機械設計與分析基礎- 課件 第五章 常用機構

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

四、螺旋機構的類型及應用教學難點：一、平面四桿機構的運動設計二、圖解法繪制凸輪輪廓線第四章常用機構第一節(jié)平面連桿機構一、鉸鏈四桿機構及其演化二、平面四桿機構的基本特性三、實現運動要求的機構參數圖解法實例四、構件和運動副的結構用以實現運動的傳遞、變換和傳送動力。

例如：內燃機、牛頭刨、鋼窗啟閉機構、自行車手閘機構等等。

平面連桿機構——若干構件通過低副（轉動副或移動副）聯接所組成的平面機構。

優(yōu)點：②兩構件的接觸面為平面或回轉面，易于制造和獲得較高

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

平面連桿機構——若干構件通過低副（轉動副或移動副）聯接所組成的平面機構。

例如：內燃機、牛頭刨、鋼窗啟閉機構、自行車手閘機構等等。一、

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

①曲柄為原動件：

將曲柄的勻速轉動→搖桿的變速擺動。工程實例：雷達天線俯仰角調整機構

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

功用：原動曲柄的等速轉動→從動曲柄的變速或等速轉動。工程實例：慣性篩驅動機構

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。（2）雙曲柄機構運動特性：①兩曲柄作等速同向轉動。②連桿作平移運動。工程實例：天平（2）雙曲柄機構工程實例：攝影車坐斗升降機構

采用了兩組平行四邊形機構，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ABDC

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

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

是反平行四邊形機構的實例，實現兩扇門反向開啟和關閉。（2）雙曲柄機構（3）雙搖桿機構——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：造型機的翻轉機構利用其連桿（BC）可在平面內作360°轉動的運動特點，實現砂箱震實和起模相對翻轉180°的I、II兩個位置。ABDCE工程實例：汽車前輪轉向機構ABCDABDCEABDCE當汽車走直道時，ABCD呈等腰梯形；

當汽車走彎道時，AB、DC兩搖桿擺不同的角度，使兩前輪轉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

吊鉤可使連桿機構中連桿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2．鉸鏈四桿機構的演化（1）改變構件的形狀和長度

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

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

偏心輪機構（3）取不同構件為機架

選取不同構件作機架，可得不同型式的機構，這種演化方式稱為倒置。

例如，雙曲柄機構和雙搖桿機構可視為曲柄搖桿機構經倒置演化而成。其它機構的倒置：

工程實例：搓絲機

①

含有一個移動副的四桿機構以構件4為機架（3）取不同構件為機架

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

含有一個移動副的四桿機構其它機構的倒置：轉動導桿機構工程實例:自動卸料卡車以構件2為機架

（3）取不同構件為機架①

含有一個移動副的四桿機構其它機構的倒置：搖塊機構以構件3為機架

工程實例：手動唧筒

（3）取不同構件為機架①

含有一個移動副的四桿機構其它機構的倒置：

定塊機構

以構件4為機架工程實例：橢圓儀②

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

②

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

②

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

②

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

設：a、b、c、d分別為各桿長度；AB桿為曲柄。

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

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)

根據三角形兩邊和大于第三邊（極限情況下等于）的性質，可導出：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動由以上式可得在曲柄搖桿機構中，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件為機架，則該機構只有一個曲柄曲柄搖桿機構雙曲柄機構雙搖桿機構若取最短桿為機架，該機構有兩個曲柄若取最短桿對邊構件為機架，該機構無曲柄

如果不能滿足條件②，則四個構件均相對擺動：無論取哪個構件為機架均無曲柄，都是雙搖桿機構。曲柄搖桿機構雙曲柄機構雙搖桿機構——平面四桿機構的主動件等速轉動時，作往復擺動（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時間，減小原動機功率，提高生產率。工程實例：牛頭刨床工程實例：曲柄搖桿機構擺角為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。主動件等速轉動，工作行程中，搖桿由DC1擺到DC2，所對應的曲柄轉角1=180?+θ，所需時間為tw，則搖桿的平均角速度ωw為:曲柄搖桿機構的行程速比系數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（或稱行程速比系數）K來衡量，即：試分析：對心曲柄滑塊機構的有無急回特性。偏置曲柄滑塊機構：有急回特性。擺動導桿機構：θ180°＋θ180°-θ有急回特性，且θ＝ψ。在設計具有急回特性的平面四桿機構時，常根據工作要求預先選定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中，曲柄1經過連桿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——沿搖桿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中，曲柄1經過連桿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——沿搖桿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，Ft愈大，機構傳力性越好，故α的大小可判定機構傳力性能的優(yōu)劣。αFFt

