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1、第4章 常 用 机 构4.1 平面连杆机构4.1.1 平面连杆机构的组成我们将机构中所有构件都在一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。1、构件的自由度如图41所示，一个在平面内自由运动的构件，有沿X轴移动，沿y轴移动或绕A点转动三种运动可能性。我们把构件作独立运动的可能性称为构件的“自由度”。所以，一个在平面自由运动的构件有三个自由度。可用如图41所示的三个独立的运动参数x、y、表示。2、运动副和约束平面机构中每个构件都不是自由构件，而是以一定的方式与其他构件组成动联接。这种使两构件直接接触并能产生一定运动的联接，称为运动副。两构件组成运动副后，就限制了两构件间的部分相对运动，运动副
2、对于构件间相对运动的这种限制称为约束。机构就是由若干构件和若干运动副组合而成的，因此运动副也是组成机构的主要要素。两构件组成的运动副，不外乎是通过点、线、面接触来实现的。根据组成运动副的两构件之间的接触形式，运动副可分为低副和高副。（1） 低副两构件以面接触形成的运动副称为低副。按它们之间的相对运动是转动还是移动，低副又可分为转动副和移动副。转动副组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转动的运动副。通常转动副的具体结构形式是用铰链连接，即由圆柱销和销孔所构成的转动副，如图42（a）所示。移动副组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副，如图42（b）所示。由上述可知，平面机构中的低副引入
3、了两个约束，仅保留了构件的一个自由度。因转动副和移动副都是面接触，接触面压强低，称为低副。我们将由若干构件用低副连接组成的机构称为平面连杆机构，也称低副机构。由于低副是面接触，压强低，磨损量小，而且接触面是圆柱面和平面，制造简便，且易获得较高的制造精度。此外，这类机构容易实现转动、移动等基本的运动形式及转换，因而是在一般机械和仪器中应用广泛。平面连杆机构也有其缺点：低副中的间隙不易消除，引起运动误差，且不易精确地实现复杂的运动规律。（2）高副两构件以点或线接触形成的运动副称为高副，如图43所示。这类运动副因为接触部位是点或线接触，接触部位压强高，故称为高副。3、构件分类机构中的构件可分为三类。
4、（1）机架它是机构中视作固定不动的构件，起支撑其他活动构件的作用。（2）原动件它是机构中接受外部给定运动规律的活动构件。（3）从动件它是机构中的随原动件运动的活动构件。4.1.2平面机构的运动简图为方便对机构进行分析，可以撇开机构匮与运动无关的因素（如构件的形状、组成构件的零件数目、运动副的具体结构等），用简单线条和符号表示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置，以简图表示出机构各构件间相对运动关系，这种简图为机构运动简图。它是表示机构运动特征的一种工程用图）1、常用运动副的符号（如图44）2、构件的表示法不管构件形状如何，都用简单线条表示，带短线的线条表示机架，如图45（b）、（c）、
5、（e）所示。如图46（a）所示表示能组成两转动副的构件，图46（b）所示表示组成一个转动副和一个移动副的构件；如图46（c）、（d）所示表示能组成三个转动副的构件。3、绘制机构运动简图的方法在绘制机构运动简图时，首先必须分析该机构的实际构造和运动情况，分清机构中的主动件和从动件；然后从主动件开始，顺着运动传递路线，仔细分析各构件之间的相对运动情况；从而确定组成该机构的构件数、运动副数及性质。并按一定的比例，用特定的符号，正确绘制出机构运动简图。下面以如图47所示颚式破碎机为例，说明绘制机构运动简图的步骤。（1）分析机构，确定构件的相对运动如图47（a）所示颚式破碎机中，运动由皮带轮5输入，通过
