机械设计基础 课件全套 于明 第0-16章 绪论、平面机构的运动简图和自由度 -轴

第0章绪论§0－1机械设计的研究对象和内容§0－3本课程在教学中的地位§0－2机械设计的基本要求和一般过程§0－4本课程的学习方法特点§0－1机械设计的研究对象与内容：一、对象：机械：1、机械定义

2、机械发展过程

3、机械种类

（一）机器（1）内燃机分析（2）共同特征（3）分类（二）机构（1）实例分析（2）共同特征（3）分类（三）机器与机构的异同点（四）机器与机构的关系（五）现代机械的特点（六）机器、机构的组成

4、进一步明确对象二、内容:

一、机械设计的研究对象为：机械1、机械－人造的用来减轻或替代人类劳动的多件实物的组合体。

§0－1机械设计的研究对象和内容2、任何机械都经历了从简单→复杂的发展过程：起重机的发展历程(克服垂直提升重物之困难)：机械从简单→复杂的发展过程可分为三个阶段：原始机械—传统机械—现代机械(一)机器：（1）内燃机分析内燃机*组成：65438712910汽缸体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9、103、机械机器机构*工作原理：进气压缩爆炸（做功）排气

内燃机中气体的一个工作循环过程：将燃气的热能转换为曲轴转动的机械能。

为了保证曲轴连续转动，这是通过齿轮、凸轮、推杆、弹簧等来实现的。设计：潘存云内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构凸轮机构齿轮机构各部分协调动作的结果：

热能

机械能和谐号动车组速度200~250km/h，高铁速度300~350km/h。神州九号和天宫一号自动对接蛟龙号载人潜水器，潜深7km。美国桑迪亚国家实验室研制机器坦克世界最小机器人，体积1.6³cm³，质量28.35g，爬行速度0.5m/s。哈佛大学研制飞行机器人最小无人机，翅膀颤动120次/s，重量106mg。欧洲大型强子对撞机（粒子加速器）位于瑞士日内瓦，圆周为27公里的圆形隧道，隧道直径3米，模拟宇宙爆炸的初始状态，寻找上帝粒子、暗物质、反粒子、夸克胶子等。日本“天梯”计划2050年完工为地球和外太空之间打造一条物理运输通道。（2）机器的共同特征：

①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③代替或减轻人类劳动完成有用功（机械功）或实现能量（机械能）的转换

机器的作用

（3）机器的分类：

原动机－其他能转换成机械能（如内燃机、蒸汽机、电动机等）种类有限工作机－机械能转换成有用机械功（如机床、洗衣机等）

种类繁多（二）机构（1）实例分析：曲柄滑块机构凸轮机构齿轮机构设计：潘存云（2）机构的共同特征：

①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③用来传递力或实现运动的转换。（3）机构的分类：通用机构和专用机构。

通用机构---用途广泛，如连杆机构、齿轮机构等。专用机构---只能用于特定场合，如钟表的擒纵机构。（三）机器与机构的异同点：由两个实例推广到一般在组成和运动方面相同，故统称为机械。相同点：不同点：作用不同：单个机构没有用，组合成机器才有用。（五）现代机械特点：不仅由刚体组成，而且有气体、液体参与，不仅能代替人的体力劳动，而且能代替人的脑力劳动。不仅传递力和运动，实现能量转换，而且能传递信息，

引入机构的目的是为了研究机器的运动，机构是机器的运动模型，表达了机器的运动本质。

任意复杂的种类无限的机器都是由有限种机构按一定规律组合而成的。（四）机器与机构的关系：

一台机器可以含有多个机构；同一个机构可用于功用不同的多种机器。（六）机器、机构的组成机器、机构是人造实体组成（1）从结构的角度看：零件—（2）从功能的角度看：零件驱动部分执行部分传动部分控制部分制造单元运动单元功能单元连杆体连杆盖螺栓螺母机构—机器构件——机器—部分—部件驱动部分－是机器动力的来源。工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。

传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。

控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。

其关系如下驱动传动工作控制辅助系统：如润滑、照明、显示等控制器(控制)电动机(驱动)带(传动)减速器(传动)波轮(工作)分析自动洗衣机的组成：构件（3）构件、零件、部件之间的关系及分类：单一的机械零件若干机械零件机械零件通用机械零件：齿轮、轴、螺钉专用机械零件：内燃机中的曲轴活塞连杆、洗衣机中的叶轮、起重机中的吊钩部件机械中由若干个零件装配而成能完成特定任务的一个独立组成部分。它可以是一个构件，如连杆，也可以是多个构件组成，如轴承、联轴器等。可分为通用部件(大多数机械中经常用到的部件，如轴承、联轴器、减速器等）专用部件（只在某些机械中才用到的部件，如转向器、差速器等）。机器的种类多，但组成机器的常用机构、通用零部件种类有限。4、进一步阐明本课程研究对象：研究对象几种常用机构：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、带传动、链传动、间隙运动机构（棘轮机构、槽轮机构）。几种通用零部件：轴承、联轴器、离合器、减速器等。为后续专业课中研究各类具体机器打下基础。二、本课程研究内容：

机械中的常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点、运动和动力性能、设计计算方法。机械设计---规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的性能。基本要求：使用要求满足预期功能，安全可靠、操作方便、维修简单，寿命长；经济要求工艺性好、效率高、成本低和造型美观。一般过程：1.确定设计任务：功能和各项性能指标，2.运动设计：工作原理→选机构→传动路线(机构运动简图)，3.零件结构设计：计算各构件上的载荷→强度计算结合工艺要求进行总体结构设计和零、部件结构设计。§0－2机械设计的基本要求和一般过程4.试制和改进设计这四个阶段不是简单串联，是反复修改、交叉进行。机械设计方法的新发展：早期设计方法—师傅带徒弟，言传身教；传统设计方法----是静态的、经验的、手工式的；

