机械原理机构动力学设计
机械原理和机械设计
机械原理和机械设计1. 简介机械原理和机械设计是机械工程学科中的重要内容，二者密切相关但又有一定区别。
机械原理是研究机械运动规律和其原理的学科，主要关注力学、力学和动力学等基础理论知识，旨在揭示机械运动的本质和规律性。
而机械设计则主要是以机械产品的开发和设计为主要任务，涉及到工程力学、力学设计、材料力学、机械制造工艺等方面的知识。
2. 机械原理机械原理研究的内容包括机械运动、力学关系和动力学原理等。
机械运动是机械原理的基础，研究物体在空间中的运动轨迹和变化规律。
力学关系则是研究物体在受力情况下的力学性质，包括力、力矩、压力、应力、变形等。
动力学原理则是研究物体的运动与力学关系的相互作用，研究其加速度、速度和位移等动力学参数。
3. 机械设计机械设计是研究和开发机械产品的学科，需要运用机械原理和相关的理论知识。
机械设计的过程中，需要进行产品的结构设计、功能设计、材料选择、工艺分析等。
结构设计是机械设计的核心，包括产品的形状、尺寸、连接方式等方面的设计。
功能设计则关注产品的功能和性能，以满足用户的需求。
材料选择则需要根据产品的工作环境和要求，选择合适的材料。
工艺分析则是为了确保产品的制造过程简单、可行以及具有经济性。
4. 机械原理与机械设计的关系机械原理为机械设计提供了理论基础，掌握机械原理的基本原理和规律，可以更好地进行机械产品的设计和分析。
机械设计则是实践机械原理的具体应用，将机械原理中的理论知识转化为实际的产品设计和制造过程。
机械原理可以指导机械设计的思路和方法，而机械设计则将机械原理付诸实践，形成了理论与实践相结合的关系。
5. 总结机械原理和机械设计是机械工程学科中的两大重要内容，二者密切相关但有一定区别。
机械原理研究机械运动、力学关系和动力学原理等基础理论知识，机械设计则是以机械产品的开发和设计为主要任务。
机械原理为机械设计提供了理论基础，而机械设计则将理论付诸实践。
二者相互依存，共同推动了机械工程的发展。
机械原理教程全套课件pdf
广泛应用于各种机械传动系统中，根据链条的结构和传动原理可分 为滚子链传动、齿形链传动等。
链传动的优缺点分析
优点包括传动效率高、结构紧凑、适用于恶劣环境等；缺点包括噪音 大、振动大、需要定期润滑和维护等。
齿轮传动
01
齿轮传动的原理和特点
利用两个或多个齿轮之间的啮合来传递运动和动力，具有传动效率高、
包括机架、原动件、从动件等基本概念。
运动副的类型与特性
介绍低副、高副等运动副的特点及应用。
机构自由度的计算
通过公式F=3n-2PL-Ph计算机构的自由度，其中n为构件数，PL为 低副数，Ph为高副数。
机构运动简图及表示方法
机构运动简图的概念
01
用简单的线条和符号表示机构的运动情况。
机构运动简图的绘制方法
动力学性能分析方 法
采用时域分析、频域分析、模态分析等方法对机械系统的 动力学性能进行分析。
动力学性能优化
通过结构优化、控制策略优化等手段，提高机械系统的动 力学性能，满足工程实际需求。
05
连杆机构
Chapter
平面连杆机构的基本形式与特性
铰链四杆机构
由四个铰链连接的杆件组成，包 括曲柄摇杆机构、双曲柄机构和 双摇杆机构等。
仿真法
利用计算机仿真技术，模 拟凸轮机构的运动过程， 得到凸轮的轮廓曲线。
凸轮机构从动件运动规律的选择
等速运动规律
从动件在推程和回程中均作等速运动 ，适用于低速、轻载的场合。
等加速等减速运动规律
从动件在推程和回程中先作等加速运 动，后作等减速运动，适用于中速、 中载的场合。
余弦加速度运动规律
从动件在推程和回程中按余弦加速度 规律运动，适用于高速、重载的场合 。
机械原理ppt课件完整版
齿轮传动的设计步骤
包括选择齿轮类型、确定齿轮模 数、齿数、压力角等参数，进行 齿轮强度校核等。
齿轮传动的应用
广泛应用于各种机械设备中，如 汽车、机床、工程机械等。
链传动的设计与分析
链传动的类型
包括滚子链传动、齿形链传动等。
链传动的设计步骤
包括选择链条类型、确定链条节距、链轮齿 数等参数，进行链条强度校核等。
定义与研究对象
机械系统动力学是研究机械系统在力作用下的运动规律及其与力的相互关系的学科。它主要 关注机械系统在外力作用下的运动状态，如速度、加速度、位移等的变化规律。
基本术语与概念
包括力、质量、加速度、动量、动能、势能等，这些术语和概念是描述机械系统运动状态的 基础。
动力学原理
牛顿运动定律、动量定理、动能定理等是机械系统动力学的基本原理，它们揭示了机械系统 运动的基本规律。
