莱职院机械设计基础教案

绪论【基本要求】1.明确机械系统方案设计课程的研究对象和内容，以及学习本课程的目的。2.了解机械系统方案设计在培养机械类高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用。3.了解机械系统方案设计学科的发展趋势。【重点难点】机器的组成及特征【教具】单缸内燃机挂图0.1机器的组成及特征

一、机器的组成及特征在人们的生产和生活中广泛使用着各种机器。机器的种类繁多，结构形式和用途也各不相同，但总的来说，机器有三个共同的特征：（1）都是一种人为的实物组合；（2）各部分形成运动单元，各单元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。例如内燃机内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器，其工作过程如下：活塞下行，进气阀打开，燃气被吸入气缸活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后燃气燃烧膨胀，推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转动活塞上行，排气阀打开，排出废气。通过各部分的协同配合动作，内燃机便能把燃气燃烧时的热能转化为曲柄转动的机械能。内燃机等机器结构较复杂，如何分析和设计这类复杂的机器呢？我们可以采取“化整为零”的思想，即首先将机器分成几个部分，对其局部进行分析。下面以内燃机为例进行说明。内燃机看似复杂，其实也是由几种基本机构组成的。（1）内燃机的输出运动由活塞、连杆和曲轴等完成（2）进气阀和排气阀的开启和关闭由凸轮和顶杆实现（3）内燃机的进气阀、排气阀和活塞之间一定规律的动作由一组齿轮来实现上述三种机件的组合体在输入运动给定后都有确定的运动，我们将它们称之为机构，即机构是传递运动和动力的实物组合体。最常见的机构有连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构、开式链机构等。它们的共同特征是：（1）人为的实物（机件）的组合体。（2）组成它们的各部分之间都具有确定的相对运动。可以看出，机构具有机器的前两个特征。机器是由各种机构组成的，它可以完成能量的转换或做有用的机械功；而机构则仅仅起着运动传递和运动形式转换的作用。在开发设计新型机器时，我们采用“积零为整”的设计思想，根据机器要完成的工艺动作和工作性能，选择已有机构或创新设计新机构，构造新型机器。内燃机就是由曲柄滑块机构(由活塞、连杆、曲轴和机架组成)、凸轮机构(由凸轮、顶杆和机架组成)和齿轮机构等组成。以下是一些常用的典型机构: 连杆机构凸轮机构齿轮机构 间歇运动机构螺旋机构开式链机构二、机械机器和机构统称为机械。现代机械系统一般由四部分组成：（1）原动部分机械动力的来源。（2）执行部分处于整个传动路线的终端，完成机

械预期的动作。（3）传动部分介于原动机和执行部分之间，把原动机的运动和动力传递给执行部分。（4）控制部分控制机械的其它基本部分，使操作者能随时实现或终止各种预定的功能。随着科学技术的发展，机械概念得到了进一步的扩展：1．某些情况下，机件不再是刚体，气体、液体等也可参与实现预期的机械运动。我们将利用液、气、声、光、电、磁等工作原理的机构统称为广义机构。由于利用了一些新的工作介质和工作原理，较传统机构更能方便地实现运动和动力的转换，并能实现某些传统机构难以完成的复杂运动。

利用液体、气体作为工作介质，实现能量传递和运动转换的机构，分别称为液压机构和气动机构，它们广泛应用于矿山、冶金、建筑、交通运输和轻工等行业。利用光电、电磁物理效应，实现能量传递或运动转换或实现动作的一类机构，应用也十分广泛。例如，采用继电器机构实现电路的闭合与断开；电话机采用磁开关机构，提起受话器时，接通线路进行通话，当受话器放到原位时断路。液压工作台送进机构气动增力机构2．机器内部包含了大量的控制系统和信息处理、传递系统。数控冲床利用计算机进行信息处理和控制高级CNC控制器，用以控制冲床各部分的运动3．机器不仅能代替人的体力劳动，还可代替人的脑力劳动。除了工业生产中广泛使用的工业机器人，还有应用在航空航天、水下作业、清洁、医疗以及家庭服务等领域的"服务型"机器人。例如Sony公司新近推出的SDR-3X娱乐机器人。SDR-3X娱乐机器人每分钟可以步行15米，可按照音乐的节拍翩翩起舞,可以进行较高速度的“自律”运动。另外,还配备了声音识别和图像识别功能。SDR-3X可以表演“边做体操边快速行走”、“按照音乐节拍的舞蹈”、“按照命令把指定的球踢进球门”等复杂动作0.2本课程的内容、性质和任务

本课程研究的对象为机械中的常用机构及一般工作条件下和常用参数范围内的通用零、部件，研究其工作原理、结构特点、运动和动力性能、基本设计理论、计算方法以及一些零部件的选用和维护。本课程的任务为：（1）了解常用机构及通用零、部件的工作原理、类型、特点及应用等基本知识。（2）掌握常用机构的基本理论和设计方法，掌握通用零、部件的失效形式、设计准则与设计方法。（3）具备机械设计实验技能和设计简单机械及传动装置的基本技能。0.3学习方法本课程是从理论性、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。因此，学习本课程时必须在学习方法上有所转变。1.本课程将多门先修课程的基本理论应用到实际中去，解决有关实际问题。2.一接触本课程就会产生“没有系统性”、“逻辑性差”等错觉，这是由于习惯了基础课的系统性所造成的。本课程中，虽然不同研究对象所涉及到的理论基础不相同，且相互之间无多大关系，但最终的研究目的只有一个，即设计出能应用的机构、零件等。3.由于实践中所发生的问题很复杂，很难用纯理论的方法来解决，因此常常采用很多经验公式、参数及其简化计算等，这样往往会给学生造成“不讲道理”、“没有理论”等错觉，要逐步适应。【思考题】1.何谓机器，何谓机构？它们有什么区别与联系？2.参照内燃机的机构分析，试对机械手进行分解，说明它是由哪些机构组成的。【学习指导】掌握机器与机构的概念，以及它们的区别与联系，明确机器和机构是本课程研究的主要对象

第一章机械设计概论【基本要求】1．掌握机械设计的基本要求、类型及一般过程。2．掌握机械零部件设计计算准则、失效形式、标准化及材料选用。3．了解现代机器的特征及其设计思想和方法。【重点难点】机械设计的基本要求、类型及一般过程【教具】挂图【教学内容】1.1机械设计的基本要求1.2机械设计的内容与步骤1.3机械零件的失效形式及设计计算准则1.1机械设计的基本要求1.1.1设计机械零件的基本要求零件工作可靠并且成本低廉是设计机械零件应满足的基本要求。

零件的工作能力是指零件在一定的工作条件下抵抗可能出现的失效的能力，对载荷而言称为承载能力。失效是指零件由于某些原因不能正常工作。只有每个零件都能可靠地工作，才能保证机器的正常运行。设计机械零件还必须坚持经济观点，力求综合经济效益高。为此要注意以下几点：(1)合理选择材料，降低材料费用；(2)保证良好的工艺性，减少制造费用；(3)尽量采用标准化、通用化设计，简化设计过程从而降低成本。1.1.2机械设计的基本要求机械产品设计应满足以下几方面的基本要求。

1.实现预定功能

2.满足可靠性要求

3.满足经济性要求

4.操作方便、工作安全

5.造型美观、减少污染1.2机械设计的内容与步骤随着科学技术的发展，设计方法也在不断地发展。近年来发展起来的“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元设计”、“模块设计”、“计算机辅助设计”等现代设计方法已在机械设计中得到了推广与应用。但常规设计方法仍然是工程技术人员进行机械设计的重要基础。我们学习的是常规设计方法。【思考题】1.机械设的过程通常分为那几个阶段？各阶段的主要内容是什么？2.常见的失效形式有哪几种？3.标准化的重要意义是什么？

