哈工大機(jī)械原理課件

哈工大機(jī)械原理哈爾濱工業(yè)大學(xué)（簡(jiǎn)稱哈工大）是一所歷史悠久、享譽(yù)國(guó)內(nèi)外的著名高等學(xué)府。機(jī)械原理是機(jī)械工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，介紹機(jī)器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。課程簡(jiǎn)介機(jī)械原理機(jī)械原理是機(jī)械工程的基礎(chǔ)學(xué)科，為后續(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等課程奠定基礎(chǔ)。課程目標(biāo)掌握機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律了解常見(jiàn)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理具備對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)械進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的能力課程內(nèi)容課程內(nèi)容包括力學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)學(xué)等，涵蓋了機(jī)械運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)、設(shè)計(jì)等方面。機(jī)械系統(tǒng)組成傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳遞和轉(zhuǎn)換動(dòng)力，將動(dòng)力源的能量傳遞到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)所需的能量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械系統(tǒng)的終端，負(fù)責(zé)完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的功能?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，保證機(jī)械系統(tǒng)按照預(yù)定的方式運(yùn)行?；A(chǔ)力學(xué)知識(shí)回顧1牛頓運(yùn)動(dòng)定律牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，描述了物體在力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括慣性定律、加速度定律和作用力與反作用力定律。2功和能功和能是描述物體運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)化關(guān)系的重要概念，包括功的定義、能的分類和能量守恒定律等。3動(dòng)量和沖量動(dòng)量和沖量是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的重要概念，包括動(dòng)量的定義、沖量的定義和動(dòng)量定理等。4力學(xué)模型力學(xué)模型是將實(shí)際問(wèn)題抽象成理想模型，以便于進(jìn)行力學(xué)分析，包括質(zhì)點(diǎn)模型、剛體模型和變形體模型等。力的概念和分類力的定義力是物體之間的相互作用。力可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以改變物體的形狀。力的分類力的分類方法有很多，可以按力的性質(zhì)、力的作用方式、力的方向等分類。力的性質(zhì)按力的性質(zhì)可以分為重力、彈力、摩擦力、壓力、浮力等。力的作用方式按力的作用方式可以分為接觸力、非接觸力。力的加和和平衡條件1力的加和力的加和遵循平行四邊形法則或三角形法則，可利用向量加和進(jìn)行計(jì)算。2平衡條件靜止物體受力平衡，合力為零，即各力的矢量和為零。3平衡方程平衡條件可用于求解物體受力分析，推導(dǎo)出平衡方程，進(jìn)而求解未知力。力矩和平衡條件力矩定義力矩是力對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，它等于力的大小乘以力臂的長(zhǎng)度。力矩方向力矩的方向由右手定則決定，即右手四指指向力的方向，拇指指向力臂方向，則拇指指向力矩的方向。平衡條件系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，當(dāng)所有作用在系統(tǒng)上的外力矩的矢量和為零時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。摩擦力和受力分析摩擦力的概念接觸面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，產(chǎn)生的阻礙運(yùn)動(dòng)的力。摩擦力的類型靜摩擦力：阻止物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的力?；瑒?dòng)摩擦力：阻礙物體相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的力。影響摩擦力的因素接觸面的材質(zhì)，法向力，接觸面的粗糙程度。受力分析將物體分解為多個(gè)部分，分別分析每個(gè)部分所受的力。機(jī)構(gòu)的基本概念機(jī)械機(jī)構(gòu)由若干運(yùn)動(dòng)副組成的運(yùn)動(dòng)鏈，用于實(shí)現(xiàn)規(guī)定的運(yùn)動(dòng)傳遞和力傳遞。運(yùn)動(dòng)副兩個(gè)構(gòu)件之間直接接觸且發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接，例如鉸鏈副、滑動(dòng)副等。自由度機(jī)構(gòu)中獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，決定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可能性和范圍。平面機(jī)構(gòu)的定義和分類定義平面機(jī)構(gòu)是指所有運(yùn)動(dòng)部件都位于同一平面內(nèi)，且運(yùn)動(dòng)軌跡也都在同一平面內(nèi)的機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)由一系列剛性構(gòu)件組成，通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接，實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)功能。分類根據(jù)運(yùn)動(dòng)副類型和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，平面機(jī)構(gòu)可分為以下幾類：鉸鏈機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)自由度分析機(jī)構(gòu)自由度是指機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的程度，是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的重要參數(shù)。