項目5常用機構(gòu)認知《城市軌道交通機械基礎》目錄Content任務1 平面機構(gòu)基礎認知1任務2 平面連桿機構(gòu)認知任務3 凸輪機構(gòu)認知2301任務1平面機構(gòu)基礎認知任務1任務描述在軌道交通中，不論是列車設備還是車站設備，工程材料的應用都非常普遍。為保障軌道交通的正常運營，特別是在制造和維護過程中，我們必須了解和掌握有關工程材料的各種性能，為軌道交通的安全行車保駕護航。本任務主要了解軌道交通相關金屬材料的力學性能。任務目標能舉例說明運動副的應用特點；能繪制簡單運動機構(gòu)簡圖；能計算簡單形式的平面機構(gòu)自由度。任務學習一、運動副二、機構(gòu)運動簡圖三、平面機構(gòu)自由度任務1組成平面機構(gòu)的每個構(gòu)件是以一定的方式與其他構(gòu)件組成可動連接。兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的連接，稱為運動副。運動副也是組成機構(gòu)的主要要素，通常都是通過點、線、面接觸來實現(xiàn)的。根據(jù)運動副接觸形式不同，運動副可分為低副和高副。（一）低 副通過面接觸而構(gòu)成的運動副稱為低副。根據(jù)構(gòu)件之間的相對運動是轉(zhuǎn)動還是移動，低副又可分為轉(zhuǎn)動副、移動副和螺旋副（見下圖）。圖5-1 轉(zhuǎn)動副圖5-2 移動副圖5-3 螺旋副一、運動副任務1（二）高

