教学材料《机械基础》-项目1

项目一常用机构任务一认识常用机构任务二常用机构运动简图绘制任务三常用机构自由度计算任务四平面四杆机构特性分析任务五凸轮机构特点分析任务六间歇运动机构特点分析返回任务一认识常用机构一、机器与机构1.机器在现代的日常生活和工程实践中随处可见各种各样的机器，机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息。例如，汽车、飞机、缝纫机、起重机、复印机、电动机、机床、机器人等都属于机器的范畴。机器的种类繁多，可以按几个不同方面分类。其中，按功能可分为动力机械、运输机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。下一页返回任务一认识常用机构各种机器虽然结构形式、运动规律及功用不同，但都具有共同特征：1）它们都是人为实体（构件）的组合；2）各个运动实体（构件）之间具有确定的相对运动；3）能够实现能量的转换，代替或减轻人类完成有用的机械功。我们把能够同时具有以上三个特征的机械统称为机器。现代机器一般由动力部分、传动部分、执行部分、操纵控制部分和辅助部分五部分组成，它们之间的关系如图1－1所示。上一页下一页返回任务一认识常用机构随着伺服驱动技术、检测传感技术、自动控制技术、信息处理技术、材料及精密技术、系统总体技术等的飞速发展，使传统机械在产品结构和生产系统结构等方面发生了质的变化，形成了一个崭新的现代机械工业。现代机器已经成为一个以机械技术为基础，以电子技术为核心的高新技术综合系统。例如，如图1－2所示的3Ｄ打印机。2.零件和部件从制造的角度看，机器是由若干个零件装配而成的。零件是机器中不可拆卸的制造单元，有时为了装配方便，先将一组协同工作的零件分别装配或制造成一个个相对独立的组合体，然后再装配成整机，这种组合体常称为部件（或组件）。上一页下一页返回任务一认识常用机构例如：内燃机的连杆，车床的主轴箱、尾座，滚动轴承以及自行车脚蹬子等。将机器看成是由零部件组成的，不仅有利于装配，也有利于机器的设计、运输、安装和维修等。3.构件和机构从运动的角度看，机器是由若干运动的单元所组成的，这种运动单元称为构件。构件可以是一个零件，也可以是若干零件的刚性组合体。如图1－3所示，螺母、螺栓是由一个零件构成一个构件；如图1－4所示，连杆是由连杆体、连杆头和螺栓、螺母等多个零件刚性组合而成的一个构件。各构件之间通过运动副连接。将若干个构件连接起来，使其具有确定相对运动的各种实体的组合系统称为机构。上一页下一页返回任务一认识常用机构机构主要用于传递和变换运动。常用机构有齿轮机构、连杆机构、凸轮机构等。将机器视为一个机构或若干个机构的组合，这就为机器的运动分析带来了方便。仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别，它们都是构件的组合，各构件之间具有确定的相对运动。因此，通常人们把机器与机构统称为机械。二、常用机构的类型、特点及应用1.平面连杆机构日常生活中，我们经常接触到一些简单机构，其中缝纫机脚踏板就是一种典型机构，它将脚踏板的往复摆动转换成带轮的连续转动，从而驱动缝纫机；上一页下一页返回任务一认识常用机构再如利用简单机构可以调整雷达天线仰角。这类机构一般由若干构件通过铰链或滑道等连接而成，并且所有构件的运动部分均在同一平面或相互平行的平面中运动，我们将此类机构称为平面连杆机构，因构件形状多呈杆状，故简称连杆机构。常见的连杆机构有四杆机构、五杆机构、多杆机构等，其中平面四杆机构是最简单的平面机构，本书中所涉及的平面连杆机构主要为四杆机构及其演化形式。