2021-武漢理工大學(xué)機(jī)械原理課件

1、機(jī)械原理,武漢理工大學(xué),目錄,第一章 緒 論 1-1 本課程研究的對象及內(nèi)容 l-2 學(xué)習(xí)本課程的目的 l-3 如何進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí) 第二章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 2-1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 2-2 機(jī)構(gòu)的組成 2-3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 2-4 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件 2-5 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 2-6 計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(xiàng),第三章 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 3-1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析概述 3-2 速度瞬心及其在平面機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用 3-3 用矢量方程圖解法作機(jī)構(gòu)的速度和加速度分析 第四章 平面機(jī)構(gòu)的力分析 4-1 機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法 4-2 構(gòu)件慣性力的確定 第五章 機(jī)械中的摩擦和

2、機(jī)械效率 5-1 研究機(jī)械中摩擦的目的和研究內(nèi)容 5-2 運(yùn)動副中的摩擦 5-3 機(jī)械的效率 5-4 機(jī)械的自鎖,第六章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 6-1 連桿機(jī)構(gòu)及其傳動特點(diǎn) 6-2 平面四桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用 6-3 有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識 6-4 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 第七章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 7-1 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類 7-2 推桿的運(yùn)動規(guī)律 7-3 凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì) 7-4 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定 第八章 齒輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 8-1 齒輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類,8-2 齒輪的齒廓曲線 8-3 漸開線的形成及其特性 8-4 漸開線齒廓的嚙合特性 8-5 漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪各部分的名稱和尺寸 8

3、-6 漸開線直齒圓柱齒輪的嚙合傳動 8-7 漸開線齒廓的切制 8-8 變位齒輪概述 8-9 變位齒輪傳動 8-10 斜齒圓柱齒輪傳動 8-11 蝸桿傳動 8-12 圓錐齒輪傳動 第九章 輪系及其設(shè)計(jì),9-1 輪系及其分類 9-2 定軸輪系的傳動比 9-3 周轉(zhuǎn)輪系的傳動比 第十章 機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)及其速度波動的調(diào)節(jié) 10-1 概述 10-2 機(jī)械的運(yùn)動方程式 10-3 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)械的周期性速度波動及其 調(diào)節(jié) 10-4 機(jī)械的非周期性速度波動及其調(diào)節(jié) 第十一章 機(jī)械的平衡 11-1 機(jī)械平衡的目的及內(nèi)容 11-2 剛性轉(zhuǎn)子的平衡計(jì)算,第一章 緒 論,機(jī)械原理”(Mechanical Princi

4、ple)研究的對象是機(jī)械，研究的內(nèi)容是有關(guān)機(jī)械(mechanism)的基本理論問題。 機(jī)械是機(jī)器(machine)和機(jī)構(gòu)(mechanism)的總稱。 右圖所示為一內(nèi)燃機(jī)示意圖，主要由以下機(jī)構(gòu)組成： 活塞(piston)、連桿(connecting rod)、曲軸和機(jī)架(frame)組成連桿機(jī)構(gòu)；大齒輪(gear)、小齒輪和機(jī)架組成齒輪機(jī)構(gòu)；凸輪(cam)、推桿和機(jī)架組成凸輪機(jī)構(gòu),1-1本課程研究的對象及內(nèi)容,除了機(jī)器外，實(shí)際中存在如圖1-2所示的開窗機(jī)構(gòu)和如圖1-3所示的千斤頂，它們借助于人力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動或傳遞力。這些裝置我們稱之為機(jī)構(gòu),圖1-2 開窗機(jī)構(gòu),圖1-3 千斤頂,機(jī)器的特征

5、： 1. 它們是由零件人為裝配組合而成的實(shí)物體； 2.各實(shí)物體之間具有確定的相對運(yùn)動； 3. 能完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)化機(jī)械能。 機(jī)構(gòu)的特征：機(jī)構(gòu)具有機(jī)器特征中的前兩個特征。 機(jī)器與機(jī)械的共有特征決定了機(jī)器與機(jī)構(gòu)可以統(tǒng)稱為機(jī)械。 本課程研究的內(nèi)容： 1. 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的基本知識 2. 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 3. 機(jī)器動力學(xué) 4. 常用機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 5. 機(jī)構(gòu)的選型及機(jī)械傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本課程研究的內(nèi)容可以概括為兩個方面，第一是介紹對已有機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動和動力分析的方法，第二是探索根據(jù)運(yùn)動和動力性能方面的要求設(shè)計(jì)新機(jī)械的途徑,l-2 學(xué)習(xí)本課程的目的 本課程所學(xué)的內(nèi)容乃是研究現(xiàn)有機(jī)械的運(yùn)動及工作性

6、能和設(shè)計(jì)新機(jī)械的知識基礎(chǔ)。所以它成為機(jī)械類各專業(yè)必修的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，并為專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。 l-3 如何進(jìn)行本課程的學(xué)習(xí) 在學(xué)習(xí)本課程的過程中，要著重注意搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握機(jī)構(gòu)分析和綜合的基本方法。 在本課程的學(xué)習(xí)過程中，要注意培養(yǎng)自己運(yùn)用所學(xué)的基本理論和方法去分析和解決工程實(shí)際問題的能力。為此要十分注意各種理論和方法的適用范圍和條件，以求能逐步作到正確而靈活的應(yīng)用,第二章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 2-1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的 研究內(nèi)容： (1) 研究機(jī)構(gòu)的組成及其具有確定運(yùn)動的條件； (2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分類； (3) 研究機(jī)構(gòu)的組成原理。 研究目的：

7、 在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要知道機(jī)構(gòu)是怎樣組合起來的，而且在什么條件下才能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動；對機(jī)構(gòu)組成原理的研究還可以為新機(jī)構(gòu)的創(chuàng)造提供途徑；通過對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與分類，可以為舉一反三地研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析和動力分析提供方便,2-2 機(jī)構(gòu)的組成 1. 構(gòu)件 構(gòu)件(link)機(jī)器中每一個獨(dú)立的運(yùn)動單元體。 2. 運(yùn)動副 由兩個構(gòu)件組成的可動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副(kinematics pair)。而把兩構(gòu)件上能夠參加接觸而構(gòu)成運(yùn)動副的表面稱為運(yùn)動副元素。例如軸與軸襯的配合(圖2-1)，滑塊與導(dǎo)軌的接觸(圖2-2,圖2-1 回轉(zhuǎn)副,圖2-1 移動副,兩齒輪輪齒的嚙合(圖2-3,a)，球面與平面的接觸(圖2-3,b)

8、，圓柱與平面的接觸(圖2-3,c),圖2-3,b,圖2-3,c,圖2-3,a 齒輪副,任意兩個構(gòu)件1與2，當(dāng)它們尚未構(gòu)起運(yùn)動副之前，構(gòu)件1相對于構(gòu)件2共有6個相對運(yùn)動的自由度。當(dāng)兩構(gòu)件以某種方式相聯(lián)接而構(gòu)成運(yùn)動副，則兩者間的相對運(yùn)動便受到一定的約束，其相對運(yùn)動自由度減少的數(shù)目就等于該運(yùn)動副所引入的約束的數(shù)目。兩構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動副后所受到的約束數(shù)最少為1(如圖2-3，b所示的運(yùn)動副)，而最多為5(如圖2-1和2-2所示的運(yùn)動副,運(yùn)動副的分類： (1) 按引入約束的數(shù)目分：I級副、級副、級副、級副、級副。 (2) 按兩構(gòu)件的接觸情況進(jìn)行分：點(diǎn)或線接觸而構(gòu)成的運(yùn)動副統(tǒng)稱為高副；面接觸(surface c

