机械原理(徐明刚)

本书是“高等院校智能制造人才培养系列教材”之一，主要面向机械专业或近机类相关专业，旨在打造适合培养应用型高校相关专业人才的教材体系，以培养适应新工科发展需求的应用型人才。 本书内容从机构分析、机构设计、机构系统到机械系统方案，以设计为主线，强调基本概念、基本理论、基本方法，注重理论与工程实践的结合。首先介绍了机械原理的对象、内容和学习方法等内容，其次详细探讨了机构的结构分析、运动分析、力分析和效率、机械运转及其速度波动的调节、机械的平衡等基本原理；然后深入分析了连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、齿轮系、间歇运动机构等常用机构相关的概念、特点与设计；最后概括介绍了机械系统方案设计。 本书是高等院校机械工程或近机类专业本科生专业课程的教材，同时也可为从事机械工作的科研及工程人员提供参考。

徐明刚，北方工业大学教授，主要研究方向为高效复合加工技术、自动测控技术及非标数控装备。中国机械工程学会会员、中国机械工程学会机械设计分会委员会委员、中国机械工程学会特种加工分会理事、中国医药卫生文化协会医工融合分会委员会委员，北京机械原理研究会常务理事。多年来一直承担秋季学期《机械原理》课程的教学任务，同时承担春季学期《机械原理与机械设计课程设计》的教学任务以及《计算机辅助设计》课程的教学工作。教学过程积极展开教学方法的创新，全过程展开课程思政。主持《机械原理》校级课程建设，主持教改重点项目一项。获北京市高校“创想杯”多媒体课件制作与微课程大奖赛二等奖。

第1章 绪论 1 1.1 概述 2 1.2 机械原理的研究对象及内容 3 1.2.1 机械原理的研究对象 3 1.2.2 机械原理的研究内容 4 1.3 机械原理的学习方法 5 第2章 机构的结构分析 7 2.1 概述 8 2.2 机构的组成及分类 8 2.2.1 构件 8 2.2.2 运动副 9 2.2.3 运动链 12 2.2.4 机构 13 2.3 机构运动简图 14 2.3.1 机构运动简图 14 2.3.2 机构运动简图的绘制 15 2.4 机构的运动确定性及其自由度计算 17 2.4.1 机构具有确定运动的条件及最小阻力定律 17 2.4.2 平面机构自由度的计算 18 2.4.3 计算机构自由度时应注意的事项 19 2.5 机构的组成原理及结构分析 23 2.5.1 平面机构的高副低代 23 2.5.2 机构的组成原理 24 2.5.3 机构的结构分析 26 2.6 平面低副机构的型综合 27 思考和练习题 28 第3章 平面机构的运动分析 31 3.1 概述 32 3.2 平面运动基础知识 32 3.3 瞬心法进行机构速度分析 33 3.3.1 速度瞬心的求法 34 3.3.2 速度瞬心法在机构运动分析中的应用 37 3.4 图解法进行机构运动分析 38 3.4.1 同一构件上两点间的速度、加速度求解方法 38 3.4.2 组成移动副两构件的重合点间的速度、加速度求解方法 41 3.5 解析法进行机构的运动分析 44 思考和练习题 46 第4章 平面机构的力分析及机械效率和自锁 48 4.1 概述 49 4.2 作用在机械上的力 49 4.2.1 作用在机构上的力分类 49 4.2.2 机构力分析的目的和方法 50 4.3 考虑摩擦时机构的静力分析 50 4.3.1 移动副中摩擦力的确定 50 4.3.2 转动副中摩擦力的确定 52 4.3.3 考虑摩擦时机构的静力图解分析 54 4.4 不考虑摩擦时机构的动态静力分析 55 4.4.1 构件惯性力的确定 55 4.4.2 图解法做机构的动态静力分析 57 4.4.3 解析法做机构的动态静力分析 59 4.5 机械效率 62 4.5.1 机械效率的计算 62 4.5.2 提高机械效率的措施 65 4.6 机械的自锁 66 4.6.1 机械的自锁现象及条件 66 4.6.2 机械自锁条件的确定 67 思考和练习题 68 第5章 