《机械设计基础项目教程》课件项目2

模块一设计汽车内燃机中的曲柄滑块机构

模块二设计汽车内燃机配气机构中的盘形凸轮机构

模块三蜂窝煤压制机中的间歇运动机构项目二常用机构模块一设计汽车内燃机中的曲柄滑块机构

任务情境

1.汽车内燃机的基本结构

往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和汽缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、启动装置等。具体结构如图2-1-1所示。图2-1-1四冲程内燃机的结构

2.汽车内燃机的工作原理

在内燃机中，为了将热能转化为机械能，其汽缸内部要进行进气、压缩、做功、排气等过程。排气过程结束，又紧接着开始下一个进气过程，就这样周而复始地进行循环。每进气、压缩、做功、排气一次叫做一个循环。四冲程内燃机是活塞每走四个行程，即曲轴每转两圈完成一个工作循环。其工作过程如图2-1-2所示。图2-1-2单缸四冲程内燃机的工作过程任务提出与任务分析

1.任务提出

已知内燃机曲柄连杆机构的行程速度变化系数k=1.4，行程H=200mm，偏距e=50mm，如何设计该曲柄滑块机构？

2.任务分析

内燃机是和我们的生产生活密切相关的机器，内燃机中的曲柄滑块机构是内燃机必不可少的专用零部件。相关知识

2.1.1平面连杆机构的类型和特点

根据构件间的相对运动可将连杆机构分为平面连杆机构和空间连杆机构。所有构件间的相对运动均为平面运动且只用低副连接的机构称为平面连杆机构，又称为平面低副机构。根据构件数目分为四杆机构、五杆机构等。而在平面连杆机构中最常见的形式则是平面四杆机构，它同时也是多杆机构的基础。2.1.2铰链四杆机构的基本类型及演化

1.铰链四杆机构的基本类型

全部用转动副相连的平面四杆机构称为平面铰链四杆机构，简称铰链四杆机构。如图2-1-3所示，固定构件AD称为机架，与机架用转动副相连接的杆AB或杆CD称为连架杆，不与机架直接连接的杆BC称为连杆。连架杆AB或杆CD如能绕机架上的转动副中心A或D做整周转动，则称为曲柄；若仅能在小于360°的某一角度内摆动，则称为摇杆。图2-1-3铰链四杆机构图2-1-4(a)所示为牛头刨床横向自动进给机构。当齿轮1转动时，驱动齿轮2(曲柄)转动，再通过连杆3使摇杆4往复摆动，摇杆另一端的棘爪便拨动棘轮5，带动进丝杆6作单向间歇运动。图2-1-4(b)是其曲柄摇杆机构的运动简图。图2-1-4牛头刨床横向自动进给机构图2-1-5所示为调整雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构。

曲柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2使摇杆3在一定角度范围

内摆动，从而调整天线俯仰角的大小。图2-1-5雷达调整机构

2.铰链四杆机构的演化

1)曲柄滑块机构

如图2-1-6(a)所示的曲柄摇杆机构，杆1为曲柄，杆3为摇杆，现把杆4做成环形槽，槽的中心在D点，而把杆3做成弧形滑块，与环形槽相配合，如图2-1-6(b)所示。图2-1-6(a)和(b)所示的机构中尽管转动副D的形状发生了变化，但其相对运动的性质却是等效的。如果将环形槽的半径CD增加到无穷大，转动副D的中心移到无穷远处，则环形槽变成了直槽，而转动副变成了移动副，机构演化成偏置曲柄滑块机构，如图2-1-6(c)所示。图2-1-6曲柄摇杆机构的演化

2)导杆机构

导杆机构可以看成是改变曲柄滑块机构中的固定构件演化而来的。如图2-1-7(a)所示的曲柄滑块机构，若改取杆1为固定件，即得图2-1-7(b)所示的导杆机构。图2-1-7曲柄滑块机构的演化

3)摇块机构

例如在图2-1-8所示卡车车厢自动翻转卸料机构中，当油

缸3中的压力油推动活塞杆4运动时，车厢1便绕回转副中心B

倾转，当达到一定角度时，物料就自动卸下。图2-1-8自卸货车

4)定块机构

在图2-1-7(a)所示的曲柄滑块机构中，若取滑块3为固定件，即可得图2-1-7(d)所示的固定滑块机构(或称定块机构)，

其运动特点是当主动件杆1回转时，杆2绕C点摆动，杆4仅相

对固定滑块作往复移动。这种机构常用于抽水唧筒(如图2-1-9所示)和抽油泵中。图2-1-9抽水唧筒

5)偏心轮机构

图2-1-10所示为偏心轮机构。杆1为圆盘，其几何中心为B，因运动时该圆盘绕偏心A转动，故称之为偏心轮。A、B

之间的距离e称为偏心距。按照相对运动的关系，可画出该

机构的运动简图，如图2-1-10(b)所示。由图可知，偏心轮是

回转副B扩大到包括回转副A而形成的，偏心距e即是曲柄的

长度。

同理，图2-1-10(c)所示的偏心轮机构可用图2-1-10(d)来

表示。图2-1-10偏心轮机构2.1.3平面四杆机构的基本特性

1.铰链四杆机构曲柄存在的条件

图2-1-11(a)所示的铰链四杆机构ABCD各杆的长度分别为

a、b、c、d。先假定构件1为曲柄，则在其回转过程中杆1和

杆4一定可实现拉直共线和重叠共线两个特殊位置，即构成△BCD，如图2-1-11(b)、(c)所示。图2-1-11铰链四杆机构的运动过程由三角形边长关系可得：

在图2-1-11(b)中

a+d<b+c

在图2-1-11(c)中

d－a+b>c即a+c<b+d

d－a+c>b即a+b<c+d当运动过程中四构件出现如图2-1-12所示的共线情况时，上述不等式就变成了等式。因此，以上三个不等式可改写为

a+d≤b+c

(2-1-1) a+c≤b+d

(2-1-2)

a+b≤c+d

(2-1-3)将以上三式的任意两式相加，可得

a≤b

(2-1-4)

a≤c

(2-1-5)

a≤d

(2-1-6)

