机械原理课程绪论
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机械原理第一章 绪论
§1-1 研究对象及内容1.研究对象：本课程研究的对象是机械。
所谓机械就是机构与机器的总称。
2.机构：用来传递与变换运动和力的可动装置。
它可以变换和传递机器之间的运动形式（比如往复移动变为转动）及速度（比如高速变低速）。
比如自行车要通过链条传动把脚踏的旋转运动变为后轮的旋转运动，链条就是一种机构；指针手表通过齿轮保持时、分、秒针之间的比例关系，齿轮也是一种机构；还有折叠式家具及门铰链大多采用的是连杆机构；还有一定功率下电机的输出力矩很小，不能直接使用，也是采用齿轮机构来获得所需的力矩。
常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、曲柄滑块机构、蜗轮蜗杆传动机构、螺旋机构。
3.机器：由原动部分、传动部分（机构）、执行部分和控制部分组成的、执行机械运动的装置，它可以转换和传递能量、物料和信息。
比如缝纫机可以缝合衣服，它是机器；汽车可以运送物料，它也是机器；打印机可以把电子信息变为纸上可见的信息，它还是机器；这些机器的共同点就是它们都是由多个机构组成的，且都是通过做有用功来完成机械运动的。
4.机器的分类：机器按其用途可分为两类：①原动机凡将其他形式的能量转换为机械能的机器称为原动机；②工作机凡利用机械能来完成有用功的机器称为工作机。
5.机器的结构：①传统的机器由如下三个部分组成：②现代的机器由如下四个部分组成：③现代先进的机器由如下五个部分组成：6.实例：①内燃机内燃机就是把燃油的热能（化学能）转换为机械能的机器。
它由活塞、连杆、曲轴组成的连杆机构进行动力驱动，并由一对大小齿轮机构、凸轮机构组成配气系统。
其原理如下：当气缸内的气体受热膨胀后，气体产生的压力会使活塞作上下往复运动，连杆把活塞的往复运动变为连续旋转的运动并传递给曲轴，使其对外输出动力，同时装在曲轴上的小齿轮又将曲轴的旋转传递给相邻的大齿轮，带动大齿轮轴上的凸轮按另一种速度旋转，进一步推动配气系统的阀杆上下往复运动，使阀门按一定的时间要求启闭实现配气，从而让活塞能周而复始地进行往复运动，机器能连续地实现能量的转换。
机械原理-绪论
连杆机构
凸轮机构 齿轮机构 齿轮系
棘轮机构
槽轮机构
带传动机构
不同的机器，就其组成来说，都是由各种机构组合而成的。
§1-1 机械原理课程研究的对象及内容 缝纫机针杆运动机构
§1-1 机械原理课程研究的对象及内容
内燃机
1、燃料燃烧产生的热能转换为机械能 2、主要由三种机构曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构组成。 3、运动行式的变换：转动→直线平动；转动→转动
信息机器虽然也作机械运动，但其目的是处理信息，而 不是完成有用的机械功，因而其所需的功率甚小。
现代机器的出现使机器按功能的分类变得模糊
机器人：
进行焊接和装配，是加工机器； 用来搬运物品，也是运输机械； 而且是按照一定的信息来搬运；也是信息机械。
其他形式的能量
机械能
如：内燃机、电动机、液压与气压传动
机械能
其他形式的能量
如：水泵、风扇
✓加工机器
用来改变被 加工对象的
尺寸 形状 性质 状态
如：加工机床、轧钢机、 反应器、包装机
✓运输机器
用来搬运物品和人。 如汽车、飞机、起重机、运输机。
✓信息机器
其功能是处理信息。
例如复印机、打印机、绘图机等。
处于整个传动路线 的终端，按照工艺要求 完成确定的运动，是直 接完成机器功能的部分。
执行装置随机器的 用途不同而不同，它属 于各种专业机械课程研 究的内容。
§1-1 机械原理课程研究的对象及内容
运动速度的转换
传动装置解决原动机速度和执行装置速度不匹配的问题。
一般的普通交流电动机速度是固定的。
一般机器执行部分速度低于原动机的转速, 需要减速。
§1-3 机械原理课程的学习方法（怎么学）
机械原理课件第1章绪论
太空探险、水平钻探、深海采矿、打捞作业、血管清理
与其它学科的交叉渗透作用增强：与电子工程、计算 机科学、控制工程、材料科学、生物医学相互渗透， 诞生了若干新学科。如机械电子学、仿生机械学、机 器人机械学、机械CAD。
本学科的研究课题与日俱增: 新机构不断涌现-----如自控机构、机器人机构、仿生 机构、柔性及弹性机构、机电气液综合机构等。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
本课程研究机械的途径： ▲ 研究机械所具有的一般共性问题。如机构的组成
原理、机构运动学、机器动力学。
▲ 研究各种常用机构的运动和动力性能，以及它们 的设计 方法。
如何学习本课程？
▲ 着重搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构 分析与综合的基本方法。
▲ 注意把一般原理和方法与具体运用密切联系起来。 并用所学知识观察日常生活与生产遇到的各种机械。
▲设计新机构的方法。按一定几何条件和运动条件
3. 机器动力学 ▲分析机构的受力情况及力做功的情况；
▲分析机器在已知外力作用下的运动； ▲机器的调速和平衡方法。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
按解决问题的性质，研究内容又可分为两大类：