现代设计方法----是动态的、科学的、计算机化的。

A优化设计

B有限单元法

C可靠性设计

DCAD/CAE/CAM/PDM

上述几种设计方法均已进入成熟期，在工程设计中已产生了很大作用，并带来了巨大的经济效益和社会效益。本课程的性质：

专业基础课本课程的地位：承前启后，一方面本课程是工程制图、工程材料及机械制造基础、工程力学、金工实习等理论知识和实践技能的综合运用。

另一方面通过本课程的学习，可为今后学习各种具体机械、机床夹具设计、机床、机械制造工艺学等专业课程打下基础。作为一名工程技术人员，同学们在今后的工作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机械，因此必须掌握机械方面的基础知识。§0－3本课程的性质、地位和任务

通过本课程的学习和课程设计实践，（1）掌握常用机构和通用零部件的工作原理，结构特点，运动动力性能，选择计算和设计计算方法。

（2）具备运用手册的能力和实验技能，

（3）具有设计一般机械传动装置和拟定传动方案的能力。

（4）具有正确使用和维护一般机械设备的基本知识。

为后续专业课程的学习打下必要的理论和实践基础。本课程的任务：

3）仔细观察实物和模型，欢迎到实验室参观，并动手组装各种机构。课程安排：课程、实验、课程设计共112学时。学习要求：

1）按时完成线上、线下作业，线下书面作业绘图准确，

字迹工整，作业量未达到规定者不能参加考试。

2）上课认真听讲，及时消化。成绩评定：平时(作业、实验)60%、考试40%旷课1次，作业1题不做，实验一次不做，不得考试。1.学会综合运用知识本课程是建立在物理、数学、工程力学、机械制图等课程基础之上的一门专业基础课。本课程是一门综合性课程，综合运用其他先修课程和本课程所学知识解决机械设计问题是本课程的教学目标，也是设计能力的重要标志。学习注意点：

本课程是从理论性、系统性很强的基础课和专业基础课向实践性较强的专业课过渡的一个重要转折点。§0－4本课程的学习方法特点2.学会知识技能的实际应用

本课程又是一门应用于工程实际的设计性课程，应注意设计公式的应用条件、公式中系数的选择范围、设计结果的处理都与工程实际相结合，计算步骤和计算结果不象基础课那样具有唯一性。培养根据理论计算与结构设计、工艺性等结合起来解决设计问题的能力。3.学会总结归纳本课程的研究对象多，内容繁杂，学生一接触本课程就会产生“没有系统性”、“逻辑性差”等错觉，这是由于学生习惯于基础课的系统性和逻辑性所造成的。本课程的各部分内容都是按照工作原理、结构设计、强度设计和使用维护的顺序介绍的，有其自身的系统性，学习时应注意这一特点，并注意提高自己的形象思维能力。必须对每一个研究对象的基本知识、基本原理、基本设计思路方法进行归纳总结，并与其他研究对象进行比较，掌握其共性与个性，只有这样才能有效提高分析和解决设计问题的能力。4.学会创新学习机械设计不仅在于继承，更重要的是应用创新，机械科学产生与发展的历程，就是不断创新的历程。只有学会创新，才能把知识变成分析问题与解决问题的能力。在研究各类具体的常用机构前先了解下列概念：机构分两类：

我们要介绍的常用机构大部分是平面机构，少部分是空间机构。平面机构－各构件在同一平面中运动。空间机构－各构件的运动不在同一平面内。还要了解研究常用机构的两个工具：第1章平面机构的运动简图和自由度§1－1平面机构的组成§1－2平面机构的运动简图§1－3平面机构的自由度§1－1平面机构的组成一、平面机构的两组成要素：构件和运动副二、运动链三、运动链成为机构的条件内燃机零件－独立的制造单元一、平面机构=构件+运动副1、构件—独立的运动单元构件由若干个零件刚性联接组成。内燃机连杆套筒螺栓垫圈螺母轴瓦连杆体连杆盖2、运动副运动副元素－直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。定义：两个构件通过点、线、面的直接接触形成有一定相对运动关系的可动联接。三个条件，缺一不可1)按形成运动副的两构件间的相对运动分：例如：球铰链、螺旋。空间运动副－空间运动两者关联运动副的分类：平面运动副－平面运动（√）2)按运动副元素将平面运动副分为：①高副－点、线接触，应力高。②低副－面接触，应力低例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副、铰链）、移动副。运动副对构件运动的影响：

一个作平面运动的自由构件，在平面直角坐标系中，有三个独立运动，即3个自由度。oyx

当它用运动副与另一构件相连，运动副限制了构件的独立运动，亦即运动副减少了构件独立运动的数目（自由度），增加构件的约束数。运动副引入多少约束，与运动副的种类有关：（1）低副：面接触的运动副。转动副：允许两构件做相对转动又称：回转副或铰链结论:

两构件用低副联接，失去两个自由度，约束数是2。移动副：允许两构件沿某一直线作相对移动（2）高副：

两构件通过点或线接触。

如：

两构件用高副联接，失去一个自由度，约束数是1。结论:tt构件和构件通过运动副的联接而构成的可动系统还不能叫机构，只能叫运动链。闭式链、开式链二、运动链

三、机构定义：把闭式运动链中一个构件固定、另一个或几个构件按给定的运动规律运动、其他构件随之有确定运动，就形成机构铰链四杆机构，机构中的构件按运动特点分为：固定件和运动件机架－支承活动构件的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。——参考坐标系。原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。——输入构件。从动件－其余可动构件——输出构件或传动构件。若干1个或几个1个机构＝机架＋原动件＋从动件零件刚性联接构件运动副运动链原动件、从动件机架、机构§1－2平面机构运动简图一、机构运动简图的概念、种类和作用二、机构运动简图的常用符号三、机构运动简图绘制步骤四、绘制机构运动简图的注意问题机构运动简图:曲柄滑块机构314A2BC一、机构运动简图的概念、种类和作用不管实际机构中构件和运动副的真实形状，只按国家标准规定的符号表示构件和运动副。用以表明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用：1.反映机器各构件某一瞬间相对机架的位置，与实际机构有完全相同的运动特性。反映机器运动本质的一个运动模型。不按比例绘制的简图－机构示意图

