機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)教材技師

1、第一章 機(jī)械設(shè)計概述第一節(jié)本課程的性質(zhì)和研究對象一、 課程概述機(jī)械設(shè)計是根據(jù)社會需求所提出的機(jī)械設(shè)計任務(wù)，綜合應(yīng)用當(dāng)代各種先進(jìn)技術(shù)成果，運(yùn)用各種適用的設(shè)計方法，設(shè)計出滿足使用要求，技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、外形美觀、綜合性能好，并能集中反映先進(jìn)生產(chǎn)力的產(chǎn)品；也可能是在原有的機(jī)械設(shè)備基礎(chǔ)上作局部改進(jìn)，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增大機(jī)械的工作能力，提高效率，降低能耗，減少污染等，這些都是機(jī)械設(shè)計范疇?wèi)?yīng)該考慮的問題。機(jī)械設(shè)計是一門綜合的技術(shù)，是一項復(fù)雜、細(xì)致和科學(xué)性很強(qiáng)的工作，涉及許多方面，要設(shè)計出合格的產(chǎn)品，必須兼顧眾多因素。下面簡述幾個與機(jī)械設(shè)計有關(guān)的基本問題。1、機(jī)械設(shè)計應(yīng)滿足的基本要求使用要求具有可靠穩(wěn)定的工作

2、性能，達(dá)到設(shè)計要求。使用要求包括功能要求和可靠性要求。經(jīng)濟(jì)要求要達(dá)到機(jī)器本身成本低，用該機(jī)器生產(chǎn)的產(chǎn)品成本也要低。外觀要求保證人身安全，操作方便、省力。此外還有：噪音、起重、運(yùn)輸、衛(wèi)生、防腐蝕、防凍等方面的要求。2、 機(jī)械零件的失效形式和設(shè)計準(zhǔn)則1、 零件的失效形式失效零件失去設(shè)計時指定的效能稱為零件失效。失效和破壞不是一回事，失效并不等于破壞，也就是說有些零件理論上是失效了，如齒輪的齒面點蝕、膠合、磨損等失效形式出現(xiàn)后，零件還可以工作，只不過是工作的狀況不如原來的好，可能會出現(xiàn)噪聲等。一般情況下零件破壞后就不能再工作了，也可以說破壞是絕對的失效，如齒輪的輪齒折斷是失效，也是破壞。2、常見的零

3、件失效形式有：強(qiáng)度失效、剛度失效、磨損、失穩(wěn)和其他。具體的失效形式有整體斷裂；過大的殘余變形；零件表面破壞（腐蝕、磨損、接觸疲勞）。失效尤以腐蝕、磨損、疲勞破壞為主（有資料介紹再1378項機(jī)械零件的失效中，腐蝕、磨損、疲勞破壞占73.88%斷裂僅占4.79%）。三、 本課程的基本要求和學(xué)習(xí)方法1、 本課程的基本要求 本課程的任務(wù)是使學(xué)員掌握常用機(jī)構(gòu)和通用零件的基本理論和基本知識，初步具有分析、設(shè)計能力，并獲得必要的基本技能訓(xùn)練，同時培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生達(dá)到下列基本要求：（1）熟悉常用機(jī)構(gòu)的組成、工作原理及其特點，掌握通用機(jī)構(gòu)的分析和設(shè)計的基本方法。

4、（2）熟悉通用機(jī)械零件的工作原理、結(jié)構(gòu)及其特點，掌握通用機(jī)械零件的選用和設(shè)計的基本方法。（3）具有對機(jī)構(gòu)分析設(shè)計和零件設(shè)計計算的能力，并具有運(yùn)用機(jī)械設(shè)計手冊、圖冊及標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)技術(shù)資料的能力。（4）具有綜合運(yùn)用所學(xué)知識和實踐的技能，設(shè)計簡單機(jī)械和簡單傳動裝置的能力。2、 本課程的學(xué)習(xí)方法 本課程是從理論性、系統(tǒng)性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課和專業(yè)課向?qū)嵺`性較強(qiáng)的專業(yè)課過渡的一個重要轉(zhuǎn)折點。因此，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中，必須多觀察、細(xì)思考、勤練習(xí)、?？偨Y(jié)。觀察生活、生產(chǎn)中遇到的各種機(jī)械，熟悉典型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)感性認(rèn)識；思考明晰本課程的基本概念，注意各種知識的聯(lián)系，融會貫通；勤練基本技能，提高分析能力和綜合能力；及時總結(jié)、消

5、化掌握課程內(nèi)容，歸納學(xué)到的各種技術(shù)方法。特別應(yīng)注重實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，提高全面素質(zhì)和綜合職業(yè)能力。四、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和任務(wù)本課程的基本內(nèi)容可分為機(jī)械原理和機(jī)械零件設(shè)計兩大部分，是綜合應(yīng)用各先修課程的基礎(chǔ)理論知識，結(jié)合生產(chǎn)實踐知識，研究機(jī)械中的常見機(jī)構(gòu)和一般工作條件下的常用參數(shù)范圍內(nèi)的通用零、部件，研究其工作原理、特點、應(yīng)用、結(jié)構(gòu)和基本設(shè)計理論、基本計算方法，研究機(jī)械設(shè)計的一般原則和設(shè)計步驟，研究常用零部件的選用和維護(hù)等共性問題。因此，本課程是工科類各專業(yè)一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，起著“理論過渡到實際、從基礎(chǔ)過渡到專業(yè)“的承前啟后的橋梁作用。通過本課程的學(xué)習(xí)和實踐性訓(xùn)練，要求達(dá)到：1、 了解

6、使用、維護(hù)和管理常用機(jī)械設(shè)備的一些基礎(chǔ)知識。2、 初步掌握常用機(jī)構(gòu)的性能、應(yīng)用場合、使用維護(hù)等基礎(chǔ)知識。3、 具備正確選擇常用機(jī)械零件的類型、代號等基礎(chǔ)知識。4、 初步具備機(jī)械設(shè)計傳動的運(yùn)用手冊設(shè)計簡單機(jī)械的能力。第二節(jié) 平面機(jī)構(gòu)的自由度一、機(jī)構(gòu)的組成1.1 運(yùn)動副的概念 1.運(yùn)動副當(dāng)由構(gòu)件組成機(jī)構(gòu)時，為了使各構(gòu)件間具有一定的相對運(yùn)動，需要以一定的方式把各個構(gòu)件彼此聯(lián)接起來，而且每個構(gòu)件至少必須與另一構(gòu)件相聯(lián)接。這種使兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生一定形式的相對運(yùn)動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副。如軸1與軸承2的配合(圖15-1a)，齒輪1與齒輪2的輪齒間的嚙合(圖15-1b)，滑塊2與導(dǎo)軌1的接觸(圖15-1c)

