机械原理第四章常用机构解析
(完整版)机械原理知识点归纳总结
第一章绪论基本概念：机器、机构、机械、零件、构件、机架、原动件和从动件。
第二章平面机构的结构分析机构运动简图的绘制、运动链成为机构的条件和机构的组成原理是本章学习的重点。
1. 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制是本章的重点，也是一个难点。
为保证机构运动简图与实际机械有完全相同的结构和运动特性，对绘制好的简图需进一步检查与核对（运动副的性质和数目来检查）。
2. 运动链成为机构的条件判断所设计的运动链能否成为机构，是本章的重点。
运动链成为机构的条件是：原动件数目等于运动链的自由度数目。
机构自由度的计算错误会导致对机构运动的可能性和确定性的错误判断，从而影响机械设计工作的正常进行。
机构自由度计算是本章学习的重点。
准确识别复合铰链、局部自由度和虚约束，并做出正确处理。
(1) 复合铰链复合铰链是指两个以上的构件在同一处以转动副相联接时组成的运动副。
正确处理方法：k个在同一处形成复合铰链的构件，其转动副的数目应为(k-1)个。
(2) 局部自由度局部自由度是机构中某些构件所具有的并不影响其他构件的运动的自由度。
局部自由度常发生在为减小高副磨损而增加的滚子处。
正确处理方法：从机构自由度计算公式中将局部自由度减去，也可以将滚子及与滚子相连的构件固结为一体，预先将滚子除去不计，然后再利用公式计算自由度。
(3) 虚约束虚约束是机构中所存在的不产生实际约束效果的重复约束。
正确处理方法：计算自由度时，首先将引入虚约束的构件及其运动副除去不计，然后用自由度公式进行计算。
虚约束都是在一定的几何条件下出现的，这些几何条件有些是暗含的，有些则是明确给定的。
对于暗含的几何条件，需通过直观判断来识别虚约束；对于明确给定的几何条件，则需通过严格的几何证明才能识别。
3. 机构的组成原理与结构分析机构的组成过程和机构的结构分析过程正好相反，前者是研究如何将若干个自由度为零的基本杆组依次联接到原动件和机架上，以组成新的机构，它为设计者进行机构创新设计提供了一条途径；后者是研究如何将现有机构依次拆成基本杆组、原动件及机架，以便对机构进行结构分类。
机械原理第四章常用机构
B
B
AA
C γ
F”
FF”’ C γFα
F
F’
设计：潘存云
DD
当∠BCD最小或最大时，都有可能出现γmin
此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。
机构的传动角一般在运动链 最终一个从动件上度量。
B2
A
l1
B1
l l C2γ2
2γ1
设计：潘存云
C1
3
D
l4
死点特性
摇杆为主动件， F 且连杆与曲柄两 γ＝0 次共线时，有：
曲柄摇杆机构（crank-rocker)
何为曲柄摇杆机构？ 既有曲柄又有摇杆的机构。如下动画中，两个
连架杆中一个是曲柄，一个是摇杆。
曲柄摇杆机构（crank-rocker)
日常生活中常见的雷达、缝纫机等就是有曲柄 摇杆机构构成的。
双曲柄机构（double-crank)
何为双曲柄机构？ 两个连架杆都是曲柄的机构。如下动画
正弦机构
曲柄滑块机构的实例
内燃机实例
曲柄滑块机构的实例
往复式抽水机
运动副转化机构的演化
曲柄滑块机构
2
2
1 4
31
2
4
3
1
34
曲柄摇杆机构
曲柄移动导杆机构
三、曲柄摇杆机构的演化
（1）取不同构件为机架，曲柄摇杆机构、 双曲柄、双摇杆可以相互演化
2
1
3
4
曲柄摇杆
2
1
3
4
双曲柄
2
1
3
4
双摇杆
（2)曲柄存在的条件(GRASHOF)
滚子从动件
为减小摩擦磨损，在 从动件端部安装一个 滚轮，把从动件与凸 轮之间的滑动摩擦变 成滚动摩擦，因此摩 擦磨损较小，可用来 传递较大的动力，故 这种形式的从动件应 用很广。
孙恒《机械原理》课件讲义
机构结构分析的内容及目的 机构的组成 机构运动简图 机构具有确定运动的条件 平面机构自由度的计算 平面机构的组成原理、结构分类 及结构分析
