机械设计基础

第1章绪论1.1机械及其设计1.2机械设计基础课程研究的内容、性质和任务1.1机械及其设计1.1.1机械人类为了适应生产和生活的需要，曾创造出各种各样的劳动工具以减轻人的体力劳动和提高生产效率。劳动工具又称为机械。数千年来随着生产的发展，研究机械的知识也逐渐完善起来，并形成了一门学科。到十九世纪中叶，有关机械设计和制造的理论已自成体系。在高校出现了机械原理、机械设计、机械设计基础等独立课程。下一页返回1.1机械及其设计建国以来，我国机械工业取得了巨大成就。在机械制造业方面由过去只能做少量修理和装配工作，一跃而能自行制造飞机、轮船、汽车、大型水轮机及发电机、各类型的机床等。在机械设计方面，我国也已从仿造、模仿设计逐步进入自行设计的阶段，科学理论的提高会促进生产的发展，高等学校开设的机械设计基础课对更好地培养人才，发展机械工业是十分重要的。上一页下一页返回1.1机械及其设计一般意义来讲，机械就是劳动工具，人们在长期的生活、生产中发明了劳动工具，劳动工具经历了从简单到复杂的发展过程，劳动工具的水平高低代表了社会生产力水平的高低，历史上劳动工具经历了由石头、铜、铁制造工具到出现蒸汽机，人类社会也经历了远古时代、奴隶社会、封建社会及资本主义社会。专业意义来讲，机构和机器总称为机械。日常生产生活中，机械无处不在，像缝纫机、洗衣机、起重机、飞机、军舰等都是机械。机械的种类繁多，其结构、性能和用途等各不相同，但他们却有着相同的特征。上一页下一页返回1.1机械及其设计一个机器是有许多部分组成的，每一部分由工厂加工制造，然后组装而成。其中制造的最小单元称为零件。运动的最小单元称为构件，构件是由一个或若干个零件组成。机构是构件组合体，各构件间有确定的相对运动。机器是由一个或若干个机构组成的执行运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息，以减轻人的体力或脑力劳动。上一页下一页返回1.1机械及其设计下面以内燃机为例介绍零件、构件、机构和机器的含义。如图1-1所示的内燃机，它由汽缸11、活塞10、连杆3、曲柄4、齿轮1与18、凸轮7以及气阀推杆8与9（进气和排气阀）组成。其工作过程是：进气阀打开，活塞下移，将一定浓度的混合气吸入气缸，而后进气阀关闭，活塞上升压缩油、气混合物，待活塞接近上止点时，火花塞点火，使油气混合物迅速燃烧、膨胀推动活塞下移，经过连杆使曲柄转动，向外部输出机械能，之后排气阀打开，活塞上移将废气排出气缸。内燃机代替了人们的劳动，实现了热能与机械能的转换，称它为机器。上一页下一页返回1.1机械及其设计图1-2为内燃机的中的连杆，连杆在内燃机中是作为一个整体运动的，所以它是一个构件。它分别由连杆头1，螺母2，螺栓3，连杆体4，等组成的。而连杆头1，螺母2，螺栓3，连杆体4分别是制造的最小单元，称为零件。零件分为两大类，一类是通用零件，如轴、齿轮，另一类是专用零件，如汽车中的曲轴、内燃机中的活塞等。而构件11、10、3和4在工作过程中做有规则的确定相对运动，称为曲柄滑块机构；而构件11、1和8，构件11、7和8（9）分别组成了齿轮机构、凸轮机构。上一页下一页返回1.1机械及其设计1.1.2机械设计机械设计就是为生产机械所必须进行的技术决策活动，最终结果要以图和文字的形式表示，以作为机械制造依据，泛指整个机器和机器一部分的设计。上一页返回1．2机械设计基础课研究的内容、性质和任务1.2.1本课程研究的内容机械设计基础主要研究机械中的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本的设计理论、计算方法。本书共20章。第1章绪论，第2章机械及机械零件设计概要，第3章平面机构的自由度，第4章机械中的摩擦与效率，第5章平面连杆机构，第6章凸轮机构，第7章齿轮机构及设计，第8章蜗杆机构及设计，第9章轮系，第10章间歇运动机构，第11章机械速度波动的调节及机械平衡，第12章轴毂联接，第13章螺纹联接及螺旋传动，第14章带传动，第15章链传动，第16章轴，第17章轴承，第18章联轴器、离合器和制动器，第19章弹簧，第20章综合应用。下一页返回1．2机械设计基础课研究的内容、性质和任务1.2.2本课程的性质和任务机械设计基础是建立在画法几何及机械制图、理论力学、材料力学、工程材料及金属工艺学等课程的基础上的一门技术基础课。本课程将为有关专业的学生学习专业机械设备提供必要的理论基础。上一页下一页返回1．2机械设计基础课研究的内容、性质和任务通过本课程的学习使得学生和有关技术人员了解机械设备的传动原理、正确使用和维护以及故障分析与排除等方面必备的基础知识；培养他们运用机械设计手册、设计机械传动装置和简单机械的能力。为他们更好地从事技术改革和机械设计创造条件。机械设计基础是一门理论性和实践性很强的技术基础课。一是要学好基本理论知识，掌握基本概念、基本理论、基本方法；二是敢于实践，做到理论联系实际，作到举一反三。充分发挥创造才能，努力进行发明创造。随着科学技术的发展，特别是计算机的应用，出现了一些新的机械设计方法。例如；优化法、有限元法可靠性法CAD法等，这些新的设计方法目前已在我国高等学校单独授课，故未列入本课程之中。上一页返回图1-1内燃机返回图1-2内燃机连杆返回第2章机械及机械零件设计概要2.1机械设计的基本要求和一般设计程序2.2机械零件计算准则和一般设计程序2.3机械零件的材料及热处理2.4机械零件的结构工艺性和标准化2.1机械设计的基本要求和一般设计程序2.1.1机械设计的基本要求

机械的种类虽然很多，但设计时所考虑的基本要求却往往是相同的。这些基本要求有以下几个方面。1．运动和动力性能的要求根据预定的使用要求确定机械的工作原理，并据此选择机构类型和机械传动方式，达到以合理的机构组合来协调运动，实现预定动作。下一页返回2.1机械设计的基本要求和一般设计程序

2．工作可靠性要求

为了使机械在预定的工作期限内可靠地工作，防止因零件失效而影响正常运行，零件应满足下列要求：(1)强度强度是衡量零件抵抗破坏的能力，是保证零件工作能力的最基本要求。零件强度不足时，就会发生不允许的塑性变形，甚至造成断裂破坏，轻则使机械停止工作，重则发生严重事故。上一页下一页返回2.1机械设计的基本要求和一般设计程序(2)刚度刚度是衡量零件抵抗弹性变形的能力。零件的刚度不足时，就会产生不允许的弹性变形，形成载荷集中等，影响机械的正常工作。(3)耐磨性耐磨性是指零件抵抗磨损的能力。(4)耐热性耐热性包括抗氧化、抗热变形和抗蠕变的能力。上一页下一页返回2.1机械设计的基本要求和一般设计程序2.1.2机械设计的一般步骤机械设计一般可分为以下几个阶段：1．提出设计要求2．调查研究、分析对比、确定设计模型与方案3．结构设计4．试验分析5．使用与考核上一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序2.2.1机械零件的主要失效形式1．整体断裂机械零件在受拉、受压、受弯、受剪和受扭等外载荷作用时，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂；或者零件在受交变应力作用时，危险截面上发生的疲劳断裂，均属于整体断裂。

