荆职院机械设计基础课件03常用机构

平面机构：空间机构：

各构件的相对运动平面互相平行（常用的机构大多数为平面机构）。至少有两个构件能在三维空间中相对运动。本章主要介绍四种常用机构：平面连杆机构、凸轮机构、间歇机构和螺旋机构。第三章常用机构机构结构分析的目的

1、探讨机构具有确定运动的条件2、机构的分类3、画机构的运动简图§３.１．１平面机构的概述机构是由构件组成的。一、运动副：构件间的可动联接。（既保持直接接触，又能产生一定的相对运动）高副：点、线接触低副：面接触自由度：约束：对独立运动的限制低副：2个约束，1个自由度高副：1个约束，2个自由度低副：①转动副：②移动副：两个构件间只能作相对旋转运动的运动副；两个构件间只能作相对移动运动的运动副。高副：①齿轮副；②凸轮副。运动副元素构件含有独立运动的数目二、运动链、机构1、运动链：两个以上构件通过运动副联接而成的系统闭链开链①平面运动链；②空间运动链2、机构（从运动链角度）：（1）对一个运动链（2）选一构件为机架（3）确定原动件（一个或数个）（4）原动件运动时，从动件有确定的运动。§３．１．２平面机构运动简图一、定义：二、绘制：1、运动副的符号转动副：移动副：用规定的符号和线条按一定的比例表示构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构特征的简图。齿轮副：凸轮副：2、构件（杆）：3、机构运动简图的绘制（模型，鄂式破碎机）1）分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；2）确定所有运动副的类型和数目；3）选择合理的位置（即能充分反映机构的特性）；4）确定比例尺；5）用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画)）§３．１．３平面机构的自由度二、机构具有确定运动的条件

（原动件数>F，机构破坏）

原动件数=机构自由度

机构的自由度：机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。

一、计算机构自由度（设n个活动构件，PL个低副，PH个高副）原动件数<机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）

铰链五杆机构构件间没有相对运动机构→刚性桁架

（多一个约束）超静定桁架荆州职业技术学院F≤0，构件间无相对运动，不成为机构。F>0,原动件数=F，运动确定原动件数<F，运动不确定原动件数>F，机构破坏三、计算F时注意问题

（1）复合铰链mm-1（2）局部自由度（与输出件运动无关的自由度称局部自由度）（3）虚约束：在特殊的几何条件下，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称为虚约束。

平面机构的虚约束常出现于下列情况：（1）不同构件上两点间的距离保持恒定……（2）两构件构成多个移动副且导路互相平行（3）两构件构成多个转动副且轴线互相重合……（4）在输入件与输出件之间用多组完全相同的运动链来传递运动例：计算自由度（先看有无注意事项，复合铰链……，再看有几个构件）

平面连杆机构主讲蹇永良副教授一、平面连杆机构：的平面机构，也称平面低副机构。二、平面连杆机构的特点：1、能实现多种运动形式。如：转动，摆动移动等平面运动2、运动副为低副：面接触：圆柱面和平面①承载能力大；②便于润滑。寿命长几何形状简单——便于加工，成本低。平面连杆机构的特点用低副连接而成③只用于速度较低的场合。3、缺点：①只能近似实现给定的运动规律；②设计复杂；所有运动副均为转动副的平面四杆机构一、铰链四杆机构：3.2.1平面四杆机构的基本型式4—机架1，3—连架杆→定轴转动2—连杆→平面运动整转副：二构件相对运动为整周转动。摆动副：二构件相对运动不为整周转动。曲柄：作整周转动的连架杆摇杆：非整周转动的连架杆铰链四杆机构基本形式曲柄摇杆双曲柄双摇杆1、曲柄摇杆机构实例：汽车雨刮器缝纫机搅拌机2、双曲柄机构惯性筛机车车轮的联动机构公汽车门平行四边形机构3、双摇杆机构实例鹤式起重机飞机起落架一、平面四杆机构有曲柄的条件

