机械原理

绪论：

机械=机器+机构

第一章：平面机构的结构分析

构件与零件

1. 每个独立运动的单体称为构件
2. 机构总是由一些零件组成的
3. ‌过盈配合是指两个配合零件之间存在一定的过盈量，即一个零件的孔径比另一个零件的轴径小，装配时需要将孔径小的零件加热或采用其他方式使其变形后套在轴径较大的零件上，当孔复原时产生对轴的箍紧力，使两零件紧密连接。‌

运动副

1. 刚性连接和可动连接（运动副）
2. 运动副分为：高副（点/线接触）和低副（面接触）
3. 低副又分为：转动副和移动副

运动链

1. 构件通过运动副连接而构成的相对可动的系统称为运动链
2. 开链、闭链；平面链、空间链

机构

1. 若将运动链中的某一构件固定为机架，则该运动链成为机构
2. 机架上可以放置固定参考系，机架相对于地面可以运动也可静止
3. 机构中按已知运动规律独立运动的构件成为原动件，其他为从动件

平面机构的运动简图

1. 比例尺=实际尺寸/图上尺寸

平面机构的自由度

1. 机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称为自由度，常用F表示
2. 原动件一般只能输入一个独立运动参数
3. 机构具有确定运动的条件：要使机构具有确定的运动，必须使原动件的数目与机构的自由度相等
4. 若原动件数目大于机构的自由度，会发生构件损坏
5. 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。
6. 一个平面运动的自由构件有3个自由度(dx,dy,$d{\theta }_z$)
7. $F=3n-2P_L-P_H$
8. 复合铰链、局部自由度、虚约束

平面机构的组成原理与结构分析

1. 不能继续拆分的自由度为0的构件组称为“基本杆组”，满足：$3n-2P_L-P_H=0$
2. 机构组成原理：任何机构都可以看成是由若干基本杆组依次连接到原动件和机架上而构成的
3. 当设计一个新机构的机构运动简图时，首先确定原动件数目=自由度F，再将一个个基本杆组依次连接于机架和原动件上，从而构成一个新的机构。
4. 基本杆组的构建数$n=2P_L/3$或$n=P_H/3$，分为II级、III级、…、K级杆组 - K级机构
5. 机构的结构分析也是按照“机构组成原理”进行分解的
6. 高副低代（带有两个低副的构件代替一个高副）——用于全低副机构的方法进行结构分析

第二章：平面连杆机构及其设计

平面四杆机构的类型及应用

1. 平面连杆机构运动是产生的惯性力难以平衡，不适用于高速场合
2. 曲柄（可以整周转），摇杆（不能整周转），连杆（不与机架直接相连）
3. 机构的演化

平面四杆机构的特性

1. 连杆机构的几何特性：曲柄存在条件，连杆曲线
2. 平面四杆机构的急回运动特性：摇杆在极限位置之间的往复摆动
   
3. 平面四杆机构的传动特性：压力角与传动角，死点
   
4. 压力角$\alpha$是衡量机构传力性能的重要参数
5. 传动角$\gamma$是压力角的余角
6. 死点：缝纫机连杆与曲柄共线时，无力矩，机构不运动，卡死的状态点

平面四杆机构的设计

1. 图解法、解析法、实验法

凸轮机构及其设计

凸轮机构的概述

1. 高副、曲线轮廓、连续等速转动、变化半径
2. 设计凸轮机构时首先要根据工作要求确定从动件的运动规律，然后根据所确定的从动件运动规律设计凸轮的轮廓曲线。
   
3. 为了避免刚性冲击或强烈振动，可采用圆弧、抛物线或其他曲线对从动件位移线图的两端点处进行修正。
4. 凸轮运动的位移、速度、加速度曲线图 - 刚性冲击、柔性冲击（加速度有限值突变）
5. 凸轮的运动规律：等速运动（低速、从动件质量较小）、等变速运动（中速、轻载的场合）、五次多项式运动（高速）、正弦运动（高速）
6. 从动件运动规律的选择
7. 盘型凸轮轮廓曲线的设计
8. 图解法和解析法

凸轮机构基本参数的确定

1. 压力角：法向力与线速度的夹角（锐角），不能过大，防止发生自锁现象（有效分力=载荷力，不动）
2. 基圆半径：太大导致凸轮尺寸过大，太小导致压力角过大
3. 滚子半径：影响从动件按预期轨迹运动
4. 平底从动件的平底尺寸：必须与凸轮轮廓始终相切

第四章：齿轮机构及其设计

齿轮机构的类型及其特点

1. 高副、传递效率较高、传递比确定
2. 平面齿轮机构（平行轴）、空间齿轮机构（两轴相交）

平面齿轮机构

1. 外啮合齿轮机构（反向）、内啮合齿轮机构（同向）、齿轮齿条机构（直线与旋转运动的转换）
2. 直齿轮（轮齿//轮轴）、斜齿轮（轮齿倾斜）、人字齿轮（轮齿人字）
   