7、等等，就都構(gòu)成了運(yùn)動副。 (a) (b) (c)圖 1-1 2.運(yùn)動副分類運(yùn)動副根據(jù)兩構(gòu)件間的接觸特性可分為高副和低副。高副指兩構(gòu)件通過點接觸或線接觸組成的運(yùn)動副，如圖1-2中齒輪1與2、凸輪3與從動桿4、車輪5與軌道6分別在A處組成高副。這時，兩構(gòu)件的相對運(yùn)動是繞A點的轉(zhuǎn)動和沿切線方向的移動，而沿法線方向的移動被運(yùn)動副限制了。低副指兩構(gòu)件通過面接觸組成的運(yùn)動副，如圖1-3所示。圖1-2 高副 (a) 移動副 (b) 轉(zhuǎn)動副圖1-3 低副運(yùn)動副還常根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動副的兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動的不同來分類。如圖1-4所示,把相對運(yùn)動為移動的運(yùn)動副稱為移動副，兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副稱為轉(zhuǎn)動副，

8、 相對運(yùn)動為齒輪嚙合的運(yùn)動副稱為齒輪副，相對運(yùn)動為螺旋運(yùn)動的運(yùn)動副稱為螺旋副，相對運(yùn)動為球面運(yùn)動的運(yùn)動副稱為球面副等等。此外，運(yùn)動副根據(jù)的兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為平面運(yùn)動還是空間運(yùn)動分為平面運(yùn)動副和空間運(yùn)動副。圖1-4 運(yùn)動副1.2 自由度和運(yùn)動副約束 如圖1-5所示，設(shè)有任意兩個構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件1尚未與構(gòu)件2構(gòu)成運(yùn)動副之前，即構(gòu)件1相對于構(gòu)件2共有6個相對獨立的運(yùn)動。構(gòu)件的這種獨立運(yùn)動的可能性稱為構(gòu)件的自由度。可見，空間自由運(yùn)動的構(gòu)件具有6個自由度，而作平面自由運(yùn)動的構(gòu)件具有3個自由度。若將兩構(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)動便受到一定的限制，這種限制稱為運(yùn)動副約束。自由度將因運(yùn)

9、動副引入的約束而減少，而且其減少的數(shù)目就等于其引入的約束數(shù)目。如高副約束了構(gòu)件的一種相對獨立運(yùn)動，低副約束了構(gòu)件的兩種相對獨立運(yùn)動。圖1-51.3運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu) 組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件是通過相應(yīng)的運(yùn)動副而彼此相聯(lián)的。我們把兩個以上的構(gòu)件通過運(yùn)動副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈。如果運(yùn)動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成了首末封閉的系統(tǒng)，如圖1-6a、b所示，則稱為閉式運(yùn)動鏈，或簡稱閉鏈。反之，如運(yùn)動鏈的構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，如圖1-6c、d所示，則稱為開式運(yùn)動鏈，或簡稱開鏈。在各種機(jī)械中，一般采用閉鏈。 （a） （b） （c） （d）圖1-6 運(yùn)動鏈在運(yùn)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)。

10、機(jī)構(gòu)中的其余構(gòu)件均相對于機(jī)架而運(yùn)動。機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動規(guī)律獨立運(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)律由原動件的運(yùn)動規(guī)律決定。二、平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的概念 實際機(jī)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。為了便于分析和設(shè)計，通常不考慮構(gòu)件的外形、截面尺寸以及運(yùn)動副的實際結(jié)構(gòu)，而用簡單的線條和規(guī)定的符號表示構(gòu)件（圖1-7）和運(yùn)動副（圖1-4），并按一定的比例畫出各運(yùn)動副間的相對運(yùn)動關(guān)系的簡圖稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。(a) (b) (c) (d) (e)三、平面機(jī)構(gòu)的自由度3.1 平面機(jī)構(gòu)自由度的計算 平面機(jī)構(gòu)自由度是指平面機(jī)構(gòu)具有獨立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。設(shè)某平面機(jī)構(gòu)有n個活

11、動構(gòu)件，有PL個低副和PH個高副。因一個沒有受任何約束的構(gòu)件有3個自由度，一個低副有兩個約束，一個高副帶來一個約束，因此，機(jī)構(gòu)自由度F可按下式計算 F=3n-2PL-PH (1-1) 例1-1 試計算圖1-9所示鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的自由度。 解： 此機(jī)構(gòu)有3個活動構(gòu)件(構(gòu)件1、2、3)、4個低副(轉(zhuǎn)動副A、B、C、D)，沒有高副。按式(1-1)求得機(jī)構(gòu)自由度為 F=3n-2PL-PH=33-24-0=1圖1-93.2 計算機(jī)構(gòu)自由度的注意事項 使用式(1-1)計算機(jī)構(gòu)自由度時，對于下列情況應(yīng)給予注意、處理，才能使計算結(jié)果與實際一致。 1復(fù)合鉸鏈 圖1-10a為三個構(gòu)件在A處組成轉(zhuǎn)動副。由俯視圖1-1

12、0b中可以看出，A處實際上存在兩個轉(zhuǎn)動副。這種由兩個以上的構(gòu)件在一處組成的轉(zhuǎn)動副，稱為復(fù)合鉸鏈，其轉(zhuǎn)動副的數(shù)目應(yīng)是在該處匯交構(gòu)件(包括固定件)的數(shù)目減1。 （a） （b）圖1-10 復(fù)合鉸鏈 2局部自由度圖1-1la所示的凸輪機(jī)構(gòu)中，在從動件3的端部裝有滾子2，滾子的作用是將B處的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減少功率損耗，降低磨損。由F=3n-2PL-PH=33-23-1=2可知，凸輪機(jī)構(gòu)有兩種獨立的運(yùn)動，這與實踐相矛盾。如圖1-11b所示，設(shè)想將滾子2與安裝滾子的構(gòu)件3焊成一體，此時， n=2，PL=2，PH=1凸輪機(jī)構(gòu)的自由度為F=32-22-1=1，計算結(jié)果與實際情況相符。可見滾子繞C軸轉(zhuǎn)動的

