機(jī)械原理第一章緒論1.機(jī)械的概念(1)機(jī)構(gòu)機(jī)器的重要特征是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，工程上把機(jī)器中執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置稱為機(jī)構(gòu)。如圖1-1a。

(2)機(jī)器機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息。如圖1-1b。

(3)機(jī)械機(jī)構(gòu)與機(jī)器的共同點(diǎn)都是實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，所以從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，二者是一樣的；不同點(diǎn)是機(jī)構(gòu)沒有能量的轉(zhuǎn)換和信息的傳遞。1.1機(jī)械總論Fig.1-1Internalcombustionengineandscheme(內(nèi)燃機(jī)及其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖)

1—piston(活塞)2—coupler(連桿)3—crankshaft(曲軸)4、5、6—gear(齒輪)7—cam(凸輪)

8—follower(推桿)9—lever(杠桿)10—valve(氣門)11—frame(缸體)2.機(jī)器的組成Fig.1-2Compositionofmachine(機(jī)器組成示意圖)根據(jù)機(jī)器的定義，機(jī)器中要有動(dòng)力源，稱為原動(dòng)機(jī)；機(jī)器中還要有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞裝置或機(jī)械運(yùn)動(dòng)形態(tài)的變換裝置，常將它們稱為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和工作執(zhí)行系統(tǒng)，統(tǒng)稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；現(xiàn)代機(jī)器還有控制系統(tǒng)。圖1-2所示框圖為常見機(jī)器組成示意圖。Fig.1-3Automaticgate(電動(dòng)大門示意圖)

1—driver(驅(qū)動(dòng)器)2—gate(大門)3—electromotor(電動(dòng)機(jī))4—reducer(減速器)

5—chaindriver(鏈傳動(dòng))6—rollers(滾輪)圖1-3為電動(dòng)大門示意圖，其驅(qū)動(dòng)器1的內(nèi)部組成見圖1-3a。原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)3，其轉(zhuǎn)速很高，而大門2的開啟速度較低，所以要經(jīng)過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的減速器4和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5把電動(dòng)機(jī)3的轉(zhuǎn)速降下來，圖示的減速器和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就是速度變換機(jī)構(gòu)。由許多平行四邊形機(jī)構(gòu)和滾輪組成的大門2稱為工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。Fig.1-4Constituteofthecoupler(連桿的組成)

1—bodyofthecoupler(連桿體)2—bearing(小端軸承)3—bearingbush(軸瓦)

4—headofthecoupler(連桿頭)5—bolt(螺栓)6—nut(螺母)7—washer(墊圈)1.2機(jī)械原理課程的研究對(duì)象與內(nèi)容1.機(jī)械原理的研究對(duì)象

機(jī)械原理是研究有關(guān)機(jī)械基本理論的課程，其研究對(duì)象為機(jī)械。而機(jī)械又是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱，所以，機(jī)械原理是研究機(jī)器和機(jī)構(gòu)基本理論的課程。圖1-1所示內(nèi)燃機(jī)中，活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，連桿作平面運(yùn)動(dòng)，齒輪、凸輪作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它們都是最小運(yùn)動(dòng)單元，這里把組成機(jī)器的最小運(yùn)動(dòng)單元稱為構(gòu)件。構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律也是機(jī)械原理研究的對(duì)象。2.機(jī)械原理的研究?jī)?nèi)容(1)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)研究機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的畫法，機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算以及機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析等。

(2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置、速度、加速度，構(gòu)件之間的作用力，按照工作要求設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸等。

(3)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中慣性力的平衡以及速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)等。1.目的1.3學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程的目的機(jī)械與人類生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)密切相關(guān)。機(jī)械工程的發(fā)展程度代表一個(gè)國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)的強(qiáng)弱和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。機(jī)械種類眾多，但組成各類機(jī)械的機(jī)構(gòu)種類有限，因此學(xué)會(huì)各類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及各類機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)各類新機(jī)械的理論基礎(chǔ)。機(jī)械原理是后續(xù)課程的基礎(chǔ)，也是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。只有掌握機(jī)械原理的基本知識(shí)，才能設(shè)計(jì)新機(jī)械。本課程的學(xué)習(xí)目的是為設(shè)計(jì)各類機(jī)械奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。2.結(jié)論1)機(jī)械很重要。

2)機(jī)械原理很重要。

3)機(jī)構(gòu)是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置。

4)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖是機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化表達(dá)形式。

5)機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，且能轉(zhuǎn)換能量，或傳遞物料與信息。

6)機(jī)械是機(jī)構(gòu)與機(jī)器的總稱。

7)構(gòu)件是機(jī)器中的最小運(yùn)動(dòng)單元。

8)零件是機(jī)器中的最小制造單元。

9)機(jī)械原理不但是機(jī)械設(shè)計(jì)的組成內(nèi)容，也是后續(xù)課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。第2章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析1.構(gòu)件

2.1運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu)

構(gòu)件是指組成機(jī)器的最小運(yùn)動(dòng)單元。當(dāng)不考慮構(gòu)件的自身彈性變形時(shí)，則視之為剛性構(gòu)件。Fig.2-1Coupleroftheinternalcombustionengine(內(nèi)燃機(jī)中的連桿)2.運(yùn)動(dòng)副(1)按兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式分類兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，其他運(yùn)動(dòng)形式可以看作為轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。

1)轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，稱之為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

兩構(gòu)件之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的連接稱為運(yùn)動(dòng)副。Fig.2-2Turningpairs(轉(zhuǎn)動(dòng)副)2)移動(dòng)副。兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，則稱之為移動(dòng)副。Fig.2-3Slidingpairs(移動(dòng)副)(2)按兩構(gòu)件的接觸方式分類兩構(gòu)件之間的接觸方式共有三種，即面接觸、點(diǎn)接觸和線接觸。1)低副。兩構(gòu)件之間是面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。

2)高副。兩構(gòu)件之間是點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。Fig.2-4Higherpairs(高副)(3)運(yùn)動(dòng)副元素在研究運(yùn)動(dòng)副時(shí)，經(jīng)常涉及到兩構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)副處的表面形狀。把兩構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)副處的點(diǎn)、線、面接觸部分稱為運(yùn)動(dòng)副的元素。圖2-2所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副中，軸1的外圓柱面是軸1上的運(yùn)動(dòng)副元素，軸承座2的內(nèi)圓柱面是軸承座2的運(yùn)動(dòng)副元素。圖2-3a所示的移動(dòng)副中，運(yùn)動(dòng)副元素為接觸平面；圖2-3b所示的移動(dòng)副中，運(yùn)動(dòng)副元素為圓柱面。2-4a所示輪齒形成的運(yùn)動(dòng)副中，各自的輪廓曲線是輪齒的運(yùn)動(dòng)副元素。圖2-4c所示的凸輪高副中，各自的輪廓線則是相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副元素。因此，高副的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖一般用其對(duì)應(yīng)的曲線表示。表示單一構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副連接處時(shí)，經(jīng)常使用運(yùn)動(dòng)副元素表示。3.運(yùn)動(dòng)鏈Fig.2-5Closedkinematicchains(閉鏈)若干個(gè)構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副連接起來可作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件系統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)鏈。若運(yùn)動(dòng)鏈中的各構(gòu)件構(gòu)成了首尾封閉的系統(tǒng)，則稱之為閉鏈。閉鏈中每個(gè)構(gòu)件上至少有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素。圖2-5a、b所示的運(yùn)動(dòng)鏈為閉鏈，圖2-5c為含有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副元素的構(gòu)件。Fig.2-6Unclosedkinematicchains(開鏈)若各構(gòu)件之間沒有形成首尾封閉的系統(tǒng)，則稱之為開鏈。開鏈中首尾構(gòu)件僅含有一個(gè)運(yùn)動(dòng)元素。圖2-6所示的運(yùn)動(dòng)鏈為開鏈，構(gòu)件3、4只含有一個(gè)運(yùn)動(dòng)元素。開鏈在機(jī)器人領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。Fig.2-7Structures(桁架)圖2-7所示的構(gòu)件系統(tǒng)中，各構(gòu)件間均不能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，它們不是運(yùn)動(dòng)鏈，而是桁架，該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)中只相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，即是一個(gè)構(gòu)件。Fig.2-8Mechanismsinwhichallthepairsarelowerpairs(低副機(jī)構(gòu))4.機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)鏈中，若選定某個(gè)構(gòu)件為機(jī)架,則該運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面若互相平行，則稱為平面機(jī)構(gòu)；若機(jī)構(gòu)中至少有一個(gè)構(gòu)件不在相互平行的平面上運(yùn)動(dòng)，或至少有一個(gè)構(gòu)件能在三維空間中運(yùn)動(dòng)，則稱為空間機(jī)構(gòu)。Fig.2-9Mechanismincludinghigherpair(高副機(jī)構(gòu))完全由低副連接而成的機(jī)構(gòu)，稱為低副機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)是常用的低副機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中只要含有一個(gè)高副，就稱之為高副機(jī)構(gòu)。圖2-9所示機(jī)構(gòu)在C處用高副連接，故稱為高副機(jī)構(gòu)。齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)是常用的高副機(jī)構(gòu)。2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

