发布时间：2022-04-29所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要: 针对机械原理和机械设计的专业术语，定义了 19 个概念，如带式链、泵的两个特征、储能块等; 修改了 25 个概念或分类方法，如凸轮、齿轮机构、轮系、键连结、轴和轴承等; 使 15 个概念符合语言学要求，如疲劳磨损所造成的点损、减小载荷波动的改造等。提出了基于
摘要: 针对机械原理和机械设计的专业术语，定义了 19 个概念，如带式链、泵的两个特征、储能块等; 修改了 25 个概念或分类方法，如凸轮、齿轮机构、轮系、键连结、轴和轴承等; 使 15 个概念符合语言学要求，如疲劳磨损所造成的点损、减小载荷波动的改造等。提出了基于啮合力分析的主动斜齿圆柱齿轮所受轴向力方向判断依据。研究成果使该学科的概念更容易被初学者接受。
关键词: 机械原理; 机械设计; 浮板; 储能块; 点损; 鲁班锁
机械原理和机械设计学科经历了漫长的发展过程，目前已臻于成熟。但是，各类机构、机器和零件的发明没有顺序，一些定义、分析步骤、分类等存在不科学性，有些概念在字面上不能代表其主要特性，容易误导研究方向。在大学课程体系当中，该课程的难度较高，与概念的理解难度不无关系。
因为机械原理以理论力学和多体动力学为基础，机械设计以材料力学和弹性力学为基础，所以基本概念的命名必须与基础学科和语言学要求相一致。为便于交流，有些定义同时给出了英文翻译。
1 机械原理学科
1. 1 新定义的概念
1) 机构和机器分别为执行机械运动的理论模型和可动装置，也可以说机构是机器的理论模型。构体( body) 是构件的理论模型。在平面机构当中，根据转动副的个数，构体可分为杆( rod) 、块 ( block) 和板( board) 。有两个或两个以上转动副的体定义为杆，如曲柄、摇杆、连杆和多副杆。只有一个转动副的体定义为块，如以转动副与动体相连接的浮块、以转动副与定体相连接的摇块( swing block) 和以移动副与定体相连接的滑块。原来的导杆属于摇块。画成线状称为杆、画成块状称为块，是不科学的。没有转动副的体定义为板，如与定体相连接的滑板和不与定体相连接的浮板。
2) 运动副根据所引起的约束数进行分类。在平面当中，一个体有 3 个自由( freedom) ，其中 2 个移动、1 个转动。如果以转动副与其他体相连接，则该体 失 去 两 个 自 由，即 引 入 两 个 约 束 ( constraint) 。如果是移动副，也相当于引入两个约束。因此，转动副和移动副属于二约束副( biconstraint pair) 。纯滚动副也属于二约束副。如果以滚滑副与其他体相连接，则该体失去一个自由，即引入一个约束。因此，滚滑副属于一约束副 ( monoconstraint pair) 。构成一约束副需要两个构件点线接触且相对滑动两个条件。
3) 有移动副体的导路。该导路为平行于运动轨迹的线。对于杆和块，导路经过某个转动副中心; 对于板，导路根据受力情况确定。块可视为经过转动副、垂直于该导路且指向无穷远的无限长体。板至少垂直于两条导路，因此可视为无限大面积的体。
4) 机构的歧运动位( kinematics bifurcation position) ，指从动体会出现运动分岔的机构位置。当机构静止时，如果无论驱动力多么大也不能运动，则该位置称为卡位( stuck position) [1 - 2]。卡位原名死点( dead point) 。
5) 四次多项式凸轮从动体运动规律。该规律的速度曲线关于从动体行程中点位置左右对称; 该规律的加速度曲线是中心对称的。该对称特征与五次多项式运动规律相同，因此该规律的时间 - 加速度曲线与五次多项式规律的该曲线非常相近。
6) 除分度圆之外，斜齿圆柱齿轮的齿形都是近似螺旋线。螺旋形结构的螺旋角随半径变化，而齿顶与另一齿轮的齿根相啮合，则两者的螺旋角不可能相等。该齿轮传动的重合度( coincidence degree) 也可以根据几何关系计算。
7) 周转轮系传动比宜采用标注方向法计算。如果齿轮轴线不在同一个平面内，则很难套用固定的公式[3]。任何分类都应具有全面性和互异性。依据有无可动轴线，轮系可分为定轴轮系和动轴轮系。依据轴是否为一动两静，动轴轮系可分为复合轮系和周转轮系。依据自由数，周转轮系可分为一自由的和二自由的。
8) 在绕定轴转动的刚体转动方程里，质心惯性力不出现。经过严密的数学推导，绕动轴转动的刚体转动方程里，也不出现质心惯性力，但是多一个包含动轴加速度的惯性项[4 - 6]。