2．残余变形过大如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，则零件将产生残余变形。当残余变形过大时，将使机器的运动精度丧失，甚至不能运动。下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序

3．零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳。4．破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作。例如，液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常地工作；带传动和摩擦轮传动，只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作；高速转动的零件，只有其转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔时才能正常工作等。如果破坏了这些必备的条件，则将发生不同类型的失效。上一页下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序2.2.2机械零件设计应满足的基本要求1．强度方面

强度是指零件抵抗破坏的能力。2．刚度方面刚度是指零件抵抗弹性变形的能力。3．寿命方面机器寿命是指零件正常工作的期限。4．结构工艺性方面机械零件结构工艺性是指在一定的生产条件下能方便、经济地生产出零件，并便于装配成机器。上一页下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序5．可靠性方面机械零件可靠度的定义与机器可靠度的定义相同。6．经济性方面零件的经济性主要取决于零件的材料和加工成本，因此提高零件的经济性主要从零件的材料选择和结构工艺性设计两个方面考虑，如采用相对廉价的材料代替贵重材料，采用轻型结构和少余量、无余量的毛坯，简化零件结构，改善零件的结构工艺性．以及尽可能采用标准化零部件等。7．零件质量大小方面一般情况下，绝大多数机械零件都要求尽可能地减小其质量。上一页下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序2.2.3机械零件的设计方法及一般步骤1．机械零件的设计方法机械零件的常规设计方法可概括地划分为以下几种。（1）理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计，称为理论设计。理论设计又可分为设计计算和校核计算两类。上一页下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序（2）经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者本人的工作经验用类比的办法所进行的设计称为经验设计。（3）模型实验设计对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法，即把初步设计的零部件或机器制成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步修改，从而达到完善，这样的设计过程称为模型实验设计。上一页下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序2．机械零件设计的一般步骤

机械零件设计的一般步骤如下所示。(1)根据零件的使用要求，选择零件的类型和结构，对各种零件的不同类型、优缺点、特性与使用范围等进行综合对比并正确选用。(2)根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。(3)根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件可能的失效形式，从而确定零件的设计准则。上一页下一页返回2.2机械零件计算准则和一般设计程序(4)根据零件的工作条件及对零件的特殊要求(如在高温下或在腐蚀性介质中工作等)，选择适当的材料。(5)根据设计准则进行有关计算，确定出零件的基本尺寸。(6)根据工艺性及标准化等原则进行零件的结构设计。(7)零件结构细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性。(8)画出零件的工作图，并写出计算说明书。设计计算的数值除少数与几何尺寸精度要求有关外，一般以两位或三位有效数字的计算精度为宜。上一页返回2.3机械零件的材料及热处理2.3.1机械零件常用材料1．钢钢是指含碳量小于2％的铁碳合金。钢制零件的毛坯可由锻造、辗轧、冲压、焊接或铸造等方法获得。按化学成分，钢分为碳素钢和合金钢。按用途，钢又分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢用于制造一般的零件，是机电设备中用得最多的材料之一；工具钢主要用于制造工具量具和模具刃具；特殊钢用于制造有不锈、耐热、耐酸等特殊要求的零件。碳素钢的力学性能主要取决于含碳量。含碳量低于0.25％的为低碳钢，其抗拉强度和屈服强度较低，但塑性和可焊性好；含碳量在0.25％～0.6％的是中碳钢，它有较高的强度，又有一定的塑性和韧性，综合力学性能较好；含碳量在0.6％以上的为高碳钢，其强度高韧性低，弹性好塑性差。下一页返回2.3机械零件的材料及热处理2．铸铁铸铁是指含碳量大于2％的铁碳合金，它的铸造工艺性好，适于形状复杂的零件，而且价格低廉。缺点是抗拉强度、塑性和韧性较差，不能锻造或辗轧。铸铁有灰铸铁(牌号前冠以字母HT)、球墨铸铁(QT)、可锻铸铁(KT)等。灰铸铁除铸造性能良好外，其切削性、减摩性、减振性也较好，抗压强度约为抗拉强度的四倍，常用作受压载荷、尺寸大、形状复杂的零件，如箱体、机座、带轮等。球墨铸铁因所含石墨成球状而得名，其力学性能接近于低碳钢，常用来替代钢，制造曲轴等承受冲击载荷且形状复杂的零件。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理3．有色金属材料机械零件常用的有色金属材料主要有铜、铝、锌及其合金和轴承合金等。（1）铜合金铜合金不仅具有良好的减摩、耐磨性，还具有优良的导电、导热、耐腐蚀和延展性。铜合金分黄铜和青铜两种。（2）轴承合金轴承合金又称巴氏合金，是锡、铅、锑、铜等的合金，具有优良的减摩、耐磨、导热性，是滑动轴承衬的专用材料。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理4．粉末冶金材料粉末冶金材料是用铁、铜等金属粉末(或某些非金属粉末)压制成形，再经高温烧结而成。其特点是呈多孔状、能贮油而成为自润滑材料；耐磨性、透过性好；工艺性能和材料利用率高；成本低。在机械设计中，粉末冶金可作为减摩材料、摩擦材料和过滤材料。5．非金属材料工程塑料、橡胶、皮革、陶瓷、木材、石材等都是非金属材料。工程塑料具有重量轻、绝缘、耐热、耐蚀、耐磨，注塑成型方便等优点，近年来得到广泛的应用。橡胶除具有弹性、能缓冲吸振外，还具有耐磨、绝缘等性质，多用于制造胶带、密封垫圈、轮胎和减振零件等。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理6．复合材料

复合材料是由两种或两种以上的金属或非金属材料复合而成的一种新材料。如用金属、陶瓷、塑料等材料作基材，用纤维强度很高的玻璃、石墨、硼等作为纤维，复合成各种纤维增强复合材料，可用于制造压力容器和车辆外壳等。目前复合材料的成本高、产量低、应用少。但它代表了材料科学与工业发展的方向。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理2.3.2钢的热处理常用的热处理方法有退火、正火、淬火及回火、表面热处理等。1．退火退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉冷却的热处理方法。2．正火正火的方法与退火相似，但正火时钢是在空气中冷却。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理

3．淬火及回火淬火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在水或油中快速冷却的一种热处理方法。淬火后，钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力，脆性也相应增加。为了减小内应力、脆性和获得良好的机械性能，淬火后一般均需回火。回火是将淬火钢重新加热到某一低于临界的温度，保温一段时间，然后冷却下来的热处理方法。回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理4．表面热处理表面热处理是强化零件表面的重要手段，常用的有表面淬火和化学热处理两种。表面淬火是将零件表面迅速加热到淬火温度，不等热量传至中心，即快速冷却的热处理方法。加热方法有表面火焰加热和感应电流加热等。化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素(如碳、氮、铬、铝、硼等)的介质中加热保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。根据渗入元素的不同，有渗碳、氮化和氰化等。上一页下一页返回2.3机械零件的材料及热处理2.3.3选择机械零件材料的原则在机械设计中，零件材料的选择是一个很重要的问题。选择时，主要应考虑以下三个方面：

