機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教材技師

1、第一章 機(jī)械設(shè)計(jì)概述第一節(jié)本課程的性質(zhì)和研究對(duì)象一、 課程概述機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)社會(huì)需求所提出的機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù)，綜合應(yīng)用當(dāng)代各種先進(jìn)技術(shù)成果，運(yùn)用各種適用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足使用要求，技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、外形美觀、綜合性能好，并能集中反映先進(jìn)生產(chǎn)力的產(chǎn)品；也可能是在原有的機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上作局部改進(jìn)，以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)，增大機(jī)械的工作能力，提高效率，降低能耗，減少污染等，這些都是機(jī)械設(shè)計(jì)范疇?wèi)?yīng)該考慮的問(wèn)題。機(jī)械設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合的技術(shù)，是一項(xiàng)復(fù)雜、細(xì)致和科學(xué)性很強(qiáng)的工作，涉及許多方面，要設(shè)計(jì)出合格的產(chǎn)品，必須兼顧眾多因素。下面簡(jiǎn)述幾個(gè)與機(jī)械設(shè)計(jì)有關(guān)的基本問(wèn)題。1、機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求使用要求具有可靠穩(wěn)定的工作

2、性能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。使用要求包括功能要求和可靠性要求。經(jīng)濟(jì)要求要達(dá)到機(jī)器本身成本低，用該機(jī)器生產(chǎn)的產(chǎn)品成本也要低。外觀要求保證人身安全，操作方便、省力。此外還有：噪音、起重、運(yùn)輸、衛(wèi)生、防腐蝕、防凍等方面的要求。2、 機(jī)械零件的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、 零件的失效形式失效零件失去設(shè)計(jì)時(shí)指定的效能稱(chēng)為零件失效。失效和破壞不是一回事，失效并不等于破壞，也就是說(shuō)有些零件理論上是失效了，如齒輪的齒面點(diǎn)蝕、膠合、磨損等失效形式出現(xiàn)后，零件還可以工作，只不過(guò)是工作的狀況不如原來(lái)的好，可能會(huì)出現(xiàn)噪聲等。一般情況下零件破壞后就不能再工作了，也可以說(shuō)破壞是絕對(duì)的失效，如齒輪的輪齒折斷是失效，也是破壞。2、常見(jiàn)的零

3、件失效形式有：強(qiáng)度失效、剛度失效、磨損、失穩(wěn)和其他。具體的失效形式有整體斷裂；過(guò)大的殘余變形；零件表面破壞（腐蝕、磨損、接觸疲勞）。失效尤以腐蝕、磨損、疲勞破壞為主（有資料介紹再1378項(xiàng)機(jī)械零件的失效中，腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%斷裂僅占4.79%）。三、 本課程的基本要求和學(xué)習(xí)方法1、 本課程的基本要求 本課程的任務(wù)是使學(xué)員掌握常用機(jī)構(gòu)和通用零件的基本理論和基本知識(shí)，初步具有分析、設(shè)計(jì)能力，并獲得必要的基本技能訓(xùn)練，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。通過(guò)本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生達(dá)到下列基本要求：（1）熟悉常用機(jī)構(gòu)的組成、工作原理及其特點(diǎn)，掌握通用機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)的基本方法。

4、（2）熟悉通用機(jī)械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，掌握通用機(jī)械零件的選用和設(shè)計(jì)的基本方法。（3）具有對(duì)機(jī)構(gòu)分析設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)計(jì)算的能力，并具有運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、圖冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)技術(shù)資料的能力。（4）具有綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐的技能，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)械和簡(jiǎn)單傳動(dòng)裝置的能力。2、 本課程的學(xué)習(xí)方法 本課程是從理論性、系統(tǒng)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課向?qū)嵺`性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課過(guò)渡的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中，必須多觀察、細(xì)思考、勤練習(xí)、?？偨Y(jié)。觀察生活、生產(chǎn)中遇到的各種機(jī)械，熟悉典型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)；思考明晰本課程的基本概念，注意各種知識(shí)的聯(lián)系，融會(huì)貫通；勤練基本技能，提高分析能力和綜合能力；及時(shí)總結(jié)、消

5、化掌握課程內(nèi)容，歸納學(xué)到的各種技術(shù)方法。特別應(yīng)注重實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，提高全面素質(zhì)和綜合職業(yè)能力。四、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和任務(wù)本課程的基本內(nèi)容可分為機(jī)械原理和機(jī)械零件設(shè)計(jì)兩大部分，是綜合應(yīng)用各先修課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐知識(shí)，研究機(jī)械中的常見(jiàn)機(jī)構(gòu)和一般工作條件下的常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用零、部件，研究其工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和基本設(shè)計(jì)理論、基本計(jì)算方法，研究機(jī)械設(shè)計(jì)的一般原則和設(shè)計(jì)步驟，研究常用零部件的選用和維護(hù)等共性問(wèn)題。因此，本課程是工科類(lèi)各專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，起著“理論過(guò)渡到實(shí)際、從基礎(chǔ)過(guò)渡到專(zhuān)業(yè)“的承前啟后的橋梁作用。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐性訓(xùn)練，要求達(dá)到：1、 了解

6、使用、維護(hù)和管理常用機(jī)械設(shè)備的一些基礎(chǔ)知識(shí)。2、 初步掌握常用機(jī)構(gòu)的性能、應(yīng)用場(chǎng)合、使用維護(hù)等基礎(chǔ)知識(shí)。3、 具備正確選擇常用機(jī)械零件的類(lèi)型、代號(hào)等基礎(chǔ)知識(shí)。4、 初步具備機(jī)械設(shè)計(jì)傳動(dòng)的運(yùn)用手冊(cè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)械的能力。第二節(jié) 平面機(jī)構(gòu)的自由度一、機(jī)構(gòu)的組成1.1 運(yùn)動(dòng)副的概念 1.運(yùn)動(dòng)副當(dāng)由構(gòu)件組成機(jī)構(gòu)時(shí)，為了使各構(gòu)件間具有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要以一定的方式把各個(gè)構(gòu)件彼此聯(lián)接起來(lái)，而且每個(gè)構(gòu)件至少必須與另一構(gòu)件相聯(lián)接。這種使兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定形式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)副。如軸1與軸承2的配合(圖15-1a)，齒輪1與齒輪2的輪齒間的嚙合(圖15-1b)，滑塊2與導(dǎo)軌1的接觸(圖15-1c)