通过分析以上几种机构可总结出平面连杆机构具有以下特点：1）能够进行多种运动形式的转换；2）构件之间连接处是面接触，单位面积上的压力较小、磨损较慢，可以承受较大载荷；上一页下一页返回任务一认识常用机构3）两构件接触表面是圆柱面或平面，制造容易；4）连接处间隙造成的积累误差较大；5）连杆机构运动时产生惯性力，不适用于高速场合。平面连杆机构广泛应用于各种机器和仪器中，例如金属加工机床、起重运输机械、采矿机械、农业机械、交通运输机械和仪表等。2.凸轮机构在各种机器，特别是自动化机器中，为实现某些特殊或复杂的运动规律，常采用凸轮机构。凸轮机构通常是由原动件凸轮、从动件和机架组成，其功能是将凸轮的连续转动或移动转换为从动件的连续或不连续的移动或摆动。上一页下一页返回任务一认识常用机构与连杆机构相比，凸轮机构便于准确地实现给定的运动规律，但由于与从动件通过点接触或线接触，所以易磨损，凸轮机构制造比较困难。3.间歇运动机构在机械系统的驱动、传动、控制和操作装置中，经常需要某些能将主动件的连续运动转换为从动件有规律的时停、时动的间歇运动的机构，这类机构统称为间歇运动机构。如图1－12所示的电影放映机卷片机构和图1－13所示的自动浇注输送装置即是间歇运动机构的应用。间歇运动机构根据其结构原理不同可以分为棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和齿轮齿条机构等几类，具体内容将在任务四中详细介绍。上一页返回任务二常用机构运动简图绘制一、运动副及其分类1.运动副机构是由具有确定相对运动的若干构件组成的。组成机构的相邻两构件之间必定以一定的方式连接起来并实现确定的相对运动。这种两个构件之间的可动连接称为运动副。本书主要分析平面机构中的运动副，即平面运动副。构件组成运动副后，其独立运动将受到限制。2.运动副的分类运动副中两构件接触形式不外乎点、线、面三种，根据运动副接触形式不同，通常将运动副分为低副和高副。两构件通过面接触形成的运动副称为低副，按两构件间相对运动形式不同，还可将低副分为转动副和移动副。下一页返回任务二常用机构运动简图绘制如图1－16（ａ）所示，两个构件铰接成运动副后，两构件仅能绕轴在Ｘ－Ｙ平面内做相对转动，这种运动副称为转动副。如图1－16（ｂ）所示，将构件1与构件2连接后，两构件就只能沿Ｘ轴轴线方向做相对移动，这种运动副称为移动副。我们日常所见的门窗活叶、折叠椅等构成的运动副均为转动副，推拉门、导轨式抽屉、车床刀架与导轨构成的运动副均为移动副。二、平面机构的运动简图1.平面机构构件的分类构件是机构中具有独立运动的单元体，是组成机构的基本要素。根据构件在机构中运动情况的不同，可将其分为三类。上一页下一页返回任务二常用机构运动简图绘制（1）机架将机构中被固定的构件称为机架，任何一个机构中必定只有一个构件为机架。（2）原动件将机构中运动规律已知的活动构件称为原动件，通常是驱动力所作用的构件（图中用箭头表示的构件）。（3）从动件将机构中除原动件和机架以外的所有构件称为从动件，其运动规律取决于原动件的运动规律和机构的组成情况。上一页下一页返回任务二常用机构运动简图绘制2.平面机构运动简图及机构示意图在研究机构运动特性时，为了使问题简化，通常只考虑与运动有关的运动副的数目、类型及相对位置，不考虑构件与运动副的实际结构和材料等与运动无关的因素。用简单线条与规定符号表示构件和运动副的类型，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，这种表示机构组成和各构件间运动关系的简单图形，称为平面机构运动简图。机构运动简图保持了其实际机构的运动特征，其简明地表达了实际机构的运动情况。机构示意图是指为了表示机构的结构组成及运动原理而不严格按比例绘制的机构运动简图，是用特定的构件和运动副符号表示机构的一种简化示意图，仅着重表示结构特征。