1．使用要求

2．工艺要求3．经济性要求上一页返回2.4机械零件的结构工艺性及标准化2.4.1工艺性有关工艺性的基本要求是：1.毛坯选择合理2.结构简单合理3.规定适当的制造精度及表面粗糙度下一页返回2.4机械零件的结构工艺性及标准化2.4.2标准化标准化是指以制订标准和贯彻标准为主要内容的全部活动过程。标准化的原则是统一、简化、协调、选优（优化）。我国的标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准四级。公差与配合、表面粗糙度和优先数系都有国家标准。就机械零部件而言，已颁布有联接件（如螺钉、键、铆钉等）、传动件、润滑件、密封件、轴承、联轴器等标准。零件的标准是在总结了先进生产技术和经验的基础上而制订出来的。因此，如无特殊需要，设计时就必须采用这些标准。上一页返回第3章平面机构的自由度计算3.1平面机构的组成3.2平面机构运动简图3.3平面机构的自由度3.1平面机构的组成3.1.1构件

机械中每一个独立的运动单元体称为一个构件。它可以是若干个零件（机械中不可拆卸的基本单元体）的刚性组合体。也可以是一个单独的刚性零件。例如图1-2所示的内燃机连杆在内燃机中是作为一个整体运动的，所以它是一个构件，它分别由连杆头1，螺母2，螺栓3，连杆体4，等零件组成的。下一页返回3.1平面机构的组成3.1.2运动副及类型机械中的各构件彼此都不是孤立的，而是以一定方式互相联接，但这种联接不应是刚性的，而应保证它们之间仍能产生某种相对运动。凡使两个构件直接接触而又能有一定相对运动的联接称为运动副。如图3-1，图3-2，图3-3所示。运动副的代表符号见表3-1。上一页下一页返回3.1平面机构的组成构成运动副时，两构件上参与接触的部分（点、线或面），称为运动副的元素。运动副，称为高副，如图3-3中的1和2构件组成的运动副。平面低副按其相对运动形运动副的类型很多，按构件间相互接触方式不同可分为高副，低副。两构件组成面接触的运动副，称为低副，如图3-1、图3-2中的1和2构件组成的运动副。两构件组成点或线接触式分为回转副和移动副。只能使构件作相对转动的低副称为回转副，如图3-1中的1和2构件组成的运动副。只能使构件作相对移动的低副称为移动副，如图3-2中的1和2构件组成的运动副。上一页下一页返回3.1平面机构的组成3.1.3运动链

由两个以上的构件通过运动副的联接所构成的系统称为运动链。如果运动链的各构件构成首末封闭的系统，如图3-4（a）、（b），则称为闭式运动链或简称为闭链。闭链中只有一个封闭形的链，如图3-4（a），称为单环闭链；有两个封闭形的链，如图3-4（b），则称为双环闭链，依此类推。如果运动链的各构件没有构成首末封闭的系统，如图3-4（c），则称为开式运动链或简称为开链。

在各种机构中，一般多采用闭链。开链多用于机械手或机器人的传动中。上一页下一页返回3.1平面机构的组成3.1.4平面机构的组成任何机构都是由若干个构件通过运动副相联接而组成的，而且必定有一个固定构件作为机架；有一个（或几个）原动件，从而使其余各个构件之间都能产生完全确定的相对运动。

按照组成机构的各构件之间的相对运动为平面运动或空间运动，可以将机构分为平面机构和空间机构两大类。平面机构是指各构件均在互相平行的平面内运动的机构。上一页返回3.2平面机构运动简图在作机构的分析或综合时，常需把复杂的机构用一些简单的线条和规定的符号表达，该图形具有确定的比例，能反映机构组成和相对运动关系，并可据此做运动分析，这样的图形称为机构运动简图。机构运动简图所要表示的主要内容是：运动副的类型和数目、构件的数目及运动尺寸。运动副、构件以及常用机构的代表符号参见表3-1。下一页返回3.2平面机构运动简图绘制机构运动简图步骤为：1.分析机构的组成，判断机构的原动件、从动件及原动件运动方向。2.分析机构运动，判断机构中各构件的运动尺寸及运动副的类型。3.恰当地选择投影面，以能够简明地把机械的结构及运动情况表示清楚为原则。4.选择适当的比例尺用简单的线条和各种运动副的代号将机构运动简图画出来。上一页下一页返回3.2平面机构运动简图〔例3-1〕

图3-5（a）所示为一颚式碎矿机。当曲轴1绕轴心O连续回转时，动颚板5绕轴心F往复摆动，从而将矿石轧碎。试绘制此碎矿机的机构运动简图。解：先找出碎矿机的原动部分为曲轴1，工作部分为动颚板5，然后按运动传递的路线可看出，此碎矿机是由曲轴1、构件2、3、4及动颚板5和机架6等六个构件组成。其中曲轴1和和机架6在O点构成转动副，曲轴1和构件2也构成转动副，轴心在A点。而构件2还与构件3、4在D、B两点分别构成转动副，构件3还与机架6在E点构成转动副，动颚板5与构件4和机架6分别在C点和F点构成转动副。将碎矿机的组成情况及运动情况搞清楚后，再选定投影面和比例尺，并定出转动副O、A、B、C、D、E、F的位置，即可绘出其机构运动简图，如图3-5（b）所示。上一页返回3.3平面机构的自由度3.3.1平面机构自由度的计算机构具有确定运动的独立运动参数称为机构的自由度。机构自由度与机构中构件的个数，运动副的个数及类型有关。一个作平面运动的自由构件具有3个独立的运动，见图3-6。即沿x轴、y轴移动及绕垂直于xoy面轴线的转动。构件具有确定运动的独立运动参数称为构件自由度。一个作平面运动的自由构件具有3个自由度。当它与另一构件组成运动副后，其运动就受到了约束，其自由度数随之减少，不同类型的运动副带来的约束不同。如图3-1中转动副限制了2相对1沿x轴y轴移动，引入两个约束。如图3-2移动副中，限制了2相对1沿垂直于导路的移动及相对转动，引入两个约束。如图3-3高副中，限制了2相对1沿法线的移动，引入一个约束。下一页返回3.3平面机构的自由度如设平面机构共有n个活动构件（不包括机架），当此机构的各构件尚未通过运动副联接时，显然它们共有3n个自由度。当两构件构成运动副之后，它们的运动就将受到约束，其自由度将减少，自由度减少的数目等于运动副引入的约束，因此，如果在该机构中，各构件间共构成了pL个低副和pH个高副，那么它们将共引入（2pL+pH）个约束。于是，该机构的自由度应为上一页下一页返回3.3平面机构的自由度3.3.2机构具有确定运动的条件为了按照一定的要求进行运动的传递及变换，当机构的原动件按给定的运动规律运动时，其余各构件的运动都应是完全确定的。显然，不能运动或无规则乱动的运动链都不是机构。那么，一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢？下面我们来分析两个例子。图3-7所示为由四个构件组成的一个曲柄滑块机构。在此机构中，如果给定一个独立的运动参数，例如，构件1角位移规律为

