机械结构和机械零件

（c ）第二章 机械结构和机械零件2.1 机械机构一、机构的定义1）机构是有确定相对运动的构件组合体；2）机构是机械系统的组成单元。

二、机构的分类机构能传递、转换运动或实现某种特定的运动，不同的机构间有不同的相对运动，形成不同的变换功能。

常用的机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、带传动机构、链传动机构、螺旋机构、步进机构等。

(一)连杆机构连杆是联接两个及两个以上运动副（转动或移动副）的构件。

用运动副按顺序把几个构件联接起来则组成连杆机构（connecting rod gear ）。

其作用是传递动力和完成一定规律的运动。

连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构。

1、平面连杆机构平面连杆机构（planar linkage ）是由若干个互相作平面运动的刚性构件用运动副联接起来的机构。

其运动副多为面接触的低副，所以又称平面低副机构。

最常用的平面连杆机构是四杆机构，其分类如见图2.1-1所示。

（1）曲柄摇杆机构 在图2.1-1（a ）所示机构中，主动件杆a 可作整周旋转称为曲柄。

杆c 不作整周运动，图2.1-1 铰链四杆机构的类型（a ）曲柄摇杆机构；（b ）双曲柄机构；（c ）双摇杆机构；（d ）曲柄滑块机构；（e ）双滑块机构只按某一角度往复转动称为摇杆。

设a、b、c、d既是各杆的符号，又代表各杆的长度。

当满足最短杆和最长杆之和小于或等于其他两杆长度之和时，若将最短杆或其邻杆固定其一，则另一杆即为曲柄。

这就是四杆机构有曲柄的条件。

在满足曲柄存在的条件下，铰接四杆取不同的构件为机架（固定件），即可得到不同特性的机构。

（2）双曲柄机构如图2.1-1（b）中，取a为机架，则b和d均为曲柄，成为双曲柄机构。

如其中两曲柄长度相等，连杆与机架长度也相等，则成为平行四边形机构。

它在机器中应用很广，如机车车轮的联动机构等。

（3）双摇杆机构在图2.1-1（c）中，取c为机架，若不满足曲柄存在的条件，则两连架杆b、d均为摇杆，故称双摇杆机构。

它应用也很广泛，如鹤式起重机、飞机起落架等。

在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则成为等腰梯形机构，在汽车、轮式拖拉机中常用这种机构操纵前轮的转向。

