《機械原理（英漢雙語）（第2版）》 課件 張春林 第1-6章 緒論、平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析- 凸輪機構(gòu)及其設計

機械原理第一章緒論1.機械的概念(1)機構(gòu)機器的重要特征是執(zhí)行機械運動，工程上把機器中執(zhí)行機械運動的裝置稱為機構(gòu)。如圖1-1a。

(2)機器機器是執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息。如圖1-1b。

(3)機械機構(gòu)與機器的共同點都是實現(xiàn)機械運動的裝置，所以從運動學的觀點看，二者是一樣的；不同點是機構(gòu)沒有能量的轉(zhuǎn)換和信息的傳遞。1.1機械總論Fig.1-1Internalcombustionengineandscheme(內(nèi)燃機及其機構(gòu)簡圖)

1—piston(活塞)2—coupler(連桿)3—crankshaft(曲軸)4、5、6—gear(齒輪)7—cam(凸輪)

8—follower(推桿)9—lever(杠桿)10—valve(氣門)11—frame(缸體)2.機器的組成Fig.1-2Compositionofmachine(機器組成示意圖)根據(jù)機器的定義，機器中要有動力源，稱為原動機；機器中還要有機械運動的傳遞裝置或機械運動形態(tài)的變換裝置，常將它們稱為機械傳動系統(tǒng)和工作執(zhí)行系統(tǒng)，統(tǒng)稱為機械運動系統(tǒng)；現(xiàn)代機器還有控制系統(tǒng)。圖1-2所示框圖為常見機器組成示意圖。Fig.1-3Automaticgate(電動大門示意圖)

1—driver(驅(qū)動器)2—gate(大門)3—electromotor(電動機)4—reducer(減速器)

5—chaindriver(鏈傳動)6—rollers(滾輪)圖1-3為電動大門示意圖，其驅(qū)動器1的內(nèi)部組成見圖1-3a。原動機為電動機3，其轉(zhuǎn)速很高，而大門2的開啟速度較低，所以要經(jīng)過齒輪傳動機構(gòu)組成的減速器4和鏈傳動機構(gòu)5把電動機3的轉(zhuǎn)速降下來，圖示的減速器和鏈傳動機構(gòu)就是速度變換機構(gòu)。由許多平行四邊形機構(gòu)和滾輪組成的大門2稱為工作執(zhí)行機構(gòu)。Fig.1-4Constituteofthecoupler(連桿的組成)

1—bodyofthecoupler(連桿體)2—bearing(小端軸承)3—bearingbush(軸瓦)

4—headofthecoupler(連桿頭)5—bolt(螺栓)6—nut(螺母)7—washer(墊圈)1.2機械原理課程的研究對象與內(nèi)容1.機械原理的研究對象

機械原理是研究有關機械基本理論的課程，其研究對象為機械。而機械又是機器和機構(gòu)的總稱，所以，機械原理是研究機器和機構(gòu)基本理論的課程。圖1-1所示內(nèi)燃機中，活塞作往復直線運動，連桿作平面運動，齒輪、凸輪作定軸轉(zhuǎn)動，它們都是最小運動單元，這里把組成機器的最小運動單元稱為構(gòu)件。構(gòu)件的運動軌跡和運動規(guī)律也是機械原理研究的對象。2.機械原理的研究內(nèi)容(1)機構(gòu)結(jié)構(gòu)學研究機構(gòu)組成，機構(gòu)簡圖的畫法，機構(gòu)自由度的計算以及機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析等。

(2)機構(gòu)運動學研究機構(gòu)運動時的位置、速度、加速度，構(gòu)件之間的作用力，按照工作要求設計機構(gòu)的運動學尺寸等。

(3)機構(gòu)動力學研究機構(gòu)運轉(zhuǎn)過程中慣性力的平衡以及速度波動的調(diào)節(jié)等。1.目的1.3學習機械原理課程的目的機械與人類生活、經(jīng)濟建設、國防建設密切相關。機械工程的發(fā)展程度代表一個國家工業(yè)基礎的強弱和科學技術的發(fā)展水平。機械種類眾多，但組成各類機械的機構(gòu)種類有限，因此學會各類機構(gòu)的設計以及各類機構(gòu)的組合設計，是設計各類新機械的理論基礎。機械原理是后續(xù)課程的基礎，也是機械設計過程中的一個重要環(huán)節(jié)。只有掌握機械原理的基本知識，才能設計新機械。本課程的學習目的是為設計各類機械奠定理論基礎和技術基礎。2.結(jié)論1)機械很重要。

2)機械原理很重要。

3)機構(gòu)是執(zhí)行機械運動的裝置。

4)機構(gòu)運動簡圖是機構(gòu)的簡化表達形式。

5)機器是執(zhí)行機械運動的裝置，且能轉(zhuǎn)換能量，或傳遞物料與信息。

6)機械是機構(gòu)與機器的總稱。

7)構(gòu)件是機器中的最小運動單元。

8)零件是機器中的最小制造單元。

9)機械原理不但是機械設計的組成內(nèi)容，也是后續(xù)課程的學習基礎。第2章平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析1.構(gòu)件

2.1運動鏈與機構(gòu)

構(gòu)件是指組成機器的最小運動單元。當不考慮構(gòu)件的自身彈性變形時，則視之為剛性構(gòu)件。Fig.2-1Coupleroftheinternalcombustionengine(內(nèi)燃機中的連桿)2.運動副(1)按兩構(gòu)件之間的相對運動方式分類兩構(gòu)件之間的相對運動只有轉(zhuǎn)動和移動，其他運動形式可以看作為轉(zhuǎn)動和移動的合成運動。

1)轉(zhuǎn)動副。兩構(gòu)件之間的相對運動為轉(zhuǎn)動的運動副，稱之為轉(zhuǎn)動副。

兩構(gòu)件之間具有相對運動的連接稱為運動副。Fig.2-2Turningpairs(轉(zhuǎn)動副)2)移動副。兩構(gòu)件之間的相對運動為移動的運動副，則稱之為移動副。Fig.2-3Slidingpairs(移動副)(2)按兩構(gòu)件的接觸方式分類兩構(gòu)件之間的接觸方式共有三種，即面接觸、點接觸和線接觸。1)低副。兩構(gòu)件之間是面接觸的運動副稱為低副。

2)高副。兩構(gòu)件之間是點或線接觸的運動副稱為高副。Fig.2-4Higherpairs(高副)(3)運動副元素在研究運動副時，經(jīng)常涉及到兩構(gòu)件在運動副處的表面形狀。把兩構(gòu)件在運動副處的點、線、面接觸部分稱為運動副的元素。圖2-2所示的轉(zhuǎn)動副中，軸1的外圓柱面是軸1上的運動副元素，軸承座2的內(nèi)圓柱面是軸承座2的運動副元素。圖2-3a所示的移動副中，運動副元素為接觸平面；圖2-3b所示的移動副中，運動副元素為圓柱面。2-4a所示輪齒形成的運動副中，各自的輪廓曲線是輪齒的運動副元素。圖2-4c所示的凸輪高副中，各自的輪廓線則是相應的運動副元素。因此，高副的運動簡圖一般用其對應的曲線表示。表示單一構(gòu)件的運動副連接處時，經(jīng)常使用運動副元素表示。3.運動鏈Fig.2-5Closedkinematicchains(閉鏈)若干個構(gòu)件通過運動副連接起來可作相對運動的構(gòu)件系統(tǒng)稱為運動鏈。若運動鏈中的各構(gòu)件構(gòu)成了首尾封閉的系統(tǒng)，則稱之為閉鏈。閉鏈中每個構(gòu)件上至少有兩個運動副元素。圖2-5a、b所示的運動鏈為閉鏈，圖2-5c為含有兩個運動副元素的構(gòu)件。Fig.2-6Unclosedkinematicchains(開鏈)若各構(gòu)件之間沒有形成首尾封閉的系統(tǒng)，則稱之為開鏈。開鏈中首尾構(gòu)件僅含有一個運動元素。圖2-6所示的運動鏈為開鏈，構(gòu)件3、4只含有一個運動元素。開鏈在機器人領域中有廣泛應用。Fig.2-7Structures(桁架)圖2-7所示的構(gòu)件系統(tǒng)中，各構(gòu)件間均不能作相對運動。因此，它們不是運動鏈，而是桁架，該系統(tǒng)在運動中只相當于一個運動單元，即是一個構(gòu)件。Fig.2-8Mechanismsinwhichallthepairsarelowerpairs(低副機構(gòu))4.機構(gòu)在運動鏈中，若選定某個構(gòu)件為機架,則該運動鏈成為機構(gòu)。機構(gòu)中各構(gòu)件的運動平面若互相平行，則稱為平面機構(gòu)；若機構(gòu)中至少有一個構(gòu)件不在相互平行的平面上運動，或至少有一個構(gòu)件能在三維空間中運動，則稱為空間機構(gòu)。Fig.2-9Mechanismincludinghigherpair(高副機構(gòu))完全由低副連接而成的機構(gòu)，稱為低副機構(gòu)。連桿機構(gòu)是常用的低副機構(gòu)。機構(gòu)中只要含有一個高副，就稱之為高副機構(gòu)。圖2-9所示機構(gòu)在C處用高副連接，故稱為高副機構(gòu)。齒輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)是常用的高副機構(gòu)。2.2機構(gòu)運動簡圖1.機構(gòu)運動簡圖