13、自由度對從動件3的運(yùn)動沒有影響。這種不影響整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動的、局部的獨立運(yùn)動稱為局部自由度。計算機(jī)構(gòu)自由度時，應(yīng)將局部自由度除去不計。否則計算結(jié)果與實際情況不相符。（a） （b）圖1-11 凸輪機(jī)構(gòu) 3虛約束 圖l5-12a所示縫紉機(jī)刺布機(jī)構(gòu)，上下兩個移動副D和D/同時約束針桿的上下移動，其約束效果與圖1-12b一樣。移動副D/對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動只起重復(fù)限制的作用。這種起重復(fù)限制作用的約束稱為虛約束。在計算機(jī)構(gòu)自由度時，虛約束應(yīng)當(dāng)除去。否則計算結(jié)果與實際情況不相符。圖1-12b中， n=3，PL=4，PH=0，得F=33-24-0=1。（a） （ b）圖1-l 2 縫紉機(jī)刺布機(jī)構(gòu)中移動副導(dǎo)路重合 平面機(jī)

14、構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)于下列情況中：(1)被聯(lián)接件上點的軌跡與機(jī)構(gòu)上聯(lián)接點的軌跡重合時，這種聯(lián)接將出現(xiàn)虛約束，如圖1-13所示。 (2)機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，如果兩構(gòu)件上兩點間的距離始終保持不變，將此兩點用構(gòu)件和運(yùn)動副聯(lián)接，則會帶進(jìn)虛約束，如圖1-14所示的A、B兩點。 (3)如果兩個構(gòu)件組成的移動副（圖1-12）相互平行，或兩個構(gòu)件組成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副時，如圖1-1所示，只需考慮其中一處，其余各處帶進(jìn)的約束均為虛約束。 4)機(jī)構(gòu)中起重復(fù)作用的對稱部分是虛約束。如圖1-16所示的行星輪系中，由與中心完全對稱的三部分組成，每一部分的作用相同。因此，可以認(rèn)為其中兩個部分的約束為虛約束。 圖1-13 圖1-14

15、 圖1-15 圖1-16 行星輪系 虛約束雖然對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動沒有影響，但可以改善機(jī)構(gòu)的受力情況，增加構(gòu)件的剛度。虛約束是在特定的幾何條件下存在的，否則，虛約束將會變?yōu)閷嶋H約束，并將阻礙機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動 1.3.3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件 由圖1-9可知，原動件每給定一個值，從動件2、3便有一個確定的位置?？梢?，自由度為1的機(jī)構(gòu)在具有一個原動件時，運(yùn)動是確定的。圖1-17所示為鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)，自由度F=34-25-O=2。如果只有構(gòu)件1為原動件，則當(dāng)構(gòu)件1處于1位置時，從動件2、3、4的位置不確定(可以在圖示實線或雙點劃線位置，也可處于其他位置)，即從動件的運(yùn)動不確定。如果取構(gòu)件1和4為原動件，每給定

16、一組1和4的數(shù)值，從動件2和3便有一個確定的相對位置?？梢姡杂啥鹊扔?的機(jī)構(gòu)在具有兩個原動件時運(yùn)動是確定的。圖1-17 鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)綜上所述，一般機(jī)構(gòu)都有一個原動件，在此情況下，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是：機(jī)構(gòu)原動件的數(shù)目W等于機(jī)構(gòu)的自由度F，即 W=F (1-2)當(dāng)WF時，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不確定。 例l-2 圖1-18所示為篩料機(jī)構(gòu)，曲軸1、凸輪6為原動件(標(biāo)有箭頭)，迫使篩5(滑塊)抖動篩料。試計算機(jī)構(gòu)自由度，檢查機(jī)構(gòu)是否具有確定運(yùn)動。解： (1)處理特殊情況 首先處理局部自由度：圖中滾子7繞E軸轉(zhuǎn)動的自由度為局部自由度，采用滾子7與構(gòu)件8焊化處理；其次，判定并去除虛約束，構(gòu)件8與機(jī)架9形成導(dǎo)路

17、重合的左右兩個移動副中的一個是虛約束，計算時應(yīng)去除。最后判斷復(fù)合鉸鏈，圖中構(gòu)件2、3、4在C處組成復(fù)合鉸鏈，C處含兩個轉(zhuǎn)動副。(2)計算機(jī)構(gòu)自由度，n=7，PL=9，PH=1，按式(1-1)計算得 F=37-29-1=2(3)檢查機(jī)構(gòu)運(yùn)動是否確定 由于原動件數(shù)W=2=F，所以機(jī)構(gòu)的運(yùn)動確定。圖1-18 篩料機(jī)構(gòu)第二章 平面連桿機(jī)構(gòu)由若干構(gòu)件通過低副聯(lián)接，且所有的構(gòu)件在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)稱為平面連桿機(jī)構(gòu)，平面連桿機(jī)構(gòu)是也稱平面低副機(jī)構(gòu)。由四個構(gòu)件通過低副連接而成的平面連桿機(jī)構(gòu)稱為平面四桿機(jī)構(gòu)，是平面連桿機(jī)構(gòu)中最常見的形式，是構(gòu)成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。本任務(wù)主要討論平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用、特性

18、及設(shè)計方法。第一節(jié) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì)一、 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在曲柄的條件1曲柄存在的條件鉸接四桿機(jī)構(gòu)中是否有曲柄存在，這個問題主要取決于機(jī)構(gòu)中個構(gòu)件之間的相對長度，還有就是最短桿在機(jī)構(gòu)中的位置。通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動的集合關(guān)系可以證明，連架桿要成為曲柄，其必要與充分的條件是：（1） 最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。設(shè)四構(gòu)件中最長桿的長度為Lmax，最短桿的長度為Lmin，其余兩桿長度分別為L和L，Lmax+LminL+L。 （2） 連架桿與機(jī)架中必有一桿為最短桿。2.推論 根據(jù)曲柄存在的條件可得出如下推論：圖2-1 (1) 當(dāng)最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和時，則不論取何桿

19、為機(jī)架，機(jī)構(gòu)均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。(2) 當(dāng)最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和時：1) 若最短桿的相鄰桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；2) 若最短桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)；3) 若最短桿的對邊桿為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。例2-1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)ABCD的各桿長度如圖2-1所示。說明機(jī)構(gòu)分別以AB、BC、CD和AD各桿為機(jī)架時，屬何種機(jī)構(gòu)?解：由于Lmax+Lmin50+2070 L+L50+60110，故四個轉(zhuǎn)動副均不能整周轉(zhuǎn)動，無論以哪個構(gòu)件為機(jī)架，均無曲柄，或者說均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。二、急回特性和死點位置1、急回特性 極位夾角搖桿在C1D、C2D兩極限位置時，曲柄與連桿共線，對應(yīng)兩