按比例画出各构件上运动副的相对位置—机构运动简图，种类：构件的运动尺寸

转动副的相对位置、移动副的导路方位、高副的轮廓形式。与构件、运动副真实形状无关。构件的运动尺寸：2.构件、运动副的种类、数目和运动尺寸与实际机构完全相同，设计中根据它反映机器的运动方案，计算出各构件的运动和动力参数。运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副二、构件和运动副的表示方法：1、常见运动副符号的表示:

国标GB4460－84平面高副螺旋副211212211212球面副121212空间运动副12121221一般构件（不带运动副）的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件2、构件的表示方法:三副构件

两副构件

一般构件（带着运动副）的表示方法注意事项:

表示构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑其上运动副的性质，

也即构件表示成直线、方块还是三角形是由其带着的运动副的种类决定的，而不是由其自己形状决定的。1、2、一个机构运动简图中含有多个机架符号，只计一个构件。3、原动件：构件标识上加运动方向。3、常用机构表示方法（国标GB4460－84）

在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动链传动圆柱蜗杆蜗轮传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动三、平面机构运动简图的绘制步骤：

运动副的类型、数目、位置：1.运转机械，先弄清运动传递路线，分析两两构件的相对运动关系来确定：构件类型、数目：原动件、从动件（一般位于传动线路末端）和机架，转动副找到转动中心移动副找到移动导路高副找出接触处形状

构件、运动副的表示符号随之确定4.构件编号、运动副注字母、原动件标箭头。2.*选定投影面（运动平面），*选定原动件恰当位置，*从原动件和最后的从动件开始，顺运动传递路线，用选好构件、运动副的符号，画出机构示意图，

画图顺口溜：3.测量相邻运动副之间的实际尺寸，选择适当μl按比例画机构运动简图。μl=实际尺寸/图上长度单位m/mm或mm/mm先两头，后中间，两头一共六个件：首先两头运动副然后两头机架最后两头原动件、从动件从头到尾画清楚，中间构件运动副。DCBA1432绘制图示鳄式破碎机的运动简图。1234绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵ABC四、绘制机构运动简图的注意问题1、主动件位置选择不同，机构运动简图不同。ABCB1C1C2B2例：曲柄滑块机构2、构件、运动副符号选择不同，机构运动简图不同。ABC例：曲柄滑块机构CC

机构的表达形式具有多样性，但只要构件之间的相对运动关系一样就是表示同一机构。§1－3平面机构的自由度

回忆机构的定义：闭式运动链中。。。。。我们知道机构中各构件一定有确定的相对运动，怎样判定该机构中各构件有无确定相对运动呢？通过机构自由度来判断。一、机构自由度的定义：二、平面机构自由度的计算公式三、机构有确定运动的条件四、计算平面机构自由度的注意事项五、计算平面机构自由度的步骤一、机构自由度的定义：构件的自由度—构件所具有的独立运动数目

运动副带来的约束数是由运动副类型来决定的：

平面机构的自由度—机构中各活动构件相对于机架所具有的独立运动数目。

只要用3倍的活动构件数减去所有运动副带来的约束数。二、平面机构自由度的计算公式F=3n机构自由度活动构件数根据定义：高副数目低副数目-2×PL-1×PH扩展：只要构件+运动副组成的运动链都可用此式计算自由度。F=3×2-2×2=2一般，运动链的F≥1就称其带来了自由度

F＜0就称其带来了约束数要求：记住上述公式，并能熟练应用。例1计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副数PH=0S3123例2计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×5=2

高副数PH=01234θ1例3计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副数PH=1123三、机构有确定运动的条件即机构中各构件有确定相对运动的条件：F＞0F=原动件数目反证法举例证明:F＞原动件数目F＜原动件数目F=0静定结构F＜0超静定结构1234θ1θ2作业P191-3(a)、(b)、(c)四、计算平面机构自由度的注意事项12345678ABCDEF例1计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL－PH高副数PH=0=3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！1、复合铰链

－－两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m－1转动副。两个低副与区别复合铰链的几种变式：上例：在B、C、D、E四处应各有

2

个转动副。例1计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。12345678ABCDEF圆盘锯机构例2计算图示两种凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且F=11231232、局部自由度计算时去掉滚子和铰链：

F=3×2－2×2－1=1定义：机构中某些构件加运动副带来的自由度，不影响其他构件的运动，叫局部自由度。原因：带来的F=3×1-2×1=1是局部运动，不影响其他构件的运动，计算自由度时应去除。滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。123123方法：将与从动件焊成一体。解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=0∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，∴增加的约束不起作用。例3已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。1234ABCDEF3、虚约束原因：带来的F=3×1-2×2=-1的约束，对其他构件运动不影响，计算自由度时应去除。方法：应去掉构件4和两端的转动副。4重算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF4FAB＝CD＝EF虚约束定义：机构中某些构件加运动副带来的约束，不影响其他构件的运动，叫虚约束。计算自由度时应去掉虚约束。出现虚约束的场合：（1）运动时，两构件上的两点距离始终不变处，加入一构件二低副。如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。*两构件构成多个转动副，且同轴。*两构件构成多个移动副，且导路平行。