7、等等，就都構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)副。 (a) (b) (c)圖 1-1 2.運(yùn)動(dòng)副分類(lèi)運(yùn)動(dòng)副根據(jù)兩構(gòu)件間的接觸特性可分為高副和低副。高副指兩構(gòu)件通過(guò)點(diǎn)接觸或線(xiàn)接觸組成的運(yùn)動(dòng)副，如圖1-2中齒輪1與2、凸輪3與從動(dòng)桿4、車(chē)輪5與軌道6分別在A處組成高副。這時(shí)，兩構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿切線(xiàn)方向的移動(dòng)，而沿法線(xiàn)方向的移動(dòng)被運(yùn)動(dòng)副限制了。低副指兩構(gòu)件通過(guò)面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副，如圖1-3所示。圖1-2 高副 (a) 移動(dòng)副 (b) 轉(zhuǎn)動(dòng)副圖1-3 低副運(yùn)動(dòng)副還常根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同來(lái)分類(lèi)。如圖1-4所示,把相對(duì)運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為移動(dòng)副，兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，

8、 相對(duì)運(yùn)動(dòng)為齒輪嚙合的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為齒輪副，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為螺旋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為螺旋副，相對(duì)運(yùn)動(dòng)為球面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為球面副等等。此外，運(yùn)動(dòng)副根據(jù)的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)分為平面運(yùn)動(dòng)副和空間運(yùn)動(dòng)副。圖1-4 運(yùn)動(dòng)副1.2 自由度和運(yùn)動(dòng)副約束 如圖1-5所示，設(shè)有任意兩個(gè)構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件1尚未與構(gòu)件2構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副之前，即構(gòu)件1相對(duì)于構(gòu)件2共有6個(gè)相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。構(gòu)件的這種獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的可能性稱(chēng)為構(gòu)件的自由度?？梢?jiàn)，空間自由運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件具有6個(gè)自由度，而作平面自由運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件具有3個(gè)自由度。若將兩構(gòu)件以某種方式相聯(lián)接而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副，則兩者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)便受到一定的限制，這種限制稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)副約束。自由度將因運(yùn)

9、動(dòng)副引入的約束而減少，而且其減少的數(shù)目就等于其引入的約束數(shù)目。如高副約束了構(gòu)件的一種相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，低副約束了構(gòu)件的兩種相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。圖1-51.3運(yùn)動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu) 組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件是通過(guò)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副而彼此相聯(lián)的。我們把兩個(gè)以上的構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)鏈。如果運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件構(gòu)成了首末封閉的系統(tǒng)，如圖1-6a、b所示，則稱(chēng)為閉式運(yùn)動(dòng)鏈，或簡(jiǎn)稱(chēng)閉鏈。反之，如運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，如圖1-6c、d所示，則稱(chēng)為開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，或簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)鏈。在各種機(jī)械中，一般采用閉鏈。 （a） （b） （c） （d）圖1-6 運(yùn)動(dòng)鏈在運(yùn)動(dòng)鏈中，如果將某一構(gòu)件加以固定而成為機(jī)架，則這種運(yùn)動(dòng)鏈便成為機(jī)構(gòu)。

10、機(jī)構(gòu)中的其余構(gòu)件均相對(duì)于機(jī)架而運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱(chēng)為原動(dòng)件；而其余活動(dòng)構(gòu)件則稱(chēng)為從動(dòng)件，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定。二、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的概念 實(shí)際機(jī)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。為了便于分析和設(shè)計(jì)，通常不考慮構(gòu)件的外形、截面尺寸以及運(yùn)動(dòng)副的實(shí)際結(jié)構(gòu)，而用簡(jiǎn)單的線(xiàn)條和規(guī)定的符號(hào)表示構(gòu)件（圖1-7）和運(yùn)動(dòng)副（圖1-4），并按一定的比例畫(huà)出各運(yùn)動(dòng)副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)圖稱(chēng)為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。(a) (b) (c) (d) (e)三、平面機(jī)構(gòu)的自由度3.1 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 平面機(jī)構(gòu)自由度是指平面機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。設(shè)某平面機(jī)構(gòu)有n個(gè)活

11、動(dòng)構(gòu)件，有PL個(gè)低副和PH個(gè)高副。因一個(gè)沒(méi)有受任何約束的構(gòu)件有3個(gè)自由度，一個(gè)低副有兩個(gè)約束，一個(gè)高副帶來(lái)一個(gè)約束，因此，機(jī)構(gòu)自由度F可按下式計(jì)算 F=3n-2PL-PH (1-1) 例1-1 試計(jì)算圖1-9所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的自由度。 解： 此機(jī)構(gòu)有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件(構(gòu)件1、2、3)、4個(gè)低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B、C、D)，沒(méi)有高副。按式(1-1)求得機(jī)構(gòu)自由度為 F=3n-2PL-PH=33-24-0=1圖1-93.2 計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng) 使用式(1-1)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，對(duì)于下列情況應(yīng)給予注意、處理，才能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際一致。 1復(fù)合鉸鏈 圖1-10a為三個(gè)構(gòu)件在A處組成轉(zhuǎn)動(dòng)副。由俯視圖1-1

12、0b中可以看出，A處實(shí)際上存在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。這種由兩個(gè)以上的構(gòu)件在一處組成的轉(zhuǎn)動(dòng)副，稱(chēng)為復(fù)合鉸鏈，其轉(zhuǎn)動(dòng)副的數(shù)目應(yīng)是在該處匯交構(gòu)件(包括固定件)的數(shù)目減1。 （a） （b）圖1-10 復(fù)合鉸鏈 2局部自由度圖1-1la所示的凸輪機(jī)構(gòu)中，在從動(dòng)件3的端部裝有滾子2，滾子的作用是將B處的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減少功率損耗，降低磨損。由F=3n-2PL-PH=33-23-1=2可知，凸輪機(jī)構(gòu)有兩種獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，這與實(shí)踐相矛盾。如圖1-11b所示，設(shè)想將滾子2與安裝滾子的構(gòu)件3焊成一體，此時(shí)， n=2，PL=2，PH=1凸輪機(jī)構(gòu)的自由度為F=32-22-1=1，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符?？梢?jiàn)滾子繞C軸轉(zhuǎn)動(dòng)的

13、自由度對(duì)從動(dòng)件3的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響。這種不影響整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的、局部的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為局部自由度。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將局部自由度除去不計(jì)。否則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不相符。（a） （b）圖1-11 凸輪機(jī)構(gòu) 3虛約束 圖l5-12a所示縫紉機(jī)刺布機(jī)構(gòu)，上下兩個(gè)移動(dòng)副D和D/同時(shí)約束針桿的上下移動(dòng)，其約束效果與圖1-12b一樣。移動(dòng)副D/對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)只起重復(fù)限制的作用。這種起重復(fù)限制作用的約束稱(chēng)為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，虛約束應(yīng)當(dāng)除去。否則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不相符。圖1-12b中， n=3，PL=4，PH=0，得F=33-24-0=1。（a） （ b）圖1-l 2 縫紉機(jī)刺布機(jī)構(gòu)中移動(dòng)副導(dǎo)路重合 平面機(jī)

