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1、第六章 机械常用机构,主编,概述中介绍了构成机器的三大主要组成部分：原动装置、传动装置和执行装置。其中，原动装置如电动机、柴油机等，一般由专业工厂标准化生产，对工程人员而言，只需根据计算功率和要求转速去合理选择即可。传动装置与执行装置的选择和确定就比较复杂，问题集中在选择或设计恰当的运动机构并保证机械零件既有足够强度又合乎制造工艺性。传动装置与执行装置通常由一些机构或机械传动组合而成。常用的机构与传动方式有：平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构、螺旋传动、齿轮传动、带传动等。本章主要介绍常用机构。,第一节 平面连杆机构,连杆机构是由若干构件用转动副或移动副连接而成的机构。在连杆机构中，所有构件
2、都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构，称为平面连杆机构。 平面连杆机构能够实现多种运动形式的转换，构件间均为面接触的低副，因此运动副间的压强较小，磨损较慢。由于其两构件接触表面为圆柱面或平面，制造容易，所以应用广泛。缺点是连接处间隙造成的累积误差比较大，运动准确性稍差。 平面连杆机构中，最常见的是四杆机构。下面主要介绍其类型、运动转换及其特征。,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-1 铰链四杆机构,如图6-1所示，当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构。机构中固定不动的构件4称为机架，与机架相连的构件1和3称为连架杆，不与机架相连的构件2称为连杆。连架杆相对于机架能作
3、整周回转的构件(如杆1)称为曲柄，若只能绕机架摆动的称为摇杆(如杆3)。,(一) 基本形式 铰链四杆机构按有无曲柄、摇杆分为以下三种基本形式。 1. 曲柄摇杆机构 两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。,如图6-1所示，在曲柄摇杆机构中，当曲柄1(齿轮)为主动件时，可将曲柄的连续转动经连杆转换为摇杆的往复摆动。图6-2a所示为牛头刨床，它的横向自动进给就是利用曲柄摇杆机构传动的，当齿轮1转动时，通过连杆2带动摇杆往复摆动，并通过棘轮5传送给丝杠6作单向间歇运动。图6-2b所示是曲柄摇杆机构的运动简图。,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-2 牛头刨床横向自动进给机构
4、a) 牛头刨床示意图 b) 横向进给机构运动简图,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-3 缝纫机踏板机构,2. 双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。 如图6-4所示，在双曲柄机构中，双曲柄可分别为主、从动件，主动曲柄1等速转动，从动曲柄3一般为变速转动。在如图6-5所示的惯性筛中，ABCD为双曲柄机构。惯性筛就是利用从动曲柄3的变速转动使筛子具有适当的加速度，筛面上的物料由于惯性而来回抖动，从而达到筛分物料的目的。,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-4 双曲柄机构运动示意图,在双曲柄机构中，如两曲柄的长度相等，且连杆与机架的长度也相等，称为平行双曲柄机构(
5、图6-6的ABCD)。平行双曲柄机构有两种情况：图6-6a所示为同向双曲柄机构；图6-6b所示为反向双曲柄机构。,图6-5 惯性筛,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-6 双曲柄机构,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-7 机车车轮联动机构,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-8 双摇杆机构 a) 运动简图 b) 门式起重机变幅机构,3. 双摇杆机构 两连架杆都为摇杆的铰链四杆机构，称为双摇杆机构。 如图6-a所示，双摇杆机构的两摇杆均可作为主动件，当主动摇杆1往复摆动时，通过连杆2带动从动摇杆往复摆动。如图6-8b所示门式起重机的变幅机构即是双摇杆机构，当主动摇杆1摆动时，
