發布時間：2022-04-29所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 針對機械原理和機械設計的專業術語，定義了 19 個概念，如帶式鏈、泵的兩個特征、儲能塊等; 修改了 25 個概念或分類方法，如凸輪、齒輪機構、輪系、鍵連結、軸和軸承等; 使 15 個概念符合語言學要求，如疲勞磨損所造成的點損、減小載荷波動的改造等。提出了基于
摘要: 針對機械原理和機械設計的專業術語，定義了 19 個概念，如帶式鏈、泵的兩個特征、儲能塊等; 修改了 25 個概念或分類方法，如凸輪、齒輪機構、輪系、鍵連結、軸和軸承等; 使 15 個概念符合語言學要求，如疲勞磨損所造成的點損、減小載荷波動的改造等。提出了基于嚙合力分析的主動斜齒圓柱齒輪所受軸向力方向判斷依據。研究成果使該學科的概念更容易被初學者接受。
關鍵詞: 機械原理; 機械設計; 浮板; 儲能塊; 點損; 魯班鎖
機械原理和機械設計學科經歷了漫長的發展過程，目前已臻于成熟。但是，各類機構、機器和零件的發明沒有順序，一些定義、分析步驟、分類等存在不科學性，有些概念在字面上不能代表其主要特性，容易誤導研究方向。在大學課程體系當中，該課程的難度較高，與概念的理解難度不無關系。
因為機械原理以理論力學和多體動力學為基礎，機械設計以材料力學和彈性力學為基礎，所以基本概念的命名必須與基礎學科和語言學要求相一致。為便于交流，有些定義同時給出了英文翻譯。
1 機械原理學科
1. 1 新定義的概念
1) 機構和機器分別為執行機械運動的理論模型和可動裝置，也可以說機構是機器的理論模型。構體( body) 是構件的理論模型。在平面機構當中，根據轉動副的個數，構體可分為桿( rod) 、塊 ( block) 和板( board) 。有兩個或兩個以上轉動副的體定義為桿，如曲柄、搖桿、連桿和多副桿。只有一個轉動副的體定義為塊，如以轉動副與動體相連接的浮塊、以轉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。原來的導桿屬于搖塊。畫成線狀稱為桿、畫成塊狀稱為塊，是不科學的。沒有轉動副的體定義為板，如與定體相連接的滑板和不與定體相連接的浮板。
2) 運動副根據所引起的約束數進行分類。在平面當中，一個體有 3 個自由( freedom) ，其中 2 個移動、1 個轉動。如果以轉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，也相當于引入兩個約束。因此，轉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) 。構成一約束副需要兩個構件點線接觸且相對滑動兩個條件。
3) 有移動副體的導路。該導路為平行于運動軌跡的線。對于桿和塊，導路經過某個轉動副中心; 對于板，導路根據受力情況確定。塊可視為經過轉動副、垂直于該導路且指向無窮遠的無限長體。板至少垂直于兩條導路，因此可視為無限大面積的體。
4) 機構的歧運動位( kinematics bifurcation position) ，指從動體會出現運動分岔的機構位置。當機構靜止時，如果無論驅動力多么大也不能運動，則該位置稱為卡位( stuck position) [1 - 2]�？ㄎ辉傈c( dead point) 。
5) 四次多項式凸輪從動體運動規律。該規律的速度曲線關于從動體行程中點位置左右對稱; 該規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律相同，因此該規律的時間 - 加速度曲線與五次多項式規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。螺旋形結構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) 也可以根據幾何關系計算。
7) 周轉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，則很難套用固定的公式[3]。任何分類都應具有全面性和互異性。依據有無可動軸線，輪系可分為定軸輪系和動軸輪系。依據軸是否為一動兩靜，動軸輪系可分為復合輪系和周轉輪系。依據自由數，周轉輪系可分為一自由的和二自由的。
8) 在繞定軸轉動的剛體轉動方程里，質心慣性力不出現。經過嚴密的數學推導，繞動軸轉動的剛體轉動方程里，也不出現質心慣性力，但是多一個包含動軸加速度的慣性項[4 - 6]。
9) 在主動體勻速轉動的前提下，如果體之間的作用力發生無窮大的變化，則存在剛性沖擊。
1. 2 強調和修正的概念
1) 矢量等式的幾何意義。根據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。在機構的運動學、動力學分析和轉子靜平衡中均有應用。
2) 積分的幾何意義。積分是積累被積函數與積分變量微段的乘積，以積分變量為橫坐標，以被積函數為縱坐標，繪制被積函數曲線，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節和從動體運動規律研究中均有應用。
3) 直線運動與圓弧運動的統一。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動副和移動副統一起來，還可判斷體在滾滑副與其他構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) 復雜機構可以視為多個簡單四體機構組合與演化的結果。凸輪機構和齒輪機構可認為是由四體機構經過 1 副 3 代( 1 個滾滑副代替 1 個構體和 2 個二約束副) 演化而來的，因此可刪除桿組的概念[7]。
5) 復雜機構的自由數。每多組合一個基本機構則增加一個自由; 每固結一對體則減少一個自由。基本機構釋放定體之后可稱為自由機構。每多裝載一個自由機構增加一個自由。
6) 減小載荷波動的機構改造。該改造原來被稱為“機構平衡”。平衡的概念源于質量的對稱，體現為對離心慣性力的抵消。適當地增加質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研究。
7) 基于運動的盤形凸輪機構凸輪基圓定義。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動副中心的軌跡圓; 根據從動體運動規律分割該圓; 畫導路或接觸點運動軌跡; 根據位移在導路或該軌跡上取點; 光滑連接出理論廓線; 包絡出實際輪廓。