9、ontact)而構(gòu)成的運(yùn)動副則稱為低副(lower pair )。 (3) 按兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動的不同分：轉(zhuǎn)動副或回轉(zhuǎn)副(revolute pair)、移動副(sliding pair)、螺旋副、球面副、平面運(yùn)動(plane motion)副、空間運(yùn)動副,圖2-5 螺旋副,圖2-6 球面副,3. 運(yùn)動鏈 把兩個以上的構(gòu)件通過運(yùn)動副的聯(lián)接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈(kinematics chin)。如運(yùn)動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成了首末封閉的系統(tǒng)，則稱其為閉式運(yùn)動鏈或簡稱閉鏈(圖2-7，a和b)；如運(yùn)動鏈的構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，則稱其為開式運(yùn)動鏈，或簡稱開鏈(圖2-7，c和d),4. 機(jī)構(gòu) 在運(yùn)

10、動鏈中，如果將某一構(gòu)件加以固定而成為機(jī)架，則這種運(yùn)動鏈便成為機(jī)構(gòu)。 機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件稱為原動件；而其余活動構(gòu)件則稱為從動件。從動件的運(yùn)動規(guī)律決定于原動件的運(yùn)動規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。 2-3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 用簡單的線條和規(guī)定的符號表示組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和運(yùn)動副，并按一定的比例尺表示運(yùn)動副的相對位置的簡單圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖(kinematic sketch of mechanism)。繪制步驟如下： (1) 分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，定出其原動部分、工作部分，搞清楚傳動部分。 (2) 合理選擇投影面及原動件適當(dāng)?shù)耐队八矔r位置。 (3) 選擇適當(dāng)?shù)谋壤?scale)。 (4) 用簡單的

11、線條和規(guī)定的符號繪圖。 (5) 檢驗(yàn),顎式碎石機(jī),a,b,圖2-8,2-4 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目，稱為機(jī)構(gòu)的自由度。 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件：機(jī)構(gòu)的自由度必須大于或等于l，且機(jī)構(gòu)原動件的數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。 如圖2-10，只有在給構(gòu)件4確定運(yùn)動規(guī)律后，此時系統(tǒng)才成為機(jī)構(gòu),圖2-9,圖2-10,2-5 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式 2-6 計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的事項(xiàng) 1. 復(fù)合鉸鏈：兩個以上的構(gòu)件同在一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接，如圖2-11所示。 若有m個構(gòu)件以復(fù)合鉸鏈(joint)相聯(lián)接時，其構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副數(shù)應(yīng)等于(m-

12、1)個,圖2-11,2. 局部自由度 在有些機(jī)構(gòu)中，某些構(gòu)件所產(chǎn)生的局部運(yùn)動，并不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動。我們把這種局部運(yùn)動的自由度稱為局部自由度，如圖所示。在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時，應(yīng)從機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式中將局部自由度減去。 對于圖示凸輪機(jī)構(gòu)自由度為 F=33-(23+1)-1=1,凸輪機(jī)構(gòu)三維實(shí)體圖,圖2-12,3. 虛約束 在機(jī)構(gòu)中，有些運(yùn)動副帶入的約束，對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動實(shí)際上不起約束作用，我們把這類約束稱為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時應(yīng)將這類虛約束除去。 機(jī)構(gòu)中的虛約束常發(fā)生在下列情況： 1) 在機(jī)構(gòu)中如果兩構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接其聯(lián)接點(diǎn)的運(yùn)動軌跡重合，則該聯(lián)接將帶入1個虛約束。如圖214所示的機(jī)構(gòu)簡

13、圖。 F = 3*n2PlPh = 3*42*6= 0 錯 F = 3*n2PlPh = 3*32*4 = 1 對,圖2-13,2) 如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成移動副，且移動方向彼此平行(如圖2-14所示)，則只能算一個移動副。 如果兩構(gòu)件在多處相配合而構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，且轉(zhuǎn)動軸線重合(如2-15所示)，則只能算一個轉(zhuǎn)動副。 如果兩構(gòu)件在多處相接觸而構(gòu)成平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線彼此重合(如圖2-16所示)，則只能算一個平面高副,圖2-14,圖2-15,圖2-16,3)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動的過程中，若兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變，則如用雙轉(zhuǎn)動副桿將此兩點(diǎn)相聯(lián)，也將帶入1個虛約束，圖2-17所示。

14、4)在機(jī)構(gòu)中，某些不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束亦為虛約束，如圖2-18所示。 F = 3*n2PlPh = 3*42*6= 0 錯 F = 3*n2PlPh = 3*52*56= -1 錯 F = 3*n2PlPh = 3*32*4 = 1 對 F = 3*n2PlPh = 3*32*32= 2 對,圖2-17,圖2-18,第三章 平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 3-1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析概述 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析：根據(jù)原動件的已知運(yùn)動規(guī)律，求該機(jī)構(gòu)其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移(displacement )、軌跡、速度和加速度，以及這些構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的方法主要有圖解法和解析法。

15、3-2 速度瞬心及其在平面機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用 一、速度瞬心,瞬心為互相作平面相對運(yùn)動的兩構(gòu)件上，瞬時相對速度為零的點(diǎn)；或者說，瞬時速度相等的重合點(diǎn)(即等速重合點(diǎn))。若該點(diǎn)的絕對速度為零則為絕對瞬心；若不等于零則為相對瞬心。如圖3-1所示,圖3-1,二、 機(jī)構(gòu)中瞬心的數(shù)目 因?yàn)槊績蓚€構(gòu)件就有一個瞬心，所以由N個構(gòu)件(含機(jī)架)組成的機(jī)構(gòu)，其總的瞬心數(shù)K由排列組合的知識可得： 三、機(jī)構(gòu)中瞬心位置的確定 如上所述，機(jī)構(gòu)中每兩個構(gòu)件之間就有一個瞬心，如果兩個構(gòu)件是通過運(yùn)動副直接聯(lián)接在一起的，那末其瞬心的位置，根據(jù)瞬心的定義可以很容易地加以確定。而一般情況下，兩構(gòu)件的瞬心則需藉助于所謂“三心定理”來確定

16、?，F(xiàn)分別介紹如下。 1. 通過運(yùn)動副直接相聯(lián)的兩構(gòu)件的瞬心 1) 以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接的兩構(gòu)件，如圖3-2,a所示，轉(zhuǎn)動副的中心即為其瞬心P12。 2) 以移動副相聯(lián)接的兩構(gòu)件，如圖3-2,b所示，因兩構(gòu)件間任一重合點(diǎn)的相對運(yùn)動速度方向均平行于導(dǎo)路，故其瞬心P12必位于移動副導(dǎo)路的垂直方向上的無窮遠(yuǎn)處,3) 以平面高副相聯(lián)接的兩構(gòu)件，如圖3-2，c、d所示。如果高副兩元素之間為純滾動則其兩元素的接觸點(diǎn)M即為瞬心P12；如果高副兩元素之間既作相對滾動，又有相對滑動，則瞬心P12必位于高副兩元素在接觸點(diǎn)處的公法線nn上，具體位置尚需根據(jù)其他條件來確定,圖3-2,2. 用三心定理確定兩構(gòu)件的瞬心 三心定理