6、从动摇杆3随之摆动，使连杆2的延长部分上的E点(吊重物,一、 铰链四杆机构的基本形式及应用,图6-9 铰链四杆机构的类型判别 a) 最短杆为连架杆时 b) 最短杆为机架时 c) 最短杆为连杆时,(二) 铰链四杆机构存在曲柄的判别条件 铰链四杆机构中是否存在曲柄，取决于各构件长度之间的关系。实物演示和理论分析都证明，连架杆成为曲柄必须满足下列两个条件： (1) 必要条件 最短杆与最长杆长度之和小于或等于另两杆之和。 (2) 充分条件 连架杆与机架中至少有一个是最短杆。,如图6-9所示，在铰链四杆机构中，如果满足必要条件(1)，如取最短杆为连架杆，得曲柄摇杆机构(图6-9a)；取最短杆为机架，得双
7、曲柄机构(图6-9b)；取最短杆为连杆，得双摇杆机构。,二、 其他形式的四杆机构及应用,图6-10 曲柄滑块机构,1. 曲柄滑块机构 图6-10 曲柄滑块机构如图6-10所示，由曲柄1、连杆2、滑块3及机架4组成的平面连杆机构，称为曲柄滑块机构。滑块的两个极限位置C1、C2之间的距离H称为滑块的行程。,二、 其他形式的四杆机构及应用,在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，可将曲柄的连续转动经连杆转换为从动滑块的往复直线移动，例如图6-11所示的压力机等；反之，若滑块为主动件，其直线运动将经连杆转换为从动曲柄的连续转动，例如图6-12所示的内燃机等。,图6-11 压力机运动简图,图6-12 内燃机,
8、二、 其他形式的四杆机构及应用,图6-13 偏心轮机构,二、 其他形式的四杆机构及应用,图6-14 曲柄摆动导杆机构,2. 曲柄摆动导杆机构 如图6-14a所示，由曲柄1、滑块2、摆动导杆3和机架4组成的机构，称为曲柄摆动导杆机构。,二、 其他形式的四杆机构及应用,图6-15 曲柄摇块机构 a) 曲柄摇块机构简图 b) 卡车自动卸料机构简图,3. 曲柄摇块机构 如图6-15a所示，由曲柄1、连杆2、摇块3(只能绕铰链C摆动)和机架4组成的机构，称为曲柄摇块机构。该机构可将连杆相对摇块的移动，转换为曲柄的转动。如图6-15b所示的卡车自动卸料机构就应用了曲柄摇块机构。车厢1相当于曲柄可绕车架上的
9、A点转,*三、 平面四杆机构的特性参数,图6-16 铰链四杆机构的压力角与传动角,1. 压力角与传动角,如图6-16所示曲柄摇杆机构，曲柄AB为主动件，通过连杆BC驱动摇杆CD摆动。观察分析从动件摇杆与连杆连接点C处，如忽略连杆BC的自重，则BC杆为二力杆，因此，摇杆的受力FC必沿连杆BC或其延长线方向；摇杆CD绕D铰摆动，故速度vC必过C点并垂直于CD杆(切向)，FC与vC之间所,*三、 平面四杆机构的特性参数,图6-17 曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构的止点位置 a) 曲柄摇杆机构的止点位置 b) 曲柄滑块机构的止点位置,如图6-17所示，在曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构中，当摇杆或滑块为主动件，
10、从动件曲柄B处于压力角Bmax=90位置时，驱动曲柄的有效分力FtB为零，此瞬时连杆无法推动从动件曲柄转动.,*三、 平面四杆机构的特性参数,2. 极位夹角与行程速比因数(急回特性因数)k 如图6-17a所示曲柄摇杆机构，曲柄AB顺时针转动时，有两次与连杆BC处于共线位置，两共线位置称为极限位置，定义极限位置AB1C1与极限位置AB2C2所夹的锐角为极位夹角。,设曲柄按匀角速顺时针转动。工作进程时，曲柄从AB1转至AB2时，转角1=180+，则所用时间为t1=1/，摇杆从DC1转至DC2，转角为，则此时从动件工作进程时的速度,曲柄继续转动，从动件处于回程，此时曲柄从AB2转至AB1时，转角2=