命和可靠性。
检测装备
包括测量仪器、检测设备等，用 于对加工过程中的产品精度和质 量进行检测和控制，确保产品符
合设计要求。
先进制造技术与装备简介
数控技术
机器人技术
通过计算机编程控制机床等加工装备，实现 自动化、高精度和高效率的加工过程。
应用机器人进行自动化生产，提高生产效率 和产品质量，降低劳动强度和生产成本。
2023
PART 03
机械传动与驱动
REPORTING
机械传动的类型和特点
摩擦传动
螺旋传动
利用摩擦力传递动力和运动的传动方 式，如带传动、摩擦轮传动等。其特 点是结构简单、成本低廉，但传动效 率较低且易磨损。
利用螺旋副传递动力和运动的传动方 式，如螺旋千斤顶、螺旋压力机等。 其特点是结构简单、自锁性好，但传 动效率较低。
机械原理与机械设计 (上册) 第4版 第11章 机械系统动力学
k
qi
δW Fe1δq1 Fe2δq2
P Fe1q1 Fe2q2
(i 1,2)
3. 动力学方程
J11q1
J12q2
1 2
J11 q1
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1 2
J 22 q1
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J 12 q1
J 22q2
J12 q1
1 2
J11 q2
q12
J 22 q1
q1q 2
dt
等效驱动力矩
等效阻力矩
若 me 与 Je 为常数，则
Fed Fer M ed M er
me Je
dv dt
d
dt
能量形式（积分形式）
s2 s1
Fedds
s2 s1
Ferds
1 2
me 2 v22
1 2
me1v12
阻抗功
损耗功
总耗功
输入功
Wd (Wr Wf ) Wd Wc E2 E1
终止动能
起始动能
第二节 多自由度机械系统的动力学分析(简介）
机械系统的动力学方程:外力与运动参数（位移、速度等）之间的函数关系式
一、拉格朗日方程
动能
势能
自由度
d dt
E qi
E qi
U qi
Fei
(i 1,2,, N)
J1 1
m2 vc2 Jc2 2
m3v3
d
1 2
J112
1 2
m2vc22
1 2
J
2
c2 2
1 2
m3v32
(M11
P3v3
)dt
机械原理平面连杆机构及设计
机械原理平面连杆机构及设计平面连杆机构是一种最为基本的机械结构，由于其结构简单、运动可靠等特点，被广泛应用于各种机械设备中。
本文将对平面连杆机构进行介绍，并探讨其设计原理。
平面连杆机构是由至少一个定点和至少三个连杆组成的机构。
定点为固定参考点，连杆是由铰链连接的刚性杆件。
连杆可以分为连杆和曲柄，连杆连接在定点上，曲柄则旋转。
平面连杆机构的运动由这些连杆的位置和相互连接方式决定。
平面连杆机构的设计原理基于以下几个方面：1.运动分析：在设计平面连杆机构之前，首先需要进行运动分析，确定所需的运动类型。
运动类型可以是旋转、平移、摆动、滑动等。
通过运动分析，可以确定连杆的长度和相互连接的方式。
2.运动性能：平面连杆机构的优点是运动可靠，但运动性能也是需要考虑的重要因素。
例如，设计中需要考虑速度、加速度、力和力矩等参数，以满足机构的运动要求。
3.静力学分析：平面连杆机构在工作过程中可能会受到外力的作用，因此需要进行静力学分析。
静力学分析可以确定机构的力矩和应力，从而确定设计的合理性。
4.运动合成：在进行平面连杆机构的设计过程中，需要进行连杆的运动合成。
运动合成是指通过选择适当的连杆长度和连接方式，实现所需的运动类型。
5.运动分解：运动分解是指将合成的运动分解为各个连杆的运动。
通过运动分解，可以确定每个连杆的运动规律，从而进行设计。
当以上原理得到了充分的了解和运用后，可以进行平面连杆机构的具体设计。
具体的设计包括以下几个步骤：1.确定所需的运动类型：根据机械设备的需求，确定所需的运动类型，例如旋转、平移、摆动等。
2.运动分析：对机构进行运动分析，确定连杆的位置和连接方式。
根据机构的运动要求和外力作用，确定连杆的长度。
3.动力学分析：进行动力学分析，确定机构运动时的力学参数，如速度、加速度、力和力矩等。
4.运动合成与分解：根据所需的运动类型，进行运动合成和分解，确定连杆的运动规律。
5.结构设计：根据上述分析和计算结果，进行结构设计。
《机械原理》ppt课件
