第四章常用機構(gòu)第一節(jié)平面連桿機構(gòu)第二節(jié)凸輪機構(gòu)第三節(jié)螺旋機構(gòu)第四節(jié)間歇運動機構(gòu)教學(xué)重點：一、平面四桿機構(gòu)的基本特性二、凸輪機構(gòu)從動件的常用運動規(guī)律三、間歇運動機構(gòu)的工作原理

四、螺旋機構(gòu)的類型及應(yīng)用教學(xué)難點：一、平面四桿機構(gòu)的運動設(shè)計二、圖解法繪制凸輪輪廓線第四章常用機構(gòu)第一節(jié)平面連桿機構(gòu)一、鉸鏈四桿機構(gòu)及其演化二、平面四桿機構(gòu)的基本特性三、實現(xiàn)運動要求的機構(gòu)參數(shù)圖解法實例四、構(gòu)件和運動副的結(jié)構(gòu)用以實現(xiàn)運動的傳遞、變換和傳送動力。

例如：內(nèi)燃機、牛頭刨、鋼窗啟閉機構(gòu)、自行車手閘機構(gòu)等等。

平面連桿機構(gòu)——若干構(gòu)件通過低副（轉(zhuǎn)動副或移動副）聯(lián)接所組成的平面機構(gòu)。

優(yōu)點：②兩構(gòu)件的接觸面為平面或回轉(zhuǎn)面，易于制造和獲得較高

的精度。①兩構(gòu)件間均為面接觸，故承載能力強、耐磨損；③一般只能近似地實現(xiàn)給定運動要求。②當(dāng)構(gòu)件數(shù)目較多時，會引起較大的累積運動誤差，影響運動精度；①低副內(nèi)存在間隙，會導(dǎo)致運動誤差；缺點：用以實現(xiàn)運動的傳遞、變換和傳送動力。

平面連桿機構(gòu)——若干構(gòu)件通過低副（轉(zhuǎn)動副或移動副）聯(lián)接所組成的平面機構(gòu)。

例如：內(nèi)燃機、牛頭刨、鋼窗啟閉機構(gòu)、自行車手閘機構(gòu)等等。一、

鉸鏈四桿機構(gòu)及其演化1．鉸鏈四桿機構(gòu)的基本型式機架連桿連架桿曲柄——能作整周回轉(zhuǎn)的連架桿。搖桿——只能在一定角度范圍內(nèi)擺動的連架桿。（1）曲柄搖桿機構(gòu)

①曲柄為原動件：

將曲柄的勻速轉(zhuǎn)動→搖桿的變速擺動。工程實例：雷達(dá)天線俯仰角調(diào)整機構(gòu)

按機構(gòu)中有無曲柄且有幾個曲柄，鉸鏈四桿機構(gòu)分為三種基本型式：②搖桿為原動件：將搖桿的往復(fù)擺動→曲柄的整周轉(zhuǎn)動。工程實例：縫紉機腳踏驅(qū)動機構(gòu)——兩連架桿分別為曲柄和搖桿。（2）雙曲柄機構(gòu)——兩連架桿均為曲柄。

功用：原動曲柄的等速轉(zhuǎn)動→從動曲柄的變速或等速轉(zhuǎn)動。工程實例：慣性篩驅(qū)動機構(gòu)

使篩子具有較大變化的加速度，提高篩分功能。若其相對兩桿平行且相等，則稱為平行四邊形機構(gòu)。（2）雙曲柄機構(gòu)運動特性：①兩曲柄作等速同向轉(zhuǎn)動。②連桿作平移運動。工程實例：天平（2）雙曲柄機構(gòu)工程實例：攝影車坐斗升降機構(gòu)

采用了兩組平行四邊形機構(gòu)，利用連桿的平動特性，使坐斗可平穩(wěn)地任意平移。（2）雙曲柄機構(gòu)ABDC

運動不確定性——各構(gòu)件共線時，機構(gòu)處于運動不確定狀態(tài)。（2）雙曲柄機構(gòu)