（2）两构件形成多个相同的运动副。*两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2A’A（3）对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如火车轮联动装置。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!CDABGFoEE’例4计算图示大筛机构的自由度。位置C，2个低副复合铰链:局部自由度1个虚约束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×9－1=2CDABGFoE五、计算平面机构自由度的步骤B2I9C3A1J6H87DE4FG5例5计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：A1B2I9C3J6H87DE4FG52个低副复合铰链:1个局部自由度2个虚约束:1处I8去掉局部自由度和虚约束后：

n=6PL=7F=3n－2PL－PH

=3×6－2×7－3=1PH=3本章重点：

•

机构运动简图的测绘方法。

•自由度的计算。本章求机构自由度步骤：1、写公式2、数出机构中所有复合铰链、局部自由度、虚约束，3、数出机构中所有活动构件数、低副数、高副数4、代数字、计算。本章两类题型：题型一、画出机构运动简图，题型二、求机构自由度。实验预习实验报告准备工具：实验报告、书、笔、尺、纸、圆规班长分组作业P191-4a、b、ce、f、h第2章平面连杆机构§2－2平面连杆机构的基本型式及其演化§2－2平面连杆机构的基本特性§2－4

平面四杆机构的运动设计§2－1概述§2－1概述一、平面连杆机构的概念二、平面连杆机构的特点三、分类定义：机构由构件加低副构成，且构件在同一平面中运动。设计：潘存云设计：潘存云缝纫机踏板机构2143摇杆主动3124内燃机一、平面连杆机构的概念应用实例：鹤式吊、火车轮、手动冲床、牛头刨床、椭圆仪、机械手爪、开窗户支撑、公共汽车开关门、折叠伞、折叠床、牙膏筒拔管机、单车制动操作机构等。连杆做平面复杂运动能实现各种运动轨迹。二、平面连杆机构的特点优点：1、连杆做平面复杂运动，可实现任意轨迹要求，将转动（摆动）转为各种运动形式。2、面接触压强小，承载能力强，易润滑，耐磨损。3、接触面为平面或圆柱面，易加工，精度高。缺点：1、低副面接触有间隙，数目多时运动误差积累大；接触面大摩擦力大，机械效率低。2、连杆平面复杂运动，设计计算困难，不易实现精确运动轨迹，只能近似满足运动轨迹。3、连杆变加速运动，惯性力难平衡，用于低速场合。三、分类:常以构件数命名：四杆机构、多杆机构。本章重点内容是介绍四杆机构。§2－2平面连杆机构的基本型式及其演化一、平面四杆机构的基本型式—铰链四杆机构:二、铰链四杆机构的演化§2－2平面连杆机构的基本型式及其演化一、平面四杆机构的基本型式—铰链四杆机构:

铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。定义：平面四杆机构中的四个构件都是由转动副连接而成的。曲柄—作整周定轴回转的构件；有三种类型：按两连架杆运动形式不同，机架、连杆的运动都一样。分为：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。连杆—作复杂平面运动的构件；连架杆—与机架相联的构件；摇杆—作定轴摆动的构件；周转副—能作360°相对回转的转动副；摆转副—只能作有限角度摆动的转动副。曲柄连杆摇杆几个名词：机架—固定不动的构件；铰链（转动副）设计：潘存云设计：潘存云缝纫机踏板机构2143摇杆主动3124ABDC1243雷达天线俯仰机构曲柄主动（1）曲柄摇杆机构特征：曲柄＋摇杆运动转换：转动→摆动摆动→转动转动（摆动）→复杂运动轨迹搅拌机构CBADE设计：潘存云ABDC1234E6惯性筛机构31（2）双曲柄机构特征：两个曲柄运动转换：等速回转→等速或

变速回转。应用实例：如惯性筛等。设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云ABCD耕地料斗DCAB耕地料斗DCAB实例：火车轮特例：平行四边形机构AB=CD特征：两连架杆等长且平行;运动特性：两连架杆同向转，ω相等；连杆作平动；从动曲柄有运动不确定现象。BC=ADABDC摄影平台ADBCB’C’天平播种机料斗机构设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云反平行四边形机构--车门开闭机构反向F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。采用辅助错列机构或辅助曲柄。设计：潘存云（3）双摇杆机构特征：两个连架杆都是摇杆运动转换：匀速摆动→变速摆动摆动→连杆复杂运动轨迹QABCDEQ鹤式起重机要求连杆上E点的轨迹为一条水平直线双摇杆机构及其在鹤式起重机中的应用风扇摇头机构：ABDCEABDCEABDCE特例：等腰梯形机构－汽车前轮转向机构扩大转动副，扩大相应构件，转动中心移到∞，转动副变成移动副。二、铰链四杆机构的演化设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄移动导杆机构

正弦机构s=lsinφ↓∞→∞φl设计：潘存云D33DDCCCCCC22BB设计：潘存云(2)选不同的构件为机架偏心轮机构导杆机构摆动导杆机构转动导杆机构314A2BC314A2BCB1设计：潘存云C2BA1曲柄滑块机构设计：潘存云设计：潘存云牛头刨床应用实例:ABDC1243C2C1小型刨床ABDCE123456设计：潘存云应用实例B234C1A自卸卡车举升机构(2)选不同的构件为机架ACB1234应用实例B34C1A2应用实例4A1B23C应用实例13C4AB2应用实例A1C234Bφ导杆机构314A2BC曲柄滑块机构314A2BC摇块机构314A2BC设计：潘存云(2)选不同的构件为机架314A2BC定块机构手摇唧筒BC3214A导杆机构314A2BC曲柄滑块机构314A2BC摇块机构314A2BCABC3214例：选择曲柄移动导杆机构中的不同构件作为机架可得不同的机构双滑块机构1234正弦机构3214双转块机构23413214例：选曲柄摇杆机构中不同构件为机架曲柄滑块机构导杆机构曲柄摇杆机构二、平面四杆机构的基本特性1、连杆机构有曲柄的条件2、连杆机构的压力角和传动角3、连杆机构的急回特性4、连杆机构的死点位置设计：潘存云abdcC’B’AD杆AB为曲柄，A为整转副，AB要作整周回转，必有两次与机架共线:b≤(d–a)+c则由△B’C’D可得：三角形任意两边之和大于第三边则由△B”C”D可得：a+d≤b+cc≤(d–a)+b∴①a为最短杆②最长杆与最短杆的长度之和≤其他两杆长度之和1、连杆机构有曲柄的条件→a+b≤c+dC”abdcADd-