由式(2-1-4)~式(2-1-6)可知，曲柄AB必为最短杆，BC、CD、AD杆中必有一个最长杆。图2-1-12运动中可能出现的四杆机构共线情况判断铰链四杆机构有无曲柄存在的逻辑过程如图2-1-13

所示。图2-1-13判断铰链四杆机构有无曲柄存在的逻辑过程

2.压力角和传动角

在生产中，不仅要求平面连杆机构能实现预定的运动规律，而且希望运转轻便，效率高。图2-1-14所示的曲柄摇杆机构，如不计各杆质量和运动副中的摩擦，则连杆BC为二力杆，它作用于从动摇杆上的力F是沿BC方向的。图2-1-14压力角和传动角对于曲柄滑块机构，当原动件为曲柄时，最小传动角出

现在曲柄与机架垂直的位置，如图2-1-15所示。对于图2-1-16所示的导杆机构，由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，与从动杆上受力点的速度方向始终一致，所以传动角始终等于90°。图2-1-15偏置曲柄滑块机构的最小传动角图2-1-16导杆机构

3.急回运动

图2-1-17所示的曲柄摇杆机构，当曲柄AB为原动件并作等速回转时，摇杆CD为从动件并作往复摆动，曲柄AB在回转一周的过程中有两次与连杆BC共线。这时摇杆CD分别处在左右两个极限位置C1D、C2D。在这两个极限位置时曲柄所在直线之间所夹的锐角θ称为极位夹角。图2-1-17曲柄摇杆机构的极位夹角机构的急回特性通常用行程速度变化系数K来表示，即

(2-1-7)

(2-1-8)

上式表明：机构有无急回特性，取决于行程速度变化系数K或极位夹角θ。

4.死点位置

对于图2-1-18所示的曲柄摇杆机构，当摇杆CD为主动件时，在曲柄与连杆共线的位置，机构的传动角γ=0°，这时

主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力F恰好通过其回转中心，因此不论连杆BC对曲柄的作用力F有多大，都不能使

AB杆转动，机构的这种位置称为死点。图2-1-18曲柄摇杆机构的死点位置工程上有时也利用死点来实现一定的工作要求。如图

2-1-19所示的飞机起落架，当机轮放下时BC杆与CD杆共线，机构处在死点位置，地面对机轮的力不会使CD杆转动，使

降落可靠。图2-1-19起落架机构2.1.4平面连杆机构的设计方法

1.按给定连杆位置设计四杆机构

如图2-1-20所示，已知连杆长度BC以及它所处的三个位置B1C1、B2C2、B3C3，要求设计该铰链四杆机构。图2-1-20按给定连杆位置设计四杆机构

2.按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构

设已知机架AD的长度、连架杆AB的长度及连架杆AB、CD的两组对应位置α1、j1和α2、j2，试设计该铰链四杆

机构。

此问题的关键是求铰链C的位置。如图2-1-21所示，采用刚化反转法将AB2C2D刚化后绕D点反转(j1－j2)角，C2D和

C1D重合，AB2转到A′B2′的位置。此时可以将此机构看成

是以CD为机架、以AB为连杆的四杆机构，问题转化为按连

杆的位置设计四杆机构。图2-1-21按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构现举例加以说明。如图2-1-22(a)所示，已知四杆机构一连架杆AB和机架AD的长度，连架杆AB和另一连架杆上标线ED