機(jī)械設(shè)計(jì)與分析過程中，用簡(jiǎn)單的線條表示構(gòu)件，用圖形符號(hào)表示運(yùn)動(dòng)副，這樣描述機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)情況，概念清晰、簡(jiǎn)單實(shí)用。這種用簡(jiǎn)單的線條和運(yùn)動(dòng)副的圖形符號(hào)表示機(jī)構(gòu)的組成情況的簡(jiǎn)單圖形稱為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。如按比例尺畫出，則稱之為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，否則為機(jī)構(gòu)示意圖。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖所反映的主要信息是：機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目、各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置即運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸。而對(duì)于構(gòu)件的外形、斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目及連接方式，在畫機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)均不予考慮。2.常用構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副畫法

在畫機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖時(shí)，必須對(duì)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的畫法進(jìn)行一些規(guī)定。具體規(guī)定可參閱表2-1給出的常用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)。3.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖畫法(1)機(jī)構(gòu)的基本術(shù)語在圖2-10a、b中，固定不動(dòng)的構(gòu)件4稱為機(jī)架，與機(jī)架相連接的構(gòu)件1、3稱為連架桿，不與機(jī)架相連接的桿件2稱為連桿。

Fig.2-10Mechanismnomenclature(機(jī)構(gòu)術(shù)語)

1、3—linkconnectedframe(連架桿)2—coupler(連桿)4—frame(機(jī)架)(2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的具體畫法1)找出原動(dòng)件和從動(dòng)件。

2)使機(jī)構(gòu)緩緩運(yùn)動(dòng)，觀察其組成情況和運(yùn)動(dòng)情況。

3)沿主動(dòng)件到從動(dòng)件的傳遞路線找出構(gòu)件數(shù)目和運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目與種類。

4)選擇大多數(shù)構(gòu)件所在平面為投影面。

5)測(cè)量各運(yùn)動(dòng)副之間的尺寸，用運(yùn)動(dòng)副表示各構(gòu)件的連接，選擇適當(dāng)比例尺畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。例2-1畫出圖2-11a所示泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

Fig.2-11Schematicdiagramofthepump(泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)

1—eccentricdisk(偏心輪)2—coupler(連桿)3—slider(滑塊)4—frame(機(jī)架)解：圖2-11a所示的泵，由偏心輪1、連桿2、滑塊3和機(jī)架4組成。偏心輪1為主動(dòng)件，各構(gòu)件的連接關(guān)系如下：偏心輪1與機(jī)架4在A點(diǎn)用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，偏心輪1與連桿2在B點(diǎn)用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，AB為構(gòu)件1。構(gòu)件2與構(gòu)件3在C點(diǎn)用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，BC為構(gòu)件2。構(gòu)件3與機(jī)架4用移動(dòng)副連接。選擇合適投影面和比例尺，測(cè)量出AB、BC尺寸，滑塊運(yùn)動(dòng)方向線偏離AB的轉(zhuǎn)動(dòng)中心A的距離，畫出的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖2-11b所示。例2-2畫出圖2-12a所示牛頭刨床的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

Fig.2-12Shaperanditsschematicdiagram(牛頭刨床及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)

1、2—gear(齒輪)3—block(滑塊)4—rocker(擺桿)

5—link(連桿)6—slidebar(滑枕)7—frame(機(jī)架)解:圖2-12a所示的牛頭刨床由小齒輪1、大齒輪2、滑塊3、擺桿4、連桿5、滑枕6和機(jī)架7組成，各構(gòu)件間的連接關(guān)系如下：小齒輪1、大齒輪2與機(jī)架7在O1、O2處以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，二齒輪以高副連接。大齒輪2和滑塊3在A點(diǎn)處以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，滑塊3與擺桿4以移動(dòng)副連接，擺桿4分別與機(jī)架7和連桿5以轉(zhuǎn)動(dòng)副在B點(diǎn)、C點(diǎn)連接，連桿5與滑枕6以轉(zhuǎn)動(dòng)副在D點(diǎn)連接，滑枕6與機(jī)架7在E點(diǎn)、E′點(diǎn)以移動(dòng)副連接。分別測(cè)量齒輪節(jié)圓半徑，距離O1O2、O2A、O2B、BC、CD以及滑枕導(dǎo)路方向與B點(diǎn)距離，選擇投影面和比例尺，畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖2-12b所示。1.平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式(1)構(gòu)件自由度構(gòu)件自由度指自由運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。

(2)運(yùn)動(dòng)副的約束構(gòu)件之間用運(yùn)動(dòng)副連接后，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到約束。

(3)運(yùn)動(dòng)副自由度連接構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目，稱運(yùn)動(dòng)副自由度。

2.3機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算Fig.2-13Constrainsofpair(運(yùn)動(dòng)副的約束)(4)平面機(jī)構(gòu)的自由度與計(jì)算1)機(jī)構(gòu)的自由度。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)，所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，稱為機(jī)構(gòu)的自由度。

2)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算。機(jī)構(gòu)的自由度F為F=3n-2pl-ph式中，n為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目，pl為機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目，ph為機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)目。例2-3計(jì)算圖2-14a所示雙曲線畫規(guī)機(jī)構(gòu)和圖2-14b所示牛頭刨床機(jī)構(gòu)的自由度。

Fig.2-14Thecaculationofdegreeoffreedom(自由度計(jì)算)2.機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件Fig.2-15Conditionsofcausingdefiniteandpredictablemotions(機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件)機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)是指:當(dāng)給定機(jī)構(gòu)原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)時(shí)，該機(jī)構(gòu)中的其余運(yùn)動(dòng)構(gòu)件也都隨之作相應(yīng)的確定運(yùn)動(dòng)。如果機(jī)構(gòu)中的自由度等于原動(dòng)件的數(shù)目，則該機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)。3.計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度的注意事項(xiàng)(1)局部自由度在某些機(jī)構(gòu)中，某個(gè)構(gòu)件所產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，把這種不影響其他構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的自由度稱為局部自由度。

Fig.2-16Partialdegreeoffreedom(局部自由度)(2)復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，則形成復(fù)合鉸鏈。Fig.2-17Multiplepinjoints(復(fù)合鉸鏈)Fig.2-18Examplesofmultiplepinjoints(復(fù)合鉸鏈的示例)(3)虛約束對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不起限制作用的約束稱為虛約束。圖2-19實(shí)線所示的平行四邊形機(jī)構(gòu)，其自由度F=1。Fig.2-19Redundantconstrainintheparallel-crankmechanism(平行四邊形機(jī)構(gòu)的虛約束)1)兩構(gòu)件在多處用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，且各轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線重合，這時(shí)只有一處轉(zhuǎn)動(dòng)副起作用，其余轉(zhuǎn)動(dòng)副均為虛約束。

2)兩構(gòu)件在多處用移動(dòng)副連接，且各移動(dòng)副的導(dǎo)路平行，這時(shí)只計(jì)一處移動(dòng)副，其余為虛約束。

3)兩構(gòu)件在多處用高副連接，且各高副的公法線重合，這時(shí)只計(jì)一處高副約束，余者為虛約束。

4)不起約束作用的構(gòu)件將導(dǎo)致虛約束，在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)要去掉該構(gòu)件。

5)若兩構(gòu)件上兩點(diǎn)間距離在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持不變，當(dāng)用運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件連接該兩點(diǎn)時(shí)，則構(gòu)成虛約束。常見的幾種虛約束形式簡(jiǎn)述如下:Fig.2-20Redundantconstrainsofturningpairs(轉(zhuǎn)動(dòng)副的虛約束)Fig.2-21RedundantconstrainsofSlidingpairs(移動(dòng)副的虛約束)Fig.2-22RedundantconstrainsofHigherpairs(高副機(jī)構(gòu)的虛約束)Fig.2-23Redundantconstraints(虛約束)Fig.2-24Redundantconstrainproducedbyconnectingtwoequidistancepoints

(連接等距點(diǎn)產(chǎn)生的虛約束)例2-4計(jì)算圖2-25所示機(jī)構(gòu)的自由度。Fig.2-25Degreeoffreedomofthecomplexmechanism(復(fù)雜機(jī)構(gòu)的自由度)