空间齿轮机构

1. 直齿和曲齿
2. 相交和交错

齿廓啮合基本定律

1. 平均传动比总是等于两齿轮齿数的反比：$i_{12}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{z_2}{z_1}$
2. 瞬时传动比是两齿轮的瞬时角速度之比：$i_{12}=\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}$
3. 齿廓啮合基本定律：相互合的一对齿轮，在任一位置时的传动比，都与其连心线$O_1{O}_2$被啮合点处的公法线所分成的两段长度成反比。$i_{12}=\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{O_{2}P}{O_{1}P}$
   
4. 机械设计中要求齿轮机构的瞬时传动比必须为常数，可以减小惯性力、振动和冲击。这需要$\frac{O_{2}P}{O_{1}P}$为常数，即P在连心线上为一定点。
5. 齿轮机构定传动比传动条件：不论两齿轮齿在何位置合，过合点所作的两齿公法线必须与两齿轮的连心线相交于一定点。

渐开线齿廓及其啮合特性

1. 渐开线：直线上任意点K的轨迹AK就是该圆的渐开线
   
2. 渐开线齿廓的啮合特性：保证定传动比传动、传动具有可分性、正压力方向不变（所有啮合点都在直线$N_1{N}_2$上）
3. 一对渐开线齿轮的传动比=两基圆半径的反比

渐开线标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸

1. 齿轮各部分的名称：齿顶圆、齿根圆、分度圆（基圆）
2. 齿轮的基本参数：齿数$z$、分度圆直径$d$，模数$m=d/z$，压力角（分度圆上的压力角），齿顶高系数，顶隙系数
3. 尺寸计算公式P91
4. 齿条的齿廓是直线

渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合转动

1. 为了使两轮能够连续地传动，应使前一对轮齿在$B_1$点脱离啮合前，后一对轮齿就已经在$B_2$点开始进入啮合。$B_1{B}_2>=P_b$
   

渐开线齿廓的切削加工

1. 根切现象：齿轮齿根的渐开线齿廓被切去一部分
   
2. 变位齿轮：刀具的分度线与齿轮的分度圆不再相切，造出来的齿轮不是标准齿轮

斜齿圆柱齿轮机构

1. 斜齿圆柱齿轮的几何参数：螺旋角$\beta$
2. 斜齿圆柱齿轮的啮合传动：与直齿圆柱齿轮传动比较，斜齿圆柱齿轮传动的主要优点是啮合性能好，传动平稳。直齿圆柱齿轮传动每对轮齿都是同时进人啮合和同时脱离啮合；斜齿圆柱齿轮传动中，每对轮齿是逐渐进人啮合和逐渐脱离啮合的，所以振动、冲击和噪声小。
3. 传动比：$i_{12}=\frac{{\omega }_1}{{\omega }_2}=\frac{z_2}{z_1}=\frac{d_{2}cos{\beta }_2}{d_{1}cos{\beta }_1}$

蜗杆传动机构

1. 常用于两垂直轴之间的减速传动
   
2. 摩擦损耗较大，传动效率低，容易发热

锥齿轮机构

1. 用于两相交轴之间的传动
   

第五章：轮系及其设计

轮系及其分类

1. 由一系列齿轮组成的传动系统成为轮系
2. 定轴轮系（齿轮的轴线都是固定的）、周转轮系（某个齿轮的轴线绕其他固定轴线回转）、混合轮系

轮系传动比的计算

1. 轮系的传动比是轮系首、末两构件的角速度之比

轮系的功用

1. 获得较大的传动比
2. 实现变速换向（挂挡）
3. 实现分路传动
4. 实现运动的合成与分解（两齿轮一快一慢）

周转轮系的设计及各轮齿数的确定

1. 周转轮系的输入轴和输出轴线重合

其他轮系的介绍

1. 摆线针轮传动
2. 谐波齿轮：波发生器是一个椭圆形凸轮，利用一个构件（柔轮）可控制的弹性变形来实现机械运动的传递
3. 单级传动比大且范围宽，传动效率高

其他常用机构

棘轮机构

1. 轮齿式、摩擦式（无级调节但运动准确性差）
2. 防止逆转、用于转位、分度、进给等功能，常用于速度较低、载荷较小的情况

槽轮机构

不完全齿轮机构

1. 适用于低速轻载的情况
2. 占空比调节类似

螺旋机构

1. 将回转运动变成直线运动
2. 降速比大，可以传递很大的轴向力，平稳无噪声，但效率低

万向联轴器/万向铰链机构