第一章

緒論全套可編輯PPT課件本章內容1本課程的研究對象

2本課程的內容和學習方法

3機械設計的基本要求及一般過程

4機械零件設計的基本要求及一般方法【本章導讀】

機械設計是根據機械的使用要求對其工作原理、結構、運動方式，零件的材料、幾何形狀等進行構思、分析和計算并將其轉化為具體的描述以作為制造依據的工作過程。

機械設計是機械工程的重要組成部分，是機械生產的第一步，是決定機械性能的最主要的因素。1.1本課程的研究對象在學習本課程之前,我們首先要了解一些基礎知識，如機器、機構、機械、零件、部件和構件等，這些基礎知識也是本課程的研究對象。1.1.1引言

在我國，機械的創造、發展及其使用有著悠久的歷史。三千年前出現了簡單的紡織機，兩千年前已將繩輪、凸輪、連桿機構等用于生產中。漢代以后的指南車及記里鼓車中利用了齒輪和齒輪系傳動。據《后漢書·杜詩傳》記載，公元31年，東漢勞動人民已發明用水排以鼓風煉鐵，如圖1-1所示。圖1-1水排以鼓風煉鐵東漢張衡將桿機構巧妙地使用在人類第一臺地震儀上，根據地動儀內部機構的推測圖，如圖1-2所示。圖1-2候風地動儀內部推測圖1.1.2

機器、機構與機械機器、機構與機械之間既有聯系，又有區別，下面我們進行一一講解。在人們的生產和生活中廣泛地使用著各種類型的機器，如內燃機、機床、汽車、火車、發電機、洗衣機等。為了加深對機器的理解，先以圖1-3所示的單缸內燃機為例進行分析。1.機器圖1-3單缸內燃機結構原理圖內燃機是由機架(缸體)1、曲軸2、連桿3、活塞4、進氣閥5、排氣閥6、推桿7、凸輪8、齒輪9和10等組成。以下三部分共同將熱能轉換為曲軸的機械能。01活塞、連桿、曲軸和缸體組成主體部分，燃氣推動活塞作往復移動，經連桿轉變為曲軸的連續轉動;02凸輪、進排氣閥推桿和缸體組成進排氣的控制部分，凸輪轉動，推動氣閥按時啟閉，分別控制進氣和排氣;03曲軸上的齒輪和凸輪軸上的齒輪與缸體組成傳動部分，曲軸轉動，通過齒輪將運動傳給凸輪軸。此外，盡管機器種類繁多，形狀各異，但就其功能而言，一般的機器主要由五個部分組成，如圖1-4所示。圖1-4機器的組成2.機構由若干構件采用一定方式連接，其中一個構件為機架，用來傳遞力、運動或轉換運動形式的系統，稱為機構。大多數機器都由若干基本機構組成，如內燃機的主體部分是曲柄滑塊機構，進排氣控制部分是凸輪機構，傳動部分是齒輪機構。3.機械從運動的觀點來看，機器與機構之間并沒有區別。因此，習慣上將機器和機構統稱為機械。1.1.3零件、部件和構件從制造角度看，若干個零件組成了機構，若干個機構組成了機器，因此零件是機器的制造單元，是機器的基本組成要素。1.零件概括地講機械零件可分為通用零件和專用零件兩大類。通用零件:在各種機械中經常使用的零件，如螺母、螺栓、齒輪、軸、鍵、彈簧等。專用零件:僅在某些類型的機械設備中使用的零件,如內燃機中的曲軸，起重機中的吊鉤等。2.部件部件是指由一組協同工作的零件組成的獨立制造裝配的組合件，它是機械中的裝配單元，如減速器、離合器等。3.構件從機械實現預期運動和功能角度看，機構中形成相對運動的各個運動單元稱為構件。構件可以是由單一的零件，也可以是由若干零件組成的運動單元。組成機構的構件按運動性質可分為原動件、從動件和機架三類。又稱主動件，是指運動規律已知的活動構件。它的運動是由外界輸入的，可以按照給定的運動規律作獨立的運動。原動件:從動件:構件中除原動件以外，隨原動件運動

而運動的可動構件。機架:是指構件中固定不動的構件，用于支撐運動構件。一個機構中有且只有一個機架。1.2本課程的內容和學習方法1.2.1本課程的內容機器由若干機構及零部件組成，機器的功能指標取決于機構類型及零部件的工作能力。為此，本課程內容在簡要介紹有關整部機器設計的基本知識的基礎上，重點討論常用機構的運動規律、設計準則、設計計算等基本知識；重點討論通用機械零件在一般工作條件下的結構特點、設計準則及設計計算等問題。本課程的主要內容包括以下幾點:1緒論部分———本課程的研究對象、機械設計的基本要求及一般過程、機械零件設計的基本要求及一般過程等。2常用機構部分———平面連桿機構、凸輪機構和間歇機構等。3傳動部分———帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動等。4連接部分———螺紋連接、鍵和銷連接等。5軸系部分———軸、滾動軸承、滑動軸承、聯軸器和離合器等。6其他部分———減速器等。1.2.2本課程的學習方法本課程綜合運用了工程力學、金屬工藝學、機械制圖、公差配合等先修基礎課程知識，解決常用機構及通用零部件的設計問題，較之以往的先修課程更接近工程實際，因此學生在學習本課程時必須在學習方法上有所改變。任何機械產品都始于設計，設計質量的高低直接關系到產品的功能和質量，關系到產品的成本和價格。由此可見，機械設計在產品開發中所起的關鍵作用。1.3機械設計的基本要求及一般過程1.3.1機械設計的基本要求設計的機器應能實現預定功能，并在規定的工作條件下、規定的工作期限內正常運轉。為此，必須正確選擇機器的工作原理、機構的類型和機械傳動方案，合理設計零件，滿足強度、剛度、耐磨性等方面的要求。1.實現預定功能2.滿足可靠性要求機械產品的可靠性是由組成機械的零、部件的可靠性保證的。只有零、部件的可靠性高，才能使系統的可靠性高。機械系統的零、部件越多，其可靠度越低。為此，要盡量減少機械系統的零件數目，并對系統可靠性有關鍵影響的零件，必須保證其必要的可靠性。3.符合經濟合理性要求機器的經濟性是一個綜合指標，體現在設計、制造、使用的全過程中。在設計制造方面要求成本要低，生產率和生產效率要高，在使用維修方面要求機械耗能、管理及維護費用要低。4.確保安全性要求要有各種保險裝置以消除由于誤操作而引起的危險，避免人身及設備事故的發生。設計的機械產品規格、參數應符合國家標準，零部件應最大限度的與同類產品互換通用，產品應成系列發展，推行標準化、系列化、通用化，提高標準化程度和水平。5.推行標準化要求注重產品的工藝造型設計，不僅要功能強、價格低，而且外型美觀、實用，使產品在市場上具有競爭力。6.體現工藝造型美觀要求1.3.2機械設計的一般過程機械設計是一項創造性工作，需要考慮的因素較多，解答的方案也不止一個。下面簡要介紹機械產品設計的一般過程。1.產品規劃通常，設計者在深入調查研究的基礎上，根據社會、市場的需求確定所設計機器的功能范圍和性能指標；根據現有的技術、資料及研究成果分析其實現的可能性，明確設計中要解決的關鍵性問題；擬定設計工作計劃和設計任務書。2.方案設計按照設計任務書的要求，了解分析同類機械產品的設計、生產和使用情況以及制造廠的生產水平；在功能分析的基礎上，提出可采取的實現功能的方案；擬定機器的組成、總體布置；確定有關的機構和傳動方式。技術設計是機器設計的核心。在技術設計過程中，要完成各種設計計算，校核計算，繪制總裝配圖、部件裝配圖和零件工作圖。3.技術設計4.技術文件編制在完成技術設計之后，應編制用于說明產品性能、設計、制造、操作使用、維護或其他所有與產品相關的技術文件。該技術文件主要包括設計說明書、使用說明書、零件明細表、標準件匯總表、產品驗收條件等。在經過試驗、實驗和鑒定，并對設計做出必要修改后，可以進行小批量的試生產。通過實際工況下的使用，將所取得的使用數據和用戶意見反饋回來，再進一步修改設計，即定型產品設計，然后正式投產。5.定型產品設計1.4機械零件設計的基本要求及一般方法1.4.1機械零件設計的基本要求設計零件時應滿足的基本要求是從設計機器的要求中提出來的，一般概括為以下兩點:設計的零件應在預定的使用壽命周期內按規定的工作條件可靠地工作。使用要求01經濟性要求02經濟性要求貫穿于零件設計的全過程，零件成本低廉，關鍵要注意以下幾點：在滿足強度條件時，合理選擇材料；合理確定精度等級;

