机械分析与设计基础 课件 情境3 常用机械机构的分析与设计

《机械分析与设计基础》

情境3常用机械机构的分析与设计任务3.1平面连杆机构的分析与设计

曲柄滑块机构

【下达任务】内燃机曲柄滑块机构

【能力目标】1.学会铰链四杆机构的类型、特性。2.学会铰链四杆机构的演化机构的分析。3.学会用图解法设计平面连杆机构。4

知识导航气缸体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引导问题：内燃机曲柄滑块机构的组成？曲柄滑块机构认知：平面连杆机构

1.平面连杆机构：构件间用低副连接而构成的平面机构3.1.1平面四杆机构的组成和特点一、平面四杆机构简介2.平面四杆机构：

具有四个构件的平面连杆机构。平面四杆机构是平面连杆机构最简单的类型，常见的形式是铰链四杆机构。其为全转动副的四杆机构。1.机架：固定件（AD）。2.连架杆：与机架相连的杆（AB、CD）。3.连杆：不直接与机架相连的杆（BC），而是通过回转副与连架杆相连。其中：二、平面四杆机构的组成【曲柄】：作整周（360度）转动的连架杆。【摇杆】：仅能在某一角度内摆动的连架杆。

三、平面四杆机构的优点和缺点优点1优点2优点3缺点

低副是面接触，压强低，磨损量小低副的接触表面是圆柱面或平面，故制造方便，容易获得较高的精度

容易实现常见的转动、移动及其转换

低副中存在的间隙不易消除，会引起运动误差，从而降低传动的精度和效率3.1.2铰链四杆机构的基本类型曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构flash

1.曲柄摇杆机构两连架杆中:一个是曲柄，一个是摇杆的铰链四杆机构

摇杆摆动

运动特点:曲柄为原动件曲柄转动摇杆为原动件摇杆摆动曲柄转动flash雷达天线仰俯角的调整机构曲柄摇杆机构应用举例-1和面机曲柄摇杆机构应用举例-2缝纫机的踏板机构

曲柄摇杆机构应用举例-3

2.双曲柄机构

两个连架杆都是曲柄的铰链四杆机构（1）普通双曲柄机构运动特点：主动曲柄等速转动从动曲柄变速转动flash普通双曲柄机构应用举例

惯性筛flash（2）平行双曲柄机构：

连杆与机架相等双曲柄的转向相同，且长度也相等。

运动特点：两曲柄转动的角速度始终相等，连杆作平动，且始终平行于机架。flash天平机构平行双曲柄机构应用举例-1平行双曲柄机构应用举例-2摄影车座斗升降机构平行双曲柄机构应用举例-3路灯检修车(3)反向双曲柄机构

连杆与机架长度相等，两曲柄的转向相反，且长度也相等。

反向双曲柄机构应用举例

车门的启闭机构

3.双摇杆机构

具有两个摇杆的铰链四杆机构。运动特点：摆动摆动（摆幅相等或不相等）双摇杆机构举例-1港口起重机双摇杆机构举例-2

飞机起落架取不同的构件为机架—变换机架曲柄摇杆机构

双曲柄机构曲柄摇杆机构

双摇杆机构3.1.3铰链四杆机构基本类型的判别提出问题：以不同的杆作机架有四种情况，如何判断类别？

设构件1、2、3、4的长度分别为a、b、c、d

当杆长d>a时，由△B′C′D存在的几何条件可知，四杆的长度必然满足：

由△B″C″D存在的几何条件可知，四杆的长度必然满足：

即即各式中的等号表示当B处在B′点和B″点时，A、B、C、D四点共线，这时刚好也能形成整转副。一、铰链四杆机构有曲柄的条件

a≤b，a≤c，a≤d

对于杆长d<a的情况

，同理得出：d≤a，d≤b，d≤c

上式两两相加得：课后求证？

铰链四杆机构中存在曲柄的条件（即能做整周转动）是：

（A）机架或连架杆中必有一杆为最短杆——最短构件条件（B）最短构件与最长构件长度之和小于或等于其余两构件长度之和——构件长度之和条件

结论：格拉肖夫判别式二、铰链四杆机构基本类型的判别方法（A）机架和连架杆中必有一杆为最短构件，称为最短构件条件。（B）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆件长度之和，称为构件长度和条件。【引导案例】（A）机架和连架杆中必有一杆为最短构件，称为最短构件条件。（B）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆件长度之和，称为构件长度和条件。课堂练习-1曲柄摇杆机构课堂练习-2双摇杆机构课堂练习-3双曲柄机构课堂练习-4双摇杆机构3.1.4平面四杆机构的基本特性观察一下急回特性

