机械设计基础 第4版教案

单元一机械设计基础概论

1.1机械的概念

机器的特征：1、是一种人为的实物组合；2、各部分形成运动单元，各单元之间具有

确定的相对运动；3、能实现能量的转换或完成有用的机械功。

当具备上述二个特征的称为机器，仅具备前两个特征的称为机构。

构件：组成各个机械的各个相对运动的实物，是运动的单元体。

零件：机械中不可拆的制造单元，是机械制造中的单元体。

工作过程：活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入汽缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃

气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动活塞上行，排气阀打开,

排出废气

1、机构的分析

（1）机构的结构分析

研究机构的组成原理，即机构组成的一般规律。

研究机构运动的可能性与确定性的条件。

（2）机构的运动分析

研究在给定原动件运动的条件下，机构各点的机迹、位移、速度、加速度等运动特性。

（3）机构的力分析

研究机构的各构件和运动副中力的计算、摩擦及效率问题。

2、常用机构的设计问题

主要研究：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等的设计理论和设计方法。

3、机械系统运动方案设计

主要研究：如何根据机器的功能来确定运动方案。

4、机械动力学问题

主要研究：机械系统的真实运动规律、机械的调速和机构的平衡。

1.2机械零件设计的基本准则及一般设计步骤

一、机械零件设计的基本准则

失效：机械零件由于某种原因丧失正常工作能力。

失效的形式：破坏性失效：断裂、塑性变形、过度磨损、胶合等

暂时性失效：弹性变形，打滑等

失效原因：由于强度、刚度、耐磨性、振动稳定性等不满足工作要求。

设计准则：

（一）强度：体积强度、表面强度

1、体积强度

体积强度：零件在载荷作用下，如果产生的应力在较大的体积内，则这种应力状态下

的零件强度称为体积强度（简称强度）。体积强度不够，会产生断裂和过大的塑性变形。

其中：Q、T:零件危险界面的最大的正应力和切应力；

［同、［T］：材料的许用的正应力和切应力；

［S。］、［St］：正应力和切应力的许用安全系数；

dim、dim：极限正应力和极限切应力。

2、表面强度

表面强度：若两个零件在受载前后由点接触或线接触变为小表面积接触，且其表面产

生很大的局部应力（称为接触应力）.这时零件的强度称为表面接触强度（简称接触强度］

表面强度不够，会发生表面损伤。

表面强度：表面挤压强度：面接触的两零件，受载后接触面间产生的挤压应力。挤压

应力过大会使零件表面压溃。

表面接触强度：点和线接触的两零件，受载后零件表面的弹性变形而使点或线变为微

小的接触面，微小接触面上的局部应力称为接触应力（变应力）。接触应力过大会产生疲

劳点蚀。

,计算准则：表面挤压强度：最大挤压应力不超过材料的许用挤压应力。

表面接触强度：最大接触应力不超过材料的许用接触应力。

。口4［Qn］=j-］

（二）、刚度

刚度：零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。

叼同

。三国设计准则：

y、ly］分别为零件的变形量和许用变形量；

0、［0］分别为零件的转角和许用转角；

①、［①］分别为零件的扭角和许用扭角。

注意：一般来说满足刚度要求的零件都满足强度要求

提高零件整体刚度的原则措施有：

1）适当增加零件的剖面尺寸；

2）合理设计零件的剖面形状；

3）合理添置加强筋，采用多支点结构；

4）提高零件接触表面的加工精度或经适度跑合，以降低表面粗糙度；

5）适当增大接触面积，以降低单位压力等。

（三）、耐磨性

耐磨性：在载荷作月下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。

危害：过度磨损会使零件的形状和尺寸改变，配合间隙增大，精度降低，产生冲击振

动。

解决措施：限制工作面的单位压力和相对滑动速度，选择合适的材料及热处理方式，

对工作面进行良好的润滑以及提高零件表面硬度和表面质量。

注意事项：对于效率低、发热量大，散热条件不好的传动要进行散热计算。

（四）、振动稳定性

振动稳定性：避免使零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍。

产生原因及危害：当机器中某零件的固有频率f和周期性强迫振动频率fp相等或成整

数倍时，零件振幅就会急剧增大而产生共振，从而使零件工作性能失常，甚至引起破坏。