機械設計與分析過程中，用簡單的線條表示構(gòu)件，用圖形符號表示運動副，這樣描述機構(gòu)的組成和運動情況，概念清晰、簡單實用。這種用簡單的線條和運動副的圖形符號表示機構(gòu)的組成情況的簡單圖形稱為機構(gòu)簡圖。如按比例尺畫出，則稱之為機構(gòu)運動簡圖，否則為機構(gòu)示意圖。

機構(gòu)運動簡圖所反映的主要信息是：機構(gòu)中構(gòu)件的數(shù)目、運動副的類型和數(shù)目、各運動副的相對位置即運動學尺寸。而對于構(gòu)件的外形、斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目及連接方式，在畫機構(gòu)運動簡圖時均不予考慮。2.常用構(gòu)件與運動副畫法

在畫機構(gòu)運動簡圖時，必須對構(gòu)件和運動副的畫法進行一些規(guī)定。具體規(guī)定可參閱表2-1給出的常用構(gòu)件和運動副的符號。3.機構(gòu)運動簡圖畫法(1)機構(gòu)的基本術語在圖2-10a、b中，固定不動的構(gòu)件4稱為機架，與機架相連接的構(gòu)件1、3稱為連架桿，不與機架相連接的桿件2稱為連桿。

Fig.2-10Mechanismnomenclature(機構(gòu)術語)

1、3—linkconnectedframe(連架桿)2—coupler(連桿)4—frame(機架)(2)機構(gòu)運動簡圖的具體畫法1)找出原動件和從動件。

2)使機構(gòu)緩緩運動，觀察其組成情況和運動情況。

3)沿主動件到從動件的傳遞路線找出構(gòu)件數(shù)目和運動副的數(shù)目與種類。

4)選擇大多數(shù)構(gòu)件所在平面為投影面。

5)測量各運動副之間的尺寸，用運動副表示各構(gòu)件的連接，選擇適當比例尺畫出機構(gòu)運動簡圖。例2-1畫出圖2-11a所示泵的機構(gòu)運動簡圖。

Fig.2-11Schematicdiagramofthepump(泵的機構(gòu)運動簡圖)

1—eccentricdisk(偏心輪)2—coupler(連桿)3—slider(滑塊)4—frame(機架)解：圖2-11a所示的泵，由偏心輪1、連桿2、滑塊3和機架4組成。偏心輪1為主動件，各構(gòu)件的連接關系如下：偏心輪1與機架4在A點用轉(zhuǎn)動副連接，偏心輪1與連桿2在B點用轉(zhuǎn)動副連接，AB為構(gòu)件1。構(gòu)件2與構(gòu)件3在C點用轉(zhuǎn)動副連接，BC為構(gòu)件2。構(gòu)件3與機架4用移動副連接。選擇合適投影面和比例尺，測量出AB、BC尺寸，滑塊運動方向線偏離AB的轉(zhuǎn)動中心A的距離，畫出的機構(gòu)運動簡圖，如圖2-11b所示。例2-2畫出圖2-12a所示牛頭刨床的機構(gòu)運動簡圖。

Fig.2-12Shaperanditsschematicdiagram(牛頭刨床及其機構(gòu)運動簡圖)

1、2—gear(齒輪)3—block(滑塊)4—rocker(擺桿)

5—link(連桿)6—slidebar(滑枕)7—frame(機架)解:圖2-12a所示的牛頭刨床由小齒輪1、大齒輪2、滑塊3、擺桿4、連桿5、滑枕6和機架7組成，各構(gòu)件間的連接關系如下：小齒輪1、大齒輪2與機架7在O1、O2處以轉(zhuǎn)動副連接，二齒輪以高副連接。大齒輪2和滑塊3在A點處以轉(zhuǎn)動副連接，滑塊3與擺桿4以移動副連接，擺桿4分別與機架7和連桿5以轉(zhuǎn)動副在B點、C點連接，連桿5與滑枕6以轉(zhuǎn)動副在D點連接，滑枕6與機架7在E點、E′點以移動副連接。分別測量齒輪節(jié)圓半徑，距離O1O2、O2A、O2B、BC、CD以及滑枕導路方向與B點距離，選擇投影面和比例尺，畫出機構(gòu)運動簡圖，如圖2-12b所示。1.平面機構(gòu)自由度的計算公式(1)構(gòu)件自由度構(gòu)件自由度指自由運動的構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目。

(2)運動副的約束構(gòu)件之間用運動副連接后，其相對運動就會受到約束。

(3)運動副自由度連接構(gòu)件的運動副所具有的獨立運動數(shù)目，稱運動副自由度。

2.3機構(gòu)自由度的計算Fig.2-13Constrainsofpair(運動副的約束)(4)平面機構(gòu)的自由度與計算1)機構(gòu)的自由度。機構(gòu)具有確定運動時，所具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，稱為機構(gòu)的自由度。

2)機構(gòu)自由度的計算。機構(gòu)的自由度F為F=3n-2pl-ph式中，n為機構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)目，pl為機構(gòu)中低副的數(shù)目，ph為機構(gòu)中高副的數(shù)目。例2-3計算圖2-14a所示雙曲線畫規(guī)機構(gòu)和圖2-14b所示牛頭刨床機構(gòu)的自由度。

Fig.2-14Thecaculationofdegreeoffreedom(自由度計算)2.機構(gòu)具有確定運動的條件Fig.2-15Conditionsofcausingdefiniteandpredictablemotions(機構(gòu)具有確定運動的條件)機構(gòu)具有確定運動是指:當給定機構(gòu)原動件的運動時，該機構(gòu)中的其余運動構(gòu)件也都隨之作相應的確定運動。如果機構(gòu)中的自由度等于原動件的數(shù)目，則該機構(gòu)具有確定運動。3.計算機構(gòu)自由度的注意事項(1)局部自由度在某些機構(gòu)中，某個構(gòu)件所產(chǎn)生的相對運動并不影響其他構(gòu)件的運動，把這種不影響其他構(gòu)件運動的自由度稱為局部自由度。

Fig.2-16Partialdegreeoffreedom(局部自由度)(2)復合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副連接，則形成復合鉸鏈。Fig.2-17Multiplepinjoints(復合鉸鏈)Fig.2-18Examplesofmultiplepinjoints(復合鉸鏈的示例)(3)虛約束對機構(gòu)運動不起限制作用的約束稱為虛約束。圖2-19實線所示的平行四邊形機構(gòu)，其自由度F=1。Fig.2-19Redundantconstrainintheparallel-crankmechanism(平行四邊形機構(gòu)的虛約束)1)兩構(gòu)件在多處用轉(zhuǎn)動副連接，且各轉(zhuǎn)動副的軸線重合，這時只有一處轉(zhuǎn)動副起作用，其余轉(zhuǎn)動副均為虛約束。

2)兩構(gòu)件在多處用移動副連接，且各移動副的導路平行，這時只計一處移動副，其余為虛約束。

3)兩構(gòu)件在多處用高副連接，且各高副的公法線重合，這時只計一處高副約束，余者為虛約束。

4)不起約束作用的構(gòu)件將導致虛約束，在計算機構(gòu)自由度時要去掉該構(gòu)件。

5)若兩構(gòu)件上兩點間距離在運動過程中始終保持不變，當用運動副和構(gòu)件連接該兩點時，則構(gòu)成虛約束。常見的幾種虛約束形式簡述如下:Fig.2-20Redundantconstrainsofturningpairs(轉(zhuǎn)動副的虛約束)Fig.2-21RedundantconstrainsofSlidingpairs(移動副的虛約束)Fig.2-22RedundantconstrainsofHigherpairs(高副機構(gòu)的虛約束)Fig.2-23Redundantconstraints(虛約束)Fig.2-24Redundantconstrainproducedbyconnectingtwoequidistancepoints

(連接等距點產(chǎn)生的虛約束)例2-4計算圖2-25所示機構(gòu)的自由度。Fig.2-25Degreeoffreedomofthecomplexmechanism(復雜機構(gòu)的自由度)

