任務(wù)１　 常用機械結(jié)構(gòu)組成、分析與設(shè)計

任務(wù)１常用機械結(jié)構(gòu)組成、分析與設(shè)計子任務(wù)１機械認知子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計返回子任務(wù)１機械認知１.１.１機械發(fā)展歷史機械是人類進行生產(chǎn)勞動的主要工具，也是社會生產(chǎn)力發(fā)展水平的重要標(biāo)志。人類從使用簡單工具到今天能夠設(shè)計和制造復(fù)雜的現(xiàn)代機械，經(jīng)歷了漫長的過程。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，品種繁多的機械進入了社會的各個領(lǐng)域，承擔(dān)了人力所不能或不便進行的工作，既減輕了人們的體力勞動，改善了勞動條件，又提高了生產(chǎn)效率。在我國，機械的創(chuàng)造、發(fā)展和使用有著悠久的歷史。夏商時代，人們發(fā)明了腳踏水車（見圖１－１－１），它是一條提水運輸鏈，并利用所運的水進行潤滑。在公元前５世紀(jì)，墨翟在所著的《墨經(jīng)》中就論述了杠桿原理及連桿碓舂米機構(gòu)采用的凸輪機構(gòu)（見圖１－１－２）；西漢時期，劉歆在《西京雜談》中論述了由齒輪機構(gòu)組成的指南車（見圖１－１－３）；下一頁返回子任務(wù)１機械認知東漢時期，張衡將杠桿機構(gòu)用于人類第一臺地動儀（候風(fēng)儀）上；杜詩發(fā)明了用水作為動力帶動水盤運轉(zhuǎn)并驅(qū)動風(fēng)箱煉鐵的連桿機械裝置（見圖1-1-４），成為現(xiàn)代機械的雛形；元朝時，人們利用曲柄、滑塊和飛輪制成了紡織機構(gòu)等。近代，由于外敵入侵，朝廷腐敗，閉關(guān)鎖國，長年戰(zhàn)亂，使我國機械工業(yè)發(fā)展停滯不前。１.１.２本課程的研究對象１.１.２.１機器和機構(gòu)所謂機械，就是機器與機構(gòu)的總稱，那么什么是機器和機構(gòu)呢？機器在人們的感性認識中早已形成，如蒸汽機、內(nèi)燃機、發(fā)電機、電梯、機器人及各種機床等。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知圖１－１－５所示為單缸內(nèi)燃機，它由氣缸體（機架）１、活塞２、連桿３、曲軸４、氣閥推桿５、凸輪軸６、大齒輪７和小齒輪８組成。當(dāng)燃燒的氣體膨脹時，推動活塞往復(fù)移動，通過連桿３使曲柄連續(xù)旋轉(zhuǎn)，齒輪、凸輪和推桿的作用是啟、閉進氣閥和排氣閥，以吸入燃氣和排除廢氣。這樣，各構(gòu)件協(xié)調(diào)地動作，就把熱能轉(zhuǎn)換為曲柄的機械能。內(nèi)燃機可視為由三種機構(gòu)組合而成。其中，由機架（氣缸體１）、活塞（滑塊）２、連桿３、曲柄４構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)，其作用是將活塞的往復(fù)移動轉(zhuǎn)換為曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動，是機器的主體部分；由機架（氣缸體１）和齒輪７、８組成齒輪機構(gòu)，其作用是改變轉(zhuǎn)速的大小和轉(zhuǎn)動方向；由機架（氣缸體１）、凸輪軸６和氣閥推桿５組成凸輪機構(gòu)，其作用是將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為推桿的往復(fù)移動。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知圖１－１－６所示為洗衣機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它由控制器、波輪、電動機、帶、減速器等部分組成。當(dāng)控制器有不同的程序輸入時，洗衣機就會完成相應(yīng)的動作指令。從以上兩個實例可以看出，機器是執(zhí)行機械運動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料與信息。盡管機器的品種繁多，形式多樣，用途各異，但都具有如下特征：（１）都是人為的各種實物的組合體；（２）組成機器的各種實物間具有確定的相對運動；（３）可代替或減輕人的勞動，有效地完成機械功或能量轉(zhuǎn)換。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知１.１.２.２零件與構(gòu)件機器是由若干個不同零件組裝而成的，零件是組成機器的基本要素，即機器的最小制造單元。各種機器經(jīng)常用到的零件稱為通用零件，如螺釘、螺母、軸、齒輪、彈簧等。在特定的機器中才會用到的零件稱為專用零件，如汽輪機中的葉片，起重機的吊鉤，內(nèi)燃機中的曲軸、連桿、活塞等。構(gòu)件是機器的運動單元，它可以是單一的零件，也可以是由若干個零件組成的剛性結(jié)構(gòu)。如圖１－１－７所示的內(nèi)燃機連桿，就是由連桿體１、螺栓２、螺母３、開口銷４、連桿蓋５、軸瓦６和軸套７等多個零件構(gòu)成的一個構(gòu)件。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械的概念得到了進一步的擴展。某些情況下，構(gòu)件不再是剛體，而是加入了柔性構(gòu)件，甚至氣體、液體等也可參與實現(xiàn)預(yù)期的機械運動。機器內(nèi)部包含了大量的控制系統(tǒng)和信息處理、傳遞系統(tǒng)。利用光電、電磁等物理效應(yīng)來實現(xiàn)能量傳遞、運動轉(zhuǎn)換或?qū)崿F(xiàn)動作的一類機構(gòu)，應(yīng)用也十分廣泛。例如，采用繼電器機構(gòu)實現(xiàn)電路的閉合與斷開；電話機采用磁開關(guān)機構(gòu)，提起受話器時，接通線路進行通話，當(dāng)受話器放到原位時，斷開線路結(jié)束通話。機器不僅能代替人的體力勞動，還可代替人的腦力勞動。除了工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的工業(yè)機器人以外，還有應(yīng)用于航空航天、水下作業(yè)、清潔、醫(yī)療以及家庭服務(wù)等領(lǐng)域的“服務(wù)型”機器人。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知１.１.３本課程的性質(zhì)與任務(wù)（１）本課程主要研究機械中的常用機構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、失效形式、基本的設(shè)計理論和計算方法；（２）通過本課程的學(xué)習(xí)，可具備設(shè)計簡單機械傳動裝置的能力，掌握設(shè)備的選購、正常使用和維護以及故障分析等方面的基本知識；（３）具有運用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等有關(guān)技術(shù)資料及編寫設(shè)計說明書的能力；（４）為學(xué)習(xí)機械類相關(guān)專業(yè)課打好理論基礎(chǔ)；（５）為機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)；（６）為現(xiàn)有機械的合理使用和革新改造打好基礎(chǔ)。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知１.