二、机械零件的疲劳强度

（一）、应力的特点和类型

r二

其中Gmax为最大应力,Omin为最小应力,前为平均应力,一为应力副，1应力循环特

性。

应力：静应力：不随时间变化的应力。（大部分的机械零件的应力状态）

变应力：随时间变化的应力。

（二”疲劳断裂的特征和疲劳曲线

疲劳断裂:材料在变应力作用下，在一处或多处产生局部永久性累积损伤，经过一定循环

次数后.产生裂纹或突然发生断裂的过程。

特征：（1）、疲劳断裂分两个过程：产生裂纹突然断裂；

（2）、疲劳断裂的截面为两个区域：表面光滑的疲劳发展区和表面粗糙的脆

性断裂区；

（3）、塑性和脆性材料的零件疲劳断裂均为脆性突然断裂。

（4）、疲劳强度比同样材料的屈服点低，疲劳强度的大小与应力循环特性有关。

疲劳强度：试件经过一定应力循环次数后，不发生疲劳破坏的最大应力。用uN表示。

疲劳曲线：

1、无限寿命区：当NNNO时，试件的疲劳强度不再随应力循环次数N的增加而降低,

单元二平面连杆机构

2.1平面机构的运动简图及自由度

机械一般由若干机构组成，而机构是由两个以上有确定相对运动的构件组成的。若组

成机构的所有构件都在同一平面中运动，则称该机构为平面机构。

一、运动副的概念

运动副：两构件之间直接接触并能产生一定相当于运动的联接。如轴和轴承、活塞与

气缸、车论与钢轨，一对啮合的齿轮。

二、运动副的分类

平面运动副：两构件只能在同一平面相对运动的运动副。通过点、线、面接触。

平面运动副分类：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。

分类：转动副、移动副

转动副：只允许两构件作相对转动，又称作钱链。

a)固定较链

b)活动较链转动副

(2)移动副：只允许两构件作相对移动。

2.高副两构件以点或线接触而构成的运动副。

凸轮副：

齿轮副

空间运动副:

球面副螺旋副

三、机构运动简图的概念

机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例

尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相司运动特性。

机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。

四,平面机构运动筒图的绘制

机构的组成：

固定件（机架）：机构中支承活动构件的构件，任何机构中有且只有一个机构为机架;

原动件：机构中作月有驱动力或已知运动规律的构件；

从动件：机构中除原动件以外的所以的活动构件。

绘制机构运动简图的步骤：

1）分析机构的组成，确定机架、原动件和从动件；

2）由原动件开始，依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型利数目；

3）选择适当的视图平面和原动件位置，以便清楚地表达各构件见的运动关系，通常

选择与构件运动平行的平面作为投影面；

4）选择适当的比例尺，按照各运动副间的距离和相对位置，以规定的线条和符号绘

图。

机构运动简图符号

（1）转动副

构件组成转动副时，如下图表示。

（2）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。

1

]——I-二一I—

2

I//；///

FZ7

2

（3）.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。

例：绘制下图颗式破碎机主体机构的运动简图

五、平面机构的自由度计算

1、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，作平面运动

的自由构件有三个自由度。

2、约束：当两构件组成运动副后，它们之间的某些相对运动受到限制，对于相对运

动所加的限制称为约束。每加一个约束就减少一个自由度。

平面低副：引入两个约束，保留一个自由度

平面高副：引入一个约束，保留两个自由度

3、机构自由度计算：机构相对于机架所具有的独立运动数目，称为机构的自由

度。

计算公式：F=3n-2PL-PH

其中：n：在一个机构中除机架以外的所以构件的数目。

PL：低副数

PH:用副数

例题：计算颗式破碎机的自由度。

解：F=3FI-2PL-PH

=3x3-2x4-0

=1

2.2平面连杆机构的类型及应用

平面连杆机构：由若干个构件通过低副联接而成的机构，又称为平面低副机构。

低副机构运动具有可逆性，即不管以哪个构件为机架，以哪些构件做为原动件，各构件的

相对运动规律是不变的.

