机械设计基础第六章 机械常用机构
机械设计常用机构
机械设计常用机构在机械设计中，机构是指由连接在一起的零件和它们之间的相对运动所组成的系统。
机构在机械设计中扮演着非常重要的角色，可以实现不同的功能和动力传递。
下面是一些常用的机构及其应用。
1.转动副：转动副是最简单的机构之一，用于实现两个零件之间的转动运动。
常见的转动副包括轴承、联轴器和齿轮等。
例如，轴承可以在旋转部件之间提供支撑和摩擦减小的功能，联轴器可以将两个轴连接在一起，齿轮可以将动力从一个轴传递到另一个轴。
2.平动副：平动副用于实现两个零件之间的直线运动。
常见的平动副包括直线导轨、滑块和斜块等。
例如，直线导轨可以提供平稳的直线运动，滑块可以在导轨上滑动，斜块可以将旋转运动转化为直线运动。
3.回转副：回转副用于实现一个零件相对于另一个零件的回转运动。
常见的回转副包括轴承、转轴和连杆等。
例如，轴承可以使一个零件在另一个零件上旋转，转轴可以将动力从一个零件传递到另一个零件，连杆可以将旋转运动转化为回转运动或直线运动。
4.正交副：正交副用于实现两个零件之间的相对平行移动。
常见的正交副包括齿轮、链条和齿条等。
例如，齿轮可以将动力从一个轴传递到另一个轴，并实现平行移动，链条可以在两个轮齿之间传递动力，齿条可以将旋转运动转化为直线运动。
5.万向节副：万向节副用于实现两个轴相互呈角度的任意转动。
常见的万向节副包括万向节和万向轴等。
例如，万向节可以使两个轴相互呈任意角度转动，万向轴可以将动力从一个任意角度的轴传递到另一个任意角度的轴。
除了以上介绍的机构，还有许多其他常用的机构，如滚珠丝杠副、曲柄滑块副、连杆机构等。
这些机构在不同的机械设计中扮演着不同的角色，用于实现各种功能和动力传递。
机械设计师在设计机构时需要考虑诸如结构复杂度、运动精度、可靠性和适应性等因素，并根据具体应用需求选择适合的机构。
机械设计基础常用机构辅导
常用机构辅导一一、常用机构概述机构由构件组合而成，但并非任意的构件组合都能成为机构，只有组成机构的各构件之间具有确定的相对运动，才能使机构按设计要求完成有规律的运动。
因此，学会识别机构以及掌握如何组合构件来满足机构具有确定运动的条件，是机构分析与设计的基础。
机构的运动简图是机械设计的工程语言，能够简明准确地表达出机构的实质内容，即运动的传递路线、各构件的运动形式以及构件之间的连接关系等。
因此，机构运动简图作为一种工具，应较熟练地加以掌握。
(一)机构的组成和运动副1．机构的组成机构由若干构件联接组合而成，根据运动传递路线和构件的运动状况，构件可分为三类：（1）机架机构中的固定构件或相对固定构件称为机架。
每个机构中均应有一个构件作为机架。
（2）原动件机构中作独立运动的构件称为原动件。
原动件是机构中输入运动的构件，故也称主动件。
每个机构都应至少有一个原动件。
在机构运动简图中，要求用箭头标明原动件的运动方向。
（3）从动件机构中除了机架和原动件以外的所有构件均称为从动件。
2．运动副概念两个构件直接接触而形成的可动联接称为运动副。
这个概念包含三层意思：（1）两个构件运动副中之“副”是成对的意思，一个构件谈不上运动副，由两个构件构成一个运动副，两个以上的构件则可构成多个运动副。
（2）直接接触两个构件只有直接接触才能构成运动副。
直接接触使构件的某些独立运动受到限制（或约束），构件的自由度减少，从而体现出运动副的作用。
一旦构件脱离接触而失去约束，它们所构成的运动副即不复存在。
（3）可动联接两个构件之间要能存在一定形式的相对运动，形成一种可动的联接。
显然，若两构件之间具有无相对运动的静联接，则二者固结为一个构件，它们之间不存在运动副。
在平面机构中，按构件的接触性质运动副可分为高副和低副两类，它们所约束的自由度数目和内容是不同的。
（二）平面机构的运动简图机构运动简图是表示机构组成和各构件相对运动关系的简明图形。