20、位置所夾的銳角，用表示。 急回特性：空回行程時的平均速度大于工作行程時的平均速度。機(jī)構(gòu)的急回特性可用行程速比系數(shù)K表示： 極位夾角越大，機(jī)構(gòu)的急回特性越明顯。曲柄搖杯機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄A B沿順時針方向以等角速度轉(zhuǎn)過1時，搖桿CD自左極限位置C1D擺至右極位置C2D，設(shè)所需時間為 t1，C點的明朗瞪為 V1；而當(dāng)曲柄AB再繼續(xù)轉(zhuǎn)過2時，搖桿CD自C2D擺回至C1D，設(shè)所需的時間為 t2，C點的平均速度為 V2。由于12，所以 t1t2 ,V2Vl。由此說明：曲柄AB雖作等速轉(zhuǎn)動，而搖桿CD空回行程的平均速度卻大于工作行程的平均速度，這種性質(zhì)稱為機(jī)構(gòu)的急回特性。 圖2-2 曲柄搖桿的急回特性分析搖桿

21、CD的兩個極限位置間的夾角稱為搖稈的最大擺角，主動曲柄在搖桿處于兩個極限位置時所夾的銳角稱為極位夾角。在某些機(jī)械中(如牛頭刨床、插床或慣性篩等)，常利用機(jī)械的急回特性來縮短空回行程的時間，以提高生產(chǎn)率。行程速比系數(shù)K：從動件空回行程平均速度V2與從動件工作行程平均速度V1的比值。K值的大小反映了機(jī)構(gòu)的急回特性，K值愈大，回程速度愈快。 KV2V1 (C2C1t2) (C1C2t1)（180十） (180一)由上式可知，K與有關(guān)，當(dāng)0時，K1，說明該機(jī)構(gòu)無急回特性；當(dāng)0時，Kl，則機(jī)構(gòu)具有急回特性。2、死點位置 在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，如圖所示，若取搖桿為主動件，當(dāng)搖桿在兩極限位置時，連桿與曲柄共線，

22、通過連桿加于曲柄的力F經(jīng)過鉸鏈中心A，該力對A點的力矩為零，故不能推動曲柄轉(zhuǎn)動，從而使整個機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。這種位置稱為死點。平面四桿機(jī)構(gòu)是否存在死點位置，決定于從動件是否與連桿共線。凡是從動件與連桿共線的位置都是死點。 圖2-3 飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu) 圖2-4 鉆床壓緊機(jī)構(gòu)對機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動來說，死點是有害的，因為死點位置常使機(jī)構(gòu)從動件無法運(yùn)動或出現(xiàn)運(yùn)動不確定現(xiàn)象。如上圖所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)），當(dāng)踏板CD為主動件并作往復(fù)擺動時，機(jī)構(gòu)在兩處有可能出現(xiàn)死點位置，致使曲柄AB不轉(zhuǎn)或出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為了保證機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可在曲柄軸上裝飛輪，利用其慣性作用使機(jī)構(gòu)順利地通過死點位置。 在工程上，有時也

23、利用死點進(jìn)行工作，如圖2-4所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，就是應(yīng)用死點的性質(zhì)來夾緊工件的一個實例。當(dāng)夾具通過手柄1，施加外力F使鉸鏈的中心B、C、D處于同一條直線上時，工件2被夾緊，此時如將外力F去掉，也仍能可靠地夾緊工件，當(dāng)需要松開工件時，則必須向上扳動手柄1，才能松開夾緊的工件。 第二節(jié) 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的演化在現(xiàn)實生產(chǎn)中，除了我們上面所介紹的三種類型的四桿機(jī)構(gòu)外，還被廣泛采用的其他形式的四桿機(jī)構(gòu)，一般是通過改變鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)某些構(gòu)件的形狀、相對長度或者選擇不同構(gòu)件作為機(jī)架等方式演化而來的。一、 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 圖2-5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)a)對心曲柄機(jī)構(gòu) b）偏置曲柄滑筷機(jī)構(gòu)由圖2-5可知，當(dāng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖

24、桿長趨于無窮大時，C點的軌跡將從圓弧演變?yōu)橹本€，搖桿CD轉(zhuǎn)化為沿直線導(dǎo)路m-m移動的滑塊，成為圖示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄轉(zhuǎn)動中心距導(dǎo)路的距離，稱為偏距。若0，如圖2-5a所示，稱為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；若e0，如圖2-5b所示，稱為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。a） 內(nèi)燃機(jī)活塞-連桿機(jī)構(gòu) b）自動送料裝置圖2-6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用b）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)用于轉(zhuǎn)動與往復(fù)移動之間的轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、空壓機(jī)和自動送料機(jī)等機(jī)械設(shè)備中。圖2-6a、b所示分別為內(nèi)燃機(jī)和自動送料機(jī)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。對于圖2-6a所示對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由于曲柄較短，曲柄結(jié)構(gòu)形式較難實現(xiàn)，故常采用圖2-7所示的偏心輪結(jié)構(gòu)形式，稱為偏心輪機(jī)構(gòu)，

25、其偏心圓盤的偏心距即等于原曲柄長度。這種結(jié)構(gòu)增大了轉(zhuǎn)動副的尺寸，提高了偏心軸的強(qiáng)度和剛度，并使結(jié)構(gòu)簡化和便于安裝，多用于承受較大沖擊載荷的機(jī)械中，如破碎機(jī)、剪床及沖床等。圖2-7 偏心輪機(jī)構(gòu) 圖2-8 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)二、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)若將圖2-8所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的構(gòu)件1作為機(jī)架，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就演化為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，它包括轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(圖2-8a)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)(圖2-8b)兩種形式。一般用連架桿2作為原動件，連架桿4對滑塊3的運(yùn)動起導(dǎo)向作用，稱為導(dǎo)桿。當(dāng)桿長l1l2時，桿2能整周轉(zhuǎn)動，導(dǎo)桿4只能在某一角度內(nèi)擺動，形成擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)具有很好的傳力性能，常用于插床、牛頭刨床和送料裝置等機(jī)器中。圖2-9a

