機(jī)械原理教案

機(jī)械原理電子教案

第一章緒論

根本要求:

1.明確機(jī)械原理課程的研究對象和內(nèi)容，以及學(xué)習(xí)本課程的目的。

2.了解機(jī)械原理在培養(yǎng)機(jī)械類高級工程技術(shù)人才全局中的地位、任務(wù)和作用。

3.了解機(jī)械原理學(xué)科的開展趨勢。

教學(xué)內(nèi)容:

1.機(jī)械原理課程的研究對象

2.機(jī)械原理課程的研究內(nèi)容

3.機(jī)械原理課程的地位及學(xué)習(xí)本課程的目的

4.機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)方法

重點(diǎn)難點(diǎn):

本章的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是機(jī)械原理課程的研究對象和內(nèi)容，機(jī)器、機(jī)構(gòu)和機(jī)械的概念，機(jī)器

和機(jī)構(gòu)的用途以及區(qū)別；了解機(jī)械原理課程的性質(zhì)和特點(diǎn)。

1.1機(jī)械原理課程的研究對象

機(jī)械是人類用以轉(zhuǎn)換能量和借以減輕人類勞動(dòng)、提高生產(chǎn)率的主要工具，也是社會(huì)生

產(chǎn)力開展水平的重要標(biāo)志。機(jī)械工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱工業(yè)之一。當(dāng)今社會(huì)高度的物質(zhì)文

明是以近代機(jī)械工業(yè)的飛速開展為根底建立起來的，人類生活的不斷改善也與機(jī)械工業(yè)的

開展緊密相連。機(jī)械原理(TheoryofMachinesandMechanisms)是機(jī)器和機(jī)構(gòu)理論的簡稱。

它以機(jī)器和機(jī)構(gòu)為研究對象，是一門研究機(jī)構(gòu)和機(jī)器的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力設(shè)計(jì)，以及機(jī)械運(yùn)

動(dòng)方案設(shè)計(jì)的技術(shù)根底課。

機(jī)器的種類繁多，如內(nèi)燃機(jī)、汽車、機(jī)床、縫紉機(jī)、機(jī)器人、包裝機(jī)等，它們的組成、功

用、性能和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)各不相同。機(jī)械原理是研究機(jī)器的共性理論，必須對機(jī)器進(jìn)行概括和

抽象內(nèi)燃機(jī)與機(jī)械手的構(gòu)造、用途和性能雖不相同，但是從它們的組成、運(yùn)動(dòng)確定性及

功能關(guān)系看，都具有一些共同特征：

(1)人為的實(shí)物(機(jī)件)的組合體。

(2)組成它們的各局部之間都具有確定的相對運(yùn)動(dòng)。

(3)能完成有用機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能。

凡同時(shí)具備上述3個(gè)特征的實(shí)物組合體就稱為機(jī)器

內(nèi)燃機(jī)和送料機(jī)械手等機(jī)器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，如何分析和設(shè)計(jì)這類復(fù)雜的機(jī)器呢？我們可

以采取“化整為零”的思想，即首先將機(jī)器分成幾個(gè)局部，對其局部進(jìn)行分析。機(jī)構(gòu)是傳遞

運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的實(shí)物組合體。最常見的機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)

構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)、開式鏈機(jī)構(gòu)等。它們的共同特征是：

(1)人為的實(shí)物(機(jī)件)的組合體。

(2)組成它們的各局部之間都具有確定的相對運(yùn)動(dòng)。

可以看出，機(jī)構(gòu)具有機(jī)器的前兩個(gè)特征。機(jī)器是由各種機(jī)構(gòu)組成的，它可以完成能量的轉(zhuǎn)

換或做有用的機(jī)械功：而機(jī)構(gòu)那么僅僅起著運(yùn)動(dòng)傳遞和運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換的作用°在開發(fā)設(shè)計(jì)

新型機(jī)器時(shí)，我們采用“積零為整”的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)機(jī)器要完成的工藝動(dòng)作和工作性能，

選擇已有機(jī)構(gòu)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)，構(gòu)造新型機(jī)器。內(nèi)燃機(jī)就是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(由活塞、連

桿、曲軸和機(jī)架組成)、凸輪機(jī)構(gòu)(由凸輪、頂桿和機(jī)架組成)和齒輪機(jī)構(gòu)等組成。

隨著科學(xué)技術(shù)的開展，機(jī)械概念得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展：

1.某些情況下，機(jī)件不再是剛體，氣體、液體等也可參與實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。我們將利

用液、氣、聲、光、電、磁等工作原理的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為廣義機(jī)構(gòu)。由于利用了一些新的工作

介質(zhì)和工作原理.，較傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)更能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的轉(zhuǎn)換，并能實(shí)現(xiàn)某些傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)

難以完成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

利用液體、氣體作為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，分別稱為液壓機(jī)構(gòu)和氣

動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建筑、交通運(yùn)輸和輕工等行業(yè)。利用光電、電磁物

理效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞或運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換或?qū)崿F(xiàn)動(dòng)作的一類機(jī)構(gòu)，應(yīng)用也十分廣泛。例如，采用

