常用机械构造

§2-1平面机构运动简图及其自由度§2-2平面连杆机构§2-3凸轮机构及间歇运动机构第2章常用机构2-1平面机构运动简图及其自由度运动副：构件和构件之间既要相互连接（接触）在一起，又要有相对运动。而两构件之间这种可动的连接（接触）就称为运动副。运动副元素：两构件上直接参加接触构成运动副的部分。2.1.1运动副2.1.2自由度和运动副约束自由度：把构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度2-1平面机构运动简图及其自由度按两构件接触情况，常分为低副、高副两大类。1、低副两构件以面接触而形成的运动副。

(1)转动副：只允许两构件作相对转动，又称作铰链。

a)固定铰链2.1.2自由度和运动副约束2-1平面机构运动简图及其自由度b)活动铰链转动副2-1平面机构运动简图及其自由度(2)移动副：只允许两构件作相对移动。移动副2-1平面机构运动简图及其自由度2.高副两构件以点或线接触而构成的运动副。高副2-1平面机构运动简图及其自由度齿轮副2-1平面机构运动简图及其自由度二、空间运动副若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。螺旋副球面副2-1平面机构运动简图及其自由度2.1.2平面机构的运动简图一、

运动副及构件的表示方法1.构件构件均用直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。2.转动副构件组成转动副时，如下图表示。图垂直于回转轴线时用图a表示；图面不垂直于回转轴线时用图b表示。表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线。2.1.2平面机构的运动简图

3.移动副两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。2.1.2平面机构的运动简图

4.平面高副

两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。2.1.2平面机构的运动简图

二、

机械系统的运动简图设计的步骤1）功能分析。确定机械系统的总功能和进行功能分解。2）绘制机械系统运动循环图。3）执行（工作）机构选型。4）绘制机械系统的运动方案图。5）机构的尺度综合。6）绘制机械系统运动简图。2.1.2平面机构的运动简图

例2-1试绘制内燃机的机构运动简图2.1.2平面机构的运动简图

气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10解：1）分析运动，确定构件的类型和数量2）确定运动副的类型和数目3）选择视图平面4）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置5）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件2.1.2平面机构的运动简图

2.1.3平面机构的自由度1.实例分析

不能产生运动

给定构件1运动参数=(t)

构件2、3的运动是确定的

一、

机械具有确定运动的条件给定构件1运动参数=(t)，构件2、3、4的运动是不确定的

再给定构件4运动参数=(t)，构件2、3的运动是确定的2.1.3平面机构的自由度2.结论

机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称机构的自由度。

平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于机构的自由度数目。

◆原动件数＜自由度数，机构无确定运动

原动件数＞自由度数，机构在薄弱处损坏

2.1.3平面机构的自由度二、平面机构自由度计算

1.构件自由度

一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有三个自由度。

当用运动副连接后，构件间的相对运动受到约束，失去一些自由度。运动副不同，失去的自由度数目和保留的自由度数目也不同。2.1.3平面机构的自由度2.计算公式n：机构中活动构件数；Pl：机构中低副数；

Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；F=3n-2Pl-Ph

3.计算实例n=3,Pl=4,Ph=0F=3n-2Pl-Ph

=3×3-2Pl-Ph

=3×3-2×4-0设则=12.1.3平面机构的自由度计算实例

n=5,Pl=7,Ph=0F=3n–2Pl–Ph

=3×5–2×7–0=1解：2.1.3平面机构的自由度三、自由度计算时应注意的几种情况

1.复合铰链2.局部自由度3.虚约束

两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。说明

个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称为局部自由度。说明

重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。说明

4.虚约束常见情况及处理方法说明

5.虚约束对机构的影响说明

2.1.3平面机构的自由度三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m–1个转动副。2.1.3平面机构的自由度2.2平面连杆机构③只用于速度较低的场合。2.2.1平面连杆机构：用低副连接而成的平面机构。2.2.2平面连杆机构的特点：1、能实现多种运动形式。如：转动，摆动，移动，平面运动2、运动副为低副：面接触：①承载能力大；②便于润滑。寿命长③几何形状简单——便于加工，成本低。3、缺点：①只能近似实现给定的运动规律；②设计复杂；

