機(jī)械工程基礎(chǔ)第三章-常用機(jī)構(gòu)課件

第三章常用機(jī)構(gòu)第一節(jié)平面機(jī)構(gòu)及自由度如緒論中所述，機(jī)構(gòu)是多個(gè)構(gòu)件的組合體，為了傳遞運(yùn)動(dòng)和力，機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件之間還應(yīng)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但任意拼湊的構(gòu)件組合體不一定能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；即使能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也不一定具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。討論機(jī)構(gòu)滿足什么條件下構(gòu)件之間才具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于分析現(xiàn)有機(jī)構(gòu)或設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)都具有重要意義。實(shí)際機(jī)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)都是很復(fù)雜的。為了便于分析研究，在工程設(shè)計(jì)中，通常都用簡(jiǎn)單線條和符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖來(lái)表示實(shí)際機(jī)械。第三章常用機(jī)構(gòu)

一、平面運(yùn)動(dòng)副及其分類機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件組合而成的。每個(gè)構(gòu)件都以一定的方式與其它構(gòu)件相互聯(lián)接，這種聯(lián)接不同于鉚接和焊接等剛性聯(lián)接，它能使相互聯(lián)接的兩構(gòu)件之間存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種使兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副。例如在內(nèi)燃機(jī)中，活塞與缸體間的聯(lián)接、連桿與曲軸間的聯(lián)接、凸輪與頂桿間的聯(lián)接以及輪齒與輪齒間的聯(lián)接都構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副。運(yùn)動(dòng)副中構(gòu)件與構(gòu)件的接觸形式不外乎點(diǎn)、線、面三種。例如凸輪與頂桿之間、輪齒與輪齒之間的聯(lián)接為點(diǎn)接觸或線接觸；連桿與曲軸之間、活塞與缸體之間的接觸則為面接觸。我們把兩構(gòu)件之間構(gòu)成點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副，把兩構(gòu)件之間構(gòu)成面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。運(yùn)動(dòng)副除根據(jù)成副兩構(gòu)件的接觸情況進(jìn)行分類外，通常還可根據(jù)兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，把運(yùn)動(dòng)副分為平面運(yùn)動(dòng)副和空間運(yùn)動(dòng)副兩類。由于常用機(jī)構(gòu)多為平面機(jī)構(gòu)，所以本書重點(diǎn)討論平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)副的有關(guān)問(wèn)題。第三章常用機(jī)構(gòu)

由此，可以歸納平面運(yùn)動(dòng)副的種類及定義如下：

1．高副兩構(gòu)件構(gòu)成點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。圖3-1所示的齒輪輪齒嚙合為高副。

2．低副兩構(gòu)件組成面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。如圖3-2a、b所示均為低副。平面低副按其相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式分為轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副。（1）轉(zhuǎn)動(dòng)副兩構(gòu)件間只能產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副，如圖3-2a所示。（2）移動(dòng)副兩構(gòu)件間只能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副，如圖3-2b所示。

第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-1高副圖3-2低副二、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

在實(shí)際機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件的外形結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的。然而構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與構(gòu)件的外形及斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的具體結(jié)構(gòu)等因素并無(wú)關(guān)系。因此，在研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以略去與運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的因素，僅用簡(jiǎn)單的符號(hào)及線條來(lái)代表運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，并按一定比例表示各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置。這種用來(lái)表示機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)單圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-3中的圖b表示圖a的機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，它清楚地表達(dá)了活塞泵各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。a）b）圖3-3活塞泵及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖第三章常用機(jī)構(gòu)1．平面運(yùn)動(dòng)副的表示方法兩構(gòu)件組成轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化畫法如圖3-4所示。用圓圈表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，其圓心代表相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。圖3-4a表示成副兩構(gòu)件均為活動(dòng)件。如果成副兩構(gòu)件之一為機(jī)架，則把代表機(jī)架的構(gòu)件（圖中的構(gòu)件1）畫上斜線，如圖3-4b、c所示。兩構(gòu)件組成移動(dòng)副時(shí)，其表示方法如圖3-5所示。畫有斜線的構(gòu)件代表機(jī)架。a）b）c）a）b）c）圖3-4轉(zhuǎn)動(dòng)副的表示方法圖圖3-5移動(dòng)副的表示方法第三章常用機(jī)構(gòu)

兩構(gòu)件組成高副時(shí)，在簡(jiǎn)圖中應(yīng)畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓，如圖3-6a、b、c所示。圖3-6

高副的表示方法a）滾輪副b）凸輪副c）齒輪副2．構(gòu)件的表示方法表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖中的構(gòu)件時(shí)，只需要將構(gòu)件上的所有運(yùn)動(dòng)副按照它們?cè)跇?gòu)件上的位置用符號(hào)表示出來(lái)，再用簡(jiǎn)單的線條把它們聯(lián)成一體即可。第三章常用機(jī)構(gòu)

參與組成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件的表示方法如圖3-7所示。當(dāng)按一定比例繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)，表示轉(zhuǎn)動(dòng)副的圓圈，其圓心必須與相對(duì)回轉(zhuǎn)軸線重合；表示移動(dòng)副的滑塊、導(dǎo)桿或?qū)Р蹠r(shí)，其導(dǎo)路必須與相對(duì)移動(dòng)方向一致；表示平面高副的曲線，其曲率中心的位置必須與構(gòu)件實(shí)際輪廓相符。參與組成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的構(gòu)件的表示方法如圖3-8所示。當(dāng)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中心不在一條直線上時(shí)，可用三條直線連接三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中心組成的三角形表示（圖3-8a、b）。為了說(shuō)明是同一構(gòu)件參與組成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，在每?jī)蓷l直線相交的部位涂以焊接記號(hào)或在三角形中間畫上剖面線。如三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的中心處在一條直線上，可用圖3-8c表示。第三章常用機(jī)構(gòu)a）b）c）圖3-7二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)件的表示方法a）b）c）圖3-8三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)件的表示方法第三章常用機(jī)構(gòu)

三、平面機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)是由構(gòu)件組成的，構(gòu)件可以分為三種。

1．固定件（機(jī)架）用來(lái)支承活動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)件。例如圖1-1中的氣缸體就是固定件，用它來(lái)支承活塞和曲軸等。研究機(jī)構(gòu)中活動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)時(shí)，常以固定件作為參考系。

