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1、第三章常用机构3.1平面机构概述3.2平面连杆机构3.3凸轮机构及其设计3.4接歇运动机构3.5螺旋机构3.1平面机构概述所有构件都只能在相互平行的平面上运动的机构称为平面机构。3.1.1构件和运动副1、概念使两个构件直接接触并产生一定相对运动的联接，称为运动副。2、运动副分类常见的平面运动副可分为低副和高副两大类1.低副:面接触(1)转动副(铰链)只能绕某一轴线作相对转动的运动副(2)移动副只能作相对直线移动的运动副转动副移动副2、高副:两构件以点或线接触齿轮副凸轮副运动链：将两个以上的构件通过运动副连接而成的系统。分为：闭式运动链、开式运动链闭式开式机构：各构件间具有确定相对的运动链机架：
2、固定不动的构件原动件：机构中输入运动的构件从动件：其余活动的构件3.1.2平面机构运动简图构件：对于轴、杆、连杆均用线段或小方块来表构件：对于轴、杆、连杆均用线段或小方块来表示，画有短斜线的表示机架示，画有短斜线的表示机架两构件组成高副，在简图中应当画出两构件接触处的曲线轮廓。对于凸轮、滚子，习惯上画出其全部轮廓两个转动副的构件转动副与移动副一个移动副两个转动副不在一直线的三个转动副在一直线的三个转动副一个构件具有多个转动副时，则应在两条线交接处涂黑，或在其内画上斜线3.绘制机构运动简图的基本方法和一般步骤首先确定原动部分和工作部分其次循着运动传递路线清楚运动关系，确定构件数目、运动副的类型和
3、数目具体步骤见P1233.1.3平面机构的自由度一个空间自由构件，具有6个独立运动的参数（3个移动和3个转动）。构件的自由度：构件具有的独立运动参数的数目两个构件通过运动副联接后，构件的相对运动会受到限制。两个构件通过运动副联接后，构件的相对运动会受到限制。每个低副引入两个约束，使构件减少两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件减少一个自由度约束：运动副对两构件间的相对运动所产生的限制2.平面机构自由度的计算设平面机构由N各构件组成，其中必有一个构件是机架。因机架是固定件。其自由度为0，故活动构件数n=N-1n表示活动构件；PL表示低副；PH表示高副3.计算平面机构自由度时应注意的问题1、复合
4、铰链3个以上的构件共用同一转动轴线所构成的转动副，称为复合铰链复合铰链包含的转动副计算：若有m个构件汇集在一处，则有m-1个转动副(P125)2、局部自由度机构中常出现一种与机构的主要运动无关的自由度，称为局部自由度。3、虚约束对运动不起独立限制作用的约束称为虚约束(在计算自由度时应去掉虚约束)1）两构件上运动轨迹重合的点用转动副联接在机构中，如果用转动副联接的时两构件上运动轨迹重合的点，将带入一个虚约束。右图机构的自由度是：F=33-24=12）用双转动副杆联接两构件上距离保持不变的两点机构运动过程中，如果两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则若用双转动副杆将这两点相连，将带入一个虚约束。
5、右图机构的自由度是：F=33-24=13）构件组成多个移动方向一致的移动副或两个构件组成多个轴线重合的转动副（也可以理解成为对称的构件）如：P127图3.14、图3.154）机构中对运动不起作用的对称部分机构中，某些不影响机构运动传递的对称重复部分所带入的约束也是虚约束。4.平面机构具有确定运动的条件运动链和机构都是由构件和运动副组成的系统，机构要实现预期的运动，必须使其运动具有可能性和确定性。机构具有确定的相对运动的条件：Fo，且F等于原动件数3.2平面连杆机构根据各构件之间的相对运动为平面运动还是空间运动，连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构两大类最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的