的三组对应位置j1、y1、j2、y2及j3、y3，要求设计该铰链

四杆机构。图2-1-22按给定两连架杆的三组对应位置设计四杆机构

3.按给定行程速度变化系数K设计四杆机构

1)曲柄摇杆机构

设已知摇杆CD的长度c、摆角y和行程速度变化系数K，试设计该曲柄摇杆机构。

设计的关键是确定固定铰链A的位置。设计步骤如下：

(1)选取适当的比例尺ml，按c和y作出摇杆的两个极限位置C1D和C2D，如图2-1-23所示。图2-1-23按给定行程速度变化系数设计曲柄摇杆机构

(2)按式θ=180°算出极位夹角θ。

(3)连接C1C2，作∠C1C2O=∠C2C1O=∠90°－θ，以O为圆心、OC1为半径作圆η，C1C2所对的圆心角∠C1OC2=2θ。

(4)在圆η上，C1C2

所对的圆周角为θ，因此在圆周上适当选取A点，使∠C1AC2=θ，则AC1、AC2即为曲柄与连杆共线的两个位置。设曲柄与连杆的长度分别为a和b，则

于是曲柄的长度为

连杆的长度为

2)曲柄滑块机构

已知曲柄滑块机构的行程速度变化系数K、行程H和偏心距e，试设计该曲柄滑块机构(如图2-1-24所示)。图2-1-24偏置曲柄滑块机构的设计

3)导杆机构

已知摆动导杆机构的机架长度d和行程速度变化系数K，试设计该机构。

取比例尺ml，作AD=d/ml。由K算出q，由图2-1-25可知，

极位夹角q等于导杆的摆角ψ，因此作∠ADB1=∠ADB2=q/2，作AB1(或AB2)垂直于B1D(或B2D)，则AB就是曲柄，其长度

a=ml·AB1。图2-1-25按给定行程速度变化系数设计导杆机构探索与实践

内燃机曲柄滑块机构的设计过程和结果如下：

(1)按给定行程速度变化系数K，按照式(2-1-8)求出极位夹角θ，即

(2)选取长度尺寸比例ml=1∶1，计算已知滑块行程的图上距离H=200mm，画出滑块的两个极限位置C1和C2。

(3)以C1C2为底作等腰三角形△C1OC2，使∠C1C2O=

∠C2C1O=∠90°－θ，∠C1OC2=2θ=60°。以O为圆心、

OC1为半径作圆。

(4)作与C1C2相距为e的平行线MN，此线与圆交于A点，

A点即为曲柄与机架的固定铰链中心。

(5)作直线AC1和AC2得到曲柄与连杆的两个共线位置，

由AC1=B1C1－AB1、AC2=B2C2+AB2可得曲柄AB及连杆BC的

长度，如图2-1-26所示。图2-1-26内燃机曲柄滑块机构的设计拓展知识——双曲柄机构和双摇杆机构

1.双曲柄机构

在铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄，则称为双曲

柄机构。在双曲柄机构中，两个曲柄可以分别为主动件。图

2-1-27所示双曲柄机构，若取曲柄AB为主动件，当主动曲柄

从AB顺时针回转180°到AB1位置时，从动曲柄CD顺时针回转到C1D，转过角度j1；主动曲柄AB继续回转180°，从动曲柄CD转过角度j2。显然j1>j2，j1+j2=360°。所以双曲柄机构的运动特点是：主动曲柄匀速回转一周，从动曲柄随之变速回转一周，即从动曲柄每回转的一周中，其角速度有时大于从动曲柄的角速度，有时小于从动曲柄的角速度。图2-1-27双曲柄机构图2-1-28所示的惯性筛，ABCD就是双曲柄机构，这是双曲柄机构的应用实例。惯性筛机构中，主动曲柄AB与从动曲柄的长度不等，当主动曲柄等速回转一周时，从动曲柄CD变速回转一周，该机构具有急回特性，使筛子EF获得了加速度，从而将被筛选的材料分离。图2-1-28惯性筛双曲柄机构中，用得最多的是平行双曲柄机构。在平行双曲柄机构中，主动曲柄与从动曲柄的旋转方向一致，旋转的角速度也相同。图2-1-29所示的机车车辆机构就是平行四

边形机构(平行双曲柄机构)，它使各车轮与主动轮具有相同

的速度，当曲柄、机架与连杆共线时，会出现运动不确定的情况。其内含有一个虚约束，以防止在曲柄与机架共线时运动不确定。图2-1-29机车车辆机构

2.双摇杆机构

在铰链四杆机构中，若连架杆均为摇杆则称为双摇杆机构，如图2-1-30所示。

在双摇杆机构中，两摇杆可以分别为主动件，当连杆与摇杆共线时(图2-1-30中AB与BC、DC与BC)，机构处于死点位置。双摇杆机构有两个死点位置。图2-1-30双摇杆机构图2-1-31所示为利用双摇杆机构的鹤式起重机，当CD杆摆动时，连杆BC上悬挂重物的点M在近似水平直线上移动。

图2-1-32所示的摇头机构也是双摇杆机构的应用，电动机安

装在摇杆4上，铰链A处装有一个与连杆1固接在一起的蜗轮。电动机转动时，电动机轴上的蜗杆带动蜗轮迫使连杆1绕A点

作整周转动，从而使连杆2和4作往复摆动，达到风扇摇头的

目的。图2-1-31鹤式起重机图2-1-32摇头机构技能训练——平面四杆机构的组装与特性观察

目的要求：

(1)验证铰链四杆机构存在整转副和曲柄的条件、急回特性、压力角和传动角、止点位置等运动特性。

(2)认识平面机构组装中构件间的运动干涉问题及解决办法，培养学生的空间想象力和动手能力。

设备和工具：

(1)机构运动实验台及零件柜。

(2)工具：一字螺丝刀、十字螺丝刀、呆扳手、内六角扳手、钢板尺、卷尺。

(3)自备铅笔、稿纸、三角板、圆规等文具。

训练内容：

(1)验证铰链四杆机构存在整转副的条件。

(2)验证铰链四杆机构存在曲柄的条件。

(3)验证曲柄摇杆机构的急回特性。

(4)验证曲柄摇杆机构的传动角对传力性能的影响。

(5)验证曲柄摇杆机构的死点位置。训练步骤：

(1)从零件柜中任选四个杆，使最短杆和最长杆之和小于其余两杆长度之和，用销和螺钉将其连成封闭运动链。轮流选择四个构件为机架，观察其周转副及曲柄的存在情况，并按实验报告要求填写结果。