01机械原理概述Chapter机械原理的定义与重要性定义重要性机械原理的研究对象和内容研究对象主要研究各种机构（如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）和机器（如内燃机、电动机、机床等）的工作原理、运动特性、力学性能以及设计计算方法等。
研究内容包括机构的组成原理、运动学分析、动力学分析、机械效率与自锁、机器的平衡与调速等。
机械原理的发展历程和趋势发展历程发展趋势02机构的结构分析与设计Chapter机构的基本概念和分类机构定义由刚性构件通过运动副连接而成的系统，用于传递运动和力。
机构分类根据运动特性可分为连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。
运动副类型包括低副（转动副、移动副）和高副（点接触、线接触）。
结构分析通过自由度计算、运动链分析等方法，确定机构的组成、运动特性和约束条件。
综合方法基于功能需求，选择合适的机构类型，进行组合、变异和演化，设计出满足特定要求的机构。
创新设计运用创新思维和现代设计方法，如拓扑优化、仿生学等，进行机构创新设计。
机构的结构分析和综合方法机构设计的原则和方法设计原则设计方法案例分析03机械传动与驱动Chapter机械传动的类型和特点摩擦传动啮合传动利用齿轮、链轮等啮合元件传递动力和运动。
具有传动效率高、工作可靠、使用寿命长等优点，但需要较高的制造精度和安装精度。
齿轮类型选择齿轮参数设计强度校核030201齿轮传动的设计与分析链传动和带传动的设计与分析链传动设计带传动设计强度校核液压与气压传动的设计与分析液压传动设计01气压传动设计02控制与调节0304机械系统动力学与振动Chapter机械系统动力学的基本概念和方法动力学基本概念动力学建模方法动力学分析方法机械系统的振动分析和控制振动基本概念振动分析方法振动控制策略机械系统动力学优化设计方法优化设计基本概念动力学优化设计方法优化设计实例分析05机械制造工艺与装备Chapter机械制造工艺的基本概念和流程机械制造工艺的基本概念机械制造工艺的流程机械制造装备的分类和特点机械制造装备的分类机械制造装备的特点先进制造技术是指基于先进制造理论、技术和方法的总称，包括计算机辅助设计（CAD ）、计算机辅助制造（CAM ）、计算机辅助工艺规划（CAPP ）、数控技术（NC ）、柔性制造系统（FMS ）等。
机械原理及设计知识点
机械原理及设计知识点介绍：机械原理和设计是机械工程领域中的重要组成部分，它涵盖了机械工程师必备的核心知识。
本文将介绍机械原理和设计的一些基本知识点，帮助读者了解和掌握这一领域的重要概念和技术。
第一部分：力学基础在机械原理和设计中，力学是一门基础学科。
它涉及了力的产生、传递和作用等方面的内容。
以下是一些力学基础知识点：1. 力的定义和单位：力是物体之间相互作用的结果，它的单位是牛顿(N)。
常见的力单位还包括千牛顿(kN)和兆牛顿(MN)等。
2. 力的合成和分解：当多个力同时作用在物体上时，可以通过合成力和分解力的方法来求解其合力和分力。
3. 牛顿第一定律：也称为惯性定律，指出物体在不受外力作用时将保持静止或匀速直线运动。
4. 牛顿第二定律：描述物体的加速度与作用力和物体质量的关系，力等于质量乘以加速度。
5. 牛顿第三定律：也称为作用-反作用定律，指出对于任何作用力，都存在一个与之大小相等、方向相反的反作用力。
第二部分：运动学运动学是研究物体运动的学科，它在机械原理和设计中扮演着重要角色。
以下是一些与运动学相关的知识点：1. 位移、速度和加速度：位移描述了物体在一段时间内从一个位置到另一个位置的变化，速度是位移对时间的导数，而加速度是速度对时间的导数。
2. 直线运动和曲线运动：物体可以沿直线或曲线路径移动，对于不同类型的运动，可以使用不同的数学表达式和运动方程。
3. 匀速运动和变速运动：如果物体在等时间间隔内位移相等，则称其为匀速运动；如果位移到不同时刻的位移不相等，则称其为变速运动。
4. 动能和动能定理：动能是物体由于运动而具有的能量，它等于物体质量乘以速度的平方的一半。
动能定理规定了物体的动能与其所受的净外力和位移之间的关系。
第三部分：静力学静力学是研究物体静止状态下的力学学科，它在机械设计中扮演着重要的角色。
以下是一些与静力学相关的知识点：1. 浮力和压力：浮力是液体或气体中物体受到的向上的力，与所浸泡的液体或气体的体积有关。
机械原理-机构动力学设计.ppt
2、机构惯性力(对机座)
的平衡
二、功率平衡
1、机械运转中的功能 关系
Ad Ac E2 E1
其中 Ac Ar Af 为总耗功
B A
TT
2、机械运转的三个阶段
(1)起动阶段：
