机械原理课件第9章讲解
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机械原理第9章 螺旋机构、万向联轴器、间歇运动机构
1.棘轮机构的类型及其应用
(1)齿式棘轮机构 齿式棘轮的轮齿一般采用三角形齿、梯形齿 或矩形齿，分为外齿棘轮和内齿棘轮。图9-6a为外齿棘轮机构， 图9-6b为棘条机构，图9-6c为内齿棘轮机构。根据驱动爪的数 目，棘轮机构还可分为单动式棘轮机构和双动式棘轮机构。
Fig.9-6 Tooth ratchet mechanisms(齿式棘轮机构)
Fig.9-12 Geneva wheel mechanisms 1(槽轮机构1)
1.槽轮机构的类型
空间槽轮机构用来传递相交轴的间歇运动。图9-13a为垂直 相交轴间的球面槽轮机构，槽轮呈半球形，主动销轮1、球面槽 轮3以及圆销2的轴线都通过球心，当主动销轮1连续转动时，球 面槽轮3作单向间歇转动。图9-13b为移动型槽轮机构，可实现 圆弧齿条的间歇移动。
Fig.9-4 Double universal joints(双万向联 轴器)
9.3 棘轮机构
图9-5所示的棘轮机构由主动摇杆1、 棘爪2、棘轮3、止回棘爪4和机架等部 分组成。弹簧5用来使止回棘爪4和棘 轮3保持接触。主动摇杆1空套在与棘 轮3固连的从动轴O上，并与棘爪2用 转动副相连。当主动摇杆作逆时针方 向摆动时，棘爪2便插入棘轮3的齿槽 内，推动棘轮转动一定的角度，此时 止回棘爪4在棘轮的齿背上滑过。当主 动摇杆顺时针摆动时，止回棘爪阻止 棘轮顺时针方向转动，棘爪2在棘轮的 齿背上滑过，棘轮3保持静止不动。这 Fig.9-5 Ratchet mechanism(棘轮机构) 1—driving rocker(主动摇杆) 样，当主动件作连续的往复摆动时， 2—driving pawl(棘爪)3—ratchet(棘轮) 棘轮作单向的间歇转动。 4—holding pawl(止回棘爪)5—spring(弹簧)
机械原理,孙恒,西北工业大学版第9章凸轮机构及其设计
从动件----直动、摆 动 。
凸轮机构特点：机构简单紧凑，推杆能达到各种预期 的运动规律。 但凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。
2、凸轮机构的分类
按凸轮形状分：盘形凸轮、平板凸轮、圆柱凸轮 按推杆形状分：尖顶推杆、滚子推杆、平底推杆
封闭方式：力封闭（如弹簧）、几何封闭
§9-2 推杆运动规律 名词介绍：
3、解析法设计凸轮轮廓曲线 ① 偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构
建立 oxy 坐标系， B0 点 为凸轮推程段廓线起 始点。 rr -----滚子半径
x ( s0 s) sin e cos y ( s0 s) cos e sin
此式为凸轮理 论廓线方程式。 e—偏心距
得推杆推程运动规律：
S h / 0 v h / 0 a0
等速运动规律有刚性 冲击。（加速度有无 穷大值的突变）
同理可推得等速运动回程时运动规律：
S h(1 / 0 ) v h / 0 a0
（2）二次多项式运动规律 二次多项式表达式：
S C 0 C1 C 2 2 v ds / dt C1 2C 2 a dv / dt 2C 2
2
2
等减速回程： 2 2 S 2h( 0 ) / 0
) /0 v 4h ( 0 a 4h / 0
2
2
2
(3) 五次多项式运动规律
s C0 C1 C2 2 C3 3 C4 4 C5 5 v C1 2C2 3C3 2 4C4 3 5C5 4 a 2C2 2 6C3 2 12C4 2 2 20C5 2 3
回程时的运动方程：
1机械原理课件_东南大学_郑文纬_第七版第09章_平面机构的力分析111解析