17、(Kennedys throrem)：三個彼此作平面平行運(yùn)動的構(gòu)件的瞬心必位于同一直線上。如圖3-3所示,圖3-3,四、 速度瞬心(instantaneous center of velocity)在機(jī)構(gòu)速度分析中的應(yīng)用 1)求構(gòu)件的角速度,在圖3-4所示的平面四桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)各構(gòu)件的尺寸已知，原動件2以角速度2沿順時針方向回轉(zhuǎn)。因?yàn)橐阎残腜24為構(gòu)件2及構(gòu)件4的等速重合點(diǎn)，故得,圖3-4,2)求構(gòu)件上某點(diǎn)的速度 如圖3-5所示的凸輪機(jī)構(gòu)。設(shè)各構(gòu)件的尺寸已知，原動件2的角速度為2。利用瞬心來確定從動件3的移動速度，同樣十分簡便。 如圖所示，得從動件的移動速度的大小為： 3-3 用矢量方程圖解法

18、作機(jī)構(gòu)的速度和加速度分析 矢量方程圖解法所依據(jù)的基本原理是理論力學(xué)中學(xué)過的運(yùn)動合成的原理。在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度和加速度分析時，首先要根據(jù)運(yùn)動合成原理列出機(jī)構(gòu)運(yùn)動的矢量方程，然后再根據(jù)該方程進(jìn)行作圖求解,圖3-5,一、 同一構(gòu)件上兩點(diǎn)間的速度、加速度的關(guān)系 1. 速度分析 圖3-6 在如圖3-6，a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，連稈BC為一作平面運(yùn)動的構(gòu)件。由運(yùn)動合成原理可知，此構(gòu)件上任一點(diǎn)(如點(diǎn)c)的運(yùn)動可認(rèn)為是由其隨同該構(gòu)件上另一任意點(diǎn)(如點(diǎn)B)的平動(牽連運(yùn)動)與繞該點(diǎn)(點(diǎn)B)的轉(zhuǎn)動(相對運(yùn)動)所合成。因此，點(diǎn)c的速度為,現(xiàn)設(shè)點(diǎn)B的速度為已知，求點(diǎn)c的速度。 步驟： 1)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，列出矢量方

19、程式； 2)取速度比例尺，定極點(diǎn)； 3)按矢量作圖法作圖。(從已知到未知) 其大小分別為： 現(xiàn)如求連桿上點(diǎn)E的速度則利用B、E兩點(diǎn)和C、E兩點(diǎn)間的速度關(guān)系可分別列出矢量方程并將它們聯(lián)立起來，可得矢量方程： 用圖解法求解，得： VE,圖b所示的由各速度矢量構(gòu)成的圖形稱為速度多邊形。p點(diǎn)稱為速度多邊形的極點(diǎn)。其特點(diǎn)如下： 1)由極點(diǎn)P向外放射的矢量，代表構(gòu)件上相應(yīng)點(diǎn)的絕對速度； 2)相對速度是聯(lián)接兩絕對速度矢端的矢量，下標(biāo)字母相反； 3)極點(diǎn)的速度為零； 4)速度影象原理。 由圖可見，因bce與BCE的對應(yīng)邊相互垂直，故知兩者相似，且其角標(biāo)字母符號的順序也是一致的，只是前者的位置是后者沿的方向轉(zhuǎn)過

20、了900而已。所以，我們把圖形bce稱為構(gòu)件圖形BCE的速度影像。 2. 加速度分析 同理點(diǎn)c的加速度為： 為求E點(diǎn)的加速度與進(jìn)行速度分析相似，需利用點(diǎn)E與B、C兩點(diǎn)的加速度關(guān)系聯(lián)立求解，即得,圖C所示的由各加速度矢量構(gòu)成的圖形稱為加速度多邊形。p點(diǎn)稱為加速度多邊形的極點(diǎn)。其特點(diǎn)如下： 1)由極點(diǎn)P向外放射的矢量，代表構(gòu)件上相應(yīng)點(diǎn)的絕對加速度； 2)相對加速度是聯(lián)接兩絕對加速度矢端的矢量，下標(biāo)字母相反； 3)極點(diǎn)的加速度為零； 4)加速度影象原理。 由圖可見，因bce與BCE相似，且其角標(biāo)字母符號的順序也是一致的。所以，我們把圖形bce稱為構(gòu)件圖形BCE的加速度影像。 3. 兩構(gòu)件重合點(diǎn)間的速

21、度、加速度的關(guān)系,如圖3-7所示的平面四桿機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件1與構(gòu)件2組成移動副，點(diǎn)c為此兩構(gòu)件上的一個重合點(diǎn)。由運(yùn)動合成原理可知，構(gòu)件2上的點(diǎn)c2的運(yùn)動可以認(rèn)為是由構(gòu)件1上與其相重合的點(diǎn)c1的運(yùn)動(牽連運(yùn)動)和點(diǎn)c2相對于點(diǎn)c1的相對運(yùn)動所合成,圖3-7,哥氏加速度大小為： (3-7) 方向：將相對速度VC1C2沿角速度1的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)過900所得的方向一致,3-5,3-6,第四章 平面機(jī)構(gòu)的力分析 4-1機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法 一、作用在機(jī)械上的力 作用在機(jī)械上的力，包括由外部施于機(jī)械的原動力、生產(chǎn)阻力、重力和運(yùn)動構(gòu)件受到的空氣和油液等的介質(zhì)阻力；構(gòu)件在變速運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力；以及由于上述諸力在運(yùn)動副

22、中所引起的反力。 根據(jù)各力對機(jī)械運(yùn)動的影響的不同，可將它們概分為兩大類： (1) 驅(qū)動力 凡是驅(qū)使機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動的力統(tǒng)稱為驅(qū)動力。所作的功為正功，稱為驅(qū)動功，或輸入功。 (2) 阻抗力 凡是阻止機(jī)械產(chǎn)生運(yùn)動的力統(tǒng)稱為阻抗力。所作的功為負(fù)功，稱為阻抗功。阻抗力又可分為有效阻力和有害阻力兩種： 1) 有效阻力，即工作阻力。它是機(jī)械在生產(chǎn)過程中為了改變工作物的外形、位置或狀態(tài)等所受到的阻力，克服了這些阻力就完成了有效的工作?？朔行ё枇λ瓿傻墓ΨQ為有效功或輸出功,2) 有害阻力，即機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受到的非生產(chǎn)阻力。機(jī)械為了克服這類阻力所做的功是一種純粹的浪費(fèi)。克服有害阻力所作的功稱為損失功。 二、

23、機(jī)構(gòu)力分析的目的和方法 由于作用在機(jī)械上的力，不僅是影響機(jī)械的運(yùn)動和動力性能的重要參數(shù)，而且也是決定相應(yīng)構(gòu)件尺寸及結(jié)構(gòu)形狀等的重要依據(jù)。機(jī)構(gòu)力分析的任務(wù)，主要有以下兩部分內(nèi)容： 1. 確定運(yùn)動副中的反力。 2. 確定為了使機(jī)構(gòu)原動件按給定規(guī)律運(yùn)動時需加于機(jī)械上的平衡力(或平衡力偶,4-2構(gòu)件慣性力的確定 一、 作平面復(fù)合運(yùn)動的構(gòu)件 由理論力學(xué)可知，對于作平面復(fù)合運(yùn)動而且具有平行于運(yùn)動平面的對稱面的構(gòu)件(例如圖41所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的連桿BC)，其慣性力系可簡化為一個加在質(zhì)心上的慣性力和一個慣性力偶矩。它們分別為,為了分析的方便，上述慣性力和慣性力偶矩又可以用一大小等于P1，作用線由質(zhì)心S偏移一