反平行四邊形機構(gòu)：主動曲柄與從動曲柄反向轉(zhuǎn)動的平行四邊形機構(gòu)。（2）雙曲柄機構(gòu)工程實例：機車驅(qū)動輪聯(lián)動機構(gòu)工程上常采取一些措施來克服運動不確定性。（2）雙曲柄機構(gòu)利用三個平行曲柄來限制機構(gòu)的運動不確定性。工程實例：車門的啟閉機構(gòu)

是反平行四邊形機構(gòu)的實例，實現(xiàn)兩扇門反向開啟和關(guān)閉。（2）雙曲柄機構(gòu)（3）雙搖桿機構(gòu)——兩連架桿均為搖桿。

將原動搖桿的擺動→從動搖桿的擺動。一般情況下兩搖桿的擺角不相等。工程實例：造型機的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)利用其連桿（BC）可在平面內(nèi)作360°轉(zhuǎn)動的運動特點，實現(xiàn)砂箱震實和起模相對翻轉(zhuǎn)180°的I、II兩個位置。ABDCE工程實例：汽車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)ABCDABDCEABDCE當(dāng)汽車走直道時，ABCD呈等腰梯形；

當(dāng)汽車走彎道時，AB、DC兩搖桿擺不同的角度，使兩前輪轉(zhuǎn)動軸線匯交于后輪軸線上的P點，保證四個輪子繞P點作純滾動。（3）雙搖桿機構(gòu)

吊鉤可使連桿機構(gòu)中連桿BC上點M的運動軌跡按近似水平的直線運動，可以保證以最小的能量消耗將已起吊到一定高度的貨物水平移動。工程實例：鶴式起重機（3）雙搖桿機構(gòu)2．鉸鏈四桿機構(gòu)的演化（1）改變構(gòu)件的形狀和長度

改變構(gòu)件的形狀和長度、擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副以及取不同構(gòu)件為機架等方法，將鉸鏈四桿機構(gòu)演化成其它型式的平面四桿機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)2．鉸鏈四桿機構(gòu)的演化（1）改變構(gòu)件的形狀和長度

改變構(gòu)件的形狀和長度、擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副以及取不同構(gòu)件為機架等方法，將鉸鏈四桿機構(gòu)演化成其它型式的平面四桿機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)廣泛應(yīng)用于活塞式內(nèi)燃機、空氣壓縮機和壓力機等各種機械中（1）改變構(gòu)件的形狀和長度曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)：e=0偏置曲柄滑塊機構(gòu)：e≠0

多用于曲柄承受較大沖擊載荷，或曲柄長度較短的機器中，如沖床、剪床及顎式破碎機等。（2）擴(kuò)大轉(zhuǎn)動副

偏心輪機構(gòu)（3）取不同構(gòu)件為機架

選取不同構(gòu)件作機架，可得不同型式的機構(gòu)，這種演化方式稱為倒置。

例如，雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)可視為曲柄搖桿機構(gòu)經(jīng)倒置演化而成。其它機構(gòu)的倒置：

工程實例：搓絲機

①

含有一個移動副的四桿機構(gòu)以構(gòu)件4為機架（3）取不同構(gòu)件為機架

對心曲柄滑塊機構(gòu)工程實例：六缸回轉(zhuǎn)式油泵以構(gòu)件1為機架（3）取不同構(gòu)件為機架①

含有一個移動副的四桿機構(gòu)其它機構(gòu)的倒置：轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機構(gòu)工程實例:自動卸料卡車以構(gòu)件2為機架

（3）取不同構(gòu)件為機架①

含有一個移動副的四桿機構(gòu)其它機構(gòu)的倒置：搖塊機構(gòu)以構(gòu)件3為機架

工程實例：手動唧筒

（3）取不同構(gòu)件為機架①

含有一個移動副的四桿機構(gòu)其它機構(gòu)的倒置：

定塊機構(gòu)

以構(gòu)件4為機架工程實例：橢圓儀②

含有兩個移動副的四桿機構(gòu)（3）取不同構(gòu)件為機架其它機構(gòu)的倒置：雙滑塊機構(gòu)以構(gòu)件1為機架工程實例：縫紉機下針機構(gòu)（3）取不同構(gòu)件為機架移動導(dǎo)桿機構(gòu)

