第一章 緒論

基本概念：機器、機構、機械、零件、構件、機架、原動件和從動件。

第二章 平面機構的結構分析

機構運動簡圖的繪制、運動鍊成為機構的條件和機構的組成原理是本章學習的重點。

1. 機構運動簡圖的繪制

機構運動簡圖的繪制是本章的重點，也是一個難點。

為保證機構運動簡圖與實際機械有完全相同的結構和運動特性，對繪制好的簡圖需進一步檢查與核對（運動副的性質和數目來檢查）。

2. 運動鍊成為機構的條件

判斷所設計的運動鍊能否成為機構，是本章的重點。

運動鍊成為機構的條件是：原動件數目等于運動鍊的自由度數目。

機構自由度的計算錯誤會導緻對機構運動的可能性和确定性的錯誤判斷，從而影響機械設計工作的正常進行。

機構自由度計算是本章學習的重點。

準确識别複合鉸鍊、局部自由度和虛約束，并做出正确處理。

(1) 複合鉸鍊

複合鉸鍊是指兩個以上的構件在同一處以轉動副相聯接時組成的運動副。

正确處理方法：k個在同一處形成複合鉸鍊的構件，其轉動副的數目應為(k-1)個。

(2) 局部自由度

局部自由度是機構中某些構件所具有的并不影響其他構件的運動的自由度。局部自由度常發生在為減小高副磨損而增加的滾子處。

正确處理方法：從機構自由度計算公式中将局部自由度減去，也可以将滾子及與滾子相連的構件固結為一體，預先将滾子除去不計，然後再利用公式計算自由度。

(3) 虛約束

虛約束是機構中所存在的不産生實際約束效果的重複約束。

正确處理方法：計算自由度時，首先将引入虛約束的構件及其運動副除去不計，然後用自由度公式進行計算。

虛約束都是在一定的幾何條件下出現的，這些幾何條件有些是暗含的，有些則是明确給定的。對于暗含的幾何條件，需通過直觀判斷來識别虛約束；對于明确給定的幾何條件，則需通過嚴格的幾何證明才能識别。

3. 機構的組成原理與結構分析

機構的組成過程和機構的結構分析過程正好相反，前者是研究如何将若幹個自由度為零的基本杆組依次聯接到原動件和機架上，以組成新的機構，它為設計者進行機構創新設計提供了一條途徑；後者是研究如何将現有機構依次拆成基本杆組、原動件及機架，以便對機構進行結構分類。

第三章 平面機構的運動分析

1．基本概念：速度瞬心、絕對速度瞬心和相對速度瞬心（數目、位置的确定），以及“三心定理”。

2．瞬心法在簡單機構運動分析上的應用。

3．同一構件上兩點的速度之間及加速度之間矢量方程式、組成移動副兩平面運動構件在瞬時重合點上速度之間和加速度的矢量方程式，在什麼條件下，可用相對運動圖解法求解？

4．“速度影像”和“加速度影像”的應用條件。

5． 構件的角速度和角加速度的大小和方向的确定以及構件上某點法向加速度的大小和方向的确定。

6．哥氏加速度出現的條件、大小的計算和方向的确定。

第四章 平面機構的力分析

1．基本概念：

“靜力分析”、“動力分析”及“動态靜力分析” 、“平衡力”或“平衡力矩”、 “摩擦角”、“摩擦錐”、 “當量摩擦系數”和“當量摩擦角”（引入的意義）、“摩擦圓”。

2．各種構件的慣性力的确定：

①作平面移動的構件；

②繞通過質心軸轉動的構件；

③繞不通過質心的軸轉動的構件；

④作平面複合運動的構件。

3．機構的動态靜力分析的方法和步驟。

4．總反力方向的确定：

根據兩構件之間的相對運動(或相對運動的趨勢)方向，正确地确定總反力的作用方向是本章的難點之一。

移動副（斜面摩擦、槽面摩擦）：總反力Rxy總是與相對速度vyx 之間呈90° φ的鈍角；

斜面摩擦問題的分析方法是本章的重點之一。

槽面摩擦問題可通過引入當量摩擦系數及當量摩擦角的概念，将其簡化為平面摩擦問題。運動副元素的幾何形狀不同，引入的當量摩擦系數也不同，由此使得運動副元素之間的摩擦力不同。

轉動副：總反力Rxy總是與摩擦圓相切。它對鉸鍊中心所形成的摩擦力矩Mfxy=Rxy·ρ。方向與相對角速度ωyx的方向相反。Rxy的确切方向需從該構件的力平衡條件中得到。

