發(fā)布時(shí)間：2022-04-29所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 針對(duì)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的專業(yè)術(shù)語，定義了 19 個(gè)概念，如帶式鏈、泵的兩個(gè)特征、儲(chǔ)能塊等; 修改了 25 個(gè)概念或分類方法，如凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)、輪系、鍵連結(jié)、軸和軸承等; 使 15 個(gè)概念符合語言學(xué)要求，如疲勞磨損所造成的點(diǎn)損、減小載荷波動(dòng)的改造等。提出了基于
摘要: 針對(duì)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)的專業(yè)術(shù)語，定義了 19 個(gè)概念，如帶式鏈、泵的兩個(gè)特征、儲(chǔ)能塊等; 修改了 25 個(gè)概念或分類方法，如凸輪、齒輪機(jī)構(gòu)、輪系、鍵連結(jié)、軸和軸承等; 使 15 個(gè)概念符合語言學(xué)要求，如疲勞磨損所造成的點(diǎn)損、減小載荷波動(dòng)的改造等。提出了基于嚙合力分析的主動(dòng)斜齒圓柱齒輪所受軸向力方向判斷依據(jù)。研究成果使該學(xué)科的概念更容易被初學(xué)者接受。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械原理; 機(jī)械設(shè)計(jì); 浮板; 儲(chǔ)能塊; 點(diǎn)損; 魯班鎖
機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，目前已臻于成熟。但是，各類機(jī)構(gòu)、機(jī)器和零件的發(fā)明沒有順序，一些定義、分析步驟、分類等存在不科學(xué)性，有些概念在字面上不能代表其主要特性，容易誤導(dǎo)研究方向。在大學(xué)課程體系當(dāng)中，該課程的難度較高，與概念的理解難度不無關(guān)系。
因?yàn)闄C(jī)械原理以理論力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，機(jī)械設(shè)計(jì)以材料力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，所以基本概念的命名必須與基礎(chǔ)學(xué)科和語言學(xué)要求相一致。為便于交流，有些定義同時(shí)給出了英文翻譯。
1 機(jī)械原理學(xué)科
1. 1 新定義的概念
1) 機(jī)構(gòu)和機(jī)器分別為執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的理論模型和可動(dòng)裝置，也可以說機(jī)構(gòu)是機(jī)器的理論模型。構(gòu)體( body) 是構(gòu)件的理論模型。在平面機(jī)構(gòu)當(dāng)中，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)，構(gòu)體可分為桿( rod) 、塊 ( block) 和板( board) 。有兩個(gè)或兩個(gè)以上轉(zhuǎn)動(dòng)副的體定義為桿，如曲柄、搖桿、連桿和多副桿。只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的體定義為塊，如以轉(zhuǎn)動(dòng)副與動(dòng)體相連接的浮塊、以轉(zhuǎn)動(dòng)副與定體相連接的搖塊( swing block) 和以移動(dòng)副與定體相連接的滑塊。原來的導(dǎo)桿屬于搖塊。畫成線狀稱為桿、畫成塊狀稱為塊，是不科學(xué)的。沒有轉(zhuǎn)動(dòng)副的體定義為板，如與定體相連接的滑板和不與定體相連接的浮板。
2) 運(yùn)動(dòng)副根據(jù)所引起的約束數(shù)進(jìn)行分類。在平面當(dāng)中，一個(gè)體有 3 個(gè)自由( freedom) ，其中 2 個(gè)移動(dòng)、1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果以轉(zhuǎn)動(dòng)副與其他體相連接，則該體 失 去 兩 個(gè) 自 由，即 引 入 兩 個(gè) 約 束 ( constraint) 。如果是移動(dòng)副，也相當(dāng)于引入兩個(gè)約束。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副屬于二約束副( biconstraint pair) 。純滾動(dòng)副也屬于二約束副。如果以滾滑副與其他體相連接，則該體失去一個(gè)自由，即引入一個(gè)約束。因此，滾滑副屬于一約束副 ( monoconstraint pair) 。構(gòu)成一約束副需要兩個(gè)構(gòu)件點(diǎn)線接觸且相對(duì)滑動(dòng)兩個(gè)條件。