解

圖2-25a中的彈簧K對計算機構(gòu)自由度沒有影響，滾子2′有一個局部自由度，構(gòu)件7與機架8在平行的導路上組成兩個移動副，其中之一為虛約束。通過分析可知，運動構(gòu)件n=7，低副pl=9，高副ph=2，機構(gòu)自由度為

F=3n－2p－ph=3×7-2×9-2=1圖2-25b所示的輪系機構(gòu)中，齒輪2′為虛約束，太陽輪1、齒輪3、系桿4及機架5共有4個構(gòu)件在[WTBX]A處組成轉(zhuǎn)動副，構(gòu)成復合鉸鏈。A處的轉(zhuǎn)動副實際數(shù)目為3個。通過分析可知，該輪系n=4，pl=4，ph=2，機構(gòu)自由度為F=3n－2pl－ph=3×4-2×4-2=2例2-5計算圖2-26所示剪床機構(gòu)的自由度。Fig.2-26Degreeoffreedomoftheshearingmechanism(剪床機構(gòu)的自由度)

解圖2-26a中，由于C、G兩點等距，構(gòu)件GC為虛約束，桿組FGH為不起作用的重復約束。運動副C處為復合鉸鏈，B′處為局部自由度。將圖2-26a所示機構(gòu)等效為圖2-26b所示機構(gòu)后，可知n=8,pl=11，ph=1,該機構(gòu)的自由度為

F=3n-2pl-ph=3×8－2×11－1=11.桿組分析(1)原動件原動件由運動副連接機架和一個桿件組成，自由度為1，常作定軸轉(zhuǎn)動或作往復移動，如圖2-27所示。

(2)桿組前述已知，機構(gòu)具有確定運動時，該機構(gòu)自由度等于原動件的數(shù)目。2.4機構(gòu)分析與創(chuàng)新Fig.2-27Drivinglinks(原動件)把自由度為零且不能再分割的桿組稱為基本桿組。圖2-28a所示機構(gòu)中，其自由度為1。去掉原動件[WTBX]AB后，相當于減少1個自由度，則圖2-28-b所示的剩余桿件系BCDEF的自由度一定為零。自由度為零的桿件系統(tǒng)BCDEF還可以進一步拆分為圖2-28c所示的自由度為零的桿組BCD和EF。這兩個桿組都是由兩個構(gòu)件和三個低副組成的桿組，已不能再進行拆分。Fig.2-28Diridingoflinkgroups(拆分桿組)Fig.2-29ClassⅡlinkgroups(Ⅱ級桿組)把n=2、p=3的桿組稱為Ⅱ級桿組。Ⅱ級桿組有一個內(nèi)接副（指連接桿組內(nèi)部構(gòu)件的運動副），兩個外接副（與桿組外部構(gòu)件連接的運動副）。內(nèi)接副和外接副可以是轉(zhuǎn)動副，也可以是移動副。Ⅱ級桿組的常見形式參見圖2-29。圖2-29中運動副B為桿組的內(nèi)接副，運動副A、C為外接副。Fig.2-30ClassⅢlinkgroups(Ⅲ級桿組)當n=4、pl=6時，如果桿組中含有三個內(nèi)接副，則稱之為Ⅲ級桿組。如有四個內(nèi)接副，則稱之為Ⅳ級桿組。圖2-30為幾種Ⅲ級桿組的常見形式。圖中的運動副[WTBX]A、B、C為內(nèi)接副，運動副D、E、F為外接副。Fig.2-31ClassⅣlinkgroup(Ⅳ級桿組)圖2-31為Ⅳ級桿組的常見形式。Ⅳ級桿組中有四個內(nèi)接副和兩個外接副。Fig.2-32Shapermechanismdesign(牛頭刨床的組合過程)2.機構(gòu)的組成原理

任何復雜的平面機構(gòu)都可看成是把基本桿組連接到原動件和機架上組成的。

圖2-32e所示的牛頭刨床主運動機構(gòu)就是在圖2-32a所示的原動件上連接不同Ⅱ級桿組（圖2-32b、c、d）所構(gòu)成的。3.高副低代簡介高副低代是一種運動上的代換，其代換原則為：1)代換前后保持機構(gòu)的自由度不變。

2)代換前后保持機構(gòu)的運動關系不變。Fig.2-33Replacementofhigherpairbylowerpairs(高副低代)4.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的主要任務是判定機構(gòu)的級別。機構(gòu)的級別是按照機構(gòu)中所含基本桿組的最高級別來決定的。最高級別為Ⅱ級桿組組成的機構(gòu)稱為Ⅱ級機構(gòu)，最高級別為Ⅲ級桿組組成的機構(gòu)稱為Ⅲ級機構(gòu)。機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析的一般步驟為：1)計算機構(gòu)的自由度并確定原動件。

2)高副低代，去掉局部自由度和虛約束。

3)從遠離原動件的部位開始拆桿組，首先考慮Ⅱ級桿組，拆下的桿組是自由度為零的基本桿組，最后剩下的原動件數(shù)目與自由度數(shù)相等。Fig.2-34Mechanismanalysis(機構(gòu)的分析)例2-6圖2-26所示的剪床機構(gòu)中，凸輪1為原動件，對該機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析。解

該機構(gòu)的自由度為1。高副低代，去掉局部自由度和虛約束，參見圖2-34a。從遠離原動件的位置處，開始拆分桿組。共拆下4個Ⅱ級桿組，沒有Ⅲ級桿組。最后剩下1個原動件。桿組的最高級別為Ⅱ級桿組，該機構(gòu)為Ⅱ級機構(gòu)。例2-7對圖2-35所示的以曲柄AB為原動件的牛頭刨床機構(gòu)進行桿組分析。Fig.2-35Shapermechanismanalysis(牛頭刨床機構(gòu)的分析)Fig.2-36SeriesmechanismconsistedbyclassⅡlinkgroups(Ⅱ級桿組組成的串聯(lián)機構(gòu))5.機構(gòu)創(chuàng)新(1)設計串聯(lián)機構(gòu)把桿組的外接副連接到原動件和機架上，可以組成串聯(lián)機構(gòu)，在此基礎上，再把其他桿組的外接副連接到前述機構(gòu)的運動構(gòu)件和機架上，可組成更加復雜的機構(gòu)。

圖2-37所示是Ⅲ級桿組組成串聯(lián)機構(gòu)的過程。Ⅲ級桿組的運動副A、B、C為內(nèi)接副，E、F、D為外接副。將外接副E連接到原動件上，其余兩個外接副連接到機架上，組成了圖2-37c所示的Ⅲ級串聯(lián)機構(gòu)。Fig.2-37SeriesmechanismconsistedbyclassⅢlinkgroups(Ⅲ級桿組組成的串聯(lián)機構(gòu))(2)設計并聯(lián)機構(gòu)把桿組的外接副連接到原動件上，可以組成并聯(lián)機構(gòu)。圖2-38b所示的Ⅱ級桿組的兩個外接副B、D連接到圖2-38a所示的兩個原動件上，組成了圖2-38c所示的2自由度的五桿并聯(lián)機構(gòu)。該機構(gòu)可實現(xiàn)C點的復雜運動軌跡。Fig.2-38ParallelmechanismconsistedbyclassⅡlinkgroups(Ⅱ級桿組組成的并聯(lián)機構(gòu))Fig.2-39ParallelmechanismconsistedbyclassⅢlinkgroups(Ⅲ級桿組組成的并聯(lián)機構(gòu))圖2-39所示的Ⅲ級桿組的3個外接副D、E、F連接到3個原動件上，組成了3自由度并聯(lián)機構(gòu)。該機構(gòu)可作為平面并聯(lián)機器人，也可以應用到微機械中。第3章平面機構(gòu)的運動分析1.平面機構(gòu)運動分析的目的(1)求解機構(gòu)中某些點的運動軌跡或位移，確定機構(gòu)的運動空間圖3-1a所示內(nèi)燃機中的曲柄滑塊機構(gòu)，滑塊的運動行程C1C2是設計活塞缸長度尺寸的依據(jù)，連桿BC的運動軌跡是設計內(nèi)燃機箱體尺寸的依據(jù)。

(2)求解某些構(gòu)件的速度、加速度，了解機構(gòu)的工作性能圖3-1b所示的牛頭刨床機構(gòu)中，要求滑枕在工作行程中接近等速運動，其加速度的變化要小，才能提高加工質(zhì)量。

(3)為力分析做前期工作現(xiàn)代機械的運轉(zhuǎn)正在向高速化發(fā)展，慣性力的影響不能忽略。3.1平面機構(gòu)運動分析概述Fig.3-1Kinematicanalysisofmechanisms(機構(gòu)的運動分析)2.運動分析的方法(1)圖解法