FnγABCD［α］：壓力角許用值。對應于曲柄的不同位置，壓力角α是變化的，其中有一個最大壓力角αmax。為了保證機構傳力性能良好，應使：αmax≤［α］對于只傳遞運動，受力較小的機構，允許傳動角?。ɡ缭谝恍﹥x表中）。為保證機構具有良好的傳力性能，應限制γmin

。重載情況下，應取γmin≥50?。為保證機構運轉輕便、高效，通常取

γmin≥40?；αFFt

FnγABCDδCDBAFδγ當δ≤90?時，γ＝δ。當δ＞90?時，γ＝180?-δ?？梢宰C明，曲柄搖桿機構的最小傳動角γmin出現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，允許傳動角?。ɡ缭谝恍﹥x表中）。重載情況下，應取γmin≥50?。為保證機構運轉輕便、高效，通常取

γmin≥40?；為保證機構具有良好的傳力性能，應限制γmin

。4．死點在有些機構中，運動中會出現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運動，這種位置稱為死點。

AB1C1DPAB2C2DP工程實例：縫紉機腳踏驅動機構

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

工程實例：機車車輪的聯動裝置4．死點還可利用機構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：電氣開關分合閘機構4．死點當合閘（接通電路）時，機構處于AB、BC共線的死點位置，不會因機構受到較大的接觸力Q和彈簧拉力F而自動跳閘；分閘（切斷電路）時，只需推動AB桿轉動，使機構離開死點位置。三、實現運動要求的機構參數圖解法實例

[例4-1]

自動上料機的偏置曲柄滑塊機構，曲柄為主動時，行程速比系數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），即曲柄的轉動中心。（3）確定曲柄的轉動中心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由曲柄滑塊機構在極限位置的幾何關系可得：

[例4-2]鑄造車間振實造型機工作臺的翻轉機構。當翻臺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能轉過180°到達圖示托臺上方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所示的翻轉機構。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．構件的結構四、

構件和運動副的結構

當轉動副之間的距離較大時，構件一般做成桿狀。（1）桿狀構件對于轉動副間距較小的曲柄常做成偏心輪結構。1．構件的結構四、

構件和運動副的結構

（2）盤狀構件1．構件的結構四、

構件和運動副的結構

（3）軸狀構件為防止高速轉動時因質量分布不均勻而產生離心力，應采用合理結構使構件的質量趨于均布，并進行構件的靜平衡或動平衡。1．構件的結構四、

構件和運動副的結構

（3）軸狀構件1．構件的結構四、

構件和運動副的結構

（4）塊狀構件

作移動的構件大都為塊狀，在機構運動分析中稱為滑塊，其結構、形狀與運動副的結構有關。2．運動副的結構除軸與軸承構成的轉動副外，鉸鏈類型的轉動副也得到廣泛地應用。（1）轉動副

浮動銷軸結構——銷軸與構件1、2之間均能相對轉動，彈性擋圈用來限制銷軸的軸向移動。1、2－構件3－

銷軸4－

彈性擋圈5－油孔固定銷軸結構——銷軸與構件2采用鉚接方法固連。2．運動副的結構除軸與軸承構成的轉動副外，鉸鏈類型的轉動副也得到廣泛地應用。（1）轉動副

1、2－構件3－

銷軸4－

鉚釘頭5－油孔（2）移動副平面接觸式——(a)矩形(b)V形(c)燕尾形(d)組合形①如活塞與缸體、滑移齒輪與花鍵等構成的移動副，移動距離較小且行程固定。②當移動距離較大時常采用導軌式移動副。常見結構有：圓柱面接觸式——（2）移動副1－側板2－

導軌3－

構件

側板用以限制構件和導軌間的相對轉動。3．平面連桿機構的調整與維護

1－調整螺釘2－

鑲條1－動導軌2－

調整墊片3－

壓板①

利用調整螺釘移動鑲條的位置以調整間隙。②

通過改變壓板與動導軌結合面間墊片的厚度來調整間隙。3．平面連桿機構的調整與維護

把連桿做成左右兩部分，轉動帶有左、右旋螺紋的連接套，可調整連桿長度BC。3．平面連桿機構的調整與維護

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在棘輪機構中，轉動調節(jié)絲杠可改變曲柄的長度r，達到調節(jié)棘輪擺角的目的。第二節(jié)凸輪機構一、凸輪機構應用及分類二、從動件的常用運動規(guī)律四、基本尺寸的確定三、凸輪輪廓的圖解法五、凸輪機構的材料與結構一、凸輪機構應用及分類

