机械原理作业第五章
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机械原理第五章
转动副总反力方位线的确定:
Q1
12
Q1
12
Q1
1
2
R21
1
R21
2
1
2 R21
1)先确定不计摩擦时总反力的方向：R21与载荷Q大小相等，方向 相反；
2)考虑摩擦且轴转动时R21的作用线必切于摩擦圆；
3)R21产生的摩擦力矩与12转动方向相反。 注意：R21：构件2作用到构件1上的力，是构件1所受的力。
RBA
N
，
BA
M f RBA f Qr
RBA NBA Q，
M f Q f Qr
f r Const.
摩擦圆： 以轴颈中心o为圆心，以ρ 半径作圆，则此圆必为一 定圆，称为摩擦圆，ρ称 为摩擦半径。
Q b Q
M
AB oA
r
B
Mf
N BA RBA
结论：
Q b Q
RBA必切于摩擦圆，其力矩方向与 M
一、径向轴颈与轴承
Q b Q
M
AB oA
r
B
Mf
N BA RBA
A 轴；B 轴承； M 驱动力矩； Q 径向载荷； M f 摩擦力矩。
NBA Q， Ff f N BA f Q
M f Ff r f Qr，
跑合轴承：f 1.27 f 非跑合轴承：f 1.57 f
Q Q， M Qb
第五章 运动副中的摩擦和机械效率
§5.1 概述 §5.2 运动副中的摩擦和自锁 §5.3 机械的效率
§5 .1 概述
一.摩擦的存在性
摩擦存在于一切作相对运动或具有相对运动趋势的两个直接 接触的物体表面之间。
二. 研究机械中摩擦的目的 1、摩擦对机器的不利影响
机械原理第五章 连杆机构设计
4. 曲柄滑块机构存在曲柄的条件
根据曲柄摇杆机构的演化过程及曲柄摇杆机构曲柄存在的 条件，机架为无穷大+偏距e，则有： 偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件：
a
b
① a＋e≤b； ② a为最短杆。
若偏距=0，则得对心曲柄滑块机构有曲柄的条件：
① a≤b； ② a为最短杆。
例5-1 图示铰链四杆机构，lBC=50mm，lCD=35mm， lAD=30mm，AD为机架，若为曲柄摇杆机构， 试讨论lAB的取值范围。
机械原理 第五章 平面连杆机构及其设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
§5-2 平面四杆机构的类型和应用
§5-3 平面四杆机构的一些共性问题 §5-4 平面四杆机构的设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
应用举例 如：四足机器人（图片、动画）、内燃机中的曲柄滑块机构、 汽车刮水器、缝纫机踏板机构、仪表指示机构等。
锻压机肘杆机构
可变行程滑块机构
汽车空气泵
单侧曲线槽导杆机构
3）可用于远距离操纵、重载机构，如：自行车手闸机构，挖掘 机等。 4）连杆曲线丰富，可实现特定的轨迹要求，如：搅拌机构， 鹤式起重机等。
挖掘机
搅拌机构
鹤式起重机
二、平面连杆机构的缺点 1）运动副中的间隙会造成较大累积误差，运动精度较低。 2）多杆机构设计复杂，效率低。 3）多数构件作变速运动，其惯性力难以平衡，不适用于高速。 多杆机构大都是四杆机构组合或扩展的结果。 六杆机构及六杆机构的实际应用 本章介绍四杆机构的分析和设计。
1）最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和；（杆长条件） 2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 2. 铰链四杆机构存在曲柄的条件
1）各杆长度应满足杆长条件； 2）最短杆为连架杆或机架。
机械原理第五章
齿顶高系数 ha*和径向间隙系数 c*均为 标准值。