a将以上三式两两相加得：

a≤b,a≤c,a≤d

→a+c≤b+d（1）铰链四杆机构有曲柄的条件(用反推法）曲柄重要，因为电机传来的运动均为回转运动曲柄摇杆机构杆长为a

、b

、c

、d

，d为机架，设a<d，B”abcdABCD设计：潘存云2.

以最短杆或其相邻杆为机架—机架条件。铰链四杆机构曲柄存在的条件：1.整转副必连最短杆，即最短杆两端均为整转副，且最短杆与最长杆的长度之和应≤其他两杆长度之和—杆长条件。ABCDabcd作者：潘存云教授*当机构满足杆长条件时，最短杆两端一定是整转副，其余转动副为摆转副。这时选不同的构件为机架，可得不同的机构。如：

曲柄摇杆1、曲柄摇杆2、双曲柄、双摇杆机构。铰链机构：杆长=杆长，无论哪杆为机架均为双曲柄机构。

铰链四杆机构三种种类的判别方法：*当机构不满足杆长条件时：最短杆+最长杆﹥另两杆之和，无论哪杆为机架，均为双摇杆机构。（2）曲柄滑块机构曲柄存在的条件：(a)为一偏置曲柄滑块机构（e≠0），(b)为对心曲柄滑块机构，当e=0，可以同样得到对心曲柄滑块机构有曲柄的条件是：b＞a

有曲柄的条件是：b＞a+e

。ABCeba偏置式（a）BACab对心式（b）124311234B1C1EB1C1D∞

D∞

D∞

D∞

设计：潘存云αFγF′F〞2、连杆机构的压力角和传动角压力角α：从动件驱动力F与力作用点速度之间所夹锐角。ABCD切向分力:

F′=Fcosα法向分力:

F〞=Fsinαγ↑→F′↑→对传动有利，=Fsinγ一般工程上用γ的大小来表示连杆机构传动力性能的好坏。（1）压力角和传动角概述

以曲柄摇杆机构为例引出：不计各杆质量及摩擦，摇杆CD受的力是连杆BC给的，沿着BC中心线的方向。其余角称为传动角γ，也是锐角。γ好度量=Fcosγ注意：从铰链四杆机构引出的α、γ定义适用于连杆、齿轮、凸轮和所有的常用机构。虽然有时工程上用γ来衡量机构的传力性能，但一般要先找到机构的压力角。机构的传动角一般都在最后一个从动件上度量。在机构运动过程中，传动角是不断变化的，上述定义中γ是一般位置的，在运动过程中，一定有个位置的γ

是所有位置中最小的，为了保证机构传力性能的良好，设计机构时应符合国标规定：一般机械：γmin≥40°

重载机械：γmin≥50°

轻载机械：γmin可稍小设计：潘存云αFγF’F”当∠BCD≤90°时，

γ＝∠BCDABCD找γmin出现的位置：当∠BCD>90°时，

γ＝180°-∠BCDCDBAFγF”F’∴当∠BCD最小或最大时，都有可能出现γmin（2）连杆机构设计的一个重要内容是找出机构γmin的位置，并检验γmin是否在国标范围内。铰链四杆机构的γmin∠BCD最小或最大就是BD最小或最大以曲柄摇杆机构为例：设计：潘存云C1B1DAγ′γ″C2B2此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。当机构运动到AB1C1D位置时→

BD最短→∠BCD最小出现可能的γ′min=

∠BCD当机构运动到AB2C2D时→

BD最长→∠BCD最大＞90°

出现另一个可能的γ″min=180-∠BCD再比较这两个γmin大小，找出机构真正的γmin出现的位置正好是曲柄能整周转的困难位置，帮助记忆。曲柄滑块机构的γmin导杆机构的γminFv由定义：α

始终=0°

γ始终=90°∴传力性能很好。3、连杆机构的急回特性（1）定义：在连杆机构中，当主动件作等速回转，从动件作往复运动时，有时从动件去行程慢，回行程快。叫急回特性。何时有急回特性?设计：潘存云ABCDB1C1AD（2）铰链四杆机构的急回特性

在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。此两处曲柄之间的所夹锐角θ

称为极位夹角。θωC2B2极位和极位夹角设计：潘存云ABCDB1C1ADθ180°＋θωC2B2θ将曲柄的360整周转分为摇杆的去行程和回行程：曲柄180°+θ→摇杆C1C2→去行程,曲柄180°-θ→摇杆C2C1→回行程。曲柄摇杆机构设曲柄逆时针转：设计：潘存云ABCDB1C1AD当曲柄以ω逆时针转过180°+θ时，所花时间为t去,平均速度为V去,那么有：曲柄摇杆机构θ180°＋θωC2B2曲柄摇杆机构的急回特性去行程摇杆从C1D→