2.2.4设计方法：

1、图解法，2、解析法，3、图谱法，4实验法2.2.3平面连杆机构设计的基本问题:选型：运动尺寸设计：确定连杆机构的结构组成：构件数目，运动副类型、数目。确定机构运动简图的参数：①转动副中心之间的距离；②移动副位置尺寸1、实现构件给定位置2、实现已知运动规律3、实现已知运动轨迹

1.曲柄摇杆机构☆

两连架杆中一个为曲柄，另一个为摇杆。

曲柄为主动件时，可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。摇杆为主动件时，则可以将摇杆的摆动转换为曲柄的整周回转运动。

应用举例：

①牛头刨床工作台横向进给机构

②缝纫机的踏板机构2.2.5机构演变简介缝纫机踏板机构

牛头刨床进给机构缝纫机踏板\牛头刨床进给机构图

(a)局部结构图;(b)曲柄摇杆机构运动简图

1—主动齿轮;2—从动齿轮;3—连杆;4—摇杆（棘爪）;5—棘轮;6—丝杠;7—机架正平行四边形机构蒸汽机车的车轮联动机构2.双曲柄机构☆两个连架杆都能作整周回转运动振动筛（也称为惯性筛）

在双曲柄机构中，如果组成四边形的对边长度分别相等，即，则根据曲柄相对位置的不同，可得到正平行四边形机构和反平行四边形机构。反平行四边形机构车门启闭机构

3.双摇杆机构☆两连架杆均为摇杆飞机起落架机构起重机中重物平移机构汽车前轮转向机构(等腰梯形机构)

1.曲柄滑块机构☆

一连架杆为曲柄，另一连架杆相对机架作往复移动而称为滑块应用举例：内燃机、空气压缩机、冲床和缝纫机等。对心式曲柄滑块机构偏置式曲柄滑块机构

取曲柄滑块机构中的不同构件作为机架，可以得到以下四种不同的机构。2.导杆机构曲柄转动导杆机构曲柄摆动导杆机构摆动导杆滑块机构（摇块机构）移动导杆机构（定块机构）应用

(a)曲柄滑块机构;(b)转动导杆机构;

（c)摆动导杆滑块机构(摇块机构）;(d)移动导杆机构（定块机构）

导杆机构图2

曲柄摆动导杆机构(a)曲柄摆动导杆机构;(b)电气开关小型刨床机构

卡车车厢自动翻转卸料机构

手动抽水机

3.偏心轮机构

特点：容易加工；工作时润滑条件和受力情况好；可用于较重载荷的传动中。应用举例：蒸汽机换气阀传动机构、冲压机传动机构等。（a）等效曲柄滑块机构（b）曲柄滑块机构（c）等效曲柄摇杆机构（d)曲柄摇杆机构一、曲柄存在条件

二、急回特性和行程速比系数三、压力角和传动角四、死点位置2.2.6平面四杆机构的一些基本特性

在中①

②

在中整理得③

将式①、②、③中的三个不等式两两相加，化简后得④④

曲柄存在条件：①最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和；②连架杆与机架中必有一杆为最短杆。你会判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构么？一、曲柄存在条件双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构双曲柄机构以最短杆相邻杆为机架以与最短杆相对的杆为机架以最短杆为机架NY判断由不同杆作机架时四杆机构属于哪种机构取不同构件为机架时的铰链四杆机构型式(a)构件4为机架;(b)构件2为机架;(c)构件1为机架;(d)构件3为机架二、急回特性和行程速比系数摇杆的摆角ψ＝∠C1DC2；极位夹角θ工作行程回程曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动。曲柄摇杆机构的急回运动程度可以用2和的比值来衡量，