在机构运动简图中，不考虑机构外形和运动副的具体结构，仅用简单线条和符号表示构件和运动副，突出表达机构的运动关系。
机械基础-常用机构
振动筛（也称为惯性筛）
正平行四边形机构
蒸汽机车的车轮联动机构
反平行四边形机构
车门启闭机构
3.双摇杆机构
☆两连架杆均为摇杆
起重机中重物平移机构
汽车前轮转向机构(等腰梯形机构)
飞机起落架机构
1.曲柄滑块机构
☆ 一连架杆为曲柄，另一连架杆相对机架作往复移动而称为滑块 对心式曲柄滑块机构 偏置式曲柄滑块机构
2bc
0（o 或180 o）时，cos （1 或－1）， 有最小值（或最大值） 。
δ与γ
进一步分析δ与 的关系
① 当δ≤ 90时o ， =δ（对顶角关系）；
② 当δ＞ 90o 时， = 180o-δ（互为补角关系）。
由此可见，要判断 min位置前，首先应判断δmin、δmax位置。
可分以下三种情况讨论：
2.2.1平面连杆机构：
用低副连接而成的平面机构。
2.2.2平面连杆机构的特点： 1、能实现多种运动形式。如：转动，摆动，移动，平面运动 2、运动副为低副： 面接触： ①承载能力大；②便于润滑。寿命长 ③几何形状简单——便于加工，成本低。 3、缺点： ①只能近似实现给定的运动规律； ②设计复杂； ③只用于速度较低的场合。
2.1.3 平面机构的自由度
❖计算实例
解： n =5, Pl = 7, Ph = 0 F = 3n – 2Pl – Ph = 3×5 – 2×7 – 0 =1
2.1.3 平面机构的自由度
三、自由度计算时应注意的几种情况
1.复合铰链
两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了
复合铰链。
说明
2.局部自由度
常用机构
§2-1平面机构运动简图及其自由度 §2-2平面连杆机构 §2-3凸轮机构及间歇运动机构
机械设计基础必考内容
第1、2章 平面机构的自由度和速度分析1.机器：通常将能够实现确定的机械运动，又能做有用功的机械功或实现能量、物料、信息的传递与变换的装置称为机器。
机构：只能实现运动和力的传递与变换的装置称为机器。
机械：机器和机构统称为机械。
零件：机器中每一个独立制造的单元体称为零件。
构件：机器中每一个独立运动的单元体称为构件。
2. 通用零件：各种机械中普遍使用的零件称为通用零件，如螺钉、轴、轴承等。
专用零件：在某一类型机械中使用的零件称为专用零件，如内燃机活塞、曲轴、汽轮机的叶片等。
3. 平面机构：所有构件都在同一个平面或平行平面内运动的机构称为平面机构。
机构运动简图：说明机构各构件间相对运动关系的简化图形称为机构运动简图。
用途：为了使问题简化，胡洛那些与运动无关的构件的外形和运动副的具体构造，禁用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置。
4.何谓运动副？运动副有哪些类型？各引入几个约束？用什么符号表示？答：运动副：这种使两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。
转动副低副：两构件以面接触 平面运动副 （引入两个约束） 移动副高副：两构件以点或线的形式接触运动副的类型 （引入一个约束）空间运动副 符号表示见课本P65. 构件的组成：固定构件（机架）、原动件（主动件）、从动件8. 你能熟练掌握平面机构自由度的正确计算方法吗？（必考！）自由度：构件的独立运动称为自由度自由度计算公式:计算步骤 :1.分析机构运动规律2.察看有无特殊结构:复合铰链、局部自由度、虚约束3.确定活动构件数目n4.确定运动副种类和数目5.计算、验证自由度几种特殊结构的处理 :1、复合铰链—计算在内 (m-1)2、局部自由度—去掉3、虚约束--重复约束—去掉9 . 速度瞬心：速度瞬心是互相做平面相对运动的两个构件在任一瞬时时其相对速度为零的重合点简称瞬心。