26、、b所示分別為插床和刨床主運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其中ABC部分分別為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖2-9導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用a）插床主機(jī)構(gòu) b）刨床主機(jī)構(gòu) 三、搖塊機(jī)構(gòu)和定塊機(jī)構(gòu) 若將圖2-8a所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的構(gòu)件2作為機(jī)架，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就演化為如圖2-10a所示的搖塊機(jī)構(gòu)。構(gòu)件1作整周轉(zhuǎn)動，滑塊3只能繞機(jī)架往復(fù)擺動。這種機(jī)構(gòu)常用于擺缸式原動機(jī)和氣、液壓驅(qū)動裝置中，如圖2-10b所示的自動貨車翻斗機(jī)構(gòu)。圖2-10搖塊機(jī)構(gòu)及應(yīng)用若將圖2-10a所示曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊3作為機(jī)架，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)就演化為如圖2-11a所示的定塊機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)常用于抽油泵和手搖抽水唧筒(圖2-11b)。圖2-11 定塊機(jī)構(gòu)及應(yīng)第三節(jié)

27、 平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計的主要設(shè)計任務(wù)是：根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作要求和設(shè)計條件選定機(jī)構(gòu)形式，并確定出各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。生產(chǎn)實踐中，平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本問題可歸納為兩類：1)實現(xiàn)給定從動件的運(yùn)動規(guī)律。如要求從動件按某種速度運(yùn)動或具有一定的急回特性，要求滿足某構(gòu)件占據(jù)幾個預(yù)定位置等。2)實現(xiàn)給定的運(yùn)動軌跡。如要求起重機(jī)中吊鉤的軌跡為一直線，攪拌機(jī)中攪拌桿端能按預(yù)定軌跡運(yùn)動等。四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計的方法有圖解法、實驗法和解析法三種。圖解法和實驗法直觀、簡明，但精度較低，可滿足一般設(shè)計要求；解析法精確度高，適于用計算機(jī)計算。隨著計算機(jī)應(yīng)用的普及，計算機(jī)輔助設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)已成必然趨勢。本節(jié)著重介

28、紹圖解法，對實驗法和解析法只作簡單介紹。圖 2-13 按連桿三個預(yù)定位置圖解設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)一、 按連桿的預(yù)定位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 在生產(chǎn)實踐中，經(jīng)常要求所設(shè)計的四桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中連桿能達(dá)到某些特殊位置。這類機(jī)構(gòu)的設(shè)計屬于實現(xiàn)構(gòu)件預(yù)定位置的設(shè)計問題。1按連桿的三個預(yù)定位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 如圖2-213所示，設(shè)已知連桿BC的長度lBC及三個預(yù)定位置B1C1、B2C2、B3C3，試設(shè)計此四桿機(jī)構(gòu)。 設(shè)計分析：此設(shè)計的主要問題是根據(jù)已知條件確定固定鉸鏈中心A、D的位置。由于連桿上B、C兩點的運(yùn)動軌跡分別是以A、D兩點為圓心，以lAB、lCD為半徑的圓弧，所以A即為過B1、B2、B3三點所作圓弧的圓心，D即為

29、過C1、C2、C3三點所作圓弧的圓心。此設(shè)計的實質(zhì)已轉(zhuǎn)化為已知圓弧上三點確定圓心的問題。具體設(shè)計步驟：（2）聯(lián)接B1B2、B2B3、C1C2和C2C3，并分別作B1B2的中垂線b12、B2B3的中垂線b23（、C1C2的中垂線c12、C2C3的中垂線c23,b12與b23的交點即為圓心A，c12與c23的交點即為圓心D；（3）以點A、D作為兩固定鉸鏈中心，聯(lián)接AB1C1D，則AB1C1D即為所要設(shè)計的四桿機(jī)構(gòu)，各桿長度按比例尺計算即可得出。2按連桿的兩個預(yù)定位置設(shè)計四桿機(jī)構(gòu) 由以上分析可知，已知連桿的兩個預(yù)定位置時，如圖2-14所示，A點可在B1B2中垂線b12上的任一點，D點可在C1C2中垂

30、線c12上的任一點，故有無數(shù)個解。實際設(shè)計時，一般考慮輔助條件，如機(jī)架位置、結(jié)構(gòu)緊湊等，則可得唯一解。 圖2-14 按連桿兩個預(yù)定位置圖解設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)圖 2-15 爐門啟閉機(jī)構(gòu)如圖2-15所示加熱爐門的啟閉機(jī)構(gòu)，要求加熱時爐門(連桿)處于關(guān)閉位置B1C1，加熱后爐門處于開啟位置B2C2。二、 按給定的行程速比系數(shù)K設(shè)計四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)，一般是根據(jù)實際運(yùn)動要求選定行程速比系數(shù)K的數(shù)值，然后根據(jù)機(jī)構(gòu)極位的幾何特點，結(jié)合其他輔助條件進(jìn)行設(shè)計。具有急回特性的四桿機(jī)構(gòu)有曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等，其中以典型的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計為基礎(chǔ)。設(shè)已知行程速比系數(shù)K、搖桿長lCD

31、、最大擺角，試用圖解法設(shè)計此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。設(shè)計分析：由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)處于極位時的幾何特點(圖16-15a)可知，在已知lCD、的情況下，只要能確定固定鉸鏈中心A的位置，則可由lAC1lBClAB、lAC1lBClAB確定出曲柄長度lAB和連桿長度lBC，也即設(shè)計的實質(zhì)是確定固定鉸鏈中心A的位置。已知K后，由式(16-2)可求得極位夾角的大小，這樣就可把K的要求轉(zhuǎn)換成幾何要求了。假設(shè)圖16-26為已經(jīng)設(shè)計出的該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，鉸鏈A的位置必須滿足極位夾角C1AC2的要求。若能過C1、C2兩點作出一輔助圓，使C1C2所對的圓周角等于，那么，鉸鏈A只要在這個圓上，就一定能滿足K的要求了。顯然，這樣的輔