繼電器機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路的閉合與斷開；機(jī)采用磁開關(guān)孔構(gòu)，提起受話器時(shí)，接通線路進(jìn)行

逍話，當(dāng)受話器放到原位時(shí)斷路。

2.機(jī)器內(nèi)部包含了大量的挖制系統(tǒng)和信息處理、傳遞系統(tǒng)。

3.機(jī)器不僅能代替人的體力勞動(dòng)，還可代替人的腦力勞動(dòng)。除了工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的工

業(yè)機(jī)器人，還有應(yīng)用在航空航天、水下作業(yè)、清潔、醫(yī)療以及家庭效勞等領(lǐng)域的“效勞型”

機(jī)器人。例如Sony公司新近推出的SDR-3X娛樂機(jī)器人。

1.2研究內(nèi)容

機(jī)械原理課程的研究內(nèi)容分為以下三局部：

(1)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

主要研究機(jī)構(gòu)的組成原理以及各種機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)、功用和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方法。通過機(jī)構(gòu)類

型綜合，探索創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的途徑。主要內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)的組成和機(jī)構(gòu)分析、連桿機(jī)構(gòu)、凸

輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等一些常用的機(jī)構(gòu)及組合方式，闡述滿足預(yù)期運(yùn)動(dòng)和工

作要求的各種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和方法。

(2)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)計(jì)

主要介紹機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所出現(xiàn)的假設(shè)干動(dòng)力學(xué)問題，以及如何通過合理設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)改善

機(jī)械動(dòng)力性能的途徑。主要包括求解在力作用下機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法、減少機(jī)械速

度波動(dòng)的調(diào)節(jié)問題、機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的平衡問題、以及機(jī)械效率和摩擦問題。

(3)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主要介紹機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。主要內(nèi)容包括

機(jī)械總體方案的設(shè)計(jì)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

通過對機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握對已有的機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析的方法，以

及根據(jù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能方面的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)新機(jī)械的途徑和方法。

1.3機(jī)械原理課程的地位和作用

機(jī)械原理是以高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)及理論力學(xué)等根底課程為根底的，研究各種機(jī)械所具

有的共性問題；它又為以后學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)和有關(guān)機(jī)械工程專業(yè)課程以及掌握新的科學(xué)技術(shù)

成就打好工程技術(shù)的理論根底。因此，機(jī)械原理是機(jī)械類各專業(yè)的一門非常重要的技術(shù)根

底課，它是從根底理論課到專業(yè)課之間的橋梁，是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育的

最根本的課程。在教學(xué)中起著承上啟下的作用，占有非常重要的地位。

其目的在于培養(yǎng)學(xué)生以下幾點(diǎn)：

1.掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的根本理論和根本技能，并具有擬定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案、

分析和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的能力，為學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械類有關(guān)專業(yè)課及掌握新的科學(xué)技術(shù)打好工

程技術(shù)的理論根底。

2.掌握機(jī)構(gòu)和機(jī)器的設(shè)計(jì)方法和分析方法，為現(xiàn)有機(jī)械的合理使用和革新改造打根底。

3.掌握創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和技術(shù)創(chuàng)新能力，針對原理方案設(shè)計(jì)階段，為

機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下良好的根底。

1.4機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)方法

1.學(xué)習(xí)機(jī)械原理知識的同時(shí).注重素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。

在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，應(yīng)把重點(diǎn)放在掌握研究問題的根本思路和方法上，著重于創(chuàng)新性思維

的能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

2.重視邏輯思維的同時(shí)，加強(qiáng)形象思維能力的培養(yǎng)。

從根底課到技術(shù)根底課，學(xué)習(xí)的內(nèi)容變化了，學(xué)習(xí)的方法也應(yīng)有所轉(zhuǎn)變；要理解和掌握

本課程的一些內(nèi)容，要解決工程實(shí)際問題，要進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，單靠邏輯思維是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

的，必須開展形象思維能力。

3.注意把理論力學(xué)的有關(guān)知識運(yùn)用于本課程的學(xué)習(xí)中。

在學(xué)習(xí)本課程的過程中，要注意把高等數(shù)學(xué)、物理、理論力學(xué)和工程制圖中的有關(guān)知識

運(yùn)用到本課程的學(xué)習(xí)當(dāng)中。

4.注意將所學(xué)知識用于實(shí)際，做到舉一反三。

第二章平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

根本要求:

1.熟練掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制方法。能夠?qū)?shí)際機(jī)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡

圖；能看懂各種復(fù)雜機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖；能用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖表達(dá)自己的設(shè)廿構(gòu)思。

2.掌握運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件。

3,熟練掌握機(jī)構(gòu)自由度的L算方法。能自如地運(yùn)用平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式計(jì)算機(jī)構(gòu)自由

度。能準(zhǔn)確識別出機(jī)構(gòu)中存在的復(fù)合校鏈、局部自由度和虛約束，并作出正確處理。

4.了解機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析的方法。了解高副低代的方法；學(xué)會(huì)根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理,