14、構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)于下列情況中：(1)被聯(lián)接件上點(diǎn)的軌跡與機(jī)構(gòu)上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合時(shí)，這種聯(lián)接將出現(xiàn)虛約束，如圖1-13所示。 (2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)間的距離始終保持不變，將此兩點(diǎn)用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接，則會(huì)帶進(jìn)虛約束，如圖1-14所示的A、B兩點(diǎn)。 (3)如果兩個(gè)構(gòu)件組成的移動(dòng)副（圖1-12）相互平行，或兩個(gè)構(gòu)件組成多個(gè)軸線(xiàn)重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)，如圖1-1所示，只需考慮其中一處，其余各處帶進(jìn)的約束均為虛約束。 4)機(jī)構(gòu)中起重復(fù)作用的對(duì)稱(chēng)部分是虛約束。如圖1-16所示的行星輪系中，由與中心完全對(duì)稱(chēng)的三部分組成，每一部分的作用相同。因此，可以認(rèn)為其中兩個(gè)部分的約束為虛約束。 圖1-13 圖1-14

15、 圖1-15 圖1-16 行星輪系 虛約束雖然對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有影響，但可以改善機(jī)構(gòu)的受力情況，增加構(gòu)件的剛度。虛約束是在特定的幾何條件下存在的，否則，虛約束將會(huì)變?yōu)閷?shí)際約束，并將阻礙機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動(dòng) 1.3.3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件 由圖1-9可知，原動(dòng)件每給定一個(gè)值，從動(dòng)件2、3便有一個(gè)確定的位置。可見(jiàn)，自由度為1的機(jī)構(gòu)在具有一個(gè)原動(dòng)件時(shí)，運(yùn)動(dòng)是確定的。圖1-17所示為鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)，自由度F=34-25-O=2。如果只有構(gòu)件1為原動(dòng)件，則當(dāng)構(gòu)件1處于1位置時(shí)，從動(dòng)件2、3、4的位置不確定(可以在圖示實(shí)線(xiàn)或雙點(diǎn)劃線(xiàn)位置，也可處于其他位置)，即從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)不確定。如果取構(gòu)件1和4為原動(dòng)件，每給定

16、一組1和4的數(shù)值，從動(dòng)件2和3便有一個(gè)確定的相對(duì)位置?？梢?jiàn)，自由度等于2的機(jī)構(gòu)在具有兩個(gè)原動(dòng)件時(shí)運(yùn)動(dòng)是確定的。圖1-17 鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)綜上所述，一般機(jī)構(gòu)都有一個(gè)原動(dòng)件，在此情況下，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的數(shù)目W等于機(jī)構(gòu)的自由度F，即 W=F (1-2)當(dāng)WF時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定。 例l-2 圖1-18所示為篩料機(jī)構(gòu)，曲軸1、凸輪6為原動(dòng)件(標(biāo)有箭頭)，迫使篩5(滑塊)抖動(dòng)篩料。試計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，檢查機(jī)構(gòu)是否具有確定運(yùn)動(dòng)。解： (1)處理特殊情況 首先處理局部自由度：圖中滾子7繞E軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度為局部自由度，采用滾子7與構(gòu)件8焊化處理；其次，判定并去除虛約束，構(gòu)件8與機(jī)架9形成導(dǎo)路

17、重合的左右兩個(gè)移動(dòng)副中的一個(gè)是虛約束，計(jì)算時(shí)應(yīng)去除。最后判斷復(fù)合鉸鏈，圖中構(gòu)件2、3、4在C處組成復(fù)合鉸鏈，C處含兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。(2)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，n=7，PL=9，PH=1，按式(1-1)計(jì)算得 F=37-29-1=2(3)檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否確定 由于原動(dòng)件數(shù)W=2=F，所以機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)確定。圖1-18 篩料機(jī)構(gòu)第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)由若干構(gòu)件通過(guò)低副聯(lián)接，且所有的構(gòu)件在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面連桿機(jī)構(gòu)，平面連桿機(jī)構(gòu)是也稱(chēng)平面低副機(jī)構(gòu)。由四個(gè)構(gòu)件通過(guò)低副連接而成的平面連桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面四桿機(jī)構(gòu)，是平面連桿機(jī)構(gòu)中最常見(jiàn)的形式，是構(gòu)成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。本任務(wù)主要討論平面連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型及應(yīng)用、特性

18、及設(shè)計(jì)方法。第一節(jié) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)一、 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件1曲柄存在的條件鉸接四桿機(jī)構(gòu)中是否有曲柄存在，這個(gè)問(wèn)題主要取決于機(jī)構(gòu)中個(gè)構(gòu)件之間的相對(duì)長(zhǎng)度，還有就是最短桿在機(jī)構(gòu)中的位置。通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的集合關(guān)系可以證明，連架桿要成為曲柄，其必要與充分的條件是：（1） 最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。設(shè)四構(gòu)件中最長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)max，最短桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)min，其余兩桿長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)和L，Lmax+LminL+L。 （2） 連架桿與機(jī)架中必有一桿為最短桿。2.推論 根據(jù)曲柄存在的條件可得出如下推論：圖2-1 (1) 當(dāng)最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí)，則不論取何桿

19、為機(jī)架，機(jī)構(gòu)均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。(2) 當(dāng)最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí)：1) 若最短桿的相鄰桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；2) 若最短桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；3) 若最短桿的對(duì)邊桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。例2-1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD的各桿長(zhǎng)度如圖2-1所示。說(shuō)明機(jī)構(gòu)分別以AB、BC、CD和AD各桿為機(jī)架時(shí)，屬何種機(jī)構(gòu)?解：由于Lmax+Lmin50+2070 L+L50+60110，故四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副均不能整周轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)論以哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，均無(wú)曲柄，或者說(shuō)均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。二、急回特性和死點(diǎn)位置1、急回特性 極位夾角搖桿在C1D、C2D兩極限位置時(shí)，曲柄與連桿共線(xiàn)，對(duì)應(yīng)兩

20、位置所夾的銳角，用表示。 急回特性：空回行程時(shí)的平均速度大于工作行程時(shí)的平均速度。機(jī)構(gòu)的急回特性可用行程速比系數(shù)K表示： 極位夾角越大，機(jī)構(gòu)的急回特性越明顯。曲柄搖杯機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄A B沿順時(shí)針?lè)较蛞缘冉撬俣绒D(zhuǎn)過(guò)1時(shí)，搖桿CD自左極限位置C1D擺至右極位置C2D，設(shè)所需時(shí)間為 t1，C點(diǎn)的明朗瞪為 V1；而當(dāng)曲柄AB再繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)2時(shí)，搖桿CD自C2D擺回至C1D，設(shè)所需的時(shí)間為 t2，C點(diǎn)的平均速度為 V2。由于12，所以 t1t2 ,V2Vl。由此說(shuō)明：曲柄AB雖作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖桿CD空回行程的平均速度卻大于工作行程的平均速度，這種性質(zhì)稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的急回特性。 圖2-2 曲柄搖桿的急回特性分析搖桿