(2)解析法在建立機構(gòu)運動學模型的基礎上，采用數(shù)學方法求解構(gòu)件的角速度、角加速度或某些點的速度及加速度。

(3)實驗法通過位移、速度、加速度等各類傳感器對實際機械的位移、速度、加速度等運動參數(shù)進行測量，實驗法是研究已有機械運動性能的常用方法。1)速度瞬心法

2)相對運動圖解法1.瞬心的基本概念(1)瞬心在任一瞬時，兩個作平面相對運動的構(gòu)件都可以看作為繞一個瞬時重合點作相對轉(zhuǎn)動。這個瞬時重合點又被稱為瞬時轉(zhuǎn)動中心，簡稱為瞬心。這兩個構(gòu)件在該重合點處的絕對速度相等，所以瞬心又被稱為等速重合點或同速點。當這兩個構(gòu)件之中有一個構(gòu)件固定不動，則瞬心處的絕對速度為零，稱這時的瞬心為絕對瞬心。當兩個構(gòu)件都在運動時，其瞬心稱為相對瞬心。

3.2用速度瞬心法對機構(gòu)進行速度分析Fig.3-2Instantaneouscenter(速度瞬心)(2)平面機構(gòu)瞬心的數(shù)目(3)瞬心位置的確定可以把瞬心分為兩類。Fig.3-3Primaryinstantaneouscentersoftwolinkslinkedbykinematicpair

(兩構(gòu)件用運動副連接時的瞬心位置)1)兩個構(gòu)件用運動副連接時的瞬心位置

①兩個構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副連接時的瞬心位置。圖3-3a、b所示的構(gòu)件1與構(gòu)件2由轉(zhuǎn)動副連接，顯然，鉸鏈中心點就是兩個構(gòu)件的瞬心P12。

②兩個構(gòu)件用移動副連接時的瞬心位置。圖3-3c所示的構(gòu)件1與構(gòu)件2的相對移動速度方向與導路方向平行，瞬心P12位于垂直導路方向的無窮遠點。

③兩構(gòu)件用平面高副連接時的瞬心位置。平面高副分為純滾動高副和滾動兼滑動的高副。圖3-3d為純滾動高副，兩構(gòu)件在接觸點處的相對速度為零。該接觸點即為瞬心P12。

2)沒有用運動副連接的兩構(gòu)件之間的瞬心位置。兩構(gòu)件之間沒有用運動副連接時，其瞬心位置可用三心定理來確定。三心定理作平面運動的三個構(gòu)件有三個瞬心，且位于同一直線上，稱這一結(jié)論為三心定理。Fig.3-4Kennedytheorem(三心定理)Fig.3-5Instantaneouscentersforfour-barmechanisms(四桿機構(gòu)的瞬心)例3-1確定圖3-5所示四桿機構(gòu)的全部瞬心。

2.用速度瞬心法進行機構(gòu)的速度分析例3-2已知圖3-6所示的鉸鏈機構(gòu)ABCD尺寸、位置，構(gòu)件1的角速度ω1，用速度瞬心法求解構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3。

解找出該機構(gòu)的全部速度瞬心并標注在機構(gòu)運動簡圖上。

Fig.3-6Applicationofinstantaneouscentersforfour-barmechanism

(瞬心法在鉸鏈四桿機構(gòu)速度分析中的應用)Fig.3-7Applicationofinstantaneouscentersforcam

mechanism(瞬心法在凸輪機構(gòu)中的應用)例3-3已知圖3-7所示凸輪機構(gòu)中的凸輪角速度ω2，用速度瞬心法求從動件速度v3。

解畫出機構(gòu)簡圖并標注全部速度瞬心。P23為凸輪2與推桿3的速度瞬心，即兩個構(gòu)件的同速點，則有：=ω2=v3，推桿的運動方向可由瞬心處的速度方向決定。1.相對運動圖解法的基本原理(1)同一構(gòu)件上兩點之間的速度、加速度的關系作平面運動的物體，任意一點的運動都可以看成是隨同基點的平動以及繞基點的轉(zhuǎn)動的合成。

3.3用相對運動圖解法對機構(gòu)進行運動分析Fig.3-8Relativevelocityoftwopointsonalink

(同一構(gòu)件上兩點之間的速度關系)Fig.3-9Relativevelocityofcoincidentpointon

separatelinks(兩構(gòu)件重合點處的運動關系)(2)兩構(gòu)件重合點處的速度和加速度矢量關系如圖3-9所示，構(gòu)件1和構(gòu)件2用移動副連接，且構(gòu)件1繞A點轉(zhuǎn)動，兩構(gòu)件在重合點B處的運動關系可用理論力學中的牽連運動是轉(zhuǎn)動、相對運動是移動來描述。

(3)速度和加速度矢量圖當我們繪制速度和加速度矢量圖時，應注意以下兩點：1)繪制矢量圖時，應選擇合適的比例尺。

2)繪制矢量圖時，矢量方向一定要與實際方向一致。2.相對運動圖解法具體步驟如下：1)選長度比例尺μl畫出機構(gòu)運動簡圖。

2)列出速度矢量方程，標注出速度的大小與方向的已知與未知情況。

3)列出加速度矢量方程，標注出加速度的大小與方向的已知與未知情況。

Fig.3-10Kinematicanalysisofafour-barlinkage(鉸鏈四桿機構(gòu)的運動分析)例3-4在圖3-10a所示機構(gòu)中，已知曲柄AB以逆時針方向等速轉(zhuǎn)動，其角速度為ω1，求構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3和角加速度α2、α3，求構(gòu)件2上E點的速度和加速度。

Fig.3-11Kinematicanalysisofaguide-barmechanism(導桿機構(gòu)的運動分析)例3-5圖3-11所示機構(gòu)中，已知曲柄AB以逆時針方向等速轉(zhuǎn)動，其角速度為ω1，求構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3和角加速度α2、α3。

3.機構(gòu)運動分析中應注意的若干問題1)正確判別科氏加速度。

2)建立速度或加速度矢量方程時，一定要從已知速度或加速度的點開始列方程，另一個構(gòu)件與該點不接觸時，可采用構(gòu)件擴大的方法重合到該點，這樣就可以建立兩重合點的速度方程或加速度方程。如圖3-12所示機構(gòu)中，若想求出構(gòu)件3的速度或角速度，只要把構(gòu)件3按圖示擴大，即可列出簡單的速度方程和加速度方程，從而實現(xiàn)求解的目的。

Fig.3-12Expandedlink(構(gòu)件的擴大)3)機構(gòu)在極限位置、共線位置等特殊位置時，其速度和加速度多邊形變得簡單

圖3-13a所示鉸鏈四桿機構(gòu)的曲柄與連桿共線，圖3-13b所示的導桿機構(gòu)中，導桿BC處于極限位置。

Fig.3-13Kinematicanalysisinlimitedpositions(特殊位置的運動分析)4)液壓機構(gòu)的運動分析可轉(zhuǎn)化為相應的導桿機構(gòu)進行。圖3-14a所示的擺動液壓缸機構(gòu)可轉(zhuǎn)化為圖3-14b所示的導桿機構(gòu)，然后再用相對運動圖解法進行運動分析。Fig.3-14Kinematicanalysisofhydraulicmechanism(擺動液壓缸機構(gòu)運動分析)1.解析法的基本知識解析法的實質(zhì)是建立機構(gòu)的位置方程s=s(φ)、速度方程v=v(φ)、加速度方程a=a(φ)并求解的過程。

解析法的一般步驟為：

1)建立直角坐標系。

2)建立機構(gòu)運動分析的數(shù)學模型把機構(gòu)看作一個封閉環(huán)，構(gòu)件尺寸看作矢量，連架桿的矢量方向指向與連桿連接的鉸鏈中心。

3)求解位置方程。

4)求解速度方程。

5)求解加速度方程。3.4用解析法對機構(gòu)進行運動分析2.解析法在機構(gòu)運動分析中的應用例3-6已知圖3-15所示的鉸鏈四桿機構(gòu)中各構(gòu)件的尺寸和原動件1的位置φ1，以及角速度ω1，求解構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3和角加速度α2、α3。

解

1)建立直角坐標系Axy，坐標原點通過A點，x軸沿機架AD。

2)封閉矢量環(huán)如圖3-15所示，連架桿矢量外指(分別指向與連桿連接處的鉸鏈中心)，余者任意確定。

3)建立各矢量的投影方程。

4)位移方程對時間求導數(shù)，可得到速度方程。

5)速度方程再對時間求一次導數(shù)，可得加速度方程。Fig.3-15Modelofafour-barlinkage(鉸鏈四桿機構(gòu)的數(shù)學模型)Fig.3-16Modelofafour-barlinkagewithaslidingpair