用根本桿組、原動(dòng)件和機(jī)架創(chuàng)新構(gòu)思新機(jī)構(gòu)的方法。

教學(xué)內(nèi)容：

機(jī)構(gòu)的組成；

2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖；

3機(jī)構(gòu)的自由度的計(jì)算及機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件;

4機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析。

2.1機(jī)構(gòu)的組成

1.構(gòu)件與零件

構(gòu)件：從運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)分析機(jī)械時(shí)，構(gòu)件是參加運(yùn)動(dòng)的最小單元體。構(gòu)件可以是一個(gè)零件,

也可以是由多個(gè)零件組成的剛性系統(tǒng)。

零件?：從制造的觀點(diǎn)分析機(jī)械時(shí)，零件是組成機(jī)械的最小單元體。任何機(jī)械都由許多零

件組合而成的。

2.運(yùn)動(dòng)副及其分類

運(yùn)動(dòng)副：兩構(gòu)件直接接觸所形成的可動(dòng)聯(lián)接。

運(yùn)動(dòng)副元素：兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)、線、面局部。

構(gòu)件的自由度：構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。

兩個(gè)構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副后，構(gòu)件的某些獨(dú)立運(yùn)動(dòng)受到限制，這種限制稱為約束。

約束：運(yùn)動(dòng)副對構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制。運(yùn)動(dòng)副每引入一個(gè)約束，構(gòu)件就失去一個(gè)自

由度。

運(yùn)動(dòng)副的分類：

1）按運(yùn)動(dòng)副的接觸形式分：

低副：構(gòu)件與構(gòu)件之間為面接觸，其接觸局部的壓強(qiáng)較低。

高副：構(gòu)件與構(gòu)件之間為點(diǎn)、線接觸，其接觸局部的壓強(qiáng)較高。

2）按相對運(yùn)動(dòng)的形式分

平面運(yùn)動(dòng)副：兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)。

空間運(yùn)動(dòng)副：兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)。

3）按運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)分類

引入1個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為1級副，引入2個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為2級副，引入3個(gè)約

束的運(yùn)動(dòng)副稱為3級副，引入4個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為4級副，引入5個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱

為5級副。

4.按接觸局部的兒何形狀分

3.運(yùn)動(dòng)鏈

運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)侵竷蓚€(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。

閉式運(yùn)動(dòng)鏈(閉鏈)：運(yùn)動(dòng)族的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)。

開式運(yùn)動(dòng)鏈(開鏈)：運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)。

在運(yùn)動(dòng)鏈中，如果將某一個(gè)構(gòu)件加以固定，而讓另一個(gè)或幾個(gè)構(gòu)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律

相對固定構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果運(yùn)動(dòng)鏈中其余各構(gòu)件都有確定的相對運(yùn)動(dòng)，那么此運(yùn)動(dòng)鏈成

為機(jī)構(gòu)。

機(jī)構(gòu)：具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈。

機(jī)架：機(jī)構(gòu)中固定不動(dòng)的構(gòu)件；

原動(dòng)件：按照給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件

從動(dòng)件：其余活動(dòng)構(gòu)件。

平面機(jī)構(gòu)：組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對運(yùn)動(dòng)均在同一平面內(nèi)或在相互平行的平面內(nèi)。

空間機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對運(yùn)動(dòng)不在同一平面內(nèi)或平行的平面內(nèi)。

2.2運(yùn)動(dòng)簡圖

機(jī)器是由機(jī)構(gòu)組成，因此，在對現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，還是構(gòu)思新機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方案和對

組成新機(jī)械的各種機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí)，需要一種表示機(jī)構(gòu)的簡明圖形-

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖：用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的簡單符號和線條代表運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，并按一定匕例尺表

示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸，繪制出表示機(jī)構(gòu)的簡明圖形。它與原機(jī)械具有完全相同運(yùn)動(dòng)特性。

機(jī)構(gòu)示意圖：為了說明機(jī)械的組成狀況和結(jié)構(gòu)特征，不嚴(yán)格按比例繪制的簡圖。

功用：

1.現(xiàn)有機(jī)械分析

2.新機(jī)械總體方案的設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)簡圖的繪制步驟：

1.分析機(jī)械的動(dòng)作原理、組成情況和運(yùn)動(dòng)情況；

2.沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，分析兩構(gòu)件間相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，以確定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目；

3.適當(dāng)?shù)剡x擇運(yùn)動(dòng)簡圖的視圖平面；

4.選擇適當(dāng)比例尺刈(此二實(shí)際尺寸(in)/圖示長度(mm)),用機(jī)構(gòu)簡圖符號，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)

簡圖。并從運(yùn)動(dòng)件開始，按傳動(dòng)順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號和運(yùn)動(dòng)副的代號。在原動(dòng)件上標(biāo)出

箭頭以表示其運(yùn)動(dòng)方向。

2.3機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算及具有確定運(yùn)動(dòng)的條件

1.機(jī)構(gòu)自由度的概念：機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的芻由度。

2.平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

機(jī)構(gòu)的自由度取決于活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目、聯(lián)接各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目0

