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第五章常用机构机构的基本功用是转换运动形式，例如，将回转运动转换为摆动或往复直线移动；将匀速转动转换为非匀速转动或间歇性运动等。机械中，常用机构主要包括平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构和螺旋机构等。第一节构件和运动副一、运动副和约束运动副使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接。例如，轴与轴承的联接、活塞与气缸的联接以及传动齿轮两个轮齿间的联接等。运动副限制了两构件间某些独立的运动，这种限制构件独立运动的作用称为约束。平面机构中，的运动副也称为平面运动副。根据运动副接触形式的不同，平面运动副又可分为低副和高副。（一）低副两构件通过面接触构成的运动副称为低副。平面低副按两构件间相对运动形式的不同，还可分为转动副和移动副。1．转动副两构件间只能产生相对转动的运动副称为转动副，也称铰链，如图5-l所示。２．移动副两构件间只能产生相对移动的运动副称为移动副，如图5-2所示。（二）高副两构件通过点或线接触所构成的运动副称为高副。二、构件的分类1．机架机架是机构中视作固定不动的构件，它支承着其它可动构件。在机构图中，机架上常标有斜线以示区别。2．原动件原动件是机构中接受外部给定运动规律的可动构件。在机构图中，原动件上常标有箭头以示区别。3．从动件从动件是机构中随原动件而运动的可动构件。当从动件输出运动或实现机构功能时，便称其为输出构件或执行件。第二节平面连杆机构一、概述平面连杆机构是由若干构件以低副联接而成的机构。最基本、最简单的平面连杆机构是由四个构件组成的平面四杆机构。它不仅应用广泛，而且又是多杆机构的基础。平面四杆机构可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类，前者是平面四杆机构的基本形式，后者由前者演化而来。二、铰链四杆机构的基本类型全部由转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。连架杆——与机架相联的构件1、3；机架——固定不动的构件4；连杆——连接两连架杆且作平面运动的构件2；曲柄——作整周定轴回转的构件1；摇杆——作定轴摆动的构件3；铰链四杆机构有三种类型：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。（一）曲柄摇杆机构特征：曲柄＋摇杆作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。雷达天线俯仰机构（二）双曲柄机构特征：两个曲柄作用：将等速回转转变为等速或变速回转。惯性筛机构特例：平行四边形机构特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动。（三）双摇杆机构特征：两个摇杆鹤式起重机llll三、铰链四杆机构基本类型的判别(一)曲柄存在的条件▲连架杆与机架两构件中有一个是最短杆。▲最长杆与最短杆的长度之和≤其他两杆长度之和称为杆长条件。当机构存在曲柄时，若最短杆为连架杆，则最短杆是曲柄；当最短杆为机架，则两个连架杆均为曲柄。（二）链链四杆机构基本类型的判别方法例5-1已知图5-6所示雷达天线机构，mmllmmlmml150,110,404321请判别该机构是否曲柄摇杆机构。四、铰链四杆机构的演化（一）曲柄滑块机构变转动副为移动副llll曲柄转动中心至滑块导路的距离e，称为偏距。若e=0，称为对心曲柄滑块机构。若e≠0，如图5-14b所示，称为偏置曲柄滑块机构。若取不同构件作为机架时，该机构便演化为定块机构、摇块机构和导杆机构等。（二）定块机构在曲柄滑块机构中，如果将构件3（即滑块）作为机架时，曲柄滑块机构便演化为定块机构。手压抽水机是定块机构的应用实例。摆动手柄1，使构件4上下移动，实现抽水动作。（三）摇块机构曲柄滑块机构中，若取构件2作为机架，则可得摇块机构。货车自卸机构（四）导杆机构曲柄滑块机构中，如取构件1作为机架，则演化为导杆机构。插床插刀机构摆动导杆机构五、四杆机构的基本特性四杆机构的基本特性包括运动特性和传力特性。(一)四杆机构的运动特性1．