上一页下一页返回任务二常用机构运动简图绘制常用构件和运动副的简图符号在国家标准ＧＢ／Ｔ4460—2013中已有规定，表1－1给出了最常用的构件和运动副的简图符号，可供参考。3.平面机构运动简图的绘制在绘制机构运动简图时，首先必须分析该机构的实际结构和运动情况，分清机构中的主动件（输入构件）及从动件；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，从而确定组成该机构的构件数、运动副数及性质。在此基础上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。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。上一页下一页返回任务二常用机构运动简图绘制同时应当注意，绘制机构运动简图时，原动件的位置选择不同，所绘制的机构运动简图的图形也不同。当原动件的位置选择不恰当时，构件会相互重叠或交叉，使图形不易辨认。为了清楚表达各构件间的相互关系，绘图时应选择合适的原动件位置。绘制平面机构运动简图可按以下步骤进行。1）观察机构的运动情况，分析机构的具体组成，确定机架、原动件和从动件（类型和数目）。2）由原动件开始，根据相连两构件间的相对运动性质和运动副元素情况，确定运动副的类型和数目。上一页下一页返回任务二常用机构运动简图绘制3）根据机构实际尺寸和图纸大小确定适当的长度比例尺μ1，按照各运动副间的距离和相对位置，以与机构中大多数构件的运动平面平行的平面为投影面，用规定的线条和符号绘图。4）选择一个恰当的原动件位置，用规定的符号和线条绘制成简图（从原动件开始画）。上一页返回任务三常用机构自由度计算一、平面运动构件的自由度由若干构件组成的机构，构件之间需要用某种方式连接起来，以便得到不同形式的相对运动。为了便于进一步分析两构件之间的相对运动关系，引入自由度和约束的概念。如图1－20所示，在ｘＯｙ坐标系中有一个构件Ｓ，当它尚未与其他构件连接之前是自由构件，可以产生3个独立运动，即沿ｘ轴方向的移动、沿ｙ轴方向的移动和绕其上任一点Ａ的转动。这种构件相对于参考系的独立运动称为自由度。很显然，一个做平面运动的自由构件具有3个自由度。下一页返回任务三常用机构自由度计算如将构件Ｓ用钉子从点Ａ钉在墙面上，构件Ｓ就无法独立地沿ｘ或ｙ方向运动，只能绕钉子（点Ａ）转动，其自由度受到限制。对构件某个独立运动的限制作用称为约束，每增加一个约束，构件就减少一个自由度。二、平面机构自由度计算公式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，通常以符号Ｆ表示。如前所述，做平面运动的自由构件有3个自由度，即平面机构的每个活动构件，在未用运动副连接之前都有3个自由度。当两个构件组成运动副之后，它们的相对运动就会受到约束，自由度随之减少。上一页下一页返回任务三常用机构自由度计算不同种类的运动副引入的约束不同，所保留的自由度也不同。在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度，而保留一个自由度；而每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度，保留两个自由度。设某平面机构共有Ｎ个构件，除去1个固定构件机架，则机构中的活动构件数为ｎ＝Ｎ－1。这ｎ个活动构件在未用运动副连接之前共有3ｎ个自由度，当用运动副连接起来组成机构后，机构中的各构件由于约束的关系，自由度数目减少。若机构中低副数为ＰＬ个，高副数为ＰＨ个，则机构中全部运动副引入的约束数为2ＰＬ＋ＰＨ。上一页下一页返回任务三常用机构自由度计算因此，自由度的计算可用活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数，即Ｆ＝3ｎ－2ＰＬ－ＰＨ（1－2）这就是计算平面机构自由度的一般公式。