第2章摩擦、磨损及润滑概述（一）基本要求1．熟练掌握摩擦的种类。2．熟悉磨损的过程，会分析磨损的原因。3．掌握润滑和密封。（二）教学的重点与难点重点：磨损的过程，会分析磨损的原因难点：润滑和密封教具挂图（四）教学内容2.1摩擦与磨损

2.2润滑

2.3密封随着现代科学技术的发展，对摩擦、磨损的研究已经形成一门新的学科领域——摩擦学。为了节约能源、提高效率及延长机械零件的寿命，润滑是必不可少的。本章对摩擦、磨损作简要的介绍，重点将介绍润滑方式、润滑装置和密封装置。了解并掌握这方面的知识有利于正确地设计、使用和维护机器。2.1摩擦与磨损各类机器在工作时，其各零件相对运动的接触部分都存在着摩擦，摩擦是机器运转过程中不可避免的物理现象。摩擦不仅消耗能量，而且使零件发生磨损，甚至导致零件失效。据统计，世界上1／3—1／2的能源消耗在摩擦上，而各种机械零件因磨损失效的也占全部失效零件的一半以上。磨损是摩擦的结果，润滑则是减少摩擦和磨损的有力措施，这三者是相互联系不可分割的。

2.1.1摩擦及其分类

在外力作用下，一物体相对于另一物体运动或有运动趋势时，两物体接触面间产生的阻碍物体运动的切向阻力称为摩擦力。这种在两物体接触区产生阻碍运动井消耗能量的现象，称为摩擦。摩擦会造成能量损耗和零件磨损，在一般情况下是有害的，因此应尽量减少摩擦。但有些情况下却要利用摩擦工作，如带传动，摩擦制动器等。

根据摩擦副表面问的润滑状态将摩擦状态分为四种：干摩擦、液体摩擦、边界摩擦和混合摩擦(如图所示)。1.干摩擦如果两物体的滑动表面为尤任何润滑剂或保护膜的纯金属，这两个物体直接接触时的摩擦称为干摩擦，如图所示。干摩擦状态产生较大的摩擦功耗及严重的磨损，因此应严禁出现这种摩擦。

2.液体摩擦两摩擦表面不直接接触，被油膜(油膜厚度一般在1.5——2μm以上)隔开的摩擦称为液体摩擦，如图所示。

3.边界摩擦两摩擦表面被吸附在表面的边界膜(油膜厚度小于1μm)隔开，使其处于干摩擦与液体摩擦之间的状态，这种摩擦称为边界摩擦，如图所示。

4.混合摩擦在实践中有很多摩擦副处于干摩擦、液体摩擦与边界摩擦的混合状态，称为混合摩擦，如图所示。由于液体摩擦、边界摩擦、混合摩擦都必须在一定的润滑条件下才能实现，因此这三种摩擦又分别称为液体润滑、边界润滑和混合润滑。

2.1.2磨损及其过程运动副之间的摩擦将导致零件表面材料的逐渐损失，这种现象称为磨损。单位时间内材料的磨损量称为磨损率。磨损量可以用体积、质量或厚度来衡量。

机械零件严重磨损后，将降低机器的工作效率和可靠性，使机器提早报废。因此，预先考虑如何避免或减轻磨损，是设计、使用、维护机器的一项重要内容。但另一方面，磨损也并非全都是有害的，工程上常利用磨损的原理来减小零件表面的粗糙度，如磨削、研磨、抛光、跑合等。在机械的正常运转中，磨损过程大致可分为以下三个阶段。

1.跑合(磨合)磨损阶段这一阶段中，磨损速度由快变慢，而后逐渐减小到一稳定值。这是由于新加工的零件表面呈尖峰状态，使运转初期摩擦副的实际接触面积较小，单位接触面积上的压力较大，因而磨损速度较快，如图中磨损曲线的oa段。

跑合磨损到一定程度后，尖峰逐渐被磨平，磨损速度即逐渐减慢。

2.稳定磨损阶段在这一阶段中磨损缓慢、磨损率稳定，零件以平稳而缓慢的磨损速度进入零件正常工作阶段，如图中的ab段。这个阶段的长短即代表零件使用寿命的长短，磨损曲线的斜率即为磨损率，斜率愈小磨损率就愈低，零件的使用寿命就愈长。经此磨损阶段后零件进入剧烈磨损阶段。

3.剧烈磨损阶段此阶段的特征是磨损速度及磨损率都急剧增大。当工作表面的总磨损量超过机械正常运转要求的某一允许值后，摩擦副的间隙增大，零件的磨损加剧，精度下降，润滑状态恶化，温度升高，从而产生振动、冲击和噪声，导致零件迅速失效，如图中的bc段。上述磨损过程中的三个阶段，是一般机械设备运转过程中都存在的。必须指出的是，在跑

合阶段结束后应清洗零件，更换润滑油，这样才能正常地进入稳定磨损阶段。

2．1．3磨损分类按照磨损的机理以及零件表面磨损状态的不同，一般工况下把磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等。

1.磨粒磨损由于摩擦表面上的硬质突出物或从外部进入摩擦表面的硬质颗粒，对摩擦表面起到切削或刮擦作用，从而引起表层材料脱落的现象，称为磨粒磨损。这种磨损是最常见的一种磨损形式，应设法减轻这种磨损。为减轻磨粒磨损，除注童满足润滑条件外，还应合理地选择摩擦副的材料，降低表面粗糙度值以及加装防护密封装置等。

2.粘着磨损当摩擦副受到较大正压力作用时，由于表面不平，其顶峰接触点受到高压力作用而产生弹、塑性变形，附在摩擦表面的吸附膜破裂、温升后使金屑的顶峰塑性面牢固地粘着并熔焊在一起，形成冷焊结点。在两摩擦表面相对滑动时，材料便从一个表面转移到另一个表面，成为表面凸起，促使摩擦表面进一步磨损。这种由于粘着作用引起的磨损，称为粘着磨损。粘着磨损按程度不同可分为五级：轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱、咬死。如气缸套与活塞环、曲轴与轴瓦、轮齿啮合表面等，皆可能出现不同粘着程度的磨损。涂抹、擦伤、撕脱又称为胶合，往往发生于高速、重载的场合。合理地选择配对材料(如选择异种金属)，采用表面处理(如表面热处理、喷镀、化学处理等)，限制摩擦表面的温度，控制压强及采用含有油性极压添加剂的润滑剂等，都可减轻粘

着磨损。

3．疲劳磨损(点蚀)两摩擦表面为点或线接触时，由于局部的弹性变形形成了小的接触区。这些小的接触区形成的摩擦副如果受变化接触应力的作用，则在其反复作用下，表层将产生裂纹。随着裂纹的扩展与相互连接．表层金属脱落，形成许多月牙形的浅坑．这种现象称为疲劳磨损，也称点蚀。

合理地选择材料及材料的硬度(硬度高则抗疲劳磨损能力强)，选择粘度高的润滑油，加入极压添加剂及减小摩擦面的粗糙度值等，可以提高抗疲劳磨损的能力。

4．腐蚀磨损在摩擦过程中，摩擦面与周围介质发生化学或电化学反应而产生物质损失的现象，称为腐蚀磨损。腐蚀磨损可分为氧化磨损、特殊介质腐蚀磨损、气蚀磨损等。腐蚀也可以在没有摩擦的条件下形成，这种情况常发生于钢铁类零件，如化工管道、泵类零件、柴油机缸套等。应该指出的是，实际上大多数磨损是以上述四种磨损形式的复合形式出现的。2.2润滑在摩擦副间加入润滑剂，以降低摩擦、减轻磨损，这种措施称为润滑。润滑的主要作用是：（1）减小摩擦系数，提高机械效率；（1）减轻磨损，延长机械的使用寿命。同时润滑还可起到冷却、防尘以及吸振等作用。

