机械设计基础 课件全套 胡孟谦 01机械设计概论 -14机械创新设计

《机械设计基础》

课程内容第一章机械设计概论第二章平面机构运动简图第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章其他常用机构第六章齿轮机构第七章蜗杆传动第八章轮系第九章带传动与链传动第十章联接第十一章轴第十二章轴承第十三章联轴器离合器制动器第十四章机械创新设计第一章机械设计概述【教学内容】1-1机械设计简介

1-2机械设计课程简介

1-3机械零件常用材料及选择【学习目标】1.了解机械在生产和生活中的应用；2.重点了解机构、机器、机械和构件、零件、部件等概念；3.了解本课程的内容、性质及任务；4.了解设计机器的基本要求及程序。【知识点】1.机械设计的作用；2.机械、机器、机构、构件与零件的概念；机器的组成及其特征；3.机械设计的基本要求与一般程序4.本课程的研究对象内容、性质和任务一、机械设计的作用和意义机械广泛应用于生产和生活，从最早的杠杆、斜面等最简单的机械到起重机、汽车、飞机、各种机床设备、缝纫机、机器人、计算机、现代航天器等。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择一、机械设计的作用和意义

人们在生产和生活中为了节省时间，提高效率，不断改进所使用的工具，从而创造了机械并形成了相关技术和理论。纯机械系统机电一体化的机械设备智能化的装备1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择二、机械的基本概念1.机械在工程上，通常以“机械”一词作为机器和机构的总称。如：机床、变速器等。按功能分类：动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按产业分类：农业机械、矿山机械、纺织机械、包装机械等；按工作原理分类：热力机械、流体机械、仿生机械等。变速器机床1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择二、机械的基本概念本课程研究的对象是机械。机械是机器和机构的统称。2.机器在生产实践和日常生活中，广泛地使用着各种机器，如自行车、拖拉机、汽车、起重机、机床等。机器的种类繁多，用途千差万别，但都有着共同的特性。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择二、机械的基本概念2.机器机器的作用是实现能量转换或完成有用的机械功，用以减轻或代替人的劳动。常见的机器：自行车、内燃机、机床、汽车、火车、发电机、洗衣机等。气缸体活塞2连杆5凸轮7顶杆8齿轮9排气阀进气阀1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择机器的组成机器由若干机构组成。最简单的机器只包含一个机构，如电动机。如内燃机可视为下列三种机构的组合：①曲柄滑动机构，由活塞2、连杆3、曲柄4及机架组成，其作用是将活塞的往复运动转化为曲柄的连续转动；②齿轮机构，由齿轮5、6和机架构成其作用是改变转速的大小和方向；③凸轮机构，由凸轮7、推杆8和机架组成作用是将凸轮的旋转运动转化为推杆的往复运动。1-缸筒2-活塞3-连杆4-曲柄5、6-齿轮7-凸轮8-推杆

图1-1单缸内燃机1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择机器的特征机器可用来传递运动和变换运动形式，并具备以下三个特征：①人为的实物组合；②组成机器的各实物之间具有确定的相对运动；③能实现能量转换或完成有用的机械功。3.机构机构是具有确定运动的构件组合。机构在机器中的作用是传递运动和力，实现运动形式和速度的变化。如单缸内燃机中的机构有：曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择气缸体活塞2连杆5凸轮7顶杆8齿轮9排气阀进气阀例如单缸内燃机（动画）1.曲柄滑块机构（活塞、连杆、曲柄、气缸）2.齿轮机构（齿轮、机架）3.凸轮机构（凸轮、推杆、气缸组成）二、机械的基本概念1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择3.构件——组成机构的各个相对运动部分，是机构的基本运动单元。它可以是单一的零件，或者几个零件联接而成的运动单元。构件可以定义为由若干零件组成但无相对运动的刚性联接。如图1-1中的内燃机连杆、齿轮-凸轮轴。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择4.零件零件是制造的基本单元。多个零件刚性组合：连杆单一零件：曲轴二、机械的基本概念1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择机械中常用机构和通用零件的工作原理、运动特性、结构特点、使用维护以及标准和规范。机械中经常使用的机构称为常用机构，如平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和间歇运动机构等。

机械中普遍使用的零件称为通用零件，如齿轮、轴、螺钉和弹簧等。只在某一类型机械中使用的零件称为专用零件，如汽轮机的叶片、内燃机的活塞等。

通用零件专用零件二、机械的基本概念1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择通用零件可以按照零件的作用分成以下类型：传动类零件

——例如齿轮、带、链等；联接类零件——例如螺钉、螺柱、螺栓、键、销等；二、机械的基本概念1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择通用零件可以按照零件的作用分成以下类型：轴类零件

——主要包括轴、轴承以及轴上的联轴器、离合器等；其它类零件

——例如弹簧等。二、机械的基本概念1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择三、机械设计的基本方法和基本程序（1）内插式设计。内插式设计是指在现有两个不同设计参数的设计方案之间所做的设计。（2）外推式设计。外推式设计是指设计参数超出设计范围时所做的设计。（3）开发性设计。开发性设计是指为了开发具有新功能的新机器，应用新原理、新技术所做的设计。1.机械设计的方法（1）明确设计任务。（2）方案设计。（3）技术设计。（4）试制评价，定型投产。2.机械设计的基本程序1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择四、机械设计的基本要求经济性要求功能要求社会性要求可靠性要求安全性要求标准化要求1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择一、课程的内容通用零部件掌握设计理论计算，像轴的强度核算；遵循国标选件，依规范确定标准件；考虑工况选合适零部件；掌握使用维护，如轴承安装与润滑要点。常用机构理解其工作原理，如凸轮机构运动转换；把握运动特性，例如机构自由度分析；熟知结构特色，涵盖构件与运动副类型。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择二、课程的性质知识综合：融合多学科知识，如高等数学等，用于机构与零部件设计。课程特性：具科学性，理论严谨；综合性，跨多学科；实践性，联系实际应用。专业地位：在相关专业教学中极为重要，是培养机械类工程师的关键必修课程，为后续深入学习专业知识与从事机械设计、管理等工作筑牢根基。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择三、课程的任务（1）掌握机构的结构、运动特性，初步具有分析和设计常用机构的能力。对机械动力学的某些基本知识有所了解。（2）掌握通用机械零、部件的工作原理、结构特点、设计计算和维护等基本知识，并初步具有设计机械传动装置的能力。（3）具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。（4）获得本学科实验技能的初步训练。1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择一、机械零件常用材料黑色金属：碳钢与合金钢应用广，依受力选碳素、优质碳素或合金结构钢并可热处理；铸钢造重载复杂件，灰铸铁成本低造复杂件，球墨铸铁强度高用于冲击件，可锻铸铁适用于特殊尺寸形状要求。有色金属：铜合金耐蚀减摩，铝合金密度小切削好，钛合金性能优应用广。非金属材料：橡胶弹性大绝缘好，塑料易成型，分热固性与热塑性。复合材料：多种材料组合，纤维复合材料用途广。