称为行程速比系数。θ↗，↗，急回程度↗。θ=0时，

=1时，机构无急回运动。

传动角压力角的余角。三、压力角和传动角

压力角

从动件受力点（C点）的受力方向与受力点的速度方向之间所夹的锐角。压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好。设计时应使≥在△ABD和△BCD中，分别有式中，。联立求解得δ与γ如何确定铰链四杆机构的最小传动角？①当δ≤时，=δ（对顶角关系）；②当δ＞时，=-δ（互为补角关系）。由此可见，要判断min位置前，首先应判断δmin、δmax位置。可分以下三种情况讨论：

①δ≤时，min=δmin

；②δ＞时，min=-δmax

；③机构中①和②两种情况共存时，可先计算当δ≤时的1min=δmin

，然后再计算当δ＞时的=-δmax

。则min＝min{1min,2min}。结论：

min可能发生在主动曲柄与机架两次共线（AB′，AB″）的位置之一处，即处。

进一步分析δ与的关系四、死点位置1．死点的概念在曲柄摇杆机构中，当摇杆为主动件时，当连杆与从动曲柄共线时，机构的传动角＝，此时主动件CD通过连杆作用于从动曲柄AB上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件AB转动的顶死现象，机构的这种位置称为死点位置或死点。2．死点的缺陷对于传动机构，存在死点位置是一个缺陷，常采用下列措施使机构顺利通过死点位置：①利用系统的惯性；②利用特殊机构。

3．死点的利用在工程中也常常应用死点位置实现工作要求。如快速夹具、飞机起落架等。

利用惯性利用机构错位排列

具夹速快2.2.7平面四杆机构的设计主要任务根据给定的运动条件，用图解法、解析法或实验法确定机构的运动尺寸。①按给定的位置或运动规律要求设计四杆机构；②按给定的轨迹要求设计四杆机构。一、按给定的行程速比系数设计四杆机构二、按给定的连杆位置设计四杆机构三、按给定的两连架杆对应位置设计四杆机构四、按给定的运动轨迹设计四杆机构１．连杆曲线２．图谱法一、按给定的行程速比系数设计四杆机构1．曲柄摇杆机构2．曲柄滑块机构3．导杆机构已知条件：行程速比系数K、摇杆的长度CD和摇杆的摆角Ψ

（1）计算极位夹角（2）取适当的比例尺μl=CD/CD(m/mm)，并由

CD和Ψ

作出两极限位置C1D、C2D;（3）过C2点作∠C1C2N＝90°－θ的射线C2N，然后再过C1点作C2C1的垂线C1N交C2N于P;（4）以C2P为直径作圆，圆心为O，则A点必在此圆上;（5）由其他已知条件在圆周上取点A，连AC1、AC2;（6）以A为圆心，AC1为半径做圆弧交AC2于E点，作EC2的垂直平分线得EC2之半即为AB长度由于极限位置处曲柄与连杆共线，故AC2＝BC＋AB，AC1＝BC－AB，因此，容易得到（7）讨论：由于A点可在△C1PC2的外接圆周的弧C1PC2上任意选取，所以，若仅按行程速比系数K来设计，可以得到无穷多组解。因此，在未给出其它附加条件的情况下，如欲获得良好的传动质量，可按照传动角最优或其它辅助条件来确定A点的位置。1．曲柄摇杆机构2．曲柄滑块机构

已知条件：行程速比系数K、滑块行程H

偏心距e

①计算极位夹角;

②作直线C1C2＝H/μl，且C1、C2作为滑块的两极限位置;③根据C1、C2点求满足极位夹角为θ的A点（结果为一圆弧C1PC2）;

④作一直线与平行，并使其间的距离等于偏心距e，则此直线与上述圆弧的交点即为曲柄的轴心A的位置;⑤连接AC1、AC2，并按上述作图方法，即可得到曲柄的长度lAB和连杆的长度lBC。3．导杆机构

