机械原理

课程目标

掌握机械结构的基本组成、分类以及运动学原理，培养工程实践能力和创新思维，为后续学习和从事机械工程相关工作奠定坚实基础。

机械结构基础

介绍机械的定义、功能与分类，如动力机械、工作机械、信息机械等，展示各类机械在工业、农业、交通等领域的广泛应用，对机械有一个宏观的认识。

讲解机械的组成要素，包括机构、零件、构件等基本概念及其相互关系，明确机构是由构件和运动副组成的具有确定相对运动的组合体，零件是制造单元，构件是运动单元，为后续深入学习奠定基础。

连杆机构

  • 详细阐述铰链四杆机构的结构特点，包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构等类型，分析其运动特性，如曲柄摇杆机构可将旋转运动转换为往复摆动运动，适用于内燃机、缝纫机等设备。通过动画演示和实物模型展示，让学生直观理解其运动过程。

  • 介绍滑块四杆机构，讲解其在机械手、压力机等设备中的应用，分析滑块的直线运动与连杆的旋转运动之间的关系，引导学生探讨如何通过调整机构参数（如杆长、安装位置等）来改变滑块的行程和速度特性。

凸轮机构

  • 从凸轮的形状（盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮等）和从动件的运动形式（直线移动、摆动）入手，讲解凸轮机构的工作原理，即凸轮的连续转动或移动通过高副接触使从动件实现预期的运动规律。以汽车发动机的配气机构为例，分析凸轮如何精确控制气门的开启和关闭时刻，保证发动机的正常工作。

  • 介绍凸轮机构的设计方法，包括解析法和图解法，让学生掌握如何根据从动件的运动规律（如简谐运动规律、多项式运动规律、S 形加速度运动规律等）来设计凸轮的轮廓曲线，通过实例计算和绘图练习，提高学生的凸轮设计能力。

齿轮机构

  • 讲解齿轮的基本参数（模数、齿数、压力角等）和分类（直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮、蜗轮蜗杆等），分析不同齿轮的啮合特点和传动性能。例如，直齿圆柱齿轮传动平稳性相对较差，但结构简单、制造方便；斜齿圆柱齿轮传动平稳性好、承载能力强，但会产生轴向力。

  • 介绍齿轮的加工方法（滚齿、插齿、剃齿等）和精度等级，让学生了解齿轮加工过程中可能出现的误差（如齿距误差、齿形误差、基节偏差等）对传动性能的影响。通过齿轮啮合动画和实物齿轮的观察，引导学生分析齿轮的啮合过程和受力情况，掌握齿轮传动的效率计算和强度校核方法。

轮系机构

  • 分类讲解定轴轮系、周转轮系和混合轮系的结构组成和传动特点，通过实例分析轮系的传动比计算方法。例如，在定轴轮系中，传动比等于所有从动齿轮齿数的连乘积与所有主动齿轮齿数的连乘积之比；在周转轮系中，需要运用转化机构的概念来计算传动比，让学生掌握转化机构的构建方法和传动比计算公式。

  • 介绍轮系的应用实例，如汽车的变速器、减速器等，分析轮系如何实现多级变速、增速、减速以及改变传动方向等功能，引导学生探讨如何根据不同的传动要求设计合理的轮系结构，提高机械系统的传动效率和性能。

其他常用机构

  • 简要介绍棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构等间歇运动机构的结构和工作原理，分析其在自动机械、包装机械等设备中的应用，如棘轮机构可实现单向间歇转动，用于千斤顶、手摇钻等设备的棘轮扳手部分；槽轮机构可实现多槽轮的间歇转动，用于电影放映机的间歇送片机构。
  • 介绍螺旋机构的结构形式（普通螺旋机构、差动螺旋机构、复式螺旋机构等）和传动特点，分析其在千分尺、螺旋压力机等设备中的应用，讲解螺旋机构的自锁条件和效率计算方法，让学生了解螺旋机构在精密测量和大载荷传动方面的优势和局限性。