凸輪——具有曲線輪廓或溝槽的構件，在其運動時，用輪廓或溝槽驅動從動件運動。凸輪機構主要由凸輪、從動件及機架三個基本構件組成，是一種含高副的常用機構。工程實例：內燃機配氣機構一、凸輪機構應用及分類

工程實例：繞線機一、凸輪機構應用及分類

1－凸輪2－

布線桿3－

繞線軸工程實例：行程控制凸輪機構一、凸輪機構應用及分類

1－凸輪2－

推桿工程實例：機床自動進給機構一、凸輪機構應用及分類

1－凸輪2－

從動件3刀架凸輪機構結構簡單、緊湊，工作可靠，只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到準確的任意預期運動。凸輪與從動件間為高副接觸，易磨損。所以常用于傳力不大的場合。如：自動機床進刀機構、上料機構、內燃機配氣機構、印刷機、紡織機等。一、凸輪機構應用及分類

凸輪機構的種類繁多，常用凸輪機構分類如下：1.按凸輪的形狀分①盤形凸輪——形狀如盤，繞定軸轉動且具有變化的向徑。（平面凸輪機構）是凸輪的基本型式。凸輪形狀如板，沿直線相對機架作往復移動，并具有曲線形的側輪廓。（平面凸輪機構）②移動凸輪移動凸輪可視為回轉中心為無窮遠處的部分盤形凸輪。1.按凸輪的形狀分③圓柱凸輪端面圓柱凸輪凸輪形狀如圓柱，繞其軸線定軸轉動且有曲線形溝槽。（空間凸輪機構）圓柱凸輪可視為是移動凸輪卷成圓柱而成的。1.按凸輪的形狀分2.按從動件的結構形式分（1）尖端從動件由于端部與凸輪是高副接觸，接觸應力大，易磨損，故只用于輕載低速的場合。從動件端部呈尖點或鑿刃形，能和任何凸輪廓線保持接觸，從動件能實現任意運動。1－凸輪2－

布線桿3－

繞線軸（2）滾子從動件從動件端部裝有可以自由轉動的滾子，以減小摩擦和磨損，能傳遞較大的動力。但端部結構復雜，質量較大，不易潤滑，故不宜用于高速。2.按從動件的結構形式分（3）平底從動件凸輪與平底接觸處易形成楔形油膜，故常用于高速凸輪。當不計摩擦時，凸輪對從動件的驅動力垂直于平底，有效作用力較大。但不能用于有內凹或直線輪廓的凸輪。2.按從動件的結構形式分3.按從動件運動形式分（1）直動從動件——從動件做往復直線移動。

偏置直動從動件：從動件導路不通過盤形凸輪回轉中心。

對心直動從動件：從動件導路通過盤形凸輪回轉中心。

偏距e——從動件導路與凸輪回轉中心的距離。對心直動滾子凸輪（2）擺動從動件——從動件作往復擺動。3.按從動件運動形式分1－凸輪2－

布線桿3－

繞線軸4.按鎖合方式分

鎖合——使凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。（1）力鎖合——靠重力、彈簧力或其它力鎖合。鎖合的方式有：工程實例：內燃機配氣機構靠彈簧力鎖合。（2）幾何鎖合——依靠凸輪和從動件的特殊幾何形狀鎖合。

工程實例：圓柱凸輪的凹槽兩側面間的距離處處等于滾子直徑，故能保證滾子與凸輪始終接觸，以實現鎖合。4.按鎖合方式分

鎖合——使凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。鎖合的方式有：

其它常用的幾何鎖合方式有：“主回凸輪”；“等徑凸輪”；“等寬凸輪”等等。（1）力鎖合（2）幾何鎖合4.按鎖合方式分

鎖合——使凸輪輪廓與從動件始終保持接觸。鎖合的方式有：主回凸輪等徑凸輪等寬凸輪凹槽凸輪二、從動件的常用運動規(guī)律

工程實例：對心尖端直動從動件盤形凸輪機構1.凸輪機構的運動過程凸輪逆時針方向勻速轉動；從動件尖端在離輪心最近（低）位置A和最遠（高）位置B'之間往復移動。rbhotsФtΦ，

從動件與基圓上的點A接觸時處于“最低”位置，是從動件上升的起始位置。運動過程分析：A

凸輪轉過Фt角時，從動件與凸輪輪廓AB段接觸，并上升h至最高位置B'。推程：ФtBB'h——升程Фt——推程運動角

基圓——以凸輪輪廓上最小半徑rb為半徑的圓。rbhotsФtΦ，

AФtBB'