§2-1 机构结构分析的内容及目的
1、研究机构的组成及机构运动简图的画法 ; 2、了解机构具有确定运动的条件； 3、研究机构的组成原理及结构分类。
2）确定机架 3）确定各构件之间的运动副种类
“两两分析相对运动” 4）代表回转副的小圆，其圆心必须与相对运动
回转中心重合。代表移动副的滑块，其导路 方向必须与相对运动方向一致。 5）比例、符号、线条、标号
§2-5 平面机构自由度的计算
1. 平面机构的自由度：机构所具有的独立运动。 2. 平面机构的自由度计算公式
2. 要除去局部自由度( F' ) 局部自由度：某些不影响机构运动的自由度。
3. 要除去虚约束( p' ) 虚约束:在机构运动中，有些约束对机构自由度的影响
是重复的。
3. 要除去虚约束( p' ) 虚约束:在机构运动中，有些约束对机构自由度的影响
是重复的。 •机构中的虚约束常发生在下列情况：
1）如果转动副联接的是两构件上运动 轨迹相重合的点，则该联接将带入 1个虚约束。
本章结束
第二章 机构的结构分析
基本要求：了解机构的组成；搞清运动副、运动链、约 束和自由度等基本概念；能绘制常用机构的 运动简图；能计算平面机构的自由度；对平 面机构组成的基本原理有所了解。
重 点：运动副和运动链的概念；机构运动简图的绘 制；机构具有确定运动的条件及机构自由度 的计算。
难 点：在机构自由度的计算中有关虚约束的识别及 处理问题。
机械基础第4章
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4.1 平面四杆机构
• 2.导杆机构 • 导杆机构可以看成是通过改变曲柄滑动机构中固定件的位置演化而来
的。当曲柄滑块机构选取不同构件作为机架时，会得到不同的导杆机 构类型，见表4-4。
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4.2 凸轮机构
• 4.2.1 凸轮机构的类型及特点
• 如图4-18所示，凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的高副机构。 其中，凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，主动件凸轮通常作等 速转动或移动，凸轮机构是通过高副接触使从动件移动得到所预期的 运动规律。
第4章 常用机构
• 4.1 平面四杆机构 • 4.2 凸轮机构 • 4.3 间歇机构
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4.1 平面四杆机构
• 4.1.1 平面机构概述
• 在同一平面或相互平行平面内运动的机构称为平面连杆机构。平面连 杆机构是由一些刚性构件，用转动副或移动副相互连接而组成，并在 同一平面或相互平行平面内运动的机构。平面连杆机构的构件形状多 种多样，不一定为杆状，但从运动原理看，均可用等效的杆状构件替 代。
运动特点来工作的。
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4.3 间歇机构
• 4.3.3 不完全齿轮机构
• 不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮演变而成的一种间歇运动机构。 如图4-30所示，将主动轮的轮齿切去一部分，当主动轮连续转动时， 从动轮作间歇转动；从动轮停歇时，主动轮外凸圆弧和从动轮内凹圆 弧相配，将从动轮锁住，使之停止在预定位置上，以保证下次啮合。
4.3 间歇机构
• 4.3.2 槽轮机构
• 1.槽轮机构的组成和工作原理 • 图4-27所示为单圆销外啮合槽轮机构，它由带圆柱销的拨盘、具有径
向槽的槽轮和支撑它们的机架组成。在槽轮机构中，由主动拨盘利用 圆柱销带动从动槽轮转动，完成间歇转动。主动销轮顺时针作等速连 续转动，当圆销未进入径向槽时，槽轮因内凹的锁止弧被销轮外凸的 锁止弧锁住而静止；圆销进入径向槽时，两弧脱开，槽轮在圆销的驱 动下转动；当圆销再次脱离径向槽时，槽轮另一圆弧又被锁住，从而 实现了槽轮的单向间歇运动。