1.特性分析

图示曲柄摇杆机构中，摇杆所处的C1D、C2D两位置称为摇杆的两极限位置

从动件在两极限位置时，原动件AB在对应两位置间所夹的锐角θ称为极位夹角

当曲柄以等角速度ω转动时，因Ф

1＞

Ф

2、固有t1＞

t2、则ν2＞

ν1，即摇杆的摆回平均速度大于摆出的平均速度，这种性质称为急回特性。一、急回特性——运动特性一般情况：摆出——工作行程AB1顺时针到AB2摆回——非工作行程AB2顺时针AB1K=

为了表明机构急回运动的程度，可用摆杆摆回平均速度与摆出平均速度的比值来衡量，该比值称为行程速比系数。用K表示。即

K＞1机构具有急回特性。若K＞1，θ≠0,θ越大，机构的急回特性越显著。θ=0,机构无急回特性。2.行程速比系数的引入：推导后3.平面四杆机构具有急回特性的条件是：（1）原动件等角速整周转动，即曲柄为原动件；（2）输出件作往复运动；（3）极位夹角满足θ≠0。对于对心式曲柄滑块机构，因其θ＝0，故无急回特性（1）对于偏置曲柄滑块机构，因其θ≠0，就有急回特性。θ=ψθ≠0机构具有急回特性（2）摆动导杆急回特性的条件二、

压力角与传动角——传力性能1.压力角α：从动件上某点所受作用力方向与其速度方向间所夹的锐角压力角α越小，机构的传力性能越好，理想的压力角α=0°FFn=Fsinα有害分力Ft=Fcosα有效分力ABCDαγδFvcFtFn

2.传动角（γ）：压力角的余角。vcABCDαγδFFtFn通常用γ表示.传动角γ越大，机构的传力性能越好，理想的传动角γ=90°3.设计时最小传动角的确定

机构的传动角和压力角作出如下规定：

γmin≥[γ][γ]=30

60°αmax≤[α][γ]、[α]分别为许用传动角和许用压力角。【情况分析】最小传动角出现的位置：

（1）曲柄摇杆机构（曲柄为主动件）最小传动角出现在曲柄与机架共线的位置【情况分析】最小传动角出现的位置：

（2）曲柄滑块机构（曲柄为主动件）最小传动角出现在曲柄与滑块移动方向线垂直的位置【情况分析】最小传动角出现的位置：

（3）摆动导杆机构（曲柄为主动件）

在任何情况下α=0°

γ=90°机构的死点：当机构处于压力角等于

90°（传动角等于0°）位置时无论驱动力多，均不能使从动件运动的位置。死点位置举例1：曲柄摇杆机构（摇杆为主动件）死点出现在曲柄与连杆共线的位置三、

死点位置死点位置举例2：曲柄滑块机构死点出现在曲柄与连杆共线的位置

死点位置举例3：摆动导杆机构以曲柄为原动件时无死点出现，以导杆为原动件死点出现在曲柄与导杆垂直的位置。工程实际中利用和克服死点：死点不利的一面克服止点用惯性力有利的一面利用止点克服死点（机构的错位排列）（加大飞轮）（加大飞轮）利用死点（飞机起落架）（夹紧装置）3.1.5平面四杆机构的演化一、演化方法1：改变构件形状和相对尺寸

