第0章 绪论
　　本章主要介绍机械原理课程的研究对象和研究内容，以及机械原理课程的地位、作用及学习方法，使读者对课程的性质、主要内容等方面有一个初步的了解，为进一步学习本课程打好基础。应掌握的主要内容为：
　　机器及机构的特征；
　　本课程的研究内容。
　　0.1机械原理研究的对象
　　机械原理是机器与机构原理的简称，是以机器和机构为研究对象的一门学科。
　　0.1.1 机器及其特征
　　在日常生活和工作中，我们接触和见过很多机器，从家庭用的洗衣机、电风扇到工厂使用的各种机床，从汽车、起重机到机器人、宇宙飞船等。机器的种类繁多，构造、用途和性能也各不相同。虽然我们对机器已经有了一定的感性认识，但一部机器究竟是怎样组成的，它有哪些特征？为了说明这些问题，首先来分析以下两个实例。
　　图0-1所示为一台内燃机，其主体部分由缸体1、活塞2、连杆3和曲轴4等组成。当燃气在缸体内燃烧膨胀而推动活塞移动时，通过连杆带动曲轴绕其轴线转动。
　　为使曲轴得到连续的转动，必须定时地送进燃气和排出废气，这是由缸体两侧的凸轮5 7，通过顶杆6、控制进气阀7和排气阀8，使其定时关闭和打开来实现的。
　　曲轴4的转动通过齿轮4 7、5传递给凸轮5 7，再通过杆件6，使阀门7邗8的运动与活塞2的移动位置保持某种配合关系。
　　以上各个机件协同工作的结果，将燃气燃烧的热能转变为曲轴转动的机械能，从而使这台机器输出旋转运动和驱动力矩，成为能做有用功的机器。
　　图0-2所示为汽车自动生产线上的焊接机器人，其功能是对所需要焊接的各部位进行自动点焊。
　　该机器人的主体部分是由基座1、腰部2、大臂3、小臂4和手腕8所组成的。电机Mi通过蜗杆蜗轮减速和换向，驱动腰部2，实现腰部的水平回转运动9，；电机M2驱动大臂3，实现大臂的倾斜运动垆。；电机M。驱动螺杆6转动，带动螺母7移动，通过连杆5的运动，实现小臂4的俯仰运动妒。；电机M。和M-（图中不可见）驱动手腕8，实现手腕的弯曲运动垆。和旋转运动慨。各电机按预先设计好的运动规律转动时，通过腰部、大臂、小臂及手腕的运动，带动焊枪，按设定的运动顺序、动作方式、位置坐标、步进时间等运动，完成焊接工作。
　　从以上两个机器的实例可以看出，这些机器的构造、性能和用途虽然各不相同，但从组成、运动和功能来看，它们都具有以下共同的特征：
　　(1)它们是一种通过加工制造和装配而成的机件组合体。
　　(2)各个机件之间都具有确定的相对运动。
　　(3)能实现能量的转换，并做有用的机械功。在生产过程中，能代替或减轻人的劳动。
　　凡同时具备上述三个特征的实物组合体就称为机器。机器是执行机械运动的装置，用来完成有用的机械功或转换其他能量为机械能。利用机械能来完成有用功的机器称为工作机，如各种机床、轧钢机、纺织机、印刷机、包装机等。将化学能、电能、水力、风力等能量转换为机械能的机器称为原动机，如内燃机、电动机、涡轮机等。
　　0.1.2 机构及其特征
　　对上述两个机器的实例进一步分析可知，每部机器又可分为一个或多个由若干机件（如齿轮、凸轮、连杆、曲轴等）组成的特定组合体，用来实现某种运动的传递或远动形式的变换。例如，在图0 1所示的内燃机中，其主体部分是由缸体1、活塞2、连杆3和曲轴4所组成的组合体，活塞2相对缸体1的移动，通过连杆3转变为曲轴4的定轴转动，它实现了将移动变换成为转动的功能。而齿轮机件之间的传动则是将一个轴的转动传递到另一个轴上。
　　这些各具特点，并且能够传递或变换运动的特定机件组合体称为机构。图0-1所示的内燃机经分解可知，是由齿轮机构、凸轮机构和连杆机构所组成的。