解

圖2-25a中的彈簧K對(duì)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度沒有影響，滾子2′有一個(gè)局部自由度，構(gòu)件7與機(jī)架8在平行的導(dǎo)路上組成兩個(gè)移動(dòng)副，其中之一為虛約束。通過分析可知，運(yùn)動(dòng)構(gòu)件n=7，低副pl=9，高副ph=2，機(jī)構(gòu)自由度為

F=3n－2p－ph=3×7-2×9-2=1圖2-25b所示的輪系機(jī)構(gòu)中，齒輪2′為虛約束，太陽輪1、齒輪3、系桿4及機(jī)架5共有4個(gè)構(gòu)件在[WTBX]A處組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。A處的轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)際數(shù)目為3個(gè)。通過分析可知，該輪系n=4，pl=4，ph=2，機(jī)構(gòu)自由度為

F=3n－2pl－ph=3×4-2×4-2=2例2-5計(jì)算圖2-26所示剪床機(jī)構(gòu)的自由度。Fig.2-26Degreeoffreedomoftheshearingmechanism(剪床機(jī)構(gòu)的自由度)

解圖2-26a中，由于C、G兩點(diǎn)等距，構(gòu)件GC為虛約束，桿組FGH為不起作用的重復(fù)約束。運(yùn)動(dòng)副C處為復(fù)合鉸鏈，B′處為局部自由度。將圖2-26a所示機(jī)構(gòu)等效為圖2-26b所示機(jī)構(gòu)后，可知n=8,pl=11，ph=1,該機(jī)構(gòu)的自由度為

F=3n-2pl-ph=3×8－2×11－1=11.桿組分析(1)原動(dòng)件原動(dòng)件由運(yùn)動(dòng)副連接機(jī)架和一個(gè)桿件組成，自由度為1，常作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)或作往復(fù)移動(dòng)，如圖2-27所示。

(2)桿組前述已知，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)，該機(jī)構(gòu)自由度等于原動(dòng)件的數(shù)目。2.4機(jī)構(gòu)分析與創(chuàng)新Fig.2-27Drivinglinks(原動(dòng)件)把自由度為零且不能再分割的桿組稱為基本桿組。圖2-28a所示機(jī)構(gòu)中，其自由度為1。去掉原動(dòng)件[WTBX]AB后，相當(dāng)于減少1個(gè)自由度，則圖2-28-b所示的剩余桿件系BCDEF的自由度一定為零。自由度為零的桿件系統(tǒng)BCDEF還可以進(jìn)一步拆分為圖2-28c所示的自由度為零的桿組BCD和EF。這兩個(gè)桿組都是由兩個(gè)構(gòu)件和三個(gè)低副組成的桿組，已不能再進(jìn)行拆分。Fig.2-28Diridingoflinkgroups(拆分桿組)Fig.2-29ClassⅡlinkgroups(Ⅱ級(jí)桿組)把n=2、p=3的桿組稱為Ⅱ級(jí)桿組。Ⅱ級(jí)桿組有一個(gè)內(nèi)接副（指連接桿組內(nèi)部構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副），兩個(gè)外接副（與桿組外部構(gòu)件連接的運(yùn)動(dòng)副）。內(nèi)接副和外接副可以是轉(zhuǎn)動(dòng)副，也可以是移動(dòng)副。Ⅱ級(jí)桿組的常見形式參見圖2-29。圖2-29中運(yùn)動(dòng)副B為桿組的內(nèi)接副，運(yùn)動(dòng)副A、C為外接副。Fig.2-30ClassⅢlinkgroups(Ⅲ級(jí)桿組)當(dāng)n=4、pl=6時(shí)，如果桿組中含有三個(gè)內(nèi)接副，則稱之為Ⅲ級(jí)桿組。如有四個(gè)內(nèi)接副，則稱之為Ⅳ級(jí)桿組。圖2-30為幾種Ⅲ級(jí)桿組的常見形式。圖中的運(yùn)動(dòng)副[WTBX]A、B、C為內(nèi)接副，運(yùn)動(dòng)副D、E、F為外接副。Fig.2-31ClassⅣlinkgroup(Ⅳ級(jí)桿組)圖2-31為Ⅳ級(jí)桿組的常見形式。Ⅳ級(jí)桿組中有四個(gè)內(nèi)接副和兩個(gè)外接副。Fig.2-32Shapermechanismdesign(牛頭刨床的組合過程)2.機(jī)構(gòu)的組成原理

任何復(fù)雜的平面機(jī)構(gòu)都可看成是把基本桿組連接到原動(dòng)件和機(jī)架上組成的。

圖2-32e所示的牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是在圖2-32a所示的原動(dòng)件上連接不同Ⅱ級(jí)桿組（圖2-32b、c、d）所構(gòu)成的。3.高副低代簡(jiǎn)介高副低代是一種運(yùn)動(dòng)上的代換，其代換原則為：1)代換前后保持機(jī)構(gòu)的自由度不變。

2)代換前后保持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系不變。Fig.2-33Replacementofhigherpairbylowerpairs(高副低代)4.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的主要任務(wù)是判定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。機(jī)構(gòu)的級(jí)別是按照機(jī)構(gòu)中所含基本桿組的最高級(jí)別來決定的。最高級(jí)別為Ⅱ級(jí)桿組組成的機(jī)構(gòu)稱為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)，最高級(jí)別為Ⅲ級(jí)桿組組成的機(jī)構(gòu)稱為Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析的一般步驟為：1)計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度并確定原動(dòng)件。

2)高副低代，去掉局部自由度和虛約束。

3)從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的部位開始拆桿組，首先考慮Ⅱ級(jí)桿組，拆下的桿組是自由度為零的基本桿組，最后剩下的原動(dòng)件數(shù)目與自由度數(shù)相等。Fig.2-34Mechanismanalysis(機(jī)構(gòu)的分析)例2-6圖2-26所示的剪床機(jī)構(gòu)中，凸輪1為原動(dòng)件，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。解

該機(jī)構(gòu)的自由度為1。高副低代，去掉局部自由度和虛約束，參見圖2-34a。從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的位置處，開始拆分桿組。共拆下4個(gè)Ⅱ級(jí)桿組，沒有Ⅲ級(jí)桿組。最后剩下1個(gè)原動(dòng)件。桿組的最高級(jí)別為Ⅱ級(jí)桿組，該機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。例2-7對(duì)圖2-35所示的以曲柄AB為原動(dòng)件的牛頭刨床機(jī)構(gòu)進(jìn)行桿組分析。Fig.2-35Shapermechanismanalysis(牛頭刨床機(jī)構(gòu)的分析)Fig.2-36SeriesmechanismconsistedbyclassⅡlinkgroups(Ⅱ級(jí)桿組組成的串聯(lián)機(jī)構(gòu))5.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新(1)設(shè)計(jì)串聯(lián)機(jī)構(gòu)把桿組的外接副連接到原動(dòng)件和機(jī)架上，可以組成串聯(lián)機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，再把其他桿組的外接副連接到前述機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件和機(jī)架上，可組成更加復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。

圖2-37所示是Ⅲ級(jí)桿組組成串聯(lián)機(jī)構(gòu)的過程。Ⅲ級(jí)桿組的運(yùn)動(dòng)副A、B、C為內(nèi)接副，E、F、D為外接副。將外接副E連接到原動(dòng)件上，其余兩個(gè)外接副連接到機(jī)架上，組成了圖2-37c所示的Ⅲ級(jí)串聯(lián)機(jī)構(gòu)。Fig.2-37SeriesmechanismconsistedbyclassⅢlinkgroups(Ⅲ級(jí)桿組組成的串聯(lián)機(jī)構(gòu))(2)設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)把桿組的外接副連接到原動(dòng)件上，可以組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)。圖2-38b所示的Ⅱ級(jí)桿組的兩個(gè)外接副B、D連接到圖2-38a所示的兩個(gè)原動(dòng)件上，組成了圖2-38c所示的2自由度的五桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)C點(diǎn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡。Fig.2-38ParallelmechanismconsistedbyclassⅡlinkgroups(Ⅱ級(jí)桿組組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu))Fig.2-39ParallelmechanismconsistedbyclassⅢlinkgroups(Ⅲ級(jí)桿組組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu))圖2-39所示的Ⅲ級(jí)桿組的3個(gè)外接副D、E、F連接到3個(gè)原動(dòng)件上，組成了3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可作為平面并聯(lián)機(jī)器人，也可以應(yīng)用到微機(jī)械中。第3章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析1.平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的目的(1)求解機(jī)構(gòu)中某些點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡或位移，確定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間圖3-1a所示內(nèi)燃機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊的運(yùn)動(dòng)行程C1C2是設(shè)計(jì)活塞缸長(zhǎng)度尺寸的依據(jù)，連桿BC的運(yùn)動(dòng)軌跡是設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)箱體尺寸的依據(jù)。

