机 械 原 理
课程的基本要求
? 1,掌握机构结构的基本知识和机构的组成原
理, 掌握机构运动简图的绘制方法；
? 2、具有对平面机构进行运动分析和力分析的
能力；
? 3、了解各种常用机构的运动特性和动力特性，
并初步具有根据给定的运动要求或传力条件
选择机构的类型及其组合以及进行机构综合
(设计 )的能力；
? 4、了解机械传动系统方案设计的基本常识，
并初步具有机构创新的能力。
第一章 绪论
? 本章要求了解本课程研究的对象,
内容及其地位, 作用和任务；了解机
械原理学科的发展趋势 。
? § 1-1 机械原理课程的研究对象和内容
? § 1-2 机械原理课程的学习目的和作用
? § 1-3 机械原理学科的发展动向
§ 1-1 机械原理课程的研究
对象和内容
? 机械原理是机构和机器理论的简
称，又称为 机构学 。机构学是在原来
的机械力学基础上发展成为的一门独
立的学科，通过对机械的结构学、运
动学和动力学的研究形成了机构学独
立的体系和独特的研究内容。
一、机械原理课程的研究对象
本课程研究的对象是 机械,研究的
内容是有关机械的基本理论问题；
? 具体讲 机械原理 是一门研究机械的
运动学和动力学分析与设计基本理论问
题的课程。
? 机械 (machinery)是 机器 (machine)
与 机构 (mechanism)的总称。
人类在长期的生产和生活实践中创造和发
展了机械，其目的是为了减轻或替代人的劳动，
提高劳动生产率。在我国，机械的创造、发展
及使用有着悠久的历史（例如 捣米 这样的简单
机构）。三千年前出现了简单的纺织机，两千
年前，已将绳轮、凸轮、连杆机构等用于生产
中。汉代以后的指南车及记里鼓车中利用了齿
轮和轮系传动。东汉时已发明了 用水排以鼓风
炼铁,这对古代冶铁业的发展起了重要作用。
东汉张衡将杆机构巧妙地使用在人类 第一台地
震仪 上。
北宋时出现了世界上第一座结构复杂的活
动天文台 ──,水运仪象台,，可用以观测天象
和自动报时，它是近代钟表中重要机件，擒纵
器（卡子）的前身。可是长期的封建制度和长
年的战乱，阻碍了我国机械工业的发展。
新中国诞生后，我国的机械工业和机械学
科有了很大的发展。目前我国不但能自行设计
大型、精密、成套高新技术设备，而且，也缩
短了与先进工业国家的距离。
1,机 器
? 机器,人类为了满足生产和生活上的需要创造
出来的、目的是为了减轻劳动、提高生产率。
从原始人制造第一把石刀开始，就开始了
,制造工艺过程, 。材料的发展、冶钢炼铁的发
明、金属工具的出现，使得工具与加工对象之间
的相互作用强度剧增，人手直接作为执行装置已
难于使金属工具充分发挥作用，难于承受如此强
度的作用，因而产生了机构、机器。
? 机器是根据某种使用要求而设计的一种
执行机械运动的装置，可以用来变换和传递
能量、物料和信息。
? 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的
工具，既能承担人力所不能或不便进行的工
作，又能大大提高生产率和改善劳动条件。
? 机器是一种人为实物组合的具有确定机
械运动的装置，它用来完成有用功、转换能
量或处理信息，以代替或减轻人类的劳动。
机器的分类
动力机器,将任何一种能量变换成机械
能。如内燃机、电动机。
? 工作机器,完成有用的机械功或搬运物
品。如汽车、机床、飞机、起重机。
? 信息机器,完成信息的传递和变换。如
复印机、传真机。
单缸四冲程内燃机
?⑴ 组成,气缸
体，活塞，连杆，
曲轴，齿轮，凸
轮，进、排气阀，
推杆，弹簧等。
?⑵ 能量转换,
热能转换成机械
能
牛头刨床
插齿机构
机器的特征
? 1、机器是一种人为的实物组合；
? 2、是执行确定机械运动的装置；
? 3、能代替或减轻人的劳动，完成有效
的机械功，进行能量、物料和信息的传
递，或能量的变换。
机器的组成
一台完整的机器的组成大致可包括：
原动机部分 传动部分 执行部分
润滑、显示、照明等辅助系统
控 制 系 统
传感器 传感器 传感器
1） 原动机
? 为机器运转提供动力，常用的原动机有电
动机、内燃发动机、液压机、气动机等。电