(含有移動副四桿機構(gòu)的運動分析模型)例3-7對圖3-16所示機構(gòu)進行運動分析。已知機構(gòu)的尺寸和原動件1的位置φ1和角速度ω1，求構(gòu)件3的位移、速度、加速度。

解畫出機構(gòu)簡圖并建立圖示的坐標系，建立矢量環(huán)。3.解析法總結(jié)Fig.3-17Someclosedvectorloopsinmechanisms(一些機構(gòu)的封閉矢量環(huán))

封閉矢量環(huán)的建立是解析法的關鍵問題。圖3-17為一些機構(gòu)封閉矢量環(huán)的示意圖。第4章平面機構(gòu)的力分析1.機構(gòu)力分析的內(nèi)容1)根據(jù)作用在機構(gòu)中的已知外力，求解各運動副中的反力。

2)已知作用在機構(gòu)上的生產(chǎn)阻力，可求解出原動件上施加的驅(qū)動力；已知原動機的驅(qū)動力，可以求解出作用在從動件上的生產(chǎn)阻力。

3)機構(gòu)的受力分析是計算機械效率的基礎。

4)機構(gòu)的受力分析還是設計自鎖機構(gòu)的基礎。4.1平面機構(gòu)力分析概述2.機構(gòu)力分析的方法

機構(gòu)力分析的方法有兩種，即圖解法和解析法。1.構(gòu)件慣性力的確定Fig.4-1Inertiaforceandinertiatorqueintoresultantforce(連桿的慣性力與慣性力矩的合成)4.2計入慣性力的機構(gòu)力分析圖4-1a所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，通過運動分析可以求得連桿2在質(zhì)心s2處的加速度as2和角加速度α2以及滑塊3的加速度aC3。G2為構(gòu)件2所受的重力，Js2為構(gòu)件2繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，F(xiàn)i2和Ms2分別表示連桿2質(zhì)心處的慣性力和慣性力矩。2.機構(gòu)的動態(tài)靜力分析(1)用圖解法進行機構(gòu)的動態(tài)靜力分析

例4-1圖4-2a所示牛頭刨床機構(gòu)中，各構(gòu)件的尺寸及原動件的角速度ω1均為已知。刨頭所受重力為G5，在圖示位置刨頭的慣性力為，刀具所受的生產(chǎn)阻力為Fr。其余構(gòu)件的重力及慣性力、慣性力矩均忽略不計。求機構(gòu)各運動副中的反力及需要加在原動件上的平衡力矩Mb。Fig.4-2Graphicalforceanalysisofsharper(牛頭刨床的動態(tài)靜力分析)Fig.4-3Analyticalforceanalysis(動態(tài)靜力分析的解析法)

例4-2圖4-3a所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，已知曲柄和連桿的尺寸分別為L1、L2，經(jīng)過運動分析后已經(jīng)知道各構(gòu)件的運動參數(shù)。已知作用在滑塊的生產(chǎn)阻力為F，求各運動副的反力和作用在曲柄上的平衡力矩。

(2)用解析法進行機構(gòu)的動態(tài)靜力分析1.運動副中的摩擦(1)移動副中的摩擦根據(jù)移動副的具體結(jié)構(gòu)，常把移動副分為平面移動副、斜面移動副和槽面移動副。

4.3計入摩擦的機構(gòu)力分析Fig.4-4Frictionontheplane

surface(平面中的摩擦)1）平面移動副中的摩擦。圖4-4所示滑塊1在總驅(qū)動力F的作用下，相對平面2以速度v12等速移動。平面2給滑塊1的作用力有法向反力N21和摩擦力F21，二者的合力R21為平面2給滑塊1的總反力，R21與法線方向的夾角為φ。2)斜面移動副的摩擦。如果把圖4-4所示的平面移動副導路傾斜α角度后，則演化成為圖4-5所示的斜面摩擦移動副。Fig.4-5Frictionontheinclinedplanesurface(斜面摩擦)3)槽面摩擦。如果將圖4-6a所示滑塊作成圖4-6b所示夾角為2θ的楔形滑塊，并置于相應的槽面中，楔形滑塊1在外力F的作用下沿槽面等速運動。設兩側(cè)法向反力分別為N21，鉛直載荷為G，總摩擦力為Ff。Fig.4-6FrictiononV-planesurface(槽面摩擦)(2)轉(zhuǎn)動副中的摩擦軸承是轉(zhuǎn)動副的典型代表，可分為承受徑向力的軸承和承受軸向力的軸承。1)徑向軸承的摩擦。圖4-7為考慮到運動副間隙的徑向軸承。軸頸1在沒有轉(zhuǎn)動前，徑向載荷G與A點的法向反力N21平衡。

Fig.4-7Frictioninajournalbearing(徑向軸承中的摩擦)2)推力軸承的摩擦。圖4-8a為推力軸承示意圖，G為軸向載荷。未經(jīng)跑合時，接觸面壓強p為常數(shù)，p=c。經(jīng)過跑合時，壓強與半徑的乘積為常數(shù)，pρ=c。Fig.4-8Frictioninathrustbearing(推力軸承的摩擦)(3)螺旋副中的摩擦根據(jù)螺紋牙型可將螺紋分為矩形螺紋和三角形螺紋。Fig.4-9Frictioninsquarethread(矩形螺紋的摩擦)圖4-9a所示為一矩形螺紋，將螺母2簡化為圖4-9b所示的滑塊，承受軸向載荷[WTBX]G，由于螺紋可以看成是斜面纏繞在圓柱體上形成的，故將矩形螺紋沿螺紋中徑[WTBX]d展開，該螺紋成為圖4-9b所示的斜面，斜面底長為螺紋中徑處圓周長，高度為螺紋的導程l。驅(qū)動力F等于擰緊力矩M除以螺紋半徑d/2，方向一般垂直于螺紋軸線。Fig.4-10FrictioninV-thread(三角形螺紋的摩擦)圖4-10a所示的三角形螺紋中，牙型角為2β，半牙型角為β，槽角為2θ。將其螺紋展開，成為圖4-10b所示的帶半槽面的斜面，半牙型角β與半槽角θ之和為90°。斜面底長為螺紋中徑處圓周長。2.計入摩擦力的力分析例4-3圖4-11所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，已知各構(gòu)件尺寸和曲柄的位置和作用在滑塊4上的阻力Fr以及各運動副中的摩擦因數(shù)f，忽略各構(gòu)件質(zhì)量和慣性力。在圖4-11上標注出各運動副的反力以及加在曲柄上的平衡力矩Mb。

Fig.4-11Forceanalysisconsideringthefrictioninaslider-cranklinkage

(考慮摩擦的曲柄滑塊機構(gòu)力分析)解

1)根據(jù)軸徑尺寸和摩擦因數(shù)，求出摩擦圓半徑，摩擦圓如圖4-11所示。

2)連桿3為受壓的二力共線桿，根據(jù)連桿3相對曲柄2的相對運動方向ω32判斷曲柄2對連桿3的反力F23的方向；根據(jù)連桿3相對滑塊4的相對運動方向ω34判斷滑塊4對連桿3的反力F43的方向。

3)滑塊4為三力匯交構(gòu)件，根據(jù)滑塊4對機架1的運動方向v41，可知機架1對滑塊4的反力F14與v41成(90°+φ)角。

4)曲柄2為分離體，連桿3對曲柄2的力F32方向已求出，機架1對曲柄2的反作用力F12對軸心A之矩與ω21反向。5)加在曲柄2上的平衡力矩為Mb=F12h。

例4-4圖4-12a所示的擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)中，已知凸輪機構(gòu)的尺寸、軸徑尺寸、運動副處的摩擦因數(shù)f以及作用在從動件F點的阻力Fr，在不計構(gòu)件質(zhì)量和慣性力時，求各運動副處的反作用力及作用在凸輪上的平衡力矩Mb。

Fig.4-12Forceanalysisconsideringthefrictioninacammechanism

(考慮摩擦的凸輪機構(gòu)的力分析)解

1)根據(jù)軸徑尺寸和摩擦因數(shù)，畫出轉(zhuǎn)動副A、C處的摩擦圓如圖4-12a所示。2)分析凸輪受力，凸輪1為二力構(gòu)件，擺桿2對凸輪1的反力F21與凸輪1相對擺桿2的相對速度方向成(90°+φ)角。