《机械原理》笔记
《机械原理》*号内容第一章概论第一节本课程的研究内容什么是机器、机构?机器的三特征：１)由一系列的运动单元体所组成。
2)各运动单元体之间都具有确定的相对运动。
3）能转换机械能或完成有用的机械功以代替或减轻人们的劳动。
具有以上1、2两个特征的实体称为机构。
构件——由一个或多个零件连接而成的运动单元体。
零件——机器中的制造单元体。
第二节机构的分析与综合及其方法机构分析:对已知机构的结构和各种特性进行分析。
机构综合:根据工艺要求来确定机构的结构形式、尺寸参数及某些动力学参数。
机构综合的内容: 1.机构的结构综合2.机构的尺度综合3.机构的动力学综合。
机构的结构综合：主要研究机构的组成规律。
机构的尺度综合（或运动学综合）：研究已知机构如何按给定的运动要求确定其尺寸参数.概括为四类:(1)刚体导引:当机构的原动件做简单运动时，要求刚体连续地变换其位置。
(2)函数变换：使机构某从动件的运动参数为原动件运动参数的给定函数。
（3）轨迹复演：使连杆上某点的轨迹能近似地与给定曲线复合。
（4)瞬时运动量约束:按构件在某些特定位置时的运动量来设计机构的结构参数。
准点——符合预定条件的几个位置。
只要求几个位置处符合给定条件的机构综合方法称为准点法。
减小结构误差的途径是：合理确定准点的分布。
可按契比谢夫零值公式配置准点。
第三节学习本课的方法1．注意基本理论与基本方法之间的联系2. 用工程观点学习理论与基本方法3．注意加强感性认识和实践性环节第二章机构的结构分析第一节概述构成机构的基本要素——构件运动副运动链运动副:两构件间直接接触且能产生某些相对运动的联接称为运动副。
约束---对构件间运动的限制。
运动副元素—运动副参加接触的部分。
空间运动副和约束的关系。
平面机构中只有Ⅳ级副和Ⅴ级副。
(为什么？）低副－-－副元素为面接触(如移动副、转动副);高副－－-－副元素为点(线）接触。
运动链---构件由运动副连接而成的系统。
机构—选定机架,给相应的原动件，其余构件作确定运动的运动链。
机械原理 机构
机械原理机构
机械原理是研究机械运动规律及其产生的基本原理的学科。
机构是机械装置中的一个基本构件，用于实现机械运动的转换、传递与控制。
机构的基础概念包括驱动件、从动件和连杆等。
其中，驱动件通过外力或动力源产生驱动力，从动件受到驱动力的作用而产生运动，而连杆则是将驱动件与从动件连接起来，传递驱动力与运动。
机械原理中的机构有多种分类方法，常见的有平面机构和空间机构。
平面机构是指机构中的运动仅限于一个平面内的机构，而空间机构则允许运动在不同平面之间转换。
根据结构特征和运动方式，机构还可以分为平动机构、回转机构、滚动机构和曲柄机构等。
机械原理中的机构设计要考虑到多种因素，如结构强度、运动平稳性、工作效率和可靠性等。
在设计过程中，需要进行运动分析和受力分析，确保机构能够正常运行并承受预期的载荷。
同时，还需要考虑制造成本和使用方便性等因素，进行综合权衡，得到合理的机构设计方案。
除了在机械工程中应用，机械原理也被广泛运用于其他领域，如航空航天、汽车工程、机电一体化、机器人技术和精密仪器等。
机械原理为各种机械装置的设计与研究提供了理论基础，推动了机械工程的发展与创新。
机械原理_第4章__凸轮机构及其设计
图4.1 内燃机配气凸轮机构
图4.2
绕线机排线凸轮机构
图4.3所示为录音机卷带装置中的凸轮机构。工作时，凸 轮1处于图示最低位置，在弹簧5的作用下，安装于带轮轴上 的摩擦轮3紧靠卷带轮4，从而将磁带卷紧。停止放音时，凸 轮1随按键上移，其轮廓迫使从动件顺时针方向摆动，使摩 擦轮与卷带轮分离，从而停止卷带。
1. 多项式运动规律
多项式运动规律的一般形式为
s = C 0 + C 1δ + C 2 δ 2 + C 3δ 3 + L + C n δ n