1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择二、材料的选择原则使用要求：依零件载荷、尺寸限制、重要程度选材料，强度受限选高强度材，接触强度主导选表面强化材，依摩擦、高温、腐蚀环境选对应材料。工艺要求：形状复杂大尺寸件选铸造或焊接，考虑焊接性、批量，锻件依批量选模锻或自由锻，关注材料可加工性与热处理性能。经济性要求：满足使用下选价廉、利用率高、易维护、供应好的材料，特殊部位用贵材，其余部位选普通材以降成本。

1-1机设设计简介1-2机械设计课程简介1-3机械零件常用材料及选择

《机械设计基础》谢谢！下次课再见！《机械设计基础》

主编：胡孟谦张晓娜

机械工业出版社2024年11月

机构是具有确定运动的构件组合。机构的功用主要是转换运动形式、改变运动速度。如将旋转运动转换为往复直线运动，将匀速旋转运动转换为有规律的变速旋转运动等。

【学习目标】

掌握平面机构的分析方法；能够绘制简单机械的机构运动简图；对平面机构进行运动分析和自由度的计算，能够判断平面机构是否具有确定运动。

【知识点】

1.运动副及分类

2.平面机构的运动简图

3.约束与自由基度、平面机构自由度计算

4.平面机构具有确定运动的条件第二章平面机构运动简图及自由度第二章平面机构运动简图及自由度第一节运动副及其分类第二节平面机构的运动简图第三节平面机构自由度第一节运动副及其分类

机械一般由若干常用机构组成。构件之间是靠运动副进行联接。平面机构是研究所有机构的基础。

平面机构：组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。空间机构：组成机构的某些构件的运动是非平行平面的空间运动。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度一、运动副的概念

机构是若干个具有确定运动构件的组合，组成机构的构件都不是自由构件，而是以一定的方式与其他构件组成连接。如图2-1所示。构件AB与构件BC既相互连接，又可以相对转动。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度

四杆机构运动副：使两个构件之间直接接触，并能产生一定相对运动的联接。例如，自行车车轮与轴的连接，变速器中的齿轮啮合等，都构成运动副。二、运动副分类

平面机构中构成运动副的各构件的运动均为平面运动。所以称该运动副为平面运动副。两构件组成运动副时，两构件之间通过点、线、面实现接触；

按运动副的接触特性平面运动副可分为低副和高副。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度1.低副

两构件通过面接触组成的运动副称为低副。

低副分为转动副和移动副。

a）转动副

b）转动副

c）移动副

平面低副（1）转动副转动副（又称回转副），是两构件只能作相对转动的运动副。

转动副常用符号（2）移动副

移动副是两构件只能沿某一轴线相对移动的运动副

移动副常用符号2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度2.高副

两构件之间通过点或线接触组成的运动副称为高副。

车轮与钢轨、凸轮与从动件、轮齿啮合等均分别组成了高副。

常用两构件直接接触处的轮廓表示。a）滚动副b）凸轮副c）齿轮副

凸轮副齿轮副空间运动副：螺旋副、球面副2-3平面机构自由度2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图螺旋副球面副高副符号第二章平面机构运动简图及自由度第一节运动副及其分类第二节平面机构的运动简图第三节平面机构自由度一、机构的运动简图的概念机构运动简图：用规定的线条和符号表示构件和运动副，并按一定的比例确定运动副的相对位置及与运动有关的尺寸，表达各构件间相对运动关系的简单图形。机构示意图：只定性地表示机构的组成及运动原理而不严格按比例绘制的机构运动简图。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度第二节平面机构的运动简图二、机构的运动简图的绘制1.构件的分类构件分为三类：机架、原动件和从动件。机架（或称固定件）：机构中支承活动构件的构件。原动件（或称主定件）：机构中作用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有活动构件。2.构件的简化画法运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度2-1运动副及其分类a）b）c）d）

e）f）g）h）3.机构运动简图的一般绘制步骤（1）机构的构造与运动分析①首先分析该机构的实际构造和运动情况，②找机构中的主动件（输入构件）及从动件；③然后从主动件（输入构件）开始，顺着运动传递路线，仔细分析各构件之间的相对运动情况；④确定组成该机构的构件数、运动副数及性质。⑤按一定的比例及特定的构件和运动副符号，正确绘制出机构运动简图。注意：绘制时应撇开与运动无关的构件的复杂外形和运动副的具体构造。同时应注意，选择恰当的原动件位置进行绘制，避免构件相互重叠或交叉。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度（2）绘制机构运动简图的步骤1）分析机构组成，观察相对运动，确定机构的机架、原动件和从动件；2）确定所有的构件（数目与形状），运动副（数目和类型）；3）选择合理的视图平面和原动件位置，以便充分反映机构的运动关系；4）确定比例尺；5）按各运动副间的位置与距离，用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画）2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度表2-1构件和运动副的简图符号（摘自GB/T4460—2013）2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度例2-1绘内燃机活塞连杆机构（压缩行程）的运动简图2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度解：1）分析机构组成。活塞连杆机构由气缸（机架）1、活塞2、连杆3和曲轴4组成2）确定所有的构件和运动副。气缸（机架）、活塞、连杆和曲轴共四个构件组成。运动副共4个3）选择合理的视图平面和原动件位置。选择机构的运动平面作为运动简图的视图平面4）根据机构实际尺寸及图样大小确定比例尺。5）确定位置与距离，绘制简图。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度一、平面机构的自由度计算

构件的自由度是构件独立运动的数目。任何一个做平面运动的构件有三个独立的运动。如图构件M可沿x轴或y轴方向移动，以及绕任一垂直于xOy平面的轴线A的转动。自由构件的自由度第三节