賦予零件良好的工藝性，降低裝配費用；盡可能采用標準化的零、部件。1234①根據零件的功能及使用要求，選擇零件類型并擬定計算簡圖；②分析零件的受力狀況，考慮各種因素對載荷的影響，確定計算載荷；③根據零件的工作條件，合理選擇材料及熱處理方法，并確定許用應力；1.4.2機械零件設計的一般方法通用機械零件設計的一般方法可概括為:④分析零件可能的失效形式，確定設計準則，確定零件的基本尺寸；⑤確定零件的主要參數和幾何尺寸，確定零件結構；⑥繪制零件工作圖，擬定技術要求。本章小結①機器是執行機械運動的裝置，用來轉換或傳遞能量、物料、信息。就其功能而言，一般的機器主要由控制部分、動力部分、傳動部分、執行部分和支承及輔助部分。②機構是由若干構件采用一定方式連接，其中一個構件為機架，用來傳遞力、運動或轉換運動形式的系統。機器與機構的區別為；機器是由各種機構組成的，可以完成能量的轉換或做有用功；而機構僅僅是起著運動的傳遞和運動形式的轉換作用。③零件和構件的最大區別：零件是從加工角度來考慮的，一次能夠加工出的單元就是零件，而構件是從運動單元來考慮的，它可以是單一的零件，也可以是由幾個零件連接而成，一塊運動(移動、轉動)的單元體就是構件。ThankYou!第二章

平面機構的結構分析本章內容1運動副

2平面機構的運動簡圖

3平面機構的自由度【本章導讀】為了傳遞運動和力，機構中各構件之間必須以一定的方式連接起來，并且具有確定的相對運動。顯然，不能產生相對運動或無規則運動的構件組合都不能成為機構。如果組成機構的所有構件都在同一個平面或相互平行的平面內運動，則稱為平面機構，否則稱為空間機構。目前，工程中常見的機構大多屬于平面機構，故本章僅討論平面機構。2.1運動副平面機構中每個構件都不是自由構件，而是以一定的方式與其他構件組成可動連接，這種使兩構件直接接觸并能產生確定相對運動的連接稱為運動副。根據組成運動副兩構件之間的接觸特性，運動副可分為低副和高副。2.1.1低副兩構件以面接觸組成的運動副稱為低副。根據它們之間的相對運動是轉動還是移動，運動副又可分為轉動副和移動副。1.轉動副轉動副是指組成運動副的兩構件之間只能繞某一軸線作相對轉動的運動副。通常轉動副的具體形式是用鉸鏈連接，即由圓柱銷和銷孔構成轉動副，如圖2-1所示。圖2-1轉動副2.移動副移動副是指組成運動副的兩構件只能作相對直線移動的運動副，如圖2-2所示。圖2-3所示為裝載機鏟斗上的實際低副。圖2-2移動副圖2-3實際低副2.1.2高副兩構件以點或線接觸組成的運動副稱為高副。如圖2-4所示，構件1與構件2組成的高副中，構件1無法沿公法線方向移動,而構件1相對于構件2則可沿接觸點A的切線方向移動,同時還可繞A點轉動。(a)齒輪副(b)凸輪副圖2-4高副2.2平面機構的運動簡圖機構簡圖是用特定的構件和運動副符號表示機構的一種簡化示意圖，僅表示機構運動傳遞情況和結構特征。2.2.1平面機構簡圖和運動簡圖2.2.2運動副和構件的表示方法1.運動副的表示方法機構運動簡圖中運動副表示方法如圖2-7所示。其中，圖2-7(a)表示由兩個可動構件組成的轉動副；圖2-7(b)和圖2-7(c)表示兩個構件中有一個構件是固定的轉動副，畫有斜線的構件代表固定構件；圖2-7運動副表示方法

圖2-7(d)至圖2-7(i)表示兩個構件組成的移動副；圖2-7(j)表示兩個構件組成的高副，畫高副簡圖時應畫出兩構件接觸處的曲線輪廓。圖2-7運動副表示方法2.構件的表示方法

機構運動簡圖中構件表示方法如圖2-8所示。其中，圖2-8(a)為具有兩個轉動副的構件；圖2-8(b)為具有一個轉動副和一個移動副的構件；圖2-8(c)為具有3個轉動副的構件；圖2-8(d)為3個轉動副的中心均在一條直線上。圖2-8構件表示方法2.2.3機構運動簡圖的繪制繪制平面機構運動簡圖時，可按照以下步驟進行。①分析機構的組成和運動情況：首先確定機構中的機架、主動件和從動件；然后從主動件開始，沿著運動傳遞的順序分析運動的傳遞情況，最后確定出機構中構件的數目。②確定運動副的類型和數量：從主動件開始,按照運動的傳遞順序分析各構件之間相對運動的性質，確定運動副的類型。③選擇投影面：為了能清楚地表明各構件間的相對運動關系，通常選擇平行于機構中多數構件所在的運動平面為投影面。④選擇瞬時位置：選擇能充分反映機構運動特性的瞬時位置，若瞬時位置選擇不當，則會出現構件間相互重疊和交叉。

⑤選擇適當的比例繪圖：首先根據構件的實際尺寸和圖紙大小確定適當的長度比例尺，然后按照各運動副間的距離和相對位置，用規定的線條和符號即可繪制出機構的運動簡圖。其中2.3平面機構的自由度如前所述，機構的各構件之間應具有確定的相對運動。為了使組合起來的構件能產生確定的相對運動，有必要探討機構的自由度及機構具有確定運動的條件。2.3.1自由度和約束

在直角坐標系中，一個處于空間自由狀態的剛體(構件)，具有6個獨立運動的參數，即沿三個坐標軸的移動和繞三個坐標軸的轉動。而對于一個作平面運動的構件而言，僅有3個獨立運動的參數，即沿x軸、y軸的移動和繞垂直于xOy平面的軸轉動，如圖2-10所示。我們把構件相對于參考系具有的獨立運動參數的數目稱為構件的自由度。

