩擦

分析方法同平滑塊的，作圖。

驅(qū)動力為水平的尸反力，滑塊的兩個接觸面上同時承受正壓FV21、F、，

和摩擦力R（畫圖加上這三個力）。

根據(jù)平衡條件，經(jīng)推導(dǎo)可得出式（4.6）

F=/Fr/sin0于F「4.6

式中人稱為當(dāng)量摩擦系數(shù)，其數(shù)值始終大于/,也就是說槽面摩擦的摩

擦力總是大于滑塊的摩擦力，這樣引入人概念后，就可將槽面摩擦簡化為

平面摩擦概念來處理。

2.轉(zhuǎn)動副中的摩擦力

軸承就是轉(zhuǎn)動副，軸在軸承孔中轉(zhuǎn)動，軸安裝在軸承孔的那一部分稱

為軸頸。

?46?

根據(jù)作用在軸頸上載荷的方向可分為徑向軸頸和軸向軸頸，本講只討

論徑向軸頸摩擦問題。

圖4.4所示，放課件（軸頸摩擦和摩擦圓、轉(zhuǎn)動副）。

作用力如何？軸頸上作用著徑向載荷a及軸承孔2加在軸頸I上的總

反力耳21。在驅(qū)動力矩M作用下，使1在軸承孔2中作等速轉(zhuǎn)動3⑵根

據(jù)平衡條件可知：

Fr與及21必須構(gòu)成一個阻止軸頸轉(zhuǎn)動的力矩，這力矩稱為摩擦力矩Mf,

這的大小必須與驅(qū)動力矩M相平衡。

M=Mf

因此，及必與R為大小相等，方向相反的二個力組成的一個力偶。

其作用線間相距一個距離為0，可得出M-尸始?P=F「Po

可推出：P-r*

（4.7）

以軸心為圓心，O為半徑，所作的圓稱為摩擦圓。

總反力Fg的作用線始終切于摩擦圓。

下面總結(jié)一下，運(yùn)動副中反力情況：

1）移動副：不計摩擦?xí)r，反力方向，于相對移動的導(dǎo)路；考慮摩擦?xí)r，

反力方向與相對移動導(dǎo)路的_L方向之間偏轉(zhuǎn)一個摩擦角（P，偏轉(zhuǎn)方向與移

動方向相反，反力的大小與作用點位置為未知，隨著外力變化而變化的。

2）轉(zhuǎn)動副：不計摩擦?xí)r，反力作用線經(jīng)過回轉(zhuǎn)中心；考慮摩擦?xí)r，反

力作用線與摩擦圓相切，且反力對回轉(zhuǎn)中心的力矩的轉(zhuǎn)向，與組成轉(zhuǎn)動副

的兩構(gòu)件間的相對轉(zhuǎn)動方向相反，反力大小和方向均為未知。

3）高副：不計摩擦?xí)r，反力作用線為沿接觸點的公法線；考慮摩擦?xí)r,

反力作用線為過接觸點與公法線之間偏轉(zhuǎn)個摩擦角，偏轉(zhuǎn)方向與相對滑動

方向相反，反力大小未知。

4.3.2機(jī)構(gòu)受力分析

在不考慮慣性力情況下，構(gòu)件上受力后，要達(dá)到力的平衡，這些力有

什么特點。

教材中指出四個特點，說明一下就可以了。

下面舉例說明一下如何進(jìn)行靜力分析，放課件（靜力分析）。

例4.1此曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在滑塊3上受到驅(qū)動力F的作用，使1轉(zhuǎn)動,

也就是克服工作阻力矩%使1作等叼轉(zhuǎn)動，具體解法見教材，這里不敘

述，由教師們自編了。

4.3.3機(jī)械效率及自鎖

1.機(jī)械效率的計算

在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的周期內(nèi)，輸入功=輸出功+損失功

Wd=叱,+W

叼值越小越好，表示出對能量的有效利用程度就越高。

w

〃這為效率用來衡量出對能量有效利用的程度，Z7<1,不

W,

可能大于lo

?48?