正常齿标准 ha* 1, c* 0.25 短齿标准 ha* 0.8, c* 0.3
（6）渐开线圆柱齿轮的基本（基准）齿廓（齿形）
（1）齿条同侧齿廓为平行的直线，齿廓上各点具有相同的压 力角，即为其齿形角，它等于齿轮分度圆压力角。
（2）与齿顶线平行的任一直线上具有相同的齿距p m 。
（7）斜齿齿轮齿条机构
斜齿轮斜齿条啮 合传动应用较少。
（8）非圆齿轮机构
轮齿分布在非圆柱体上，可实现一对齿轮的变 传动比。需要专用机床加工，加工成本较高， 设计难度较大。
这是利用非圆齿轮变传动比的工作原理，设计的 一种容积泵。现已获得实用新型专利。
2、相交轴之间传递运动 (1) 直齿圆锥齿轮机构
s pb a
公
式
d1=mz1 d2=mz2
db1=mz1cos、
ha = ha*m
db2=mz2cos
hf = (ha* + c* )m
da1 d1 2ha m( z1 2ha* )
da2 d2 2ha m( z2 2ha* )
*
*
d f 1 d1 2h f m(z1 2ha 2c )
3.渐开线方程
如右图所示，以OA为极坐标轴， 渐开线上的任一点K可用向径rK和 展角θK来确定。根据渐开线的性 质，有
rb(K +K ) = AN = KN = rbtanK
故 K = tan K － K
式中K称为渐开线在K点的压力角，它是K点作用力F的方
向(K点渐开线的法线方向)与该点速度VK方向的夹角。
两螺旋角数值不等的斜齿轮啮合时， 可组成两轴线任意交错传动，两轮 齿为点接触，且滑动速度较大，主 要用于传递运动或轻载传动。
正常齿标准 ha* 1, c* 0.25 短齿标准 ha* 0.8, c* 0.3
（6）渐开线圆柱齿轮的基本（基准）齿廓（齿形）
（1）齿条同侧齿廓为平行的直线，齿廓上各点具有相同的压 力角，即为其齿形角，它等于齿轮分度圆压力角。
（2）与齿顶线平行的任一直线上具有相同的齿距p m 。
（7）斜齿齿轮齿条机构
斜齿轮斜齿条啮 合传动应用较少。
（8）非圆齿轮机构
轮齿分布在非圆柱体上，可实现一对齿轮的变 传动比。需要专用机床加工，加工成本较高， 设计难度较大。
这是利用非圆齿轮变传动比的工作原理，设计的 一种容积泵。现已获得实用新型专利。
2、相交轴之间传递运动 (1) 直齿圆锥齿轮机构
s pb a
公
式
d1=mz1 d2=mz2
db1=mz1cos、
ha = ha*m
db2=mz2cos
hf = (ha* + c* )m
da1 d1 2ha m( z1 2ha* )
da2 d2 2ha m( z2 2ha* )
*
*
d f 1 d1 2h f m(z1 2ha 2c )
3.渐开线方程
如右图所示，以OA为极坐标轴， 渐开线上的任一点K可用向径rK和 展角θK来确定。根据渐开线的性 质，有
rb(K +K ) = AN = KN = rbtanK
故 K = tan K － K
式中K称为渐开线在K点的压力角，它是K点作用力F的方
向(K点渐开线的法线方向)与该点速度VK方向的夹角。
两螺旋角数值不等的斜齿轮啮合时， 可组成两轴线任意交错传动，两轮 齿为点接触，且滑动速度较大，主 要用于传递运动或轻载传动。
机械原理第5章 例题精选及答题技巧
2.齿轮1、2改为斜齿轮传动时，由题意要求：两轮齿数不变，模数不变，即 ，其中心距为
则 ，
3.用范成法加工斜齿轮不发生根切的最小齿数为
而 ，由式 求得
因
故用范成法滚刀加工此斜齿轮时不会发生根切。
4.这两个齿轮的当量齿数
例5-19设计一对外啮合圆柱齿轮机构，用于传递中心距为138mm的两平行轴之间的运动。要求其传动比 ，传动比误差不超过 。已知： ， ， ， ，两轮材质相同。若要求两轮的齿根磨损情况大致相同，重合度 ，顶圆齿厚 ，试设计这对齿轮传动。
小齿轮齿顶厚为