副兩構(gòu)件以點或線接觸構(gòu)成的運動副稱為高副。高副接觸可分為滾動輪接觸、凸輪接觸和齒輪接觸（見下圖）。滾動輪接觸 凸輪接觸 齒輪接觸低副的單位面積壓力較小，較耐用，傳力性能好，但摩擦損失大，效率低，不能傳遞較復雜的運動。高副能傳遞較復雜的運動，但其單位面積壓力較大，兩構(gòu)件接觸處容易磨損，制造和維修困難。任務1機構(gòu)的實際運動僅與機構(gòu)中運動副的性質(zhì)（低副或高副等）、運動副的數(shù)目及確定的相對位置（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，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，因此可以按照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。機構(gòu)運動簡圖既保持了其實際機構(gòu)的運動特征，又簡明地表達了實際機構(gòu)的運動情況。二、機構(gòu)運動簡圖任務1構(gòu)件的表示方法如下圖所示。構(gòu)件的表示方法任務1運動副表示方法如下圖所示。運動副表示方法下面繪制單缸內(nèi)燃機（見下圖）的機構(gòu)運動簡圖。單缸內(nèi)燃機任務1步驟如下：（1）單缸內(nèi)燃機由連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)和凸輪機構(gòu)組成。氣缸體1作為機架是固定件，活塞4是主動件，其余構(gòu)件都是從動件。（2）各構(gòu)件之間的連接方式，如活塞4與連桿3、連桿3與曲軸2、曲軸2與機架1、凸輪8與機架1之間均為相對轉(zhuǎn)動構(gòu)成轉(zhuǎn)動副?；钊?與機架1、進排氣閥推桿7與機架1之間為相對移動構(gòu)成移動副。齒輪9與齒輪10、凸輪8與進排氣閥推桿7頂端之間為線和點接觸構(gòu)成高副。12（3）先從主動件開始畫出移動副的導路中心線，以曲軸與機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副的位置作為3 基準，然后根據(jù)構(gòu)件上運動副之間的尺寸和各運動副的位置，按選定的比例尺，用構(gòu)件和運動副的規(guī)定符號繪制出機構(gòu)運動簡圖，如右圖所示。單缸內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖任務1在實際生產(chǎn)生活中，機構(gòu)要達到使用條件，機構(gòu)運動必須確定，這就需要進行平面機構(gòu)自由度的計算。機構(gòu)的自由度必須大于零，則該機構(gòu)除機架之外的其他構(gòu)件才能夠運動。如果機構(gòu)的自由度計算等于零，所有構(gòu)件就都不能運動。通常用具有一個獨立運動的構(gòu)件作為主動件，因此，機構(gòu)具有確定運動的充分和必要條件為：構(gòu)件系統(tǒng)的自由度必須大于零，且原動件的數(shù)目必須等于自由度數(shù)目。兩構(gòu)件組成運動副后，構(gòu)件的獨立運動就受到了限制，對于構(gòu)件相對運動的這種限制作用稱為約束。在平面機構(gòu)中每個低副（轉(zhuǎn)動副、移動副等）引入兩個約束，使構(gòu)件失去兩個自由度，剩余一個自由度；而每個高副（齒輪副、凸輪副等）引入一個約束，使構(gòu)件失去一個自由度，剩余兩個自由度。三、平面機構(gòu)自由度任務1如果一個平面機構(gòu)中包含有n個可動構(gòu)件（機架為參考坐標系，相對固定而不計），未使用運動副連接之前，這些可動構(gòu)件的自由度總數(shù)應為3n。當各構(gòu)件用運動副連接起來之后，由于運動副引入約束使構(gòu)件的自由度減少。若機構(gòu)中有PL個低副和PH個高副，則所有運動副引入的約束數(shù)為2PL+PH。因此，機構(gòu)自由度的計算應用可動構(gòu)件的自由度總數(shù)減去約束的總數(shù)，則得平面機構(gòu)自由度公式機構(gòu)的自由度F=3n-2PL-PH【例5-1】試計算圖5-10所示內(nèi)燃機機構(gòu)的自由度，并判斷機構(gòu)的運動是否確定。解：由分析可知內(nèi)燃機機構(gòu)共有5個可動構(gòu)件，其中6個低副（其中有2個移動副、4個轉(zhuǎn)動副），2個高副，即n=5，PL=6，PH=2。所以，該機構(gòu)的自由度為F=3n-2PL-PH=3×5-2×6-2=1由于機構(gòu)具有一個獨立運動的構(gòu)件，活塞4作原動件，原動件的數(shù)目等于機構(gòu)自由度數(shù)，機構(gòu)具有確定的運動。02任務2鋼鐵材料認知任務2任務描述平面連桿機構(gòu)是由一些剛性構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副和移動副相互連接而組成的，在同一平面或相互平行平面內(nèi)運動的機構(gòu)。由四個構(gòu)件通過低副連接而成的平面連桿機構(gòu)，稱為平面四桿機構(gòu)。它是平面連桿機構(gòu)中最常見的形式，也是組成平面多桿機構(gòu)的基礎。平面連桿機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)某些較為復雜的平面運動，在生產(chǎn)和生活中廣泛用于動力的傳遞或改變運動形式。平面連桿機構(gòu)構(gòu)件形狀簡單，制造方便，工作可靠，可以承受較大的載荷；在主動件等速連續(xù)運動的條件下，當各構(gòu)件的相對長度不同時，從動件實現(xiàn)多種形式的運動，

滿足多種不同運動規(guī)律的要求。本任務主要認識平面連桿機構(gòu)。任務目標能舉例說明三種鉸鏈四桿機構(gòu)的運動形式；能舉例說明鉸鏈四桿機構(gòu)基本性質(zhì)的應用；能判斷鉸鏈四桿機構(gòu)中曲柄是否存在；能舉例說明演化機構(gòu)的運動形式。任務學習一、鉸鏈四桿機構(gòu)二、鉸鏈四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)三、鉸鏈四桿機構(gòu)的演化形式任務2鉸鏈（即轉(zhuǎn)動副）在日常生活中應用廣泛，其形式多樣，如下圖所示。固定鉸鏈一、鉸鏈四桿機構(gòu)活動鉸鏈鉸鏈任務2四桿機構(gòu)是最常用的平面連桿機構(gòu)之一，是具有四個構(gòu)件（包括機架）的低副機構(gòu)。構(gòu)件間用四個轉(zhuǎn)動副相連的平面四桿機構(gòu)，簡稱鉸鏈四桿機構(gòu)。如右圖所示的鉸鏈四桿機構(gòu)中，固定不動的桿4為機架，與機架相連的桿1與桿3稱為連架桿，連接兩連架桿的桿2為連桿。連架桿1與3通常繞自身的回轉(zhuǎn)中心A和D回轉(zhuǎn)，連桿2做平面運動。能做整周轉(zhuǎn)動的連架桿稱為曲柄，不能做整周轉(zhuǎn)動的連架桿稱為搖桿。鉸鏈四桿機構(gòu)任務2鉸鏈四桿機構(gòu)按連架桿有無曲柄、搖桿，分為以下三種基本形式。（一）曲柄搖桿機構(gòu)在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若一個連架桿為曲柄，另一個連架桿為搖桿，稱為曲柄搖桿機構(gòu)，