21、CD的兩個(gè)極限位置間的夾角稱(chēng)為搖稈的最大擺角，主動(dòng)曲柄在搖桿處于兩個(gè)極限位置時(shí)所夾的銳角稱(chēng)為極位夾角。在某些機(jī)械中(如牛頭刨床、插床或慣性篩等)，常利用機(jī)械的急回特性來(lái)縮短空回行程的時(shí)間，以提高生產(chǎn)率。行程速比系數(shù)K：從動(dòng)件空回行程平均速度V2與從動(dòng)件工作行程平均速度V1的比值。K值的大小反映了機(jī)構(gòu)的急回特性，K值愈大，回程速度愈快。 KV2V1 (C2C1t2) (C1C2t1)（180十） (180一)由上式可知，K與有關(guān)，當(dāng)0時(shí)，K1，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性；當(dāng)0時(shí)，Kl，則機(jī)構(gòu)具有急回特性。2、死點(diǎn)位置 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，如圖所示，若取搖桿為主動(dòng)件，當(dāng)搖桿在兩極限位置時(shí)，連桿與曲柄共線(xiàn)，

22、通過(guò)連桿加于曲柄的力F經(jīng)過(guò)鉸鏈中心A，該力對(duì)A點(diǎn)的力矩為零，故不能推動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。這種位置稱(chēng)為死點(diǎn)。平面四桿機(jī)構(gòu)是否存在死點(diǎn)位置，決定于從動(dòng)件是否與連桿共線(xiàn)。凡是從動(dòng)件與連桿共線(xiàn)的位置都是死點(diǎn)。 圖2-3 飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu) 圖2-4 鉆床壓緊機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，死點(diǎn)是有害的，因?yàn)樗傈c(diǎn)位置常使機(jī)構(gòu)從動(dòng)件無(wú)法運(yùn)動(dòng)或出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象。如上圖所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)），當(dāng)踏板CD為主動(dòng)件并作往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)在兩處有可能出現(xiàn)死點(diǎn)位置，致使曲柄AB不轉(zhuǎn)或出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為了保證機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可在曲柄軸上裝飛輪，利用其慣性作用使機(jī)構(gòu)順利地通過(guò)死點(diǎn)位置。 在工程上，有時(shí)也

23、利用死點(diǎn)進(jìn)行工作，如圖2-4所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，就是應(yīng)用死點(diǎn)的性質(zhì)來(lái)夾緊工件的一個(gè)實(shí)例。當(dāng)夾具通過(guò)手柄1，施加外力F使鉸鏈的中心B、C、D處于同一條直線(xiàn)上時(shí)，工件2被夾緊，此時(shí)如將外力F去掉，也仍能可靠地夾緊工件，當(dāng)需要松開(kāi)工件時(shí)，則必須向上扳動(dòng)手柄1，才能松開(kāi)夾緊的工件。 第二節(jié) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，除了我們上面所介紹的三種類(lèi)型的四桿機(jī)構(gòu)外，還被廣泛采用的其他形式的四桿機(jī)構(gòu)，一般是通過(guò)改變鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)某些構(gòu)件的形狀、相對(duì)長(zhǎng)度或者選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架等方式演化而來(lái)的。一、 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 圖2-5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)a)對(duì)心曲柄機(jī)構(gòu) b）偏置曲柄滑筷機(jī)構(gòu)由圖2-5可知，當(dāng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖

24、桿長(zhǎng)趨于無(wú)窮大時(shí)，C點(diǎn)的軌跡將從圓弧演變?yōu)橹本€(xiàn)，搖桿CD轉(zhuǎn)化為沿直線(xiàn)導(dǎo)路m-m移動(dòng)的滑塊，成為圖示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心距導(dǎo)路的距離，稱(chēng)為偏距。若0，如圖2-5a所示，稱(chēng)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；若e0，如圖2-5b所示，稱(chēng)為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。a） 內(nèi)燃機(jī)活塞-連桿機(jī)構(gòu) b）自動(dòng)送料裝置圖2-6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用b）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)動(dòng)與往復(fù)移動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、空壓機(jī)和自動(dòng)送料機(jī)等機(jī)械設(shè)備中。圖2-6a、b所示分別為內(nèi)燃機(jī)和自動(dòng)送料機(jī)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。對(duì)于圖2-6a所示對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于曲柄較短，曲柄結(jié)構(gòu)形式較難實(shí)現(xiàn)，故常采用圖2-7所示的偏心輪結(jié)構(gòu)形式，稱(chēng)為偏心輪機(jī)構(gòu)，

25、其偏心圓盤(pán)的偏心距即等于原曲柄長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)增大了轉(zhuǎn)動(dòng)副的尺寸，提高了偏心軸的強(qiáng)度和剛度，并使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和便于安裝，多用于承受較大沖擊載荷的機(jī)械中，如破碎機(jī)、剪床及沖床等。圖2-7 偏心輪機(jī)構(gòu) 圖2-8 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)若將圖2-8所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的構(gòu)件1作為機(jī)架，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就演化為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，它包括轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(圖2-8a)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(圖2-8b)兩種形式。一般用連架桿2作為原動(dòng)件，連架桿4對(duì)滑塊3的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，稱(chēng)為導(dǎo)桿。當(dāng)桿長(zhǎng)l1l2時(shí)，桿2能整周轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)桿4只能在某一角度內(nèi)擺動(dòng)，形成擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)具有很好的傳力性能，常用于插床、牛頭刨床和送料裝置等機(jī)器中。圖2-9a

26、、b所示分別為插床和刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中ABC部分分別為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖2-9導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用a）插床主機(jī)構(gòu) b）刨床主機(jī)構(gòu) 三、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu) 若將圖2-8a所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的構(gòu)件2作為機(jī)架，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就演化為如圖2-10a所示的搖塊機(jī)構(gòu)。構(gòu)件1作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊3只能繞機(jī)架往復(fù)擺動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)常用于擺缸式原動(dòng)機(jī)和氣、液壓驅(qū)動(dòng)裝置中，如圖2-10b所示的自動(dòng)貨車(chē)翻斗機(jī)構(gòu)。圖2-10搖塊機(jī)構(gòu)及應(yīng)用若將圖2-10a所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊3作為機(jī)架，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就演化為如圖2-11a所示的定塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽油泵和手搖抽水唧筒(圖2-11b)。圖2-11 定塊機(jī)構(gòu)及應(yīng)第三節(jié)