动机可以把电能转化成机械能；内燃机可把
燃料燃烧的化学能转换成机械能。
原动机经历了如下发展过程,
蒸汽机,内燃机,汽轮机,电动机
人力、畜力 → 水力机,风力机 →
风力发电机
蒸汽机
轿车上用的内燃机 手扶拖拉机上用的内燃机
12缸 V型柴油机 16缸 V型柴油机
水平布置的电动机 竖直布置的电动机
2） 传动机构
? 用来连接原动机机构和执行机构，将原动机的运
动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动
形式、运动及动力参数。传动部分大多数采用机械传
动机构，有时也采用液压或电力传动机构。
? 如：常用的各种减速和变速装置均可作为传动机构。
3）执行机构
? 它是一部机器中最接近作业工作端的机
构，它通过执行构件与被作业件相接触，以
完成作业任务。如：起重机和挖掘机中的起
重吊运和挖掘机构。
4） 控制和辅助系统
? 用来处理机器各组成部分之间，以及与
外部其它机器之间的工作协调关系，它通常
由各种计算机和控制器组成。
2,机 构
? 机器中的机械运动
大多是通过各种, 机构,
实现的。一部机器通常
包含一个或若干个机构，
机构是机器的重要组成
部分。机构是一切机器
的共性组成部分。
? 机构是一个具有确定机械运动的构件系
统，用来传递运动和动力的可动的装置，是
人为的实物的组合，但不具备机器的第三个
特征。
? 机构 ---由两个以上的构件相互直接接触，
具有一定形状的可动联接结构和一定运动传
递与转换特征，各构件间具有确定的相对运
动规律的系统称为机构。
连杆机构
凸轮机构
齿轮机构
间歇运动机构
带传动和链传动机构
螺旋机构
组合机构
常用的机构
连杆机构 凸轮机构
齿轮机构 间歇运动机构
螺旋机构 组合机构
曲柄滑块机构
齿轮机构
凸轮机构
（ 1）构件
? 组成机构的各个相对运动的部分称为构件，它
是 一个整体或元件的刚性组合，是 运动的单元 。
齿轮
轴
键
（ 2）零件
? 组成构件的单元称为零件 。 它是机器中
制造的单元 。 有通用零件和专用零件 。
? 通用零件：螺钉, 螺母, 垫圈, 齿轮, 凸轮,
弹簧, 轴, 键, 箱体, 联轴器, 离合器等 。
? 专用零件,叶片、波轮、枪栓等。
通用零件
专用零件
（ 3）部件
? 机器中由若干零件所组成而协调工作的,
不一定刚性联接的 装配单元, 称为部件 。 如：
减速器, 离合器, 顶尖, 刀架, 轴承等 。
二、机械原理课程研究的内容
? 本课程专门研究各种机器和机构
的共同性的基本理论问题，其主要内
容有：
? 1,各种机构的分析问题
? 主要研究机构的结构分析（含机
构的组成）、机构的运动分析和机构
受力分析等。
2,常用的各种机构的设计问题
? 齿轮机构，凸轮机构，连杆机
构等设计理论与方法。
3,机器动力学问题
? 主要研究在已知力作用下机械的
真实运动规律以及机器运转过程中速
度波动的调节问题。
?4,机构的选型及机械运动系统
设计的基本知识。
§ 1-2 机械原理课程的学习
目的和作用
? 本课程对机械的组成原理、工作原理、
运动分析以及设计理论与方法都作了基本介
绍，这对于以后在实习、专业课学习以及工
作中认识机械、了解机械和进一步学习与掌
握机械都大有好处。
?一、认识机械,了解机械
二、掌握方法,分析机械
? 各种机械的形态和用途各不相同，但它
们都有一个共同的特点：作机械运动。而运
动几何学中的相对运动、相互包络等基本概
念和方法，在各种机构的分析和设计中都得
到广泛应用。
三、开阔思路,设计与创新机械
本课程讲授的机构分析与设计的基本理
论与方法，不仅用于课程所学的机构设计，还
为以后的机械设计打下基础。课程的目的是提
供基本方法，开阔思路，便于运用。根据实际
要求分析比较各种机构的优缺点，合理地选择
机构，构思并设计基本机构和机械系统。
四、更新观念,发展机械学科
? 当今机械学学科的发展已离不开
计算机技术，在学习过程中，充分利
用机构分析与计算机快速计算、存贮
和比较的功能去解决较为复杂的机构
设计问题，把对机械的研究与其他学
科的技术（电、液、气、计算机、控
制等）充分地结合起来，去推动机械
学科的发展。