极位当原动件曲柄作整周连续转动时，从动件作往复摆动或往复移动的两个极限位置，称为极位。2．急回特性及行程速度变化系数曲柄的两个对应位置AB1和AB2所夹锐角θ称为极位夹角。机构的急回特性可以用行程速比系数K表示，即行程速比系数K的大小表达了机构的急回程度。若K＞1，表示空行程速度v2大于工作行程速度v1，机构具有急回特性。θ越大，K值越大，机构的急回作用越显著；反之，K值越小，急回作用越不明显；极位夹角θ为零，则机构没有急回特性。偏心曲柄滑块机构摆动导杆机构(三)机构的传力特性1．压力角与传动角作用在从动件上的驱动力F与该力作用点的速度vc方向之间所夹锐角称为压力角，以α表示。Ft=Fcosα有效分力Fn=Fsinα有害分力压力角α越小，有效分力Ft就越大。为测量方便，常用压力角的余角γ来判断传力性能，γ称为传动角。压力角α越小，γ越大，机构传力性能越好为保证机构有良好的传力性能，要限制工作行程的最大压力角αmax或最小传动角γmin。对于一般机械αmax≤50°或γmin。≥40°，对于大功率机械αmax≤40°或γmin。≥50°曲柄摇杆机构的最小传动角一般出现在曲柄AB与机架AD共线的两个位置2．止点位置对于曲柄摇杆机构，当摇杆为主动件时，在连杆与曲柄两次共线的位置，机构均不能运动。机构的这种位置称为：“止点”（机构的止点位置）在“止点”位置，机构的传动角γ＝0利用从动件惯性来通过止点——缝纫机两组机构错开排列，如V型发动机机构。利用止点位置来实现一定的工作——夹紧机构l六、平面四杆机构的设计（一）四杆机构设计1．按给定连杆两个位置设计四杆机构已知连杆的两个位置B1C1、B2C2、及其长度BC，设计铰链四杆机构。设计分析：按给定条件，画出设想的四杆机构。由图可知，待求的铰链中心点A、D分别是B点的轨迹B1B2和C点的轨迹C1C2的圆心。若给定连杆三个已知位置，其设计过程与上述基本相同。但三个确定位置，相应可定一圆，故一般情况下有确定解。例5-2设计一砂箱翻转机构。翻台在位置Ⅰ处造型，在位置Ⅱ起模，翻台与连杆BＣ固连成一整体，BC=0．5m，机架AD为水平位置。l2．按给定的行程速度变化系数K设计四杆机构具有急回特性的四杆机构，一般是根据实际运动要求选定K的数值，然后根据极位的几何特点和其他辅助条件进行设计。已知摇杆长度CD，摆角ψ和行程速度变化系数K)1()1(180KKAB=(AC2-AC1)/2BC=(AC2+AC1)/2ADlBClABllADlBClAB,,第三节凸轮机构一、概述（一）凸轮机构的组成和特点凸轮机构通常是由原动件凸轮、从动件和机架组成。其作用是将凸轮的连续转动或移动转换为从动件的连续或不连续的移动或摆动。（二）凸轮机构的应用和分类内燃机的配气机构自动机床的进给机构1．按凸轮形状分类按凸轮形状分类有：盘形凸轮、圆柱凸轮及移动凸轮。凸轮机构分类2．按从动件未端形状分类1）尖顶从动件2）滚子从动件3）平底从动件3．按从动件运动形式分为类直动从动件、摆动从动件。4．按凸轮运动形式分为转动凸轮、移动凸轮。5．按使从动件与凸轮保持接触的锁合方式分为1）力锁合2）形锁合实际应用中的凸轮机构通常是上述类型的不同综合。图示凸轮机构，便是直动从动件、平底、力锁合的盘形凸轮机构。二、从动件常用运动规律(一)凸轮机构运动过程及有关名称1．推程当凸轮以等角速ω转动时，从动件尖顶被凸轮轮廓由A推至到B′，这一行程称为推程，凸轮相应转角δ0称为推程运动角。2．远休止角凸轮继续转动，从动件尖顶与凸轮的BC圆弧段接触，停留在远离凸轮轴心0的位置B’，称为远休止，凸轮相应转角δs称为远休止角。3．回程凸轮继续转动，从动件尖顶与凸轮轮廓CD段接触，由最远位置B’回至最近位置，在D点与凸轮接触。这一行程称为回程，凸轮相应转角δ0′，称为回程运动角。4．近休止角凸轮继续转动，从动件尖顶与凸轮的DA圆弧段接触，停留在离凸轮轴心最近位置A，称为近休止，凸轮相应转角δs′，称为近休止角。(二)位移线图从动件的运动过程，可用位移线图表示。位移线图以从动件位移s为纵坐标，凸轮转角δ为横坐标。条位移线分别表示该机构推程、远休止、回程、近休止4个运动过程。由于凸轮以等角速ω转动，转角δ=ωt，ω是常数，故位移线图也可以时间t为横坐标。(三)从动件常用运动规律从动件运动规律，反映的是从动件位移与凸轮转角之间的关系，可以用线图表示，也可以用运动方程表示。1．