第11章機構(gòu)的組成及汽車常用機構(gòu)11.1機構(gòu)的組成與運動簡圖11.2平面連桿機構(gòu)11.3

凸輪機構(gòu)11.4

間歇運動機構(gòu)與螺旋機構(gòu)11.5

輪系

通常所說的機械，是人類在生產(chǎn)中用以減輕或代替人的體力（或腦力）勞動和提高生產(chǎn)率的主要工具。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，使用機械進行生產(chǎn)的水平已經(jīng)成為衡量一個國家技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度的重要標志之一。機器的種類繁多，形式多樣。但從其組成來看，一部完整的機器主要有以下四大部分：原動機部分傳動部分執(zhí)行部分控制部分11.1機構(gòu)的組成與運動簡圖前面提過機械是機器與機構(gòu)的總稱，機器是由機構(gòu)和零件組成的，機構(gòu)是機器運動的基本組成部分，零件是機器制造的基本組成部分。從制造角度來分析，機器是若干零件組成的?！傲慵笔侵笝C器制造單元。如齒輪、曲軸、螺栓、箱體等。從運動角度來分析，可以把機器看成若干構(gòu)件組成的。“構(gòu)件”是指機器的運動單元。構(gòu)件可以是一個零件，也可能是若干零件的剛性組合體。

11.1.1機構(gòu)的組成機構(gòu)是由若干構(gòu)件組成的，但是若干構(gòu)件并不一定能組成機構(gòu)。機構(gòu)是由若干構(gòu)件通過運動副聯(lián)接組成的傳動系統(tǒng)，各構(gòu)件間具有確定的相對運動。機構(gòu)只能用來傳遞運動或改變運動的形式。構(gòu)件在同一平面或在相互平行的平面內(nèi)運動的機構(gòu)，稱為平面機構(gòu)。平面機構(gòu)應用最廣泛，本章節(jié)主要研究平面機構(gòu)和平面機構(gòu)的運動簡圖。11.1.2運動副及其分類

1.構(gòu)件的自由度、約束與運動副

自由度——是構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨立運動。任何一個構(gòu)件在空間自由運動時皆有六個自由度。它可表達為在直角坐標系內(nèi),沿著三個坐標軸的移動和繞三個坐標軸的轉(zhuǎn)動。而對于一個作平面運動的構(gòu)件，則只有三個自由度

。

約束——限制物體運動的其它物體稱為約束。

運動副——使兩構(gòu)件直接接觸而彼此又有一定的相對運動的聯(lián)接。

2.運動副的分類

根據(jù)組成運動副兩構(gòu)件之間的接觸特性，運動副可分為：

（1）低副兩構(gòu)件之間通過面接觸形成的運動副稱為低副。根據(jù)它們之間的相對運動是轉(zhuǎn)動還是移動，又可分為轉(zhuǎn)動副和移動副。

轉(zhuǎn)動副移動副（2）高副兩構(gòu)件之間通過點或線接觸組成的運動副稱為高副。凸輪副齒輪副3.運動副符號

構(gòu)件與運動副符號轉(zhuǎn)動副移動副高副機架或固定件

帶有兩個或三個運動副的活動構(gòu)件4.機構(gòu)中構(gòu)件的分類及組成(1)機架：機構(gòu)中固定于參考系的構(gòu)件稱為機架。它用來支承機構(gòu)中的可動構(gòu)件(機構(gòu)中相對于機架運動的構(gòu)件)。并以它為參考坐標系，來研究其它可動構(gòu)件的運動。(2)主動件(原動件)：機構(gòu)中作用有驅(qū)動力或力矩的構(gòu)件，或運動規(guī)律已知的構(gòu)件稱為主動件或原動件。它是機構(gòu)中輸入運動或動力的構(gòu)件，故又稱為輸入構(gòu)件。(3)從動件：機構(gòu)中除了主動件以外，隨著主動件的運動而運動的其余可動構(gòu)件皆稱為從動件。

11.1.3機構(gòu)運動簡圖

由于機構(gòu)的運動僅與機構(gòu)中運動副的性質(zhì)(低副或高副等)、運動副的數(shù)目及相對位置(轉(zhuǎn)動副中心、移動副的中心線、高副接觸點的位置等)、構(gòu)件的數(shù)目等有關(guān)，而與構(gòu)件的外形、截面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目、運動副的具體構(gòu)造等因素無關(guān)。因此，可按一定的長度比例尺確定運動副的位置，并用特定的構(gòu)件和運動副符號及線條繪制出圖形，這種表示機構(gòu)運動特征的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。