3)分析擺桿2受力，擺桿2作用有F12、F32、Fr三個力，構(gòu)成三力匯交的平衡力系。

4)求平衡力矩，凸輪1中，F(xiàn)21=-F31，力臂為h1，則作用在凸輪1上的平衡力矩Mb為Mb=F21h1，方向如圖4-12a所示。1.運動副的自鎖

4.4摩擦與自鎖機構(gòu)的設計連接構(gòu)件間的運動副中存在兩種力，使構(gòu)件運動的驅(qū)動力和阻礙構(gòu)件運動的摩擦力。如果驅(qū)動力無論多么大，都不能使構(gòu)件運動，稱這種現(xiàn)象為運動副的自鎖。對移動副而言，當外力合力作用在摩擦角之內(nèi)，則移動副發(fā)生自鎖；對于斜面移動副而言，經(jīng)常用斜面傾角α與摩擦角φ的關系判斷自鎖?；瑝K沿斜面上升時的自鎖條件為α＞(90°-φ)；滑塊沿斜面下降時的自鎖條件為α≤φ。

對轉(zhuǎn)動副而言，當外力合力作用在摩擦圓之內(nèi)，則轉(zhuǎn)動副發(fā)生自鎖。運動副的自鎖條件是設計自鎖機構(gòu)的基礎。2.自鎖機構(gòu)(1)機構(gòu)的行程1）機構(gòu)的正行程。當驅(qū)動力作用在圖4-13所示的原動件A上，從動件B克服生產(chǎn)阻力F做功時，一般稱為正行程或工作行程。

Fig.4-13Travelofmechanism

(機構(gòu)的行程)2）機構(gòu)的反行程。當正行程的生產(chǎn)阻力為驅(qū)動力，作用在圖4-13所示從動件B上，原動件A為從動件時，稱為機構(gòu)的反行程。(2)自鎖機構(gòu)反行程發(fā)生自鎖的機構(gòu)，稱為自鎖機構(gòu)。3.自鎖機構(gòu)的分析與設計例4-5在圖4-14所示的斜面壓榨機中，設各接觸平面之間的摩擦因數(shù)均為f。若在滑塊2上施加一定的力F，可以將物體4壓緊。Fr為被壓緊的物體對滑塊3的反作用力。當F力撤去后，該機構(gòu)在Fr力的作用下應具有自鎖性。試分析其自鎖條件。

Fig.4-14Analysisofself-lockingmechanism(自鎖機構(gòu)的分析)解取圖4-14b所示的滑塊2為示力體，當F力撤去后，滑塊2可能松脫的運動方向分別為v21、v23。若滑塊自重忽略不計，構(gòu)件1對滑塊2的反力F12及構(gòu)件3對滑塊2的反力F32的判別方法為：F12與v21成(90°+φ)角，F(xiàn)32與v23成(90°+φ)角。F32是使滑塊2水平向右滑出的驅(qū)動力。當這個驅(qū)動力的作用線位于滑塊2與構(gòu)件1所形成的摩擦角之內(nèi)時，構(gòu)件1、滑塊2組成的移動副產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。Fig.4-15Designofself-lockingmechanism(自鎖機構(gòu)的設計)例4-6圖4-15所示偏心圓盤加緊機構(gòu)中，1為偏心圓盤，2為待夾緊的工件，3為夾具體。機構(gòu)在驅(qū)動力F的作用下夾緊工件，當F力取消后，在總反力F21的作用下，工件不能自動松脫，求該機構(gòu)的反行程必須滿足的自鎖條件。

第5章平面連桿機構(gòu)及其設計1.平面連桿機構(gòu)的特點1)平面連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、成本低廉。

2)連桿機構(gòu)是低副連接的機構(gòu)，故承載能力大。

3)通過適當?shù)卦O計各桿件尺寸，連桿機構(gòu)可實現(xiàn)運動規(guī)律與運動軌跡的多樣化。

4)可進行遠距離的傳動。

5)連桿機構(gòu)不宜應用在高速運轉(zhuǎn)場合。5.1平面連桿機構(gòu)的特點與基本型式Fig.5-1Typesoffour-barlinkages(鉸鏈四桿機構(gòu)的類型)2.平面連桿機構(gòu)的基本型式Fig.5-2Typesoffour-barlinkageswithaslidingpair(含有一個移動副的四桿機構(gòu)類型)(1)曲柄搖桿機構(gòu)若兩個連架桿一為曲柄，一為搖桿，則此鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖5-1a所示。

(2)雙曲柄機構(gòu)若將圖5-1a所示曲柄搖桿機構(gòu)的曲柄1選為機架，轉(zhuǎn)動副A、B為整轉(zhuǎn)副，則連架桿2、連架桿4均為曲柄，該機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)，如圖5-1b所示。

(3)雙搖桿機構(gòu)若將圖5-1a所示的曲柄搖桿機構(gòu)的擺桿3選為機架，轉(zhuǎn)動副C、D為擺轉(zhuǎn)副，則連架桿2、連架桿4均為搖桿，該機構(gòu)稱為雙搖桿機構(gòu)，如圖5-1c所示。

(4)平行四邊機構(gòu)圖5-1b所示雙曲柄機構(gòu)中，如兩曲柄平行且相等，該機構(gòu)演化為平行四邊形機構(gòu)，如圖5-1d所示。

(5)等腰梯形機構(gòu)圖5-1c所示雙搖桿機構(gòu)中，如兩搖桿相等，該機構(gòu)演化為等腰梯形機構(gòu)，如圖5-1e所示。(6)曲柄滑塊機構(gòu)圖5-2a所示四桿機構(gòu)中，一連架桿為曲柄，另一個連架桿為滑塊，該機構(gòu)稱為曲柄滑塊機構(gòu)。

(7)轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)若將圖5-2a所示的曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄1選為機架，轉(zhuǎn)動副A、B為整轉(zhuǎn)副，則連架桿2、4均為曲柄，滑塊3沿連架桿4移動，且隨4轉(zhuǎn)動，該機構(gòu)稱為轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)，如圖5-2b所示。

(8)曲柄搖塊機構(gòu)若將圖5-2a所示機構(gòu)的構(gòu)件2選為機架，轉(zhuǎn)動副A、B仍為整轉(zhuǎn)副，連架桿1仍為曲柄，另一連架桿(滑塊3)只能繞C點往復擺動，該機構(gòu)稱為曲柄搖塊機構(gòu)，如圖5-2c所示。

(9)移動導桿機構(gòu)若將圖5-2a所示機構(gòu)的滑塊3選為機架，轉(zhuǎn)動副A、B仍為整轉(zhuǎn)副，連架桿4只能沿滑塊往復移動，該機構(gòu)稱為移動導桿機構(gòu)，如圖5-2d所示。(10)擺動導桿機構(gòu)若將圖5-2b所示的轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)的機架加長，使lBC＜lAB,轉(zhuǎn)動副A演化為擺轉(zhuǎn)副，連架桿4往復擺動，該機構(gòu)稱為擺動導桿機構(gòu)，如圖5-2e所示。Fig.5-3Typesoffour-barlinkageswithtwoslidingpairs

(含有兩個移動副的四桿機構(gòu)類型)(11)雙滑塊機構(gòu)在含有兩個移動副的四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿作成塊狀，且相對十字形機架作相對移動，則稱之為雙滑塊機構(gòu)，如圖5-3a所示。

(12)雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)若兩個塊狀連架桿相對機架作定軸轉(zhuǎn)動，則稱之為雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)，如圖5-3b所示。

(13)正弦機構(gòu)圖5-3c中，曲柄2繞A點轉(zhuǎn)動時，通過滑塊3驅(qū)動構(gòu)件4作水平移動，其位移量l2sinφ，與曲柄轉(zhuǎn)角φ成正弦函數(shù)關系，該機構(gòu)稱為正弦機構(gòu)。

(14)正切機構(gòu)圖5-3d中，構(gòu)件2轉(zhuǎn)動時，構(gòu)件4豎直移動，其位移量s=atanφ，該機構(gòu)稱為正切機構(gòu)。3.四桿機構(gòu)的演化與變異(1)轉(zhuǎn)換機架法圖5-1a所示機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)，若以曲柄1為機架，則得到圖所示的雙曲柄機構(gòu)；若以搖桿3為機架，則得到圖5-1c所示的雙搖桿機構(gòu)。

