机械系统动力学——绪论

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1、幻灯片1任何机械都有运动，都要受力作用。机械系统动力学就是研究机械在力作用下运动规律和机械在运动过程中产生力的科学。幻灯片2幻灯片3幻灯片4幻灯片5幻灯片6幻灯片7幻灯片8幻灯片91已知机构的运动状态和工作阻力，求解输入转矩和各运动副反力及其变化规律。2.给定机器的输入转矩和工作阻力，求解机器的实际运动规律。幻灯片10以牛头刨床为例来说明动力学的正问题和反问题。在设计过程中首先根据工作要求选定了这个特定的六杆机构，并完成了其运动学设计，确定了电动机的转速、各级传动的传动比和各构件的基本几何尺寸。为了确定电动机的功率，为了验算各构件的强度和轴承的寿命，

2、就需要根据牛头刨床的载荷求出应该施加于原动件的平衡力矩和各运动副中的反力，这就是动力学中的反问题。在求解动力学反问题时，我们做了一个假定：电动机和曲柄都是匀速回转的。实际上电动机输出的转矩并不能严格等于求解动力学反问题时所算出的平衡力矩。因而曲柄并不能保证等速回转这一假定，因而存在角速度的周期波动性，这种波动对加工质量不利，对机器的强度寿命也不利，此时需要安装飞轮加以控制。这就需要根据电动机的机械特性和牛头刨床的负载来计算机器的实际运动规律，这就是动力学的正问题。幻灯片11根据工作要求完成运动学设计。动力学的反问题在机器人分析中至关重要，他是机器人控

3、制设计的基础。这是机器人动态仿真的基础。幻灯片12这里的水平是指：“分析方法的水平”人们对生产率的不断追求，使得机械的运转速度不断提高；与此同时，人们总是希望使用的机器轻巧一些，材质的改善使得构件的截面可以设计得更小一些，这样就减轻了重量、节省了材料；速度高了使得机器中的惯性力增大，截面小了使得构件的柔性加大，这样使得系统更容易产生振动，振动降低了机械的精度和寿命，恶化了劳动条件，污染了环境。由于动力学研究的复杂性，人们常常引入一些假定，使问题的研究过程简化。随着生产实践的发展对动力学分析的准确度提出了新的要求；而科学技术的发展又为动力学分析提供了新

4、的理论和分析手段。动力学的发展趋势是：逐步将这些假定抛弃，使得分析更接近客观实际。幻灯片13对于低速机械，运动中产生的惯性力可以忽略不计。对于机械运动过程中的各个位置，可用静力学方法求出为了平衡需要在驱动件上施加的力或力矩，以及各运动副中的反力。这是最早的方法，直到现在仍然对低速机械用这种办法计算原动件的功率、构件的强度和运动副的承载能力。随着机械速度的提高，惯性力不能再被忽略，此时可根据达朗伯原理将惯性力加入静平衡方程进行求解，这种方法就称为动态静力方法。为了求出惯性力，就必须知道构件的加速度。因此在动态静力分析之前首先要进行运动学分析，而在运动学

5、分析时总是假定构件是按某一给定的理想运动规律运动，多数驱动构件均被假定做等速回转运动。由于采用了等速回转这一假定，在动态静力分析中便不涉及原动机的特性，因而，着本质上是一种理想运动状态下的力学分析。现在在许多速度较高的机械中，用动态静力分析代替了静力分析。在力的作用下，机械很难维持“驱动件等速回转”这种假定。尽管这种假定在许多情形下是允许的，但在实际运动中常常需要知道系统的真实运动规律，因而进行动力分析就是求出在外力作用下系统的真实运动，用于解决动力学的正问题。由于分析的对象是整个机械系统，所以又称为机械系统动力学。幻灯片14由于动力学研究的复杂性，

6、人们常常引入一些假定，使问题的研究过程简化。随着生产实践的发展对动力学分析的准确度提出了新的要求；而科学技术的发展又为动力学分析提供了新的理论和分析手段。动力学的发展趋势是：逐步将这些假定抛弃，使得分析更接近客观实际。幻灯片15机械运转速度的不断提高是机械发展最为突出的特征，他是推动机械动力学发展的第一因素。使得动力学分析方法从静力学发展到动态静力分析，再发展到动力学分析和弹性动力学分析，考虑的因素越来越多，越来越符合实际情况，分析的程度越来越高。幻灯片16轻量化是现代机械设计的另一特征。能源与资源的危机，向机械产品提出了节能、节材的要求；材质的改善

7、和优化设计方法的发展使得机械产品轻量化成为可能。机械弹性动力学的发展直接与轻量化相联系。精密化要求机械的实际运动尽可能与期望值一致，这就要求在分析误差时尽可能计入各种影响因素，如间隙、弹性、制造误差等。在高速情况下，动态精度与静态精度有很大的区别。精密机床的动态性能研究、高速间歇机构的动态定位精度研究就是这样发展起来的。动态设计方法是近几十年来才发展起来的设计方法，长期以来普遍采用的是静态设计。这是一种头痛医头，脚痛医脚的办法。这种方法局部枝节问题可能有效，但是对于一些全局性重大问题难以补救，甚至无法补救。最终造成重大返工事故。对于动态特性起决定性作

8、用的机械，必须在设计、制造、管理的各个阶段采取综合性措施，直接、早期就要考虑动力学问题。幻灯片17高速旋转机