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第一篇 基本机构及常用机构的运动学设计 1

第1章 绪论 1

1.1机械原理的研究对象和研究内容 1

1.1.1机械原理的研究对象 1

1.1.2机械原理课程的主要内容 2

1.2机械原理课程的地位和作用 3

1.2.1机械原理课程的地位 3

1.2.2机械原理课程的作用 4

1.3机械原理课程的学习目的和方法 4

1.3.1机械原理课程学习目的 4

1.3.2机械原理课程学习方法 4

第2章 机构的结构分析与综合 6

2.1机构的组成及运动简图 6

2.1.1构件与运动副 6

2.1.2运动链和机构 8

2.1.3平面机构运动简图 9

2.2机构的自由度计算及机构运动确定条件 15

2.2.1平面机构的自由度 15

2.2.2机构具有确定运动的条件 15

2.2.3计算平面机构自由度时应注意的事项 16

2.3机构的高副低代、结构分析和组成原理 21

2.3.1平面机构的高副低代 21

2.3.2平面机构的结构分析 22

2.3.3平面机构的组成原理 25

2.4拓展阅读：Mobility Analysis of Spatial Mechanism 25

习题 27

第3章 平面连杆机构及其设计 31

3.1平面连杆机构的类型和应用 31

3.1.1平面连杆机构的特点 31

3.1.2平面四杆机构的基本类型 31

3.1.3平面四杆机构的演化 34

3.2平面连杆机构的运动特性和传力特性 37

3.2.1平面四杆机构有曲柄的条件 37

3.2.2急回特性和行程速度变化系数 38

3.2.3平面四杆机构的压力角和传动角 40

3.2.4平面四杆机构的死点位置 42

3.2.5平面四杆机构的运动连续性 43

3.3平面连杆机构的运动功能和设计要求 44

3.3.1平面连杆机构的运动功能 44

3.3.2平面连杆机构的设计要求及设计方法 45

3.4刚体导引机构的设计 46

3.4.1几何法设计导引机构的基本原理 46

3.4.2实现连杆两个位置的平面四杆机构的设计 48

3.4.3实现连杆三个位置的平面四杆机构的设计 49

3.5函数生成机构的设计 50

3.5.1机构的刚化反转法及相对转动极点 50

3.5.2实现两连架杆两组对应位置的铰链四杆机构的设计 51

3.5.3实现两连架杆三组对应位置的铰链四杆机构的设计 52

3.5.4实现连架杆两对应位置的曲柄滑块机构的设计 52

3.6急回机构的设计 53

3.6.1几何法 53

3.6.2解析法 55

3.7轨迹机构的设计 56

3.7.1连杆曲线图谱法设计轨迹机构 56

3.7.2解析法设计轨迹机构 57

3.8用速度瞬心法进行平面机构的速度分析 58

3.8.1平面机构运动分析的目的和方法 58

3.8.2速度瞬心的概念和种类 58

3.8.3速度瞬心位置的确定 59

3.8.4速度瞬心法在平面机构速度分析中的应用 60

3.8.5速度瞬心法的优缺点 61

3.9用相对运动图解法进行机构的运动分析 62

3.9.1同一构件上两点间的速度和加速度的关系 62

3.9.2组成移动副两构件的重合点间的速度和加速度的关系 65

3.10用复数矢量法进行机构的运动分析 67

3.10.1铰链四杆机构的运动分析 67

3.10.2曲柄滑块机构的运动分析 69

3.10.3导杆机构的运动分析 70

3.11平面连杆机构的计算机辅助设计 71

3.11.1杆组法子程序的设计 71

3.11.2杆组法子程序在运动分析中的应用 79

3.11.3输出数据的检验 81

3.12拓展阅读：Linkages of More Than Four Bars 81

3.12.1Geared Fivebar Linkages 81

3.12.2 Six bar Linkages 82

3.12.3 Grashof-Type Rotatability Criteria for Higher- Order Linkages 83

3.12.4 Cognates 84

习题 88

第4章 凸轮机构及其设计 93

4.1凸轮机构的应用和分类 93

