機械原理和機械設(shè)計的概念商榷

李春明，劉 慶，劉 曉，孫 鳳，曹 惠，尹曉麗

(1.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院，山東 青島 266580)(2.山東石油化工學(xué)院，山東 東營 257061)

機械原理和機械設(shè)計學(xué)科經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，目前已臻于成熟。但是，各類機構(gòu)、機器和零件的發(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。

因為機械原理以理論力學(xué)和多體動力學(xué)為基礎(chǔ)，機械設(shè)計以材料力學(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，有些定義同時給出了英文翻譯。

1 機械原理學(xué)科

1.1 新定義的概念

1)機構(gòu)和機器分別為執(zhí)行機械運動的理論模型和可動裝置，也可以說機構(gòu)是機器的理論模型。構(gòu)體(body)是構(gòu)件的理論模型。在平面機構(gòu)當(dāng)中，根據(jù)轉(zhuǎn)動副的個數(shù)，構(gòu)體可分為桿(rod)、塊(block)和板(board)。有兩個或兩個以上轉(zhuǎn)動副的體定義為桿，如曲柄、搖桿、連桿和多副桿。只有一個轉(zhuǎn)動副的體定義為塊，如以轉(zhuǎn)動副與動體相連接的浮塊、以轉(zhuǎn)動副與定體相連接的搖塊(swing block)和以移動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)運動副根據(jù)所引起的約束數(shù)進行分類。在平面當(dāng)中，一個體有3個自由(freedom)，其中2個移動、1個轉(zhuǎn)動。如果以轉(zhuǎn)動副與其他體相連接，則該體失去兩個自由，即引入兩個約束(constraint)。如果是移動副，也相當(dāng)于引入兩個約束。因此，轉(zhuǎn)動副和移動副屬于二約束副(biconstraint pair)。純滾動副也屬于二約束副。如果以滾滑副與其他體相連接，則該體失去一個自由，即引入一個約束。因此，滾滑副屬于一約束副(monoconstraint pair)。構(gòu)成一約束副需要兩個構(gòu)件點線接觸且相對滑動兩個條件。

3)有移動副體的導(dǎo)路。該導(dǎo)路為平行于運動軌跡的線。對于桿和塊，導(dǎo)路經(jīng)過某個轉(zhuǎn)動副中心；對于板，導(dǎo)路根據(jù)受力情況確定。塊可視為經(jīng)過轉(zhuǎn)動副、垂直于該導(dǎo)路且指向無窮遠的無限長體。板至少垂直于兩條導(dǎo)路，因此可視為無限大面積的體。

4)機構(gòu)的歧運動位(kinematics bifurcation position)，指從動體會出現(xiàn)運動分岔的機構(gòu)位置。當(dāng)機構(gòu)靜止時，如果無論驅(qū)動力多么大也不能運動，則該位置稱為卡位(stuck position)[1-2]。卡位原名死點(dead point)。

5)四次多項式凸輪從動體運動規(guī)律。該規(guī)律的速度曲線關(guān)于從動體行程中點位置左右對稱；該規(guī)律的加速度曲線是中心對稱的。該對稱特征與五次多項式運動規(guī)律相同，因此該規(guī)律的時間-加速度曲線與五次多項式規(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。該齒輪傳動的重合度(coincidence degree)也可以根據(jù)幾何關(guān)系計算。

7)周轉(zhuǎn)輪系傳動比宜采用標注方向法計算。如果齒輪軸線不在同一個平面內(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)有無可動軸線，輪系可分為定軸輪系和動軸輪系。依據(jù)軸是否為一動兩靜，動軸輪系可分為復(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)動的剛體轉(zhuǎn)動方程里，質(zhì)心慣性力不出現(xiàn)。經(jīng)過嚴密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，繞動軸轉(zhuǎn)動的剛體轉(zhuǎn)動方程里，也不出現(xiàn)質(zhì)心慣性力，但是多一個包含動軸加速度的慣性項[4-6]。