6、，称为平面四杆机构。在平面四杆机构中，又以铰链四杆机构为基本形式3.2.1铰链四杆机构的基本类型AD：机架(机构的固定件)AB、CD：连架杆（与机架用转动副相联接的杆件）BC：连杆（不与机架直接联接的杆件）铰链四杆机构铰链四杆机构连架杆：定轴转动连架杆：定轴转动连连 杆：平面一般运动杆：平面一般运动ABCD基本型式基本型式铰链四杆机构铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。，其它四杆机构都是由它演变得到的。曲柄曲柄连架杆能作连架杆能作3603600 0整周转动整周转动摇杆摇杆只只能在小于能在小于3603600 0的某一角度内摆动的某一角度内摆动曲柄曲柄连杆连杆摇杆摇杆铰链四杆机构的3种形
7、式：1、曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构：其中两连架杆一为曲柄另一为摇杆剪刀机碎石机曲柄摇杆机构应用2、双曲柄机构双曲柄机构：其中两连架杆均为曲柄车门启闭机构双曲柄机构应用双曲柄机构应用ABCD耕地耕地料斗料斗DCAB实例：实例：特例：特例：平行四边形机构平行四边形机构AB = CD特征：特征：两连架杆等长且平行，两连架杆等长且平行， 连杆作平动连杆作平动BC = ADABDCBC天平天平播种机料斗机构播种机料斗机构火车轮火车轮3、双摇杆机构双摇杆机构：其中两连架杆均为摇杆。港口用起重吊车，钓钩的移动轨迹近似水平线卸载货汽车的翻斗机构双摇杆机构应用：双摇杆机构应用：3.2.3铰链四杆机构的基本特性四杆
8、机构中，有的连架杆能作整周回转，有的则不能整转副：两构件的相对回转角为3600的转动副。整转副存在条件：整转副存在条件：v四杆长度满足四杆长度满足杆长条件杆长条件：最短杆与最长杆长最短杆与最长杆长度之和度之和 小于或等于小于或等于 其他两杆之和其他两杆之和。v构成整转副的构件中必有一个是构成整转副的构件中必有一个是最短杆最短杆。满足杆长条件时，最短杆两端分别是两个整转副。满足杆长条件时，最短杆两端分别是两个整转副。此时，若以最短杆或其相邻杆作机架，机构都存在曲柄。此时，若以最短杆或其相邻杆作机架，机构都存在曲柄。不满足杆长条件则没有整转副，获得双摇杆机构。不满足杆长条件则没有整转副，获得双摇杆
9、机构。杆长条件不成立时杆长条件不成立时双摇杆机构双摇杆机构以最短杆以最短杆AB为机架为机架双曲柄机构双曲柄机构ABDC以最短杆以最短杆AB相邻构件相邻构件BC为机架为机架曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构ABCD以最短杆以最短杆AB对面构件对面构件CD为机架为机架双摇杆机构双摇杆机构ABCD 4、传动角的计算、传动角的计算 2. 压力角和传动角压力角和传动角1、压力角、压力角从动件上某点的受力方向与从从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的动件上该点速度方向的所夹的锐角。锐角。2、传动角、传动角，压力角的余角压力角的余角（经常用（经常用衡量机构的传动质量）衡量机构的传动质量）3、许用压力角、