2.機(jī)械自鎖

當(dāng)〃=0,不管驅(qū)動力加得多大，都不能使機(jī)械運(yùn)動，這現(xiàn)象稱為

機(jī)械自鎖。因此機(jī)械自鎖條件為〃W0

4.3.4螺旋機(jī)構(gòu)的效率

放課件（矩形螺旋副的受力），圖4.9所示為矩形螺紋，2為螺釘一部

分螺紋，螺母畫出一小塊1,螺紋升角為人，螺矩為P,將螺紋展開，就成

為一斜面2,螺母為1滑塊。

作一圖4.10a）,邊分析，邊作圖。

現(xiàn)在擰螺母，相當(dāng)于滑塊在斜面上上升或下降，螺母1上受到軸向載

荷居和驅(qū)動力片或矩???滑塊1作用的外力為居、Fd,使螺母沿軸向

移動。

放課件（滑塊等速上升受力），現(xiàn)在加上E/,使滑塊上升，相當(dāng)于滑塊

在驅(qū)動力"作用下，克服阻力居沿斜面上升（移動方向與R方向相反），

這種情況就相當(dāng)于擰緊螺母情況。

力分析：螺母1上作用力為

①外力：Fd、Fa

②反力：根據(jù)移動副摩擦原理可知品21，＜P

這三個力拓、Fa、品,/乍用下，根據(jù)平衡條件可得出

F,=Frtana+（p）

Md=Fr■—tan（A+（p）

若不考慮摩擦力（（p=0）2d,,

tan2

7

tan(%+°)

擰緊后，如果螺母在作用力居作用下，會使滑塊1沿斜面下滑，這時

居為驅(qū)動力，F(xiàn)d變?yōu)槭?。為生產(chǎn)阻力（支持力），這時受力情況就成為圖

4.10c）情況，放課件（滑塊等速下滑象力）同樣可得出下列公式。

M'd=Fr--^-tan（A-9）

,_tan（4一9）

如果要求螺母還能承受"作用短8防寧緊后,不會在居作用下，自動使

螺母下滑，這時螺母沿軸向移動方向與居方向相同，卻螺母不會自動松開,

這時就要求螺紋副自鎖即〃'<0,可得出自鎖條件為

A<（p

以上為矩形螺紋分析，對于△螺紋分析方法一樣，它相當(dāng)于楔形滑塊

在楔形槽面內(nèi)滑動，只要將夕改為”就可以了，這里可說明為什么△螺紋

用于連接之中，傳動用的螺紋就用矩形螺紋。

?50?

第4章第2講

知識點教學(xué)手段

四桿機(jī)構(gòu)的基本型式課件（錢鏈四桿機(jī)構(gòu)等、平面四桿機(jī)

平面四桿機(jī)構(gòu)的演化構(gòu)的演化）

一、講授時注意幾點

1.4.4.1四桿機(jī)構(gòu)的基本型式

平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式為錢鏈四桿機(jī)構(gòu)，在學(xué)習(xí)時需要掌握以下基

本概念：連桿、連架桿、曲柄、搖桿等。

2.4.4.2平面四桿機(jī)構(gòu)的演化

學(xué)習(xí)時要了解到可以通過幾種方式將較鏈四桿機(jī)構(gòu)演化成其他形式的

平面四桿機(jī)構(gòu)。

二、講授程序設(shè)計

雖然世界上有很多種平面四桿機(jī)構(gòu)，分析一下，實質(zhì)上它們是通過幾

種方式將錢鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而成的。

講授教案編寫如下所述。

第2講教案

4.4較鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式及演化

4.4.1四桿機(jī)構(gòu)的基本型式

四個構(gòu)件以轉(zhuǎn)動副連接構(gòu)成的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為錢鏈四桿機(jī)構(gòu)，它是

平面四桿機(jī)構(gòu)的最基本的型式。

放課件（錢鏈四桿機(jī)構(gòu)），圖4.11所示。

較鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本型式

圖4.11所示，說明一下機(jī)架、連架桿、連桿、曲柄、搖桿的定義。

根據(jù)兩連架桿為曲柄或搖桿的不同，