? 机械原理学科作为机械原理的重要组成
部分，是机械工业和现代技术发展的重要基
础。
? 目前，机械学科和电子学、信息科学、
计算机科学、生物科学、以及管理科学等相
互渗透，相互结合，已成为一门崭新的学科。
? 它的研究领域已扩展到航空航天、深海
作业、生物工程、微观世界、机械电子等。
§ 1-3 机械原理学科的发展
动向
一、机构的结构理论
? 由于机器人、步行机、人工假肢和
新型机器的发展需要，以及机器的动力
日益广泛采用液压与气动，因此近年来
对于多自由度、多闭环的多杆平面连杆
机构以及开式运动链的结构原理有了较
多研究。
二、仿生机构学
? 很多国家对人的手指、手腕和手臂
的结构、动作原理和运动范围的分析研
究，研制出各种多自由度的生物电控或
声控的机械手。
? 同时，在研究人体步态和大小腿的
结构、动作原理和可动范围之后，已研
制出各种类型的两足步行机。
? 人们为了通过松软地面和跨越较大
障碍还努力研究四足步行机、六足步行
机等的步行机理和步行机构学。
? 为了提高沙漠行走效率，还在研究
骆驼足底构造和行走机理。
? 另外，通过研制蛇行机构来探测煤
气管道的故障；
? 通过鱼游机构研制来解决深水中的
探测问题。
三、微型机械
? 微型机械在尺度、构造、材料制造
方法和工作原理等方面都与传统机械截
然不同，它与微电子学、现代光学、气
动力学、液体力学、热力学、声学、磁
学、自动控制、仿生学、材料科学以及
表面物理与化学等领域紧密结合。
? 目前已经研制出
的滑块，直径为 的静电电机，供
情报收集用的, 蚊子机器人, 等等。
? 可以相信，微型人造卫星、在人体
血管内爬行的微型步行机器人以及进行
眼科手术的微型机械手等将研制出来并
应用。
mm ?? 100210 ?
m?60
? 机械原理学科研究领域十分广阔，内容
非常丰富，发展十分迅猛。机械原理学科涌
现出不少前沿研究课题，对我们有极大的吸
引力。
? 作为机械类专业的一门技术基础课，根
据教学要求，只能研究一些有关机构及系统
的基本设计原理和基本方法，以使我们掌握
进一步研究机械原理新课题所必须的知识基
础。
课程的基本要求
? 1,掌握机构结构的基本知识和机构的组成原
理, 掌握机构运动简图的绘制方法；
? 2、具有对平面机构进行运动分析和力分析的
能力；
? 3、了解各种常用机构的运动特性和动力特性，
并初步具有根据给定的运动要求或传力条件
选择机构的类型及其组合以及进行机构综合
(设计 )的能力；
? 4、了解机械传动系统方案设计的基本常识，
并初步具有机构创新的能力。
第一章 绪论
? 本章要求了解本课程研究的对象,
内容及其地位, 作用和任务；了解机
械原理学科的发展趋势 。
? § 1-1 机械原理课程的研究对象和内容
? § 1-2 机械原理课程的学习目的和作用
? § 1-3 机械原理学科的发展动向
§ 1-1 机械原理课程的研究
对象和内容
? 机械原理是机构和机器理论的简
称，又称为 机构学 。机构学是在原来
的机械力学基础上发展成为的一门独
立的学科，通过对机械的结构学、运
动学和动力学的研究形成了机构学独
立的体系和独特的研究内容。
一、机械原理课程的研究对象
本课程研究的对象是 机械,研究的
内容是有关机械的基本理论问题；
? 具体讲 机械原理 是一门研究机械的
运动学和动力学分析与设计基本理论问
题的课程。
? 机械 (machinery)是 机器 (machine)
与 机构 (mechanism)的总称。
人类在长期的生产和生活实践中创造和发
展了机械，其目的是为了减轻或替代人的劳动，
提高劳动生产率。在我国，机械的创造、发展
及使用有着悠久的历史（例如 捣米 这样的简单
机构）。三千年前出现了简单的纺织机，两千
年前，已将绳轮、凸轮、连杆机构等用于生产
中。汉代以后的指南车及记里鼓车中利用了齿
轮和轮系传动。东汉时已发明了 用水排以鼓风
炼铁,这对古代冶铁业的发展起了重要作用。
东汉张衡将杆机构巧妙地使用在人类 第一台地
震仪 上。
北宋时出现了世界上第一座结构复杂的活
动天文台 ──,水运仪象台,，可用以观测天象
和自动报时，它是近代钟表中重要机件，擒纵
