第一章 總 論 1－1
第1章
總 論 出題方向 本章屬於基礎觀念說明，在 80～101 年間，高、普考及各類特考 與機械原理相關試題，共 296 題中，僅考過 3 題，是屬於較不重要的 一章。但就同學學習機械原理的角度而言，因本章是往後各章的基礎 ，為能順利學習，同學仍應瞭解各項名詞的定義。本章中，對偶種類 、運動鏈判定及迴轉運動時之各量間關係，是命題重點，請同學務必 熟記及瞭解。
重點提示 瞭解機件、機構及機械的定義及差異。 機件之各種傳達運動方式。 對偶分類。 各種運動鏈之判定。 迴轉運動時各量間關係。 熟記各國工業標準代號。
1－2 機械原理
一、機件的定義及種類 定義：機械中單獨一件零件，為多數機械或機構共需使用的零件，具 有相同的外形、機能及使用目的，是構成機械或機構之最基本元素。 在理論上，視為一受力而不變形之剛體，常製成規格化，以方便零件 之更換使用。 種類： 依運動型態區分： 固定機件：即靜止機件，在固定的位置，擔任支持、承托、導引 或限制活動機件的運動。如機架、軸承、軸襯與床台等。 活動機件：能繞固定軸迴轉或擺動，或於固定導路作往復運動的 機件。用以傳達動力或改變運動方向，區分為： 線性活動機件：如皮帶、繩索、鏈條與滑動機件等。 周轉活動機件：如曲柄、搖桿、摩擦輪、齒輪與凸輪等。 依使用目的（功用）區分： 連接機件：將兩個（含）以上的機件作暫時或永久結合，如螺栓 、螺帽、螺釘、鉚釘、銷與鍵等。 傳動機件：用於傳達力量或運動的機件，如齒輪、帶輪、繩輪、 鏈輪、聯軸器與軸等。 控制機件：用於控制力量、運動或緩衝震動之機件，如連桿、彈 簧、制動器與離合器等。 流體機件：流體傳動所使用的機件，如管件、閥與壓力源等。
軸承是機械中之： 轉換機件
連接機件
固定機件
傳動機件
依作用性質區分，構成機械基本元件中，適於作“控制”用之機件為： 螺栓、螺帽
軸承
彈簧、連桿
齒輪
結構
機件
組成機械的最基本元素為： 機器
機構
第一章 總 論 1－3
規格化的零件，又是組成機械的基本元素，稱為： 機械
機構
機器
機件
二、機構及機械的定義 機構的定義：多數機件的組合體，當其中一個機件受到外界施加一定 且規律的運動時，便依次傳遞運動，使其它機件產生一種可以預期， 且有一定規律的相對運動，此組合體稱為機構。僅用來傳送或轉換運 動方式的組合體，其不作功，如在引擎中，活塞與曲柄軸之機件組合 體或車床中，縱向與橫向自動進刀機構。 機械的定義與條件： 定義：多種機件或機構的組合體，彼此作一定的相對運動或限制運 動，接受外來的能量，而作功或產生一定的效能。如馬達、引擎、 車床及發電機等。 條件： 必須為兩個或兩個以上機件或機構的組合體。 各個機件之間必須有一定的相對運動或限制運動。 必須能接受能源。 必須可將接受之能，轉變為功或改變成其它一定的效能。
圖 1-1 機件、機構與機械關係圖
1－4 機械原理
一般討論「機械」與「機構」主要相異處之特性為： 是否有基本元素零件
具有相對運動
為力之抗力體
將能轉變為功
由一群抗力體組合而成，除能產生預期的運動外，還能接受能，產生 其它效應或作功者稱為： 機械
機構
機件
結構
自行車
洗衣機
下列何者不能稱為機械？ 齒輪
車床