惯性力：是一种虚拟加在有变速运动的构件上的力。
惯性力是是阻力还是驱动力？ 当构件减速时，它是驱动力；加速时，它是阻力 特点：在一个运动循环中惯性力所作的功为零。低速机械的惯性力 一般很小，可以忽略不计。
二、研究机构力分析的目的
确定运动副反力。
因为运动副中反力的大小和性质对于计算机构各个零 件的强度、决定机构中的摩擦力和机械效率、以及计 算运动副中的磨损和确定轴承型式都是有用的已知条 件。
选定一点B， 再选定另一点为K
可以任意选择两个代换点
B b B
S k S
K
mB mK m mB (b) mK k 0
mk mB bk
K
mb mK bk
动代换
两质量点动代换： 选定一点B； 则另一点为K。
不能同时任意选择两个代换点
mB mK m
K k
mB (b) mK k 0
例 9－ 6
例9－6 p367
5 E Aω 1
1
Fi5 G5
6 Fr
D B 2 3
4
在如图所示的牛头刨床机构 中,已知：各构件的位置 和尺寸、曲柄以等角速度 w1顺时针转动、刨头的重 力G5、惯性力Fi5及切削 阻力(即生产阻力)Fr。
C
试求：机构各运动副中的反力及需要施于曲柄1上的平 衡力偶矩(其他构件的重力和惯性力等忽略不计)。
π
Fi 2 Fi 2b Fi 2k
5、动静法应用
不考虑摩擦时机构动静法分析的步骤：
1. 求出各构件的惯性力，并把其视为外力加于产生 该惯性力的构件上； 2. 根据静定条件将机构分解为若干个杆组和平衡力 作用的构件； 3. 由离平衡力作用最远的杆组开始，对各杆组进行 力分析； 4. 对平衡力作用的构件作力分析。
机械原理第9章凸轮机构及其设计
第二十一页，编辑于星期日：十四点 分。
②等减速推程段：
当δ =δ0/2 时，s = h /2，h/2 = C0＋C1δ0/2＋C2δ02/4 当δ = δ0 时，s = h ，v = 0，h = C0＋C1δ0＋C2δ02
0 = ωC1＋2ωC2δ ，C1=－2 C2δ0 C0=－h，C1= 4h/δ0, C2=－2h/δ02
如图所示，选取Oxy坐标系，B0 点为凸轮廓线起始点。当凸轮转过δ 角度时，推杆位移为s。此时滚子中 心B点的坐标为
x (s0 s) sin e cos
y
(s0
s) cos
A7
C8 A6 C7
w
A8
-w
A9
C9 B8 B9 B7 r0
C10
B12100 ° B0
O
B1 a B2
C1 L C2φ1φ0
A10 A0
φ
Φ
o
2
1
2 3 456
180º
7 8 9 10
60º 120º
δ
(1)作出角位移线图；
(2)作初始位置；
A5
C6
B6 B1580°B4
C4
C5
φ3
φC23
A1
↓对心直动平底推杆盘形凸 轮机构
↑偏置直动尖端推杆盘形凸轮机 构
第十一页，编辑于星期日：十四点 分。
↑尖端摆动凸轮机构
↓平底摆动凸轮机构
↑滚子摆动凸轮机构
第十二页，编辑于星期日：十四点 分。
(4)按凸轮与从动件保持接触的方式分
力封闭型凸轮机构
利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接
触的
此外，还要考虑机构的冲击性能。
机械原理凸轮机构基本尺寸(1)
3。要注意推杆在反转时的位移（是 指从基圆向外量起的到理论廓线的 线段）。
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
第9章 思考题
1。在设计直动推杆盘形凸轮机构的凸轮廓线时，若 机构的最大压力角超出了许用值，试问可采用哪 几种措施来减小最大压力角或增大许用压力角？
2。设计凸轮基圆半径时应考虑哪些因素？
3。若用滚子推杆的凸轮机构，当出现运动失真时， 应采取哪些措施？
（3）图示位置时推杆位移？
