機械設(shè)計基礎(chǔ)項目1機械概述項目2平面機構(gòu)運動簡圖及自由度項目3平面連桿機構(gòu)項目4凸輪機構(gòu)項目5間歇運動機構(gòu)項目6帶傳動項目7鏈傳動項目8齒輪傳動項目9蝸桿傳動項目10輪系項目11螺紋連接項目12鍵、銷、花鍵的連接項目13軸項目14軸承項目15聯(lián)軸器與離合器項目16減速器全套可編輯PPT課件項目1機械概述

機械的發(fā)展貫穿了人類歷史的長河。古代，簡單的機械工具如杠桿、滑輪等就已經(jīng)被廣

泛應(yīng)用，幫助人們完成繁重的體力勞動?，F(xiàn)代，機械技術(shù)更是突飛猛進。高精度的數(shù)控機床、

智能化的機器人等先進機械不斷涌現(xiàn)，在制造業(yè)、交通運輸、航天航空等各個領(lǐng)域發(fā)揮著至

關(guān)重要的作用。

機械是機器和機構(gòu)的總稱，機器與機構(gòu)兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別，二者都能傳遞運動和動

力，但機器還具有能量轉(zhuǎn)換、物料傳遞、信息傳遞或變換等功能；構(gòu)件與零件同樣既有聯(lián)系

又有區(qū)別。項目1機械概述1.1學(xué)習(xí)目標知識目標

1.了解機械、機構(gòu)的特征。2.掌握零件與構(gòu)件的定義。3.了解機械發(fā)展的現(xiàn)狀與應(yīng)用。能力目標1.能夠正確區(qū)分機械和機構(gòu)。2.能夠正確區(qū)分零件與機構(gòu)。素質(zhì)目標1.具有大局觀念和思辨意識。2.具有創(chuàng)新意識，增強對專業(yè)的認同感。項目1機械概述1.2任務(wù)書

請觀察圖

1.1、圖

1.2、圖

1.3

中的機械。通過對這些機械的分析，準確地區(qū)分機器與

機構(gòu)、構(gòu)件與零件。圖1.1

內(nèi)燃機圖1.2

顎式破碎機圖1.3

縫紉機踏板機構(gòu)項目1機械概述1.3知識點（1）機器、機構(gòu)的的特征。（2）零件與構(gòu)件。（3）機械發(fā)展的現(xiàn)狀與展望。項目1機械概述1.4基本知識1．機器、機構(gòu)與機械的認識圖1.1

內(nèi)燃機圖1.2

顎式破碎機圖1.3

縫紉機踏板機構(gòu)（1）都是一種人為的實物組合體。（2）各實物之間具有確定的相對運動。（3）能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或完成有用的機械功。

凡具備上述三個特征的實物組合體稱為機器它可以代替或減輕人類的勞動。項目1機械概述

具備以下三個特征的實物組合體稱為機器，它可以代替或減輕人類的勞動（1）都是一種人為的實物組合體。（2）各實物之間具有確定的相對運動。（3）能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換或完成有用的機械功。

具有前兩個特征的實物組合體，稱為機構(gòu)。機構(gòu)是具有確定相對運動的實物組合體，它的作用是傳遞運動和力。它能實現(xiàn)各種預(yù)期的機械運

動，但不能做有用功或進行能量轉(zhuǎn)換。機構(gòu)中接受外部給定運動規(guī)律的活動構(gòu)件稱為主

動件，隨主動件的運動而運動的活動構(gòu)件稱為從動件，支承活動構(gòu)件的構(gòu)件稱為固定件（機架）。

機構(gòu)與機器的區(qū)別在于，機構(gòu)只用于傳遞運動和力，機器除傳遞運動和力之外，還具

有變換或傳遞能量、物料、信息的功能或完成有用的機械功；兩者之間也有聯(lián)系，機器是

由幾個機構(gòu)組成的系統(tǒng)，最簡單的機器只有一個機構(gòu)。

機械是機器和機構(gòu)的總稱。項目1機械概述

零件是機械制造的的最小單元體，是不可拆分的，構(gòu)件是機械運動的最小單元體，它有可能是單一的一個零件，也有可能是若干零件的組合，圖1.4所示的內(nèi)燃機中的連桿，就是由連桿體1、連桿蓋2、軸套3、軸瓦4、螺桿5和螺母6等零件組合而成的，在制造中幾個零件分別加工，裝配成連桿后整體運動。

零件可以分為兩大類：一類是通用零件，它廣泛應(yīng)用于各種機器中，如齒輪、軸、螺

母、銷、鍵等；另一類是專用零件，它僅用于某些機器中，?？杀碚髟摍C器的特點，例如柴油機中的曲軸，內(nèi)燃機中的活塞（如圖1.1所示）等。

機構(gòu)可分為常用機構(gòu)和特定機構(gòu)，常用機構(gòu)包含平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間歇運動機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)等。就功能而言，一般機器包含四個基本組成部分：動力部分、傳動部分、控制部分、執(zhí)行部分。2．零件和構(gòu)件的認識項目1機械概述機械設(shè)計的目的是通過人們的思考與創(chuàng)新，設(shè)計出能實現(xiàn)預(yù)期功能的新機械。機械設(shè)計首先應(yīng)保證機械能實現(xiàn)預(yù)期的功能，其次是

要求機械的使用性能好、效率高、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠、操作方便、維修簡單和造型美觀等。機械設(shè)計包括以下主要內(nèi)容：確定機械的工作原理，選擇合宜的

機構(gòu)；擬定設(shè)計方案；進行運動分析和動力分析，計算作用在各構(gòu)件

上的載荷；進行零部件工作能力計算、總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。3．機械設(shè)計的基本要求和一般過程4．機械發(fā)展的現(xiàn)狀與展望項目1機械概述1.5拓展訓(xùn)練觀察連桿機構(gòu)設(shè)計陳列柜、凸輪機構(gòu)設(shè)計陳列柜、齒輪機構(gòu)混合陳列柜、標準件設(shè)計

陳列柜、間歇機構(gòu)陳列柜、齒輪系設(shè)計陳列柜、帶與鏈傳動設(shè)計陳列柜、螺紋和螺旋傳動

設(shè)計陳列柜等。（1）觀察各種連桿機構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件之間的運動情況，指出這些機構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。（2）觀察各種凸輪機構(gòu)的原動件和從動件的結(jié)構(gòu)特點及運動的不同形式，指出哪些是平面凸輪，哪些是空間凸輪。（3）觀察齒輪傳動的類型及旋轉(zhuǎn)方向。（4）觀察標準件的類型，指出螺栓、螺釘、墊圈與螺母有哪些類型。（5）觀察各種間歇機構(gòu)的原動件和從動件的運動情況，指出哪些是平面機構(gòu)，哪些是

空間機構(gòu)。（6）觀察輪系的結(jié)構(gòu)與運動情況，指出哪些是定軸輪系，哪些是周轉(zhuǎn)輪系。（7）觀察帶傳動與鏈傳動的類型，原動件和從動件的運動情況。（8）螺紋有哪幾種類型？有哪些螺旋機構(gòu)？機械設(shè)計基礎(chǔ)項目2平面機構(gòu)運動簡圖及自由度

平面機構(gòu)在人類的科技發(fā)展歷程中占據(jù)著重要地位。隨著科技的飛速發(fā)展，平面機構(gòu)在自動化生產(chǎn)、機器人技術(shù)、精密儀器等領(lǐng)域持續(xù)發(fā)揮著重要作用，不斷推動著科技的進步和社會的發(fā)展。本項目主要介紹了平面機械運動簡圖的繪制和自由度的計算，通過親自動手繪制運動簡圖和計算自由度，我們可以更好地掌握平面機構(gòu)的基本概念和原理，提高分析問題和解決問題的能力。同時，這也是后續(xù)學(xué)習(xí)更復(fù)雜機械系統(tǒng)和自動化技術(shù)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)目標知識目標

