馬上就要面臨機(jī)械原理的期末考試。為了幫助二年級的同學(xué)對這門課有一個(gè)總體認(rèn)識，這里對機(jī)械原理進(jìn)行簡單的小結(jié)。
機(jī)械系有三門最重要的課程：機(jī)械制圖，機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)。機(jī)械制圖是用多個(gè)二維視圖來表達(dá)空間某一個(gè)零件或者裝配體，它是工程師與其它人員交流思想的工具；機(jī)械原理所關(guān)注的是方案設(shè)計(jì)問題，面對某一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，它要設(shè)計(jì)出一臺機(jī)械，并用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖表達(dá)出來；而機(jī)械設(shè)計(jì)則是從方案設(shè)計(jì)的結(jié)果—機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖開始，接著確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖中每一根線的實(shí)體形式，然后繪制裝配圖和零件圖，最終成為可以進(jìn)行加工的圖紙。
所以，機(jī)械原理的終極目的是能夠?qū)π聶C(jī)械進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并以機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的方式來表達(dá)其成果。這樣，對于機(jī)械原理而言，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖是它的基本語言，正如機(jī)械制圖是工程師之間進(jìn)行交流的語言一樣。
機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的統(tǒng)稱，而機(jī)器又是由機(jī)構(gòu)組成的。所以機(jī)械原理實(shí)際上把機(jī)構(gòu)作為它的主要研究對象。
機(jī)構(gòu)一般可以分為兩類：核心機(jī)構(gòu)與非核心結(jié)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)屬于核心機(jī)構(gòu)，它們在實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了最廣泛的使用。而棘輪機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)，非圓齒輪機(jī)構(gòu)，螺旋機(jī)構(gòu)等則是在某些特定環(huán)境下使用，屬于非核心機(jī)構(gòu)。機(jī)械原理主要關(guān)注三類核心機(jī)構(gòu)。
對于核心機(jī)構(gòu)，我們要做兩件事情：設(shè)計(jì)與分析。所謂設(shè)計(jì)，無非就是根據(jù)給定的任務(wù)，把某種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖繪制出來。由于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖包含了構(gòu)件的大致形式及尺寸，以及運(yùn)動(dòng)副的形式及位置。所以要設(shè)計(jì)出某種機(jī)構(gòu)，就需要給出這種機(jī)構(gòu)中每一個(gè)構(gòu)件的大致尺寸以及運(yùn)動(dòng)副的型式及相對位置。而所謂的分析，則是在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖繪制出來以后，我們分析一下：這個(gè)機(jī)構(gòu)能不能運(yùn)動(dòng)？它能不能實(shí)現(xiàn)預(yù)先所要求的運(yùn)動(dòng)？各個(gè)構(gòu)件實(shí)際受力有多大？這臺機(jī)器的效率是多少？等等問題。所以，先設(shè)計(jì)而后分析，這是機(jī)構(gòu)研究兩個(gè)基本問題的關(guān)系。
下面先談三種核心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，然后再談?wù)撘话銠C(jī)構(gòu)的分析中 的共性問題。
三種核心機(jī)構(gòu)，主要是：連桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)以及齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最終要繪制出連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖，這就需要精確確定各個(gè)構(gòu)件的桿長。由于四桿機(jī)構(gòu)在實(shí)際中用得最多，所以機(jī)械原理上是在關(guān)注四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。四桿機(jī)構(gòu)在一臺實(shí)際機(jī)器里面經(jīng)常處于傳動(dòng)鏈的末端，它主要是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)形式的改變，它通常以曲柄作為運(yùn)動(dòng)的輸入，而以連桿或者搖桿作為運(yùn)動(dòng)的輸出。四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在實(shí)踐中主要有以下幾類問題：