(2)更换或调整杆长，使最短杆和最长杆之和等于其余两杆长度之和，重复以上过程。

(3)更换或调整杆长，使最短杆和最长杆之和大于其余两杆长度之和，重复以上过程。

(4)选择四个杆，在实验台上组成一个曲柄摇杆机构。

①在曲柄转轴上安装一皮带轮，用于连续转动曲柄，观察摇杆运动的极限位置、急回特性、最小传动角位置，感受用力大小及运动的灵活性。

②在保持曲柄摇杆机构不变的前提下，调整机架或其他杆的长度，直至曲柄转动非常灵活为止，观察体会构件长度对摇杆摆角、急回程度、最小传动角及传力性能的影响，并按实验报告要求填写结果。

③当摇杆主动往复摆动时，在摇杆上装一手柄，用手连续摆动摇杆，观察曲柄运动的卡死和不确定(反转)现象。之后，在曲柄轴上安装一飞轮，重复以上操作，观察其能否

克服死点和运动不确定现象，并按实验报告要求填写结果。

④通过皮带传动，用电动机驱动曲柄摇杆机构转动。

(5)拆卸机构，用棉纱和润滑油擦拭实验台和构件，清点、整理构件及工具，将零件柜复原，待指导老师检查后方可离开。归纳总结

1．四杆机构的组成：机架、连架杆、连杆。

2．四杆机构的类型特点及应用。

(1)曲柄摇杆机构：曲柄等速转动，摇杆往复摆动；牛头刨床横向自动进给机构，雷达天线俯仰角的调整机构。

(2)双曲柄机构：两连架杆均为曲柄；惯性筛。

(3)双摇杆机构：两连架杆均为摇杆；鹤式起重机，风扇摇头机构。

3.曲柄存在的条件：

(1)最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和。

(2)最短杆或其相邻杆应为机架。

根据有曲柄的条件可得以下推论：

(1)杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时：①最短杆为机架时得到双曲柄机构；②最短杆的相邻杆为机架时得到曲柄摇杆机构；③最短杆的对面杆为机架时得到双摇杆

机构。

(2)当最长杆与最短杆的长度之和大于其余两杆长度之和时，只能得到双摇杆机构。

4.曲柄摇杆机构的特性。

(1)急回运动。机构的急回特性通常用行程速度变化系数

K来表示，即

(2)死点位置。摇杆为主动件时，死点在曲柄与连杆共线的位置。为了消除死点位置的不良影响，可以对从动曲柄施加外力，或利用飞轮及构件自身的惯性作用，使机构顺利地通过死点位置。

(3)压力角和传动角。传动角g和压力角a之间的关系为：

g=90°－a。在曲柄与机架共线的两个位置出现最小传动角。

5．四杆机构的演化。

四杆机构的演化过程为：曲柄滑块机构→导杆机构→摇块机构→定块机构→偏心轮机构(曲柄很短时，做成偏心轮)。

6.平面四杆机构的设计。

不同的设计任务和设计要求，应采用不同的设计方法。图解法是常用的一种简便直观、易于理解的设计方法，常用于解决给定机构中某构件位置的设计任务。模块二设计汽车内燃机配气机构

中的盘形凸轮机构

任务情境

图2-2-1所示是内燃机的配气机构，配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入汽缸，并使废气从汽缸内排出，实现换气过程。图2-2-1内燃机的配气机构配气机构可从不同角度来分类：按气门的布置分为气门顶置式和气门侧置式；按凸轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式(如图2-2-2所示)；按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；按每汽缸气门数目分，有二气门式和四气门式等。目前大部分内燃机采用凸轮轴下置式和气门顶置式结构。图2-2-2配气机构凸轮轴的布置方式配气机构主要由气门传动组和气门组组成，如图2-2-3所示。气门依靠气门弹簧作用力落座，与气门座紧密座合，保证了汽缸的密封性能；曲轴通过皮带、链条或齿轮驱动凸轮轴旋转，由凸轮轴凸起通过挺杆、摇臂等驱动气门打开(凸轮轴也可直接驱动气门打开)，所以，气门的打开和关闭特性取决于凸轮轴的设计。图2-2-3配气机构的组成任务提出与任务分析

1.任务提出

用作图法设计汽车内燃机配气机构对心直动盘形凸轮轮廓曲线。已知凸轮的基圆半径r0=13mm，推程h=8mm，推程角为60°，近休止角为220°，远休止角为20°，回程角为60°，凸轮顺时针匀速转动，从动件推程和回程中按等加速等减速规律运动。

2.任务分析

内燃机配气机构中运用到了凸轮机构，凸轮机构由哪些部件组成？它是如何工作的？其分类及应用又是怎样的？设计该凸轮机构中的轮廓曲线，需要了解图解法的设计原理、凸轮机构的工作过程、从动件的运动规律及机构实现预期工作要求的参数。相关知识