一、平面四杆机构的基本形式

校链四杆机构：构件间都是转动副的,面四杆机构。

机架：固定不动的构件。

连架杆：与机架相连的两个构件。能绕机架做360。整周转动的连架杆称为曲柄。只

能在一定角度内摆动的连架杆称为摇杆。

连杆：与机架相对的构件。

根据两连架杆运动形式的不同，分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。

L曲柄摇杆机构：两连架杆中一个为曲柄而另一个为摇杆的机构。

运动：当以曲柄做为原动件时，可将匀速转动变成从动件的摆动。如雷达天线的俯仰

角调整机构。或利用连杆的复杂运动实现所需的运动轨迹。如搅拌器机构。

当以摇杆为原动件时，可将往复摆动变成曲柄的整周转动。

2.双曲柄机构：两连架杆均为曲柄的四杆机构。

运动：通常是主动曲柄作匀速转动，从动曲柄做同向变速运动。如惯性筛机构。

Ofl

当双曲柄机构的相对两杆分别相等时，则称为平行双曲柄机构或平行四逅形机构。下

图中a图为正平行双曲柄机构，两曲柄的装相相反且角速度相等，连杆做平动。B图为反

平行双曲柄机构，

正平行双曲柄机构中，当两曲柄与机架共线时:在原动件转向不变、转速恒定的条件

下，从动曲柄会出现运动不确定现象。可以在机构中添加飞轮或使用两组相同机构错位排

列。

2成

3.双摇杆机构：两连架杆都是摇杆的机索bin=--V—

SJL11CXz

二、四杆机构的演化形式

滑块四杆机构：含有移动副的四杆机构。

演化形式：川I柄滑块机构、导杆机构、摇块机构和定块机构。

1.曲柄滑块机构：铉链四杆机构中，扩大转动副，使转动副变成移动副。

据滑块往复移动的导路中心线是否通过曲柄转动中心，曲柄滑块机构可分为对心曲柄

滑块机构和偏置曲柄滑块机构。

对心曲柄滑块机构偏置曲柄滑块机构

特点：可以实现转动和往复移动的变换。

应用：活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械等。

2.导杆机构：

取曲柄滑块机构的大同构件为机架而获得的。取构件2为机架，构件3为主动件，若

13>12,导杆1作整周运动，称为转动导杆机构：若13<12,导杆1作往复摆列，称为摆动

导杆机构。_

应用实例：回转式油泵（转动导杆机构）牛头刨床的主体机构（摆动导杆机构）。

3.摇块机构

取曲柄滑块机构中的连杆3为机架而得到的。当曲柄2为原动件绕点转动时，滑块4

绕机架3上的钱链中心摆动，故称该机构为曲柄摇块机构或称为摆动滑块机构。

应用：各种摆动式原动机和工作机中。摆缸式液压泵、卡车车箱自动翻转卸料机构。

4.定块机构

取曲柄滑块机构中的滑块4为机架而得到的。当曲柄2转动时，导杆1可在固定滑块

4中往复移动，故该机构称为移动导杆机构（或定块机构）。

应用实例：手压抽水机、抽油泵等。

2.3四杆机构的基本特性

一、钱链四杆机构存在曲柄的条件

整转副：在机构中，能使被联接的两个机构相对转动360。的转动副。整转副的存在

是曲柄存在的必要条件。

钱链四杆机构的区别：机构中是否存在曲柄和几个曲柄。

1、整转副存在的条件：长度条件

若最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则较链四杆机构中必

存在整转副且最短杆两端的转动副为整转副。

即：Lmax+LminWU+L”时存在整转副

Lmax+Lmin>U+L”时不存在整转副

2、曲柄存在的条件：

⑴最短杆与最长杆之和小于或等于其余两杆长度之和;

⑵连架杆与机架中必有一为最短杆。

3、钱链四杆机构基本类型的判别方法：

（1），若机构满足杆长之和条件，则

1）、以最短杆的相邻杆为机架时为曲柄摇杆机构

2）、以最短杆为机架时为双曲柄机构

3）、以最短杆的对边为机架时为双摇杆机构

（2）、若机构不满足杆长之和条件则只能成为双摇杆机构

二、平面四杆机构的运动特性

1、平面四杆机构的极位

曲柄摇杆机构、摆动导杆机构和曲柄滑块机构中，当曲柄为原动件时，从动件往复摆

动或往复移动，存在左、右两个极限位置，称为极位。

从动件处于两个极位时，曲柄对应两位置所夹的锐角。，称为极位夹角；两个极位间

的夹角中，称为最大摆角。对摆动导杆机构，0=中。

2、急回特性：机构工作件返回行程速度大于工作行程的特性。

工作行程时：V,=C,C2/ri返回行程1寸：V2=C]C2/t2

即V2>V|

行程速比系数K：为了表示工作件往复运动时的急回程度，用V2和0的比值K来描

述。

V]%_例_180,+0

k-1

(0=180°

V2年2〃246180-0

对心曲柄滑块机构，无急回特性，偏置式曲柄滑块机构和摆动导杆机构恒具有急回特

性O

急回特性的作用：四杆机构的急回特性可以节省空间，提高生产率。

三、平面机构的传力特性

1.压力角a和传动角Y

压力角：在不计摩擦力、惯性力和重力时，从动件所受的力尸与受力点速度依所夹

的锐角ao

有效分力：Ft=Fcosa

有害分力：Fr=Fsinaa愈小，机构传动性能愈好。

传动角：连杆与从动件所夹的锐珀Y。丫=90。y越大，机构的传动性能越好，设

计时一般应使Ymin240°,对于高速大功率机械应使丫min250°。

最小传动角的位置：铁链四杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。

对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置。

对于摆动导杆机构日于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从

2、止点位置

止点位置：在从动曲柄与连杆共线的连个位置之一时，出现机构的传动角g=0,压力

角户90的情况，这时连杆对从动曲柄的作用里恰好通过其回转中心，不能推动曲柄转动,

机构的这种位置称为死点位置。

止点位置利弊：

利：工程上利用死点进行工作。

弊；机构有死点，从动件将出现卡死或运动方向不确定现象，对传动机构不利。

度过止点位置的方法：

增大从动件的质量、利用惯性度过死点位置。如缝纫机的飞轮。

采用机构错位排列的方法。如火车的车轮。

3、自锁现象

自锁：在摩擦力的作用下，无论驱动力（或驱动力矩）多大，都不能使原理不动的

机构产生运动的现象。

自锁区域的大小的影响因素：摩擦的性质及摩擦因素的大小。

2.4平面四杆机构的运动设计

设计的主要任务：根据机构的工作要求和设计条件选定机构形式，并确定个构件的尺

寸参数。

基本问题：

1）、实现给定从动件的运动规律。如要求从动件按某种速度运动或具有一定的急回特

性，要求满足某构件占据几个预定位置等.

2）、实现给定的运动轨迹。

设计方法：

图解法、实验法：亘观、简明，但精度较低，可满足一般设计要求。

解析法：精确度高，适用于计算机计算。

一、用图解法设计四杆机构

1、按给定的行程速比系数K设计四杆机构

设计具有急回特性的四杆机构，一般是根据实际运动要求选定行程速比系数K的数

值，然后根据机构极位的几何特点，结合其他辅助条件进行设计。具有急回特性的四杆机

构有曲柄摇杆机构，偏置滑块机构和摆动导杆机构等。

已知条件：行程速比系数K摇杆长度ICD、最大摆角小。

设计步骤:

1）、按用K-l1go,计算出极位夹角0：

K+1

2）、任取固定较链中心D的位置，选取适当的长度比例尺山，根据已知摇杆长度ICD

和摆角巾，作出摇杆的两个极限位置CQ和C2D。

3）、联接Ci、C2两点，做C|M_LC]C2,/C|C2N=90°-0,直线C】M与C?N交于P点，

ZCiPC2=0。

4）、以PC2为直径作辅助圆。在该圆周上任取一点A,联接AC1AC2,则NGAC2二

0O

5）、量出AC2、AG的长度1ACJAC2。由此可求得曲柄和连杆的长度：

6）、机架的长度IAD可直接量得，再按比例尺打计算即可得出实际长度。

由于A为辅助圆上任选的一点，所以有无穷多的解，当给定一些其他辅助条件，如机

架长度、最小传动角等，则有唯一解。

同理可设计出满足给定形成速比系数K值的偏置曲柄滑块机构、摆动导杆机构等。

2、按连杆的预定位置设计四杆机构

（1）按连杆的三个预定位置设计四杆机构

已知：连杆BC长度及三个位置（BCi,B2c2,B3c3）

设计步骤：

1）、选取比例尺d，按预定位置画出BiCi,B2c2,B3c3；

2）、联接B|B2、B2B3、C1C2和C2c3,并分别作B1B2的中垂线也2、B2B3的中垂线b23、

CIC2的中垂线C|2、C2C3的中垂线C23,b|2与b23的交点即为

圆心A,C|2与C23的交点即为圆心D。

3）、以A、D作为两固定较链中心。联接ABiGD,则AB1C1D即为所要设计的四杆

机构，各杆长度按比例尺计算即可得出。

（2）、按连杆的两人预定位置设计四杆机构

二、用实验法（图谱法）设计四杆机构

连杆曲线（定义）：四杆机构运动时，连杆作为平面复杂运动，对其上面任意一点都

能描绘出一条封闭曲线，这种曲线称为连杆曲线。

原理：连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和构件的相对长度的不同而不同。

方法与步骤：借用已编成册的连杆曲线图谱，根据预定运动轨迹从图谱中选则形状相

近的曲线，同时查得机构各杆尺寸及描述杆在连杆上的位置，再用缩放仪求出图谱曲线与

所需轨迹曲线的缩放倍数，

即可求得四杆机构的结构及运动尺寸。

三、用解析法设计四杆机构

设计方法：建立方程式，根据以知参数对方程求解。

已知：连杆AB和CD的三组对应位置

要求：确定各构件的长度a、b、c、d

步骤：建立坐标系xAy,和分别为AB和CD的初始角。

讨论与交流

教材中本单元的练习题。

单元三凸轮及间歇运动机构

3.1凸轮机构

一、凸轮机构的应用和特点

1.应用

凸轮机构由凸轮1、从动件2、机架3二个基本构件及锁合装置组成。是一种高副机

构。其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作连续等速转动，从动件则在凸轮

轮廓的控制下按预定的运动规律作往复移动或摆动。

2.特点

优点：只要适当地设计凸轮轮廓曲线，即可使从动件实现各种预期的运动规律。结构

简单、紧凑，工作可靠，应用广泛。

缺点：由于凸轮与从动件间为高副接触，易于磨损，因而凸轮机构多用与传递动力不

大的自动机械、仪表、控制机构及调节机构中。

二、凸轮机构的分类

根据凸轮及从动件的形状和运动形式的不同，凸轮机构的分类方法有以下四种：

1.按凸轮的形状分类

（1）盘形凸轮：如图所示，这种凸轮是一个具有变化向径盘形构件，当他绕固定轴

转动时，可推动从动件在垂直与凸轮轴的平面内运动。

（2）移动凸轮：如图所示，当盘状凸轮的径向尺寸为无穷大时，则凸轮相当于作直

线移动，称作移动凸轮。当移动凸轮做直线往复运动时，将推动推杆在同一平面内作上下

的往复运动。有时，也可以将凸轮固定，而使推杆相对于凸轮移动（如仿型车削）；

（3）圆柱凸轮：如图所示，这种凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓或在圆柱面上开

出曲线凹槽。当其转动时，可使从动件在与圆柱凸轮轴线平行的平面内运动。这种凸轮可

以看成是将凸轮卷绕在圆柱上形成的。

由于前两类凸轮运动平面与从动件运动平面平行，故称平面凸轮，后一种我们就称为

空间凸轮。

2.按从动件的形状分类

根据从动件与凸轮接触处结构形式的不同，从动件可分为三类：

（1）尖顶从动件：这种从动件结构简单，但尖顶易于磨损（接触应力很高），故只适

用于传力不大的低速凸轮机构中。

（2）滚子推杆从动件：由于滚子与凸轮间为滚动摩擦，所以不易磨损，可以实现较

大动力的传递，应用最为广泛。

（3）平底推杆从动件：这种从动件与凸轮间的作用力方向不变，受力平稳。而且在

高速情况下，凸轮与平底间易形成油膜而减小摩擦与磨损。其缺点是：不能与具有内凹轮

廓的凸轮配对使用；而且，也不能与移动凸轮和圆柱凸轮配对使用。

3.按推杆的运动形式分类

（1）直动推杆：作往复直线移动的推杆称为直动推杆。若直动推杆的尖顶或滚子中

心的轨迹通过凸轮的轴心，则称为对心直动推杆，否则称为偏置直动推杆；推杆尖顶或滚

子中心轨迹与凸轮轴心间的距离e,称作偏距。（如上图的a、b、c^d、e）

（2）搜动推杆：作往复摆动的推杆成为搜动推杆。（如上图的f、g、h）

4.按凸轮与推杆保持高副接触的方法（锁合）分类

我们知道，凸轮机构是通过凸轮的转动而带动推杆（从动件）运动的。我们要采用一