H L P P F --=2n 3相对瞬心：如果两构件均在运动，则瞬心的绝对速度不等于零称为相对瞬心。
机械设计基础课后习题答案
第三章部分题解参考3-5 图3-37所示为一冲床传动机构的设计方案。
设计者的意图是通过齿轮1带动凸轮2旋转后，经过摆杆3带动导杆4来实现冲头上下冲压的动作。
试分析此方案有无结构组成原理上的错误。
若有，应如何修改？习题3-5图习题3-5解图(a) 习题3-5解图(b) 习题3-5解图(c) 解 画出该方案的机动示意图如习题3-5解图(a)，其自由度为：14233 2345=-⨯-⨯=--=P P n F 其中：滚子为局部自由度计算可知：自由度为零，故该方案无法实现所要求的运动，即结构组成原理上有错误。
解决方法：①增加一个构件和一个低副，如习题3-5解图(b)所示。
其自由度为：115243 2345=-⨯-⨯=--=P P n F ②将一个低副改为高副，如习题3-5解图(c)所示。
其自由度为：123233 2345=-⨯-⨯=--=P P n F 3-6 画出图3-38所示机构的运动简图（运动尺寸由图上量取），并计算其自由度。
习题3-6(a)图 习题3-6(d)图解(a) 习题3-6(a)图所示机构的运动简图可画成习题3-6(a)解图(a)或习题3-6(a)解图(b)的两种形式。
自由度计算：1042332345=-⨯-⨯=--=P P n F习题3-6(a)解图(a)习题3-6(a)解图(b)解(d) 习题3-6(d)图所示机构的运动简图可画成习题3-6(d)解图(a)或习题3-6(d)解图(b)的两种形式。
自由度计算：1042332345=-⨯-⨯=--=P P n F习题3-6(d)解图(a) 习题3-6(d)解图(b)3-7 计算图3-39所示机构的自由度，并说明各机构应有的原动件数目。
解(a) 10102732345=-⨯-⨯=--=P P n FA 、B 、C 、D 为复合铰链原动件数目应为1说明：该机构为精确直线机构。
当满足BE =BC =CD =DE ，AB =AD ，AF =CF 条件时，E 点轨迹是精确直线，其轨迹垂直于机架连心线AF解(b) 1072532345=-⨯-⨯=--=P P n FB 为复合铰链，移动副E 、F 中有一个是虚约束 原动件数目应为1说明：该机构为飞剪机构，即在物体的运动过程中将其剪切。
机械设计基础填空题（附答案）
、两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接称为运动副，按照其接触特性，又可将它分为 低副高副。
两构件通过面接触组成的运动副称为 低副；平面机构中又可将其分为 回转副移动副。
两构件通过点或直线接触组成的运动副称为 高副，且 自由度>0平面机构具有确定运动的条件是 自由度原动件个数，且机架，与其用回转连架杆接的构件称为 连杆连架杆是曲柄还是摇杆，可将铰链四杆机构分为三种基本型式曲柄摇杆机构、双曲柄机构双摇杆机构越小越大90力角是0，其传力性能很好摇杆为主动件时，在曲柄和连杆则行程速比系数就 越大急回性能也 越明显 1 就意味着该机构的急回性能没有设计中，习惯上用传动角来判断传力性能。
在出现死点时，传动角等于 0，压力角等于 90增大凸轮机构按凸轮形状可分为 盘形凸轮机构、移动凸轮机构和园柱凸轮机构。
按从动件的型式可分为滚子从动件、尖顶从动件和平底从动件理论轮廓；为使凸轮型线在任何位置既不变尖，更不相交，就要求滚子半径必须小于理论轮廓外凸部分的最小曲率半径。
的最小曲率半径。
凸轮机构中，从动件采用等加速等减速运动规律时，将引起 柔性刚性，机械效率 越低增大，为减小的半径越小，压力角就 越大，机械效率推力和避免自锁，压力角应越小越好，连续传动的条件为 重合度≥1m1=m2=m1=α2=α，连续传动的条件为法向模数相等法向螺旋角相等螺旋角大小相等，方向相反（m=m n2=m n1=n1αn2=-β2）；一对锥齿轮的正确啮合条件是R1=R2，m1大=m2大=mα1=α2=α。
