《机械工程概论》课件-第3章机器与机构

第三章机构、零件与机器第三章【目录】3.1

引言——航天器的展开机构3.2机构、零件、机器的关系3.3机器的组成（以汽车为例）3.4运动链、结构和机构3.4.1运动链3.4.2运动副3.4.3构件和运动副的常用符号3.4.4常用典型机构和机械零件举例习题3.1引言——航天器的展开“机构”苏联早期钻石空间站折叠式太阳帆板的展开机构美国航天局工作人员在测试“朱诺”号木星探测器的太阳能帆板（1）太阳能折叠帆板2012年神州九号飞船。交会对接。216年9月天宫二号。截止2017年中国已发射170颗卫星。太阳能电池1m2，产生100W。帆板1Kg约产生20W电力。神州九号功率1800W，43度电/日。故要求帆板：20m2，100Kg重。（2）天线：航天飞机外侧天线铰接桁架伸展臂球鉸接头纵梁横向框架导向轮组件斜拉索组件铰接接头局部放大球鉸直纵梁导向轮斜拉索横向框架全展开图原理示意图折叠式铰接桁架伸展臂伸开长度60m，而套筒2.92m，折展比大约1:20。3.2

机构、零件、机器的关系曲轴活塞连杆缸体凸轮轴时规齿轮气阀复位弹簧单缸内燃机机械结构表达机构、零件、机器的工程方法

实体图直观、复杂立体图清晰、难绘制机构运动简图简单明了简化为曲轴连杆和凸轮机构机构运动简图（链接Flash）在不同的冲程中活塞、曲轴分时担任主动件。四冲程内燃机曲轴连杆活塞缸体爆炸图缸体零件图四缸四冲程发动机缸体剖面图零件工作图（CAD）机器：是由若干零件有规律地组合起来的。零件：机械中加工制造的单元实体。

机构：在零件组成机器前，要先人为地抽象出来，从功能和力学角度分析。机构是机器创新之源。构件：组成机构的各机件叫构件，是独立运动单元体。具象、实体、工艺加工、应力分析详细设计具体结构类似单词抽象、虚拟、力学&运动原理分析、概念设计、类似语法机构-构件-零件-机器的关系句子+文章连杆组件细分连杆：1个构件，若干个零件构件——机械中独立运动单元体。零件——机械中加工制造单元“实体”。曲轴既是构件，也符合零件的定义；而连杆虽是一个构件，需要若干零件刚性固连成，形成一个整体运动。这是构件-零件的区别之一曲轴：1个构件本身就是1个零件构件、零件的区别3.3机器的组成（以汽车为例）通常由五大部分组成动力系统（原动机）执行系统（工作机）传动系统操纵控制系统辅助系统外围设备机器人系统总体构成——工业机器人（机械臂）机器人控制器机器人示教器现场控制PLC上位机I/O通讯现场总线现场总线路由器力觉传感器视觉传感器以太网操纵系统&控制系统传动系统执行系统（工作机）动力系统（工作机）辅助系统机械运动系统系统边界3.3.1机器的组成框图3.3.2动力系统（工作机）举例海况模拟重型摇摆台（液压驱动）承载：≥40吨幅值：≥

30度3自由度：横摇，纵摇，首摇周期：3～14秒正弦型摇摆运动工作台面尺寸：直径＞8m人工肌肉仿生臂液压泵3.3.3传动系统举例（（1）蜂窝煤压制机）蜂窝煤压制机槽轮分度机构电机皮带传动齿轮传动槽轮传动料斗压孔头工作台曲柄滑块动力从电机开始，经皮带、齿轮减速后分两条线。一路是锥齿轮-槽轮-工作台，驱动工作台做四等分间歇分度。对应四个工位：备料-轮空-压制-出料。另一路由曲柄滑块机构带动压孔头做复合运动。一个是上下分运动，完成蜂窝煤粉的紧实和出料，同时压孔头还贴紧在直线凸轮表面做前后往复分运动，这样每一次压制后压孔头与毛刷接触一次，清理其表面的残渣，刷油，提高蜂窝煤脱模的效率和光洁度。