2.2.1凸轮机构的应用、类型及特点

1.凸轮机构的基本组成

凸轮机构一般是由凸轮1、从动件2和机架3三个基本构件组成的高副机构。在凸轮机构中，凸轮通常作为主动件作等

速连续运动，借助其轮廓曲线(或凹槽)使从动件作相应的运动(移动或摆动)，如图2-2-4所示。图2-2-4内燃机的凸轮机构

2.凸轮机构的应用

如图2-2-5所示的靠模切削机构，工件1回转，凸轮3作为

靠模被固定在床身上，刀架2在弹簧的作用下与凸轮轮廓紧密接触。当拖板4纵向移动时，刀架2在靠模板(凸轮)曲线轮廓

的推动下作横向移动，从而切削出与靠模板曲线一致的工件。图2-2-5靠模切削机构图2-2-6所示为自动送料机构，带凹槽的圆柱凸轮作等速转动，槽中的滚子带动从动件2作往复移动，将工件推至指定的位置从而完成送料任务。图2-2-6自动送料机构

3.凸轮机构的分类

凸轮机构的种类很多，主要从以下几个角度进行分类。

1)按凸轮的形状分类

(1)盘形凸轮(见图2-2-7(a))。它是凸轮中最基本的形式。凸轮是绕固定轴转动且向径变化的盘形零件，凸轮与从动件互作平面运动，是平面凸轮机构。

(2)移动凸轮(见图2-2-7(b))。它可看做回转半径无限大的盘形凸轮，凸轮作往复直线移动，也是平面凸轮机构的一种。图2-2-7凸轮机构的类型

(3)圆柱凸轮(见图2-2-7(c))。它可看做移动凸轮绕在圆柱体上演化而成的，从动件与凸轮之间的相对运动为空间运动，是一种空间凸轮机构。圆柱凸轮可以用圆柱体上的凹槽来控制从动件的运动规律，也可以用圆柱体的端面轮廓曲线来控制。

(4)曲面凸轮(见图2-2-7(d))。当圆柱表面用圆弧面代替时，就演化成曲面凸轮，它也是一种空间凸轮机构。

2)按锁合方式分类

锁合是指使从动件与凸轮始终保持接触。按锁合方式，凸轮机构主要分为以下两种：

(1)力锁合的凸轮机构。依靠重力、弹簧力锁合的凸轮机构，如图2-2-8(a)、(b)、(c)所示。

(2)形锁合的凸轮机构。依靠凸轮几何形状锁合的凸轮机构，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等，如图

2-2-8(d)、(e)、(f)所示。图2-2-8不同锁合方式的凸轮

3)按从动件的形式分类

(1)尖顶从动件。如图2-2-9(a)所示，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，从而实现任意预期的运动规律。但由于凸轮与从动件之间通过点或线接触，容易产生磨损，所以只适用

于受力较小的低速凸轮机构。

(2)滚子从动件。在从动件端部装一滚子，即成为滚子从动件，如图2-2-9(b)所示。滚子与凸轮之间为滚动摩擦，磨损较小，并且可以承受较大的载荷。其缺点是凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与滚子接触，从而影响实现预期的运动规律。

(3)平底从动件。在从动件端部固定一平板，即成为平底从动件，如图2-2-9(c)所示。平底与凸轮之间易于形成油膜，利于润滑，适用于高速运行，而且凸轮驱动从动件的力始终与平底垂直，传动效率高。其缺点也是凸轮上凹陷的轮廓未必能很好地与平底接触。在凸轮机构中，从动件不仅有不同的类型，而且也可有不同的运动形式。根据从动件的运动形式不同，可以把从动件分为直动从动件(如图2-2-9(a)、(b)、(c)所示)和摆动从动件(如图2-2-9(d)、(e)、(f)所示)两种。在直动从动件中，若导路轴线通过凸轮的回转轴，则称为对心直动从动件(如图2-2-4所示)，

否则称为偏置直动从动件。将各种不同类型的从动件和凸轮组合起来，就可得到各种不同类型的凸轮机构，如图2-2-4所示的凸轮机构可命名为对心直动平底从动件盘形凸轮机构。图2-2-9从动件的结构形式

4.凸轮机构的特点

1)凸轮机构的优点

对于凸轮机构，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且其结构简单、紧凑、设计方便，可以高速启动，动作准确可靠，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到了广泛应用。

2)凸轮机构的缺点

(1)凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合。

(2)凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工。

(3)从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。2.2.2凸轮的结构和材料

1.凸轮的结构

1)凸轮在轴上的固定方式

当凸轮轮廓尺寸接近于轴的直径时，凸轮与轴可制作成一体，如图2-2-10(a)所示；当其尺寸相差比较大时，凸轮与轴分开制造，凸轮与轴通过键连接，如图2-2-10(b)所示，或通过销连接，如图2-2-10(c)所示。当凸轮与轴的相对角度需要自由调节时，可采用图2-2-10(d)所示的方式用弹性锥套和螺母连接。图2-2-10凸轮结构

2)滚子及其连接

如图2-2-11所示为常见的几种滚子结构。图2-2-11(a)为专用的圆柱滚子及其连接方式，即滚子与从动件底端用螺栓连接。图2-2-11(b)、(c)为滚子与从动件底端用销轴连接，其中图(c)为滚子直接采用合适的滚动轴承代替。但无论上述哪种情况，都必须保证滚子能自由转动。图2-2-11滚子结构

2.凸轮机构的材料

1)凸轮常用材料

对于载荷很大的凸轮用合金钢或滚珠轴承钢来制造，并考虑采用高频淬火、淬火(低温回火)、氮化等热处理方法，使凸轮工作表面有较高的硬度及耐磨性。

为了提高凸轮的耐磨性和抗腐蚀性，常用硬青铜、高级黄铜制造凸轮，对钢制凸轮表面可以镀铬。一般承载不大的凸轮要求不高时，可以用碳素钢制造，并且可不经过淬火。对轻载机构，从动件运动精度要求不高时，也可采用塑料制造凸轮。