机械的运转及速度波动调节 70 5.1 概述 71 5.1.1 本章 学习的目的和意义 71 5.1.2 机械运转三个阶段的功能关系 71 5.1.3 作用在机械上的驱动力和工作阻力 72 5.2 机械运动方程式的建立 73 5.2.1 机械运动方程式的一般表达式 73 5.2.2 机械系统的等效动力学模型 74 5.3 机械运动方程式的推演与求解 78 5.3.1 机械动力学方程的推演 78 5.3.2 已知力作用下机械运动方程式的求解 79 5.4 机械的速度波动及调节 81 5.4.1 周期性速度波动及调节 81 5.4.2 非周期性速度波动及调节 88 思考和练习题 89 第6章 机械的平衡 90 6.1 概述 91 6.1.1 机械平衡的目的 91 6.1.2 机械平衡的内容及分类 91 6.2 刚性转子的平衡设计 92 6.2.1 静平衡设计 92 6.2.2 动平衡设计 94 6.3 刚性转子的平衡试验及平衡精度 95 6.3.1 静平衡试验 96 6.3.2 动平衡实验 96 6.3.3 转子的平衡精度 97 6.4 平面机构的平衡简介 98 6.4.1 完全平衡 99 6.4.2 部分平衡 101 思考和练习题 102 第7章 连杆机构及其设计 104 7.1 概述 105 7.2 平面连杆机构的类型及应用 107 7.2.1 平面四杆机构的演化方法 107 7.2.2 铰链四杆机构的基本类型及应用 111 7.3 平面四杆机构的基本特性 117 7.3.1 铰链四杆机构的急回运动 117 7.3.2 铰链四杆机构的传力特性 119 7.3.3 铰链四杆机构的运动连续性 121 7.3.4 演化形式四杆机构的特性分析 122 7.4 平面四杆机构的设计 123 7.4.1 连杆机构设计的基本问题 123 7.4.2 用图解法设计四杆机构 124 7.5 空间连杆机构简介 130 思考和练习题 131 第8章 凸轮机构及其设计 133 8.1 凸轮机构的应用、分类和选型 134 8.1.1 凸轮机构的应用 134 8.1.2 凸轮机构的分类 135 8.2 从动件的运动规律及其选择 137 8.2.1 从动件常用的运动规律 137 8.2.2 组合运动规律 143 8.2.3 从动件运动规律的选择 145 8.3 凸轮轮廓曲线的设计 145 8.3.1 凸轮廓线设计的基本原理 145 8.3.2 用图解法设计凸轮的轮廓曲线 146 8.3.3 用解析法设计凸轮的轮廓曲线 150 8.4 凸轮机构基本尺寸的确定 152 8.4.1 凸轮机构的传力特性和凸轮机构的压力角 153 8.4.2 凸轮基圆半径的确定 154 8.4.3 滚子从动件滚子半径的选择和平底推杆平底尺寸的确定 155 思考和练习题 157 第9章 齿轮机构 158 9.1 概述 159 9.2 齿廓啮合基本定律和齿廓曲线 162 9.2.1 齿廓啮合基本定律及共轭齿廓 162 9.2.2 渐开线齿廓及其啮合特点 164 9.3 渐开线标准直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸 166 9.3.1 齿轮各部分的名称和符号 166 9.3.2 渐开线齿轮的基本参数 167 9.3.3 渐开线齿轮各部分的几何尺寸 169 9.3.4 内齿轮和齿条 170 9.4 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动 171 9.4.1 正确啮合条件 171 9.4.2 标准中心距及啮合角 171 9.4.3 连续传动条件与重合度 172 9.5 渐开线齿轮的加工原理 174 9.5.1 齿廓切制的方法 174 9.5.2 展成法加工齿轮的原理及根切 174 9.6 渐开线变位齿轮 177 9.6.1 变位齿轮的概念 177 9.6.2 避免发生根切的最小变位系数 179 9.6.3 变位齿轮的几何尺寸 179 9.7 