24、距離Lh的總慣性力來代替(圖6)，此時距離的值Lh為： 二、作平面移動的構(gòu)件 對于作平面移動的構(gòu)件，由于沒有角加速度，故不會產(chǎn)生慣性力偶。只是當(dāng)構(gòu)件為變速移動時，持有一個加在其質(zhì)心S上的慣性力P1-ms 。 三、繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件 對于繞定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件，其慣性力和慣性力偶矩的確定又有兩種情況。 (1) 繞通過質(zhì)心的定軸轉(zhuǎn)動的構(gòu)件(如齒輪、飛輪等構(gòu)件) 因其質(zhì)心的加速度為零，故慣性力為零。只是當(dāng)構(gòu)件為變速轉(zhuǎn)動時，將產(chǎn)生一慣性力偶矩M1-Jss。 (2) 繞不通過質(zhì)心的定抽轉(zhuǎn)動的構(gòu)件(如曲柄、凸輪等構(gòu)件) 如果構(gòu)件是變速轉(zhuǎn)動(如圖4-2所示)，則將產(chǎn)生慣性力P1-ms 及慣性力偶矩M1-Jss 。同

25、樣，兩者可用一個不通過其質(zhì)心的總慣性力來代替,第五章 機(jī)械中的摩擦和機(jī)械效率 5-1研究機(jī)械中摩擦的目的和研究內(nèi)容 我們知道運(yùn)動副中的摩擦力是一種主要的有害阻力，它會使機(jī)械的效率降低，使運(yùn)動副元素受到磨損，因而降低零件的強(qiáng)度、機(jī)械的精度和工作壽命；使零件發(fā)熱膨脹，將導(dǎo)致機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，甚至卡死，并使機(jī)械潤滑情況惡化。而另一方面在某些情況下機(jī)械中的摩擦又是有用的，在不少機(jī)械中，就正是利用摩擦來工作的。 研究的主要內(nèi)容有： 1) 幾種最常見的運(yùn)動副中的摩擦的分析； 2) 考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析； 3) 機(jī)械效率的計(jì)算； 4) 由于摩擦的存在而可能發(fā)生的所謂機(jī)械的“自鎖”現(xiàn)象，以及自鎖現(xiàn)象發(fā)生的條

26、件等,5-2運(yùn)動副中的摩擦 一、 移動副中摩擦力的確定 圖(a)摩擦力F21的大小為： 圖(b)摩擦力F21的大小為： 若令f/sinQ，則上式可寫為,圖5-1,圖(c)摩擦力F21的大小為： 式中fv稱為當(dāng)量摩擦系數(shù)。 二、移動副中總反力的確定 在進(jìn)行機(jī)械的受力分析時，由于N21及F21都是構(gòu)件2作用于構(gòu)件1上的反力，故可將它們合成為一個總反力，以R21表示(如圖5-2所示)。設(shè)總反力R21和法向反力N21之間的夾角為，則： 角稱為摩擦角。 總反力R21的作用線方向的確定： R21與構(gòu)件1相對于構(gòu)件2的相對運(yùn)動速度V12的方向成鈍角(90 +,圖5-2,例如：圖5-3,a中，設(shè)滑塊1置于升角

27、為的斜面2上，Q為作用在滑塊1上的鉛垂載荷。求： (1)滑塊1沿斜面等速上行(通常稱此行程為正行程) 時所需的水平驅(qū)動力P。 根據(jù)力的平衡條件可知： 作出力的三角形，如圖b所示。由圖可得,2)滑塊1是沿斜面2等速下滑(通常稱此行程為反行程) 時所需的水平驅(qū)動力P。如圖5-4,a所式。 根據(jù)力的平衡條件可知： 作出力的三角形，如圖b所示。由圖可得： 三、螺旋副中的摩擦 矩形螺紋螺旋副中肋摩擦 圖5-5，a為一矩形螺紋螺旋副(screw pair)，通常在研究螺旋副的摩擦?xí)r，都假定螺母與螺桿間的作用力系集中作用在其中徑的圓柱面上。因螺桿的螺紋可以設(shè)想為由一斜面卷繞在圓柱體上形成的。因此，如將螺桿沿

28、中徑d2的圓柱面展開，則其螺紋將展成一個斜面，該斜面的升角即為螺桿在其中徑d2上的螺紋的導(dǎo)程角，于是得,假定螺母與螺桿間的作用力系集中作用在一小段螺紋上，這樣就把對螺旋副中摩擦的研究，簡化為對滑塊與斜平面的摩擦來研究了。 四、轉(zhuǎn)動副中的摩擦 1. 軸頸摩擦 如圖5-6所示，設(shè)受有徑向載荷Q作用的軸頸1，在驅(qū)動力偶矩Md的作用下，在軸承2中等速轉(zhuǎn)動。設(shè)法向反力的總和為N21，則如前所述，軸承2對軸頸1的摩擦力F21f*N21fv*Q。則摩擦力矩Mr為,圖 5-6,5-6,根據(jù)平衡條件可知： R21 = -Q； Md = - R21*r = - Mf 即總反力R21對軸頸中心O的力矩即為摩擦阻力矩

29、Mf ，而由式(56)知： 對于一個具體的軸頸，由于fv及r均為定值，所以是一固定長度。以軸頸中心O為圓心，以為半徑作圓，則稱其為摩擦圓，稱為摩擦圓半徑。 轉(zhuǎn)動副總反力的方位可根據(jù)如下三點(diǎn)來確定： 1) 在不考慮摩擦的情況下，根據(jù)力的平衡條件，初步確定總反力的方向； 2) 總反力應(yīng)與摩擦圓相切； 3) 總反力R 21對軸頸中心之矩的方向必與相對角速度12的方向相反,5-7,5-3 機(jī)械的效率 當(dāng)機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，輸入功將等于輸出功和損失功之和。即： Wd = Wr + Wf 機(jī)械效率為： 效率也可用功率表示，即： 機(jī)械效率也可以用力的比值的形式來表達(dá)。圖5-7所示一機(jī)械傳動裝置的示意圖。 設(shè)P為

30、驅(qū)動力，Q為生產(chǎn)阻力，VP、VQ分別為P和Q的作用點(diǎn)沿該力作用線方向的分速度，于是根據(jù)式(5-9，a)可得,設(shè)想在該機(jī)械中不存在摩擦，為了克服同樣的生產(chǎn)阻力Q，其所需的驅(qū)動力P0 (稱為理想驅(qū)動力) 。 顯然：P P0，且此時，其效率應(yīng)等于,5-8,5-9,故得： 將其代入式(a)，得： 同理，機(jī)械效率也可以用力矩之比的形式來表達(dá)，即 綜合式(c)與(d)可得： 對于由許多機(jī)器組成的機(jī)組而言，只要知道了各臺機(jī)器的機(jī)械效率，則該機(jī)組的總效率也可以由計(jì)算求得。 (1) 串聯(lián) 如圖5-8所示為幾種 機(jī)器串聯(lián)組成的機(jī)組。 該機(jī)組的機(jī)械效率為： 。而功率在傳遞的過程中，前一機(jī)器的輸出功率即為后一機(jī)器的輸