6、偏心轴2带动活动颚3及摇杆4运动，构件1为机架，起支撑作用。结构上，皮带轮5和偏心轴2可以看做一个构件，其作用是将外部输入的旋转运动转变成偏心2绕A点旋转运动。活动颚板2工作时可绕偏心轴2的几何中心B点相对转动，摇杆4在C、D两点分别与活动颚板3的机架通过铰链连接。（2）确定所有运动副的类型和数目从上述运动分析及图中可以看出，偏心轴为主动构件，活动颚板、摇杆为从动件，机架为固定构件。各构件间均用转动副（共4个铰链）连接。（3）测量各运动副的相对位置尺寸逐一测量出四个运动副中心A与B、B与C、C与D、D与A之间的和长度LAB、LBC、LCD、LDA。（4）选定比例尺，用规定符号绘制运动简图根据测
7、量出的各运动副的位置尺寸，选择恰当的视图方向，选定合适的绘图比例，给出各运动副的位置，并用规定的符号和线条绘出各构件。（5）标明机架、构件序号、原动件、绘图比例等得到机构运动简图如图47（b）。4.1.3平面机构的自由度1、平面机构自由度的计算平面机构自由度就是该机构所具有的独立运动数目。平面机构自由度与组成机构的构件数目、运动副的数目及运动副的性质有关。在平面机构中，每个平面低副（转动副、移动副）引入两个约束，使构件失去两个自由度，保留一个自由度；而每个平面高副（齿轮副、凸轮副等）引入一个约束，使构件失去一个自由度，保留两个自由度。如果一个平面机构中含含有N个活动构件（机架为参考坐标系，相对
8、固定而不计），未用运动副联接之前，这些活动构件的自由度总数为3N。当各构件用运动副连接起来之后，由于运动副引入的约束使构件的自由度减少。若机构中PL个低副和PH个高副。则所有运动副引入的约束数为2PLPH。因此，自由度的计算可用活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数。基机构的自由度用F表示，则有：F3N（2PLPH）3N2PLPH（4-1）例4-1试计算图4-8所示四个平面机构的自由度解图4-8（a）的自由度：图中除机架以外的活动构件数为2，转动副数为3，没有高副，由式（4-1）得：F3N2PLPH32-23-00该机构自由度为0，不能运动。图4-8（b）自由度：图中除机架以外的活动构件
9、数为3，转动副数为4，没有高副，由式（4-1）得：F3N2PLPH3324-01该机构自由度为1，具有确定的相对运动。图4-8（c）自由度：图中除机架以外的活动构件数为3，转动副数为5，没有高副，由式（4-1）得：F3N2PLPH3325-0-1该机构自由度为1，不能运动。图4-8（d）自由度：图中除机架以外的活动构件数为4，转动副数为5，没有高副，由式（4-1）得：F3N2PLPH3425-02该机构自由度为2，原动件数为1，没有确定的相对运动（乱动）例4-2试计算如图4-7（b）所示叶、颚式破碎机的机构自由度。解图4-7（b）中，除机架以外的活动构件数为3，转动副数为4，没有高副，由式（4
10、-1）得：F3N2PLPH33-24-01该机构自由度为1，原动件数为1，具有确定的相对运动。2、机构具有确定相对运动的条件由以上分析和计算可知，如果机构的自由度等于或小于零，所有构件就不能运动，因此，就构不成机构（称为刚性桁架）。当机构自由度大于零时，如果机构自由等于原动件数，机构具有确定的相对运动；如果机构自由数大于原动件数，机构运动不确定。因此，机构具有确定的相对运动的充分必要条件：机构的自由度必须大于零，且原动件的数目必须等于机构自由度数，即：机构的原动件数机构的自由度0。3、机构自由度计算中几种特殊情况的处理（1）复合铰链如图4-9（a）所示，A处的符号容易被误认为是一个转动副，若观
11、察它的侧视图，如图4-9（b）所示，则可以看出构件1、2、3在A处构成了两个同轴的转动副。这种由三个或以上构件在同一处组成转动副，即为复合铰链。在计算机构自由度时，复合铰链处的转动副数目应为该处汇交的构件数减1。例43试计算如图4-10所示机构的自由度。解图4-10中除机架外有5个活动构件（4个杆件和1个滑块），A、B、C、D、E共4个简单铰链，应计2个铰链，故共有铰链6个，1个移动副，即PL7，高副数PH0。运用式（4-1）计算机构自由度得：F3N2PLPH35-27-01该机构有1个自由度，原动件数为1，该机构具有确定的相对运动。（2）局部自由度机构中某些构件所具有的局部运动，并不影响整个