圖2-10構件自由度

如果一個平面機構中包含有n個可動構件(機架為參考坐標系是相對固定的，因而不是可動構件)，未用運動副連接之前，這些可動構件的自由度總數應為3n。2.3.2平面機構自由度的計算若用運動副連接之后，由于在平面機構中每個平面低副(如轉動副、移動副等)引入兩個約束，使構件失去兩個自由度；而每個平面高副(如齒輪副、凸輪副等)引入一個約束，使構件失去一個自由度。因此若機構中有個低副和個高副，則所有運動副引入的約束數為。于是可得，機構自由度F應為：(2-1)2.3.3平面機構具有確定運動的條件

如圖2-11(a)所示平面三桿構件組合體中，其自由度為這表明各構件間無相對運動，因此它是一個剛性桁架,而不是機構。

(a)平面三桿構件組合體圖2-11平面三桿和平面四桿構件組合體

如圖2-11(b)所示平面四桿構件組合體中，其自由度為這表明各構件間無相對運動，因此它是一個超靜定桁架，也不是機構。(b)平面四桿構件組合體圖2-11平面三桿和平面四桿構件組合體如圖2-12(a)所示五桿鉸鏈構件組合體，其自由度為該機構中只有一個主動件，當構件1繞A點均勻轉動且處于AB位置時，構件2、3、4可處于不同的位置(參見圖2-12(a)標出的兩個位置)，即這三個構件的運動不確定。圖2-12五桿鉸鏈構件組合體但若給定兩個主動件，如構件1和構件4分別繞點A和點E轉動，則構件2和構件3的運動就能完全確定，如圖2-12(b)所示。圖2-12五桿鉸鏈構件組合體

綜上所述，機構具有確定相對運動的條件為：①F>0；②F等于機構中原動件的個數。【例2-3】試計算圖2-13所示裝載機機構的自由度，并判斷機構的運動是否確定。圖2-13裝載機解

由于此機構有兩個原動件(活塞桿5和7)，且原動件個數等于機構自由度數，因此機構的運動確定。推土機機構有8個可動構件，11個低副(其中有2個移動副、9個轉動副)，即，所以，該機構的自由度為：2.3.4計算平面機構的自由度應注意的幾個問題應用式(2-1)計算平面機構自由度時，應注意以下幾點:兩個以上的構件在一處組成的轉動副，稱為復合鉸鏈。1.復合鉸鏈如圖2-14(a)所示，構件1與構件2、3組成兩個轉動副。圖2-14(b)為復合鉸鏈的機構簡圖。

(a)結構示意圖(b)機構簡圖圖2-14復合鉸鏈3個構件組成的復合鉸鏈包含2個轉動副，若由k個構件在同一處構成復合鉸鏈時，就構成k-1個共線轉動副。機構中不影響其輸出與輸入運動關系的個別構件的獨立運動自由度，稱為機構的局部自由度。在計算機構自由度時，局部自由度除去不計。2.局部自由度如圖2-16(a)所示凸輪機構中，為減少高副接觸處的磨損，在從動件2上安裝一個滾子3，使其與凸輪1的輪廓線滾動接觸。顯然，滾子繞其自身軸線的轉動與否并不影響凸輪與從動件間的相對運動，因此滾子繞其自身軸線的轉動為機構的局部自由度。圖2-16局部自由度在計算機構的自由度時應預先將轉動副C和構件3除去不計，如圖2-16(b)所示，設想將滾子3與從動件2固連在一起，作為一個構件來考慮。此時該機構中，其機構的自由度為：

即此凸輪機構只有一個自由度,是符合實際情況的。3.虛約束在機構中與其他約束重復而不起限制運動作用的約束稱為虛約束。在計算機構自由度時，應當除去不計。

【例2-5】如圖2-17所示為機車車輪聯動機構，。在此機構中，所以其機構自由度為圖2-17機車車輪聯動機構

這表明該機構不能運動，顯然與實際情況不符。進一步分析可知，機構中的運動軌跡有重疊現象。因為如果去掉構件4(轉動副E，F也不再存在)，當原動件1轉動時，構件2上E點的軌跡是不變的。因此，構件4及轉動副E、F是否存在對整個機構的運動并無影響，是多余約束或重復約束，即虛約束。因此，在計算機構自由度時應除去構件4和轉動副E、F。此時機構中，則該機構的自由度為：此結果與實際情況相符。由此可知，當機構中存在虛約束時，其消除辦法是將含有虛約束的構件及其組成的運動副去掉。平面機構的虛約束常出現于下列情況中：①被連接件上點的軌跡與機構上連接點的軌跡重合時，這種連接將出現虛約束，如圖2-17所示。圖2-17機車車輪聯動機構(a)導路平行虛約束(b)導路重合虛約束圖2-18導路相互平行或重合的虛約束②兩個構件組成多個移動副其導路互相平行(或重合)時，只有一個移動副起約束作用，其余都是虛約束，如圖2-18所示。③兩個構件組成多個轉動副其軸線重合時，只有一個轉動副起約束作用，其余都是虛約束。例如一根軸上安裝多個軸承，如圖2-19所示。圖2-19轉動軸線重合虛約束④機構中對運動不起限制作用的對稱部分，如圖2-20所示齒輪系，只需要一個齒輪2便可傳遞運動，為了提高承載能力并使機構受力均勻，圖中采用了3個完全相同的行星輪對稱布置。圖2-20結構對稱虛約束

虛約束對機構運動雖然不起作用，但可以增加構件的剛性，改善受力情況，因而機構中經常出現虛約束。【例2-6】計算圖2-21所示大篩機構的自由度。圖2-21大篩機構解圖中滾子有局部自由度。E和E′為兩構件組成的導路平行移動副，其中一個為虛約束。C處為復合鉸鏈。消除局部自由度、去掉虛約束后，機構中，則機構自由度為：此機構具有兩個自由度，有兩個主動構件(構件1和2)。本章小結①學會繪制平面機構的運動簡圖。讀懂常用機構的運動簡圖，并能根據實際機構或機構結構圖繪制機構運動簡圖。1.本章基本要求②掌握運動副的概念和運動副的分類方法，掌握計算平面機構自由度的方法，會識別機構中的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束,并能進行機構自由度計算。2.重點內容學習提示

①自由度是單個無連接的構件所固有的，機構中的構件通常都要相互連接，只要有連接就有運動的相互限制，這種限制就是約束。運動副指的是連接的構件要直接連接，同時相互間必須有確定的相對運動。

②低副是面接觸的連接，連接后構件只剩下一個自由度；高副是點、線連接，只能限制接觸點或接觸線處的公法線方向的運動，即在公法線方向上不能有相對運動，連接后構件還有兩個自由度。③繪制平面機構運動簡圖的關鍵在于選取合適的觀察角度，以保證各構件之間不相互重疊。

④平面機構自由度計算的關鍵，在于判斷是否有復合鉸鏈、局部自由度和虛約束。其中，復合鉸鏈比較簡單，注意觀察即可；局部自由度主要指凸輪有無滾子；比較難判斷的是虛約束的幾種情況，通常有虛約束時會給一些特殊條件。采用虛約束主要是考慮受力問題，而機構自由度計算主要是考慮運動問題。ThankYou!第三章