9)在主動體勻速轉(zhuǎn)動的前提下，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矢量。如果起點相同，則終點重合。在機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(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，以被積函數(shù)為縱坐標，繪制被積函數(shù)曲線，則該曲線與坐標軸所圍成的面積為積分值。在周期性速度波動調(diào)節(jié)和從動體運動規(guī)律研究中均有應(yīng)用。

3)直線運動與圓弧運動的統(tǒng)一。直線運動可視為半徑無窮大的圓弧運動。該概念不僅可以將轉(zhuǎn)動副和移動副統(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)雜機構(gòu)可以視為多個簡單四體機構(gòu)組合與演化的結(jié)果。凸輪機構(gòu)和齒輪機構(gòu)可認為是由四體機構(gòu)經(jīng)過1副3代(1個滾滑副代替1個構(gòu)體和2個二約束副)演化而來的，因此可刪除桿組的概念[7]。

5)復(fù)雜機構(gòu)的自由數(shù)。每多組合一個基本機構(gòu)則增加一個自由；每固結(jié)一對體則減少一個自由?；緳C構(gòu)釋放定體之后可稱為自由機構(gòu)。每多裝載一個自由機構(gòu)增加一個自由。

6)減小載荷波動的機構(gòu)改造。該改造原來被稱為“機構(gòu)平衡”。平衡的概念源于質(zhì)量的對稱，體現(xiàn)為對離心慣性力的抵消。適當(dāng)?shù)卦黾淤|(zhì)點能起到減小載荷波動的作用，但是必須進行詳細的動力學(xué)研究。

7)基于運動的盤形凸輪機構(gòu)凸輪基圓定義。如果凸輪做成與該圓大小相同的圓盤，則從動體就在最近位置保持不動。這有助于理解在運用反轉(zhuǎn)法繪制凸輪廓線時對從動體位移的度量。

8)凸輪廓線的繪制步驟。畫基圓、偏距圓或擺動從動體固定轉(zhuǎn)動副中心的軌跡圓；根據(jù)從動體運動規(guī)律分割該圓；畫導(dǎo)路或接觸點運動軌跡；根據(jù)位移在導(dǎo)路或該軌跡上取點；光滑連接出理論廓線；包絡(luò)出實際輪廓。

9)基于嚙合力分析的斜齒圓柱齒輪傳動主動輪所受軸向力的方向判斷依據(jù)。主要有受力方向為接觸點法線、主動輪受到阻力(與運動方向相反)、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)機構(gòu)裝載式組合形式的新定義[8]。楫機構(gòu)只有定體與舟機構(gòu)的某一運動體固結(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)用于極位夾角計算和有曲柄條件判斷。

12)凸輪機構(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)運動形式不同，可分為轉(zhuǎn)動、移動、轉(zhuǎn)動且移動等。

13)按照兩軸線相對位置的齒輪機構(gòu)分類法。按照兩軸線平行、共線、相交、異面進行分類。錐齒輪傳動的“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 基于語言特點更名的概念

1)將機構(gòu)的自由度(freedom degree)改為自由數(shù)(freedom number)。motion指具體的運動，而movement指抽象的運動，如學(xué)生運動、婦女運動等有一定宗旨的人員流動。

2)將“對心機構(gòu)”改為“正置機構(gòu)”。“正”與“偏”相對。

3)將“正弦機構(gòu)和正切機構(gòu)”改為“定塊滑板機構(gòu)和三塊機構(gòu)”。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點命名比根據(jù)運動學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系命名更好。

4)將“機構(gòu)再生設(shè)計方法”改為“機構(gòu)窮舉創(chuàng)新方法”。設(shè)計步驟包含四層窮舉，沒有再生的特征。將“一般化”改為“標準化”；將“運動鏈”改為“自由機構(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)動副”；將“機架”改為“定體”；將“連架桿”改為“轉(zhuǎn)動體”；將“曲柄”“系桿”等改為“整周轉(zhuǎn)動體”；將“連桿”改為“連接體”。