机械运动学原理

刚体运动学基础

刚体的基本概念和运动形式

  • 介绍刚体的基本概念和运动形式，包括平动、转动和复合运动，通过实例（如电梯的平动、车轮的转动、机器人手臂的复合运动等）让学生理解不同运动形式的特点和区别。讲解刚体运动的描述方法，如矢量法、矩阵法等，重点介绍矢量法中位移矢量、速度矢量和加速度矢量的概念及其计算方法，通过实例计算和图形绘制，让学生掌握刚体运动的矢量表示和分析技巧。

刚体运动的合成与分解原理

  • 讲解刚体运动的合成与分解原理，以飞机的飞行运动为例，分析飞机的平动（沿飞行轨迹的直线运动）和转动（俯仰、偏航、滚转运动）如何合成飞机的复杂空间运动，引导学生运用矢量合成与分解的方法来求解飞机在不同飞行姿态下的速度和加速度分量，培养学生对复杂运动的分析和处理能力。

机构运动分析方法

速度瞬心法

  • 介绍速度瞬心法的基本原理，讲解如何通过确定机构中各构件的速度瞬心来求解构件的速度和加速度。以四杆机构为例，详细演示如何利用三心定理（三个彼此作平面平行运动的构件共有三个瞬心，且位于一条直线上）来确定机构的速度瞬心位置，进而求解各构件的角速度和线速度，通过绘制速度多边形和加速度多边形，让学生直观理解速度和加速度的矢量关系和传递规律。

相对运动图解法

  • 讲解相对运动图解法，以凸轮机构为例，分析从动件相对于凸轮的运动关系，通过绘制从动件的位移、速度和加速度曲线图，引导学生运用图解法求解从动件在不同位置的运动参数，培养学生对机构运动的直观分析和图解计算能力。

矢量方程解析法

  • 介绍矢量方程解析法的基本步骤，以连杆机构为例，讲解如何建立机构的矢量方程，通过坐标变换和矢量运算求解机构的位置、速度和加速度。例如，对于平面四杆机构，可建立机构的位置矢量方程，通过求导得到速度矢量方程和加速度矢量方程，运用矩阵求解方法求解各构件的运动参数，让学生掌握解析法在机构运动分析中的应用。

拉格朗日方程

  • 介绍拉格朗日方程在机构运动分析中的应用，讲解如何根据系统的动能、势能和约束条件建立拉格朗日方程，求解机构的动力学方程。以多自由度机构为例，通过实例计算和软件模拟，让学生了解拉格朗日方程在复杂机构运动分析和动力学仿真中的优势，培养学生的理论分析和计算能力。

机械系统的运动学建模与仿真

  • 介绍机械系统运动学建模的基本方法，包括建立系统的运动学模型（如拉格朗日模型、牛顿 - 欧拉模型等）、定义系统的输入和输出变量、构建系统的运动学方程组等。以机器人机械臂为例，讲解如何根据机械臂的结构参数和关节运动关系建立运动学模型，运用齐次变换矩阵和D - H 参数法求解机械臂的正运动学和逆运动学问题，通过实例计算和软件编程，让学生掌握机械系统运动学建模的基本步骤和方法。

  • 介绍常用的机械系统仿真软件（如MATLAB / Simulink、ADAMS等），讲解软件的基本功能和操作方法，通过实例（如汽车悬挂系统的运动学仿真、机械加工中心的运动学仿真等）引导学生运用仿真软件对机械系统进行运动学仿真分析。让学生学会如何在软件中建立系统的虚拟模型、设置仿真参数、运行仿真程序、分析仿真结果，通过仿真分析验证理论计算的正确性，优化机械系统的设计参数，提高系统的运动性能。

视频讲解

BiliBili： 视睿网络-哔哩哔哩视频 (bilibili.com)