机械专业英语课文翻译(7)
时间：2021-08-31Lesson 14 运动学和动力学
运动学的目标原则是产生（设计）目标零件所要求的运动，然后精确地计算位移、速度和加速度，那些运动就作用在零件上。因为，大多数固着在地球上的机械系统，随着时间变化，质量基本上保持常数，加速度定义为和时间的函数，也定义动力为和时间的关系。应力，轮流是作用力和惯性力的函数关系。由于工程设计是为了建立一些不会在其预期使用寿命内失效的系统，所以目标是保证应力对于所选用的材料和使用环境均处于安全的限度内。这样很明显要求规定所有系统力，而且使系统力保持在期望的范围内。在机构中，最大的力经常是那些由于机械本身产生的动态力。动态力经常和加速度成比例，把我们拉回到运动学，它是机械设计的基础。包含了运动学准则，在设计过程中最基本和最早的决定在成功的进行机械设计中是很重要的。较差的运动学设计将引起麻烦和很差的工作。
任何机械系统能根据拥有的自由度的数目来区分。系统的自由度等于独立参数的数目，在任意时间中，需要唯一确定它在空间位置的参数。
在一个参考系内自由运动的物体，通常会做复杂运动，即同时进行回转和平移运动。在三维空间里，它们可能绕着轴旋转，能同时解决零件沿着3根轴平移。在平面上或者二维空间，复杂运动变成了绕一个（垂直于这个平面的）轴线的转动和同时发生的可以被分解为沿在这个平面内的两个坐标轴的平移分量。简单而言，我们限定现在所讨论的情况是在二维平面的运动学系统。我们将定义以下关系，在平面运动：
单纯转动
物体拥有一个点（旋转中心），这个点没有运动，关于“静止”框架为参考系。物体上的其他点被描述为以它为圆心的圆弧。通过圆心画在物体上的基准直线仅改变它的点的方向。
单纯平移
物体上所有点的轨迹为直线。在物体上所画出的一条基准线，只会改变它的位置，而不会改变它的角度方向。
任何在物体上所画出的一条基准线将改变它的线性位置和它的复杂运动 转动和平移的同时组合运动。
角度方向。在物体上的点将沿不平行的轨迹运动，在每个时刻，有一个旋转的中心，不停改变位置。
连杆机构是所有机构的基本组成模块。所有一般机构的形式（凸轮、齿轮、带轮、链轮）实质上都是连杆机构的演变。连杆机构由杆件和运动副组成。
杆件是一个刚体，拥有至少2个节点，节点是和其他杆件连接的点。
运动副（也称为接头）是连接两个或多个连杆（在它们的节点），在连接杆之间用来连接一些确定的运动，或者潜在的运动。
低副的关系用来描述和表面接触的接头，如在孔内安装销。高副的关系用来描述点或者线接触的连接。但是如果在孔和销之间有任意间隙（用于运动），在铰链中所谓表面接触实际上变为直线接触，因为销仅接触孔的一侧。同样地，在微小精度的水平下，一个物体在平面上滑动实际上只在几个离散点上接触，就是表面粗糙的顶端。相比高副，低副的优点最主要是它们在包络面上具有较好的润滑能力。尤其对于旋转的铰链效果更好。润滑剂更容易在高副中被挤出。结果，铰链具有较低的磨损和较长的寿命。
在设计机器的时候，我们必须首先完成有关设计的运动学分析，为了获得有关运动物体的加速度。我们接下来想用牛顿第二定律进行动力计算。但是这样做，我们必须知道所有已知加速度的移动零件的质量。这些零件不会分离！如同任何的设计问题一样，我们在设计阶段缺少足够的信息来准确的决定零件的最佳的大小和形状。在设计中，我们必须估计连杆的和其他零件的质量，为了在初次计算中通过。我们将反复验算得到越来越好的解决方案，以便我们得到更多的信息。
对于所有零件，通过假设一些合理的形状和尺寸，和通过选择合适的材料，获得零件质量的最初估计。每个零件的体积的计算等于它的（单位质量上的）体积乘以材料的质量密度（不是重量密度）来获得最初的大概质量。这些质量值用在牛顿定理中。
我们怎么知道，我们选择杆件的尺寸和形状是否可以接受，更不用说（尺寸和形状是）最优了。遗憾的是，通过对零件的完整应力和变形分析之后，我们用所有的方法计算才知道（杆件的大小和形状哪些是可以接受的）。通常情况是，尤其在长的、薄的零件，比如轴或细长的杆件，即使在较低的应力水平下，在它们的动态负载下的这些零件变形将限制到设计。
我们可能发现，在动态负载下发生零件的失效。然后，我们不得不又返回到最初的假设，有关形状、大小和这些零件的材料，重新设计它们，重复进行受力、应力和变形的分析。设计不可避免地成为了一个迭代过程。