2.2.1润滑剂的性能与选择

常用的润滑剂除了润滑油和润滑脂外，还有固体润滑剂（如石墨等）、气体润滑剂(如空气等)。

1.润滑油润滑油是目前使用最多的润滑剂，主要有矿物油、合成油、动植物油等，其中应用最广的为矿物油。润滑油最重要的一项物理性能指标为粘度，它是选择润滑油的主要依据。粘度的大小表示了液体流动时其内摩擦阻力的大小，粘度愈大，内摩擦阻力就愈大，液体的流动性就愈差。粘度可用动力粘度、运动粘度、条件粘度(恩氏粘度)等表常用润滑油的性能和用途见表。

2.润滑脂润滑脂是在润滑油中加人稠化剂(如钙，钠。锂等金属皂基)而形成的脂状润滑剂．又称

为黄油或干油。

2.2.2润滑方法和润滑装置机械设备的润滑，主要集中在传动件和支承件上。各种零、部件的润滑将在相关各章节中介绍。2.3密封装置为了使润滑持续、可靠、不漏油，同时为了防止外界脏物进入机体，必须采用相应的密封装置。密封装置从总体上可分为两大类：一类是固定密封，即密封后密封件之间固定不动；另一类是动密封，即密封后两密封件之间有相对运动。固定密封可采用各种垫片，包括金属、非金属垫片以及密封胶等。动密封又分为接触式、非接触式、半接触式密封，其中应用较广的是接触式密封，它主要是利用各种密封圈或毡圈密封。各种密封件都已标准化，可查阅手册选取适当的形式。非接触式密封有迷宫式密封、螺旋式密封(将在该动轴承的密封中论述等，半接触式密封有活塞环密封、机械密封等，其结构较复杂，主要用于重要部件的密封。滚动轴承的密封

在一般常用的机械中，用得较多的密封装置是密封圈和填料。密封圈有各种型式，有带骨架的和不带骨架的，有普通型和双口型等，应根据使用条件查阅手册进行选择。密封圈也可作防尘密封件使用，但粉尘严重时，应使用专门的防尘密封圈。采用脂润滑时，可使用毡圈密封。

第3章平面机构的结构分析（一）基本要求:1、熟练掌握机构运动简图的绘制方法。能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。2、掌握运动链成为机构的条件。3、熟练掌握机构自由度的计算方法。能自如地运用自由度计算公式计算机构自由度，尤其是平面机构的自由度。4、能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束，并作出正确处理。（二）教学的重点与难点:机构运动简图的绘制、机构自由度的计算、判断运动链能否成为机构和机构的组成原理是本章学习的重点。前面两个重点又是学习中的难点和必须正确熟练掌握的内容。（三）教具挂图（四）教学内容3.1机构的组成3.2平面机构的运动简图3.3平面机构的自由度3.1机构的组成3.1.1运动副所有构件都在同一平面内或平行平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。由于机械中常见的机构多为平面机构，故本章仅讨论平面机构。使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接，称为运动副。轴承中的滚动体与内、外圈的滚道、啮合中的一对齿廓、滑块与导槽，均保持直接接触，并能产生一定的相对运动，因而它们都构成了运动副。运动副：两构件直接接触所形成的可动联接。运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。轴与轴承间构成运动副，轴的外圆 凸轮与滚子间构成运动副，凸轮柱面与轴承内孔为运动副元素。 与滚子接触部分为运动副元素。3.1.2自由度和运动副约束

一个作平面运动的构件有3个独立运动的参数：沿轴x、轴y和绕垂直于xoy平面的轴的转动。这个自由构件有三个独立运动的可能性。构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。所以一个作平面运动的自由构件有三个自由度。但当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自由构件。两相互接触的构件间只能作一定的相对运动，自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为约束。运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。运动副的类型一、按运动副的接触形式分：低副：构件与构件之间为面接触，其接触部分的压强较低。高副：构件与构件之间为点、线接触，其接触部分的压强较高。（一）低副两构件通过面接触而构成的运动副称为低副。根据两构件间的相对运动形式，低副又可分为转动副和移动副。1.转动副

两构件只能组成在一个平面内作相对转动的运动副称为转动副（或铰链），如下图片。2.移动副两构件只能沿某一方向线作相对移动的运动副称为移动副。3.高副

两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。如图所示，凸轮与从动杆及两齿轮分别在其接触处组成高副。低副接触 高副接触二、按相对运动的形式分：

平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动。

空间运动副：两构件之间的相对运动为空间运动。平面运动副 空间运动副三、按接触部分的几何形状分圆柱副 球面副 球面与圆柱副 螺旋副 圆柱与平面副【表1.1运动副所属类型、代号及表示符号】名称代号运动副类型图基本符号自由度引入约束转动移动球与平面副空间1级高副01圆柱与平面副空间2级高副11球与圆柱副空间2级高副02球面副S空间3级低副03平面与平面副E平面3级低副21球销副S'空间4级低副13圆柱副C空间4级低副22平面高副平面4级高副22螺旋副H空间5级低副2或33或2移动副P平面5级低副32转动副R平面5级低副233.1.3运动链和机构两个以上的构件以运动副联接而构成的系统称为运动链。未构成首末相连的封闭环的运动链称为开链，否则称为闭链。在运动链中选取一个构件固定（称为机架），当另一构件（或少数几个构件）按给定的规律独立运动时，其余构件也随之作一定的运动，这种运动链就成为机构。机构中输入运动的构件称为主动件，其余的可动构件称为从动件。由此可见，机构是由主动件、从动件和机架三部分组成的。运动链是指两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。闭式运动链（闭链）：运动链的各构件构成首末封闭的系统。开式运动链（开链）：运动链的各构件未构成首末封闭的系统。闭链开链在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。机构：具有确定运动的运动链。机架：机构中固定不动的构件；原动件：按照给定运动规律独立运动的构件从动件：其余活动构件。平面机构：组成机构的各构件的相对运动均在同一平面内或在相互平行的平面内。空间机构：机构的各构件的相对运动不在同一平面内或平行的平面内。 平面机构空间机构3.2平面机构的运动简图机器是由机构组成，因此，在对现有机构进行分析，还是构思新机械的运动方案和对组成新机械的构作进一步的运动及动力设计时，需要一种表示机构的简明图形——机构运动简图。

机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。它与原机械具有完全相同运动特性。机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。功用：1.现有机械分析2.新机械总体方案的设计3.2.1运动副及构件的表示方法机构是由若干构件通过若干运动副组合在一起的。在研究机构运动时，为了便于分析，常常瞥开它们因强度等原因形成的复杂外形及具体构造，仅用简单的符号和线条表示，并按一定的比例定出各运动副及构件的位置，这种简明表示机构各构件之间相对运动关系的图形称为机构运动简图，常用的运动副代表符号见下表表1.2构件及其运动副相联接的表达法【表1.2构件及其运动副相联接的表达法】名称表示内容常用符号备注机架固定联接构件的永久联接构件与轴的固定联接可调联接两构件以运动副相联接（两构件与一内副）内副为联接所研究的两个构件的运动副。两活动构件以转动副联接活动构件与机架以转动副相联接两活动构件以移动副相联接活动构件与机架以移动副相联接两活动构件以平面高副联接活动构件与机架以平面高副相联接双副构件（一构件与两外副）外副是指研究的构件将与其它构件相联接的运动副。带两个转动副的构件带一个转动副一个移动副的构件带一个转动副一个平面高副的构件带两个移动副的构件偏心轮可用曲柄代替三副构件（一构件与三外副）外副是指研究的构件将与其它构件相联接的运动副。带三个转动副形成封闭三角形的构件带三个转动副的杆状构件带两个转动副一个移动副的构件带一个转动副两个移动副的构件【表1.3常用机构的简图符号】名称立体图形基本符号可用符号凸轮机构（平面凸轮）a.盘形凸轮b.移动凸轮齿轮机构a.圆柱齿轮机构b.非圆齿轮机构c.圆锥齿轮机构d.交错轴斜齿轮机构e.蜗轮蜗杆机构f.齿轮齿条机构原动机a.通用符号（不指明类型）b.电动机（一般符号）c.装在支架上的电动机【思考题】何谓机构运动简图？它与机构示意图有何区别？3.2.2绘制机构运动简图的步骤机构简图的绘制步骤：1.分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；