8。图示为摆动滚子推杆盘形 凸轮机构：凸轮是一个半 径为R的偏心圆盘，滚子半 径为r,
（1）基圆半径r0? (2)当滚子从C到D点接触过 程中，凸轮转过多大角度？
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
9。为什么要对凸轮机构的压力角加以限制（应对推程和 回程分别讨论）？
10。当直动尖顶推杆盘形凸轮机构发生自锁现象时，应 采取哪些措施？
平底从动件也会出现运动失
真的情况：一方面，要保证从 动件平底 与凸轮总是相切接触，
则平底的尺寸需要足够大，否 则就会出现运动失真；另一方 面，具有平底从动件的凸轮机 构，其凸轮轮廓的向径不能变 化太快，否则也会出现运动失 真，可加大基圆半径来消除这 种失真。
平底尺寸：
l 2lmax (5 ~ 7)mm
讨论压力角：
（1）压力角是推杆与凸轮接触点处 凸轮法线方向与推杆该点的速度 方向所夹的锐角；
（2）当凸轮廓线的不同点与推杆接 触时，压力角也不同；
（3）压力角是对应于凸轮的理论廓 线的。
不同机构压力角的标定：
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
二、凸轮基圆半径的确定
基圆半径与压力角的关系：
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
第9章 思考题
1。在设计直动推杆盘形凸轮机构的凸轮廓线时，若 机构的最大压力角超出了许用值，试问可采用哪 几种措施来减小最大压力角或增大许用压力角？
2。设计凸轮基圆半径时应考虑哪些因素？
3。若用滚子推杆的凸轮机构，当出现运动失真时， 应采取哪些措施？
（3）图示位置时推杆位移？
8。图示为摆动滚子推杆盘形 凸轮机构：凸轮是一个半 径为R的偏心圆盘，滚子半 径为r,
（1）基圆半径r0? (2)当滚子从C到D点接触过 程中，凸轮转过多大角度？
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
9。为什么要对凸轮机构的压力角加以限制（应对推程和 回程分别讨论）？
10。当直动尖顶推杆盘形凸轮机构发生自锁现象时，应 采取哪些措施？
平底从动件也会出现运动失
真的情况：一方面，要保证从 动件平底 与凸轮总是相切接触，
则平底的尺寸需要足够大，否 则就会出现运动失真；另一方 面，具有平底从动件的凸轮机 构，其凸轮轮廓的向径不能变 化太快，否则也会出现运动失 真，可加大基圆半径来消除这 种失真。
平底尺寸：
l 2lmax (5 ~ 7)mm
讨论压力角：
（1）压力角是推杆与凸轮接触点处 凸轮法线方向与推杆该点的速度 方向所夹的锐角；
（2）当凸轮廓线的不同点与推杆接 触时，压力角也不同；
（3）压力角是对应于凸轮的理论廓 线的。
不同机构压力角的标定：
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
机械原理
第9章 凸轮机构及其设计
二、凸轮基圆半径的确定
基圆半径与压力角的关系：
机械原理-第9章 机械运转及其速度波动的调节
Wr——输出功。
∴Wd=Wr+E ( E为机器内积蓄的动能。)
w
O 起动
T 稳定运转
2.稳定运转阶段
T——一个周期的时间 (也称一个运动循环)。
wm
t 停车
在一个周期内，各
瞬时w≠常数。
在一个周期始末，
w是相等的。
在一个周期内：DE=0，DW=Wd-Wr=0 ∴Wd=Wr
3.停车阶段
Wd=0，则 E=-Wr
等效阻力矩Mer各为多少。 解:
2
Je
J
1
w1 w1
w1 2
B(B1,B2,B3)
m2
vS2
w1
2
m3
vS3
w1
2
1
A j1
3
C
M1 4
F3
vB=vS2=lABw1
vB3 = vB2 + vB3B2
方向:水平 ⊥AB √
大小: ? √
?