可见上面的设计方案是可用的，但必须指出的是：上面的方案不是唯一的设计方案，更不是最佳方案。
例5-12设一外啮合直齿圆柱齿轮传动， ， ， ， ， ，试设计这对齿轮。
解题要点：
故本题只能选择变位齿轮正传动。对于角度变位齿轮传动，其齿数的条件不受限制。
解：1.选择传动类型
标准中心距
安装中心距
例5-13在一对外啮合的渐开线直齿圆柱齿轮传动中，已知： ， ， ， , 。要求小齿轮刚好无根切，试问在无侧隙啮合条件下：
1．实际中心距 时，应采用何种类型的齿轮传动，变位系数 各为多少？
2．实际中心距 时，应采用何种类型的齿轮传动，变位系数 各为多少？
解题要点：
1.当实际中心距 时，由齿数条件确定传动类型和变位系数。
解题要点：
本题设计步骤可分为三步：1.选择传动类型和变位系数；2.齿轮几何尺寸计算；3.验算（包括齿顶不变尖、不根切、重迭系数应大于 等）。
解：1.选择传动类型和变位系数
标准中心距
；
选择传动类型为：高度变位齿轮传动
所以选择变位系数为
2.计算两只齿轮的各部分尺寸
按高度变位齿轮传动计算公式进行计算。
则 ，
3.用范成法加工斜齿轮不发生根切的最小齿数为
而 ，由式 求得
因
故用范成法滚刀加工此斜齿轮时不会发生根切。
4.这两个齿轮的当量齿数
例5-19设计一对外啮合圆柱齿轮机构，用于传递中心距为138mm的两平行轴之间的运动。要求其传动比 ，传动比误差不超过 。已知： ， ， ， ，两轮材质相同。若要求两轮的齿根磨损情况大致相同，重合度 ，顶圆齿厚 ，试设计这对齿轮传动。
小齿轮齿顶厚为
可见上面的设计方案是可用的，但必须指出的是：上面的方案不是唯一的设计方案，更不是最佳方案。
例5-12设一外啮合直齿圆柱齿轮传动， ， ， ， ， ，试设计这对齿轮。
解题要点：
故本题只能选择变位齿轮正传动。对于角度变位齿轮传动，其齿数的条件不受限制。
解：1.选择传动类型
标准中心距
安装中心距
例5-13在一对外啮合的渐开线直齿圆柱齿轮传动中，已知： ， ， ， , 。要求小齿轮刚好无根切，试问在无侧隙啮合条件下：
1．实际中心距 时，应采用何种类型的齿轮传动，变位系数 各为多少？
2．实际中心距 时，应采用何种类型的齿轮传动，变位系数 各为多少？
解题要点：
1.当实际中心距 时，由齿数条件确定传动类型和变位系数。
解题要点：
本题设计步骤可分为三步：1.选择传动类型和变位系数；2.齿轮几何尺寸计算；3.验算（包括齿顶不变尖、不根切、重迭系数应大于 等）。
解：1.选择传动类型和变位系数
标准中心距
；
选择传动类型为：高度变位齿轮传动
所以选择变位系数为
2.计算两只齿轮的各部分尺寸
按高度变位齿轮传动计算公式进行计算。
机械原理第五章机械效率及自锁
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第五页，编辑于星期五：十一点 九分。
例2 螺旋机构
G/2
G/2
F
s =n p
G
α
α d2 G
已知：拧紧时 M ＝ Gd2tan(α＋φv)/2 放松时 M′＝Gd2tan(α－φv)/2
现求：η及η ′
解: 采用上述类似的方法，可得
拧紧时 η ＝ M0/M ＝ tanα/ tan(α＋φv) 放松时 η′＝G0/G ＝ tan(α－φv)/ tanα
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第九页，编辑于星期五：十一点 九分。
例 设已知某机械传动装置的机构的效率和输出功率，
求该机械传动装置的机械效率。
P＇ P＇ P＇=5 kW
η3＇3＇ η4＇4
Pd P P η11 η22
0.98 0.98
0.96 0.96
P＇＇ P＇＇ P＇＇ P＇＇=0.2 kW η3＇＇3 4η＇4＇ 5η＇5＇
螺旋副
G/2
G/2
s =n p
G
α
