《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)項(xiàng)目教程》課件項(xiàng)目2

模塊一設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

模塊二設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)

模塊三蜂窩煤壓制機(jī)中的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)項(xiàng)目二常用機(jī)構(gòu)模塊一設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

任務(wù)情境

1.汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的組成部分主要有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)體和汽缸蓋、配氣機(jī)構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)裝置等。具體結(jié)構(gòu)如圖2-1-1所示。圖2-1-1四沖程內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的工作原理

在內(nèi)燃機(jī)中，為了將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其汽缸內(nèi)部要進(jìn)行進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣等過(guò)程。排氣過(guò)程結(jié)束，又緊接著開(kāi)始下一個(gè)進(jìn)氣過(guò)程，就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)。每進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣一次叫做一個(gè)循環(huán)。四沖程內(nèi)燃機(jī)是活塞每走四個(gè)行程，即曲軸每轉(zhuǎn)兩圈完成一個(gè)工作循環(huán)。其工作過(guò)程如圖2-1-2所示。圖2-1-2單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)程任務(wù)提出與任務(wù)分析

1.任務(wù)提出

已知內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的行程速度變化系數(shù)k=1.4，行程H=200mm，偏距e=50mm，如何設(shè)計(jì)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)？

2.任務(wù)分析

內(nèi)燃機(jī)是和我們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)的機(jī)器，內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)必不可少的專(zhuān)用零部件。相關(guān)知識(shí)

2.1.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型和特點(diǎn)

根據(jù)構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可將連桿機(jī)構(gòu)分為平面連桿機(jī)構(gòu)和空間連桿機(jī)構(gòu)。所有構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均為平面運(yùn)動(dòng)且只用低副連接的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面連桿機(jī)構(gòu)，又稱(chēng)為平面低副機(jī)構(gòu)。根據(jù)構(gòu)件數(shù)目分為四桿機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)等。而在平面連桿機(jī)構(gòu)中最常見(jiàn)的形式則是平面四桿機(jī)構(gòu)，它同時(shí)也是多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。2.1.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型及演化

1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型

全部用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的平面四桿機(jī)構(gòu)稱(chēng)為平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖2-1-3所示，固定構(gòu)件AD稱(chēng)為機(jī)架，與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接的桿AB或桿CD稱(chēng)為連架桿，不與機(jī)架直接連接的桿BC稱(chēng)為連桿。連架桿AB或桿CD如能繞機(jī)架上的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心A或D做整周轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱(chēng)為曲柄；若僅能在小于360°的某一角度內(nèi)擺動(dòng)，則稱(chēng)為搖桿。圖2-1-3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)圖2-1-4(a)所示為牛頭刨床橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。當(dāng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪2(曲柄)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)連桿3使搖桿4往復(fù)擺動(dòng)，搖桿另一端的棘爪便撥動(dòng)棘輪5，帶動(dòng)進(jìn)絲桿6作單向間歇運(yùn)動(dòng)。圖2-1-4(b)是其曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。圖2-1-4牛頭刨床橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)圖2-1-5所示為調(diào)整雷達(dá)天線俯仰角的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

曲柄1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。圖2-1-5雷達(dá)調(diào)整機(jī)構(gòu)

2.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化

1)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

如圖2-1-6(a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，桿1為曲柄，桿3為搖桿，現(xiàn)把桿4做成環(huán)形槽，槽的中心在D點(diǎn)，而把桿3做成弧形滑塊，與環(huán)形槽相配合，如圖2-1-6(b)所示。圖2-1-6(a)和(b)所示的機(jī)構(gòu)中盡管轉(zhuǎn)動(dòng)副D的形狀發(fā)生了變化，但其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)卻是等效的。如果將環(huán)形槽的半徑CD增加到無(wú)窮大，轉(zhuǎn)動(dòng)副D的中心移到無(wú)窮遠(yuǎn)處，則環(huán)形槽變成了直槽，而轉(zhuǎn)動(dòng)副變成了移動(dòng)副，機(jī)構(gòu)演化成偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖2-1-6(c)所示。圖2-1-6曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的演化

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)中的固定構(gòu)件演化而來(lái)的。如圖2-1-7(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，若改取桿1為固定件，即得圖2-1-7(b)所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖2-1-7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演化

3)搖塊機(jī)構(gòu)

例如在圖2-1-8所示卡車(chē)車(chē)廂自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料機(jī)構(gòu)中，當(dāng)油

缸3中的壓力油推動(dòng)活塞桿4運(yùn)動(dòng)時(shí)，車(chē)廂1便繞回轉(zhuǎn)副中心B

傾轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定角度時(shí)，物料就自動(dòng)卸下。圖2-1-8自卸貨車(chē)

4)定塊機(jī)構(gòu)

在圖2-1-7(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若取滑塊3為固定件，即可得圖2-1-7(d)所示的固定滑塊機(jī)構(gòu)(或稱(chēng)定塊機(jī)構(gòu))，

其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是當(dāng)主動(dòng)件桿1回轉(zhuǎn)時(shí)，桿2繞C點(diǎn)擺動(dòng)，桿4僅相

對(duì)固定滑塊作往復(fù)移動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽水唧筒(如圖2-1-9所示)和抽油泵中。圖2-1-9抽水唧筒

5)偏心輪機(jī)構(gòu)

圖2-1-10所示為偏心輪機(jī)構(gòu)。桿1為圓盤(pán)，其幾何中心為B，因運(yùn)動(dòng)時(shí)該圓盤(pán)繞偏心A轉(zhuǎn)動(dòng)，故稱(chēng)之為偏心輪。A、B

之間的距離e稱(chēng)為偏心距。按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，可畫(huà)出該

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖2-1-10(b)所示。由圖可知，偏心輪是

回轉(zhuǎn)副B擴(kuò)大到包括回轉(zhuǎn)副A而形成的，偏心距e即是曲柄的

長(zhǎng)度。

同理，圖2-1-10(c)所示的偏心輪機(jī)構(gòu)可用圖2-1-10(d)來(lái)

表示。圖2-1-10偏心輪機(jī)構(gòu)2.1.3平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性

1.鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在的條件

圖2-1-11(a)所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD各桿的長(zhǎng)度分別為

a、b、c、d。先假定構(gòu)件1為曲柄，則在其回轉(zhuǎn)過(guò)程中桿1和

桿4一定可實(shí)現(xiàn)拉直共線和重疊共線兩個(gè)特殊位置，即構(gòu)成△BCD，如圖2-1-11(b)、(c)所示。圖2-1-11鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程由三角形邊長(zhǎng)關(guān)系可得：