，则不难看出，此时其余各构件的运动是完全确定的。上一页下一页返回3.3平面机构的自由度图3-8所示为由五个构件组成的一个铰链五杆机构。在此机构中，如果也给出一个独立的运动参数。例如构件1的角位移规律为

，此时构件2、3、4的运动并不能确定，当构件1占有位置AB时，构件2、3、4可以占有位置BC、CD及CE；也可以占有位置

、

及

；或者其它位置。但是如果再给出另一个独立的运动参数，如构件4的角位移规律φ=φ4（t），即同时给定两个独立的运动参数，则不难看出，这时此五杆机构各构件的运动便完全确定了。显然上述曲柄滑块机构的自由度为1，而铰链五杆机构的自由度为2。对于自由度为1的机构，只要给定一个独立的运动参数，其所有构件的运动便是完全确定的。而对于自由度为2的机构，则必须同时给定两个独立的运动参数，其所有构件的运动才是完全确定的。通常机构的原动件都是和机架相联的，对于这样的原动件，一般一个原动件只能给定一个独立的运动参数，综上所述，机构具有确定运动的条件是：机构原动件数等于机构自由度数。上一页下一页返回3.3平面机构的自由度3.3.3计算平面机构自由度的注意事项1．复合铰链两个以上的构件同时在一处以转动副联接，即构成了所谓复合铰链。图3-9所示就是3个构件在一处以转动副相联接而构成的复合铰链。2．局部自由度

在有些机构中，某些构件所能产生的局部运动的自由度称为局部自由度。例如在图3-10（a）所示的凸轮机构中，在推杆2上装有一滚子3，与凸轮1保持高副接触。此时该机构的自由度为F=3n-2PL-PH=3×3-2×3-1×1=2上一页下一页返回3.3平面机构的自由度但是，滚子3绕其轴C的转动显然并不影响其它构件的运动，该机构以凸轮为原动件，便具有确定运动，，即自由度数为1，所以它只是一种局部自由度。如果我们设想将滚子3与推杆2焊在一起，如图3-10（b）所示，显然机构的运动与前并无不同，而此时该机构的自由度则为

F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1×1=1

由此可见，可以认为此机构实际的自由度为1。上一页下一页返回3.3平面机构的自由度3．虚约束机构中，因某种需要出现的重复性的约束，对机构的运动不起新的限制作用，这类约束称为虚约束。在图3-11（a）所示的平行四边形机构中，连杆2作平移运动，BC线上各点的轨迹均为圆心在AD线上而半径等于AB的圆弧。该机构的自由度为

F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1上一页下一页返回3.3平面机构的自由度

如果在该机构上再加上一个构件5，与构件1、3平行而且长度相等，如图3-11（b）所示，显然这对机构的运动并不会产生任何影响，但此时机构的自由度却变为

F=3n-2PL-PH=3×4-2×6-0=0机构中的虚约束常发生于下列情况：（1）如果两构件在某点相联接而构成运动副，且当设想把该运动副拆开后，在机构的运动过程中，该联接点对于两构件来说其轨迹是重合的，则此联接引入的约束必为虚约束。图3-12(b)所示的机构就是这种情况。上一页下一页返回3.3平面机构的自由度（2）在机构运动的过程中，如果其两构件上的两点之间的距离始终保持不变，那么若将此两点以构件相联接，则因此而带入的约束必为虚约束。（3）如两构件在几处接触而构成移动副，且各接触处两构件的相对运动方向一致,如图3-14所示机构中的移动副D、D′，或者两构件在几处配合而构成转动副，且各配合处的轴线重合（如图3-15所示机构中的转动副A、A′及B、B′），则应只考虑一处所引入的约束，而将其余各处所引入的约束视为虚约束。（4）功能和尺寸完全相同的构件，只有一组起独立传递运动的作用，其余各组常引入虚约束。如图3-16所示行星轮系，为了受力均衡而采用三个行星轮对称布置，实际上只需一个行星轮便能满足运动要求。在这里，每添加一个行星轮（包括两个高副和一个低副）便引入一个虚约束。上一页下一页返回3.3平面机构的自由度例3-3试计算图3-17所示大筛机构的自由度。解：图中滚子具有局部自由度。E和E＇为两构件组成的导路平行的移动副，其中之一为虚约束。C处为复合铰链。在计算自由度时，将滚子F与构件3看成是焊接在一起的整体，即消除局部自由度，再去掉移动副E、E＇中的任一个虚约束，则可得到该机构的可动构件数，

，低副数

，高副数

，按式1-1得：因自由度为2，所以原动件数为2，这样机构才有确定运动。上一页返回图3-1回转副及表示符号返回图3-2移动副及表示符号返回图3-3高副及表示符号返回图3-4运动链返回表3-1运动简图中的常用符号返回图3-5颚式碎矿机及其运动简图返回图3-6平面运动构件返回图3-7曲柄滑块机构返回图3-8铰链五杆机构返回图3-9复合铰链返回图3-10虚约束返回图3-11椭圆仪返回图3-12平行四边形机构返回图3-13移动副虚约束返回图3-14转动副虚约束返回图3-15行星轮系中的虚约束返回图3-16大筛机构返回第4章机械中的摩擦及机械效率4.1机械的摩擦4.2机械的效率4.1机械的摩擦4.1.1移动副中摩擦力

如图4-1(a)所示，滑块1与平面2（水平放置）构成移动副。设滑块1作用于平面2上的载荷为

，则滑块1将受到由平面2作用来的正压力

（脚注“21”表示构件2作用于构件1的力）。此时，若滑块1在外力

的作用下相对于平面2向右移动（

表示构件1相对于构件2的相对速度），则滑块将受到平面2作用的摩擦阻力

（

与

方向相反）。根据库仑定律知F21=fN21(4-1)式中

为摩擦系数，它因运动副两元素配对材料的不同而异。不同配对材料的摩擦系数可以从有关手册中查取。下一页返回4.1机械的摩擦如图4-1(b)所示，若两构件沿一槽型角为2θ的水平槽面接触，则两接触面所受的正压力在铅垂方向的分力之和等于外载荷Q

，即N21sinθ=Q，于是得：(4-2)如令

，则上式可写为上一页下一页返回4.1机械的摩擦由以上分析可见，不论互相接触的运动副元素的几何形状如何，两元素间生产的滑动摩擦力均可用通式F21=fvQ来计算，fv与运动副两元素的接触情况有关。

式中fv

称为当量摩擦系数。在对运动副中的作用力进行分析时，为了简化起见，一般是将正压力

和摩擦力F

以其合力R

（即所谓总反力）来代替。如图4-1(a)所示，移动副中总反力R21的作用线可以根据以下两个条件来确定：上一页下一页返回4.1机械的摩擦（1）R21

与N21

之间的夹角为当量摩擦角

；（2）R21

与v21之间所夹的角为钝角。又如图4-2所示，若滑块1所受的外加驱动力P与其相对于水平面2的移动速度v12的方向并不一致，而成一夹角

（我们称该角为压力角，而其余角

称为传动角），显然，此时力P的水平分力P才是推动滑块1运动的有效分力，其值为上一页下一页返回4.1机械的摩擦力P的垂直分力Pn不仅不会使滑块1产生运动，而且还将使滑块1和平面2的接触面之间产生摩擦力以阻止滑块1的运动，其所能引起的最大静摩擦力为