3) 有移動(dòng)副體的導(dǎo)路。該導(dǎo)路為平行于運(yùn)動(dòng)軌跡的線。對(duì)于桿和塊，導(dǎo)路經(jīng)過某個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中心; 對(duì)于板，導(dǎo)路根據(jù)受力情況確定。塊可視為經(jīng)過轉(zhuǎn)動(dòng)副、垂直于該導(dǎo)路且指向無窮遠(yuǎn)的無限長體。板至少垂直于兩條導(dǎo)路，因此可視為無限大面積的體。
4) 機(jī)構(gòu)的歧運(yùn)動(dòng)位( kinematics bifurcation position) ，指從動(dòng)體會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)分岔的機(jī)構(gòu)位置。當(dāng)機(jī)構(gòu)靜止時(shí)，如果無論驅(qū)動(dòng)力多么大也不能運(yùn)動(dòng)，則該位置稱為卡位( stuck position) [1 - 2]。卡位原名死點(diǎn)( dead point) 。
5) 四次多項(xiàng)式凸輪從動(dòng)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該規(guī)律的速度曲線關(guān)于從動(dòng)體行程中點(diǎn)位置左右對(duì)稱; 該規(guī)律的加速度曲線是中心對(duì)稱的。該對(duì)稱特征與五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，因此該規(guī)律的時(shí)間 - 加速度曲線與五次多項(xiàng)式規(guī)律的該曲線非常相近。
6) 除分度圓之外，斜齒圓柱齒輪的齒形都是近似螺旋線。螺旋形結(jié)構(gòu)的螺旋角隨半徑變化，而齒頂與另一齒輪的齒根相嚙合，則兩者的螺旋角不可能相等。該齒輪傳動(dòng)的重合度( coincidence degree) 也可以根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算。
7) 周轉(zhuǎn)輪系傳動(dòng)比宜采用標(biāo)注方向法計(jì)算。如果齒輪軸線不在同一個(gè)平面內(nèi)，則很難套用固定的公式[3]。任何分類都應(yīng)具有全面性和互異性。依據(jù)有無可動(dòng)軸線，輪系可分為定軸輪系和動(dòng)軸輪系。依據(jù)軸是否為一動(dòng)兩靜，動(dòng)軸輪系可分為復(fù)合輪系和周轉(zhuǎn)輪系。依據(jù)自由數(shù)，周轉(zhuǎn)輪系可分為一自由的和二自由的。
8) 在繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)方程里，質(zhì)心慣性力不出現(xiàn)。經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，繞動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)方程里，也不出現(xiàn)質(zhì)心慣性力，但是多一個(gè)包含動(dòng)軸加速度的慣性項(xiàng)[4 - 6]。
9) 在主動(dòng)體勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下，如果體之間的作用力發(fā)生無窮大的變化，則存在剛性沖擊。
1. 2 強(qiáng)調(diào)和修正的概念
1) 矢量等式的幾何意義。根據(jù)矢量加法的平行四邊形法則，等式兩邊均可合成為同一個(gè)矢量。如果起點(diǎn)相同，則終點(diǎn)重合。在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和轉(zhuǎn)子靜平衡中均有應(yīng)用。
2) 積分的幾何意義。積分是積累被積函數(shù)與積分變量微段的乘積，以積分變量為橫坐標(biāo)，以被積函數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制被積函數(shù)曲線，則該曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積為積分值。在周期性速度波動(dòng)調(diào)節(jié)和從動(dòng)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究中均有應(yīng)用。