下列何者非機械應具備的條件？ 各機件的相對運動都受到限制 由二個或二個以上的機構組成 由剛體組成 具有功、能的轉換 下列何者非機構應具備的條件？ 各機件的相對運動都受到限制 由二個或二個以上的機件組成 由剛體組成 可以產生預期的運動 下列敘述何者為非？ 機件之組合如果能把所接受的能變成有效的功稱之為「機械」 機件之組合如果用以傳遞運動或用以改變運動方式稱之為「機械」 機械常是一系列機構的組合 機構不一定是一部機械
第一章 總 論 1－5
三、機構學中常見之機件名稱 名
稱符
連
桿
樞
鈕
兩活動機件的接合點，以光滑銷釘接合。
固 定 中 心 （固定軸）
活動件在固定軸上的接合點，以光滑銷釘接 合，為固定旋轉中心。 三桿同在一樞鈕，各桿能作旋轉或搖擺運動 。機件為三件，對偶數為 2。 一連桿銷接於另一連桿之上。 機件數為 2 件，對偶數為 1。 在固定軸上能 360°迴轉者，稱為曲柄；而 只作一定角度擺動者，稱為搖桿。 用以支撐或限制機構內，各運動件的固定部 分。機構圖中，各處固定部分，為同一機件。 導路：將機件限制在一定動路上。 滑塊：在導路上作往復滑行的機件。 連桿組合之結構體，彼此間無相對運動，只 相當於一機件。
三 件 樞 鈕 迴
轉
鈕
曲柄或搖桿 固 定 機 架 滑塊和導路 結構、板塊
號意 義 能傳達力量、產生或限制運動的機件。在機 構中，所有機件都可稱為連桿。如曲柄、搖 桿及浮桿。
機構學常用的符號中，“○”表示： 活動樞鈕
機件上一點 固定軸
連桿
機構學常用的符號中，“◎”表示： 樞軸
機件上一點 固定軸
連桿
四、剛體、撓性體、流體之區別 剛體：又稱抗力體，物體不論所受外力多大，皆不發生變形，亦可定 義為，物體內任意兩點間之距離永不改變。 撓性體：受力會變形，藉張力傳達運動或力，可傳動拉力，不能傳動 推力。如皮帶、繩索或鏈條。
1－6 機械原理
流體：包括氣體與液體，液體在密閉容器內，根據巴斯葛原理，而傳 達力量或作功，可傳動推力，不能傳動拉力。
所謂剛體的定義為： 剛體之物質 應力與應變成比例之物質 受外力而不變形之物質 受外力可變形，但不致破壞之物體 僅可承受拉力，而無法承受壓力的機件為： 剛體機件
撓性體機件 流體機件
電磁機件
下列何者是撓性傳動？ 鏈輪
摩擦輪
凸輪
齒輪
可傳達推力、拉力、壓力、衝力之連桿，曲柄之運動傳達方式，稱為： 直接接觸剛體連接體
間接接觸剛體連接體
直接接觸撓性連接體
間接接觸撓性連接體
五、對偶之定義及種類 對偶之定義：在機械運動中，若兩機件經組合而互相接觸，並沿一定 的路徑產生相對運動時，即構成一對偶，又稱作「運動對」或「運動副 」。 對偶的種類： 高對：兩機件間為點或線接觸，而有相對運動者。如兩囓合的齒輪 、凸輪與從動件、兩摩擦輪傳動或軸承中滾珠與座圈等。其具有下 列特性： 用於高速且震動小的場合。 摩擦阻力小，機械效率高。 接觸處磨損大，壽命較短。
第一章 總 論 1－7
圖 1-2 高對
低對：兩機件間為面接觸，而有相對運動者。其具有下列特性： 適合低轉速，傳動力量較大且耐震動之場合。 面接觸摩擦，外界加入的能量相對增加。 接觸處磨損均勻，壽命較長。 低對的種類： 滑動對：運動對之兩機件有相對直線或曲線滑動。如活塞與汽缸 、車床尾座與導軌。 迴轉對：運動對之兩機件，繞同一軸作相對迴轉或搖擺運動。如 軸與滑動軸承。 螺旋對：運動對之兩機件，彼此可作螺旋運動，即同時有相對迴 轉及直線運動。如螺桿與螺帽。