1.了解平面機構(gòu)運功簡圖的繪制方法。2.掌握平面機構(gòu)自由度的計算方法。能力目標1.能夠正確繪制常見機構(gòu)運動簡圖。2.能夠正確計算平面機構(gòu)自由度。素質(zhì)目標1.具有大局觀念和愛國情懷。2.具有創(chuàng)新意識，激發(fā)創(chuàng)新能力。項目2平面機構(gòu)運動簡圖及自由度2.1.1任務(wù)書

繪制圖2.1所示顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖。圖2.1

顎式破碎機任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2.1.2知識點（1）平面機構(gòu)的組成。（2）運動副的分類與表示方法。（3）繪制平面機構(gòu)運動簡圖的方法與步驟。任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖1632.1.3任務(wù)分析用一些簡單線條表示構(gòu)件，用規(guī)定符號表示運動副的類型，并按一定比例繪制的表示機構(gòu)結(jié)構(gòu)和各構(gòu)件間相對運動關(guān)系的簡圖，稱為機構(gòu)運動簡圖。如圖

2.2（b）所示。繪制機構(gòu)運動簡圖的主要步驟：①分析機構(gòu)的運動；②確定運動副的類型和數(shù)量；③選擇投影平面；④選擇適當?shù)谋壤虎堇L制機構(gòu)運動簡圖。（a）偏心油泵

（b）機構(gòu)運動簡圖圖2.2

偏心油泵機構(gòu)及其機構(gòu)運動簡圖任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2.1.4基本知識1．機構(gòu)的組成2.3曲軸圖2.4連桿

機構(gòu)是由構(gòu)件通過運動副組成的系統(tǒng)，組成機構(gòu)的所有構(gòu)件都在同一平面或平行平面

內(nèi)的機構(gòu)，稱為平面機構(gòu)。1）構(gòu)件

構(gòu)件。從運動的觀點分析機械時，構(gòu)件是參加運動的最小單元體。構(gòu)件可以是一個零件，也可以是由多個零件組成的剛性系統(tǒng)。

零件。從制造的觀點分析機械時，零件是組成機械的最小單元體。任何機械都由許多零件組合而成的。任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2）運動副

為了使多個構(gòu)件組成一個系統(tǒng)后相互之間具有確定的運動，構(gòu)件與構(gòu)件需要一種既直接接觸又有相對運動的連接，這種連接稱為運動副。兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成運動副的點、線、面部分，稱為運動副元素。

圖2.5

運動副任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖3）構(gòu)件的自由度與運動副約束

如圖2.6所示，一個在空間自由運動的構(gòu)件，具有六個獨立運動，即沿著x、y、z軸

的移動和繞著x、y、z軸的轉(zhuǎn)動。而對于一個作平面運動的構(gòu)件來說，僅有三個獨立運動，即沿著x、y軸的移動和繞著xOy平面內(nèi)任一點的轉(zhuǎn)動，可用三個獨立參數(shù)x、y、φ來描述，如圖2.7所示。構(gòu)件的獨立運動稱為構(gòu)件的自由度，可見，一個在平面內(nèi)自由運

動的構(gòu)件具有三個自由度。

2.6空間自由運動的剛體

圖2.7平面運動的構(gòu)件當兩個構(gòu)件通過運動副連接以后，它們之間的某些獨立運動將不能實現(xiàn)，這種對構(gòu)件

獨立運動所加的限制稱為約束，它所限制的獨立運動的數(shù)目稱為約束數(shù)。運動副每引入一個約束，構(gòu)件就失去一個自由度。兩構(gòu)件間約束數(shù)的多少和約束的特點取決于運動副的型式。任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖4）運動副的分類

根據(jù)運動副對構(gòu)件相對運動的約束及兩構(gòu)件接觸方式的不同，運動副分類如下。（1）平面運動副。

若組成運動副的兩構(gòu)件或兩個以上構(gòu)件在同一平面或相互平行平面內(nèi)做相對運動，則

稱該運動副為平面運動副。平面運動副分為低副和高副。①低副。兩個構(gòu)件之間通過面接觸而組成的運動副稱為低副。根據(jù)兩個構(gòu)件之間的相

對運動形式，低副又可分為轉(zhuǎn)動副和移動副。圖2.8轉(zhuǎn)動副

圖2.9移動副任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖②高副。兩個構(gòu)件之間通過點或線接觸而組成的運動副稱為高副。圖2.10高副（a）

（b）任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖（2）空間運動副。

若運動副允許兩構(gòu)件做空間相對運動，則該運動副稱為空間運動副。

常用空間運動副有螺旋副和球面副，如圖2.11所示。圖2.11空間運動副（a）螺旋副

（b）球面副任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖5）運動鏈和機構(gòu)（1）運動鏈。

將兩個以上的構(gòu)件通過運動副連接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈。

若運動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，則稱為閉式運動鏈（閉鏈）；若運動鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，則稱為開式運動鏈（開鏈）。（2）機構(gòu)。

在運動鏈中，如果將其中的一個構(gòu)件固定作為機架，當另一個或少數(shù)幾個構(gòu)件按給定的運動規(guī)律做獨立運動時，其余構(gòu)件均隨之做確定的相對運動，這種運動鏈就稱為機構(gòu)。

機構(gòu)中輸入運動的構(gòu)件稱為原動件，其余可動構(gòu)件稱為從動件，因此，機構(gòu)是由原動件、從動件和機架三部分組成的，如圖2.13所示。圖2.12運動鏈（a）閉式運動鏈

（b）開式運動鏈圖2.13機構(gòu)若組成機構(gòu)的各構(gòu)件的相對運動均在同一平面內(nèi)或在相互平行的平面內(nèi)，則該機構(gòu)稱

為平面機構(gòu)；若組成機構(gòu)的各構(gòu)件的相對運動不在同一平面內(nèi)或平行的平面內(nèi)，該機構(gòu)稱

為空間機構(gòu)。任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖1）構(gòu)件

構(gòu)件用直線或小方塊等來表示，其上畫有斜線的構(gòu)件表示機架，如圖2.14所示。2．構(gòu)件及運動副的表示方法圖2.14

構(gòu)件任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2）運動副（1）轉(zhuǎn)動副。

轉(zhuǎn)動副用一個小圓圈表示，其圓心代表相對轉(zhuǎn)動的軸線。圖2.15（a）表示組成轉(zhuǎn)動副的兩個構(gòu)件都是活動構(gòu)件，稱為活動鉸鏈；

圖2.15（b）表示組成運動副的兩個構(gòu)件之一為機架，在代表機架的構(gòu)件上畫短斜線，稱為固定鉸鏈，習(xí)慣上用圖2.15（c）來代替圖2.15（b）表示固定鉸鏈。一個構(gòu)件具有多個轉(zhuǎn)動副時，則將兩條線的交叉處涂黑，或在其內(nèi)畫上斜線，如圖2.16所示。圖2.15轉(zhuǎn)動副表示法（a）

（b）

（c）

（d）圖2.16

一構(gòu)件多轉(zhuǎn)動副表示法任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖項目12機械概述（2）移動副。