內(nèi)燃機運動簡圖1-活塞；2-連桿；3-曲軸；4、5-齒輪；6-凸輪；7-氣閥頂桿；8-氣缸體11.1.4機構(gòu)具有確定運動的條件

機構(gòu)是具有確定的相對運動的構(gòu)件系統(tǒng)，但不是任何構(gòu)件系統(tǒng)都能實現(xiàn)確定的相對運動，因此不是任何構(gòu)件系統(tǒng)都能成為機構(gòu)。因此，機構(gòu)具有確定的相對運動的必要條件是機構(gòu)的自由度F>0，并且主動構(gòu)件數(shù)與機構(gòu)的自由度數(shù)相等。F

=3n

-2PL-PH

n——活動構(gòu)件數(shù)目；PL——低副數(shù)目；PH

——高副數(shù)目。計算平面機構(gòu)自由度時的注意事項

(1)復合鉸鏈由三個或三個以上構(gòu)件在一處組成的軸線重合的多個轉(zhuǎn)動副稱為復合鉸鏈。由K個構(gòu)件構(gòu)成的復合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)目應為（K—1）個。

復合鉸鏈(2)局部自由度在機構(gòu)中，不影響整個機構(gòu)運動的局部的獨立運動，稱為局部自由度。

局部自由度局部自由度2、3可看成一個整體構(gòu)件（3）虛約束在實際機構(gòu)中，與其他約束重復而不起限制運動作用的約束稱為虛約束。

齒輪機構(gòu)中的虛約束B、D為虛約束。（a）（b）軌跡重合的虛約束（a）中E、F為虛約束。11.2平面連桿機構(gòu)

11.2.1概述平面連桿機構(gòu)是由若干構(gòu)件以低副(轉(zhuǎn)動副和移動副)聯(lián)接而成的機構(gòu)，也稱平面低副機構(gòu)。其主要特點是：由于低副為面接觸，壓強低、磨損量少，而且構(gòu)成運動副的表面為圓柱面或平面，制造方便；又由于這類機構(gòu)容易實現(xiàn)常見的轉(zhuǎn)動、移動及其轉(zhuǎn)換，所以獲得廣泛應用。它的缺點是：由于低副中存在著間隙，機構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生運動誤差，另外，平面連桿機構(gòu)不易精確地實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。11.2.2鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型

鉸鏈四桿機構(gòu)是將4個構(gòu)件以4個轉(zhuǎn)動副(鉸鏈)聯(lián)接而成的平面機構(gòu)。機構(gòu)中與機架相聯(lián)的構(gòu)件稱為連架桿，連架桿能繞機架作整周轉(zhuǎn)動的稱為曲柄，若只能繞機架在小于360°的范圍內(nèi)作往復擺動的則稱為搖桿，與連架桿相聯(lián)的構(gòu)件稱為連桿。鉸鏈四桿機構(gòu)有三種類型：曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)。

1.曲柄搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的兩個連架桿，若一桿為曲柄，另一桿為搖桿，則此機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖所示。

曲柄搖桿機構(gòu)曲柄搖桿機構(gòu)雷達天線機構(gòu)2.雙曲柄機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)的兩個連架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機構(gòu)，如圖所示。

雙曲柄機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)慣性篩機構(gòu)

3.雙搖桿機構(gòu)兩個連架桿均為搖桿的機構(gòu)，則稱為雙搖桿機構(gòu)，如圖所示。

雙搖桿機構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)ABCD123411.2.3鉸鏈四桿機構(gòu)的演化機構(gòu)

1.曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)如圖所示，一個連架桿相對于機架作往復直線移動而成為滑塊。其中一個轉(zhuǎn)動副成為移動副。曲柄滑塊機構(gòu)對心曲柄滑塊機構(gòu)偏置曲柄滑塊機構(gòu)偏心輪的曲柄滑塊機構(gòu)2.導桿機構(gòu)導桿機構(gòu)是在改變曲柄滑塊機構(gòu)的固定件而演變來的，如圖所示。曲柄導桿機構(gòu)3.曲柄搖塊機構(gòu)如圖13.36(a)所示，桿件1的長度小于機架2，能繞機架2作整圓周轉(zhuǎn)動，桿件4與滑塊3組成移動副，滑塊3與機架2組成轉(zhuǎn)動副，滑塊3只能作定軸轉(zhuǎn)動，所以稱為曲柄搖塊機構(gòu)。

曲柄搖塊機構(gòu)4.移動導桿機構(gòu)