如图4-2(b)所示，当

时，由式（4-4）和（4-5）可知，此时将有上一页下一页返回4.1机械的摩擦此式说明，在

的情况下（这是驱动力P的作用线在摩擦角α之内），不管驱动力P如何增大（方向维持不变），其有效分力总小于由本身所引起的最大静摩擦力，因而滑块1总不会发生运动，这就是发生了所谓自锁现象。上一页下一页返回4.1机械的摩擦4.1.2转动副中摩擦1.径向载荷转动副图4-3为承受径向载荷的转动副摩擦计算模型，Q、Md，分别为构件1加有的径向载荷和驱动力矩，构件1匀速转动，

为构件1的半径，受力分析如图示。Ff21和FN21合成R21并与Q、Md平衡得：上一页下一页返回4.1机械的摩擦FN21不产生力矩，因过回转重心。因为所以以

ρ为半径的圆称为摩擦圆。上一页下一页返回4.1机械的摩擦2.轴向载荷转动副构件1与构件2相接触的面积为：因为上一页下一页返回4.1机械的摩擦上一页返回4.2机械的效率4.2.1机械效率机械中输出功与输入功的比值称为机械效率。其中：Md—驱动力功（J）Wr—输出功（J）Wf—损耗功（J）下一页返回4.2机械的效率将式（4-10）中Wr和Wd同时除时间得：其中：Pr—输出功（w）Pf—损耗功率（w）Pd—输入功率（w）又因为

所以η

＜1上一页下一页返回4.2机械的效率4.2.2机器或机组的效率（1）串联其中①、②③④…可以看成若干个机构或若干个运动副。串联时，将各部分效率连乘得总效率。其中一部分低，整个效率就低。

上一页下一页返回4.2机械的效率（2）并联由式（4-15）所知，Pi的值越大，权重ηi影响就大。上一页下一页返回图4-1两种移动副返回图4-2自锁条件分析返回图4-3径向载荷转动副摩擦计算模型返回图4-4轴向载荷转动副摩擦计算返回图4-5运动副串联返回图4-6运动副并联返回图4-7运动副混联返回第5章平面连杆机构5.1平面连杆机构的特点、类型及应用5.2平面四杆机构的演化5.3平面四杆机构的基本特性5.4平面四杆机构的设计5.1平面连杆机构的特点、类型及应用5.1.1平面连杆机构的特点平面连杆机构虽然在总体结构上不如高副机构简单，但其传力大、易加工，所以应用较多。具体特点有：1)能够实现多种运动形式的转换和得到各种复杂的运动轨迹，容易满足生产工艺提出的各种运动要求。2)运动副元素为圆柱面或平面，几何形状简单，便于加工制造。3)运动副均为面接触，适于传递较大的动力，构件的使用寿命较长。下一页返回5.1平面连杆机构的特点、类型及应用4)构件间的相互接触是依靠运动副元素的几何形状来保证的，不需要增添其它附加零件来做运动的工艺保证。5)当构件数目较多或制造精度较低时，机构的运动累积误差较大，会影响运动准确性。6)机构中某些构件的运动速度是变化的，产生惯性力，且不易平衡掉，因而会引起冲击或振动。当机构运动速度较高时，这种冲击或振动更为严重。上一页下一页返回5.1平面连杆机构的特点、类型及应用5.1.2平面连杆机构的类型根据构件的数目来划分，平面连杆机构可分为二杆机构、三杆机构、四杆机构和多杆机构等类型。1.二杆机构平面二杆机构是一个运动构件以低副与机架相连接（见图5-1），如常见的水泵以及砂轮机、电风扇等，是平面机构中最简单的型式。2.三杆机构平面三杆机构在上述二杆机构基础上，再以低副串接一个运动构件（见图5-2），如高空观览车以及某些抓斗机和高空作业装置，也是比较常见的平面机构。上一页下一页返回5.1平面连杆机构的特点、类型及应用3.四杆机构从闭式链的角度来看，平面连杆机构中最简单、最基本的型式是平面四杆机构。如图5-3所示的雷达仰角调节机构。平面四杆机构的类型包括：铰链四杆机构、含一个移动副的四杆机构、含两个移动副的四杆机构、具有偏心轮的四杆机构。全部运动副均为转动副的平面四杆机构称为铰链四杆机构，如图5-4所示。上一页下一页返回5.1平面连杆机构的特点、类型及应用铰链四杆机构是平面四杆机构的基本形式，在图5-4中：杆件4为非运动构件，称为机架；与机架相连的杆件1和杆件3称为连架杆；杆件2连接2个连架杆，称为连杆。4.多杆机构一般的多杆机构可以看成是由多个四杆机构所组成。图5-5为牛头刨床的运动简图，它属于多杆（六杆）机构，而六杆机构可以看成是由两个四杆机构串接而成，见图5-6。上一页下一页返回5.1平面连杆机构的特点、类型及应用5.1.3平面连杆机构的应用在工农业生产及人们的日常生活中，平面连杆机构的应用非常广泛，部分具体应用举例见图5-7~图5-12。上一页返回5.2平面四杆机构的演化5.2.1机构类型的演化在铰链四杆机构中，由于连架杆可按其运动形式分为曲柄和摇杆，所以从这个角度讲，铰链四杆机构可分为三种基本类型：曲柄摇杆机构（机构中有一个曲柄，是四杆机构的最基本型式）、双曲柄机构（机构中有两个曲柄）和双摇杆机构（机构中无曲柄）。针对铰链四杆机构有无曲柄和有几个曲柄的问题，首先来讨论一下曲柄的存在条件。下一页返回5.2平面四杆机构的演化图5-13是存在一个曲柄的铰链四杆机构，杆1为曲柄，杆2为连杆，杆3为摇杆，杆4为机架。各杆长度以a、b、c、d表示。曲柄1为了保证能够整周回转，它必须要顺利通过与机架4共线的位置。当曲柄处于AB′位置时，形成△B′C′D。根据三角形任意两边之和必大于（等于）第三边的定理可得上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化当曲柄处于AB″位置时，形成△B″C″D。可写出以下关系式a＋d≤b＋c