31、入功率,圖 5-8,5-10,a,b,c,設(shè)各機(jī)器的效率分別為1、2K則得： 將1、2K連乘起來，得 此即表明，串聯(lián)機(jī)組的總效率等于組成該機(jī)組的各個機(jī)器的效率的連乘積。由此可見，只要串聯(lián)機(jī)組中任一機(jī)器的效率很低，就會使整個機(jī)組的效率極低。 (2) 并聯(lián) 如圖5-9所示為幾種機(jī)器并聯(lián)組成的 機(jī)組。 總輸入功率為 總輸出功率為,圖 5-9,5-11,所以總效率為 上式表明并聯(lián)機(jī)組的總效率不僅與各機(jī)器的效率有關(guān)，而且也與各機(jī)器所傳遞的功率大小有關(guān)。要提高并聯(lián)機(jī)組的效率，應(yīng)著重提高傳遞功率大的傳動路線的效率。 (3) 混聯(lián) 如圖5-10所示為兼有串聯(lián)和并聯(lián)的混聯(lián)機(jī)組。 為了計(jì)算其總效率，可先將輸入功至

32、 輸出功的路線弄清，然后分別計(jì)算出總的 輸入功率和總的輸出功率，最后可按下式 計(jì)算其總機(jī)械效率,圖 5-10,5-12,5-4 機(jī)械的自鎖 有些機(jī)械，由于其結(jié)構(gòu)的形式以及摩擦影響，導(dǎo)致當(dāng)沿某一方向施加無論多大的驅(qū)動力(矩)時，都無法使它運(yùn)動的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就叫作機(jī)械的自鎖。 一移動副的自鎖條件 由圖5-11可知，Pt = P*sin (有效分力) Pn = P*cos (有害分力) 最大摩擦力為： 當(dāng)時，由上述可知 此式說明，在的情況下，不管驅(qū)動力P如 何增大，驅(qū)動力的有效分力總是小于驅(qū)動力本身所可能引起的最大摩擦力，因而滑塊1總不會發(fā)生運(yùn)動，即發(fā)生了所謂的自鎖現(xiàn)象。 平面移動副自鎖條件：作用

33、于滑塊上的合外力作用線落在移動副摩擦角以內(nèi)，即,圖 5-11,二、轉(zhuǎn)動副自鎖條件 如圖5-12所示，軸頸和軸承組成轉(zhuǎn)動副。設(shè)作用在軸頸上的外裁荷為一單力P，則當(dāng)力P的作用線在摩擦圓之內(nèi)時(即a)，因它對軸頸中心的力矩MPa，始終小于它本身所能引起的最大摩擦力矩MfRP。所以力P任意增大力臂a保持不變)，也不能驅(qū)使軸頸轉(zhuǎn)動，亦即出現(xiàn)了自鎖現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)動副自鎖條件：作用于軸頸且垂直于軸線的合外力的作用線切割于摩擦圓，即a。 三、利用效率判斷機(jī)構(gòu)自鎖的條件 當(dāng)機(jī)械自鎖時其機(jī)械效率將恒小于或等于零，即,設(shè)計(jì)機(jī)械時，可以利用上式來判斷其是否自鎖及出現(xiàn)自鎖的條件。當(dāng)然，因機(jī)械自鎖時已根本不能作功，故此時，已

34、沒有一般效率的意義，它只表明機(jī)械自鎖的程度。當(dāng)o時，機(jī)械處于臨界自鎖狀態(tài)；若o，則其絕對值越大，表明自鎖越可靠,圖 5-12,5-13,第六章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 6-1 連桿機(jī)構(gòu)及其傳動特點(diǎn) 連桿機(jī)構(gòu)(linkages)是一種應(yīng)用十分廣泛的機(jī)構(gòu)，圖6-1中所示機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是其原動件1的運(yùn)動都要經(jīng)過一個不直接與機(jī)架相聯(lián)的中間構(gòu)件2才能傳動從動件3，這個不直接與機(jī)架相聯(lián)的中間構(gòu)件稱為連桿，而把具有連桿的這些機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為連桿機(jī)構(gòu),圖6-1,b,a,c,優(yōu)點(diǎn)： 1) 其運(yùn)動副為低副面接觸，壓強(qiáng)較小，可以承受較大的載荷。便于潤滑，不易產(chǎn)生大的磨損，幾何形狀較簡單，便于加工制造。 2) 從動件能實(shí)現(xiàn)各

35、種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。 3) 連桿上各不同點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的，從而可以得到各種不同形狀的曲線，我們可以利用這些曲線來滿足不同軌跡的要求。 缺點(diǎn)： 1) 有較長的運(yùn)動鏈，使連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的積累誤差，降低機(jī)械效率。 2) 連桿及滑塊的質(zhì)心都在作變速運(yùn)動，它們所產(chǎn)生的慣性力難于用一般的平衡方法加以消除，增加機(jī)構(gòu)的動載荷。所以連桿機(jī)構(gòu)一般不宜用于高速傳動,連桿機(jī)構(gòu)在實(shí)際中用處較多，如圖6-2, a中的機(jī)械手驅(qū)動機(jī)構(gòu)，圖6-2,b 中的溜冰鞋剎車機(jī)構(gòu)和圖6-2,c中的夾子驅(qū)動機(jī)構(gòu),圖6-2，a,圖6-2，b,圖6-2，c,6-2 平面四桿機(jī)構(gòu)的類型和應(yīng)用 一、平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式 圖6-l，b所示

36、的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)(所有運(yùn)動副都是回轉(zhuǎn)副的四桿機(jī)構(gòu))是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本型式，其他型式的四桿機(jī)構(gòu)可看作是在它的基礎(chǔ)上通過演化而成的。AD為機(jī)架，AB、CD為連架桿，BC為連桿。在連架桿中，能作整周回轉(zhuǎn)的稱為曲柄，只能在一定范圍內(nèi)擺動的則稱為搖桿。 1. 曲柄搖桿機(jī)構(gòu),在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個這架稈中一個為曲柄，另一個為搖桿，則此四桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(carnk-rocker meghanism)；當(dāng)曲柄為原動件，搖桿為從動件時，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變成搖桿的往復(fù)擺動。該機(jī)構(gòu)在實(shí)際中多有應(yīng)用，如圖6-3和6-4,2. 雙曲柄機(jī)構(gòu) 在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個這架桿都是曲柄，則稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)(doub

37、le-crank mechanism)。在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若其相對兩桿平行且相等，則成為平行四邊形機(jī)構(gòu),3. 雙搖桿機(jī)構(gòu) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中兩連架桿都是搖桿，則稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)(double-rocker mechanism,圖 6-8,圖 6-9,二、平面四桿機(jī)構(gòu)的演化型式 1. 改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動尺寸 在圖6-10,圖b所示的曲線導(dǎo)軌的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可看成是由圖a所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中所演化而來。其中搖桿DC可由饒D點(diǎn)沿軌道運(yùn)動的滑塊3所替代。 當(dāng)將搖桿3的長度增至無窮大，則鉸鏈c運(yùn)動的軌跡將變?yōu)橹本€，而與之相應(yīng)的圖b中的曲線導(dǎo)軌將變?yōu)橹本€導(dǎo)軌，于是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)將演化成為常見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖6-