定的方式、手段使从动件和凸轮保持始终接触，从动件才能随凸轮转动完成预定的运动规

律。常用的方法有两类：

1）力锁合：在这类凸轮机构中，主要利用重力、弹簧力或其它外力使推杆与凸轮始

终保持接触，如前述气门凸轮机构。

2）几何锁合：也叫形锁合，在这类凸轮机构中，是依靠凸轮和从动件推杆的特殊几

何形状来保持两者的接触。

将不同类型的凸轮和推杆组合起来，我们可以得到各种不同的凸轮机构。

凸轮机构设计的基本任务：根据工作要求选定合适的凸轮机构的型式及从动件的运动

规律，并合理地确定基圆等基本尺寸，然后根据选定的从动件的运动规律设计出凸轮应具

有的凸轮轮廓曲线。其中，根据工作要求选定从动件的运动规律，乃是凸轮轮廓设计的前

提。

三、凸轮机构的工作过程

1.凸轮机构的基本名词术语

⑴基圆、基圆半径一以凸轮轮廓最小向径「min为半径所作的圆称为凸轮的基圆，%讪

称为基圆半径。如图所示。

⑵从动件推程、升程、推程运动角——从动件在凸轮轮廓的作用下由距凸轮轴心最近

位置被推到距凸轮轴心最远位置的过程称为从动件的推程，在推程中从动件所走过的距离

称为从动件的行程h,推程对应的凸轮转角3t称为推程运动角，如图所示。

⑶远停程角一从动件在距凸轮轴心最远位置处静止不动所对应的凸轮转角/称为

远停程角。

⑷回程、回程运动角——从动件在凸轮轮廓的作用下由距凸轮轴心最远位置回到距凸

轮轴心最近位置的过程称为从动件的回程，回中凸轮转过的角度通称为回程运动角，如图

所示。

⑸近停程角——从动件在距凸轮轴心最近位置处静止不动所对应的凸轮转角a'称

为近停程角。

凸轮机构的运动过程

四、从动件的常用运动规律

1、等速运动规律：是指从动件在推程或回程的运动速度为常数的运动规律。凸轮以

等角速度转动，从动件在推程中的行程为h。从动件作等速运动规律的运动线组如图所示。

其位移曲线为斜直线，速度曲线为平直线，加速度曲线为零线。

由图可见，从动件在推程始末两点、处，速度有突变，瞬时加速度理论上为无穷大，

因而产生理论上亦为无穷大的惯性力。而实际上，由于构件材料的弹性变形，加速度和惯

性力不至于达到无穷大，但仍会对机构造成强烈的冲击，这种冲击称为“刚性冲击''或"硬

冲因此，单独采用这种运动规律时，只能用于凸轮转速很低以及轻载的场合。

2、等加速等减速运动规律:是指从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，后半

行程作等减速运动的运动规律。

运动线图如图所示。其位移曲线为两段光滑相连开口相反的抛物线，速度曲线为斜直

线，加速度曲线为平直线。作图方法如图所示。

3、简谐运动规律（余弦加速度运动规律）：是指从动件加速度按余弦规律变化的运动

规律。这种运动规律的运动线图如图所示。其位移曲线为简谐曲线，故又称为简谐运动规

律，速度曲线为正弦曲线，加速度曲线为余弦曲线。

五、图解法的原理

对于滚子从动件，则滚子中心可看作是从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮

廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rr的一条等距曲线。

L对心式尖顶从动件

已知凸轮的基圆半径「0,角速度3和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

设计步骤：

①选比例尺山作基圜ro。

②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。

③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。

④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。

2、滚子从动件

己知凸轮的基圆半径ro,角速度3和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

设计步骤：

①选比例尺d作基圆ro。

②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。

③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。

④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。

⑤作各位置滚子圆的内（外）包络线。

3、平底从动件

已知凸轮的基圆半径「0,角速度3和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。

设计步骤：

①选比例尺U1作基圆r0o

②反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。

③确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。

④作平底直线族的内包络线。

4、偏置式尖顶从动件

已知凸轮的基圆半径如角速度3和从动件的运动规律和偏心距e,设计该凸轮轮廓

曲线。

设计步骤：

①选比例尺打作基如ro；

②反向等分各运动角；