由上可知，蜂窝煤压制机的传动系统包含了好几个典型的传动类型，如皮带、齿轮、锥齿轮、连杆机构、槽轮、凸轮传动，以及相应的轴系等等。锥齿轮传动（2）直升飞机的传动系统直升飞机传动系统的功能是将发动机的轴输出功率通过减速和换向，转换为执行系统（旋翼和尾桨）的驱动力。直升飞机传动系统通常由五部组成：主减速器、尾减速器、中间减速器、主减速器与发动机之间的动力传动轴组件、尾传动轴组件等等1、3.主轴，2.主减速器，4.通风装置传动轴，5.尾轴，6.中间减速器，7.中间轴，8.尾部减速器3.3.4执行机构举例之一（洗衣机的波轮）3.3.4执行机构举例之二（机器人末端工具）香蕉箱体（录像链接）饮料搬运（录像链接）平板玻璃搬运（录像链接）汽车点焊（录像链接）3.4运动链、结构和机构3.4.1运动链

运动链的组成（以四连杆机构为例）构件运动副

单个构件无法称其为机构。机构一定是多个构件按照一定规则组成的。犹如细胞是组成人体的基本结构和功能单位。细胞组成人体是一级一级构成的。细胞群-组织-器官-人体。构件是机构中独立运动的最小单元体，当于人体细胞的功能，构件是如何组成机构的呢？现在给“运动副”定义——构件之间连接引入的运动约束。“连接”的含义就是彼此关联，学术上称这种关联叫“约束”，它是构件之间合理的连接，形成确定的运动。运动链——两个或两个以上的构件经运动副连接组成的系统称为运动链。然后是机构。点击图形出Flash运动链构件运动副机架机构机构必须有一个构件为机架，有原动件和从动件；运动链要有序、按照一定规则叠加

机构；机构的构件（活动的、固定的）均具有确定的运动。构件有无确定运动，是判定叠加是否符合规则的准绳。运动链如何演变为机构？（条件是传递或变换确定运动）运动链有序叠加机构从动件从动件机架原动件运动链的分类I（按运动特点分类）具有确定的相对运动相对运动不确定无相对运动运动链

机构结构（桁架）一般运动链缝纫机机构

踏板曲轴皮带轮连杆皮带五杆运动链（原动件1）三杆静定结构六杆超静定结构运动链的分类II（按几何构型的特点分类）混链

局部构成封闭图形运动链闭链构成封闭图形开链未构成封闭图形3.4.2运动副（简称关节或铰链）

——由两个构件直接接触组成的可动连接称为运动副。在这里“连接”意含着彼此关联，学术上称这种关联叫“约束”，以保证构件在连接之后会有预设的确定的运动。细胞间的联系结构倚靠细胞质膜。做个比喻，运动副相当于细胞质膜。低副/高副：两构件为面接触/或两构件为点、线接触。转动副移动副齿轮副凸轮副螺旋副球面副3.4.3构件和运动副的常用符号

用简单线条和符号代替构件和运动副，按一定的比例表示各运动副之间相对位置的简单图形称为机构运动简图。设计新机构时须分析机构的组成、自由度和运动特性等等。机构运动简图，可方便地求出机构上各点的速度、加速度、位移等运动参数，同时也可以表达复杂机器的组成和传动原理，便于进行机构的运动和受力分析。本课程后续的内容中会经常借助机构运动简图来开展机构的分析。3.4.4常用典型机构和机械零件举例

3.4.4.1平面四杆机构平面四杆机构应用举例摄像机平台电影抓片机构载人平台cabd雷达天线罩abcd种子斗耕作地面播种机连杆连架杆连架杆机架机架演化Flash连杆机构是由若干个刚性杆件通过转动关节（也称铰链）、移动关节（也称滑道）连接而成。如果构件(包括杆件和关节)上每个点的运动平面相互平行，则称为平面连杆机构。曲轴连杆活塞汽车门开启2搅拌机内燃机曲柄滑块机构汽车门开启1唧筒手柄皮碗压杆喉口拉杆连杆连架杆车门连杆滑块曲柄车门拉杆CBADE卵形曲线燃烧室局部放大录像中四冲程内燃机，冲程-进排气阀的关系：（1）进气冲程：进气阀开启；（2）-（3）压缩冲程和燃烧冲程：进、排气阀均关闭；（4）排气冲程：排气阀开启.开闭气阀就是靠图中位于两侧的配气机构。内燃机配气机构工作细节Flash3.4.4.2凸轮机构