②

含有兩個移動副的四桿機構(gòu)其它機構(gòu)的倒置：工程實例：十字滑塊聯(lián)軸器以構(gòu)件2為機架（3）取不同構(gòu)件為機架雙轉(zhuǎn)塊機構(gòu)

②

含有兩個移動副的四桿機構(gòu)其它機構(gòu)的倒置：工程實例：壓縮機以構(gòu)件3為機架（3）取不同構(gòu)件為機架移動導(dǎo)桿機構(gòu)

②

含有兩個移動副的四桿機構(gòu)其它機構(gòu)的倒置：二、平面四桿機構(gòu)的基本特性1．曲柄存在的條件工程實例：曲柄搖桿機構(gòu)

設(shè)：a、b、c、d分別為各桿長度；AB桿為曲柄。

曲柄AB整周轉(zhuǎn)動必與機架兩次共線。即：必通過AB1、AB2兩位置，因此AB與其相鄰兩構(gòu)件BC、AD間均可相對整周轉(zhuǎn)動。

曲柄與機架拉直共線時，有△B1C1D曲柄與機架重疊共線時，有△B2C2Da+d≤b+c(a)在△B1C1D中：a+b≤c+d(b)

將以上三式兩兩相加，化簡得:a≤b(d)

a

≤c(e)

a

≤d(f)abdcC1B1AD在△B2C2D中：a+c≤b+d(c)

根據(jù)三角形兩邊和大于第三邊（極限情況下等于）的性質(zhì)，可導(dǎo)出：B2C2

實際上，只要滿足條件②，最短桿就可以相對于相鄰兩桿整周轉(zhuǎn)動由以上式可得在曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄存在的必要條件：①曲柄是最短桿；②最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。abdcC1B1ADB2C2a≤b(d)

a

≤c(e)

a

≤d(f)

將以上三式兩兩相加，化簡得:若取與最短桿相鄰的任一構(gòu)件為機架，則該機構(gòu)只有一個曲柄曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)若取最短桿為機架，該機構(gòu)有兩個曲柄若取最短桿對邊構(gòu)件為機架，該機構(gòu)無曲柄

如果不能滿足條件②，則四個構(gòu)件均相對擺動：無論取哪個構(gòu)件為機架均無曲柄，都是雙搖桿機構(gòu)。曲柄搖桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)——平面四桿機構(gòu)的主動件等速轉(zhuǎn)動時，作往復(fù)擺動（或移動）的從動件工作行程速度較慢，而回程速度較快，這種性質(zhì)稱為急回特性。

2．急回特性刨削工件時速度較慢，而退刀時速度較快以縮短非生產(chǎn)時間，減小原動機功率，提高生產(chǎn)率。工程實例：牛頭刨床工程實例：曲柄搖桿機構(gòu)擺角為ψ——搖桿兩極限位置DC1和DC2間的夾角。以曲柄AB為主動件，搖桿DC為從動件。極位夾角θ——曲柄在重疊共線位置AB1和拉直共線位置AB2之間所夾的銳角。同理，搖桿回程平均角速度ωR為:可見ωR＞ωw，表明搖桿具有急回特性。主動件等速轉(zhuǎn)動，工作行程中，搖桿由DC1擺到DC2，所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角1=180?+θ，所需時間為tw，則搖桿的平均角速度ωw為:曲柄搖桿機構(gòu)的行程速比系數(shù)K為:上式表明：若θ>0，有急回運動特性，而且θ角越大，K值就越大，機構(gòu)的急回特性就越顯著；若θ＝0，則K＝1，此時ωR=ωw，無急回特性。急回程度用行程速度變化系數(shù)（或稱行程速比系數(shù)）K來衡量，即：試分析：對心曲柄滑塊機構(gòu)的有無急回特性。偏置曲柄滑塊機構(gòu)：有急回特性。擺動導(dǎo)桿機構(gòu)：θ180°＋θ180°-θ有急回特性，且θ＝ψ。在設(shè)計具有急回特性的平面四桿機構(gòu)時，常根據(jù)工作要求預(yù)先選定K值，求出θ值，即:ψ切向力Ft——沿C點速度υc方向，是推動搖桿3運動的有效分力。3．壓力角與傳動角在曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄1經(jīng)過連桿2傳遞到搖桿3上C點的力F將沿連桿BC方向，將力F分解為