③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置；

④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。

三、摆动从动件盘形凸轮轮廓设计

已知凸轮的基圆半径ro,角速度3,摆杆长度1以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的

距离d,摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。

3.2棘轮机构

一、棘轮机构的工作原理和类型

1、棘轮机构的组成及工作原理

机构组成：它主要有摇杆、棘爪、棘轮、制动爪和机架组成。弹簧使制动爪和棘轮

保持接触。

工作过程：摇杆逆时针摆动——棘爪插入齿槽——棘轮转过角度——制动爪划过齿

背，摇杆顺时针摆动一棘爪划过脊背——制动爪组织棘轮作顺时针转动——棘轮

静止不动，此当摇杆作连续的往复摆动时，棘轮将作单向间歇转动。

2、棘轮机构的类型

分类：齿式棘轮机构、摩擦式棘轮机构

齿式棘轮机构：内啮合、外啮合

锯齿型、矩形齿。

二、棘轮转角大小的调节方法

1、改变曲柄长度：改变曲柄长度，可改变摇杆的最大摆角的大小、从而调节棘轮转角。

2、用覆盖罩调节转角：在摇杆摆角中不变的前提下，转动覆盖罩遮挡部分棘轮，可调节

棘轮转角的大小。

3、用双动棘爪调节机构转角。

三、齿式棘轮机构的特点及应用

优点：结构简单，制造方便，工作可靠，棘轮每次转动的转角等于棘轮齿矩角的整数倍,

广泛用于各类机械中。

缺点：工作时冲击较大，棘爪在齿背上滑国时会发出噪声。适用与低速、轻载和棘轮转

角不大的场合。

1、间歇进给式输送：牛头刨床进给机构，浇铸式流水进给装置。

2、超越运动与超越离合器：自行车飞轮。

四、摩擦式棘轮机构

摩擦式棘轮机构是依靠主动棘爪与无齿棘轮之间的摩擦力来推动棘轮转动的，所以摩擦

力要足够大。

3.3槽轮机构

一、槽轮机构的组成和工作原理

分类：外槽轮机构、内槽轮机构。

内啮合棘轮机构外啮合棘轮机构空间棘轮机构

组成：主动拨盘、从动槽轮和机架。

工作原理：拨盘以等角速度叫作连续回转，槽轮作间歇运动。当拨盘上的圆柱销没有进

入槽轮的径向槽时，槽轮的内凹锁止弧面被拔盘上的外凸锁止弧面卡住，槽轮静止不动。

当圆柱销进入槽轮的径向槽时，锁止弧面被松开，则圆柱销驱动槽轮转动。当拨盘上的

圆柱销离开径向槽时，下一个锁止弧面又被卡住，槽轮又静止不动。由此将主动件的连

续转动转换为从动槽轮的间歇转动。

二、槽轮机构的特点和应用

优点：结构简单，工作可靠，传动平稳性好，能准确控制槽轮转动的角度。

缺点：槽轮的转角大小不能调整，且在槽轮转动的始、末位置存在冲击。

应用：一般应用与转速较低，要求间歇地转动一定角度的分度装置中。

3.4不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构

不完全齿轮机构是由渐开线齿轮机构演变而成的间歇运动机构。属于间歇运动机构。

一、工作原理

它与普通渐开线齿轮机构的主要区别在于该机构中的主动轮仅有一个或几个齿。

当主动轮I的有齿部分与从动轮轮齿结合时，推动从动轮2转动；当主动轮1的有

齿部分与从动轮脱离啮合时，从动轮停歇不动。因此，当主动轮连续转动时，从动轮获

得时动时停的间歇运动。为防止从动齿轮反过来带动主动齿轮转动，应设置锁止弧。

二、特点及应用

优点：结构简单，工作可靠，传递力大，从动轮转动和停歇的次数、时间、转角大

小等的变化范围较大。

缺点：工艺友杂，从动轮的开始和结束的瞬时，会造成较大冲击。

应用：低速、轻载。如多工位自动、半自动机械中用作工作台的间歇转位机构，以

及某些间歇进给机构、计数机构等。

讨论与交流

教材中本单元的练习题。

单元四带传动及链传动

4.1带传动的组成、类型、特点及其应用

一、带传动的组成

带传动一般是由主动轮、从动轮紧套在两轮上的传动带及机架组成。

带的传动过程：

原动机转动驱动主动轮主动轮转动带与轮的摩擦从动轮转动

二、带传动的主要类型

从传动方式来看，主要可以分为两种：1）摩擦型带传动；2）啮合型带传动。

摩擦型带传动通常由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的环形传动带组成，由于带已

被张紧，传动带在静止时已受到预拉力的作用，带与带轮之间的接触面间产生了正压力。

当主动轮转动时，依靠带与带轮接触面之间的摩擦力，拖动传动带进而驱动从动轮转动,

实现传动。

啮合型带传动由同步带传动，它是由主动同步带轮、从动同步带轮和套在两轮上的

环形同步带组成。

摩擦型带传动又可以分为：

‘平带：工作面为内表面弯曲应力小。

V带：工作面梯形的两侧面，传动功率比平带大

,多楔带：工作面是楔开副端的侧面，具有上殖个优点。

圆形带：牵引力小，多用于仪表和家电中。

V带传动的传动能刀较大，在传动比较大时、要求结构紧凑的场合应用较多，是带

传动的主要类型。

若平带和V带受到同样的压紧力带与带轮接触面之间的摩擦系数也同为f,平

带与带轮接触面上的摩擦力为:

Ff=2FNf=-^—=F^fv

而V带与带轮接触面上的摩擦力为：'sin(°/2)