2)从动件的材料

尖顶从动件的尺寸比凸轮小，并且只用它的尖端与凸轮接触，因此容易磨损。从更换易损零件力求简便、经济的观点出发，一般应当选择比凸轮软一些的材料制造尖顶从动件(或滚子从动件的滚子)。滚子从动件的工作条件是相对滚动，磨损较小，因此，对耐磨性要求较低，但它对滚子轴的材料和热处理的要求与尖顶从动件相同。从动件与凸轮的材料列于表2-2-1中，供参考选用。2.2.3从动件常用运动规律

1.平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数

图2-2-12所示为尖顶移动从动件盘形凸轮机构，以凸轮轴心O为圆心，以凸轮轮廓的最小向径r0为半径所作的圆称为基圆，r0为基圆半径，凸轮以等角速度ω逆时针转动。图2-2-12凸轮机构的运动过程

2.常用的从动件运动规律

1)等速运动规律

从动件上升或下降的速度为一常数的运动规律称为等速运动规律。

设凸轮以等角速度ω1回转，当凸轮转过推程运动角δt时，推杆等速上升h，其推程的运动方程为

(2-2-1)从动件运动的速度为常数时的运动规律，称为等速运动规律。在推程阶段，凸轮以等角速度ω转动，经过T时间，凸轮转过的推程运动角为δt，而从动件等速完成的行程为h。从动件的位移s与凸轮转角j成正比，其推程运动线图如图2-2-13

所示，即位移曲线为一过原点的倾斜直线。图2-2-13等速运动规律

2)等加速等减速运动规律

推程时，等加速段运动方程为

(2-2-2)推程时，等减速段运动方程为

(2-2-3)图2-2-14所示为推程等加速等减速运动规律的运动位移曲线图。由图2-2-14(b)可知，这种运动规律的速度曲线是连续的，不会产生刚性冲击。但在图2-2-14(c)中O、A、B三处

加速度有突变，表明所产生的惯性力突变也是有限值的，由此引起的冲击称为柔性冲击。因此，这种运动规律可用于中速轻载的场合。图2-2-14等加速等减速运动规律

3)余弦加速度运动规律

当推程的加速度按余弦规律变化时，其推程的运动方程

式为

(2-2-4)图2-2-15所示为推程余弦加速度运动规律的运动线图。由此图可见，这种运动规律在始末位置加速度有突变，故也会引起柔性冲击，因此在一般情况下它也只适用于中速中载场合，当从动件作升—降—升运动循环时，若在推程和回程中都采用这种运动规律，则可用于高速凸轮机构。图2-2-15余弦加速度运动规律

3.从动件运动规律的选择

在选择从动件运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。2.2.4盘形凸轮轮廓的设计

1.反转法原理

用图解法设计凸轮轮廓的原理是“反转法”，基本原理如下：

图2-2-16所示为一对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构，当凸轮以等角速度w绕轴心O转动时，从动件按预期的运动规律运动。现设想在整个凸轮机构(从动件、凸轮、导路)上加一个与凸轮角速度w大小相等、方向相反的角速度－w，于是凸轮静止不动，而从动件与导路一起以角速度－w绕凸轮转动，且从动件仍以原来的运动规律相对导路移动(或摆动)。由于从动件尖顶与凸轮轮廓始终接触，所以加上反转角速度后从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。图2-2-16凸轮反转法绘图原理

2.作图法设计凸轮轮廓曲线

1)尖顶对心移动从动件盘形凸轮轮廓的设计

具体设计步骤见后面的“探索与实践”。

2)尖顶偏置移动从动件盘形凸轮轮廓的设计

已知偏距为e，基圆半径为r0，凸轮以角速度w顺时针转动，从动件的位移线图如图2-2-17(b)所示。设计该凸轮的轮

廓曲线。图2-2-17偏置直动尖顶从动件盘形凸轮设计

3)滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计

将滚子中心看做尖顶，按上述方法作出轮廓曲线h(称为理论轮廓曲线)，然后以h上各点为圆心，以滚子半径rg为半径作一系列的圆，最后作出这些圆的包络线h′，h′就是滚子从动件盘形凸轮的轮廓曲线(即为实际轮廓曲线)，如图2-2-18所示。从图中可知，滚子从动件盘形凸轮的基圆半径是在理论轮廓上度量的。图2-2-18滚子从动件盘形凸轮设计探索与实践

汽车内燃机配气机构对心直动盘形凸轮轮廓曲线的设计过程和结果如下：

(1)选取比例尺，作出从动件的位移曲线。选长度比例尺ml=0.5mm/mm，角度比例尺mj=2°/mm，画从动件位移曲线，如图2-2-19(a)所示，并将位移曲线图横坐标上代表推程运动角j和回程运动角j′的线段各分为6等份，过这些等分点分别作垂线，这些垂线与位移曲线相交所得的线段11′、22′、33′、…、1212′，即代表相应位置的从动件位移量。

(2)选取与位移曲线图相同的比例尺。任取一点O为圆心，以已知基圆半径r0/ml=13mm/0.5mm=26mm为半径作凸轮的基圆。过O点画从动件导路与基圆交于B0点。