2.沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；

3.适当地选择运动简图的视图平面；

4.选择适当比例尺(=实际尺寸(m)/图示长度(mm))，用表1.2及表1.3中给出机构简图符号，绘制机构运动简图。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。

例3.1试绘制内燃机的机构运动简图。例3.2绘制小型压力机的机构运动简图解：1.分析机械的动作原理、组成情况和运动情况；工作原理：2.沿着运动传递路线，分析两构件间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目；转动副：移动副：平面高副：3.适当地选择运动简图的视图平面；4.选择适当比例尺(=实际尺寸(m)/图示长度(mm))，用表1.2及表1.3中给出机构简图符号，绘制机构运动简图。并从运动件开始，按传动顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头以表示其运动方向。【学习指导】机构运动简图是一种用简单的线条和符号来表示的工程图形语言。因此，首先要熟记常用运动副及机构的符号和表示方法，并在此基础上熟练掌握绘制机构运动简图的方法。应注意不要把机械制图中的一些画法照搬到机构运动简图中3.3平面机构的自由度3.3.1机构具有确定运动的条件要使所设计的运动链成为机构，组成运动链的各构件之间必须具有确定的相对运动。不能产生运动或作无规则运动的运动链均不能成为机构。如图(a)所示的平面三构件运动链，其自由度。表明该运动链中各构件间已无相对运动，只构成了一个刚性桁架，因而不能成为机构。图(b)所示的平面四构件运动链，其自由度，表明该运动链由于约束过多，已成为超静定桁架了，也不能成为机构。以上两例说明，运动链成为机构的首要条件是运动链的自由度必须大于零。如果运动链的自由度大于零，还需进一步判断该运动链是否具有确定运动。如图(c)所示的平面四构件运动链，其自由度若取构件1为原动件，则从动画演示中可以看出，构件1每转过一个角度，构件2和构件3便有一个确定的相对运动，也就是说这个运动链能成为机构。以上例子说明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可多于运动链的自由度数。如图(d)所示的平面五杆运动链，其自由度。若同时取构件1和构件4作为原动件，则由动画演示可以看出，构件2和构件3具有确定的运动，即该运动链能成为机构。如果只取构件1作为原动件，则由动画演示可以看出，其余三个活动构件2、3、4的运动不能确定，只能作无规则的运动。图(e)所示为平面开式运动链，其自由度若同时取构件1、2、3为原动件，则该运动链具有确定的运动，能成为机构，它即是简单的机械手中的开式链机构。若只取其中的一个或两个构件为原动件，可以看出，其余活动构件的运动将不能确定，此运动链就不能成为机构。以上两个例子证明：要使自由度大于零的运动链成为机构，原动件的数目不可少于运动链的自由度数。综上所述，运动链成为机构的条件为：取运动链中一个构件相对固定作为机架，运动链相对于机架的自由度必须大于零，且原动件的数目等于运动链的自由度数。3.3.2平面机构的自由度由前述已知，一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。若一个平面机构共有n个活动构件。在未用运动副联接前，则活动构件自由度总数为3n。当用运动副将这些活动构件与机架联接组成机构后，则各活动构件具有的自由度受到约束。该机构中有PL个低副，PH个高副，则受到的约束，即减少的自由度总数应为2PL+PH。因此，该机构相对于固定构件的自由度数应为活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差，该差值称为机构的自由度，并以F表示，

由上式可知，机构要能运动，它的自由度必须大于零。机构的自由度表明机构具有的独立运动数目。由于每一个原动件只可从外界接受一个独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动）因此，当机构的自由度为1时，只需有一个原动件；当机构的自由度为2时，则需有两个原动件。故机构具有确定运动的条件是：原动件数目应等于机构的自由度数目。例1:

计算如图所示的自动驾驶仪操纵装置的自由度，并说明使其具有确定运动的条件。解：分析：该装置为一空间四构件运动链，活塞2与固定气缸1组成圆柱副，连杆3与构件2组成转动副，摇杆4与机架1组成转动副，连杆3与摇杆4以球面副相联。该机构的构件总数N=4,活动构件数n=3,2个转动副、2个移动副，没有高副。由此可得机构的自由度数为：该装置自由度为1，需要1个原动件，即具有确定的运动。3.3.3计算机构自由度时应注意的几种情况摇筛机构例1：计算图示摇筛机构的自由度：计算是否正确?1.复合铰链1.复合铰链定义：两个以上构件在同一处以转动副相连接，所构成的运动副称为复合铰链。解决问题的方法：若有K个构件在同一处组成复合铰链，则其构成的转动副数目应为（K-1）个。在摇筛机构中，构件2、3、4同在C处组成转动副。因此此机构的自由度为：摇筛机构C处侧视图2.局部自由度(a)F=2(b)F=1观察图(a)机构，机构中只需要一个原动件，计算自由度与实际不一致。比较(a),(b)：(a)中凸轮1和从动件2之间安装了一个滚子3，以减少高副元素的磨损。滚子3绕其轴线的转动不影响从动件2的运动规律，这种自由度为局部自由度。

定义：若机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动有关，并不影响其他构件的运动，则称这种自由度为局部自由度。局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子；轴承中的滚珠。解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视为一个构件。滚子的转动主要是把高副处的滑动摩擦变成滚动摩擦，以减少磨损。3.虚约束

在运动副所加的约束中，有些约束所起的限制是重复的，这种重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束。应用公式计算这类机构的自由度时，虚约束应除去不计。

平面机构的虚约束常见下面四种情况：a.两构件之间构成多个运动副时；两构件构成多个移动副，其道路互相平行，只有其中一个移动副起独立的约束作用，其它为虚约束。如图所示

b.两构件上某两点间的距离在运动过程中始终保持不变时；c.联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时；在机构中，若被联接到机构上的构件，在联接点处的运动轨迹与机构上的该点的运动轨迹重合时，该联接引入的约束是虚约束。d.机构中对运动不起作用的对称部分。如图所示的行星轮机构，为了受力均衡，采用了两个对称布置的行星轮2及2’，在计算该机构的自由度时，只能算其中一个引起的约束。结论：

机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动。采用虚约束是为了改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要。例题图示组合机构中的轴线yy//xx；且齿轮2及凸轮4固定在同一轴线上，试计算其机构的自由度。解：【典型例题】在图所示机构中，构件AB,EF,CD相互平行且相等，试计算该机构的自由度。分析：注意机构中的复合铰链、局部自由度及虚约束。解：去掉机构中的局部自由度和虚约束，则,通过公式计算得【学习指导】本章的难点是正确判别机构中的虚约束。在学习时应首先搞清楚虚约束的概念，掌握机构中存在虚约束的特定几何条件，以便计算机构自由度时，能正确判定出机构中的虚约束。同时应注意虚约束在特定的几何条件破坏后将成为实际约束。复合铰链与局部自由度比较简单，学习时应在基本概念清楚的基础上，搞清复合铰链与局部自由度发生的场合，并采取相应的解决方法

第4章平面连杆机构【基本要求】1.了解平面四杆机构的基本型式，掌握其演化方法。2.掌握平面四杆机构的工作特性。3.了解连杆机构传动的特点及其功能。4.掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的平面连杆机构的运动分析问题转化为可用计算机解决的问题。5.了解平面连杆机构设计的基本问题，熟练掌握根据具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式和合理的设计方法，解决具体设计问题。【重点难点】本章内容包括平面连杆机构和空间连杆机构两部分，其中平面连杆机构是本章的重点。通过本章的学习，最终要求达到：根据实际需求，确定满足此需求的连杆机构类型，选择合适的设计方法设计出此连杆机构。设计完成后需对所设计的连杆机构进行运动学和动力学分析，校验此机构是否实用，是否满足实际要求。【学习内容】平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。因此本章着重讨论四杆机构的基本类型、性质及常用设计方法。4.1铰链四杆机构的类型及应用