平面机构自由度2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度

两构件组成运动副后，就限制了两构件间的相对运动，这种对于相对运动的限制称为约束。两构件组成运动副时构件上参与接触的点、线、面称为运动副元素(1)当两构件组成平面转动副时，两构件间只有一个独立的相对转动；(2)当两构件组成平面移动副时，两构件间只有一个独立的相对移动。注意：平面机构中的低副引入两个约束，仅保留一个自由度。

如图所示，高副中两构件沿公法线n-n方向的移动受到约束，而两构件沿接触点的切线t-t方向进行移动和绕接触点进行转动。

注意：平面机构中的高副引入一个约束，保留了两个自由度。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度

机构的自由度是指机构中各构件相对于机架所具有的独立运动的数目。平面机构自由度与组成机构的构件数目、运动副的数目及运动副的性质有关。构件的自由度总数：3n（平面机构中包含有n个可动构件,机架为参考坐标系，相对固定而不计）若机构中有PL个低副和PH个高副。则所有运动副引入的约束数为2PL+PH。机构的自由度的计算公式为F＝3n-2PL-PH【中国学者创建统一的机构自由度分析原理】燕山大学黄真教授功创建的统一的机构自由度分析原理解决了困扰世界150年的难题，首创基于环路数学的拓扑理论和机构数学化图库等成果突破了当今机构学上的许多世界瓶颈问题。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度

例1-1试计算内燃机活塞连杆机构的自由度。图2-11内燃机主体机构解：机构有3个可动构件，即n=3；有4个低副，PL=4，（1个移动副、3个转动副），没有高副，PH=0。机构的自由度为：F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=12-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度二、平面机构自由度计算的注意事项

1.复合铰链：由两个以上构件组成两个及以上共轴线的转动副

构件在A处构成的复合铰链。图2-12复合铰链三构件共组成两个共轴线转动副。当有k个构件在同一处构成复合铰链时，就构成k-1个共线转动副。例2-3计算图2-13所示摇筛机构的自由度。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度图2-13摇筛机构解：

机构在A、B、D、E、F处各有一个转动副。C处为复合铰链，故

n=5，PL=7，PH=0。

机构的自由度为

F=3n-2PL-PH=3×5-2×7-0=12.局部自由度：与机构运动无关的自由度在计算机构自由度时，局部自由度应略去不计（将滚子3与从动件2看作一个构件）。

解：该机构中n=2，PL=2，PH=l机构自由度为：F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1=1

局部自由度虽然不影响机构的运动关系，但可以减少高副在接触处的摩擦和磨损。因此，在机构中常用到具有局部自由度的结构。如滚动轴承、滚轮等。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度3.虚约束：在一些特殊情况下，有些约束所起的限制作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束平面机构的虚约束常出现在下列情况：

1.两构件间有多个具有相同作用的运动副：(1）两构件间有多个在同一轴线上的转动副。(2）两构件构成多个导路互相平行或重合的移动副。(3）两构件组成多处接触点公法线重合的高副2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度2.两构件上连接点的运动轨迹互相重合。3.机构中具有对运动不起限制作用的对称部分。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度机构的自由度必须大于零，才能保证除机架之外的其它构件能够运动。(1)机构的自由度为零，所有构件均不能运动，因此不能构成机构。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度三、机构具有确定运动的条件(3)如果原动件数大于自由度数，则机构中最薄弱的构建或运动服可能被破坏。(2)如果原动件数小于自由度数，则机构就会出现运动不确定的现象。2-1运动副及其分类2-2平面机构的运动简图2-3平面机构自由度作业

计算图2-25所示各机构的自由由度，并说明哪处是复合铰链、哪处是局部自由度、哪处是虚约束。a）推土机的推土结构b）冲压机构c）锯木机构d）缝纫机的送布机构e）压力机工作机构f）行星齿轮机构

《机械设计基础》谢谢！下次课再见！《机械设计基础》主编：胡孟谦张晓娜

机械工业出版社课程内容第一章机械设计概论第二章平面机构运动简图第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章其他常用机构第六章齿轮机构第七章蜗杆传动第八章轮系第九章带传动与链传动第十章联接第十一章轴第十二章轴承第十三章联轴器离合器制动器第十四章机械创新设计【学习目标】通过本章的学习，掌握平面机构的基本类型；特性及其工作原理，掌握用作图法设计平面四杆机构的原理及方法。【知识点】1.平面四杆机构基本形式2.平面机构的演化形式3.铰链四杆机构存在曲柄的条件4.平面四杆机构的运动特性与传力特性第三章平面连杆机构第三章平面连杆机构第一节平面连杆机构概述第二节平面四面机构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征一、平面连杆机构定义平面连杆机构是由若干构件通过低副联接，且所有构件在相互平行平面内运动的机构。平面连杆机构常以其所含的构件（杆）数来命名。如：由四个构件通过低副连接而成的平面连杆机构，则称为平面四杆机构。3-1平面连杆机构概述二、平面连杆机构的特点1.运动副为移动副或转动副，承载能力较大，便于润滑，耐磨损。2.结构较简单，工作可靠，制造成本低。3.可通过改变杆件的长度改变从动件的运动规律，实现多种运动形式的改变。4.机构的运动副较多，低副的间隙无法消除，并形成运动误差积累，影响运动精度。5.因机构运动时产生的动不平衡难以避免，不适于高速运动场合。3-1平面连杆机构概述三、平面连杆机构的应用平面连杆机构常应用于机床、动力机械、工程机械、包装机械、印刷机械和纺织机械中。如：牛头刨床中的导杆机构，活塞式发动机和空气压缩机中的曲柄滑块机构，包装机中的执行机构等。3-1平面连杆机构概述【中国空间站机械臂】——由中国航天科技集团公司第五研究院（简称航天科技集团五院）研制，是我国目前智能程度最高、规模与技术难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统，空间站机械臂由核心舱机械臂（大臂）和“问天”实验舱机械臂（小臂）组成。3-1平面连杆机构概述平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构。

铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式，滑块四杆机构是平面四杆机构的演化形式。第二节

平面四杆机构的基本形式及其演化3-2平面四面机构的基本形式及其演化一、平面四杆机构的基本形式铰链四杆机构：构件间连接都是转动副的平面四杆机构。4-机架，1、3-连架杆，曲柄-2根据梁连架杆运动形式的不同，铰链四杆机构共有三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。1234ABCD图3-1铰链四杆机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化1.曲柄摇杆机构若铰链四杆机构的两个连架杆中一杆为曲柄另一个为摇杆，则称之为曲柄摇杆机构。雷达天线俯仰角的调整机构。也可利用连杆的复杂运动实现所需的运动轨迹。搅拌器机构缝纫机踏板机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化砂轮机构曲柄摇杆机构的应用2.双曲柄机构两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。惯性筛机构