（若1和4能绕A整周相对转动，则存在两个特殊位置）即曲柄与机架共线（拉直和重叠）3.2.3铰链四杆机构的类型判断根据三角形两边之和大于第三边可知：a+d≤b+c(1)b<c+d-a即a+b≤c+d(2)c<b+d-a即a+c≤b+d(3)(1)+(2)得2a+b+d≤2c+b+d即a≤c(1)+(3)得a≤b(2)+(3)得a≤d可见上图中曲柄为最短杆（1）最短构件与最长构件的长度之和小于等于其它两构件长度之和。（杆长之和的条件）（2）曲柄或其相邻杆为机架。由此可见：铰链四杆机构存在曲柄的条件（整转副存在的条件）：铰链四杆机构分为两大类：（1）最短构件与最长构件的长度之和大于其他两构件长度之和，所有运动副均为摆动副，均为双摇杆机构。（2）最短构件与最长构件的长度之和小于等于其他两构件长度之和，最短构件上两个转动副均为整转副。取最短构件为机架——双曲柄机构取最短构件任一相邻构件为机架——曲柄摇杆机构取最短构件对面的构件为机架——双摇杆机构铰链四杆机构判定举例偏心轮机构1、扩大转动副3.2.2铰链四杆机构的演化2、转动副转化成移动副：

曲柄滑块机构（偏距e）e≠0，偏置曲柄滑块机构e=0，对心曲柄滑块机构对心曲柄滑块动画偏置曲柄滑块动画3、变换机架

构件3为机架——移动导杆铰链四杆机构：（幻6）构件4为机架，——曲柄摇杆构件1为机架，——双曲柄构件2为机架，——曲柄摇杆构件3为机架，——双摇杆曲柄滑块机构：构件4为机架——曲柄滑块构件1为机架——转动导杆构件2为机架——曲柄摇块曲柄滑块机构的种演化曲柄滑块转动导杆移动导杆曲柄摇块曲柄滑块机构：

摆动导杆机构：

曲柄滑块机构摆动导杆机构曲柄滑块机构有曲柄的条件：

AC1E：b-a>e△

AC2E：a+b>e即有曲柄的条件:b>a+ee=0,b>a

四、设计方法：

1、图解法，2、解析法，3、图谱法，4实验法选型：运动尺寸设计：确定连杆机构的结构组成：构件数目，运动副类型、数目。确定机构运动简图的参数：①转动副中心之间的距离；②移动副位置尺寸1、实现构件给定位置2、实现已知运动规律3、实现已知运动轨迹三、平面连杆机构设计的基本问题4、压力角的计算

1、压力角α从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。2、传动角γ，P与Pn夹角，（经常用γ衡量机构的传动质量）3、许用压力角一般：二、压力角和传动角原动件作匀速转动，从动件作往复运动的机构，从动件正行程和反行程的平均速度不相等。1、机构的急回运动特性：2、行程速度变化系数三、行程速度变化系数从动件慢行程快行程∴极位夹角θ（<C2AC1）（其值与构件尺寸有关，可能<90°，>90°）

四、死点位置：

1、机构停在死点位置，不能起动。运转时，靠惯性冲过死点。2、利用死点实例飞机起落架4、按K设计四杆机构已知：曲柄摇杆机构，摇杆CD长度，摆角，K

设计此机构（确定曲柄和连杆长）

3、按两连架杆的两组对应角位移分别为，和，知B1，B2，B3设计铰链四杆机构。（确定C）

2、已知A，D，连杆的三个位置，设计铰链四杆机构。1、已知B，C及连杆的三个位置，设计该铰链四杆机构。若知2个位置，无穷解。二、平面四杆机构的图解法设计一、设计原理：相对运动原理（转换机架法）3.2.4平面四杆机构的设计3.3凸轮机构及其设计

①盘形凸轮机构——平面凸轮机构②移动凸轮机构——平面凸轮机构③圆柱凸轮机构——空间凸轮机构一、应用：二、组成：凸轮——一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成。通常凸轮为原动件，作连续等速转动,从动件按预定规律作往复移动或摆动。三、分类：1、按凸轮的形状：当从动件的位移、速度、加速度必须严格按照预定规律变化时，常用凸轮机构。3.3.1凸轮机构的应用和分类常见凸轮动画尖顶移动尖顶摆动五、材料2、按从动件的型式：①尖底从动件：用于低速；②滚子从动件：应用最普遍；③平底从动件：用于高速。3、按锁合的方式：力锁合（重力、弹簧力）、几何锁合四、特点优点：1、结构简单、紧凑；2、设计较方便。3、易磨损缺点：1、承载能力低，主要用于控制机构；2、凸轮轮廓加工困难。1、要求材料表面硬度高、耐磨、有足够的表面接触强度2、常用材料热处理如表3.2滚子从动件移动滚子从动件摆动平底移动平底摆动2、偏距e：偏距圆一、几个概念尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构1、基圆：凸轮轮廓上最小矢径为半径的圆3.3.2常用从动件的运动规律推程运动角：φ=BOB′=∠AOB1运休止角：φS=∠BOC=∠B1OC1回程运动角：φ′=∠C1OD近休止角：φS′=∠AOD从动件位移线图：从动件速度线图，加速度线图二、分析从动件的运动行程：h(最大位移)上升——停——降——停三、常用从动件运动规律刚性冲击：由于加速度发生无穷大突度而引起的冲击称为刚性冲击。1、匀速运动规律（推程段）2、等加速等减速运动规律柔性冲击：加速度发生有限值的突变