(3)自OB0开始，沿-ω方向在基圆上量取各运动阶段的凸轮转角60°、20°、60°、220°。再将这些角度各分为与从动件位移曲线图同样的等份，从而在基圆上得相应的等分点B1、B2、B3、…，连接OB1、OB2、OB3、…即代表机构在反转后各瞬时位置从动件尖顶相对导路(即移动方向)的方向线。

(4)在OB1、OB2、OB3、…的延长线上分别截取A1B1=11′、A2B2=22′、A3B3=33′、…，就得到机构反转后从动件尖顶的一系列位置点A1、A2、A3、…。

(5)将A1、A2、A3、…连成一条光滑的封闭曲线，即为凸轮轮廓曲线，如图2-2-19(b)所示。图2-2-19尖顶式对心直动盘形凸轮轮廓设计拓展知识——凸轮轮廓的加工及凸轮机构设计的其他问题

1.凸轮轮廓的加工方法

1)铣、锉削加工

对于低速、轻载场合的凸轮，可以应用“反转法”原理在未淬火凸轮轮坯上通过作图法绘制出轮廓曲线，采用铣床或用手工锉削办法加工而成。必要时可进行淬火处理，用这种方法加工出来的凸轮其变形难以得到修正。

2)数控加工

数控加工是目前常用的一种凸轮加工方法。加工时应用解析法求出凸轮轮廓曲线上各点的极坐标(r，q)值，然后用专用编程软件进行编程，在数控线切割机床上对淬火后的凸轮进行切割加工。此方法加工出的凸轮精度高，适用于高速、重载的场合。

2.凸轮机构设计的其他问题

1)压力角及其校核

如图2-2-20所示为尖顶直动从动件凸轮机构。当不计凸轮与从动件之间的摩擦时，作用于从动件的力F可分解成两个分力，即

(2-2-5)图2-2-20凸轮机构的压力角一般的做法是按图2-2-21所示，在凸轮轮廓曲线上取升程范围内曲率半径较大的点(视觉比较陡的地方)，在该点绘出法线和从动件的速度方向线，其夹角就是该点的压力角。经比较，若压力角大于许用压力角，则可采用增大基圆半径的方法减小压力角。图2-2-21压力角的测量

2)基圆半径的选择

选择凸轮基圆半径的影响因素有以下两方面：

(1)基圆半径的大小直接影响压力角的大小，从而影响凸轮的工作能力。如图2-2-22所示，同一个凸轮预选两种半径

的基圆r01、r02且r01＜r02，当凸轮转过d角时，从动件都位移

h值，从图中可知，两种基圆半径，其压力角不同，a1>a2。

也就是基圆半径小的压力角比基圆半径大的压力角大。为得

到较好的凸轮传力性能，提高传动效率，凸轮的压力角应该

取小些，即基圆半径应该取大些。图2-2-22基圆半径与压力角的关系

(2)凸轮机构工作时，有较大的轴压力，为提高传动刚度，凸轮的支承轴直径不能太小，这样凸轮基圆半径就要取

大些。一般情况下，为使凸轮机构紧凑些，在传动刚度允许

的情况下，凸轮基圆半径尽量取小一些。具体设计可按下列

经验公式确定：

当e=0时，偏距圆的切线就是过O点的径向线(即从动件反转后的导路线)，按上述相同方法即得到对心直动尖顶从动件盘形凸轮的轮廓曲线。

r0=1.8r+rg+(6～10mm)

式中,r0为凸轮基圆半径(mm)；r为凸轮轴半径(mm)；rg为凸轮从动件滚子半径(mm)。

3)滚子半径的选择

首先了解滚子半径rg与凸轮轮廓曲率半径r和实际凸轮轮廓曲率半径r′的关系。如图2-2-23(a)所示，凸轮外凸部分

理论轮廓最小曲率半径是rmin，实际轮廓曲率半径是r′=

rmin－rg，若rmin＞rg，则r′＞0，这时实际轮廓是较为圆滑的曲线。若rmin＜rg，则r′＜0，滚子的包络线有一部分互相干涉而变尖，如图2-2-23(b)所示，工作时，不仅变尖部分极易损坏，而且因相交部分在加工时被切去使从动件的运动

失真。图2-2-23滚子半径的选择归纳总结

1．凸轮机构的结构简单，紧凑，能够实现复杂的运动

规律。

2.凸轮机构的分类。

(1)按凸轮的形状分类：有盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮、曲面凸轮。

(2)按锁合方式分类：有力锁合的凸轮机构、形锁合的凸轮机构。

(3)按从动件形式分类：有尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件。

3.凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成。

4．凸轮机构从动件常见的运动规律有：等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐(余弦加速度)运动规律。

5．凸轮轮廓设计的图解法的原理是“反转法”。

6．从动件的运动规律完全取决于凸轮的轮廓形状。

7．基圆半径的选择：要考虑结构紧凑性和压力角的大小。

8．滚子半径的选择：要考虑耐磨性和凸轮轮廓曲线。模块三蜂窝煤压制机中的间歇运动机构

任务情境

1．冲压式蜂窝煤机的基本结构

如图2-3-1(a)所示是冲压式蜂窝煤成型机的示意图。

在滑梁上升过程中扫屑刷将刷除冲头和脱模盘上黏附的煤粉。模筒转盘上均布了模筒，转盘的间歇运动使加料后的模筒进入加压位置，成型后的模筒进入脱模位置，空的模筒进入加料位置，如图2-3-1(b)所示。图2-3-1冲压式蜂窝煤成型机