9) 在主动体匀速转动的前提下，如果体之间的作用力发生无穷大的变化，则存在刚性冲击。
1. 2 强调和修正的概念
1) 矢量等式的几何意义。根据矢量加法的平行四边形法则，等式两边均可合成为同一个矢量。如果起点相同，则终点重合。在机构的运动学、动力学分析和转子静平衡中均有应用。
2) 积分的几何意义。积分是积累被积函数与积分变量微段的乘积，以积分变量为横坐标，以被积函数为纵坐标，绘制被积函数曲线，则该曲线与坐标轴所围成的面积为积分值。在周期性速度波动调节和从动体运动规律研究中均有应用。
3) 直线运动与圆弧运动的统一。直线运动可视为半径无穷大的圆弧运动。该概念不仅可以将转动副和移动副统一起来，还可判断体在滚滑副与其他构体的连接处所受力的方向。如果忽略其他力，则该力垂直于接触面切线。
4) 复杂机构可以视为多个简单四体机构组合与演化的结果。凸轮机构和齿轮机构可认为是由四体机构经过 1 副 3 代( 1 个滚滑副代替 1 个构体和 2 个二约束副) 演化而来的，因此可删除杆组的概念[7]。
5) 复杂机构的自由数。每多组合一个基本机构则增加一个自由; 每固结一对体则减少一个自由。基本机构释放定体之后可称为自由机构。每多装载一个自由机构增加一个自由。
6) 减小载荷波动的机构改造。该改造原来被称为“机构平衡”。平衡的概念源于质量的对称，体现为对离心惯性力的抵消。适当地增加质点能起到减小载荷波动的作用，但是必须进行详细的动力学研究。
7) 基于运动的盘形凸轮机构凸轮基圆定义。如果凸轮做成与该圆大小相同的圆盘，则从动体就在最近位置保持不动。这有助于理解在运用反转法绘制凸轮廓线时对从动体位移的度量。
8) 凸轮廓线的绘制步骤。画基圆、偏距圆或摆动从动体固定转动副中心的轨迹圆; 根据从动体运动规律分割该圆; 画导路或接触点运动轨迹; 根据位移在导路或该轨迹上取点; 光滑连接出理论廓线; 包络出实际轮廓。
9) 基于啮合力分析的斜齿圆柱齿轮传动主动轮所受轴向力的方向判断依据。主要有受力方向为接触点法线、主动轮受到阻力( 与运动方向相反) 、受力可正交分解为切向力和轴向力等基本概念。与手握齿轮判断法相比，该判断方法具有科学性。
10) 机构装载式组合形式的新定义[8]。楫机构只有定体与舟机构的某一运动体固结。该定义可避免与封闭式组合形式相混淆。
11) 俩体的重叠共线和拉直共线状态。该状态用于极位夹角计算和有曲柄条件判断。
12) 凸轮机构的分类。根据形状不同，可分为饼( 盘) 形、棍形、圆柱形等; 根据运动形式不同，可分为转动、移动、转动且移动等。
13) 按照两轴线相对位置的齿轮机构分类法。按照两轴线平行、共线、相交、异面进行分类。锥齿轮传动的“轴交角”应改为“轴夹角”。锥齿轮的特征角应为分度半圆锥角。
1. 3 基于语言特点更名的概念
1) 将机构的自由度( freedom degree) 改为自由数( freedom number) 。motion 指具体的运动，而 movement 指抽象的运动，如学生运动、妇女运动等有一定宗旨的人员流动。
2) 将“对心机构”改为“正置机构”。“正”与 “偏”相对。
3) 将“正弦机构和正切机构”改为“定块滑板机构和三块机构”。根据结构特点命名比根据运动学参数之间的关系命名更好。
4) 将“机构再生设计方法”改为“机构穷举创新方法”。设计步骤包含四层穷举，没有再生的特征。将“一般化”改为“标准化”; 将“运动链”改为 “自由机构”; 将“几副杆”改为“几副体”; 将“杆型类配”改为“构体类型分配”。
5) 将“复合铰链”改为“复合转动副”; 将“机架”改为“定体”; 将“连架杆”改为“转动体”; 将 “曲柄”“系杆”等改为“整周转动体”; 将“连杆”改为“连接体”。
6) 凸轮体、齿轮体、螺旋分别对应于机械设计学科的凸轮、齿轮和螺杆。螺旋可称为特殊的齿轮体。原来的齿条应称为齿棍，细长且不可弯。
2 机械设计学科
2. 1 新定义的概念
1) 振动稳定性。固有频率远离激励频率的能力，即不发生共振的能力[8]。
2) 限制振幅或振动破坏力的减震。该措施是增加弹性阻尼元件，缓和冲击力和吸收冲击能力。
3) 十字滑块( 浮板) 连轴器的机构运动示意图。在轴线横截面上，轴心为机架铰接点; 十字滑块可画成块状或直角杆状的浮板，轴可画成块状或杆状的摇块。如果在多个平面内设计多移动副机构，则装拆技巧较难掌握，如鲁班锁[9]。
4) 规则形状的减速器。可充分利用小零件所留出的空间加装飞轮。