(2)求解某些構(gòu)件的速度、加速度，了解機(jī)構(gòu)的工作性能圖3-1b所示的牛頭刨床機(jī)構(gòu)中，要求滑枕在工作行程中接近等速運(yùn)動(dòng)，其加速度的變化要小，才能提高加工質(zhì)量。

(3)為力分析做前期工作現(xiàn)代機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)正在向高速化發(fā)展，慣性力的影響不能忽略。3.1平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析概述Fig.3-1Kinematicanalysisofmechanisms(機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析)2.運(yùn)動(dòng)分析的方法(1)圖解法

(2)解析法在建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)方法求解構(gòu)件的角速度、角加速度或某些點(diǎn)的速度及加速度。

(3)實(shí)驗(yàn)法通過位移、速度、加速度等各類傳感器對(duì)實(shí)際機(jī)械的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)法是研究已有機(jī)械運(yùn)動(dòng)性能的常用方法。1)速度瞬心法

2)相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法1.瞬心的基本概念(1)瞬心在任一瞬時(shí)，兩個(gè)作平面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件都可以看作為繞一個(gè)瞬時(shí)重合點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)瞬時(shí)重合點(diǎn)又被稱為瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，簡(jiǎn)稱為瞬心。這兩個(gè)構(gòu)件在該重合點(diǎn)處的絕對(duì)速度相等，所以瞬心又被稱為等速重合點(diǎn)或同速點(diǎn)。當(dāng)這兩個(gè)構(gòu)件之中有一個(gè)構(gòu)件固定不動(dòng)，則瞬心處的絕對(duì)速度為零，稱這時(shí)的瞬心為絕對(duì)瞬心。當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件都在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其瞬心稱為相對(duì)瞬心。

3.2用速度瞬心法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析Fig.3-2Instantaneouscenter(速度瞬心)(2)平面機(jī)構(gòu)瞬心的數(shù)目(3)瞬心位置的確定可以把瞬心分為兩類。Fig.3-3Primaryinstantaneouscentersoftwolinkslinkedbykinematicpair

(兩構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接時(shí)的瞬心位置)1)兩個(gè)構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接時(shí)的瞬心位置

①兩個(gè)構(gòu)件用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接時(shí)的瞬心位置。圖3-3a、b所示的構(gòu)件1與構(gòu)件2由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，顯然，鉸鏈中心點(diǎn)就是兩個(gè)構(gòu)件的瞬心P12。

②兩個(gè)構(gòu)件用移動(dòng)副連接時(shí)的瞬心位置。圖3-3c所示的構(gòu)件1與構(gòu)件2的相對(duì)移動(dòng)速度方向與導(dǎo)路方向平行，瞬心P12位于垂直導(dǎo)路方向的無窮遠(yuǎn)點(diǎn)。

③兩構(gòu)件用平面高副連接時(shí)的瞬心位置。平面高副分為純滾動(dòng)高副和滾動(dòng)兼滑動(dòng)的高副。圖3-3d為純滾動(dòng)高副，兩構(gòu)件在接觸點(diǎn)處的相對(duì)速度為零。該接觸點(diǎn)即為瞬心P12。

2)沒有用運(yùn)動(dòng)副連接的兩構(gòu)件之間的瞬心位置。兩構(gòu)件之間沒有用運(yùn)動(dòng)副連接時(shí)，其瞬心位置可用三心定理來確定。三心定理作平面運(yùn)動(dòng)的三個(gè)構(gòu)件有三個(gè)瞬心，且位于同一直線上，稱這一結(jié)論為三心定理。Fig.3-4Kennedytheorem(三心定理)Fig.3-5Instantaneouscentersforfour-barmechanisms(四桿機(jī)構(gòu)的瞬心)例3-1確定圖3-5所示四桿機(jī)構(gòu)的全部瞬心。

2.用速度瞬心法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的速度分析例3-2已知圖3-6所示的鉸鏈機(jī)構(gòu)ABCD尺寸、位置，構(gòu)件1的角速度ω1，用速度瞬心法求解構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3。

解找出該機(jī)構(gòu)的全部速度瞬心并標(biāo)注在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖上。

Fig.3-6Applicationofinstantaneouscentersforfour-barmechanism

(瞬心法在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用)Fig.3-7Applicationofinstantaneouscentersforcam

mechanism(瞬心法在凸輪機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用)例3-3已知圖3-7所示凸輪機(jī)構(gòu)中的凸輪角速度ω2，用速度瞬心法求從動(dòng)件速度v3。

解畫出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并標(biāo)注全部速度瞬心。P23為凸輪2與推桿3的速度瞬心，即兩個(gè)構(gòu)件的同速點(diǎn)，則有：=ω2=v3，推桿的運(yùn)動(dòng)方向可由瞬心處的速度方向決定。1.相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法的基本原理(1)同一構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的速度、加速度的關(guān)系作平面運(yùn)動(dòng)的物體，任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都可以看成是隨同基點(diǎn)的平動(dòng)以及繞基點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)的合成。

3.3用相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析Fig.3-8Relativevelocityoftwopointsonalink

(同一構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的速度關(guān)系)Fig.3-9Relativevelocityofcoincidentpointon

separatelinks(兩構(gòu)件重合點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)關(guān)系)(2)兩構(gòu)件重合點(diǎn)處的速度和加速度矢量關(guān)系如圖3-9所示，構(gòu)件1和構(gòu)件2用移動(dòng)副連接，且構(gòu)件1繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩構(gòu)件在重合點(diǎn)B處的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可用理論力學(xué)中的牽連運(yùn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)是移動(dòng)來描述。

(3)速度和加速度矢量圖當(dāng)我們繪制速度和加速度矢量圖時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：1)繪制矢量圖時(shí)，應(yīng)選擇合適的比例尺。

2)繪制矢量圖時(shí)，矢量方向一定要與實(shí)際方向一致。2.相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法具體步驟如下：1)選長(zhǎng)度比例尺μl畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

2)列出速度矢量方程，標(biāo)注出速度的大小與方向的已知與未知情況。

3)列出加速度矢量方程，標(biāo)注出加速度的大小與方向的已知與未知情況。

Fig.3-10Kinematicanalysisofafour-barlinkage(鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析)例3-4在圖3-10a所示機(jī)構(gòu)中，已知曲柄AB以逆時(shí)針方向等速轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度為ω1，求構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3和角加速度α2、α3，求構(gòu)件2上E點(diǎn)的速度和加速度。

Fig.3-11Kinematicanalysisofaguide-barmechanism(導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析)例3-5圖3-11所示機(jī)構(gòu)中，已知曲柄AB以逆時(shí)針方向等速轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度為ω1，求構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3和角加速度α2、α3。

3.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中應(yīng)注意的若干問題1)正確判別科氏加速度。

2)建立速度或加速度矢量方程時(shí)，一定要從已知速度或加速度的點(diǎn)開始列方程，另一個(gè)構(gòu)件與該點(diǎn)不接觸時(shí)，可采用構(gòu)件擴(kuò)大的方法重合到該點(diǎn)，這樣就可以建立兩重合點(diǎn)的速度方程或加速度方程。如圖3-12所示機(jī)構(gòu)中，若想求出構(gòu)件3的速度或角速度，只要把構(gòu)件3按圖示擴(kuò)大，即可列出簡(jiǎn)單的速度方程和加速度方程，從而實(shí)現(xiàn)求解的目的。

Fig.3-12Expandedlink(構(gòu)件的擴(kuò)大)3)機(jī)構(gòu)在極限位置、共線位置等特殊位置時(shí)，其速度和加速度多邊形變得簡(jiǎn)單

圖3-13a所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的曲柄與連桿共線，圖3-13b所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，導(dǎo)桿BC處于極限位置。

Fig.3-13Kinematicanalysisinlimitedpositions(特殊位置的運(yùn)動(dòng)分析)4)液壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行。圖3-14a所示的擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)可轉(zhuǎn)化為圖3-14b所示的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，然后再用相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。Fig.3-14Kinematicanalysisofhydraulicmechanism(擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析)1.解析法的基本知識(shí)解析法的實(shí)質(zhì)是建立機(jī)構(gòu)的位置方程s=s(φ)、速度方程v=v(φ)、加速度方程a=a(φ)并求解的過程。

解析法的一般步驟為：

1)建立直角坐標(biāo)系。

2)建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)學(xué)模型把機(jī)構(gòu)看作一個(gè)封閉環(huán)，構(gòu)件尺寸看作矢量，連架桿的矢量方向指向與連桿連接的鉸鏈中心。