式中， δ 为凸轮转角；s为从动件位 为凸轮转角；s C C C C C 移； 0 ， 1 ， 2 ， 3 ，…， n 为待定常数，可利用边 界条件来确定。 常用的有一次(n=1)多项式(即等速运动规律) 常用的有一次(n=1)多项式(即等速运动规律)；二次 (n=2)多项式(即等加速等减速运动规律)；五次(n=5) (n=2)多项式(即等加速等减速运动规律)；五次(n=5) 多项式运动规律。
图4.10 改进等速 运动规律
图4.11 改进等加速等减速 运动规律
【例4.1】 直动从动件凸轮机构。已知：从动件行程 h=20mm，推程运动角 δ t = 150° ，远休止角 δ s = 60°，回程 运动角 δ h = 120° ，近休止角 δ 's = 30° ；从动件推程、回程分 别采用简谐运动规律和摆线运动规律。试写出从动件一 个运动循环的位移、速度和加速度方程。 解：(1) 从动件推程运动方程。 推程段采用简谐运动规律，故将推程运动角 δ t = 150° 5π /6、行程h=20mm代入简谐运动规律推程运 = 动方程式，可推出
● 4.4 凸轮轮廓曲线的设计——解析法 凸轮轮廓曲线的设计——解析法 曲线的设计—— ●4.4.1 滚子直动从动件盘形凸轮机构 ●4.4.2 滚子摆动从动件盘形凸轮机构理论轮廓 曲线方程 ●4.4.3 平底直动从动件盘形凸轮机构 ●4.4.4 滚子直动从动件圆柱凸轮机构 ● 4.5 凸轮机构基本尺寸的确定 ●4.5.1 凸轮机构的压力角和自锁 ●4.5.2 凸轮基圆半径的确定 ●4.5.3 滚子半径的选择 ●4.5.4 平底从动件的平底尺寸的确定 ● 小结
机械原理四连杆机构全解
双摇杆机构
一、 曲柄摇杆机构
在铰链四杆机构中，若两个连架杆， 一个为曲柄，另一个为摇杆，则此铰链 四杆机构称为曲柄摇杆机构。
图4-2所示为调整雷达天线俯仰角的 曲柄摇杆机构。曲柄1缓慢地匀速转动， 通过连杆2使摇杆3在一定的角度范围内 摇动，从而调整天线俯仰角的大小。
图4-2 雷达天效的回转力矩， 显然Pt越大越好。而P在垂直于vc方向的 分力Pn=Psin则为无效分力，它不仅无 助于从动件的转动，反而增加了从动件 转动时的摩擦阻力矩。因此，希望Pn越 小越好。由此可知，压力角越小，机 构的传力性能越好，理想情况是=0， 所以压力角是反映机构传力效果好坏的 一个重要参数。一般设计机构时都必须 注意控制最大压力角不超过许用值。
死点会使机构的从动件出现卡死或 运动不确定的现象。可以利用回转机构 的惯性或添加辅助机构来克服。如家用 缝纫机中的脚踏机构，图4-3a。 有时死点来实现工作，如图4-6所示 工件夹紧装置，就是利用连杆BC与摇杆 CD形成的死点，这时工件经杆1、杆2传 给杆3的力，通过杆3的传动中心D。此力 不能驱使杆3转动。故当撤去主动外力F 后，工件依然被可靠地夹紧。
图4-3a所示为缝纫机的踏板机构， 图b为其机构运动简图。摇杆3（原动 件）往复摆动，通过连杆2驱动曲柄1 （从动件）做整周转动，再经过带传 动使机头主轴转动。
图4-3 缝纫机的踏板机构
曲柄摇杆机构的主要特性有。
急回 压力与传动角 死点
1．急回运动
如图4-4所示为一曲柄摇杆机构， 其曲柄AB在转动一周的过程中，有两 次与连杆BC共线。在这两个位置，铰 链中心A与C之间的距离AC1和AC2分别 为最短和最长，因而摇杆CD的位置C1D 和C2D分别为其两个极限位置。摇杆在 两极限位置间的夹角称为摇杆的摆角。
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当∠BCD最小或最大时，都有可能出现γmin
此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。
机构的传动角一般在运动链 最终一个从动件上度量。
B2
A
l1
B1
l l C2γ2
2γ1
设计：潘存云
C1
3
D
l4
上午8时19分
杨拴强 制作
死点特性
摇杆为主动件， F 且连杆与曲柄两 γ＝0 次共线时，有：
γ＝0 此时机构不能运动.