5) 泵的两个特征。一是接受外部动力; 二是具有增压功能。抽油杆下端的装置没有该特征，应称为柱塞器。
6) 可储放能量和调节载荷波动的储能块。依靠该质量块的起伏可调节所需动力的波动范围[6]。
7) 基于多体系统动力学理论和矢量运算的万向连轴节速比关系式[4]。
8) 粗糙度代替光洁度的解释。后者凸显机加工的效果，给人积极正面的心理感觉。但是，光洁度越高，表征值却越小，不符合自然逻辑。
9) 摩擦分为静摩擦和动摩擦，滚动摩擦属于静摩擦[10]。
10) 机械的振动控制有主动、被动、干预控制[11]三类。控制: 在动态中寻找规律而主动干预，以期获得更好的结果，如监督到位和纠偏。
2. 2 强调和修正的概念
1) 键与轴毂的连结形式分类。安装时不需装配力，则称为松连结; 否则，称为紧连结。轴上零件安装之后轴向位置不可动的，称为不可错位连结，如普通平键、半圆键; 反之，称为可错位连结，如导向平键。
2) 靠啮合传递动力的带式链。带和链传动的工作原理分别是摩擦和啮合。在链上包一层带，并不改变链的特征; 带式链是用柔性材料做成的链，原来被称为同步带。
3) 轴的分类。依据轴线形状，可分为直轴、弯曲轴( 包括曲柄轴) 和软轴等; 依据受载，可分为受弯扭轴、受弯轴和受扭轴等; 依据工作方式，可分为横向传动轴、纵向传动轴、双向传动轴和支承轴等。
4) 轴的共振转速，该转速对应于转子的固有频率，使转子发生共振。该转速类似于飞机因音障而难以提高的飞行速度，曾命名为临界转速。
5) 轴承的定义。由可以发生相对转动的两部分或多部分组成，其中一部分为可与轴同速转动的装置。
6) 滑动轴承由轴颈和轴支承组成。两者之间如果存在其他零件，则可称为浮环。轴套、轴瓦及轴支承衬料需要耐磨且不应影响轴颈的耐磨性。
7) 滚动轴承内圈与轴的配合采用特殊的基孔制，以有孔零件的最小实体为基准，该孔的上偏差为零。
8) 依据受力方向，轴承分为径向和轴向轴承。径向轴承原来也称为向心轴承，轴向轴承原来被称为推力轴承。
9) 取消计算载荷、名义载荷的定义，将载荷系数与材料特性、应力特性、表面状态系数、尺寸系数、应力集中系数等一起作为安全系数的修正项处理。综合考虑各种情况，直接评估该系数。
10) 疲劳磨损造成点损( pitting damage) 。频繁挤压之后出现微裂纹，不挤压时油或空气进入裂纹，再挤压时形成高压导致裂纹扩展，直至表层金属呈小片状剥落下来，从而在零件表面形成一些小坑。该过程与腐蚀( corrosion) 无关。点损原来被称为点蚀。
11) 带传动的形式可分为不交叉传动、交叉传动、半交叉传动。不交叉传动原来被称为开口传动。根据截面形状，带可分为矩形带( 平带) 、楔形带( V 带) 、多楔带和圆形带等。
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12) 带的最大应力出现在紧边与小带轮接触处( 小带轮主动则为绕入，小带轮从动则为绕出) 。
2. 3 基于语言特点更名的概念
1) 静应力改为定应力，与变应力相对应。
2) 两个零件相连，允许相对运动，则称为“连接”，两个零件属于不同构件; 两个零件相连，不允许相对运动，则称为“连结”，两个零件属于同一个构件。“连”指具体的，“联”指抽象的。
3) 支承与支撑。支承指外部作用的实体，迎着外载方向作用，如轴支承。支撑指内部作用。
4) 机械原理的体可以是机械设计的零部件、轴系、零件、机架等; 转动副可以是铰链、轴承等; 移动副可以是导轨、滑轨等。
5) 依据形状和功能，零件可命名为杆、柄、环、圈、盘、盖、板、轴、支承、叉架、箱体、机架、轨等。
6) 提供振动源的作动器。“作”指作出具体的事物。“做”的对象是事情或动作。“做”出的对象包括主体在内。
7) 材料的韧性与脆性相对，代表“受较大的力之后变形而不损坏”与“不变形而损坏”的相对。
8) 挠性与柔性代表变形时零件是“有限节”还是“无限节”的相对。
9) 链传动的“销轴、套筒和滚子”分别更正为 “轴、轴套和套筒”。轴与轴套组成轴承实现链的挠性。
3 结束语
本文对目前机械原理和机械设计学科补充了新概念，改进与更正了一些缺乏科学性的概念，有助于初学者学习和掌握，也有助于学科的发展。
在新旧概念并存期间，新概念对老专家来说一目了然，在理解上没有障碍; 旧概念对初学者来说不难对照。同时给出的英文，有助于国际交流。——论文作者：李春明1，2 ，刘 庆2 ，刘 晓2 ，孙 凤2 ，曹 惠2 ，尹晓丽2
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