3)求解位置方程。

4)求解速度方程。

5)求解加速度方程。3.4用解析法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析2.解析法在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中的應(yīng)用例3-6已知圖3-15所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的尺寸和原動(dòng)件1的位置φ1，以及角速度ω1，求解構(gòu)件2、構(gòu)件3的角速度ω2、ω3和角加速度α2、α3。

解

1)建立直角坐標(biāo)系A(chǔ)xy，坐標(biāo)原點(diǎn)通過A點(diǎn)，x軸沿機(jī)架AD。

2)封閉矢量環(huán)如圖3-15所示，連架桿矢量外指(分別指向與連桿連接處的鉸鏈中心)，余者任意確定。

3)建立各矢量的投影方程。

4)位移方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，可得到速度方程。

5)速度方程再對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)，可得加速度方程。Fig.3-15Modelofafour-barlinkage(鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型)Fig.3-16Modelofafour-barlinkagewithaslidingpair

(含有移動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析模型)例3-7對(duì)圖3-16所示機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。已知機(jī)構(gòu)的尺寸和原動(dòng)件1的位置φ1和角速度ω1，求構(gòu)件3的位移、速度、加速度。

解畫出機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖并建立圖示的坐標(biāo)系，建立矢量環(huán)。3.解析法總結(jié)Fig.3-17Someclosedvectorloopsinmechanisms(一些機(jī)構(gòu)的封閉矢量環(huán))

封閉矢量環(huán)的建立是解析法的關(guān)鍵問題。圖3-17為一些機(jī)構(gòu)封閉矢量環(huán)的示意圖。第4章平面機(jī)構(gòu)的力分析1.機(jī)構(gòu)力分析的內(nèi)容1)根據(jù)作用在機(jī)構(gòu)中的已知外力，求解各運(yùn)動(dòng)副中的反力。

2)已知作用在機(jī)構(gòu)上的生產(chǎn)阻力，可求解出原動(dòng)件上施加的驅(qū)動(dòng)力；已知原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，可以求解出作用在從動(dòng)件上的生產(chǎn)阻力。

3)機(jī)構(gòu)的受力分析是計(jì)算機(jī)械效率的基礎(chǔ)。

4)機(jī)構(gòu)的受力分析還是設(shè)計(jì)自鎖機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。4.1平面機(jī)構(gòu)力分析概述2.機(jī)構(gòu)力分析的方法

機(jī)構(gòu)力分析的方法有兩種，即圖解法和解析法。1.構(gòu)件慣性力的確定Fig.4-1Inertiaforceandinertiatorqueintoresultantforce(連桿的慣性力與慣性力矩的合成)4.2計(jì)入慣性力的機(jī)構(gòu)力分析圖4-1a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，通過運(yùn)動(dòng)分析可以求得連桿2在質(zhì)心s2處的加速度as2和角加速度α2以及滑塊3的加速度aC3。G2為構(gòu)件2所受的重力，Js2為構(gòu)件2繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F(xiàn)i2和Ms2分別表示連桿2質(zhì)心處的慣性力和慣性力矩。2.機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析(1)用圖解法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析

例4-1圖4-2a所示牛頭刨床機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件的尺寸及原動(dòng)件的角速度ω1均為已知。刨頭所受重力為G5，在圖示位置刨頭的慣性力為，刀具所受的生產(chǎn)阻力為Fr。其余構(gòu)件的重力及慣性力、慣性力矩均忽略不計(jì)。求機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副中的反力及需要加在原動(dòng)件上的平衡力矩Mb。Fig.4-2Graphicalforceanalysisofsharper(牛頭刨床的動(dòng)態(tài)靜力分析)Fig.4-3Analyticalforceanalysis(動(dòng)態(tài)靜力分析的解析法)

例4-2圖4-3a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，已知曲柄和連桿的尺寸分別為L(zhǎng)1、L2，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)分析后已經(jīng)知道各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。已知作用在滑塊的生產(chǎn)阻力為F，求各運(yùn)動(dòng)副的反力和作用在曲柄上的平衡力矩。

(2)用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力分析1.運(yùn)動(dòng)副中的摩擦(1)移動(dòng)副中的摩擦根據(jù)移動(dòng)副的具體結(jié)構(gòu)，常把移動(dòng)副分為平面移動(dòng)副、斜面移動(dòng)副和槽面移動(dòng)副。

4.3計(jì)入摩擦的機(jī)構(gòu)力分析Fig.4-4Frictionontheplane

surface(平面中的摩擦)1）平面移動(dòng)副中的摩擦。圖4-4所示滑塊1在總驅(qū)動(dòng)力F的作用下，相對(duì)平面2以速度v12等速移動(dòng)。平面2給滑塊1的作用力有法向反力N21和摩擦力F21，二者的合力R21為平面2給滑塊1的總反力，R21與法線方向的夾角為φ。2)斜面移動(dòng)副的摩擦。如果把圖4-4所示的平面移動(dòng)副導(dǎo)路傾斜α角度后，則演化成為圖4-5所示的斜面摩擦移動(dòng)副。Fig.4-5Frictionontheinclinedplanesurface(斜面摩擦)3)槽面摩擦。如果將圖4-6a所示滑塊作成圖4-6b所示夾角為2θ的楔形滑塊，并置于相應(yīng)的槽面中，楔形滑塊1在外力F的作用下沿槽面等速運(yùn)動(dòng)。設(shè)兩側(cè)法向反力分別為N21，鉛直載荷為G，總摩擦力為Ff。Fig.4-6FrictiononV-planesurface(槽面摩擦)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦軸承是轉(zhuǎn)動(dòng)副的典型代表，可分為承受徑向力的軸承和承受軸向力的軸承。1)徑向軸承的摩擦。圖4-7為考慮到運(yùn)動(dòng)副間隙的徑向軸承。軸頸1在沒有轉(zhuǎn)動(dòng)前，徑向載荷G與A點(diǎn)的法向反力N21平衡。

Fig.4-7Frictioninajournalbearing(徑向軸承中的摩擦)2)推力軸承的摩擦。圖4-8a為推力軸承示意圖，G為軸向載荷。未經(jīng)跑合時(shí)，接觸面壓強(qiáng)p為常數(shù)，p=c。經(jīng)過跑合時(shí)，壓強(qiáng)與半徑的乘積為常數(shù)，pρ=c。Fig.4-8Frictioninathrustbearing(推力軸承的摩擦)(3)螺旋副中的摩擦根據(jù)螺紋牙型可將螺紋分為矩形螺紋和三角形螺紋。Fig.4-9Frictioninsquarethread(矩形螺紋的摩擦)圖4-9a所示為一矩形螺紋，將螺母2簡(jiǎn)化為圖4-9b所示的滑塊，承受軸向載荷[WTBX]G，由于螺紋可以看成是斜面纏繞在圓柱體上形成的，故將矩形螺紋沿螺紋中徑[WTBX]d展開，該螺紋成為圖4-9b所示的斜面，斜面底長(zhǎng)為螺紋中徑處圓周長(zhǎng)，高度為螺紋的導(dǎo)程l。驅(qū)動(dòng)力F等于擰緊力矩M除以螺紋半徑d/2，方向一般垂直于螺紋軸線。Fig.4-10FrictioninV-thread(三角形螺紋的摩擦)圖4-10a所示的三角形螺紋中，牙型角為2β，半牙型角為β，槽角為2θ。將其螺紋展開，成為圖4-10b所示的帶半槽面的斜面，半牙型角β與半槽角θ之和為90°。斜面底長(zhǎng)為螺紋中徑處圓周長(zhǎng)。2.計(jì)入摩擦力的力分析例4-3圖4-11所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，已知各構(gòu)件尺寸和曲柄的位置和作用在滑塊4上的阻力Fr以及各運(yùn)動(dòng)副中的摩擦因數(shù)f，忽略各構(gòu)件質(zhì)量和慣性力。在圖4-11上標(biāo)注出各運(yùn)動(dòng)副的反力以及加在曲柄上的平衡力矩Mb。

Fig.4-11Forceanalysisconsideringthefrictioninaslider-cranklinkage

(考慮摩擦的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)力分析)解

1)根據(jù)軸徑尺寸和摩擦因數(shù)，求出摩擦圓半徑，摩擦圓如圖4-11所示。

2)連桿3為受壓的二力共線桿，根據(jù)連桿3相對(duì)曲柄2的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向ω32判斷曲柄2對(duì)連桿3的反力F23的方向；根據(jù)連桿3相對(duì)滑塊4的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向ω34判斷滑塊4對(duì)連桿3的反力F43的方向。