圖2.17是兩個構(gòu)件組成移動副的表示方法。在組成移動副的兩個構(gòu)件中，習(xí)慣上將

長度較短的塊狀構(gòu)件2稱為滑塊，而將長度較長的桿狀或槽狀構(gòu)件1稱為導(dǎo)桿或?qū)Р邸Ｒ?/p>

動副的導(dǎo)路方向必須與相對移動方向一致，圖中畫有短斜線的構(gòu)件表示機架。圖2.17移動副表示法項目12機械概述（3）平面高副。

兩構(gòu)件組成平面高副時，其運動簡圖中應(yīng)畫出兩構(gòu)件接觸處的曲線輪廓，如圖2.18所示。圖2.19是兩個構(gòu)件組成凸輪副的表示方法，對于凸輪、滾子，習(xí)慣畫出其全部輪廓。圖2.18平面高副

圖2.19凸輪副（4）齒輪副。圖2.20是兩個構(gòu)件組成齒輪副的表示方法，對于齒輪，常用點劃線劃出其節(jié)圓。圖2.20

齒輪副機繪制圖2.1所示顎式破碎機的機構(gòu)運動簡圖的方法和步驟。2.1.5任務(wù)實施1.分析機構(gòu)的運動觀察機構(gòu)的運動情況，找出原動件、從動件和機架。從主動件開始，沿著傳動路線分

析各構(gòu)件間的相對運動關(guān)系，確定機構(gòu)中構(gòu)件的數(shù)目。圖2.21

顎式破碎機任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2.確定運動副的類型和數(shù)量沿著運動傳遞路線，分析兩構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，以確定運動副的類型和數(shù)目。圖2.21

顎式破碎機任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖3．選擇投影平面4．選擇適當?shù)谋壤话氵x擇與多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的面為投影面，必要時也可以就機械的不同部

分選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展開到同一平面上。選擇適當比例尺

μ1任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖5.繪制機構(gòu)的運動簡圖按選定的比例尺，確定各運動副的相對位置，并按規(guī)定的符號繪出運動副；然后用線段將同一構(gòu)件上的運動副連接起來代表構(gòu)件；從運動件開始，按傳動順序標出各構(gòu)件的編

號和運動副的代號，在原動件上標出箭頭以表示其運動方向。圖2.21

顎式破碎機任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2.1.6拓展訓(xùn)練繪制圖2.22所示各機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖。各機構(gòu)的尺寸從圖中直接測量。圖2.22（a）提升泵，輪

1轉(zhuǎn)動時，通過扇形齒輪3，帶動齒條4上下運動提水；圖2.22（b）手動油泵，手柄2擺動時，活塞桿4上下移動抽油；圖2.22（c）柱塞油泵，曲柄

1轉(zhuǎn)動時，泵芯3擺動，柱塞2相對泵芯3上下移動

泵油。（a）

（b）

（c）圖2.22

機構(gòu)運動簡圖任務(wù)2.1平面機構(gòu)運動簡圖2.2.1任務(wù)書

計算圖2.23所示大篩機構(gòu)的自由度。圖2.23大篩機構(gòu)任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2.2.2知識點（1）平面機構(gòu)自由度的計算方法。（2）機構(gòu)具有確定運動的條件。2.2.3任務(wù)分析計算單缸內(nèi)燃機的機構(gòu)自由度的主要步驟。（1）計算機構(gòu)的自由度。（2）判斷機構(gòu)是否具有確定的運動。任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2.2.4基本知識1．機構(gòu)的自由度圖2.24曲柄滑塊機構(gòu)

在圖2.24所示的曲柄滑塊機構(gòu)中，假如給定滑塊的運動規(guī)律為s＝f（t），則其余構(gòu)

件的運動可完全確定。這說明曲柄滑塊機構(gòu)只有一個獨立運動，機構(gòu)所具有的獨立運動稱

為機構(gòu)的自由度。要使該機構(gòu)具有確定的運動，必須給定任一活動構(gòu)件一個獨立的運動規(guī)律。任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2）運動副

在平面機構(gòu)中，各構(gòu)件只做平面運動。作平面運動的自由構(gòu)件具有三個自由度，即沿x、y軸方向的移動以及在xOy平面上繞任意點的轉(zhuǎn)動。

對平面低副，如轉(zhuǎn)動副和移動副，由于兩構(gòu)件之間只有一個相對運動，即相對移動或

相對轉(zhuǎn)動，說明平面低副引入了兩個約束，從而減少了兩個自由度。

對平面高副，如齒輪副或凸輪副，只是沿公法線方向的運動被限制?？梢娊M成高副時引入一個約束，減少一個自由度。

在平面機構(gòu)中，如果有n個活動構(gòu)件，則共有3n個自由度。在以PL

個低副、PH

個高副連接成機構(gòu)后，便失去2PL＋PH

個自由度，即引入2PL＋PH

個約束，所余下的是機構(gòu)的自由度F，即F＝3n－2PL－PH（2.1）

由公式可知，機構(gòu)自由度取決于活動構(gòu)件的數(shù)目及運動副的性質(zhì)。

2

．平面機構(gòu)的自由度計算任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算3

．機構(gòu)具有確定相對運動條件要使機構(gòu)具有確定的運動，則給定的獨立運動規(guī)律的數(shù)目必須等于機構(gòu)的

自由度。由于機構(gòu)中按給定的運動規(guī)律運動的構(gòu)件是機構(gòu)的原動件，而機構(gòu)的原動件一般都與機架相連，因此，原動件只能給定一個運動規(guī)律，所以，機構(gòu)具有確定運動的條件為

原動件數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)，即機構(gòu)有多少個自由度，就應(yīng)給機構(gòu)多少個原動件。機

構(gòu)的自由度

F

＞

0。任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算4

．計算平面機構(gòu)自由度的注意事項計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)注意以下三個問題。1）復(fù)合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件在同一軸線上用轉(zhuǎn)動副相連接，則稱該連接為復(fù)合鉸鏈。三個構(gòu)件

所組成的復(fù)合鉸鏈如圖2.25所示，其中圖2.25（a）表示的轉(zhuǎn)動副的軸線垂直于紙面，

圖

2.25（b）表示的轉(zhuǎn)動副的軸線平行于紙面。由圖2.25（b）可以看出，這三個構(gòu)件沿同一個軸線共組成兩個轉(zhuǎn)動副。顯然，若符合鉸鏈由m個構(gòu)件組成，則連接處有m－1個轉(zhuǎn)動副數(shù)。（a）

（b）

圖2.25

復(fù)合鉸鏈任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2）局部自由度與機構(gòu)整體運動無關(guān)的構(gòu)件的獨立運動稱為局部自由度。在計算機構(gòu)自由度時，局部自由度應(yīng)略去不計。圖2.26

局部自由度F

＝

3n

－

2PL

－PH

＝

3×2

－

2×2

－

1

＝1局部自由度雖不影響機構(gòu)的運動關(guān)系，但可以變滑動摩擦為滾動摩擦，從而減輕了由于高副接觸而引起的摩擦和磨損。因此，在機械中常見具有局部自由度的結(jié)構(gòu)，如滾動軸

承、滾輪等。任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算3）虛約束機構(gòu)中不產(chǎn)生獨立限制作用的約束稱為虛約束。在計算自由度時，應(yīng)將虛約束除去不計。虛約束常見的情況有以下幾種。

（1）兩構(gòu)件之間組成多個導(dǎo)路平行的移動副，其中只需一個移動副起獨立約束作用，其余的都是虛約束。計算機構(gòu)自由度時，只能算作一個移動副。

（2）兩構(gòu)件之間組成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副，其中只需一個轉(zhuǎn)動副起獨立約束作用，其余的都是虛約束。計算機構(gòu)自由度時，只能算作一個轉(zhuǎn)動副。圖2.27

移動方向一致引入的虛約束

圖2.28

軸線重合引入的虛約束任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算（3）機構(gòu)中兩構(gòu)件相連，連接前被連接件上連接點的軌跡和連接件上連接點的軌跡重

