教案首页课程名称 机械设计学 任课教师 李玉柱第四章 机械功能原理的实现 计划学时 3教学目的和要求：1. 使学生了解机构能实现的动作功能；2. 使学生掌握传动机构、执行机构、工作头的定义、功能等； 3. 使学生学会按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计重点： 机构能实现的动作功能；传动机构、执行机构、工作头难点： 按机械动作功能原理要求作机械运动系统的方案设计思考题：增力机构，为何要在近于死点的位置工作？并能利用图4-10证明之第四章 机械功能原理的实现——机械运动系统的方案设计主要内容： 重点和难点：机构能实现的动作功能；传动机构和执行机构 由于课时限制，仅讲本章的重点和难点，即本章的第一节和第二节目的是使学生了解机构能实现的动作，知道常用的传动机构和执行机构，会用一些常用的机构解决一些生产实际中的问题第一节 机构能实现的动作功能 一、机构能实现哪些动作功能 机械产品的动作功能要通过一系列的机构和电气电子装置去具体实现．为了完成某一项机械动作功能可能只需要一个简单的机构，也可能需要一个复杂的机构或一些基本机构的组合来完成。
随着机械技术的发展，机构的含义也在不断扩展，例如液体、气体也能直接参与机械运动的变换．挠性体等也在机械传动中起着重要作用机构的范畴不再停留在过去纯刚性体的意义上了机构—般能实现下列各种动作功能 1．利用机构实现运动形式或运动规律变换的动作功能 在绝大多数的机械中原动机的运动形式为转动，而机构的输出运动是多种多样的利用机构可以进行构件运动形式的变换，例如； 1)匀速运动(平动、转动)与非匀速运动(平动、转动或摆动）的变换 2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换3）实现预期的运动轨迹运动 2. 利用机构实现开关、联锁和检测等的动作功能 开关、联锁和检测是自动机中的重要内容检测机构可以检查最后的成品也可以检测中间工序．以自动校正与规定标准间的差异控制联锁机构的用途则是在机器工作过程中发现控制和检测机构所不能排除的缺陷时停止或限制机器的工作例如： 1)用来实现运动离合或开停 2)用来换向、超越和反向止动 3)用来实现联锁、过载保护、安全制动 4)实现锁止、定位、夹压等 5)实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等3. 利用机构实现程序控制或手动控制的功能程序控制或自动控制是自动机械中不可缺少的—部分，控制的方法很多，用机构来控制的方法就有： 1)利用时间的序列进行控制 例如图4—1是一种凸轮程序装置．它由一系列的微动开关和凸轮组成。
凸轮轴由同步电动机驱动．凸轮旋转一周，对应着工件的整个加工循环，在整个加工循环中，某个微动开关需要触动几次．对应这个微功开关的凸轮上就制出几个凸起处，以实现对该开关的几次触动这种程序控制装置精确度高，它可以在任意—个所需要的位置上触动微动开关但是一旦凸轮制成，则整套程序就不能改变了如果将凸轮改成鼓轮，在鼓轮上加工出许多个T形槽用于固定触点撞块．撞块的作用相当于凸轮程序控制器中凸轮上的凸起部分．这样随着要求的程序不同便可以调整了在更换产品或更换程序时能迅速适应新的要求音乐盒能演奏出音乐来也是利用了这种机构但也应该指出，在利用机构程序控制实现精确复杂的运动轨迹方面还是不如利用计算机数字程控技术来得方便例如数控切割机、数控焊接机等，其走刀运动轨迹可以非常复杂，而如果用纯机械式机构来实现则必定结构非常庞大．可调整性差 2)利用动作的序列进行控制 例如图4—2是—种利用电磁阀控制液压缸进行工作的顺序操作过程图中以液压缸2和5的行程位置为依据来实现相应的顺序动作，工作中当按下启动电钮，电磁阀1YA吸合．液压缸2向右移动液压缸5因相应的控制电磁阀断开不进油而维持不动．当液压缸2挡块压下行程开关4时电磁阀3YA吸合．液压缸2停止运动液压缸2停止运动，缸5开始前进，当缸5挡块压下行程开关7时，电磁阀2YA吸合，缸5停止运动，缸2开始返回．当缸2的挡块压下行程开关3时，电磁阀4YA吸合，缸2的返回运动停止，缸5开始返回、当缸5的挡块压下行程开关6时，缸5的返回运动也停止。
完成一个工作循环、利用这种顺序动作进行控制对需要变更液压缸的动作行程和动作顺序来说比较方便，因此在机床液压系统中得到了广泛应用，特别适合于顺序动作的位置、动作循环经常要求改变的场合 3)利用运动的变化等进行控制 例如图4-3是汽车发动机的离心调速器，由曲轴通过齿轮驱动的调速器轴11上、固装有带径向槽的主动盘l，槽中放置钢球当钢球随固定盘旋转时，即受别离心力的作用而企图向外飞开钢球左侧为不可移动的钢板右侧为可左右滑动的滑套10，滑套的锥形盘在弹簧6的作用下保持与钢球相接触杠杆8一端与滑套相接触，另一端联接调节供油量的拉杆4当发动机因载荷减小而使曲轴转速上升时，钢球受到的离心力作用增大，向外移动并推动滑套向右移动而使杠杆8绕定轴7转动，拉杆4推动供油量调节臂5，降低发动机的供油量，使发动机的转速下降反之，当发动机因载荷增大而使曲轴转速下降时．钢球受到的离心力作用减小，向内移动，在调节弹簧6的作用下杠杆8绕定轴7顺钟向转动．拉杆4拉动供油量调节臂5，增加发动机的供油量，从而使发动机的速度增加通过离心调速器的调节作用发动机的转速便可以稳定在一个设定的范围内二、选择机构来实现功能原理的原则和范围 上面叙述了机构所能实现的动作功能，实际上，这些功能也完全可以用电气或电子的原理来实现，但是在什么情况下选用机构来完成这些功能呢?当然首先是要完成设计时提出的功能目标。