27、 平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是：根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作要求和設(shè)計(jì)條件選定機(jī)構(gòu)形式，并確定出各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐中，平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題可歸納為兩類(lèi)：1)實(shí)現(xiàn)給定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如要求從動(dòng)件按某種速度運(yùn)動(dòng)或具有一定的急回特性，要求滿(mǎn)足某構(gòu)件占據(jù)幾個(gè)預(yù)定位置等。2)實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡。如要求起重機(jī)中吊鉤的軌跡為一直線(xiàn)，攪拌機(jī)中攪拌桿端能按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)等。四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的方法有圖解法、實(shí)驗(yàn)法和解析法三種。圖解法和實(shí)驗(yàn)法直觀、簡(jiǎn)明，但精度較低，可滿(mǎn)足一般設(shè)計(jì)要求；解析法精確度高，適于用計(jì)算機(jī)計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已成必然趨勢(shì)。本節(jié)著重介

28、紹圖解法，對(duì)實(shí)驗(yàn)法和解析法只作簡(jiǎn)單介紹。圖 2-13 按連桿三個(gè)預(yù)定位置圖解設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)一、 按連桿的預(yù)定位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 在生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常要求所設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連桿能達(dá)到某些特殊位置。這類(lèi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)屬于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件預(yù)定位置的設(shè)計(jì)問(wèn)題。1按連桿的三個(gè)預(yù)定位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 如圖2-213所示，設(shè)已知連桿BC的長(zhǎng)度lBC及三個(gè)預(yù)定位置B1C1、B2C2、B3C3，試設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)。 設(shè)計(jì)分析：此設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是根據(jù)已知條件確定固定鉸鏈中心A、D的位置。由于連桿上B、C兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡分別是以A、D兩點(diǎn)為圓心，以lAB、lCD為半徑的圓弧，所以A即為過(guò)B1、B2、B3三點(diǎn)所作圓弧的圓心，D即為

29、過(guò)C1、C2、C3三點(diǎn)所作圓弧的圓心。此設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)已轉(zhuǎn)化為已知圓弧上三點(diǎn)確定圓心的問(wèn)題。具體設(shè)計(jì)步驟：（2）聯(lián)接B1B2、B2B3、C1C2和C2C3，并分別作B1B2的中垂線(xiàn)b12、B2B3的中垂線(xiàn)b23（、C1C2的中垂線(xiàn)c12、C2C3的中垂線(xiàn)c23,b12與b23的交點(diǎn)即為圓心A，c12與c23的交點(diǎn)即為圓心D；（3）以點(diǎn)A、D作為兩固定鉸鏈中心，聯(lián)接AB1C1D，則AB1C1D即為所要設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)，各桿長(zhǎng)度按比例尺計(jì)算即可得出。2按連桿的兩個(gè)預(yù)定位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 由以上分析可知，已知連桿的兩個(gè)預(yù)定位置時(shí)，如圖2-14所示，A點(diǎn)可在B1B2中垂線(xiàn)b12上的任一點(diǎn)，D點(diǎn)可在C1C2中垂

30、線(xiàn)c12上的任一點(diǎn)，故有無(wú)數(shù)個(gè)解。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般考慮輔助條件，如機(jī)架位置、結(jié)構(gòu)緊湊等，則可得唯一解。 圖2-14 按連桿兩個(gè)預(yù)定位置圖解設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)圖 2-15 爐門(mén)啟閉機(jī)構(gòu)如圖2-15所示加熱爐門(mén)的啟閉機(jī)構(gòu)，要求加熱時(shí)爐門(mén)(連桿)處于關(guān)閉位置B1C1，加熱后爐門(mén)處于開(kāi)啟位置B2C2。二、 按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)，一般是根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)要求選定行程速比系數(shù)K的數(shù)值，然后根據(jù)機(jī)構(gòu)極位的幾何特點(diǎn)，結(jié)合其他輔助條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等，其中以典型的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。設(shè)已知行程速比系數(shù)K、搖桿長(zhǎng)lCD

31、、最大擺角，試用圖解法設(shè)計(jì)此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)分析：由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)處于極位時(shí)的幾何特點(diǎn)(圖16-15a)可知，在已知lCD、的情況下，只要能確定固定鉸鏈中心A的位置，則可由lAC1lBClAB、lAC1lBClAB確定出曲柄長(zhǎng)度lAB和連桿長(zhǎng)度lBC，也即設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是確定固定鉸鏈中心A的位置。已知K后，由式(16-2)可求得極位夾角的大小，這樣就可把K的要求轉(zhuǎn)換成幾何要求了。假設(shè)圖16-26為已經(jīng)設(shè)計(jì)出的該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，鉸鏈A的位置必須滿(mǎn)足極位夾角C1AC2的要求。若能過(guò)C1、C2兩點(diǎn)作出一輔助圓，使C1C2所對(duì)的圓周角等于，那么，鉸鏈A只要在這個(gè)圓上，就一定能滿(mǎn)足K的要求了。顯然，這樣的輔

32、助圓是容易作出的。如圖2-16所示，具體設(shè)計(jì)步驟為：圖2-16 按K值圖解設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)1按計(jì)算出極位夾角；2任取固定鉸鏈中心D的位置，選取適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度比例尺1，根據(jù)已知搖桿長(zhǎng)度lCD和擺角，作出搖桿的兩個(gè)極限位置C1D和C2D；3聯(lián)接C1、C2兩點(diǎn)，作C1MC1C2，C1C2N90，直線(xiàn)C1M與C2N交于P點(diǎn)，顯然C1PC2；4以PC2為直徑作輔助圓。在該圓周上任取一點(diǎn)A，聯(lián)接AC1、AC2，則C1AC2；5量出AC2，、AC1的長(zhǎng)度lAC1和lAC2。由此可求得曲柄和連桿的長(zhǎng)度 6機(jī)架的長(zhǎng)度lAD可直接量得，再按比例尺1計(jì)算即可得出實(shí)際長(zhǎng)度。由于A為輔助圓上任選的一點(diǎn)，所以可有無(wú)窮多的解。

33、當(dāng)給定一些其他輔助條件，如機(jī)架長(zhǎng)度lAD最小傳動(dòng)角min等，則有唯一解。同理，可設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足給定行程速比系數(shù)K值的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等。 第三章 凸輪機(jī)構(gòu) 第一節(jié) 圖解法繪制盤(pán)形凸輪輪廓圖3-1 “反轉(zhuǎn)法”原理根據(jù)機(jī)器的工作要求，在確定了凸輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型，選定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪的基圓半徑和凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向后，便可設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線(xiàn)了。凸輪輪廓設(shè)計(jì)的方法有圖解法和解析法。圖解法簡(jiǎn)單易行而且直觀，但精確度有限，只適用于一般場(chǎng)合。本節(jié)介紹圖解法設(shè)計(jì)的原理和方法。圖解法繪制凸輪輪廓曲線(xiàn)是利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理完成的。當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪和從動(dòng)件都是運(yùn)動(dòng)的，而繪制凸輪輪廓時(shí)，應(yīng)使凸輪相對(duì)靜止。如