凸轮机构定义：由凸轮1、从动件（气阀）2、机架3，三个基本构件组成的往复运动机构。4是复位弹簧。

凸轮机构的功能是将凸轮连续转动转化为从动件的往复运动或摆动。

凸轮通常匀速转动，而从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线形状。复位弹簧的作用是始终迫使从动件顶紧凸轮轮廓。

配气凸轮机构曲线轮廓的作用是让气阀按特定的规律往复移动，从而保证内燃机燃烧室进排气按照正确的时序开闭。凸轮-从动件属于高副。凸轮机构的工作原理气门凸轮配气细节Flash4凸轮从动件运动规律分析从动件运动规律Flash（1）【反转法】：凸轮逆时针匀速转动，从动件尖顶B始终与轮廓接触，由起始位置B0（对应基圆半径，行程s=0）顺着凸轮轮廓曲线上升，直至离凸轮轴心最远的位置B8（s8=60mm）。称为上升段。（2）然后，由于轮廓曲线进入圆弧段，从动件停止上升（B8～B12），进入“休止”阶段。（3）等待一段时间后，从动件下降，回落到原来的起始位置。【反转法】工作转向S1（绿）:等速运动规律S2（粉）：等加速等减速运动规律S3（蓝）：简谐运动规律S4（黄）：摆线运动规律S5（粉蓝）:多项式运动规律多种凸轮从动件运动规律曲线典型凸轮机构种类举例直线移动凸轮圆柱凸轮滚子从动件尖端从动件平底从动件摆动从动件未开坯的钥匙毛坯钥匙切齿机带齿槽的钥匙成品凸轮机构应用举例实现运动轨迹K，以便先将工件从台架框抬起，平移一个步长再将工件放入台架框，一步一步地向前移送。引入两套凸轮机构来实现K。其中端面凸轮等速转动，顶杆做纵向直线往复移动。同轴的平底盘形凸轮推动顶杆做往复升降，使移载台完成轨迹K。端面凸轮属于空间凸轮。端面凸轮+平底盘形凸轮在空间和时序上实现复杂运动轨迹。移载装置端面凸轮和平底盘形凸轮组合端面凸轮端面凸轮顶杆平底盘形凸轮盘形凸轮顶杆凸轮转向移载台运动轨迹复位弹簧工件台架框定义：主动件连续运转，而从动件完成“运动-停歇-运动”规律的一类机构称为间歇运动机构。间歇运动机构的分类间歇运动机构的类型比较多，主要有以下几类：（1）棘轮机构（自行车的飞轮）（2）槽轮机构（3）凸轮式间歇机构（4）不完全齿轮机构（5）不完全摆线针轮机构（6）连杆式间歇运动机构3.4.4.3间歇运动机构（1）棘轮棘爪机构1.后轮轴2.千斤（棘爪）3.飞轮外套（内棘轮）4.止动爪5.铰接端6.千斤簧（0.4mm弹簧钢丝）骑行方向链条与飞轮外套固结，骑行时带动后轮轴同时转动停止踏板后的相对转动方向321后轮轴与后轮一体如果自行车没有飞轮？蹬踏脚蹬，链条带动飞轮外套转动，其内齿与千斤含合，运动经千斤传至后轮轴，与之一体的后轮转动，车前行。停止蹬踏，链条和飞轮不转，惯性使后轮后轮轴继续转动，千斤继续转动，故它在飞轮内齿面滑动。千斤受挤压逐渐退缩，以至落出内齿顶。此时飞轮外套-后轮轴各自自由。千斤反弹与棘轮内齿发出“嗒、