2．原動(dòng)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。它的運(yùn)動(dòng)是由外界輸入的，故又稱為輸入構(gòu)件。如圖1-1中的活塞就是原動(dòng)件。

3．從動(dòng)件機(jī)構(gòu)中隨著原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的其余活動(dòng)構(gòu)件。如圖1-1中的連桿、曲軸等均屬于從動(dòng)件。任何一個(gè)平面機(jī)構(gòu)中，必有一個(gè)構(gòu)件被相對(duì)地看作固定件。例如汽缸體雖然隨汽車運(yùn)動(dòng)，但在研究發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，仍然將汽缸體當(dāng)作固定件。在活動(dòng)構(gòu)件中必然有一個(gè)或幾個(gè)原動(dòng)件，其余均為從動(dòng)件。第三章常用機(jī)構(gòu)

四、平面機(jī)構(gòu)的自由度

1．單個(gè)構(gòu)件的自由度由力學(xué)知識(shí)可知，作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件具有三個(gè)自由度（獨(dú)立運(yùn)動(dòng)），即沿x軸的移動(dòng)、沿y軸的移動(dòng)及繞垂直于xOy平面軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3-9所示。圖3-9

構(gòu)件的自由度第三章常用機(jī)構(gòu)2．運(yùn)動(dòng)副的約束當(dāng)兩構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副以后，構(gòu)件的某些獨(dú)立運(yùn)動(dòng)將因構(gòu)件間的直接接觸而受限制，即自由度將隨之減少。運(yùn)動(dòng)副對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制稱為約束。每加上一個(gè)約束，構(gòu)件便失去一個(gè)自由度。有運(yùn)動(dòng)副就要引入約束，但每個(gè)運(yùn)動(dòng)副不一定只引入一個(gè)約束，運(yùn)動(dòng)副的類型不同，引入約束的數(shù)目也不同。平面機(jī)構(gòu)的低副引入2個(gè)約束，構(gòu)件的自由度為1。如圖3-2a所示，構(gòu)件2沿x軸和y軸方向的移動(dòng)都受到限制，而只能在坐標(biāo)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，其自由度為1；如圖3-2b所示，滑塊2也受到兩個(gè)約束，其自由度也為1。平面機(jī)構(gòu)的高副引入1個(gè)約束，構(gòu)件的自由度為2。如圖3-1所示，構(gòu)件2相對(duì)構(gòu)件1在其接觸點(diǎn)法線n–n方向受到約束，在切線t–t方向可以移動(dòng)，還可以轉(zhuǎn)動(dòng)，其自由度為2。第三章常用機(jī)構(gòu)3．平面機(jī)構(gòu)的自由度（1）平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式設(shè)一個(gè)平面機(jī)構(gòu)由N個(gè)構(gòu)件組成，其中必有一個(gè)為機(jī)架。因機(jī)架為固定件，其自由度為零，故活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為n=N-1。這n個(gè)活動(dòng)件在沒有通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接時(shí)，應(yīng)該共有3n個(gè)自由度。當(dāng)運(yùn)動(dòng)副將構(gòu)件連接起來(lái)組成組合體之后，則自由度就要減少。當(dāng)引入1個(gè)低副時(shí)，自由度就減少2個(gè)；當(dāng)引入1個(gè)高副時(shí)，自由度就減少1個(gè)。如果上述機(jī)構(gòu)引入了PL個(gè)低副，PH個(gè)高副，則自由度減少的總數(shù)就為2PL+PH，則該機(jī)構(gòu)所剩自由度數(shù)（用F表示）為

F=3n–2PL–PH

（3-1）第三章常用機(jī)構(gòu)

例3-1

計(jì)算圖3-3所示活塞泵的自由度。解：在活塞泵機(jī)構(gòu)中，有四個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，n=4；有四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副，PL=5；有一個(gè)高副，PH=1。由式（3-1）的機(jī)構(gòu)自由度

F=3n–2PL–PH=3×4-2×5-1×1=1

概括起來(lái)，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)就是機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)。由前述可知，從動(dòng)件是靠原動(dòng)件帶動(dòng)的，本身不具備獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，只有原動(dòng)件具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。通常，原動(dòng)件和機(jī)架相連，所以每個(gè)原動(dòng)件只有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，因此，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)必然與原動(dòng)件個(gè)數(shù)相等。第三章常用機(jī)構(gòu)

如果原動(dòng)件數(shù)少于自由度數(shù)，則機(jī)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象，如圖3-10所示。如果原動(dòng)件數(shù)大于自由度數(shù)，則機(jī)構(gòu)中最薄弱的構(gòu)件或運(yùn)動(dòng)副可能被破壞，如圖3-11所示。如果自由度數(shù)等于零，則這些構(gòu)件組合在一起形成一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不能構(gòu)成機(jī)構(gòu)，如圖3-12所示。圖3-10原動(dòng)件＜F

圖3-11原動(dòng)件＞F

圖3-12F=0的構(gòu)件組合

綜上所述，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)自由度數(shù)大于零且等于原動(dòng)件的個(gè)數(shù)。第三章常用機(jī)構(gòu)

（2）計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題在應(yīng)用機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式時(shí)，必須對(duì)以下幾種情況加以注意：

1）復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連稱為復(fù)合鉸鏈。圖3-13a所示是三個(gè)構(gòu)件在同一處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈的正視圖，從圖3-13b所示的側(cè)視圖中可以看出，構(gòu)件1分別與構(gòu)件2、構(gòu)件3構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。依此類推，如果有k個(gè)構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，必然構(gòu)成（k-1）個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。a）b）圖3-13復(fù)合鉸鏈第三章常用機(jī)構(gòu)

例2-3

計(jì)算圖3-14所示機(jī)構(gòu)的自由度。解：圖示機(jī)構(gòu)其活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=5，C點(diǎn)為復(fù)合鉸鏈，該處有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，所以低副數(shù)PL=7，高副數(shù)PH=0，則機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n–2PL–PH=3×5-2×7-1×0=1