合，則此連接引入的約束為虛約束，如圖

2.29所示的平行四邊形機構(gòu)，連桿3平動，如

果EF平行并等于AB及CD，則桿5上E點的軌跡與桿3上

E點的軌跡重合。則EF桿引入了虛約束，計算時簡化成圖2.29（a）。（a）

（b）

圖2.29

運動軌跡重合引入虛約束任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算（4）機構(gòu)中起相同作用的對稱部分是虛約束。如圖

2.30所示的行星輪系，為了受力

均衡，采用了三個行星輪2、2′、2″對稱布置，它們所起的作用完全相同，從運動的角度來看，只需要一個行星輪即可滿足要求。因此其中只有一個行星輪所組成的運動副為有效約束。圖2.30

重復(fù)高副引入的虛約束任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2.2.5任務(wù)實施計算圖2.23所示大篩機構(gòu)自由度的步驟。1）判斷機構(gòu)中是否存在特殊情況機構(gòu)中滾子9

自轉(zhuǎn)為一個局部自由度，將滾子與頂桿看成一體，消除局部自由度；頂

桿7與機架8在

E和

E′組成兩個導(dǎo)路重合的移動副，其中之一為虛約束，除去虛約束E′，現(xiàn)如圖2.31（a）所示；C處是復(fù)合鉸鏈，構(gòu)件2

、3

、4組成了2個轉(zhuǎn)動副，計算時鉸鏈C

處代表了2個轉(zhuǎn)動副。1．計算機構(gòu)的自由度圖2.23大篩機構(gòu)任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2）確定活動構(gòu)件數(shù)和各類運動副數(shù)由圖可知，機構(gòu)中構(gòu)件

1

、2

、3

、4

、5

、6

和7為活動構(gòu)件，因此活動構(gòu)件數(shù)n

＝

7。機構(gòu)中運動副的情況是：鉸鏈A

、B

、D

、G和O處各有一個轉(zhuǎn)動副，鉸鏈C為復(fù)合

鉸鏈，此處有兩個轉(zhuǎn)動副，構(gòu)件5與8、構(gòu)件7與8之間各有一個移動副。所以機構(gòu)中的低副

PL

＝9；機構(gòu)中

6與7組成凸輪副，所以機構(gòu)中的高副

PH＝1。3）計算機構(gòu)的自由度

由式（

2.1

）得F

＝

3n

－

2PL

－PH

＝

3×7

－

2×9

－

1

＝

2圖2.23大篩機構(gòu)任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2.判斷機構(gòu)是否具有確定的運動

大篩機構(gòu)的自由度等于2，機構(gòu)的自由度F＞0；有兩個原動件，原動件數(shù)目等于機

構(gòu)的自由度，故該機構(gòu)具有確定的相對運動。（a）

（b）圖2.31

大篩機構(gòu)的自由度任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算2.2.6拓展訓(xùn)練（1）計算圖2.32所示機構(gòu)的自由度。（2）計算圖2.32所示單缸內(nèi)燃機的自由度。（a）

（b）

（c）（a）單缸內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)原理圖

（b）單缸內(nèi)燃機運動簡圖圖2.32

單缸內(nèi)燃機任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算（3）計算圖2.33所示機構(gòu)的自由度，圖中齒輪2及凸輪4固定在同一軸線上。任務(wù)2.2平面機構(gòu)自由度的計算圖2.33計算機構(gòu)的自由度機械設(shè)計基礎(chǔ)項目3平面機構(gòu)設(shè)計

平若干個構(gòu)件通過低副聯(lián)接而成的機構(gòu)叫平面連桿機構(gòu)，其中由四個構(gòu)件通過低副聯(lián)接而成的平面連桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)，這也是平面連桿機構(gòu)中最常見的形式。平面四桿機構(gòu)是平面

連桿機構(gòu)中的一種，它又分為鉸鏈四桿機構(gòu)和衍生平面四桿機構(gòu)。機構(gòu)中只有轉(zhuǎn)動副的平面四

桿機構(gòu)稱為鉸鏈四桿機構(gòu)；機構(gòu)中既有轉(zhuǎn)動副又有移動副的平面四桿機構(gòu)為衍生平面四桿機構(gòu)。

平面連桿機構(gòu)在眾多領(lǐng)域都有著廣泛而重要的應(yīng)用。在機械制造領(lǐng)域，平面連桿機構(gòu)常用

于各種機床的傳動系統(tǒng)中。例如，牛頭刨床的主運動機構(gòu)采用了曲柄搖桿機構(gòu)，通過將旋轉(zhuǎn)運

動轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運動，實現(xiàn)對工件的切削加工。學(xué)習(xí)目標知識目標

1.掌握平面四桿機構(gòu)的基本形式及演化。2.掌握平面四桿機構(gòu)的基本特性。3.掌握平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法。能力目標1.能夠正確設(shè)計平面四桿機構(gòu)。2.能夠正確設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)。3.能夠正確設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)。素質(zhì)目標1.具有團隊合作意識和工匠精神。2.具有社會責(zé)任擔當意識，激發(fā)創(chuàng)新能力。項目3平面機構(gòu)設(shè)計3.1.1任務(wù)書

如圖3.1所示為平面四桿機構(gòu)中連桿所在的兩個位置，B1C1

成水平線，B2C2

與水平線成15°,B1E＝100mm，B2

點在E點正下方，與E點距離也為100mm，且連桿長度為300mm，根據(jù)連桿圖示兩位置，用圖解法設(shè)計此平面四桿機構(gòu)。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.1

連桿兩位置3.1.2知識點（1）平面四桿機構(gòu)的基本形式及演化。（2）平面四桿機構(gòu)的基本特點。（3）平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)3.1.3任務(wù)分析

在如圖3.2所示的鉸鏈四桿機構(gòu)中，固定不動的構(gòu)件AD稱為機架，與機架相連的構(gòu)件AB、CD為連架桿，如果連架桿繞機架上的轉(zhuǎn)動中心A或D做整周轉(zhuǎn)動，則稱為曲柄；如果只能在小于360°的某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動，則稱為搖桿。不與機架相連的構(gòu)件BC稱為連桿。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.2

鉸鏈四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖3.1.4基本知識1．平面連桿機構(gòu)的特點

平面連桿機構(gòu)是由若干個構(gòu)件通過低副連接而成的機構(gòu)。它根據(jù)所含構(gòu)件個數(shù)來分

類，分為四桿機構(gòu)和多桿機構(gòu)（五桿以上）。

平面連桿機構(gòu)的主要優(yōu)點：①兩構(gòu)件間均為低副連接，因而承受的壓強小，便于潤

滑，磨損小，能承受較大載荷；②制造簡單，便于獲得較高精度；③從動件可獲得多種運

動軌跡。

平面連桿機構(gòu)的主要缺點：①低副連接存在間隙，會引起積累誤差；②設(shè)計比較復(fù)

雜，難以精確地實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)

鉸鏈四桿機構(gòu)根據(jù)兩連架桿中曲柄的數(shù)目可分三種基本類型。1）曲柄搖桿機構(gòu)

在鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果兩個連架桿之一為曲柄，另一個為搖桿，則稱為曲柄搖桿機

。

任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)2

．鉸鏈四桿機構(gòu)的基本類型圖3.3

攪拌器

圖3.4

縫紉機腳踏板機構(gòu)2）雙曲柄機構(gòu)

在鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果兩個連架桿均為曲柄，則稱為雙曲柄機構(gòu).圖3.5慣性篩

圖3.6機車車輪機構(gòu)