如右圖所示。曲柄搖桿機構(gòu)任務2當曲柄1為主動件時，曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動可經(jīng)連桿2轉(zhuǎn)換為搖桿3的往復擺動。當搖桿3為主動件時，可將搖桿的往復擺動經(jīng)連桿2轉(zhuǎn)換為曲柄1的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動。如下圖所示的汽車雨刮器，曲柄AB為主動件且勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿BC帶動搖桿CD往復擺動，搖桿外伸端實現(xiàn)刮窗動作。汽車雨刮器任務2如下圖（左）所示的剪板機，曲柄AB為主動件且勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿BC帶動搖桿CD往復擺動，搖桿延伸端實現(xiàn)剪板機上刃口的開合剪切動作。（二）雙曲柄機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿均為曲柄，稱為雙曲柄機構(gòu)，如下圖（右）所示。在雙曲柄機構(gòu)中，兩曲柄可以分別為主動件。剪板機雙曲柄機構(gòu)任務2如下圖所示的碼垛機械手，四桿件構(gòu)成平行雙曲柄機構(gòu)。兩曲柄的旋轉(zhuǎn)方向和角速度均相同。牽動主動曲柄AB的延伸端E，可使連桿BC帶動機械手平行升降移動，以便平穩(wěn)碼垛。碼垛機械手任務2如下圖所示的汽車門啟閉機構(gòu)，曲柄AB為主動件且勻速轉(zhuǎn)動，通過連桿BC帶動搖桿CD往復擺動，搖桿延伸端實現(xiàn)剪板機上刃口的開合剪切動作。汽車門啟閉機構(gòu)任務2（三）雙搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿均為搖桿，稱為雙搖桿機構(gòu)，如下圖所示。雙搖桿機構(gòu)任務2在雙搖桿機構(gòu)中，兩搖桿均可以作為主動件。當主動搖桿往復擺動時，通過連桿帶動從動搖桿往復擺動。如下圖所示的夾緊機構(gòu)，手柄與連桿BC連為一體，扳動手柄可夾緊或松開工件。夾緊機構(gòu)任務2如下圖所示的飛機起落架機構(gòu)，主動搖桿AB通過連桿BC帶動從動搖桿CD動作，實現(xiàn)起落架的收放。飛機起落架機構(gòu)任務2二、鉸鏈四桿機構(gòu)的基本性質(zhì)（一）曲柄存在條件鉸鏈四桿機構(gòu)是否有曲柄存在，與機構(gòu)中各桿的相對長度有關。鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在條件：最短桿與最長桿長度之和應小于或等于其余兩桿長度之和。連架桿與機架中至少有一個是最短桿。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，當最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和：最短桿是曲柄時，為曲柄搖桿機構(gòu)；最短桿是機架時，為雙曲柄機構(gòu)；最短桿是連桿時，為雙搖桿機構(gòu)。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，當最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和時，無論取任何

桿為機架，都只能得到雙搖桿機構(gòu)。任務2（二）急回特性曲柄搖桿機構(gòu)存在一種特殊的傳動特性——

急回特性。如右圖所示，曲柄為原動件，做等角速度轉(zhuǎn)動，BC為連桿，CD為搖桿。若曲柄勻速轉(zhuǎn)動，很明顯曲柄轉(zhuǎn)過角 1=180°+θ比轉(zhuǎn)過角 2=180°-θ需要的時間多，這說明搖桿往復擺動的平均速度不同。鉸鏈四桿機構(gòu)的這種特性稱為搖桿的急回特性?？栈匦谐唐骄俣扰c工作進程平均速度之比稱為速度變化系數(shù)，用K表示式中，θ為極位夾角，即搖桿在兩極限位置時，曲柄兩位置之間所夾的銳角。θ角表示了急回程度的大小，θ越大，急回程度越大，θ=0，機構(gòu)無急回特性。曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性任務2（三）死點位置如右圖所示的曲柄搖桿機構(gòu)，