在圖2-1-11(b)中

a+d<b+c

在圖2-1-11(c)中

d－a+b>c即a+c<b+d

d－a+c>b即a+b<c+d當(dāng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中四構(gòu)件出現(xiàn)如圖2-1-12所示的共線情況時(shí)，上述不等式就變成了等式。因此，以上三個(gè)不等式可改寫(xiě)為

a+d≤b+c

(2-1-1) a+c≤b+d

(2-1-2)

a+b≤c+d

(2-1-3)將以上三式的任意兩式相加，可得

a≤b

(2-1-4)

a≤c

(2-1-5)

a≤d

(2-1-6)

由式(2-1-4)~式(2-1-6)可知，曲柄AB必為最短桿，BC、CD、AD桿中必有一個(gè)最長(zhǎng)桿。圖2-1-12運(yùn)動(dòng)中可能出現(xiàn)的四桿機(jī)構(gòu)共線情況判斷鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)曲柄存在的邏輯過(guò)程如圖2-1-13

所示。圖2-1-13判斷鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有無(wú)曲柄存在的邏輯過(guò)程

2.壓力角和傳動(dòng)角

在生產(chǎn)中，不僅要求平面連桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且希望運(yùn)轉(zhuǎn)輕便，效率高。圖2-1-14所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如不計(jì)各桿質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦，則連桿BC為二力桿，它作用于從動(dòng)搖桿上的力F是沿BC方向的。圖2-1-14壓力角和傳動(dòng)角對(duì)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)原動(dòng)件為曲柄時(shí)，最小傳動(dòng)角出

現(xiàn)在曲柄與機(jī)架垂直的位置，如圖2-1-15所示。對(duì)于圖2-1-16所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，由于在任何位置時(shí)主動(dòng)曲柄通過(guò)滑塊傳給

從動(dòng)桿的力的方向，與從動(dòng)桿上受力點(diǎn)的速度方向始終一致，所以傳動(dòng)角始終等于90°。圖2-1-15偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角圖2-1-16導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

3.急回運(yùn)動(dòng)

圖2-1-17所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲柄AB為原動(dòng)件并作等速回轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿CD為從動(dòng)件并作往復(fù)擺動(dòng)，曲柄AB在回轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中有兩次與連桿BC共線。這時(shí)搖桿CD分別處在左右兩個(gè)極限位置C1D、C2D。在這兩個(gè)極限位置時(shí)曲柄所在直線之間所夾的銳角θ稱(chēng)為極位夾角。圖2-1-17曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的極位夾角機(jī)構(gòu)的急回特性通常用行程速度變化系數(shù)K來(lái)表示，即

(2-1-7)

(2-1-8)

上式表明：機(jī)構(gòu)有無(wú)急回特性，取決于行程速度變化系數(shù)K或極位夾角θ。

4.死點(diǎn)位置

對(duì)于圖2-1-18所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)搖桿CD為主動(dòng)件時(shí)，在曲柄與連桿共線的位置，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=0°，這時(shí)

主動(dòng)件CD通過(guò)連桿作用于從動(dòng)件AB上的力F恰好通過(guò)其回轉(zhuǎn)中心，因此不論連桿BC對(duì)曲柄的作用力F有多大，都不能使

AB桿轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)的這種位置稱(chēng)為死點(diǎn)。圖2-1-18曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置工程上有時(shí)也利用死點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的工作要求。如圖

2-1-19所示的飛機(jī)起落架，當(dāng)機(jī)輪放下時(shí)BC桿與CD桿共線，機(jī)構(gòu)處在死點(diǎn)位置，地面對(duì)機(jī)輪的力不會(huì)使CD桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使

降落可靠。圖2-1-19起落架機(jī)構(gòu)2.1.4平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

1.按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

如圖2-1-20所示，已知連桿長(zhǎng)度BC以及它所處的三個(gè)位置B1C1、B2C2、B3C3，要求設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。圖2-1-20按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

2.按給定兩連架桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

設(shè)已知機(jī)架AD的長(zhǎng)度、連架桿AB的長(zhǎng)度及連架桿AB、CD的兩組對(duì)應(yīng)位置α1、j1和α2、j2，試設(shè)計(jì)該鉸鏈四桿

機(jī)構(gòu)。

此問(wèn)題的關(guān)鍵是求鉸鏈C的位置。如圖2-1-21所示，采用剛化反轉(zhuǎn)法將AB2C2D剛化后繞D點(diǎn)反轉(zhuǎn)(j1－j2)角，C2D和

C1D重合，AB2轉(zhuǎn)到A′B2′的位置。此時(shí)可以將此機(jī)構(gòu)看成

是以CD為機(jī)架、以AB為連桿的四桿機(jī)構(gòu)，問(wèn)題轉(zhuǎn)化為按連

桿的位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。圖2-1-21按給定兩連架桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)現(xiàn)舉例加以說(shuō)明。如圖2-1-22(a)所示，已知四桿機(jī)構(gòu)一連架桿AB和機(jī)架AD的長(zhǎng)度，連架桿AB和另一連架桿上標(biāo)線ED

的三組對(duì)應(yīng)位置j1、y1、j2、y2及j3、y3，要求設(shè)計(jì)該鉸鏈

四桿機(jī)構(gòu)。圖2-1-22按給定兩連架桿的三組對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

3.按給定行程速度變化系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

設(shè)已知搖桿CD的長(zhǎng)度c、擺角y和行程速度變化系數(shù)K，試設(shè)計(jì)該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定固定鉸鏈A的位置。設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)選取適當(dāng)?shù)谋壤適l，按c和y作出搖桿的兩個(gè)極限位置C1D和C2D，如圖2-1-23所示。圖2-1-23按給定行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

(2)按式θ=180°算出極位夾角θ。

(3)連接C1C2，作∠C1C2O=∠C2C1O=∠90°－θ，以O(shè)為圓心、OC1為半徑作圓η，C1C2所對(duì)的圓心角∠C1OC2=2θ。

(4)在圓η上，C1C2

所對(duì)的圓周角為θ，因此在圓周上適當(dāng)選取A點(diǎn)，使∠C1AC2=θ，則AC1、AC2即為曲柄與連桿共線的兩個(gè)位置。設(shè)曲柄與連桿的長(zhǎng)度分別為a和b，則

于是曲柄的長(zhǎng)度為

連桿的長(zhǎng)度為

2)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

已知曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速度變化系數(shù)K、行程H和偏心距e，試設(shè)計(jì)該曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如圖2-1-24所示)。圖2-1-24偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

已知擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架長(zhǎng)度d和行程速度變化系數(shù)K，試設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)。

取比例尺ml，作AD=d/ml。由K算出q，由圖2-1-25可知，

極位夾角q等于導(dǎo)桿的擺角ψ，因此作∠ADB1=∠ADB2=q/2，作AB1(或AB2)垂直于B1D(或B2D)，則AB就是曲柄，其長(zhǎng)度

a=ml·AB1。圖2-1-25按給定行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)探索與實(shí)踐