(1)平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算的一般公式

設(shè)一個(gè)平面機(jī)構(gòu)中共有〃個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，在用運(yùn)動(dòng)副將所有構(gòu)件聯(lián)接起來前，這些活動(dòng)構(gòu)

件具有3〃個(gè)自由度。

當(dāng)用以個(gè)高副、0個(gè)低副聯(lián)接成運(yùn)動(dòng)鏈后，這些運(yùn)動(dòng)副共引入了20+p.個(gè)約束。

由于每引入一個(gè)約束構(gòu)件就失去了一個(gè)自由度，故整個(gè)機(jī)構(gòu)相對于機(jī)架的自由度數(shù)為

F=3n-2p1-ph(1.1)

該式稱為平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)公式。

3.計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度的考前須知

(1)復(fù)合錢鏈

定義：兩個(gè)以上構(gòu)件在同?處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接，所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副稱為復(fù)合鐵鏈。

解決問題的方法：假設(shè)有K個(gè)構(gòu)件在同一處組成復(fù)合較鏈，那么其構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目應(yīng)

為(KT)個(gè)

(2)局部自由度

定義：假設(shè)機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的自由度僅與其自身的局部運(yùn)動(dòng)有關(guān)，并不影響其他構(gòu)

件的運(yùn)動(dòng)，那么稱這種自由度為局部自由度。

局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦?xí)r添加的滾子；軸承中的滾珠。

解決的方法：計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，設(shè)想將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，視為一個(gè)構(gòu)

件。

(3)虛約束

在特定幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運(yùn)動(dòng)副所引入的約束可能與其他運(yùn)動(dòng)副所起的限制作

用一致，這種不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束稱為虛約束。

虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合：

a.兩構(gòu)件之間構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副時(shí)；

b.兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持不變時(shí)；

c.聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合時(shí)；

d.機(jī)構(gòu)中對運(yùn)動(dòng)不起作用的對稱局部。

a)b)c)d)

機(jī)構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，那么

虛約束將變成有?效約束，而使機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)。

采用虛約束是為了改善構(gòu)件的受力情況；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要。

4.機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件：機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)等于機(jī)閡的原動(dòng)件數(shù)。

【學(xué)習(xí)指導(dǎo)】

本節(jié)的難點(diǎn)是正確判別機(jī)構(gòu)中的虛約束。在學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)首先搞清楚虛約束的概念，掌握機(jī)構(gòu)

中存在虛約束的特定幾何條件，以便計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，能正確判定出機(jī)構(gòu)中的虛約束。

同時(shí)應(yīng)注意虛約束在特定的幾何條件破壞后將成為實(shí)際約束。

復(fù)合被鏈與局部自由度比擬簡單，學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)在根本概念清楚的根底上，搞清復(fù)合錢鏈與局

部自由度發(fā)生的場合，并采取相應(yīng)的解決方法。

2.4平面機(jī)構(gòu)的組成原理分析

1.平面機(jī)構(gòu)的組成原理

任何機(jī)構(gòu)中都包含原動(dòng)件、機(jī)架和從動(dòng)件系統(tǒng)三局部。由于機(jī)架的自由度為零，每個(gè)

原動(dòng)件的自由度為1,而機(jī)構(gòu)的自由度等于原動(dòng)件數(shù)，所以，從動(dòng)件系統(tǒng)的自由度必然為

零。

桿組：自由度為零的從動(dòng)件系統(tǒng)。

根本桿組：不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合稱為根本桿組，簡稱根本組。

桿組的結(jié)構(gòu)式為：3〃=2〃/

機(jī)構(gòu)的組成原理：把假設(shè)干個(gè)自由度為零的根本桿組依次聯(lián)接到原動(dòng)件和機(jī)架上，就可組

成新的機(jī)構(gòu)，其自由度數(shù)目與原動(dòng)件的數(shù)目相等。

在進(jìn)行新機(jī)械方案設(shè)計(jì)時(shí)，可以按設(shè)計(jì)要求根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)。

在設(shè)計(jì)中必須遵循的原那么：在滿足相同工作要求的前提下，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡單、桿組的

級別越低、構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目越少越好。

2.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

對己有機(jī)構(gòu)或己設(shè)計(jì)完的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和力分析時(shí)，首先需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分

析，即將機(jī)構(gòu)分解為根本桿組、原動(dòng)件和機(jī)架，結(jié)構(gòu)分析的過程與由桿組依次組成機(jī)構(gòu)的

過程正好相反。通常稱此過程為拆桿組。

拆桿組時(shí)應(yīng)遵循的原那么：從傳動(dòng)關(guān)系離原動(dòng)件最遠(yuǎn)的局部開始試拆;每撤除一個(gè)桿組后,

機(jī)構(gòu)的剩余局部仍應(yīng)是一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)；試拆時(shí)，按二級組試拆，假設(shè)無法撤除，再試拆

高一級別的桿組。

3.平面機(jī)構(gòu)的高副低代法

目的：為了使平面低副機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)分析的方法適用于含有高副的平面機(jī)構(gòu)。