C2D。设计：潘存云B1C1ADC2当曲柄以ω继续转过180°-θ时，回行程摇杆从C2D→

C1D，所花时间为t回,平均速度为V回,那么有：

180°-θ显然：t去>t回

V回

>V去摇杆的这种特性称为急回特性。用以下比值表示急回程度称K为行程速比系数。从式中可见：只要主动曲柄匀速回转

θ

≠0，即

K>1设计新机械时，往往先给定K值，于是:用行程速比系数K来衡量机构的急回特性机构就有急回特性。θ，K

，机构的急回特性越显著，但机构不稳定。θ=0，K=1，机构无急回特性。（3）对心曲柄滑块机构中：偏置曲柄滑块机构中：B1C1BACB2C2ABCB1C1C2B2（4）导杆机构中：（5）急回特性的应用：

把有急回特性的机构去行程设计成工作行程,回行程设计成空回行程，这样能提高工作效率。C1C2BACθφ

θ=φ设计：潘存云F4、连杆机构的死点位置γ＝0Fγ＝0（1）定义：连杆机构某些情况下，连杆和从动件处于一直线，γ＝0，连杆的力不能使其运动，全部产生压力。这样的位置叫死点。（2）连杆机构中哪些类型有死点位置：设计：潘存云F曲柄摇杆机构中摇杆为主动件，曲柄为从动件，γ＝0Fγ＝0摇杆摆到两极限位置时，连杆与曲柄两次共线，连杆传给曲柄的力F通过铰链中心，有：γ＝0，曲柄不能转动。曲柄摇杆机构有两个死点位置。曲柄滑块机构中：当滑块主动，曲柄从动，也有2个死点位置。曲柄滑块机构中：当滑块主动，曲柄从动，也有2个死点位置。

机构中：有2个死点位置，就是运动不确定位置。注意：机构死点位置和急回特性的极位一致，但主动件不一样，可便于记忆。（3）死点使机构处于自锁、或从动曲柄运动不确定现象设计：潘存云

辅助连杆组成错列机构：利用从动曲柄+飞轮，靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。或直接在从动曲柄上施加外力。F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG（4）克服办法：采用辅助构件：辅助曲柄：如火车轮机构设计：潘存云设计：潘存云工件ABCD1234PABCD1234工件P钻孔夹具γ=0TABDC飞机起落架ABCDγ=0F（5）利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。作业：P382-6、2-7、2-82-8图示铰链四杆机构中，已知各杆长度lAB＝20mm，lBC＝60mm，lCD＝85mm，lAD＝50mm。要求：1)试确定该机构是否有曲柄；2)判断此机构是否存在急回运动，若存在试确定其极位夹角，并计算行程速比系数；3)若以构件ＡＢ为原动件，画出机构最小传动角的位置；4)在什么情况下，机构有死点位置?题型三：用平面连杆机构的基本特性解题题型四：图解法解决平面连杆机构的运动设计问题已知机构求特性已知特性求机构§2－4平面四杆机构的运动设计

一、四杆机构运动设计概念（已知什么求什么）：已知指根据给定的几何、运动或动力条件，求确定各构件运动尺寸（指各构件上运动副的相对位置）。不涉及构件具体结构。

平面机构的设计包括：1、选型设计；２、运动设计；

3、强度设计；4、结构设计1)几何条件（给定连架杆或连杆的位置）2)运动条件（给定K）3)动力条件（给定γmin）二、设计方法：图解法、解析法、实验法（1）图解法具有简单易行和几何概念清晰的优点，但精确程度较低。（2）实验法是利用一些简单的工具，按所给的运动要求来试找所需的机构尺寸，这种方法简单易行，直观性较强，而且可以免去大量的作图工作量，但是精确程度比较低。

（3）解析法是根据机构的几何、运动关系建立数学模型，利用计算机进行机构的设计、分析和仿真的方法，目前已经成为机械设计的重要的方法。三、平面四杆机构的各构件的运动特点（用于图解圆规作图）：两连架杆绕定轴转动，连杆作平面复杂运动，但长度不变，其两端点绕定轴转动B1C1ADB3C3B2C2φ2ψ2φ1ψ1φ3ψ3设计：潘存云1、按给定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆两组位置有唯一解。B2C2AD将铰链A、D分别选在B1B2，C1C2连线的垂直平分线上任意位置都能满足设计要求。b)给定连杆上铰链BC的三组位置有无穷多组解。A’D’B2C2B3C3ADB1C1B1C1五、图解法设计平面四杆机构：

设计此四杆机构，就是要确定铰链A、D的位置。设计：潘存云φθθ2、按给定的行程速比系数K设计四杆机构1)曲柄摇杆机构已知：摇杆CD杆长，摆角φ及K，设计此机构。步骤如下：90°-θPC1C2DA分析：如果机构设计出来了一定如图，只要定出A就可得出各杆长。

也即过点C1、C2作一个圆周角为θ的辅助圆，则圆弧C1AC2上的任意点均可作为曲柄的回转中心A。设计：潘存云φθθ计算θ＝180°(K-1)/(K+1);③过点C1、C2作一个圆周角为θ的辅助圆，则A点必在此圆上。根据其他条件（比如A、D在同一直线上）可确定A；再求出曲柄、连杆长：μl