▲机构分析－对已有机构的研究。包括结构、运动 和力分析。
▲机构综合－设计新的机构。包括型综合、尺度综 合、运动和动力综合。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
注重理论联系实际
本课程并不是研究某种具体的机械，而是着重研究 一般机械的共性问题，即机构的结构分析和综合的基 本理论和基本的方法。这些基本理论和方法是紧密为 工程服务的。因此，在本课程的学习过程中，一方面 要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性 和逻辑性，另一方面更要注意这些理论和方法如何在 工程实际中的应用。此外还应随时留意日常生活和生 产中遇到的各种机械，以丰富自己的感性认识；并用 所学到的理论和方法认识分析这些机械，以加深理解， 使理论和实践相互促进。
与其它学科的交叉渗透作用增强：与电子工程、计算 机科学、控制工程、材料科学、生物医学相互渗透， 诞生了若干新学科。如机械电子学、仿生机械学、机 器人机械学、机械CAD。
本学科的研究课题与日俱增: 新机构不断涌现-----如自控机构、机器人机构、仿生 机构、柔性及弹性机构、机电气液综合机构等。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
本课程研究机械的途径： ▲ 研究机械所具有的一般共性问题。如机构的组成
原理、机构运动学、机器动力学。
▲ 研究各种常用机构的运动和动力性能，以及它们 的设计 方法。
如何学习本课程？
▲ 着重搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构 分析与综合的基本方法。
▲ 注意把一般原理和方法与具体运用密切联系起来。 并用所学知识观察日常生活与生产遇到的各种机械。
▲设计新机构的方法。按一定几何条件和运动条件
3. 机器动力学 ▲分析机构的受力情况及力做功的情况；
▲分析机器在已知外力作用下的运动； ▲机器的调速和平衡方法。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
按解决问题的性质，研究内容又可分为两大类：
▲机构分析－对已有机构的研究。包括结构、运动 和力分析。
▲机构综合－设计新的机构。包括型综合、尺度综 合、运动和动力综合。
湖南理工学院专用
作者： 潘存云教授
注重理论联系实际
本课程并不是研究某种具体的机械，而是着重研究 一般机械的共性问题，即机构的结构分析和综合的基 本理论和基本的方法。这些基本理论和方法是紧密为 工程服务的。因此，在本课程的学习过程中，一方面 要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性 和逻辑性，另一方面更要注意这些理论和方法如何在 工程实际中的应用。此外还应随时留意日常生活和生 产中遇到的各种机械，以丰富自己的感性认识；并用 所学到的理论和方法认识分析这些机械，以加深理解， 使理论和实践相互促进。
机械原理第一章绪论PPT课件
机构(machanism)：用来传递 运动和力或改变运动形式的构 件系统
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机械是机构与机器的总称。
机构和机器的区别：
•机构只是一个构件系统，而机 器除构件系统外，还包含电气、 液压等其它系统
• 机构只用来传递运动和力，而 机器除传递运动和力外，还具 有变换或传递能量、物料和信 息的功能
2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图 解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析的基本技能。
3)具有按已知的几何条件和运动条件对几种主要的平面 机构进行运动设计的某些基本知识和能力。
4)初步具有确定简单机械运动方案的能力。
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第一章 绪 论
5)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本 知识。
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第一章 绪 论 (Introduction) §1-1 本课程研究的对象及内容
机械原理又称为机器理论与机构学。 机械原理 Theory of Machines and Mechanisms
机械原理的研究对象是机械(machinery) 。 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及
机
是完成有用的机械功或者是搬运物品。
工作机器 例如：起重机、织布机、缝纫机、汽
器
车、飞机和金属切削加工机床等。
是用来获得和变换信息。例如：机械 信息机器 式积分仪、计帐机、机器人和绘图仪。
机器与其它装置的主要区别是：机器一定要作机械运动， 并通过运动来实现能量、物料和信息的变换
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第一章 绪 论