器（卡子）的前身。可是长期的封建制度和长
年的战乱，阻碍了我国机械工业的发展。
新中国诞生后，我国的机械工业和机械学
科有了很大的发展。目前我国不但能自行设计
大型、精密、成套高新技术设备，而且，也缩
短了与先进工业国家的距离。
1,机 器
? 机器,人类为了满足生产和生活上的需要创造
出来的、目的是为了减轻劳动、提高生产率。
从原始人制造第一把石刀开始，就开始了
,制造工艺过程, 。材料的发展、冶钢炼铁的发
明、金属工具的出现，使得工具与加工对象之间
的相互作用强度剧增，人手直接作为执行装置已
难于使金属工具充分发挥作用，难于承受如此强
度的作用，因而产生了机构、机器。
? 机器是根据某种使用要求而设计的一种
执行机械运动的装置，可以用来变换和传递
能量、物料和信息。
? 机器是代替人们体力和部分脑力劳动的
工具，既能承担人力所不能或不便进行的工
作，又能大大提高生产率和改善劳动条件。
? 机器是一种人为实物组合的具有确定机
械运动的装置，它用来完成有用功、转换能
量或处理信息，以代替或减轻人类的劳动。
机器的分类
动力机器,将任何一种能量变换成机械
能。如内燃机、电动机。
? 工作机器,完成有用的机械功或搬运物
品。如汽车、机床、飞机、起重机。
? 信息机器,完成信息的传递和变换。如
复印机、传真机。
单缸四冲程内燃机
?⑴ 组成,气缸
体，活塞，连杆，
曲轴，齿轮，凸
轮，进、排气阀，
推杆，弹簧等。
?⑵ 能量转换,
热能转换成机械
能
牛头刨床
插齿机构
机器的特征
? 1、机器是一种人为的实物组合；
? 2、是执行确定机械运动的装置；
? 3、能代替或减轻人的劳动，完成有效
的机械功，进行能量、物料和信息的传
递，或能量的变换。
机器的组成
一台完整的机器的组成大致可包括：
原动机部分 传动部分 执行部分
润滑、显示、照明等辅助系统
控 制 系 统
传感器 传感器 传感器
1） 原动机
? 为机器运转提供动力，常用的原动机有电
动机、内燃发动机、液压机、气动机等。电
动机可以把电能转化成机械能；内燃机可把
燃料燃烧的化学能转换成机械能。
原动机经历了如下发展过程,
蒸汽机,内燃机,汽轮机,电动机
人力、畜力 → 水力机,风力机 →
风力发电机
蒸汽机
轿车上用的内燃机 手扶拖拉机上用的内燃机
12缸 V型柴油机 16缸 V型柴油机
水平布置的电动机 竖直布置的电动机
2） 传动机构
? 用来连接原动机机构和执行机构，将原动机的运
动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动
形式、运动及动力参数。传动部分大多数采用机械传
动机构，有时也采用液压或电力传动机构。
? 如：常用的各种减速和变速装置均可作为传动机构。
3）执行机构
? 它是一部机器中最接近作业工作端的机
构，它通过执行构件与被作业件相接触，以
完成作业任务。如：起重机和挖掘机中的起
重吊运和挖掘机构。
4） 控制和辅助系统
? 用来处理机器各组成部分之间，以及与
外部其它机器之间的工作协调关系，它通常
由各种计算机和控制器组成。
2,机 构
? 机器中的机械运动
大多是通过各种, 机构,
实现的。一部机器通常
包含一个或若干个机构，
机构是机器的重要组成
部分。机构是一切机器
的共性组成部分。
? 机构是一个具有确定机械运动的构件系
统，用来传递运动和动力的可动的装置，是
人为的实物的组合，但不具备机器的第三个
特征。
? 机构 ---由两个以上的构件相互直接接触，
具有一定形状的可动联接结构和一定运动传
递与转换特征，各构件间具有确定的相对运
动规律的系统称为机构。
连杆机构
凸轮机构
齿轮机构
间歇运动机构
带传动和链传动机构
螺旋机构
组合机构
常用的机构
连杆机构 凸轮机构
齿轮机构 间歇运动机构
螺旋机构 组合机构
曲柄滑块机构
齿轮机构
凸轮机构
（ 1）构件
? 组成机构的各个相对运动的部分称为构件，它
是 一个整体或元件的刚性组合，是 运动的单元 。
齿轮
轴
键
（ 2）零件
? 组成构件的单元称为零件 。 它是机器中
制造的单元 。 有通用零件和专用零件 。
? 通用零件：螺钉, 螺母, 垫圈, 齿轮, 凸轮,