转化为含有一个移动副的四杆机构1.将转动副转化为移动副a.对心曲柄滑块机构

2.选用不同构件做为机架的演化构件3（滑块）；构件4（导杆）（1）曲柄滑块机构——取构件4作机架flashb.偏置曲柄滑块机构flash（2）曲柄摇块机构--取构件2作机架Flash（3）定块机构——取构件3作机架手摇唧筒.avi

a.转动导杆机构（L1＜L2）

3.2铰链四杆机构的演化（4）导杆机构--取构件1作机架b.摆动导杆机构（L2＜L1）摆动导杆机构.swf牛头刨.avi曲柄滑块机构摇块机构定块机构转动导杆机构

摆动导杆机构

【总结】演化后的运动简图二、

演化的方法之2：扩大转动副尺寸偏心轮机构：当曲柄的尺寸很小时，由于结构和强度的需要，常通过扩大转动副尺寸，将曲柄改作成为一个几何中心与回转中心不重合的圆盘。

3.1.6平面四杆机构的设计一、

平面连杆机构设计的基本问题主要任务：根据机构的工作要求、运动特性和设计条件选定机构形式，并确定出各构件的尺寸参数。连杆机构设计两类问题：（1）实现给定从动件的运动规律（2）实现给定的运动轨迹1图解法2解析法3

实验法平面四杆机构的设计方法一、图解法设计平面四杆机构1.按给定位置设计四杆机构

（1）给定连杆两位置设计

已知：连杆上两活动铰链的中心B、C及其在运动过程中的两个位置B1C1、B2C2

（给定BC的两个位置）B1C1B2C2(2)按连杆的三个给定位置设计

（1）设计曲柄摇杆机构已知曲柄机构摇杆Lcd的长度，及摇杆摆角ψ和行程速比因数K。2.

按给定的行程速比因数设计具体数据：已知Lcd=600mmψ=30。

K=1.5试设计此曲柄摇杆机构

四杆机构分析图曲柄摇杆机构【总结】按给定的行程速比系数设计四杆机构的公式。C1DAB1C2B2设计结果图【任务完成】

内燃机曲柄滑块机构的设计【任务实施】1.任务分析

根据任务已知的条件，在设计内燃机的曲柄滑块机构时，把偏置曲柄滑块机构的行程H，视为曲柄摇杆机构当摇杆无限长时C点摆过的弦长，应用上述的方法可求得满足要求的机构，为解决图解法的精准性，作图时可用AutoCAD软件配合，得到的数据更准确。2.任务完成结论参考教材。

设计一偏置曲柄滑块机构，已知滑块的行程速度变化系数K=1.5，滑块的行程H=800mm，当导路的偏距当e=0mm或e=200mm（为作图方便）时，用图解法求曲柄长度a和连杆长度b，并画出其运动简图。【参考案例】偏置曲柄滑块机构的设计

已知条件：

行程速度变化系数K、滑块的行程H和偏距e

设计分析：

把偏置曲柄滑块机构的行程H视为曲柄摇杆机构当摇杆无限长时C点摆过的弦长，应用上述的方法可求得满足要求的四杆机构。

设计步骤是：1.按公式求出极位夹角：2.选定比例尺，画线段C1C2＝H，并过C1点作直线C1M垂直于C1C2

。3.作∠C1C2M＝90º-，C1M和C2M交于P点则∠C1MC2＝极位夹角4.作△C1MC2的外接圆，在圆上任取一点与C1和C2点连线的夹角都等于极位夹角。5.作C1C2的平行线，并与C1C2的距离为e，此直线与△C1MC2的外接圆交点即为曲柄和机架的固定铰链中心A。6.用与曲柄摇杆机构相同的方法，确定曲柄和连杆的尺寸。

【下次任务布置】

（一）预习

1.线上学习下次任务的所有内容。（二）作业

按教案作业布置内容。

《机械分析与设计基础》

情境3常用机械机构的分析与设计任务3.2凸轮机构的分析与设计

任务3.2凸轮机构的分析与设计气缸体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配气机构引导问题：内燃机配气机构的组成？1.任务条件

已知内燃机配气凸轮机构，如图3-2-2所示。从动件（顶杆）的运动位移曲线如图3-2-0所示、凸轮的基圆半径为r0

。2.任务要求

根据“反转法”原理，用图解法设计平底从动件盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线。【下达任务】图3-2-0从动件运动的位移曲线图3-2-2内燃机配气机构