任 选v
w1l
pb2
作速度图如下：
b2
j1
b3
p
v B2
1)求解在外力作用下机械的真实运动 规律;
2)机械速度的波动及其调节。
目的
对周期性速度波动进行调节，对非周 期性速度波动加以限制。
9.1.2 机械运转的三个阶段
w
T O 起动 稳定运转
∵Wd＞Wr
wm——平均角速度。
根据机械动能方程：
DW=DE
1.起动阶段
wm
DW=Wd-Wr
t 停车
DE=E2-E1 式中: Wd——输入功；
e
w1
M
e
d
t
2)求构件3上的运动，取S3为独立广义 坐标， 则(1)式可写成:
机械原理ppt课件完整版
机械原理的定义与重要性
2024/1/25
定义
机械原理是研究机械系统运动、 力和能量转换规律的科学。
重要性
机械原理是机械工程学科的基础 ，对于理解和分析机械系统的性 能、优化机械设计和提高机械效 率具有重要意义。
4
机械原理的研究对象和内容
研究对象
机构学
传动学
控制理论
机械系统，包括机构、 传动、控制等子系统。
动力学原理
牛顿运动定律、动量定理、动能定理等是机械系统动力学的基本原理，它们揭示了机械系 统运动的基本规律。
17
机械系统的运动方程和求解方法
运动方程的建立
根据机械系统的受力情况和约束条件，可以建立机械系统的运动方程。这些方程通常是一组微分方程或差分方程。
2024/1/25
求解方法
求解机械系统的运动方程可以采用解析法、数值法或图解法等方法。其中，解析法可以得到精确的解，但通常只适用 于简单的机械系统；数值法可以求解复杂的机械系统，但得到的是近似解；图解法则是一种直观形象的求解方法。
工艺特点
机械制造工艺具有多样性、复杂性 和综合性等特点，需要根据不同的 产品要求和生产条件制定相应的工 艺方案。
21
机械制造装备的分类和特点
加工装备
包括机床、刀具、夹具等，用于 对原材料进行切削、磨削等加工 操作，具有高精度、高效率和高
自动化等特点。
热处理装备
包括加热炉、淬火设备、回火设 备等，用于改善材料的力学性能 和加工性能，提高产品的使用寿
稳定性概念及判定方法：稳定性是指 机械系统在受到扰动后能否恢复到原 平衡状态的能力。稳定性的判定方法 包括静力学判定法、动力学判定法和 能量判定法等。其中，静力学判定法 主要关注机械系统在平衡位置附近的 稳定性；动力学判定法则通过分析机 械系统的运动方程来判断其稳定性； 能量判定法则是通过分析机械系统的 能量变化来判断其稳定性。
机械原理课件-齿轮系
i1m＝ (-1)m 2)画箭头
所有从动轮齿数的乘积 所有主动轮齿数的乘积
11
外啮合时：两箭头同时指向（或远离）啮 合点。头头相对或尾尾相对。
内啮合时：两箭头同向。
2 2
第二节 定轴轮系传动比的计算
对于空间定轴轮系，只能用画箭头的方法来确定从动轮的转向。
1)锥齿轮 2)蜗轮蜗杆
2
1
3
右
旋
蜗 杆
2
1
复合轮系（两者混合）
轮系的类型 一、轮系的分类 1．定轴轮系 轮系运转时，如果各齿轮轴线的位置都固定不动，则称之为 定轴轮系（或称为普通轮系）。
1 2
3
4
第一节 齿轮系及其分类
定轴轮系
2. 周转轮系：
至少有一个齿轮轴线的位置不固定，而是绕着其它定轴齿轮的轴线 做周向运动的轮系。
周转轮系举例：
第二节ω定1 轴轮系传ω动比2 的转计向算相反
二、首、末轮转向的确定(两种方法)
1
p
2
转向相同
1)用“＋” “－”表示 适用于平面定轴轮系（轴线平行，两轮转
vp
向不是相同就是相反）。
p vp ω1
外啮合齿轮：两轮转向相反，用“－”表示；
1 2
ω2
内啮合齿轮：两轮转向相同，用“＋”表示。