在平行四邊形機構(gòu)中，若連桿和機架不平行，則稱反向雙曲柄機構(gòu)，其特點是兩曲柄

轉(zhuǎn)向相反且角速度不同。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.7

車門啟閉機構(gòu)3）雙搖桿機構(gòu)

在鉸鏈四桿機構(gòu)中，如果兩個連架桿均為搖桿，則稱為雙搖桿機構(gòu)。圖3.8鶴式起重機

圖3.9電風(fēng)扇搖頭機構(gòu)

圖3.10汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)在雙搖桿機構(gòu)中，如兩搖桿的長度相等，則稱為等腰梯形機構(gòu)，如圖

3.10所示的汽

車前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)

鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本型式的區(qū)別在于連架桿是否為曲柄。1）曲柄存在的條件

鉸鏈四桿機構(gòu)中是否存在曲柄，取決于各個構(gòu)件的相對尺寸關(guān)系和機架的位置。下面討論連架桿成為曲柄的條件。

如圖3.11所示的鉸鏈四桿機構(gòu)，設(shè)各桿長度分別為a、b、c、d。當曲柄AB回轉(zhuǎn)一

周時，它與連桿有兩次共線，這時曲柄與搖桿的對應(yīng)位置分別為AB1

與C1D；AB2

和C2D。分別構(gòu)成△AC1D和△AC2D。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)3

．鉸鏈四桿機構(gòu)的類型判別圖3.11

曲柄搖桿機構(gòu)根據(jù)三角形任意兩邊之和大于第三邊的定理可得

在△AC2D中有a＋b＜c＋d（3.1）在△AC1D中有：d＜c＋（b－a）

即

a＋d＜b＋c（3.2）

c＜d＋（b－a）

即

a＋c＜b＋d（3.3）當曲柄連桿與機架共線時，式（3.2）和式（3.3）存在，即a＋b≤c＋da＋d≤b＋c（3.4）a＋c≤b＋d把以上不等式兩兩相加可得a≤ba≤d（3.5）

a≤c

由式（3.4）、式（3.5）兩式可知：①在曲柄搖桿機構(gòu)中，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，這兩個條件是曲柄存在的必要條件。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.11

曲柄搖桿機構(gòu)2）鉸鏈四桿機構(gòu)的類型判別

鉸鏈四桿機構(gòu)屬于何種類型，除了與各構(gòu)件相對長度有關(guān)外，還與選用哪一構(gòu)件作為機架有關(guān)。

如圖3.12（a）所示曲柄搖桿機構(gòu)中，曲柄AB相對于機架AD及連桿BC做整周轉(zhuǎn)動。

而搖桿CD相對于機架及連桿只能做小于360°的擺動。若取BC為機架，曲柄AB與搖桿CD的運動情況與圖3.12（a）相同，如圖3.12（b）所示。若取AB為機架，根據(jù)相對運動

原理，AD、BC兩構(gòu)件分別繞A、B兩點作整周運動，形成雙曲柄機構(gòu)，如圖3.12（c）所

示。若取CD為機架，AD和BC兩構(gòu)件分別繞C、D做小于360°的擺動，形成雙搖桿機

構(gòu)，如圖3.12（d）所示。圖3.12曲柄搖桿機構(gòu)的演化任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)由以上分析可得鉸鏈四桿機構(gòu)類型的判別通則：

（1）若最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和，無論以哪個構(gòu)件為機架，都

不存在曲柄，故為雙搖桿機構(gòu)。

（2）若最短桿與最長桿長度之和小于其余兩桿長度之和，以不同的構(gòu)件為機架，則有下三種鉸鏈四桿機構(gòu)：

以最短桿的鄰邊之一作為機架，成為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖3.12（a）、圖3.12（b）

所示；

以最短桿邊作為機架，成為雙曲柄機構(gòu)，如圖3.12（c）所示；

以最短桿的對邊作為機架，成為雙搖桿機構(gòu)，如圖3.12（d）所示。圖3.12曲柄搖桿機構(gòu)的演化任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)1）機構(gòu)的急回特性

如圖3.11所示為一曲柄搖桿機構(gòu)，在主動件曲柄AB沿順時針方向轉(zhuǎn)動一周的過程

中，有兩次與連桿BC共線，此時搖桿CD分別位于C1D和C2D兩極限位置，搖桿在兩極

限位置的夾角ψ稱為擺角。曲柄AB與連桿兩次共線位置之間所夾銳角θ稱為極位夾角。

當曲柄等速回轉(zhuǎn)時，搖桿往返擺動的角速度不同，在擺回來時有

較大的角速度，表明機構(gòu)具有急回運動特性。在生產(chǎn)實際中，常利用機構(gòu)的急回特性來縮短空載行程時間，以提高生產(chǎn)率。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)4

．平面四桿機構(gòu)的基本特性圖3.11

曲柄搖桿機構(gòu)機構(gòu)的急回特性可以用行程速度變化系數(shù)K來表達

（3.6）

行程速度變化系數(shù)K與極位夾角θ的關(guān)系，θ越大，K越大，急回運動的性質(zhì)也越顯著，機構(gòu)的傳動平穩(wěn)性下降。當θ=0°時，K＝1時，機構(gòu)沒有急回特性。一般K取1.2～2.0。

由式（3.6）可得極位夾角

（3.7）

在設(shè)計具有急回性質(zhì)的平面連桿時，通常根據(jù)工作需要選定K值，由式（3.7）算出極位夾角，再確定各構(gòu)件的尺寸。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.11

曲柄搖桿機構(gòu)2）傳力特性

如圖3.13所示的曲柄搖桿機構(gòu)，若忽略各桿的質(zhì)量和運動副中的摩擦影響，則主動

曲柄AB經(jīng)連桿BC傳遞到搖桿CD的作用力F必和BC共線。力F與C點的絕對速度vc

之間所夾的銳角a稱為壓力角。壓力角的余角Y，稱為傳動角。

在機構(gòu)運動過程中，其傳動角是不

斷變化的，為了保證機構(gòu)具有良好的傳動性能，通常使Ymin≥40°,傳動力矩較大時，則

要使Ymin≥50°。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.13

傳力特性在曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計中還要檢驗傳力性能，也即要找出最小傳動角，看其是否符合要求。曲柄搖桿機構(gòu)最小傳動角出現(xiàn)在曲柄與機架共線的兩位置之一。圖3.14是幾種四桿機構(gòu)最小傳動角的位置，其中圖3.14（c）為導(dǎo)桿機構(gòu)，曲柄為主動件，其傳動角Y恒為90°,機構(gòu)具有良好的傳力性能。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.14四桿機構(gòu)最小傳動角位置（a）曲柄搖桿機構(gòu)φ12＞180°

（b）曲柄搖桿機構(gòu)φ12＜180°

（c）對心曲柄滑塊機構(gòu)（d）偏置曲柄滑塊機構(gòu)

（e）擺動導(dǎo)桿機構(gòu)（曲柄主動）

（f）擺動導(dǎo)桿機構(gòu)（導(dǎo)桿主動）3）死點位置

如圖3.11所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，如果以搖桿3為原動件，曲柄2為從動件，當搖

桿擺到極限位置C1D和C2D時，連桿2與曲柄1共線，若不計各構(gòu)件質(zhì)量，則這時連桿

加給曲柄的力將通過鉸鏈中心A，壓力角α=90°,此時力F對A不產(chǎn)生力矩，因此不

能使曲柄轉(zhuǎn)動。機構(gòu)的這種位置稱為死點位置。死點位置會使機構(gòu)的從動件出現(xiàn)卡死或運動不確定現(xiàn)象。

用作傳動的機構(gòu)，應(yīng)避免或設(shè)法通過死點位置。采用的方法是對從動曲柄施加轉(zhuǎn)動力

矩，或利用飛輪及構(gòu)件自身的慣性，使機構(gòu)順利通過死點位置。

機構(gòu)用作夾緊或需要夾緊的裝置，則要設(shè)置和利用死點位置。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.4