3)滑塊4為三力匯交構(gòu)件，根據(jù)滑塊4對(duì)機(jī)架1的運(yùn)動(dòng)方向v41，可知機(jī)架1對(duì)滑塊4的反力F14與v41成(90°+φ)角。

4)曲柄2為分離體，連桿3對(duì)曲柄2的力F32方向已求出，機(jī)架1對(duì)曲柄2的反作用力F12對(duì)軸心A之矩與ω21反向。5)加在曲柄2上的平衡力矩為Mb=F12h。

例4-4圖4-12a所示的擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，已知凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸、軸徑尺寸、運(yùn)動(dòng)副處的摩擦因數(shù)f以及作用在從動(dòng)件F點(diǎn)的阻力Fr，在不計(jì)構(gòu)件質(zhì)量和慣性力時(shí)，求各運(yùn)動(dòng)副處的反作用力及作用在凸輪上的平衡力矩Mb。

Fig.4-12Forceanalysisconsideringthefrictioninacammechanism

(考慮摩擦的凸輪機(jī)構(gòu)的力分析)解

1)根據(jù)軸徑尺寸和摩擦因數(shù)，畫出轉(zhuǎn)動(dòng)副A、C處的摩擦圓如圖4-12a所示。2)分析凸輪受力，凸輪1為二力構(gòu)件，擺桿2對(duì)凸輪1的反力F21與凸輪1相對(duì)擺桿2的相對(duì)速度方向成(90°+φ)角。

3)分析擺桿2受力，擺桿2作用有F12、F32、Fr三個(gè)力，構(gòu)成三力匯交的平衡力系。

4)求平衡力矩，凸輪1中，F(xiàn)21=-F31，力臂為h1，則作用在凸輪1上的平衡力矩Mb為Mb=F21h1，方向如圖4-12a所示。1.運(yùn)動(dòng)副的自鎖

4.4摩擦與自鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)連接構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副中存在兩種力，使構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力和阻礙構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的摩擦力。如果驅(qū)動(dòng)力無論多么大，都不能使構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，稱這種現(xiàn)象為運(yùn)動(dòng)副的自鎖。對(duì)移動(dòng)副而言，當(dāng)外力合力作用在摩擦角之內(nèi)，則移動(dòng)副發(fā)生自鎖；對(duì)于斜面移動(dòng)副而言，經(jīng)常用斜面傾角α與摩擦角φ的關(guān)系判斷自鎖?；瑝K沿斜面上升時(shí)的自鎖條件為α＞(90°-φ)；滑塊沿斜面下降時(shí)的自鎖條件為α≤φ。

對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副而言，當(dāng)外力合力作用在摩擦圓之內(nèi)，則轉(zhuǎn)動(dòng)副發(fā)生自鎖。運(yùn)動(dòng)副的自鎖條件是設(shè)計(jì)自鎖機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。2.自鎖機(jī)構(gòu)(1)機(jī)構(gòu)的行程1）機(jī)構(gòu)的正行程。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力作用在圖4-13所示的原動(dòng)件A上，從動(dòng)件B克服生產(chǎn)阻力F做功時(shí)，一般稱為正行程或工作行程。

Fig.4-13Travelofmechanism

(機(jī)構(gòu)的行程)2）機(jī)構(gòu)的反行程。當(dāng)正行程的生產(chǎn)阻力為驅(qū)動(dòng)力，作用在圖4-13所示從動(dòng)件B上，原動(dòng)件A為從動(dòng)件時(shí)，稱為機(jī)構(gòu)的反行程。(2)自鎖機(jī)構(gòu)反行程發(fā)生自鎖的機(jī)構(gòu)，稱為自鎖機(jī)構(gòu)。3.自鎖機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)例4-5在圖4-14所示的斜面壓榨機(jī)中，設(shè)各接觸平面之間的摩擦因數(shù)均為f。若在滑塊2上施加一定的力F，可以將物體4壓緊。Fr為被壓緊的物體對(duì)滑塊3的反作用力。當(dāng)F力撤去后，該機(jī)構(gòu)在Fr力的作用下應(yīng)具有自鎖性。試分析其自鎖條件。

Fig.4-14Analysisofself-lockingmechanism(自鎖機(jī)構(gòu)的分析)解取圖4-14b所示的滑塊2為示力體，當(dāng)F力撤去后，滑塊2可能松脫的運(yùn)動(dòng)方向分別為v21、v23。若滑塊自重忽略不計(jì)，構(gòu)件1對(duì)滑塊2的反力F12及構(gòu)件3對(duì)滑塊2的反力F32的判別方法為：F12與v21成(90°+φ)角，F(xiàn)32與v23成(90°+φ)角。F32是使滑塊2水平向右滑出的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)這個(gè)驅(qū)動(dòng)力的作用線位于滑塊2與構(gòu)件1所形成的摩擦角之內(nèi)時(shí)，構(gòu)件1、滑塊2組成的移動(dòng)副產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象。Fig.4-15Designofself-lockingmechanism(自鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì))例4-6圖4-15所示偏心圓盤加緊機(jī)構(gòu)中，1為偏心圓盤，2為待夾緊的工件，3為夾具體。機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)力F的作用下夾緊工件，當(dāng)F力取消后，在總反力F21的作用下，工件不能自動(dòng)松脫，求該機(jī)構(gòu)的反行程必須滿足的自鎖條件。

第5章平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)1.平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)1)平面連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、成本低廉。

2)連桿機(jī)構(gòu)是低副連接的機(jī)構(gòu)，故承載能力大。

3)通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)各桿件尺寸，連桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與運(yùn)動(dòng)軌跡的多樣化。

4)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)。

5)連桿機(jī)構(gòu)不宜應(yīng)用在高速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合。5.1平面連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與基本型式Fig.5-1Typesoffour-barlinkages(鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的類型)2.平面連桿機(jī)構(gòu)的基本型式Fig.5-2Typesoffour-barlinkageswithaslidingpair(含有一個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)類型)(1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)若兩個(gè)連架桿一為曲柄，一為搖桿，則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖5-1a所示。

(2)雙曲柄機(jī)構(gòu)若將圖5-1a所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄1選為機(jī)架，轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B為整轉(zhuǎn)副，則連架桿2、連架桿4均為曲柄，該機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖5-1b所示。

(3)雙搖桿機(jī)構(gòu)若將圖5-1a所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的擺桿3選為機(jī)架，轉(zhuǎn)動(dòng)副C、D為擺轉(zhuǎn)副，則連架桿2、連架桿4均為搖桿，該機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖5-1c所示。

(4)平行四邊機(jī)構(gòu)圖5-1b所示雙曲柄機(jī)構(gòu)中，如兩曲柄平行且相等，該機(jī)構(gòu)演化為平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖5-1d所示。

(5)等腰梯形機(jī)構(gòu)圖5-1c所示雙搖桿機(jī)構(gòu)中，如兩搖桿相等，該機(jī)構(gòu)演化為等腰梯形機(jī)構(gòu)，如圖5-1e所示。(6)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖5-2a所示四桿機(jī)構(gòu)中，一連架桿為曲柄，另一個(gè)連架桿為滑塊，該機(jī)構(gòu)稱為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

(7)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)若將圖5-2a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄1選為機(jī)架，轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B為整轉(zhuǎn)副，則連架桿2、4均為曲柄，滑塊3沿連架桿4移動(dòng)，且隨4轉(zhuǎn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖5-2b所示。

(8)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)若將圖5-2a所示機(jī)構(gòu)的構(gòu)件2選為機(jī)架，轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B仍為整轉(zhuǎn)副，連架桿1仍為曲柄，另一連架桿(滑塊3)只能繞C點(diǎn)往復(fù)擺動(dòng)，該機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，如圖5-2c所示。

(9)移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)若將圖5-2a所示機(jī)構(gòu)的滑塊3選為機(jī)架，轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B仍為整轉(zhuǎn)副，連架桿4只能沿滑塊往復(fù)移動(dòng)，該機(jī)構(gòu)稱為移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖5-2d所示。(10)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)若將圖5-2b所示的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架加長(zhǎng)，使lBC＜lAB,轉(zhuǎn)動(dòng)副A演化為擺轉(zhuǎn)副，連架桿4往復(fù)擺動(dòng)，該機(jī)構(gòu)稱為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，如圖5-2e所示。Fig.5-3Typesoffour-barlinkageswithtwoslidingpairs

(含有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)類型)(11)雙滑塊機(jī)構(gòu)在含有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿作成塊狀，且相對(duì)十字形機(jī)架作相對(duì)移動(dòng)，則稱之為雙滑塊機(jī)構(gòu)，如圖5-3a所示。