34、圖3-1所示，如設(shè)想給整個(gè)機(jī)構(gòu)加一個(gè)與凸輪角速度大小相等、方向相反的公共角速度“”，則凸輪處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，而從動(dòng)件一方面按原定運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)于機(jī)架導(dǎo)路作往復(fù)移動(dòng)，另一方面隨同機(jī)架以“”角速度繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于從動(dòng)件尖頂始終與凸輪輪廓保持接觸，所以從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)行程中，其尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的輪廓曲線(xiàn)。這就是凸輪輪廓設(shè)計(jì)的“反轉(zhuǎn)法”原理。根據(jù)這一原理便可作出各種類(lèi)型凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓曲線(xiàn)。2.1 尖頂對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪圖3-2 尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓圖解設(shè)計(jì)圖3-2a所示為尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。設(shè)已知條件為從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪的基圓半徑rb及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，則凸輪輪廓的作圖步驟如

35、下：1選取適當(dāng)?shù)谋壤遧，作出從動(dòng)件的位移線(xiàn)圖，如圖3-2b所示。2取與位移線(xiàn)圖相同的比例，以rb為半徑作基圓?；鶊A與導(dǎo)路的交點(diǎn)B0(C0)即為從動(dòng)件尖頂?shù)钠鹗嘉恢谩?在基圓上，自O(shè)C0開(kāi)始，沿“”方向依此取0,s,0,s，并將0、0分成與位移線(xiàn)圖對(duì)應(yīng)的若干等份，得C1，C2，C3，各點(diǎn)，聯(lián)接OCl，OC2，OC3，各徑向線(xiàn)并延長(zhǎng)，便得從動(dòng)件導(dǎo)路在反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置線(xiàn)。4沿各位置線(xiàn)自基圓向外量取ClB111，C2B222，C3B333，由此得尖頂從動(dòng)件反轉(zhuǎn)過(guò)程中的一系列位置Bl，B2，B3，。5將B1，B2，B3，聯(lián)接成光滑的曲線(xiàn)，即得到所求的凸輪輪廓曲線(xiàn)。2.2 滾子從動(dòng)件 圖3-3 滾

36、子對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓圖解設(shè)計(jì)圖3-3所示為滾子對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。由于滾子中心是從動(dòng)件上的一個(gè)固定點(diǎn)，該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就是從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)，而滾子始終與凸輪輪廓保持接觸，沿法線(xiàn)方向的接觸點(diǎn)到滾子中心的距離恒等于滾子半徑rT，由此可得作圖步驟如下：1把滾子中心看作尖頂從動(dòng)件的尖頂，按設(shè)計(jì)尖頂從動(dòng)件凸輪輪廓的方法作出一條輪廓曲線(xiàn)0。0稱(chēng)為凸輪的理論輪廓曲線(xiàn)，是滾子中心相對(duì)于凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。2以理論輪廓曲線(xiàn)0上的點(diǎn)為圓心，以滾子半徑rT為半徑作一系列滾子圓(取與基圓相同的長(zhǎng)度比例尺)，再作這些圓的內(nèi)包絡(luò)線(xiàn)。稱(chēng)為凸輪的實(shí)際輪廓曲線(xiàn)，是凸輪與滾子從動(dòng)件直接接觸的輪廓(工作輪廓)。應(yīng)當(dāng)指出，凸輪的實(shí)

37、際輪廓曲線(xiàn)與理論輪廓曲線(xiàn)間的法線(xiàn)距離始終等于滾子半徑，它們互為等距曲線(xiàn)。此外，凸輪的基圓指的是理論輪廓線(xiàn)上的基圓。2.3凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了根據(jù)工作要求合理地選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還必須保證從動(dòng)件準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且具有良好的傳力性能和緊湊的結(jié)構(gòu)。下面討論與此相關(guān)的幾個(gè)問(wèn)題。2.3.1 滾子半徑的選擇 采用滾子從動(dòng)件時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臐L子半徑，要綜合考慮滾子的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及凸輪輪廓曲線(xiàn)的形狀等多方面的因素。為了減小滾子與凸輪間的接觸應(yīng)力和考慮安裝的可能性，應(yīng)選取較大的滾子半徑；但滾子半徑的增大，將影響凸輪的實(shí)際輪廓。1當(dāng)理論廓線(xiàn)內(nèi)凹時(shí)，如圖3-4a所示，實(shí)際輪廓的曲率

38、半徑，等于理論輪廓線(xiàn)曲率半徑與滾子半徑rT之和，即=+rT。此時(shí)，不論滾子半徑的大小，其實(shí)際輪廓線(xiàn)總可以作出。2當(dāng)理論輪廓線(xiàn)外凸時(shí)，=-rT。若rT，則0，如圖3-4b所示，實(shí)際輪廓線(xiàn)為一光滑曲線(xiàn)； 圖3-4 滾子半徑的選擇分析若rT，則0，如圖3-4c所示， 實(shí)際廓線(xiàn)出現(xiàn)尖點(diǎn)，尖點(diǎn)極易磨損，磨損后就會(huì)改變從動(dòng)件原有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：若rT，則15mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，一般可按基圓半徑rb來(lái)確定滾子半徑rT，通常取rT(0.10.5)rb。2.3.2 壓力角及其許用值圖3-5凸輪機(jī)構(gòu)受力分析圖3-5所示為尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)在推程某個(gè)位置的受力情況。FQ為作用在從動(dòng)件上的載荷(包括工

39、作阻力、重力、彈簧力和慣性力等)。若不計(jì)摩擦，凸輪作用于從動(dòng)件的力Fn。將沿接觸點(diǎn)的法線(xiàn)n-n方向，圖中角即為該位置的壓力角。Fn可分解為沿從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向的有效分力F和垂直于導(dǎo)路方向的有害分力F，F(xiàn)使從動(dòng)件壓緊導(dǎo)路而產(chǎn)生摩擦力，F(xiàn)推動(dòng)從動(dòng)件克服載荷FQ及導(dǎo)路間的摩擦力向上移動(dòng)。其大小分別為 FFncos FFnsin顯然，角越小，有效分力F越大，凸輪機(jī)構(gòu)的傳力性能越好。反之，角越大，有效分力F越小，有害分力F越大，機(jī)構(gòu)的摩擦阻力增大、效率降低。當(dāng)增大到某一數(shù)值，有效分力F，會(huì)小于由F所引起的摩擦阻力，此時(shí)無(wú)論凸輪給從動(dòng)件多大的作用力，都無(wú)法驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，即機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)。因此，為保證凸輪機(jī)