滑動對
迴轉對
螺旋對 圖 1-3 低對
機械無論是如何複雜，均可將其主要機構予以分解而分析其各部分之
1－8 機械原理
相對運動情形，其中若兩個機件經組合而相互接觸，並產生相對運動 者稱為： 力偶
力矩
對偶
扭矩
齒輪或摩擦輪等元件，其機件間之接觸為： 低對
高對
滑動對
迴轉對
凡二機件係面接觸者，且兩機件間同時具有直線與迴轉運動者，稱為： 滑動對
迴轉對
螺旋對
高對
下列有關對偶（運動對）之敘述，何者不正確？ 高對為兩機件間成點或線接觸者 低對為兩機件間成面接觸者 平板凸輪與從動件間低對 螺栓與螺帽為低對 如下圖所示之對偶為：
合對
高對
迴轉對
滑動對
六、不完全對偶與倒置對偶 不完全對偶：機件之間的約束，只在有抵抗力的部分，無抵抗力之部 分，只靠重力來維持其位置。例如：火車車輪在鐵軌上行走，只約束 軌道側邊；垂直方向，車輪與鐵軌藉由重力保持接觸。 倒置對偶： 對偶中原動件和從動件之關係改變，使原動件變成從動件，從動件 變成原動件，如此稱倒置對偶。 高對或低對之倒置影響： 低對倒置：不會影響兩機件間之相對運動及各別的絕對運動，如 螺桿與螺帽。 高對倒置：兩機件間之相對運動不受影響，但各別的絕對運動則 不同。如：
第一章 總 論 1－9
圓在直線上滾動，圓上一點形成正擺線（如下圖 1’至 11’曲線 ）。 直線在圓上展開，直線上一點形成漸開線（如下圖 ACDEF 曲 線）。
圖 1-4 正擺線
圖 1-5 漸開線
當機件間的約束，只在抵抗力的部分，而無抵抗力的部分，靠重力來 維持其位置的對偶機構稱為： 高對
低對
不完全對偶
倒置對偶
若一圓在一直線上滾動，則圓上一點形成正擺線，如將其對偶倒置， 則其線上一點之軌跡成為： 外擺線
內擺線
漸開線
圓錐曲線
七、對偶之自由度 自由度：描述一個質點或剛體之運動位置所需之座標個數，以 F 表 示。 剛體在三度空間運動時：
1－10 機械原理
一個自由體，有三個移動度及三個旋轉度，故有 6 個自由度。 一個自由體與另一機件接觸運動後，既受約束而損失一個或多個自 由度，故一對偶（運動對）之最大自由度為 5。 高對之相對運動自由度大於 1。 低對之相對運動自由度等於 1。
一圓柱與一平面接觸運動，其自由度為： 5
4
3
2
一圓球與一平面接觸運動，其自由度為： 5
4
3
2
一機件在空間中運動，共有幾個獨立自由度（Degree of Freedom）？ 6
5
4
3
螺旋對可同時具有旋轉及直線之相對運動，故其自由度為： 5
4
3
1
八、運動鏈 定義： 由許多連桿組合的封閉性連鎖系統，若一連桿運動，其它各桿均能 依次傳遞，產生相對運動。 平面運動鏈的自由度： F 3(N 1)2P 低 P 高 F：自由度，N：連桿數（機件數），P 低 ：低對對偶數，P 高 ：高 對對偶數 運動鏈的種類與判定： 固定鏈：又稱呆鏈或結構，連桿間無法各自相對運動，只能作整體 運動。 拘束運動鏈：各連桿間可作確切、一定且規律相對運動的運動鏈。 將拘束運動鏈中任一連桿固定，即成為機構。