第五章 機械的效率和自鎖

1．基本概念：“自鎖”。

2．“機構效率”和“損失系數”以及具體機構效率的計算方法。

3.“自鎖”與“不動”這兩個概念有何區别？“不動”的機構是否一定“自鎖”？機構發生自鎖是否一定“不動”？為什麼？

4. 自鎖現象及自鎖條件的判定

無論驅動力多大，機械都無法運動的現象稱為機械的自鎖。其原因是由于機械中存在摩擦力，且驅動力作用在某一範圍内。

一個自鎖機構，隻是對于滿足自鎖條件的驅動力在一定運動方向上的自鎖；而對于其他外力，或在其他運動方向上則不一定自鎖。因此，在談到自鎖時，一定要說明是對哪個力，在哪個方向上自鎖。

自鎖條件可用以下3種方法求得：

1）對移動副，驅動力位于摩擦角之内；對轉動副，驅動力位于摩擦圓之内。

2) 令工作阻力小于零來求解。采用圖解解析法或解析

法求出工作阻力與主動力的數學表達式，然後再令工作阻力小于零，即可求出機構的自鎖條件。

3) 利用機械效率計算式求解，即令η<0。

第六章 機械的平衡

本章的重點是剛性轉子的平衡設計。

1. 剛性轉子的平衡設計

根據直徑D與軸向寬度b之比的不同，剛性轉子可分為兩類：

(1) 當b / D≤0.2時，可以将轉子上各個偏心質量近似地看作分布在同一回轉平面内，其慣性力的平衡問題實質上是一個平面彙交力系的平衡問題。

(2) 當b / D >0.2時，轉子的軸向寬度較大，首先應在轉子上選定兩個可添加平衡質量的、且與離心慣性力平行的平面作為平衡平面，然後運用平行力系分解的原理将各偏心質量所産生的離心慣性力分解到這兩個平衡平面上。這樣就把一個空間力系的平衡問題轉化為兩平衡平面内的平面彙交力系的平衡問題。

2. 剛性轉子的平衡試驗

當b / D≤0.2時，可在平衡架上進行靜平衡試驗。

當b / D >0.2時，則需要在動平衡機上進行動平衡試驗。

第七章 機械的運轉及其速度波動的調節

本章主要研究兩個問題：一是确定機械真實的運動規律；二是研究機械運轉速度的波動調節。

1. 機械的運轉過程

機械在外力作用下的運轉過程分為啟動、穩定運轉和停車等3個階段。注意理解3個階段中功、能量和機械運轉速度的變化特點。

2. 機械的等效動力學模型

(1) 對于單自由度的機械系統，研究機械的運轉情況

時，可以就某一選定的構件(即等效構件)來分析，将機械中所有構件的質量、轉動慣量都等效地轉化到這一構件上，把各構件上所作用的力、力矩也都等效地轉化到等效構件上，然後列出等效構件的運動方程式來研究其運動規律。這就是建立所謂的等效動力學模型的過程。

(2) 建立機械系統等效動力學模型時應遵循的原則是：使機械系統在等效前後的動力學效應不變，即

① 動能等效：等效構件所具有的動能，等于整個機械系統的總動能。

② 外力所做的功等效：作用在等效構件上的外力所做的功，等于作用在整個機械系統中的所有外力所做功的總和。

3. 機械速度波動的調節方法

(1) 周期性速度波動的機械系統，可以利用飛輪儲存能量和釋放能量的特性來調節機械速度波動的大小。飛輪的作用就是調節周期性速度的波動範圍和調節機械系統能量。

(2) 非周期性速度波動的機械系統，不能用飛輪進行調節。當系統不具有自調性時，則需要利用調速器來對非周期性速度波動進行調節。

4. 飛輪設計

(1) 飛輪設計的基本問題，是根據等效力矩、等效轉動慣量、平均角速度，以及機械運轉速度不均勻系數的許用值來計算飛輪的轉動慣量。無論等效力矩是哪一種運動參數的函數關系，最大盈虧功必然出現在ωmax和ωmin所在兩位置之間。