12、机构运动的自由度。如图411（a）所示，构件3是滚子，它能绕C点作独立的运动，不论该滚子是否转动，转快或转慢，都不影响整个机构的运动。这种不影响整个机构运动的、局部的独立运动，称为局部自由度。在计算机构自由度时，应将滚子3与杆2看成是固定在一起的一个构件，如图411（b）所示，不计滚子与杆2间的转动副。而滚子的作用仅仅是将B处的滑动磨擦变为滚动磨擦，减少功率损耗，降低磨损。 （3）虚约束在机构中与其他约束重复而不起限制运动作用的约束称为虚约束。在计算机构自由度时，应当去除不计。如图412所示为机车车轮联动机构。在此机构中AB、CD、EF三个构件相互平行且长度相等：LABLCDLEF，LBCLA
13、D，LCELDF，按前述机构自由度的计算方法，此机构中N4，PL6、PH0。机构自由度为：F=3N2PLPH342600这表明该机构不能运动，显然与实际情况不符。进一步分析可知，机构中的运动轨迹有重叠现象。因为如果去掉构件4（转动副E、F也不再存在）当原动件1转动时，构件3上E点的轨迹是不变的。因此，构件4及转动副E、F是否存在对于整个机构的运动并无影响。也就是说，机构中加入构件4及转动副E、F后，虽然使机构增加了一个约束，但此约束并不起限制机构运动的作用，所以是虚约束。因此，在计算机构自由度时应除去构件4和转动副E、F。此时机构中N3，PL4、PH0，则机构实际自由度为：F=3N2PLPH3
14、32401由此可知，当机构中存在虚约束时，其消防办法是将含有约束的构件及其组成的运动副去掉。平面机构的虚约束常出现于下列情况中：（1）被联接件上点的轨迹与机构上联接点的轨迹重合时，这种联接将出现虚约束，如图412所示。（2）机构运动时，如果两构件上两点间距离始终保持不变，将此两点用构件和运动副联接，则会带进虚约束，如图413所示的A、B两点。（3）如果两个构件组成的移动副如图414（a）所示相互平行，或两个构件组成多个轴线重合的转动副时，如图4-14（b）所示，只需考虑其中一处，其余各处带进的约束均为虚约束。（4）机构中对运动不起限制作用的对称部分，如图4-18所示齿轮系，中心轮1，通过三个齿
15、轮2、2、2、驱动内齿轮、齿轮2和齿轮2中有两个齿轮对传递运动不起独立作用，从而引入了虚约束。虚约束对机构运动虽然不起作用，但可以增加构件的刚性，增强传力能力，因而在机构中经常出现。例4-4在如图4-16所示机构中，凸为主动件，试判断机构是否具有确定的运动。解 该机构中，表面上看起业有7个活动构件，实际上，3、4、5三个构件不存在相对运动，组成一个三解形构件，应看成一个构件，滚子2处为局部自由度，该处铰链要去掉，故对该机构计算机构自由度时，正确有活动件数为4个，转动副为4上，移支副为1个（存在1个虚约束），高副1个，所以其机构自由度计算为：F=3N2PLPH342501该机构自由度和原动件数都
16、为1，故机构具有良确定的相对运动。4.1.4铰链四杆机构及其演化1、铰链四杆机构的基本形式铰链四杆机构是将四个构件用四个转动副连接组成的机构。如图417所示，构件4为固定构件，称为机加；构件1和构件3通过铰链与机架相连，称为连架杆，其中，能围绕与机架相连的铰链做整周连续转动的连架称为曲柄，只能围绕与机架相连的铰链在一定范围内摆动的连架称为摇杆；构件2与机架不直接相连，称为连杆。铰链四杆机构有以下几种基本形式：（1）曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆中有一个为曲柄，另一个为摇杆，就称为曲柄摇杆机构。一般曲柄为原动件，连杆摇杆为动件。如图4-7所示颚式破碎机，如图4-9（a）所示雷达天线摇
17、摆机构，如图4-18（b）所示家用缝纫机踏板机构（摇杆为主动件）。（2）双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆都为曲柄，则称为双曲柄机构。如图4-19（a）所示震动筛的双曲柄机构可以将曲柄AB的匀角速转动变成曲柄CD的变角速转动。在双曲柄机构中，用得最多的是平行双曲柄机构，这种机构的对边两构件长度相等。如图4-19（b）所示工程车的平行双曲柄机构可保证载人升降台平稳升降。如图4-12所示火车轮驱机构，如图4-20所示反平行四边形机构等。（3）双摇杆机构铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆，则称为双摇杆机构。如图4-21(b)所示的鹤式起重机构，当AB杆摆动时，CD杆也作摆支，连杆CB未端的E点