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。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性。
10) 機構裝載式組合形式的新定義[8]。楫機構只有定體與舟機構的某一運動體固結。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。該狀態用于極位夾角計算和有曲柄條件判斷。
12) 凸輪機構的分類。根據形狀不同，可分為餅( 盤) 形、棍形、圓柱形等; 根據運動形式不同，可分為轉動、移動、轉動且移動等。
13) 按照兩軸線相對位置的齒輪機構分類法。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”應改為“軸夾角”。錐齒輪的特征角應為分度半圓錐角。
1. 3 基于語言特點更名的概念
1) 將機構的自由度( freedom degree) 改為自由數( freedom number) 。motion 指具體的運動，而 movement 指抽象的運動，如學生運動、婦女運動等有一定宗旨的人員流動。
2) 將“對心機構”改為“正置機構”。“正”與 “偏”相對。
3) 將“正弦機構和正切機構”改為“定塊滑板機構和三塊機構”。根據結構特點命名比根據運動學參數之間的關系命名更好。
4) 將“機構再生設計方法”改為“機構窮舉創新方法”。設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”; 將“幾副桿”改為“幾副體”; 將“桿型類配”改為“構體類型分配”。
5) 將“復合鉸鏈”改為“復合轉動副”; 將“機架”改為“定體”; 將“連架桿”改為“轉動體”; 將 “曲柄”“系桿”等改為“整周轉動體”; 將“連桿”改為“連接體”。
6) 凸輪體、齒輪體、螺旋分別對應于機械設計學科的凸輪、齒輪和螺桿。螺旋可稱為特殊的齒輪體。原來的齒條應稱為齒棍，細長且不可彎。
2 機械設計學科
2. 1 新定義的概念
1) 振動穩定性。固有頻率遠離激勵頻率的能力，即不發生共振的能力[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。如果在多個平面內設計多移動副機構，則裝拆技巧較難掌握，如魯班鎖[9]。
4) 規則形狀的減速器。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，應稱為柱塞器。
6) 可儲放能量和調節載荷波動的儲能塊。依靠該質量塊的起伏可調節所需動力的波動范圍[6]。
7) 基于多體系統動力學理論和矢量運算的萬向連軸節速比關系式[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、干預控制[11]三類。控制: 在動態中尋找規律而主動干預，以期獲得更好的結果，如監督到位和糾偏。
2. 2 強調和修正的概念
1) 鍵與軸轂的連結形式分類。安裝時不需裝配力，則稱為松連結; 否則，稱為緊連結。軸上零件安裝之后軸向位置不可動的，稱為不可錯位連結，如普通平鍵、半圓鍵; 反之，稱為可錯位連結，如導向平鍵。
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。依據軸線形狀，可分為直軸、彎曲軸( 包括曲柄軸) 和軟軸等; 依據受載，可分為受彎扭軸、受彎軸和受扭軸等; 依據工作方式，可分為橫向傳動軸、縱向傳動軸、雙向傳動軸和支承軸等。
4) 軸的共振轉速，該轉速對應于轉子的固有頻率，使轉子發生共振。該轉速類似于飛機因音障而難以提高的飛行速度，曾命名為臨界轉速。
5) 軸承的定義。由可以發生相對轉動的兩部分或多部分組成，其中一部分為可與軸同速轉動的裝置。
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。軸套、軸瓦及軸支承襯料需要耐磨且不應影響軸頸的耐磨性。
7) 滾動軸承內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，將載荷系數與材料特性、應力特性、表面狀態系數、尺寸系數、應力集中系數等一起作為安全系數的修正項處理。綜合考慮各種情況，直接評估該系數。
10) 疲勞磨損造成點損( pitting damage) 。頻繁擠壓之后出現微裂紋，不擠壓時油或空氣進入裂紋，再擠壓時形成高壓導致裂紋擴展，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。點損原來被稱為點蝕。
11) 帶傳動的形式可分為不交叉傳動、交叉傳動、半交叉傳動。不交叉傳動原來被稱為開口傳動。根據截面形狀，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) 帶的最大應力出現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) 靜應力改為定應力，與變應力相對應。
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件; 兩個零件相連，不允許相對運動，則稱為“連結”，兩個零件屬于同一個構件。“連”指具體的，“聯”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。支撐指內部作用。
4) 機械原理的體可以是機械設計的零部件、軸系、零件、機架等; 轉動副可以是鉸鏈、軸承等; 移動副可以是導軌、滑軌等。
5) 依據形狀和功能，零件可命名為桿、柄、環、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。“做”的對象是事情或動作。“做”出的對象包括主體在內。
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”還是“無限節”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鏈的撓性。
3 結束語
本文對目前機械原理和機械設計學科補充了新概念，改進與更正了一些缺乏科學性的概念，有助于初學者學習和掌握，也有助于學科的發展。
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; 舊概念對初學者來說不難對照。同時給出的英文，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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