AC2=b-a=>a=μl

(AC1－AC2)/290°-θP

μl

AC1=a+bC1C2DA选取适当μl

将已知条件画出。b=μl

(AC1+AC2)/2步骤：C1C2设曲柄为a，连杆为b

，则:设计：潘存云设计：潘存云ADmnφ=θD2)导杆机构分析：假设机构已设计出一定如图，只要定出B就可得出曲柄长。计算θ＝180°(K-1)/(K+1);由φ＝θ，作摆杆的两个极位；则:

a=μlAB1θφ=θAd已知：机架长度d，K，设计此机构。选取适当μl

将已知条件AD=d/μl画出。B2B1B1步骤：设计：潘存云2θe3)曲柄滑块机构H已知K，滑块行程H，偏距e，设计此机构。C1C290°-θo90°-θA分析：如果机构设计出来了一定如图，只要定出A就可得出各杆长。设计：潘存云2θeH计算:θ＝180°(K-1)/(K+1);③过点C1、C2作一个圆周角为θ的辅助圆，则A点必在此圆上。再由其他条件确定A—如作偏距线e,交圆弧于A；再求出曲柄a、连杆b长：C1C290°-θo90°-θA选取适当μl

将已知条件画出。步骤：μl

AC2=a+b=>a=μl

(AC2－AC1)/2

μl

AC1=b-ab=μl

(AC1+AC2)/2本章重点：1.四杆机构的基本形式、演化及应用；2.曲柄存在条件、传动角γ、压力角α、死点、急回特性：极位夹角和行程速比系数等物理含义，并熟练掌握其确定方法；3.掌握按连杆二组位置、三组位置、行程速比系数设计四杆机构的原理与方法。1、熟记四个基本特性及其特征位置图。2、由题意判断该题用哪个基本特性，画出特征草图，并分析图上哪些量已知，哪些量要求，如何由已知量作图求出未知量。3、选取μl，将已知量除以μl

，画成正式图。4、根据前面分析的步骤，在图上作出所求量，并量出，再乘以μl。题型四：图解法解决平面连杆机构运动设计问题作业：P392-9、2-102-15.试设计一曲柄摇杆机构。已知行程速度变化系数K=1.4，摇杆的长度lCD=100mm，摆角ψ=45°，要求固定铰链中心A和D在同一水平线上。2-11已知一偏置曲柄滑块机构，其中偏心距e=10mm，曲柄长度LAB=20mm，连杆长度LBC=70mm,

（1）用图解法求滑块的行程长度H；（2）曲柄作为原动件时的最大压力角αmax

（3）滑块作为原动件时机构的死点位置。第3章凸轮机构§3－1

凸轮机构概述§3－2

从动件的常用运动规律§3－4

凸轮机构基本尺寸的设计§3－3图解法设计凸轮的轮廓结构：三个构件：凸轮、从动件（推杆）、机架。

盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。作用：将连续回转运动=>

从动件直线移动或摆动。优点：只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。缺点：线接触，高副，易磨损，传力不大。应用：内燃机

、牙膏生产等自动线中等传力不大的控制和调节机构(轻载高速),实现复杂运动轨迹（间隙运动）。§3－1凸轮机构概述分类：1)按凸轮形状分：盘形、

移动、

圆柱凸轮(端面

)。2)按从动件形状分：尖顶、滚子、

平底从动件。尖顶－－构造简单、易磨损、用于仪表机构；滚子――磨损小，应用广；平底――受力好、润滑好，用于高速传动。3).按从动件运动分：直动(对心、偏置)、摆动12刀架o4).按从动件与凸轮保持接触(锁合)方式分：——对运动不影响，不表示在名称中。力封闭（重力、弹簧等）内燃机气门机构机床进给机构形封闭(圆柱、凹槽、等宽、等径、主回凸轮)r1r2r1+r2=constW凹槽凸轮等宽凸轮等径凸轮作者：潘存云教授主回凸轮将各种凸轮和从动件组合得到不同凸轮机构，如：对心式尖顶直动从动件盘形凸轮机构。设计：潘存云设计：潘存云312A线绕线机构312A线应用实例：设计：潘存云3皮带轮5卷带轮录音机卷带机构1放音键2摩擦轮413245放音键卷带轮皮带轮摩擦轮录音机卷带机构设计：潘存云132送料机构§3－2从动件的常用运动规律一、凸轮机构设计的基本任务二、凸轮机构及一个运动循环的相关概念三、从动件的常用运动规律设计：潘存云δhδhotδ1s2凸轮机构设计的基本任务:

根据工作要求确定凸轮机构的形式;rminh

ω1Aδsδsδ’sδ’sDBCB’δtδt从动件运动规律设计凸轮轮廓曲线,及其它结构尺寸。

从动件的运动规律和凸轮廓形状一一对应：一、凸轮机构设计的基本任务设计：潘存云δhδhotδ1s2二、凸轮机构及一个运动循环的相关概念。名词术语：基圆、凸轮推程运动角、基圆半径、从动件推程、凸轮远休止角;凸轮回程运动角;从动件回程、凸轮近休止角;行程：从动件移动的距离.rminh

ω1AδsδsDBCB′δtδt凸轮以等角速度ω1逆时针转动。A点—基圆与上升轮廓交点。δ′sδs′凸轮开始转动：凸轮轮廓最小向径rmin、设计：潘存云δhδhotδ1s2三、从动件的常用运动规律rminh

ω1AδsδsDBCB′δtδt1、从动件运动规律：从动件在推程或回程时，其位移S2、速度V2、加速度a2

随时间t变化的规律。若凸轮匀速转动时，凸轮转角δ1与时间t成正比δ1=ω1

t则从动件运动规律表述为从动件S2、v2、a2

随凸轮转角δ

1变化的规律—数学表达式：上述函数关系常画成运动图线。δ′sδs′S2=S2(δ1)V2=V2(δ1)a2=a2(δ1)形式：多项式、三角函数。注意：作位移线图时，横坐标要用μα（°/mm）纵坐标要用μl（mm/mm）推程运动方程：

s2

＝hδ1/δt

v2

＝

hω1/δts2δ1δtv2δ1a2δ1h+∞－∞在行程的始末v2有突变，a2

理论上∞，刚性冲击，用于低速、低载。同理得回程运动方程：

s2＝h(1-δ1/δh)v2＝-hω1

/δha2＝0a2

＝0（1）等速运动（一次多项式）运动规律2、几种从动件常用的运动规律：设计：潘存云δ1a2h/2δth/21δ1s2推程减速段运动方程为：s2

＝h-2h(δt–δ1)2/δ2tv2

＝-4hω1(δt-δ1)/δ2ta2

＝-4hω21

/δ2t235462hω/δt4hω2/δ2t3推程加速段运动方程为：s2

＝2hδ2

1

/δ2tv2

＝4hω1δ1

/δ2ta2

＝4hω21

/δ2tδ1v2（2）等加等减速（二次多项式）运动规律位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。同理可得回程等加速段的运动方程为：s2