　　由此可见，机构是机器的重要组成部分，其主要功能是实现运动和动力的传递和变换。因此，机构也具有机器的前两个特性：
　　(1)它是一种通过加工制造和装配而成的机件组合体。
　　(2)各个机件之间具有确定的相对运动。
　　机器是由一个或多个不同机构所组成的。它可以完成能量的转换或做有用的机械功，而机构则仅仅起着运动和动力的传递和变换的作用。或者说，机构是实现预期的机械运动的机件组合体，而机器则是由各种机构组成的、能实现预期机械运动并完成有用机械功或转换机械能的机构系统。
　　由于机构与机器具有两个共同的特性，所以从组成和运动的角度，两者并无差别。本课程只研究机器和机构的组成和运动方面的问题，而不涉及机器的能量转换和做功问题，因此，在本谋程中，将机器和机构总称为“机械”。
　　0.2 机械原理课程研究的主要内容及方法
　　0.2.1 机械原理课程研究的主要内容
　　机械原理作为一门学科，并不研究某种特定的机器或机构，而是研究机构与机器在运动学与动力学方面的共性问题，并着重研究常用机构的运动设计问题。机械原理课程研究的内容可归纳为“分析”和“综合”两大类。
　　分析：对已有机器或机构在组成、运动学和动力学等方面作分析，以了解和掌握机器或机构的运动学和动力学特性。
　　综合：按照给定的运动和传力等方面的要求和条件，选择机构的类型（包括创造新机构），并设计出与运动有关的机件的几何形状（如凸轮轮廓）和尺寸（如连杆长度）。由于不涉及各机件的强度、材料选择和具体的结构形状等问题，故机构的综合实质上是机构运动设计，简称机构设计。
　　机构的分析与综合虽然出发点和目的不同，但是在解决机器的结构和运动问题时，两者往往是紧密相关的，并由此构成机械原理研究的主要内容。
　　1．机构的组成分析
　　研究机构的组成要素和组成原理，判断机构运动的可能性和确定性，为合理组成各种机构和创造新机构探索基本规律。
　　2．常用机构的分析与设计
　　以设计为主线，介绍各种常用机构的类型、功用和特点，分析各种机构的传动特性，研究机构在满足给定运动和传力等要求时的尺寸或几何形状的设计方法。
　　3．机构组合系统的分析与设计
　　研究由若干基本机构组成机构系统的连接方式，典型组合机构的分析与设计，以及机构系统运动方案的设计准则。
　　4．机械的若干动力学问题
　　着重研究机械中的摩擦与机械效率对机构运动的影响，探讨机械在已知质量和外力作用下的真实运动规律，解决机械在运转中周期性速度波动和机械中惯性力不平衡等问题。
　　0.2.2 机械原理课程研究的方法
　　研究机械原理问题的方法有图解法、解析法和虚拟样机仿真法。图解法主要是通过作图求解机构运动和设计问题，特点是几何概念清晰、直观易懂，便于判断结果正确与否，在解决问题的过程中，侧重于形象思维。解析法是在建立数学模型的基础上，通过计算求解获得有关分析和设计结果，特点是应用计算机使计算变得快捷而精确，在解决问题的过程中，侧重于逻辑思维。虚拟样机仿真法是应用虚拟样机技术，借助虚拟样机软件平台，通过建立机械系统的虚拟样机，进行仿真分析，获取有关分析结果，或对设计结果进行验证，特点是形象直观、易于操作。
　　计算机的广泛应用和测试技术的提高，为机械原理课程的研究提供了先进的手段和方法，也促进了机械原理的发展。本教材着重反映机构分析与设计*基本的原理和方法，以及机械动力学的*基本问题，为适应现代机械设计工作打下良好的理论基础。
　　0.3 机械原理课程的地位、作用及学习方法
　　0.3.1 机械原理课程的地位和作用