α d2 G
放松时 M′＝Gd2tan(α－φv)/2
结论：螺旋副的自锁条件是螺旋升角≤当量摩擦角，即
α≤ φv
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第十六页，编辑于星期五：十一点 九分。
2. 从所能克服的生产阻力≤0的条件来确定
所能克服的生产阻力≤0 意味着只有阻抗力反向变为驱动 力后，才能使机械运动，此时机械已发生自锁。
• 减小因惯性力引起的动载荷
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第十一页，编辑于星期五：十一点 九分。
§5-2 机械的自锁
一、机械的自锁现象
机械中存在着使其运动的驱动力和阻碍其运动的摩 擦力。如果由于摩擦力的存在，驱动力无论多么大， 都不能使机械运动，称这种现象为自锁。
第五章凸轮机械原理典型例题
推程
r0
O
ω
S,V, a 是确定的
B
B
S
B
α
S0 δ
S δ
S
S0
α1
O’ e O ω
O
α2
δ ω e O’
S0
O
ω
P
tan OP / OB (ds / d ) / (r0 s)
P
P
tan (OP e) / O ' B ((ds / d ) e) / ( r02 e 2 s)
A'
φ Cr B -ω O' A B' V
C' O
α
滚子中心C，半径r 理论轮廓，R=LO'C 基园R0， 推杆中心位置园， R=LOA 凸轮逆时90，推杆 中心A'，推杆位置 接触点B' 摆动角φ 压力角α
2 2 tan 假设凸轮轮廓已经做出，要求在凸轮转过δ角时， (OP e) / O ' B ((ds / d ) e) / ( r0 e s) 位移为S，速度为V， V=ω×Lop ，压力角为α。 适当偏距e（左移），使凸轮转过δ角，此时应有 可知：采用适当的偏距且使推杆偏向凸轮轴心 的左侧，可使推程压力角减小，从而改善凸轮 相同位移S，相同速度V。此时压力角为α1； 的受力情况，但使回程的压力角增大，由于回 P为瞬心位置，相同的速度即瞬心P位置是固定的。程的许用压力角很大，故对机构的受力情况影 响不大。 右移，使凸轮转过δ角，此时压力角为α2；
基本概念题
1.选择题
（1）对于远、近休止角均不为零的凸轮机构，当从动件推程按简谐运动 C 规律运动时，在推程开始和结束位置______。 A.不存在冲击 B.存在刚性冲击 C.存在柔性冲击 （2）已知一滚子接触摆动从动件盘形凸轮机构，因滚子损坏，更换了一 个外径与原滚子不同的新滚子，则更换滚子后________。 D A. 从动件运动规律发生变化，而从动件最大摆角不变 B. 从动件最大摆角发生变化，而从动件运动规律不变 C. 从动件最大摆角和从动件运动规律均不变 D. 从动件最大摆角和从动件运动规律均发生变化 (3)已知一滚子接触偏置直动从动件盘形凸轮机构，若将凸轮转向由顺 时针改为逆时针，则_________。 D A. 从动件运动规律发生变化，而从动件最大行程不变 B. 从动件最大行程发生变化，而从动件运动规律不变 C. 从动件最大行程和从动件运动规律均不变 D. 从动件最大行程和从动件运动规律均发生变化
机械原理第五章作业答案
第五章 5-1眼镜用小螺钉(10.25M ⨯)与其他尺寸螺钉(例如8 1.25M ⨯)相比，为什么更易发生自动松脱现象(螺纹中径=螺纹大径-0．65×螺距)? 【解答】10.25M ⨯螺钉的螺纹中径'2(10.650.25)0.8d m m m m =-⨯= 螺纹升角''0'20.25arctan arctan 5.430.8375P d α=== 8 1.25M ⨯螺钉的螺纹中径''2(80.65 1.25)7.1875d mm mm =-⨯= 螺纹升角''''0'''2 1.25arctan arctan 3.177.1875P d αα===〈结合螺旋副的自锁条件可知，眼镜用小螺钉较其他尺寸螺钉更易发生自动松脱现象。