１.４機械零件的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則１.１.４.１機械零件的失效形式對機器的設(shè)計要求是：在滿足預(yù)期功能的前提下，盡可能做到性能好、效率高、成本低；在預(yù)定的使用期限內(nèi)，做到安全可靠、操作方便、維修簡單以及造型美觀等。對于機械零件的主要要求是：要具有足夠的強度和剛度，有一定的耐磨性，無強烈振動以及具有耐熱性等。當(dāng)機械零件在預(yù)定的時間內(nèi)或規(guī)定的條件下，喪失其預(yù)定功能或預(yù)定功能指標(biāo)降低到許用值以下時，稱為失效。零件的主要損傷與失效形式有以下幾個方面：上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知（１）斷裂。當(dāng)零件承受過大載荷時，截面上的應(yīng)力超過零件材料的強度極限，從而導(dǎo)致零件斷裂。（２）表面失效。如磨損、表面接觸疲勞（點蝕）、膠合、壓潰、腐蝕等均屬于表面失效。（３）過量變形。當(dāng)機械零件承受載荷時，總要產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)彈性變形量超過允許量時，零件或機器就不能正常工作；當(dāng)嚴重過載時，還會產(chǎn)生塑性變形，不僅會導(dǎo)致零件的形狀和尺寸的改變，而且會破壞零件之間的配合關(guān)系，甚至導(dǎo)致零件喪失工作能力。（４）破壞正常工作條件而引起的失效。有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，如帶傳動只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作；高速轉(zhuǎn)動的零件只有在轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當(dāng)?shù)拈g隔時才能正常工作。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知１.１.４.２機械零件的設(shè)計準(zhǔn)則對機械零件的功能要求通常被視為衡量機械零件工作能力的準(zhǔn)則。為防止機械零件產(chǎn)生各種可能的失效，使之能夠安全、可靠地工作，在進行設(shè)計工作之前，首先擬定的以零件工作能力為計算依據(jù)的基本原則，稱為零件的設(shè)計準(zhǔn)則。同一種零件可能有多種不同的失效形式，那么對應(yīng)不同的失效形式就有不同的設(shè)計準(zhǔn)則。設(shè)計零件時，首先應(yīng)根據(jù)零件的失效形式確定其設(shè)計準(zhǔn)則以及相應(yīng)的設(shè)計計算方法。一般來講，有以下幾種準(zhǔn)則：１.強度準(zhǔn)則（整體強度和表面強度）要求機械零件的工作應(yīng)力σ不超過許用應(yīng)力［σ］。其典型的計算公式是：上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知２.剛度準(zhǔn)則剛度準(zhǔn)則要求零件受載荷后的彈性變形量不大于允許彈性變形量。剛度準(zhǔn)則的表達式為：ｙ≤［ｙ］；θ≤［θ］；φ≤［φ］３.振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則振動穩(wěn)定性是指機械零件在機器運轉(zhuǎn)時避免發(fā)生共振的性質(zhì)。振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則要求機械零件的固有頻率應(yīng)與激勵的頻率錯開，保證不發(fā)生共振，即要滿足ｆｐ＜０.８５ｆ或ｆｐ＞１.１５ｆ上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知４.耐磨性準(zhǔn)則耐磨性準(zhǔn)則要求零件的磨損量在預(yù)定期限內(nèi)不超過允許值。過度磨損會使零件的形狀和尺寸發(fā)生改變、配合間隙增大、精度降低，并產(chǎn)生沖擊振動。５.可靠性準(zhǔn)則可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。６.標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)化準(zhǔn)則是指對零件的特征參數(shù)以至其結(jié)構(gòu)尺寸、檢驗方法和制圖等的規(guī)范要求。標(biāo)準(zhǔn)化是縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要途徑。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知７.其他準(zhǔn)則設(shè)計機械零件時，在滿足上述要求的前提下，還應(yīng)力圖減小質(zhì)量，以減小材料消耗和慣性載荷并提高經(jīng)濟效益。還需考慮諸如耐高溫或低溫、耐腐蝕、表面裝飾和造型美觀等要求。１.１.５機械零件常用材料及其選用原則１.１.５.１機械零件的常用材料工程中，機械零件所使用的材料是多種多樣的，其中應(yīng)用最多最廣的還是金屬材料，尤其是黑色金屬材料。具體來說可分為以下幾種。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知１.鋼鋼主要有碳鋼、合金鋼、鑄鋼、鍛鋼等，其主要性能為強度很高，塑性較好，可承受很大載荷，且可進行熱處理以提高和改善其機械性能。２.鑄鐵鑄鐵主要有灰鑄鐵、球墨鑄鐵及特殊性能鑄鐵等，其主要性能為具有良好的鑄造、切削加工、抗磨、抗壓和減振性能，且價格低廉。３.有色金屬合金有色金屬合金主要有銅合金、鋁合金等，其主要性能為具有某些特殊性能，如良好的減摩性、耐腐蝕性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知４.非金屬材料非金屬材料主要有工程塑料、橡膠、石墨、木材、陶瓷等，根據(jù)其材料品種的不同，其具有一些特殊的性能，如良好的耐腐蝕性、絕緣性、耐磨性等。５.復(fù)合材料復(fù)合材料主要有纖維增強塑料、纖維增強金屬及復(fù)合材料等，其主要性能為質(zhì)量小、強度高、耐高溫能力強、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和電絕緣性良好。１.１.５.２機械零件常用材料的選用原則（１）使用要求。使用要求主要包括對機械性能、物理性能、化學(xué)性能和吸振性能等方面的要求，選擇時應(yīng)根據(jù)使用要求，滿足主要要求，兼顧一般要求。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知（２）制造工藝要求。應(yīng)使零件的制造加工方法簡便、易于實現(xiàn)，如鑄造件應(yīng)選擇熱熔狀態(tài)時具有易于流動等性能的材料。（３）經(jīng)濟性要求。在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量選用價格低廉的材料，同時還應(yīng)考慮到使用和維護簡便、費用低等問題。１.１.６機械零件設(shè)計的一般步驟機械零件在設(shè)計過程中一般采取以下幾個步驟：（１）根據(jù)機器的具體運轉(zhuǎn)情況和簡化的計算方案，確定零件的載荷。