设轮系中有m对外啮合齿轮，则末轮转向为(-1)m
如果齿轮系中各齿轮的轴线互相平行，则称为平面齿轮 系，否则称为空间齿轮系。
根据齿轮系运转时齿轮的轴线位置相对于机架是否固定， 又可将齿轮系分为两大类：定轴齿轮系和行星齿轮系。
由齿轮组成的传动系统简称轮系
第一节 齿轮系及其分类
齿轮系
平面定轴轮系 定轴轮系（轴线固定）
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两个圆弧， 各带一个箭 头
1个圆弧 带2个箭 头
机构运动转换功能图
工程师的 语言
机构运动转换功能图（续表1）
机构运动转换功能图（续表2）
§9-3 机构创新方法
一、利用现有原理创新机构
1、杆组叠加法 : 机构组成原理
2、转动副扩大、高低副互代法：
二、 利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构
三、利用两构件相对运动关系设计构思机构
§10-3 执行机构的运动协调设计（重点）
一、机器为什么要进行运动协调？
二、协调内容：
1、时间上的协调 2、空间上的协调 3、速度上的协调
各机构在工作时，在运动时间先后上必须协调配 合，不能发生干涉。举例: P290 各机构在工作时，在空间位置的上必须协调 配合， 不能发生干涉。举例: P290 各机构在工作时，必须保持严格的速比关系。
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1、杆组叠加法 : 机构组成原理
行程增大机构
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2、转动副扩大、高低副互代法：
曲柄滑块机构
偏心轮机构
二、 利用连杆或连架杆的运动特点构思新的机构
反平行 四 边形机 构 双摇杆机 构
平行四 边 形机构
单缸压气 机
三、利用两构件相对运动关系设计构思机构
第十章 执行机构的运动协调设计
三、协调方式：
1、分配凸轮轴方式
在分配轴上安装多个凸轮，每个凸轮是一个执行机构的原动件。 主要利用凸轮廓线及凸轮在轴上安装相位的不同,使各个机构按一定 的顺序协调工作,分配轴转一周,完成一个工作循环。
电 阻 棒
电 阻 帽
电 阻
压帽的工艺动作分解： 压帽
总功能：
功能元： 送料 （基本工艺动作）
夹紧
车制螺纹：小批量生产，效率低
螺纹成形： 套螺纹： 小批量生产，效率低 滚压螺纹：大批量生产，效率高
板料输送机---输送板料
机械推拉 摩擦传动 气吸原理
仿形加工 齿轮加工---切制齿轮 范成加工
同一种功能可选用不同的工作原理
机械推拉 原理
摩擦传动 原理
摩擦传动 原理
气吸原理
齿轮加工方法
铣齿 插齿
机械原理教研组 中北大学
§10-1 工作原理设计和工艺动作设计
说明： 工作原理设计：也就是确定实现机器总功能的工作原理； 工艺动作设计：对于执行机构，功能元=工艺动作，所谓工艺动 作设计也就是 通过功能分解，将总功能细化成功能元，从而建 立功能树，也就确定了每一个基本的工艺动作。
四工位机床运动转换功能图：
3、类型： （1）直线型（矩形）；（2）圆形；（3）直角坐标型
4、举例：
例1：设计牛头刨床运动循环图
总功能 执行构件 刨头（带刨刀） 牛头刨刨工件 功能元（工艺动作） 轴向往复移动 （切削运动） 横向间歇移动 （进给运动） 执行机构 曲柄摆动导杆机构 （六杆机构） 曲柄摇杆+棘轮+螺 旋机构
§9-1 功能分析法