:αFFt

FnγABCD法向力Fn——沿?fù)u桿CD方向的有害分力。有效分力的大小為：Ft＝Fcosα=Fsinγ式中：壓力角α——作用力F的方向與搖桿受力點C處速度υc方向所夾的銳角。3．壓力角與傳動角在曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄1經(jīng)過連桿2傳遞到搖桿3上C點的力F將沿連桿BC方向，將力F分解為

:αFFt

FnγABCD法向力Fn——沿?fù)u桿CD方向的有害分力。有效分力的大小為：Ft＝Fcosα=Fsinγ

傳動角γ——連桿2與搖桿3所夾銳角。是壓力角的余角，即γ=90?-α

。切向力Ft——沿C點速度υc方向，是推動搖桿3運動的有效分力。3．壓力角與傳動角

若F不變，α值愈小，F(xiàn)t愈大，機構(gòu)傳力性越好，故α的大小可判定機構(gòu)傳力性能的優(yōu)劣。αFFt

FnγABCD［α］：壓力角許用值。對應(yīng)于曲柄的不同位置，壓力角α是變化的，其中有一個最大壓力角αmax。為了保證機構(gòu)傳力性能良好，應(yīng)使：αmax≤［α］對于只傳遞運動，受力較小的機構(gòu)，允許傳動角小（例如在一些儀表中）。為保證機構(gòu)具有良好的傳力性能，應(yīng)限制γmin

。重載情況下，應(yīng)取γmin≥50?。為保證機構(gòu)運轉(zhuǎn)輕便、高效，通常取

γmin≥40?；αFFt

FnγABCDδCDBAFδγ當(dāng)δ≤90?時，γ＝δ。當(dāng)δ＞90?時，γ＝180?-δ。可以證明，曲柄搖桿機構(gòu)的最小傳動角γmin出現(xiàn)在曲柄與機架兩次共線位置AB′、AB″之一。對于只傳遞運動，受力較小的機構(gòu)，允許傳動角小（例如在一些儀表中）。重載情況下，應(yīng)取γmin≥50?。為保證機構(gòu)運轉(zhuǎn)輕便、高效，通常取

γmin≥40?；為保證機構(gòu)具有良好的傳力性能，應(yīng)限制γmin

。4．死點在有些機構(gòu)中，運動中會出現(xiàn)γ=0o的情況，這時，無論在原動件上施加多大的力都不能使機構(gòu)運動，這種位置稱為死點。

AB1C1DPAB2C2DP工程實例：縫紉機腳踏驅(qū)動機構(gòu)

工程實例：內(nèi)燃機4．死點在工程上，可利用飛輪的慣性力使機構(gòu)順利通過死點。A’E’D’G’B’F’C’ABEFDCG

工程實例：機車車輪的聯(lián)動裝置4．死點還可利用機構(gòu)的組合錯開死點位置。工程實例：夾緊裝置在工程上也常利用死點來實現(xiàn)工作要求。4．死點夾具在力F作用下夾緊工件；撤去力F后，構(gòu)件AB在工件反彈力Q作用下成為主動件；連桿BC與從動件CD共線處于死點，從而保證夾緊工件。工程實例：電氣開關(guān)分合閘機構(gòu)4．死點當(dāng)合閘（接通電路）時，機構(gòu)處于AB、BC共線的死點位置，不會因機構(gòu)受到較大的接觸力Q和彈簧拉力F而自動跳閘；分閘（切斷電路）時，只需推動AB桿轉(zhuǎn)動，使機構(gòu)離開死點位置。三、實現(xiàn)運動要求的機構(gòu)參數(shù)圖解法實例