(a)惯性筛机构平行双曲柄机构（或平行四边形机构）：双曲柄机构中相对的两构件长度分别相等。

(b）双曲柄机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化机构的运动特点：两曲柄的转动方向相同且角速度相等，而连杆做平动。

(b）机车驱动轮联动机构反平行双曲柄机构或反平行四边形机构：两曲柄的转向相反且角速度不等。(c）摄影车座斗机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化运动不确定：在正平行双曲柄机构中，当各构件共线时，可能出现从动曲柄与主动曲柄转向相反的现象，而成为反平行双曲柄机构。解决措施：可采用辅助曲柄或错列机构等措施解决，如：机车联动机构中采用三个区柄的目的就是为了防止其反转。应用：在平行双曲柄机构中，无论以哪个构件为机架都是双曲柄机构。但如果选取较短构件为机架，则两曲柄的转动方向始终相同。反平行双曲柄机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化a）反平行双曲柄机构

b）车门启闭机构3.双摇杆机构两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。通常情况下，两摇杆的摆角不等，常用于操纵机构、仪表机构等。具体应用1：轮式车辆的前轮转向机构，该机构两摇AB、CD杆长度相等，又称为等腰梯形机构。3-2平面四面机构的基本形式及其演化具体应用2：鹤式起重机，其变幅机构ABCD采用双摇杆机构。3-2平面四面机构的基本形式及其演化第三章平面连杆机构第一节平面连杆机构概述第二节平面四面机构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征二、四杆机构的演化形式铰链四杆机构在实际的工程应用中，常演化为其他型式的四杆机构：曲柄滑块机构、导杆机构、摇块机构和定块机构等。1.曲柄滑块机构（1）铰链四杆机构中一个转动副转化为移动副曲柄摇杆机构中的转动副演化为移动副。图3-6曲柄滑块机构的演变3-2平面四面机构的基本形式及其演化具体应用：曲柄滑块机构广泛应用于活塞式内燃机、自动送料装置、冲床等机械。图3-7曲柄滑块机构的应用3-2平面四面机构的基本形式及其演化（2）铰链四杆机构中二个转动副转化为移动副

对心曲柄滑块机构→双滑道机构→正弦机构（直线滑道机构）（a）对心曲柄滑块机构（b）双滑块机构（c）正弦机构图3-8曲柄滑块机构演化为正弦机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化

将图3-9a曲柄滑2.导杆机构块机构中的机架AC变更为AB，则该机构演化为导杆机构。（b）导杆机构导杆机构包括转动导杆机构和摆动导杆机构两种形式。导杆：对滑块起导向作用图3-9曲柄滑块机构演化为导杆机构（a）曲柄滑块机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化2.导杆机构图3-11导杆机构的应用3-2平面四面机构的基本形式及其演化具体应用：导杆机构的传力性能较好，常用于插床、牛头刨床和送料装置等。3-2平面四面机构的基本形式及其演化3.摇块机构具体应用：该机构常用于摇摆式气、液压驱动装置，如：自动货车翻斗机构。

曲柄滑块机构

摇块机构

（b）自卸货车翻斗机构3-2平面四面机构的基本形式及其演化4.定块机构

曲柄滑块机构

定块机构具体应用：该机构常用于手动抽油机和手摇抽水泵。（b）手摇式抽水泵运动简图

（c）手摇式抽水泵3-2平面四面机构的基本形式及其演化第三章平面连杆机构第一节平面连杆机构概述第二节平面四面机构的基本形式及其演化第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征第三节平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特性3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征整转副：机构中能使被连接的两个构件相对转动360°的转动副称为整转副。整转副的存在是曲柄存在的必要条件。铰链四杆机构的三种基本形式的区别：在于机构中有无曲柄和有几个曲柄。一、铰链四杆机构存在曲柄的条件1.整转副存在的条件——长度条件最长杆长度：Lmax，最短杆长度：Lmin，其余两杆的长度：L'、L″构件能做整转副的条件为：Lmax+L_min≤L'+L″。如果Lmax+Lmin＞L'+L″，则机构不存在整转副。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征2.曲柄存在的条件（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Lmax+Lmin≤L'+L″（2）连架杆好机架中必有一杆为最短杆。在铰链四杆机构中，由以上推理可知：AB为曲柄、BC为连杆、CD为摇杆、AD为机架。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征3.铰链四杆机构基本类型的判别方法（1）当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（Lmax+Lmin≤L'+L″）时：①若最短杆的相邻杆为机架，则机构为曲柄摇杆机构；②若最短杆为机架，则机构为双曲柄机构；③若最短杆的对边杆为机架，则机构为双摇杆机构。（2）当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和（Lmax+Lmin>L'+L″）时，则无论取何杆为机架，机构均为双摇杆机构。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征3.铰链四杆机构基本类型的判别方法解：（1）由于Lmax+Lmin=50+20<L'+L″=30+45，所以最短杆两端的两个转动副A、D能整转，而B、C则不能整转。（2）以AB杆或CD杆（最短杆AD的邻杆）为机架，机构为曲柄摇杆机构；以BC杆（最短杆AD的对边杆）为机架，机构为双摇杆机构；以CD杆杆最短杆为机架，机构为双曲柄机构。例3-1铰链四杆机构ABCD的各杆长度如图3-15所示（设长度单位为mm）（1）试判断四个转动副中，哪些能整转？哪些不能整转？（2）说明机构分别以AB、BC、CD、和AD各杆为机架时，属于哪种机构？3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

二、平面四杆机构的运动特性1.极位、极位夹角、摆角极位：当曲柄为主动件时，从动件在做往复摆动或往复移动时的两个极限位置。极位夹角：摇杆存在两个极限位置时，此两处曲柄之间所夹的锐角θ最大摆角：导杆对应两个极位间的夹角