(12)雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)若兩個(gè)塊狀連架桿相對(duì)機(jī)架作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱之為雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)，如圖5-3b所示。

(13)正弦機(jī)構(gòu)圖5-3c中，曲柄2繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過滑塊3驅(qū)動(dòng)構(gòu)件4作水平移動(dòng)，其位移量l2sinφ，與曲柄轉(zhuǎn)角φ成正弦函數(shù)關(guān)系，該機(jī)構(gòu)稱為正弦機(jī)構(gòu)。

(14)正切機(jī)構(gòu)圖5-3d中，構(gòu)件2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，構(gòu)件4豎直移動(dòng)，其位移量s=atanφ，該機(jī)構(gòu)稱為正切機(jī)構(gòu)。3.四桿機(jī)構(gòu)的演化與變異(1)轉(zhuǎn)換機(jī)架法圖5-1a所示機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，若以曲柄1為機(jī)架，則得到圖所示的雙曲柄機(jī)構(gòu)；若以搖桿3為機(jī)架，則得到圖5-1c所示的雙搖桿機(jī)構(gòu)。

Fig.5-4Evolutionfromturningpairtoslidingpair(轉(zhuǎn)動(dòng)副向移動(dòng)副的演化)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)副向移動(dòng)副的演化圖5-4a所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，搖桿上C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是以D為圓心、以DC為半徑的圓弧。Fig.5-5Eccentricdiskmechanism(偏心盤機(jī)構(gòu))(3)轉(zhuǎn)動(dòng)副的銷釘擴(kuò)大如圖5-5a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，曲柄AB的尺寸較小時(shí)，可將轉(zhuǎn)動(dòng)副B的銷釘擴(kuò)大，當(dāng)銷釘B的半徑大于曲柄的長(zhǎng)度時(shí)，該機(jī)構(gòu)演化為圖5-4b所示的偏心盤機(jī)構(gòu)。4.平面連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用(1)全轉(zhuǎn)動(dòng)副四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用圖5-6所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。其中，圖5-6a所示為礦石破碎機(jī)，圖5-6b是其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是該機(jī)器的主體機(jī)構(gòu)。圖5-6c所示是利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的和面機(jī)示意圖。Fig.5-6Applicationsofcrank-rockerlinkage(曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用)

1—eccentricdisk(偏心盤)2—beltwheel(帶輪)3—movingjaw(動(dòng)鄂)4—movingjawboard(動(dòng)鄂板)

5—fixedjawboard(靜鄂板)6—rocker(擺桿)7—spring(彈簧)Fig.5-7Applicationsofdouble-rockerlinkage(雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用)圖5-7所示為雙搖桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。圖5-7a所示為鶴式起重機(jī)，當(dāng)搖桿CD擺動(dòng)時(shí)，另一搖桿AB隨之?dāng)[動(dòng)，使得懸掛在連桿E點(diǎn)上的重物在近似的水平直線上運(yùn)動(dòng)，避免重物平移時(shí)因不必要的升降而消耗能量。圖5-7b所示為汽車和拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)為等腰梯形雙搖桿機(jī)構(gòu)。Fig.5-8Applicationsofdouble-cranklinkage(雙曲柄機(jī)構(gòu)的應(yīng)用)圖5-8a所示為雙曲柄機(jī)構(gòu)在慣性振動(dòng)篩中的應(yīng)用，圖5-8b所示為機(jī)車動(dòng)輪中平行四邊形機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，圖5-8c所示為平行四邊形機(jī)構(gòu)在升降機(jī)中的應(yīng)用。(2)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用圖5-9a是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在多缸內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用，圖5-9b是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在剪床中的應(yīng)用。Fig.5-9Applicationsofslider-cranklinkage(曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用)(3)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖5-10a所示為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在牛頭刨床中的應(yīng)用。圖5-10b所示機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在小型牛頭刨床中的應(yīng)用。Fig.5-10Applicationsrockingguide-barlinkageandrotatingguide-barlinkage

(擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu))Fig.5-11Applicationsofslidingguide-barlinkageandrocking-blocklinkage

(移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和曲柄搖塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用)

1—handle(手柄)2—link(連桿)3—cylinder(簡(jiǎn)體)4—plunger(活塞)圖5-11a是移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在手搖水泵中的應(yīng)用。當(dāng)扳動(dòng)手柄1時(shí)，活塞4便在筒體3內(nèi)作往復(fù)移動(dòng)，從而完成抽水和壓水的工作。圖5-11b是曲柄搖塊機(jī)構(gòu)在自動(dòng)裝卸卡車中的應(yīng)用。(4)含有兩個(gè)移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用圖5-12a是雙滑塊機(jī)構(gòu)在橢圓規(guī)中的應(yīng)用實(shí)例，圖5-12b是雙轉(zhuǎn)塊機(jī)構(gòu)在聯(lián)軸器中的應(yīng)用。Fig.5-12Applicationsoffour-barlinkageswithtwoslidingpairs(含有兩個(gè)移動(dòng)副機(jī)構(gòu)的應(yīng)用)1.曲柄存在條件5.2平面連桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)Fig.5-13Grashoflaw(曲柄存在條件)

圖5-13所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，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和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必須能通過與構(gòu)件4共線的兩位置AB1和AB2。1)曲柄是最短桿。

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。在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，要使構(gòu)件1為曲柄，它必須是四桿中的最短桿，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。考慮到更一般的情形，可將鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)曲柄存在條件概括為：2.急回特性

圖5-14所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，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)，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)至AB1位置與連桿B1C1重疊共線時(shí)，搖桿CD處于左極限位置C1D；而當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)至AB2位置與連桿B2C2拉伸共線時(shí)，從動(dòng)搖桿處于右極限位置C2D。搖桿Fig.5-14Quick-returncharacteristics(急回特性)處于左、右兩極限位置時(shí)，對(duì)應(yīng)曲柄兩位置所夾的銳角θ稱為極位夾角。搖桿兩極限位置間的夾角ψ稱為搖桿的擺角。3.機(jī)構(gòu)壓力角與傳動(dòng)角Fig.5-15Transmissionangleandpressureangle(傳動(dòng)角和壓力角)圖5-15所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若忽略各桿的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)副中的摩擦，連桿BC作用于從動(dòng)搖桿CD上的力F是沿桿BC方向的。把從動(dòng)搖桿CD所受力F與力作用點(diǎn)C的速度v之間所夾的銳角α稱為壓力角。壓力角α越小，傳力性能越好。因此，壓力角的大小可以作為判別一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)傳力性能好壞的依據(jù)。Fig.5-16Transmissionangleinaslider-cranklinkage(曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角如圖5-16所示。最小傳動(dòng)角可用式(5-10)求出。4.機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置圖5-17所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，若搖桿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)曲柄AB將兩次共線，出現(xiàn)γ=0°的情況。該作用力對(duì)A點(diǎn)的力矩為零，故曲柄AB不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的該位置稱為死點(diǎn)位置?？朔C(jī)構(gòu)死點(diǎn)的常用方法有：1)利用構(gòu)件的慣性來通過死點(diǎn)位置。

2)利用機(jī)構(gòu)的錯(cuò)位排列通過死點(diǎn)位置。Fig.5-17Deadpoints(死點(diǎn))Fig.5-18Overcomedeadpointbyusingflywheel

(利用飛輪克服死點(diǎn))

1—flywheel(飛輪)2—crankshaft(曲軸)

3—camshaft(凸輪軸)4—valve(氣門)

5—piston(活塞)6—connectlink(連桿)圖5-18所示的單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)就是借助于飛輪的慣性通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。圖5-19所示的機(jī)車驅(qū)動(dòng)輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列，使兩組機(jī)構(gòu)的位置相互錯(cuò)開，可使機(jī)構(gòu)順利通過死點(diǎn)位置。Fig.5-19Overcomedeadpointsbyusingdifferentphase(錯(cuò)位排列克服死點(diǎn))Fig.5-20Self-lockingclamp(自鎖夾具)在工程中，也利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)一定的工作要求。圖5-20所示的夾具，就是利用機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置來夾緊工件的。在連桿BC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，在工件反彈力作用下，連架桿CD處于死點(diǎn)位置。即使此反彈很大，也不會(huì)使工件松脫。1.概述(1)實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律按照連桿的一系列位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)、按照連架桿的一系列位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)和按照行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本途徑。