4.2铰链四杆机构的曲柄存在条件

4.3铰链四杆机构的演化

4.4平面四杆机构的基本特性

4.5平面四杆机构的设计 平面连杆机构若各运动构件均在相互平行的平面内运动，则称为平面连杆机构。

空间连杆机构若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。

平面连杆机构较空间连杆机构应用更为广泛，故着重介绍平面连杆机构。

在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最广泛的是由4个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构可看成在此基础上依次增加杆组而组成。

●下面介绍平面四杆机构的基本型式及其演化。

铰链四杆机构所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构。它是平面四杆机构的基本型式。

4.1铰链四杆机构的类型及应用4.1.1铰链四杆机构的类型

由转动副联接四个构件而形成的机构，称为铰链四杆机构，奴图所示。图中固定不动的构件AD是机架；与机架相连的构件AB、CD称为连架杆；不与机架直接相连的构件BC称为连杆。连架杆中，能作整周回转的称为曲柄，只能作往复摆动的称为摇杆。根据两连架杆中曲柄(或摇杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。机架--构件4；连架杆--直接与机架相连的构件1，3；连杆--不直接与机架相连的构件2。

其中：连架杆1为曲柄

（能做整周回转的连架杆）；连架杆3为摇杆

（仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆）。转动副A、B为整转副，转动副C、D为摆动副。。在铰链四杆机构中，按连架杆能否作整周转动，可将四杆机构分为3种基本型式。一、曲柄摇杆机构

两连架杆中一为曲柄、一为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构的作用是将曲柄的回转运动转换成摇杆的往复摆动。如图所示的雷达、汽车前窗刮雨器与搅拌机均为曲柄摇杆机构的应用。雷达缝纫机踏板机构缝纫机（3）搅拌器机构二、双曲柄机构

两连架杆均为曲柄的四杆机构称为双曲柄机构

。如图所示的惯性筛即为双曲柄机构

的应用。传动特点当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般不等速转动。实例惯性筛

双曲柄机构中有两种特殊机构：平行四边形机构和反平行四边形机构平行四边形机构定义在双曲柄机构中，若两对边构件长度相等且平行，则称为平行四边形机构。传动特点

主动曲柄和从动曲柄均以相同角速度转动。

位置不确定问题

平行四边形机构有一个位置不确定问题，如图示。解快方法：

（1）加惯性轮利用惯性维持从动曲柄转向不变。（2）加虚约束通过虚约束保持平行四边形，如机车车轮联动的平行四边形机构。

反四边形机构

定义两曲柄长度相同，而连杆与机架不平行的铰链四杆机构，称为反平行四边形机构。如图示。如公共汽车车门启闭机构。当主动曲柄AB转动时，通过连杆BC使从动曲柄CD朝相反方向转动，从而保证两扇车门同时开启和关闭。公共汽车车门启闭机构三、双摇杆机构

定义在铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。实例鹤式起重机中的四杆机构即为双摇杆机构。

当主动摇杆摆动时，从动摇杆也随之摆动，位于连杆延长线上的重物悬挂点将沿近似水平直线移动。

双摇杆机构中有一种特殊机构：

等腰梯形机构

在双摇杆机构，如果两摇杆长度相等，则称为等腰梯形机构。实例

汽车前轮转向机构中的四杆机构飞机起落架（实景）【思考题】

什么是连杆、连架杆、连杆机构？连杆机构适用于什么场合？不适用于什么场合？【学习指导】

平面四杆机构的基本型式为铰链四杆机构，在学习中需要掌握以下基本概念：整转副、摆转副、连杆、连架杆、曲柄、摇杆等。4.2铰链四杆机构的曲柄存在条件以曲柄摇杆机构为例——分析有一个曲柄的条件由△B1C1D可得：a+d≤b+c(a)由△B2C2D可得：

b-c≤d-ac-b≤d-a亦即a+b≤c+d(b)a+c≤b+d(c)将(a)、(b)、(c)三式分别两两相加可得：（4.1）用同样的方法可以得到杆1能绕动副A相对于杆4作整周转动的条件：d+a≤b+c

(d)d+b≤a+c (e)d+c≤a+b (f)(4.2)式(2.1)和(2.2)说明：组成整转副A的两个构件中，必有一个为最短杆；式(a)，(b)，(c)和式(d)，(e)，(f)说明：该最短杆与最长杆的长度之和必小于或等于其余两构件的长度之和。该长度之和关系称为杆长之和条件。

铰链四杆机构存在一个曲柄的条件是：（一）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。（二）曲柄为最短杆。铰链四杆机构存在曲柄的条件是：（一）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。（二）机架或连架杆为最短杆。【典型例题】例1在图中已知lBC=100mm,lCD=70mm,lAD=50mm,AD为固定件。（1）如果该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB的值；（2）如果该机构能成为双曲柄机构，求lAB的值；（3）如果该机构能成为双摇杆机构，求lAB的值。

解：

（1）如果能成为曲柄摇杆机构，则机构必须满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且AB为最短杆”。则有lAB+lBC≤lCD+lAD

代入各杆长度值，得lAB≤20mm

（2）如果能成为双曲柄机构，则应满足“最长杆与最短杆长度之和小于或等于其它两杆长度之和，且杆AD为最短杆”。则

1）若BC为最长杆，即lAB≤10mm，则lBC+lA0D≤lAB+lCDlAB≥80mm

所以80mm≤lAB≤100mm

2）若AB为最长杆，即lAB≥100mm，则lAB+lAD≤lBC+lCDlAB≤120mm

所以100mm≤lAB≤120mm

将以上两种情况进行分析综合后，lAB的值应在以下范围内选取，即80mm≤lAB≤120mm

(3)若能成为双摇杆机构，则应分两种情况分析。第一种情况：机构各杆件长度满足“杆长之和条件”，但以最短杆的对边为机架；第二种情况：机构各杆件长度不满足“杆长之和条件”。在本题目中，AD已选定为固定件，则第一种情况不存在。下面就第二种情况进行分析。

1）当lAB<50mm，AB为最短杆，BC为最长杆lAB+lBC>lCD+lADlAB>20mm

即20mm<lAB<50mm

2)当lAB∈[50，70）以及lAB∈[70，100)时，AD为最短杆，BC为最长杆，则lAD+lBC>lAB+lCDlAB<80mm

即50mm≤lAB<80mm

3）当lAB>100时，AB为最长杆，AD为最短杆，则lAB+lAD>+lCDlAB>120mm

另外，AB增大时，还应考虑到，BC与CD成伸直共线时，需构成三角形的边长关系，即lAB<(lBC+lCD)+lADlAB<220mm

则120mm<lAB<220mm

综合以上情况，可得lAB的取值范围为：

除以上分析方法外，机构成为双摇杆机构时，lAB的取值范围亦可用以下方法得到：对于以上给定的杆长，若能构成一个铰链四杆机构，则它只有三种类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。故分析出机构为曲柄摇杆机构、双曲柄机构时lAB的取值范围后，在0～220mm之内的其余值即为双摇杆机构时lAB的取值范围。4.3铰链四杆机构的演化一、曲柄滑块机构由于各种工程实际的需要，所用四杆机构的型式是多种多样的。这些四杆机构可看作是由铰链四杆机构通过不同方法演化而来的，并与之有着相同的相对运动特性。掌握这些演化方法，有利于对连杆机构进行创新设计。

下面让我们来看一下演化方法：

●转动副转化为移动副(a)(b)(c)

在图（a）示曲柄摇杆机构中，当曲柄1转动时，摇杆3上C点的轨迹是圆弧mm，且当摇杆长度愈长时，曲线mm愈平直。当摇杆为无限长时，mm将成为一条直线，这时可把摇杆做成滑块，转动副D将演化成移动副，这种机构称为曲柄滑块机构，如图（b）示。曲柄滑块机构据偏距e的有无又分为两种:偏置曲柄