，嗒”声。反向蹬踏，两者滑动加剧，“嗒、

，嗒”声急促。恢复向前蹬踏，棘轮内齿与千斤再次含合，后轮获得新的前行动力。后轮（后轮轴）

飞轮速度，结合失效。此即超越离合器。千斤是最薄弱的零件。马蹄表内部结构示意擒纵机构局部放大发条驱动轴31擒纵轮2擒纵钩擒纵钩摆轮轴4游丝5擒纵机构工作原理示意局部放大钟表的擒纵机构钟表的主传动链是发条至擒纵轮。擒纵机构对发条释放变形能的节奏准确分割，精确计时。马蹄表擒纵机构有擒纵轮1、擒纵钩2（与游丝连）、发条驱动轴3、擒纵钩摆轮轴4、游丝5等。擒纵轮1被发条（图中未示出）驱动顺时针转动，但轮齿顶尖处受擒纵钩2左侧刀口绊羁，待2释放后才能转动。擒纵钩2与游丝相连，每摆动一次擒纵钩2释放擒纵轮1一个齿，1便转过相应的角度，后又被擒纵钩右刀口擒获。擒获-释放-转动-擒获，

，周而复始。擒纵轮1无法痛快地连续旋转，仅一点释放，每释放一个齿也借助发条顺势助推擒纵钩2一把，而此力又传给游丝，免得游丝停下来。就这样一擒一纵地工作，钟表滴嗒走下去。擒纵机构受计时基准控制，以固定频率开关钟表的主传动链，以一定的平均速度转动，计时。外啮合棘轮机构棘爪在从动棘轮外部，占用空间比较大内啮合棘轮机构棘爪包含在从动棘轮空间内部，占有空间小直线式从动件棘条，间歇直线移动双向式棘爪摆动和啮合楔面同时换向后，棘轮改变转向棘轮棘爪机构的几种类型（2）槽轮机构主动拨盘从动槽轮槽轮机构的组成圆柱拨销锁止弧径向槽

槽轮机构的定义——由主动拨盘、从动槽轮及机架组成，拨盘输入匀速连续转动，拨盘上的圆柱拨销进入槽轮的径向槽的槽道后，它拨动从动槽轮转动；圆柱拨销退出径向槽后，靠锁止弧的定位作用，槽轮静止不动。于是实现了从动槽轮的间歇转动。它能够传递平行轴之间的间歇分度运动。驱动转向不完全齿外啮合止动弧主动齿轮槽轮机构的种类拨齿单齿内啮合外啮合槽轮外啮合槽轮主动拨盘主动拨盘轴线拨销轴球面槽轮空间槽轮机构球心止动弧止动弧止动弧拨销拨销拨销止动弧槽轮机构应用举例56电影放映机送片装置

槽轮机构的优缺点：（a）转角准确、工作平稳性、机械效率高；（b）结构简单、制造容易、工作可靠；故一般大量用于转速不高的自动机械、轻工机械、仪表中，实现间歇送进和转位功能。（c）缺点：转角动程不可调，拨盘和槽轮的主从动关系不能互换，起停有冲击等。1-拨盘2-槽轮4-拨销5-胶片6-滚轮小型电影放映机送片装置槽轮机构。主动拨盘1匀速转动，与其固结的拨销4带动从动槽轮2转动。槽轮2四等分，每隔90

停歇一次。胶片5缠卷在滚轮6圆周上，槽轮转过90

正好等于一帧胶片的长度，而间歇的时间又恰好与胶片的视觉暂留间隔一致。不完全齿轮机构的种类外啮合不完全齿轮机构内啮合不完全齿轮机构3.4.4.4齿轮机构百达翡丽机械腕表（patek）+（philippe）前者制錶匠，后者设计师，将两人的名字组合起来了。“工匠精神”VS浪琴石英表直齿圆柱齿轮斜齿圆柱齿轮人字圆柱齿轮齿轮齿条直齿内齿轮直齿园锥齿轮曲齿圆锥齿轮蜗轮蜗杆传动3.4.4.5带轮及链轮机构带传动定义：利用张紧在带轮上的柔性带传递运动或动力的一种机械传动主动轮从动轮皮带链传动定义：利用链与链轮轮齿的啮合传递动力和运动的机械传动。张紧轮转塔刀架车床卡盘槽轮转塔刀架的槽轮分度机构退刀换刀进刀切削切削刀具非整周输入输入运动齿轮压紧弹簧工件槽轮分度机构局部（链接Flash）3.4.5.6组合机构（转塔刀架）

转塔刀架系组合机构，用于分度。尾座刀架装6把切刀，不停机即可转动刀架快速换刀，省时。由齿轮齿条、曲柄滑块、锥齿轮、圆柱凸轮、槽轮等组成。刀具和