平面連桿機構本章內容1平面連桿機構的特點

2鉸鏈四桿機構的基本類型及曲柄存在的條件

3鉸鏈四桿機構的演化形式

4平面四桿機構的傳動特性

5圖解法設計平面四桿機構

※6多桿機構簡介【本章導讀】平面連桿機構是一種應用極為廣泛的機構，在各行各業以及日常生活的機械設備中經常見到。簡單的平面連桿機構是平面四桿機構，它是組成多桿機構的基礎。在平面四桿機構中，又以鉸鏈四桿機構為基本形式。其他形式均可以由鉸鏈四桿機構演化而來。因此，本章將以鉸鏈四桿機構為主要研究對象，討論平面四桿機構的運動特性和設計方法。由若干個構件通過低副連接，且所有構件在相互平行平面內運動的機構稱為平面連桿機構。由四個構件通過低副連接而構成的平面連桿機構，稱為平面四桿機構。它是平面連桿機構中最常見的形式，也是組成多桿機構的基礎。3.1平面連桿機構的特點

平面連桿機構的類型很多，構件的形狀多數呈桿狀，其中最常用的是由四個桿組成的平面四桿機構。在平面四桿機構中，又以鉸鏈四桿機構為基本形式。3.2鉸鏈四桿機構的基本類型及曲柄存在的條件3.2.1鉸鏈四桿機構的基本類型及應用

當四桿機構各構件之間以轉動副連接時，稱該機構為鉸鏈四桿機構。

圖3-1所示的鉸鏈四桿機構中，固定不動的桿4稱為機架，與機架相連的桿1與桿3，稱為連架桿；其中能相對機架作整周回轉的連架桿稱為曲柄，僅能在某一角度范圍內作往復擺動的連架桿稱為搖桿；連接兩連架桿的桿2稱為連桿，連桿2通常作平面復合運動。圖3-1鉸鏈四桿機構

根據連架桿運動形式的不同，鉸鏈四桿機構可分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構三種基本類型。

具有一個曲柄，一個搖桿的鉸鏈四桿機構，稱為曲柄搖桿機構(參見圖3-1)。1.曲柄搖桿機構圖3-1鉸鏈四桿機構在曲柄搖桿機構中，取曲柄1為主動件時，可將曲柄的連續等速轉動經連桿2轉換為從動件搖桿3的變速往復擺動。圖3-2所示的送料機構即為兩個完全相同的曲柄搖桿機構組合而成。圖3-2送料機構

取搖桿3為主動件時，可將搖桿的不等速往復擺動經連桿2轉換為從動件曲柄1的連續旋轉運動。圖3-3所示為縫紉機踏板機構的簡圖。當腳踏動踏板3(相當于搖桿)使其作往復擺動時，通過連桿2帶動曲軸1(相當于曲柄)作連續旋轉運動，使縫紉機進行縫紉工作。圖3-3縫紉機踏板機構

具有兩個曲柄的鉸鏈四桿機構,稱為雙曲柄機構(參見圖3-4)。2.雙曲柄機構圖3-4雙曲柄機構

在雙曲柄機構中，兩曲柄可分別為主動件。若曲柄1為主動件，當曲柄1由AB轉180°至AB′時，從動件曲柄3由CD轉至C′D，轉角為；當主動曲柄繼續再轉180°由AB′轉回至AB時，從動曲柄也由C′D轉回至CD，轉角為，顯然。這表明主動曲柄勻速旋轉一圈，從動曲柄變速旋轉一圈。在圖3-5所示的慣性篩中，ABCD為雙曲柄機構。當曲柄1作等角速度轉動時，曲柄3作變角速轉動，通過連桿2使篩體產生變速直線運動，篩面上的物料由于慣性來回抖動，從而達到篩分物料的目的。圖3-5慣性篩

雙曲柄機構中，常見的還有平行四邊形機構和逆平行四邊形機構。(1)平行四邊形機構

平行四邊形機構如圖3-6所示，兩曲柄長度相等，且連桿與機架的長度也相等，呈平行四邊形。平行四邊形機構的運動特點是：當主動曲柄1作等速轉動時，從動曲柄3會以相同的角速度沿同一方向轉動，連桿2則作平行移動。圖3-6平行四邊形機構(2)逆平行四邊形機構逆平行四邊形機構如圖3-8(a)所示，兩曲柄長度相等，且連桿與機架的長度也相等但不平行。圖3-8逆平行四邊形機構圖及其應用

圖3-8(b)所示的車門機構，采用了逆平行四邊形機構，以保證與曲柄1和3固聯的車門能同時開和關。圖3-8逆平行四邊形機構圖及其應用鉸鏈四桿機構中，若兩連架桿均為搖桿，稱為雙搖桿機構(參見圖3-9(a))。3.雙搖桿機構圖3-9雙搖桿機構及門座起重機變幅機構在雙搖桿機構中，兩搖桿均可作主動件。當主動搖桿1往復擺動時，通過連桿2帶動從動搖桿3往復擺動。圖3-9雙搖桿機構及門座起重機變幅機構

圖3-9(b)所示門座起重機的變幅機構即為雙搖桿機構，當主動搖桿1擺動時，從動搖桿3隨之擺動，使連桿延長部分上的E點(吊重物處)，在近似水平的直線上移動，以避免因不必要的升降而消耗能量。圖3-9雙搖桿機構及門座起重機變幅機構3.2.2鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件和基本類型的判別

鉸鏈四桿機構三種基本形式的主要區別在于是否存在曲柄和存在幾個曲柄，實質取決于各桿的相對長度以及選取哪一桿作為機架。1.曲柄存在條件

圖3-11所示為曲柄搖桿機構，AB為曲柄，BC為連桿，CD為搖桿，AD為機架，各桿長度分別為。為保證曲柄能作整圈旋轉，曲柄AB必須能順利通過與連桿BC共線的兩個位置和，這時，機構各桿分別構成三角形與。在中:在中:所以(3-1)圖3-11鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件上式兩兩相加得(3-2)分析式(3-1)和式(3-2)可得鉸鏈四桿機構有一個曲柄的條件為：①最短桿與最長桿長度之和應小于或等于其余兩桿長度之和。②曲柄為最短桿。

由圖3-11所示可知，因AB是曲柄能作360°旋轉，所以AB與相鄰兩桿BC和AD之間的夾角β和φ可在0°~360°之間變化。根據相對運動原理，連桿BC和機架AD也可以相對曲柄作整圈旋轉；而搖桿CD只能作小于360°的擺動。若取

AB為機架時，BC桿和AD桿均為曲柄。由此，可得鉸鏈四桿機構中曲柄存在的條件為：①最短桿與最長桿長度之和應小于或等于其余兩桿長度之和。②連架桿與機架中至少有一個是最短桿。2.基本類型的判別若鉸鏈四桿機構中，最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和時：最短桿是曲柄時,為曲柄搖桿機構。最短桿是機架時,為雙曲柄機構。最短桿是連桿時,為雙搖桿機構。【例3-1】如圖3-12所示鉸鏈四桿機構ABCD的各桿長度分別。當機構分別以AB、BC、CD、DA各桿為機架時，相應得到何種機構?圖3-12例3-1用圖

由各桿長的數值可知，AB桿為最短桿，BC桿為最長桿。又因為解

，滿足桿長條件，于是可得下面的結論：

若以AB為機架，則得到雙曲柄機構；若以BC為機架，則得到曲柄搖桿機構；若以CD為機架，則得到雙搖桿機構；若以DA為機架，則得到曲柄搖桿機構。圖3-12例3-1用圖上節介紹了鉸鏈四桿機構的基本類型，在實際機械中，為了滿足各種工作的需要還有許多形式不同的平面機構。它們在外形和構造上雖然存在較大差別，但在運動特性上卻有許多相似之處。其實它們都是通過鉸鏈四桿機構演化而來的。3.3鉸鏈四桿機構的演化形式圖3-13(a)所示的曲柄搖桿機構中，鉸鏈中C的軌跡為以D為圓心和為半徑的圓弧。圖3-13曲柄滑塊機構