（1）
設(shè)計(jì)出有曲柄的四桿機(jī)構(gòu)。由于四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是從前面的運(yùn)動(dòng)鏈傳遞過來的，而前面的運(yùn)動(dòng)鏈大部分零件的運(yùn)動(dòng)形式以定軸轉(zhuǎn)動(dòng)為主，所以要把前面的運(yùn)動(dòng)輸入，這個(gè)四桿機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件應(yīng)該能夠整周回轉(zhuǎn)，能夠整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件就是曲柄。所以設(shè)計(jì)一個(gè)有曲柄的四桿機(jī)構(gòu)是經(jīng)常出現(xiàn)的問題。要四桿機(jī)構(gòu)有曲柄很簡單，只要（1）最短桿與最長桿的桿長之和小于另外兩桿的桿長之和（2）最短桿作為機(jī)架或者是連架桿。這就可以了。
（2）設(shè)計(jì)出具有急回性能的四桿機(jī)構(gòu)。急回意味著工作行程慢慢的走，而回程則迅速的撤退。慢慢的走是因?yàn)楣ぷ餍谐淘诩庸?，受到的工作阻力很大，如果走快了則工作的功率很大，可能會(huì)燒掉電機(jī)；而快點(diǎn)回來則是要提高工作效率。要設(shè)計(jì)急回性能的機(jī)構(gòu)，通常會(huì)給出一個(gè)行程速比系數(shù)，根據(jù)這個(gè)行程速比系數(shù)，可以計(jì)算出搖桿的兩個(gè)位置所對應(yīng)的極位夾角，而此極位夾角可以確定曲柄與機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副所在的圓；然后根據(jù)其它條件就可以完全確定此轉(zhuǎn)動(dòng)副的位置。這個(gè)位置確定以后，四桿機(jī)構(gòu)就被完全確定。由于這種設(shè)計(jì)有一定的實(shí)際意義，而且也比較好畫圖，所以在期末考試以及考研的專業(yè)課中經(jīng)常出現(xiàn)。
（3）剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。我們希望設(shè)計(jì)出一種四桿機(jī)構(gòu)，使得它的連桿能夠在空間間歇的占據(jù)幾個(gè)位置。這種問題又分為兩類：（a）或者是知道連桿上兩個(gè)活動(dòng)鉸鏈的位置；(b)或者只知道連桿上某一根標(biāo)線的位置。其設(shè)計(jì)方法分別敘述如下：（a）對于已知活動(dòng)鉸鏈位置的情況，就是需要求兩個(gè)固定鉸鏈位置。這類問題很容易操作，要求某一個(gè)固定鉸鏈的位置，只需要過它所對應(yīng)的那個(gè)活動(dòng)鉸鏈的幾個(gè)（一般是3個(gè)）位置做一個(gè)圓，則固定鉸鏈就在該圓的圓心。(b)對于已知連桿上的標(biāo)線來進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題，此時(shí)一般知道了固定鉸鏈的位置，要求的是連桿上兩個(gè)活動(dòng)鉸鏈的位置。也就是已知固定鉸鏈求活動(dòng)鉸鏈。此時(shí)的基本設(shè)計(jì)思想是轉(zhuǎn)化，把求活動(dòng)鉸鏈的問題轉(zhuǎn)化成為求固定鉸鏈的問題，也就是轉(zhuǎn)化成問題（a）.轉(zhuǎn)化的基本方法就是剛化反轉(zhuǎn)法。
（4）函數(shù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。已知原動(dòng)件的幾個(gè)位置，此時(shí)從動(dòng)件也處于幾個(gè)對應(yīng)的位置，希望對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般知道了原動(dòng)件的長度，實(shí)際上只需要求的從動(dòng)件的長度就可以了。由于從動(dòng)件的固定鉸鏈位置已經(jīng)確定，所以實(shí)際上它是要確定從動(dòng)件的活動(dòng)鉸鏈位置。要求活動(dòng)鉸鏈，同樣可以轉(zhuǎn)化為求固定鉸鏈的問題。采用的方法仍然是剛化反轉(zhuǎn)法。
（5） 連桿曲線的設(shè)計(jì)。這類問題要求連桿上某一個(gè)點(diǎn)在空間畫出一個(gè)期望的曲線。這類問題的解決方法基本上就是查閱連桿設(shè)計(jì)圖譜。
以上五類設(shè)計(jì)問題是連桿的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)較多的。其中（1）和（2）經(jīng)常在考試中出現(xiàn)，因?yàn)樗麄儽阌谠诳荚嚨臅r(shí)候進(jìn)行操作。而（3）和（4）相對出現(xiàn)得少一些，因?yàn)楫媹D相對比較麻煩。而（5）則完全不會(huì)在試中出現(xiàn)。
上面所談的是連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，至于連桿機(jī)構(gòu)的分析，主要是瞧瞧在曲柄的整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，壓力角是如何變化的，我們希望壓力角不要太大，否則連桿機(jī)構(gòu)的效率就較低，這是我們所不希望看到的。