40、構(gòu)正常工作，并具有良好的傳力性能，必須對(duì)壓力角的大小加以限制。一般凸輪輪廓線(xiàn)上各點(diǎn)的壓力角是變化的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使最大壓力角不超過(guò)許用壓力角。一般設(shè)計(jì)中，推程壓力角許用值推薦如下： 移動(dòng)從動(dòng)件30 擺動(dòng)從動(dòng)件45機(jī)構(gòu)在回程時(shí)，從動(dòng)件實(shí)際上不是由凸輪推動(dòng)，而是在鎖合力作用下返回的，發(fā)生自鎖的可能性很小。為減小沖擊和提高鎖合的可靠性，回程壓力角推薦許用值80。圖3-6壓力角的直接測(cè)量圖3-7偏置從動(dòng)件可減少壓力角對(duì)平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪對(duì)從動(dòng)件的法向作用力始終與從動(dòng)件的速度方向平行，故壓力角恒等于0，機(jī)構(gòu)的傳力性能最好。凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角max，一般出現(xiàn)在理論輪廓線(xiàn)上較陡或從動(dòng)件最大速度的輪廓附近

41、。校驗(yàn)壓力角時(shí)，可在此選取若干個(gè)點(diǎn)，作出這些點(diǎn)的壓力角，測(cè)量其大??；也可用圖3-6所示的方法用萬(wàn)能角度尺直接量取檢查。如果max，可采用增大基圓半徑或改對(duì)心凸輪機(jī)構(gòu)為偏置凸輪機(jī)構(gòu)的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到max的目的。如圖3-7所示，同樣情況下，偏置式凸輪機(jī)構(gòu)比對(duì)心式凸輪機(jī)構(gòu)有較小的壓力角，但應(yīng)使從動(dòng)件導(dǎo)路偏離的方向與凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。若凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則從動(dòng)件導(dǎo)路應(yīng)偏向軸心的右側(cè)；若凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則從動(dòng)件導(dǎo)路應(yīng)偏向軸心的左側(cè)。偏距的大小，一般取rb4。2.3.4 基圓半徑的選擇基圓半徑是凸輪設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)性能、受力性能等都有重要影響。設(shè)計(jì)出凸輪輪廓后，為

42、確保傳力性能，通常需進(jìn)行推程壓力角的校核，檢驗(yàn)是否滿(mǎn)足max的要求。圖3-8 諾蘭表1根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定rb。若凸輪與軸做成一體(凸輪軸)，rbr+rT+25mm；若凸輪單獨(dú)制造，rb(1.52)r+rT+25mm。式中，r為軸的半徑；rT為滾子半徑，若為非滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，則上式中rT可不計(jì)。這是一種較為實(shí)用的方法，確定rb后，再對(duì)所設(shè)計(jì)的凸輪輪廓校核壓力角。2根據(jù)max，確定最小基圓半徑rbmin。對(duì)于對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，工程上已制備了幾種從動(dòng)件基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的諾模圖，如圖3-8所示。圖中上半圓的標(biāo)尺代表凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角0，下半圓的標(biāo)尺代表最大壓力角max，直徑標(biāo)尺代表各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律

43、的hrb值。由圖上0、max兩點(diǎn)連線(xiàn)與直徑的交點(diǎn)，可讀出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的hrb值，從而確定最小基圓半徑rbmin?；鶊A半徑可按rbrbmin選取。 第四章 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)依靠主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的嚙合傳動(dòng)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)，具有適用范圍大，可實(shí)現(xiàn)任意兩軸間的傳動(dòng)；效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)；傳動(dòng)比準(zhǔn)確；工作安全可靠、壽命長(zhǎng)；結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。本任務(wù)主要是學(xué)會(huì)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)、應(yīng)用分類(lèi)；清楚齒輪嚙合的基本定律、齒輪漸開(kāi)線(xiàn)；掌握漸開(kāi)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)齒輪各部分的名稱(chēng)、參數(shù)和幾何尺寸的含義。第一節(jié) 齒輪傳動(dòng)概述1.1傳動(dòng)的特點(diǎn)、應(yīng)用分類(lèi)齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒直接嚙合、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置

44、。在所有機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來(lái)傳遞任意兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，適用的功率、速度和尺寸范圍大。例如，傳遞功率可以從很小至十幾萬(wàn)千瓦，速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從一毫米至一百五十多米。但是制造齒輪需要有專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。齒輪傳動(dòng)的主要類(lèi)型如圖4-1所示。(a) 外嚙合直齒圓柱齒輪傳動(dòng) (b) 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng) 圖4-2 齒廓嚙合基本定律示意圖圖4-1齒輪傳動(dòng)的主要類(lèi)型1.2嚙合基本定律對(duì)齒輪傳動(dòng)的基本要求之一，就是保證瞬時(shí)傳動(dòng)比i(i=1/2)等于一個(gè)恒定不變的值，即主動(dòng)輪勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪必須勻角速度轉(zhuǎn)

45、動(dòng)。否則，由于從動(dòng)輪角速度的變化，將產(chǎn)生慣性力。這種慣性力不僅影響齒輪的強(qiáng)度和壽命，而且還會(huì)引起機(jī)器的振動(dòng)和噪聲，影響其工作精度。要保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定不變，對(duì)輪齒的齒廓形狀有一定的要求。如圖示4-2所示，齒輪1和齒輪2的角速度分別為1和2，當(dāng)齒廓在K點(diǎn)接觸時(shí)，過(guò)K點(diǎn)的兩齒廓的公法線(xiàn)N1N2與連線(xiàn)O1O2交于C點(diǎn)。兩齒廓上K的速度為 (a) 欲使兩齒廓不產(chǎn)生卡死或離開(kāi)現(xiàn)象，則vk1和vk2在公法線(xiàn)N1N2上的分速度必須相等。即 (b)過(guò)O1、O2分別作N1、N2的垂線(xiàn)O1 N1和O2 N2，因?yàn)镹1 O1 K =K1、N2 O2 K =K2，所以依式（a）、（b）和圖4-2可寫(xiě)成 = = (c)

46、又因N1 O1C N2 O2 C，則上式又可寫(xiě)成 = = （4-1）由上式可知，欲保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定不變，則比值應(yīng)為賞數(shù)。由于兩輪心連線(xiàn)O1O2為定長(zhǎng)，為了滿(mǎn)足上述要求，C點(diǎn)（稱(chēng)節(jié)點(diǎn)）必須為連心線(xiàn)上的定點(diǎn)。因此，兩齒廓形狀應(yīng)滿(mǎn)足如下條件：兩輪齒廓在任何位置接觸時(shí)，過(guò)接觸點(diǎn)時(shí)（稱(chēng)嚙合點(diǎn)）的公法線(xiàn)必須與兩輪的連心線(xiàn)交于一個(gè)固定點(diǎn)C。兩齒廓形狀應(yīng)具有的這個(gè)條件稱(chēng)為齒廓嚙合基本定律。凡滿(mǎn)足上述定律而互相嚙合的一對(duì)齒廓，稱(chēng)為共軛齒廓。理論上的共軛齒廓形狀很多，但是為了滿(mǎn)足強(qiáng)度高、磨損小、壽命長(zhǎng)、制造和安裝方便等要求，目前在機(jī)械制造業(yè)中采用的齒廓曲線(xiàn)有漸開(kāi)線(xiàn)、擺線(xiàn)和圓弧線(xiàn)等。本章僅介紹漸開(kāi)線(xiàn)齒輪傳動(dòng)。1.