（２）根據(jù)材料的力學(xué)性能、物理性質(zhì)、經(jīng)濟因素及供應(yīng)情況等選擇零件的材料。上一頁下一頁返回子任務(wù)１機械認知（３）根據(jù)零件的工作能力準(zhǔn)則，確定零件的主要尺寸，并加以標(biāo)準(zhǔn)化或圓整。（４）根據(jù)確定的主要尺寸并結(jié)合結(jié)構(gòu)和工藝上的要求，繪制零件的工作圖。（５）零件工作圖是制造零件的依據(jù)，故應(yīng)對其進行嚴格的檢查，以提高工藝性，避免差錯，造成浪費。上一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.１運動副及其分類１.２.１.１運動副定義運動副是指兩構(gòu)件之間直接接觸并能產(chǎn)生一定相對運動的連接。例如，圓規(guī)兩個腳之間的連接、活塞與氣缸的連接、齒輪與齒輪間通過輪齒接觸構(gòu)成的連接等都構(gòu)成了運動副。按照相對運動的形式，運動副可分為平面運動副和空間運動副。１.２.１.２運動副分類平面運動副是指兩構(gòu)件只能在同一平面內(nèi)做相對運動的運動副。按兩構(gòu)件之間的接觸性質(zhì)，平面運動副可分為低副和高副。下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.低副低副是指兩構(gòu)件之間通過面接觸而形成的運動副。根據(jù)兩構(gòu)件之間的相對運動形式，低副可分為轉(zhuǎn)動副和移動副。其中，轉(zhuǎn)動副又稱為鉸鏈，是指兩構(gòu)件只能在同一平面內(nèi)做相對轉(zhuǎn)動的運動副，如圖１－２－３所示；移動副是指兩構(gòu)件只能沿著某一條直線做相對移動的運動副，如圖１－２－４所示。２.高副高副是指兩構(gòu)件之間通過點或線接觸而形成的運動副。如圖１－２－５（ａ）所示的凸輪與從動件和圖１－２－５（ｂ）所示的齒輪嚙合等均為高副。此外，常用的運動副還有如圖１－２－６（ａ）所示的球面運動副和圖１－２－６（ｂ）所示的螺旋運動副，它們都屬于空間運動副。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.２平面機構(gòu)運動簡圖機械的結(jié)構(gòu)和外形都很復(fù)雜，為便于進行分析和設(shè)計，在工程上通常不考慮構(gòu)件的外形、截面尺寸和運動副的實際結(jié)構(gòu)，只用規(guī)定的簡單線條與符號來表示機構(gòu)中的構(gòu)件和運動副，并按一定的比例畫出表示各運動副的相對位置及其相對運動關(guān)系的圖形，這種表示機構(gòu)各構(gòu)件之間相對運動關(guān)系的簡單圖形稱為機構(gòu)運動簡圖。１.２.２.１運動副的表示方法在平面機構(gòu)中，兩構(gòu)件組成的轉(zhuǎn)動副、移動副及高副的表示方法如表１－２－１所示，帶斜線的構(gòu)件為機架，對于高副需繪制出接觸處的輪廓線形狀或按標(biāo)準(zhǔn)符號繪制。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.２.２構(gòu)件的表示方法一些構(gòu)件的表示方法如圖１－２－７所示。需要注意的是畫構(gòu)件時應(yīng)撇開構(gòu)件的實際外形，而只考慮運動副的性質(zhì)，如圖１－２－８所示。常用機構(gòu)運動簡圖符號詳見表１－２－２。１.２.２.３平面機構(gòu)運動簡圖的繪制繪制平面機構(gòu)運動簡圖時，可按以下步驟進行繪制：（１）認真研究機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及動作原理，分清固定件，確定主動件。（２）沿著運動傳遞路線，分析兩構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，以確定運動副的類型和數(shù)目。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算（３）測量出運動副間的相對位置。（４）選擇運動簡圖的視圖平面和比例尺（μ＝實際尺寸（ｍ）／圖示長度（ｍｍ）），繪制機構(gòu)運動簡圖，并從運動件開始，按傳動順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號和運動副的代號。在原動件上標(biāo)出箭頭以表示其運動方向。１.２.３平面機構(gòu)自由度計算及具有確定運動的條件為了使所設(shè)計的機構(gòu)能夠運動并具有運動的確定性，必須研究機構(gòu)的自由度和機構(gòu)具有運動確定性的條件。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.３.１構(gòu)件的自由度在平面運動中，每一個獨立的構(gòu)件的運動均可分為三個獨立的運動，即沿ｘ軸和ｙ軸的移動及在ｘｏｙ平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。構(gòu)件的這三種獨立的運動稱為其自由度。所以，一個做平面運動的自由構(gòu)件有３個自由度，如圖１－２－１０所示。１.２.３.２運動副的約束當(dāng)兩構(gòu)件通過運動副連接，任一構(gòu)件的運動將受到限制，從而使其自由度減少，這種限制就稱為約束。每引入一個約束，構(gòu)件就減少一個自由度。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.３.３平面機構(gòu)自由度的計算所謂機構(gòu)自由度是指機構(gòu)相對于機架所具有的獨立運動數(shù)目。如果一個平面機構(gòu)有ｎ個活動構(gòu)件（機架除外），在未用運動副連接之前，這些活動構(gòu)件的自由度總數(shù)為３ｎ。當(dāng)用運動副將構(gòu)件連接起來組成機構(gòu)后，機構(gòu)中各構(gòu)件具有的自由度數(shù)則隨之減少。ＰＬ表示機構(gòu)中低副的數(shù)目，ＰＨ表示高副的數(shù)目，則機構(gòu)中全部運動副所引入的約束總數(shù)為２ＰＬ＋ＰＨ。因此，整個機構(gòu)的自由度應(yīng)為活動構(gòu)件的總數(shù)減去運動副引入的約束總數(shù)，又稱機構(gòu)的活動度，以Ｆ表示，即Ｆ＝３ｎ－２ＰＬ－ＰＨ（１－２－１）由平面機構(gòu)自由度的公式可知，機構(gòu)自由度Ｆ取決于活動構(gòu)件的數(shù)目以及運動副的類型（低副或高副）和數(shù)目。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.３.４機構(gòu)具有確定運動的條件顯然，機構(gòu)要想運動，它的自由度必須大于零，即Ｆ＞０。由于每個原動件具有一個自由度（如電動機轉(zhuǎn)子具有一個獨立轉(zhuǎn)動，內(nèi)燃機活塞具有一個獨立移動）。因此，當(dāng)機構(gòu)自由度等于１時，需要有一個原動件；當(dāng)機構(gòu)自由度等于２時，就需要有兩個原動件。也就是說，機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)的原動件數(shù)目必須等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。由于機構(gòu)原動件的運動是由外界給定的，屬已知條件，所以只需算出該機構(gòu)的自由度，就可判斷機構(gòu)的運動是否確定。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算１.