下面談凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。
凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，通常是根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來設(shè)計(jì)凸輪的輪廓。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可能是別人給定的，也可能需要自己確定。如果需要自己確定，則總是根據(jù)某種運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否會(huì)發(fā)生剛性沖擊，柔性沖擊來確定，最終給出在凸輪轉(zhuǎn)一圈的過程中，推桿的位移是如何改變的。推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定以后，就通過反轉(zhuǎn)法來設(shè)計(jì)凸輪的輪廓。這種設(shè)計(jì)或者用圖解法，或者用解析法。課本上傾向于用解析法，而說圖解法不精確，其實(shí)不然。實(shí)際上它所指的主要是過去那種手工繪圖方式，有了AUTOCAD以后，只要圖解的時(shí)候劃分形成夠細(xì)的話，圖解法照樣很精確。實(shí)際上，解析法最終在加工的時(shí)候也會(huì)被圖解。所以，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)問題（a）設(shè)計(jì)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（b）設(shè)計(jì)凸輪的輪廓。而凸輪機(jī)構(gòu)的分析也主要是分析壓力角，看看在凸輪的整周回轉(zhuǎn)中，壓力角的最大值是多少。
接下來談齒輪機(jī)構(gòu)。對這種機(jī)構(gòu)，我們首先應(yīng)該花時(shí)間了解它，然后才是設(shè)計(jì)和分析問題。
了解齒輪機(jī)構(gòu)的什么東西呢？主要是三個(gè)結(jié)論：
（1）漸開線齒輪可以實(shí)現(xiàn)定比傳動(dòng)。這是非常重要的一個(gè)結(jié)論，因?yàn)槎ū葌鲃?dòng)是齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的最大優(yōu)勢。
（2） 兩個(gè)漸開線齒輪要正確嚙合，需要滿足的條件是：這兩個(gè)齒輪的模數(shù)相等，壓力角也相等。
（3） 兩個(gè)漸開線齒輪要能夠連續(xù)傳動(dòng)，必須保證重合度大于等于1.
有關(guān)齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)一對齒輪，通常是給定了這對齒輪的傳動(dòng)比和中心距，要求我們把這兩個(gè)齒輪完全設(shè)計(jì)出來。所謂設(shè)計(jì)出來，就是說，要確定他們的五個(gè)基本參數(shù)，并根據(jù)這五個(gè)基本參數(shù)把所有的主要尺寸都計(jì)算出來。
這五個(gè)基本參數(shù)中，模數(shù)非常重要，它與齒輪承力密切相關(guān)。模數(shù)只能用《機(jī)械設(shè)計(jì)》的知識來計(jì)算，所以在機(jī)械原理里面，模數(shù)只好作為已知條件給定。而壓力角總是20度，齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)也總是標(biāo)準(zhǔn)值，這就意味著，實(shí)際上，我們只需要確定兩個(gè)齒輪的齒數(shù)就足夠了。要確定兩個(gè)齒輪的齒數(shù)，這是兩個(gè)未知數(shù)，我們需要兩個(gè)方程。實(shí)際上，中心距就給定了一個(gè)方程，而傳動(dòng)比就給定了另外一個(gè)方程。根據(jù)這兩個(gè)方程，我們確定了兩個(gè)齒輪的齒數(shù)以后，就可以計(jì)算出兩個(gè)齒輪的所有主要參數(shù)了。
上面說的是標(biāo)準(zhǔn)齒輪。但是實(shí)踐中也存在變位齒輪。變位齒輪出現(xiàn)的主要原因是兩個(gè)（1）要得到齒數(shù)少于17而又不根切的漸開線齒輪。（2）希望配湊中心距。在這種時(shí)候，也是給定中心距和傳動(dòng)比，要我們把這兩個(gè)變位齒輪設(shè)計(jì)出來。此時(shí)除了標(biāo)準(zhǔn)齒輪的5個(gè)基本參數(shù)以外，又增加了徑向變位系數(shù)和齒頂高降低系數(shù)兩個(gè)參數(shù)。通常根據(jù)無側(cè)隙嚙合條件和標(biāo)準(zhǔn)頂隙條件確定齒頂高降低系數(shù)，而又根據(jù)無側(cè)隙嚙合條件確定徑向變位系數(shù)之和，而單個(gè)的徑向變位系數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來分配的。