自由度定義計(jì)算公式機(jī)構(gòu)自由度機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)F=3n-2p-hn機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目p機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目h機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)目平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析1運(yùn)動(dòng)學(xué)分析位置、速度、加速度2動(dòng)力學(xué)分析受力分析、平衡分析3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、尺寸設(shè)計(jì)4仿真模擬虛擬環(huán)境模擬平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是機(jī)械原理的重要內(nèi)容。通過(guò)分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而設(shè)計(jì)出滿足特定功能的機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析1機(jī)構(gòu)類型曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2運(yùn)動(dòng)分析位移、速度、加速度3運(yùn)動(dòng)規(guī)律周期性、非勻速運(yùn)動(dòng)4應(yīng)用內(nèi)燃機(jī)、往復(fù)泵曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由曲柄、連桿和滑塊組成。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿傳遞給滑塊，使滑塊產(chǎn)生往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，需要確定其各部件的位移、速度和加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。這種機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)、往復(fù)泵等機(jī)械中有著廣泛的應(yīng)用。凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析1確定運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)凸輪輪廓，確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2繪制速度曲線基于運(yùn)動(dòng)規(guī)律，繪制從動(dòng)件速度隨時(shí)間變化的曲線。3繪制加速度曲線基于運(yùn)動(dòng)規(guī)律，繪制從動(dòng)件加速度隨時(shí)間變化的曲線。4分析運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)通過(guò)曲線分析，了解從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，如最大速度、最大加速度等。凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，需要綜合考慮凸輪輪廓、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、速度、加速度等因素。齒輪傳動(dòng)原理嚙合傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)利用齒輪之間的嚙合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞和速度的改變。運(yùn)動(dòng)規(guī)律齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒廓的相互接觸傳遞，遵循著嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。廣泛應(yīng)用齒輪傳動(dòng)在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用廣泛，如汽車變速箱、機(jī)床主軸等。齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)齒輪傳動(dòng)參數(shù)決定了傳動(dòng)效率、精度和噪聲等性能指標(biāo)。模數(shù)、齒數(shù)、壓力角等是關(guān)鍵參數(shù)，決定了齒輪的尺寸和強(qiáng)度。不同類型齒輪傳動(dòng)11.圓柱齒輪傳動(dòng)軸線平行，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備，如汽車、機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等。22.錐齒輪傳動(dòng)軸線相交，用于實(shí)現(xiàn)軸線不平行的傳動(dòng)，常用于汽車后橋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。33.蝸輪蝸桿傳動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比和低速傳動(dòng)，常用于機(jī)床、起重機(jī)等。44.齒輪泵利用齒輪嚙合原理實(shí)現(xiàn)液體的輸送，廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)。鏈條傳動(dòng)基本原理1工作原理鏈條傳動(dòng)利用鏈條的柔性和鏈輪的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。2主要部件鏈條、鏈輪、張緊裝置構(gòu)成鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)。3應(yīng)用場(chǎng)景鏈條傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于自行車、摩托車、機(jī)械設(shè)備等。帶傳動(dòng)基本原理及參數(shù)帶傳動(dòng)原理帶傳動(dòng)利用帶與帶輪之間的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和能量。通過(guò)帶輪的旋轉(zhuǎn)，帶被帶動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)另一個(gè)帶輪旋轉(zhuǎn)。帶傳動(dòng)類型常見(jiàn)的帶傳動(dòng)類型包括平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。每種類型的帶傳動(dòng)在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景上有所不同。帶傳動(dòng)參數(shù)帶傳動(dòng)參數(shù)包括帶的長(zhǎng)度、寬度、厚度、材料、工作速度等。這些參數(shù)對(duì)帶傳動(dòng)的性能和效率至關(guān)重要。