２.３.５平面機構(gòu)自由度計算時的特殊情況計算平面機構(gòu)自由度時，必須注意下述幾種特殊情況：１.復(fù)合鉸鏈兩個以上構(gòu)件同時在一處用轉(zhuǎn)動副相連接則構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。如圖１－２－１３（ａ）所示，三個構(gòu)件在Ｂ處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。由圖１－２－１３（ｂ）可知，其由構(gòu)件３與４、２與４共組成兩個轉(zhuǎn)動副。同理，當(dāng)Ｋ個構(gòu)件用復(fù)合鉸鏈相連接時，其組成的回轉(zhuǎn)副數(shù)目應(yīng)等于（Ｋ－１）個。在計算機構(gòu)的自由度時，應(yīng)特別注意是否存在復(fù)合鉸鏈，并正確確定其運動副的數(shù)目。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算２.局部自由度機構(gòu)中常出現(xiàn)一種與整個機構(gòu)運動無關(guān)的自由度，稱為局部自由度或多余自由度，在計算機構(gòu)自由度時應(yīng)予以剔除。圖１－２－１４（ａ）所示為一滾子從動件凸輪機構(gòu)。當(dāng)原動件凸輪１轉(zhuǎn)動時，通過滾子２驅(qū)使從動件３以一定運動規(guī)律在機架４中做往復(fù)運動。不難看出，在這個機構(gòu)中，無論滾子２繞其軸是否轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動快慢，都絲毫不影響從動件３的運動。因此，滾子繞其中心的轉(zhuǎn)動是一個局部自由度。為了在計算機構(gòu)自由度時去掉這個局部自由度，可設(shè)想將滾子與從動件焊成一體（轉(zhuǎn)動副也隨之消失），如圖１－２－１４（ｂ）所示。此時ｎ＝２，ＰＬ＝２，ＰＨ＝１。該機構(gòu)的自由度為Ｆ＝３ｎ－２ＰＬ－ＰＨ＝３×２－２×２－１＝１上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算３.虛約束在運動副引入的約束中，有些約束對機構(gòu)自由度的影響是重復(fù)的，這些重復(fù)的約束稱為虛約束，應(yīng)當(dāng)除去不計。如圖１－２－１５（ａ）所示的機構(gòu)，其自由度為Ｆ＝３×４－２×６＝０如果構(gòu)件５不平行于構(gòu)件２和４，如圖１－２－１５（ｂ）所示，則ＥＦ′桿是真實約束，此時的自由度為零，即機構(gòu)不能動。除上述因運動軌跡重疊而產(chǎn)生的虛約束之外，在下述情況也會出現(xiàn)虛約束：（１）兩個構(gòu)件組成同一導(dǎo)路或多個導(dǎo)路平行的移動副，而只有一個移動副起作用，其余都是虛約束，如圖１－２－１６（ａ）所示。構(gòu)件１與構(gòu)件２組成三個移動副Ａ、Ｂ、Ｃ，有兩個虛約束，因為只需一個約束，壓板就能沿其導(dǎo)路運動。上一頁下一頁返回子任務(wù)２平面機構(gòu)運動簡圖及自由度計算（２）兩個構(gòu)件之間組成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副，而只有一個轉(zhuǎn)動副起作用，其余都為虛約束。如兩個軸承支承一根軸只能看作一個轉(zhuǎn)動副，如圖１－２－１６（ｂ）所示，構(gòu)件１只需一個轉(zhuǎn)動副的約束就能繞其軸線轉(zhuǎn)動。（３）機構(gòu)中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分。如圖１－２－１７所示的行星輪系，中心輪１通過三個完全相同的行星齒輪２、２′和２″驅(qū)動內(nèi)齒輪３，但２、２′或２″中只有一個齒輪起傳遞運動的獨立作用，另兩個沒有此作用，是虛約束。從以上分析可知，虛約束對機構(gòu)的運動不起作用，但它可以增強構(gòu)件的剛性和使構(gòu)件受力均衡，讓機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在計算機構(gòu)自由度時，必須考慮是否有虛約束，如有，應(yīng)除去。上一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計１.３.１鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式及演化１.３.１.１鉸鏈四桿機構(gòu)的基本形式當(dāng)四桿機構(gòu)各構(gòu)件之間以轉(zhuǎn)動副連接時，稱該機構(gòu)為鉸鏈四桿機構(gòu)，如圖１－３－３所示。在鉸鏈四桿機構(gòu)中，固定不動的桿４稱為機架；與機架相連的桿１與桿３稱為連架桿，其中能相對機架做整周回轉(zhuǎn)的連架桿稱為曲柄，僅能在某一角度范圍內(nèi)做往復(fù)擺動的連架桿稱為搖桿；連接兩連架桿的桿２稱為連桿，連桿２通常做平面復(fù)合運動。根據(jù)連架桿運動形式的不同，鉸鏈四桿機構(gòu)可分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙搖桿機構(gòu)三種基本型式。下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計１.曲柄搖桿機構(gòu)具有一個曲柄、一個搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)，如圖１－３－３所示。在曲柄搖桿機構(gòu)中，取曲柄１為主動件時，可將曲柄的連續(xù)等速轉(zhuǎn)動經(jīng)連桿２轉(zhuǎn)換為從動件搖桿３的變速往復(fù)擺動。取搖桿３為主動件時，可將搖桿的不等速往復(fù)擺動經(jīng)連桿２轉(zhuǎn)換為從動件曲柄１的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動。應(yīng)用：如圖１－３－４所示的雷達天線俯仰機構(gòu)。２.雙曲柄機構(gòu)具有兩個曲柄的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。雙曲柄機構(gòu)中，除普通雙曲柄四桿機構(gòu)（如圖１－３－５所示）以外，常見的還有平行四邊形機構(gòu)和逆平行四邊形機構(gòu)。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計（１）平行四邊形機構(gòu)：兩曲柄長度相等，且連桿與機架的長度也相等，呈平行四邊形，如圖１－３－６所示。平行雙曲柄機構(gòu)的運動特點是：當(dāng)主動曲柄１做等速轉(zhuǎn)動時，從動曲柄３會以相同的角速度沿同一方向轉(zhuǎn)動，連桿２則做平行移動。應(yīng)用：如圖１－３－７所示的機車車輪中采用的就是平行四邊形機構(gòu)。（２）逆平行四邊形機構(gòu)：兩曲柄長度相等，且連桿與機架的長度也相等，但轉(zhuǎn)向相反，如圖１－３－８所示。應(yīng)用：如圖１－３－９所示的公交車車門的開啟機構(gòu)。３.雙搖桿機構(gòu)鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩連架桿均為搖桿，則稱為雙搖桿機構(gòu)，如圖１－３－１０所示。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計應(yīng)用：如圖１－３－１１所示的鶴式起重機就采用了雙搖桿機構(gòu)。