上面說的是齒輪機(jī)構(gòu)的基本知識及設(shè)計(jì)問題。齒輪機(jī)構(gòu)的主要目的是改變轉(zhuǎn)速及進(jìn)行速度的變向。但是單對齒輪換速能力有限，所以就出現(xiàn)了輪系。對于輪系，我們的主要任務(wù)就是計(jì)算其傳動(dòng)比。輪系分為三類:定軸輪系，周轉(zhuǎn)輪系及混合輪系。定軸輪系的傳動(dòng)比計(jì)算非常簡單，用公式即可，此時(shí)要注意的是用箭頭來判斷各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)向；而周轉(zhuǎn)輪系的計(jì)算是用反轉(zhuǎn)法，給整個(gè)輪系加上一個(gè)與系桿的轉(zhuǎn)動(dòng)相反的角速度，使得系桿靜止，從而轉(zhuǎn)變成為定軸輪系，然后對這個(gè)定軸輪系用前面的公式來計(jì)算。而混合輪系，則需要首先把周轉(zhuǎn)輪系劃分出來，余下的就是定軸輪系，然后各按照各自的方式來計(jì)算，在輪系連接的地方注意角速度關(guān)系就可以了。
這樣，關(guān)于核心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析談完了，下面簡要說明一般機(jī)構(gòu)的分析。
首先是結(jié)構(gòu)分析。一個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來以后，第一件事情就是計(jì)算該機(jī)構(gòu)的自由度，首先看看有沒有自由度。有自由度，則才能運(yùn)動(dòng)，能夠成為機(jī)構(gòu)。計(jì)算自由度的時(shí)候，首先要注意機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖中出現(xiàn)的復(fù)合鉸鏈，局部自由度和虛約束。對于局部自由度和虛約束要預(yù)先處理好，然后才能用公式來計(jì)算。自由度計(jì)算出來以后，還要看看，原動(dòng)件的數(shù)目是否與自由度數(shù)目相等，從而判斷該機(jī)構(gòu)是否有確定的運(yùn)動(dòng)。第二件事情，我們要把機(jī)構(gòu)做一下拆分，從而可以弄清楚該機(jī)構(gòu)到底是如何構(gòu)成的。
接著是機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析。此時(shí)已知一個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，要求其它所有構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。計(jì)算的依據(jù)是理論力學(xué)的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識，而采用的方式卻是圖解法。就是列出理論力學(xué)的公式以后，就用圖解法來計(jì)算。而不是象理論力學(xué)那樣解方程了。
然后是機(jī)構(gòu)的力分析。此時(shí)已知構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，求構(gòu)件的受力。它需要首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，把該求的加速度全部求出來，然后使用動(dòng)靜法把慣性力加到構(gòu)件上去，轉(zhuǎn)變成靜力學(xué)問題。然后開始拆分桿組，從未知力最少的桿組開始進(jìn)行力系平衡分析，通常需要先用力矩方程求出某個(gè)力，在桿組中只剩下2個(gè)未知數(shù)以后，用力的多邊形來計(jì)算出另外兩個(gè)未知數(shù)。
接著是機(jī)器的速度波動(dòng)及飛輪的設(shè)計(jì)。由于力的周期改變，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)功與阻力功的差值時(shí)刻改變，最終導(dǎo)致機(jī)器的速度出現(xiàn)了波動(dòng)。為了減少波動(dòng)，就需要在某個(gè)構(gòu)件上安裝一個(gè)飛輪。此章的主要任務(wù)就是如何計(jì)算這個(gè)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
接著是關(guān)于機(jī)械效率的計(jì)算。由于機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)副的摩擦，導(dǎo)致機(jī)械的效率總是小于1.機(jī)械效率的計(jì)算基本上就是查表，然后使用并聯(lián)，串聯(lián)的方式來得到結(jié)果。
最后是關(guān)于機(jī)械的平衡問題。它包括轉(zhuǎn)子的平衡和機(jī)構(gòu)的平衡。轉(zhuǎn)子的平衡包括靜平衡與動(dòng)平衡。靜平衡通常對于薄板來使用，比如單個(gè)的齒輪，帶輪，鏈輪，飛輪等。通過增加一個(gè)對稱的質(zhì)量，或者挖孔的方式，使得這幾個(gè)偏心質(zhì)量塊的質(zhì)心轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)動(dòng)中心，從而消除慣性力；而動(dòng)平衡則對于軸系來使用。軸系上通常在不同的地方安裝了齒輪，鏈輪，帶輪等，此時(shí)各個(gè)地方都有偏心，從而還有慣性力偶。解決的方法就是用雙面平衡的方式。對于每一個(gè)偏心質(zhì)量，都把它按照力分解的方式分到兩個(gè)平衡面內(nèi)，最后全部轉(zhuǎn)移成為兩個(gè)平衡面內(nèi)的平衡問題。而對于其中的任意一個(gè)平衡面，只需要用單面平衡的方式就可以解決了。
以上就是關(guān)于機(jī)械原理內(nèi)容的一個(gè)簡要小結(jié)。
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