(2) 飛輪設計中應注意以下2個問題：

① 為減小飛輪轉動慣量(即減小飛輪的質量和尺寸)，應盡可能将飛輪安裝在系統的高速軸上。

② 安裝飛輪隻能減小周期性速度波動，但不能消除速度波動。

第八章 平面連杆機構及其設計

1. 平面四杆機構的基本型式及其演化方法

鉸鍊四杆機構可以通過4種方式演化出其他形式的四杆機構：①取不同構件為機架；

②改變構件的形狀和尺寸；

③運動副元素的逆換；

④運動副的擴大。

2. 平面連杆機構的工作特性

1) 急回特性

有時某一機構本身并無急回特性，但當它與另一機構組合後，此組合後的機構并不一定亦無急回特性。機構有無急回特性，應從急回特性的定義入手進行分析。

2） 壓力角和傳動角

壓力角是衡量機構傳力性能好壞的重要指标。對于傳動機構，應使其α角盡可能小(γ盡可能大)。

連杆機構的壓力角(或傳動角)在機構運動過程中是不斷變化的，在從動件的一個運動循環中，α角存在一個最大值αmax。在設計連杆機構時，應注意使αmax≤［α］。

3） 死點位置

此處應注意：“死點”、“自鎖”與機構的自由度F≤0的區别。

自由度小于或等于零，表明該運動鍊不是機構而是一個各構件間根本無相對運動的桁架；

死點是在不計摩擦的情況下機構所處的特殊位置，利用慣性或其他辦法，機構可以通過死點位置，正常運動；

自鎖是指機構在考慮摩擦的情況下，當驅動力的作用方向滿足一定的幾何條件時，雖然機構自由度大于零，但機構卻無法運動的現象。

死點、自鎖是從力的角度分析機構的運動情況，而自由度是從機構組成的角度分析機構的運動情況。

3. 平面連杆機構的設計（曲柄搖杆機構、曲柄滑塊機構、導杆機構）

平面連杆機構運動設計常分為三大類設計命題：剛體導引機構的設計、函數生成機構的設計和軌迹生成機構的設計。

在設計一個四杆機構使其兩連架杆實現預定的對應角位置時，可以用 “剛化反轉法”求解此四杆機構。這個問題是本章的難點之一。

第九章 凸輪機構及其設計

本章的重點是凸輪機構的運動設計。

1. 凸輪機構的類型及其特點

2. 從動件運動規律的選擇或設計

運動規律：

a：名詞術語：推（回）程運動角、遠（近）休止角、推程、基圓等。

b：常用的運動規律：方程式的推導（僅要求等速）、運動線圖及其變化規律、運動特點（剛（柔）性沖擊及其發生的位置、時刻和應用的場合）。

c：運動規律的選擇依據：滿足工作對從動件特殊的運動要求；滿足運動規律拼接的邊界條件，即各段運動規律的位移、速度和加速度值在連接點處應分别相等；使最大速度和最大加速度的值盡可能小。

3. 凸輪廓線的設計

凸輪廓線設計的反轉法原理是本章的重點内容之一。

無論是用圖解法還是解析法設計凸輪廓線，所依據的基本原理都是反轉法原理。

4. 凸輪基本尺寸的确定

a：壓力角：定義、不同位置時機構壓力角的确定以及對壓力角所提出限制的原因（αmax不超過許用壓力角［α］）

b：基圓半徑：

确定原則：αmax≤α或者ρmin≥［ρ］=3～5 mm

c：滾子半徑：取決于凸輪輪廓曲線的形狀，對于内凹的曲線形狀，保證最大壓力角αmax不超過許用壓力角［α］；對于外凸的曲線形狀，保證凸輪實際廓線的最小曲率半徑

ρa min= ρmin-rr ≥ 3～5 mm，以避免運動失真和應力集中。

運動失真：增大基圓半徑、減小滾子半徑以及改變機構的運動規律。

d平底尺寸：

圖解法：l=2lmax 5~7mm

解析法：l=2|ds/dδ|max 5~7mm

5. 凸輪機構的分析

在設計移動滾子從動件盤形凸輪機構時，若發現其壓力角超過了許用值，可以采取以下措施：

(1) 增大凸輪的基圓半徑r0。

(2) 選擇合适的從動件偏置方向。在設計凸輪機構時，若發現采用對心移動從動件凸輪機構推程壓力角過大，而設計空間又不允許通過增大基圓半徑的辦法來減小壓力角時，可以通過選取從動件适當的偏置方向，以獲得較小的推程壓力角。即在移動滾子從動件盤形凸輪機構的設計中，選擇偏置從動件的主要目的，是為了減小推程壓力角。

當出現運動失真現象時，可采取以下措施：

(1) 修改從動件的運動規律。

(2) 當采用滾子從動件時，滾子半徑必須小于凸輪理論廓線外凸部分的最小曲率半徑ρmin，通常取rr≤0.8ρmin。若由于結構、強度等因素限制，rr不能取得太小，而從動件的運動規律又不允許修改時，則可通過加大凸輪的基圓半徑rb，從而使凸輪廓線上各點的曲率半徑均随之增大的辦法來避免運動失真。

