第一章 绪论 内容提要 本章主要介绍机械原理的研究对象、研究内容、机械原理在整个课程体系中的地位和学习机 械原理课程的目的，同时还对机械原理的学科发展动向作了简单介绍。 1.1机械原理的研究对象和研究内容 1.1.1机械原理的研究对象 机械原理(Theory of Machines and Mechanisms)的研究对象是机械(machinery),机械是机 器(machine)和机构(mechanism)的总称。 机械原理是机器理论与机构学的简称，是一门研究机构和机器的运动及动力特性，以及机械 运动简图设计的基础技术学科。 1.机器 在现代生产生活中，机器随处可见，如发电机、电动机、飞机、汽车、缝纫机、挖掘机、各 种机床等不胜枚举。尽管这些机械的形式、构造和用途不同，但都具有三大特征： (1)都是由一系列具有独立运动的单元体（也称为构件）组合而成的 (2)各构件之间具有确定的相对运动； (3)能够转换机械能或做有用功或处理信息，从而代替或减轻人类的劳动。 如图1-1所示为一个单缸四冲程内燃机，它是由气缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、小齿轮 5、大齿轮6、凸轮7、凸轮8、顶杆9、顶杆10、排气阀11和进气阀12等组成。燃气推动活塞 2做往复直线运动，经过连杆3转变为曲轴4的连续回转运动。凸轮7、8和顶杆11、12是用来 启闭排气阀和进气阀的。为了保证曲轴4每转两周进、排气阀各启闭一次，曲轴和凸轮之间安装 了齿数比为1：2的齿轮。这样当燃气推动活塞运动时，各构件协调动作，进气阀12、排气阀11 有规律的启闭，加上汽化点火等装置的配合，就把热能转化为曲轴4回转的机械能。 按照第三个特征机器可以分为三大类： 1)动力机器 动力机器的功用是把某一种能量转换成机械能，或把机械能转换成其他任何一种形式的能 量。如电动机、内燃机能把电能、热能变成机械能；发电机、空气压缩机能把机械能变成电能、 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
气体的势能。 2)工作机器 工作机器的功用是只是利用机械能完成各种有用功或进行物体的搬运，不进行能量的转换。 如金属切削机床利用机械能对加工材料进行尺寸、形状等的改变；起重机、汽车、飞机等利用机 械能搬送物体和人。 3)信息机器 信息机器的功用是完成信息的传递与变换，如复印件、打印机、照相机等。 2.机构 机构是由一些构件通过可动的连接方式组成的构件系统，它只能传递运动或转换运动，所以 只具有机器三大特征的前两大特征。如图1-1所示的内燃机中，气缸体1、活塞2、连杆3和曲 轴4组成一个曲柄滑块机构，可将活塞2的往复移动转化为曲轴4的连续转动。凸轮7、顶杆9 和气缸体1组成的凸轮机构，将凸轮轴的连续转动转化为顶杆的有规律的往复移动。曲轴和凸轮 轴上的小齿轮5、大齿轮6与气缸体1组成齿轮机构，使两轴保持一定的速比。 11 10 65 图1-】单缸四冲程内燃机 1一气缸体2一活塞3一连杆4一曲轴5一小齿轮6一大齿轮 2 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
7、8一凸轮9、10一顶杆11一排气阀12一进气阀 通过以上分析可以看出，从结构和运动角度看，机器和机构是没有区别的。因此，为了简化 叙述，人们常以“机械”一词作为机器和机构的总称。机器中常用的机构有：连杆机构、凸轮机 构、齿轮机构和间歇运动机构等。一台机器可以包含一个或多个机构，如电动机只包含一个机构， 而内燃机则包括曲柄滑块机构、凸轮机构和齿轮机构等若干个机构。 1.1.2机械原理的研究内容 1.机构结构分析的基本知识 主要介绍机构的组成和组成原理、机构运动简图的绘制、机构具有确定运动的条件等。机构 结构分析是为了判断机构能否实现预定的运动，而且也便于进行机构的运动和动力分析。这部分 内容不仅为学生分析和合理使用现有机械提供重要的依据，而且是学生设计新机械时所需要的很 重要的基础知识。本课程将在第二章介绍这部分内容。 2.机构的运动分析和设计 主要分析研究在已知机构中，某些构件运动规律确定的条件下，其他构件上各点的运动轨迹、 位移、速度和加速度问题。运动分析的目的是为机械运动性能和动力性能的研究提供依据，是了 解、剖析现有机械，优化、综合新机械的必要环节。本课程将在第三章介绍这部分内容。 3.常见机构的分析和设计 虽然机器的种类非常多，但构成各种机器的机构类型却十分有限，本课程将在第四章至第八 章中分别对平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等常见机构的设计理论和设计方 法进行讨论。 4.机构的动力学分析和设计 主要介绍机械在运转过程中，作用在各构件上力的大小、方向和作用点等的确定，以及机械 效率确定的具体办法；研究机械在己知力作用下的真实运动规律；研究机器运转过程中速度波动 的问题，调节速度波动的方法；研究机械运转过程中所产生的惯性力系的平衡问题。通过这部分 内容的学习，学生将为今后的机械系统方案设计打下必要的基础。本课程将在第九、十、十一章 中介绍这部分内容。 5.机械系统的方案设计 主要是在研究机构运动设计和机械动力设计的基础上，介绍机械总体方案的拟定、机械执行 系统的设计、机械传动系统的设计及原动机的选择。这部分内容对学生的工程训练起着十分重要 的作用，是培养学生创新思维的一个重要方面。本课程将在第十二章介绍这部分内容。 1.2机械原理的课程地位和学习目的 1.2.1机械原理的课程地位 《机械原理》是机械专业的主干技术基础课。之所以称为技术，是因为《机械原理》要解决 的是在实际环境下的工程技术问题，即如何来实现运动要求的一系列具体措施：之所以称为基础， This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