若增至無窮大，C點的軌跡變成直線，如圖3-13(b)所示，搖桿3演化為直線運動的滑塊，轉動副D演化為移動副，機構演化為圖3-13(c)所示的曲柄滑塊機構。若C點的運動軌跡正對曲柄轉動中心A，稱為對心曲柄滑塊機構(參見圖3-13(c))；圖3-13曲柄滑塊機構

若C點運動軌跡的延長線與曲柄回轉中心A之間存在偏距e(參見圖3-13(d))，稱為偏置曲柄滑塊機構。滑塊兩個極限位置之間的距離為行程，通常用H表示。圖3-13曲柄滑塊機構在曲柄滑塊機構中，當曲柄較短時，往往用一個旋轉中心與幾何中心不相重合的偏心輪代替曲柄，稱為偏心輪機構(參見圖3-16)。圖中構件1為偏心輪，偏心距e(輪的幾何中心B點至旋轉中心A點的距離)相當于曲柄長度。圖3-16偏心輪機構圖曲柄轉動導桿機構和曲柄擺動導桿機構可看成是改變曲柄滑塊機構中的機架演化而來的。3.3.2曲柄轉動導桿機構和曲柄擺動導桿機構

如圖3-17(a)所示的曲柄滑塊機構，若改取桿1為機架，即可得圖3-17(b)所示的機構。其中桿4對滑塊3的運動起導路作用，故稱為導桿。圖3-17曲柄滑塊機構的演化

滑塊3相對導桿4滑動，并隨導桿4一起繞A點轉動。當時(參見圖3-17(b))，桿2和導桿4均可整周回轉，故稱為曲柄轉動導桿機構，圖3-18所示為曲柄轉動導桿機構的應用。圖3-18插床機構當時(參見圖3-19)，桿2作整周回轉，導桿4只能往復擺動，稱為曲柄擺動導桿機構。圖3-20為曲柄擺動導桿機構的應用。圖3-19曲柄擺動導桿機構圖3-20牛頭刨床主機構1.移動導桿機構3.3.3移動導桿機構和曲柄搖塊機構在圖3-17(a)所示的曲柄滑塊機構中，若取滑塊3為機架時，則演化為導桿在滑塊中移動的移動導桿機構(參見圖3-17(d))。圖3-17曲柄滑塊機構的演化在圖3-17(a)所示的曲柄滑塊機構中，若取桿2為機架時，則演化為曲柄搖塊機構(參見圖3-17(c))。該機構中桿1為曲柄，繞B點回轉時，桿4相對于滑塊3滑動，并與滑塊3一起繞C點擺動。這種機構廣泛應用于擺缸式內燃機和液壓驅動裝置中。2.曲柄搖塊機構圖3-17曲柄滑塊機構的演化在圖3-23(a)所示的曲柄滑塊機構中，若將轉動副B擴大，可等效為圖3-23(b)所示的機構。若圓弧槽mm的半徑逐漸增加至無窮長時，則演化為圖3-23(c)所示的機構。3.3.4曲柄移動導桿機構圖3-23曲柄移動導桿機構

此時連桿2轉化為沿直線mm移動的滑塊2；轉動副C則變為移動副，滑塊3轉化為移動導桿。曲柄滑塊機構便演化為具有兩個移動副的四桿機構，此機構稱為曲柄移動導桿機構。由于此機構當主動件1等速回轉時，從動導桿3的位移為，故又稱正弦機構，如縫紉機引線機構(參見圖3-24)和橢圓規機構等。圖3-24縫紉機引線機構

平面四桿機構的傳動特性有急回特性、傳力特性和死點位置等。3.4平面四桿機構的傳動特性3.4.1急回特性在圖3-25所示的曲柄搖桿機構中，曲柄AB是原動件，作等角速度轉動，位置為CD桿的左極限位置，為右極限位置，搖桿在兩極限位置之間所夾角度稱為搖桿的擺角，用φ表示。圖3-25四桿機構的急回特性當曲柄AB等速順時針從轉到時，搖桿CD由擺動到位置時，所需時間為，平均速度為曲柄轉過角度為。

當曲柄AB等速順時針從轉到時，搖桿CD由擺回到位置時，所需時間為，平均速度為，曲柄轉過的角度為。曲柄AB為等角速度轉動，因，所以，則有。如把進程平均速度定為，空行程返回速度為，則從動件搖桿CD往復擺動的平均速度不相等，從動件回程速度比進程速度快，這一性質稱為機構的急回特性。

機構急回特性的相對程度可用行程速度變化系數K來表示，即在急回運動機構中，作往復運動的從動件在空回程中的平均速度與工作行程中的平均速度之比值，即式中：θ———極位夾角，即搖桿(從動件)在兩個極限位置時，曲柄(主動件)對應所夾的銳角。若已知行程速度變化系數K，則可求得極位夾角θ，即于是可得(3-3)(3-4)

θ表示了急回程度的大小，θ越大，K值越大，機構急回的程度越高，但機構運動的平穩性就越差；θ=0，機構無急回特性。設計機構時通常給定K值求θ角，在一般機械中取。①主動件為曲柄作等速整周轉動。②從動件作往復運動(有極限位置)。③極位夾角θ>0。

綜上所述，可得連桿機構從動件具有急回特性的條件是：

平面連桿機構不僅要保證實現預定的運動要求，而且應當運轉效率高，并具有良好的傳力特性。通常用壓力角或傳動角表明連桿機構的傳力特性。3.4.2傳力特性

在圖3-26所示的曲柄搖桿機構中，若忽略各桿的質量和轉動副中摩擦力的影響，則連桿2是二力桿，主動件曲柄1通過連桿2傳給從動件搖桿3的力F沿BC方向。圖3-26四桿機構的壓力角和傳動角

從動件C點力F的方向與C點的速度方向間所夾的銳角α，稱為壓力角，壓力角的余角γ稱為傳動角。F分解為兩個分力和由圖可知(3-5)式中：———推動從動件CD運動的有效分力；———只能使鉸鏈C和D產生徑向壓力。顯然，壓力角α愈小，使從動件運動的有效分力越大，機構傳動的效率也越高，所以可用壓力角的大小判斷機構的傳力特性。為了度量方便，常用壓力角的余角判斷機構性能。由圖3-26可知，傳動角γ是連桿與搖桿所夾的銳角，即。

愈小或

愈大，機構傳力性能愈好；當過小時，機構就不能傳動。機構運轉過程中，壓力角和傳動角隨從動件的位置而變化。為了保證機構能正常工作，要限制工作行程的最大壓力角或最小傳動角，一般設計時應使最小傳動角；對于高速和大功率的傳動機械，應使。

鉸鏈四桿機構運轉時，最小傳動角的位置，是在曲柄與機架共線的兩個位置處，其值為圖3-26所示中的。圖3-26四桿機構的壓力角和傳動角對于偏置曲柄滑塊機構如圖3-27所示，曲柄為主動件時，其傳動角為連桿與導路垂線所夾的銳角，因此當曲柄處于與偏距方向相反的一側且垂直導路的位置時取得最小值；圖3-27偏置曲柄滑塊機構最小傳動角對于曲柄擺動導桿機構的傳動角，當曲柄BC為主動件時，因滑塊對導路的作用力始終垂直于導桿，故其傳動角恒為90°(參見圖3-28)，這說明曲柄擺動導桿機構具有良好的傳力性能。圖3-28曲柄擺動導桿機構傳動角3.4.3死點位置