2）局部自由度機(jī)構(gòu)中存在的與輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的自由度稱為局部自由度。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，局部自由度應(yīng)予以剔除。圖3-15a所示的凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)件凸輪1繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)滾子4使從動(dòng)件2沿機(jī)架3移動(dòng)。在此機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3，低副數(shù)PL=3，高副數(shù)PH=1，按式（3-1）得F=3n–2PL–PH=3×3-2×3-1×1=2第三章常用機(jī)構(gòu)a）b）圖3-14帶復(fù)合鉸鏈的機(jī)構(gòu)圖3-15凸輪機(jī)構(gòu)的局部自由度第三章常用機(jī)構(gòu)

3）虛約束在機(jī)構(gòu)中，有些運(yùn)動(dòng)副所引入的約束與其它運(yùn)動(dòng)副所引入的約束相重復(fù)。這種約束形式上存在，但實(shí)際上對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不起獨(dú)立限制作用的約束，稱為虛約束。如圖3-16a所示的平行四邊形機(jī)構(gòu)中，連桿2作平動(dòng)，其上各點(diǎn)的軌跡均為圓心在AD線上而半徑等于AB的圓弧，根據(jù)式（3-1）得該機(jī)構(gòu)的自由度為

F=3n–2PL–PH=3×3-2×4-1×0=1

假如在如圖3-16a所示機(jī)構(gòu)上增加構(gòu)件5，如圖3-16b所示，則該機(jī)構(gòu)的自由度似乎為F=3n–2PL–PH=3×4-2×6-1×0=0第三章常用機(jī)構(gòu)a）b）圖3-16平行四邊形機(jī)構(gòu)的虛約束

虛約束是機(jī)構(gòu)中構(gòu)件間滿足某些特殊條件的產(chǎn)物。機(jī)構(gòu)中的虛約束常發(fā)生在以下情況：

①軌跡重合。機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件相連，連接前被連接件上連接點(diǎn)的軌跡和連接后連接件上連接點(diǎn)的軌跡重合，如圖3-17b所示。

②兩構(gòu)件同時(shí)在幾處接觸并構(gòu)成幾個(gè)移動(dòng)副，且各移動(dòng)副的導(dǎo)路相互平行或重合。如圖3-17所示，只算一個(gè)移動(dòng)副，其余都是虛約束。第三章常用機(jī)構(gòu)③兩構(gòu)件間在幾處構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副且各轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線重合，只能算一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其余為虛約束，如圖3-18所示。

④機(jī)構(gòu)中對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分。例如圖3-19所示輪系，中心輪1經(jīng)過(guò)兩個(gè)對(duì)稱布置的小齒輪2和2′驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒輪3，其中有一個(gè)小齒輪對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)不起獨(dú)立作用。這是為了改善受力情況而設(shè)置的，實(shí)際上只需要一個(gè)小齒輪就能滿足運(yùn)動(dòng)要求。

圖3-17虛約束圖3-18虛約束第三章常用機(jī)構(gòu)

各類虛約束在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中是常見的。因其可以改善機(jī)構(gòu)的受力情況。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)先分析一下，如有虛約束，可先除去，然后應(yīng)用式（3-1）計(jì)算。圖3-19

虛約束

解：機(jī)構(gòu)中的滾子處有一個(gè)局部自由度。頂桿與機(jī)架在E和E′組成兩個(gè)導(dǎo)路平行的移動(dòng)副，其中之一為虛約束。C處是復(fù)合鉸鏈。先將滾子與頂桿焊接成一體，去掉移動(dòng)副E′，并在C點(diǎn)注明轉(zhuǎn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)，如圖3-21所示。故n=7，PL=9(7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和2個(gè)移動(dòng)副)，PH=1，故由式（3-1）得F=3n–2PL–PH=3×7-2×9-1×1=2

此機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為2，故有兩個(gè)原動(dòng)件。

例2-4

計(jì)算圖3-20所示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-20原始大篩結(jié)構(gòu)圖3-21變形后大篩結(jié)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)第二節(jié)平面連桿機(jī)構(gòu)

平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干個(gè)構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副）連接，且各構(gòu)件均在相互平行平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，又稱為平面低副機(jī)構(gòu)。它廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械和儀表中，例如金屬切削機(jī)床、起重運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和儀表等。它在機(jī)械中起傳遞動(dòng)力和改變運(yùn)動(dòng)形式的作用。平面連桿機(jī)構(gòu)中，以四個(gè)構(gòu)件組成的平面四桿機(jī)構(gòu)用得最多。平面四桿機(jī)構(gòu)不僅應(yīng)用廣泛，而且又是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。在平面四桿機(jī)構(gòu)中，又以鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為基本形式，其他形式均可由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而得到。第三章常用機(jī)構(gòu)

一、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及特點(diǎn)

全部用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的平面連桿機(jī)構(gòu)稱為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖3-22所示，以固定不動(dòng)的構(gòu)件4為機(jī)架；與機(jī)架相連的構(gòu)件1和構(gòu)件3為連架桿，其中能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的稱為曲柄，不能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的稱為搖桿；不與機(jī)架直接相連的構(gòu)件2稱為連桿，連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。根據(jù)兩連架桿的不同運(yùn)動(dòng)形式，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可分為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)三種基本類型。

圖3-22

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿中一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，則稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（圖3-23）。在這種機(jī)構(gòu)中，曲柄通常作為主動(dòng)件，并作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而搖桿為從動(dòng)件，并作變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)。有時(shí)，也可以是搖桿為主動(dòng)件。圖3-24所示為雷達(dá)天線機(jī)構(gòu)。曲柄緩慢地勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿2使搖桿3在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，從而調(diào)整天線俯仰角的大小，擴(kuò)大雷達(dá)的搜索范圍。圖3-23曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖3-24雷達(dá)天線機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-25所示為攪拌器機(jī)構(gòu)。曲柄1勻速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿3使搖桿3擺動(dòng)，利用連桿2上E點(diǎn)的軌跡以及容器繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而將溶液攪拌均勻。圖3-26所示為縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)以搖桿3（踏板）為主動(dòng)件，并作往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)連2桿驅(qū)動(dòng)曲柄及帶輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)以進(jìn)行縫紉工作。圖3-25攪拌器機(jī)構(gòu)圖3-26縫紉機(jī)腳踏板機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)2.雙曲柄機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為曲柄，則稱雙曲柄機(jī)構(gòu)（圖3-27）。圖3-27雙曲柄機(jī)構(gòu)圖3-28慣性篩機(jī)構(gòu)