內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果如下：

(1)按給定行程速度變化系數(shù)K，按照式(2-1-8)求出極位夾角θ，即

(2)選取長(zhǎng)度尺寸比例ml=1∶1，計(jì)算已知滑塊行程的圖上距離H=200mm，畫(huà)出滑塊的兩個(gè)極限位置C1和C2。

(3)以C1C2為底作等腰三角形△C1OC2，使∠C1C2O=

∠C2C1O=∠90°－θ，∠C1OC2=2θ=60°。以O(shè)為圓心、

OC1為半徑作圓。

(4)作與C1C2相距為e的平行線MN，此線與圓交于A點(diǎn)，

A點(diǎn)即為曲柄與機(jī)架的固定鉸鏈中心。

(5)作直線AC1和AC2得到曲柄與連桿的兩個(gè)共線位置，

由AC1=B1C1－AB1、AC2=B2C2+AB2可得曲柄AB及連桿BC的

長(zhǎng)度，如圖2-1-26所示。圖2-1-26內(nèi)燃機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)拓展知識(shí)——雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)

1.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(chēng)為雙曲

柄機(jī)構(gòu)。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，兩個(gè)曲柄可以分別為主動(dòng)件。圖

2-1-27所示雙曲柄機(jī)構(gòu)，若取曲柄AB為主動(dòng)件，當(dāng)主動(dòng)曲柄

從AB順時(shí)針回轉(zhuǎn)180°到AB1位置時(shí)，從動(dòng)曲柄CD順時(shí)針回轉(zhuǎn)到C1D，轉(zhuǎn)過(guò)角度j1；主動(dòng)曲柄AB繼續(xù)回轉(zhuǎn)180°，從動(dòng)曲柄CD轉(zhuǎn)過(guò)角度j2。顯然j1>j2，j1+j2=360°。所以雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：主動(dòng)曲柄勻速回轉(zhuǎn)一周，從動(dòng)曲柄隨之變速回轉(zhuǎn)一周，即從動(dòng)曲柄每回轉(zhuǎn)的一周中，其角速度有時(shí)大于從動(dòng)曲柄的角速度，有時(shí)小于從動(dòng)曲柄的角速度。圖2-1-27雙曲柄機(jī)構(gòu)圖2-1-28所示的慣性篩，ABCD就是雙曲柄機(jī)構(gòu)，這是雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。慣性篩機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)曲柄AB與從動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度不等，當(dāng)主動(dòng)曲柄等速回轉(zhuǎn)一周時(shí)，從動(dòng)曲柄CD變速回轉(zhuǎn)一周，該機(jī)構(gòu)具有急回特性，使篩子EF獲得了加速度，從而將被篩選的材料分離。圖2-1-28慣性篩雙曲柄機(jī)構(gòu)中，用得最多的是平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。在平行雙曲柄機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)曲柄與從動(dòng)曲柄的旋轉(zhuǎn)方向一致，旋轉(zhuǎn)的角速度也相同。圖2-1-29所示的機(jī)車(chē)車(chē)輛機(jī)構(gòu)就是平行四

邊形機(jī)構(gòu)(平行雙曲柄機(jī)構(gòu))，它使各車(chē)輪與主動(dòng)輪具有相同

的速度，當(dāng)曲柄、機(jī)架與連桿共線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定的情況。其內(nèi)含有一個(gè)虛約束，以防止在曲柄與機(jī)架共線時(shí)運(yùn)動(dòng)不確定。圖2-1-29機(jī)車(chē)車(chē)輛機(jī)構(gòu)

2.雙搖桿機(jī)構(gòu)

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若連架桿均為搖桿則稱(chēng)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖2-1-30所示。

在雙搖桿機(jī)構(gòu)中，兩搖桿可以分別為主動(dòng)件，當(dāng)連桿與搖桿共線時(shí)(圖2-1-30中AB與BC、DC與BC)，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置。雙搖桿機(jī)構(gòu)有兩個(gè)死點(diǎn)位置。圖2-1-30雙搖桿機(jī)構(gòu)圖2-1-31所示為利用雙搖桿機(jī)構(gòu)的鶴式起重機(jī)，當(dāng)CD桿擺動(dòng)時(shí)，連桿BC上懸掛重物的點(diǎn)M在近似水平直線上移動(dòng)。

圖2-1-32所示的搖頭機(jī)構(gòu)也是雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)安

裝在搖桿4上，鉸鏈A處裝有一個(gè)與連桿1固接在一起的蝸輪。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的蝸桿帶動(dòng)蝸輪迫使連桿1繞A點(diǎn)

作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使連桿2和4作往復(fù)擺動(dòng)，達(dá)到風(fēng)扇搖頭的

目的。圖2-1-31鶴式起重機(jī)圖2-1-32搖頭機(jī)構(gòu)技能訓(xùn)練——平面四桿機(jī)構(gòu)的組裝與特性觀察

目的要求：

(1)驗(yàn)證鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在整轉(zhuǎn)副和曲柄的條件、急回特性、壓力角和傳動(dòng)角、止點(diǎn)位置等運(yùn)動(dòng)特性。

(2)認(rèn)識(shí)平面機(jī)構(gòu)組裝中構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題及解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力和動(dòng)手能力。

設(shè)備和工具：

(1)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及零件柜。

(2)工具：一字螺絲刀、十字螺絲刀、呆扳手、內(nèi)六角扳手、鋼板尺、卷尺。

(3)自備鉛筆、稿紙、三角板、圓規(guī)等文具。

訓(xùn)練內(nèi)容：

(1)驗(yàn)證鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在整轉(zhuǎn)副的條件。

(2)驗(yàn)證鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件。

(3)驗(yàn)證曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性。

(4)驗(yàn)證曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角對(duì)傳力性能的影響。

(5)驗(yàn)證曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。訓(xùn)練步驟：

(1)從零件柜中任選四個(gè)桿，使最短桿和最長(zhǎng)桿之和小于其余兩桿長(zhǎng)度之和，用銷(xiāo)和螺釘將其連成封閉運(yùn)動(dòng)鏈。輪流選擇四個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，觀察其周轉(zhuǎn)副及曲柄的存在情況，并按實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求填寫(xiě)結(jié)果。

(2)更換或調(diào)整桿長(zhǎng)，使最短桿和最長(zhǎng)桿之和等于其余兩桿長(zhǎng)度之和，重復(fù)以上過(guò)程。

(3)更換或調(diào)整桿長(zhǎng)，使最短桿和最長(zhǎng)桿之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和，重復(fù)以上過(guò)程。

(4)選擇四個(gè)桿，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上組成一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

①在曲柄轉(zhuǎn)軸上安裝一皮帶輪，用于連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄，觀察搖桿運(yùn)動(dòng)的極限位置、急回特性、最小傳動(dòng)角位置，感受用力大小及運(yùn)動(dòng)的靈活性。