在圖3-29所示的曲柄搖桿機構中，若搖桿CD為主動件，曲柄AB為從動件時，當連桿BC與曲柄AB處于共線位置時，連桿BC與曲柄AB之間的傳動角，壓力角，這時搖桿CD經連桿BC傳給從動件曲柄AB的力通過曲柄轉動中心A，轉動力矩為零，從動件不轉，機構停頓，機構所處的這種位置稱為死點位置，有時把死點位置簡稱死點。圖3-29曲柄搖桿機構的死點機構存在死點位置是不利的，對于連續運轉的機器，常采取以下措施使機構順利地通過死點位置：利用從動件的慣性順利地通過死點位置。

采用錯位排列的方式順利地通過死點位置。

死點位置在傳動中并非總是起消極作用。在工程實際中，不少場合也是利用死點位置來實現一定的功能。平面四桿機構設計是指根據工作要求選定機構的類型，并確定機構的幾何尺寸。在設計中需主要解決以下兩類問題:3.5圖解法設計平面四桿機構

①實現給定的運動規律。例如，要求滿足給定的行程速度變化系數以實現預期的急回特性、實現預設的連桿速度等。

②實現給定的運動軌跡。例如，要求連桿上某點能沿著給定軌跡運動等。平面四桿機構的設計方法有圖解法、解析法和實驗法三種。設計時到底選用哪種設計方法，應根據實際條件而定。本節只介紹用圖解法設計平面四桿機構。3.5.1按連桿位置設計四桿機構1.給定連桿三個位置設計四桿機構已知條件：如圖3-33所示，已知連桿BC的長度及連桿的三個預定位置，要求確定四桿機構的其余桿件的位置和尺寸。圖3-33給定連桿三個位置設計四桿機構分析：設計的關鍵是確定固定鉸鏈A和D的位置,從而確定其他桿件的長度。由于連桿上B、C兩點的軌跡分別為以A、D為圓心的圓弧，所以A、D必分別位于的垂直平分線上。其設計步驟如下:①選取適當比例尺，按連桿長度及給定位置畫出。

②分別連接和、和及和、和，作和的垂直平分線和及和的垂直平分線和，分別得交點A和D，該兩點即是兩個連架桿的固定鉸鏈中心。

③分別連接(圖中的粗實線)，即為所求的四桿機構。從圖中量得各桿的長度再乘以比例尺，就得到實際結構的長度尺寸。2.給定連桿的兩個位置設計四桿機構

給定連桿長度及兩個位置和時，由上述方法可知，A點和D點可在和的垂直平分線上任意選取，得到無窮多個解。

在實際設計中,還需給出其他輔助條件，如限制構件轉動中心A和D的位置等，此時便可得到一個確定的解。

【例3-2】設計一振實造型機的反轉機構，如圖3-34所示。要求反轉臺8位于位置Ⅰ(實線位置)時，在砂箱7內填砂造型振實；當反轉臺8轉到位置Ⅱ(虛線位置)時起模。已知連桿BC長度

和兩個位置，要求A、D在同一水平線上并且AD=BC。圖3-34給定連桿兩個位置設計四桿機構解①取比例尺

，得在給定位置畫出和。②連接，作的垂直平分線和的垂直平分線。

③按A、D在同一水平線上，且AD=BC的要求，在上得A點，上得D點。④連接即得所求四桿機構。各桿長度為

設計具有急回特性的四桿機構時，通常根據實際工作需要，先確定行程速度變化系數K，然后根據機構在極限位置處的幾何關系，結合有關輔助條件，確定機構尺寸。3.5.2按給定行程速比系數設計四桿機構

分析：設計的關鍵是確定鉸鏈中心A的位置，從而定出其他桿件的尺寸。

1.設計曲柄搖桿機構已知條件：搖桿長度，擺角φ和行程速度變化系數K。①由給定的行程速度變化系數K，求出極位夾角θ，即

②取適當比例尺，任意固定鉸鏈中心D的位置，根據搖桿長度和擺角φ，作出搖桿的兩個極限位置和(參見圖3-35)。圖3-35曲柄搖桿機構設計

③于是作,,由三角形內角和等于180°可知，

④以點O為圓心，為半徑作圓，在圓周上任取一點A(除點)作為曲柄鉸鏈中心。連接和，便得曲柄與連桿的兩個共線位置。圓周角

。⑤因，從而得曲柄長度。再以點A為圓心，為半徑作圓，交的延長線于點，交于點，即得，及。

由于點A可以在以點O為圓心，為半徑的圓周上適當范圍內任意選取，所以可得到無窮多解。點A位置不同，機構傳動角大小也不同。為了獲得良好的傳動質量，可按照最小傳動角或其他輔助條件確定點A的位置。2.設計曲柄擺動導桿機構已知條件：機架長度和速度變化系數K。

分析：由于曲柄擺動導桿機構的極位夾角θ與導桿的擺角φ相等(參見圖3-36)，而極位夾角θ可由速度變化系數K求得，因此設計的關鍵是確定曲柄長度。圖3-36曲柄擺動導桿設計圖其設計步驟如下：

①由給定的行程速度變化系數K，求極位夾角θ，即

②取適當比例尺，根據導桿擺角

φ

等于曲柄極位夾角θ，任選一點

C后可找出導桿兩極限位置

。

③作的角平分線，取，得點A，過點A作和的垂線得和

兩點，(或)即為曲柄。測量，求出曲柄長度。前面學過的基本機構，遠不能滿足實際使用要求，但是有了這些基本機構，就可以根據基本機構的功能，按照某種方式來進行組合，并依據機構的演化及變異原理創新設計出形式多樣的多桿機構，以實現生產實際中的特殊要求。※3.6多桿機構簡介如圖3-37所示，冷床運輸機為一個六桿機構。1.擴大從動件的行程圖3-37冷床運輸機機構它用于把熱扎鋼料在運輸過程中冷卻，因此要求增大行程，該機構由曲柄搖桿機構、桿5和滑塊6組成。顯然滑塊6的行程S比曲柄搖桿機構中上點的行程要大的多，而該機構的橫向尺寸則要比采用對心曲柄滑塊機構獲得同樣行程時小的多。圖3-38所示為手動沖床機構簡圖。2.用于增大輸出件的作用力圖3-38手動沖床該機構是一個六桿機構，可看作由四桿機構ABCD與滑塊機構DEFG組合而成。顯然根據杠桿原理經過搖桿2和4使扳動搖桿的力兩次放大后傳給沖桿6，從而增大了沖桿6的作用力，以滿足沖壓要求。圖3-39所示的組合壓力機機構由雙曲柄機構與六桿機構組合而成，而原壓力機機構只有雙曲柄機構。3.用于改善從動件的運動特性圖3-39壓力機機構圖比較組合壓力機機構與原壓力機機構的位移曲線圖可看出，組合壓力機機構比原壓力機機構在其滑塊下降行程的低速工作段的速度要低的多，從而滿足了某些壓力機在工作過程(滑塊下降行程)需要較低速度的要求。

圖3-40所示為大型雙點壓床機構的簡圖，該機構由兩組尺寸相同且左右對稱布置的曲柄滑塊機構組成，其作用在滑塊上的水平分力大小相等、方向相反，可消除滑塊對導路的側壓力，從而減少了摩擦損失。4.改善工作性能圖3-40雙點壓床5.機構并聯組合完成預定功能