齿轮的加工方法仿形法范成法大于法向压力角，其法向法向小于直齿轮。
齿条的基园半径为 +∞17产生轴向力，此时该齿轮已产生 根切现象，为克服这一现象可采用 正变位正移距，这样制得的齿轮称为变位齿轮增大，发生根切的最少齿数 变小分度圆上齿廓的压力角为标准值且等于20大于分度园上的压力角（大于20，齿条的齿顶线上的压力角 等于角。
标准渐开线直齿轮齿顶圆上的齿距角。
《机械设计基础》第六章 齿轮传动
由渐开线特性可知，线段B2K等于基圆齿距pb，比值B1B2/pb称为重合度，用 ε表示。于是连续传动条件是：ε≥1 ε越大，表示同时啮合的轮齿对数越多，齿轮传动越平稳。
§6-6 齿轮的材料与制造
一、齿轮材料及热处理
齿轮材料的基本要求：齿面硬度高、齿芯韧性好。 常用的齿轮材料是各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢、铸钢和铸铁等。 一般采用锻件和轧制钢材。当齿轮较大（直径大于400～600mm）而轮坯不易 锻造时，可采用铸钢；低速传动可采用灰铸铁；球墨铸铁有时可代替铸钢，非 金属材料的弹性模量小，且能减轻动载和降低噪声，适用于高速轻载、精度要 求不高的场合，常用的有夹木胶布、尼龙、工程塑料等。见表6－3。 齿轮常用的热处理方法有：表面淬火、渗碳淬火、调质、正火、渗氮。 调质和正火处理后的齿面硬度较低（HB ≤350），为软齿面；其他三种 （HB>350）为硬齿面。 软齿面的工艺过程较简单，适用于一般传动。当大小齿轮都是软齿面时， 考虑到小齿轮齿根较薄，受载次数较多，故选择材料和热处理时，一般使小 齿轮齿面硬度比大齿轮高20～50HB。硬齿面齿轮的承载能力较高，但生产 成本高。当大小齿轮都是硬齿面，小齿轮的硬度可与大齿轮相等。
上式表明：一对传动齿轮的瞬时角速度与其连心 线O1O2被啮合齿廓接触点公法线所分割的两线段成 反比。这一定律为齿廓啮合的基本定律。
欲使两齿轮瞬时角速度比恒定不变，必须使C点 为连心线上的固定点。 凡能满足上述要求的一对齿廓称为共轭齿廓。 机械中常用的齿廓曲线有渐开线、圆弧和摆线等， 过节点C所作的两个相切的圆称为节圆。一对齿轮的啮合传动可以看作 其中应用最广泛的是渐开线齿廓。 一对节圆作纯滚动。一对外啮合齿轮的中心距等于其节圆半径之和。
n1 1 r2 rb 2 i12 n2 2 r1 rb1
机械设计基础(判断、填空)
第六章平面连杆机构判断题1.铰链四杆机构中的最短杆(就是)曲柄。
（不一定是）2.把（铰链四杆机构）中的最短杆作为机架，就可以得到双曲柄机构。
（曲柄摇杆机构）3.在曲柄长度不相等的双曲柄机构中，主动曲柄作等速转动，从动曲柄作变速转动。
（对）4.家用缝纫机的脚踏板机构是采用(双摇杆)机构。
（曲柄摇杆）5.平面连杆机构的基本形式是铰链四杆机构。
（对）6.曲柄和(连杆)都是连架杆。
（摇杆）7.铰链四杆机构都有连杆和机架。
（对）8.在平面连杆机构中，以最短杆为机架，(就)能得到双曲柄机构。
（不一定）9.在平面四杆机构中，只要两个连架杆都能绕机架作整周转动，必然是双曲柄机构。
（对）10.利用选择不同构件作机架的方法，可以把曲柄摇杆机构改变成双摇杆机构。
（对）11.铰链四杆机构形式的改变，(只能）通过选择不同构件作机架来实现。
(不一定)12.曲柄摇杆机构中，(摇杆)两极限位置所夹锐角称为极位夹角。
(曲柄)13.摆动导杆机构若以曲柄为主动件，导杆一定具有急回特性。
(对)14.因为偏心轮机构中的滑块不能作为主动件，偏心轮机构不存在死点位置。
(对)15.偏置曲柄滑块机构(没有)急回特性。
（有）16.在曲柄摇杆机构中，(当) 曲柄和连杆共线，就是死点位置。
(当摇杆为主动件时)17曲柄极位夹角θ越大，行程速度变化系数K也越大，机构的急回特性越显著。
