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机械原理
第14次开课
开课时间: 2024年09月24日 ~ 2025年01月31日
学时安排: 3-5小时每周
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spContent=这是一门缔造工程师的课程!机械原理研究机构和机器的学科。机械原理融入年轻而活力的新知识,使现代机械迸发出耀眼的光芒。这是研究机械中机构的结构和运动,以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。这门课程是设计师的基石,运动之美体现在精巧的原理之中,让我们尽情感受知识带来的愉悦吧!
这是一门缔造工程师的课程!机械原理研究机构和机器的学科。机械原理融入年轻而活力的新知识,使现代机械迸发出耀眼的光芒。这是研究机械中机构的结构和运动,以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。这门课程是设计师的基石,运动之美体现在精巧的原理之中,让我们尽情感受知识带来的愉悦吧!
—— 课程团队
课程概述

机械原理(theory of machines and mechanisms)研究机构机器的学科。

机械原理研究机械中机构的结构和运动,以及机器的结构、受力、质量和运动的学科。这一学科的主要组成部分为机构学机械动力学。人们一般把机构和机器合称为机械。机构是由两个以上的构件通过活动联接以实现规定运动的组合体。机器是由一个或一个以上的机构组成,用来作有用的功或完成机械能与其他形式的能量之间的转换。机构学的研究对象是机器中的各种常用机构,如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺旋机构和间歇运动机构(如棘轮机构、槽轮机构等)以及组合机构等。它的研究内容是机构结构的组成原理和运动确定性,以及机构的运动分析和综合。机构学在研究机构的运动时仅从几何的观点出发,而不考虑力对运动的影响。机械动力学的研究对象是机器或机器的组合。研究内容是确定机器在已知力作用下的真实运动规律及其调节、摩擦力和机械效率、惯性力的平衡等问题。

  机械原理的传统研究方式,一般不考虑构件接触面间的间隙、构件的弹性或温差变形以及制造和装配等所引起的误差。这对低速运转的机械一般是可行的。但随着机械向高速、高精度方向发展,尤其是航天技术以及机械手工业机器人的飞速发展,还必须研究由上述因素引起的运动变化。机构精确度问题已越来越引起人们的重视,并已成为机械原理的不可缺少的一个组成部分。

本课程并不是研究某种具体的机械,而是着重研究一般机械的共性问题,即机构的结构分析和综合的基本理论和基本的方法。这些基本理论和方法是紧密为工程服务的。因此,在本课程的学习过程中,一方面要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性和逻辑性,另一方面更要注意这些理论和方法如何在工程实际中的应用。此外还应随时留意日常生活和生产中遇到的各种机械,以丰富自己的感性认识;并用所学到的理论和方法认识分析这些机械,以加深理解,使理论和实践相互促进。

本课程要用到很多与工程有关的名词、符号、公式、标准及参数和对机械研究的一些常用的简化方法,如倒置、反转、转化、当量、等效、代换等等。在机构分析与综合中,除解析法外还有实验法以及试凑法等一些工程中实用的方法。另外,实际工程问题都是涉及多方面的因素的问题,其求解可采用多种方法,其解一般也不是唯一的。这就要求设计者具有分析、判断、决策的能力,要养成综合分析、全面考虑问题的习惯和科学严谨、一丝不苟的工作作风。