式中：人为当量摩擦系数。

普通V带的楔角为40。，因次可以估算得人=(3.63〜3.07)人也就是说，在同样

得条件下，平带V带在接触面上所受得正压力不同，V带传动产生的摩擦力比平带大的

多。所以一般机械中多采用V带。

多楔带传动兼有平昔和V带传动的特点，主要用于传递大功率、结构要求紧凑的场

合。

圆带传动的传动能刀较小，一般用于轻型和小型机械。

啮合型传动带又称为同步带，其特点如下：

优点：传动比恒定，结构紧凑，带速可达40m/s,i可达10,传递功率可达200Kw,

效率高，约为〃=0.98,

缺点：结构复杂，价格高，对制造和安装要求高。

三、带传动的特点和应用

特点：传动平稳,噪声小，可缓冲吸振，有过载保护，可远距离传动，结构简单,制造、安装

和维护方便，但传动比不准确，效率较低，寿命较短，旦对轴的压力大，不适合用于高温、易

爆及有腐蚀性介质的场合。

应用：摩擦带传动适用于传动平稳、传动比要求不很严格及传动中心、矩较大的场

合。常应用于传动比不要求准确、功率尸＜100kW

v=5-25m/s＞传动比*5以及有过我保护的场合。

啮合带传动的同步带传动能保证准确的传动比，其适应的速度范围广(v〈50m/s),

传动比大(iW12),传动效率高(n=0.98-0.99)o结构紧凑

4.2带传动的受力分析和应力分析

一、带传动的受力分析

带必须以一定的初拉力后张紧在带轮上。

带传动时，紧边和松边的拉力差形成有效拉力凡以传动动力和运动。

有效圆周力久=片_乙

在带传动过程中，有效圆周力不能超过带与轮面间F摩擦力综合的极限值否则带传

动会发生打滑，导致传动失效。

在带即将打滑的临界紧边拉力和松边拉力的关系符合欧拉公式：

平带:凡b

V带传磊有效圆面力Fe的大小为：

表明，带所传递的圆周力歹与下列因素有关：初拉力后，摩擦因数人包角

二、带传动的应力分析

通过分析可知，带传动时、带中存在着三种应力：

由拉力产生的拉应刀S：

紧边拉应力：

松边拉应力：bi=F\/A

由离心力产生的粤缪应力沿2/A

由1席赢以鑫嬴.首生4底曲应力6bb

三种筋共而自0飙瘫变应力条件下工作，故带易产生疲劳破坏。皮带中的

应力最大值为A2=2EhuI〃/2

max=%+，c+6bbi

最大应力出现点：紧边进入主动轮的初始接触点。

为保证带有足够的疲劳寿命，应使带中的最大应力,毋小于等于带材料的许用应力

Mo即：*〕ax=%+猿+5bbW[s]

4.3带传动的弹性滑动及其传动比

带传动的弹性滑动和传动比

由于带的弹性变形而引起带在轮面上滑动的现象，称为弹性滑动。

带传动时，带与轮面之间存在着弹性滑动,这使得从动带轮的圆周速度也总是低于主

动带轮的圆周速度w。e相对于VI的降低率称为带传动的滑动率e：

从动轮的转速为：〃储.为dd2

L

n2=--^(1一£)i=—=-----------———

带传动的传动比为：42%4”(1-£)

£随载荷变化而变化。因是变量，故带传动的传动比不准确。其值大小为

0.01-0.02,非精确计算时可以忽略其影响。弹性滑动是带传动所不可避免的特性,不同于

打滑失效。

Vj—v_71dMi—7idn1ddiKLi

222—1----------

da\ri\

v}ml、nx

4.4普通V带传动的失效形式与计算准则

一、带传动的失效形式

带传动的主要失效形式：

打滑：由于过载，芍在带轮上打滑而不能正常传动。

带的疲劳破坏：带在变应力状态下工作，当应力循环次数达到一定

值时，带发生疲劳破坏，如撕裂、脱层和拉断

二、带传动的设计准则

带传动的设计准则：

（1）、保证带传动不打滑;

（2）、带在一定时限内具有足够的疲劳强度和使用寿命，不发生疲劳破坏。

不打滑：pFv

带的疲劳强度：%+M+%bW[s]1000

带传递的功率：1(1]