38、10,d所示。其中圖c所示為具有一偏距e的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(offset slider-crank mechanism)；圖b所示為沒有偏距的對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),圖 6-10,在圖6-10,d所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，由于鉸鏈B相對于鉸鏈c運(yùn)動的軌跡為圓弧，所以如將連桿2作成滑塊形式，并使之沿滑塊3上的圓弧導(dǎo)軌運(yùn)動(如圖6-11，a所示)，此時已演化成為一種具有兩個滑塊的四桿機(jī)構(gòu)。 設(shè)將圖6-10,d所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的連桿2的長度增至無窮長則圓弧導(dǎo)軌將成為直線，于是該機(jī)構(gòu)將演化成為圖6-11,b所示的所謂正弦機(jī)構(gòu),圖 6-11,2. 改變運(yùn)動副的尺寸 在圖6-12,a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄A

39、B的尺寸較小時，由于結(jié)構(gòu)的需要，常將曲柄改作成如圖b所示的一個幾何中心不與回轉(zhuǎn)中心相重合的圓盤，此圓盤稱為偏心輪，這種機(jī)構(gòu)則稱為偏心輪機(jī)構(gòu)。 3.選用不同的構(gòu)件為機(jī)架 圖619,圖 6-13,圖 6-12,在圖6-13,a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若改選構(gòu)件AB為機(jī)架，如圖b所示，則稱為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果導(dǎo)桿能作整周轉(zhuǎn)動，則稱為回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。如果導(dǎo)桿僅能在某一角度范圍內(nèi)往復(fù)擺動，則稱為擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。 如果在圖6-13,a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，改選構(gòu)件BC為機(jī)架(如圖c)，則將演化成為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。 在圖6-13,a所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中改選滑塊為機(jī)架(圖d)，則將演化為直動滑桿機(jī)構(gòu),6-3

40、 有關(guān)平面四桿機(jī)構(gòu)的一些基本知識 一、平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件 如圖6-14所示，設(shè)分別以a、b、c、d表示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)各桿的長度，AD桿為機(jī)架，討論能作整周回轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)動副A為周轉(zhuǎn)副)的條件。 設(shè)ad 當(dāng)AB桿能繞A點(diǎn)作整周回轉(zhuǎn)時，AB桿應(yīng)能占據(jù)AB與AB兩個位。由圖可見，為了使AB桿能轉(zhuǎn)至位置AB，各桿的長度應(yīng)滿足,圖 6-14,為了使AB桿能夠轉(zhuǎn)至位置AB ，各桿的長度應(yīng)滿足 或 將式(61)、(62)、(63)分別兩兩相加，則得 即AB桿為最短稈。 d + a b+ c da d + b a+ c d b d + c b+ a d c 由此可得曲柄存在條件(Crashoffs law)：

41、 1) 最短桿是機(jī)架或連架桿。 2) 最短桿與最長桿的長度和應(yīng)小于或等于其他兩桿的長度和,二、急回運(yùn)動和行程速比系數(shù) 圖6-15所示為一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，設(shè)曲柄AB為原動件，以等角速度順時針轉(zhuǎn)動，在其轉(zhuǎn)動一周的過程中，有兩次與連桿共線，這時從動件搖桿CD分別位于兩極限位置C1D和C2D。 從動件運(yùn)動到兩極限位置時，原動件AB所處兩個位置之間所夾的銳角稱為極位夾角(crank angle between extreme position)。 顯然：12 搖桿的這種運(yùn)動性質(zhì)稱為急回運(yùn)動(quick_return motion)。為了表明急回運(yùn)動的急回程度，常用行程速比系數(shù)(advance-to ret

42、urn-time ratio)來衡量，即,圖 6-15,三、 四桿機(jī)構(gòu)的傳動角與死點(diǎn) 1. 壓力角與傳動角 (1) 壓力角(pressure sngle)()：若不考慮各運(yùn)動副中的摩擦力及構(gòu)件重力和慣性力的影響，作用于點(diǎn)C的力P與點(diǎn)C速度方向之間所夾的銳角。 (2) 傳動角()：壓力角的余角。 如圖6-16所示，力P可分解為,Pn = Psin= Pcos ，Pt = Pcos = Psin ，其中P n 只能使鉸鏈C、D產(chǎn)生徑向壓力，才Pt是推動從動件運(yùn)動的有效分力。可見，角愈大，則有效分力Pt愈大，而P n愈小，因此對機(jī)構(gòu)的傳動愈有利,圖 6-16,3) 最小傳動角 mind的確定 由圖6

43、33可見， 與機(jī)構(gòu)的BCD有關(guān)。在ABD和BCD中，由余弦定理得： BD2 = b2 +c2-2bccosBCD ； BD2 = a2 +d2-2adcos 則： 討論： 當(dāng)BCD 900時， =1800BCD，則min =1800BCDmax ，由公式可知，當(dāng) = 1800時，有BCDmax 。 故機(jī)構(gòu)的最小轉(zhuǎn)動角是 min = 1min，2min,2. 死點(diǎn) (1) 死點(diǎn) 在圖6-17中，設(shè)搖桿CD為主動件，則當(dāng)機(jī)構(gòu)處于圖示連桿與從動曲柄共線的兩個位置(虛線位置)時，傳動角o的情況。這時主動件CD通過連桿作用于從動件AB上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以不能使構(gòu)件AB轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象。機(jī)

44、構(gòu)的此種位置稱為死點(diǎn)(dead point)。 機(jī)構(gòu)中從動件與連桿共線的位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置。機(jī)構(gòu)之所以出現(xiàn)死點(diǎn)，是因?yàn)樵瓌蛹亲魍鶑?fù)運(yùn)動的構(gòu)件，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)一定出現(xiàn)連桿與從動件共線,圖 6-17,2) 死點(diǎn)的利用 在工程實(shí)際中，常常利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)特定的工作要求。如圖6-18所示的飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)和圖6-19所示的工件夾緊機(jī)構(gòu)。 6-4 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 一、 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問題 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本問題是根據(jù)給定的運(yùn)動要求選定機(jī)構(gòu)的型式，并確定其各構(gòu)件的尺度參數(shù)。為了使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得合理、可靠，通常還需要滿足結(jié)構(gòu)條件(如要求存在曲柄、桿長比適當(dāng)、運(yùn)動副結(jié)構(gòu)合理等)、動力條件(如最小傳動角)

45、和運(yùn)動連續(xù)條件等,圖 6-19,圖 6-18,根據(jù)機(jī)械的用途和性能要求等的不同，對連扦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求是多種多樣的，但設(shè)計(jì)要求，一般可歸納為以下三類問題： (1) 滿足預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律要求。 (2) 滿足預(yù)定的連桿位置要求。 (3) 滿足預(yù)定的軌跡要求。 二、 用作圖法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 1. 按連桿預(yù)定的位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)的四個鉸鏈中心確定后，其各桿的長度也就相應(yīng)確定了，所以根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定各桿的長度，可以通過確定四個鉸鏈的位置來解決,圖 6-20,圖 6-21,如圖6-20所示，假設(shè)連桿上兩活動鉸鏈的中心B、C的位置己確定，而在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，要求連桿占據(jù)B1C1、B2C2兩個位置，現(xiàn)在

46、來討論此四桿機(jī)構(gòu)的作圖設(shè)計(jì)方法。 分析：該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題是確定兩固定鉸鏈A和D點(diǎn)的位置。由于B、C兩點(diǎn)的運(yùn)動軌跡是圓，該圓的中心就是固定鉸鏈的位置，因此A、D的位置應(yīng)分別位于B1B2和C1C2的垂直平分線b12和c12上。 設(shè)計(jì)步驟： (1)選比例尺，作出連桿的已知位置； (2)分別作B1B2、B2B3的垂直平分線b1、b2，其兩線交點(diǎn)即為固定鉸鏈點(diǎn)A； (3)同理作出D點(diǎn)； (4)連接A、B、C、D即為所求。 注意：若給定連桿三個位置，有唯一的解，若給定兩個位置有無窮多個解,2. 按兩連架桿預(yù)定的對應(yīng)位置設(shè)計(jì)四扦機(jī)構(gòu) 如圖6-22,a所示的四桿機(jī)構(gòu)中，AD為機(jī)架，BC為連桿，則AB、CD