圖3-28所示的慣性篩機(jī)構(gòu)中，ABCD就是雙曲柄機(jī)構(gòu)。當(dāng)曲柄AB作等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，另一曲柄CD也作變角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)構(gòu)件CE使篩子產(chǎn)生變速直線運(yùn)動(dòng)。這樣，便可利用篩上物料的慣性來(lái)篩選物料。第三章常用機(jī)構(gòu)

在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，如果組成四邊形的對(duì)邊桿長(zhǎng)度分別相等，則構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)。根據(jù)曲柄相對(duì)位置的不同，可得到如圖3-29a所示的正平行四桿機(jī)構(gòu)和圖3-29b所示的反平行四桿機(jī)構(gòu)。前者兩連架桿AB、CD的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，且角速度時(shí)時(shí)相等；后者兩連架桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反且角速度不等。圖3-30所示的機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)及圖3-31所示的攝影車座斗升降機(jī)構(gòu)均為正平行四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用的實(shí)例。a）b）圖3-29平行四邊形機(jī)構(gòu)a）正平行四邊形機(jī)構(gòu)b）反平行四邊形機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)

應(yīng)當(dāng)指出，圖3-29a所示正平行四桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主動(dòng)曲柄1與連桿2、從動(dòng)曲柄3與連桿2將出現(xiàn)兩次共線位置。如圖3-32所示，當(dāng)主動(dòng)曲柄1從B轉(zhuǎn)到B1（在AD線上）時(shí)，從動(dòng)件3從C轉(zhuǎn)到C1（AD延長(zhǎng)線上）從而使AB1、B1C1、C1D、AD四桿共線；當(dāng)主動(dòng)曲柄AB再繼續(xù)沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)至B2時(shí)，從動(dòng)曲柄3上的鉸鏈C可能由C1沿順時(shí)針轉(zhuǎn)到C2，也可能沿逆時(shí)針?lè)较蚍崔D(zhuǎn)到C2′，即出現(xiàn)從動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象。為防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，除可以利用從動(dòng)曲柄本身的質(zhì)量或再附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的飛輪，依靠其慣性導(dǎo)向外，還可用輔助構(gòu)件構(gòu)成多組相同的機(jī)構(gòu)，采用彼此錯(cuò)開一定角度的方法來(lái)解決。圖3-33就是利用兩組相同的正平行四桿機(jī)構(gòu)（ABCD和AEFD），彼此錯(cuò)開90o固聯(lián)組合而成的。當(dāng)一組處于水平共線位置AB1C1D時(shí)，另一組則處于正常狀態(tài)，從而消除了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象，保證機(jī)構(gòu)按預(yù)定要求運(yùn)動(dòng)。消除機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象還可以采用其他方法，如圖3-30所示的機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，則是采用了加虛約束的方法。第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-30機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-31攝影車座斗升降機(jī)構(gòu)圖3-32平行四邊形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定性圖3-33用輔助構(gòu)件克服運(yùn)動(dòng)不確定性第三章常用機(jī)構(gòu)3.雙搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿均為搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)（圖3-34）。圖3-35所示為港口用的鶴式起重機(jī)就是雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，當(dāng)搖桿AB擺到時(shí)，連桿BC上的延伸點(diǎn)E做近似水平直線運(yùn)動(dòng)，使重物水平移動(dòng)，避免重力做功，以減小功率損耗。圖3-34雙搖桿機(jī)構(gòu)圖3-35鶴式起重機(jī)第三章常用機(jī)構(gòu)

在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，若兩搖桿長(zhǎng)度相等，則稱為等腰梯形機(jī)構(gòu)。圖3-36所示輪式車輛的前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)就是等腰梯形機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎時(shí)，與兩前輪固聯(lián)的兩搖桿擺動(dòng)的角度和不相等。如果任意位置都能使兩前輪軸線的交點(diǎn)落在后輪軸線的延長(zhǎng)線上，則當(dāng)整個(gè)車身繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，四個(gè)車輪均能在地面上純滾動(dòng)，避免輪胎的滑動(dòng)損傷。等腰梯形機(jī)構(gòu)能近似滿足這一要求。圖3-36輪式車輛前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

二、四桿機(jī)構(gòu)的演化在實(shí)際應(yīng)用的機(jī)械中，有各式各樣帶有移動(dòng)副的平面四桿機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)都可以看成是由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而來(lái)的。下面分析幾種常用的演化機(jī)構(gòu)。第三章常用機(jī)構(gòu)1.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在圖3-37a所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，隨著搖桿3長(zhǎng)度增加，C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡m-m逐漸趨于平緩。當(dāng)搖桿3的長(zhǎng)度增至無(wú)窮大時(shí)，C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡則成為直線m-m（圖3-37b），這時(shí)構(gòu)件3由搖桿演變成滑塊，轉(zhuǎn)動(dòng)副D也轉(zhuǎn)化為移動(dòng)副，于是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)演化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，直線m-m即為滑塊導(dǎo)路的中心線。圖3-37曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的演化a）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)b）桿3增至無(wú)限長(zhǎng)c）對(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)d）偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)

當(dāng)滑塊導(dǎo)路中心線m-m通過(guò)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心A時(shí)，則稱該機(jī)構(gòu)為對(duì)心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖3-37c）；若當(dāng)滑塊導(dǎo)路中心線m-m不通過(guò)曲柄回轉(zhuǎn)中心A而有一偏距時(shí)，則稱該機(jī)構(gòu)為偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖3-37d），曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于活塞式內(nèi)燃機(jī)、空氣壓縮機(jī)、沖床、送料機(jī)等機(jī)械中。

2.導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可以看成是改變曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖3-38a）中的固定構(gòu)件演化而來(lái)的。演化后在滑塊中與滑塊作相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件稱為導(dǎo)桿。

1）曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖3-38a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)取構(gòu)件1為機(jī)架時(shí)，由于構(gòu)件的長(zhǎng)度＜，因此構(gòu)件2和構(gòu)件4都作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，這種具有一個(gè)曲柄和一個(gè)能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿的四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（圖3-38b）。第三章常用機(jī)構(gòu)a）b）c）d）e）圖3-38曲柄滑塊機(jī)構(gòu)演化a）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)b）轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)c）擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)d）搖塊機(jī)構(gòu)e）移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-39所示的送料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，采用的就是由構(gòu)件1、2、3、4組成的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