  本课程全部教学工作的完成,需要自学、听课、习题课、实验课、课后作业、答疑和考试等教学环节。要学好这门课,希望大家对每个教学环节予以充分重视。

授课目标

本课程授课主要对象是在校本科大学生和社会上机械行业的从业人员,也适用于近机类专业的学生和从业人员。

课程大纲
绪论
课时目标:主要了解机械原理在机械产品中的重要地位,了解机械原理研究的对象和研究内容,熟悉机械原理的发展方向和趋势,掌握学习本课程的方法。本章的目的就是学生充分了解机械原理这门课要研究什么东西,应该如何学习
1-1 机械发展的历史
1-2 机械原理的研究对象及内容
1-3 机械原理课程的地位及学习课程的目的
1- 4 机械原理学科的发展趋势
1-5 学习本课程之方法
机构的结构分析
课时目标:目的:1. 有关机构中的构件、运动副、约束、运动链、机构、自由度、复合铰链、局部自由度、虚约束等基本概念; 2.正确运用规定的符号和表达方法绘制常用机构的运动简图; 3.机构自由度的计算,并指出平面机构中的复合铰链、局部自由度、虚约束。判断机构是否具有确定的运动并给与合理的处理。 本章重点、难点: 1.常用机构运动简图的绘制; 2.机构自由度的计算,平面机构中的复合铰链、局部自由度、虚约束的识别判断。 本章教学要求: 1.正确理解构件、运动副、约束、自由度、及运动链等重要概念; 2.掌握平面机构运动简图的绘制; 3.掌握平面机构自由度的计算并判断是否具有确定运动,了解空间机构的自由度计算; 4.了解虚约束对机构工作性能的影响及机构结构合理设计问题的重要性; 5.了解平面机构的组成原理及结构分析。
2-1 机构的组成
2-2 机构运动简图
2-3 平面机构自由度的计算
2-4 平面机构的组成原理、结构分类及结构分析
平面机构的运动分析
课时目标:目的:1.速度瞬心的概念、瞬心位置的确定及三心定理的正确运用; 2.用瞬心法作机构的速度分析; 3.用矢量方程图解法作机构的运动分析,速度影像和加速度影像原理的应用。重点、难点: 1.应用三心定理确定不直接接触两构件的速度瞬心位置; 2.用瞬心法作机构的速度分析。 教学要求: 1.正确理解速度瞬心(包括绝对瞬心、相对瞬心)的概念,掌握运用“三心定理”求解一般平面机构各瞬心的位置; 2.了解应用瞬心法对Ⅱ级机构进行速度分析; 3.了解用矢量方程图解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析。
3-1 机构运动分析的任务、目的和方法
3-2 用速度瞬心法作机构的速度分析
3-3 用矢量方程图解法作机构的速度和加速度分析
3-4 综合运用瞬心法和图解法对复杂机构进行速度分析
3-5 用解析法作机构的运动分析
平面机构的力分析
课时目标:目的:1.构件惯性力的确定; 2.运动副中摩擦力及总反力的确定。 重点、难点: 1.运动副中摩擦力及总反力的确定; 2.考虑摩擦时有二力构件机构的力分析。 教学要求: 1.了解机构中各种力的分类、机构力分析的目的和方法; 2.掌握最常见的运动副中的摩擦力、总反力的分析和计算; 3.掌握考虑摩擦时有二力构件机构的力分析。
4-1 机构力分析的任务、目的和方法
4-2 构件惯性力的确定
4-3 运动副中摩擦力的确定
4-4 不考虑摩擦时机构的受力分析
4-5 考虑摩擦时机构的力分析
机械的效率和自锁
课时目标:目的:确定简单机械的机械效率及自锁条件 重点、难点: 1.机械自锁的概念; 2.简单机械自锁条件的确定。 教学要求: 1.正确理解机械效率的概念及效率的各种表达形式,掌握机械效率的计算方法; 2.正确理解机械自锁的概念,掌握确定自锁条件的方法; 3.了解提高机械效率的途径及摩擦在机械中的应用。
5-1 机构的效率
5-2 机械的自锁
机械的平衡
课时目标:目的:掌握刚性转子的动、静平衡方法及平衡计算 重点、难点:刚性转子的动、静平衡及计算 教学要求: 1.了解机械平衡的目的及其分类,正确理解静平衡、动平衡等重要概念,了解机械平衡的方法; 2.熟练掌握刚性转子的平衡设计方法,了解平衡试验的原理及方法; 3.了解平面机构的平衡原理。
6-1 机构平衡的目的及内容
6-2 刚性转子的平衡计算
6-3 刚性转子的平衡试验
6-4 转子的许用不平衡
6-5 平面机构的平衡
机械的运转及其速度波动的调节