（适用于中速场合）

3、加速度按余弦运动规律变化运动特征：若为零，无冲击，若不为零，有冲击

4、加速度按正弦运动规律变化（了解）

运动特征：没有冲击

5、组合运动规律为了获得更好的运动特征，可以把上述几种运动规律组合起来应用，组合时，两条曲线在拼接处必须保持连续。设计方法：作图法，解析法已知转向。作图法设计凸轮轮廓一、直动从动件盘形凸轮机构反转法

3.3.3凸轮轮廓的设计1、尖底直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓设计：已知转向（3）在理论轮廓上画出一系列滚子，画出滚子的内包络线——实际轮廓曲线。设计滚子从动件凸轮机构时，凸轮的基圆半径是指理论轮廓曲线的基圆半径。2、滚子从动件（1）去掉滚子，以滚子中心为尖底。（2）按照上述方法作出轮廓曲线——理论轮廓曲线摆动从动件：[α]=40°~50°直动从动件：[α]=30°~38°一、凸轮机构的压力角和自锁压力角：接触点法线与从动件上作用点速度方向所夹的锐角。从提高效率来看，压力角越小越好。自锁：当F2>F1时，无论F多大，从动件不能运动。极限压力角→l2，l1，f，润滑3.3.4凸轮机构设计中的几个问题压力角α与基圆半径成反比，当压力角α愈小时，基圆半径r0就愈大，凸轮尺寸随着增大。二、按许用压力角确定凸轮回转中心位置和基圆半径1、一般凸轮机构中最大压力角可能出现在下列位置：从动件的起点位置；从动件具有最大速度的位置；凸轮轮廓线向径变化最大的位置。若超过许用压力角值，通常采用的方法是增大凸轮基圆半径以使αmax减小。2、基圆半径的确定：据压力角αmax≤[α]求出凸轮许用的最小基圆半径[r0]，再按结构条件取基圆半径r0≤[r0]。四、滚子半径的选择滚子半径rT必须小于理论轮廓曲线外凸部分的最曲率半径ρmin，设计时，

3.4间歇运动机构

§3.4.1棘轮机构

一、棘轮机构的工作原理

摆杆1左右摆动，当摆杆左摆时，棘爪4插入棘轮3的齿内推动棘轮转过某一角度。

当摆杆右摆时，棘爪4滑过棘轮3，而棘轮静止不动，往复循环。制动爪5——防止棘轮反转

这种有齿的棘轮其进程的变化最少是1个齿距，且工作时有响声。

二、棘轮机构的其它类型

1．摩擦棘轮（无声棘轮）

外套筒1、内套筒3之间装有受压缩弹簧作用的滚子2。

当外套筒顺时针转动，滚子楔紧，内套筒转动。

当外套筒逆时针转动，滚子松开，内套筒不动。

由于摩擦传动会出现打滑现象，不适于从动件转角要求精确的地方。

2．双向棘轮

棘轮齿做成方形；棘爪与棘轮齿接触的一面也做成方形（传动）

棘爪的另一面则为曲线（以便摆回来时滑过轮齿）

三、棘轮机构的特点及应用

有齿的棘轮机构运动可靠，从动棘轮容易实现有级调节，但是有噪声、冲击，轮齿易摩损，高速时尤其严重，常用于低速、轻载的间歇传动。

起重机、绞盘常用棘轮机构使提升的重物能停在任何位置，以防止由于停电等原因造成事故。

§3.4.2槽轮机构

一、组成、工作原理

1．组成：具有径向槽的槽轮，具有圆销的构件，机架

2．工作原理：

构件1→连续转动；构件2（槽轮）→时而转动，时而静止

当构件1的圆销A尚未进入槽轮的径向槽时，槽轮的内凹锁住弧被构件1的外凸圆弧卡住，槽轮静止不动。

当构件1的圆销A开始进入槽轮径向槽的位置，锁住弧被松开，圆销驱使槽轮传动。

当圆销开始脱出径向槽时，槽轮的另一内凹锁住弧又被构件1的外凸圆弧卡住，槽轮静止不动。

往复循环

4个槽的槽轮机构：构件1转一周，槽轮转1/4周。

6个槽的槽轮机构：构件1转一周，槽轮