32、助圓是容易作出的。如圖2-16所示，具體設(shè)計步驟為：圖2-16 按K值圖解設(shè)計曲柄搖桿機(jī)構(gòu)1按計算出極位夾角；2任取固定鉸鏈中心D的位置，選取適當(dāng)?shù)拈L度比例尺1，根據(jù)已知搖桿長度lCD和擺角，作出搖桿的兩個極限位置C1D和C2D；3聯(lián)接C1、C2兩點，作C1MC1C2，C1C2N90，直線C1M與C2N交于P點，顯然C1PC2；4以PC2為直徑作輔助圓。在該圓周上任取一點A，聯(lián)接AC1、AC2，則C1AC2；5量出AC2，、AC1的長度lAC1和lAC2。由此可求得曲柄和連桿的長度 6機(jī)架的長度lAD可直接量得，再按比例尺1計算即可得出實際長度。由于A為輔助圓上任選的一點，所以可有無窮多的解。

33、當(dāng)給定一些其他輔助條件，如機(jī)架長度lAD最小傳動角min等，則有唯一解。同理，可設(shè)計出滿足給定行程速比系數(shù)K值的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等。 第三章 凸輪機(jī)構(gòu) 第一節(jié) 圖解法繪制盤形凸輪輪廓圖3-1 “反轉(zhuǎn)法”原理根據(jù)機(jī)器的工作要求，在確定了凸輪機(jī)構(gòu)的類型，選定了從動件的運(yùn)動規(guī)律、凸輪的基圓半徑和凸輪的轉(zhuǎn)動方向后，便可設(shè)計凸輪的輪廓曲線了。凸輪輪廓設(shè)計的方法有圖解法和解析法。圖解法簡單易行而且直觀，但精確度有限，只適用于一般場合。本節(jié)介紹圖解法設(shè)計的原理和方法。圖解法繪制凸輪輪廓曲線是利用相對運(yùn)動原理完成的。當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)工作時，凸輪和從動件都是運(yùn)動的，而繪制凸輪輪廓時，應(yīng)使凸輪相對靜止。如

34、圖3-1所示，如設(shè)想給整個機(jī)構(gòu)加一個與凸輪角速度大小相等、方向相反的公共角速度“”，則凸輪處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，而從動件一方面按原定運(yùn)動規(guī)律相對于機(jī)架導(dǎo)路作往復(fù)移動，另一方面隨同機(jī)架以“”角速度繞O點轉(zhuǎn)動。由于從動件尖頂始終與凸輪輪廓保持接觸，所以從動件在反轉(zhuǎn)行程中，其尖頂?shù)倪\(yùn)動軌跡就是凸輪的輪廓曲線。這就是凸輪輪廓設(shè)計的“反轉(zhuǎn)法”原理。根據(jù)這一原理便可作出各種類型凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓曲線。2.1 尖頂對心移動從動件盤形凸輪圖3-2 尖頂對心直動從動件盤形凸輪輪廓圖解設(shè)計圖3-2a所示為尖頂對心直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。設(shè)已知條件為從動件的運(yùn)動規(guī)律、凸輪的基圓半徑rb及轉(zhuǎn)動方向，則凸輪輪廓的作圖步驟如

35、下：1選取適當(dāng)?shù)谋壤遧，作出從動件的位移線圖，如圖3-2b所示。2取與位移線圖相同的比例，以rb為半徑作基圓?；鶊A與導(dǎo)路的交點B0(C0)即為從動件尖頂?shù)钠鹗嘉恢谩?在基圓上，自O(shè)C0開始，沿“”方向依此取0,s,0,s，并將0、0分成與位移線圖對應(yīng)的若干等份，得C1，C2，C3，各點，聯(lián)接OCl，OC2，OC3，各徑向線并延長，便得從動件導(dǎo)路在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置線。4沿各位置線自基圓向外量取ClB111，C2B222，C3B333，由此得尖頂從動件反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置Bl，B2，B3，。5將B1，B2，B3，聯(lián)接成光滑的曲線，即得到所求的凸輪輪廓曲線。2.2 滾子從動件 圖3-3 滾

36、子對心直動從動件盤形凸輪輪廓圖解設(shè)計圖3-3所示為滾子對心直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。由于滾子中心是從動件上的一個固定點，該點的運(yùn)動就是從動件的運(yùn)動，而滾子始終與凸輪輪廓保持接觸，沿法線方向的接觸點到滾子中心的距離恒等于滾子半徑rT，由此可得作圖步驟如下：1把滾子中心看作尖頂從動件的尖頂，按設(shè)計尖頂從動件凸輪輪廓的方法作出一條輪廓曲線0。0稱為凸輪的理論輪廓曲線，是滾子中心相對于凸輪的運(yùn)動軌跡。2以理論輪廓曲線0上的點為圓心，以滾子半徑rT為半徑作一系列滾子圓(取與基圓相同的長度比例尺)，再作這些圓的內(nèi)包絡(luò)線。稱為凸輪的實際輪廓曲線，是凸輪與滾子從動件直接接觸的輪廓(工作輪廓)。應(yīng)當(dāng)指出，凸輪的實

37、際輪廓曲線與理論輪廓曲線間的法線距離始終等于滾子半徑，它們互為等距曲線。此外，凸輪的基圓指的是理論輪廓線上的基圓。2.3凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)時，除了根據(jù)工作要求合理地選擇從動件運(yùn)動規(guī)律外，還必須保證從動件準(zhǔn)確地實現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律，且具有良好的傳力性能和緊湊的結(jié)構(gòu)。下面討論與此相關(guān)的幾個問題。2.3.1 滾子半徑的選擇 采用滾子從動件時，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臐L子半徑，要綜合考慮滾子的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及凸輪輪廓曲線的形狀等多方面的因素。為了減小滾子與凸輪間的接觸應(yīng)力和考慮安裝的可能性，應(yīng)選取較大的滾子半徑；但滾子半徑的增大，將影響凸輪的實際輪廓。1當(dāng)理論廓線內(nèi)凹時，如圖3-4a所示，實際輪廓的曲率

38、半徑，等于理論輪廓線曲率半徑與滾子半徑rT之和，即=+rT。此時，不論滾子半徑的大小，其實際輪廓線總可以作出。2當(dāng)理論輪廓線外凸時，=-rT。若rT，則0，如圖3-4b所示，實際輪廓線為一光滑曲線； 圖3-4 滾子半徑的選擇分析若rT，則0，如圖3-4c所示， 實際廓線出現(xiàn)尖點，尖點極易磨損，磨損后就會改變從動件原有的運(yùn)動規(guī)律：若rT，則15mm。在實際設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)時，一般可按基圓半徑rb來確定滾子半徑rT，通常取rT(0.10.5)rb。2.3.2 壓力角及其許用值圖3-5凸輪機(jī)構(gòu)受力分析圖3-5所示為尖頂對心直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)在推程某個位置的受力情況。FQ為作用在從動件上的載荷(包括工