4.1.1凸轮机构的组成和应用 93

4.1.2凸轮机构的分类 95

4.1.3凸轮机构的特点 98

4.2从动件的运动规律 99

4.2.1凸轮机构的基本名词术语 99

4.2.2从动件的运动规律 100

4.2.3从动件运动规律的组合 107

4.2.4从动件运动规律的设计 108

4.3图解法设计凸轮廓线 109

4.3.1凸轮机构的反转法原理 110

4.3.2直动从动件盘形凸轮廓线的设计 111

4.3.3摆动从动件盘形凸轮廓线的设计 113

4.3.4圆柱凸轮廓线的设计 115

4.4解析法设计凸轮廓线 116

4.4.1直动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计 116

4.4.2直动平底从动件盘形凸轮廓线的设计 118

4.4.3摆动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计 118

4.4.4摆动平底从动件盘形凸轮廓线的设计 119

4.4.5刀具中心轨迹的坐标计算 120

4.5凸轮机构的压力角及基本尺寸的设计 121

4.5.1凸轮机构的压力角 121

4.5.2凸轮机构基本尺寸的设计 125

4.6拓展阅读：Computer-aided Design of Cam Mechanisms 129

习题 132

第5章 齿轮机构及其设计 136

5.1齿轮机构的特点和类型 136

5.1.1平面齿轮机构 136

5.1.2空间齿轮机构 138

5.2齿廓啮合基本定律及渐开线齿形 139

5.2.1齿廓啮合基本定律 139

5.2.2渐开线齿廓及其特点 140

5.3渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数和尺寸计算 143

5.3.1外齿轮 143

5.3.2内齿轮 145

5.3.3齿条 146

5.4渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 147

5.4.1渐开线齿轮传动的特性 147

5.4.2渐开线齿轮传动的正确啮合条件 148

5.4.3渐开线齿轮连续传动的条件 149

5.4.4标准中心距和安装中心距 152

5.4.5渐开线齿轮与齿条的啮合特点 153

5.5渐开线齿轮的加工原理 154

5.5.1仿形法 154

5.5.2范成法 155

5.5.3标准齿条型刀具 157

5.5.4标准齿条型刀具加工标准齿轮 158

5.5.5渐开线齿廓的根切及不发生根切的最少齿数 158

5.6渐开线变位齿轮的啮合传动 160

5.6.1变位齿轮的概念 160

5.6.2变位齿轮的几何尺寸计算 161

5.6.3变位齿轮的传动类型 165

5.7平行轴斜齿圆柱齿轮机构 166

5.7.1斜齿圆柱齿轮齿面的形成及啮合特点 166

5.7.2斜齿圆柱齿轮的标准参数及基本尺寸 168

5.7.3斜齿圆柱齿轮的正确啮合条件 170

5.7.4斜齿圆柱齿轮传动的重合度 170

5.7.5斜齿圆柱齿轮的当量齿数 171

5.7.6斜齿圆柱齿轮的变位和几何尺寸的计算 172

5.7.7斜齿圆柱齿轮机构的特点及应用 173

5.8蜗杆蜗轮机构 174

5.8.1蜗杆蜗轮的形成 174

5.8.2蜗杆蜗轮机构的标准参数及正确啮合条件 175

5.8.3蜗杆蜗轮机构的基本参数和尺寸计算 176

5.8.4蜗杆蜗轮机构的变位 178

5.8.5蜗杆蜗轮机构的特点及应用 178

5.9直齿圆锥齿轮机构 179

5.9.1圆锥齿轮机构的特点 179

5.9.2直齿圆锥齿轮齿廓的形成 179

5.9.3背锥与当量齿轮 180

5.9.4直齿圆锥齿轮的基本参数及啮合特点 181

5.9.5直齿圆锥齿轮的几何尺寸计算 182

5.10拓展阅读：Crossed Helical Gear Mechanism 184

5.10.1 Crossed Helical Gears 184

5.10.2 Efficiency of Crossed Helical Gears 187

5.10.3 Example 189