縫紉機腳踏板機構(gòu)

圖3.15夾緊機構(gòu)

圖3.16飛機起落架1）改變運動副的類型（1）一個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)5

．平面四桿機構(gòu)的演化（a）

（b）（c）

（d）圖3.17

曲柄滑塊機構(gòu)曲柄滑塊機構(gòu)廣泛用于內(nèi)然機、

沖床、空氣壓縮機等機械中。（2）兩個轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)（a）

（b）

圖3.18正弦機構(gòu)正弦機構(gòu)主要用于儀表和計算裝置中。（3）擴大轉(zhuǎn)動副。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)偏心輪機構(gòu)主要用于小型水泵和沖床等多種機床夾

具中。（a）

（c）（c）

（d）圖3.19

偏心輪機構(gòu)2）取不同的構(gòu)件為機架任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.20

曲柄滑塊機構(gòu)的演化（a）

（b）

（c）

（d）

圖3.21

小型刨床運動機構(gòu)

圖3.22

牛頭刨床運動機構(gòu)圖3.23

自卸卡車翻斗機構(gòu)

圖3.24

手動唧筒機構(gòu)對于兩個移動副的正弦機構(gòu)，也可取不同的構(gòu)件為機架演化成不同的機構(gòu)。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖3.25

正弦機構(gòu)的演化

平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法有圖解法、解析法和實驗法。

解析法設(shè)計四桿機構(gòu)相當復(fù)雜，但精度高，隨計算機的發(fā)展，此方法得到了推廣；實

驗法設(shè)計四桿機構(gòu)適用于按照給定點的軌跡進行設(shè)計；圖解法設(shè)計四桿機構(gòu)簡單、直觀，

但精度較低。本設(shè)計采用圖解法。任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)6

．平面四桿機構(gòu)的設(shè)計方法

（1）選用比例尺μ1

＝10mm/mm，按已知條件畫出連桿的兩位置B1C1

和B2C2，如圖3.26所示。

（2）作線段B1B2

中垂線b12

和C1C2

中垂線c12。

（3）在b12

上任取一點A，在c12

上任取一點D，連接ABCD，則ABCD即為所求的四桿機構(gòu)。

各桿長度分別是lAB=μ1.AB1

lCD=μ1.C1DlAD=μ1.AD任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)3.1.5任務(wù)實施（4）以B1

為圓心，以

10

mm為半徑作圓弧，交B1B2

中垂線b12與

A點，

以C1為圓心，

以33

mm

為半徑作圓弧，交C1C2中垂線c12與

D

點，連接

AD，則ABCD

為所求的四桿機構(gòu)。圖3.26

曲柄搖桿機構(gòu)設(shè)計3.1.6拓展訓(xùn)練

如圖3.27所示，給定連桿的長度及三個位置，設(shè)計平面四桿機構(gòu)。圖3.27四桿機構(gòu)設(shè)計任務(wù)3.1按給定連桿兩位置設(shè)計平面四桿機構(gòu)圖中，連桿長度為500

mm，B1C1成水平線；B2C2與水平線成15

°,

B2

到

B1C1

的距離為50mm，且垂足E到B1

的距離為200mm；B3C3

與水平線成30°,B1

在B3C3

的延長線上，且B1B3

＝350mm。任務(wù)3.2按給定行程速度變化系數(shù)K

設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)任務(wù)3.3按給定行程速度變化系數(shù)K

設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)機械設(shè)計基礎(chǔ)

項目4凸輪機構(gòu)

凸輪機構(gòu)通常由凸輪、從動件和機架組成，是機械常用傳動機構(gòu)之一，其功能是將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動或移動轉(zhuǎn)換為從動件的連續(xù)或不連續(xù)的移動或擺動。本項目通過對心、偏置直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計以及凸輪的加工三個工作任務(wù)的實施，使學(xué)生掌握凸輪輪廓設(shè)計與加工的工作方法和步驟，會選擇滾子半徑、基圓半徑、校核凸輪壓力角等，完成凸輪輪廓的設(shè)計與凸輪的加工。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.1.1任務(wù)書設(shè)計一對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪按逆時針方向轉(zhuǎn)動，行程h=20mm，從動件的運動規(guī)律如下：δ0°～90°90°～150°150°～240°240°～360°運動規(guī)律等速上升停止等加速等減速下降停止（1）繪制從動件位移線圖；（2）設(shè)計凸輪輪廓曲線；（3）選用材料和確定加工精度。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.1.2知識點和技能點

1.知識點（1）凸輪機構(gòu)的類型、特點及應(yīng)用（2）凸輪機構(gòu)中從動件的運動規(guī)律（3）按從動件運動規(guī)律設(shè)計對心直動從動件盤形凸輪輪廓的基本理論與方法

2.技能點：用圖解法設(shè)計對心直動從動件盤形凸輪輪廓。

4.1.3任務(wù)分析對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計的內(nèi)容為：根據(jù)工作要求初步確定凸輪的基圓半徑，根據(jù)從動件位移圖線進行凸輪輪廓的設(shè)計，選擇凸輪副材料，制定凸輪的加工精度等。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.1.4凸輪機構(gòu)的基本知識

1.凸輪機構(gòu)的應(yīng)用凸輪機構(gòu)常用于輕載、低速的自動機或半自動機的控制，以下列舉其應(yīng)用實例。4.1配氣機構(gòu)4.2自動送料機構(gòu)任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計4.3自動裝卸機構(gòu)4.4繞線機構(gòu)任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

2.凸輪機構(gòu)的類型及特點（1）按凸輪形狀分按照凸輪輪廓曲線的形狀，凸輪可分為盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪三類。

1)盤形凸輪2)移動凸輪3)圓柱凸輪a盤形凸輪b移動凸輪c圓柱凸輪任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計（2）按從動件的形狀分a尖頂從動件b滾子從動件c平底從動件圖4.6按從動件的形狀分任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計（3）按從動件運動形式分1）直動從動件如圖4.6a、c所示。2）擺動從動件如圖4.7a、b、c所示a尖頂從動件b滾子從動件c平底從動件圖4.7擺動從動件任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計3.凸輪機構(gòu)的運動過程和基本參數(shù)圖4.8對心尖頂直動從動桿盤形凸輪機構(gòu)任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

以圖4.8所示對心尖頂直動從動桿盤形凸輪機構(gòu)為例，說明原動件凸輪和從動件間的運動關(guān)系和有關(guān)名稱。（1）基圓以凸輪輪廓最小向徑rb為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓，rb為基圓半徑。（2）推程及推程運動角當從動件與凸輪輪廓上A點相接觸時，從動件處于上升的起始位置。凸輪以角速度ω逆時針方向轉(zhuǎn)動一個角度，從動件在凸輪輪廓推動下由A點到達最高位置，這個過程稱為推程。凸輪相應(yīng)轉(zhuǎn)角稱為推程運動角。（3）行程在推程（回程）中，從動件移動的距離h稱為行程。（4）遠休止角當從動件到達最遠位置后，凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動角，從動件尖頂與凸輪輪廓BC段接觸，而BC段是以O(shè)為中心，OB為半徑的圓弧，從動件停留在離凸輪軸心最遠的位置，稱為遠休止，凸輪相應(yīng)轉(zhuǎn)角稱為遠休止角。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