2）曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在圖3-38b中，如果使構(gòu)件1和構(gòu)件2的長(zhǎng)度＞，那么機(jī)構(gòu)演化成圖3-38c所示的曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3-40所示為曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在牛頭刨床中的應(yīng)用。

圖3-39送料機(jī)構(gòu)圖3-40牛頭刨床的主體機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)3）擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)（搖塊機(jī)構(gòu)）當(dāng)取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿2為機(jī)架時(shí)，則演化為圖3-38d所示的擺動(dòng)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于擺缸式內(nèi)燃機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)裝置。如圖3-41所示的卡車車廂自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)，當(dāng)油缸3中的壓力油推動(dòng)活塞4在缸體內(nèi)移動(dòng)時(shí)，車廂1被頂起，物料自動(dòng)卸下，隨著車廂的起降，油缸3繞自身的支點(diǎn)C擺動(dòng)。圖3-41卡車車廂自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)圖3-42手動(dòng)抽水機(jī)第三章常用機(jī)構(gòu)4）移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)（定塊機(jī)構(gòu)）當(dāng)取曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊3為機(jī)架時(shí)，則演化為圖3-38e所示的移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于老式的手動(dòng)抽水機(jī)。如圖3-42所示，當(dāng)搖動(dòng)手柄1時(shí)，活塞4在缸體3中上下移動(dòng)便可將水抽出。

3.偏心輪機(jī)構(gòu)在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若要求滑塊行程較小則必須減小曲柄長(zhǎng)度。由于結(jié)構(gòu)上的困難，很難在較短的曲柄上制造出兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，往往采用轉(zhuǎn)動(dòng)副中心與幾何中心不重合的偏心輪來(lái)代替曲柄（圖3-43a），兩中心間的距離e稱為偏距，其值即為曲柄長(zhǎng)度，圖中滑塊行程為2e。這種將曲柄作成偏心輪形狀的平面四桿機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)，它可視為是圖3-43b中的轉(zhuǎn)動(dòng)副B擴(kuò)大到包容轉(zhuǎn)動(dòng)副A，使構(gòu)件1成為轉(zhuǎn)動(dòng)中心在A點(diǎn)的偏心輪，因此其運(yùn)動(dòng)特性與原曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等效。同理，也可將圖3-43c所示的另一種偏心輪機(jī)構(gòu)演化為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（圖3-43d），其運(yùn)動(dòng)特性與原機(jī)構(gòu)也完全相同。偏心輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于剪床、沖床、顎式破碎機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中。第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-43偏心輪機(jī)構(gòu)a）等效曲柄滑塊機(jī)構(gòu)b）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)c）等效曲柄搖桿機(jī)構(gòu)d）曲柄搖桿機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)

三、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄存在的條件在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)的連架桿稱為曲柄。而曲柄是否存在則取決于機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度關(guān)系，即欲使曲柄能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，各構(gòu)件的長(zhǎng)度必須滿足一定的條件，即曲柄存在的條件。下面將來(lái)討論鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件。圖3-44所示為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，設(shè)構(gòu)件1、構(gòu)件2、構(gòu)件3、構(gòu)件4的長(zhǎng)度分別為a、b、c、d，并取a＜d。當(dāng)構(gòu)件1能繞點(diǎn)A做整周轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，構(gòu)件1必須能通過(guò)與構(gòu)件4共線的兩個(gè)位置AB1和AB2。據(jù)此可導(dǎo)出構(gòu)件1作為曲柄的條件。當(dāng)構(gòu)件1轉(zhuǎn)至AB1時(shí)，形成ΔB1C1D，根據(jù)三角形任意兩邊長(zhǎng)度之和必大于第三邊長(zhǎng)度的幾何關(guān)系并考慮到極限情況，得（3-2）

當(dāng)構(gòu)件1轉(zhuǎn)到AB2時(shí)，形成ΔB2C2D，同理可得

及第三章常用機(jī)構(gòu)即可寫成

（3-3）（3-4）將式（3-1）、（3-2）、（3-3）中的三個(gè)不等式相加，化簡(jiǎn)后得（3-5）（3-6）（3-7）由上述關(guān)系可知，在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，要使構(gòu)件1為曲柄，它必須是四桿機(jī)構(gòu)中之最短桿，且最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和?？紤]到更一般的情形，可將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件概括為圖3-44

曲柄存在條件第三章常用機(jī)構(gòu)1）連架桿與機(jī)架中必有一桿是最短桿；

2）最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和必小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。因此，當(dāng)各構(gòu)件長(zhǎng)度不變，且滿足第2）條情況下，若取不同構(gòu)件為機(jī)架時(shí)，可得到以下三種型式的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。

1）以最短桿的相鄰桿為機(jī)架時(shí)（如構(gòu)件4或構(gòu)件2），得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（圖3-45a、b）；

2）以最短桿為機(jī)架（如構(gòu)件1）時(shí)，得雙曲柄機(jī)構(gòu)（圖3-45c）；

3）以最短桿的相對(duì)桿（如構(gòu)件3）為機(jī)架時(shí)，得雙搖桿機(jī)構(gòu)（圖3-45d）應(yīng)指出的是：當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中最短桿和最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和，則不論以哪一構(gòu)件為機(jī)架，都不存在曲柄，而只能是雙搖桿機(jī)構(gòu)。但要注意，該雙搖桿機(jī)構(gòu)與前者的雙搖桿機(jī)構(gòu)（圖3-45d）的本質(zhì)上的區(qū)別在于：前者雙搖桿機(jī)構(gòu)中的連桿能作整周運(yùn)動(dòng)，而后者雙搖桿機(jī)構(gòu)中的連桿則只能作擺動(dòng)。第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-45取不同構(gòu)件為機(jī)架時(shí)的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)a）構(gòu)件4為機(jī)架b）構(gòu)件2為機(jī)架c）構(gòu)件1為機(jī)架d）構(gòu)件3為機(jī)架c)d)a)b)第三章常用機(jī)構(gòu)