47、3漸開(kāi)線(xiàn)齒廓1.3.1漸開(kāi)線(xiàn)的形成和性質(zhì)如圖4-3所示，當(dāng)直線(xiàn)AB沿半徑b的圓作純滾動(dòng)時(shí)，此直線(xiàn)上任意一點(diǎn)K的軌跡EKD稱(chēng)為該圓的漸開(kāi)線(xiàn)。該圓稱(chēng)為基圓，直線(xiàn)AB稱(chēng)為發(fā)生線(xiàn)。漸開(kāi)線(xiàn)有下列性質(zhì)： 圖4-3 漸開(kāi)線(xiàn)的形成 圖4-4 漸開(kāi)線(xiàn)形狀與基圓的關(guān)系（1）發(fā)生線(xiàn)AB在基圓上滾過(guò)的線(xiàn)段長(zhǎng)NK等于基圓上被滾過(guò)的弧長(zhǎng)NE，即NK =NE；（2）由于發(fā)生線(xiàn)沿基圓作純滾動(dòng)，所以線(xiàn)段NK為漸開(kāi)線(xiàn)上K點(diǎn)的法線(xiàn)。由此可知，漸開(kāi)線(xiàn)的法線(xiàn)必定與基圓相切。同時(shí)，NK又是點(diǎn)的曲率半徑，點(diǎn)為曲率中心，因此，漸開(kāi)線(xiàn)上各點(diǎn)的曲率半徑是變化的，點(diǎn)離基圓越遠(yuǎn)，其曲率半徑越大，即漸開(kāi)線(xiàn)形狀越平緩；（3）漸開(kāi)線(xiàn)的形狀決定于基圓大小。

48、同一基圓上的漸開(kāi)線(xiàn)形狀完全相同?；鶊A越大，漸開(kāi)線(xiàn)越平直，當(dāng)基圓半徑為無(wú)窮大時(shí)，漸開(kāi)線(xiàn)就成為直線(xiàn)（圖4-4）; （4）基圓以?xún)?nèi)無(wú)漸開(kāi)線(xiàn)；（5）漸開(kāi)線(xiàn)上各點(diǎn)壓力角不同，離基圓越遠(yuǎn)，壓力角越大。如圖4-5所示，漸開(kāi)線(xiàn)上點(diǎn)的速度vk與正壓力Fn間所夾的銳角K稱(chēng)為K點(diǎn)的壓力角。由ONK知，cosK =rb/rk，式中rk為K點(diǎn)到輪心O的距離。因rb為定值，rk為變值。故k隨rk的增大而增大。在基圓上壓力角等于零。圖 4-5 漸開(kāi)線(xiàn)齒廓上的壓力角3.2 漸開(kāi)線(xiàn)齒廓嚙合特點(diǎn)漸開(kāi)線(xiàn)齒輪傳動(dòng)除滿(mǎn)足齒廓嚙合基本定律外，還有下列特點(diǎn)：（1）嚙合線(xiàn)為一直線(xiàn) 齒輪傳動(dòng)時(shí)，兩齒廓嚙合點(diǎn)的軌跡稱(chēng)為嚙合線(xiàn)，由前述可知，任何位

49、置的嚙合點(diǎn)必在兩輪基圓的內(nèi)公切線(xiàn)上，故漸開(kāi)線(xiàn)齒輪傳動(dòng)時(shí)的嚙合線(xiàn)為一直線(xiàn)（圖4-5所示的N1N 2線(xiàn)）；（2）嚙合角為常數(shù) 嚙合線(xiàn)與兩節(jié)圓的公切線(xiàn)之間所夾的銳角稱(chēng)為嚙合角，用表示，如圖4-5所示。因嚙合線(xiàn)為一條固定直線(xiàn)，故嚙合角為一常數(shù)；（3）中心距具有可分離性 由于齒輪制造和安裝的誤差以及軸承磨損等原因，實(shí)際工作的齒輪中心距與設(shè)計(jì)中心距往往是不相等的。但由于漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的傳動(dòng)比等于兩輪基圓半徑的反比，齒輪制成后，基圓大小是不變的。所以，中心距變化了，傳動(dòng)比不變。這個(gè)性質(zhì)稱(chēng)為漸開(kāi)線(xiàn)齒輪傳動(dòng)的可分離性。第二節(jié) 漸開(kāi)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計(jì)算2.1 齒輪各部分的名稱(chēng)如圖4-6所示為漸開(kāi)

50、線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的一部分，其各部分的名稱(chēng)與符號(hào)如下。圖4-6 圓柱齒輪各部分的名稱(chēng)齒頂圓 過(guò)齒輪各齒頂端的圓稱(chēng)為齒頂圓，其直徑和半徑分別以da和ra表示。齒根圓 過(guò)齒輪各齒齒根底部的圓稱(chēng)為齒根圓，其直徑和半徑分別以df和rf表示。齒槽寬、齒厚、齒距 齒輪上相鄰輪齒之間的空間，稱(chēng)為齒槽；在半徑為rk 的任意圓周上，齒槽的兩側(cè)齒廓之間的弧長(zhǎng)，稱(chēng)該圓周上的齒槽寬，以ek表示；一個(gè)輪齒的兩側(cè)齒廓之間的弧長(zhǎng)稱(chēng)為該圓周上的齒厚，以sk表示；而相鄰兩輪齒同側(cè)齒廓之間的弧長(zhǎng)，稱(chēng)為該圓周上的齒距，以pk表示。顯然 （4-2）分度圓 在齒輪上所選擇的作為尺寸計(jì)算基準(zhǔn)的圓稱(chēng)為分度圓，其直徑和半徑分別以d 和r表示。該圓上的所有尺寸和參數(shù)符號(hào)都不帶下標(biāo)K。顯然，s+e = p,所以有 （4-3）齒頂高、齒根高、全齒高 齒頂圓與分度圓之間的徑向距離稱(chēng)為齒頂高，以ha表示；齒根圓與分度圓之間的徑向距離稱(chēng)為齒根高，以hf表示；齒頂圓與齒根圓之間的徑向距離稱(chēng)為全齒高，以h表示。顯然有 （4-4）基圓、法向齒距 形成漸開(kāi)線(xiàn)齒輪齒廓的圓稱(chēng)為該齒輪的基圓，其直徑和半徑分別用db和rb表示；基圓上的齒距稱(chēng)為基圓齒距，以pb表示。相鄰兩輪齒同側(cè)齒廓之間的法向距離稱(chēng)為法向齒距，即圖4-7中的pn。 由漸開(kāi)線(xiàn)性質(zhì)可知，漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的基圓齒距和法向齒距相等，但通常法