t1 (180 ) / V1 C1C2 t1 C1C2 /(180 )
上午8时19分
杨拴强 制作
上午8时19分
杨拴强 制作
2.压力角和传动角
压力角α：从动件驱动力F与力作用点绝对速
度之间所夹锐角。
传动角γ ：压力角的余角即连杆与从动件间
所夹的锐角。
F”
F
C
切向分力: F’= Fcosα =Fsinγ
上午8时19分
杨拴强 制作
5.1平面连杆机构
平面连杆机构定义：所有构件均作平行于某 一平面的运动，且构件之间只有低副连接。
1、铰链四杆机构的组成
机架——固定不动构件 连架杆——与机架以运动副相连的杆 曲柄——能做整周转动 摇杆——摆动一定角度 连杆——不直接与机架相连的杆
上午8时19分
2
1
3
4
杨拴强 制作
1
3
4
2
1
3
4
(b)不满足格拉肖夫判别式时，以任何杆为机架，皆为
双摇杆机构
上午8时19分
杨拴强 制作
三、平面四杆机构的基本特性
急回特性 在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，
摇杆位于两个极限位置，简称极位。此两处曲
柄之间的夹角θ 称为极位夹角。
上午8时19分
杨拴强 制作
1、急回特性
当曲柄以ω逆时针转过180°+θ时，摇杆 从C1D位置摆到C2D。
分类
ห้องสมุดไป่ตู้
上午8时19分
杨拴强 制作
凸轮机构的分类
按照凸轮的形状分类 盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮
上午8时19分
杨拴强 制作
盘形凸轮
这种凸轮是一个绕固 定轴转动并且具有变 化向径的盘形零件， 如。当其绕固定轴转 动时，可推动从动件 在垂直于凸轮转轴的 平面内运动。它是凸 轮的最基本型式，结 构简单，应用最广。
上午8时19分
杨拴强 制作
曲柄摇杆机构（crank-rocker)
日常生活中常见的雷达、缝纫机等就是有曲柄 摇杆机构构成的。
上午8时19分
杨拴强 制作
双曲柄机构（double-crank)
何为双曲柄机构？ 两个连架杆都是曲柄的机构。如下动画
上午8时19分
杨拴强 制作
双摇杆机构（double-rocker)
第五章 常用机构
杨拴强 福建江夏学院工业工程系
杨拴强 福建江夏学院
本章主要内容
5.1平面连杆机构 5.2凸轮机构 5.3棘轮机构 5.4轮槽机构 5.5典型机构动画演示
上午8时19分
杨拴强 制作
本章重点知识
平面四杆机构的演化机构 曲柄存在的条件 曲柄连杆机构的特性 凸轮机构的特点 棘轮机构的组成与原理 轮槽机构的组成与原理
B
F’
法向分力: F”= Fcosγ =Fsinα
A
D
γ↑ F’↑→对传动有利。
上午8时19分
杨拴强 制作
γ 出现的位置： min
为了保证机构良好的传力性能
当∠BCD≤90°时， γ＝∠BCD
当∠BCD>90°时， γ＝180°- ∠BCD
B
B
AA
C γ
F”
FF”’ C γFα
F
F’
设计：潘存云
正弦机构
杨拴强
制作
曲柄滑块机构的实例
内燃机实例
上午8时19分
杨拴强 制作
曲柄滑块机构的实例
往复式抽水机
上午8时19分