现代机器通常由控制系统、信息测量和处理系统、动 力部分、传动部分及执行机构系统等组成。 机器的三个共同特点： 1、都是人为的实物组合； 2、各部分之间具有确定的相对运动； 3、用来变换或传递能量、物料和信息。
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机械是机构与机器的总称。
机构和机器的区别：
•机构只是一个构件系统，而机 器除构件系统外，还包含电气、 液压等其它系统
• 机构只用来传递运动和力，而 机器除传递运动和力外，还具 有变换或传递能量、物料和信 息的功能
2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图 解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析的基本技能。
3)具有按已知的几何条件和运动条件对几种主要的平面 机构进行运动设计的某些基本知识和能力。
4)初步具有确定简单机械运动方案的能力。
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第一章 绪 论
5)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本 知识。
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第一章 绪 论 (Introduction) §1-1 本课程研究的对象及内容
机械原理又称为机器理论与机构学。 机械原理 Theory of Machines and Mechanisms
机械原理的研究对象是机械(machinery) 。 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及
机
是完成有用的机械功或者是搬运物品。
工作机器 例如：起重机、织布机、缝纫机、汽
器
车、飞机和金属切削加工机床等。
是用来获得和变换信息。例如：机械 信息机器 式积分仪、计帐机、机器人和绘图仪。
机器与其它装置的主要区别是：机器一定要作机械运动， 并通过运动来实现能量、物料和信息的变换
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第一章 绪 论
现代机器通常由控制系统、信息测量和处理系统、动 力部分、传动部分及执行机构系统等组成。 机器的三个共同特点： 1、都是人为的实物组合； 2、各部分之间具有确定的相对运动； 3、用来变换或传递能量、物料和信息。
机械原理1
机械原理武汉理工大学第一章绪论§1-1本课程研究的对象及内容“机械原理”(Mechanical Principle)研究的对象是机械，研究的内容是有关机械(mechanism)的基本理论问题。
机械——是机器(machine)和机构(mechanism)的总称。
右图所示为一内燃机示意图，主要由以下机构组成：活塞(piston)、连杆(connecting rod)、曲轴和机架(frame)组成连杆机构；大齿轮(gear)、小齿轮和机架组成齿轮机构；凸轮(cam)、推杆和机架组成凸轮机构。
除了机器外，实际中存在如图1-2所示的开窗机构和如图1-3所示的千斤顶，它们借助于人力驱动实现所需的运动或传递力。
这些装置我们称之为机构。
图1-2 开窗机构图1-3 千斤顶机器的特征：1. 它们是由零件人为装配组合而成的实物体；2. 各实物体之间具有确定的相对运动；3. 能完成有用的机械功或转化机械能。
机构的特征：机构具有机器特征中的前两个特征。
机器与机械的共有特征决定了机器与机构可以统称为机械。
本课程研究的内容：1. 机构结构分析的基本知识2. 机构的运动分析3. 机器动力学4. 常用机构的分析与设计5. 机构的选型及机械传动系统的设计本课程研究的内容可以概括为两个方面，第一是介绍对已有机械进行结构、运动和动力分析的方法，第二是探索根据运动和动力性能方面的要求设计新机械的途径。
§l-2 学习本课程的目的本课程所学的内容乃是研究现有机械的运动及工作性能和设计新机械的知识基础。
所以它成为机械类各专业必修的一门重要的技术基础课程，并为专业课程打下基础。
§l-3 如何进行本课程的学习在学习本课程的过程中，要着重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握机构分析和综合的基本方法。
在本课程的学习过程中，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的能力。
为此要十分注意各种理论和方法的适用范围和条件，以求能逐步作到正确而灵活的应用。
机械原理课件：第1章绪论
研究机械运动的规律和特性。
力学
研究机械受力和运动的关系。
动力学
研究机械力的产生和传递。
机械的自由度及数目。
2 类型
包括平动副、回转副和滚动副等。
机械的机构及其分类
齿轮机构
通过齿轮传递和变换运动。
凸轮机构
通过凸轮来控制运动。
连杆机构
通过连杆来传递运动。
机械传动方式的分类及特点
齿轮传动 带传动 链传动
效率高，传动精度高。 结构简单，吸振能力强。 传动稳定，承载能力大。
机械的运动规律
机械运动遵循牛顿运动定律，同时机械能守恒和机械功的计算也是机械运动规律的重要内容。
机械简化分析方法
1
静态平衡法
分析物体处于静止状态下的平衡条件。
2