如圖3-41所示為絲織機的開口機構，該機構由一個曲柄搖桿機構和兩個曲柄滑塊機構組合而成。當主動曲柄1轉動時，通過搖桿3將運動傳給兩個曲柄滑塊機構，使從動滑塊5和7實現上下往復運動，完成絲織機絲織物經線的開口工作。圖3-41絲織機開口機構本章小結①掌握鉸鏈四桿機構的基本類型、傳動特性、應用與演化；難點是鉸鏈四桿機構的演化形式過程分析。1.本章基本要求②掌握曲柄存在條件、鉸鏈四桿機構的基本類型判斷；

③掌握曲柄、搖桿、連架桿、轉動副、傳動角、壓力角、死點等基本概念；

④學會用圖解法設計平面四桿機構的基本方法。2.重點內容學習提示②由若干個構件通過低副連接，且所有構件在相互平行平面內運動的機構稱為平面連桿機構。注意：機構中各構件在相互平行的平面內，不一定在一個平面內。由四個構件通過低副連接而構成的平面連桿機構，稱為鉸鏈四桿機構。①本章是該門課程的重點章節，需要結合第2章的內容學習。

③曲柄的形態問題：只要能夠實現整周回轉運動的構件就稱為曲柄，在實際中曲柄可以是曲軸，也可以是在齒輪或盤類零件上加一個與齒輪等回轉中心不重合的轉動副等。④本單元內容只考慮運動問題，不考慮質量和結構問題。

⑤平面四桿機構的傳動特性主要指的是壓力角、傳動角、急回特性和死點問題。壓力角、傳動角和死點基本上屬于力學的概念，急回特性屬于運動的概念。傳動角是為了測量方便而提出的。對于平面連桿機構，繪制壓力角和傳動角的關鍵在于：

分清楚機構中的主動構件(通常在機構簡圖中畫有原動箭頭的那個構件)、中間轉換構件(和主動構件相連的構件)和從動件(剩下的可動構件)；

受力方向一定是接觸點的公法線方向或接觸面的公法線(面)方向。切記：壓力角和傳動角一定表示在從動件上。

極位夾角θ是從動件在兩個極限位置時，主動件對應所夾的銳角。因此判斷一個機構有無急回特性，首先判斷這個機構的從動件有無兩個極限位置，如果沒有極限位置就沒有急回特性(如雙曲柄機構)。在有極限位置的情況下，看在兩個極限位置時曲柄對應的位置是否重合，重合就沒有急回特性(如對心曲柄滑塊機構)，不重合就有。死點位置討論的是傳動角是否為零的問題；角為零，就存在死點位置。也就是從動件和連桿(中間件)是否重合的問題，重合就有死點位置。ThankYou!第四章

凸輪機構本章內容1概述

2從動件的常用運動規律

3盤形凸輪輪廓的繪制

4凸輪機構基本尺寸的確定

5凸輪機構的結構設計【本章導讀】在機械設計中，常要求其中某些從動件的位移、速度或加速度按照預定的規律變化。雖然這種要求有時也可以利用連桿機構來實現，但難以精確滿足，且連桿機構及其設計方法也比較復雜。因此，在這種情況下，特別是要求從動件按復雜的運動規律運動時，通常多采用凸輪機構。凸輪機構是機械中常用的一種高副機構，在自動化和半自動化機械中得到廣泛應用。凸輪機構是一種由凸輪(原動件)、從動件(推桿)和機架組成的傳動機構。其中，凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件(參見圖4-1)，它運動時通過點或線接觸可以使從動件獲得連續或不連續的任意預期的往復運動。4.1概述圖4-1實際應用中的凸輪凸輪機構廣泛應用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置中，下面列舉其應用實例。圖4-2為圖1-3中內燃機的配氣機構。凸輪轉動時，推動頂桿上下移動，按給定的配氣要求啟閉閥門。4.1.1凸輪機構的應用圖4-2內燃機配氣機構圖1-3單缸內燃機結構原理圖

圖4-3所示為自動機床的進刀機構。當圓柱凸輪旋轉時，圓柱上凹槽曲面迫使從動件往復擺動，通過從動件上的扇形齒輪與刀架上的齒條嚙合，控制刀架的自動進刀和退刀運動。圖4-3自動進刀機構

圖4-4所示為自動車床靠模機構。工件1回轉，凸輪3作為靠模被固定在床身上，刀架2在彈簧作用下與凸輪輪廓緊密接觸，并在拖板的帶動下沿凸輪3的輪廓運動，從而切削出與靠模板曲線一致的工件。圖4-4自動車床靠模機構4.1.2凸輪機構的特點

凸輪機構的主要優點有：只要適當地設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使從動件實現各種預定的運動規律，且結構簡單緊湊，運動可靠。

凸輪機構的主要缺點有：凸輪與從動件之間為點或線接觸，不便潤滑、易磨損；凸輪輪廓曲線加工比較困難。4.1.3凸輪機構的分類

凸輪機構的類型很多，通常按照凸輪的形狀、從動件的形狀、從動件與凸輪保持接觸的方式進行分類。

按凸輪的形狀，凸輪機構可分為盤形凸輪機構、移動凸輪機構和圓柱凸輪機構。1.按凸輪的形狀分

盤形凸輪機構是最常見的凸輪機構，其機構中的凸輪是繞固定軸線轉動并具有變化向徑的盤形零件，如圖4-2所示。(1)盤形凸輪機構圖4-2內燃機配氣機構

當盤形凸輪的回轉中心趨于無窮遠時，凸輪不再轉動，而是相對于機架作直線往復運動,這種凸輪機構稱為移動凸輪機構(參見圖4-4)。(2)移動凸輪機構圖4-4自動車床靠模機構

圓柱凸輪機構中的凸輪可以看作是將移動凸輪繞在圓柱體上演化而成的，如圖4-3所示。圓柱凸輪機構可使從動件得到較大的行程。(3)圓柱凸輪機構圖4-3自動進刀機構

盤形凸輪和移動凸輪與從動件之間的相對運動是平面運動，所以盤形凸輪機構和移動凸輪機構都屬于平面凸輪機構。圓柱凸輪與從動件之間的相對運動是空間運動，所以圓柱凸輪機構屬于空間凸輪機構。

按從動件的形狀，凸輪機構可分為尖頂從動件、滾子從動件和平底從動件。2.按從動件的形狀分

尖頂從動件的端部為尖頂，如圖4-8所示。該從動件構造最簡單，其尖頂能與外凸或內凹輪廓接觸，可以實現復雜的運動規律，但尖頂易磨損，因此只適用于低速、輕載場合。(1)尖頂從動件圖4-8凸輪機構滾子從動件的端部裝有可自由轉動的滾子，如圖4-4所示。由于滾子與凸輪相對運動時為滾動摩擦，減小了阻力與磨損，可以承受較大的載荷，因此應用較廣。(2)滾子從動件圖4-4自動車床靠模機構(3)平底從動件

平底從動件的端部為一平底，如圖4-5所示。該從動件與凸輪輪廓接觸處在一定條件下可形成油膜，利于潤滑，傳動效率較高，且傳力性能較好，常用于高速凸輪機構中。平底從動件的缺點是不能與有凹曲線輪廓的凸輪相作用構成凸輪機構。圖4-5平底從動件3.按從動件與凸輪保持接觸的方式分