(2)實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡連桿上各點(diǎn)能描繪出各種各樣的高次曲線。5.3平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.5-21Problemsofsynthesisofafour-barlinkage1(四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本問題1)圖5-21a所示的鑄造車間翻轉(zhuǎn)臺(tái)，是按照連桿的一系列位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的示例。該機(jī)構(gòu)是按照平臺(tái)的兩個(gè)位置B1C1和B2C2設(shè)計(jì)的。圖5-21b所示車床變速機(jī)構(gòu)是按照主動(dòng)件和從動(dòng)件的轉(zhuǎn)角位置φ、ψ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)計(jì)的。變速手柄位于1、2、3位置，換擋齒輪位于1、2、3檔。主動(dòng)件和從動(dòng)件的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角位置能實(shí)現(xiàn)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖5-22a中，設(shè)曲柄、連桿、搖桿和機(jī)架尺寸分別為a、b、c、d，則有：AC1=b+a，AC2=b-a，聯(lián)立求解得

a=（AC1－AC2）/2

求出曲柄長(zhǎng)度后，其余尺寸可直接在圖上用圖解法求解。Fig.5-22Problemsofsynthesisoffour-barlinkages2(四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本問題2)Fig.5-23Guidingabodythroughtwocouplerpositions(按連桿的兩個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))

1）按照連桿的兩個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。如圖5-23a所示，設(shè)已知連桿BC的長(zhǎng)度和預(yù)定占據(jù)的兩個(gè)位置B1C1、B2C2，設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)。(1)按照連桿的一系列位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)通常情況下，會(huì)給定連桿的兩個(gè)或三個(gè)位置，要求設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。2.圖解設(shè)計(jì)法

2）按照連桿的三個(gè)對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。如圖5-24a所示，若要求連桿占據(jù)預(yù)定的三個(gè)位置B1C1、B2C2、B3C3，則可用上述方法分別作出B1B2和B1B3的垂直平分線b12和b13，其交點(diǎn)即為轉(zhuǎn)動(dòng)副A的位置；同理，分別作C1C2和C1C3的垂直平分線c12和c13，其交點(diǎn)即為轉(zhuǎn)動(dòng)副D的位置。連接AB1及C1D，即得所求的四桿機(jī)構(gòu)在位置1的簡(jiǎn)圖，作圖過程如圖5-24b所示。Fig.5-24Guidingabodythroughthreecouplerpositions(按連桿的三個(gè)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))Fig.5-25Guidingabodythroughanumberoflinkplanepositions

(按連桿平面位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))

3）按連桿平面位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。若給定圖5-25所示的連桿平面的兩個(gè)或三個(gè)位置，可在連桿平面中假設(shè)出BC位置，按上述方法求解即可。由于每假設(shè)一組BC就對(duì)應(yīng)一組解，故此時(shí)有無窮多解。Fig.5-26Principleofinversion(反轉(zhuǎn)法的原理)(2)按照連架桿的一系列對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)1)反轉(zhuǎn)法的原理。在圖5-26中，給出了四桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)位置AB1C1D、AB2C2D，兩連架桿的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角分別為φ1、φ2和ψ1、ψ2。設(shè)想將機(jī)構(gòu)AB2C2D整體剛化，并繞軸心D轉(zhuǎn)過ψ2-ψ1角。構(gòu)件DC2與DC1重合，AB2運(yùn)動(dòng)到了A′B′2位置。經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)化，可以認(rèn)為此機(jī)構(gòu)已轉(zhuǎn)換為以C1D為機(jī)架，AB1、A′B′2為連桿位置的設(shè)計(jì)問題。Fig.5-27Coordinationofthepositionsoftheinputandoutputlinks

(按兩連架桿的三組對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))2）按照連架桿的三組對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。如圖5-27a所示，已知構(gòu)件AB和機(jī)架AD的長(zhǎng)度，要求在該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)過程中，構(gòu)件AB和構(gòu)件CD上某一標(biāo)線DE能占據(jù)三組預(yù)定的對(duì)應(yīng)位置AB1、AB2、AB3及DE1、DE2、DE3,三組對(duì)應(yīng)位置的對(duì)應(yīng)角度為φ1、φ2、φ3和ψ1、ψ2、ψ3。設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)。此類設(shè)計(jì)問題可以轉(zhuǎn)化為以構(gòu)件CD為機(jī)架，以構(gòu)件AB為連桿的設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)過程如下（圖5-27b）：

①選適當(dāng)比例尺畫出機(jī)構(gòu)的三組對(duì)應(yīng)位置。

②以D為圓心，任選半徑畫弧，交三個(gè)方向線于E1、E2、E2點(diǎn)。

③連接四邊形AB1E1D、AB2E2D、AB3E3D,分別反轉(zhuǎn)AB2E2D、AB3E3D,使E2D、E3D與E1D重合。此時(shí)，轉(zhuǎn)化為以E1D為機(jī)架，以AB、A2B，A3B為連桿三個(gè)位置的設(shè)計(jì)問題。

④作B1B、BB的中垂線，交點(diǎn)C1即為所求，AB1C1D為機(jī)構(gòu)的第一位置。(3)按行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有急回特性的機(jī)構(gòu)時(shí)，通常已知行程速度變化系數(shù)K和其他條件，設(shè)計(jì)方法如下。1)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)已知搖桿的長(zhǎng)度lCD，搖桿擺角ψ和行程速度變化系數(shù)K，設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

Fig.5-28Synthesisofacrank-rocker

linkageforagivenK(已知K設(shè)計(jì)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu))Fig.5-29Synthesisofaslider-crank

linkageforagivenK(已知K值設(shè)計(jì)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu))2)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

Fig.5-30Synthesisofaguide-bar

linkageforagivenK

(已知K值設(shè)計(jì)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu))

3）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)Fig.5-31Couplercurve(連桿曲線)(4)按照連桿曲線設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)按照連桿曲線設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常采用圖譜法。圖5-31為連桿上F點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。改變連桿上BE與EF的尺寸，可以生成許多不同的連桿曲線，再對(duì)照連桿曲線選擇相關(guān)的連桿機(jī)構(gòu)。3.解析設(shè)計(jì)法(1)按連桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)通過設(shè)定連桿鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)值給定連桿的兩組或三組對(duì)應(yīng)位置，求出兩端圓心坐標(biāo)后，可求解各構(gòu)件尺寸。圖5-32給出連桿對(duì)應(yīng)位置的鉸鏈B、C點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)鉸鏈B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為a,鉸鏈C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為c。

Fig.5-32Guidingabodythroughanumberoflinkpositions(按連桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))Fig.5-33Coordinationofthepositionsoftheinputandoutputlinks(按連架桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))(2)按連架桿的對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已知連架桿的對(duì)應(yīng)角位置(φ1-ψ1)、(φ2-ψ2)、(φ3-ψ3)，其上點(diǎn)的坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)位置也可以寫出通式。圖5-33給出了連架桿的兩組和三組對(duì)應(yīng)角位置，關(guān)鍵是求解C點(diǎn)坐標(biāo)。

(3)按行程速度變化系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)已知條件仍為搖桿長(zhǎng)度c、擺角ψ、行程速度變化系數(shù)K。

Fig.5-34Synthesisofafour-barlinkage

foragivenK(已知K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))(4)按連桿曲線設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)給定連桿曲線設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)時(shí)，一般是給定連桿曲線上幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，所設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確或近似通過所選的關(guān)鍵點(diǎn)。如圖5-35所示，已知P點(diǎn)在連桿曲線上，求待設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)的尺寸與描述P點(diǎn)位置的e、f、γ。Fig.5-35Designofafour-barlinkagefor

couplercurve(按連桿曲線設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu))第6章凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)1.凸輪機(jī)構(gòu)的組成及其特點(diǎn)6.1凸輪機(jī)構(gòu)概述Fig.6-1Cammechanisms(盤形凸輪機(jī)構(gòu))圖6-1所示為兩種最常用的盤形凸輪機(jī)構(gòu)，圖6-1a為直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)凸輪1繞軸O旋轉(zhuǎn)時(shí)，推動(dòng)從動(dòng)件2沿機(jī)架3作往復(fù)直線移動(dòng)。圖6-1b為擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺桿繞鉸鏈A作往復(fù)擺動(dòng)。通常，凸輪為機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件。優(yōu)點(diǎn)：1)從動(dòng)件可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特性好。

3)性能穩(wěn)定，故障少，維護(hù)保養(yǎng)方便。

4)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：凸輪與從動(dòng)件為高副接觸，易于磨損。由于凸輪的輪廓曲線通常都比較復(fù)雜，因而加工比較困難。2.凸輪機(jī)構(gòu)的分類(1)按凸輪的形狀分類

(2)按從動(dòng)件的形狀分類

（圖6-4）

(3)按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)形式分類（圖6-4、圖6-5）

(4)按凸輪與從動(dòng)件維持高副接觸的方式分類盤形凸輪（圖6-1）

移動(dòng)凸輪（圖6-2）

圓柱凸輪（圖6-3）尖底從動(dòng)件

滾