动态平衡法
分析物体在运动状态下受力和力矩的平衡条件。
机械原理课件：第1章绪 论
机械原理是研究机械的基本概念、运动规律和设计原则的科学。本章介绍了 机械原理的研究对象、基本量和关系，以及机械的自由度、机构和传动方式 的分类。
什么是机械原理？
机械原理是一门研究机械运动规律和相互作用原理的学科，对于机械设计和 工程实践具有重要意义。
机械的基本概念
运动学
3
虚功原理
利用物理量的变化来求解未知数量。
机械设计的目标和要求
机械设计的目标是根据实际需求设计出满足功能和性能要求的机械产品。
力学
研究机械受力和运动的关系。
动力学
研究机械力的产生和传递。
机械的自由度及数目。
2 类型
包括平动副、回转副和滚动副等。
机械的机构及其分类
齿轮机构
通过齿轮传递和变换运动。
凸轮机构
通过凸轮来控制运动。
连杆机构
通过连杆来传递运动。
机械传动方式的分类及特点
齿轮传动 带传动 链传动
效率高，传动精度高。 结构简单，吸振能力强。 传动稳定，承载能力大。
机械的运动规律
机械运动遵循牛顿运动定律，同时机械能守恒和机械功的计算也是机械运动规律的重要内容。
机械简化分析方法
1
静态平衡法
分析物体处于静止状态下的平衡条件。
2
动态平衡法
分析物体在运动状态下受力和力矩的平衡条件。
机械原理课件：第1章绪 论
机械原理是研究机械的基本概念、运动规律和设计原则的科学。本章介绍了 机械原理的研究对象、基本量和关系，以及机械的自由度、机构和传动方式 的分类。
什么是机械原理？
机械原理是一门研究机械运动规律和相互作用原理的学科，对于机械设计和 工程实践具有重要意义。
机械的基本概念
运动学
3
虚功原理
利用物理量的变化来求解未知数量。
机械设计的目标和要求
机械设计的目标是根据实际需求设计出满足功能和性能要求的机械产品。
机械原理第1章绪论
4.机械原理学科的发展
应用领域扩大——上天(太空探险)、入地(水平钻探)、下海(深海勘
探、打捞作业)、甚至钻入人体内(血管清理)
与其他学科的交叉渗透作用增强——与电子工程、计算机科学、控
机械原 理学科 的发展
制工程、材料科学、生物医学等相互渗透，诞生了若干新学科。如 机械电子学、仿生机械学、机器人机械学、机械CAD
第
章 一
章
绪
节
论
一
二一 ．．
本内 章容 重提 点要 、及 难基 点本
概 念
单击此处添加大标题内容
1.1
内容提要及基本概念
机械原理又称机器理论与机构学。是机械工程各专业的一门重要的技术基础课程。本课程的理论知识对于机械的设计、制造、运行、维修等方面具有十分重要的作用。
1.1.1 内容提要
机械原理的研究对象
3）凸轮机 构
1 为了改善凸轮机构的动 力性能，凸轮曲线由等 加-等减速运动规律、 正弦加速度运动规律、 余弦加速度运动规律改 用改进正弦加速度运动 规律、改进梯形加速度 运动规律和代数多项式 运动规律。
2 寻找高速运转时具有良好动 力性能的凸轮曲线是一个重 要的研究内容。按动力学要 求设计凸轮廓线除了采用动 力多项式凸轮曲线外，现在 较多采用某些符合动力特性 要求的凸轮曲线。这种曲线 使凸轮从动件系统残留振动 的振幅在全部工作速度范围 内不超过某一极限值。
本章内容包括
机器的定义：由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，完成一定的工作 过程，以代替人类的劳动。
实例：缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。
机器与机构之间的关系——机器是由机构组成的。例如图示单缸内燃机中就 包含了三种常用机构：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构。
机械原理绪论
飞机
工件自动载送装置
档块
含带传动、蜗杆传 动、凸轮机构、连 杆机构等。
工件 定爪 动爪 装配夹具 工件载送器 蜗杆传动
滑杆 连杆机构
滑杆左移时，夹 持器将工件夹住。
滑杆带着工件右移时， 夹持器动爪受挡块的 压迫将工件松开，工 件落入载送器被传送 到下一道工序
带传动
凸轮机构 电动机
动画演示
二、本课程研究的主要内容：
三.现代机械
20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器 人，航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械 产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、 深海探测器等。
国际太空站
航天飞机正在利用机械臂 施放哈勃空间望远镜
21世纪，机械学科在迅猛发展, 新概念、新理论、 新方法、新工艺不断涌现。智能机械、微型机构、仿生 机械的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自 动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械基础 学科知识。
执行部分
现代机器一般由如下四个部分组成：
原动部分
传动部分 控制部分
执行部分
机械应用实例
内燃机
活塞的往复运动通过连杆变位曲轴的连续 转动， 该组合体称为：曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀； 称为：凸轮机构