18、作近似水平直接运动，使之在吊起重物时，减少不必要的升降，降低了能耗。图4-21（a）为其机构运动简图。2、铰链四杆机构的演化工程实际应用中中，平面四杆机构多种多样，但在碚分是在铰链四杆机构的基础上演化而来的。了解四杆机构的演化方法，是分析和设计平面连杆机构的基础。如图4-22（a）所示的曲柄摇杆机构中，1为曲柄，3为摇杆，C点为轨迹以D为圆心、杆长CD为半径的圆弧tt。今在机架4上制作一同样轨迹的圆弧槽tt，并将摇杆3做成弧圆形滑块置于槽中滑动，如图4-22(b)所示。这时，弧形滑块在圆弧中的运动完全等同于绕转动副D转动的作用，圆弧槽tt的圆心即相当于摇杆3的摆动中心D，其半径相当于摇杆3的长
19、度CD。又若再将圆弧槽tt的半径增加至无穷大，其圆心D移至无穷远处，则圆弧槽变成了直槽，置于其中的滑块3作往复运动，从而将转动副D演化为移动副，曲柄摇杆机构演化为含一个移动副的四杆机构，称为内柄滑块机构，如图4-22（c）所示。图中e为曲柄回转中心A于经过C点直槽中心线的距离，称为偏心距。当e0时称为偏置曲柄滑块机构；当e=0时称为对心曲柄滑块机构。内燃机、蒸汽机、往复式抽水机、空气压缩机及冲床等的主机构都采用了曲柄滑块机构。如图4-23所示，内燃机活塞运动机构即为对心曲柄滑块机构。如图4-24所示，曲柄滑块机构的基础上，取不同的构件作机架，则分别可得到曲柄滑块机构、曲柄导杆机构、曲柄摇机构和
20、定块机构。曲柄滑块机构主要应有于压力机、内燃机、送料机构中；如图4-25（a）所示曲柄导杆机构常用于牛头刨床；如图4-25（b）所示摇块机构用于自动卸料机构；如图4-25（c）所示定块机构用于手摇唧筒等。在曲柄滑块机构中，若将其中转动副C或B演化为移动副，则得到含两个移动副的四杆机构。如图4-26所示为转动副C演化为移动副的过程，所得机构如图4-26（b）所示称为曲柄移动导机构，其中移动导杆3的位移S与主动件曲柄1的转角的正弦成正比，即Sasin，故此机构又称正弦机构。4.1.5平面四杆机构的基本特性1. 铰链四杆机构有曲柄的条件如图427所示，杆AB为曲柄，设l1、l2、l3、l4分别为AB
21、、BC、CD、AD各杆长度。且设l1l4，A为整周回转副。在BCD中l1+l4l2+l3（42）在BCD中l3（l4l1）+l2，即：l1+l3l2+l4（43）l2（l4l1）+l3，即：l1+l3l2+l4（44）将式（42）式（44）中任意两式相加可得：l1l2，l1l3 ，l1l4。所以，l1为最短杆，且l1与任意一杆长度之和都小于其他两杆长度之和。结论：铰链四杆机构有曲柄的条件是：（1）最短杆与最长杆的长度之和应小于或等于其具有的几种基本形式：（2）最短杆或其邻杆应为机架。根据铰链四杆机构有曲柄的条件，我们可以判别出其具有的几种基本形式：当铰链四杆机构满足构件长度和条件时，若：（1）
22、最短杆为连架杆时为曲柄摇杆机构。（2）最短杆为机架时为双曲柄机构。（3）最短杆为连杆时为双曲柄机构。当铰链四杆机构不满足构件长度和条件时，为双摇杆机构。2、急回特性如图428所示，当曲柄AB为主动件作等速回转时，摇杆CD为从动件变速摆动，曲柄AB每回转一周，出现两次与连杆BC共线的位置，这时摇杆CD分别处在两个极限位置C2D，这时曲柄所在位置之间的夹角称为极位夹角。当曲柄以角速度从AB1到AB2顺时针转过1180+时，摇杆2从C1D位置摆到C2D。所花时间为t1，平均速度为1。当曲柄以从AB2到AB1转过2180时，摇杆从C2D置摆回到C1D所花时间为t2，平均速度2。由于11，所以t1t2，
23、12。这说明，当曲柄等速回转时，摇杆来回摆动的速度不同，其返回的速度较大，机构的这种性质，称为急回特性。行程速比系数常用K来表示。所以，除曲柄摇杆机构外，如图429所示偏置曲柄滑块机构、如图425（a）所示导杆机构也都有急回特性。机构有无急回特性，取决于该机构极位夹角是否大于零，越大，急回特性越显著。压力角与传动角：（1）压力角和传动角的概念如图430所示曲柄摇杆机构中，原动件AB通过连杆BC推动从动件CD。如果连杆BC是二力构件，则从动件CD上所受到的传动力F的作用方向应沿BC方向，作用点在C点。传动力F的方向与其作用点C的速度C方向之间的所夹的锐角，称为压力角。力F沿C方向上的分力FFsi