＝h-2hδ21/δ2hv2

＝-4hω1δ

1/δ

2ha2

＝-4hω21/δ

2h回程等减速段运动方程为：s2

＝2h(δh-δ

1)2/δ

2hv2

＝-4hω1(δ

h-δ

1)/δ

2ha2

＝4hω21/δ

2h在行程的三点a2有有限值的突变，柔性冲击，用于中速、中载。设计：潘存云hδtδ

1s2δa2（3）余弦加速度(简谐)运动规律推程：

s2＝h[1-cos(πδ1/δ

t)]/2v2

＝πhω1sin(πδ1/δt)δ1/2δta2

＝π2hω21cos(πδ1/δt)/2δ2t

回程：

s2＝h[1＋cos(πδ1/δ

h)]/2

v2＝-πhω1sin(πδ1/δ

h)δ

1/2δ

ha2＝-π2hω21cos(πδ1/δ

h)/2δ

2h123456δ1v2Vmax=1.57hω/2φ0在行程的始末理论上a2为有限值突变，产生柔性冲击但当它作升、降、升的连续循环往复运动时也避免了柔性冲击，可用于高速场合。否则用于中速、中载。123456s2δ1δ1a2δ1v2hδt（4）正弦加速度（摆线）运动规律推程：s2＝h[δ

1/δ

t-sin(2πδ

1/δ

t)/2π]

v2＝hω1[1-cos(2πδ1/δt)]/δta2＝2πhω21

sin(2πδ

1/δ

t)/δ

2t

回程：

s2＝h[1-δ

1/δ

h+sin(2πδ

1/δ

h)/2π]

v2＝hω1[cos(2πδ

1/δh)-1]/δ

ha2＝-2πhω21

sin(2πδ1/δh)/δh2无冲击，适用于高速场合（5）五次多项式运动规律位移方程：

s2=10h(δ1/δt)3－15h(δ1/δt)4+6h(δ1/δt)5δ

1s2v2a2hδt无冲击，适用于高速凸轮。设计：潘存云v2s2a2δ1δ1δ1hoooδt正弦改进等速（6）改进型运动规律将几种运动规律组合，以改善运动特性。+∞-∞v2s2a2δ

1δδ

1hoooδt无冲击，适用于高速场合例：已知：从动件运动规律为δ=180°作简谐运动，δ

s=30°，δ′=120°作等加等减运动，

δs′=30°，行程h=30mm，试作出从动件位移线图。解：选μl=2mm/mm，μα=6°/mmδs123456δδsδs′δ′题型一已知从动件运动规律，画从动件位移线图。1、建立S—δ坐标系，取μα

、

μl，在S轴上作出行程h，在δ轴上作出一个运动循环的4个角。2、在每个角内根据运动规律作出位移线图。题型二已知从动件位移线图，用作图法设计凸轮轮廓。一、凸轮廓线设计方法的基本原理§3－3图解法设计凸轮轮廓三、用作图法设计凸轮廓线二、设计方法：图解法、解析法设计：潘存云一、凸轮廓线设计方法的基本原理反转原理：依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线，例如：

给整个凸轮机构施以-ω1时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。O-ω13’1’2’331122ω11)对心直动尖顶从动件盘形凸轮3)对心直动滚子从动件盘形凸轮4)对心直动平底从动件盘形凸轮2)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮5)摆动尖顶从动件盘形凸轮机构设计：潘存云60°rmin120°-ω1ω11’对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮1’3’5’7’8’2’3’4’5’6’7’8’9’10’11’12’13’14’90°90°A1876543214131211109二、图解法设计凸轮轮廓60°120°90°90°135789111315s2

δ19’11’13’12’14’10’设计步骤小结：①选比例尺μl——注意这个比例尺一定要和已知的位移线图的比例尺一样，作基圆rmin,标出ω、-ω的方向。确定从动件导路、尖端起始位置A。②凸轮基圆反向分四大角，位移曲线等分推程和回程运动角，原则是：陡密缓疏。再相应等分凸轮基圆的推程、回程运动角。③基圆各分点作径向线——反转后从动件导路的各位置；确定反转后从动件尖顶在各导路上的位置。④将各尖顶点连接成一条光滑曲线。一、选取μl，画出已知条件；二、定从动件在反转中导路位置：分角度：分大角、分小角、连射线。三、定从动件在反转中尖点位置

四、连线设计：潘存云911131513578OeA偏置直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度ω1和从动件的运动规律和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。2.偏置尖顶直动从动件盘形凸轮1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’-ω1ω16’1’2’3’4’5’7’8’15’14’13’12’11’10’9’1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k860°120°90°90°s2

δ1

先看书上已设计好的偏置凸轮机构，找到反转中从动件导路的规律。设计步骤小结：①选比例尺μl作基圆rmin、偏距圆e，标出ω、-ω的方向。确定从动件移动导路、尖端起始位置A。②位移曲线等分推程和回程，原则是：陡密缓疏。偏距圆反向分大角，再等分推程、回程运动