滑块机构--e不等于零，如图（b），对心曲柄滑块机构--e等于零，如图（c）。应用：活塞式内燃机，空气压缩机，冲床等。●选取不同构件为机架

首先我们来了解一个概念。

低副运动的可逆性

以低副相连接的两构件之间的相对运动关系，不会因取其中哪一个构件为机架而改变，这一性质称低副运动的可逆性。

当取不同的构件为机架时，会得到不同的四杆机构。下面我们看一下表：表4.1四杆机构的几种型式I铰链四杆机构II含一个移动副的四杆机构III含有两个移动副的四杆机构机架

曲柄摇杆机构曲柄滑块机构正切机构4

双曲柄机构转动导杆机构

双转块机构1

曲柄摇杆机构

摆动导杆机构

曲柄摇块机构

正弦机构2

双摇杆机构移动导杆机构

双滑块机构3表2.2带有一个移动副的机构及应用作为机架的构件机构简图应用实例4

曲柄滑块机构

内燃机、压缩机、冲床等1

转动导杆机构

小型刨床2

曲柄摇块机构

自卸汽车卸料机构3移动导杆机构

手压抽水机表4.3带两个移动副的机构及应用作为机架的构件机构简图应用实例4

双滑块机构

椭圆仪1或3

正弦机构

压缩机2

双转块机构

十字滑块联轴器

●变换构件的形态

让我们看下面的图： (a)(b)

演化前图（a）所示为曲柄摇块机构，其中滑块3绕C点作定轴往复摆动，构件2为杆状；

演化后图（b）所示为摆动导杆机构。

在设计机构时，由于实际需要，改杆状构件2为块状，改块状构件3为杆状构件，称构件3为摆动导杆。

注：这两种机构本质上完全相同。

●扩大转动副的尺寸 (a) (b)

演化前图(a)所示为曲柄摇杆机构；演化过程如图(b)所示。将曲柄1端部的转动副B的半径加大至超过曲柄1的长度，曲柄1变成一个几何中心为B、回转中心为A的偏心圆盘，其偏心距e即为原曲柄长。该机构与原曲柄摇杆机构的运动特性完全相同，其机构运动简图也完全一样。

应用场合在设计机构时，当曲柄长度很短、曲柄销需承受较大冲击载荷而工作行程很小时常采用这种

偏心盘结构型式。常用于冲床、剪床、压印机床、柱塞油泵等设备中。

偏心轮机构结构简单，偏心轮轴颈的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击在和较大的机械中，如图所示为用于破碎机中的偏心轮机构。颚式破碎机牛头刨床机构泵移动导杆机构曲柄移动导杆机构

两个移动副代替铰链四杆机构中的两个转动副，便可得到三种不同型式的四杆机构，如图曲柄移动导杆机构（正弦机构）、双转块机构和双滑块机构。曲柄移动导杆机构双转块机构双滑块机构【思考题】1．平面四杆机构的基本形式是什么？它有哪几种演化方法？其演化的目的何在？2．什么叫曲柄？曲柄一定是最短构件吗？机构中有整转副的条件是什么？3．什么叫低副运动可逆性？它在连杆机构研究中有何具体应用？【学习指导】

铰链四杆机构可以通过四种方式演化出其他形式的四杆机构。即⑴取不同构件为机架；⑵转动副变移动副；⑶杆状构件与块状构件互换；⑷销钉扩大。在曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构中，当载荷很大而摇杆（或滑块）的摆角（或行程）不大时，可将曲柄与连杆构成的转动副中的销钉加以扩大，演化成偏心盘结构，这种结构在工程上应用很广。

根据低副运动可逆性，四杆机构选择不同构件为机架时可演化出其它形式。这种演化方式也称为“运动倒置”。在以后的学习中将会遇到。以上所述的各种演化方法是通过基本机构变异，产生新机构型式的重要方法，故掌握这些演化方法很重要。4.4平面四杆机构的基本特性一、急回特性在图示的曲柄摇杆机构中，当主动曲柄1位于B1A而与连杆2成一直线时，从动摇杆3位于右极限位置C1D。当曲柄1以等角速度ω1逆时针转过角φ1而与连杆2重叠时，曲柄到达位置B2A，而摇杆3则到达其左极限位置C2D。当曲柄继续转过角φ2而回到位置B1A时，摇杆3则由左极限位置C2D摆回到右极限位置C1D。从动件的往复摆角均为。由图可以看出，曲柄相应的两个转角φ1和φ2为：式中，θ为摇杆位于两极限位置时曲柄两位置所夹的锐角，称为极位夹角。行程速比系数K为了表示工作件往复运动时的急回程度，用V2和V1的比值K来描述。由上式可得一般：K≤2，∴θ为锐角。可见：θ↑K↑急回特性越显著——导致机器动载↑冲击↑急回特性的作用四杆机构的急回特性可以节省时间，提高生产率。下图(a)和(b)分别表示偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构的极位夹角。用式(2.3)同样可以求得相应的行程速度变化系数K。(a)(b)【思考题】

1．什么是连杆机构的急回特性？它用什么来表达？什么叫极位夹角？它与机构的急回特性有何关系？【学习指导】

平面连杆机构的工作特性包括运动特性和动力特性(下节介绍）两方面。

运动特性：构件具有整转副的条件

从动件的急回运动特性

运动连续性

●急回特性：

从动件的急回运动程度用行程速度变化系数K来表示，K的定义为从动件回程平均角速度和工作行程平均角速度之比。机构具有急回特性必有K>1，则极位夹角0。极位夹角的定义是指当机构的从动件分别位于两个极限位置时，主动件曲柄的两个相应位置之间所夹的锐角。和K之间的关系为：=180°×（K-1）/（K+1）K=（180°+）/（180°-）

它们之间的关系应记住。

●注:有时某一机构本身无急回特性，但当它与另一机构组合后，此组合后的机构并不一定也无急回特性。机构有无急回特性，应从急回特性的定义入手进行分析。二、传力分析（一）压力角和传动角在图示的铰链四杆机构中，如果不计惯性力、重力、摩擦力，则连杆2是二力共线的构件，由主动件1经过连杆2作用在从动件3上的驱动力F的方向将沿着连杆2的中心线BC。力F可分解为两个分力：沿着受力点C的速度υc方向的分力Ft和垂直于υc方向的分力Fn。设力F与着力点的速度υc方向之间所夹的锐角为，则

其中，沿υc方向的分力Ft是使从动件转动的有效分力，对从动件产生有效回转力矩；而Fn则是仅仅在转动副D中产生附加径向压力的分力。由上式可知：越大，径向压力Fn也越大，故称角为压力角。压力角的余角称为传动角，用γ表示，γ=90-。显然，γ角越大，则有效分力Ft越大，而径向压力Fn越小，对机构的传动越有利。因此，在连杆机构中，常用传动角的大小及其变化情况来衡量一机构传力性能的优劣。

在机构的运动过程中，传动角的大小是变化的。当曲柄AB转到与机架AD重叠共线和展开共线两位置AB1、AB2时，传动角将出现极值γ′和γ″（传动角总取锐角）。这两个值的大小为比较这两个位置时的传动角，即可求得最小传动角γmin。为了保证机构具有良好的传力性能，设计时通常应使γmin≥40°；对于高速和大功率的传动机械，应使γmin≥50°。（二）死点

下面我们来看一下死点位置的形成：在图示的曲柄摇杆机构中，设摇杆CD为主动件，则当机构处于图示的两个虚线位置之一时，连杆与曲柄在一条直线上，出现了传动角γ=0的情况。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，所以将不能使构件AB转动而出现"顶死"现象。机构的此种位置称为死点位置。