习题 189

第6章 轮系及其设计 193

6.1轮系的类型 193

6.1.1定轴轮系 193

6.1.2周转轮系 194

6.1.3复合轮系 195

6.2定轴轮系的传动比计算 196

6.2.1传动比大小的计算 196

6.2.2主、从动轮的转向关系 196

6.3周转轮系的传动比计算 199

6.3.1周转轮系传动比计算的基本思路 199

6.3.2周转轮系传动比的计算 200

6.3.3周转轮系传动比计算的注意事项 200

6.4复合轮系的传动比计算 202

6.4.1复合轮系传动比的计算方法 202

6.4.2复合轮系的传动比计算举例 203

6.5轮系的设计 205

6.5.1定轴轮系的设计 205

6.5.2周转轮系的设计 207

6.6轮系的功能 211

6.6.1实现大传动比传动 211

6.6.2实现变速与换向传动 212

6.6.3实现分路传动 212

6.6.4实现运动的合成与分解 213

6.6.5利用行星轮输出的复杂运动实现某些特殊功能 215

6.7拓展阅读：Efficiency of Planeta Gear Trains 215

习题 218

第7章 间歇运动机构 221

7.1槽轮机构 221

7.1.1槽轮机构的组成和工作原理 221

7.1.2槽轮机构的类型 221

7.1.3槽轮机构的特点和应用 223

7.1.4槽轮机构的设计 223

7.1.5槽轮机构的动力特性 225

7.2棘轮机构 226

7.2.1棘轮机构的组成和工作原理 226

7.2.2棘轮机构的类型和特点 227

7.2.3棘轮机构的设计 229

7.3凸轮式间歇运动机构 231

7.3.1凸轮式间歇运动机构的组成和工作原理 231

7.3.2凸轮式间歇运动机构的特点和应用 232

7.4不完全齿轮机构 232

7.4.1不完全齿轮机构的组成、工作特点及类型 232

7.4.2不完全齿轮机构的设计要点 233

7.5间歇运动机构设计的共性问题 234

习题 235

第8章 其他常用机构 236

8.1万向联轴节 236

8.1.1单万向联轴节 236

8.1.2双万向联轴节 237

8.2螺旋机构 239

8.2.1螺旋机构的组成和传动特点 239

8.2.2螺旋机构的特点及应用 239

8.2.3滚动螺旋传动 241

8.3组合机构 241

8.3.1组合机构的基本概念 242

8.3.2组合机构的分类 242

8.3.3组合机构的设计 244

8.3.4组合机构的应用 253

习题 253

第二篇 机械的动力学设计 256

第9章 平面机构的力分析 256

9.1平面机构力分析的目的和方法 256

9.1.1机构力分析的目的 256

9.1.2机构力分析的方法 257

9.2构件的惯性力 257

9.2.1做平面复杂运动的构件 258

9.2.2做平面移动的构件 258

9.2.3绕定轴转动的构件 258

9.3不考虑摩擦的机构动态静力分析 259

9.3.1用图解法进行机构的动态静力分析 259

9.3.2用解析法进行机构的动态静力分析 260

9.4考虑摩擦的机构动态静力分析 263

9.4.1运动副中的摩擦力 263

9.4.2用图解法进行机构的动态静力分析 269

9.4.3用解析法进行机构的动态静力分析 271

9.5拓展阅读：Dynamic Analysis of the Slider-crank Mechanism 272

9.5.1 Equivalent Inertia 272

9.5.2 Approximate Dynamic Analysis Equations 273

习题 274

第10章 机械的效率和自锁 279

10.1机械效率 279

10.1.1机械效率的表达形式 279

10.1.2机械效率的计算 280

10.2机械的自锁 283

10.2.1运动副的自锁 283

10.2.2机械的自锁 284

10.3提高机械效率的途径 285

10.4拓展阅读：Design of Self-locking Mechanisms 286

习题 287

第11章 机械的运转及其速度波动的调节 290