分析（机构简图演示）：对于摆动导杆机构，其极位夹角θ等于导杆的摆角Ψ，而所需要确定的尺寸是曲柄长度lAC。已知条件：行程速比系数K、机架长度lAD①计算极位夹角；

②选择适当的比例尺作直线μl，任选固定铰链点D；③按夹角Ψ（＝θ）作出导杆的两极限位置Dm和Dn；④作摆角Ψ的角平分线AD，并在AD上截取AD=lAD/μl，即可得到曲柄轴心A点的位置；⑤过A点作导杆极限位置的垂线AC1（或AC2），即得曲柄长度lAC=μlAC。二、按给定的连杆位置设计四杆机构

分析：根据设计要求，铰链四杆机构在运动过程中，其连杆必须能依次通过预定位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，……。显然，此类机构设计的实质就是确定两固定铰链A、D点的位置。由铰链四杆机构运动可知，连杆上B、C两点的运动轨迹分别是以A、D两点为圆心的圆或圆弧，而连杆相邻位置对应点的连线B1B2、B2B3、C1C2、C2C3……分别为对应圆或圆弧上的弦长。所以，A、D两点必然分别位于上述对应弦长的垂直平分线上。这样，此类连杆机构的设计就变得比较简单了。下面分别讨论两种情况的主要设计步骤：

1．给定连杆两个位置设计四杆机构2．给定连杆三个位置设计四杆机构1．给定连杆两个位置设计四杆机构主要设计步骤：①根据已知条件，选取适当的比例尺μl，绘出连杆的两个位置

；

②连接，并分别作它们的垂直平分线；③在和上分别任取两点A、D（一般也可根据其它辅助条件选取）；④连接AB1C1D即为所求四杆机构的一个位置。

注意：在给定连杆的两个位置要求设计四杆机构时，由于A、D两点可在

和

上任意选取，因此可得无穷多组解。一般还应该考虑其他辅助条件，例如，满足合理的结构要求，使机械在运转中的最小传动角最大，等等。例例2．给定连杆三个位置设计四杆机构已知B1C1、B2C2、B3C3为连杆所要到达的三个位置，要求设计该四杆机构。

根据已知条件，活动铰链B、C两点的相对位置已定，所以，设计此四杆机构的实质仍然是要求出两固定铰链点A、D的位置。由于连杆上的铰链中心B和C的轨迹分别为一圆弧而同时通过三点要求B1、B2、B3和C1、C2、C3的圆分别只有一个。所以，连架杆的固定铰链中心A和D只有一个确定的解。即B1B2和B2B3的垂直平分线b12和b23的交点为A以及C1C2和C2C3的垂直平分线c12和c23的交点为D。连AB1C1D即为所求的四杆机构在第一个瞬时位置的机构运动简图。三、按给定的两连架杆对应位置设计四杆机构

反转法的原理

按照连架杆的三组对应位置设计四杆机构

反转法的原理按两连架杆预定的对应位置设计四杆机构按连杆预定位置设计四杆机构

按照连架杆的三组对应位置设计四杆机构铰链四杆机构１．应用连杆曲线

四杆机构运动时，连杆作平面运动，连杆上任一点都将描绘出一条封闭曲线。该曲线称为连杆曲线。显然，连杆曲线的形状随连杆上点的位置以及各杆相对尺寸的不同而变化。正是由于连杆曲线的这种多样性，才使其能在各种机械上得到越来越广泛的应用。如图所示的自动线上步进式传送机构，即为应用连杆曲线（卵形曲线）来实现步进式传送工件的典型实例。２．图谱法