概念：用低副代替高副

方法：用含兩個(gè)低副的虛擬構(gòu)件代替高副

高副低代必須滿足的條件；

1.替代前后機(jī)構(gòu)自由度不變

2.替代瞬時(shí)速度加速度不變

對于一般的高副機(jī)構(gòu)，在不同位置有不同的瞬時(shí)替代機(jī)構(gòu)。經(jīng)高副低代后的平面機(jī)構(gòu),

可視為平面低副機(jī)構(gòu)。

第三章平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和力分析

根本要求:

1.掌握速度瞬心的概念，平面機(jī)構(gòu)速度瞬心的數(shù)目及確定方法，學(xué)會(huì)用速度瞬心法對現(xiàn)

有機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析；

2.掌握用相對運(yùn)動(dòng)圖解法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析的方法；

3.掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的復(fù)數(shù)矢量法，了解矩陳法；

4.掌握平面機(jī)構(gòu)力分析中的動(dòng)態(tài)靜力分析法，能夠?qū)o出機(jī)構(gòu)用解析法建模并進(jìn)行機(jī)構(gòu)

運(yùn)動(dòng)分析和力分析工

教學(xué)內(nèi)容：

1.機(jī)構(gòu)速度分析的瞬心法；

2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的相對運(yùn)動(dòng)圖解法；

3.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的解析法：

4.平面機(jī)構(gòu)的力分析。

3.1機(jī)構(gòu)速度分析的瞬心法

1.速度瞬心的概念

定義：當(dāng)兩構(gòu)件［即兩剛體）1,2作平面相對運(yùn)動(dòng)時(shí)（如圖示），在任一瞬時(shí)，都可以認(rèn)

為它們是繞某一重合點(diǎn)作相對轉(zhuǎn)動(dòng)，而該重合點(diǎn)那么稱為瞬時(shí)速度中心，簡稱瞬心，以

P121或表示）。瞬心是相對運(yùn)動(dòng)兩構(gòu)件上相對速度為零的重合點(diǎn)。

瞬心法是利用機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)速度中心來求解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)問題的。瞬心分絕對瞬心和相對

瞬心，前者是指等速重合點(diǎn)的絕對速度為零；后者是指等速重合點(diǎn)的絕對速度不為零。

任意兩個(gè)構(gòu)件無論它們是否直接形成運(yùn)動(dòng)副都存在一個(gè)瞬心。故假設(shè)機(jī)構(gòu)全部構(gòu)件數(shù)

為％那么共有久="（〃-1）/2個(gè)瞬心。

2.求瞬心的方法

求瞬心的方法有兩種：通過直接觀察和利用三心定理。

三心定理：作平面運(yùn)動(dòng)的三個(gè)構(gòu)件的三個(gè)瞬心位于同一條直線上。

利用瞬心法可以進(jìn)行某一瞬時(shí)構(gòu)件的角速度之比、構(gòu)件的角速度和構(gòu)件上某點(diǎn)的速度分

析。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)不受機(jī)構(gòu)級別的限制，當(dāng)所求構(gòu)件與構(gòu)件相隔假設(shè)干構(gòu)件時(shí)，也可直

接求得。在:用瞬心法進(jìn)行速度分析時(shí)，需要用哪個(gè)瞬心找哪個(gè)瞬心，不必找出所有瞬心后

求解。在機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)較少的情況下，利用瞬心法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析不失為一種簡潔的方

法。

3.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的相對運(yùn)動(dòng)圖解法

根本原理是理論力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論：剛體的平面運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是隨基點(diǎn)的平動(dòng)和繞基

點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)動(dòng)的合成；重合點(diǎn)的絕對運(yùn)動(dòng)可認(rèn)為是動(dòng)系的牽連運(yùn)動(dòng)和動(dòng)點(diǎn)相對動(dòng)系相對運(yùn)

動(dòng)的合成。

1.同一構(gòu)件上各點(diǎn)的速度和加速度分析

以錢鏈四桿機(jī)構(gòu)為例，介紹速度圖、加速度圖的繪制方法?！樗俣葓D的極點(diǎn)，它代

表機(jī)構(gòu)上所有絕對速度為零的點(diǎn)。過點(diǎn)〃向外的矢量代表絕對速度，不通過點(diǎn)〃的矢量代

表相對速度。當(dāng)一構(gòu)件上兩點(diǎn)的速度時(shí)，該構(gòu)件上其它任意點(diǎn)的速度均可用速度影像的原

理求出。江為加速度圖的極點(diǎn)，它代表機(jī)構(gòu)上所有絕對加速度為零的點(diǎn)。由點(diǎn)〃向外的矢

量代表絕對加速度，不通過點(diǎn)"的矢量代表相對加速度。當(dāng)一構(gòu)件上兩點(diǎn)的加速度時(shí)，該

構(gòu)件上任意其它點(diǎn)的加速度均可用加速度影像的原理求出。注意：速度影像和加速度影像

的原理只能應(yīng)用于同一構(gòu)件上的各點(diǎn)。

2.組成移動(dòng)副兩構(gòu)件重合點(diǎn)的速度和加速度分析

以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為例，介紹有移動(dòng)副的機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析方法。其重點(diǎn)是列出矢量方程，必