１.３.１.２鉸鏈四桿機構(gòu)的演化１.轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副如圖１－３－１２（ａ）所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)曲柄ＡＢ轉(zhuǎn)動時，搖桿ＣＤ上Ｃ點的軌跡是圓?。恚恚耶?dāng)搖桿長度越長時，曲線ｍｍ越平直。當(dāng)搖桿為無限長時，ｍｍ將成為一條直線，這時可把搖桿做成滑塊，轉(zhuǎn)動副Ｄ將演化成移動副，這種機構(gòu)稱為曲柄滑塊機構(gòu)，如圖１－３－１２（ｃ）所示。曲柄滑塊機構(gòu)根據(jù)滑塊移動導(dǎo)路到曲柄回轉(zhuǎn)中心之間的距離ｅ的有無又分為兩種：偏置曲柄滑塊機構(gòu)———ｅ不等于零，如圖１－３－１２（ｂ）所示；對心曲柄滑塊機構(gòu)———ｅ等于零，如圖１－３－１２（ｃ）所示。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計２.選取不同的構(gòu)件為機架首先來了解一個概念———低副運動的可逆性。所謂低副運動的可逆性就是指以低副相連接的兩構(gòu)件之間的相對運動關(guān)系，不會因取其中哪一個構(gòu)件為機架而改變，這一性質(zhì)稱為低副運動的可逆性。當(dāng)取不同的構(gòu)件為機架時，會得到不同的四桿機構(gòu)，如表１－３－１所示。３.變換構(gòu)件的形態(tài)演化前，圖１－３－１３所示為曲柄搖塊機構(gòu)，其中滑塊３繞Ｃ點做定軸往復(fù)擺動，構(gòu)件２為桿狀；演化后，圖１－３－１４所示為擺動導(dǎo)桿機構(gòu)。在設(shè)計機構(gòu)時，由于實際需要，改桿狀構(gòu)件２為塊狀構(gòu)件，改塊狀構(gòu)件３為桿狀構(gòu)件，稱構(gòu)件３為擺動導(dǎo)桿。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計４.擴大轉(zhuǎn)動副的尺寸演化前，圖１－３－１５所示為曲柄搖桿機構(gòu)；演化過程如圖１－３－１６所示。將曲柄１端部的轉(zhuǎn)動副Ｂ的半徑加大至超過曲柄１的長度，曲柄１變成一個幾何中心為Ｂ、回轉(zhuǎn)中心為Ａ的偏心圓盤，其偏心距ｅ即為原曲柄長。該機構(gòu)與原曲柄搖桿機構(gòu)的運動特性完全相同，其機構(gòu)運動簡圖也完全一樣。１.３.２鉸鏈四桿機構(gòu)的基本特性１.３.２.１鉸鏈四桿機構(gòu)存在曲柄的條件鉸鏈四桿機構(gòu)三種基本形式的主要區(qū)別在于是否存在曲柄和存在幾個曲柄，實質(zhì)取決于各桿的相對長度以及選取哪一桿作為機架。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計平面四桿機構(gòu)有曲柄的前提是其運動副中必有周轉(zhuǎn)副存在，所謂周轉(zhuǎn)副就是指能做整周相對運動的轉(zhuǎn)動副，故下面先來確定轉(zhuǎn)動副為周轉(zhuǎn)副的條件。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″，則周轉(zhuǎn)副存在的條件可表示為Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ≤Ｌ′＋Ｌ″。反之，機構(gòu)中無周轉(zhuǎn)副。曲柄是能繞機架做整周轉(zhuǎn)動的連桿架，由周轉(zhuǎn)副存在的條件不難得出鉸鏈四桿機構(gòu)曲柄存在的條件為：（１）最短桿與最長桿長度之和小于等于其余兩桿長度之和；（２）連架桿和機架中必有一桿為最短桿。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計１.３.２.２鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的判斷方法由以上條件可得出鉸鏈四桿機構(gòu)基本類型的判斷方法如下：（１）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（Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ≤Ｌ′＋Ｌ″）：①若最短桿的相鄰桿為機架，則機構(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)；②若最短桿為機架，則機構(gòu)為雙曲柄機構(gòu)；③若最短桿的對邊桿為機架，則機構(gòu)為雙搖桿機構(gòu)。（２）當(dāng)最短桿與最長桿長度之和大于其余兩桿長度之和（Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ＞Ｌ′＋Ｌ″）時，則不論取何桿為機架，機構(gòu)均為雙搖桿機構(gòu)。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計１.３.２.３急回特性在圖１－３－１８所示的曲柄搖桿機構(gòu)中，ＡＢ為曲柄是原動件并做等角速度轉(zhuǎn)動，ＢＣ為連桿，ＣＤ為搖桿，Ｃ１Ｄ位置為ＣＤ桿的初始位置，Ｃ２Ｄ為終止位置，搖桿在兩極限位置之間所夾角度稱為搖桿的擺角，用φ表示。如把進程平均速度定為ｖ１，空行程返回速度則為ｖ２，顯而易見，當(dāng)主動件曲柄ＡＢ以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動件搖桿ＣＤ往復(fù)擺動的平均速度不相等，從動件回程速度比進程速度快，這一性質(zhì)稱為機構(gòu)的急回特性。機構(gòu)急回特性的相對程度，可用行程速度變化系數(shù)Ｋ來表示上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計１.３.２.４壓力角和傳動角平面連桿機構(gòu)不僅要保證實現(xiàn)預(yù)定的運動要求，而且應(yīng)當(dāng)運轉(zhuǎn)效率高，并具有良好的傳力特性。通常用壓力角或傳動角表示連桿機構(gòu)的傳力特性，如圖１－３－１９所示。從動件Ｃ點力Ｆ的方向與Ｃ點的速度ｖＣ方向間所夾的銳角α，稱為壓力角，壓力角的余角γ稱為傳動角。Ｆ分解為兩個分力Ｆｔ和Ｆｒ：Ｆｔ＝Ｆｃｏｓα＝ＦｓｉｎγＦｒ＝Ｆｓｉｎα＝Ｆｃｏｓα顯然，壓力角越小，從動件運動的有效分力越大，機構(gòu)傳動的效率也越高，所以可用壓力角的大小來判斷機構(gòu)的傳力特性。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計對于偏置曲柄滑塊機構(gòu)，曲柄為主動件時，其傳動角γ為連桿與導(dǎo)路垂線所夾的銳角，因此，當(dāng)曲柄處于與偏距方向相反一側(cè)垂直導(dǎo)路的位置時出現(xiàn)γｍｉｎ，如圖１－３－２０所示。對于曲柄導(dǎo)桿機構(gòu)的傳動角，如圖１－３－２１所示，當(dāng)曲柄ＡＢ為主動件時，因滑塊對導(dǎo)路的作用力始終垂直于導(dǎo)桿，故其傳動角γ恒為９０°，這說明曲柄擺動導(dǎo)桿機構(gòu)具有良好的傳力性能。１.３.２.５死點位置在曲柄搖桿機構(gòu)中，若搖桿ＣＤ為主動件、曲柄ＡＢ為從動件，當(dāng)連桿ＢＣ與曲柄ＡＢ處于共線位置時，連桿ＢＣ與曲柄ＡＢ之間的傳動角γ＝０°，壓力角α＝９０°，這時搖桿ＣＤ經(jīng)連桿ＢＣ傳給從動件曲柄ＡＢ的力通過曲柄轉(zhuǎn)動中心Ａ，轉(zhuǎn)動力矩為零，從動件不轉(zhuǎn)，機構(gòu)停頓，機構(gòu)所處的這種位置稱為死點位置，有時把死點位置簡稱為死點，如圖１－３－２２所示。