如圖所示的四連桿機構(gòu)中，桿件1的長度小于桿件2。這種機構(gòu)一般以桿件1為主動構(gòu)件，桿件2繞C點擺動，導桿4相對滑塊3作往復移動，滑塊3為機架，稱定塊，故稱為固定滑塊機構(gòu)或移動導桿機構(gòu)。

移動導桿機構(gòu)11.2.4鉸鏈四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)1.曲柄存在的條件

在鉸鏈四連桿機構(gòu)中是否存在曲柄，取決于機構(gòu)中各桿的長度關(guān)系，即要使連架桿能做整圓周轉(zhuǎn)動而成為曲柄，各桿的長度必須滿足一定的條件，這就是所謂曲柄存在的條件。如圖所示為鉸鏈四連桿機構(gòu)。若AD為機架，AB為曲柄，在AB轉(zhuǎn)動的過程中，AB與AD拉直共線和重疊共線有兩個位置。要使AB成為曲柄，它必須能順利地通過這兩個共線位置。由此可知，在四連桿機構(gòu)中要使連曲柄存在的條件在的條件，必須同時具備架桿成為曲柄，曲柄存以下兩個條件，即：（1）連架桿與機架中必有一個是最短桿；（2）最短桿件與最長桿件長度之和必小于或等于其余兩桿件的長度之和。2.急回運動特性

在曲柄連桿機構(gòu)中，當曲柄等速轉(zhuǎn)動時，從動件來回運（擺）動的平均速度是不同的，從動件的這種運動特性稱為急回運動特性。為了表明搖桿的急回運動特性的程度，通常用行程速比系數(shù)K來衡量，K與極位夾角θ的關(guān)系是K=

或急回運動特性3.壓力角和傳動角如圖所示為曲柄搖桿機構(gòu)，主動曲柄通過連桿BC傳遞到C點上的力F的方向與從動搖桿受力點C的絕對速度Vc的方向之間所夾的銳角α，稱為壓力角。壓力角α的余角γ，稱為傳動角。

壓力角和傳動角對于機械傳動來說，壓力角α越小越好。4.死點位置在機構(gòu)中，若搖桿主動，則當搖桿處于兩個極限位置（即機構(gòu)處于兩個虛線位置）時，連桿與曲柄共線，此時傳動角γ=0°。這時，主動件搖桿CD通過連桿作用于從動曲柄AB上的力，恰好通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心A，所以理論上不論用多大的力，都不能使曲柄轉(zhuǎn)動，因而產(chǎn)生了“頂死”現(xiàn)象，機構(gòu)的這種位置狀態(tài)稱為死點位置。四連桿機構(gòu)的死點位置（a）（b）（c）凸輪機構(gòu)由凸輪、從動桿、機架三個部分組成，凸輪為主動件。其特點是：（1）凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，只需改變凸輪的外廓形狀，就可改變推桿的運動規(guī)律，容易實現(xiàn)復雜運動的要求，應用較廣泛；（2）凸輪外廓與推桿是點接觸或線接觸，易于磨損，多用在傳遞動力不大的場合；凸輪機構(gòu)可以高速起動；動作準確可靠。

11.3凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)是利用凸輪的曲線或凹槽輪廓與推桿接觸而得到預定運動規(guī)律的一種機構(gòu)。

11.3.1凸輪機構(gòu)的組成與特點11.3.2凸輪機構(gòu)的分類1.按凸輪形狀分（1）盤形凸輪；（2）圓柱凸輪；（3）移動凸輪。按凸輪形狀分類（1）（2）（3）2.從動件形式分類（1）尖頂式從動件；（2）滾子式從動件；（3）平底式從動件。

按從動件形式分類（2）（1）（3）11.3.3凸輪機構(gòu)從動件的運動規(guī)律

凸輪機構(gòu)能否按預期的運動規(guī)律正常工作，主要取決于凸輪的輪廓曲線，加工凸輪的依據(jù)就是確定凸輪的輪廓曲線。

1.凸輪輪廓曲線與從動桿運動的關(guān)系

通常，主動凸輪等速轉(zhuǎn)動，從動桿作往復移動或擺動。從動桿的運動直接與凸輪輪廓曲線上各點向徑的變化有關(guān)，而輪廓曲線上各點向徑大小又是隨凸輪的轉(zhuǎn)角而變化，這種關(guān)系稱為從動桿的運動規(guī)律。