24、n是推动从动件的有效分力，它只能增大摩擦力。从增大传动效率的角度来年，F越大，传动效率超高。亦即压力角越小，机构的传力性能越好。力F与F之间所夹的锐角称为传动角。传动角与压力角互为余角，即+90。很显然，传动角盐碱，机构传力性能越好，所以，传动角也可以作为判别机构传力性能的重要参数。（2）求最小传动角机构运动时，传动角（或压力角）是变化的，为了保证机构的传力性能，其传动角不可太小，一般要求，对传递功率大的机构，要求min50。铰链四杆机构的最小传动角难以直接求得，一是当minmin；二是当为钝角时，180，由机构几何关系可知，在曲柄AB转到AB位置与AD共线时，角最大，并可能为钝角。此时，ma
25、x，min180max。然后再比较两个min取其中最小的min，使之大于或等于许用传动角。3.死点位置如图431所示，如果铰链四杆机构的原动件为构件CD，构件AB为从动件，则在图中虚线所示机构的两个极限位置上，由于连杆BC与从动件AB共线，0，传动力的有效分力为零，连杆BC不能推动从动件AB做功，整个机构处于停顿状态，我们将这种机构传动角0的位置称为死点位置。在死点位置上，从动件的转动方向不能确定，既可有正转也可能反转，还可能静止。例如，在使用家用缝纫机时，踩动踏板通过连杆使曲轴转动，常常会出现踩不动成倒车的现象，这都是因为踏板机构处于死点位置的缘故。对用于传动的机构，应设法消除死点位置时的停
26、顿和运动方向不确定现象。工程上，常利用飞轮的惯性越过机构的死点位置，如缝纫机中的大皮带轮等；也可以利用机构的错位排列度过死点位置；当一个机构处于死点位置时，利用另一个机构的动力越过死点位置，如多缸内燃机、火车车轮联运机构等。有时，工程上也利用死点位置来实现一定的工作要求。如图432所示的飞机起落机构，当起落架放下时，BC与CD杆共线，机构处于死点位置，地面对机轮的作用力不会使CD杆转动，从而保证飞机起落可靠。又如图433所示的夹紧机构，当夹紧工件后，BC与CD杆共线，机构处于死点位置，即使工作反力再大也不能使机构反转，要松开工件，只有向上推动手柄才能实现，因此保证了夹紧可靠。4.2 凸轮机构凸
27、轮是一种具有曲线轮廓或凹槽与从动件接触，当凸轮运动（旋转或移动）时，推动从动件按任意给定的运动规律运动的机构。在和和机器中，特别是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运动规律设计出来，从动件就能准确地实现预定的运动规律。如图434（a）所示的绕线机构中，在轴1匀速运动时，通过2.3一对轮蜗杆啮合将转动传递给凸轮，凸轮推动排线杆5左右摆动，使线能沿轴1表面均匀缠绕。如图435（a）所示的内燃机配气机构中，当凸轮连续转动时，阀门杆就断续地作往复移动从而控制阀门的开闭。如图435（b）所示靠模机构中，当刀架2左右移动时，在弹簧力作用
28、下，滚子始终与靠模3的工作曲面接触，使刀尖按靠模曲线的形状运动，从而加工出和靠模曲线相同的工作轮廓。如图436（a）所示为自动车床的横向进刀机构，凸轮槽通过滚子3推动扇形齿轮2摆动，扇形齿轮再推动齿条带动刀架移动。4.2.1凸轮机构的特点与分类1.凸轮机构的组成与特点从以上凸轮机构的实例可以看出，凸轮机构主要由凸轮、从动件和机架构成，凸轮为主动件，从动件与凸轮组成高副，所以它属于高副机构。通过凸轮作匀速运动，而从动件则按预定的运动规律运动（移动或摆动），从动件的运动规律由凸轮曲线控制。凸轮机构有其突出的特点：其机构紧凑、设计较方便，只要有适当的凸轮轮廓，就可以使从动件按任意预定的运动规律运动。
29、因此，在自动机构中得到广泛的应用。但由于它是高副机构，凸轮与从动件为点或线接触，接触点压强高，较易磨损。故一般用于受力不大的控制和调节机构。另外，凸轮的轮廓曲线加工有一定的困难，然而随着数控技术的普及，这个问题也基本得到了解决。2.凸轮的分类凸轮的种类很多，分类方法也多，通常按以下三种方法分类：按凸轮的形状来分：可分为盘形凸轮如图439（a）、圆柱凸轮如图439（c）、移动凸轮如图439（b）。工作时，盘形凸轮机构中的从动件在垂直于凸轮轴线的平面内运动，圆柱凸轮机构中的从动件在平行于凸轮轴线的平面内运动，移动凸轮作往复移动。按从动件的运动方式来分：可分为移动从动件如图437（a）、滚子从动件如