o 起动 稳定运动 停车
Ad Ac ，主动件的速度从零值上升到正常工作速度
((23))停稳车定阶运段转：阶段A：d Ar 0
a .匀速稳定运转— 速度保持不变，在任何时间间隔都有
Ad Ac 0
b .变速稳定运转— 围绕平均速度作周期性波动 一个周期的时间间隔,Ad=Ar,E2=E1;
功率平衡：不若满为一实个现周一期个的尽时可间能间匀隔速,A稳d=定Ar运,E转2=E，1在结构上
或机构设计方面采取相关措施。
§9-2 基于质量平衡的动力学设计 一、质量平衡的设计方法之一（线性独立向量法） （一） 平面机构惯性力平衡的必要和充分条件：
一般，滑块的质心在C点，即r3=0。 而构件2的质心应在CB的延长线上 m1
二、质量平衡的设计方法之二 (质量代换法)
质量代换的实质是：用假想的集中质量的惯性力及惯性力
对于任何一个机构rs的总质M1心向in量1 rms可i r表si达为
若rs为常向量，则可满足上述充)列出机构总质心
位置向量方程式
Y
i (1 1 )
r2 m2 s2
r r e s1 1
r a e r e s2
i1
1
2 i(2 2 ) s1m1a1
1 M
(m1 r1e i1
(m3 r3 e i
3
m2a1 m2r2
m2 r2
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r1
rs2
m3 s3
由图可得
1
r2 e i? 2
?
a2
?
r2?e
i?
2?
O
?1
A
rs3 a4
r3
?3
Dx
机构惯性力完全平稳的条件:
m1r1e i?1 m3 r3e i? 3
? ?
m2 r2? m2r2
a1 aa23 a2
e i? 2? e i? 2
?0 ?0
铰链四杆机构惯性力完全平衡的条件是：
m1r1
*
i?
? j
m3
jj
?*j
m r e *
*
i?
* j
jj
调整后： mj r j ei? j
?j0 ?j
00 0
x
则应有：
m r e 0
0
i?
0 j
jj
?
m r e *
*
i?
* j
jj
?
mj r j ei?，j ( j=1或 3 )
按照向量加法规则可求得应添加的质径积的大小和方位为
m*j
r
* j
?
(mj r j
ei? 2 ?
故有
a3 a2
ei? 3
?
a4 a2
?
a1 a2
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O A
?1
?2 a4
C
a3 ?3 Dx
? r s ?
1 M
?
(m1 r1e i? 1
(m3 r3 e i?
? m2 a1 ? m2 r2
3
?
m2 r2
a3 a2
e i?
a1 ei? a2
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1
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(
m0j
r
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?
2m
j
r
j
m0j
r
0 j
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j
?
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0 j
)
tg?
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(mjrj
sin ?
j
?
m0j
r
0 j
sin ?
0 j
(mj r j
cos?
j
?
m0j
r
0 j
cos?
0 j
)
其中 mj ? m0j ? m*j ( j=1或 3 )
2、有移动副的平面四杆机构
(1)列出各活动构件的质心向量表达式为
2、机构惯性力(对机座)
的平衡
二、关系
Ad ? Ac ? E2 ? E1
B A
TT
其中 Ac ? Ar ? Af 为总耗功
2、机械运转的三个阶段 (1)起动阶段：
o 起动 稳定运动 停车
?
Ad ? Ac ，主动件的速度从零值上升到正常工作速度
(2)停车阶段： Ad ? Ar ? 0
? rs1
?
r e i(? 1 ??1 ) 1
y
rs2
?
a1e i? 1
?
r ei(? 2 ??2 ) 2
rs3 ? a 1e i? 1 ? a 2e i? 2 ? r3
将以上诸式代入
rs
?