曲柄摇杆机构的极位3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

急回特性：从动件空回行程速度比工作行程速度快。行程速比系数K：回程平均速度与进程平均速度之比

极位夹角θ的计算公式为

极位夹角θ表示了急回程度的大小，θ越大，K值越大，机构的急回程度越强，极位夹角θ一般取k=1.1~1.3；

对于对心曲柄滑块机构，因θ=0，所以机构无急回特性。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征2.急回特性1.压力角和传动角压力角α：机构从动件上受力点的速度方向与该作用力方向之间所夹的锐角。作用：判断机构传动性能的优劣。传动角γ：压力角α的余角作用：判断机构传力性能的优劣3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征三、平面四杆机构的传力特性

在机构运转时，压力角和传动角是随机构的位置而变化的。最小传动角γmin的选择：对于一般工作机构，通常取γmin≥40°；对于颚式破碎机、冲床等大功率机械，可取γmin≥50°；对于小功率的控制机构和仪表，γmin可略小于40°。

止点位置（或称死点位置）：平面连杆机构在压力角α=90°、传动角γ＝0°的位置。当机构处于止点位置时，会出现“卡死”或运动不确定（即工作件在该位置可能向反方向转动）的情况。对于具有极位的四杆机构，当主动件做往复运动时，机构具有两个止点位置。

对于传动机构而言，存在止点位置是不利的。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征2.止点位置

采取措施：一、利用从动件的惯性顺利地通过死点位置，如缝纫机踏板机构中的大带轮就相当于飞轮，利用惯性通过止点。缝纫机踏板机构3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

二、采用错位排列地方式顺利地通过止点位置

V型发动机多个活塞连杆机构止点位置相互错开，可使曲轴顺利通过止点位置，保证了发动机的平稳运转。

图3-20错位排列的多缸发动机3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征

在摩擦的作用下，无论驱动力（或驱动力矩）多大都不能使原来不动的机构产生运动的现象称为自锁。具体应用：钻床夹具夹紧工件时处于死点位置，工件的反作用力再大也不能使夹具松开，若要松开夹具就在手柄上施加压力P。飞机起落架机构，在机轮放下时处于止点位置，以便承受着陆时的巨大冲击。3-3平面四杆机构存在曲柄的条件和基本特征3.自锁现象

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机械工业出版社

课程内容第一章机械设计概论第二章平面机构运动简图第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章其他常用机构第六章齿轮机构第七章蜗杆传动第八章轮系第九章带传动与链传动第十章联接第十一章轴第十二章轴承第十三章联轴器离合器制动器第十四章机械创新设计

第四章凸轮机构【学习目标】

掌握凸轮、棘轮和槽轮的类型、结构；能够根据轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来；着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。【知识点】

1.凸轮机构的组成、分类及特点。2.从动件常用的运动规律。3.图解法绘制凸轮轮廓的基本方法。4.设计凸轮机构应注意的问题。一、凸轮机构的应用

凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构具体应用1.内燃机的配气机构：凸轮机构控制进（排）气门的打开和关闭

内燃机配气凸轮机构1-3凸轮结构的分类4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

2.自动机床：凸轮机构控制刀架运动的。凸轮机构广泛用于自动化和半自动化机械中

自动机床上控制刀架运动的凸轮机构1-1凸轮结构的应用1-2凸轮结构的特点1-3凸轮结构的分类4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构3、应用小结：

1.凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。2.凸轮机构广泛用于自动化和半自动化机械中。3.凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。1-1凸轮结构的应用1-2凸轮结构的特点1-3凸轮结构的分类4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构【古代秦弩凸显中华智慧】——弩源于弓，威力又远远大于弓。弩机机身内的零件：望山（瞄准器）、悬刀（扳机）、钩心和键（销轴）。

秦弩待机状态击发状态弩机1-1凸轮结构的应用1-2凸轮结构的特点1-3凸轮结构的分类4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构二、凸轮机构的特点

优点：凸轮轮廓曲线使从动件实现各种预期的运动规律。其结构简单、紧凑，工作可靠，应用广泛。缺点：凸轮与从动件间为高副接触，易磨损，多用于传递动力不大的自动机械、仪表、控制机构及调节机构中。1-2凸轮结构的特点1-3凸轮结构的分类1-1凸轮结构的概述4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构三、凸轮机构的分类

⒈按凸轮的形状分类

1.盘形凸轮——基本型式特点：盘形凸轮构件的结构简单，应用也较广泛，但推杆的行程不能太大。1-2凸轮结构的特点1-3凸轮结构的分类4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构特点：移动凸轮可视为转轴在无穷远处的盘形凸轮。凸轮结构的特点1-2凸轮结构的特点1-3凸轮结构的分类2.移动凸轮3.圆柱凸轮特点：利用圆柱凸轮可使推杆得到较大的行程。4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

第二节

凸轮机构从动件常用运动规律一、凸轮机构的工作过程二、从动件的运动规律

2-2从动件的运动规律对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构，角速度ω凸轮的基圆与基圆半径rb行程h：从动件在最低位置和最高位置之间的位移一、凸轮机构的工作过程4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

2-2从动件的运动规律

4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

二、从动件的运动规律

1.等速运动规律2.等加速等减速运动规律3.简谐运动规律4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

1.等速运动规律——从动件的运动速度为定值。从动件的运动方程为：等速运动规律的位移、速度和加速度的运动线图。4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

2.等加速等减速运动规律——前半程为等加速运动，后半程为等减速运动运动特点：运动起点、中点和终点的加速度存在突变，产生有限的柔性冲击，适于中速、中载。4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

前半程（0≤δ≤δ0/2）等加速运动方程为：后半程（δ0/2≤δ≤δ0）等减速运动方程为：4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

3.简谐运动规律——质点做匀速圆周运动时，它在该圆直径上投影所形成的运动。从动件的加速度按余弦曲线变化，故又称余弦加速度运动规律。运动方程为：从动件的加速度按余弦曲线变化，故又称余弦加速度运动规律。4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构第四节

凸轮机构常用材料与结构一、凸轮机构常用材料及热处理二、凸轮机构的结构三、凸轮工作图

一、凸轮机构常用材料及热处理凸轮机构属于高副机构，凸轮与从动件接触应力大，相对滑动时产生严重磨损；凸轮机构零件：表面硬度高，心部韧性好4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构二、凸轮机构的结构a）凸轮轴b）键连接c）圆锥销联接d）弹性开口锥套螺母联接4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构凸轮基圆较小：凸轮轴（凸轮与轴为一个整体）