值得注意的是，在静态力的作用下，可以通过增加零件的质量来提高其强度，将不合格的设计变为合格，而在动态力作用的情况下，这样做可能产生有害的后果。具有相同加速度的更多质量将产生更大的力的作用，所以有更大的应力！由于F=ma，机器的设计师经常需要减少零件的质量，以便减少应力和变形。所以，设计师需要具有较好的理解材料的特性和应力及变形分析的能力，对于最小的质量，以便得到合适的零件形状和尺寸；从而得到承受动态力的最大的强度和刚度。
Lesson 15 机构的基本内容
具有确定运动的相互关联的零件和能执行有效工作的组合称为机器。机构是机器的组成部分，由两个或多个零件安排组成，以便一个运动驱动另一个运动。运动学仅研究机构的运动，而不考虑作用在机构上的力。在力和扭矩的影响下，动力学是研究单一物体和机构的运动。在静止的系统里（可忽略惯性的系统），力和扭矩的研究称为静力学。
综合是一个过程，通过开发产品（例如机构）来满足一系列的性能要求。如果产品的结构暂时确定下来，那么需要检查，确定（这个产品的结构）是否满足工作性能要求，这个过程称为分析。机构的设计包含综合和分析（两个过程）。
设计的过程从需求认识开始。然后，一系列的要求将罗列出来。通常要求位移、速度和加速度的详细分析。零件的设计过程在分析受力和扭矩之后进行。在第一个模型产生之后，设计过程持续很长，而且还包括对零件的速度、加速度、力、扭矩的重新设计。为了年复一年获得更好的设计，大部分制造者必须不停的修改它们的产品和它们的生产方法。经常需要提高生产率，提高产品的性能，重新设计的费用和减轻重量。对问题进行正确的运动学和动力学分析是成功的关键。
很久以前，大部分基本连杆的结构合并到机器的设计中，我们用来描述（连杆和机器设计）的关系已经变化了很多年。所以，定义和专门用语并不符合技术文献的要求。然而，大多数情况下，具体的含义清楚的出现在解释问题的语境中。尤其一些机器的运动学和动力学的关系研究在以下说明。
杆件
一根杆件是一个刚体或者连接到运动链的接头。刚性杆件的关系，或者有时候单一的杆件，在机构的研究中是一种理想的应用，由于机器中零件的（微小的）应变，它不需要考虑一些微小的变形。一个绝对刚体或不可伸长的杆件只能作为真实机器零件在教科书上的模型存在。对于典型的机器零件，在尺寸上最大的变化是千分之一的零件长度。当考虑大部分典型机构发生较大运动的时候，忽略小运动是合理的。杆件是用作一般的意思，包括凸轮、齿轮和其他机械零件，还包括曲柄，连杆和其他销连接件。
机架
在机构中固定的或者静止的杆件称为机架。当没有实际固定的杆件的时候，我们需要考虑固定一根杆，决定和它相关的其他杆件的运动。例如，在汽车发动机中，发动机汽缸体看做是一个机架，即使汽车是可以移动的。
自由度
连杆机构中自由度的数目是等于机架或者固定杆件相连的每个杆件的指定位置所要求的独立参数的数目。如果能完全地定义系统的瞬间结构，通过指定一个独立的变量，那么系统具有一个自由度。大部分实际机构具有一个自由度。
一个自由的刚体具有6个自由度：在三个坐标系上平移，和绕着三个坐标轴旋转。如果在一个平面上刚体的运动受到约束，它有3个自由度：两个坐标方向平移和在平面内旋转。
低副和高副
在刚体之间的连接包括零件的低副和高副。低副的2个组成具有和其他零件有理论表面接触，而高副的两个方面是具有理论点和线的接触（如果我们忽略变形）。
运动链
运动链是杆件和副（接头）的装配。运动链是由若干个构件和运动副连接而成的。在闭式运动链中，每一个构件都同两个或两个以上的构件相连接。未能满足闭环标准的连杆结构是一个开环的运动链。
连杆机构
因为我们希望检查运动链，不用考虑它们的最终使用，这是很方便的，区分任意被连杆机构用运动接头连接的刚体的装配。所以，机构和机器都被看做是连杆机构。然而在某些参考文献中，linkage这个词只限于由低副构成的运动链。
平面运动和平面连杆机构 如果连杆机构中所有点在平行平面中运动，系统做平面运动，而连杆也被称为平面连杆。如果我们检查连杆机构由曲柄，连杆和活塞组成的活塞发动机，我们把它看做平面连杆机构。大部分的机构一般用作平面连杆。
空间运动和空间连杆 在运动中更常见的情况不能被描述为发生在平行平面的运动称为空间运动，而相应的连杆机构就被认为是空间连杆或者三维连杆。
(四杆机构的)机架变换 连杆无约束的运动取决于连杆是固定的，也就是说，所选的连杆作为机架。如果另外两个相当的连杆具有不同的固定杆件，那么每一个都是另一个的机架变换。在两个连杆中具有相同的相对运动。
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