Fig.5-4Evolutionfromturningpairtoslidingpair(轉(zhuǎn)動副向移動副的演化)(2)轉(zhuǎn)動副向移動副的演化圖5-4a所示曲柄搖桿機構(gòu)中，搖桿上C點的運動軌跡是以D為圓心、以DC為半徑的圓弧。Fig.5-5Eccentricdiskmechanism(偏心盤機構(gòu))(3)轉(zhuǎn)動副的銷釘擴大如圖5-5a所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，曲柄AB的尺寸較小時，可將轉(zhuǎn)動副B的銷釘擴大，當銷釘B的半徑大于曲柄的長度時，該機構(gòu)演化為圖5-4b所示的偏心盤機構(gòu)。4.平面連桿機構(gòu)的應用(1)全轉(zhuǎn)動副四桿機構(gòu)的應用圖5-6所示為曲柄搖桿機構(gòu)的應用。其中，圖5-6a所示為礦石破碎機，圖5-6b是其機構(gòu)簡圖。曲柄搖桿機構(gòu)是該機器的主體機構(gòu)。圖5-6c所示是利用曲柄搖桿機構(gòu)設計的和面機示意圖。Fig.5-6Applicationsofcrank-rockerlinkage(曲柄搖桿機構(gòu)的應用)

1—eccentricdisk(偏心盤)2—beltwheel(帶輪)3—movingjaw(動鄂)4—movingjawboard(動鄂板)

5—fixedjawboard(靜鄂板)6—rocker(擺桿)7—spring(彈簧)Fig.5-7Applicationsofdouble-rockerlinkage(雙搖桿機構(gòu)的應用)圖5-7所示為雙搖桿機構(gòu)的應用。圖5-7a所示為鶴式起重機，當搖桿CD擺動時，另一搖桿AB隨之擺動，使得懸掛在連桿E點上的重物在近似的水平直線上運動，避免重物平移時因不必要的升降而消耗能量。圖5-7b所示為汽車和拖拉機前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)，該機構(gòu)為等腰梯形雙搖桿機構(gòu)。Fig.5-8Applicationsofdouble-cranklinkage(雙曲柄機構(gòu)的應用)圖5-8a所示為雙曲柄機構(gòu)在慣性振動篩中的應用，圖5-8b所示為機車動輪中平行四邊形機構(gòu)的應用，圖5-8c所示為平行四邊形機構(gòu)在升降機中的應用。(2)曲柄滑塊機構(gòu)的應用圖5-9a是曲柄滑塊機構(gòu)在多缸內(nèi)燃機中的應用，圖5-9b是曲柄滑塊機構(gòu)在剪床中的應用。Fig.5-9Applicationsofslider-cranklinkage(曲柄滑塊機構(gòu)的應用)(3)導桿機構(gòu)的應用導桿機構(gòu)包括轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)、擺動導桿機構(gòu)、移動導桿機構(gòu)。圖5-10a所示為擺動導桿機構(gòu)在牛頭刨床中的應用。圖5-10b所示機構(gòu)為轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)在小型牛頭刨床中的應用。Fig.5-10Applicationsrockingguide-barlinkageandrotatingguide-barlinkage

(擺動導桿機構(gòu)和轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu))Fig.5-11Applicationsofslidingguide-barlinkageandrocking-blocklinkage

(移動導桿機構(gòu)和曲柄搖塊機構(gòu)的應用)

1—handle(手柄)2—link(連桿)3—cylinder(簡體)4—plunger(活塞)圖5-11a是移動導桿機構(gòu)在手搖水泵中的應用。當扳動手柄1時，活塞4便在筒體3內(nèi)作往復移動，從而完成抽水和壓水的工作。圖5-11b是曲柄搖塊機構(gòu)在自動裝卸卡車中的應用。(4)含有兩個移動副的四桿機構(gòu)的應用圖5-12a是雙滑塊機構(gòu)在橢圓規(guī)中的應用實例，圖5-12b是雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)在聯(lián)軸器中的應用。Fig.5-12Applicationsoffour-barlinkageswithtwoslidingpairs(含有兩個移動副機構(gòu)的應用)1.曲柄存在條件5.2平面連桿機構(gòu)的基本性質(zhì)Fig.5-13Grashoflaw(曲柄存在條件)

圖5-13所示的鉸鏈四桿機構(gòu)中，設構(gòu)件1、構(gòu)件2、構(gòu)件3、構(gòu)件4的長度分別為a、b、c和d，并取a＜d。當構(gòu)件1能繞點A做整周轉(zhuǎn)動時，構(gòu)件1必須能通過與構(gòu)件4共線的兩位置AB1和AB2。1)曲柄是最短桿。

2)最短桿與最長桿長度之和必小于或等于其余兩桿長度之和。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，要使構(gòu)件1為曲柄，它必須是四桿中的最短桿，且最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和?？紤]到更一般的情形，可將鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件概括為：2.急回特性

圖5-14所示曲柄搖桿機構(gòu)中，設曲柄AB為主動件，搖桿CD為從動件。主動曲柄AB以等角速度ω順時針轉(zhuǎn)動，當曲柄轉(zhuǎn)至AB1位置與連桿B1C1重疊共線時，搖桿CD處于左極限位置C1D；而當曲柄轉(zhuǎn)至AB2位置與連桿B2C2拉伸共線時，從動搖桿處于右極限位置C2D。搖桿Fig.5-14Quick-returncharacteristics(急回特性)處于左、右兩極限位置時，對應曲柄兩位置所夾的銳角θ稱為極位夾角。搖桿兩極限位置間的夾角ψ稱為搖桿的擺角。3.機構(gòu)壓力角與傳動角Fig.5-15Transmissionangleandpressureangle(傳動角和壓力角)圖5-15所示曲柄搖桿機構(gòu)中，若忽略各桿的質(zhì)量和運動副中的摩擦，連桿BC作用于從動搖桿CD上的力F是沿桿BC方向的。把從動搖桿CD所受力F與力作用點C的速度v之間所夾的銳角α稱為壓力角。壓力角α越小，傳力性能越好。因此，壓力角的大小可以作為判別一個連桿機構(gòu)傳力性能好壞的依據(jù)。Fig.5-16Transmissionangleinaslider-cranklinkage(曲柄滑塊機構(gòu)的傳動角)偏置曲柄滑塊機構(gòu)的傳動角如圖5-16所示。最小傳動角可用式(5-10)求出。4.機構(gòu)的死點位置圖5-17所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，若搖桿CD為主動件，則當搖桿在兩極限位置C1D、C2D時，連桿BC與從動曲柄AB將兩次共線，出現(xiàn)γ=0°的情況。該作用力對A點的力矩為零，故曲柄AB不會轉(zhuǎn)動。機構(gòu)的該位置稱為死點位置?？朔C構(gòu)死點的常用方法有：1)利用構(gòu)件的慣性來通過死點位置。

2)利用機構(gòu)的錯位排列通過死點位置。Fig.5-17Deadpoints(死點)Fig.5-18Overcomedeadpointbyusingflywheel

(利用飛輪克服死點)

1—flywheel(飛輪)2—crankshaft(曲軸)

3—camshaft(凸輪軸)4—valve(氣門)

5—piston(活塞)6—connectlink(連桿)圖5-18所示的單缸四沖程內(nèi)燃機就是借助于飛輪的慣性通過曲柄滑塊機構(gòu)的死點位置。圖5-19所示的機車驅(qū)動輪聯(lián)動機構(gòu)中，采用機構(gòu)錯位排列，使兩組機構(gòu)的位置相互錯開，可使機構(gòu)順利通過死點位置。Fig.5-19Overcomedeadpointsbyusingdifferentphase(錯位排列克服死點)Fig.5-20Self-lockingclamp(自鎖夾具)在工程中，也利用機構(gòu)的死點位置來實現(xiàn)一定的工作要求。圖5-20所示的夾具，就是利用機構(gòu)死點位置來夾緊工件的。在連桿BC的手柄處施以壓力F之后，連桿BC與連架桿CD成一直線。撤去外力F之后，在工件反彈力作用下，連架桿CD處于死點位置。即使此反彈很大，也不會使工件松脫。1.概述(1)實現(xiàn)給定的運動規(guī)律按照連桿的一系列位置設計四桿機構(gòu)、按照連架桿的一系列位置設計四桿機構(gòu)和按照行程速度變化系數(shù)設計四桿機構(gòu)，是實現(xiàn)機構(gòu)運動規(guī)律的基本途徑。

(2)實現(xiàn)給定的運動軌跡連桿上各點能描繪出各種各樣的高次曲線。5.3平面連桿機構(gòu)的設計Fig.5-21Problemsofsynthesisofafour-barlinkage1(四桿機構(gòu)設計基本問題1)圖5-21a所示的鑄造車間翻轉(zhuǎn)臺，是按照連桿的一系列位置設計四桿機構(gòu)的示例。該機構(gòu)是按照平臺的兩個位置B1C1和B2C2設計的。圖5-21b所示車床變速機構(gòu)是按照主動件和從動件的轉(zhuǎn)角位置φ、ψ之間的對應關系設計的。變速手柄位于1、2、3位置，換擋齒輪位于1、2、3檔。主動件和從動件的對應轉(zhuǎn)角位置能實現(xiàn)一定的對應關系。圖5-22a中，設曲柄、連桿、搖桿和機架尺寸分別為a、b、c、d，則有：AC1=b+a，AC2=b-a，聯(lián)立求解得

a=（AC1－AC2）/2

求出曲柄長度后，其余尺寸可直接在圖上用圖解法求解。Fig.5-22Problemsofsynthesisoffour-barlinkages2(四桿機構(gòu)設計基本問題2)Fig.5-23Guidingabodythroughtwocouplerpositions(按連桿的兩個位置設計四桿機構(gòu))