四、平面四桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性

1．急回特性圖3-46所示為一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，設(shè)曲柄AB為主動(dòng)件，搖桿CD為從動(dòng)件。主動(dòng)曲柄AB以等角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)至AB1位置與連桿B1C1重疊成一直線時(shí)，從動(dòng)件搖桿CD處于左極限位置C1D；而當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)至AB2位置與連桿B2C2拉成一直線時(shí)，從動(dòng)件搖桿處于右極限位置C2D。因此，當(dāng)從動(dòng)搖桿處于左、右兩極限位置時(shí)，主動(dòng)曲柄兩位置所夾的銳角稱為極位夾角。從動(dòng)搖桿兩極限位置間的夾角稱為搖桿的擺角。圖3-46急回特性和行程速比系數(shù)第三章常用機(jī)構(gòu)

如圖3-46所示，當(dāng)曲柄AB從AB1位置轉(zhuǎn)至AB2位置時(shí)，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為，而搖桿由位置C1D擺至C2D位置，擺角為Ψ，設(shè)所需時(shí)間為,C點(diǎn)的平均速度為；當(dāng)曲柄再繼續(xù)從AB2轉(zhuǎn)至AB1位置時(shí)，其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角為，而搖桿則由C2D位置擺回C1D位置，擺角仍為，設(shè)所需時(shí)間為，C點(diǎn)的平均速度為。由于搖桿往復(fù)擺動(dòng)的擺角雖然相同，但是曲柄的相應(yīng)轉(zhuǎn)角不同，即＞，而曲柄又是等速轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以有＞，＞。由此可見，當(dāng)曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖桿往復(fù)擺動(dòng)的平均速度是不同的，搖桿的這種運(yùn)動(dòng)特性稱為急回特性。為了表示該急回特性的相對(duì)程度，通常用與的比值K來(lái)衡量，K稱為行程速比系數(shù)，即

當(dāng)給定行程速比系數(shù)K后，機(jī)構(gòu)的極位夾角可由下式計(jì)算（3-8）（3-9）第三章常用機(jī)構(gòu)

由上述分析可知，平面四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)急回運(yùn)動(dòng)取決于有無(wú)極位夾角θ。不論是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或者其它類型的平面四桿機(jī)構(gòu)，只要機(jī)構(gòu)的極位夾角θ不為零，則該機(jī)構(gòu)就有急回運(yùn)動(dòng)，其行程速比系數(shù)K可用式（3-8）計(jì)算。四桿機(jī)構(gòu)的這種急回特性，在各種機(jī)器中可以用來(lái)節(jié)省空回行程（非工作行程）的時(shí)間，以節(jié)省動(dòng)力并提高生產(chǎn)率。例如在牛頭刨床和搖擺式輸送機(jī)中都利用了這一特性。

2．壓力角和傳動(dòng)角在生產(chǎn)實(shí)際中，既要求平面四桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又要求機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活、效率較高，也就是要求機(jī)構(gòu)具有良好的傳力性能。而壓力角（或傳動(dòng)角）則是判斷一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)傳力性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志。在圖3-47所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若忽略各桿的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦，則主動(dòng)曲柄AB通過(guò)連桿BC作用于從動(dòng)搖桿CD上的力F是沿桿BC方向。從第三章常用機(jī)構(gòu)動(dòng)搖桿CD所受的力F與作用點(diǎn)C的速度間所夾的銳角稱為壓力角。力F在方向的分力稱為切向分力，此力做有效功，為有效分力；沿?fù)u桿CD方向的分力稱為法向分力，它非但不能作有用功，而且還增大了運(yùn)動(dòng)副C、D中的徑向壓力，增大轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦，為有害分力。顯然，壓力角越小，越大，所作的有效功也越大，傳力性能越好。因此，壓力角的大小可以作為判別一個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)傳力性能好壞的一個(gè)依據(jù)。作用力F與分力間所夾的銳角稱為傳動(dòng)角。由圖3-47可見，或，故與互為余角。從圖3-24可知，當(dāng)連桿BC與搖桿CD間的夾角為銳角時(shí)，；而當(dāng)連桿BC與搖桿CD間的夾角為鈍角時(shí)，。由于傳動(dòng)角可以從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖上直接觀察角的大小來(lái)表示，故通常用值來(lái)衡量機(jī)構(gòu)的傳力性能。越大，則越小，機(jī)構(gòu)的傳力性能越好，反之越差。第三章常用機(jī)構(gòu)

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳動(dòng)角的大小是隨機(jī)構(gòu)位置的改變而變化的。為了確保機(jī)構(gòu)能正常工作，應(yīng)使一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中最小傳動(dòng)角為40°~50°，具體數(shù)值可根據(jù)傳遞功率的大小而定。傳遞功率大時(shí)，應(yīng)取大些，如顎式破碎機(jī)、沖床等可?。?0o。機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角可能發(fā)生在主動(dòng)曲柄與機(jī)架二次共線的位置之一處。

3.死點(diǎn)位置圖3-48所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若取搖桿CD為主動(dòng)件，則當(dāng)搖桿在兩極限位置C1D、C2D時(shí)，連桿BC與從動(dòng)件曲柄AB將出現(xiàn)兩次共線。這時(shí)，若不計(jì)各桿的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦，則搖桿CD通過(guò)連桿BC傳給曲柄AB的力必通過(guò)鉸鏈中心A，出現(xiàn)的情況。因該作用力對(duì)A點(diǎn)的力矩為零，故曲柄不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的該位置稱為死點(diǎn)位置。而由上述可見，四桿第三章常用機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)中是否存在死點(diǎn)位置，決定于從動(dòng)件是否與連桿共線。就傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)是不利的，應(yīng)該采取措施使機(jī)構(gòu)能順利通過(guò)死點(diǎn)位置。對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，可以利用從動(dòng)件的慣性來(lái)通過(guò)死點(diǎn)位置的，例如圖3-26縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)就是借助于帶輪的慣性通過(guò)死點(diǎn)位置的；也可以采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列的辦法，即將兩組以上的機(jī)構(gòu)組合起來(lái)，而使各組機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置相互錯(cuò)開，如圖3-49所示的蒸汽機(jī)機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就是由兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)EFG和E′F′G′組成的，而兩者的曲柄位置相互錯(cuò)開90o。圖3-48死點(diǎn)位置第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-49蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-50連桿式快速夾具