6)凸輪體、齒輪體、螺旋分別對應(yīng)于機械設(shè)計學(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，細長且不可彎。

2 機械設(shè)計學(xué)科

2.1 新定義的概念

1)振動穩(wěn)定性。固有頻率遠離激勵頻率的能力，即不發(fā)生共振的能力[8]。

2)限制振幅或振動破壞力的減震。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)連軸器的機構(gòu)運動示意圖。在軸線橫截面上，軸心為機架鉸接點；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。如果在多個平面內(nèi)設(shè)計多移動副機構(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)泵的兩個特征。一是接受外部動力；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)可儲放能量和調(diào)節(jié)載荷波動的儲能塊。依靠該質(zhì)量塊的起伏可調(diào)節(jié)所需動力的波動范圍[6]。

7)基于多體系統(tǒng)動力學(xué)理論和矢量運算的萬向連軸節(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摩擦，滾動摩擦屬于靜摩擦[10]。

10)機械的振動控制有主動、被動、干預(yù)控制[11]三類。控制：在動態(tài)中尋找規(guī)律而主動干預(yù)，以期獲得更好的結(jié)果，如監(jiān)督到位和糾偏。

2.2 強調(diào)和修正的概念

1)鍵與軸轂的連結(jié)形式分類。安裝時不需裝配力，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的，稱為不可錯位連結(jié)，如普通平鍵、半圓鍵；反之，稱為可錯位連結(jié)，如導(dǎo)向平鍵。

2)靠嚙合傳遞動力的帶式鏈。帶和鏈傳動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；帶式鏈是用柔性材料做成的鏈，原來被稱為同步帶。

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，可分為橫向傳動軸、縱向傳動軸、雙向傳動軸和支承軸等。

4)軸的共振轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速對應(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)生相對轉(zhuǎn)動的兩部分或多部分組成，其中一部分為可與軸同速轉(zhuǎn)動的裝置。

6)滑動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體為基準，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)的修正項處理。綜合考慮各種情況，直接評估該系數(shù)。

10)疲勞磨損造成點損(pitting damage)。頻繁擠壓之后出現(xiàn)微裂紋，不擠壓時油或空氣進入裂紋，再擠壓時形成高壓導(dǎo)致裂紋擴展，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)。點損原來被稱為點蝕。

11)帶傳動的形式可分為不交叉?zhèn)鲃?、交叉?zhèn)鲃?、半交叉?zhèn)鲃印２唤徊鎮(zhèn)鲃釉瓉肀环Q為開口傳動。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。

12)帶的最大應(yīng)力出現(xiàn)在緊邊與小帶輪接觸處(小帶輪主動則為繞入，小帶輪從動則為繞出)。

2.3 基于語言特點更名的概念

1)靜應(yīng)力改為定應(yīng)力，與變應(yīng)力相對應(yīng)。

2)兩個零件相連，允許相對運動，則稱為“連接”，兩個零件屬于不同構(gòu)件；兩個零件相連，不允許相對運動，則稱為“連結(jié)”，兩個零件屬于同一個構(gòu)件?！斑B”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體，迎著外載方向作用，如軸支承。支撐指內(nèi)部作用。

4)機械原理的體可以是機械設(shè)計的零部件、軸系、零件、機架等；轉(zhuǎn)動副可以是鉸鏈、軸承等；移動副可以是導(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、機架、軌等。

6)提供振動源的作動器。“作”指作出具體的事物?！白觥钡膶ο笫鞘虑榛騽幼鳌！白觥背龅膶ο蟀ㄖ黧w在內(nèi)。

7)材料的韌性與脆性相對，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。

8)撓性與柔性代表變形時零件是“有限節(jié)”還是“無限節(jié)”的相對。

9)鏈傳動的“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現(xiàn)鏈的撓性。

3 結(jié)束語

本文對目前機械原理和機械設(shè)計學(xué)科補充了新概念，改進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，新概念對老專家來說一目了然，在理解上沒有障礙；舊概念對初學(xué)者來說不難對照。同時給出的英文，有助于國際交流。