【能力目标】1.了解凸轮机构的应用及分类。2.学会常用从动件运动规律。3.学会图解法设计盘形凸轮轮廓曲线。4.了解凸轮设计中的几个问题。103

知识导航内燃机配气机构一、凸轮机构的组成

1.凸轮1——具有曲线轮廓或凹槽的构件。

2.从动件2——被凸轮直接推动的构件。

3.机架——相对于支撑物体固定不动的构件。下一页3.2.1凸轮机构的应用1.优点（1）可使从动件得到各种预期的运动规律。（2）结构紧凑。2.缺点（1）高副接触，易于磨损，多用于传递力不太大的场合。（2）加工比较困难。（3）从动件行程不宜过大，否则会使凸轮变得笨重。二、凸轮机构的特点三、凸轮机构的工程应用实例1.内燃机中的配气机构2.绕线机中的排线机构

3.自动机床的进刀机构4.仿形加工机构凸轮轮廓的加工方法通常有两种：（1）铣、锉削加工

对用于低速、轻载场合的凸轮，可以在未淬火的凸轮轮坯上通过图解法绘制出轮廓曲线，采用铣床或手工锉削方法加工而成。对于大批量生产的还可采用仿形加工。（2）数控加工

即采用数控线切割机床对淬火凸轮进行加工，此种加工方法是目前常用的一种加工凸轮方法。应用专用编程软件，用数控线切割机床切割而成，此方法加工出的凸轮精度高，适用于高速、重载的场合。

数控凸轮磨床四、凸轮的加工方法一、按凸轮的形状分类盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮3.2.2凸轮机构的分类二、按从动件端部结构分类尖顶从动件滚子从动件平底从动件三、按从动件的运动方式分类直动从动件摆动从动件对心直动从动件偏置直动从动件四、按凸轮与从动件保持接触的方式（锁合方式）分类力锁合形锁合凹槽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构3.2.3凸轮的结构一、凸轮的结构型式2.凸轮在轴上的固定方式凸轮轴圆锥销联接

圆锥销和螺母联接

平键联接3.凸轮的工作图案例

常用的材料有：55、20Cr、18CrMnTi或T9、T10等并经过表面淬火处理。

合理地选择凸轮的材料，并进行适当的热处理，使滚子和凸轮的工作表面具有较高的硬度和耐磨性，而芯部具有较好的韧性。3.2.4凸轮的结构与材料1203.2.5凸轮机构的运动过程和基本术语r0hB’otΦsΦsΦsΦ'sΦ'sΦΦΦ'Φ'ωADCB从动件的位移线图

主动件凸轮连续转动，从动件上下移动。

从动件移动规律：

升—停—降—停一、运动过程1.基圆以凸轮轮廓的最小向径rb为半径所作的圆。二、名词术语及符号2.推程（升程）

当凸轮以等角速度ω逆时针转过δ0角时，从动件由最低位置A被到最高位置B的运动过程.

相应的凸轮转角δ0称为推程角3.远停程当凸轮继续转过δ01角时，从动件处于最高位置静止不动的过程。相应的凸轮转角δ01称为远休止角4.回程当凸轮继续转过δ0’角时，从动件由最高位置C回到最低位置D的运动过程,

相应凸轮转角δ0’

’

称为回程角。5.近停程当凸轮继续转过δ02’角时，从动件处于最低位置静止不动的过程，相应的凸轮转角δ02称为近休止角6.升程从动件在推程或回程时移动的距离主动件凸轮连续转动，从动件上下移动。

三、工作过程分析以尖顶移动从动件盘形凸轮机构为例：

从动件移动规律：

升—停—降—停从动件位移线图r0hB’otδsδ01δ01δ02δ02δ0δ0δ’0δ’0ωADCB

以纵坐标代表从动件位移s2

，横坐标代表凸轮转角δ1或t，所画出的位移与转角之间的关系曲线。上升—停—降—停

从动件位移线图决定于凸轮轮廓曲线的形状。一、从动件的运动规律的概念从动件的位移（S）、速度（V）和加速度（a）随时间（t）或凸轮转角（δ）的变化规律。二、运动规律的表示方法①从动件运动方程：S=S(t）S=S(δ）