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計機構(gòu)存在死點位置是不利的，對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的機器，要想使機構(gòu)順利地通過死點位置，可采用如下方法：（１）利用從動件的慣性順利地通過死點位置。例如，家用縫紉機的踏板機構(gòu)中大帶輪就相當(dāng)于飛輪，利用其慣性通過死點，如圖１－３－２３所示。（２）采用錯位排列的方式順利地通過死點位置，如Ｖ型發(fā)動機，如圖１－３－２４所示。由于錯位排列的方式使兩機構(gòu)的死點位置互相錯開，因此，當(dāng)一個機構(gòu)處于死點位置時，另一機構(gòu)不存在死點位置，可使曲軸始終獲得有效力矩。死點位置在傳動中并不總是起消極作用。在實際工程中，不少場合也是利用死點位置來實現(xiàn)一定的功能。如圖１－３－２５所示的夾具，當(dāng)工件５被夾緊后，四桿機構(gòu)中的鉸鏈中心Ｂ、Ｃ、Ｄ處于同一條直線上，工件經(jīng)桿１傳給桿２、桿３的力通過回轉(zhuǎn)中心Ｄ，轉(zhuǎn)動力矩為０，桿３不會轉(zhuǎn)動，因此當(dāng)力去掉后仍能夾緊工件。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計１.３.３鉸鏈四桿機構(gòu)的運動設(shè)計實例１.３.３.１給定連桿三個位置設(shè)計四桿機構(gòu)已知條件：如圖１－３－２６所示，已知連桿ＢＣ的長度ｌ２及連桿的三個預(yù)定位置Ｂ１Ｃ１、Ｂ２Ｃ２、Ｂ３Ｃ３，要求確定四桿機構(gòu)的其余桿件的位置和尺寸。設(shè)計的關(guān)鍵是確定固定鉸鏈Ａ和Ｄ的位置，從而確定其他三桿的長度ｌ１、ｌ３、ｌ４。由于連桿３上Ｂ、Ｃ兩點的軌跡分別為以Ａ、Ｄ為圓心的圓弧，所以Ａ、Ｄ必分別位于Ｂ１Ｂ２、Ｂ２Ｂ３、Ｃ１Ｃ２、Ｃ２Ｃ３的垂直平分線上。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計其設(shè)計步驟如下：（１）選取適當(dāng)比例尺，按連桿長度及給定位置畫出Ｂ１Ｃ１、Ｂ２Ｃ２、Ｂ３Ｃ３。（２）分別連接Ｂ１和Ｂ２、Ｂ２和Ｂ３及Ｃ１和Ｃ２、Ｃ２和Ｃ３，作Ｂ１Ｂ２和Ｂ２Ｂ３的垂直平分線ｂ１２和ｂ２３及Ｃ１Ｃ２和Ｃ２Ｃ３的垂直平分線ｃ１２和ｃ２３，分別得交點Ａ和Ｄ，該兩點即是兩個連架桿的固定鉸鏈中心。連接ＡＢ１和Ｃ１Ｄ，ＡＢ１Ｃ１Ｄ即為所求的四桿機構(gòu)。１.３.３.２給定行程速比系數(shù)設(shè)計四桿機構(gòu)１.設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)已知條件：搖桿長度ｌ３、擺角φ和行程速度變化系數(shù)Ｋ。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計設(shè)計的關(guān)鍵是確定鉸鏈中心Ａ的位置，從而定出其他三桿尺寸ｌ１、ｌ２和ｌ４。其設(shè)計步驟如下：（１）由給定的行程速度變化系數(shù)Ｋ，求出極位夾角θ，即（２）取適當(dāng)比例尺，任意固定鉸鏈中心Ｄ的位置，根據(jù)搖桿長度ｌ３和擺角φ，作出搖桿的兩個極限位置Ｃ１Ｄ和Ｃ２Ｄ。（３）作DＣ１Ｃ２Ｏ＝DＣ２Ｃ１Ｏ＝９０°－θ，由三角形內(nèi)角和等于１８０°可知，DＣ１ＯＣ２＝２θ。上一頁下一頁返回子任務(wù)３平面連桿機構(gòu)及其設(shè)計（４）以Ｏ為圓心、ＯＣ１為半徑作圓，在圓周（Ｃ１Ｃ２除外）上任取一點Ａ作為曲柄鉸鏈中心。連接ＡＣ１和ＡＣ２，便得曲柄與連桿的兩個共線位置。圓周角DＣ１ＡＣ２＝１／２DＣ１ＯＣ２＝θ。（５）因ＡＣ１＝ｌ２－ｌ１，ＡＣ２＝ｌ２＋ｌ１，從而得曲柄長度ｌ１＝１／２（ＡＣ２－ＡＣ１）。再以Ａ為圓心、ｌ１為半徑作圓，交Ｃ１Ａ的延長線于Ｂ１，交Ｃ２Ａ于Ｂ２，即得Ｂ１Ｃ１＝Ｂ２Ｃ２＝ｌ２及ＡＤ＝ｌ４，如圖１－３－２８所示。由于Ａ點可以在以Ｏ為圓心、ＯＣ１為半徑的圓周上適當(dāng)范圍內(nèi)任意選取，所以可得到無窮多解。Ａ點位置不同，機構(gòu)傳動角大小也不同。為了獲得良好的傳動質(zhì)量，可按照最小傳動角或其他輔助條件確定Ａ點的位置，如圖１－３－２８所示。上一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.１凸輪機構(gòu)的組成和類型１.４.１.１凸輪機構(gòu)的組成凸輪機構(gòu)一般由主動件凸輪、從動件和機架組成。其作用是將凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動或移動轉(zhuǎn)換為從動件的連續(xù)或不連續(xù)的移動或擺動。與連桿機構(gòu)相比，凸輪機構(gòu)便于準(zhǔn)確地實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，但由于凸輪與從動件構(gòu)成的高副是點接觸或線接觸，所以易磨損。另外，高精度凸輪機構(gòu)的設(shè)計和制造也比較困難。圖１－４－２所示為自動車床靠模機構(gòu)。拖板帶動從動件２沿靠模凸輪１的輪廓運動，刀刃走出手柄外形軌跡。圖１－４－３所示為自動機床進刀機構(gòu)。圖中具有曲線凹槽的構(gòu)件叫作凸輪，當(dāng)它等速回轉(zhuǎn)時，用其曲線形溝槽驅(qū)動從動擺桿２繞固定點Ｏ做往復(fù)擺動，通過扇形齒輪和固接在刀架３上的齒條控制刀具進刀和退刀，刀架運動規(guī)律則取決于凸輪１上曲線凹槽的形狀。下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.１.２凸輪機構(gòu)的類型凸輪機構(gòu)的形式多種多樣，常用的分類方法有以下幾種：１.按凸輪的形狀分類（１）盤形凸輪。如圖１－４－１所示，凸輪呈盤狀，并且具有變化的向徑。當(dāng)其繞固定軸轉(zhuǎn)動時，可推動從動件在垂直于凸輪轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)運動。它是凸輪最基本的形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛的特點。（２）移動凸輪。當(dāng)盤形凸輪的轉(zhuǎn)動中心位于無窮遠處時，就演化成了如圖１－４－２所示的凸輪，這種凸輪稱為移動凸輪，凸輪呈板狀，它相對于機架做直線往復(fù)運動。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計（３）圓柱凸輪。如圖１－４－３所示，凸輪的輪廓曲線作在圓柱體上。它可以看作是把上述移動凸輪卷成圓柱體演化而成的。在盤形凸輪和移動凸輪機構(gòu)中，凸輪與從動件之間的相對運動均為平面運動，故稱為平面凸輪機構(gòu)。在圓柱凸輪機構(gòu)中，凸輪與從動件之間的相對運動是空間運動，故稱為空間凸輪機構(gòu)。２.按從動件形狀分類（１）尖頂從動件。如圖１－４－４（ａ）所示，從動件的尖頂能夠與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。這種從動件結(jié)構(gòu)簡單，但尖頂處易磨損，故只適用于速度較低和傳力不大的場合。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計（２）滾子從動件。