帶傳動(dòng)應(yīng)用帶傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)設(shè)備等。其優(yōu)點(diǎn)包括傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等。摩擦傳動(dòng)基本原理及應(yīng)用摩擦傳動(dòng)原理摩擦傳動(dòng)利用兩個(gè)物體之間表面接觸時(shí)的摩擦力進(jìn)行能量傳遞。摩擦力的大小取決于接觸面的材料、法向壓力和接觸面積。摩擦傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。摩擦傳動(dòng)的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械，如汽車變速箱、機(jī)床主軸、起重機(jī)等。機(jī)械傳動(dòng)效率分析機(jī)械傳動(dòng)效率是衡量機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)能量損失的重要指標(biāo)。傳動(dòng)效率越高，能量損失越少，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)高效。傳動(dòng)效率受多種因素影響，如摩擦力、齒輪嚙合損失、帶傳動(dòng)滑動(dòng)損失等。90%理想效率理想情況下，機(jī)械傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上，但實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到。75%實(shí)際效率實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械傳動(dòng)效率一般在75%到90%之間。5%~10%能量損失機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中，能量損失主要來(lái)自摩擦力、齒輪嚙合、帶傳動(dòng)滑動(dòng)等。機(jī)械傳動(dòng)噪聲及控制噪聲來(lái)源機(jī)械傳動(dòng)噪聲主要來(lái)自齒輪嚙合、鏈條傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等部件的沖擊、摩擦和振動(dòng)。噪聲危害過(guò)高的噪聲會(huì)對(duì)人體造成聽(tīng)力損傷、神經(jīng)系統(tǒng)損害、工作效率降低等負(fù)面影響，也會(huì)影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。噪聲控制機(jī)械傳動(dòng)噪聲控制方法主要包括：減小傳動(dòng)部件的沖擊和摩擦，提高傳動(dòng)部件的剛度，采用吸音和隔音措施等。應(yīng)用實(shí)例在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)線傳動(dòng)系統(tǒng)、精密機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域，都需要對(duì)傳動(dòng)噪聲進(jìn)行有效控制。機(jī)械沖擊載荷分析沖擊載荷的定義沖擊載荷是指突然作用在機(jī)械零件上的瞬時(shí)載荷，沖擊力的大小和作用時(shí)間都比較短。沖擊載荷的來(lái)源常見(jiàn)的沖擊載荷來(lái)源包括啟動(dòng)、制動(dòng)、碰撞、振動(dòng)等。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊力、汽車剎車時(shí)的沖擊力、機(jī)器部件之間的碰撞力等。沖擊載荷的影響沖擊載荷會(huì)造成機(jī)械零件的疲勞損傷、塑性變形甚至斷裂。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)中必須考慮沖擊載荷的影響，并采取相應(yīng)的措施來(lái)減小沖擊載荷對(duì)機(jī)械零件的影響。分析方法常見(jiàn)的沖擊載荷分析方法包括沖擊系數(shù)法、能量法、動(dòng)力學(xué)分析等。這些方法可以幫助我們了解沖擊載荷的大小、方向、作用時(shí)間等參數(shù)，并為機(jī)械設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。機(jī)械疲勞與壽命預(yù)測(cè)疲勞損傷累積反復(fù)載荷下，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋，并逐漸擴(kuò)展。S-N曲線通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得材料的疲勞強(qiáng)度，預(yù)測(cè)零件在不同載荷下的壽命。疲勞壽命評(píng)估結(jié)合應(yīng)力分析、材料特性、載荷條件等，綜合評(píng)估機(jī)械零件的疲勞壽命。部件配合和潤(rùn)滑技術(shù)1配合部件配合是指兩個(gè)或多個(gè)零件之間相互配合，實(shí)現(xiàn)特定功能。配合類型包括間隙配合、過(guò)渡配合和過(guò)盈配合。2潤(rùn)滑潤(rùn)滑是為了減少摩擦，提高效率，延長(zhǎng)部件壽命，潤(rùn)滑方法包括油潤(rùn)滑、脂潤(rùn)滑和氣體潤(rùn)滑。3潤(rùn)滑油的選擇潤(rùn)滑油的選擇需考慮工作條件、摩擦副材料、環(huán)境溫度等因素。4潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮潤(rùn)滑油的供給、循環(huán)和冷卻，并確保潤(rùn)滑油能有效地到達(dá)摩擦副表面。常見(jiàn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)精度和強(qiáng)度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)必須兼顧精度和強(qiáng)度要求，保證機(jī)械在工作過(guò)程中能夠正常運(yùn)行。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)應(yīng)協(xié)調(diào)一致，避免干涉和碰撞，保證機(jī)器平穩(wěn)高效運(yùn)行。可靠性和壽命機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可靠性和壽命要求，選擇合適的材料和工藝，確保機(jī)械能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。成本和制造機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮成本和制造的可行性，選擇合理的材料和結(jié)構(gòu)，確保機(jī)械能夠經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)。小型機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造1功能需求分析明確功能、性能、可靠性要求2方案設(shè)計(jì)選擇機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)方式、材料等3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)繪制圖紙、標(biāo)注尺寸、材料等4