②在保持曲柄搖桿機(jī)構(gòu)不變的前提下，調(diào)整機(jī)架或其他桿的長(zhǎng)度，直至曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)非常靈活為止，觀察體會(huì)構(gòu)件長(zhǎng)度對(duì)搖桿擺角、急回程度、最小傳動(dòng)角及傳力性能的影響，并按實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求填寫(xiě)結(jié)果。

③當(dāng)搖桿主動(dòng)往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，在搖桿上裝一手柄，用手連續(xù)擺動(dòng)搖桿，觀察曲柄運(yùn)動(dòng)的卡死和不確定(反轉(zhuǎn))現(xiàn)象。之后，在曲柄軸上安裝一飛輪，重復(fù)以上操作，觀察其能否

克服死點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象，并按實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求填寫(xiě)結(jié)果。

④通過(guò)皮帶傳動(dòng)，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5)拆卸機(jī)構(gòu)，用棉紗和潤(rùn)滑油擦拭實(shí)驗(yàn)臺(tái)和構(gòu)件，清點(diǎn)、整理構(gòu)件及工具，將零件柜復(fù)原，待指導(dǎo)老師檢查后方可離開(kāi)。歸納總結(jié)

1．四桿機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)架、連架桿、連桿。

2．四桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)型特點(diǎn)及應(yīng)用。

(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)：曲柄等速轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿往復(fù)擺動(dòng)；牛頭刨床橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，雷達(dá)天線俯仰角的調(diào)整機(jī)構(gòu)。

(2)雙曲柄機(jī)構(gòu)：兩連架桿均為曲柄；慣性篩。

(3)雙搖桿機(jī)構(gòu)：兩連架桿均為搖桿；鶴式起重機(jī)，風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)。

3.曲柄存在的條件：

(1)最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和。

(2)最短桿或其相鄰桿應(yīng)為機(jī)架。

根據(jù)有曲柄的條件可得以下推論：

(1)桿與最短桿長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí)：①最短桿為機(jī)架時(shí)得到雙曲柄機(jī)構(gòu)；②最短桿的相鄰桿為機(jī)架時(shí)得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；③最短桿的對(duì)面桿為機(jī)架時(shí)得到雙搖桿

機(jī)構(gòu)。

(2)當(dāng)最長(zhǎng)桿與最短桿的長(zhǎng)度之和大于其余兩桿長(zhǎng)度之和時(shí)，只能得到雙搖桿機(jī)構(gòu)。

4.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性。

(1)急回運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的急回特性通常用行程速度變化系數(shù)

K來(lái)表示，即

(2)死點(diǎn)位置。搖桿為主動(dòng)件時(shí)，死點(diǎn)在曲柄與連桿共線的位置。為了消除死點(diǎn)位置的不良影響，可以對(duì)從動(dòng)曲柄施加外力，或利用飛輪及構(gòu)件自身的慣性作用，使機(jī)構(gòu)順利地通過(guò)死點(diǎn)位置。

(3)壓力角和傳動(dòng)角。傳動(dòng)角g和壓力角a之間的關(guān)系為：

g=90°－a。在曲柄與機(jī)架共線的兩個(gè)位置出現(xiàn)最小傳動(dòng)角。

5．四桿機(jī)構(gòu)的演化。

四桿機(jī)構(gòu)的演化過(guò)程為：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)→導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)→搖塊機(jī)構(gòu)→定塊機(jī)構(gòu)→偏心輪機(jī)構(gòu)(曲柄很短時(shí)，做成偏心輪)。

6.平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

不同的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采用不同的設(shè)計(jì)方法。圖解法是常用的一種簡(jiǎn)便直觀、易于理解的設(shè)計(jì)方法，常用于解決給定機(jī)構(gòu)中某構(gòu)件位置的設(shè)計(jì)任務(wù)。模塊二設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)

中的盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)

任務(wù)情境

圖2-2-1所示是內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序和工作過(guò)程定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)，使可燃混合氣或空氣進(jìn)入汽缸，并使廢氣從汽缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過(guò)程。圖2-2-1內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)配氣機(jī)構(gòu)可從不同角度來(lái)分類(lèi)：按氣門(mén)的布置分為氣門(mén)頂置式和氣門(mén)側(cè)置式；按凸輪軸的布置位置分為下置式、中置式和上置式(如圖2-2-2所示)；按曲軸和凸輪軸的傳動(dòng)方式分為齒輪傳動(dòng)式、鏈條傳動(dòng)式和齒帶傳動(dòng)式；按每汽缸氣門(mén)數(shù)目分，有二氣門(mén)式和四氣門(mén)式等。目前大部分內(nèi)燃機(jī)采用凸輪軸下置式和氣門(mén)頂置式結(jié)構(gòu)。圖2-2-2配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸的布置方式配氣機(jī)構(gòu)主要由氣門(mén)傳動(dòng)組和氣門(mén)組組成，如圖2-2-3所示。氣門(mén)依靠氣門(mén)彈簧作用力落座，與氣門(mén)座緊密座合，保證了汽缸的密封性能；曲軸通過(guò)皮帶、鏈條或齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，由凸輪軸凸起通過(guò)挺桿、搖臂等驅(qū)動(dòng)氣門(mén)打開(kāi)(凸輪軸也可直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)打開(kāi))，所以，氣門(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉特性取決于凸輪軸的設(shè)計(jì)。圖2-2-3配氣機(jī)構(gòu)的組成任務(wù)提出與任務(wù)分析

1.任務(wù)提出

用作圖法設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)對(duì)心直動(dòng)盤(pán)形凸輪輪廓曲線。已知凸輪的基圓半徑r0=13mm，推程h=8mm，推程角為60°，近休止角為220°，遠(yuǎn)休止角為20°，回程角為60°，凸輪順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件推程和回程中按等加速等減速規(guī)律運(yùn)動(dòng)。

2.任務(wù)分析

內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中運(yùn)用到了凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)由哪些部件組成？它是如何工作的？其分類(lèi)及應(yīng)用又是怎樣的？設(shè)計(jì)該凸輪機(jī)構(gòu)中的輪廓曲線，需要了解圖解法的設(shè)計(jì)原理、凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程、從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期工作要求的參數(shù)。相關(guān)知識(shí)

2.2.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用、類(lèi)型及特點(diǎn)

1.凸輪機(jī)構(gòu)的基本組成

凸輪機(jī)構(gòu)一般是由凸輪1、從動(dòng)件2和機(jī)架3三個(gè)基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)。在凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪通常作為主動(dòng)件作等

速連續(xù)運(yùn)動(dòng)，借助其輪廓曲線(或凹槽)使從動(dòng)件作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或擺動(dòng))，如圖2-2-4所示。圖2-2-4內(nèi)燃機(jī)的凸輪機(jī)構(gòu)