10、许用压力角一般：一般：压力角越小，传动角越压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好大，机构传力性能越好如何确定铰链四杆机构的最小传动角？如何确定铰链四杆机构的最小传动角？曲柄摇杆机构在曲曲柄摇杆机构在曲柄与机架共线的两柄与机架共线的两位置出现最小传动位置出现最小传动角。角。 4090 =90 =180FtFFFn3.3 凸轮机构及其设计凸轮机构及其设计3.3.1 概述概述 凸轮机构是一种由凸轮机构是一种由凸轮、从动件（推杆）和机架凸轮、从动件（推杆）和机架三个基三个基本构件所组成的高副机构。本构件所组成的高副机构。 结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从结构简单，只要设计出适当的凸
11、轮轮廓曲线，就可以使从动件实现预期的运动规律。但由于凸轮是高副机构，易于摩动件实现预期的运动规律。但由于凸轮是高副机构，易于摩擦，因此只适用于传动力不大的场合。擦，因此只适用于传动力不大的场合。1、凸、凸轮机构的特点机构的特点盘形凸轮盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮圆柱凸轮：凸轮绕在圆柱体上演化而成，空间凸轮机构凸轮绕在圆柱体上演化而成，空间凸轮机构2、 凸轮机构的分类凸轮机构的分类按凸轮的形状分按凸轮的形状分 盘形凸轮盘形凸轮移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮尖尖端端能能以以
12、任任意意复复杂杂的的凸凸轮轮轮轮廓廓保保持持接接触触，从从而而使使从从动件实现任意的运动规律。动件实现任意的运动规律。但但尖尖端端处处极极易易磨磨损损，只只适适用于受力较小的低速场合。用于受力较小的低速场合。按从动件（推杆）的形状分按从动件（推杆）的形状分 1）尖顶从动件）尖顶从动件从动件端部装一滚子。从动件端部装一滚子。凸凸轮轮与与从从动动件件之之间间为为滚滚动动摩摩擦擦，因因此此摩摩擦擦磨磨损损较较小小，可可承受较大的载荷。承受较大的载荷。凸凸轮轮的的轮轮廓廓未未必必能能很很好好地地与与滚滚子子接接触触，从从而而影影响响实实现现预预期的运动规律。期的运动规律。2）滚子从动件）滚子从动件3）
13、平底从动件）平底从动件从动件端部固定一平板。从动件端部固定一平板。从从动动件件与与凸凸轮轮之之间间易易形形成成油油膜膜，润润滑滑状状况况好好，受受力力平平稳稳，传传动动效效率率高高，常常用用于于高高速速场场合。合。凸凸轮轮上上凹凹陷陷的的轮轮廓廓未未必必能能很很好地与平底接触。好地与平底接触。摆动推杆摆动推杆直动推杆直动推杆其它（了解）其它（了解）对心对心偏置偏置力封闭（力锁合）力封闭（力锁合）弹簧力、从动件重力或其它外力弹簧力、从动件重力或其它外力型封闭（型锁合）型封闭（型锁合）利用高副元素本身的几何形状利用高副元素本身的几何形状槽凸轮机构槽凸轮机构槽两侧面的距离等于滚子直径。槽两侧面的距离
14、等于滚子直径。等宽凸轮机构等宽凸轮机构 凸轮廓线上任意两条凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。框架内侧的宽度。sCDh行程行程推程运动角推程运动角远休止角远休止角回程运动角回程运动角近休止角近休止角BosDrbeABC凸轮的基圆凸轮的基圆该位置为初始位置该位置为初始位置3.3.2 常用的从动件运动规律常用的从动件运动规律1、 平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数平面凸轮机构的基本尺寸和运动参数1）等速运动规律）等速运动规律特特点点：行行程程始始末末速速度度有有突突变变，加加速速度度理理论论上上由由零零至至无无穷穷大大，从从而而使使推推杆杆产产生生巨巨大大的