课时目标:目的:1.利用能量指示法确定飞轮的转动惯量; 2.等效构件的ωmax和ωmin及其出现的位置; 3.简单条件下机械运动方程的求解。 重点、难点: 1.利用能量指示法确定飞轮的转动惯量; 2.等效构件的ωmax和ωmin及其出现的位置; 教学要求: 1.了解机械运转过程中的三个阶段中,机械系统的功、能量和原动件运动速度的特点; 2.掌握建立单自由度机械系统等效动力学模型的基本思路及建立运动方程式的方法;3.正确理解等效力(力矩)、等效质量(转动惯量)、等效构件和等效动力学模型等基本概念,掌握其相应的计算方法;4.了解机器运动方程的两种表达形式(能量形式、力或力矩形式)和简单情况下的求解; 5.掌握飞轮调速原理及飞轮设计的基本方法,掌握等效力矩是机构位置函数时飞轮转动惯量的计算; 6.了解机械非周期性速度波动的概念和调节方法。
7-1 概述
7-2 机械的运动方程式
7-3 机械运动方程式的求解
7-4 机械的周期性速度波动及其调节
7-5 机械的非周期性速度波动及其调节
连杆机构及其设计
课时目标:目的:1.平面四杆机构的倒置与演化; 2.根据曲柄存在条件确定铰链四杆机构及平面四杆机构的类型; 3.机构急回特性的判断及死点位置的确定,行程速比系数K及最小传动角的求解; 4.铰链四杆机构的设计。 重点、难点: 1.平面四杆机构的倒置与演化; 2.四杆机构类型的判断; 3.急回特性的判断及死点位置的确定,行程速比系数K及最小传动角的求解; 4.铰链四杆机构的设计。 教学要求:1.了解平面四杆机构的基本型式,掌握其演化方法; 2.了解平面连杆机构的特点及其功能 3.熟练掌握平面四杆机构的基本知识: (1)曲柄存在条件 (2)急回特性、极位夹角和行程速比系数 (3)压力角、传动角和死点位置 4.了解平面连杆机构设计的基本问题,掌握平面四杆机构的基本设计方法,尤其是图解法设计四杆机构。
8-1 连杆机构及其传动特点
8-2 连杆机构的类型和应用
8-3 平面四杆机构的基本知识
8-4 平面四杆机构的设计
8-5 多杆机构的功用
凸轮机构及其设计
课时目标:目的:1.从动件常用的四种运动规律的特点及应用场合; 2.从动件运动线图的绘制,刚性冲击、柔性冲击及其位置的确定; 3.根据已知的凸轮机构运动简图,分析凸轮机构,如凸轮转角、从动件位移、从动件行程及基圆的求解; 4.凸轮机构压力角的概念,凸轮机构某一位置压力角的大小、最大压力角的求解; 5.图轮廓线的设计。 重点、难点: 1.常用从动件运动规律的特点、运动线图的绘制,刚性冲击、柔性冲击位置的确定; 2.凸轮机构的分析,如凸轮转角、从动件位移、从动件行程及基圆的求解; 3.凸轮机构某一位置压力角的大小、最大压力角的求解。 4.凸轮机构设计的反转法原理。 5.图解法设计凸轮廓线。 教学要求: 1.了解凸轮机构的类型及各类凸轮机构的特点和适用场合,学会根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型; 2.掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合,理解不同运动规律位移曲线的拼接方法,掌握根据工作要求选择或设计从动件的运动规律; 3.理解凸轮机构基本尺寸确定的原则,掌握根据这些原则确定移动滚子从动件盘形凸轮机构的基圆半径、滚子半径和偏置方向以及移动平底从动件盘形凸轮机构的基圆半径、平底宽度和偏置方向; 4.理解并灵活运用反转法原理,掌握根据这一原理设计各类凸轮的廓线; 5.掌握凸轮机构设计的基本步骤,了解凸轮机构的计算机辅助设计的方法。
9-1 概述
9-2 推杆的运动规律
9-3 平面凸轮轮廓曲线的设计
9-4 用解析法设计凸轮廓线
9-5 凸轮机构基本尺寸的确定
齿轮机构及其设计
课时目标:目的:1.渐开线直齿圆柱齿轮啮合原理; 2.渐开线的性质; 3.标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算; 4.齿轮的切削加工原理、根切现象及不产生根切的最小齿数; 5.重合度的求解(图解法和解析法)及重合度的意义; 6.斜齿圆柱齿轮的特点及尺寸计算; 7.当量齿轮、当量齿数及其用途; 8.蜗轮蜗杆传动的特点、计算及转向(或旋向)的确定。 重点、难点: 1.渐开线直齿圆柱齿轮啮合原理; 2.渐开线的性质; 3.标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算; 4.