（4）曲柄滑块机构如图2.1-1（d）中，将曲柄摇杆机构的摇杆长度增加至无穷大、则转动副O转化为移动副，便成为曲柄滑块机构。

这种机构广泛应B用在内燃机、蒸汽机、空气压缩机和冲床等机械中。

（5）双滑块机构如图2.1-1（e）为有两个移动副的四杆机构，应用这种机构的有欧氏联轴节等。

在实际机器中，往往根据需要来改变某些杆件的形状和杆件的相对长度，改变某些运动副的尺寸或选择不同杆件作为机架。

2、空间连杆机构空间连杆机构（spatial linkage）是由若干刚性构件通过低副联接，而各构件上各点的运动平面互不平行的机构。

又称空间低副机构（见图2.1-2）。

为了表明空间连杆机构的组成类型，用R、P、C、S、H分别表示转动副、移动副、圆柱副、球面副、螺旋副。

常用空间四杆机构图2.1-2 空间四杆机构的类型的组成类型有RSSR、RRSS、RSSP和RSCS机构。

它与平面连杆机构相比，结构紧凑、运动多样，工作灵活可靠等，但设计困难，制造复杂。

空间连杆机构常用于农业机械、轻工机械、交通运输机械、工业机器人、假肢和飞机起落架等。

所有转动副轴线汇交一点的球面四杆机构，应用较广，如万向联轴节机构。

(二) 凸轮机构凸轮机构（cam mechanism）是由凸轮的回转或往复运动推动从动件作一定的往复移动或摆动的高副机构，如表2.1-1。

凸轮具有曲线轮廊或凹槽，有平面凸轮和空间凸轮等。

从动件（推杆）与凸轮作点接触或线接触，其接触端的形状有尖头式、滚子式和平底式等。

为了保持推杆与凸轮始终相接触，可采用弹簧或依靠重力。

表2.1-1 凸轮机构的类型不同类型的凸轮与推杆组合起来，即可得到各种类型的凸轮机构，通常凸轮是主动件，但有时可作从动件使用。

1、推杆的运动规律推杆的运动规律取决于凸轮的外形，常用的运动规律有等速、等加速、等减速、余弦加速度和正弦加速度等几种。

等速运动规律因有速度突变，会产生强烈的刚性冲击，故只用于低速传动。

等加速、等减速和余弦加速度也存在加速度突变，会产生柔性冲击，只适用于中、低速传动。

正弦加速度曲线是连续的，不存在任何冲击，可用于高速传动。

2、凸轮机构的特点与应用凸轮机构的特点是结构紧凑，运动可靠。

但制造要求高，易磨损、有噪声。

它最适用于从动件作间歇运动的场合。

所以，它在自动机床、内燃机、印刷机、纺织机械中应用广泛。

(三) 间歇运动机构间歇运动机构（intermittent motion mechanism）是将主动件的连续运动变成从动件有停歇的周期性运动的机构。

它可以分为单向运动和往复（双向）运动两类。

1、单向间歇运动机构（1）棘轮机构（ratchet and pawl）它可将连续转动或往复运动变成单向的步进运动。

主要由棘轮和棘爪等组成（见图2.1-3）。

棘轮轮齿为单片齿，棘爪铰接于摇杆上，在曲柄的带动下，摇杆作反复摆动，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮齿，推动棘轮同向转动；相反，摇杆向顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮便停止转动。