39、作阻力、重力、彈簧力和慣性力等)。若不計摩擦，凸輪作用于從動件的力Fn。將沿接觸點的法線n-n方向，圖中角即為該位置的壓力角。Fn可分解為沿從動件運(yùn)動方向的有效分力F和垂直于導(dǎo)路方向的有害分力F，F(xiàn)使從動件壓緊導(dǎo)路而產(chǎn)生摩擦力，F(xiàn)推動從動件克服載荷FQ及導(dǎo)路間的摩擦力向上移動。其大小分別為 FFncos FFnsin顯然，角越小，有效分力F越大，凸輪機(jī)構(gòu)的傳力性能越好。反之，角越大，有效分力F越小，有害分力F越大，機(jī)構(gòu)的摩擦阻力增大、效率降低。當(dāng)增大到某一數(shù)值，有效分力F，會小于由F所引起的摩擦阻力，此時無論凸輪給從動件多大的作用力，都無法驅(qū)動從動件運(yùn)動，即機(jī)構(gòu)處于自鎖狀態(tài)。因此，為保證凸輪機(jī)

40、構(gòu)正常工作，并具有良好的傳力性能，必須對壓力角的大小加以限制。一般凸輪輪廓線上各點的壓力角是變化的，設(shè)計時應(yīng)使最大壓力角不超過許用壓力角。一般設(shè)計中，推程壓力角許用值推薦如下： 移動從動件30 擺動從動件45機(jī)構(gòu)在回程時，從動件實際上不是由凸輪推動，而是在鎖合力作用下返回的，發(fā)生自鎖的可能性很小。為減小沖擊和提高鎖合的可靠性，回程壓力角推薦許用值80。圖3-6壓力角的直接測量圖3-7偏置從動件可減少壓力角對平底從動件凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪對從動件的法向作用力始終與從動件的速度方向平行，故壓力角恒等于0，機(jī)構(gòu)的傳力性能最好。凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角max，一般出現(xiàn)在理論輪廓線上較陡或從動件最大速度的輪廓附近

41、。校驗壓力角時，可在此選取若干個點，作出這些點的壓力角，測量其大?。灰部捎脠D3-6所示的方法用萬能角度尺直接量取檢查。如果max，可采用增大基圓半徑或改對心凸輪機(jī)構(gòu)為偏置凸輪機(jī)構(gòu)的方法來進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到max的目的。如圖3-7所示，同樣情況下，偏置式凸輪機(jī)構(gòu)比對心式凸輪機(jī)構(gòu)有較小的壓力角，但應(yīng)使從動件導(dǎo)路偏離的方向與凸輪的轉(zhuǎn)動方向相反。若凸輪逆時針轉(zhuǎn)動，則從動件導(dǎo)路應(yīng)偏向軸心的右側(cè)；若凸輪順時針轉(zhuǎn)動，則從動件導(dǎo)路應(yīng)偏向軸心的左側(cè)。偏距的大小，一般取rb4。2.3.4 基圓半徑的選擇基圓半徑是凸輪設(shè)計中的一個重要參數(shù)，它對凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動性能、受力性能等都有重要影響。設(shè)計出凸輪輪廓后，為

42、確保傳力性能，通常需進(jìn)行推程壓力角的校核，檢驗是否滿足max的要求。圖3-8 諾蘭表1根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定rb。若凸輪與軸做成一體(凸輪軸)，rbr+rT+25mm；若凸輪單獨制造，rb(1.52)r+rT+25mm。式中，r為軸的半徑；rT為滾子半徑，若為非滾子從動件凸輪機(jī)構(gòu)，則上式中rT可不計。這是一種較為實用的方法，確定rb后，再對所設(shè)計的凸輪輪廓校核壓力角。2根據(jù)max，確定最小基圓半徑rbmin。對于對心直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，工程上已制備了幾種從動件基本運(yùn)動規(guī)律的諾模圖，如圖3-8所示。圖中上半圓的標(biāo)尺代表凸輪的推程運(yùn)動角0，下半圓的標(biāo)尺代表最大壓力角max，直徑標(biāo)尺代表各種運(yùn)動規(guī)律

43、的hrb值。由圖上0、max兩點連線與直徑的交點，可讀出相應(yīng)運(yùn)動規(guī)律的hrb值，從而確定最小基圓半徑rbmin?；鶊A半徑可按rbrbmin選取。 第四章 齒輪傳動 齒輪傳動依靠主動齒輪與從動齒輪的嚙合傳動來傳遞運(yùn)動和動力，是現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用最廣泛的一種傳動，具有適用范圍大，可實現(xiàn)任意兩軸間的傳動；效率高、傳動平穩(wěn)；傳動比準(zhǔn)確；工作安全可靠、壽命長；結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。本任務(wù)主要是學(xué)會齒輪傳動的特點、應(yīng)用分類；清楚齒輪嚙合的基本定律、齒輪漸開線；掌握漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪各部分的名稱、參數(shù)和幾何尺寸的含義。第一節(jié) 齒輪傳動概述1.1傳動的特點、應(yīng)用分類齒輪傳動是指用主、從動輪輪齒直接嚙合、傳遞運(yùn)動和動力的裝置

44、。在所有機(jī)械傳動中，齒輪傳動應(yīng)用最廣，可用來傳遞任意兩軸之間的運(yùn)動和動力。齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，適用的功率、速度和尺寸范圍大。例如，傳遞功率可以從很小至十幾萬千瓦，速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從一毫米至一百五十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動會產(chǎn)生噪聲。齒輪傳動的主要類型如圖4-1所示。(a) 外嚙合直齒圓柱齒輪傳動 (b) 斜齒圓柱齒輪傳動 圖4-2 齒廓嚙合基本定律示意圖圖4-1齒輪傳動的主要類型1.2嚙合基本定律對齒輪傳動的基本要求之一，就是保證瞬時傳動比i(i=1/2)等于一個恒定不變的值，即主動輪勻角速度轉(zhuǎn)動時，從動輪必須勻角速度轉(zhuǎn)