凸輪轉過ФS角時，從動件與凸輪輪廓BC段接觸，并在最高處靜止不動。ФS——遠程休止角遠程休止過程：ФsФsФhФhCA′回程：

凸輪轉過Фh角時，從動件與凸輪輪廓上CA'段接觸，從動件下降h。Фh——回程運動角

凸輪轉過Фs'角時，從動件尖端與凸輪輪廓上A'A段接觸，從動件在最低處保持不動。近程休止過程：Фs'rbhotsФtΦ，

AФtBB'ФsФsФhФhCA′Фs′

凸輪連續(xù)回轉時，從動件重復上述升→?！怠＿\動過程。Фs′——近程休止角從動件的位移與凸輪轉角（或時間）的關系可用位移線圖表示，也可用解析式表示。凸輪輪廓上的AB段和CA'段的形狀尺寸決定了從動件推程和回程的運動規(guī)律。位移線圖二、從動件的常用運動規(guī)律

1.凸輪機構的運動過程

2.從動件常用位移線圖在工程實際應用中，凸輪的輪廓要根據從動件的位移線圖確定，而從動件的位移線圖又要根據工作要求來決定。幾種從動件常用位移線圖的作圖方法、特點及適用范圍以升→?！怠＿\動過程的推程為例，介紹幾種從動件常用的位移線圖及作圖方法、特點及適用范圍。幾種從動件常用位移線圖的作圖方法、特點及適用范圍三、凸輪輪廓的圖解法

根據選定的從動件運動規(guī)律和其它有關數據，可用圖解法直接繪出平面凸輪輪廓。圖解法簡單、直觀，但精度較低，多用于確定要求不高的凸輪機構。圖解法繪制凸輪輪廓是應用反轉法原理。-ωω已知凸輪基圓半徑rb，偏距e及偏置方位，凸輪以等角速度ω順時針轉動，從動件的位移線圖，試繪制凸輪輪廓。（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓作圖步驟和方法如下：（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°13578作圖步驟和方法如下：-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓1'2'3'4'5'6'7'8'1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°1357815'14'13'12'11'10'9'-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω（1）尖端從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓作圖步驟和方法如下：1'3'5'7'8'91113159'11'13'12'14'sΦ

60°120°90°90°13578-ωeA120°60°90°90°Orb123456781215141110913ω當e=0時，即為對心尖端直動從動件盤形凸輪機構。此時，偏距圓收縮為凸輪回轉中心O，偏距圓的切線即為過O的徑向線，其余作圖的步驟及方法與以上所述相同。（2）滾子從動件

理論輪廓曲線η——滾子中心當作從動件的尖端，先按繪制尖端從動件凸輪的步驟和方法繪出一條凸輪輪廓曲線。實際輪廓曲線η'——再以上各點為圓心，以滾子半徑rT為半徑畫一系列的圓，這些圓的內包絡線即為采用滾子從動件時凸輪的實際輪廓曲線。1.直動從動件盤形凸輪輪廓（3）平底從動件理論輪廓曲線η——

把平底與導路的交點B看作尖端從動件的尖端，按尖端從動件凸輪輪廓繪制方法求出理論輪廓曲線上一系列點B1、B2、B3、…；實際輪廓曲線η'

——

再過這些點畫出各位置的平底；最后，作這些平底的包絡線，即得凸輪輪廓。1.直動從動件盤形凸輪輪廓若實際輪廓不能與每個平底內切，將導致運動失真。此時，可以適當增大凸輪基圓半徑，重新繪制凸輪輪廓。（3）平底從動件1.直動從動件盤形凸輪輪廓例：尖端擺動從動件盤形凸輪機構2.擺動從動件盤形凸輪輪廓

已知：凸輪基圓半徑rb、凸輪回轉中心與擺動從動件擺動中心間距離、擺動從動件長度、從動件的角位移線圖、凸輪角速度ω及從動件推程擺動方向。試：繪制凸輪輪廓。繪制凸輪輪廓時仍用反轉法。1'2'3'4'56785'6'7'8'ψΦ

60°120°90°90°1234ФsФtФhФs'LOAA0

B0LAB-ω

ω繪制的步驟及方法如下：rbOA0

B0LAB-ω

ωrbOA5A6A7A8B1B2B3B4B5B6B7B8B'1ψ1B'2ψ2B'3ψ3A1A2A3A4B'4ψ4ψ5B'5ψ6B'6B'7ψ71'2'3'4'56785'6'7'8'ψΦ