3) 直線運(yùn)動(dòng)與圓弧運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一。直線運(yùn)動(dòng)可視為半徑無窮大的圓弧運(yùn)動(dòng)。該概念不僅可以將轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副統(tǒng)一起來，還可判斷體在滾滑副與其他構(gòu)體的連接處所受力的方向。如果忽略其他力，則該力垂直于接觸面切線。
4) 復(fù)雜機(jī)構(gòu)可以視為多個(gè)簡(jiǎn)單四體機(jī)構(gòu)組合與演化的結(jié)果。凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)可認(rèn)為是由四體機(jī)構(gòu)經(jīng)過 1 副 3 代( 1 個(gè)滾滑副代替 1 個(gè)構(gòu)體和 2 個(gè)二約束副) 演化而來的，因此可刪除桿組的概念[7]。
5) 復(fù)雜機(jī)構(gòu)的自由數(shù)。每多組合一個(gè)基本機(jī)構(gòu)則增加一個(gè)自由; 每固結(jié)一對(duì)體則減少一個(gè)自由。基本機(jī)構(gòu)釋放定體之后可稱為自由機(jī)構(gòu)。每多裝載一個(gè)自由機(jī)構(gòu)增加一個(gè)自由。
6) 減小載荷波動(dòng)的機(jī)構(gòu)改造。該改造原來被稱為“機(jī)構(gòu)平衡”。平衡的概念源于質(zhì)量的對(duì)稱，體現(xiàn)為對(duì)離心慣性力的抵消。適當(dāng)?shù)卦黾淤|(zhì)點(diǎn)能起到減小載荷波動(dòng)的作用，但是必須進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)研究。
7) 基于運(yùn)動(dòng)的盤形凸輪機(jī)構(gòu)凸輪基圓定義。如果凸輪做成與該圓大小相同的圓盤，則從動(dòng)體就在最近位置保持不動(dòng)。這有助于理解在運(yùn)用反轉(zhuǎn)法繪制凸輪廓線時(shí)對(duì)從動(dòng)體位移的度量。
8) 凸輪廓線的繪制步驟。畫基圓、偏距圓或擺動(dòng)從動(dòng)體固定轉(zhuǎn)動(dòng)副中心的軌跡圓; 根據(jù)從動(dòng)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律分割該圓; 畫導(dǎo)路或接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡; 根據(jù)位移在導(dǎo)路或該軌跡上取點(diǎn); 光滑連接出理論廓線; 包絡(luò)出實(shí)際輪廓。
9) 基于嚙合力分析的斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)主動(dòng)輪所受軸向力的方向判斷依據(jù)。主要有受力方向?yàn)榻佑|點(diǎn)法線、主動(dòng)輪受到阻力( 與運(yùn)動(dòng)方向相反) 、受力可正交分解為切向力和軸向力等基本概念。與手握齒輪判斷法相比，該判斷方法具有科學(xué)性。
10) 機(jī)構(gòu)裝載式組合形式的新定義[8]。楫機(jī)構(gòu)只有定體與舟機(jī)構(gòu)的某一運(yùn)動(dòng)體固結(jié)。該定義可避免與封閉式組合形式相混淆。
11) 倆體的重疊共線和拉直共線狀態(tài)。該狀態(tài)用于極位夾角計(jì)算和有曲柄條件判斷。
12) 凸輪機(jī)構(gòu)的分類。根據(jù)形狀不同，可分為餅( 盤) 形、棍形、圓柱形等; 根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式不同，可分為轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)且移動(dòng)等。
13) 按照兩軸線相對(duì)位置的齒輪機(jī)構(gòu)分類法。按照兩軸線平行、共線、相交、異面進(jìn)行分類。錐齒輪傳動(dòng)的“軸交角”應(yīng)改為“軸夾角”。錐齒輪的特征角應(yīng)為分度半圓錐角。
1. 3 基于語言特點(diǎn)更名的概念
1) 將機(jī)構(gòu)的自由度( freedom degree) 改為自由數(shù)( freedom number) 。motion 指具體的運(yùn)動(dòng)，而 movement 指抽象的運(yùn)動(dòng)，如學(xué)生運(yùn)動(dòng)、婦女運(yùn)動(dòng)等有一定宗旨的人員流動(dòng)。
2) 將“對(duì)心機(jī)構(gòu)”改為“正置機(jī)構(gòu)”。“正”與 “偏”相對(duì)。