（5-3）将式（5-1）、（5-2）、（5-3）两两相加可得a≤b，a≤c

，a≤d上述关系说明，a是最短杆；曲柄存在的必要条件是：机构中最短杆与最长杆长度之和（a＋d）小于或等于其余两杆之和。（否则运动链中没有周转副，则不存在曲柄。）上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化在图5-13的条件下，既然杆件1可以整周回转，根据相对运动原理，杆件2和杆件4相对杆件1也可以整周回转，即：铰链四杆机构在满足曲柄存在的必要条件下，最短杆杆件1两端的转动副都是周转副。同理，由于杆件3只能摆动，则杆件2和杆件4相对杆件3也只能作小于3600的摆动，即：杆件3两端的转动副都是摆转副。上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化因此，当机构最长杆与最短杆长度之和小于或等于其余两杆之和时，取不同杆件为机架，机架上的周转副的数量会不同，就可以得到不同类型的铰链四杆机构：取最短杆相邻的构件（杆件4或杆件2）为机架时，机架上有1个周转副，可得到1个曲柄（即最短杆杆件1），故两种情况下均为曲柄摇杆机构；取最短杆为机架，机架上有2个周转副，此时连架杆杆件2和杆件4均为曲柄，故为双曲柄机构；取最短杆的对边杆件3为机架，机架上没有周转副，连架杆杆件2和杆件4均不能作曲柄，故为双摇杆机构。上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化由此说明，曲柄存在的充分条件是：最短杆做机架或连架杆。否则，即使运动链中有周转副，但是周转副没有出现在机架中，机构也不存在曲柄。平面四杆机构的常见类型见表5-1。上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化5.2.2转动副的演化具体演化原理及过程如下：1.转动副扩大成偏心轮当曲柄摇杆机构中的曲柄长度很小时，通常把曲柄做成偏心轮（或曲轴），如图5-14所示。即将转动副B的半径扩大，包含了转动副A，A点到转动副B的几何中心的距离为偏心距e，这个偏心距就是原来曲柄的长度，其功能也与曲柄的功能相同。上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化2.转动副演化成移动副在图5-15（a）所示曲柄摇杆机构中，当曲柄1绕轴A回转时，摇杆3上C点的运动轨迹是以D点为圆心、以摇杆长度为半径所做的圆弧。在图（b）中，将摇杆3做成弧形滑块形式，在机架上作出弧形槽，弧形槽与弧形滑块紧密联接，以保证运动状态不发生变化，此时已出现移动副的雏形。若将弧形槽的半径增加至无穷大，见图（c），转动副D的中心移至无穷远处，C点的运动轨迹将变为直线，弧形槽成为直槽，转动副D转化成移动副，铰链四杆机构已演化为曲柄滑块机构。上一页下一页返回5.2平面四杆机构的演化铰链A垂直于滑块移动导路的距离e称为偏置距，存在偏置距（e≠0）的曲柄滑块机构称为偏置曲柄滑块机构。图（d）中e

=0，这样的机构称为对心曲柄滑块机构。这种有一个滑块的四杆机构，调节各杆件的长度并选取不同杆件做机架，就可以得到不同的机构类型；若以两个移动副代替铰链四杆机构中的两个转动副，便可得到有两个滑块的四杆机构。

上一页返回5.3平面四杆机构的基本特性5.3.1急回特性以曲柄摇杆机构为例（见图5-16），设曲柄AB为原动件，以等角速度ω回转；则摇杆CD为从动件，在摆角φ的范围内摆动。曲柄AB在回转时，摇杆CD所对应的两个极限位置C1D和C2D恰好运动一个来回。这两个极限位置对应曲柄位置所夹的锐角θ称为极位夹角。极位夹角θ≠0的平面四杆机构，其摇杆来回两个方向运动的平均速度v1与v2是不相等的，这种特性称为急回运动或急回特性。这种特性的大小，我们用v2与v1的比值即行程速比系数K来表示，则：

下一页返回5.3平面四杆机构的基本特性而四杆机构有无急回运动，取决于有无极位夹角。当θ=0时无急回运动；当θ≠0时则有急回运动，而且θ角越大，K值越大，急回特性越明显。图5-17所示偏置曲柄滑块和摆动导杆机构都具有急回运动的特性。四杆机构的这种急回特性，在机器中可以用来节省空回行程的时间，以提高工作效率。如牛头刨床、往复式输送机等。上一页下一页返回5.3平面四杆机构的基本特性5.3.2压力角和传动角在图5-18所示的曲柄摇杆机构中，曲柄AB通过连杆BC将作用力传递给摇杆CD上，力的作用点是C点。C点所受的力F，是沿BC的方向作用的，它可以分解为沿C点的线速度方向的分力Ft和沿摇杆DC方向的分力Fn。Fn只能使铰链C、D产生径向压力，而Ft则是推动摇杆运动的有效分力。物体的受力方向与其运动的线速度方向所夹的锐角α称为压力角，有效分力的大小等于作用力与压力角余弦值的乘积。即:Ft=Fcosα上一页下一页返回5.3平面四杆机构的基本特性可见，有效分力Ft的大小取决于压力角α的大小，α越小，Ft越大。因为力的作用点C点的位置是变化的，则C点的受力方向和运动方向也是变化的。所以，平面四杆机构的压力角α随着C点的位置变化而变化。在实际应用中，人们通常用传动角来描述机构的传力性能，传动角γ是连杆与从动件之间所夹的锐角，即压力角α的余角。则：

Ft=Fcosα=Fsin（90°-α）=Fsinγ即：γ越大，α越小，Ft越大。

上一页下一页返回5.3平面四杆机构的基本特性5.3.3死点图5-19所示的四杆机构中，在摇杆CD为主动件、曲柄AB为从动件的条件下，当摇杆CD处于两个极限位置时，连杆BC与曲柄AB共线（B1AC1和AB2C2），两点处出现了传动角γ=0的情况。机构的这种位置称为死点位置。机构存在死点的条件是曲柄作从动件，且与连杆共线。机构是否具备这个条件，是判断机构有无死点的依据。上一页下一页返回5.3平面四杆机构的基本特性在生产和生活当中，如脚踏砂轮机（图5-20）、家庭缝纫机等，都不难见到“死点”现象：启动时踏不动或出现“倒车”，需要借助手力搬动转动轮使其通过死点位置。工程实践中，也常常利用机构的死点位置来实现某些作业要求，如图5-21所示的飞机起落架机构，利用死点克服机轮受力，使起落架不会在工作状态折回；图5-22所示的钻床工件夹紧机构，利用死点位置夹紧工件，使工件不会松脱。上一页返回5.4平面四杆机构的设计5.4.1图解法利用图解法设计平面四杆机构，主要是按给定的行程速比系数或按给定的连杆位置确定机构运动简图的参数。1.按给定的行程速比系数K设计四杆机构以三种常见的急回机构的设计方法和步骤为例进行介绍。●曲柄摇杆机构设计已知条件：摇杆的长度l

CD、摆角φ和行程速比系数K。主要设计内容：确定曲柄回转中心A点的位置、曲柄长度l

AB，以及其它杆长l

BC和lAD。下一页返回5.4平面四杆机构的设计设计步骤：（见图5-23）（1）由给定的行程速比系数K计算极位夹角θ，θ=180°[（K-1）/（K+1）]；确定合适的作图比例；（2）在图面适当位置确定摇杆回转中心D，并根据已知的lCD、φ确定C点的两个极限位置C1、C2；（3）连接C1C2两点。过C2点作一直线，与线段C1C2夹角成90°-θ，过C1点作线段C1C2的垂线，两线交于P点，即∠C1PC2=θ；上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计（4）作△PC1C2的外接圆，在优弧上选择A点的位置；（5）连接A点与C1、C2两点，确定B1B2点，使

（6）在图上量取AD长度，验证γmin≥[γ],并确定机构类型是否满足要求，再按比例计算出各杆件的实际长度。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计●偏置曲柄滑块机构设计已知条件：滑块冲程H、偏距e、行程速比系数K。设计内容及步骤与曲柄摇杆机构大致相同（见图5-24），其不同之处是：