　　机械原理是在面法几何、机械制图、大学物理和理论力学等前修课程的基础上，应用运动几何学、刚体力学等基本理论研究机械共性问题的一门主干技术基础课。它不同于数、理、化等理论课，而更接近工程实际；它也不同于有关机械类专业（如机械设计制造及其自动化专业）的专业课，而具有更广泛的适用性。因此本课程在教学计划中处于“承上启下”的地位。
　　由于机械原理是研究机构与机器关于运动学和动力学方面的共性问题，以及常用机构及机构系统的运动设计问题，因此它的任务是使学习者掌握有关机构与机器运动学和动力学的基本理论、基本方法和基本技能，初步具有拟订机构系统运动方案、分析和设计机构的能力，从而起到增强学习者对机械技术工作的适应性和开拓创造能力的作用。
　　0.3.2 机械原理课程的学习方法
　　从上述机械原理研究的主要内容可看出，机械原理课程有丙个显著的特点，即具有较强的实践性和可动性。这是因为课程研究的问题来源于实际的具体机构和机器，课程研究的对象是具有确定运动的机构，而非静止不动的结构。因此，在学习方法上也要与之相适应。在学习过程中，尤其应注意以下几点“结合”。
　　(1)理论与实践相结合。随时联系生产和生活实践，主动应用所学理论与方法去解决有关机构与机器在运动学和动力学方面的实际问题。
　　(2)机构简图与实物相结合。为便于研究，课程中的机构均用简单的几何线条表示，与实际的机件所组成的机构的外形相差甚远。在进行机构运动设计时，应考虑到由实际机件组成的机构可能会出现的问题。
　　(3)机构的静态与动态相结合。在研究机构运动时，往往要画出机构在某个位置的简图（几何图形），在屏幕或纸面上只是表示出该位置的静止状态。而要真正了解机构在一个运动周期的运动特性，就必须让机构位置的几何图形动起来，即将其看成一个可变的几何图形。
　　(4)形象思维与逻辑思维相结合。在对机构的研究中，某些概念、结论或参数关系式并非完全由逻辑推理而得，常常直接由几何图形或物理概念获得。
　　思考题与习题
　　0-1 机械原理课程研究的对象是什么？
　　0-2什么是机器？什么是机构？它们各有什么特性？
　　0-3杌械原理课程是属于什么性质的课程？它研究的主要内容是什么？
　　0-4学习本课程应注意的学习方法是什么？
　　第1章 机构的组成原理
　　机构是具有确定相对运动的机件组合体，不具有确定相对运动或不具有相对运动的机件组合体都不能成为机构。按照怎样的规律，把各个机件连接组合到一起使其具有确定的相对运动而成为机构，是本章的主要任务之一。此外，本章还将从结构的观点来研究机构的组成原理，并对机构的结构进行分析。应掌握的主要内容为：
　　机构运动简图绘制；
　　机构的自由度计算；
　　机构的组成原理及结构分析。
　　1.1 机构的组成及机构运动简图
　　通常来讲，机器是由机构组成的，而机构的设计常常是整个机器设计的第一步。因此，首先必须了解机构是怎样构成的，并对新设计的机构能否运动及其运动的确定性做出准确的判断。
　　其实机构的实际构造是很复杂的。这是因为除了要满足机器的运动要求以外，还要考虑机器零件的强度、加工工艺、安装和控制等其他因素，因此在分析机构的运动时，不需要考虑那些与运动无关的因素，只需绘制与机构的运动密切相关的简图，称之为运动简图，这是需要掌握的基本技能，也是进行机构运动分析的重要手段之一。
　　1.1.1 机构的组成要素——构件、运动副
　　1．构件
　　构件是机构中的运动单元体。在图1-1所示的内燃机中，由缸体1、活塞2、连杆3 ．和曲轴4四个机仵组成的机构称为连杆机构。组成机构的各个机件被称为构件。