5—2 当作用在转动副中轴颈上的外力为一单力，并分别作用在其摩擦圆之内、之外或相切时，轴颈将作何种运动?当作用在转动副中轴颈上的外力为一力偶矩时，也会发生自锁吗?【解答】 (1)当外力作用在其摩擦圆之内时，因外力对轴颈中心的力矩始终小于它本身所引起的最大摩擦力矩，故出现自锁现象；当外力作用在其摩擦圆之外时，因外力对轴颈中心的力矩大于它本身所引起的最大摩擦力矩，故轴颈将加速运动；当外力与其摩擦圆相切时，因外力对轴颈中心的力矩等于它本身所引起的摩擦力矩，故轴颈处于临界状态，将作等速运动(若轴颈原来是转动的)或静止不动(若轴颈原来是静止的)。
(2)当作用在转动副中轴颈上的外力为一力偶矩时，若该力偶矩小于它本身所引起的摩擦力矩，也会发生自锁。
5—3 自锁机械根本不能运动，对吗?试举2～3个利用自锁的实例。
【解答】不对，因为白锁机械本身是可以运动的，机械的自锁只是在一定的受力条件和受力方向下发生的。
例如，飞机的起落架和斜面压榨机中均运用了自锁现象。
＜机械原理＞第五章_齿轮机构及其设计
1:22 PM
第五章 齿轮机构及其设计
二、共轭齿廓
凡是满足齿廓啮合基本定律的一 对齿廓叫共轭齿廓。 只要给出一条齿廓曲线，就可以 根据齿廓啮合基本定律求出与其 共轭的另一条齿廓曲线。 理论上满足一定传动比规律的共 轭曲线有很多。如：渐开线、摆 线、变态摆线、圆弧曲线、抛物 线等。
两头牛背上的架子 称为轭,轭使两头牛 同步行走。 共轭即为按一定的 规律相配的一对。
但啮合角≡齿形角
意味着：同1把齿条形刀具制造的齿轮（无论标准或变位、无论 齿数多少）压力角都相同。
1:22 PM 第五章 齿轮机构及其设计
中心距
侧隙 无 有 无 有
顶隙 标准 >标准 标准 >标准
节圆(线) =分度圆 >分度圆
啮合角 =压力角 >压力角
标准 标准齿 安装 轮与标 准齿轮 非标 安装
第五章 齿轮机构及其设计
渐开线的 极坐标参 数方程式
1:22 PM
二、渐开线齿廓
1、渐开线齿廓能满足定传动比的要求
公 两 公 法线是 基圆 切线 通过连心线上 定点 节点 = 一对齿轮传动比
1 O2 P r '2 rb 2 i Const 2 O1P r '1 rb1
第五章 齿轮机构及其设计
标准齿 标准 轮与标 安装 准齿条 非标 安装
标准中心距 >标准中心距 标准中心距 >标准中心距
1:22 PM
第五章 齿轮机构及其设计
§5-5 渐开线直齿圆柱 齿轮的啮合传动
渐开线齿轮的啮合过程
主动轮与从动轮 啮合起始：主动轮齿根部 接触从动轮齿顶 啮合终止：主动轮齿顶接 触从动轮齿根部 啮合点
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机械原理习题册
第5章
5-1 在图示铰链四杆机构中，已知：l BC=50mm，l CD=35mm，l AD=30mm，AD为机架，（1）若此机构为曲柄摇杆机构，且AB杆为曲柄，求l AB的最大值；
（2）若此机构为双曲柄机构，求l AB的取值范围；
（3）若此机构为双摇杆机构，求l AB的取值范围。
5-2 设计一曲柄摇杆机构，已知其摇杆长度l CD=75mm，机架长度l AD=100mm，摇杆的一极限位置与机架间的夹角ψ=45°，行程速比系数K=1.5。
试确定曲柄长度l AB和连杆长度l BC，只求一解即可，并标出最小传动角γmin。
5-3用图解法设计一偏置曲柄滑块机构。
已知滑块的行程速度变化系数K=1.5，滑块的冲程L C1C2=50mm，导路的偏距e=20mm，求曲柄长度l AB和连杆长度l BC，以及该机构的最大压力角。
α
5-4 小论文: 简述平面连杆机构的应用(要求字数不少于1000字, 应标明参考文献出处,并不少于5篇)。