30、图437（b）、和平底从动件如图437（c）。尖顶从动件结构简单，能与复杂的凸轮轮廓保持接触，从动件可实现复杂的运动规律。但尖顶易磨损，只适宜用于传力不大的低速凸轮机构中。滚子从动件将尖顶改变成滚子，与凸轮间的摩擦小，不易磨损，因此应用最广泛。平底从动件在高速工作时较易与凸轮间形成油膜而减少摩擦、磨损，但受平底形状限制，不能用于有凹形轮廓的凸轮机构。4.3.2 从动件常用运动规律凸轮机构从动件常用的运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动（也称间谐运动）规律等。1.等速运动规律凸轮以等角速度回转时，从动件的运动速度等于常数0（加速度0），这种运动规律称为等速运动规律，其运动
31、线图如图438所示。由从动件运动线图可以看出，等速运动从动件在行程的始终末位置速度有突变，理论上该处加速度为无穷大，会产生极大的惯性力，导致机构产生强烈的刚性冲击。因此，这种运动规律只适合于低速、轻载的传动场合。2.等加速等减速运动规律凸轮以等角速回转时，从动件以等加速度0运动。通常在凸轮机构的推程（或回程）的前半程作等加速运动，后半程作等减速运动，且加速度和减速度绝对值相等，这样的从动件运动规律称为等加速等减速运动规律，其运动线如图439所示。从图439所示的运动线图可以看出，按等加速等减速运动规律运动的从动件在三个位置上有有限值的突变，使机构产生柔性冲击，因此，等加速等减速运动规律适用于中
32、速轻载场合。3.余弦加速度运动规律（也称简谐运动规律）当一点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆的直径上的投影所构成的运动，称为简谐运动，因为其线图是一条余弦曲线，如图440所示，故不为余弦加速度运动规律。在行程末端加速度在在有限值的突变，也会产生柔性冲击，因此，余弦加速度运动规律也办适用于中速场合。4.2.3 图解法设计凸轮轮廓凸轮轮廓设计采用“反转法原理”给整个凸轮机构加上一个反向转动，各构件间的相对运动并不改变。给整个机构加上一个反向运动后，凸轮处于相对的静止状态，凸轮机构的其他部分则绕凸轮回转中心以相同的角速度，沿与凸轮实际转动方向相反的方向相对回转，从动件仍以原来的运动规律相对导路移动（
33、或转动）。此时，从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。若凸轮机构是滚子从动件，则滚子回转中心可以看出做尖顶从动件的尖顶，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径的一条等距曲线。凸轮轮廓曲线的设计有两种常用的方法图解法和解析法。图解法直观、方便，但精度不高。解析法需要根据凸轮基圆半径（凸轮最小回转半径）和从动件运动规律，列出凸轮曲线的方程，精确计算出轮廓曲线上各点的坐标值。这种方法计算量大，一般需使用计算机辅助设计。此处只介绍对心尖顶从动件盘形凸轮的图解法设计。例：已知R0、H、的方向、从动杆运动规律和凸轮相应转角为：0180时，从动件等速上升H（推程）
34、，180210时，从动件静止不动（近停程），210300时，从动件等速下降H（回程），210300时，从动件静止不动（近停程），其凸轮的轮廓曲线设计图步骤如下：（1）如图441所示，选取适当的长度比例尺，根据已知条件绘出从动件的S位移曲线图。（2）作出凸轮机构的初始位置：选取适当的长度比例尺（取与移曲线图中相同的比例尺）。确定凸轮的回转中心O，以R0为半径画出基圆，并确定从动件的初始位置0。（3）确定凸轮转角与从动件位移的对应关系：在S位移曲线图上，等分凸轮的推程角和回程角（等分数可以相同也可以不同），过等分点作纵坐标的平行线与S位移曲线相交，并将各等分点和交点编号，如图441（a）所示。如果