2.凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

如圖2-2-5所示的靠模切削機(jī)構(gòu)，工件1回轉(zhuǎn)，凸輪3作為

靠模被固定在床身上，刀架2在彈簧的作用下與凸輪輪廓緊密接觸。當(dāng)拖板4縱向移動(dòng)時(shí)，刀架2在靠模板(凸輪)曲線輪廓

的推動(dòng)下作橫向移動(dòng)，從而切削出與靠模板曲線一致的工件。圖2-2-5靠模切削機(jī)構(gòu)圖2-2-6所示為自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，帶凹槽的圓柱凸輪作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，槽中的滾子帶動(dòng)從動(dòng)件2作往復(fù)移動(dòng)，將工件推至指定的位置從而完成送料任務(wù)。圖2-2-6自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)

3.凸輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)

凸輪機(jī)構(gòu)的種類(lèi)很多，主要從以下幾個(gè)角度進(jìn)行分類(lèi)。

1)按凸輪的形狀分類(lèi)

(1)盤(pán)形凸輪(見(jiàn)圖2-2-7(a))。它是凸輪中最基本的形式。凸輪是繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)且向徑變化的盤(pán)形零件，凸輪與從動(dòng)件互作平面運(yùn)動(dòng)，是平面凸輪機(jī)構(gòu)。

(2)移動(dòng)凸輪(見(jiàn)圖2-2-7(b))。它可看做回轉(zhuǎn)半徑無(wú)限大的盤(pán)形凸輪，凸輪作往復(fù)直線移動(dòng)，也是平面凸輪機(jī)構(gòu)的一種。圖2-2-7凸輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型

(3)圓柱凸輪(見(jiàn)圖2-2-7(c))。它可看做移動(dòng)凸輪繞在圓柱體上演化而成的，從動(dòng)件與凸輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)，是一種空間凸輪機(jī)構(gòu)。圓柱凸輪可以用圓柱體上的凹槽來(lái)控制從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也可以用圓柱體的端面輪廓曲線來(lái)控制。

(4)曲面凸輪(見(jiàn)圖2-2-7(d))。當(dāng)圓柱表面用圓弧面代替時(shí)，就演化成曲面凸輪，它也是一種空間凸輪機(jī)構(gòu)。

2)按鎖合方式分類(lèi)

鎖合是指使從動(dòng)件與凸輪始終保持接觸。按鎖合方式，凸輪機(jī)構(gòu)主要分為以下兩種：

(1)力鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)。依靠重力、彈簧力鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)，如圖2-2-8(a)、(b)、(c)所示。

(2)形鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)。依靠凸輪幾何形狀鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)，如溝槽凸輪、等徑及等寬凸輪、共軛凸輪等，如圖

2-2-8(d)、(e)、(f)所示。圖2-2-8不同鎖合方式的凸輪

3)按從動(dòng)件的形式分類(lèi)

(1)尖頂從動(dòng)件。如圖2-2-9(a)所示，尖頂能與復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而實(shí)現(xiàn)任意預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但由于凸輪與從動(dòng)件之間通過(guò)點(diǎn)或線接觸，容易產(chǎn)生磨損，所以只適用

于受力較小的低速凸輪機(jī)構(gòu)。

(2)滾子從動(dòng)件。在從動(dòng)件端部裝一滾子，即成為滾子從動(dòng)件，如圖2-2-9(b)所示。滾子與凸輪之間為滾動(dòng)摩擦，磨損較小，并且可以承受較大的載荷。其缺點(diǎn)是凸輪上凹陷的輪廓未必能很好地與滾子接觸，從而影響實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

(3)平底從動(dòng)件。在從動(dòng)件端部固定一平板，即成為平底從動(dòng)件，如圖2-2-9(c)所示。平底與凸輪之間易于形成油膜，利于潤(rùn)滑，適用于高速運(yùn)行，而且凸輪驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件的力始終與平底垂直，傳動(dòng)效率高。其缺點(diǎn)也是凸輪上凹陷的輪廓未必能很好地與平底接觸。在凸輪機(jī)構(gòu)中，從動(dòng)件不僅有不同的類(lèi)型，而且也可有不同的運(yùn)動(dòng)形式。根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式不同，可以把從動(dòng)件分為直動(dòng)從動(dòng)件(如圖2-2-9(a)、(b)、(c)所示)和擺動(dòng)從動(dòng)件(如圖2-2-9(d)、(e)、(f)所示)兩種。在直動(dòng)從動(dòng)件中，若導(dǎo)路軸線通過(guò)凸輪的回轉(zhuǎn)軸，則稱(chēng)為對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件(如圖2-2-4所示)，

否則稱(chēng)為偏置直動(dòng)從動(dòng)件。將各種不同類(lèi)型的從動(dòng)件和凸輪組合起來(lái)，就可得到各種不同類(lèi)型的凸輪機(jī)構(gòu)，如圖2-2-4所示的凸輪機(jī)構(gòu)可命名為對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。圖2-2-9從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)形式

4.凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

1)凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)，只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便，可以高速啟動(dòng)，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，因此在自動(dòng)機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品機(jī)械、包裝機(jī)械和機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

2)凸輪機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)

(1)凸輪與從動(dòng)件間為點(diǎn)或線接觸，易磨損，只宜用于傳力不大的場(chǎng)合。

(2)凸輪輪廓精度要求較高，需用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

(3)從動(dòng)件的行程不能過(guò)大，否則會(huì)使凸輪變得笨重。2.2.2凸輪的結(jié)構(gòu)和材料

1.凸輪的結(jié)構(gòu)

1)凸輪在軸上的固定方式

當(dāng)凸輪輪廓尺寸接近于軸的直徑時(shí)，凸輪與軸可制作成一體，如圖2-2-10(a)所示；當(dāng)其尺寸相差比較大時(shí)，凸輪與軸分開(kāi)制造，凸輪與軸通過(guò)鍵連接，如圖2-2-10(b)所示，或通過(guò)銷(xiāo)連接，如圖2-2-10(c)所示。當(dāng)凸輪與軸的相對(duì)角度需要自由調(diào)節(jié)時(shí)，可采用圖2-2-10(d)所示的方式用彈性錐套和螺母連接。圖2-2-10凸輪結(jié)構(gòu)

2)滾子及其連接

如圖2-2-11所示為常見(jiàn)的幾種滾子結(jié)構(gòu)。圖2-2-11(a)為專(zhuān)用的圓柱滾子及其連接方式，即滾子與從動(dòng)件底端用螺栓連接。圖2-2-11(b)、(c)為滾子與從動(dòng)件底端用銷(xiāo)軸連接，其中圖(c)為滾子直接采用合適的滾動(dòng)軸承代替。但無(wú)論上述哪種情況，都必須保證滾子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2-2-11滾子結(jié)構(gòu)