2.等速運動規(guī)律（直線運動規(guī)律）當凸輪以等角速度ω回轉(zhuǎn)時，從動桿在升程或回程的速度為一常數(shù)，這種運動規(guī)律稱為等速運動規(guī)律。

等速運動規(guī)律3.等加速等減速運動規(guī)律(拋物線運動規(guī)律)這種運動規(guī)律是從動桿在一個升程或回程中，前半段作等加速運動，后半段作等減速運動，通常加速度和減速度的絕對值相等。

等加速等減速運動規(guī)律4.余弦加速度運動規(guī)律(簡諧運動規(guī)律)這種運動規(guī)律的加速度是按余弦曲線變化的。加速度曲線是余弦曲線，速度曲線是正弦曲線，而位移曲線是簡諧運動曲線，故這種運動規(guī)律又稱為簡諧運動規(guī)律

。余弦加速運動規(guī)律5.凸輪輪廓曲線的幾個參數(shù)（1）凸輪的與壓力角

作用力Fn與從動桿速度v所夾的銳角稱為凸輪機構(gòu)在圖示位置的壓力角。顯然，壓力角a越大，推動從動桿運動的有效分力Fy=Fncosa越小，分力Fx=Fnsina越大，由此引起導路中的摩擦力阻力越大。（2）基圓半徑凸輪輪廓上一點與回轉(zhuǎn)中心最小向徑，為凸輪的基圓半徑，rb。凸輪機構(gòu)的壓力角11.4間歇運動機構(gòu)與螺旋機構(gòu)

機構(gòu)的主動件連續(xù)轉(zhuǎn)動，而從動件作周期性地間隙運動，即時動時停，完成間歇運動的機構(gòu)稱為間歇運動機構(gòu)。

螺旋機構(gòu)是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€的往復運動。11.4.1棘輪機構(gòu)

齒式棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，運動可靠，容易實現(xiàn)小角度的間歇轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角大小調(diào)節(jié)方便。但是棘齒進入嚙合和退出嚙合的瞬間會發(fā)生剛性沖擊，故傳動的平穩(wěn)性較差。此外，在搖桿回程時，棘爪在棘輪齒背上滑行時會產(chǎn)生噪聲和磨損。因此，齒式棘輪機構(gòu)常用于低速、轉(zhuǎn)角不太大或轉(zhuǎn)角需要改變的場合，如一般機械和自動機械的進給、送料機構(gòu)以及自動計數(shù)器等。齒式棘輪機構(gòu)11.4.2螺旋機構(gòu)

1.螺紋的種類螺紋的種類很多，按螺紋的牙型截面分為三角形螺紋、矩形螺紋、梯型螺紋和鋸齒形螺紋。

2.普通螺紋的主要參數(shù)（1）大徑(d、D）：螺紋的最大直徑，標準中定為公稱直徑。外螺紋記為d，內(nèi)螺紋記為D。（2）小徑(d1、D1)：螺紋的最小直徑，常作為強度校核的直徑。外螺紋記為dl，內(nèi)螺紋記為D1。（3）中徑(d2、D2)：螺紋軸向剖面內(nèi)，牙型上溝槽寬與牙間寬相等處的假想圓柱面直徑。外螺紋記為d2，內(nèi)螺紋記為D2。（4）牙型角a：在軸剖面內(nèi)螺紋牙形兩側(cè)邊的夾角。（5）牙型斜角β：牙形側(cè)邊與螺紋軸線的垂線間的夾角，β=a/2（6）螺距P：在中徑線上，相鄰兩螺紋牙對應點間的軸向距離。

（7）導程S：在同一條螺旋線上，相鄰兩螺紋牙在中徑線上對應點間的軸向距離。導程S與螺距P及線數(shù)n的關(guān)系是：S=

nP

（8）升角λ：在中徑圓柱上，螺旋線切線與端面的夾角。

螺紋的升角3.螺旋傳動螺旋機構(gòu)在各種機械設(shè)備和儀器中得到廣泛的應用，主要是用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€移動。螺旋機構(gòu)的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，能將較小的回轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)變成較大的軸向汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)力，能達到較高的傳動精度，并且工作平穩(wěn)，易于自鎖。它的主要缺點是摩擦損失大，傳動效率低，因此一般不用來傳遞大的功率。11.5輪系

在許多機械中，為了獲得大的傳動比，或變換轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，通常需要采用一系列互相嚙合的齒輪將主動軸和從動軸連接起來。這種由一系列齒輪組成的傳動系統(tǒng)稱為輪系（或齒輪系）。輪系的分類混合輪系周轉(zhuǎn)輪系定軸輪系