V=V(t)V=V(δ)a=a(t)a=a(δ)②从动件运动线图3.2.6从动件的常用运动规律1.匀速运动规律（直线运动规律）从动件在推程（上升）或回程（下降）的速度V为一常数特点：适用于低速轻载的场合从动件在运动的开始和终止的速度有突变，瞬时加速度趋于无大，产生大惯性，有刚性冲击三、常用的从动件运动规律2.匀加速匀减速运动规律（抛物线运动规律）

从动件在运动过程的前半程匀加速运动，后半程作匀减速运动，两部分加速度的绝对值相等的运动规律特点：从动件在运动的始中末三个瞬时，加速度有突变，引起柔性冲击适用于中低速轻载的场合3.简谐运动规律（余弦加速度运动规律）特点：

当从动件只作升—降——升（休止角为零）运动时，其加速度为一连续的光滑曲线，运动中消除了柔性冲击，这种情况适用于高速。速度和加速度都是连续曲线

在推程和回程的起点、终点加速度有突变，要产生柔性冲击。适用于中、低速中载的场合四、从动件运动规律的选择尽量选用使凸轮轮廓曲线易于加工的运动规律

只要求从动件完成一定的行程h或φ，应采用易于加工的曲线作为凸轮轮廓曲线对凸轮机构从动件的运动规律有严格要求时必须按照机器所要求的运动规律来选择①尽可能选用加速度曲线连续的运动规律，同时还应考虑从动件不同的运动形式②对质量较大从动件应选择vmax较小的运动规律③对高速运动的凸轮机构，应选择amax值较小的运动规律1.工作要求2.动力特性3.凸轮轮廓的加工134一、凸轮机构的压力角1.压力角与作用力的关系

所谓凸轮机构的压力角，是指在不计摩擦的情况下，凸轮对从动件作用力的方向与从动件上受力点速度方向之间所夹的锐角。nneOBωαr0FV3.2.7凸轮机构设计的其他问题工程上要求：αmax

≤[α]直动推杆：[α]＝30°摆动推杆：[α]＝35°～45°回程：[α]’＝70°～80°推程nneOBωαr0FF′F"F'=FcosαF"=Fsinα----有利于从动件运动的分力----不利于从动件运动的分力αF'F"提问：平底从动件α＝？00nnvOωr0【讨论】平底从动件盘形凸轮机构的压力角。

压力角为零或一定值。结论：当平底与从动件运动方向垂直时，压力角恒为0，当平底与从动件运动方向不是垂直时，压力角就不为0了。所以得分情况讨论！二、基圆半径的确定盘形凸轮的最小基圆半径主要受到三个条件的限制：

①凸轮的基圆半径应大于凸轮轴的半径

②αmax≤［α］③ρ＞rT基圆半径的确定办法②诺模图法①根据凸轮的结构确定当凸轮与轴分开制造时，当凸轮与轴做成一个凸轮轴时，式中：r――制作凸轮处轴的半径，mm；

rn――凸轮轮毂外圆半径，mm，一般；

rT――滚子半径，mm。若从动件不带滚子。138【提问】在设计一对心凸轮机构设计时，当出现α≥[α]

的情况，在不改变运动规律的前提下，可采取哪些措施来进行改进？（1）加大基圆半径r0。（2）将对心改为偏置。（3）采用平底从动件；解析法设计方法图解法（主要介绍）计算复杂精度高简单直观精度低3.2.8盘形凸轮轮廓曲线的设计

依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线-ωω

给整个凸轮机构加上一个与凸轮转动的角速度ω大小相等、方向相反的角速度－ω，此时凸轮不动，从动件一方面随导路以－ω绕轴转动，另一方面又在导路中按预定的运动规律作往复移动。由于从动件的尖顶始终与凸轮轮廓相接触，其尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。反转法原理一、凸轮轮廓设计的图解法原理-反转法二、对心尖顶移动从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计基圆半径Rb1.选与位移线图一致的比例作凸轮的基圆；2.将基圆分成与位移线图中相对应的等份；3.分别自基圆圆周向外量取从动件位移线图中相应的位移量；4.光滑连接各点即为所求的凸轮轮廓。