2．冲压式蜂窝煤机的工作原理

冲压式蜂窝煤成型机通过加料、冲压成型、脱模、扫屑、模筒转模间歇运动及输送六个动作来完成整个工作过程。任务提出与任务分析

1.任务提出

已知一冲压式蜂窝煤成型机的转盘采用槽轮间歇运动机

构。已知槽数z按工位要求选定为6，按结构情况确定中心距A=300mm，试设计该槽轮间歇运动机构。

2.任务分析

冲压式蜂窝煤成型机是和我们生活密切相关的机器，转盘的间歇运动机构是冲压式蜂窝煤成型机必不可少的构件。为了合理地设计出转盘的间歇运动机构，我们必须了解槽轮机构是如何组成并工作的，它的运动原理是什么，有什么运动特点，其主要参数及几何尺寸应如何确定和计算。相关知识

2.3.1棘轮机构

1.棘轮机构的工作原理

图2-3-2所示为棘轮机构，它主要由摇杆、棘爪、棘轮、弹簧片和制动爪组成。弹簧用来使制动爪和棘轮保持接触。摇杆与棘轮的回转轴线重合。图2-3-2棘轮机构

2.棘轮机构的分类和应用

1)棘轮机构的分类

棘轮机构按棘轮的运动方向可分为单向棘轮机构(见图

2-3-2)和双向棘轮机构(见图2-3-3)；按棘轮的齿形可分为棘

齿棘轮机构(见图2-3-2)、矩形齿棘轮机构(见图2-3-3(a))和无

棘齿的摩擦式棘轮机构(见图2-3-4)。图2-3-3双向棘轮机构图2-3-4摩擦式棘轮机构

2)棘轮机构的特点及应用

棘轮机构多用于机床及自动机械的进给机构上。如牛头刨床工作台的横向移动机构，就是采用图2-3-3所示的双向棘轮机构。此外，棘轮机构也常用作停止器和制动器。如图2-3-5所示，这类停止器广泛用于卷扬机、提升机以及运输机中。图2-3-5提升机的棘轮停止器

3.棘轮转角的调节

(1)调节摇杆摆动角度的大小，以控制棘轮的转角。图

2-3-6所示的棘轮机构是利用曲柄摇杆机构带动棘轮作间歇运

动的。可利用调节螺钉改变曲柄长度r以实现摇杆摆角大小

的改变，从而控制棘轮的转角。图2-3-6改变曲柄长度调节棘轮转角

(2)用遮板调节棘轮转角。如图2-3-7所示，在棘轮的外

面罩一遮板(遮板不随棘轮一起转动)，使棘爪行程的一部分

在遮板上滑过，不与棘轮的齿接触，通过变更遮板的位置即

可改变棘轮转角的大小。图2-3-7用遮板调节棘轮转角2.3.2槽轮机构

1.槽轮机构的工作原理

槽轮机构又称为马氏机构。如图2-3-8所示为单圆柱销槽轮机构，它由主动拨盘1、从动槽轮2及机架3组成。图2-3-8槽轮机构

2.槽轮机构的类型、特点及应用

槽轮机构有外啮合槽轮机构(见图2-3-8)和内啮合槽轮机构(见图2-3-9)，前者拨盘与槽轮的转向相反，后者拨盘与槽轮的转向相同，它们均为平面槽轮机构。此外还有空间槽轮机构(见图2-3-10)，对于这种槽轮机构本书不予讨论。图2-3-9内啮合槽轮机构图2-3-10空间槽轮机构槽轮机构的特点是结构简单、工作可靠、机械效率高、传动平稳、能间歇地进行转位，但因圆柱销突然进入与脱离径向槽时存在柔性冲击，所以不适用于高速场合。此外，槽轮的转角不可调节，故只能用于定转角的间歇运动机构中。六角车床上用来间歇地转动刀架的槽轮机构(见图2-3-11)、电影放映机中用来间歇地移动胶片的槽轮机构(见图2-3-12)及化工厂管道中用来开闭阀门等的槽轮机构都是其具体应用的实例。图2-3-11六角车床上的槽轮机构图2-3-12电影放映机中的槽轮机构

3.槽轮机构的主要参数

槽轮机构的主要参数是槽数z和拨盘圆柱销数k。

如图2-3-8所示，为了使槽轮2在开始和终止转动时的瞬时角速度为零，以避免圆柱销与轮槽发生撞击，圆柱销进入或脱出径向槽的瞬时，槽的中心线O2A应与O1A垂直。设z为均匀分布的径向槽数目，则槽轮2转过2j1=2p/z弧度时，拨盘1的转角2j1将为

(2-3-1)在一个运动循环内，槽轮2的运动时间tm对拨盘1的运动时间t之比值τ称为运动特性系数。当拨盘1等速转动时，这个时间之比可用转角之比来表示。对于只有一个圆柱销的槽轮机构，tm和t分别对应于拨盘1转过的角度2j1和2p。因此其运动特

性系数t为

(2-3-2)如果拨盘1上装有数个圆柱销，则可以得到τ＞0.5的槽轮机构。设均匀分布的圆柱销的数目为k，则一个循环中，槽轮

2的运动时间为只有一个圆柱销时的k倍，即