由式（1－2）可知，机构的自由度与组成机构的活动构件数目、运动副的数目及运动副的性质有关。三、机构具有确定运动的条件机构的自由度是指机构相对于机架所具有的独立运动的数目。机构中从动件是不能独立运动的，只有原动件才能独立运动。由前述可知，例1－2、例1－3计算出的机构的自由度数都与原动件的件数相等。上一页下一页返回任务三常用机构自由度计算机构原动件的独立运动都是外界给定的，如给出的原动件数不等于机构的自由度，或者机构的自由度数小于或等于0，将会发生什么情况呢？1）如图1－22所示，其自由度Ｆ＝3×2－2×3＝0，说明各构件间是不能产生相对运动的，它是一个静定桁架。2）如图1－23所示，其自由度Ｆ＝3×3－2×5＝－1，说明构件间是不能产生相对运动的，它是一个超静定桁架。3）如图1－24（ａ）和图1－24（b）所示，其自由度Ｆ＝3×3－2×4＝1；如图1－24（c）所示，其自由度Ｆ＝3×4－2×5＝2。说明图中各构件间是可以产生相对运动的，现将其分为以下几种情况进行讨论。上一页下一页返回任务三常用机构自由度计算①在图1－24（ａ）中，只有活动构件1为原动件，即Ｆ＝原动件数，这说明其是自由度为1的机构，任取某一活动件为原动件，并给定其运动规律，其他从动件的运动也随之确定。②在图1－24（b）中，活动构件1和活动构件3为原动件，即Ｆ＜原动件数。如果要同时满足原动件1和原动件3的给定运动，机构中最弱的构件必将损坏，如构件2被拉断、构件1或构件3折断。③在图1－24（c）中，只有活动构件1为原动件，即Ｆ＞原动件数。当给定原动件1的位置角φ1时，从动件2、3、4的位置不能确定，不具有确定的相对运动。综上所述可知，机构具有确定运动的条件为机构的自由度必须大于零，且原动件的数目Ｗ必须等于自由度数Ｆ，即Ｗ＝Ｆ≥1（1－3）上一页返回任务四平面四杆机构特性分析一、平面四杆机构的类型平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类，前者是平面四杆机构的基本形式，后者是由前者演化而来的。1.铰链四杆机构的基本类型铰链四杆机构是将4个构件以4个转动副（铰链）连接而成的平面机构，如图1－35所示。机构中固定不动的构件4称为机架，与机架4相连的构件1和构件3称为连架杆，连架杆若能绕机架做整周转动则称为曲柄，若只能绕机架在小于360°的范围内做往复摆动则称为摇杆。与机架不相连的构件2称为连杆，连杆连接着两个连架杆。下一页返回任务四平面四杆机构特性分析依据曲柄的数量，铰链四杆机构可分为三种类型，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。（1）曲柄摇杆机构在铰链四杆机构的两连架杆中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则此四杆机构称为曲柄摇杆机构。在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件，则可将曲柄的连续回转运动转变为摇杆的往复摆动；如图1－36所示汽车前窗刮水器机构，当主动曲柄ＡＢ回转时，从动摇杆ＣＤ做往复运动，利用摇杆的延长部分实现刮水动作。综上所述，曲柄摇杆机构的功能是：将转动转换为摆动，或将摆动转换为转动。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析（2）双曲柄机构如图1－37所示，铰链四杆机构中的两连架杆若都是曲柄，则此四杆机构称为双曲柄机构。通常，主动曲柄做匀速转动时，从动曲柄做同向变速转动。当曲柄1做匀速转动时，曲柄3做变速转动，通过构件5使筛子6获得加速度，从而将被筛选的材料分离。