图谱法是按照给定的运动轨迹设计四杆机构的另一种简便的方法，它是利用连杆曲线图谱（可查手册），查出与要求轨迹曲线相似的连杆曲线，以及描绘该连杆曲线的四杆机构的相对杆长，然后测量出图谱中的连杆曲线与所要求的轨迹曲线之间的放大（或缩小）倍数，即可求出机构的各尺寸参数。分离式导轨可调间隙式移动副结构矩形V形燕尾形组合形几种平面接触式移动副结构2.3凸轮机构2.3.1凸轮机构的组成、应用和分类2.3.2从动件的常用运动规律2.3.3凸轮的轮廓线设计2.3.4间歇运动机构

◆组成：由凸轮、从动件和机架组成三构件高副机构。

◆特点：可使从动件实现各种复杂的运动规律，结构简单紧凑，易于设计；但因含点、线接触的高副，易磨损。

◆应用：各种机械，尤其是自动机械，主要是传递运动。2.3.1凸轮机构的组成、应用和分类一、凸轮机构的组成及应用从动件机架凸轮内燃机配气机构自动机床进给机构盘形、移动、圆柱1）按照凸轮形状分类:2）按照从动件形状分类:3）按照从动件运动方式分类:4）按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类:尖顶、平底、滚子直动、摆动力封闭型（重力、弹力）形封闭型凸轮机构的组成、应用和分类一、凸轮机构的分类动画

2.3.2从动件的常用运动规律一、凸轮与从动件的运动关系二、从动件的常用运动规律从动件的运动规律，指从动件的位移s、速度v、加速度a随时间t或凸轮转角的变化规律。通常用运动方程或运动线图来描述。常用运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律和简谐运动规律。基圆rb：最小向径为半径所作的圆推程、推程角δt：向径逐渐增大行程h：从动件的最大位移远休止、远休止角δs：最大向径不变回程、回程角δh：向径逐渐减小

近休止、近休止角：最小向径不变速度由v0→0，a

由0→－∞（一）等速运动规律定义从动件在推程或回程作等速运动。适用场合一般在启动与终止段用其它运动规律进行过渡，以减小冲击。可适于低速、轻载、从动件质量不大，有匀速要求的场合。从动件的常用运动规律动力特性运动线图∞－∞启动瞬间:终止瞬间:存在刚性冲击(F=ma)速度由0→v0，a

由0→∞hsOtaOtOvtv0123456sδto（二）等加速等减速运动规律定义从动件在推程或回程的前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动。适用场合中速轻载。从动件的常用运动规律动力特性加速度在运动的起始、中间和终止位置有突变。存在柔性冲击(F=ma)运动线图vδtoaδtoa0δt/2δthh/2h/2从动件位移方程抛物线定义当质点在圆周上作匀速运动时，其在该圆直径上的投影所构成的运动规律称为简谐运动规律，从动件在推程或回程按此规律运动。（三）简谐运动规律从动件的常用运动规律适用场合中速中载。当从动件作无停歇的升--降--升连续运动时，加速度曲线变成连续曲线，可用于高速场合。动力特性加速度在运动的起始和终止位置有突变。存在柔性冲击(F=ma)运动线图vδtoaδtosδtoδt123456h

设计问题按给定的从动件运动规律设计凸轮轮廓曲线。

设计方法

图解法：直观，简单；但误差大，效率低，适用于不重要的凸轮。解析法：精确，高效，可直接用于数控加工编程，适用于高速和高精度凸轮。2.3.3凸轮的轮廓线设计

反转法

根据相对运动原理，若给整个凸轮机构附加一个-ω运动，机构的相对运动不变。此时，凸轮相对静止，从动件则在反转的同时相对凸轮作往复移动。一、设计的基本原理已知：rb、h、ω1、从动件运动规律解:1．作位移曲线s

03600180021003000h1234567891011122．等份s-

图ω10123456789103．作基圆4．沿-等份基圆5．量取相应位移6．作轮廓线11h（一）尖顶对心移动从动件二、移动从动件盘形凸轮轮廓设计凸轮转角从动件运动0180等速上升

h180

210远休止210

300等速下降300

360近休止凸轮的轮廓线设计

1．按尖顶从动件作凸轮轮廓线η0（理论轮廓）；nn理论廓线η0实际廓线η２．以η0各点为圆心，滚子半径为半径作若干个滚子圆；３．作这些滚子圆的包络线η（实际轮廓）。（二）滚子对心移动从动件凸轮的轮廓线设计η0和η为法向等距的曲线

1．按尖顶从动件作理论轮廓线一系列点A0，A1，A2，....