产品的功能：机械产品的用途或其所具有的工作能力。 基于功能分析法概念设计的基本步骤： 1、总功能分析：黑箱法 （1）任何产品都具有一总功能； 2、功能分解：功能树或功能结构图 总功能逐步分解（具体化）成一个个功能元,形成功能
（2）在完成设计之前,机械系统的内部结构不清楚,称为“黑箱”
5、电子控制方式：如PLC 特点：柔性好。
四、协调文件：运动循环图（时间上的协调）
1、定义：以某个主要执行机构中执行构件的工作起点（时间）为基准， 按照同一时间比例尺，将其它执行机构中执行构件的运动循环 表示出来。
2、目的：（1）保证各机构协调工作，避免干涉； （2）尽可能的缩短运动循环周期，提高生产率。
单件生产 拉齿
批量生产 滚齿
大批量 精加工
批量生产
二、功能求解
工作原理
1、总功能
功能元。
2、功能元的动作行为描述（工艺动作）
3、根据功能元解法目录，选择合适的执行机构（功能载体）
或采用创造性的技法，创新、组合、更改机构（机构创新）。
功能定义 分析 功能分解
功能求解
综合功能综合 优化 Nhomakorabea方案评价
机械执行机构常见的运动形式：
描述：原动机—执行机构之间的传动链及运动转换方式
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机械执行机构常见的运动形式：
两个圆弧， 各带一个箭 头
1个圆弧 带2个箭 头
机构运动转换功能图
工程师的 语言
机构运动转换功能图（续表1）
机构运动转换功能图（续表2）
功能定义 分析 功能分解
功能求解
综合
功能综合 优化
方案评价
形态学矩阵
树（或功能机构图）；
3、功能求解：功能元解法目录（创造性技法）
对功能元求解, 找出实现此功能的合适机构；
黑箱 分析
4、功能综合：形态学矩阵
功能元解综合, 生成多个原理
方案解； 5、方案评价：评价方法 对所生成的多个方案解 综合
进行评价, 确定最优方案。
优化 玻璃箱
黑箱法
总功能：把污物从脏衣服中分离出来
是机械运动简图。
在机械运动方案设计的前期，主要完成以下几个步骤：
1、明确机器的总功能； 2、提出实现总功能的工作原理；
功能定义
功能分解
3、根据工作原理，进一步细化功能至功能元； 4、由功能元确定机器最基本的动作，选择合适的机构； 功能求解 功能分析 5、机器各机构间的协调和机器总体结构的确定；
6、完成机器结构及运动示意图。
第九章 机械产品的功能分析 和机构创新 《综述》
机械原理教研组 中北大学
引
言
机械产品的设计过程：产品规划、方案设计、结构设计。 方案设计是产品设计的初始阶段，也是最为重要的阶段。 运动方案设计是机械系统方案设计的重要组成部分。 机械运动方案设计指的是机械执行机构系统的方案设计。 机械运动方案设计的目的是生成运动方案, 其表现形式
功能树
最基本,最简单 的功能
家用缝纫机的功能树
形态学矩阵
§9-2 功能求解（步骤2，3）
一、 确定实现总功能的工作原理 ——总功能的行为描述 总功能的确定后，首先要确定实现总功能的工作原理。 机械产品总功能的实现取决于采用的工作原理。 漂洗 例：洗衣机---洗衣 波轮 搓洗 滚筒 搅拌
送帽压帽
功能元解： （执行机构）
机构Ⅰ
机构Ⅱ
机构Ⅲ
（直动从动件） （左右两个圆柱凸轮机构） （摆动从动件）
显然，3个工艺动作之间存在着时间上的协调。
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2、辅助凸轮轴方式 3、曲柄轴方式： 4、机电结合： 机械协调+电路协调
主要对机器中的一些空行程动作进行控制，相当于 分配凸轮轴方式的一种辅助控制方式。