已知，如图eA-ωωO

偏置直动尖顶推杆凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径r0=300mm

，角速度ω和推杆的运动规律和偏心距e=100mm，设计该凸轮轮廓曲线。二、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计sδ60°120°90°90°1’3’5’7’8’1357891113159’11’13’12’14’12345678k1k2k3k5k4k6k7k81514131211109k9k10k11k12k13k14k151’2’3’4’5’6’7’8’15’14’13’12’11’10’9’

引导：平底传动件凸轮机构运动动画。2.任务完成------平底直动从动件盘型凸轮机构-

sO180º120º60º123456789102

1180º120º平底凸轮机构【重要说明】

对于平底移动从动件盘型凸轮，只要运动规律相同，偏置从动件和对心从动件具有相同的轮廓。B12

1

【下次任务布置】

《机械分析与设计基础》

情境3常用机械机构的分析与设计任务3.3间歇（步进）机构的分析与选择1.任务条件已知如图3-3-2所示的棘轮机构，图3-3-10所示的槽轮机构，图3-3-14所示的凸轮式间歇机构，图3-3-16所示的不完全齿轮机构。2.任务要求分析各种间歇运动机构的组成和工作原理，并填写下表。【下达任务】图号名称主要组成工作原理3-3-2棘轮机构

3-3-10槽轮机构

3-3-14凸轮式间歇机构

3-3-16不完全齿轮机构

图3-3-2单向轮齿啮合式棘轮

图3-3-10外接式槽轮机构

图3-3-16不完全齿轮机构

【能力目标】1.学会棘轮机构、槽轮机构的分析和选择。2.学会凸轮式间歇运动机构和不完全齿轮机构的分析和选择。176

知识导航3.3.0概述

当主动件作连续运动时，从动件作周期性的运动和停顿，这类机构称为间歇机构，也称为步进机构。它在各种自动化机械中得到广泛应用,用来满足送进、制动、转位、分度、超越等工作要求。

常用的间歇机构可以分为两类：

1）主动件往复摆动，从动件间歇运动，如棘轮机构。

2）主动件连续运动，从动件间歇运动，如槽轮机构、不完全齿轮机构等。间歇机构种类很多，我们这里主要学习常用的：棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。3.3.1棘轮机构一、棘轮机构的组成及其工作特点典型的棘轮机构如图所示,该机构为轮齿式外啮合棘轮机构。二、棘轮机构的类型1.棘轮机构的类型（1）从结构特点和原理划分（4）从棘轮运动的方向划分（2）按啮合方式划分（3）从棘轮轮齿齿形划分摩擦式棘轮机构

（1）从结构特点和原理划分齿式棘轮机构内接棘轮机构（超越）外接棘轮机构（2）按啮合方式划分（3）从棘轮轮齿齿形划分

锯齿形齿式棘轮机构

矩形齿式棘轮机构单动式棘轮机构双动式棘轮机构（4）从棘轮运动的方向划分单向式棘轮机构

双向式棘轮机构其他：滚子楔紧式棘轮机构（超越式棘轮）三、棘轮机构的特点及应用1.特点:

（1）轮齿式棘轮机构：

结构简单、易于制造、运动可靠、棘轮转角容易实现有级调整.棘爪在齿面滑过时会引起噪声，高速时更为严重.

多用于低速、轻载时间歇运动的控制。（2）摩擦式棘轮机构：

传递运动较平稳、无噪声,从动件的转角可作无级调整.易出现打滑现象，运动准确性较差，不适合用于精确传递运动的场合2.各种棘轮机构在生产实际中的应用

适用于低速、轻载的间歇传动。常用于各种机床的进给、转位和分度系统，如：牛头刨横向进给,计数器及起重机、绞盘的安全保护。3.3.2槽轮机构一、槽轮机构的组成及其工作特点它由带有圆销的主动拨盘1、具有径向槽从动槽轮2和机架所组成。二、槽轮机构的类型及其应用1.槽轮机构的类型2.槽轮机构的特点和应用（1）优点:结构简单，工作可靠，能准确控制转动的角度。常用于要求恒定旋转角的分度机构中。（2）缺点：

①对一个已定槽轮机构来说，转角不能调节;