2．过各点作出平底A0B0，A1B1，A2B2......3．作这些平底的包络线。A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10B0B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10ω1（三）平底对心移动从动件凸轮的轮廓线设计

例图示尖顶摆动从动件盘形凸轮机构。已知凸轮基圆半径rb＝30mm，凸轮轴心与从动件转轴之间的中心距lOA=75mm，从动件长度为LAB=60mm，凸轮以等角速度ω逆时针转动，从动件的运动规律如下表。试绘制该凸轮的轮廓曲线。三、摆动从动件盘形凸轮轮廓曲线设计凸轮的轮廓线设计凸轮转角δ0°~180°180°~300°300°~360°从动件摆角φ简谐上摆30°等加速、等减速返回始点停止摆动摆动从动件盘形凸轮机构凸轮的轮廓线设计凸轮转角δ0°~180°180°~300°300°~360°从动件摆角φ简谐上摆30°等加速、等减速返回始点停止摆动解1．绘制从动件角位移线图，φ—δ。比例尺μφ=1°/mm

μδ=0.3°/mmφδoδtδh12345612345678910φ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φ8φ9δt=180°δh=120°φ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φ8φ9φ102°5°15°25°28°30°22.5°15°7.5°0°凸轮的轮廓线设计

2．绘制凸轮廓线δt=180°δh=120°φ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φ8φ9φ102°5°15°25°28°30°22.5°15°7.5°0°rb＝30mmlOA=75mmLAB=60mmoA0B0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11φ0φ0=26°B1φ0+φ1=28°B2φ0+φ2=31°B3φ0+φ3=41°B4φ0+φ4=51°B5φ0+φ5=54°B6φ0+φ6=56°B7φ0+φ7=48.5°B8φ0+φ8=41°B9φ0+φ9=33.5°B10φ0+φ10=26°B11φ0+φ11=26°-ω1凸轮的轮廓线设计

2．绘制凸轮廓线δt=180°δh=120°φ1φ2φ3φ4φ5φ6φ7φ8φ9φ102°5°15°25°28°30°22.5°15°7.5°0°rb＝30mmlOA=75mmLAB=60mmoA0B0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11φ0φ0=26°B1φ0+φ1=28°B2φ0+φ2=31°B3φ0+φ3=41°B4φ0+φ4=51°B5φ0+φ5=54°B6φ0+φ6=56°B7φ0+φ7=48.5°B8φ0+φ8=41°B9φ0+φ9=33.5°B10φ0+φ10=26°B11φ0+φ11=26°-ω12.3.4间歇运动机构一、棘轮机构二、槽轮机构三、不完全齿轮机构一、棘轮机构外啮合棘轮机构内啮合棘轮机构单动式棘轮机构双动式棘轮机构可变向棘轮机构摩擦式棘轮机构1.工作原理:

主动件棘爪作往复摆动，从动件棘轮作单向间歇转动。2.组成:棘轮、棘爪、机架和弹簧等3.特点：结构简单，便于调整转动角度。有较大冲击和噪音，精度较差。牛头刨床棘条式千斤顶卷扬机制动机构手枪盘分度机构超越式棘轮机构钻床中的自动进给机构4.类型5.应用外啮合棘轮机构

内啮合棘轮机构外啮合棘轮机构

内啮合棘轮机构

单动及双动式棘轮机构图

单动式棘轮机构双动式棘轮机构1-主动摆杆；2-主动棘爪；