两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之 称为：齿轮机构 间形成协调动作， 各部分协调动作的结果，就将燃料中化 学能转化为曲轴旋转的机械能。 内燃机
一.古代机械
五千年前已开始使用简单的纺织机械；晋朝连机椎 和水碾中应用了凸轮原理；西汉时应用轮系传动原理制 成了指南车和记里鼓车；东汉张衡发明的候风地动仪是 世界上第一台地震仪。目前许多机械中仍在采用的青铜 轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在我汉年代的文物中都可以 找到它们的原始形态。
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多年来，机器人机构与仿生机构的研究受到很大 的重视，世界许多国家积极开展对人的手指、手腕和 手臂的结构、动作原理和运动范围的分析研究，已研 制出各种多自由度的生物电控或声控的机械假手和各 种类型的步行机器人，造福于人类。人们为了通过松 软地面和跨越较大障碍还努力研究六足步行机、四足 步行机等的行走机理和步行机构学。通过研究骆驼足 底构造和行走机理提高步行机沙漠行走的效率；通过 研制蛇行机构来探测煤气管道的故障；通过鱼游机构 研制来解决深水中的探测问题。机器人机构与仿生机 构仍是当前研究的热点，所以在机构学中形成了专题 研究。
在工程实际中，人们常根据实现各种运动形式的构 件及主要零件外形特点定义机构的名称。例如，图0.1
中的齿轮4' 和7，图0.2中的锥齿轮8和9，其构件形状
的特点是具有轮齿，其主要运动特点是把高速转动变为 低速转动或反之，人们称其为齿轮机构；图0.1中的凸 轮6和顶杆5，其主要构件是具有特定轮廓曲线的凸轮， 利用其轮廓曲线使顶杆按指定规律作周期性的往复移动， 被称其为凸轮机构；图0.1中的活塞2、连杆3和曲轴4，
(5) 机械系统动力学设计。为了设计出动力性能良 好的机械，在本课程中分析和研究机械在外力作用下的 真实运动规律和速度波动问题，以及如何合理地设计调 速装置来降低速度波动的不良影响；分析和研究机械运 转时惯性力和惯性力矩的平衡问题；分析和研究影响机 械效率的主要因素和机械效率的计算方法，以及在设计 机械时如何合理地选择机构的尺寸参数以提高机械效率。
以及与两圆柱齿轮分别固连的滚筒的转动，将带状料或 棒状料送入冲压模具中进行冲压。送料长度的调节是靠
调整曲柄1' 的长度来实现的。送料与冲压过程靠机械
来实现，从而代替人完成有用的机械功。
(a) 外形图
(b) 简图
图0.2 自动送料冲压机
图0.3所示为一电动机，它是由一个转子(电枢)1和一个 定子2所组成。当定子中有电流输入时，转子便能作回转运 动，使电能转换为机械能。
图0.1所示为一单缸内燃机，它是由汽缸体1、活塞
2、连杆3、曲轴4、进气阀顶杆5、凸轮6、齿轮6'、齿 轮4'、齿轮7、凸轮7' 和排气阀顶杆8等组成。燃气推
动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸 轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。当燃气推动活 塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀有规律地启 闭，加上汽化、点火等装置的配合，就把热能转换为曲 轴回转的机械能。
● 0.4 机械原理学科的发展趋势简介
机械原理学科是机械学学科及现代科学技术发展的重要基础。 当前，机械学学科和电子、信息、计算机、生物、管理等学科 相互渗透，相互结合，正焕发出新的生机与活力。它的研究领 域已由一般机械工程扩展到航空航天、深海作业、生物工程、 微观世界、机械电子等领域。它的研究课题层出不穷，研究成 果不断涌现，研究方法日新月异。现仅将机械原理学科的发展 趋势予以简要介绍。
5. 机械系统设计
机械系统设计是根据新机器的功能要求和工作过 程要求，应用机构学知识和系统设计原理及方法来进 行的。目前已有不少学者研究机械系统设计的推理方 法，机械系统设计的评价体系和评价方法，以及智能 化机械系统设计方法。
6. 机械系统动力学
随着机械装置向高速、精密和重载方向发展，对 于机械的精度和可靠性要求也日益提高，按动力性能 要求进行机构的分析与综合越来越受到重视。机械系 统动力学有关研究面比较广泛，如转子动力学、振动 与噪声、机器与机构动力学、非线性振动与冲击等专 题。对于运动弹性动力综合的研究、对非线性和自激 振动系统的研究、对大型复杂机械设备的故障诊断和 在线监测、振动与噪声主动控制等问题亦引起人们的 关注和有待深入研究。
绪论
● 0.1 机械原理课程的研究对象 ●0.1.1 机器 ●0.1.2 机构
● 0.2 机械原理课程的研究内容 ● 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用 ● 0.4 机械原理学科的发展趋势简介 ● 本章小结
● 0.1 机械原理课程的研究对象
本课程名为“机械原理”，其研究的对象就是机械，而机 械又是机器与机构的总称，所以“机械原理”是一门以机器与 机构为研究对象的学科。
1. 机构的结构理论