須正確判斷各矢量的方向，難點(diǎn)是科氏加速度確實(shí)定，分別以導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和正弦機(jī)構(gòu)為例，

使學(xué)生了解科氏加速度存在的場合，并注意方向的判斷。

3.3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的解析法

1.以錢鏈四桿機(jī)構(gòu)為例，介紹復(fù)數(shù)矢量法，重點(diǎn)掌握建模方法，矢量方程的建立方法。

2.以曲柄搖塊機(jī)構(gòu)為例，介紹有移動(dòng)副的機(jī)構(gòu)的復(fù)數(shù)矢量法。

3.4平面機(jī)構(gòu)的力分析

1.簡單介紹機(jī)械上作用的力及慣性力的求解方法。

2.以六桿機(jī)構(gòu)為例，簡單介紹動(dòng)態(tài)靜力分析的圖解法。重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)的拆組方法及繪力多

邊形的方法。

3.簡介動(dòng)態(tài)靜力分析的解析法，為課程設(shè)計(jì)打下根底。

第四章機(jī)械中的摩擦和機(jī)械效率

根本要求:

1.能夠熟練地對移動(dòng)副中的摩擦問題進(jìn)行分析和計(jì)算；

2.掌握螺旋副及轉(zhuǎn)動(dòng)副中摩擦問題的分析和計(jì)算方法；

3.掌握考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析方法；

4.熟練掌握機(jī)械效率的概念及效率的各種表達(dá)形式，掌握機(jī)械效率的計(jì)算方

法；

5.正確理解機(jī)械自鎖的概念，掌握確定自鎖條件的方法。

教學(xué)內(nèi)容：

$1.移動(dòng)副中的摩擦；

2.螺旋副中的摩擦：

3.轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦；

4.考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)受力分析；

5.機(jī)械效率及自鎖。重點(diǎn)難點(diǎn)：

效率是衡量機(jī)械性能的重要指標(biāo)，對于一部機(jī)器，其效率的大小在很大程度上取決于機(jī)

械中摩擦所引起的功率損耗。研究機(jī)械中摩擦的主要目的在于尋找提高機(jī)械效率的途徑。

在本章的學(xué)習(xí)中要求重點(diǎn)掌握物體所受總反力方向確實(shí)定、移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副中摩擦問題的

分析方法以及自鎖現(xiàn)象和自鎖條件的判斷。關(guān)于自鎖條件的判斷是本章的難點(diǎn)。

4.1移動(dòng)副中的摩擦

移動(dòng)副中的摩擦是運(yùn)動(dòng)副摩擦的一種簡單的方式，廣泛存在于機(jī)械運(yùn)動(dòng)中。有三種情

況，即平面摩擦、斜面摩擦和槽面摩擦。

1平面摩擦

滑塊與平面構(gòu)成的移動(dòng)副，滑塊在自重和驅(qū)動(dòng)力的作用下向右移動(dòng)。分析滑塊的受力

如以下圖。

摩擦角：總反力與法向反力Mi的夾角。。

由圖可知

故

總反力/?21與相對運(yùn)動(dòng)方向以2的夾角總為鈍角。其大小為（90.+0）

2.斜面摩擦

一滑塊置于斜面上，在鉛錘載荷。的作用下滑塊沿斜面等速運(yùn)動(dòng)，分析使滑塊沿斜面

等速運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的水平力。

置于斜面上的滑塊有兩種運(yùn)動(dòng)可能即沿斜面等速上升及沿斜面等速下滑。下面分別討

論滑塊所受摩擦力。

（1）滑塊等速上升（2）滑塊等速下滑

當(dāng)滑塊在水平力作用下等速上升時(shí)當(dāng)滑塊在水平力作用下等速下滑時(shí)

式中”與A的大小未知，作力的三角形由力的三角形得

a）平面摩擦b）滑塊等速上升c）滑塊等速下滑d）槽面摩擦

3.槽面摩擦

_0_

-2/1-^1-/1—假設(shè)令忑萬工那么當(dāng)=<°。

由力三角形得:2sme故

式中工稱當(dāng)量摩擦系數(shù)，相當(dāng)于把楔形滑塊視為平滑塊時(shí)的摩擦系數(shù)。與之對應(yīng)的摩擦

角稱為當(dāng)量摩擦角。引入當(dāng)量摩擦系數(shù)的意義在于：

當(dāng)量摩擦系數(shù)引入后，在分析運(yùn)動(dòng)副中的滑動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，不管運(yùn)動(dòng)副兩元素的幾何形