凸轮基圆较大：凸轮用套装结构（凸轮开孔套在轴上）。

滚子从动件从动件的滚子：圆柱体（图a、b）、滚动轴承（图c）。连接方式：螺栓连接（图a）、销轴连接（图b、c）。4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构三、凸轮工作图（1）标注凸轮的向径值（2）凸轮的加工精度：凸轮工作轮廓的向径公差、表面粗糙度和基准孔公差带4-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构

（2）凸轮的加工精度：凸轮工作轮廓的向径公差、表面粗糙度和基准孔公差带凸轮的公差和表面粗糙度

凸轮精度公差等级或极限偏差/mm表面粗糙度Ra/μm向径/mm基准孔凸轮槽宽凸轮工作廓面凸轮槽壁低±0.2~0.5H8，H9H8，H93.23.2一般±0.1~0.3H8，H7H81.6~3.21.6~3.2较高±0.05~0.1H7H8（H7）0.81.6高±0.01~0.05H7，H6H70.2~0.40.4~0.84-1凸轮机构概述4-2凸轮机构从动件常用运动规律4-3凸轮机构常用材料与结构《机械设计基础》

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机械工业出版社【学习目标】

掌握螺旋传动、棘轮机构、槽轮和不完全齿轮棘轮、槽轮和不完全齿轮工作原理、类型和应用。【知识点】1.螺旋机构、棘轮和槽轮机构的组成、分类及特点。2.棘轮、槽轮和不完全齿轮工作原理和应用。第五章其他常用机构第五章其他常用机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构一、螺旋传动的结构、类型与特点机构组成：螺杆、螺母和机架主要功能：将旋转运动变换为直线运动，并同时传递运动和动力。螺旋机构分类：1.按用途和受力情况分类：传递运动、传递动力和用于调整机构；2.按摩擦性质分类：滑动螺旋机构、滚动螺旋机构和静压螺旋机构。螺旋机构优点：结构简单、工作连续平稳、传动比大、承载能力强、传递运动准确、易实现自锁等优点，故应用广泛螺旋机构缺点：摩擦损耗大、传动效率低。【“工程机械之王”——盾构机】——盾构机，即使用盾构法的全断面隧道掘进机，是当前主流的隧道施工机械，多用于地铁和高铁建设，被誉为“工程机械化之王”。

第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构图5-1硬岩掘进机“中铁859号”第一节螺旋机构第二节棘轮结构第一节螺旋机构第二节棘轮机构第三节槽轮机构1.滑动螺旋机构按螺杆上螺旋副的数目分为：单螺旋机构和双螺旋机构两种。（1）单螺旋机构

：

1个螺杆、1个螺母第四节不完全齿轮机构（2）双螺旋机构：两个螺母、螺杆有两段不同螺纹分类：差动螺旋机构、复式螺旋机构1）差动螺旋机构差动螺旋机构中两螺旋副的螺纹旋向相同，螺杆为主动件转动，螺母1固定，螺母2只能移动不能转动。当螺杆转过φ角时，移动螺母相对机架的位移为s当两处螺纹的导程Ph1和Ph2相差很小时，位移s可以很小。差动螺旋机构应用于各种微动装置中，如测微器、分度机构、精密机械进给机构及精密加工力具等。第三节槽轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮机构第四节不完全齿轮机构1-螺杆2、2'-螺母3-机架2）复式螺旋机构

复式螺旋机构中的螺母能产生很大的位移，可应用于需快速移动或调整的装置中，故也称为倍速机构或增速机构。实际应用中，如要求两构件同步移动，只需使Ph1=Ph2即可。

台钳定心夹紧机构（倍速机构，螺母A和螺母B的旋向相反）第三节槽轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮机构第四节不完全齿轮机构工作过程：当转动螺杆，台钳的左右两个钳口同时向中间移动，夹紧工件；当反向旋转螺杆时，两个钳口同时向中间外移动，工件取下。2.滚动螺旋机构在螺杆和螺母的螺旋面上制出弧形螺旋槽，在螺旋副间形成滚道，并放人钢球，成为滚动摩擦式的螺旋机构，称为滚动螺旋机构。第一节螺旋机构第二节棘轮机构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构工作过程：

当转动螺杆，台钳的左右两个钳口同时向中间移动，夹紧工件；

当反向旋转螺杆时，两个钳口同时向中间外移动，工件取下。

二、螺旋传动机构的传动效率和自锁

在一定工作范围内，螺纹升角ϕ越大，传动效率η越高；摩擦角ρ_v越大（即当量摩擦系数f_v大），传动效率η越低。因此，对传动用螺旋机构，螺纹牙形的选择直接影响其传动效率，一般常用矩形、梯形螺纹。1.传动效率——螺旋机构的传动效率η为螺母转动一周的有效功与输入功之比。2.自锁条件

螺纹副被拧紧后，如不加反向外力矩。则不论轴向载荷多大，也不会自动松开，此现象称为螺旋副的自锁性能。

5-1螺旋机构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第五章其他常用机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构第二节棘轮机构一，棘轮机构的工作原理棘轮机构由棘轮、棘爪、摇杆和机架组成。在摇杆做往复摆动，棘轮做单向的间歇转动。

通常锯齿形齿的棘轮用于单向转动的棘轮机构，棘爪随摇杆连续地往复摆动时，棘轮只作单向的间歇运动。

外啮合式棘轮机构5-2棘轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第二节

棘轮机构一、棘轮机构的工作原理棘轮机构由棘轮、棘爪、摇杆和机架组成。在摇杆做往复摆动，棘轮做单向的间歇转动。二、棘轮机构的类型及应用棘轮机构分类：齿式棘轮机构

摩擦式棘轮机构。1.齿式棘轮机构齿式棘轮机构有外啮合式和内啮合式。外啮合棘轮机构的棘齿在棘轮的外缘，内啮合棘轮机构的棘齿在棘轮的内缘。第四节不完全齿轮机构

内啮合式棘轮机构

外啮合式棘轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构二、棘轮机构的类型及应用棘轮机构分类：齿式棘轮机构

摩擦式棘轮机构。1.齿式棘轮机构齿式棘轮机构根据运动方式还可分为单动式、双动式和可变向式三种棘轮机构。单动式棘轮机构中的棘轮只作单向的间歇运动；双动式棘轮机构的棘爪往复摆动一次，棘轮沿同一方向间歇转动两次。棘轮齿形：锯齿形和矩形。第四节不完全齿轮机构双动棘爪棘轮机构转动棘爪棘轮机构