47、為連架桿。 現(xiàn)若如圖b所示改取CD為機(jī)架，則BC、AD為連架桿，而AB卻變成了連桿。那末，根據(jù)機(jī)構(gòu)倒置(linkage inversion)的理論，我們能把按連架桿預(yù)定的對應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的問題轉(zhuǎn)化為按連桿預(yù)定的位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的問題。下面我們就來討論這個問題,圖 6-23,圖 6-22,分析：在如圖6-23所示的四桿機(jī)構(gòu)中，假想當(dāng)機(jī)構(gòu)在第二位置時，給整個機(jī)構(gòu)一個反轉(zhuǎn)運(yùn)動，使它繞軸心D反向轉(zhuǎn)過12角。根據(jù)相對運(yùn)動的原理，這并不影響各構(gòu)件間的相對運(yùn)動，但這時構(gòu)件DC2卻轉(zhuǎn)到位置DC1而與之重合。機(jī)構(gòu)的第二位置則轉(zhuǎn)到了DC1B2A位置。此時，我們可以認(rèn)為，機(jī)構(gòu)已轉(zhuǎn)化成了以CD為“機(jī)架”，AB為“

48、連桿”的機(jī)構(gòu)。于是，按兩連架桿預(yù)定的對應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的問題，也就轉(zhuǎn)化成了按連桿預(yù)定位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)的問題。上述這種方法稱為剛化反轉(zhuǎn)法或轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法,圖 6-24,如圖6-24所示，作圖步驟如下： (1) 機(jī)構(gòu)倒置。選比例尺，作出兩連架桿及機(jī)架的已知位置，根據(jù)結(jié)構(gòu)條件適當(dāng)選取AB的長度，并選定新“機(jī)架”； (2) 剛化轉(zhuǎn)動。將其它位置的四桿機(jī)構(gòu)剛化轉(zhuǎn)動到與“機(jī)架”重和，即將B2D繞D點(diǎn)反向轉(zhuǎn)12，得B2點(diǎn)； (3) 作BB2的垂直平分線，則連桿上另一鉸鏈中心C的第一位置C1必位于垂直平分線上。此時將有無窮多解。可根據(jù)結(jié)構(gòu)條件或其他輔助條件確定C1的位置； (4) 連接A、B1、C1、D即為所求

49、四桿機(jī)構(gòu)。 3. 按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 根據(jù)行程速比系數(shù)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)時，可利用機(jī)構(gòu)在極位時的幾何關(guān)系，再結(jié)合其他輔助條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 設(shè)已知搖桿的長度CD、擺角及行程速比系數(shù)K，要求設(shè)計(jì)此曲柄搖桿機(jī)構(gòu),分析：首先按公式1800(K-1/K+1)計(jì)算出對應(yīng)于所給行程速比系數(shù)的機(jī)構(gòu)極位夾角；選取比例尺l ，并將已知條件圖形化，如：任取一點(diǎn)D并以此點(diǎn)為頂點(diǎn)作等腰三角形C1DC2(如圖6-26)，使兩腰之長等于lCD，C1DC2。對比圖6-25可見，因?yàn)閘AC2=(lBC+lAB)/2，lAC2=(lBC-lAB)/2，所以只要確定了固定鉸鏈點(diǎn)A的位置，就能方便地求出各

50、構(gòu)件的尺寸。即此種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為尋找固定鉸鏈點(diǎn)A的問題,圖 6-26,圖 6-25,作直角C1C2P，使C1C2P=90 ，C2C1P=90 - ，則C1PC2=；作直角C1C2P的外接圓。則圓弧C1PC2上任一點(diǎn)A至C1和C2的連線的夾角都等于極位夾角，所以稱此圓為曲柄軸心A點(diǎn)所在圓。 借助于其它附加條件，可以求出A點(diǎn)的具體位置。 以A點(diǎn)為圓心，以lAC1為半徑作圓弧交AC2線與E點(diǎn)，則EC2線的一半即為曲柄長lAB，而AE則為連桿長 lBC ；最后連接A、B、C、D即為所求。 2) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 設(shè)已知曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K、沖程H和偏距e，要求設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu)。 步驟,1) 按公式計(jì)算

51、1800(K-1/K+1)。 (2) 選比例尺，作一直線C1C2=H，如圖6-27所示。 (3) 作C2C1O=900-，C1C2O=900-，此兩線相交于點(diǎn)O。 (4)以O(shè)為圓心，過C1、C2作圓，曲柄的軸心A就應(yīng)在此圓弧上選取,圖 6-27,5) 作一直線與C1C2平行，使其間的距離等于給定的偏距e，則此直線與上述圓弧的交點(diǎn)即為曲柄的軸心A的位置。 (6) 由公式求曲柄、連桿長度。 3) 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu) 設(shè)已知擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架長度d，行程速比系數(shù)K，要求設(shè)計(jì)此機(jī)構(gòu),由圖6-28可以看出，導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的極位夾角與導(dǎo)桿的擺角相等。設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)時，需要確定的幾何尺寸僅有曲柄的長度a。 步驟： (1)

52、按公式計(jì)算1800(K-1/K+1)。 (2) 選比例尺，任取一點(diǎn)D，作mDn=。 (3) 作mDn等分角線，在此分角線上取LAD=d，即得曲柄回轉(zhuǎn)中心A。 (4) 過點(diǎn)A作導(dǎo)桿的垂直線AC1(或AC2)，則該線段長即為曲柄的長度。故ad sin(2,圖 6-28,第七章 凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì) 7-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類 凸輪(cam)：具有曲線輪廓或凹槽(notch)的構(gòu)件。 凸輪機(jī)構(gòu)：由凸輪、推桿和機(jī)架三個主要構(gòu)件所組成的高副機(jī)構(gòu)。當(dāng)凸輪運(yùn)動作等速轉(zhuǎn)動時，迫使推桿(或稱從動件)完成某種預(yù)期的運(yùn)動。 一、凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 在各種機(jī)械，特別是自動機(jī)械和自動控制裝置中，廣泛的應(yīng)用著各種形式的凸輪機(jī)構(gòu)。

53、 優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)件少，運(yùn)動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單緊湊；易使從動件(follower)得到各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。 缺點(diǎn)：點(diǎn)、線接觸，故易于磨損。所以凸輪機(jī)構(gòu)多用在傳遞動力不大的場合,二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類 1. 按凸輪的形狀分 1) 盤形凸輪(disk cam)。 如圖7-1，a所示，圖b所示為移動凸輪。 2) 圓柱凸輪(cylindrical cam)。 如圖7-1，c所示,2. 按推桿的形狀分 1) 尖頂推桿。如圖7-2，a、b所示，這種推桿的構(gòu)造最簡單，但易道磨損，所以只適用于作用力不大和速度較低的場合,圖 7-2,圖 7-1,2) 滾子推桿。如圖c、d所示，這種推桿由于滾子與凸輪輪廓之間為滾動摩擦，所以磨損