15、的惯惯性性力力，机机构构受受到到强烈冲击强烈冲击刚性冲击刚性冲击适应场合：适应场合：只能低速轻载只能低速轻载2、 常用的从动件运动规律常用的从动件运动规律2）等加速等减速运动规律）等加速等减速运动规律特特点点：加加速速度度曲曲线线出出现现有有限限值值突突变变，加加速速度度的的变变化化率率在在这这些些位位置置为无穷大为无穷大柔性冲击柔性冲击适应场合：适应场合：中速轻载中速轻载 当当质质点点在在圆圆周周上上作作匀匀速速运运动动时时，它它在在该该圆圆直直径径上上的的投投影影所所构构成的运动规律成的运动规律简谐运动简谐运动特特点点：加加速速度度出出现现有有限限值值突突变变柔性冲击柔性冲击适适用用场场合
16、合：中中速速场场合合(当当从从动动件件作连续运动时，可用于高速作连续运动时，可用于高速)3）余弦加速度运动规律）余弦加速度运动规律作者：潘存云教授savh0 04)4)正弦加速度（摆线）运动规律正弦加速度（摆线）运动规律推程：推程：sh/h/0 0-sin(2/-sin(2/0 0)/2 )/2 vh1-cos(2/h1-cos(2/0 0)/)/0 0a2h2h2 2 sin(2/(2/0 0)/)/2 20 0 回程：回程： sh1-/h1-/0 0+sin(2/+sin(2/0 0)/2)/2 vhcos(2/hcos(2/0 0)-1/)-1/0 0a-2h-2h2 2 sin(2/(
17、2/0 0)/)/2 20 0无冲击无冲击vmax=2h/0 0amax=6.28=6.28hh2 2/0 02 2123456r=h/2=2/=2/0 01、反转法反转法原理原理2 S1123s1s2hOr0- 11s122s233h11s1 假设假设凸轮静止凸轮静止不不动，推杆相对于凸轮动，推杆相对于凸轮作反转运动；同时又作反转运动；同时又在其导轨内作预期的在其导轨内作预期的运动，作出推杆在复运动，作出推杆在复合运动中的一系列位合运动中的一系列位置，其尖顶的轨迹即置，其尖顶的轨迹即为所求凸轮廓线。为所求凸轮廓线。 3.3.3 凸轮轮廓设计凸轮轮廓设计 偏置尖顶从动件凸轮轮廓曲线设计偏置尖顶
18、从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）（反转法）2 S1123s1s2h- 1111s1Or0 es22h3Fv s11已知：已知：S=S（），），r0，e， 偏偏距距圆圆：以以凸凸轮轮的的轴轴心心为为圆圆心心，以以偏偏距距为半径所作圆。为半径所作圆。切射线切射线从基圆开始向外量取各从基圆开始向外量取各相应位置的位移量。相应位置的位移量。偏置滚子从动件凸轮轮廓曲线设计偏置滚子从动件凸轮轮廓曲线设计（反转法）（反转法）2 S1123s1s2h- 1111s1Or0 es22h3已知：已知：S=S（），），r0，e， ，rr理论廓线理论廓线实际廓线实际廓线实际廓线是理论实际廓线是理论廓线的廓线的法向法向
19、等距等距曲线。曲线。在滚子推杆凸在滚子推杆凸轮机构的设计轮机构的设计中，中，r0指理论指理论廓线的基圆半廓线的基圆半径。径。 凸轮廓线上不同点处的压力角是不凸轮廓线上不同点处的压力角是不同的。机构发生自锁时的压力角称为同的。机构发生自锁时的压力角称为临临界压力角界压力角。为保证凸轮机构正常运转，。为保证凸轮机构正常运转，应使最大压力角小于临界压力角。应使最大压力角小于临界压力角。 推程时：推程时：对直动推杆：对直动推杆：对摆动推杆：对摆动推杆： 回程时：回程时： 凸凸轮轮机机构构在在图图示示位位置置的的压压力力角角：从从动动件件在在与与凸凸轮轮的的接接触触点点B处处所所受受正正压压力力的的方方