狀如何，均可視為單一平面接觸來計(jì)算其摩擦力。

4.2螺旋副中的摩擦

螺旋副為一種空間運(yùn)動(dòng)副,其接觸面是螺旋面。當(dāng)螺桿和螺母的螺紋之間受有軸向載荷

時(shí)，擰動(dòng)螺桿或螺母，螺旋面之間將產(chǎn)生摩擦力。

在研究螺旋副中的摩擦?xí)r,通常假設(shè)螺桿與螺母之間的作用力。集中在平均直徑為d的螺

旋線.上。由于螺旋線可以展成平面上的斜直線，螺旋副中力的作用與滑塊和斜面間的力的

作用相同。就可以把空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題來研究。下面就矩形螺紋螺旋副中的摩擦和

三角形螺紋螺旋副中的摩擦進(jìn)行研究。

1.矩形螺紋螺旋副中的摩擦

由力的三角形得：

dd

M=F,-=—Qan(a+

擰緊力矩：22

2.三角形螺紋螺旋副中的摩擦

三角形螺紋和矩形螺紋的區(qū)別在于螺紋間接觸面的形狀不同。螺母在螺桿上的運(yùn)動(dòng)近似

的認(rèn)為是楔形滑塊沿斜槽面的運(yùn)動(dòng)。

此時(shí)，斜槽面的夾角等于2。（"90'-￡,￡稱為牙形半

角)'sin(900-cos/

f

q=arctar<=arctan（------）

cos/可得擰緊力矩

由于供》。，故三角形螺紋的摩擦力矩較大，宜用于聯(lián)接緊固。矩形螺紋摩擦力矩較小,

宜用于傳遞動(dòng)力的場合。

43轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦

轉(zhuǎn)動(dòng)副在各種機(jī)械中應(yīng)用很廣,常見的有軸和軸承以及各種較鏈。轉(zhuǎn)動(dòng)副可按載荷作用

情況的不同分成徑向軸頸與釉承和止推軸頸與軸承。

L徑向軸頸的摩擦

當(dāng)載荷垂直于軸的幾何軸線時(shí)，稱為徑向軸頸與軸承。軸頸在驅(qū)動(dòng)力矩的作用下，

在軸承中等速回轉(zhuǎn)。

由于存在法向反力M2,摩擦力居】=的「工其中工為當(dāng)量摩擦系數(shù)。對于非跑和

j--/=3/

的徑向軸頸2,跑和的徑向軸頸,K，摩擦力矩為M"居】尸=40,由力平衡

&1=-0(R21為總反力)，力矩平衡此可得：Q=Q.

對于具體的軸頸，。為定值。以軸頸中心。為圓心，夕為半徑的圓稱為摩擦圓，夕為摩

擦圓半徑?？偡戳π?始終切于摩擦圓，大小與載荷。相等。其對軸頸軸心。之距的方向

必與軸頸相對于軸承的角速度的方向相反。上圖中用一偏距為。的載荷0代替原載荷及

驅(qū)動(dòng)力矩M,那么如

e>/軸頸將加速運(yùn)動(dòng)

2軸頸將等速運(yùn)動(dòng)

8</軸頸將減速運(yùn)動(dòng)，假設(shè)加載前靜止，那么保持靜止?fàn)顟B(tài)。

2.止推軸頸的摩擦

軸用以承受載荷的局部稱為軸端或軸踵。軸端和承受軸向載荷的止推軸承2構(gòu)成一轉(zhuǎn)

動(dòng)副。非跑合的止推軸承軸端各處壓強(qiáng)相等；跑合的止推軸承，軸端各處的壓強(qiáng)不相等，

離中心遠(yuǎn)的地方磨損較快，因而壓強(qiáng)減??；離中心近的局部磨損較慢，因而壓強(qiáng)增大。

4.4考慮摩擦?xí)r機(jī)構(gòu)的受力分析

運(yùn)動(dòng)副中的摩擦是客觀存在的，考慮摩擦的機(jī)構(gòu)受力分析才能反映機(jī)構(gòu)的實(shí)際受力狀

況。以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例，介紹機(jī)構(gòu)的受力分析方法。

4.5機(jī)械效率及自鎖

1.機(jī)械的效率

作用在機(jī)械上的力可分為驅(qū)動(dòng)力、生產(chǎn)阻力和有害阻力三種“通常把驅(qū)動(dòng)

力所做的功稱為驅(qū)動(dòng)功(輸入功)，克服生產(chǎn)阻力所做的功稱為輸出功，而克服有害阻力

所做之功稱為損耗功。

機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有

式中Wd、w「、Wf分別為輸入功，輸出功和損耗功。輸出功和輸入功的比值反映了輸入

功在機(jī)械中有效利用的程度，稱為機(jī)械效率。

(1)效率以功或功率的形式表達(dá)

根據(jù)機(jī)械效率的定義

用功率可表示為：

式中，d、R、Pf分別為輸入功率、輸出功率和損耗功率

PQ=F54=階人片=/一々

由于損耗功率不可能為零，所以機(jī)械的效率總是小于1。為提高機(jī)械效率，應(yīng)盡量減少

機(jī)械中的損耗，主要是減少摩擦損耗。

(2)效率以力或力矩的形式表達(dá)