根据滑块冲程H确定C点的两个极限位置C1、C2；作△PC1C2的外接圆。根据偏距e作线段C1C2的平行线交外接圆上一点A。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计●摆动导杆机构设计已知条件：机架长度d、行程速比系数K。主要设计内容：确定曲柄长度AC和摆角ф。设计步骤：（见图5-25）(1)由给定的行程速比系数K计算极位夹角θ；（由图5-25可证：极位夹角与摆角大小相等，即θ=ф）确定合适的作图比例；上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计(2)在图面适当位置确定摆杆铰链中心D，作∠mDn=ф；图5-25摆动导杆机构(3)作摆角的平分线ф。根据机架长度d在角平分线上取DA=d，A点为曲柄回转中心；

(4)过A点作线段Dn与Dm的垂线AC1与AC2，两垂线长度均为曲柄长度a即AC；(5)按比例将图面上线段长度计算成实际长度。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计●给定连杆两个位置图5-26所示铸造车间翻台振实造型机的翻转机构，用一铰链四杆机构实现翻台的两个工作位置。当机构处于位置Ⅰ时，放有砂箱7的翻台8在振实台9上造型振实；当活塞6向左推动，通过连杆5使摇杆2摆动一定角度时，即可将翻台与砂箱转到位置Ⅱ；同时，托台10上升接住砂箱起模。连杆3与翻台固联。

已知：连杆的两个工作位置

和

。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计要求：确定两连架杆的固定铰链中心A和D的位置，并求出杆AD、AB、CD的长度。分析：连杆3上B、C两点轨迹可以设计成圆弧曲线，其圆心A、D必在线段B1B2和C1C2的垂直平分线b12、c12上，因此设计步骤如下：(1)根据给定的已知条件，取适当比例画出连杆3的两个位置

和

；(2)分别连接B1和B2、C1和C2，并作其垂直平分线b12和c12；(3)A和B两点可分别在b12和c12两线上任意选取。在实际设计时，还应考虑其它辅助条件，如使机械在运转中的最小传动角、各杆尺寸所允许范围或其它结构上的要求等；(4)联接AB1C1D，即得所要求的四杆机构。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计●给定连杆三个位置图5-27中，已知：连杆的三个工作位置

、

、

，求作四杆机构。由已知条件可知，活动铰链B、C两点的相对位置已定，所以四杆机构设计的主要任务仍然是求出两固定铰链A和D的位置。连杆上的铰链B和C的轨迹分别设计成圆弧曲线，而同时经过三点B1、B2、B3（或C1、C2、C3）的圆只有一个，因此A和D的位置是确定的。即线段B1B2和B2B3的垂直平分线的交点A，以及线段C1C2和C2C3的垂直平分线的交点D。联接AB1C1D（或AB2C2D、AB3C3D）即为所求的四杆机构运动简图。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计5.4.2解析法用解析法设计平面四杆机构的任务是：当给定或导出从动件的运动规律ψ=F(ф)或某一轨迹Y=f（X）以后，选择适当的机构参数（如杆长、铰链和导路中心位置等）以实现运动规律或轨迹。下面以给定两连架杆的对应位置设计四杆机构为例，来了解这一方法的应用（见图5-28）。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计已知连架杆AB和CD相对于机架AD的三组对应位置角φ1与Ψ1、φ2与Ψ2、φ3与Ψ3，如图5-28（a），求作四杆机构。设计的主要内容是求杆长a、b、c、d。图5-28（b）为假定的机构运动简图。首先分析其运动规律。以机架AD为X轴取直角坐标系XAY，令向量a、b、c、d分别代表各杆的长度和位置，各向量相对于X轴的夹角均沿逆时针方向度量；取各向量在X轴和Y轴上的投影，可得关系式上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计将式（5-6）等号两边平方后相加并整理，得令上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计将其代入式（5-7）中，得

式（5-9）便是解析法设计任务中提到的“以机构参数表达运动规律”的方程式。若将已知的运动规律即三组对应位置角φ1与Ψ1、φ2与Ψ2、φ3与Ψ3分别代入上式，就可以解出机构的三个未知参数m