在机构的结构理论研究中，近年来采用了图论、 网络分析、线性几何学、螺旋坐标等各种工程数学方 法。为了创造和设计出更好的机构，开展机械运动简 图设计理论和方法、机构类型知识库建立、机构创新 方法的研究日益受到重视。开展包括液压、气动、电 磁、电子、光电等非机械传动元件的广义机构设计方 法的研究已日益迫切。
空间连杆机构的分析与综合常采用矢量、张量、 矩阵、对偶数、四元数、旋量计算等数学工具进行研 究。对于单自由度闭环的空间四杆机构和空间五杆机 构已研究得比较成熟，对于单自由度闭环的空间六杆 与七杆机构的研究已取得了不少成果。对于空间连杆 机构的最优化设计问题也开始进行研究。
3. 机器人机构与仿生机构
(4) 操纵和控制系统是为了使动力系统、传动系统、 执行系统彼此协调工作，并准确、可靠地完成整机功能 的装置。
动力系统
操纵和控制系统 传动系统
执行系统
图0.5 机器的组成
● 0.1.2 机构
机器的概念已如上所述，那么什么是机构？为了说明 这个问题，需要进一步分析上述几个实例。
在图0.1所示的单缸内燃机中，活塞、连杆、曲轴和汽 缸体组合起来，可将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动； 凸轮、顶杆和汽缸体的另一组合，可将凸轮的连续转动变 成顶杆按某种预期运动规律的往复移动；而三个齿轮与汽 缸体组合在一起后，又可将转动变快或变慢，甚至改变转 向。这些具有各自运动特点且均含有一个机架(这里是汽缸 体)的组合体才是基本的。将能实现预期的机械运动的各构 件(包括机架)的基本组合体称为机构。
(2) 机构运动分析和力分析。机构的运动分析是在已知原动 件运动规律，不考虑引起机构运动的外力影响时，仅从几何的 观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数； 机构力分析是在外力已知条件下，研究确定机构运动副的反力 及机构上需加的平衡力或平衡力矩，机构的运动分析和力分析 为机构设计和机械系统的方案设计打下必要的运动学和动力学 基础。
2. 常用机构和组合机构的设计与研究
平面连杆机构由于计算机的广泛应用，其机构的 分析和综合的运算及最优化综合已研究得比较透彻， 并已开发出较为成熟的商业软件。对于用多自由度、 多闭环、多杆的平面连杆机构的连杆曲线来再现各种 工作机械中工艺要求的轨迹已引起注意并已有一定的 研究成果。另外，近年来开展了具有可变长结构、可 变运动学和动力学参数的连杆机构的研究。
(3) 常用机构及其设计。机器种类繁多，然而构成 各种机器的机构类型却是有限的，常用的机构主要有连 杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。本课 程介绍满足预期运动规律和工作要求的各种常用机构的 运动设计理论与方法。
(4) 机械系统运动方案设计。在本课程中介绍机构的 选型、组合方式、运动循环图拟定等方面的基本知识和 机械系统运动方案设计的基本过程及机械系统运动方案 的评价准则。这部分内容的重点是机械执行系统的原理 方案设计。
图0.2中的杆件1、2、3、1' 和5，其构件的基本形状是
杆状或块状，其运动特点是能实现转动、摆动、移动等 运动形式的相互转换，被称其为连杆机构。
● 0.2 机械原理课程的研究内容
机械原理又称机构学与机器理论，它的主要研究内容可分为 以下5个方面：
(1) 机构的组成原理与结构分析。为建立机构性能分析方法 及机械系统运动方案创新设计奠定理论基础。
在我们的日常生活和工作中，见到或接触过许多机器：从 家庭用的缝纫机、洗衣机到工业部门使用的各种机床；从汽车、 火车、轮船、飞机到宇宙飞船；从推土机、挖掘机、压路机、 起重机到机器人等。机器的种类繁多，构造、用途和性能也各 不相同。一部机器究竟是怎样组成的？它有哪些特征？为了说 明这些问题，先看看下面几个具体实例。
(a) 模
(b) 简图
图0.1 单缸内燃机
图0.2所示为一自动送料冲压机，它是由冲压机和 送料传动装置两大部分组成。其工作原理为：机座4是 整个装置的支撑，电动机通过带传动和齿轮传动(图中 未标出)减速后，把运动和动力传递给冲压机的曲轴1， 曲轴带动连杆2，由连杆2传给冲头3(即滑块)，使冲头
作上下往复运动。送料传动装置的曲柄1' 与冲压机的 曲轴1固连在同一轴上，由曲柄1' 经连杆5、齿条5'、 齿轮6、单向离合器7、锥齿轮8与9、圆柱齿轮9' 与10，
● 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用
机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程。它在培 养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结 构中，占有十分重要的地位。它的任务是使学生掌握机构学和 机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构 的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。它 是以高等数学、普通物理、机械制图及理论力学等课程为基础， 同时又为以后学习机械设计和有关专业课程以及掌握新的科学 技术打好工程技术的理论基础，并能使学生受到一些必要的、 严格的基本技能和创造思维的训练。机械原理课程在培养高级 机械工程技术人才的全局中，为学生从事机械方面的设计、制 造、研究和开发奠定重要的基础，并具有增强学生适应机械技 术工作能力的作用。