斜齿圆柱齿轮传动 181 9.7.1 斜齿轮的齿廓曲面的形成与啮合特点 181 9.7.2 斜齿轮的基本参数与几何尺寸计算 182 9.7.3 一对斜齿轮的啮合传动 184 9.7.4 斜齿轮的当量齿轮与当量齿数 185 9.7.5 斜齿轮传动的主要优缺点 185 9.8 直齿锥齿轮传动 186 9.8.1 锥齿轮传动概述 186 9.8.2 圆锥齿轮齿廓的形成 187 9.8.3 直齿锥齿轮的背锥及当量齿轮 187 9.8.4 直齿锥齿轮啮合传动及几何尺寸计算 189 9.9 蜗轮蜗杆传动 190 9.9.1 蜗轮蜗杆传动及其特点 190 9.9.2 蜗轮蜗杆正确啮合的条件 191 9.9.3 蜗轮蜗杆传动的主要参数及几何尺寸 192 9.10 齿轮机构设计应用实例 193 9.10.1 齿轮传动的类型及其选择 193 9.10.2 变位齿轮传动的设计步骤 194 9.10.3 齿轮机构设计应用实例 195 文献阅读指南 196 思考和练习题 196 第10章 齿轮系 198 10.1 概述 199 10.1.1 定轴轮系 199 10.1.2 周转轮系 199 10.1.3 复合轮系 200 10.2 定轴轮系传动比 201 10.2.1 传动比大小的计算 201 10.2.2 首、末轮转向关系的确定 201 10.3 周转轮系传动比 203 10.3.1 周转轮系传动比计算的基本思路 203 10.3.2 周转轮系传动比计算方法 204 10.4 复合轮系传动比 206 10.5 轮系的功用 208 10.5.1 实现相距较远的两轴之间的传动 208 10.5.2 实现大速比传动 209 10.5.3 实现结构紧凑的大功率传动 209 10.5.4 实现分路传动 210 10.5.5 实现变速传动 210 10.5.6 实现换向传动 210 10.5.7 实现运动的合成与分解 211 10.6 行星轮系效率 212 10.7 行星轮系设计 215 10.7.1 行星轮系类型的选择 215 10.7.2 行星轮系中各轮齿数的确定 216 10.8 其他新型行星齿轮传动介绍 218 10.8.1 渐开线少齿差行星传动 218 10.8.2 摆线针轮传动及RV减速器 220 10.8.3 谐波齿轮传动 220 文献阅读指南 222 思考和练习题 222 第11章 其他常用机构 224 11.1 概述 225 11.2 间歇运动机构 225 11.2.1 棘轮机构的组成和分类 225 11.2.2 棘轮机构主要参数 227 11.2.3 棘轮机构的应用 228 11.2.4 槽轮机构 230 11.2.5 不完全齿轮机构 232 11.2.6 凸轮间歇运动机构 233 11.2.7 其他间歇运动机构 234 11.3 组合机构 237 11.3.1 齿轮-凸轮组合机构 237 11.3.2 联动凸轮-连杆组合机构 239 11.3.3 凸轮-连杆组合机构 239 11.3.4 齿轮-连杆组合机构 240 11.3.5 行星轮-槽轮组合机构 241 11.4 工业机器人机构 242 11.4.1 机器人机构简介 242 11.4.2 工业机器人机构的类型和特点 242 11.5 其他机构简介 247 思考和练习题 248 第12章 机械系统方案设计 25 12.1 机械系统方案设计概述 251 12.2 工作原理拟定 253 12.3 原动机选型 254 12.4 机构的选型和组合 256 12.4.1 机构选型的要求 257 12.4.2 机构的组合 257 12.5 机械系统方案评价与决策 259 12.5.1 机械系统方案评价的评价目标 259 12.5.2 机械系统方案评价的原则 259 12.5.3 评价方法和步骤 260 12.5.4 机械运动方案的评价指标 260 12.6 机械创新设计 261 12.6.1 机构创新设计的原则 261 12.6.2 机构创新设计的方法 262 思考和练习题 263 参考文献 264