2.凸輪機(jī)構(gòu)的材料

1)凸輪常用材料

對(duì)于載荷很大的凸輪用合金鋼或滾珠軸承鋼來(lái)制造，并考慮采用高頻淬火、淬火(低溫回火)、氮化等熱處理方法，使凸輪工作表面有較高的硬度及耐磨性。

為了提高凸輪的耐磨性和抗腐蝕性，常用硬青銅、高級(jí)黃銅制造凸輪，對(duì)鋼制凸輪表面可以鍍鉻。一般承載不大的凸輪要求不高時(shí)，可以用碳素鋼制造，并且可不經(jīng)過(guò)淬火。對(duì)輕載機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)精度要求不高時(shí)，也可采用塑料制造凸輪。

2)從動(dòng)件的材料

尖頂從動(dòng)件的尺寸比凸輪小，并且只用它的尖端與凸輪接觸，因此容易磨損。從更換易損零件力求簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，一般應(yīng)當(dāng)選擇比凸輪軟一些的材料制造尖頂從動(dòng)件(或滾子從動(dòng)件的滾子)。滾子從動(dòng)件的工作條件是相對(duì)滾動(dòng)，磨損較小，因此，對(duì)耐磨性要求較低，但它對(duì)滾子軸的材料和熱處理的要求與尖頂從動(dòng)件相同。從動(dòng)件與凸輪的材料列于表2-2-1中，供參考選用。2.2.3從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1.平面凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸和運(yùn)動(dòng)參數(shù)

圖2-2-12所示為尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，以凸輪軸心O為圓心，以凸輪輪廓的最小向徑r0為半徑所作的圓稱(chēng)為基圓，r0為基圓半徑，凸輪以等角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2-2-12凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

2.常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1)等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從動(dòng)件上升或下降的速度為一常數(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱(chēng)為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

設(shè)凸輪以等角速度ω1回轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)推程運(yùn)動(dòng)角δt時(shí)，推桿等速上升h，其推程的運(yùn)動(dòng)方程為

(2-2-1)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的速度為常數(shù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱(chēng)為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在推程階段，凸輪以等角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)T時(shí)間，凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的推程運(yùn)動(dòng)角為δt，而從動(dòng)件等速完成的行程為h。從動(dòng)件的位移s與凸輪轉(zhuǎn)角j成正比，其推程運(yùn)動(dòng)線圖如圖2-2-13

所示，即位移曲線為一過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線。圖2-2-13等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2)等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

推程時(shí)，等加速段運(yùn)動(dòng)方程為

(2-2-2)推程時(shí)，等減速段運(yùn)動(dòng)方程為

(2-2-3)圖2-2-14所示為推程等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)位移曲線圖。由圖2-2-14(b)可知，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的速度曲線是連續(xù)的，不會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊。但在圖2-2-14(c)中O、A、B三處

加速度有突變，表明所產(chǎn)生的慣性力突變也是有限值的，由此引起的沖擊稱(chēng)為柔性沖擊。因此，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用于中速輕載的場(chǎng)合。圖2-2-14等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3)余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

當(dāng)推程的加速度按余弦規(guī)律變化時(shí)，其推程的運(yùn)動(dòng)方程

式為

(2-2-4)圖2-2-15所示為推程余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)線圖。由此圖可見(jiàn)，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律在始末位置加速度有突變，故也會(huì)引起柔性沖擊，因此在一般情況下它也只適用于中速中載場(chǎng)合，當(dāng)從動(dòng)件作升—降—升運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)，若在推程和回程中都采用這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則可用于高速凸輪機(jī)構(gòu)。圖2-2-15余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇

在選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)器工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)要求來(lái)確定。2.2.4盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

1.反轉(zhuǎn)法原理

用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓的原理是“反轉(zhuǎn)法”，基本原理如下：

圖2-2-16所示為一對(duì)心尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)凸輪以等角速度w繞軸心O轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件按預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)設(shè)想在整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)(從動(dòng)件、凸輪、導(dǎo)路)上加一個(gè)與凸輪角速度w大小相等、方向相反的角速度－w，于是凸輪靜止不動(dòng)，而從動(dòng)件與導(dǎo)路一起以角速度－w繞凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，且從動(dòng)件仍以原來(lái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)導(dǎo)路移動(dòng)(或擺動(dòng))。由于從動(dòng)件尖頂與凸輪輪廓始終接觸，所以加上反轉(zhuǎn)角速度后從動(dòng)件尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓曲線。圖2-2-16凸輪反轉(zhuǎn)法繪圖原理

2.作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線

1)尖頂對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)步驟見(jiàn)后面的“探索與實(shí)踐”。

2)尖頂偏置移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

已知偏距為e，基圓半徑為r0，凸輪以角速度w順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件的位移線圖如圖2-2-17(b)所示。設(shè)計(jì)該凸輪的輪

廓曲線。圖2-2-17偏置直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪設(shè)計(jì)

3)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

將滾子中心看做尖頂，按上述方法作出輪廓曲線h(稱(chēng)為理論輪廓曲線)，然后以h上各點(diǎn)為圓心，以滾子半徑rg為半徑作一系列的圓，最后作出這些圓的包絡(luò)線h′，h′就是滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪的輪廓曲線(即為實(shí)際輪廓曲線)，如圖2-2-18所示。從圖中可知，滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪的基圓半徑是在理論輪廓上度量的。圖2-2-18滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐

汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)對(duì)心直動(dòng)盤(pán)形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果如下：

(1)選取比例尺，作出從動(dòng)件的位移曲線。選長(zhǎng)度比例尺ml=0.5mm/mm，角度比例尺mj=2°/mm，畫(huà)從動(dòng)件位移曲線，如圖2-2-19(a)所示，并將位移曲線圖橫坐標(biāo)上代表推程運(yùn)動(dòng)角j和回程運(yùn)動(dòng)角j′的線段各分為6等份，過(guò)這些等分點(diǎn)分別作垂線，這些垂線與位移曲線相交所得的線段11′、22′、33′、…、1212′，即代表相應(yīng)位置的從動(dòng)件位移量。

(2)選取與位移曲線圖相同的比例尺。任取一點(diǎn)O為圓心，以已知基圓半徑r0/ml=13mm/0.5mm=26mm為半徑作凸輪的基圓。過(guò)O點(diǎn)畫(huà)從動(dòng)件導(dǎo)路與基圓交于B0點(diǎn)。

(3)自O(shè)B0開(kāi)始，沿-ω方向在基圓上量取各運(yùn)動(dòng)階段的凸輪轉(zhuǎn)角60°、20°、60°、220°。再將這些角度各分為與從動(dòng)件位移曲線圖同樣的等份，從而在基圓上得相應(yīng)的等分點(diǎn)B1、B2、B3、…，連接OB1、OB2、OB3、…即代表機(jī)構(gòu)在反轉(zhuǎn)后各瞬時(shí)位置從動(dòng)件尖頂相對(duì)導(dǎo)路(即移動(dòng)方向)的方向線。