、n

、l

。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计再将求得的

m

、n

、l

代入式（5-8），得前面提到：设计的主要内容是求杆长a、b、c、d。至此，已经找到了a、b、c、d之间的计算关系式，再根据实际结构情况首先确定出机架长度d，即可求得其它杆长。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计5.4.3实验法本章介绍的实验法是用复杂多样的“连杆曲线”来吻合已知轨迹的一种直观设计方法。四杆机构在运动时，连杆作平面复合运动。连杆上任意点的轨迹通常为封闭曲线，其形状随连杆上点的位置以及各构件的相对尺寸不同而变化，可谓多种多样。工程上通常利用“连杆曲线图谱”查找与已知曲线吻合或接近的线样，直接查出对应的四杆机构尺寸，设计便告完成。如果图谱中没有所需曲线，也可利用连杆曲线仪自行设计机构尺寸。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计绘制“连杆曲线图谱”的连杆曲线仪如图5-29所示。仪器中，以曲柄长度AB为一单位长度，各杆长度相对于单位长度均为可调。连杆BC上固定一块不透明的薄板，板上按一定规律排布许多小孔来作为连杆平面上不同点的位置。当曲柄转动时，板上每个孔的运动轨迹就是一条连杆曲线。为了记录这些曲线，利用光束照射的办法将孔的轨迹印在感光纸上，这样就得到了一组连杆曲线。上一页下一页返回5.4平面四杆机构的设计依次改变各杆的长度比例，可作出许多组连杆曲线，将它们按顺序整理编排成册，即成一本连杆曲线图谱。四杆机构各构件相对尺寸变化无穷，图谱很难将这些变化尺寸用尽。所谓利用连杆曲线仪自行设计四杆机构，是指改变图谱中所用的构件相对尺寸，再行实验，直到得出满足设计要求的四杆机构为止。上一页返回图5-1水泵及其运动简图返回图5-2高空观览车及其运动简图返回图5-3雷达仰角调节机构返回图5-4铰链四杆机构返回图5-5牛头刨床返回图5-6串接成牛头刨床六杆机构的两个四杆机构返回图5-7汽车自翻车机构下一页图5-8拖拉机播种机构下一页图5-9轮式车辆前轮转向机构下一页图5-10蒸汽机车车轮联动机构下一页图5-11物料搅拌机下一页图5-12鹤式起重机返回图5-13曲柄的存在条件分析返回表5-1平面四杆机构的常见类型返回图5-14曲柄摇杆机构转动副B的扩大返回图5-15曲柄摇杆机构转动副C演化成移动副返回图5-16曲柄摇杆机构返回图5-17偏置曲柄滑块和摆动导杆机构返回图5-18曲柄摇杆机构的压力角和传动角返回图5-19四杆机构的死点返回图5-20脚踏砂轮机返回图5-21飞机起落架返回图5-22钻床夹紧机构返回图5-23曲柄摇杆机构返回图5-24上偏置曲柄滑块机构返回图5-25摆动导杆机构返回图5-26振实造型机翻转机构返回图5-27给定连杆三个位置设计四杆机构返回图5-28按给定连架杆对应位置设计四杆机构返回图5-29连杆曲线仪返回第6章凸轮机构6.1凸轮机构的特点、应用及分类6.2从动件的运动规律6.3用图解法设计凸轮6.4凸轮机构基本尺寸的确定6.5用解析法设计凸轮6.6凸轮轮廓的加工6.1凸轮机构的特点、应用及分类6.1.1凸轮机构的应用凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个主要构件组成的高副机构。如图6-1所示为内燃机的配气凸轮机构，当凸轮1回转时，其轮廓通过与从动件2的平底接触，使从动件2作往复移动，从而使气阀2开启或关闭（关闭是借助弹簧的作用），以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排出废气。工作中气阀的开启或关闭时间及其速度和加速度都有严格的要求，这些要求均由凸轮1的轮廓曲线来实现。下一页返回6.1凸轮机构的特点、应用及分类图6-2所示为自动送料凸轮机构，凸轮1上具有曲线沟槽，转动时，沟槽侧面推动从动件2往复移动，将待加工毛坯3推到预定的位置。凸轮每转一周，从动件2即从储料器4中推出一个待加工毛坯。图6-3所示为自动机床的进刀凸轮机构，当凸轮1等速回转时，其曲线沟槽侧面将推动从动件2绕点O作往复摆动，通过扇形齿轮驱动刀架实现进刀或退刀运动。上一页下一页返回6.1凸轮机构的特点、应用及分类6.1.2凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，常根据凸轮和从动件的形状及其运动形式的不同进行分类。1.按凸轮的形状分类(1)盘形凸轮如图6-4(a)所示，凸轮是一个具有变化向径的盘形构件。当它绕固定轴回转时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，就演化成了图6-4(b)所示的移动凸轮。当移动凸轮做直线往复运动时，可推动从动件在同一运动平面内运动。上一页下一页返回6.1凸轮机构的特点、应用及分类(2)圆柱凸轮这种凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓(图6-4(c))，或是在圆柱面上开有曲线凹槽（图6-2）的构件。由于凸轮与从动件之间的相对运动是空间运动，且凸轮廓线为空间曲线，故又称为空间凸轮机构。2．按从动件的形状分类(1)尖底从动件。如图6-5(a)所示，从动件与凸轮廓线接触的部分为尖底形状，它能够与任意复杂形状的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件可以精确实现任意复杂的运动规律。上一页下一页返回6.1凸轮机构的特点、应用及分类(2)滚子从动件。如图6-5(b)所示，从动件端部安装有滚子，滚子从动件与凸轮轮廓之间主要为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力，因而应用较广。(3)平底从动件。如图6-5(c)所示，平底从动件与凸轮轮廓之间为线接触，从动件端部为平底形状。上一页下一页返回6.1凸轮机构的特点、应用及分类3．按从动件的运动形式分类从动件相对机架的运动形式只有两种，即直动从动件和摆动从动件。(1)直动从动件如图6-6所示，从动件相对机架作往复直线运动，分为对心直动式(图6-6(a))和偏置直动式两种形式(图6-6(b))。(2)摆动从动件如图6-3所示，从动件相对机架作往复摆动。上一页下一页返回6.1凸轮机构的特点、应用及分类4.按凸轮与从动件保持接触的方式分类根据维持高副接触的方法不同，凸轮机构又可分为以下两类。(1)力封闭所谓力封闭，就是利用重力、弹簧力或其他外力使从动件始终与凸轮轮廓保持接触。(2)几何封闭所谓几何封闭，它是利用高副元素本身的特殊几何形状使凸轮与从动件始终保持接触的。上一页返回6.2从动件的运动规律6.2.1凸轮机构的基本名词术语(1)基圆如图6-8(a)所示，以凸轮的回转中心O为圆心，以凸轮轮廓的最小向径r0为半径所作的圆称为基圆，r0称为基圆半径。(2)偏距圆在偏置直动式凸轮机构中，凸轮回转中心至过接触点的从动件导路之间的偏置距离为e，以回转中心为圆心，e为半径所作的圆称为偏距圆。下一页返回6.2从动件的运动规律(3)推程与推程运动角以及行程凸轮与从动件在点A接触时，从动件处于最低位置。当凸轮以等角速度ω逆时针转动时，从动件与凸轮廓线AB段接触，从动件沿导路由最低位置A运动到最高位置B′，从动件的这一运动过程称为推程，而凸轮相应的转角

称为推程运动角。从动件沿导路移动的最大位移h称为从动件的行程。上一页下一页返回6.2从动件的运动规律(4)远休止与远休止角凸轮继续转动，当从动件与凸轮廓线的BC段接触时，由于BC段是以凸轮回转中心O为圆心的圆弧，所以从动件将处于最高位置而静止不动，此过程称为远休止，凸轮相应的转角

称为远休止角。(5)回程与回程运动角当从动件与凸轮廓线的CD段接触时，它又由最高位置回到最低位置，从动件运动的这一过程称为回程，凸轮相应的转角

称为回程运动角。上一页下一页返回6.2从动件的运动规律(6)近休止与近休止角当从动件与凸轮廓线DA段接触时，由于DA段是以凸轮回转中心O为圆心的圆弧，所以从动件将在最低位置静止不动，此过程为近休止，凸轮相应的转角

称为近休止角。当凸轮继续转动时，从动件又重复上述过程。上一页下一页返回6.2从动件的运动规律6.2.2从动件常用的运动规律常用的从动件运动规律主要有多项式运动规律和三角函数运动规律两大类。1.一次多项式运动规律（等速运动规律）设凸轮以等角速度ω转动，在推程时，凸轮的转角为δ0，从动件完成行程h，当采用一次多项式时，则有上一页下一页返回6.2从动件的运动规律在推程阶段,当

δ=0时,s=0；当δ=δ0

时,s=h。则由式（6-1）可解得待定系数C0=0,C1=h/δ0故从动件推程的运动方程为同理，可求得回程时从动件的运动方程式。回程时从动件的位移s=h逐渐减小到零。于是，得从动件回程的运动方程为上一页下一页返回6.2从动件的运动规律由上述分析可得出为其运动线图（推程部分），如图6-9所示。由图可知，当其从动件采用一次多项式运动规律时，从动件作等速运动，故又称其为等速运动规律。从动件在运动开始和终止的瞬时，因速度有突变，理论上从动件的加速度将出现瞬时无穷大值，致使从动件突然产生无穷大的惯性力，因而使凸轮机构受到极大的冲击，这种冲击称为刚性冲击。当然，由于实际凸轮机构中构件的弹性、阻尼等因素作用，惯性力不可能无穷大，但是惯性力还是相当大的。因此，等速运动规律通常只适用于低速轻载的场合，或对从动件有实现等速运动要求的场合。上一页下一页返回6.2从动件的运动规律2.二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律）当采用二次多项式时，其表达式为式（6-3）表明从动件的加速度为常数。上一页下一页返回6.2从动件的运动规律这时，在推程加速度段：当

δ=0时,s=0,v=0；当δ=δ0/2时，s=h/2

。将其代入式（6-3），可求得待定系数C0=0,C1=0,C2=2h/δ02故从动件等加速推程段的运动方程为式中，

δ的变化范围为0