搖桿處于C1D或C2D兩極限位置時，連桿BC與曲柄AB兩次共線，此時，搖桿經(jīng)連桿施加給曲柄的力F1或F2必然通過鉸鏈中心A，曲柄不能獲得轉(zhuǎn)矩，機構(gòu)將趨于靜止狀態(tài)。機構(gòu)所處的這種位置稱為死點位置。曲柄搖桿機構(gòu)任務2圖5-25 利用死點位置夾緊工件機構(gòu)存在死點是不利的，對于連續(xù)轉(zhuǎn)動的機器，常采取以下措施使機構(gòu)順利地通過死點位置：利用從動件的慣性順利地通過死點位置。例如，家用縫紉機的腳踏板機構(gòu)中大帶輪就相當于飛輪，利用其慣性通過死點。采用錯位排列的方式順利地通過死點位置。死點位置對傳動是不利的，但有時可利用死點位置實現(xiàn)某種功能。如圖5-25所示，工件夾緊后，BCD成一直線，撤去外力F之后，機構(gòu)在工件反彈力T的作用下，處于死點位置。即使反彈力很大，工件也不會松脫，使夾緊牢固可靠。任務2利用死點位置支承機輪再如右圖所示的飛機起落架機構(gòu)，飛機起飛和降落時，飛機起落架處于放下機輪的位置，此時連桿BC與從動件處于一條直線上，機構(gòu)處于死點位置，因此，機輪著地時產(chǎn)生的巨大沖擊力不會使從動件反轉(zhuǎn)，從而保持著支承狀態(tài)。任務2曲柄滑塊機構(gòu)（一）曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)是具有一個曲柄和一個滑塊的平面四桿機構(gòu)，是由曲柄搖桿機構(gòu)演化而來的，它將曲柄搖桿機構(gòu)中的搖桿轉(zhuǎn)化為滑塊。如下圖所示，當曲柄AB勻速轉(zhuǎn)動時，通過連桿BC帶動滑塊3在機架導軌上做往復直線運動。三、鉸鏈四桿機構(gòu)的演化形式任務2滾輪送料機曲柄滑塊機構(gòu)廣泛應用在活塞式內(nèi)燃機、空氣壓縮機、沖床等機械中。下圖所示為滾輪送料機。任務2圖5-29 偏心輪機構(gòu)（二）偏心輪機構(gòu)在曲柄滑塊機構(gòu)中，當曲柄過短不能制作時，往往用一個旋轉(zhuǎn)中心與幾何中心不相同的偏心輪代替曲柄，如圖5-29所示的偏心輪機構(gòu)。構(gòu)件1為偏心輪，偏心距e

（輪的幾何中心B點至旋轉(zhuǎn)中心A點的距離）相當于曲柄長度。偏心輪機構(gòu)用于載荷較大且滑塊行程較小的剪床、沖床、顎式破碎機等機械中。任務2擺動導桿機構(gòu)（三）導桿機構(gòu)導桿是機構(gòu)中與另一運動構(gòu)件組成移動副的構(gòu)件。連架桿中至少有一個構(gòu)件為導桿的平面四桿機構(gòu)稱為導桿機構(gòu)。常用的導桿機構(gòu)有擺動導桿機構(gòu)、移動導桿機構(gòu)和曲柄搖塊機構(gòu)等（見下圖）