在双曲柄机构中，常见的还有正平行四边形机构（又称正平行双曲柄机构）和反平行四边形机构（又称反平行双曲柄机构）。图1－38（ａ）所示为正平行四边形机构，由于两相对构件相互平行，呈平行四边形，因此，两曲柄1与3做同速同向转动，连杆2做平动。如图1－38（b）所示的摄影平台升降机采用正平行四边形机构，摄影机与连杆ＢＣ固结，故做平动，从而可使摄影机始终保持水平方位。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析图1－39（ａ）所示为反平行四边形机构，由于两相对构件相等，但ＡＤ与ＢＣ不平行，因此，曲柄1与3做不同速反向转动。如图1－39（b）所示的车门启闭机构，采用反平行四边形机构，从而保证两扇门能同时开启或关闭。综上所述，双曲柄机构的功能是：将等速转动转换为等速同向、不等速同向、不等速反向等多种转动。（3）双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则此四杆机构称为双摇杆机构。当原动件连架杆ＡＢ摆动时，连架杆ＣＤ也随着摆动，并使连杆ＣＥ上Ｅ点的轨迹近似于水平直线，在该点所吊重物Ｗ做水平移动，从而避免不必要的升降所引起的能量消耗。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等且最短，则构成等腰梯形机构，图1－40所示为其在汽车、轮式拖拉机前轮的转向机构中的应用。综上所述，双摇杆机构的功能是将一种摆动转换为另一种摆动。2.铰链四杆机构类型的判别铰链四杆机构3种基本类型的区别在于连架杆是否为曲柄，故下面先讨论连架杆成为曲柄的条件。图1－41所示为曲柄摇杆机构，其中ＡＢ为曲柄，ＡＤ为机架。设杆1、2、3、4的长度分别为ａ、ｂ、ｃ、ｄ，曲柄ＡＢ能绕转动副Ａ做整周回转运动，即ＡＢ杆应能处于图中以Ａ为圆心、ＡＢ杆长为半径的圆周的任何位置，由ＡＢ杆与ＡＤ杆两次共线时可分别得到△Ｃ′Ｂ′Ｄ和△Ｃ″Ｂ″Ｄ，由三角形边长关系有：上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析ａ＋ｂ≤ｄ＋ｃ（1－5）ｂ＋（ｄ－ａ）≥ｃ即ａ＋ｃ≤ｂ＋ｄ（1－6）ａ＋ｄ≤ｂ＋ｃ（1－7）将上述三式分别两两相加，则得ａ≤ｂ，ａ≤ｃ，ａ≤ｄ（1－8）由式（1－8）可得，ａ杆应为最短杆，从而推出曲柄存在的条件为：1）连架杆和机架中必有一杆为最短杆（简称最短杆条件）；2）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（简称长度和条件），其最短杆为连架杆或机架。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析当以最短杆相邻的杆件为机架时，机构为曲柄摇杆机构，如图1－42（ａ）和图1－42（b）所示；当最短杆为机架时，则为双曲柄机构，如图1－42（c）所示；当以最短杆对边的杆件为机架时，则为双摇杆机构，如图1－42（d）所示。当最长杆与最短杆长度之和大于其余两杆长度之和时，无论取哪一杆件为机架，机构均为双摇杆机构。二、平面四杆机构的基本特性1.急回特性如图1－43所示的曲柄摇杆机构中，在原动件曲柄ＡＢ转动一周的过程中，曲柄ＡＢ与连杆有两次共线位置ＡＢ1和ＡＢ2，这时从动件摇杆ＣＤ分别位于左、右两个极限位置Ｃ1Ｄ和Ｃ2Ｄ，其夹角ψ称为摇杆摆角，即从动件的摆动范围。曲柄的两个对应位置ＡＢ1和ＡＢ2所夹锐角θ称为极位夹角。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析设摇杆从Ｃ1Ｄ到Ｃ2Ｄ的行程为工作行程———该行程克服生产阻力对外做功，从Ｃ2Ｄ到Ｃ1Ｄ的行程为空回行程———该行程只克服运动副中的摩擦力，Ｃ点在工作行程和空回行程的平均速度分别为ｖ1和ｖ2。