还要考虑到工作可靠，运行安全，操作方便，制造和运行的经济性等等其中前两条是必须满足的．后两条则在有条件下，尽可能的满足 根据目前科学技术的条件，下列几方面的动作功能，一般较宜用机构来实现 1.实现功率性的机械运动形式或规律的变换功能 在目前技术条件下．已有各式各样的交直流变速电动机，以满足机械上的各种转速要求；有直线电动机产生直线运动，以满足运动形式变换的要求但是这些电动机的运动特性不理想．有的会受到载荷的变化而变化，或转换的效率较低因此，绝大多数的机械均使用运动特性好．变换效率高的鼠笼型异步电动机，故用机构来完成运动规律与形式的变换就变成必需的设备．例如各式各样的减速、变速机构，曲柄滑块机构，正弦机构等的运动形式变换机构只有非功率性的微小摆动或移动，除了可用机构外，还可以用电磁原理等来获得 2．实现固定轨迹或简单可调的轨迹功能 例如各种自动机上的上、下料．加工，检测等工序上需要的运动轨迹，均可全部用机构来完成对于要实现可任意变动的复杂轨迹，虽然一般采用电子或电气来控制，但其轨迹动作部分也还必须使用机构，如机器人的手臂、手腕、手爪、计算机绘图仪的绘图笔的动作等3．在特定条件下能优质地实现开关、联锁和检测等功能 这些功能一般用机械或电均能实现．但究竟用哪—种好，需要设计者仔细分析研究。
例如开关功能，我们熟悉的电灯开关．均是用机械式的，但也有触模式、光电式的开关，都能安全可靠地完成开关任务，至于操作方便和经济性只能在特定条件下作具体的分析4．实现简单的固定程序或可变程序的控制功能 以上几方面均适宜用机构来实现，但这不是绝对的随着科学技术的进步，将会有变化，因此设汁者要密切注意当前的科技进步的动向例如目前很少采用直线电动机来实现直线运动的功能，但由于超导的发现，磁悬浮技术的成熟，直线电动机将使用在磁悬浮的高速列车上电视机最初出现时．当时电视频道少．显象管屏幕也小，因而广泛使用安全可靠、操作方便、经济性好的机械式频道变换开关，但当电视机屏幕的不断增大，频道的增多，经济性好的机械式频道变换开关，愈来愈感到操作的不便而被遥控开关所取代但是也应看到电子技术的发展虽然能控制许多复杂的自动化机器和设备，但其本身的结构也日趋复杂，因而引起可靠性、安全性的下降例如飞机上的自动导航仪，可以自动按给定路线飞行，而不需驾驶员动手，但是为了保证绝对安全可靠，这种飞机上还是安装了结构简单、工作安全可靠的手动控制设备、当飞机自动驾驶仪万一出现故障时，驾驶员可以利用这套设施确保安全因此使用“机”还是“电”尚处于互相补充互相依存的关系上，怎样协调利用好二者的关系也是当今机械设计者的任务。
第二节 传动机构和执行机构 一切机器都包含有四个部分：动力源、传动机构、执行机构和控制部分在一般机器中这四部分的区别是比较明显的一、传动机构 传动机构的作用是将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能常用的传动机构有齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上—些常用机构进行组合而产生的组合机构传动机构在使用中最主要的目的是为了实现速度或力的变换，或实现特定运动规律的要求 1．运动速度或力的大小变换 根据功率、速度、输出力三者之间的关系 P＝Fv 式中 P—输出功率 F—输出力； V—输出速度 在传输功率一定的情况下，为得到一个比较大的力输出，可以降低输出速度如果要使输出力按某一规律变化，则可通过调整输出速度按某种规律变化来得以实现常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几种： 1)通过啮合方式进行传动(例如：齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等)其中．齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用。
2)通过摩擦方式进行传动(例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等)这类机构结构简单，维修方便，成本低廉．由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动 3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动等)螺旋传动主要由螺杆、螺母，机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大．可用较小的转矩得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪声等 4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压、气动传动等)液体可以看作是—种不可压缩物体因而液压传动能传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下，但液压传动速度较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等相反气动传动机构—般用于传递较小的力，但作用速度快 2．运动形式或传力方式的变换 原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动，而工作机的输出要求是多种多样的因此进行运动形式的变换是传动机构的一个很重要的任务机械传动机构中常见的运动形式主要有：转动、平动、摆动等常见的用运动形式的变换机构主要有：凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、齿轮机构、挠性体机构、摩擦轮机构、流体机构等它们能将转动变换成移动，或反之。
由于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变二、执行机构 带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构称为执行机构，如挖掘机中推动铲斗运动的多杆机构，使起重机吊钩运动的起重臂，使飞机轮子起落的起落架，机器人的手臂等执行机构的主要作用是给工作头产生工作力同时带动工作头实现给定的运动规律或特定的运动轨迹等 1.满足特定运动规律 特定的运动规律是指那些输出中有速度的规律变化要求，如有等速输出，瞬时或长时间停歇．有急回特性，周期性转位和步进分度动作等一般机器中常常由多个执行机构组成的，以完成各种预定的机械工作要求例如图4—4。