機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置并非總是起消極作用的。在工程實(shí)際中，不少場(chǎng)合也利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的工作要求。如圖3-50所示的夾緊工件用的連桿式快速夾具，就是利用死點(diǎn)位置來(lái)夾緊工件的。在連桿2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T作用下，從動(dòng)件3處于死點(diǎn)位置。即使此反彈力很大，也不會(huì)使工件松脫。第三章常用機(jī)構(gòu)第三節(jié)凸輪機(jī)構(gòu)一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)基本構(gòu)件所組成的一種高副機(jī)構(gòu)。其中凸輪是一個(gè)具有某種曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，通常作等速運(yùn)動(dòng)；而從動(dòng)件是根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)，可獲得一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，例如往復(fù)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)，亦即可使從動(dòng)件連續(xù)的或不連續(xù)的任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，因而廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械和自動(dòng)控制裝置中。圖3-51所示為內(nèi)燃機(jī)的凸輪配氣機(jī)構(gòu)。當(dāng)凸輪1等角速度回轉(zhuǎn)時(shí)，其工作輪廓驅(qū)使氣閥推桿2在導(dǎo)路中往復(fù)移動(dòng)，從而使氣閥按預(yù)期的運(yùn)動(dòng)要求啟閉閥門。第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-51內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)圖3-52繞線機(jī)構(gòu)

圖3-53所示為繞線機(jī)中用于排線的凸輪機(jī)構(gòu)。當(dāng)繞線軸3快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)齒輪帶動(dòng)凸輪1緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)凸輪的輪廓與頂尖A之間的作用，迫使從動(dòng)件2往復(fù)擺動(dòng)，從而使線均勻地繞在繞線軸上。第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-53所示為錄音機(jī)卷帶裝置中的凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪1隨放音鍵上下移動(dòng)。放音時(shí)，凸輪1處于圖示最底位置，在彈簧6的作用下，安裝于帶輪軸上的摩擦輪4緊靠卷帶輪5，從而將磁帶卷緊。停止放音時(shí)，凸輪1隨按鍵上移，其輪廓壓迫從動(dòng)件2順時(shí)針擺動(dòng)，使摩擦輪與卷帶輪分離，從而停止卷帶。

圖3-53錄音機(jī)卷帶機(jī)構(gòu)圖3-54送料機(jī)構(gòu)圖3-54所示為凸輪自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)。當(dāng)帶有凹槽的凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)槽中的滾子，驅(qū)使從動(dòng)件往復(fù)移動(dòng)。凸輪每轉(zhuǎn)一周，從動(dòng)件即從儲(chǔ)料器中推出一個(gè)毛坯，送到加工位置。第三章常用機(jī)構(gòu)

凸輪機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是只要正確設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線，就可以使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、工作可靠。缺點(diǎn)是凸輪工作輪廓的加工較為復(fù)雜，而且凸輪工作輪廓與從動(dòng)件之間為點(diǎn)接觸或線接觸，易于磨損。所以通常多用于傳力不大的控制機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中。凸輪機(jī)構(gòu)的種類很多，常用的分類方法有：（1）按凸輪的形狀分盤形凸輪這種凸輪是一個(gè)繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且徑向尺寸變化的盤形構(gòu)件（圖3-51、圖3-52），盤形凸輪的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多，是凸輪中的最基本形式。移動(dòng)凸輪當(dāng)盤形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無(wú)窮時(shí)，凸輪相對(duì)機(jī)架作直線運(yùn)動(dòng)，這種凸輪稱為移動(dòng)凸輪（圖3-53）。它常用于機(jī)床上控制刀具的靠模裝置、蒸汽機(jī)的氣閥機(jī)構(gòu)及其它自動(dòng)控制裝置中。圓柱凸輪凸輪為一個(gè)圓柱體，它可以看成是將移動(dòng)凸輪卷在圓柱體上而得到的凸輪。曲線輪廓可以在圓柱面上開出凹槽（圖3-54），也可以開在圓柱體的端面。第三章常用機(jī)構(gòu)

（2）按從動(dòng)件端部型式分尖底從動(dòng)件這種從動(dòng)件結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，且尖底能與較復(fù)雜形狀的凸輪輪廓保持接觸，因而能實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖3-55a）。但尖底極易磨損，故只適用于輕載、低速的凸輪和儀表機(jī)構(gòu)中。滾子從動(dòng)件在從動(dòng)件的尖端處裝有一個(gè)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的滾子，變尖底接觸時(shí)的滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減輕了磨損，改善了工作條件，因此，可以承受較大的載荷，應(yīng)用也最為廣泛（圖3-55b）。平底從動(dòng)件從動(dòng)件的一端做成平底（圖3-55c）。在凸輪輪廓與從動(dòng)件底面接觸時(shí)，接觸面之間易于形成油膜，故潤(rùn)滑條件較好，磨損小。當(dāng)不計(jì)摩擦?xí)r，凸輪對(duì)從動(dòng)件的作用力始終與平底垂直，傳力性能好，傳動(dòng)效率較高，所以常用于高速凸輪機(jī)構(gòu)中（如內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)）。但由于從動(dòng)件為一平底，故不能用于帶有內(nèi)凹輪廓的凸輪機(jī)構(gòu)。第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-55從動(dòng)件的型式

若按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方式不同，凸輪機(jī)構(gòu)還可分為直動(dòng)從動(dòng)件（圖3-51）和擺動(dòng)從動(dòng)件（圖3-52）兩種。如果直動(dòng)從動(dòng)件的中心線通過(guò)凸輪軸心，則稱為對(duì)心式直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，否則稱為偏置式直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。第三章常用機(jī)構(gòu)

若按從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸形式分，也還可分為力封閉和幾何封閉的凸輪機(jī)構(gòu)。前者是利用從動(dòng)件的重力、彈性力（圖3-51）或其他外力使從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸；而后者是依靠高副本身的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸，圖3-56、圖3-57、圖3-58所示分別為幾種凸輪機(jī)構(gòu)幾何閉鎖的實(shí)例。a）b）c）圖3-56等寬凸輪機(jī)構(gòu)圖3-57等徑凸輪機(jī)構(gòu)圖3-58共軛凸輪機(jī)構(gòu)第三章常用機(jī)構(gòu)