　　一个构件可能是一个零件，也可能由几个零件固定连接而成。如图1-2 (a)所示的曲轴，它是一个构件，也是一个零件；而如图1-2(b)所示的连杆，它是一个构件，但是由连杆体、连杆盖、轴瓦、螺栓、螺母、开口销等零件组成的。组成一个构件的各零件之间没有相对运动。构件与零件的本质区别在于：构件是运动的单元体，而零件是制造的单元体。本课程以构件作为基本研究单元。
　　根据构件在机构中所起的作用不同，可将构件分成机架（或固定件）、原动件（或主动件）和从动件。机构中国连于定参考系的构件称为机架（或固定件）；机构中可相对于机架运动的构件称为活动构件，其中按照给定运动规律独立运动

目录
前言
第0章 绪论 1
0.1 机械原理研究的对象 1
0.1.1 机器及其特征 1
0.1.2 机构及其特征 2
0.2 机械原理课程研究的主要内容及方法 3
0.2.1 机械原理课程研究的主要内容 3
0.2.2 机械原理课程研究的方法 3
0.3 机械原理课程的地位、作用及学习方法 4
0.3.1 机械原理课程的地位和作用 4
0.3.2 机械原理课程的学习方法 4
思考题与习题 4
第1章 机构的组成原理 5
1.1 机构的组成及机构运动简图 5
1.1.1 机构的组成要素——构件、运动副 5
1.1.2 运动链与机构 7
1.1.3 机构运动简图 8
1.2 平面机构的自由度 12
1.2.1 机构的自由度定义 12
1.2.2 机构具有确定运动的条件 12
1.2.3 平面机构自由度计算 14
1.2.4 平面机构自由度计算时的注意事项 16
1.3 平面机构的组成原理与结构分析 20
1.3.1 平面机构的组成原理 20
1.3.2 平面机构的结构分析 22
1.3.3 平面机构的高副低代 25
1.4 综合实例 26
思考题与习题 28
第2章 平面连杆机构分析与设计 31
2.1 平面连杆机构的类型、特点与应用 31
2.1.1 平面连杆机构的特点 31
2.1.2 平面四杆机构的基本形式与应用 32
2.1.3 平面四杆机构的演化形式与应用 35
2.2 平面连杆机构的工作特性 39
2.2.1 运动特性 39
2.2.2 传力特性 42
2.3 平面机构的运动分析 44
2.3.1 平面机构运动分析的目的与方法 44
2.3.2 用速度瞬心法对平面机构进行速度分析 45
2.3.3 解析法及虚拟样机仿真法作平面机构的运动分析 47
2.4 平面连杆机构的设计 50
2.4.1 平面连杆机构设计的基本问题 50
2.4.2 图解法设计平面四杆机构 51
2.4.3 解析法设计平面四杆机构 55
2.4.4 实验法设计平面四杆机构 58
思考题与习题 59
第3章 凸轮机构及其设计 64
3.1 凸轮机构的应用及分类 64
3.1.1 凸轮机构的应用 64
3.1.2 凸轮机构的分类 65
3.2 从动件运动规律及其选择 68
3.2.1 凸轮机构的工作循环及基本名词术语 68
3.2.2 从动件常用运动规律 68
3.2.3 从动件运动规律的组合 72
3.2.4 从动件运动规律的选择 74
3.3 图解法设计凸轮廓线 75
3.3.1 凸轮廓线设计的基本原理 75
3.3.2 直动从动件盘形凸轮机构凸轮廓线的设计 75
3.3.3 摆动从动件盘形凸轮机构凸轮廓线的设计 78
3.4 解析法设计凸轮廓线 79
3.4.1 滚子直动从动件盘形凸轮机构凸轮廓线的设计 79
3.4.2 平底直动从动件盘形凸轮机构凸轮廓线的设计 81
3.4.3 滚子摆动从动件盘形凸轮机构凸轮廓线的设计 81
3.5 虚拟样机法设计凸轮廓线 82
3.6 凸轮机构基本尺寸的确定 83
3.6.1 凸轮机构的压力角 83
3.6.2 凸轮基圆半径的确定 85
3.6.3 滚子半径的选择 86