3) 將“正弦機(jī)構(gòu)和正切機(jī)構(gòu)”改為“定塊滑板機(jī)構(gòu)和三塊機(jī)構(gòu)”。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)命名比根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系命名更好。
4) 將“機(jī)構(gòu)再生設(shè)計(jì)方法”改為“機(jī)構(gòu)窮舉創(chuàng)新方法”。設(shè)計(jì)步驟包含四層窮舉，沒有再生的特征。將“一般化”改為“標(biāo)準(zhǔn)化”; 將“運(yùn)動(dòng)鏈”改為 “自由機(jī)構(gòu)”; 將“幾副桿”改為“幾副體”; 將“桿型類配”改為“構(gòu)體類型分配”。
5) 將“復(fù)合鉸鏈”改為“復(fù)合轉(zhuǎn)動(dòng)副”; 將“機(jī)架”改為“定體”; 將“連架桿”改為“轉(zhuǎn)動(dòng)體”; 將 “曲柄”“系桿”等改為“整周轉(zhuǎn)動(dòng)體”; 將“連桿”改為“連接體”。
6) 凸輪體、齒輪體、螺旋分別對(duì)應(yīng)于機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科的凸輪、齒輪和螺桿。螺旋可稱為特殊的齒輪體。原來的齒條應(yīng)稱為齒棍，細(xì)長且不可彎。
2 機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科
2. 1 新定義的概念
1) 振動(dòng)穩(wěn)定性。固有頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率的能力，即不發(fā)生共振的能力[8]。
2) 限制振幅或振動(dòng)破壞力的減震。該措施是增加彈性阻尼元件，緩和沖擊力和吸收沖擊能力。
3) 十字滑塊( 浮板) 連軸器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖。在軸線橫截面上，軸心為機(jī)架鉸接點(diǎn); 十字滑塊可畫成塊狀或直角桿狀的浮板，軸可畫成塊狀或桿狀的搖塊。如果在多個(gè)平面內(nèi)設(shè)計(jì)多移動(dòng)副機(jī)構(gòu)，則裝拆技巧較難掌握，如魯班鎖[9]。
4) 規(guī)則形狀的減速器。可充分利用小零件所留出的空間加裝飛輪。
5) 泵的兩個(gè)特征。一是接受外部動(dòng)力; 二是具有增壓功能。抽油桿下端的裝置沒有該特征，應(yīng)稱為柱塞器。
6) 可儲(chǔ)放能量和調(diào)節(jié)載荷波動(dòng)的儲(chǔ)能塊。依靠該質(zhì)量塊的起伏可調(diào)節(jié)所需動(dòng)力的波動(dòng)范圍[6]。
7) 基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和矢量運(yùn)算的萬向連軸節(jié)速比關(guān)系式[4]。
8) 粗糙度代替光潔度的解釋。后者凸顯機(jī)加工的效果，給人積極正面的心理感覺。但是，光潔度越高，表征值卻越小，不符合自然邏輯。
9) 摩擦分為靜摩擦和動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦屬于靜摩擦[10]。
10) 機(jī)械的振動(dòng)控制有主動(dòng)、被動(dòng)、干預(yù)控制[11]三類。控制: 在動(dòng)態(tài)中尋找規(guī)律而主動(dòng)干預(yù)，以期獲得更好的結(jié)果，如監(jiān)督到位和糾偏。
2. 2 強(qiáng)調(diào)和修正的概念
1) 鍵與軸轂的連結(jié)形式分類。安裝時(shí)不需裝配力，則稱為松連結(jié); 否則，稱為緊連結(jié)。軸上零件安裝之后軸向位置不可動(dòng)的，稱為不可錯(cuò)位連結(jié)，如普通平鍵、半圓鍵; 反之，稱為可錯(cuò)位連結(jié)，如導(dǎo)向平鍵。
2) 靠嚙合傳遞動(dòng)力的帶式鏈。帶和鏈傳動(dòng)的工作原理分別是摩擦和嚙合。在鏈上包一層帶，并不改變鏈的特征; 帶式鏈?zhǔn)怯萌嵝圆牧献龀傻逆湥瓉肀环Q為同步帶。
3) 軸的分類。依據(jù)軸線形狀，可分為直軸、彎曲軸( 包括曲柄軸) 和軟軸等; 依據(jù)受載，可分為受彎扭軸、受彎軸和受扭軸等; 依據(jù)工作方式，可分為橫向傳動(dòng)軸、縱向傳動(dòng)軸、雙向傳動(dòng)軸和支承軸等。
4) 軸的共振轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的固有頻率，使轉(zhuǎn)子發(fā)生共振。該轉(zhuǎn)速類似于飛機(jī)因音障而難以提高的飛行速度，曾命名為臨界轉(zhuǎn)速。