由于曲柄ＡＢ在两行程中的转角分别为φ1＝180°＋θ和φ2＝180°－θ，所对应的时间ｔ1＞ｔ2，因而ｖ2＞ｖ1。机构空回行程速度大于工作行程速度的特性称为急回特性。它能满足某些机械的工作要求，如牛头刨床和插床，工作行程要求速度慢而均匀，以提高加工质量，空回行程要求速度快以缩短非工作时间，从而提高工作效率。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析急回特性的程度可以用行程速度变化系数Ｋ表示，即：Ｋ＝ｖ2ｖ1＝Ｃ1Ｃ2／ｔ2Ｃ1Ｃ2／ｔ1＝ｔ1ｔ2＝180°＋θ180°－θ（1－9）行程速度变化系数Ｋ的大小表达了机构的急回特性。若Ｋ＞1，表示空回行程速度ｖ2大于工作行程速度ｖ1，机构具有急回特性，θ越大，Ｋ值则越大，机构的急回作用越显著；反之，Ｋ值越小，机构的急回作用越不显著；若极位夹角θ为零，则机构没有急回特性。由式（1－9）得θ＝180°×Ｋ－1Ｋ＋1上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析极位夹角θ是设计四杆机构的重要参数之一。原动件做等速转动、从动件做往复摆动（或移动）的四杆机构，都可以按机构的极位作出其摆角（或行程）和极位夹角。机构急回特性在工程上的应用有三种情况：第一种情况是工作行程要求慢速前进，以利切削、冲压等工作的进行，而回程时为节省空回时间，则要求快速返回，如牛头刨床、插床等就是如此，这是常见的情况；第二种情况是工作行程要求快进慢退，如颚式破碎机等；第三种情况是一些设备在正反行程中均在工作，故无急回要求。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析2.压力角和传动角如图1－44所示的铰链四杆机构中，如果不考虑各个构件的质量、惯性和运动副中的摩擦力，则连杆ＢＣ可视为二力构件，它作用于从动件ＣＤ上的力Ｆ是沿ＢＣ方向的。作用在从动件上的驱动力Ｆ与力作用点绝对速度之间所夹锐角称为压力角，以α表示。力Ｆ可分解为两个相互垂直的分力，即沿Ｃ点速度ｖＣ方向的分力Ｆｔ和沿摇杆ＣＤ方向的分力Ｆｎ，其公式为切向分力Ｆｔ＝Ｆｃｏｓα法向分力Ｆｎ＝Ｆｓｉｎα分力Ｆｔ是推动摇杆ＣＤ运动的有效分力，它能够做功；而分力Ｆｎ对摇杆ＣＤ产生拉力，并在运动副中引起摩擦力，是一个有害分力。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析压力角大小在机构的运动过程中是变化的，其值越小，机构中有效分力越大。所以判断一连杆机构是否具有良好的传力性能，压力角是标志。在实际应用中，为了度量方便，常以连杆与摇杆所夹锐角γ来衡量机构的传力性能。显而易见，γ角即压力角的余角，称为传动角。因为γ＝90°－α，故角γ越大，对机构传动越有利。为保证机构有较好的传力性能，应使机构的最小传动角γｍｉｎ不小于一定的值。通常要求γｍｉｎ≥40°，对高速重载机械则要求γｍｉｎ≥50°。如图1－45所示曲柄摇杆机构中，在主动曲柄与机架共线的位置，都有可能出现γｍｉｎ。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析3.死点如图1－46所示曲柄摇杆机构中，设以摇杆ＣＤ为主动件，则当连杆与从动曲柄共线时（虚线位置），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上的力恰好通过其回转中心，所以出现了不能使构件ＡＢ转动的“顶死”现象，机构的这种位置称为死点。为了使机构能顺利地通过死点而正常运转，必须采取适当的措施，如可采用将两组以上的相同机构组合使用，而使各组机构的死点相互错开排列的方法，也可采用安装飞轮加大惯性的方法，借惯性作用闯过死点等。