等速运动规律从动件推程或回程的运动速度为定值的运动规律，称为等速运动规律。从动件在推程(或回程)开始和终止的瞬时，速度有突变，其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生强烈的冲击、噪声和磨损，这种冲击称为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。2．等加速等减速运动规律从动件在一个行程h中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动的运动规律，称为等加速等减速运动规律。这种运动规律会在机构中产生有限值的冲击力，这种冲击称为柔性冲击。因此，等加速等减速运动规律适用于中速、中载的场合。3．简谐运动规律当一质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上投影所形成的运动称为简谐运动。此运动规律也存在柔性冲击，只适用于中速场合。但从动件作无停歇的升—降—升连续往复运动时，则得到连续的余弦曲线，运动中完全消除了柔性冲击，这种情况下可用于高速传动。三、用图解法设计凸轮轮廓反转法原理假定给整个机构加上一个与ω相反的公共角速度-ω，这样凸轮就固定不动了，而从动件连同机架一起以公共角速度-ω绕O轴转动。同时从动件在导路中相对机架作与原来完全相同的往复移动。由于从动件尖顶始终与凸轮轮廓曲线接触，故从动件尖顶的运动轨迹，便是凸轮的理论轮廓线。(一)尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制已知从动件尖顶距凸轮回转中心的最小距离为30mm。当凸轮转动时，在0°～90°范围内从动件匀速上升20mm，在90°～180°范围内从动件停止不动，在180°～360°范围内从动件匀速下降至原处。试绘制此凸轮轮廓曲线。作图步骤如下：（1）选择适当的比例尺μL（2）按区间等分位移曲线横坐标轴（3）作基圆，作各区间的相应等分角线（4）绘制凸轮轮廓曲线（二）滚子对心直动从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制分为两步：1．把从动件滚子中心作为从动件的尖顶，按照尖顶从动件盘形凸轮轮廓曲线的绘制方法，绘制凸轮的理论轮廓曲线。2．以理论轮廓曲线上的各点为圆心，以已知滚子半径为半径作一族滚子圆，再作这些圆的光滑内切曲线C，即得该滚子从动件盘形凸轮的工作轮廓曲线。四、凸轮设计中应注意的几个问题（一）滚子半径的选择为了防止运动失真,通常rT＜ρmin-3mm若由于滚子半径的结构等因素不能减小其半径时，可适当增大基圆半径rb以增大理论轮廓线的最小曲率半径。（二）凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角，是凸轮对从动件的法向力Fn与该力作用点速度v方向所夹锐角α。在工作行程中，当α超过一定数值，摩擦阻力足以阻止从动件运动，产生自锁现象。为此，必须限制最大压力角，使αmax小于许用压力角〔α〕。凸轮机构的αmax，可在作出的凸轮轮廓图中测量；也可根据从动件运动规律、运动角δ0和h/rb比值，由诺模图查得。一般推荐许用压力角〔α〕的数值如下直动从动件的推程〔α〕≤30°～40°摆动从动件的推程〔α〕≤40°～50°在空回行程〔α〕=70°～80°。例5-3已知一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构，从动件按等速运动上升，行程h=10mm，凸轮的推程运动角δ0=45°，基圆半径rb=25mm，试检验推程的αmax。（三）凸轮的基圆半径基圆半径rb是凸轮的主要尺寸参数，从避免运动失真、降低压力角的要求看，rb大比较好，但是从结构紧凑看，rb小比较好。基圆半径的确定可按运动规律、许用压力角由诺模图求得。（四）凸轮机构的材料与结构当载荷不大、低速时可选用HT250、HT300、QT800-2、QT900-2等作为凸轮的材料。中速、中载的凸轮常用45、40Cr、20Cr、20CrMn等材料，并经表面淬火。高速、重载凸轮可用40Cr，表面淬火，或用38CrMoAl，经渗氮处理。滚子的材料可用20Cr，经渗碳淬火，也可用滚动轴承作为滚子。（四）凸轮机构的材料与结构对于凸轮与轴做成一体凸轮轴结构，凸轮工作轮廓的最小半径（