54、較小，故可用來傳遞較大的動力，因而應(yīng)用較廣。 3) 平底推桿。如圖e、f所示，這種推桿的優(yōu)點(diǎn)是凸輪對推桿的作用力始終垂直于推桿的底邊(不計(jì)摩擦?xí)r)，故受力比較平穩(wěn)。而且凸輪與平底的接觸面間容易形成油膜，潤滑較好，所以常用于高速傳動中。 3. 按推桿運(yùn)動形式分 1) 直動推桿：推桿作往復(fù)直線運(yùn)動(心直動推桿、偏置直動推桿)。 2) 擺動推桿：推桿作往復(fù)擺動運(yùn)動,7-2推桿的運(yùn)動規(guī)律,一、幾個名詞 以如圖7-3,a所示對心直動尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)為對象。 基圓(r0)：以凸輪的回轉(zhuǎn)軸心O為圓心，以凸輪理論廓線的最小半徑為半徑所作的圓。 推程及推程運(yùn)動角0：推桿由最低位置被推到最高位置的過程；凸輪相

55、應(yīng)的轉(zhuǎn)角0 稱為推程運(yùn)動角,回程及回程運(yùn)動角 0：推桿由最高位置被回到最低位置的過程；凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角0稱為回程運(yùn)動角。 遠(yuǎn)休止及遠(yuǎn)休止角01 ：推桿在最高位置靜止不動，此過程稱為遠(yuǎn)休止，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角01稱為遠(yuǎn)休止角。 近休止及近休止角02：推桿在最低位置靜止不動，此過程稱為近休止，凸輪相應(yīng)的轉(zhuǎn)角02稱為近休止角,圖 7-3,行程h ：推桿在推程或回程中移動的距離h稱為推桿的行程。 推桿的運(yùn)動規(guī)律：是指推桿在運(yùn)動過程中，其位移、速度和加速度隨時間變化的規(guī)律。因?yàn)橥馆喴话銥榈人龠\(yùn)動，即其轉(zhuǎn)角與時間t成正比，所以推桿的運(yùn)動規(guī)律更常表示為推桿的運(yùn)動參數(shù)隨凸輪轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律。 二、推桿常用運(yùn)動規(guī)律 1

56、. 多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律 推桿的運(yùn)動規(guī)律用多項(xiàng)代數(shù)式表達(dá)時，多項(xiàng) 式的一般表達(dá)式： 常用的有以下幾種多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律。 (1) 一次多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律 (等速運(yùn)動規(guī)律,圖 7-4,圖7-4所示為其運(yùn)動線圖(推程)。由圖可知，推稈在運(yùn)動開始和終止的瞬時，因速度有突變，所以這時推桿的加速度在理論上將出現(xiàn)瞬時的無窮大值,致使推桿突然產(chǎn)生非常大的慣性力，因而使凸輪機(jī)構(gòu)受到極大的沖擊，這種沖擊稱為剛性沖擊。 (2) 二次多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律(等加速等減速運(yùn)動規(guī)律) 等加速等減速運(yùn)動規(guī)律是指從動件在前半推程或回程(0t /2)中作等加速運(yùn)動，后半推程或回程：(t/2t )中作等減速運(yùn)動，通常加速度和減速度的絕對值相等,圖

57、7-5,其運(yùn)動線圖如圖7-5所示，由圖可見，在A、B、C三點(diǎn)推桿的加速度有突變，因而推桿的慣性力也將有突變，不過這一突變?yōu)橛邢拗?，因而引起的沖擊是有限的，稱這種沖擊為柔性沖擊。 2. 三角函數(shù)運(yùn)動規(guī)律 (1) 余弦加速度運(yùn)動規(guī)律(又稱簡諧運(yùn)動規(guī)律) 質(zhì)點(diǎn)在圓周上作勻速運(yùn)動時，它在該圓直徑上的投影所構(gòu)成的運(yùn)動稱為簡諧運(yùn)動,由推桿運(yùn)動線圖(推程)如圖7-6所示，在首、末兩點(diǎn)推桿的加速度有突變，故也有柔性沖擊。 (2) 正弦加速度運(yùn)動規(guī)律(又稱擺線運(yùn)動規(guī)律) 當(dāng)滾圓沿縱軸作勻速滾動時，圓周上一點(diǎn)將描繪出一條擺線，點(diǎn)沿?cái)[線運(yùn)動時，在其縱軸上的投影即為擺線運(yùn)動規(guī)律,由推桿運(yùn)動線圖(推程時)如圖7-7所示

58、，可見推桿作正弦加速度運(yùn)動時，其加速度沒有突變，因而將不產(chǎn)生沖擊,圖 7-7,圖 7-6,7-3 凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì) 一、凸輪廓曲線設(shè)計(jì)方法的基本原理 圖7-8所示為一對心直動尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)。當(dāng)凸輪以角速度繞袖O轉(zhuǎn)動時，推桿在凸輪的高副元素(輪廓曲線)的推動下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動。 現(xiàn)設(shè)想給整個凸輪機(jī)構(gòu)加上一個公共角速度-，使其繞軸心O轉(zhuǎn)動。顯然這時凸輪與推桿之間的相對運(yùn)動并未改變，但此時凸輪將靜止不動，而推桿則一方面隨其導(dǎo)軌以角速度繞軸心O轉(zhuǎn)動，一方面又在導(dǎo)軌內(nèi)作預(yù)期的往復(fù)移動。顯然，推桿在這種復(fù)合運(yùn)動中，其尖頂?shù)倪\(yùn)動軌跡即為凸輪輪廓曲線,圖 7-8,根據(jù)上述分析，在設(shè)計(jì)凸輪廓線時，可假設(shè)凸

59、輪靜止不動，而使推桿相對于凸輪作反轉(zhuǎn)運(yùn)動；同時又在其導(dǎo)軌內(nèi)作預(yù)期運(yùn)動，作出推桿在這種復(fù)合運(yùn)動中的一系列位置，則其尖頂?shù)能壽E就是所要求的凸輪廓線。這就是凸輪廓線設(shè)計(jì)方法的基本原理，稱之為反轉(zhuǎn)法。 二、用作圖法設(shè)計(jì)凸輪廓線 1. 對心直動尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) 圖7-9，a所示為一對心直動尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)。已知凸輪的基圓半徑r0=15，凸輪以等角速度沿逆時針方向回轉(zhuǎn)，推桿的運(yùn)動規(guī)律如下表所示,圖 7-9,作圖步驟如下： (1)按一定比例尺繪制從動件的位移線圖(圖7-9b)； (2) 按同一比例尺作出凸輪的基圓，表明轉(zhuǎn)向和從動件的起始位置； (3) 作出推桿在反轉(zhuǎn)中占據(jù)的位置。等分位移線圖的橫坐標(biāo)

60、和基圓，根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，沿-作射線OC1、OC2 ； (4) 由基圓外量取位移1l、22，得1、2； (5) 光滑連接1、2 即得凸輪的輪廓曲線(理論廓線 pitch curve)。 2. 對心直動滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) 作圖步驟如下： 如圖7-10所示，將滾子中心A視為尖頂推桿的尖點(diǎn)，按上述(1)(5)作出其理論輪廓曲線,6) 以點(diǎn)A、1、2、3、為圓心，以滾于半徑rr為半徑，作一系列的圓； (7) 作此圓族的內(nèi)包絡(luò)線，即為凸輪的實(shí)際輪廓曲線,3. 對心直動平底推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu) 作圖步驟如下： 如圖7-11所示，將平底(falt face)中心A視為尖頂推桿的尖點(diǎn)(pointing)，按上述(