35、1，图中凸轮转角的各等分点到相应的位移曲线上交点的距离（图中1122、33）即为凸轮上对应轮廓点的从动件升程（当1时为11、22、33）。（4）作出从动件尖端相对于凸轮的各个益：在基圆上，从0点开始，依次按S位移曲线图上凸轮转角的等分位置取点0，1，2，11（11点与0点重合），从圆心A连接各等分点并延长，则A0，A1，A2，A11分别代表了机构反转后从动件移动导路的位置线。在各位置线上分别截取从动件尖端所对应的位移量（从S位移曲线图上量取）1122、3310，便可以得到从动件尖端一系列位置点12、310。（5）绘出凸轮轮廓曲线：将止步得到的12、310及0点连接成光滑的曲线，这条封闭的曲线即
36、为所求的凸轮轮廓曲线。4.3.4 凸轮机构设计中的几个问题设计凸轮机构时，不仅要满足从动件的运动规律，还需满足传力性能良好的和结构紧凑的要求。而这些要求与凸轮机构的压力角、基圆半径、滚子半径等参数有关。1.凸轮机构的压力角和自锁如图442所示，凸轮机构中，从动件的运动方向和受力方向之间所夹的锐角称为压力角，用表示。滚子从动件盘形凸轮机构在推程的任一位置，受到载荷Q的作用，若不计摩擦，则从动件所受的作用力F沿滚子与凸轮接触点的法线方向。F可分解为沿从动件运动方向的有用分力Fcos和与从动件运动方向垂直的有害分力Fsin。很明显，有用分力Fcos随压力角增大而减小，有害分力Fsin则随压力角增大而
37、增大，机构的传力性能变差。当压力角增大到一定的值，有害力产生的摩擦力将超过使从运件运动的有用力，机构将不能工作。这种情况称为机构的自锁。凸轮机构压力角的大小，反映了机构传力性能的好坏。由于凸轮机构工作过程中的压力角是变化的，为了使凸轮机构在工作行程有较好的传力性能，必须使凸轮机构的最大压力角max不大于许用压力角。对于移动从动件的推程，3040；摆动从动件推程，4050。因回程时多为空行程，许用压力角可以大些，可取7080。凸轮轮廓曲线设计出来后必须进行压力角校核，滚子从动件凸轮机构的压力角校核可在理论轮廓上进行。凸轮机构的最大压力角max可能出现在以下位置：（1）从动的初始位置；（2）从动件
38、具有最大速度的位置；（3）凸轮轮廓急剧变化的位置。当最大压力角max超出许用压力角时，应采取如下措施减少压力角：（1）增大基圆半径b；（2）采用偏置凸轮机构；（3）对摆动从动件凸轮机构可重选摆动轴心位置。2.基圆半径的确定由于基圆半径b与凸轮机构的压力角大小有关，因此在确定基圆半径时，主要考虑的是使凸轮的最大压力角max。实际设计时，一般先由结构条件初步确定出基圆半径，在设计出凸轮轮廓后进行压力角校核直至满足max的条件。3.滚子半径的确定对滚子从动件凸轮机构来说，随滚子半径的增大，机构的接触强度和耐磨性都将有所提高，但滚子的半径增大也受到凸轮轮廓曲线的限制。如图446所示，凸轮轮廓曲线的最小
39、工作半径IT，当T时，I0，凸轮轮廓变尖，如图443（b）所示，当T时，I0，滚子包络线将产生交叉，凸轮轮廓曲线将千万从动件运动规律失真，如图443（c）所示。实际设计时，为保证凸轮轮廓曲线不失真，一般要求T3mm。4.3 其他常用机构4.3.1棘轮机构如图444所示，。棘轮机构主要由摇杆、棘轮、棘爪和机架组成，摇杆与棘轮的回转轴线重合。当摇杆3逆时针转动时，带动棘爪4插入棘轮5齿槽中，推动棘轮转过一定的角度，制动爪则在棘轮齿背表面滑过；当摇杆顺时针摆动时，带动棘爪在棘轮的齿背表面滑过，而制动爪则阻止棘轮跟随摇杆和棘爪作顺时针转动，保持棘轮静止不动。从而实现连杆连续往复摆动时，。棘轮作单向间歇
40、运动。棘轮机构特点：结构简单、制造方便、棘轮的转角在一定的范围内可调。因为棘轮每次转角都是棘轮齿距角的整数倍，所以棘轮转角的调节是有级的。由于棘轮的转角误差较大，运转时易产生冲击和噪声，轮齿易磨损，高速时尤其严重，传递的动力不大，故棘轮机构只适用于低速、轻载和每次转角不大的间歇运动场合。如：起重机、绞盘常用棘轮机构提升的重物能停在任何位置，以防止由于停电等原因造成事故。自行车后轮轴上的内棘轮机构可保证自行车滑行或推行时踏脚不用回转。常用棘轮机构的类型：（1）外啮合棘轮机构如图445（a）所示，棘爪4、5装在从动棘轮的外部，称为外啮合棘机构。（2）内啮合棘轮机构如图445（b）所示，棘爪2装在从