對于移動平底從動件盤形凸輪機構來說，偏距e并不影響凸輪廓線的形狀，選擇适當的偏距，主要是為了減輕從動件在推程中過大的彎曲應力。

第十章 齒輪機構及其設計

漸開線直齒圓柱齒輪機構的傳動設計是本章的重點。

1. 易混淆的概念

本章的特點是名詞、概念多，符号、公式多，理論系統性強，幾何關系複雜。學習時要注意清晰掌握主要脈絡，對基本概念和幾何關系應有透徹理解。

以下是一些易混淆的概念。

(1) 法向齒距與基圓齒距

(2) 分度圓與節圓

(3) 壓力角與齧合角

(4) 标準齒輪與零變位齒輪

(5) 變位齒輪與傳動類型

(6) 齒面接觸線與齧合線

(7) 理論齧合線與實際齧合線

(8) 齒輪齒條齧合傳動與标準齒條型刀具範成加工齒輪

2. 什麼是節點、節線、節圓以及齒廓齧合基本定律？定傳動比的齒廓曲線的基本要求？

3. 漸開線齒廓：形成、特性以及其在傳動過程中的優點。

4. 标準齒輪：概念、名稱符号、基本參數以及幾何尺寸。

5. 漸開線直齒圓柱齒輪的正确齧合條件、安裝條件和連續齧合傳動條件。

6. 标準齒輪的标準安裝中心距，标準安裝有什麼特點；非标準安裝中心距，非标準安裝有什麼特點。

7. 齒輪的變位修正：

漸開線齒輪的切制方法（仿形法和範成法）及其原理

加工标準齒輪的條件、輪齒齒廓的根切（定義、條件以及不發生根切的最少齒數Zmin。

變位修正法：為了切制齒數少于17且不發生根切的齒輪、在無齒側間隙的條件下拼湊中心矩以及改善傳動性能（強度性能和齧合性能）所采用的改變刀具與輪坯相對位置的加工方法。

變位齒輪：正變位、負變位齒輪的概念以及與标準齒輪的尺寸差别。

8. 斜齒輪：漸開線螺旋曲面齒廓的形成、基本參數（端面與法面參數的關系）以及幾何尺寸的計算。

9. 斜齒輪傳動：正确齧合條件、中心矩條件和連續傳動條件。

10. 斜齒輪的當量齒輪和當量齒數：概念、意義和作用。

11. 直齒圓錐齒輪：基本參數和尺寸特點。圓錐齒輪傳動的背錐、當量齒輪、當量齒數。

第十一章 齒輪系及其設計

本章的重點是輪系的傳動比計算和輪系的設計。

1) 定軸輪系

雖然定軸輪系的傳動比計算最為簡單，但它卻是本章的重點内容之一。

定軸輪系傳動比的大小，等于組成輪系的各對齧合齒輪中從動輪齒數的連乘積與主動輪齒數的連乘積之比，關于定軸輪系中主、從動輪轉向關系的确定有3種情況。

(1) 輪系中各輪幾何軸線均互相平行：在這種情況下，可用(-1)m來确定輪系傳動比的正負号，m為輪系中外齧合的對數。

(2) 輪系中齒輪的幾何軸線不都平行，但首末兩輪的軸線互相平行：仍可用正、負号來表示兩輪之間的轉向關系：二者轉向相同時，在傳動比計算結果中标以正号；二者轉向相反時，在傳動比計算結果中标以負号。需要特别注意的是，這裡所說的正負号是用在圖上畫箭頭的方法來确定的，而與(-1)m無關。

(3) 輪系中首末兩輪幾何軸線不平行：首末兩輪的轉向關系不能用正、負号來表示，而隻能用在圖上畫箭頭的方法來表示。

2) 周轉輪系

周轉輪系的傳動比計算是本章的重點内容之一。

周轉輪系傳動比計算的基本思路：假想給整個輪系加上一個公共的角速度(-ωH)，使系杆固定不動，将周轉輪系轉化成一個假想的定軸輪系再進行傳動比或者運動參量的求解。

3) 混合輪系

混合輪系傳動比計算既是本章的重點，也是本章的難點。

混合輪系傳動比計算的基本思路：首先，将各個基本輪系正确地劃分開來，分别列出計算各基本輪系傳動比的關系式，然後找出各基本輪系之間的聯系，最後将各個基本輪系傳動比關系式聯立求解。

第十二章 其它常用機構及其設計

本章的重點是掌握各種常用間歇運動機構（棘輪機構、槽輪機構、螺旋機構和萬向鉸鍊機構）的工作原理、結構組成、運動特點和功能，并了解其适用的場合，以便在進行機械系統方案設計時，能夠根據工作要求正确地選擇執行機構的型式。

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