如圖１－４－４（ｂ）所示，從動件端部裝有可以自由轉(zhuǎn)動的滾子，借以減少摩擦和磨損，能傳遞較大的動力。但其端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大，不易潤滑，故不適用于高速凸輪機構(gòu)中。（３）平底從動件。如圖１－４－４（ｃ）所示，當(dāng)不計摩擦?xí)r，凸輪對從動件的驅(qū)動力垂直于平底，其有效分力較大，凸輪與從動件之間為線接觸，接觸處易形成油膜，潤滑狀況好，故常應(yīng)用于高速凸輪機構(gòu)中。但平底從動件不適用于輪廓曲線有內(nèi)凹的凸輪。３.按從動件的運動形式分類無論凸輪與從動件形狀如何，就從動件運動形式而言只有兩種：（１）移動從動件。如圖１－４－１和圖１－４－２所示，從動件做往復(fù)移動。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計（２）擺動從動件。如圖１－４－３和圖１－４－４（ｂ）所示，從動件做往復(fù)擺動。４.按凸輪與從動件維持高副接觸的方法分類為保證凸輪機構(gòu)正常工作，必須保證凸輪輪廓與從動件始終維持高副接觸。根據(jù)維持高副接觸的方法不同，凸輪機構(gòu)又可以分為以下兩類：（１）力封閉型凸輪機構(gòu)。力封閉型凸輪機構(gòu)是指利用重力、彈簧力或其他外力使從動件與凸輪輪廓始終保持接觸的凸輪機構(gòu)。如圖１－４－１所示，就是利用彈簧力維持高副接觸的實例。（２）形封閉型凸輪機構(gòu)。所謂形封閉型凸輪機構(gòu)，是指利用高副元素本身的幾何形狀使從動件與凸輪輪廓始終保持接觸。如圖１－４－５所示，凸輪曲線做成凹槽，從動件的滾子置于凹槽中。依靠凹槽兩側(cè)的輪廓使從動件在凸輪運動過程中始終保持接觸。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.２從動件常用運動規(guī)律１.４.２.１凸輪與從動件的運動關(guān)系圖１－４－６所示為尖頂移動從動件盤形凸輪，以凸輪輪廓最小向徑ｒｂ為半徑所作的圓稱為基圓，從動件與基圓接觸時處于“最低”位置。圖１－４－６（ａ）中尖頂與基圓上Ａ點的接觸處為從動件上升的起始位置。當(dāng)凸輪以等角速度ω逆時針轉(zhuǎn)過δｔ角時，從動件尖頂與凸輪輪廓ＡＢ段接觸并按某一運動規(guī)律上升ｈ至最高位置Ｂ′，這個過程稱為推程，δｔ稱為推程運動角。凸輪轉(zhuǎn)過δｓ角時，從動件與凸輪輪廓ＢＣ段接觸，并在最高處靜止不動，這個過程稱為遠程休止過程，δｓ稱為遠休止角。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.２.２從動件常用的運動規(guī)律從動件運動規(guī)律是指從動件位移、速度及加速度與凸輪轉(zhuǎn)角（或時間）的關(guān)系。通常把位移、速度、加速度隨轉(zhuǎn)角（或時間）的變化曲線稱為從動件運動線圖，如圖１－４－６（ｂ）所示。常用從動件運動規(guī)律主要有以下幾種。１.等速運動規(guī)律凸輪角速度ω為常數(shù)時，從動件速度ｖ不變，稱為等速運動規(guī)律。位移方程可表達為圖１－４－７所示為其推程運動的位移線圖、速度線圖及加速度線圖。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計２.等加速、等減速運動規(guī)律所謂等加速、等減速運動規(guī)律，即從動件在推程或回程的前半個行程采用等加速運動，后半個行程采用等減速運動，兩部分加速度的絕對值相等。對前半個行程，其位移方程為：圖１－４－８所示為其前半個行程的位移線圖、速度線圖及加速度線圖。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計３.余弦加速度運動規(guī)律余弦加速度運動規(guī)律的加速度曲線為１／２個周期的余弦曲線，位移曲線為簡諧運動曲線（又稱簡諧運動規(guī)律），位移方程為：圖１－４－９所示為其位移線圖、速度線圖及加速度線圖。從以上的運動線圖中，我們可以看出幾種常用運動規(guī)律的特點。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１）等速運動規(guī)律等速運動規(guī)律其速度曲線不連續(xù)，從動件在運動起始和終止時速度有突變，此時加速度在理論上由零瞬間變?yōu)闊o窮大，從而使從動件突然產(chǎn)生理論上無窮大的慣性力。雖然實際上由于材料具有彈性，加速度和慣性力不至于達到無窮大，但仍會使機構(gòu)產(chǎn)生強烈沖擊，這種沖擊稱為剛性沖擊。這種運動規(guī)律適用于輕載、低速的場合。２）等加速、等減速運動規(guī)律等加速、等減速運動規(guī)律其速度曲線連續(xù)，故不會產(chǎn)生剛性沖擊，但其加速度曲線在運動的起始、中間和終止位置不連續(xù)，加速度有突變，這種加速度有限值突變引起的沖擊稱為柔性沖擊。它比剛性沖擊小得多，因此這種運動規(guī)律適用于中速凸輪機構(gòu)。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計３）余弦加速度運動規(guī)律余弦加速度運動規(guī)律其速度曲線連續(xù)，故不會產(chǎn)生剛性沖擊，但其加速度曲線在運動的起始位置不連續(xù)，加速度有突變，會產(chǎn)生柔性沖擊，一般用于中速中載的場合。但當(dāng)從動件做無停歇升—降—升連續(xù)運動時，加速度曲線變成連續(xù)曲線，可用于高速場合。凸輪機構(gòu)的其他常用運動規(guī)律可參閱有關(guān)資料。１.４.３圖解法設(shè)計凸輪輪廓當(dāng)根據(jù)工作要求選定了凸輪機構(gòu)的類型和從動件的運動規(guī)律后，可根據(jù)其他必要的給定條件，進行凸輪輪廓曲線的設(shè)計。凸輪輪廓曲線的設(shè)計方法有圖解法和解析法。圖解法簡便、直觀，但精度有限，適用于低速和對從動件運動規(guī)律要求不太嚴格的凸輪機構(gòu)。對高速或高精度的凸輪，則須采用解析法設(shè)計。下面主要介紹圖解法。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.３.１凸輪輪廓曲線設(shè)計的基本原理凸輪機構(gòu)工作時，凸輪與從動件都是運動的，而繪制在圖樣上的凸輪是靜止的，為此，繪制凸輪輪廓曲線時常采用反轉(zhuǎn)法。如圖１－４－１０所示，設(shè)凸輪繞軸Ｏ以等角速度ω順時針轉(zhuǎn)動。１.尖頂對心移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制移動從動件盤形凸輪機構(gòu)中，從動件導(dǎo)路通過凸輪轉(zhuǎn)動軸心，稱為對心移動從動件盤形凸輪機構(gòu)。設(shè)已知某尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)的凸輪按順時針方向轉(zhuǎn)動，從動件中心線通過凸輪回轉(zhuǎn)中心，從動件尖頂距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最小距離為３０ｍｍ。當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動時，在０°～９０°范圍內(nèi)從動件勻速上升２０ｍｍ，在９０°～１８０°范圍內(nèi)從動件停止不動，在１８０°～３６０°范圍內(nèi)從動件勻速下降至原處。試繪制此凸輪輪廓曲線。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計作圖步驟如下：（１）選擇適當(dāng)?shù)谋壤擀蹋?