是因为《机械原理》的研究对象并不是确定的某一类机械，而是研究机械中共有的运动规律及其 设计。 《机械原理》在教学中起着承上启下的作用。一方面，它需要高等数学、普通物理、工程制 图和理论力学等理论课程等作为基础；另一方面，它为机械设计和相关专业课程的学习奠定必要 的基础。《机械原理》比其先修的理论课程更结合工程实际，同时它又为后续的专业课程提供了 各种机械的共性问题的研究。 1.2.2学习机械原理的目的 1.认识和了解机械 学习本课程的首要目的是认识和了解机械。《机械原理》课程对机械的组成、工作原理和一 些常见机构的运动等都作了基本介绍，这些都对工科专业的学生在实际生产和生活中，认识机械、 了解机械有很大的帮助，而且为学生今后学习有关机械专业课打下了基础。 2.分析和研究机械 要很好地利用机械，就需要分析和研究机械。本课程对一些常见机构的运动分析方法、设计 理论和方法都作了详细介绍，为工科专业的学生分析和研究机械提供了有利的工具。同时，还介 绍了一些工程方法，如图解法、实验法、反转法、等效法等。学习中要特别注意了解和掌握这些 方法，只有这样才能逐步树立起应有的工程观点，才能尽快地适应和掌握本课程的新特点、新问 题和新情况，以取得事半功倍的学习效果。另外，在学习过程中，还要注意培养自己运用所学的 基本理论和方法去分析和解决工程实际问题。 3.设计和创新机械 《机械原理》课程不仅介绍典型机构的分析和设计的基本理论与基本方法，还对机械运动方 案的拟定、原动机的选择、机构的选型和组合、执行机构的协调设计等作了介绍，同时还对机构 运动学和机械动力学的基本理论和基本技能作了介绍，这些都为培养学生创造性思维和技术创新 能力，为机械产品的创新设计打下良好的基础。 1.3机构学的发展动向 机构学在广义上又称为机构和机器理论（简称机械原理）。近年来，随之宇航技术、核技术、 海洋开发、医疗器械、工业机器人及微技术等高新科学技术的兴起和计算机的普遍应用，极大地 促进了机构学的发展，创立了不少新理论和新方法，开拓了一些新的研究领域。 1.3.1机构结构理论 在机构结构理论方面，主要是机构的类型综合、杆数综合和机构自由度的介绍。利用拆副、 拆杆、甚至拆运动链的方法将复杂杆组化为简单杆组，以简化机构的运动分析和力分析；利用图 论原理，把机构转化为矩阵符号标志，利用计算机识别方法，进行机构分类与选型；利用机构结 构的键图方法，确定机构自由度和冗余度。研究满足拓扑结构要求的机构结构类型综合，如以单 4 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
开链为基本单元的结构类型综合法、以回路为单元的结构类型综合法等，利用拓扑图及其矩阵表 示。 1.3.2组合机构 组合机构的研究近十几年来发展十分迅速。这种组合机构的设计方法有不少研究成果，如齿 轮一连杆组合机构的运动与动力分析与综合、凸轮一连杆机构的运动精度分析与综合、凸轮一平 面、空间组合机构的计算机辅助设计等。带挠性的组合机构已应用于轻工机械、纺织机械与机械 手等设备中。 1.3.3仿生机构学 仿生机构学是以生物解剖学、生物力学、机构学、机械系统动力学等理论为基础，主要研究 各种动物特有的运动副、构件、运动链以及生物体运动器官的结果形式和机构组成原理。仿生机 构学的任务是要从理论上揭示生物体的结构形式，并把研究成果应用于机器人等新一代仿生机械 的设计与研制的实践中。 目前，仿生机构的研究正逐渐受到重视，不少国家积极开展对人的手指、手腕、手臂的结构、 动作原理和运动范围的分析研究，研制出各种多自由度的生物电控或声控的机械假手，造福人类。 同时，在深入研究人体步态和大小腿的结构、动作原理和可动范围之后，己研制出各种类型的两 足步行机。 1.3.4微型机械 微型机械乏指尺寸范围为毫米、微米或纳米级，集微机构、微传感器、微驱动器、微执行器 和微控制器为一体的微型机电系统O正MS)。 微型机械的特点是：(1)体积超小，故受热膨胀、噪声和挠曲等的影响甚微，可以保持稳定 可靠工作；(2)耗能仅为传统机械的十分之一，甚至百分之一，但却能以十倍以上的速度来完成 同样的工作；(3)惯性小，驱动能量小，可以以静电方式工作；(4)谐振频率高，响应时间短。 中国在近十年期间，通过微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞机和微型陀螺等研究，在 微型机械领域取得了突出进展。同时，MEMS技术已开始在我国的社会生产中发挥作用，如微 型机器人己开始用于人体内腔，如血管、肠道、食道等内疾病的治疗；微传感器已民开始用于飞 行器的加速度、压力等参数的实时测量；纳米薄膜润滑技术己应用于火箭和计算机硬盘的制造工 艺。 思考与练习 1-1什么是机械、机器和机构，并举例说明它们之间的联系。 1-2试列举3个机构实例，并说明其功用和结构。 1-3试列举3个机器实例，并说明其组成和功能。 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information