3.6.4 平底宽度的确定 87
3.6.5 从动件偏置方向的确定 87
3.7 凸轮机构的计算机辅助设计 88
思考题与习题 91
第4章 齿轮机构及其设计 94
4.1 齿轮机构的类型及特点 94
4.1.1 平面齿轮机构 94
4.1.2 空间齿轮机构 94
4.2 齿廓啮合基本定律及渐开线齿廓 96
4.2.1 齿廓啮合基本定律 96
4.2.2 渐开线的形成及其特性 97
4.2.3 渐开线函数及渐开线方程式 98
4.2.4 渐开线齿廓的啮合特性 98
4.3 渐开线标准直齿网柱齿轮的几何尺寸 99
4.3.1 齿轮各部分的名称 99
4.3.2 齿轮的基本参数 100
4.3.3 渐开线齿轮的几何尺寸计算 101
4.3.4 内齿轮和齿条 102
4.4 渐开线标准直齿圆柱齿轮的啮合传动 102
4.4.1 正确啮合条件 102
4.4.2 正确安装条件 103
4.4.3 连续传动条件 104
4.5 渐开线齿廓的切削加工 107
4.5.1 渐开线齿廓切削加工的基本原理 107
4.5.2 根切现象及其产生的原因 110
4.5.3 标准齿轮无根切的*少齿数 111
4.6 变位齿轮概述 111
4.6.1 问题的提出 111
4.6.2 变位齿轮的概念 111
4.6.3 避免根切的*小变位系数 112
4.6.4 变位齿轮的几何尺寸 112
4.6.5 变位凿轮传动 113
4.7 斜齿圆柱齿轮机构 116
4.7.1 斜齿网柱齿轮齿面的形成 116
4.7.2 斜齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸计算 116
4.7.3 斜齿网柱齿轮的当量齿数 119
4.7.4 斜齿网柱齿轮啮合传动 119
4.7.5 斜齿网柱齿轮传动特点 120
4.7.6 交错轴斜齿轮传动 121
4.8 蜗杆蜗轮机构 122
4.8.1 蜗杆蜗轮机构传动及特点 122
4.8.2 蜗杆蜗轮机构的正确啮合条件 123
4.8.3 蜗杆蜗轮机构的基本参数及几何尺寸计算 123
4.9 圆锥齿轮机构 125
4.9.1 网锥齿轮机构的传动特点 125
4.9.2 网锥齿轮的背锥与当量齿数 125
4.9.3 网锥齿轮的几何尺寸计算 126
思考题与习题 128
第5章 轮系 131
5.1 轮系的组成及其分类 131
5.1.1 定轴轮系的组成 131
5.1.2 周转轮系的组成及分类 131
5.1.3 混合轮系的组成 132
5.2 轮系的传动比计算 132
5.2.1 定轴轮系的传动比计算 132
5.2.2 周转轮系的传动比计算 133
5.2.3 混合轮系的传动比计算 135
5.3 轮系的功用 137
5.3.1 获得较大的传动比 137
5.3.2 实现变速换向传动 138
5.3.3 实现分路传动 138
5.3.4 实现运动的合成 138
5.3.5 实现运动的分解 139
5.4 周转轮系的设计及各轮齿数确定 141
5.4.1 传动比条件 141
5.4.2 同心条件 141
5.4.3 装配条件 142
5.4.4 邻接条件 142
5.5 其他轮系简介 143
5.5.1 渐开线步齿差行星齿轮传动 143
5.5.2 摆线针轮传动 145
5.5.3 谐波齿轮传动 145
思考题与习题 146
第6章 其他常用机构 150
6.1 棘轮机构 150
6.1.1 棘轮机构的基本形式和工作原理 150
6.1.2 棘轮机构的特点与应用 152
6.1.3 棘轮机构设计的若干问题 153
6.1.4 摩擦式棘轮机构简介 156