1）按照連桿的兩個位置設計四桿機構(gòu)。如圖5-23a所示，設已知連桿BC的長度和預定占據(jù)的兩個位置B1C1、B2C2，設計此四桿機構(gòu)。(1)按照連桿的一系列位置設計四桿機構(gòu)通常情況下，會給定連桿的兩個或三個位置，要求設計四桿機構(gòu)。2.圖解設計法

2）按照連桿的三個對應位置設計鉸鏈四桿機構(gòu)。如圖5-24a所示，若要求連桿占據(jù)預定的三個位置B1C1、B2C2、B3C3，則可用上述方法分別作出B1B2和B1B3的垂直平分線b12和b13，其交點即為轉(zhuǎn)動副A的位置；同理，分別作C1C2和C1C3的垂直平分線c12和c13，其交點即為轉(zhuǎn)動副D的位置。連接AB1及C1D，即得所求的四桿機構(gòu)在位置1的簡圖，作圖過程如圖5-24b所示。Fig.5-24Guidingabodythroughthreecouplerpositions(按連桿的三個位置設計四桿機構(gòu))Fig.5-25Guidingabodythroughanumberoflinkplanepositions

(按連桿平面位置設計四桿機構(gòu))

3）按連桿平面位置設計四桿機構(gòu)。若給定圖5-25所示的連桿平面的兩個或三個位置，可在連桿平面中假設出BC位置，按上述方法求解即可。由于每假設一組BC就對應一組解，故此時有無窮多解。Fig.5-26Principleofinversion(反轉(zhuǎn)法的原理)(2)按照連架桿的一系列對應位置設計四桿機構(gòu)1)反轉(zhuǎn)法的原理。在圖5-26中，給出了四桿機構(gòu)的兩個位置AB1C1D、AB2C2D，兩連架桿的對應轉(zhuǎn)角分別為φ1、φ2和ψ1、ψ2。設想將機構(gòu)AB2C2D整體剛化，并繞軸心D轉(zhuǎn)過ψ2-ψ1角。構(gòu)件DC2與DC1重合，AB2運動到了A′B′2位置。經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)化，可以認為此機構(gòu)已轉(zhuǎn)換為以C1D為機架，AB1、A′B′2為連桿位置的設計問題。Fig.5-27Coordinationofthepositionsoftheinputandoutputlinks

(按兩連架桿的三組對應位置設計四桿機構(gòu))2）按照連架桿的三組對應位置設計四桿機構(gòu)。如圖5-27a所示，已知構(gòu)件AB和機架AD的長度，要求在該機構(gòu)的傳動過程中，構(gòu)件AB和構(gòu)件CD上某一標線DE能占據(jù)三組預定的對應位置AB1、AB2、AB3及DE1、DE2、DE3,三組對應位置的對應角度為φ1、φ2、φ3和ψ1、ψ2、ψ3。設計此四桿機構(gòu)。此類設計問題可以轉(zhuǎn)化為以構(gòu)件CD為機架，以構(gòu)件AB為連桿的設計問題。設計過程如下（圖5-27b）：

①選適當比例尺畫出機構(gòu)的三組對應位置。

②以D為圓心，任選半徑畫弧，交三個方向線于E1、E2、E2點。

③連接四邊形AB1E1D、AB2E2D、AB3E3D,分別反轉(zhuǎn)AB2E2D、AB3E3D,使E2D、E3D與E1D重合。此時，轉(zhuǎn)化為以E1D為機架，以AB、A2B，A3B為連桿三個位置的設計問題。

④作B1B、BB的中垂線，交點C1即為所求，AB1C1D為機構(gòu)的第一位置。(3)按行程速度變化系數(shù)設計四桿機構(gòu)設計具有急回特性的機構(gòu)時，通常已知行程速度變化系數(shù)K和其他條件，設計方法如下。1)曲柄搖桿機構(gòu)已知搖桿的長度lCD，搖桿擺角ψ和行程速度變化系數(shù)K，設計曲柄搖桿機構(gòu)。

Fig.5-28Synthesisofacrank-rocker

linkageforagivenK(已知K設計

曲柄搖桿機構(gòu))Fig.5-29Synthesisofaslider-crank

linkageforagivenK(已知K值設計

曲柄滑塊機構(gòu))2)曲柄滑塊機構(gòu)

Fig.5-30Synthesisofaguide-bar

linkageforagivenK

(已知K值設計導桿機構(gòu))

3）導桿機構(gòu)Fig.5-31Couplercurve(連桿曲線)(4)按照連桿曲線設計四桿機構(gòu)按照連桿曲線設計四桿機構(gòu)時，經(jīng)常采用圖譜法。圖5-31為連桿上F點的運動軌跡示意圖。改變連桿上BE與EF的尺寸，可以生成許多不同的連桿曲線，再對照連桿曲線選擇相關的連桿機構(gòu)。3.解析設計法(1)按連桿的對應位置設計四桿機構(gòu)通過設定連桿鉸鏈點的坐標值給定連桿的兩組或三組對應位置，求出兩端圓心坐標后，可求解各構(gòu)件尺寸。圖5-32給出連桿對應位置的鉸鏈B、C點坐標。設鉸鏈B點轉(zhuǎn)動半徑為a,鉸鏈C點轉(zhuǎn)動半徑為c。

Fig.5-32Guidingabodythroughanumberoflinkpositions(按連桿的對應位置設計四桿機構(gòu))Fig.5-33Coordinationofthepositionsoftheinputandoutputlinks(按連架桿的對應位置設計四桿機構(gòu))(2)按連架桿的對應位置設計四桿機構(gòu)已知連架桿的對應角位置(φ1-ψ1)、(φ2-ψ2)、(φ3-ψ3)，其上點的坐標的對應位置也可以寫出通式。圖5-33給出了連架桿的兩組和三組對應角位置，關鍵是求解C點坐標。

(3)按行程速度變化系數(shù)設計四桿機構(gòu)已知條件仍為搖桿長度c、擺角ψ、行程速度變化系數(shù)K。

Fig.5-34Synthesisofafour-barlinkage

foragivenK(已知K設計四桿機構(gòu))(4)按連桿曲線設計四桿機構(gòu)給定連桿曲線設計四桿機構(gòu)時，一般是給定連桿曲線上幾個關鍵點的坐標，所設計的四桿機構(gòu)能準確或近似通過所選的關鍵點。如圖5-35所示，已知P點在連桿曲線上，求待設計的四桿機構(gòu)的尺寸與描述P點位置的e、f、γ。Fig.5-35Designofafour-barlinkagefor

couplercurve(按連桿曲線設計四桿機構(gòu))第6章凸輪機構(gòu)及其設計1.凸輪機構(gòu)的組成及其特點6.1凸輪機構(gòu)概述Fig.6-1Cammechanisms(盤形凸輪機構(gòu))圖6-1所示為兩種最常用的盤形凸輪機構(gòu)，圖6-1a為直動從動件盤形凸輪機構(gòu)，當凸輪1繞軸O旋轉(zhuǎn)時，推動從動件2沿機架3作往復直線移動。圖6-1b為擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪1轉(zhuǎn)動時，擺桿繞鉸鏈A作往復擺動。通常，凸輪為機構(gòu)的主動件。優(yōu)點：1)從動件可以實現(xiàn)復雜運動規(guī)律。

2)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能準確實現(xiàn)預期運動，運動特性好。

3)性能穩(wěn)定，故障少，維護保養(yǎng)方便。

4)設計簡單。缺點：凸輪與從動件為高副接觸，易于磨損。由于凸輪的輪廓曲線通常都比較復雜，因而加工比較困難。2.凸輪機構(gòu)的分類(1)按凸輪的形狀分類

(2)按從動件的形狀分類

（圖6-4）

(3)按從動件的運動形式分類（圖6-4、圖6-5）

(4)按凸輪與從動件維持高副接觸的方式分類盤形凸輪（圖6-1）

移動凸輪（圖6-2）

圓柱凸輪（圖6-3）尖底從動件

滾子從動件

平底從動件

曲底從動件直動從動件擺動從動件力封閉方式（圖6-6）形封閉方式（