杨拴强 制作
运动副转化机构的演化
曲柄滑块机构
2
2
1 4
31
2
4
3
1
34
曲柄摇杆机构
曲柄移动导杆机构
上午8时19分
杨拴强 制作
三、曲柄摇杆机构的演化
（1）取不同构件为机架，曲柄摇杆机构、 双曲柄、双摇杆可以相互演化
上午8时19分
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移动凸轮
当盘形凸轮的转轴位 于无穷远处时，就演 化成了图示的移动凸 轮（或楔形凸轮）。 凸轮呈板状，它相对 于机架作直线移动。
上午8时19分
杨拴强 制作
圆柱凸轮
如果将移动凸轮卷成 圆柱体即演化成圆柱 凸轮。图示为自动机 床的进刀机构。在这 种凸轮机构中凸轮与 从动件之间的相对运 动是空间运动，故属 于空间凸轮机构。
2
1
3
4
曲柄摇杆
上午8时19分
2
1
3
4
2
1
3
4
双曲柄
双摇杆
杨拴强 制作
（2)曲柄存在的条件(GRASHOF)
(a)最短杆+最长杆≤其他两杆长度之和——格拉肖夫判别式
以最短杆的相邻杆为机架时——必为曲柄摇杆机构 以最短杆为机架时——必为双曲柄机构 以最短杆的对面杆为机架时——必为双摇杆机构
2
1
3
4
2
一、铰链四杆机构的基本形式
（1）曲柄摇杆机构（crank-rocker) （2）双曲柄机构（double-crank) （3）双摇杆机构（double-rocker)
上午8时19分
杨拴强 制作
曲柄摇杆机构（crank-rocker)
何为曲柄摇杆机构？ 既有曲柄又有摇杆的机构。如下动画中，两个连 架杆中一个是曲柄，一个是摇杆。
F γ＝0
称此位置为： “死点”
避免措施： 两组机构错开排列，如火车轮机构; 靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。
上午8时19分
杨拴强 制作
思考题
在现实生活中，那里用到了平面四杆机构 的这些特性？
这些特性的好处和坏处是什么？
上午8时19分
杨拴强 制作
5.2 凸轮机构的应用和分类
杨拴强 福建江夏学院工业工程系
Knowledge Points
凸轮机构的组成 凸轮机构的分类 凸轮机构的优点、缺点
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杨拴强 制作
凸轮机构的组成
凸轮是具有曲线轮廓 或凹槽的构件
凸轮机构一般由凸轮、 从动件和机架三个构 件组成。
上午8时19分
杨拴强 制作
凸轮机构的分类
按照凸轮的形状分类 按照从动件的型式分类 按照凸轮与从动件维持高副接触的方法
何为双摇杆机构？ 在一个机构中，两个连架杆都是摇杆。如下动画中
所示。
上午8时19分
杨拴强 制作
铰链四杆机构的演化
设计：潘存云
设计：潘存云
曲柄摇杆机构
曲柄滑块机构
设计：潘存云
设计：潘存云
设计：潘存云
↓∞ 偏心曲柄滑块机构
s =l sin φ
φ
l
→∞
设计：潘存云
对心曲柄滑块机构
上午8时19分
双滑块机构
上午8时19分
杨拴强 制作
凸轮机构的分类
按照从动件的型式分类 尖底从动件 滚子从动件 平底从动件
上午8时19分
杨拴强 制作