齿轮的根切现象及不产生根切的最小齿数; 5.重合度的求解(图解法和解析法)及重合度的意义; 6.斜齿圆柱齿轮的特点及尺寸计算。 7.蜗轮蜗杆传动的特点、转向(或旋向)的确定。 教学要求: 1.了解齿轮机构的类型及功用; 2.理解齿廓啮合基本定律和共轭齿廓; 3.理解渐开线的形成过程,掌握渐开线的性质、渐开线方程及渐开线齿廓的啮合特性; 4.深入理解渐开线直齿圆柱齿轮及其啮合传动原理; 5.理解渐开线齿廓的切齿原理,了解变位齿轮切齿的基本原理和根切现象产生的原因,掌握不发生根切的条件。 6.了解渐开线直齿圆柱齿轮机构的传动类型及特点。学会根据工作要求和已知条件,正确选择传动类型,进行直齿圆柱齿轮机构的传动设计。 7.了解平行轴和交错轴斜齿圆柱齿轮机构传动的特点,并能借助图表或手册对平行轴斜齿圆柱齿轮机构进行传动设计。 8.了解阿基米德蜗杆蜗轮机构传动的特点,并能借助图表或手册进行传动设计。 9.了解直齿圆锥齿轮机构的传动特点。
10-1 齿轮机构的应用及分类
10-2 齿轮的齿廓曲线
10-3 渐开线齿廓及其啮合特点
10-4 渐开线标准齿轮的基本参数和几何尺寸
10-5 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动
10-6 渐开线齿廓的切制原理与根切现象
10-7 渐开线变位齿轮简介
10-8 斜齿圆柱齿轮传动
10-9 直齿锥齿轮传动
10-10 蜗轮蜗杆传动
齿轮系及其设计
课时目标:目的:1.轮系的基本概念; 2.轮系传动比的计算; 3.轮系中输入、输出构件间转向关系的确定; 4.轮系的功用; 5.行星轮系的同心条件。 本章重点、难点: 1.轮系传动比的计算; 2.轮系中输入、输出构件间转向关系的确定; 3.行星轮系的同心条件。 本章教学要求: 1.了解各类轮系的组成和运动特点,熟练掌握轮系类型的判断; 2.熟练掌握各种轮系传动比的计算及主、从动件转向关系确定; 3.掌握行星轮系设计的基本知识。
11-1 齿轮系及其分类
11-2 定轴轮系的传动比
11-3 周转轮系的传动比
11-4 组合轮系的传动比
11-5 轮系的功用
11-6 行星轮系的效率
11-7 行星轮系的类型选择及设计的基本知识
其他常用机构
课时目标:目的:了解棘轮机构、槽轮机构、凸轮式间歇运动机构、不完全齿轮机构和螺旋机构的工作原理、特点、功能和应用场合。
12-1 棘轮机构
12-2 槽轮机构
12-3 擒纵轮机构
12-4 凸轮式间歇运动机构
12-5 不完全齿轮机构
12-6 非圆柱齿轮机构
12-7 螺旋机构
12-8 万向铰链机构
12-9 组合机构
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预备知识

简单了解实际生活和生产中的机械产品,对机械产品有一些感性认识。

先修课:高等数学、理论力学、机械制图、机械制造基础,金工实习等课程。

证书要求

为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。

 

电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。

 

完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。

 

认证证书申请注意事项:

1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。

2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。


参考资料
  1. 孙桓,陈作模,葛文杰主编,机械原理(第九版),北京: 高等教育出版社,2021.5
  2. 张伟社等编,机械原理(第二版),西安:西北工业大学出版社,2013,6
  3. 申永胜. 机械原理教程. 北京:清华大学出版社,2002.
  4. 华大年,华志宏. 连杆机构设计与应用创新. 北京:机械工业出版社,2008
  5. 吕庸厚,沈爱红. 组合机构设计与应用创新. 北京:机械工业出版社,2008
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