（对）18.在平面四机构中，凡是能把转动运动转换成往复运动的机构，都会具有急回运动特性。
（对）19.极位夹角θ的大小，是根据设计时事先确定的K值，通过公式求得的。
（对）20.曲柄在死点位置的运动方向与原先的运动方向(相同)。
（不一定相同）21.在实际生产中，机构的死点位置对工作(都是不利的)。
（有利有弊）22.双曲柄机构(没有)死点位置。
（有）23.曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时机构(有)死点位置。
(没有)24.双摇杆机构无急回特性。
(对)25.四杆机构的死点位置与哪个构件为原动件（无关）。
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一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
图6-6 双曲柄机构
一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
图6-7 机车车轮联动机构
一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
3. 双摇杆机构 两连架杆都为摇杆的铰链四杆机构，称为双摇杆机构。 如图6-８a所示，双摇杆机构的两摇杆均可作为主动件，当主动摇杆1往复摆动时，
通过连杆2带动从动摇杆往复摆动。如图6-8b所示门式起重机的变幅机构即是双摇杆机 构，当主动摇杆1摆动时，从动摇杆3随之摆动，使连杆2的延长部分上的E点(吊重物
平面连杆机构中，最常见的是四杆机构。下面主要介绍其类型、运动转换及其特 征。
一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
如图6-1所示，当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构。机 构中固定不动的构件4称为机架，与机架相连的构件1和3称为连架杆，不与机架相连的 构件2称为连杆。连架杆相对于机架能作整周回转的构件(如杆1)称为曲柄，若只能绕机 架摆动的称为摇杆(如杆3)。
图6-3 缝纫机踏板机构
一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
在双曲柄机构中，如两曲柄的长度相等，且连杆与机架的长度也相等，称为平行 双曲柄机构(图6-6的ABCD)。平行双曲柄机构有两种情况：图6-6a所示为同向双曲柄 机构；图6-6b所示为反向双曲柄机构。
图6-5 惯性筛
图6-4 双曲柄机构运动示意图
第一节 平面连杆机构
连杆机构是由若干构件用转动副或移动副连接而成的机构。在连杆机构中，所有 构件都在同一平面或相互平行的平面内运动的机构，称为平面连杆机构。
平面连杆机构能够实现多种运动形式的转换，构件间均为面接触的低副，因此运 动副间的压强较小，磨损较慢。由于其两构件接触表面为圆柱面或平面，制造容易， 所以应用广泛。缺点是连接处间隙造成的累积误差比较大，运动准确性稍差。
图6-1 铰链四杆机构
(一) 基本形式 铰链四杆机构按有无曲柄、摇杆分为以下三种基本形式。 1. 曲柄摇杆机构 两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。
如图6-1所示，在曲柄摇杆机构中，当曲柄1(齿轮)为主动件时，可将曲柄的连续 转动经连杆转换为摇杆的往复摆动。图6-2a所示为牛头刨床，它的横向自动进给就是 利用曲柄摇杆机构传动的，当齿轮1转动时，通过连杆2带动摇杆往复摆动，并通过棘 轮5传送给丝杠6作单向间歇运动。图6-2b所示是曲柄摇杆机构的运动简图。
一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