上一页下一页返回任务四平面四杆机构特性分析另一方面，在工程实践中，也常利用机构的死点来实现特定的工作要求。如图1－47所示的飞机起落架机构，在机轮放下时，杆ＢＣ与ＣＤ成一直线，此时机轮虽然受到很大的力，但由于机构处于死点位置，起落架不会反转（折回），故可使飞机起落和停放更加可靠。上一页返回任务五凸轮机构特点分析一、凸轮机构的分类凸轮机构的种类很多，通常可以从以下几个方面进行分类：（1）按凸轮的形状来分1）盘形凸轮机构。在这种凸轮机构中，凸轮是一个绕定轴转动且具有变曲率半径的盘形构件，如图1－57（ａ）所示。当凸轮定轴回转时，从动件在垂直于凸轮轴线的平面内运动。在图1－11所示的凸轮机构中，当矢径变化的凸轮轮廓与气阀杆的平底接触时，气阀杆产生往复运动；而当以凸轮回转中心为圆心的圆弧段轮廓与气阀杆接触时，气阀杆将静止不动。因此，随着凸轮的连续转动，气阀杆可获得间歇的、有规律的运动。下一页返回任务五凸轮机构特点分析2）移动凸轮机构。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，就演化为移动凸轮机构，如图1－57（b）所示。在移动凸轮机构中，凸轮一般做往复直线运动，大型超市循环电梯台阶的自动上升和下降、印刷机中收纸牙排咬牙的开闭均是通过移动凸轮进行控制的。3）圆柱凸轮机构。在这种凸轮机构中，圆柱凸轮可以看成是将移动凸轮卷在圆柱体上而得到的，如图1－57（c）和图1－57（d）所示。由于凸轮和从动件的运动平面不平行，因而这是一种空间凸轮机构。上一页下一页返回任务五凸轮机构特点分析当圆柱凸轮回转时，凹槽侧面迫使从动件摆动，从而驱使与之相连的刀架运动，至于刀架的运动规律则完全由凹槽的形状决定。（2）按从动件的端部形式分按照从动件端部形式的不同可以分为尖顶从动件、滚子从动件和平底从动件凸轮机构。二、凸轮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一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，其中以凸轮轮廓的最小向径ｒｂ为半径所作的圆称为基圆，ｒｂ为基圆半径，凸轮以等角速度ω1顺时针转动。上一页下一页返回任务五凸轮机构特点分析在图所示位置，尖顶与Ａ点接触，Ａ点是基圆与开始上升的轮廓曲线的交点，此时，从动件的尖顶离凸轮轴最近。凸轮转动时，向径增大，从动件被凸轮轮廓向上推，到达向径最大的Ｂ点时，从动件距凸轮轴心最远，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角θ0称为推程运动角，从动件上升的最大位移ｈ称为行程。当凸轮继续转过θｓ时，由于轮廓ＢＣ段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远处不动，此过程称为远停程，对应的凸轮转角θｓ称为远停程角。当凸轮又继续转过θｈ时，凸轮向径由最大减至ｒｂ，从动件从最远处回到基圆上的Ｄ点，此过程称为回程，对应的凸轮转角θｈ称为回程运动角。上一页下一页返回任务五凸轮机构特点分析当凸轮继续转过θｊ角时，由于轮廓ＤＡ段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴心最近处不动，此过程称为近停程，对应的凸轮转角θｊ称为近停程角。此时，θ0＋θｓ＋θｈ＋θｊ＝2π，凸轮刚好转过一圈，机构完成一个工作循环，从动件则完成一个“升—停—降—停”的运动循环。从动件的位移ｓ与凸轮转角θ的关系可以用从动件的位移线图来表示。由于凸轮一般均做等速旋转，转角与时间成正比，因此横坐标也可以代表时间ｔ。