工程中大多是工作机和原动机互相配合应用，有时再 加上独立的传动装置(如齿轮减速器等)，则称为机组。
随着近代科学技术的飞速发展，如计算机技术、信息 处理技术、检测传感技术、伺服驱动技术、自动控制技 术、纳米技术及精密机械技术等，使传统机械在产品结 构和生产系统结构等方面发生了质的变化。特别是电子 计算机的出现和不断完善，在减轻人类的脑力劳动方面 有显著的成效。这类机器除具有使其内部各机构正常动 作的先进控制系统外，还包含有信息采集、处理和传递 系统等。
(a) 外型图
(b) 简图
图0.3 电动机
在工程实际中，人们常根据实现各种运动形式的构 件及主要零件外形特点定义机构的名称。例如，图0.1
中的齿轮4' 和7，图0.2中的锥齿轮8和9，其构件形状
的特点是具有轮齿，其主要运动特点是把高速转动变为 低速转动或反之，人们称其为齿轮机构；图0.1中的凸 轮6和顶杆5，其主要构件是具有特定轮廓曲线的凸轮， 利用其轮廓曲线使顶杆按指定规律作周期性的往复移动， 被称其为凸轮机构；图0.1中的活塞2、连杆3和曲轴4，
(5) 机械系统动力学设计。为了设计出动力性能良 好的机械，在本课程中分析和研究机械在外力作用下的 真实运动规律和速度波动问题，以及如何合理地设计调 速装置来降低速度波动的不良影响；分析和研究机械运 转时惯性力和惯性力矩的平衡问题；分析和研究影响机 械效率的主要因素和机械效率的计算方法，以及在设计 机械时如何合理地选择机构的尺寸参数以提高机械效率。
以及与两圆柱齿轮分别固连的滚筒的转动，将带状料或 棒状料送入冲压模具中进行冲压。送料长度的调节是靠
调整曲柄1' 的长度来实现的。送料与冲压过程靠机械
来实现，从而代替人完成有用的机械功。
(a) 外形图
(b) 简图
图0.2 自动送料冲压机
图0.3所示为一电动机，它是由一个转子(电枢)1和一个 定子2所组成。当定子中有电流输入时，转子便能作回转运 动，使电能转换为机械能。
图0.1所示为一单缸内燃机，它是由汽缸体1、活塞
2、连杆3、曲轴4、进气阀顶杆5、凸轮6、齿轮6'、齿 轮4'、齿轮7、凸轮7' 和排气阀顶杆8等组成。燃气推
动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸 轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。当燃气推动活 塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀有规律地启 闭，加上汽化、点火等装置的配合，就把热能转换为曲 轴回转的机械能。
● 0.4 机械原理学科的发展趋势简介
机械原理学科是机械学学科及现代科学技术发展的重要基础。 当前，机械学学科和电子、信息、计算机、生物、管理等学科 相互渗透，相互结合，正焕发出新的生机与活力。它的研究领 域已由一般机械工程扩展到航空航天、深海作业、生物工程、 微观世界、机械电子等领域。它的研究课题层出不穷，研究成 果不断涌现，研究方法日新月异。现仅将机械原理学科的发展 趋势予以简要介绍。
5. 机械系统设计
机械系统设计是根据新机器的功能要求和工作过 程要求，应用机构学知识和系统设计原理及方法来进 行的。目前已有不少学者研究机械系统设计的推理方 法，机械系统设计的评价体系和评价方法，以及智能 化机械系统设计方法。
6. 机械系统动力学
随着机械装置向高速、精密和重载方向发展，对 于机械的精度和可靠性要求也日益提高，按动力性能 要求进行机构的分析与综合越来越受到重视。机械系 统动力学有关研究面比较广泛，如转子动力学、振动 与噪声、机器与机构动力学、非线性振动与冲击等专 题。对于运动弹性动力综合的研究、对非线性和自激 振动系统的研究、对大型复杂机械设备的故障诊断和 在线监测、振动与噪声主动控制等问题亦引起人们的 关注和有待深入研究。
绪论
● 0.1 机械原理课程的研究对象 ●0.1.1 机器 ●0.1.2 机构
● 0.2 机械原理课程的研究内容 ● 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用 ● 0.4 机械原理学科的发展趋势简介 ● 本章小结
● 0.1 机械原理课程的研究对象
本课程名为“机械原理”，其研究的对象就是机械，而机 械又是机器与机构的总称，所以“机械原理”是一门以机器与 机构为研究对象的学科。
1. 机构的结构理论
在机构的结构理论研究中，近年来采用了图论、 网络分析、线性几何学、螺旋坐标等各种工程数学方 法。为了创造和设计出更好的机构，开展机械运动简 图设计理论和方法、机构类型知识库建立、机构创新 方法的研究日益受到重视。开展包括液压、气动、电 磁、电子、光电等非机械传动元件的广义机构设计方 法的研究已日益迫切。
空间连杆机构的分析与综合常采用矢量、张量、 矩阵、对偶数、四元数、旋量计算等数学工具进行研 究。对于单自由度闭环的空间四杆机构和空间五杆机 构已研究得比较成熟，对于单自由度闭环的空间六杆 与七杆机构的研究已取得了不少成果。对于空间连杆 机构的最优化设计问题也开始进行研究。
3. 机器人机构与仿生机构
(4) 操纵和控制系统是为了使动力系统、传动系统、 执行系统彼此协调工作，并准确、可靠地完成整机功能 的装置。