牛头刨床中工作台横向进给机构（矩形齿棘轮机构）2.摩擦式棘轮机构——通过棘爪与棘轮之间的摩擦力来实现传动。特点：工作时噪声较少，接触面间容易发生滑动。分类：外摩擦式棘轮机构、滚子式内摩擦棘轮机构外摩擦式棘轮机构组成：棘爪1、棘轮2和止回棘爪3。滚子式内摩擦棘轮机构组成：外套1、星轮2和滚子3。第三节槽轮机构第二节棘轮结构第一节螺旋机构第四节不完全齿轮机构外摩擦式棘轮机构

滚子式内摩擦棘轮机构三、棘轮转角的调整方法1.调节曲柄长度

通过改变曲柄长度，可调节摇杆的最大摆角ψ的大小，从而改变棘轮转角。2.调节覆盖罩角度

在摇杆摆角ψ不变的前提下，调节覆盖罩的角度，改变棘轮上被遮挡的部分，使棘爪在每次摆动过程中拨动的棘齿齿数发生变化，因此棘轮转角也随之变化。

3.用双动棘爪调节棘轮转角

双动式棘轮机构的棘爪往复摆动一次，两个棘爪交替推动棘轮沿同一方向间歇转动两次。

如提起其中一个棘爪使其不工作，则棘轮随棘爪的每次往复摆动只转动一次。第三节槽轮机构第二节棘轮结构第一节螺旋机构第四节不完全齿轮机构第五章其他常用机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构一、槽轮机构组成与分类槽轮机构也属于间歇运动机构，由槽轮、拨盘和机架组成。平面槽轮机构有两种型式：外槽轮机构和内槽轮机构内槽轮机构双圆柱销外槽轮机构5-3槽轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构外槽轮机构

槽轮转动的次数取决于主动销数量k槽轮每一次转动所转过的角度2π/z（z为槽数），如果k=2，即为双圆柱销外槽轮机构，拨盘转动一周。槽轮将反向转动两次。第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构二、槽轮机构的特点及应用1.特点：结构简单，工作可靠，转动的角度准确可控。2.应用：电影放映机卷片机构、自动传送链装置第四节不完全齿轮机构电影放映机卷片机构1.电影放映机卷片机构，拨盘1使槽轮2转动一次便卷过一张底片，此过射灯不发光。

2.当槽轮停转时，射灯发光照射底片，银幕上即出现该底片的投影。

3.断续出现的投影，在观众看来都是连续的动作，这是利用了人“视觉暂留”的生理特点。自动传送链装置第五章其他常用机构第一节螺旋机构第二节棘轮结构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构

第四节不完全齿轮机构一、不完全齿轮机构工作原理不完全齿轮机构：主动轮齿数较少，从动齿轮是完整齿轮或齿条，或为不完全齿轮。运动原理：主动轮连续转动，从动轮间歇转动。类型：外啮合式、内啮合式、齿轮齿条式等

。5-4不完全齿轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮机构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构外啮合式内啮合式齿轮齿条式二、不完全齿轮机构特点及应用1.特点：结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间的比例可不受机构结构的限制。2.分类：外啮合式、内啮合式和齿轮齿条式等3.应用：低速或轻载场合，如多工位间歇转位机构、间歇进给机构和计数机构等

由于齿轮传动为定传动比运动，所以从动齿轮在启停瞬间，速度有突变，冲击较大，所以一般只用于低速或轻载场合，如多工位间歇转位机构、间歇进给机构和计数机构等。5-4不完全齿轮机构第一节螺旋机构第二节棘轮机构第三节槽轮机构第四节不完全齿轮机构

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机械工业出版社课程内容第一章机械设计概论第二章平面机构运动简图第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章其他常用机构第六章齿轮机构第七章蜗杆传动第八章轮系第九章带传动与链传动第十章联接第十一章轴第十二章轴承第十三章联轴器离合器制动器第十四章机械创新设计第六章齿轮传动第一节齿轮传动概述第二节渐开线的形成原理、基本性质和参数方程第三节直齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸第四节渐开线齿轮的啮合传动

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮一、齿轮传动的类型与特点

齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，是现代机械中应用最广的一种机械传动。备注：齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，是现代机械中应用最广的一种机械传动。齿轮传动的类型很多。按齿轮轴线的相互位置关系和齿轮形状，齿轮传动可分为图6-1所示的各种类型。第一节齿轮传动概述

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮二、齿轮传动的特点及工作要求1.齿轮传动特点：（1）传递动力大、效率高；（2）寿命长，工作平稳，可靠性高；（3）能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。（4）制造、安装精度要求较高，因而成本也较高；（5）不宜作远距离传动。2.工作要求备注：在生产实践中，齿轮传动机构一般要满足传动平稳、准确性和承载能力等方面的工作要求。（1）传动平稳性：传动中保持瞬时传动比不变，冲击要小、振动及噪音尽量小等；（2）承载能力：尺寸小、重量轻，轮齿的强度要高、耐磨性好及寿命长等。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮被称为世界上最早的计程车，是我国古代对齿轮系运用的典范。备注：它的计程功能是由齿轮系完成的：将两个齿数相同的齿轮中间嵌入一个中轮，车便能按同一速度和同一方向运转，整个齿轮系与车轮同行同止。车上还有一套减速齿轮系，始终与车轮同时转动，其最末一只齿轮轴在车行1里时，中平轮刚好回转一周，经机械系统作用，车上的拨子就拨动下一层木人击鼓一次；车行10里时，其上的拨子就拨动上一层木人击镯一次，其原理与今天汽车中的里程表相同。现代里程表的发明人是18世纪的美国人本杰明▪富兰克林，比记里鼓车晚了1600多年。【世界上最早的计程车】——记里鼓车

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮第二节渐开线的形成原理、基本性质和参数方程

图6-2渐开线的形成备注：如图6-2所示，当直线在一圆上做纯滚动时，直线上任意的一点K的轨迹称为该圆的渐开线。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮二、渐开线的性质（1）发生线沿基圆滚过的长度等于基圆上被滚过的弧长（2）发生线是渐开线在任意点的法线且与基圆相切。备注：由图6-2可知，形成渐开线时，发生线上的K点在各瞬时的速度方向必然与发生线相垂直，而发生线上K点的瞬时速度方向，即渐开线上K点的切线t-t的方向。所以发生线必然垂直于切线t-t，即发生线就是渐开线在K点的法线。又由于发生线在各个位置与基圆相切，因此，渐开线上任意一点的法线必与基圆相切。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮（4）渐开线形状取决于基圆的大小。基圆越小，渐开线越弯曲；基圆越大，渐开线越平直；基圆无穷大时，其渐开线为直线，即为渐开线齿条的齿廓。（5）基圆内无渐开线。图6-3基圆直径大小与渐开线形状