由上述的讨论可知，从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓形状，因此在设计凸轮的轮廓曲线时，必须先确定从动件的运动规律。上一页下一页返回任务五凸轮机构特点分析2.从动件的运动规律从动件在运动过程中，其位移ｓ、速度ｖ、加速度ａ随时间ｔ（或凸轮转角）的变化规律，称为从动件的运动规律。由此可见，从动件的运动规律完全取决于凸轮的轮廓形状。工程中，从动件的运动规律通常是由凸轮的使用要求确定的，因此，根据实际要求的从动件运动规律所设计凸轮的轮廓曲线，完全能实现预期的生产要求。（1）等速运动规律从动件在运动过程中，运动速度为定值（ａ＝0）的运动规律，称为等速运动规律。当凸轮以等角速度ω1转动时，从动件在推程或回程中的速度为常数，其运动线图如图1－60所示。上一页下一页返回任务五凸轮机构特点分析如图1－60所示，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”。因此，采用等速运动规律，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从动件在运动过程的前半程做等加速运动，后半程做等减速运动，两部分加速度的绝对值相等，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。上一页下一页返回任务五凸轮机构特点分析如图1－61所示，在推程的始、末点和前、后半程的交接处，加速度有突变，因而惯性力也产生突变，但它们的大小及突变量均为有限值，由此将对机构造成有限大小的冲击，这种冲击称为“柔性冲击”。在高速情况下，柔性冲击仍会引起相当严重的振动、噪声和磨损，因此这种运动规律只适用于中速、中载的场合。（3）简谐运动规律从动件的加速度按余弦规律变化的运动规律称为简谐运动规律。加速度的曲线为半个周期的余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线。如图1－62所示，在起始和终止处，理论上ａ为有限值，产生柔性冲击，适用于中速、中载的场合。上一页返回任务六间歇运动机构特点分析一、棘轮机构1.棘轮机构的组成及工作原理如图1－66所示，棘轮机构是由棘轮、棘爪、摇杆和机架所组成的。当主动曲柄连续转动时，摇杆3做往复摆动。当摇杆逆时针摆动时，驱动棘爪2嵌入棘轮1的齿槽内，推动棘轮沿逆时针方向转过一个角度；当摇杆顺时针摆动时，驱动棘爪2在棘轮的齿背上滑过，所以此时棘轮静止不动。在机架上安装止动棘爪可防止棘轮逆转。驱动棘爪和止动棘爪均利用弹簧5使其余棘轮保持可靠接触。2.棘轮机构的分类按照结构特点分，常用的棘轮机构有以下两大类。下一页返回任务六间歇运动机构特点分析（1）齿式棘轮机构齿式棘轮机构有内啮合的单动式棘轮机构，它的特点是摇杆向一个方向摆动时，棘轮沿同方向转过某一角度，而摇杆反向摆动时，棘轮静止不动；还有双动式棘轮机构，当摇杆往复摆动时，可使棘轮沿单一方向转动。此外，还有可变向棘轮机构、可调转角式棘轮机构等。可调转角式棘轮机构在棘轮上加一遮板，可遮挡部分棘齿，这样，当摇杆逆时针摆动时，棘爪先在遮板上滑过，然后才嵌入棘轮的齿槽中推动其运动，起到调节棘轮转角大小的作用。上一页下一页返回任务六间歇运动机构特点分析（2）摩擦式棘轮机构图1－71所示为摩擦式棘轮机构，它的工作原理与齿式棘轮机构相同，只不过是用偏心扇形块代替了棘爪、用摩擦轮代替了棘轮。当摇杆1逆时针方向摆动时，扇形块2楔紧摩擦轮3，二者成为一体，使摩擦轮3也一同逆时针方向转动，这时止回扇形块4打滑；当摇杆1顺时针方向转动时，扇形块2在摩擦轮3上打滑，这时止回扇形块4楔紧，以防止摩擦轮3倒转。这样当摇杆1做连续反复摆动时，摩擦轮3便得到单向的间歇运动。常用的摩擦式棘轮机构如图1－72所示，当星轮1顺时针方向转动