[例4-1]

自動上料機的偏置曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄為主動時，行程速比系數(shù)K=1.4，偏距e=12mm；被推送的工件的長度l=25mm，滑塊的行程H應(yīng)比工件長度略大些，以保證料斗上的工件能順利下落。試確定曲柄和連桿的尺寸。（1）計算極位夾角θ（2）選取比例尺、作輔助圓。①做出滑塊的行程線段C1C2=H=30mm（取H略大于l）；取比例尺μl=1mm/mm。作圖：②作∠C1C2O=∠C2C1O=90°－θ=60°，直線C1O和C2O交于O；（2）選取比例尺、作輔助圓。③作輔助圓：O為圓心、C1O（或C2O）為半徑。則圓心角∠C1OC2=2θ。（3）確定曲柄的轉(zhuǎn)動中心A。①

作直線EF∥C1C2，且偏心距e=12mm，交輔助圓于點A（有兩個交點，僅取一個），即曲柄的轉(zhuǎn)動中心。（3）確定曲柄的轉(zhuǎn)動中心A。②

連接AC1和AC2，此時必有∠C1AC2=θ=30°（為圓心角∠C1OC2的一半）。AC1、AC2分別為曲柄與連桿重疊和拉直共線位置，由圖中量得：AC1=15mm；AC2=40mm（4）計算曲柄和連桿的長度lAB、lBC。由上式解得:曲柄長連桿長lBC+lAB=μl·AC2lBC－lAB=μl·AC1由曲柄滑塊機構(gòu)在極限位置的幾何關(guān)系可得：

[例4-2]鑄造車間振實造型機工作臺的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。當(dāng)翻臺8在振實臺上振實造型時，處于圖示Ⅰ位置，此時連桿處于B1C1實線位置；而需要起模時，要求翻臺8能轉(zhuǎn)過180°到達(dá)圖示托臺上方Ⅱ位置，以便托臺10上升接觸砂箱起模，此時連桿處于B2C2虛線位置。若已知連桿BC的長度lBC=0.5m及兩位置B1C1和B2C2，并要求固定鉸鏈中心A、D在同一水平線上，機座AD的長度lAD=lBC。試確定搖桿AB、CD的長度lAB、lCD。解：（1）選取比例尺μl=0.1m/mm，則并在給定位置作B1C1和B2C2。

（2）連接

B1B2和C1C2，作B1B2的中垂線b12和C1C2的中垂線c12。鉸鏈中心A必定位于中垂線b12上，鉸鏈中心D必定位于中垂線c12上。（4）連接AB1C1D得圖4-10所示的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。由圖中量得：

AB1=25mm；C1D=27mm則搖桿AB、CD的長度分別為：lAB=μl·AB1=0.1×25=2.5mlCD=μl·C1D=0.1×27=2.7m（3）作水平線AD，使其與中垂線b12的交點為A，與中垂線c12的交點為D，并使AD=BC=5mm。1．構(gòu)件的結(jié)構(gòu)四、

構(gòu)件和運動副的結(jié)構(gòu)

當(dāng)轉(zhuǎn)動副之間的距離較大時，構(gòu)件一般做成桿狀。（1）桿狀構(gòu)件對于轉(zhuǎn)動副間距較小的曲柄常做成偏心輪結(jié)構(gòu)。1．構(gòu)件的結(jié)構(gòu)四、

構(gòu)件和運動副的結(jié)構(gòu)

（2）盤狀構(gòu)件1．構(gòu)件的結(jié)構(gòu)四、

構(gòu)件和運動副的結(jié)構(gòu)

（3）軸狀構(gòu)件為防止高速轉(zhuǎn)動時因質(zhì)量分布不均勻而產(chǎn)生離心力，應(yīng)采用合理結(jié)構(gòu)使構(gòu)件的質(zhì)量趨于均布，并進(jìn)行構(gòu)件的靜平衡或動平衡。1．構(gòu)件的結(jié)構(gòu)四、

構(gòu)件和運動副的結(jié)構(gòu)

（3）軸狀構(gòu)件1