F：最大的有效圆周力（Fcmax）；Femax—1一=CT।A1一

v：带速（m/s）,v=ddini/（60x1000）o

带传动的基本额定功率Pl：当载荷平稳、传动比i=1和特定带长、抗拉体材质为化

纤的条件下，求得各种卷号单根V带所能传递的功率。「1、

修正公式为：[p]=（R+AP）KaK

尸件单根V带在实际工作条件下可传递的额定功率（kW）；Pl为单根V带所能传递

的基本额定功率（kW）；为iWl时单根V带的额定功率的增量（kW）,Ku为包角

修正因数，K为带长修正因数。

4.5V带传动的张紧、安装和维护

一、带传动的张紧

张紧的目的：

1）根据带的摩擦传动原理，带必须在预张紧后才能正常工作：

2）运转一定时间后，带会松弛，为了保证带传动的能力，必须重新张紧，才能正常

工作。

常见的张紧装置有定期张紧装置、自动张紧装置、张紧轮张紧装置。

张紧轮一般应放在松边的内侧，使带只受单向弯曲。同时张紧轮应尽量靠近大轮，

以免过分影响在小带轮上的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同。

二、带传动的安装和维护

1.平行轴传动时，各带轮的轴线必须保持规定的平行度

2.安装皮带时，应通过调整中心距使皮带张紧，严禁强行撬入和撬出，以免损伤皮

带。

3.不同厂家的V带和新旧不同的V带，不能同组使用。

4.按规定的张紧力张紧（测定方法如右图）

5.加防护罩以保护安全，防酸、碱、油及不在60°以上的环境下工作。

6.定期对V带进行检查，以便及时调整中心矩和更换V带。

4.6链传动的组成、类型、特点及应用

一、链传动的组成

组成：主动链轮、从动链轮、链条和机架。

工作原理：链传动是依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。

二、链传动的类型

按用途分：

用于起重机械和运输机械:传动链，起重链

用于一般机械传动：牵引链：滚子链，套筒链，齿形链，成形链。

三、链传动的特点和应用

特点：

1、与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，径向压轴力小，适于低速情况

下工作。

2、与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本低廉，可远距离传动。

3、链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比。

4、链传动主要用在要求工作可靠、转速不高，且两轴相距较远，以

及其它不宜采用齿轮传动的场合。

应用：

适用于两轴线平行且距离较远（aW8m）、瞬时传动比无严格要求及工作环境

恶劣的场合，应用与农业、采矿、冶金、石油化工及运输机械中。

传递功率可达3600kW,常用lOOkW及以下；链速v可达30〜40m/s,常用vW

15m/s；传动比最大可达15,一般*6：冲动效率n=0.91〜0.97。

4.7链传动的运动不均匀性

1、链传动的速度分析

链的平均速度为：

链传动的平均传动比为：._丛_至

链条较链A点的前进分速度:"一工一7Q4①TQ

上下运动分速度：.：

2、链传动的运动不均匀性V=V'Sm/?-Sin^

由上述分析可知，链传动中，链条的前进速度和上下抖动速度是周期

性变化的，链轮的节距越大，齿数越少，链速的变化就越大。当主动链轮匀速转动

时，从动链轮的角速度以及链传动的瞬时传动比

都是周期性变化的，因此链传动不宜用于对运动精度有较高要求的场合。链传动的

不均匀性的特征，是由于围绕在链轮上的链条形成了正多边形这一特点所造成的，故称

为链传动的多边形效应。其运动规律为：链条忽上忽下，忽快忽慢。

4.8滚子链传动的结构和标准

一、滚子链的结构和标准

1、结构

滚子链是由滚子、套筒、销轴、内链板和外链板组成；

内链板与套筒之间、外链板与销轴之间为过盈联接；

滚子与套筒之间、套筒与销轴之间均为间隙配合。

滚子链有单排链、双排链、多排链。多排链的承载能力与排数成正比，但由于精度

的影响，各排的载荷不易均匀，故排数不宜过多一般不超过4排。

2、标准

滚子能的标记为：

锌号排数整链锌w数标准编号

例如：08A-1X88GB1243.1-83

表示：A系列、节距12.7mm、单排、88节的滚子链。

二、滚子链和链轮

主要参数：齿数Z、节距〃和分度圆直径d°

链轮的要求：

1、保证链条能平稳而顺利的进入和退出啮合；

2、受力均匀，不易脱琏；

3、便于加工。

齿形：三圆弧一直线。

sin-

Z

链轮结构:

链轮的结构如.上图。链轮的直径小时通常制成实心式，直径较大时制成孔板式，直

径很大时，制成组合式。

链轮轮齿应有足够的接触强度和耐磨性，常用材料为中碳钢，不重要场合则用Q235

等钢，高速重载时采用合金钢，低速时大链轮可采用铸铁。由于小链轮的啮合次数多，

小链轮的材料应优于大链轮，并进行热处理。

4.9滚子链传动的失效形式与设计准则

一、滚子链传动的失效形式

失效形式有：链板疲劳破坏；滚子、套筒冲击疲劳破坏；钱链磨损；钱链胶合；链

条静力拉断。

二、滚子链的设计准则

设计准则：中、高速链传动(链速v20.6m/s),按功率曲线图设计；

低速链传动(v<0.6m/s),按链的静强度设计。

对于一般链轮v^0.6m/s的链传动，主要失效形式为链条疲劳或冲击疲劳破坏，故

设计计算通常以疲劳强度为主并综合考虑其他失效形式的影响。

讨论与交流

教材中本单元的练习题。

单元五齿轮传动

5.1齿轮传动的特点、应用与分类

1、优点：

（1）、使用的圆周速度,功率范围广（圆周速度能达到300m/s,功率可达到105kW）；

（2）、传动比准确（单级传动比能达到或更大）；

（3）、机械效率高；

（4）、工作可靠，寿命长；

（5）、可实现空间任意两轴间任意轴间的运动和动力传递；

（6）、结构紧凑。

2、缺点：

（1）、制造、安装精度要求高，因而成本高；

（2）、低精度齿轮传动时噪声和振动较大；

（3）、不宜做远距离传动。

3、分类：

按齿线轮廓曲线分：

■渐开线齿轮（应用最广）

"摆线齿轮

按工作条件分：

［开式齿轮

闭式齿轮

5.2渐开线的形成原理和基本性质

•・、渐开线的形成和基本性质

1、渐开线的形成：

如图所示，当直线NK沿一圆作纯滚动时，直线上任意一点K的轨迹称为该圆的渐

开线。该圆称为渐开线的基圆，半径用rb表示，直线NK称为渐开线的发生线。

2、性质：

（1）、发生线在基圆上滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长，

即NK=NA；

（2）、发生线NK是渐开线在任意点K的法线；

（3）、渐开线齿廓上任意点的法线与该点的速度方向所夹的锐角。k称为该点的压

力角，rk越大，Qk越大。反之越小，基圆上的压力角等于零。

分类名称特点90应用

网街轮抬向相反.匏曲q轴战平行•工作M

无“内力

外事会直

♦合度较小.传动平■件较差•承・俺力发

悔礴住的匏

低

传动

，用于速度较低的传动.尤其运用于受，

箱的怏档恒电

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行柱网内轮找向相同

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