提出问题：四杆机构中是否存在死点位置，决定于什么？

答：从动件是否与连杆共线。

对于传动机构来说，机构有死点是不利的，应该采取措施使机构能顺利通过死点位置。

措施：

a.对于连续运转的机器，可以利用从动件的惯性来通过死点位置，例如缝纫机踏板机构就是借助于带轮的惯性通过死点位置的；

b.采用机构错位排列的方法，即将两组以上的机构组合起来，而使各组机构的死点位置相互错开。如蒸汽机车车轮联动机构，就是由两组曲柄滑块机构组成的，而两者的曲柄位置相互错开90°。

机构的死点位置的积极作用：在工程实际中，不少场合也利用机构的死点位置来实现一定的工作要求。车轮联动机构夹紧工件用的连杆式快速夹具是利用死点位置来夹紧工件的。在连杆2的手柄处施以压力F将工件夹紧后，连杆BC与连架杆CD成一直线。撤去外力F之后，在工件反弹力T作用下，从动件3处于死点位置。即使此反弹力很大，也不会使工件松脱。图示为飞机起落架处于放下机轮的位置，此时连杆BC与从动件CD位于一直线上。因机构处于死点位置，故机轮着地时产生的巨大冲击力不会使从动件反转，从而保持着支撑状态【思考题】

1．什么叫连杆机构的压力角、传动角？四杆机构的最大压力角发生在什么位置？研究传动角的意义是什么？2．什么叫"死点"？它在什么情况下发生？与"自锁"有何本质区别？如何利用和避免"死点"位置？【学习指导】

●压力角和传动角：

是很重要的两个概念，在今后的学习中常常会遇到。压力角是指在不计摩擦时，机构从动件上某点所受驱动力的作用线与此点速度方向线之间所夹的锐角，用表示。传动角为压力角之余角，用表示。

压力角是衡量机构传力性能好坏的重要指标。因此，对于传动机构，应使其角尽可能小（γ尽可能大）。

连杆机构的压力角（或传动角）在机构运动过程中是不断变化的。从动件处于不同位置时有不同的值，在从动件的一个运动循环中，角存在一个最大值max。在设计连杆机构时，应注意使max小于等于[]。

●死点位置：

机构在运动过程中，当从动件的传动角γ=0°（=90°）时，驱动力与从动件受力点的运动方向垂直，其有效分力等于零，这时机构不能运动，称此位置为死点位置。

在曲柄摇杆机构或曲柄滑块机构中，若以曲柄为主动件，这两种机构均不存在死点位置。只有以摇杆或滑块为主动件、曲柄为从动件时机构才存在死点位置，即当连杆与曲柄共线时为死点位置，此时压力角为90°。传动角为0°，曲柄所受的转动力矩为零，再大的力也不能使曲柄转动。

此处应注意："死点"、"自锁"与机构的自由度F小于等于零的区别。自由度小于或等于零，表明该运动链不是机构而是一个各构件间根本无相对运动的桁架。死点是在不计摩擦的情况下机构所处的特殊位置，利用惯性或其它办法，机构可以通过死点位置正常运动；而自锁是指机构在考虑摩擦的情况下，当驱动力的作用方向满足一定的几何条件时，虽然机构自由度大于零，但机构却无法运动的现象。死点、自锁是从力的角度分析机构的运动情况，而自由度是从机构组成的角度分析机构的运动情况。4.5平面四杆机构的设计平面连杆机构在工程实际中应用十分广泛。根据工作对机构所要实现运动的要求，这些范围广泛的应用问题，通常可归纳为三大类设计问题。

●实现刚体给定位置的设计在这类设计问题中，要求所设计的机构能引导一个刚体顺序通过一系列给定的位置。该刚体一般是机构的连杆。图示的铸造造型机砂箱翻转机构，砂箱固结在连杆BC上，要求所设计的机构中的连杆能依次通过位置Ⅰ，Ⅱ，以便引导砂箱实现造型振实和拔模两个动作。

这类设计问题通常称为刚体导引机构的设计。●实现预定运动规律的设计

在这类设计问题中，要求所设计机构的主、从动连架杆之间的运动关系能满足某种给定的函数关系。如车门开闭机构，工作要求两连架杆的转角满足大小相等而转向相反的运动关系，以实现车门的开启和关闭；又如汽车前轮转向机构，工作要求两连架杆的转角满足某种函数关系，以保证汽车顺利转弯；再比如，在工程实际的许多应用中，要求在主动连架杆匀速运动的情况下，从动连架杆的运动具有急回特性，以提高劳动生产率。

这类设计问题通常称为函数生成机构的设计。

●实现预定轨迹的设计

在这类设计问题中，要求所设计的机构连杆上一点的轨迹，能与给定的曲线相一致，或者能依次通过给定曲线上的若干有序列的点。例如鹤式起重机，工作要求连杆上吊钩滑轮中心E点的轨迹为一直线，以避免被吊运的物体作上下起伏。

这类设计问题通常称为轨迹生成机构的设计。

●平面连杆机构的设计方法

大致可分为图解法、解析法和实验法三类。图解法解析法实验法直观性强、简单易行。对于某些设计往往比解析法方便有效，它是连杆机构设计的一种基本方法。设计精度低，不同的设计要求，图解的方法各异。对于较复杂的设计要求，图解法很难解决。解析法精度较高，但计算量大，目前由于计算机及数值计算方法的迅速发展，解析法已得到广泛应用。实验法通常用于设计运动要求比较复杂的连杆机构，或者用于对机构进行初步设计。设计时选用哪种方法，应视具体情况来决定。一个设计过程：已知条件→构件尺寸两类基本问题：实现给定运动规律；实现给定运动轨迹；已知条件：运动条件、几何条件、动力条件三种设计方法：图解法：简明易懂，精确性差。解析法：精确度好，计算繁杂。实验法：形象直观，过程复杂。一、图解法设计平面四杆机构1.按给定连杆位置设计四杆机构如图示，设工作要求某刚体在运动过程中能依次占据Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三个给定位置，试设计一铰链四杆机构，引导该刚体实现这一运动要求。

由于在铰链四杆机构中，两连架杆均作定轴转动或摆动，只有连杆作平面一般运动，故能够实现上述运动要求的刚体必是机构中的连杆。设计问题为实现连杆给定位置的设计。

首先根据刚体的具体结构，在其上选择活动铰链点B，C的位置。一旦确定了B，C的位置，对应于刚体3个位置时活动铰链的位置B1C1，B2C2，B3C3也就确定了。

设计的主要任务：确定固定铰链点A、D的位置。例题：已知：连杆BC长度及三个位置（B1C1,B2C2,B3C3）要求：设计铰链四杆机构设计步骤：①连接B1B2、B2B3，作线B1B2、B2B3的垂直平分线b12、b23，交于A点；②连接C1C2、C2C3，作线C1C2、C2C3的垂直平分线c12、c23，交于D点；③连接AB1、C1D。2.按给定两连架杆的对应位置设计四杆机构设计步骤：3.按给定行程速比系数K设计四杆机构设计步骤：二、解析法设计平面四杆机构设计方法：建立方程式，根据以知参数对方程求解。已知：连杆AB和CD的三组对应位置要求：确定各构件的长度a、b、c、d步骤：建立坐标系xAy，和分别为AB和CD的初始角。将各向量坐标投影得，将三组已知位置代入以上公式，确定出选定曲柄长度a，则b、c、d。设计出所需四杆机构三、实验法设计平面四杆机构连杆曲线（定义）：四杆机构运动时，连杆作为平面复杂运动，对其上面任意一点都能描绘出一条封闭曲线，这种曲线称为连杆曲线。原理：连杆曲线的形状随点在连杆上的位置和构件的相对长度的不同而不同。方法与步骤：借用已编成册的连杆曲线图谱，根据预定运动轨迹从图谱中选则形状相近的曲线，同时查得机构各杆尺寸及描述杆在连杆上的位置，再用缩放仪求出图谱曲线与所需轨迹曲线的缩放倍数，即可求得四杆机构的结构及运动尺寸。【思考题】1．铰链四杆机构有那几种基本型式？各有什么特点？2.铰链四杆机构可以通过那几种方式演变成其它型式的四杆机构？试说明曲柄摇块机构是如何演化而来的？3.什么是偏心轮机构？它主要用于什么场合？4．双摇杆机构的四个构件长度应满足什么条件？5.曲柄存在的条件是什么？6．什么是连杆机构的压力角、传动角？它们的大小对连杆机构的工作有什么影响？偏置曲柄滑块机构的最小传动角γmin发生在什么位置？7．铰链四杆机构中有可能存在死点位置的机构有哪些？他们存在死点位置的条件是什么？试举出一些克服死点位置的措施和利用死点位置的实例。