11.1作用在机械上的力及机械的运转过程 290

11.1.1作用在机械上的力 290

11.1.2机械的运转过程 292

11.2机械系统的等效动力学模型 294

11.2.1研究机械系统运转过程的方法 294

11.2.2等效转动惯量、等效质量、等效力矩、等效力的求解 294

11.3机械系统运动方程及求解 298

11.3.1等效构件的运动方程 298

11.3.2运动方程的求解 299

11.4周期性速度波动的调节 302

11.4.1周期性变速稳定运转过程中的功能关系 302

11.4.2机械运转速度不均匀系数 303

11.4.3周期性变速稳定运转速度波动的调节 305

11.5非周期性速度波动的调节 309

11.5.1非周期性速度波动产生的原因 309

11.5.2非周期性速度波动的调节方法 309

11.6拓展阅读：Flywheel Design 310

习题 314

第12章 机械的平衡 319

12.1机械平衡的目的与分类 319

12.1.1机械平衡的目的 319

12.1.2机械平衡的分类 319

12.1.3机械平衡的方法 320

12.2刚性转子的平衡设计 320

12.2.1刚性转子的静平衡设计 320

12.2.2刚性转子的动平衡设计 324

12.3刚性转子的平衡试验 327

12.3.1刚性转子的静平衡试验 327

12.3.2刚性转子的动平衡试验 327

12.3.3转子的平衡精度 329

12.4挠性转子的平衡 331

12.4.1挠性转子及其变形 331

12.4.2挠性转子的平衡原理及平衡方法 331

12.5平面机构的平衡设计 332

12.5.1平面机构惯性力的平衡条件 332

12.5.2机构总惯性力的完全平衡 332

12.5.3机构总惯性力的部分平衡 337

习题 339

第三篇 执行机构系统的方案设计及现代机构系统 342

第13章 执行机构系统的方案设计 342

13.1执行机构系统方案设计的一般流程 342

13.2功能分析与功能求解 345

13.2.1功能分析 345

13.2.2功能元求解 346

13.3执行机构系统的功能原理设计 348

13.3.1功能原理的构思和选择 348

13.3.2功能原理的创造性设计方法 349

13.4执行机构的型综合 351

13.4.1执行机构型综合的基本原则 351

13.4.2机构的选型 354

13.4.3机构的构型 357

13.5执行机构系统的协调设计 359

13.5.1执行机构系统协调设计的要求 360

13.5.2机械运动循环图设计 361

13.5.3机械运动循环图的设计步骤与方法 364

13.5.4机械运动循环图的作用 369

13.6机械运动方案设计实例 369

13.6.1总功能分析 370

13.6.2自动成型机的功能分解 371

13.6.3自动成型机的运动转换功能图 371

13.6.4自动成型机的形态学矩阵 372

13.6.5自动成型机的运动循环图 373

13.6.6自动成型机的运动示意图 373

习题 375

第14章 现代机构系统 377

14.1机构学的发展及现代机构特征 377

14.1.1机构学的发展 377

14.1.2现代机构的特征 377

14.2现代机构学的分支 378

14.2.1广义机构 378

14.2.2可控机构 380

14.2.3变胞机构 384

14.2.4柔顺机构 388

14.3拓展阅读：Parallel Manipulators for Robot 393

14.3.1 Functional Requirements 393

14.3.2 Structural Characteristics 394

14.3.3 Enumeration of Planar Parallel Manipulators 395

14.3.4 Enumeration of Spherical Parallel Manipulators 396

14.3.5 Enumeration of Spatial Parallel Manipulators 397

附录A机械原理重要名词术语中英文对照表 402

参考文献 410