（5）回程及回程運動角當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動角，從動件逐漸回到起始位置A，這個過程稱為回程，凸輪相應(yīng)轉(zhuǎn)角稱為回程角。（6）近休止角當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動角，從動件尖頂與凸輪的DA圓弧段接觸，停留離凸輪軸心最近的位置A，稱為近休止。凸輪相應(yīng)轉(zhuǎn)角為近休止角。如果凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從動件將重復(fù)上述動作。（7）從動件位移線圖以凸輪轉(zhuǎn)角δ或者對應(yīng)的時間為橫坐標，以從動件位移s為縱坐標所作的線圖,稱為從動件位移線圖，如圖4.8(b)所示。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計4.從動件常用運動規(guī)律從動件常用的運動規(guī)律有等速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律、余弦加速度運動規(guī)律等。它們的運動規(guī)律如下。(1)等速運動規(guī)律

圖4.9等速運動規(guī)律任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計（2）等加速等減速運動規(guī)律圖4.10等加速等減速運動規(guī)律任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

等加速度拋物線圖作圖方法如下:1）取長度比例尺μs，在縱坐標軸上做出從動件的行程h，并將其分成相等的兩部分；

2)取角度比例尺μδ，在橫坐標軸上做出凸輪與行程h對應(yīng)的推程角δ0，將其也分成相等的兩部分；

3）在橫坐標上將的線段分成若干等分(圖中為四等分)，得1、2、3、4各點，過這些點作橫坐標的垂直線；（4）將推程h/2分成相同的等分，得1′、2′、3′、4′，連接01′、02′、03′、04′，與橫坐標垂直線分別交于1"、2"、3"、4"，各點，將點O、

1″、2″、3″和4″連成光滑的曲線，即為前半行程的等加速運動的位移線圖。

任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計用同樣的方法可得到等減速段位移曲線。從動件等減速段的運動方程（推程）任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計（3）簡諧運動規(guī)律某一質(zhì)點在圓周上作勻速運動時，它在這個圓的直徑上的投影所構(gòu)成的運動稱為簡諧運動。從動件在推程作簡諧運動的運動方程見表達式(4.4)。圖4.11簡諧運動規(guī)律任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

由式4.11可知，從動件的位移曲線為簡諧運動曲線，速度線圖是正弦曲線，加速度線圖是余弦曲線，因此簡諧運動規(guī)律又稱為余弦加速度運動規(guī)律。由速度和加速度線圖可以看出，其速度和加速度是連續(xù)的，但在運動的起始和終止位置，加速度作有限值突變，會產(chǎn)生柔性沖擊，因此這種運動規(guī)律僅適用于中低速、輕載場合。推程時從動件的位移線圖如圖4.11所示，作圖步驟如下：

1）取角度比例尺μδ，在橫坐標軸上作出推程角δ0，將其分成若干等分(圖中為六等分)，得1、2、3、4、5、6各點，過這些分點作橫坐標的垂直線；

2）取長度比例尺μs，以行程h為直徑在縱坐標軸上畫半圓，把半圓周也分成相應(yīng)的等分，得l′、2′、3′、4′、5′、6′各點，并將這些點向縱坐標軸投影，過投影點作投影線的延長線，分別交于橫坐標垂直線上，得1"、2"、3"、4"、5"、6"各點，將這些點連接成光滑的曲線。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計5.凸輪機構(gòu)的壓力角如圖4.12所示為對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)在推程的任一位置，從動件上的外載荷為FQ，當不考慮摩擦?xí)r，凸輪給予從動件的力Fn是沿法線方向的。從動件運動方向與力Fn方向之間所夾的銳角α即為壓力角。將Fn分解為沿從動件導(dǎo)路方向的分力F1和垂直于導(dǎo)路方向的分力F2

，其中F2是推動從動件運動的力，它除了克服作用于從動件的工作阻力FQ外，還需要克服因F1引起的導(dǎo)路對從動件的摩擦阻力。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計圖4.12凸輪機構(gòu)的壓力角圖4.13壓力角的測量壓力角大小可使用量角器測?。▓D4.13）任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

最大壓力角αmax也可根據(jù)從動件運動規(guī)律、運動角δ0和h/rb比值，由諾模圖查得。圖4.14為對心直動從動件凸輪機構(gòu)的諾模圖。圖4.14為對心直動從動件凸輪機構(gòu)的諾模圖任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

6.基圓半徑的確定凸輪機構(gòu)中，凸輪的基圓半徑越小，機構(gòu)越緊湊，但在其他條件都不變的情況下，基圓半徑越小，凸輪工作輪廓越陡，壓力角越大；基圓半徑越大的凸輪工作輪廓越平緩，壓力角越小；因此在設(shè)計凸輪時，應(yīng)在滿足αmax≦[α]的條件下，選盡可能小的基圓半徑。對于凸輪與軸做成一體的凸輪輪廓的基園半徑比軸的半徑大2～5mm,當凸輪是單獨加工，然后裝在凸輪軸上時，通?？扇』鶊@半徑rb=（0.8～1）ds（軸的半徑）?；鶊@半徑也可按運動規(guī)律、許用壓力角由諾模圖中求出。

任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.1.5任務(wù)實施由任務(wù)書已知：凸輪按逆時針方向轉(zhuǎn)動，行程h=20mm，凸輪軸直徑為40mm，從動件的運動規(guī)律為：δ0°～90°90°～150°150°～240°240°～360°運動規(guī)律等速上升停止等加速等減速下降停止1.按許用壓力角的要求確定最小基園半徑rbmin推程δ0＝90°，取[α]＝30°，按等速運動規(guī)律，由圖4.14a所示的諾模圖中找出δ0＝90°、αmax=30°的兩點，然后用直線將其相連交等速運動標尺與1處，即

將h＝20mm帶入上式，可得

任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

回程δ2＝90°，取[α]＝70°，按等加速等減速運動規(guī)律，由圖4.14a所示的諾模圖中找出δ2＝90°、αmax=70°的兩點，然后用直線將其相連交等加速等減速運動標尺與大于5處，即將h＝20mm帶入上式，可得

故rbmin＝20mm。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計2.按軸的結(jié)構(gòu)要求選取基園半徑按許用壓力角的要求，rbmin＝20mm，按軸的結(jié)構(gòu)要求取rb=40mm。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

3.按作圖法設(shè)計凸輪輪廓（1）反轉(zhuǎn)法原理凸輪機構(gòu)工作時，凸輪在運，假想給整個凸輪機構(gòu)加上一個與凸輪角速度大小相等、方向相反的角速度-ω，機構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系并沒有改變，而凸輪相對靜止，從動件則隨機架和導(dǎo)路以角速度-ω繞O點轉(zhuǎn)動，同時又在導(dǎo)路中作往復(fù)移動。由于從動件尖頂始終與凸輪輪廓保持接觸，所以反轉(zhuǎn)后的從動件尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓。這種設(shè)計方法稱為“反轉(zhuǎn)法”，它是繪制凸輪輪廓曲線的基本方法。（2）設(shè)計凸輪輪廓，見圖4.15.任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

1）選取比例尺，作位移線圖。選長度比例尺μs=2mm/mm,角度比例尺μδ=6°/mm，畫從動件位移線圖。并將推程運動角4等分，回程運動角6等分，得等分點1、2、3、…、10、11、12，過這些等分點作橫坐標的垂直線。

2）畫基圓并確定從動件尖頂?shù)钠鹗嘉恢萌鐖D4.15所示，取相同的比例尺，以O(shè)為圓心、為半徑作基圓。過O點畫從動件導(dǎo)路中心線與基圓的交點A，則A點即為尖頂從動件的起始位置。