动力系统
操纵和控制系统 传动系统
执行系统
图0.5 机器的组成
● 0.1.2 机构
机器的概念已如上所述，那么什么是机构？为了说明 这个问题，需要进一步分析上述几个实例。
在图0.1所示的单缸内燃机中，活塞、连杆、曲轴和汽 缸体组合起来，可将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动； 凸轮、顶杆和汽缸体的另一组合，可将凸轮的连续转动变 成顶杆按某种预期运动规律的往复移动；而三个齿轮与汽 缸体组合在一起后，又可将转动变快或变慢，甚至改变转 向。这些具有各自运动特点且均含有一个机架(这里是汽缸 体)的组合体才是基本的。将能实现预期的机械运动的各构 件(包括机架)的基本组合体称为机构。
(2) 机构运动分析和力分析。机构的运动分析是在已知原动 件运动规律，不考虑引起机构运动的外力影响时，仅从几何的 观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数； 机构力分析是在外力已知条件下，研究确定机构运动副的反力 及机构上需加的平衡力或平衡力矩，机构的运动分析和力分析 为机构设计和机械系统的方案设计打下必要的运动学和动力学 基础。
2. 常用机构和组合机构的设计与研究
平面连杆机构由于计算机的广泛应用，其机构的 分析和综合的运算及最优化综合已研究得比较透彻， 并已开发出较为成熟的商业软件。对于用多自由度、 多闭环、多杆的平面连杆机构的连杆曲线来再现各种 工作机械中工艺要求的轨迹已引起注意并已有一定的 研究成果。另外，近年来开展了具有可变长结构、可 变运动学和动力学参数的连杆机构的研究。
(3) 常用机构及其设计。机器种类繁多，然而构成 各种机器的机构类型却是有限的，常用的机构主要有连 杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。本课 程介绍满足预期运动规律和工作要求的各种常用机构的 运动设计理论与方法。
(4) 机械系统运动方案设计。在本课程中介绍机构的 选型、组合方式、运动循环图拟定等方面的基本知识和 机械系统运动方案设计的基本过程及机械系统运动方案 的评价准则。这部分内容的重点是机械执行系统的原理 方案设计。
图0.2中的杆件1、2、3、1' 和5，其构件的基本形状是
杆状或块状，其运动特点是能实现转动、摆动、移动等 运动形式的相互转换，被称其为连杆机构。
● 0.2 机械原理课程的研究内容
机械原理又称机构学与机器理论，它的主要研究内容可分为 以下5个方面：
(1) 机构的组成原理与结构分析。为建立机构性能分析方法 及机械系统运动方案创新设计奠定理论基础。
在我们的日常生活和工作中，见到或接触过许多机器：从 家庭用的缝纫机、洗衣机到工业部门使用的各种机床；从汽车、 火车、轮船、飞机到宇宙飞船；从推土机、挖掘机、压路机、 起重机到机器人等。机器的种类繁多，构造、用途和性能也各 不相同。一部机器究竟是怎样组成的？它有哪些特征？为了说 明这些问题，先看看下面几个具体实例。
(a) 模
(b) 简图
图0.1 单缸内燃机
图0.2所示为一自动送料冲压机，它是由冲压机和 送料传动装置两大部分组成。其工作原理为：机座4是 整个装置的支撑，电动机通过带传动和齿轮传动(图中 未标出)减速后，把运动和动力传递给冲压机的曲轴1， 曲轴带动连杆2，由连杆2传给冲头3(即滑块)，使冲头
作上下往复运动。送料传动装置的曲柄1' 与冲压机的 曲轴1固连在同一轴上，由曲柄1' 经连杆5、齿条5'、 齿轮6、单向离合器7、锥齿轮8与9、圆柱齿轮9' 与10，
● 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用
机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程。它在培 养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结 构中，占有十分重要的地位。它的任务是使学生掌握机构学和 机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构 的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。它 是以高等数学、普通物理、机械制图及理论力学等课程为基础， 同时又为以后学习机械设计和有关专业课程以及掌握新的科学 技术打好工程技术的理论基础，并能使学生受到一些必要的、 严格的基本技能和创造思维的训练。机械原理课程在培养高级 机械工程技术人才的全局中，为学生从事机械方面的设计、制 造、研究和开发奠定重要的基础，并具有增强学生适应机械技 术工作能力的作用。
工程中大多是工作机和原动机互相配合应用，有时再 加上独立的传动装置(如齿轮减速器等)，则称为机组。
随着近代科学技术的飞速发展，如计算机技术、信息 处理技术、检测传感技术、伺服驱动技术、自动控制技 术、纳米技术及精密机械技术等，使传统机械在产品结 构和生产系统结构等方面发生了质的变化。特别是电子 计算机的出现和不断完善，在减轻人类的脑力劳动方面 有显著的成效。这类机器除具有使其内部各机构正常动 作的先进控制系统外，还包含有信息采集、处理和传递 系统等。
(a) 外型图
(b) 简图
图0.3 电动机