二、從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律如前所述，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線的形狀。如果對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求不同，就需要設(shè)計(jì)具有不同形狀輪廓曲線的凸輪。因此，設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)工作要求確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后按照這一運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線。下面以尖頂直動(dòng)從動(dòng)件、盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，說(shuō)明從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓曲線之間的相互關(guān)系。圖3-59所示為一對(duì)心式尖底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪的輪廓曲線由非圓曲線BC和DE以及圓弧曲線CD和EB所組成。以凸輪輪廓曲線的最小向徑rb為半徑所作的圓稱為基圓。rb稱為基圓半徑。凸輪輪廓曲線與基圓相切于B、E兩點(diǎn)。如圖所示，當(dāng)從動(dòng)件尖底與凸輪輪廓曲線在Ｂ點(diǎn)接觸時(shí)，從動(dòng)件處于最低位置。當(dāng)凸輪以等角速度順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件首先與凸輪輪廓曲線的非圓曲線BC段接觸，此時(shí)從動(dòng)件將在凸輪輪廓曲線的作用下由最低位置Ｂ被推到最高位置C，從動(dòng)件的這一行程稱為推程，凸輪相應(yīng)得轉(zhuǎn)角Ф稱為推程運(yùn)動(dòng)角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件與凸輪輪廓曲線的圓第三章常用機(jī)構(gòu)弧CD段接觸，故從動(dòng)件處于最高位置而靜止不動(dòng)，這一過(guò)程，稱為遠(yuǎn)停，在此過(guò)程中凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角Фz稱為遠(yuǎn)休止角。凸輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件與凸輪輪廓的非圓曲線DE段接觸，從動(dòng)件又由最高位置Ｄ回到最低位置Ｅ，從動(dòng)件的這一行程稱為回程，凸輪相應(yīng)轉(zhuǎn)角Ф′稱為回程運(yùn)動(dòng)角。而后，從動(dòng)件與凸輪輪廓曲線的圓弧EB段接觸，從動(dòng)件在最低位置靜止不動(dòng)，這一過(guò)程稱為近停，凸輪相應(yīng)得轉(zhuǎn)角Фz′稱為近休止角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件在推程和回程中移動(dòng)的距離h稱為從動(dòng)件的行程。從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其位移s、速度v和加速度a隨時(shí)間t的變化規(guī)律稱為從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于凸輪一般以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，所以凸輪轉(zhuǎn)角Ф與時(shí)間t成正比，故從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也可用從動(dòng)件的上述運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律來(lái)表示。將這些運(yùn)動(dòng)規(guī)律在直角坐標(biāo)系中表示出來(lái)，就得到從動(dòng)件的位移線圖、速度線圖和加速度線圖。圖3-59b所示即為從動(dòng)件的位移s和凸輪轉(zhuǎn)角Ф之間關(guān)系的位移線圖。第三章常用機(jī)構(gòu)圖3-59凸輪機(jī)構(gòu)的工作情況a）對(duì)心式尖底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)b）位移線圖第三章常用機(jī)構(gòu)

由上分析可知，從動(dòng)件的位移線圖取決于凸輪輪廓曲線的形狀。即從動(dòng)件的不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓曲線。表3-1中列出了從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)線圖。１）等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律當(dāng)凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)。而在運(yùn)動(dòng)的起始與終點(diǎn)處速度產(chǎn)生突變，加速度理論上為無(wú)窮大，產(chǎn)生無(wú)窮大的慣性力，機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生極大的沖擊，稱為剛性沖擊。因此，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于低速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。

2）等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律當(dāng)凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件的加速度為常數(shù)。而在運(yùn)動(dòng)的起始、終點(diǎn)和中間位置處加速度產(chǎn)生突變，產(chǎn)生較大的慣性力，由此而引起的沖擊稱為柔性沖擊。因此，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于中、低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。

第三章常用機(jī)構(gòu)3）余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度皆連續(xù)，但在運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)處加速度產(chǎn)生突變，產(chǎn)生柔性沖擊。因此，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于中、低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。

4）正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律又名擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。從動(dòng)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和加速度皆連續(xù)無(wú)突變，避免了剛性沖擊和柔性沖擊。因此，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。第三章常用機(jī)構(gòu)第四節(jié)間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)械中，特別是在各種自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)械中，常常需要把原動(dòng)件的連續(xù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閺膭?dòng)件的周期性間歇運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種間歇運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。例如機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)、分度機(jī)構(gòu)、自動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)、電影放映機(jī)的卷片機(jī)構(gòu)和計(jì)數(shù)器的進(jìn)位機(jī)構(gòu)等。常見的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有棘輪機(jī)構(gòu)和槽輪機(jī)構(gòu)。一、棘輪機(jī)構(gòu)

1．棘輪機(jī)構(gòu)的組成、工作原理及基本類型圖3-60所示的棘輪機(jī)構(gòu)主要由棘輪1、棘爪2和機(jī)架組成，與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)配合使用。當(dāng)曲柄4連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空套在軸上的搖桿3做往復(fù)擺動(dòng)。搖桿向左擺動(dòng)，棘爪推動(dòng)棘輪逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)；搖桿向右擺動(dòng)，棘爪在齒背上滑過(guò)，棘輪靜止不動(dòng)。當(dāng)曲柄連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，棘輪作單向的間歇運(yùn)動(dòng)。止回棘爪5的作用是防止棘輪反轉(zhuǎn)。第三章常用機(jī)構(gòu)

圖3-60單向棘輪機(jī)構(gòu)圖3-61雙向棘輪機(jī)構(gòu)

為使棘輪作兩個(gè)方向的間歇運(yùn)動(dòng)，可將棘爪做成對(duì)稱式，棘輪也做成對(duì)稱形，需要改變轉(zhuǎn)向時(shí)，把棘爪翻過(guò)來(lái)置于虛線位置，棘輪就作反向間歇運(yùn)動(dòng)，如圖3-61所示。圖3-62所示為雙動(dòng)作棘輪機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是搖桿往復(fù)擺動(dòng)時(shí)都能使棘輪沿單一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。棘輪順時(shí)針轉(zhuǎn)如圖3-62a所示；棘輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)如圖3-62b