弹簧, 轴, 键, 箱体, 联轴器, 离合器等 。
? 专用零件,叶片、波轮、枪栓等。
通用零件
专用零件
（ 3）部件
? 机器中由若干零件所组成而协调工作的,
不一定刚性联接的 装配单元, 称为部件 。 如：
减速器, 离合器, 顶尖, 刀架, 轴承等 。
二、机械原理课程研究的内容
? 本课程专门研究各种机器和机构
的共同性的基本理论问题，其主要内
容有：
? 1,各种机构的分析问题
? 主要研究机构的结构分析（含机
构的组成）、机构的运动分析和机构
受力分析等。
2,常用的各种机构的设计问题
? 齿轮机构，凸轮机构，连杆机
构等设计理论与方法。
3,机器动力学问题
? 主要研究在已知力作用下机械的
真实运动规律以及机器运转过程中速
度波动的调节问题。
?4,机构的选型及机械运动系统
设计的基本知识。
§ 1-2 机械原理课程的学习
目的和作用
? 本课程对机械的组成原理、工作原理、
运动分析以及设计理论与方法都作了基本介
绍，这对于以后在实习、专业课学习以及工
作中认识机械、了解机械和进一步学习与掌
握机械都大有好处。
?一、认识机械,了解机械
二、掌握方法,分析机械
? 各种机械的形态和用途各不相同，但它
们都有一个共同的特点：作机械运动。而运
动几何学中的相对运动、相互包络等基本概
念和方法，在各种机构的分析和设计中都得
到广泛应用。
三、开阔思路,设计与创新机械
本课程讲授的机构分析与设计的基本理
论与方法，不仅用于课程所学的机构设计，还
为以后的机械设计打下基础。课程的目的是提
供基本方法，开阔思路，便于运用。根据实际
要求分析比较各种机构的优缺点，合理地选择
机构，构思并设计基本机构和机械系统。
四、更新观念,发展机械学科
? 当今机械学学科的发展已离不开
计算机技术，在学习过程中，充分利
用机构分析与计算机快速计算、存贮
和比较的功能去解决较为复杂的机构
设计问题，把对机械的研究与其他学
科的技术（电、液、气、计算机、控
制等）充分地结合起来，去推动机械
学科的发展。
? 机械原理学科作为机械原理的重要组成
部分，是机械工业和现代技术发展的重要基
础。
? 目前，机械学科和电子学、信息科学、
计算机科学、生物科学、以及管理科学等相
互渗透，相互结合，已成为一门崭新的学科。
? 它的研究领域已扩展到航空航天、深海
作业、生物工程、微观世界、机械电子等。
§ 1-3 机械原理学科的发展
动向
一、机构的结构理论
? 由于机器人、步行机、人工假肢和
新型机器的发展需要，以及机器的动力
日益广泛采用液压与气动，因此近年来
对于多自由度、多闭环的多杆平面连杆
机构以及开式运动链的结构原理有了较
多研究。
二、仿生机构学
? 很多国家对人的手指、手腕和手臂
的结构、动作原理和运动范围的分析研
究，研制出各种多自由度的生物电控或
声控的机械手。
? 同时，在研究人体步态和大小腿的
结构、动作原理和可动范围之后，已研
制出各种类型的两足步行机。
? 人们为了通过松软地面和跨越较大
障碍还努力研究四足步行机、六足步行
机等的步行机理和步行机构学。
? 为了提高沙漠行走效率，还在研究
骆驼足底构造和行走机理。
? 另外，通过研制蛇行机构来探测煤
气管道的故障；
? 通过鱼游机构研制来解决深水中的
探测问题。
三、微型机械
? 微型机械在尺度、构造、材料制造
方法和工作原理等方面都与传统机械截
然不同，它与微电子学、现代光学、气
动力学、液体力学、热力学、声学、磁
学、自动控制、仿生学、材料科学以及
表面物理与化学等领域紧密结合。
? 目前已经研制出
的滑块，直径为 的静电电机，供
情报收集用的, 蚊子机器人, 等等。
? 可以相信，微型人造卫星、在人体
血管内爬行的微型步行机器人以及进行
眼科手术的微型机械手等将研制出来并
应用。
mm ?? 100210 ?
m?60
? 机械原理学科研究领域十分广阔，内容
非常丰富，发展十分迅猛。机械原理学科涌
现出不少前沿研究课题，对我们有极大的吸
引力。
? 作为机械类专业的一门技术基础课，根
据教学要求，只能研究一些有关机构及系统
的基本设计原理和基本方法，以使我们掌握
进一步研究机械原理新课题所必须的知识基
础。