第5章凸轮机构【基本要求】1.了解凸轮机构的类型及各类凸轮机构的特点和适用场合，学会根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型。2.掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合以及不同运动规律位移曲线的拼接方法，学会根据工作要求选择或设计从动件的运动规律。3.掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则，学会根据这些原则确定移动滚子从动件盘形凸轮机构的基圆半径、滚子半径和偏置方向以及移动平底从动件盘形凸轮机构的基圆半径、平底宽度和偏置方向。4.熟练掌握并灵活运用反转法原理，学会根据这一原理设计各类凸轮的廓线。5.掌握凸轮机构设计的基本步骤，学会用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。【重点难点】本章的重点是凸轮机构的运动设计。它涉及到：根据适用场合和工作要求选择凸轮机构的型式、根据工作要求和使用场合选择或设计从动件的运动规律、合理选择凸轮的基圆半径、正确设计出凸轮廓线、对设计出来的凸轮机构进行分析以校核其是否满足设计要求。【教学内容】5.1概述

5.2常用的从动件运动规律

5.3盘形凸轮轮廓的设计方法与加工方法

5.4凸轮机构基本尺寸的确定凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。5.1概述凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。但另一方面，由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。

●下面通过一个生产实例来说明凸轮机构的组成:

图示为内燃机配气凸轮机构。具有曲线轮廓的构件1叫做凸轮，当它作等速转动时，其曲线轮廓通过与推杆2的平底接触，使气阀有规律地开启和闭合。工作对气阀的动作程序及其速度和加速度都有严格的要求，这些要求都是通过凸轮的轮廓曲线来实现的。

●由上例可以看出:

当凸轮运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触，可使从动件获得预期的运动。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架这三个基本构件所组成的一种高副机构。5.1.1凸轮机构的应用内燃机配气机构自动车床上的走刀机构分度转位机构5.1.2凸轮机构的分类工程实际中所使用的凸轮机构型式多种多样，常用的分类方法有以下几种1、按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种。

（1）盘形凸轮这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化向径的盘形零件，如内燃机配器机构中的凸轮。当其绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。它是凸轮的最基本型式，结构简单，应用最广。

（2）移动凸轮

当盘形凸轮的转轴位于无穷远处时，就演化成了图示的移动凸轮（或楔形凸轮）。凸轮呈板状，它相对于机架作直线移动。

在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。（3）圆柱凸轮如果将移动凸轮卷成圆柱体即演化成圆柱凸轮。图示为自动机床的进刀机构。在这种凸轮机构中凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，故属于空间凸轮机构。圆柱凸轮

图中具有曲线凹槽的构件叫凸轮，当它作等速回转时，其上曲线凹槽的侧面推动从动件绕O点作复摆动，通过扇形齿轮和固结在刀架上的齿条，控制刀架作进刀和退刀运动。刀架的运动规律则取决于凸轮上曲线凹槽的形状。

2．按照从动件的形状分类名称图形说明尖

端

从

动

件从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。这种从动件结构最简单，但尖端处易磨损，故只适用于速度较低和传力不大的场合。曲

面

从

动

件为了克服尖端从动件的缺点，可以把从动件的端部做成曲面，称为曲面从动件。这种结构形式的从动件在生产中应用较多。滚

子

从

动

件为减小摩擦磨损，在从动件端部安装一个滚轮，把从动件与凸轮之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用来传递较大的动力，故这种形式的从动件应用很广。平

底

从

动

件

从动件与凸轮轮廓之间为线接触，接触处易形成油膜，润滑状况好。此外，在不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于从动件的平底，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。缺点是与之配合的凸轮轮廓必须全部为外凸形状。

3．按照从动件的运动形式分类

按照从动件的运动形式分为移动从动件和摆动从动件凸轮机构。移动从动件凸轮机构又可根据其从动件轴线与凸轮回转轴心的相对位置分成对心和偏置两种。

4．按照凸轮与从动件维持高副接触的方法

（1）力封闭型凸轮机构

所谓力封闭型，是指利用重力、弹簧力或其它外力使从动件与凸轮轮廓始终保持接触。如内燃机配器机构中的凸轮。

（2）形封闭型凸轮机构

所谓形封闭型，是指利用高副元素本身的几何形状使从动件与凸轮轮廓始终保持接触。

常用的形封闭型凸轮机构有以下几种：槽凸轮机构 等宽凸轮机构等径凸轮机构 共轭凸轮机构

以上介绍了凸轮机构的几种分类方法。将不同类型的凸轮和从动件组合起来，就可以得到各种不同形式的凸轮机构。设计时，可根据工作要求和使用场合的不同加以选择。【思考题】凸轮机构的类型有哪些？在选择凸轮机构类型时应考虑哪些因素？【学习指导】●凸轮机构的类型选择：

根据使用场合和工作要求选择凸轮机构的类型，是凸轮机构设计的第一步，又称为凸轮机构的型综合。由于凸轮及从动件的形状有多种，加之从动件的运动形式有移动和摆动之分，凸轮与从动件维持高副接触的方法又有力封闭型和形封闭型两种，故凸轮机构的形式多种多样，这就为合理选择凸轮机构的形式提供可能。

在设计凸轮机构时，应根据使用场合和工作要求的不同加以选择。

（1）各种凸轮机构的特点及使用场合凸轮机构类型特点使用场合尖端从动件凸轮机构优点：结构最简单

缺点：尖端处极易磨损

只适用于作用力不大和速度较低的场合（如用于仪表机构中），其他场合极少使用。滚子从动件凸轮机构

优点：滚子与凸轮廓线间是滚动摩擦，磨损较少，可用来传递较大的动力，

缺点：加上滚子后结构复杂些。应用最广。平底从动件凸轮机构

优点：平底与凸轮廓线接触处易形成油膜、能减少磨损，受力平稳，传动效率较高。

缺点：仅能与轮廓曲线全部外凸的凸轮相作用。适用于高速场合。盘形凸轮机构移动凸轮机构

均属于平面凸轮机构。

特点：凸轮与从动件之间的相对运动是平面运动。当主动凸轮作定轴转动时，采用盘形凸轮机构；当主动凸轮作往复移动时，采用移动凸轮机构。

结构上较圆柱凸轮机构简单，特别是盘形凸轮机构应用广泛。圆柱凸轮机构属空间凸轮机构。

优点：凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，当工作要求从动件的移动行程较大时，采用圆柱凸轮机构要比盘形凸轮机构尺寸更为紧凑。

缺点：结构较盘形凸轮复杂，且不宜用在从动件摆角过大的场合

适用于从动件的运动平面与凸轮轴线平行的场合力封闭型凸轮机构

优点：封闭方式简单。

缺点：当从动件行程较大时，所需要的回程弹簧太大。

适用于各种类型的从动件，且对从动件的运动规律没有限制。槽凸轮机构

优点：封闭方式简单，且从动件的运动规律不受限制。

缺点：增大了凸轮的尺寸及重量，且不能采用平底从动件。

等宽和等直径凸轮机构

共同缺点：当180°范围内的凸轮廓线确定后，另外180°的廓线必须根据等宽或者等径的原则确定，从而使从动件运动规律选择受到限制。

前者只适用于凸轮廓线全部外凸的场合；后者可允许凸轮廓线有内凹部分。共扼凸轮机构

优点：从动件的运动规律不受限制，可在360º范围内任意选取。

缺点：结构比较复杂。

（2）选择凸轮机构型式时应