3)畫反轉(zhuǎn)運動中從動件的導(dǎo)路位置。自O(shè)A沿-ω的方向取角度，，，，并將它們各分成與圖4.15a對應(yīng)的等份，得到1、2、3、…、10、11、12點，過各等分點作一系列徑向線01、02、03、…，則各徑向線代表從動件在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4)作從動件尖頂軌跡在位移曲線中量取各個位移量，11/、22/、33/、…，自各徑向線與基圓的交點1、2、3、…起，截取同樣的長度11/、22/、33/、…。

(5)繪制凸輪輪廓將起始點和1′、2′、3′…依次連成一條光滑曲線，即為所設(shè)計的凸輪輪廓曲線。

4.檢驗凸輪輪廓由于按許用壓力角擬定基圓半徑，并按結(jié)構(gòu)要求放大，所以不需檢驗αmax；該凸輪機構(gòu)采用尖頂從動件，所以沒有運動失真問題。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

5.以坐標數(shù)值表示凸輪輪廓由于用作圖法設(shè)計出的凸輪輪廓不夠精確，需附凸輪輪廓的坐標數(shù)值，即用轉(zhuǎn)角和向徑表示凸輪輪廓，以便于劃線、加工和檢驗。凸輪轉(zhuǎn)角以等分編號表示，位移以位移和行程的比值s/h表示。表4.1是運動角為90等分時的位移比。使用時，按所選的運動規(guī)律，查出凸輪轉(zhuǎn)角各等分編號的位移比s/h，再由下式求出相應(yīng)的向徑。按rb=40mm、h=20mm及任務(wù)書所給的運動規(guī)律，由表4.1的數(shù)值，通過式4.6計算出向徑值，并列在凸輪工作圖4.18中。

任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

6.選用材料和制定加工精度（1）凸輪機構(gòu)常用材料及熱處理凸輪機構(gòu)工作時，一般存在著沖擊，從而使凸輪與從動件表面產(chǎn)生磨損。因此對凸輪材料的要求是表面要有一定的硬度，而芯部韌性要好；從動件尖端或滾子的表面硬度要高。低速輕載的盤形凸輪機構(gòu)：凸輪可選HT250HT300QT800-2QT900-2等材料。從動件用中碳鋼，高副端表面淬火至40-50HRC,也可采用尼龍。中速中載時，凸輪常用45、40Cr、20Cr、20CrMn等材料。從動件可用20Cr等低碳合金鋼，經(jīng)滲碳淬火，滲碳層深0.8-1.5mm，硬度達56-62HRC。高速重載時，凸輪用40Cr等中碳合金鋼，表面高頻淬火至56-60HRC。從動件可用T8、T10等碳素工具鋼進行表面淬火處理。（2）凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計圖4.16凸輪的結(jié)構(gòu)任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計圖4.17滾子的結(jié)構(gòu)（3）凸輪加工精度凸輪精度的要求主要包括凸輪公差及表面粗糙度表4.2凸輪的公差和表面粗糙度凸輪精度公差等級或極限偏差，mm表面粗糙度μm向徑凸輪槽寬基準孔盤形凸輪凸輪槽較高±（0.05～0.1）H8(H7)H70.32＜Ra≤0.630.63＜Ra≤1.25一般±（0.1～0.2）H8H7(H8)0.63＜Ra≤1.251.25＜Ra≤2.5低±（0.2～0.5）H9(H10)H8任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

該凸輪機構(gòu)的基圓半徑rb=40mm，凸輪尺寸較大，故采用凸輪與軸分開的結(jié)構(gòu)，如圖4.16b；又因凸輪用于自動機中，屬中載中速，所以選20Cr，滲碳淬火，滲碳深度1.2mm、表面硬度56～62HRC；取向徑公差為±0.08、表面結(jié)構(gòu)Ra=0.8μm；為防止裝配時錯位，在凸輪上打印0°標記。零件工作圖見圖4.18。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.1.6拓展訓(xùn)練.

設(shè)計一對心滾子直動從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪按逆時針方向轉(zhuǎn)動，行程h=20mm，滾子半徑＝8mm，從動件的運動規(guī)律如下：

δ0°～90°90°～150°150°～240°240°～360°運動規(guī)律等速上升停止等加速等減速下降停止設(shè)計此凸輪輪廓。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計1.滾子從動件盤形凸輪尖頂從動件尖端磨損較快，故常采用滾子從動件來代替尖頂從動件。由于在工作中，滾子從動件的滾子始終與凸輪輪廓曲線相切，滾子中心到凸輪輪廓表面的距離等于滾子半徑，因此可把滾子中心看作是尖頂從動件的尖頂，作圖步驟如下:（1)將滾子的中心看作從動件的尖頂，按尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓的繪制方法繪出凸輪的輪廓曲線β0，稱為理論輪廓曲線，如圖4.19所示。(2)在已畫出的理論輪廓曲線上選取一系列圓心，以滾子半徑為半徑作若干個滾子小圓。(3)作上述系列滾子小圓的內(nèi)包絡(luò)線，由于它是與滾子實際接觸的凸輪輪廓曲線，故稱為實際輪廓曲線β，即為所求的凸輪輪廓任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計2.滾子半徑選擇滾子從動件有摩擦及磨損小的優(yōu)點，若僅從強度和耐磨性考慮，滾子的半徑宜大些，但滾子的半徑受到凸輪輪廓曲線曲率半徑的限制。設(shè)滾子半徑為，凸輪理論輪廓曲率半徑為，實際輪廓曲率半徑為。如圖4.20a所示，當凸輪理論輪廓曲線內(nèi)凹時，無論滾子取多大，都可以作出實際輪廓曲線。外凸時=一，當ρmin>時，可完整繪出實際輪廓曲線。當ρmin=時，實際輪廓曲線出現(xiàn)尖頂，尖頂容易磨損，導(dǎo)致從動件的運動失真。當ρmin<時，實際輪廓曲線發(fā)生交叉，交點以外的部分在加工凸輪輪廓時將被切除，從動件的運動規(guī)律實現(xiàn)不了。因此在設(shè)計時應(yīng)保證ρmin>，通常在選取滾子半徑時按<ρmin一(3～5)mm。任務(wù)4.1對心直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計3.拓展訓(xùn)練題設(shè)計一對心直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪回轉(zhuǎn)方向及從動件初始位置如圖所示。已知基圓半徑=40mm,滾子半徑=10mm，從動件運動規(guī)律如下：，，，，從動件在推程以簡諧運動規(guī)律上升，行程h=20mm；回程以等速運動規(guī)律返回原處，試繪制從動件位移線圖及凸輪輪廓曲線。圖4.20滾子半徑的選取任務(wù)4.2偏置直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.2.1任務(wù)書一偏置直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，凸輪順時針方向轉(zhuǎn)動。已知偏距e=10mm，基圓半徑=40mm,從動件運動規(guī)律如下：，，，，從動件在推程以簡諧運動規(guī)律上升，行程h=20mm；回程以等速運動規(guī)律返回原處。設(shè)計此凸輪輪廓。

4.2.2知識點和技能點知識點（1）偏置直動從動件盤形凸輪從動件的常用運動規(guī)律（3）按從動件運動規(guī)律設(shè)計盤形凸輪輪廓的基本理論與方法技能點：用圖解法設(shè)計偏置直動從動件盤形凸輪輪廓任務(wù)4.2偏置直動從動件盤形凸輪輪廓設(shè)計

4.2.3任務(wù)分析如圖4.21所示為偏置尖頂直動從動件盤形凸輪。所謂偏置式即從動件導(dǎo)路中心線與凸輪軸心的垂直距離為偏距e，以偏距e為半徑所作的圓稱為偏距圓。從動件導(dǎo)路中心線在反轉(zhuǎn)時始終與偏距圓相切，從動件的位移沿切線方向變化。

4.2.4任務(wù)實施從動件在推程以簡諧運動規(guī)律上