(4)在OB1、OB2、OB3、…的延長(zhǎng)線上分別截取A1B1=11′、A2B2=22′、A3B3=33′、…，就得到機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件尖頂?shù)囊幌盗形恢命c(diǎn)A1、A2、A3、…。

(5)將A1、A2、A3、…連成一條光滑的封閉曲線，即為凸輪輪廓曲線，如圖2-2-19(b)所示。圖2-2-19尖頂式對(duì)心直動(dòng)盤(pán)形凸輪輪廓設(shè)計(jì)拓展知識(shí)——凸輪輪廓的加工及凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他問(wèn)題

1.凸輪輪廓的加工方法

1)銑、銼削加工

對(duì)于低速、輕載場(chǎng)合的凸輪，可以應(yīng)用“反轉(zhuǎn)法”原理在未淬火凸輪輪坯上通過(guò)作圖法繪制出輪廓曲線，采用銑床或用手工銼削辦法加工而成。必要時(shí)可進(jìn)行淬火處理，用這種方法加工出來(lái)的凸輪其變形難以得到修正。

2)數(shù)控加工

數(shù)控加工是目前常用的一種凸輪加工方法。加工時(shí)應(yīng)用解析法求出凸輪輪廓曲線上各點(diǎn)的極坐標(biāo)(r，q)值，然后用專(zhuān)用編程軟件進(jìn)行編程，在數(shù)控線切割機(jī)床上對(duì)淬火后的凸輪進(jìn)行切割加工。此方法加工出的凸輪精度高，適用于高速、重載的場(chǎng)合。

2.凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他問(wèn)題

1)壓力角及其校核

如圖2-2-20所示為尖頂直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。當(dāng)不計(jì)凸輪與從動(dòng)件之間的摩擦?xí)r，作用于從動(dòng)件的力F可分解成兩個(gè)分力，即

(2-2-5)圖2-2-20凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角一般的做法是按圖2-2-21所示，在凸輪輪廓曲線上取升程范圍內(nèi)曲率半徑較大的點(diǎn)(視覺(jué)比較陡的地方)，在該點(diǎn)繪出法線和從動(dòng)件的速度方向線，其夾角就是該點(diǎn)的壓力角。經(jīng)比較，若壓力角大于許用壓力角，則可采用增大基圓半徑的方法減小壓力角。圖2-2-21壓力角的測(cè)量

2)基圓半徑的選擇

選擇凸輪基圓半徑的影響因素有以下兩方面：

(1)基圓半徑的大小直接影響壓力角的大小，從而影響凸輪的工作能力。如圖2-2-22所示，同一個(gè)凸輪預(yù)選兩種半徑

的基圓r01、r02且r01＜r02，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)d角時(shí)，從動(dòng)件都位移

h值，從圖中可知，兩種基圓半徑，其壓力角不同，a1>a2。

也就是基圓半徑小的壓力角比基圓半徑大的壓力角大。為得

到較好的凸輪傳力性能，提高傳動(dòng)效率，凸輪的壓力角應(yīng)該

取小些，即基圓半徑應(yīng)該取大些。圖2-2-22基圓半徑與壓力角的關(guān)系

(2)凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，有較大的軸壓力，為提高傳動(dòng)剛度，凸輪的支承軸直徑不能太小，這樣凸輪基圓半徑就要取

大些。一般情況下，為使凸輪機(jī)構(gòu)緊湊些，在傳動(dòng)剛度允許

的情況下，凸輪基圓半徑盡量取小一些。具體設(shè)計(jì)可按下列

經(jīng)驗(yàn)公式確定：

當(dāng)e=0時(shí)，偏距圓的切線就是過(guò)O點(diǎn)的徑向線(即從動(dòng)件反轉(zhuǎn)后的導(dǎo)路線)，按上述相同方法即得到對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪的輪廓曲線。

r0=1.8r+rg+(6～10mm)

式中,r0為凸輪基圓半徑(mm)；r為凸輪軸半徑(mm)；rg為凸輪從動(dòng)件滾子半徑(mm)。

3)滾子半徑的選擇

首先了解滾子半徑rg與凸輪輪廓曲率半徑r和實(shí)際凸輪輪廓曲率半徑r′的關(guān)系。如圖2-2-23(a)所示，凸輪外凸部分

理論輪廓最小曲率半徑是rmin，實(shí)際輪廓曲率半徑是r′=

rmin－rg，若rmin＞rg，則r′＞0，這時(shí)實(shí)際輪廓是較為圓滑的曲線。若rmin＜rg，則r′＜0，滾子的包絡(luò)線有一部分互相干涉而變尖，如圖2-2-23(b)所示，工作時(shí)，不僅變尖部分極易損壞，而且因相交部分在加工時(shí)被切去使從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)

失真。圖2-2-23滾子半徑的選擇歸納總結(jié)

1．凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)

規(guī)律。

2.凸輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)。

(1)按凸輪的形狀分類(lèi)：有盤(pán)形凸輪、移動(dòng)凸輪、圓柱凸輪、曲面凸輪。

(2)按鎖合方式分類(lèi)：有力鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)、形鎖合的凸輪機(jī)構(gòu)。

(3)按從動(dòng)件形式分類(lèi)：有尖頂從動(dòng)件、滾子從動(dòng)件、平底從動(dòng)件。

3.凸輪機(jī)構(gòu)一般由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)構(gòu)件組成。

4．凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有：等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、簡(jiǎn)諧(余弦加速度)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

5．凸輪輪廓設(shè)計(jì)的圖解法的原理是“反轉(zhuǎn)法”。

6．從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓形狀。

7．基圓半徑的選擇：要考慮結(jié)構(gòu)緊湊性和壓力角的大小。

8．滾子半徑的選擇：要考慮耐磨性和凸輪輪廓曲線。模塊三蜂窩煤壓制機(jī)中的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

任務(wù)情境

1．沖壓式蜂窩煤機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

如圖2-3-1(a)所示是沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的示意圖。

在滑梁上升過(guò)程中掃屑刷將刷除沖頭和脫模盤(pán)上黏附的煤粉。模筒轉(zhuǎn)盤(pán)上均布了模筒，轉(zhuǎn)盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)使加料后的模筒進(jìn)入加壓位置，成型后的模筒進(jìn)入脫模位置，空的模筒進(jìn)入加料位置，如圖2-3-1(b)所示。圖2-3-1沖壓式蜂窩煤成型機(jī)

2．沖壓式蜂窩煤機(jī)的工作原理

沖壓式蜂窩煤成型機(jī)通過(guò)加料、沖壓成型、脫模、掃屑、模筒轉(zhuǎn)模間歇運(yùn)動(dòng)及輸送六個(gè)動(dòng)作來(lái)完成整個(gè)工作過(guò)程。任務(wù)提出與任務(wù)分析