60°120°90°90°1234ФsФtФhФs'120°60°90°90°繪制的步驟及方法如下：若采用滾子或平底從動件，與直動從動件作法相似，先作理論輪廓線，再在理論輪廓線的基礎上繪一系列滾子或平底，最后繪制包絡線便可求得實際輪廓。移動凸輪和圓柱凸輪輪廓繪制都以盤狀凸輪輪廓繪制為基礎，具體作法可參閱相關參考文獻。2.擺動從動件盤形凸輪輪廓

四、基本尺寸的確定

1.壓力角、基圓半徑及偏距在設計凸輪機構時，不僅要使其能實現預期的運動規(guī)律，還要使其具有良好的傳力性能和緊湊的結構尺寸。傳力性能直接影響機構的摩擦、磨損、效率和自鎖，且與機構尺寸有關。（1）凸輪輪廓上不同點處壓力角一般是不同的，值越小，機構傳力性能越好。一般設計中，限定最大壓力角不能大于許用壓力角[α]，即αmax≤[α]。例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構許用壓力角值推薦如下：若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：直動從動件：推程許用壓力角[α]=30°~40°。擺動從動件：推程許用壓力角[α]=35°~45°回程時發(fā)生自鎖的可能性很小，特別是力鎖合型凸輪機構。通?？扇』爻痰脑S用壓力角[α']=70°~80°。許用壓力角值推薦如下：許用壓力角值推薦如下：若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構（1）凸輪輪廓上不同點處壓力角一般是不同的，值越小，機構傳力性能越好。一般設計中，限定最大壓力角不能大于許用壓力角[α]，即αmax≤[α]。（2）當選定、e后，加大rb可以減小壓力角，但機構總體尺寸增大。為了使機構既有較好的傳力性能，又有較緊湊的結構尺寸，設計時，通常:

在αmax≤[α]前提下，盡量采用較小基圓半徑。若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構下列經驗數據可供選擇rb參考：①與軸分體的鑄鐵凸輪

rb≥rh+(3~5)+rT

或rb≥1.75rs+(3~5)+rT

②

鋼凸輪的rb值可略減小；式中，rh——凸輪輪轂半徑；

rs——裝凸輪處軸的半徑。③

軸凸輪的rb可取略大于（rs＋rT）。（3）e前為負號的導路偏置方位，適當大小的偏距，可以減小壓力角。但應注意：若推程的壓力角減小，則回程的壓力角將增大。

例：偏置尖端直動從動件盤形凸輪機構若從動件的運動規(guī)律為

，可得(推導略)：①在實際設計中，通?？筛鶕臻g位置和經驗初選一個基圓、偏距，并以此確定凸輪輪廓。②用作圖法校核壓力角。③如果不能滿足要求，則應適當增大基圓半徑、調整e值重新設計。αmax一般出現在：推程的起始位置；從動件具有最大速度的位置；凸輪輪廓曲線較陡處。在實際中確定凸輪輪廓的步驟：2.從動件滾子半徑滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。

理論廓線η；實際廓線η'

；滾子半徑rT

；理論廓線曲率半徑ρ

；實際廓線曲率半徑ρ'。對于凸輪的內凹部分，無論rT大小如何，實際廓線總可以得到。對于外凸凸輪，滾子半徑rT應小于理論廓線上最小曲率半徑ρmin，通常應保證rT≤0.8ρmin

。2.從動件滾子半徑滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。2.從動件滾子半徑對于外凸凸輪，滾子半徑rT應小于理論廓線上最小曲率半徑ρmin，通常應保證rT≤0.8ρmin

。滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。2.從動件滾子半徑對于外凸凸輪，滾子半徑rT應小于理論廓線上最小曲率半徑ρmin，通常應保證rT≤0.8ρmin

。滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。

滾子半徑rT應在結構及強度允許條件下盡量取小值。

通常：rT=（0.1~0.5）rb。

不滿足rT≤0.8ρmin時，可適當加大rb。2.從動件滾子半徑滾子半徑的選取，要考慮滾子結構、強度及凸輪輪廓線形狀等因素。各點的ρ'可用作圖法求得。此方法也可用于求壓力角。3.平底長度平底與凸輪實際輪廓的切點，隨著導路反轉的位置變化。從圖上可以找到平底左右兩側離導路最遠兩切點至導路的距離b'和b"。取b'和b"中較長者為Lmax