，取橫坐標(biāo)軸表示凸輪的轉(zhuǎn)角δ，縱坐標(biāo)軸表示從動件的位移ｓ。（２）按區(qū)間等分位移曲線的橫坐標(biāo)軸。確定從動件的相應(yīng)位移量。在位移曲線橫坐標(biāo)軸上，將０°～９０°升程區(qū)間分成３等份，將１８０°～３６０°回程區(qū)間分成６等份（９０°～１８０°休止區(qū)間無須等分），并過這些等分點分別作垂線１－１′，２－２′，３－３′，…，９－９′，這些垂線與位移曲線相交所得的線段，就代表相應(yīng)位置從動件的位移量ｓ，即ｓ１＝１－１′，ｓ２＝２－２′，ｓ３＝３－３′，…，ｓ９＝９－９′，如圖１－４－１１（ａ）所示。（３）作基圓，作各區(qū)間的相應(yīng)等分角線。以Ｏ為圓心，以ＯＡ０＝３０ｍｍ為半徑，按已選定的比例尺作圓，此圓稱為基圓，如圖１－４－１１（ｂ）所示。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計（４）繪制凸輪輪廓曲線。在基圓各等分角線的延長線上截取相應(yīng)線段Ａ１Ａ′１＝ｓ１，Ａ２Ａ′２＝ｓ２，Ａ３Ａ′３＝ｓ３，…，Ａ９Ａ′９＝ｓ９，得Ａ′１，Ａ′２，Ａ′３，…，Ａ′９各點，將這些點連成一光滑曲線，即為所求的凸輪輪廓曲線，如圖１－４－１１（ｂ）所示。２.滾子對心移動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制繪制滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線可分為兩步：（１）把從動件滾子中心作為從動件的尖頂，按照尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制方法，繪制凸輪輪廓曲線Ｂ，該曲線稱為理論輪廓曲線，如圖１－４－１２所示。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計（２）以理論輪廓曲線上的各點為圓心，以已知滾子半徑為半徑作一簇滾子圓，再作這些圓的光滑內(nèi)切曲線Ｃ（包絡(luò)線），即得該滾子從動件盤形凸輪的工作輪廓曲線（見圖１－４－１２）。在作圖時，為了更精確地定出工作輪廓曲線，在理論輪廓曲線的急劇轉(zhuǎn)折處應(yīng)畫出較多的滾子小圓。３.偏置式尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制圖１－４－１３所示為偏置式尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，其從動件導(dǎo)路偏離凸輪回轉(zhuǎn)中心的距離ｅ稱為偏距。以Ｏ為圓心、偏距ｅ為半徑所作的圓稱為偏距圓。從動件在翻轉(zhuǎn)過程中，其導(dǎo)路中心線必然始終與偏距圓相切。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計４.擺動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制圖１－４－１４所示為一尖底擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)。設(shè)已知條件：從動件運動規(guī)律Ψ—φ角位移線圖（見圖１－４－１４（ｂ）），凸輪基圓半徑ｒｂ，凸輪與擺動從動件的中心距為ｌＯＡ，擺桿長度為ｌＡＢ，凸輪以等角速度ω逆時針轉(zhuǎn)動，推程時從動件做順時針擺動。根據(jù)翻轉(zhuǎn)法，其輪廓曲線的作圖步驟如下：（１）選取適當(dāng)比例尺μｌ。根據(jù)給定的ｌＯＡ定出Ｏ，Ａ０的位置；以Ｏ為圓心、ｒｂ為半徑作基圓；再以Ａ０為圓心、ｌＡＢ為半徑作圓弧交基圓于Ｂ０點，該點即是從動件尖頂?shù)钠鹗嘉恢?。注意，若要求從動件在推程中逆時針擺動，則Ｂ０應(yīng)在ＯＡ０的下方。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計（２）以Ｏ為圓心、ＯＡ０為半徑作圓。自ＯＡ０開始，沿“－ω”方向依次取φ、φ′、φ′ｓ，并將φ、φ′分成與角位移線圖對應(yīng)的若干等份，得Ａ１、Ａ２、Ａ３…各點，便得到從動件回轉(zhuǎn)中心在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置點。（３）作DＯＡ１Ｂ１、DＯＡ２Ｂ２、DＯＡ３Ｂ３…，分別等于從動件相應(yīng)位置的擺角Ψ１＋Ψ０、Ψ２＋Ψ０、Ψ３＋Ψ０…，得到點Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３…，各角邊Ａ１Ｂ１、Ａ２Ｂ２、Ａ３Ｂ３的長度都等于ｌＡＢ。（４）將Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３…連接成光滑的曲線，即得到所求的凸輪輪廓曲線。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.３.２凸輪設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題在設(shè)計凸輪機構(gòu)時，必須保證凸輪工作輪廓滿足以下要求：（１）從動件在所有位置都能準(zhǔn)確地實現(xiàn)給定的運動規(guī)律；（２）機構(gòu)傳力性能要好，不能自鎖；（３）凸輪結(jié)構(gòu)尺寸要緊湊。這些要求與滾子半徑、壓力角、凸輪基圓半徑等因素有關(guān)。１.滾子半徑的選擇當(dāng)采用滾子從動件時，要注意滾子半徑的選擇。滾子半徑選擇不當(dāng)，會使從動件不能實現(xiàn)給定的運動規(guī)律，這種情況稱為運動失真。如圖１－４－１５（ａ）所示，當(dāng)滾子半徑ｒＴ大于理論輪廓曲率半徑ρ時，包絡(luò)線會出現(xiàn)自相交叉的現(xiàn)象。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計圖１－４－１５（ａ）中的陰影部分在制造時不可能制出，造成從動件不能處于正確位置，致使從動件運動失真。避免產(chǎn)生這種情況的方法是：保證凸輪理論輪廓最小曲率半徑ρｍｉｎ大于滾子半徑ｒＴ，如圖１－４－１５（ｂ）所示，這時包絡(luò)線不自交。通常ｒＴ＜（ρｍｉｎ－３）ｍｍ，對于一般的自動機械，?。颍裕剑保啊玻担恚?。２.凸輪機構(gòu)的壓力角如圖１－４－１６（ａ）所示，凸輪機構(gòu)的壓力角是指凸輪對從動件的法向力Ｆｎ（沿法線ｎ—ｎ方向）與該力作用點速度ｖ方向所夾的銳角α，凸輪輪廓上各點的壓力角是不同的。凸輪機構(gòu)壓力角的測量，可按圖１－４－１６（ｂ）所示的方法，用量角器直接量取。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計３.凸輪的基圓半徑基圓半徑ｒｂ是凸輪的主要尺寸參數(shù)，從避免運動失真、降低壓力角的要求來看，ｒｂ值大比較好；但是從結(jié)構(gòu)緊湊來看，ｒｂ值小比較好?；鶊A半徑的確定可按運動規(guī)律、許用壓力角由諾謨圖求得。另外，對于凸輪與軸做成一體的凸輪軸結(jié)構(gòu)，凸輪工作輪廓的最小半徑（ｒｂ－ｒＴ）應(yīng)比軸的半徑大２～５ｍｍ；對于凸輪與軸分開做的結(jié)構(gòu)，（ｒｂ－ｒＴ）應(yīng)比輪轂半徑大３０％～６０％。上一頁下一頁返回子任務(wù)４凸輪機構(gòu)及其設(shè)計１.４.４凸輪常用材料及結(jié)構(gòu)１.４.４.１凸輪常用材料凸輪