1.任務(wù)提出

已知一沖壓式蜂窩煤成型機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)采用槽輪間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)

構(gòu)。已知槽數(shù)z按工位要求選定為6，按結(jié)構(gòu)情況確定中心距A=300mm，試設(shè)計(jì)該槽輪間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.任務(wù)分析

沖壓式蜂窩煤成型機(jī)是和我們生活密切相關(guān)的機(jī)器，轉(zhuǎn)盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是沖壓式蜂窩煤成型機(jī)必不可少的構(gòu)件。為了合理地設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，我們必須了解槽輪機(jī)構(gòu)是如何組成并工作的，它的運(yùn)動(dòng)原理是什么，有什么運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其主要參數(shù)及幾何尺寸應(yīng)如何確定和計(jì)算。相關(guān)知識(shí)

2.3.1棘輪機(jī)構(gòu)

1.棘輪機(jī)構(gòu)的工作原理

圖2-3-2所示為棘輪機(jī)構(gòu)，它主要由搖桿、棘爪、棘輪、彈簧片和制動(dòng)爪組成。彈簧用來(lái)使制動(dòng)爪和棘輪保持接觸。搖桿與棘輪的回轉(zhuǎn)軸線重合。圖2-3-2棘輪機(jī)構(gòu)

2.棘輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)和應(yīng)用

1)棘輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)

棘輪機(jī)構(gòu)按棘輪的運(yùn)動(dòng)方向可分為單向棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖

2-3-2)和雙向棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-3)；按棘輪的齒形可分為棘

齒棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-2)、矩形齒棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-3(a))和無(wú)

棘齒的摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-4)。圖2-3-3雙向棘輪機(jī)構(gòu)圖2-3-4摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)

2)棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

棘輪機(jī)構(gòu)多用于機(jī)床及自動(dòng)機(jī)械的進(jìn)給機(jī)構(gòu)上。如牛頭刨床工作臺(tái)的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，就是采用圖2-3-3所示的雙向棘輪機(jī)構(gòu)。此外，棘輪機(jī)構(gòu)也常用作停止器和制動(dòng)器。如圖2-3-5所示，這類(lèi)停止器廣泛用于卷?yè)P(yáng)機(jī)、提升機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)中。圖2-3-5提升機(jī)的棘輪停止器

3.棘輪轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)

(1)調(diào)節(jié)搖桿擺動(dòng)角度的大小，以控制棘輪的轉(zhuǎn)角。圖

2-3-6所示的棘輪機(jī)構(gòu)是利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)棘輪作間歇運(yùn)

動(dòng)的?？衫谜{(diào)節(jié)螺釘改變曲柄長(zhǎng)度r以實(shí)現(xiàn)搖桿擺角大小

的改變，從而控制棘輪的轉(zhuǎn)角。圖2-3-6改變曲柄長(zhǎng)度調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角

(2)用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角。如圖2-3-7所示，在棘輪的外

面罩一遮板(遮板不隨棘輪一起轉(zhuǎn)動(dòng))，使棘爪行程的一部分

在遮板上滑過(guò)，不與棘輪的齒接觸，通過(guò)變更遮板的位置即

可改變棘輪轉(zhuǎn)角的大小。圖2-3-7用遮板調(diào)節(jié)棘輪轉(zhuǎn)角2.3.2槽輪機(jī)構(gòu)

1.槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理

槽輪機(jī)構(gòu)又稱(chēng)為馬氏機(jī)構(gòu)。如圖2-3-8所示為單圓柱銷(xiāo)槽輪機(jī)構(gòu)，它由主動(dòng)撥盤(pán)1、從動(dòng)槽輪2及機(jī)架3組成。圖2-3-8槽輪機(jī)構(gòu)

2.槽輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型、特點(diǎn)及應(yīng)用

槽輪機(jī)構(gòu)有外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-8)和內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-9)，前者撥盤(pán)與槽輪的轉(zhuǎn)向相反，后者撥盤(pán)與槽輪的轉(zhuǎn)向相同，它們均為平面槽輪機(jī)構(gòu)。此外還有空間槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-10)，對(duì)于這種槽輪機(jī)構(gòu)本書(shū)不予討論。圖2-3-9內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)圖2-3-10空間槽輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、機(jī)械效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、能間歇地進(jìn)行轉(zhuǎn)位，但因圓柱銷(xiāo)突然進(jìn)入與脫離徑向槽時(shí)存在柔性沖擊，所以不適用于高速場(chǎng)合。此外，槽輪的轉(zhuǎn)角不可調(diào)節(jié)，故只能用于定轉(zhuǎn)角的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。六角車(chē)床上用來(lái)間歇地轉(zhuǎn)動(dòng)刀架的槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-11)、電影放映機(jī)中用來(lái)間歇地移動(dòng)膠片的槽輪機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2-3-12)及化工廠管道中用來(lái)開(kāi)閉閥門(mén)等的槽輪機(jī)構(gòu)都是其具體應(yīng)用的實(shí)例。圖2-3-11六角車(chē)床上的槽輪機(jī)構(gòu)圖2-3-12電影放映機(jī)中的槽輪機(jī)構(gòu)

3.槽輪機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)

槽輪機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)是槽數(shù)z和撥盤(pán)圓柱銷(xiāo)數(shù)k。

如圖2-3-8所示，為了使槽輪2在開(kāi)始和終止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)角速度為零，以避免圓柱銷(xiāo)與輪槽發(fā)生撞擊，圓柱銷(xiāo)進(jìn)入或脫出徑向槽的瞬時(shí)，槽的中心線O2A應(yīng)與O1A垂直。設(shè)z為均勻分布的徑向槽數(shù)目，則槽輪2轉(zhuǎn)過(guò)2j1=2p/z弧度時(shí)，撥盤(pán)1的轉(zhuǎn)角2j1將為

(2-3-1)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)，槽輪2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間tm對(duì)撥盤(pán)1的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t之比值τ稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)特性系數(shù)。當(dāng)撥盤(pán)1等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)時(shí)間之比可用轉(zhuǎn)角之比來(lái)表示。對(duì)于只有一個(gè)圓柱銷(xiāo)的槽輪機(jī)構(gòu)，tm和t分別對(duì)應(yīng)于撥盤(pán)1轉(zhuǎn)過(guò)的角度2j1和2p。因此其運(yùn)動(dòng)特

性系數(shù)t為

(2-3-2)如果撥盤(pán)1上裝有數(shù)個(gè)圓柱銷(xiāo)，則可以得到τ＞0.5的槽輪機(jī)構(gòu)。設(shè)均勻分布的圓柱銷(xiāo)的數(shù)目為k，則一個(gè)循環(huán)中，槽輪

2的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為只有一個(gè)圓柱銷(xiāo)時(shí)的k倍，即