11、180-，所用时间为t2=2/，摇杆从DC2转回DC1，转角仍为，则此时从动件回程时的速度,第二节 凸 轮 机 构,一、 凸轮机构的类型和应用 (一) 按凸轮外形及运动形式分类 与从动件接触的凸轮轮廓曲线在凸轮体上分布有两类情况：一类是轮廓曲线分布在同一平面形成平面曲线，另一类是轮廓曲线分布在凸轮体表面形成空间曲线，前者称为平面凸轮(图6-18、图6-19、图6-20)，后者称为立体凸轮(图6-21)。,图6-18 盘形凸轮,一、 凸轮机构的类型和应用,图6-19 逆动凸轮,如果凸轮为从动件，则盘形凸轮可演化为如图6-19所示的逆动凸轮，主动杆(曲柄)1与凸轮轮廓曲线槽2用活动圆销连接，曲柄1
12、转动，拨动凸轮，根据廓线作摆动或停歇，实现预定运动规律。,一、 凸轮机构的类型和应用,图6-20 移动凸轮 1凸轮 2从动件,(2) 移动凸轮 如图6-20所示，凸轮1外形呈平板状，并作往复移动，从而推动从动件2往复移动。图6-23所示为自动车床靠模机构，移动凸轮1作为靠模固定，当托板3水平移动时，凸轮的曲线廓形迫使从动件2带动刀架进退，切削出手柄外形。,一、 凸轮机构的类型和应用,图6-21 立体凸轮 a) 圆柱凸轮 b) 圆锥凸轮 c) 球面凸轮 d) 镶块式凸轮 e) 曲面凸轮 f) 斜板凸轮 1凸轮 2从动件,2. 立体凸轮 如图6-21所示，立体凸轮一般作回转运动，外形为回转体。最常
13、用的是外形为圆柱的圆柱凸轮(图6-21a)和外形为圆锥的圆锥凸轮(图6-21b)。下面仅介绍圆柱凸轮及其演化型镶块式凸轮(图6-21d)。,一、 凸轮机构的类型和应用,图6-22 内燃机,使从动件端部与凸轮始终保持接触的方式称为封闭。采用重力(图6-18a、b)、弹簧力(图6-22)方式实现接触的称为力封闭；采用特殊几何形状实现接触的称为形封闭(图6-18c，图6-21a、b、c、d)。,图6-23 自动车床靠模机构,一、 凸轮机构的类型和应用,图6-24 缝纫机挑线机构 a) 移动从动件圆柱凸轮 b) 摆动从动件(缝纫机挑线机构) 1凸轮 2从动件,一、 凸轮机构的类型和应用,图6-25 平
14、底从动件盘形凸轮机构 1凸轮 2从动件,二、 盘形凸轮的设计,(一) 凸轮线图 从动件的运动规律常用线图表示。线图表示从动件的位移s与主动凸轮的转角间的函数关系。如图6-26a所示对心直移尖顶从动件盘形凸轮，凸轮1以匀角速度绕回转中心O顺时针,图6-26 盘形凸轮位移线图 a) 对心直移尖顶从动件盘形凸轮 b) 位移线图 c) 速度线图 d) 加速度线图,二、 盘形凸轮的设计,图6-27 等加速、等减速运动规律 a) 位移线图 b) 速度线图 (v图)和加速度线图(a图),2. 等加速、等减速运动规律 如图6-27所示，从动件前半程、后半程分别为等加速、等减速运动规律。其数学表达式为,经推导，
15、从动件位移s与主动凸轮转角间的关系可表达为,二、 盘形凸轮的设计,图6-28 对心尖顶从动件盘形凸轮轮廓线设计,(三) 作图法设计盘形凸轮 下文以直移从动件盘形凸轮轮廓线设计为例，讲解如何使用作图法设计盘形凸轮。 1. 对心尖顶直移从动件盘形凸轮 设凸轮以匀角速逆时针回转一周，从动件先以等速度上升至最高点，推程为h；然后再以同一速度下降返回原点。其位移线图如图6-28a所示。,二、 盘形凸轮的设计,图6-29 滚子直移从动件盘形 凸轮廓线设计,2. 滚子直移从动件盘形凸轮 如果从动件端部为滚子，设滚子半径为rT，设计时前几步作图步骤与尖顶从动件相同，此时所得廓线为理论廓线，在此基础上再加一步骤
16、如下：,如图6-29所示，以理论廓线为圆心，以rT为半径作一系列圆，作系列圆的内侧包络线(图中粗实线)，即为所求实际轮廓(如果凸轮为形封闭，则外、内侧包络线即为凸轮凹槽两侧廓线)。,三、 凸轮的压力角校核与基圆半径rb选择,图6-30 凸轮机构的压力角,如图6-30a所示，忽略从动件与凸轮接触处的摩擦，凸轮对从动件的作用力F沿接触点A的法线方向，直动从动件的速度v沿导路方向，与连杆机构一样，定义从动件所受的作用力F与受力点速度v之间所夹的锐角，称为凸轮机构的压力角，用表示。,三、 凸轮的压力角校核与基圆半径rb选择,图6-31 基圆半径与,研究表明，从动件运动规律相同时，对应点的压力角与基圆半径rb等因素有关。如图6-31所示，基圆半径rb较大的凸轮对应点的压力角较小，传力性能好些，但结构尺寸较大；基圆半径rb较小时，压力角较大，容易引起自锁，但结构比较紧凑。,第三节 间歇运动机构,图6-