6.2 槽轮机构 156
6.2.1 槽轮机构的组成及工作原理 157
6.2.2 槽轮机构的类型、特点及应用 157
6.2.3 槽轮机构的运动特性系数 159
6.2.4 槽轮机构的运动和动力特性 160
6.3 不完全齿轮机构 161
6.3.1 不完全齿轮机构的组成和丁作原理 161
6.3.2 不完全齿轮机构传动的优缺点 162
6.4 不完全摆线针轮机构 162
6.4.1 不完全摆线针轮机构的组成及工作原理 162
6.4.2 不完全摆线针轮机构的啮合与传动特性 163
6.5 螺旋机构 164
6.5.1 螺旋机构的工作原理和类型 164
6.5.2 螺旋机构的传动特点和应用 165
6.5.3 滚珠螺旋简介 165
6.6 万向联轴节 167
6.6.1 万向联轴节的结构及其运动特性 167
6.6.2 双万向联轴节 168
6.6.3 万向联轴节的特点与应用 169
思考题与习题 169
第7章 空间连杆机构及机器人机构 171
7.1 空间机构的自由度 171
7.1.1 空间机构中构件的自由度与运动副的约束 171
7.1.2 空间机构的自由度计算 173
7.2 空间连杆机构解析运算的矩阵法基础 174
7.2.1 空间坐标平移变换 174
7.2.2 空间坐标旋转变换 175
7.2.3 空间坐标一般变换 176
7.3 空间RSSR四杆机构的运动分析 177
7.3.1 选定各坐标系及标定相关参数 177
7.3.2 位移方程的建立与求解 178
7.3.3 角速度与角加速度的求解 179
7.4 机器人机构 179
7.4.1 机器人机构的组成与运动要求 180
7.4.2 机器人主体机构的主要类型 181
7.4.3 三自由度机器人机构的位置问题 182
7.4.4 机器人的腕部和手部机构 l83
思考题与习题 185
第8章 机械中的摩擦与机械效率 187
8.1 运动副中的摩擦与自锁 187
8.1.1 研究运动副中摩擦的基本力学原理 187
8.1.2 移动副（平面和槽面）中的摩擦 188
8.1.3 转动副中的摩擦 191
8.1.4 考虑运动副摩擦的机构的力分析与摩擦的应用 193
8.2 机械效率与自锁 l96
8.2.1 机械效率的功率表达形式和力表达形式 196
8.2.2 机械系统的机械效率 198
8.2.3 机械效率与白锁的关系 200
8.3 斜面传动和螺旋传动的机械效率 200
8.3.1 斜面传动的效率与白锁 200
8.3.2 螺旋传动的效率与白锁 202
思考题与习题 205
第9章 机械系统动力学基础 208
9.1 机械系统动力学问题概述 208
9.1.1 研究机械系统动力学问题的目的和内容 208
9.1.2 机械运转的三个阶段 208
9.1.3 作用于机械的外力 210
9.2 机械系统的等效动力学模型 211
9.2.1 转化法的基本原理 211
9.2.2 等效量的一般表达式 213
9.2.3 转化构件运动方程的两种形式 217
9.3 机械真实运动的求解 219
9.3.1 等效转动惯量和等效力矩为位置函数时机械运动的求解 219
9.3.2 特例——等效转动惯量和等效力矩均为常数时机械运动的求解 220
9.4 机械运动速度波动的调节 221
9.4.1 周期性速度波动的衡量指标 221
9.4.2 周期性速度波动产生的原因 223
9.4.3 周期性速度波动调节的基本原理 224
9.4.4 飞轮转动惯量的近似确定 224
9.4.5 机械运动非周期性速度波动的调节 229
思考题与习题 230
第10章 机械