。為保證平底始終與凸輪輪廓接觸，從動件平底總長度用L表示，單位為mm，計算式為：五、凸輪機構的材料與結構

1.凸輪機構的常用材料凸輪材料

——要求工作表面有較高的硬度，芯部有較好的韌性。一般尺寸不大的凸輪：45鋼、40Cr鋼。并進行調質或表面淬火，硬度為52～58HRC。要求更高時：15鋼、20Cr鋼。滲碳淬火，表面硬度：56～62HRC，滲碳深度為0.8～1.5mm。尺寸大或輕載的凸輪：優(yōu)質灰鑄鐵。載荷較大時：耐磨鑄鐵。從動件接觸端面常用的材料

——45鋼，也可用T8、T10、

T12，淬火硬度為55～62HRC。

滾子材料

——可采用20Cr鋼。滲碳淬火，表面硬度為56～62HRC。也可用滾動軸承作為滾子。1.凸輪機構的常用材料要求較高時可以使用20Cr進行滲碳淬火等處理。2.凸輪機構的常用結構（1）凸輪①凸輪軸當凸輪基圓較小時，可將凸輪與軸做成一體，稱為凸輪軸。②整體式凸輪當凸輪尺寸較小又無特殊要求或不需經常裝拆時，一般采用整體式凸輪。優(yōu)點：加工方便，精度高和剛性好。軸轂常采用平鍵；其輪轂尺寸的推薦值為：③組合式凸輪對于大型低速凸輪機構的凸輪或經常調整輪廓形狀的凸輪，常采用凸輪與輪轂分開的組合式結構。利用圓弧槽可調整凸輪盤與輪轂的相對角度。（2）滾子滾子常采用的裝配結構：無論是哪種結構形式，都必須保證滾子能靈活自由地轉動。返回第三節(jié)螺旋機構一、螺紋二、螺旋機構的類型及應用螺旋機構

——由螺桿、螺母和機架組成。回轉運動與直線運動的變換;主要功能：力的傳遞;

測量和調整。

利用螺桿和螺母構成的螺紋副來工作。

一、螺紋d2在生產中螺紋是按照螺旋線形成的原理進行制作的。螺紋1.螺紋的形成螺紋的加工方法很多，如：車制內、外螺紋。對于直徑較小的螺孔，可先用鉆頭鉆出光孔，再用絲錐攻出螺紋。對于直徑較小的外螺紋也可用輾壓的方法或板牙絞出。1.螺紋的形成按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋螺紋牙型——螺紋加工中，采用不同形狀的車刀，得到的工件軸線剖面內不同的螺紋形狀。2.螺紋牙型的特點和應用

按螺紋牙型分類矩形螺紋三角形螺紋梯形螺紋鋸齒形螺紋15o30o3o30o

常用的螺紋牙型及其特點和應用見表4-3。右旋螺紋左旋螺紋按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分多線螺紋一般:n≤4雙線螺紋單線螺紋PSS=2PPSPS=Pn線螺紋:S=n

P單線螺紋按螺紋的牙型分螺紋的分類按螺紋的旋向分按螺旋線的根數分按回轉體的內外表面分按螺旋的作用分按母體形狀分外螺紋內螺紋按回轉體的內外表面分聯接螺紋傳動螺紋按螺旋的作用分圓柱螺紋圓錐螺紋管螺紋按母體形狀分（3）中徑d2（D2）d1d2d（1）大徑d（D）（2）小徑

d1（D1）（4）螺距P（5）導程S（6）螺紋升角λ（7）牙型角

α牙側角

β

λS=nPSPP/2P/2（8）接觸高度

h

h3.螺紋的主要幾何參數πd2Sλββα二、

螺旋機構的類型及應用

螺旋機構具有結構簡單，工作連續(xù)、平穩(wěn)，傳動精度高，有良好的減速性能，施加較小的轉矩可以獲得很大的軸向推力，并且易于自鎖。其缺點是:由于螺旋副間產生較大的相對滑動，因而磨損大，效率低。螺旋機構的應用類型較多，可按其功用及摩擦性質來分類。二、

螺旋機構的類型及應用

類型按功用分傳力螺旋按摩擦性質分傳遞動力

1.螺旋機構的分類特點：利用傳動增力的的優(yōu)點，以傳遞動力為主。功能：可用較小的力矩轉動螺桿（或螺母），使螺母（或螺桿）產生軸向運動和較大的軸向力，用以起重和加壓等。應用：一般工作速度較低，大多間歇工作，通常要求自鎖，例如，螺旋壓力機、螺旋千斤頂

等。工程實例：螺旋壓力機（鍛壓機械）1.螺旋機構的分類工程實例：螺旋千斤頂（起重設備）1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高特點：利用傳動均勻、平穩(wěn)、準確的優(yōu)點，以傳遞運動為主，有時也承受較大的軸向載荷。應用：通常具有較高的傳動精度和工作速度。一般在一段時間內連續(xù)工作。例如，車床刀架溜板或工作臺絲杠傳動、螺旋測微器等。1.螺旋機構的分類工程實例：車床刀架1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋

調整相對位置功能：用以調整或固定機械零件或部件之間的相對位置。有時也承受較大的軸向載荷，常在空載下調整。應用：調整螺旋不經常轉動，要求自鎖。例如，測量工具、各類夾具、張緊裝置等的調整螺旋。

1.螺旋機構的分類調整螺旋調整螺旋1.螺旋機構的分類工程實例：螺旋測微器（測量工具）1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋特點：滑動螺旋副中產生滑動摩擦。故摩擦阻力大，傳動效率低（一般為30%~40%）；磨損快，引起螺旋副的軸向間隙，反向有空行程，導致傳動精度較低，使用壽命短。但其結構簡單、加工方便、易于自鎖。1.螺旋機構的分類

滑動螺旋傳動的應用：廣泛用于對傳動精度和效率要求不高的場合。特點：對螺旋副的軸向間隙無補償作用。特點：利用調整槽來消除螺旋副的軸向間隙。特點：利用調整楔塊來消除螺旋副的軸向間隙。整體螺母剖分式螺母組合式螺母按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋組成：螺桿、螺母、滾珠1.螺旋機構的分類滑動摩擦滾動摩擦按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋特點：螺旋副處于滾動摩擦狀態(tài)。因滾動摩擦阻力甚小，所以傳動效率高（可達90%以上），傳動時運動穩(wěn)定，動作靈敏。但結構復雜，制造技術要求很高，外形尺寸較大，成本高，不易自鎖。1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋應用：目前主要應用在精密傳動的數控機床上，以及自動控制裝置、升降機構和精密測量儀器中。1.螺旋機構的分類類型：外循環(huán)、內循環(huán)外循環(huán)反向器（返回通道）返回通道內循環(huán)返回通道返回通道按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋靜壓螺旋特點：螺桿與螺母的螺旋面間注入的壓力油，螺旋副處于液體摩擦狀態(tài)。摩擦阻力極小，傳動效率高（可達99%），工作壽命長。1.螺旋機構的分類按摩擦性質分類型按功用分傳力螺旋傳遞動力傳導螺旋傳遞運動,要求精度高調整螺旋調整相對位置滑動螺旋滾動螺旋靜壓螺旋特點：但結構復雜，需一套供油裝置，成本高。無自鎖性能。1.螺旋機構的分類僅用于要求高效率、高精度的重要傳動中。2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用螺母固定，螺桿回轉并作直線移動螺桿原位回轉，螺母直線移動按滑動螺旋中螺桿上螺旋副的數目，傳動形式分為：滑動螺旋機構因螺桿與螺母相對運動的不同情況可有多種傳動形式：單螺旋傳動雙螺旋傳動螺桿固定，螺母回轉并作直線移動螺母原位回轉，螺桿直線移動

特點：螺桿原位回轉，螺母直線移動。工程實例：機床溜板螺旋傳動（1）單螺旋傳動2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用1－螺桿2－

螺母3－

溜板箱4－

滑板工程實例：觀察鏡螺旋調整裝置特點：螺母原位回轉，螺桿直線移動（1）單螺旋傳動2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用1－觀察鏡2－

螺桿3－

螺母4－

機架工程實例：螺旋千斤頂

特點：螺桿固定，螺母回轉并作直線移動。

（1）單螺旋傳動2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用1－托盤2－

螺母3－

手柄4－

螺桿

特點：螺母固定，螺桿回轉并直線移動。工程實例：臺式虎鉗（1）單螺旋傳動2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用1－螺桿2－

活動鉗口3－

固定鉗口4－

螺母

特點：差動位移。工程實例：微調鏜刀

工作原理：

同一螺桿（或螺母）上制出兩段旋向相同、導程不等的螺旋，利用其導程之差，產生微小位移量。（2）雙螺旋傳動2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用1－螺桿2－刀套3－鏜桿4－鏜刀特點：合成位移。工程實例：銑床棒料快動夾具工作原理：同一螺桿（或螺母）上制出兩段旋向相反、導程不等或相等的螺旋，利用其導程之和，產生相向或相背的快速位移