45、動。否則，由于從動輪角速度的變化，將產(chǎn)生慣性力。這種慣性力不僅影響齒輪的強(qiáng)度和壽命，而且還會引起機(jī)器的振動和噪聲，影響其工作精度。要保證瞬時傳動比恒定不變，對輪齒的齒廓形狀有一定的要求。如圖示4-2所示，齒輪1和齒輪2的角速度分別為1和2，當(dāng)齒廓在K點接觸時，過K點的兩齒廓的公法線N1N2與連線O1O2交于C點。兩齒廓上K的速度為 (a) 欲使兩齒廓不產(chǎn)生卡死或離開現(xiàn)象，則vk1和vk2在公法線N1N2上的分速度必須相等。即 (b)過O1、O2分別作N1、N2的垂線O1 N1和O2 N2，因為N1 O1 K =K1、N2 O2 K =K2，所以依式（a）、（b）和圖4-2可寫成 = = (c)

46、又因N1 O1C N2 O2 C，則上式又可寫成 = = （4-1）由上式可知，欲保證瞬時傳動比恒定不變，則比值應(yīng)為賞數(shù)。由于兩輪心連線O1O2為定長，為了滿足上述要求，C點（稱節(jié)點）必須為連心線上的定點。因此，兩齒廓形狀應(yīng)滿足如下條件：兩輪齒廓在任何位置接觸時，過接觸點時（稱嚙合點）的公法線必須與兩輪的連心線交于一個固定點C。兩齒廓形狀應(yīng)具有的這個條件稱為齒廓嚙合基本定律。凡滿足上述定律而互相嚙合的一對齒廓，稱為共軛齒廓。理論上的共軛齒廓形狀很多，但是為了滿足強(qiáng)度高、磨損小、壽命長、制造和安裝方便等要求，目前在機(jī)械制造業(yè)中采用的齒廓曲線有漸開線、擺線和圓弧線等。本章僅介紹漸開線齒輪傳動。1.

47、3漸開線齒廓1.3.1漸開線的形成和性質(zhì)如圖4-3所示，當(dāng)直線AB沿半徑b的圓作純滾動時，此直線上任意一點K的軌跡EKD稱為該圓的漸開線。該圓稱為基圓，直線AB稱為發(fā)生線。漸開線有下列性質(zhì)： 圖4-3 漸開線的形成 圖4-4 漸開線形狀與基圓的關(guān)系（1）發(fā)生線AB在基圓上滾過的線段長NK等于基圓上被滾過的弧長NE，即NK =NE；（2）由于發(fā)生線沿基圓作純滾動，所以線段NK為漸開線上K點的法線。由此可知，漸開線的法線必定與基圓相切。同時，NK又是點的曲率半徑，點為曲率中心，因此，漸開線上各點的曲率半徑是變化的，點離基圓越遠(yuǎn)，其曲率半徑越大，即漸開線形狀越平緩；（3）漸開線的形狀決定于基圓大小。

48、同一基圓上的漸開線形狀完全相同?；鶊A越大，漸開線越平直，當(dāng)基圓半徑為無窮大時，漸開線就成為直線（圖4-4）; （4）基圓以內(nèi)無漸開線；（5）漸開線上各點壓力角不同，離基圓越遠(yuǎn)，壓力角越大。如圖4-5所示，漸開線上點的速度vk與正壓力Fn間所夾的銳角K稱為K點的壓力角。由ONK知，cosK =rb/rk，式中rk為K點到輪心O的距離。因rb為定值，rk為變值。故k隨rk的增大而增大。在基圓上壓力角等于零。圖 4-5 漸開線齒廓上的壓力角3.2 漸開線齒廓嚙合特點漸開線齒輪傳動除滿足齒廓嚙合基本定律外，還有下列特點：（1）嚙合線為一直線 齒輪傳動時，兩齒廓嚙合點的軌跡稱為嚙合線，由前述可知，任何位

49、置的嚙合點必在兩輪基圓的內(nèi)公切線上，故漸開線齒輪傳動時的嚙合線為一直線（圖4-5所示的N1N 2線）；（2）嚙合角為常數(shù) 嚙合線與兩節(jié)圓的公切線之間所夾的銳角稱為嚙合角，用表示，如圖4-5所示。因嚙合線為一條固定直線，故嚙合角為一常數(shù)；（3）中心距具有可分離性 由于齒輪制造和安裝的誤差以及軸承磨損等原因，實際工作的齒輪中心距與設(shè)計中心距往往是不相等的。但由于漸開線齒輪的傳動比等于兩輪基圓半徑的反比，齒輪制成后，基圓大小是不變的。所以，中心距變化了，傳動比不變。這個性質(zhì)稱為漸開線齒輪傳動的可分離性。第二節(jié) 漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)和幾何尺寸計算2.1 齒輪各部分的名稱如圖4-6所示為漸開

50、線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的一部分，其各部分的名稱與符號如下。圖4-6 圓柱齒輪各部分的名稱齒頂圓 過齒輪各齒頂端的圓稱為齒頂圓，其直徑和半徑分別以da和ra表示。齒根圓 過齒輪各齒齒根底部的圓稱為齒根圓，其直徑和半徑分別以df和rf表示。齒槽寬、齒厚、齒距 齒輪上相鄰輪齒之間的空間，稱為齒槽；在半徑為rk 的任意圓周上，齒槽的兩側(cè)齒廓之間的弧長，稱該圓周上的齒槽寬，以ek表示；一個輪齒的兩側(cè)齒廓之間的弧長稱為該圓周上的齒厚，以sk表示；而相鄰兩輪齒同側(cè)齒廓之間的弧長，稱為該圓周上的齒距，以pk表示。顯然 （4-2）分度圓 在齒輪上所選擇的作為尺寸計算基準(zhǔn)的圓稱為分度圓，其直徑和半徑分別以d 和r表示。該圓上的所有尺寸和參數(shù)符號都不帶下標(biāo)K。顯然，s+e = p,所以有 （4-3）齒頂高、齒根高、全齒高 齒頂圓與分度圓之間的徑向距離稱為齒頂高，以ha表示；齒根圓與分度圓之間的徑向距離稱為齒根高，以hf表示；齒頂圓與齒根圓之間的徑向距離稱為全齒高，以h表示。顯然有 （4-4）基圓、法向齒距 形成漸開線齒輪齒廓的圓稱為該齒輪的基圓，其直徑和半徑分別用db和rb表示；基圓上的齒距稱為基圓齒距，以pb表示。相鄰兩輪齒同側(cè)齒廓之間的法向距離稱為法向齒距，即圖4-7中的pn。 由漸開線性質(zhì)可知，漸開線齒輪的基圓齒距和法向齒距相等，但通常法