5) 軸承的定義。由可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩部分或多部分組成，其中一部分為可與軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。
6) 滑動(dòng)軸承由軸頸和軸支承組成。兩者之間如果存在其他零件，則可稱為浮環(huán)。軸套、軸瓦及軸支承襯料需要耐磨且不應(yīng)影響軸頸的耐磨性。
7) 滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合采用特殊的基孔制，以有孔零件的最小實(shí)體為基準(zhǔn)，該孔的上偏差為零。
8) 依據(jù)受力方向，軸承分為徑向和軸向軸承。徑向軸承原來也稱為向心軸承，軸向軸承原來被稱為推力軸承。
9) 取消計(jì)算載荷、名義載荷的定義，將載荷系數(shù)與材料特性、應(yīng)力特性、表面狀態(tài)系數(shù)、尺寸系數(shù)、應(yīng)力集中系數(shù)等一起作為安全系數(shù)的修正項(xiàng)處理。綜合考慮各種情況，直接評(píng)估該系數(shù)。
10) 疲勞磨損造成點(diǎn)損( pitting damage) 。頻繁擠壓之后出現(xiàn)微裂紋，不擠壓時(shí)油或空氣進(jìn)入裂紋，再擠壓時(shí)形成高壓導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，直至表層金屬呈小片狀剝落下來，從而在零件表面形成一些小坑。該過程與腐蝕( corrosion) 無關(guān)。點(diǎn)損原來被稱為點(diǎn)蝕。
11) 帶傳動(dòng)的形式可分為不交叉?zhèn)鲃?dòng)、交叉?zhèn)鲃?dòng)、半交叉?zhèn)鲃?dòng)。不交叉?zhèn)鲃?dòng)原來被稱為開口傳動(dòng)。根據(jù)截面形狀，帶可分為矩形帶( 平帶) 、楔形帶( V 帶) 、多楔帶和圓形帶等。
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12) 帶的最大應(yīng)力出現(xiàn)在緊邊與小帶輪接觸處( 小帶輪主動(dòng)則為繞入，小帶輪從動(dòng)則為繞出) 。
2. 3 基于語言特點(diǎn)更名的概念
1) 靜應(yīng)力改為定應(yīng)力，與變應(yīng)力相對(duì)應(yīng)。
2) 兩個(gè)零件相連，允許相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則稱為“連接”，兩個(gè)零件屬于不同構(gòu)件; 兩個(gè)零件相連，不允許相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則稱為“連結(jié)”，兩個(gè)零件屬于同一個(gè)構(gòu)件。“連”指具體的，“聯(lián)”指抽象的。
3) 支承與支撐。支承指外部作用的實(shí)體，迎著外載方向作用，如軸支承。支撐指內(nèi)部作用。
4) 機(jī)械原理的體可以是機(jī)械設(shè)計(jì)的零部件、軸系、零件、機(jī)架等; 轉(zhuǎn)動(dòng)副可以是鉸鏈、軸承等; 移動(dòng)副可以是導(dǎo)軌、滑軌等。
5) 依據(jù)形狀和功能，零件可命名為桿、柄、環(huán)、圈、盤、蓋、板、軸、支承、叉架、箱體、機(jī)架、軌等。
6) 提供振動(dòng)源的作動(dòng)器。“作”指作出具體的事物。“做”的對(duì)象是事情或動(dòng)作。“做”出的對(duì)象包括主體在內(nèi)。
7) 材料的韌性與脆性相對(duì)，代表“受較大的力之后變形而不損壞”與“不變形而損壞”的相對(duì)。
8) 撓性與柔性代表變形時(shí)零件是“有限節(jié)”還是“無限節(jié)”的相對(duì)。
9) 鏈傳動(dòng)的“銷軸、套筒和滾子”分別更正為 “軸、軸套和套筒”。軸與軸套組成軸承實(shí)現(xiàn)鏈的撓性。
3 結(jié)束語
本文對(duì)目前機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)科補(bǔ)充了新概念，改進(jìn)與更正了一些缺乏科學(xué)性的概念，有助于初學(xué)者學(xué)習(xí)和掌握，也有助于學(xué)科的發(fā)展。
在新舊概念并存期間，新概念對(duì)老專家來說一目了然，在理解上沒有障礙; 舊概念對(duì)初學(xué)者來說不難對(duì)照。同時(shí)給出的英文，有助于國際交流。——論文作者：李春明1，2 ，劉 慶2 ，劉 曉2 ，孫 鳳2 ，曹 惠2 ，尹曉麗2
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