图6-2 牛头刨床横向自动进给机构 a) 牛头刨床示意图 b) 横向进给机构运动简图
一、 铰链四杆机构的基本形式及应用
2. 双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。 如图6-4所示，在双曲柄机构中，双曲柄可分别为主、从动件，主动曲柄1等速转动，从动 曲柄3一般为变速转动。在如图6-5所示的惯性筛中，ABCD为双曲柄机构。惯性筛就是利用 从动曲柄3的变速转动使筛子具有适当的加速度，筛面上的物料由于惯性而来回抖动，从 达到筛分物料的目的。
1. 曲柄滑块机构 图6-10 曲柄滑块机构如图6-10所示，由曲柄1、连杆2、滑块3及机架4组成的平面连杆 机构，称为曲柄滑块机构。滑块的两个极限位置C1、C2之间的距离H称为滑块的行程。
图6-10 曲柄滑块机构
二、 其他形式的四杆机构及应用
在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，可将曲柄的连续转动经连杆转换为从动滑块 的往复直线移动，例如图6-11所示的压力机等；反之，若滑块为主动件，其直线运动将 经连杆转换为从动曲柄的连续转动，例如图6-12所示的内燃机等。
第六章 机械常用机构
主编
概述中介绍了构成机器的三大主要组成部分：原动装置、传动装置和执行装置。其 中，原动装置如电动机、柴油机等，一般由专业工厂标准化生产，对工程人员而言，只 需根据计算功率和要求转速去合理选择即可。传动装置与执行装置的选择和确定就比较 复杂，问题集中在选择或设计恰当的运动机构并保证机械零件既有足够强度又合乎制造 工艺性。传动装置与执行装置通常由一些机构或机械传动组合而成。常用的机构与传动 方式有：平面连杆机构、凸轮机构、间歇运动机构、螺旋传动、齿轮传动、带传动等。 本章主要介绍常用机构。
*三、 平面四杆机构的特性参数
1. 压力角α与传动角γ 如图6-16所示曲柄摇杆机构，曲柄AB为主动件，通过连杆BC驱动摇杆CD摆动。观察
分析从动件摇杆与连杆连接点C处，如忽略连杆BC的自重，则BC杆为二力杆，因此，摇 杆的受力FC必沿连杆BC或其延长线方向；摇杆CD绕D铰摆动，故速度vC必过C点并垂直于 CD杆(切向)，FC与vC之间所
图6-8 双摇杆机构 a) 运动简图 b) 门式起重机变幅机构
一、 铰链四杆机构的基本形式及源自用(二) 铰链四杆机构存在曲柄的判别条件 铰链四杆机构中是否存在曲柄，取决于各构件长度之间的关系。实物演示和理论
分析都证明，连架杆成为曲柄必须满足下列两个条件： (1) 必要条件 最短杆与最长杆长度之和小于或等于另两杆之和。 (2) 充分条件 连架杆与机架中至少有一个是最短杆。
图6-11 压力机运动简图
图6-12 内燃机
二、 其他形式的四杆机构及应用
图6-13 偏心轮机构
二、 其他形式的四杆机构及应用
2. 曲柄摆动导杆机构 如图6-14a所示，由曲柄1、滑块2、摆动导杆3和机架4组成的机构，称为曲柄摆动导杆
机构。
图6-14 曲柄摆动导杆机构
二、 其他形式的四杆机构及应用
如图6-9所示，在铰链四杆机构中，如果满足必要条件(1)，如取最短杆为连架杆， 得曲柄摇杆机构(图6-9a)；取最短杆为机架，得双曲柄机构(图6-9b)；取最短杆为连 杆，得双摇杆机构。
图6-9 铰链四杆机构的类型判别 a) 最短杆为连架杆时 b) 最短杆为机架时 c) 最短杆为连杆时
二、 其他形式的四杆机构及应用
3. 曲柄摇块机构 如图6-15a所示，由曲柄1、连杆2、摇块3(只能绕铰链C摆动)和机架4组成的机构，
称为曲柄摇块机构。该机构可将连杆相对摇块的移动，转换为曲柄的转动。如图6-15b所 示的卡车自动卸料机构就应用了曲柄摇块机构。车厢1相当于曲柄可绕车架上的A点转
图6-15 曲柄摇块机构 a) 曲柄摇块机构简图 b) 卡车自动卸料机构简图