11.5.1輪系的分類

1.定軸輪系每個齒輪的幾何軸線都是固定的，這種輪系稱為定軸輪系或普通輪系。2.周轉(zhuǎn)輪系輪系中，至少有一個齒輪的幾何軸線繞位置固定的另一齒輪的幾何軸線轉(zhuǎn)動的輪系稱為周轉(zhuǎn)輪系。

3.混合輪系輪系中，齒輪1與2組成定軸輪系，齒輪3、4、5與構(gòu)件H組成周轉(zhuǎn)輪系。這種由定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系或由幾個單一的周轉(zhuǎn)輪系組成的輪系稱為混合輪系。11.5.2定軸輪系傳動比的計算

計算定軸輪系的傳動比，不僅要確定傳動比數(shù)值的大小，而且要確定首末齒輪轉(zhuǎn)向的異同（即它的正負號）。

i12=

==

外嚙合傳動，主動輪與從動輪轉(zhuǎn)向相反，規(guī)定i取負號；內(nèi)嚙合時，兩輪轉(zhuǎn)向相同，i取正號；或在圖上用反方向箭頭來表示。如圖所示：

定軸輪系傳動比分析（a）（b）輪系傳動比為輪系中首末兩齒輪的角速度比。若以1與k分別代表首末兩輪的標號，則輪系的傳動比為：

i1k===(-1)m

式中，m—齒輪外嚙合次數(shù)。對于有圓錐齒輪、交錯軸斜齒輪或蝸桿蝸輪等空間齒輪機構(gòu)的定軸輪系，其傳動比大小仍按上式計算。但傳動比的正負號，各輪的轉(zhuǎn)向不能根據(jù)(-1)m確定，而必須用畫箭頭的辦法確定各輪的轉(zhuǎn)向11.5.3周轉(zhuǎn)輪系的組成和分類

1.周轉(zhuǎn)輪系的組成在周轉(zhuǎn)輪系中，外齒輪1和內(nèi)齒輪3的固定幾何軸線均為O1，行星齒輪系中幾何軸線固定的齒輪稱為中心齒輪或太陽輪K。行星齒輪2空套在構(gòu)件H上，構(gòu)件H可以繞固定軸線Ol轉(zhuǎn)動，此構(gòu)件稱為行星架（或為轉(zhuǎn)臂）。行星齒輪2既可繞自身幾何軸線O2轉(zhuǎn)動，又能繞中心內(nèi)齒輪的固定幾何軸線O1轉(zhuǎn)動，就象行星一樣，兼作自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，習慣上稱這種齒輪為行星齒輪。

2.周轉(zhuǎn)輪系的分類

周轉(zhuǎn)輪系可以按自由度或基本構(gòu)件分類。為便于機構(gòu)分析，僅介紹按自由度的分類方法。（1）行星輪系如圖所示的周轉(zhuǎn)輪系中，中心齒輪3固定在機架上，所以輪系的活動件數(shù)n=3。該行星輪系的自由度為:F=3n-2PL-PH=3×3-2×3-2=1凡具有一個自由度的周轉(zhuǎn)輪系，稱為行星輪系。對于行星輪系，只需一個活動件的運動確定，則整個行星輪系的運動就確定了。

（2）差動輪系

如圖所示的周轉(zhuǎn)輪系中，若中心齒輪1與3都不固定，則周轉(zhuǎn)輪系的活動件數(shù)n=4，轉(zhuǎn)動低副數(shù)PL=4，高副數(shù)PH=2，周轉(zhuǎn)輪系的自由度為：F=3n-2PL-PH=3×4-2×4-2=2

11.5.4周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計算

當給整個輪系加上一個大小為nH，方向與nH相反的公共轉(zhuǎn)速(-nH)后，各構(gòu)件間的相對運動并不改變，而行星架H卻靜止不動了。這樣，齒輪的幾何軸線的位置全部固定，原來的周轉(zhuǎn)輪系便轉(zhuǎn)化為定軸輪系了。稱為周轉(zhuǎn)輪系的轉(zhuǎn)化輪系。計算公式為：===±

=-

上述結(jié)論可以推廣到一般情形，可以求得周轉(zhuǎn)輪系傳動比的普遍計算公式。設(shè)n1和，nk為周轉(zhuǎn)輪系中任意兩個齒輪1和k的轉(zhuǎn)速，則兩齒輪與行星架H的轉(zhuǎn)速間的關(guān)系為：=（-1）m

應用時須注意以下幾點：（2