（2）雙螺旋傳動2.滑動螺旋機構的傳動形式及應用返回1、3－卡爪2－棒料4－螺桿5－機架一、棘輪機構二、槽輪機構三、不完全齒輪機構四、凸輪式間歇運動機構第四節(jié)間歇運動機構一、棘輪機構1.棘輪機構的類型及工作原理按其工作原理可分：齒式棘輪機構和摩擦式棘輪機構。齒式棘輪機構摩擦式棘輪機構按嚙合（或摩擦）情況分：外嚙合齒式棘輪機構外“嚙合”和內“嚙合”兩種型式。一、棘輪機構1.棘輪機構的類型及工作原理1棘輪2驅動棘爪3搖桿4止回棘爪5扭簧6軸7機架

內嚙合齒式棘輪機構按嚙合（或摩擦）情況分：外“嚙合”和內“嚙合”兩種型式。一、棘輪機構1.棘輪機構的類型及工作原理

3搖桿2驅動棘爪1棘輪按嚙合（或摩擦）情況分：外“嚙合”和內“嚙合”兩種型式。一、棘輪機構1.棘輪機構的類型及工作原理1棘條2驅動棘爪3搖桿4止回棘爪7機架

棘條機構外摩擦式棘輪機構按嚙合（或摩擦）情況分：外“嚙合”和內“嚙合”兩種型式。一、棘輪機構1.棘輪機構的類型及工作原理

1棘輪2棘爪4棘爪7彈簧5機架3搖桿6彈簧內摩擦式棘輪機構按嚙合（或摩擦）情況分：外“嚙合”和內“嚙合”兩種型式。一、棘輪機構1.棘輪機構的類型及工作原理8構件10彈簧11滾子9構件組成：棘輪、搖桿、棘爪和機架及輔助裝置。（1

）齒式棘輪機構棘輪機構——齒式棘輪機構1棘輪2驅動棘爪3搖桿4止回棘爪5扭簧6軸7機架

組成：棘輪、搖桿、棘爪和機架及輔助裝置。（1

）齒式棘輪機構棘輪機構——1棘輪2驅動棘爪3搖桿4止回棘爪5扭簧6軸7機架

傳動原理：

當搖桿作順時針方向擺動時，與搖桿用回轉副相聯的驅動棘爪將插入齒槽推動棘輪轉過一定角度；

當搖桿作逆時針方向擺動時，驅動棘爪在棘輪齒上滑過，止回棘爪將阻止棘輪作逆時針方向轉動。棘輪每個行程轉角大小的調節(jié)方式:（1

）齒式棘輪機構

棘輪機構的搖桿是一曲柄搖桿機構的搖桿。因此可改變曲柄長度、連桿長度及搖桿長度。

棘輪上用遮板遮住了棘爪行程內的部分棘輪齒，可適當調整遮板的位置。（1

）齒式棘輪機構棘條機構——當棘輪半徑趨于無窮大時，棘輪機構演化為棘條機構。棘條作單向間歇移動。1棘條2驅動棘爪3搖桿4止回棘爪7機架

棘條機構齒式棘輪機構常見型式：單向單動式——（1

）齒式棘輪機構齒式棘輪機構1棘輪2驅動棘爪3搖桿4止回棘爪5扭簧6軸7機架

單向雙動式——（1

）齒式棘輪機構齒式棘輪機構常見型式：可變向（單動）式——單向轉動棘輪機構的棘輪齒形多為鋸齒形；可變向棘輪機構棘輪齒形為對稱梯形。（1

）齒式棘輪機構齒式棘輪機構常見型式：

3搖桿1棘爪2棘輪（1

）齒式棘輪機構齒式棘輪機構常見型式：可變向（單動）式——2棘輪1棘爪3搖桿4遮板5絲桿（2）摩擦式棘輪機構結構上最簡單的摩擦式棘輪機構——外摩擦式棘輪機構

1棘輪2棘爪4棘爪7彈簧5機架3搖桿6彈簧

靠偏心楔塊（棘爪）和棘輪之間的摩擦楔緊作用來工作。傳動過程與齒式棘輪機構相似。滾子摩擦棘輪機構——（2）摩擦式棘輪機構內摩擦式棘輪機構8構件10彈簧11滾子9構件

構件8若順時針轉動，由于彈簧的推動使?jié)L子在摩擦力作用下楔緊在構件8、9之間的狹隙處，從而帶動構件9一起轉動；滾子摩擦棘輪機構——（2）摩擦式棘輪機構內摩擦式棘輪機構8構件10彈簧11滾子9構件若構件8逆時針轉動，滾子在摩擦力作用下回到構件8、9之間的寬隙處，構件9靜止不動。2.棘輪機構的特點及應用齒式棘輪機構的特點：故不宜用于高速傳動。①結構簡單、制造方便、運動可靠，容易實現小角度的間歇轉動，轉角調節(jié)方便。②棘