20、向向与与推推杆杆上上点点B的的速速度度方方向向之之间所夹的锐角间所夹的锐角。3.3.4 凸凸轮设计的几个的几个问题3004004005001、 凸凸轮机构的机构的压力角力角2、 基圆半径的确定基圆半径的确定凸轮的基圆半径应在凸轮的基圆半径应在的前提下选择。的前提下选择。根据经验公式：根据经验公式： rb0.9ds+（710）mmds 凸轮轴直径凸轮轴直径应进行压力角检验，若发现应进行压力角检验，若发现max，则应则应增大增大rb，从新设计，从新设计a a= =+ +r rr r内凹的凸轮轮廓曲线不存在失真。内凹的凸轮轮廓曲线不存在失真。3、 滚子半径的确定滚子半径的确定外凸的凸轮轮廓曲线：外凸
21、的凸轮轮廓曲线：工作廓线为一光滑曲线。工作廓线为一光滑曲线。变变尖尖现现象象：工工作作廓廓线线将将出出现现尖尖点点，极极易易磨磨损损，会会引引起起运运动失真。动失真。 失失真真现现象象：工工作作廓廓线线出出现现交交叉叉, ,会引起运动失真。会引起运动失真。对于外凸的凸轮廓对于外凸的凸轮廓线，应使滚子半径线，应使滚子半径小于理论廓线的最小于理论廓线的最小曲率半径。小曲率半径。 避免凸轮廓线失真的措施：避免凸轮廓线失真的措施：1 1、减小滚子半径；、减小滚子半径；2 2、增大基圆半径；、增大基圆半径；3 3、修改推杆的运动规律。、修改推杆的运动规律。 组成：组成： 主动摇杆主动摇杆1空套在与空套在
22、与棘轮棘轮3固联的固联的从动轴上，从动轴上，驱动棘爪驱动棘爪2与主动摆杆与主动摆杆1用转动副用转动副相联，相联，止回棘爪止回棘爪4与与机机架架用转动副连接，弹用转动副连接，弹簧簧5是保证棘爪与棘轮是保证棘爪与棘轮啮合。啮合。3.4 接歇运动机构接歇运动机构3.4.1 棘轮机构棘轮机构1、棘轮机构工作原理、棘轮机构工作原理2.工作过程工作过程：当主动摆杆当主动摆杆当主动摆杆当主动摆杆1 1作往复摆动时，从动棘轮作往复摆动时，从动棘轮作往复摆动时，从动棘轮作往复摆动时，从动棘轮3 3作作作作单向间歇单向间歇 转动转动当摇杆当摇杆1左摆时，棘爪左摆时，棘爪2插插 入棘轮入棘轮3的齿内推动棘轮转过某一
23、角度。的齿内推动棘轮转过某一角度。当摇杆右摆时，棘爪当摇杆右摆时，棘爪2滑过棘轮滑过棘轮3，而棘轮静止不动，往复循环。制动爪，而棘轮静止不动，往复循环。制动爪4防止防止棘轮反转。棘轮反转。 这种有齿的棘轮其进程的变化最少是这种有齿的棘轮其进程的变化最少是1个齿距，且工作时有响声。个齿距，且工作时有响声。 2、棘轮机构的类型1）外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构两种。外啮合式棘轮机构 内啮合式棘轮机构 2）单动式棘轮机构和双动式棘轮机构3.4.2槽轮机构1、工作原理1.1.组成：单圆柱销外啮合槽轮机构。它由带有圆柱销A的拨1盘，具有径向槽的槽轮2和机架所组成。2工作原理：在槽轮机构中，通常拨盘1为主
24、动件，槽轮2为从动件。当拨盘1以等角速度作逆时针的连续转动时，驱动槽轮2作反向间歇运动。2、槽轮机构的类型1）根据啮合情况分类分为外啮合和内啮合两种类型外啮合槽轮机构 内啮合槽轮机构2）根据圆柱销数分类圆柱销可以是一个，也可以是多个在单圆柱销槽轮机构中，拨盘转动一周，槽轮转动一次，如果有多个圆柱销，拨盘转动一周，则槽轮转动多次。 3、特点与应用1特点槽轮机构的结构简单，制造容易，工作可靠，机械效率高，与棘轮机构相比运动平稳。它的缺点是工作时有冲击，转角的大小不能调节。因此，槽轮机构一般用于要求转速不高，且角度不需要调节的场合。2应用3.4.3 不完全齿轮机构不完全齿轮机构是由齿轮机构演变而来的一种间歇运动机构。1组成不完全齿轮机构主动轮1上的轮齿不是布满在整个圆周上，而只有一个轮齿或者几个轮齿，其余部分为外凸锁止弧；从动轮2上加工出与主动轮轮齿相啮合的齿和内凹锁止弧，彼此相间地布置。2类型根据传动时的啮合情况，不完全齿轮机构通常分为外啮合与内啮合两种。外啮合不完全齿轮机构内啮合不完全齿轮机构