棘轮每次转动的角度称为动程，其大小可利用改变遮齿罩的位置等方法调节。

为防止棘轮反转，在固定构件上装有止逆棘爪。

棘轮机构常伴有噪声和振动，故工作频率不易过高。

棘轮机构常用在各种机床和自动机构的间歇进给或回转工作台的转位上，也常用在千斤顶中。

自行车中的棘轮用于单向驱动。

在手动铰车中，棘轮机构常用来防止向某个方向转动。

（2）槽轮机构（geneva gear）它有外啮合和内啮合两种形式。

工程中最常见的是单臂外啮合槽轮机构，如图2.1-4（a）。

它由带圆柱销的转臂、具有四条径向槽的槽轮和机架组成。

当连续转动的转臂上的圆柱销切向进入径向槽时，便拨动槽轮转2ф角；在圆柱销转出径向槽后，槽轮便停止转动。

在转臂上固接一缺口圆盘，其圆周边与槽轮上的凹周边相配，以防止槽轮停歇时转动。

为使槽轮能完成周期性转停运动，其径向槽数不能少于3。

槽轮机构应用在转速不高，要求间歇地转过一定角度的分度装置中，如转塔车床上的刀架转位机构，电影放映机中用以间歇移动胶片见图2.1-4（b）等。

（3）不完全齿轮机构它是由齿轮机构演变而来的间歇机构，如图2.1-4（c）。

主动轮1只在一段圆周上有4个齿，从动轮2共有16个齿间，当主动齿轮作等速转动时，从动轮转动一周可有4次间歇运动，轮2停歇期间，两轮的锁止弧起定位作用。

不完全齿轮机构多用在专用机床中，如专用靠模铣床。

此外，单向间歇运动机构还有凸轮式单向间歇运动机构和擒纵机构等。

2、往复（双向）间歇运动机构往复间歇运动机构应用最多的是凸轮机构，其次是往复摆动与往复移动间歇运动机构，如图2.1-5。

（1）往复摆动间歇运动机构它利用连杆上C点运动轨迹中有一段近似圆弧C1C2，来实现摇杆带停歇的往复摆动。

构件CD的一端与连杆在C点处铰接，另一端与摇杆D处铰接，且铰链D必须位于C1C2的圆心处。

（2）往复移动间歇运动机构它利用导杆上一段圆弧导路来实现移动杆带停歇的往复运动。

曲柄的长度等于圆弧导路的半径，它的转动中心与圆弧中心重合。

一、联接与联接件常用的联接有：螺纹联接、键联接、销联接、铆钉联接、焊接、胶接、过盈配合联接等。

其中以螺纹联接、键联接、焊接在机械中应用最为广泛。

1. 可折联接和不可拆联接联接可分为可折联接和不可拆联接。

螺纹联接、键联接为可折联接；焊接为不可拆联接。

（一）螺纹联接1. 螺纹联接螺纹联接是机械中应用极为广泛的一种可拆联接。

它具有结构简单、装拆方便、联接可靠、互换性强等特点。

据统计在现代机械中具有螺纹结构的零件约占零件总数的一半以上。

螺纹联接的基本类型有：(1) 螺栓联接（普通螺栓联接a、铰制孔用螺栓联接b）(2) 双头螺柱联接c(3) 螺钉联接d(4) 紧定螺钉联接e螺栓联接螺栓联接（图2.4－1a）是利用一端有头，另一端制有螺纹的螺栓，穿过被联接件的通孔，旋上螺母拧紧后将被联接件联成一体。

螺栓联接的结构特点是：被联接件上不必切制螺纹，结构简单，装拆方便，主要用于被联接件不太厚，并有足够装拆空间的场合。

螺纹联接件(2).螺纹联接件（紧固件）螺纹紧固件的品种很多，经常有螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母和垫圈等。

它们大都已标准化，设计时应尽量按标准选用。

螺栓螺栓的头部形状有很多形式，最常用的螺栓头部是六角形，螺栓杆部分可制出一段螺纹或全螺纹。

六角头螺栓的产品等级分为A、B、C三级，A级最精确，C级最不精确。

⏹螺母螺母的类型很多，但以六角螺母应用最普通（图2.4－2b）。

六角螺母也分A、B、C三级，分别与相同级别的螺栓配用。

⏹垫圈垫圈放在螺母与被联接件之间，其作用是增加被联接件的支承面积以减少接触处的压强，避免拧紧螺母时擦伤被联接件表面。

常用的多为平垫圈，它分为A级、C级两种，轴及轴系零部件(二)键连接安装在轴上的零件(如凸轮，飞轮、带轮、齿轮等)都是以它们的轮毂部分与轴连接在一起的：键连接主要用来实现轴、毂之间的周向固定，以传递扭矩。

有些类型的键还可以实现其轴向固定。

键可分为平键、半圆键、楔键及花键等几大类，且大都是标准件。

1.平键连接平键的两侧面是工作面，上表面与轮上的键槽底部之间留有空隙，如图2．43(a)所示。

键的上、下表面为非工作面，工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。

根据其用途，平键又可分为普通平键、导向平键和滑键等。

2．花键连接将具有均布多个凸齿的轴置于轮毂相应的凹槽中所构成的连接称为花键连接．如图2．43(b)所示。

键齿侧是工作面，由于是多齿传递荷载，故花键连接比平键连接的承载能力高，定心性和导向性好，对轴的削弱小(齿浅．应力集中小)。

花键连接一般用于定心精度要求高和荷载较大的地方。

但花键加工需用专门的设备和工具，成本较高。

花键连接按齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，且均已标准化。

⏹二、轴及轴系零部件⏹2.1 轴的分类和材料⏹(1)按照承载情况，轴可分为心轴、转轴和传动轴三种。

⏹心轴：只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。

心轴(只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴)传动轴转轴⏹转轴：工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。

⏹它是机械中最常见的轴⏹如汽车变速箱中的轴、起重卷扬机齿轮减速器中的轴。

按轴线形状分类⏹(2)按轴线形状的不同，轴可分为：⏹直轴、曲轴、钢丝软轴、曲轴轴的材料⏹轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。

⏹常用的碳素钢为45钢⏹对于承受较大载荷、要求强度高、结构紧凑或耐磨性较好的轴，可采用合金钢。

⏹常用的台金钢为40Cr、20Cr、20CrMnTi等。

轴的常用材料2 ．2 轴的强度计算在进行轴的强度计算之前，首先要分析轴上载荷的大小、方向、性质和作用点，把实际受载情况简化成计算简图，然后应用材料力学的方法进行计算。