。移動導桿機構(gòu)曲柄搖塊機構(gòu)03任務3非鐵金屬材料認知任務3任務描述凸輪是具有控制從動件運動規(guī)律的曲線輪廓的構(gòu)件，含有凸輪的機構(gòu)稱為凸輪機構(gòu)。凸輪機構(gòu)可以將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動或移動轉(zhuǎn)換為從動件連續(xù)或不連續(xù)的移動或擺動。與連桿機構(gòu)相比，凸輪機構(gòu)便于實現(xiàn)給定的運動規(guī)律和軌跡，而且結(jié)構(gòu)簡單緊湊；但由于凸輪與從動件為點、線副接觸，易磨損。本任務主要是認識凸輪機構(gòu)。任務目標能闡述凸輪機構(gòu)的組成及運動特點；能舉例說明凸輪機構(gòu)的分類和應用；能講解凸輪機構(gòu)的工作過程。一、凸輪機構(gòu)的組成和特點二、凸輪機構(gòu)的分類和應用三、凸輪機構(gòu)的工作過程任務學習任務31—凸輪；2—從動件；3—機架。凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)主要由主動件凸輪、從動件和機架組成。凸輪與從動件以點或線相接觸構(gòu)成高副，所以又稱為高副機構(gòu)，主要依靠凸輪輪廓直接與從動件接觸，迫使從動件做有規(guī)律的直線往復運動（直動）或擺動，如右圖所示。凸輪機構(gòu)的基本特點是能使從動件獲得較復雜且準確的預期運動規(guī)律，但凸輪輪廓與從動件的接觸面積小，所以接觸處壓強大，易磨損，因而不能承受很大的負荷，且凸輪是一個具有特定曲線輪廓的構(gòu)件，輪廓加工精度要求高。一、凸輪機構(gòu)的組成和特點任務3凸輪機構(gòu)的類型很多，通常按凸輪形狀分類或按從動件端部結(jié)構(gòu)分類（見下表）。按凸輪形狀分類二、凸輪機構(gòu)的分類和應用任務3按從動件端部結(jié)構(gòu)分類任務3靠模車削機構(gòu)凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、工作可靠，設計適當?shù)耐馆嗇喞€，可使從動件獲得任意預期的運動規(guī)律。但凸輪與從動件（桿或滾子）之間以點或線接觸，不便于潤滑，易磨損，只適用于傳力不大的場合，如自動機構(gòu)、儀表、控制機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)中。如右圖所示的靠模車削機構(gòu)，靠模板4（相當于移動凸輪）固定在車床床身上。車削加工時，工件旋轉(zhuǎn)，刀架3帶動車刀2（從動件）沿工件軸向移動，由靠模板曲線輪廓控制車刀相對于工件的徑向進給。車刀按預定規(guī)律動作，從而車削出具有曲面輪廓的工件。任務3自動進刀機構(gòu)如右圖所示的自動進刀機構(gòu)，在圓柱表面開出曲線凹槽的圓柱凸輪1轉(zhuǎn)動時，凹槽的側(cè)面推動擺桿2端部的滾子，使擺桿繞固定鉸鏈C的回轉(zhuǎn)中心擺動，擺桿另一端的扇形齒輪與刀架底部的齒條相嚙合，使刀架實現(xiàn)進刀和退刀動作。任務3內(nèi)燃機的配氣機構(gòu)如右圖所示內(nèi)燃機的配氣機構(gòu)，主動凸輪轉(zhuǎn)動時，推動從動件頂桿上下移動，按給定的配氣要求啟閉閥門。任務3尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)工作過程（一）凸輪機構(gòu)運動過程凸輪機構(gòu)中最常見的運動形式為凸輪做等速回轉(zhuǎn)運動，從動件做往復移動。凸輪回轉(zhuǎn)時，從動件做“升→停→降→?！钡倪\動循環(huán)。以右圖所示尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)為例，說明主動件凸輪與從動件間的運動關系及有關名稱。圖示位置凸輪轉(zhuǎn)角為零，從動件尖頂位于A離凸輪軸心O最近位置，稱為起始位置。三、凸輪機構(gòu)的工作過程任務32.

推程運動角凸輪以等角速度ω順時針轉(zhuǎn)動，從動件被凸輪推動，以一定運動規(guī)律由A到達最高點位置B，從動件在這一過程中移動的距離h稱為推程（升程），所對應的凸輪轉(zhuǎn)角δ0稱為推程運動角。4.

回程運動角凸輪再繼續(xù)回轉(zhuǎn)δ′0，從動件以一定運動規(guī)律下降到最低位置D，這段行程稱為回程，所對應的凸輪轉(zhuǎn)角δ′0稱為回程運動角。1.基 圓以凸輪