1 M
n
mi rSi
i?1
e
i? 3
(A)
S1 r1
O
m1
r2 B
a1 r S2 ?1
S2 m 2 ? 2 r S3
1
B
r ? a e ? r e s2
i? 1
1
2 i (? 2 ?? 2 ) s1m1a1
r2 ?2
?2
c a3
rs3
?
a4
?
r ei(? 3 ?? 3 ) 3
r1
1
rs2
m 3s3
? rs ?
? rs ?
1
M
1
M
n
m i r si
i?1
( m1r1e i? 1
?1
O A
? m2 a1 )ei? 1
机构及其系统
动力学设计
§9-1 机构及其系统的质量平衡与功率平衡
一、质量平衡
m1 r1 rb
m
r2 m2
m1 r1
r2 m2
l
m1r1+m2r2+…mbrb=0
1、转子平衡
使构件质量参数合理分布及在 结构上采取特殊措施，将各惯性力
m1 s1
m2 s2 s3 m3
和惯性力矩限制在预期的容许范围
内，称为质量平衡。
基本思路 列出总质心的向量表达式； 使与时间有关的向量（时变向量）的 系数为零。
? 对于任何一个机构的总质心向量
rs ?
1 M
n i?1
rs可表达为
m i r si
若rs为常向量，则可满足上述充要条件。
1、平面铰链四杆机构
(1)列出机构总质心
位置向量方程式
Y
m2 s2
rs1
?
r e i (? 1 ??1 )
e e (2) 令时变向量 、i? 1 前i?的2 系数为零，得
m1r1e i?1 ? (m2 ? m3 )a1 ? 0
m2r2e i?2 ? m3a 2 ? 0
于是，曲柄滑块机构惯性力的完全平衡条件为：
m2
r2
a2
BC
m1r1 ? (m2 ? m3 )a1 ， ? 1 ? ?
?
m2 r2
a4 a2
e i? 2
)
(3)机构惯性力完全平稳的条件
m1r1e i?1 ? m2 a 1 ? m2
令
m3 r3 e i? 3
?
m2 r2
a3 a2
e i?
r
2
a1 2?a02
e i? 2
r2
?0
m2 s2
则r s就成为一常向量, 即质心位置保持静止。
Y B
s1m1a1
?2
?2
c a3
(3)稳定运转阶段：
a .匀速稳定运转— 速度保持不变，在任何时间间隔都有
Ad ? Ac ? 0
b .变速稳定运转— 围绕平均速度作周期性波动
一个周期的时间间隔 ,Ad =Ar,E 2=E 1;
功率平衡：
不满一个周期的时间间隔 ,Ad =Ar ,E 2=E 1 若为实现一个尽可能匀速稳定运转，在结构上
rs3 a4
r3
?3
Dx
? ? ( m2 r2 e i? 2 )e i? 2
e 、e 、e 注意时变向量：
?
(m
i? 1
3
r3
e
i? 3
i? 2
)
e
i?
3?
i? 3
m3a 4
(2)使rs表达式中所含有的时变向量变为线性独立向量
封闭条件：
YB
a1ei?1 ? a2ei?2 ? a3ei?3 ? a4 ? 0 a1
?
m2
r2?
a a
1 2
，?1
?
? 2?
m3r3
?
m2r2
a3 a2
，? 3 ? ? ? ? 2
?1 s1
一般选两个连架杆1、3作为加 m1
平衡重的构件。
若：调 整前：
m r e 0
0
i?
0 j
jj
y
添加平衡重的大小与方位向量：
m2s2 r2 ?2 a2
r2?
? 2?
a1
a3
a4 ?3
s3
m r e *
S
S3 m3
r3
Cx
可得到机构总质心向量表达式为
?? ? rs
?
1 m
m1r1e i?1 ? a1 (m2 ? m3 ) e i? 1
? ? (m2r2e i? 2 ? m3a 2 )e i? 2 ? m3r3e i? 3
e e 上式中两个时变向量 i?1及 i? 2已是线性独立向量(S向量未出现)。
或机构设计方面采取相关措施。
§9-2 基于质量平衡的动力学设计 一、质量平衡的设计方法之一（线性独立向量法）
（一） 平面机构惯性力平衡的必要和充分条件：
机构的总惯性力为F=-Ma s，欲使任何位置都有F=0，则
as ? 0
机构总质心作匀速直线运动； 机构总质心沿着封闭曲线退化为停留在一个点。
当且仅当平面机构总质心静止不动时，平面机构的惯性 力才能达到完全平衡。 （二） 平面机构惯性力完全平衡的线性独立向量法