41、动棘轮的内部，称为内啮合棘机构。（3）双动式棘轮机构如图445（c）所示，棘轮机构在一个摇杆上具有两个棘爪，摇杆往复摆动时都可以推动棘轮机构转动，称为双动式棘轮机构。（4）可变向棘轮机构如图445（d）所示的棘轮机构，通过翻转或回转棘爪，改变棘爪工作面与棘轮接触的方向，从而推动棘轮朝不同的方向转动。4.3.2 槽轮机构如图446所示，槽轮机构由拨盘（带圆柱销）、槽轮、机架等组成。工作时，拨盘以等角速1回转时，当圆柱销A没有进入槽轮直槽时，拨盘上的锁止弧将槽轮锁住，槽轮不能转动。在图示位置圆柱销A进入槽轮的径向直槽，锁止弧松开，圆柱销拨动槽轮顺时针转动。当槽轮转动22角后，拨盘继续转动则圆柱离开
42、槽轮直槽，锁止弧重新锁住槽轮直到圆柱销下次再从A点进入直槽。哪些循环即将拨盘的连续回转变成了槽轮的间歇回转运动。（1）槽轮机构的特点结构简单，工作可靠，机械效率高，。能准确控制转动的角度。常用于要求恒定旋转角的分度机构中。但对一个已定的槽轮机构来说，其转角不能调节。在转动始、末，加速度变化较大，有冲击。（2）槽轮机构的应用应用在转速不高，要求间歇转动的装置中。如电影放映机中，实现间歇地移动影片，如图447（a）所示；六角车床刀架转位机构，如图447（b）所示。4.3.3 螺纹机构螺纹机构是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。通常由螺杆、螺母、机架及其他附件组成。它主要用于将回转运动变为
43、直线运动，或将直线运动变为回转运动，同时传递运动或动力，应用十分广泛。1.螺旋传动的几种常见类型（1）按传动形式分螺杆轴向固定、转动，螺母运动，如图448（a）所示。常用于机床进给机构，如车床横向进给丝杠螺母机构。螺杆转动又移动，螺母固定，如图448（b）所示。多用于螺旋压力机构中，如摩擦压力加压螺旋机构。螺母原位转动，螺杆移动，常用于升降机构，如图448所示。（2）按用途分传力螺旋主要用于传递动力。主要特点：工作速度低、间歇工作，传递轴向力大、能自锁。如举重器、千斤顶、加压螺旋。传导螺旋用来传递运动和动力，主要特点：一般具有较高的运动速度、连续工作、传动精度高。如机床进给机构。调节螺旋一般用
44、于调整并固定零件或部分之间的相对位置，要求自锁性能好，有时也有较高的调节精度要求。如车床尾座调整螺旋机构。2.螺旋传动的应用常用的螺旋机构有单螺旋机构和双螺旋机构。其中，单螺旋机构应用广泛，如螺旋千斤顶、车库丝杠传动机构、虎钳螺旋机构等。如图449所示，双螺旋机构有两种情况：当两螺旋副中的螺旋线旋向相同而导程不同时，该螺旋机构称为差动螺旋机构。应用时，一个螺母固定，一个螺母移动。差动螺旋机构中可移动螺母移动距离与螺杆转角的关系为：（s1s2）/2（s1、s2为螺杆的导程）（4-7）如果s1、s2相差很小时，位移也可以很小，常用的螺旋微调机构都是利用这个特性，如千分尺，镗刀微调装置。当两螺旋副的
45、螺旋线旋向相反时，该机构称为复式螺旋机构。在复式螺旋机构中，可移动螺母移动距离与螺杆转角的关系为（s1+s2）/2复式螺旋机构的位移与（s1+s2）成正比，常用在快速夹紧机构中。4.滚动螺旋机构简介若在普通螺杆与螺母之间加入钢球，同时将内、外螺纹改成内、外螺旋滚道，就成为滚动螺旋机构。如图450所示，由于丝杠螺母副间加入了滚动体，当传动工作时，滚动体沿螺纹滚道滚动并形成循环，两者相对运动的摩擦就变成了滚动摩擦，克服了滑动摩擦造成的缺点。按滚珠循环方式不同有内循环、外循环两种方式。滚动螺旋传动的特点：传动效率高，精度高，启动阻力矩小，传动灵活平稳，磨损小，工作寿命长。但是不能自锁。由于滚动螺旋传
46、动特有的优势，在机构设备中的应用越来越广泛。现代数控机床的进给传动机构基本上都采用滚动螺旋传动。复习与思考:41 试说明机器、机构、构件、零件几个概念之间的相互关系，并各举出两个实例。42 什么是运动副？它在机构中起什么作用？转动副和移动副各约束了构件哪些自由度？43 区别高副和低副的依据是什么？44 试说明机构自由度与构件自由度有何异同。45 机构运动简图有何作用？绘制机构运动简图应注意哪些问题？46 计算机机构自由度时，需要注意哪些问题？47 机构具有确定运动的条件是什么？48 虚约束在机构中起什么作用？怎样才能保证虚约束不成为有效约束？49 什么是平面连杆机构，它有哪些缺点？410 铰链四杆机构有哪几种类型