力鎖合凸輪機構是指利用從動件的重力、彈簧力或其他外力使從動件與凸輪保持接觸的凸輪機構，如圖4-2、圖4-4和圖4-5所示。(1)力鎖合的凸輪機構圖4-5平底從動件圖4-4自動車床靠模機構圖4-2內燃機配氣機構(2)形鎖合的凸輪機構形鎖合凸輪機構是指靠凸輪與從動件的特殊幾何結構來保持兩者接觸的凸輪機構，如圖4-3、圖4-6和圖4-7所示。圖4-3自動進刀機構圖4-6等徑凸輪機構圖4-7等寬凸輪機構以圖4-8(a)所示尖頂直動從動件盤形凸輪機構為例，來說明原動件凸輪與從動件間的運動關系及有關名稱。圖示位置凸輪轉角為零，從動件尖頂位于離凸輪軸心O最近的位置，稱為起始位置。4.2從動件的常用運動規律

4.2.1凸輪機構運動過程及有關名稱圖4-8凸輪機構

①基圓：以凸輪的最小向徑為半徑所作的圓稱為基圓，基圓半徑用表示。

②推程運動角：凸輪以等角速度ω順時針方向轉動，從動件被凸輪推動，以一定運動規律由點A到達最高點B，從動件在這過程中經過的距離h稱為推程(升程)，對應的凸輪轉角稱為推程運動角。③遠休止角：凸輪繼續回轉，從動件與凸輪的接觸點由B點轉移至C點，由于BC段上各點的向徑不變，從動件在最遠位置上停留，該過程稱為遠休止期，所對應的凸輪轉角稱為遠休止角。

④回程運動角：凸輪繼續回轉，接觸點由C點轉移至D點，凸輪輪廓的向徑逐漸減小，從動件在外力作用下逐漸返回到初始位置，該階段稱為回程期，對應的轉角稱為回程運動角。

⑤近休止角：凸輪繼續回轉，接觸點由D點轉移至A點，由于凸輪輪廓的向徑不變，從動件停留不動，這個階段稱為近休止期，對應的轉角稱為近休止角。凸輪轉過一周，從動件經歷推程、遠休止、回程、近休止四個運動階段，是典型的升—停—回—停的雙停歇循環。

從動件的運動過程，可用位移線圖表示。位移線圖以從動件位移s或角位移φ為縱坐標，凸輪轉角δ為橫坐標。圖4-8(b)是圖4-8(a)所示凸輪機構的位移線圖，其中01′、1′2′、2′4、40′四根位移線，分別表示凸輪機構推程、遠休止、回程、近休止四個運動規律。4.2.2位移線圖圖4-8凸輪機構與從動件運動曲線4.2.3從動件常用運動規律

從動件的運動規律指在推程和回程過程中其位移s、速度v、加速度a隨凸輪轉角變化的規律。1.等速運動規律凸輪角速度為常數時，從動件速度v不變，稱為等速運動規律。位移方程可表達為(4-1)

圖4-9為等速運動規律的位移、速度、加速度線圖。圖4-9等速運動曲線

由圖可知，在行程起點和終點瞬時的加速度a為無窮大，由此產生的慣性力在理論上也是無窮大，致使機構產生強烈的剛性沖擊。因此，等速運動規律適用于中、小功率和低速場合。為避免由此產生的剛性沖擊，實際應用時常用圓弧或其他曲線修正位移線圖的始、未兩端，修正后的加速度a為有限值，此時引起的有限沖擊稱為柔性沖擊。作等速運動的位移圖的要點：在等速運動中當凸輪以等角速度轉動時，從動件在推程或回程中的速度為常數，從動件上升和下降的位移線圖為直線。

在等加速、等減速運動規律中，從動件在前半個行程為等加速運動，后半個行程為等減速運動，兩部分加速度的絕對值相等。其中，前半個行程位移方程為：2.等加速、等減速運動規律(4-2)等加速、等減速運動規律的位移線圖的畫法為：將推程角兩等分，每等分為；

將行程兩等分，每等分，將若干等分，得點1、2、3、…，過這些點作橫坐標的垂線。

將分成相同的等分，得點1′、2′、3′、…，連01′、02′、03′、…與相應的橫坐標的垂線分別相交于點1″、2″、3″、…，用光滑的曲線連接這些點便得到推程等加速段的位移線圖，等減速段的位移線圖可用同樣的方法求得。

等加速、等減速運動規律的位移、速度、加速度線圖如圖4-10所示。由圖4-10(c)可知，等加速、等減速運動規律在運動起點O、中點A和終點B的加速度突變為有限值，從動件會產生柔性沖擊，適用于中速場合。圖4-10等加速、等減速運動曲線作等加速、等減速運動的位移線圖的要點：凸輪以等角速度轉動時，從動件在推程或回程中均為等加速、等減速運動，位移線圖為二次拋物線。

余弦加速度運動規律的加速度曲線為1/2個周期的余弦曲線，位移曲線為簡諧運動曲線(又稱簡諧運動規律)，位移方程為：3.余弦加速度運動規律(4-3)圖4-11為余弦加速度運動規律位移線圖、速度線圖和加速度線圖。由圖4-11(c)可知，從動件在運動起始和終止位置加速度會發生有限值的突變，存在柔性沖擊，因此只適用于中速場合。圖4-11余弦加速度運動曲線余弦加速度位移線圖如圖4-11(a)所示，具體的的畫法如下：①在橫坐標上作出推程運動角，并將其分成若干等分(圖中為六等分)，過分點1、2、3、…向上引垂線。

②以行程h為直徑作半圓，然后等分半圓的圓弧，接著過分點1′、2′、3′、…分別引平行于橫坐標的直線，并與上述諸垂線相交于點1″、2″、3″、…。最后用光滑的曲線將這些交點連接起來，即為余弦加速運動的位移曲線。凸輪輪廓的設計方法有作圖法和解析法兩種。其中，作圖法直觀、方便，精確度較低，但一般能滿足機械的要求；解析法精確高，計算工作量大。本節主要介紹作圖法。4.3盤形凸輪輪廓的繪制4.3.1凸輪輪廓曲線設計的基本原理凸輪機構工作時，凸輪是運動的，而繪在圖紙上的凸輪是靜止的。因此，繪制凸輪輪廓時可采用反轉法。根據相對運動原理，給整個機構加上一個公共角速度繞凸輪軸心O轉動時，各構件間的相對運動不變。若公共角速度與凸輪的角速度等值、反向，則凸輪相對靜止，而從動件既隨機架做轉動，又沿自身導路作相對移動或擺動；

由于從動件尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，所以反轉后尖頂的運動軌跡就是凸輪的輪廓(參見圖4-12(a))。圖4-12對心直動尖頂從動件盤形凸輪作圖法在直動從動件盤形凸輪機構中，從動件導路中心線通過凸輪軸心時，稱為對心直動從動件盤形凸輪機構，如圖4-12所示為對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構；否則，稱為偏置直動從動件盤形凸輪機構。4.3.2對心直動從動件盤形凸輪的繪制

已知凸輪以等速度順時針旋轉，從動件的運動軌律為：凸輪轉過推程運動角，從動件等速上升一個行程h；凸輪轉過遠休止角，從動件停留不動；凸輪繼續轉過回程運動角從動件等加速、等減速下降一個行程h

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凸輪轉過近休止角時,從動件停留不動。試設計此凸輪輪