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮第三节直齿圆柱齿轮的基本参数及几何尺寸一、齿轮各部分名称、符号和几何尺寸计算a）外（啮合）齿轮

b）内（啮合）齿轮图6-4渐开线标准直齿圆柱齿轮

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸的计算公式

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮图6-5模数与轮齿齿形的关系

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮表6-1标准模数系列（摘自GB/T1357-2008）（摘自GB/T1357-2008）（单位：mm）

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮二、内啮合齿轮与齿条1.内啮合齿轮齿廓形状特点：（1）内齿轮的齿廓是内凹的渐开线，其齿厚相当于外齿轮的齿槽宽，而齿槽宽相当于外齿轮的齿厚。（2）内齿轮的齿顶圆在分度圆之内，而齿根圆在分度圆之外，其齿根圆比齿顶圆大。（3）齿轮的齿顶齿廓均为渐开线时，其齿顶圆必须大于基圆。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮标准渐开线直齿内齿轮的几何尺寸计算公式

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮2.齿条齿条齿廓形状特点：（1）齿条齿廓是直线，齿廓上各点的法线相互平行，齿廓上各点的压力角等于齿形角，为标准值。（2）齿条可视为齿数无穷多的齿轮，分度线、齿顶线、齿根线标准直齿齿条的几何尺寸计算公式参见上表。图6-6齿条各部分名称与符号

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮三、常用测量参数

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮图6-7齿轮公法线长度

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮2.弦齿厚和弦齿高备注：在用卡尺测量齿厚，为保证卡尺测量卡脚与齿面在分度圆处接触，要用垂直游标控制分度圆弦齿高的数值。a）b）图6-8分度圆弦齿厚和弦齿高

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮标准直齿圆柱齿轮分度圆弦齿厚弦齿高的计算公式为

弦齿厚和弦齿高的值可以在机械设计手册中直接查到。

当标准齿条齿廓与齿轮齿廓相切时，两切点间的距离线段长度即为固定弦齿厚，用表示。固定弦至齿轮齿顶圆的垂直距离称为固定弦齿高，用表示，如图6-9所示。标准直齿圆柱齿轮固定弦齿厚弦齿高的计算公式为

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮图6-9固定弦齿厚弦齿高

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮第四节渐开线齿轮的啮合传动

机械传动中的齿轮传动是通过一对齿轮的轮齿交替啮合而实现的，我们需要了解一对齿轮的啮合传动情况。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮

图6-10齿轮齿廓啮合

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮二、渐开线齿廓啮合特性1.渐开线齿廓满足齿廓啮合基本定律，能保证定比传动

渐开线齿廓在K点啮合时，过K点的齿廓公法线n-n必为两齿轮基圆的内公切线。由于两齿轮基圆大小及安装位置固定不变，其同侧内公切线只有一条，所以该公切线（即齿廓公法线n-n）与两必过两轮轴心连线于P点，即渐开线齿廓满足齿廓啮合基本定律，能保证定比传动。

渐开线齿廓的定比传动特性

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮2.渐开线齿廓具有中心距可分性

一对啮合齿轮制造完成后，其基圆半径固定不变，所以，即使由于安装误差或磨损导致中心距发生变化，由式（6-2）可知传动比仍能保持恒定不变，这一特性称为渐开线齿轮中心距的可分性。该特性给渐开线齿轮的制造和安装带来很大方便。3.渐开线齿廓传递的压力方向不变

渐开线齿廓间传力的方向总是沿着两齿廓接触点（即啮合点）的公法线方向。而由渐开线的性质可知，过齿廓任一啮合点作的公法线必与两基圆相切，即为两基圆的内公切线n-n。当两轮基圆一定、中心距一定时，两基圆的内公切线n-n，方向是一定的。因此，两渐开线齿廓无论其啮合点在何处，其传递的压力方向始终不变，这一特性使得齿轮传动较平稳。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮三、渐开线齿轮传动啮合过程主动轮1顺时针方向转动，推动从动轮2作逆时针方向转动。1.轮齿的起始啮合点K是从动轮齿顶圆与啮合线的交点B2，这时主动轮的齿根与从动轮的齿顶接触，两轮齿进入啮合，称B2点为起始啮合点。2.两齿廓的啮合点将沿着啮合线向左下方移动，直至主动轮的齿顶圆与啮合线的交点B1；主动轮的齿顶与从动轮的齿根即将脱离接触，两轮齿结束啮合，故称B1点为终止啮合点。3.线段为啮合点的实际轨迹，称为实际啮合线段。4.线段是理论上最长的啮合线段，称为理论啮合线段。5.渐开线齿轮传动中的齿廓间正压力方向不变。

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮a）b）

c）

一对渐开线齿轮的啮合传动过程

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮四、渐开线齿轮正确啮合条件一对渐开线标准直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是：两齿轮的模数和压力角应分别相等。渐开线齿轮正确啮合条件

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮重合度越大，则同时参与啮合的轮齿越多，传动平稳性越好，齿轮的承载能力越大。重合度的计算公式：

式中：“+”号用于外啮合，“-”号用于内啮合。重合度大小与模数m无关，只与齿数z1、z2大小有关。在实际应用中，需满足ε≥[ε]，[ε]称为许用重合度，其推荐值见表6-3。表6-3许用重合度[ε]推荐值

6-1齿轮传动概述6-2渐开线的形成6-3直齿圆柱齿轮6-4渐开线齿轮六、中心距及啮合角

一对标准渐开线齿轮按标准中心距安装时，其分度圆与节圆重合。

渐开线标准齿轮的外啮合时，两齿轮的分度圆相切，其中心距a等于两齿轮分度圆半径之和。外啮合齿轮传动的中心距和啮合角

《机械设计基础》谢谢！下次课再见！《机械设计基础》主编：胡孟谦张晓娜

机械工业出版社课程内容第一章机械设计概论第二章平面机构运动简图第三章平面连杆机构第四章凸轮机构第五章其他常用机构第六章齿