廠為驅(qū)動(dòng)力，。為生產(chǎn)阻力，巧和也分別為R和。沿該力作用線的速度

假設(shè)機(jī)械中不存在摩擦，該機(jī)械稱為理想機(jī)械。此時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力稱為理想驅(qū)動(dòng)力R,

比力必小于實(shí)際驅(qū)動(dòng)力F。對于理想機(jī)械：

故00=/?尸

所以N

此式說明，機(jī)械效率等于理想驅(qū)動(dòng)力與實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的比。

n=——-

假設(shè)用力矩之比的形式表達(dá)機(jī)械效率為：州廣式中M孫分別表示為了克服同樣生

產(chǎn)阻力所需的理想驅(qū)動(dòng)力矩和實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩。從另一角度講，同樣驅(qū)動(dòng)力F,理想機(jī)械所

7u=——=1

能克服的生產(chǎn)阻力。必大于所能克服的生產(chǎn)阻力00對于理想機(jī)械：N

同理，有下式成立：

式中，MQ,MQU分別表示在同樣驅(qū)動(dòng)力情況下，機(jī)械所能克服的實(shí)際生產(chǎn)阻力矩和理想

生產(chǎn)阻力矩。

2.機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械效率

對于由許多機(jī)械或機(jī)器組成的機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械效率以及計(jì)算，可以根據(jù)組成系統(tǒng)的機(jī)

械效率計(jì)算求得。假設(shè)干機(jī)械的連接組合方式一般有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種。

(1)串聯(lián)

由k臺機(jī)械串連組成的機(jī)械系統(tǒng)，設(shè)系統(tǒng)的輸入功率為巴,各機(jī)械的效率分別為〃I,n

2,人；以為系統(tǒng)的輸出功率。那么系統(tǒng)的總效率為：

結(jié)論：串聯(lián)系統(tǒng)的總效率等于各機(jī)潛的效率的連乘積。串聯(lián)的級數(shù)越多，機(jī)械系統(tǒng)的效

率越低。

⑵并聯(lián)

由k臺機(jī)械并聯(lián)組成的機(jī)械系統(tǒng)。設(shè)系統(tǒng)的輸入功率為各機(jī)械的效率分別為n

〃2,—,〃&;Pl為系統(tǒng)的輸出功率。那么系統(tǒng)的總功率：

總輸出功率為：

并聯(lián)系統(tǒng)的總效率不僅與各組成機(jī)器的效率有關(guān)，而且與各機(jī)器所傳遞的功率也有關(guān)。

設(shè)“max和〃min為各個(gè)機(jī)器中效率的最大值和最小值那么〃max<〃<〃min。

假設(shè)各臺機(jī)器的輸入功率均相等，即片=舄=舄=…=笈，那么

假設(shè)各臺機(jī)器的效率均相等，即

口_與/+舄％+…十月入_力(片十舄十…+其)

那么：與+舄+…+4號+舄+…+8

結(jié)論：假設(shè)各臺機(jī)器的效率均相等，并聯(lián)系統(tǒng)的總效率等于任一臺機(jī)器的效率。

(3)混聯(lián)

,P由串聯(lián)和并聯(lián)組成的混聯(lián)式機(jī)械系統(tǒng)。其總效率的求法按其具體組合

I乜

4)方式而定。圖示系統(tǒng)中，設(shè)串聯(lián)局部效率為爐，并聯(lián)局部效率為7”,

I那么總效率為：

33機(jī)械的自鎖

在實(shí)際機(jī)械中，由于摩擦的存在以及驅(qū)動(dòng)力作用方向的問題，有

時(shí)會(huì)出現(xiàn)無論驅(qū)動(dòng)力如何增大，機(jī)械都無法運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱

為機(jī)械的自鎖°

在圖中所示的移動(dòng)副中，驅(qū)動(dòng)力有效分

力為4=尸sin#="tan#

阻力為摩擦力耳1=或tan。

v12

當(dāng)N<0時(shí)有777771

此時(shí)無論F多大，均無法使滑塊運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)自鎖

現(xiàn)象。此時(shí)驅(qū)動(dòng)力作用在摩擦角內(nèi)

.s/21圖中所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副中，作用在軸頸上的

Q

載荷為。，當(dāng)？即。作用在摩擦

圓之內(nèi)，此時(shí)

由于驅(qū)動(dòng)力矩總小于它產(chǎn)生的摩擦阻力矩，故無論Q如何增

大，也不能使軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。

總結(jié):

機(jī)械是否發(fā)生自鎖，與驅(qū)動(dòng)力作用線的位置和方向有關(guān)。

在移動(dòng)副中，假設(shè)驅(qū)動(dòng)力作用在摩擦角之外，那么不會(huì)發(fā)

生自鎖；在轉(zhuǎn)動(dòng)副中，假設(shè)驅(qū)動(dòng)力作用在摩擦圓之外，那么不會(huì)發(fā)生自鎖；故一個(gè)機(jī)械

是否會(huì)發(fā)生自鎖，可以通過分析組成機(jī)械的各個(gè)環(huán)節(jié)的自鎖情況來判斷。

假設(shè)一個(gè)機(jī)械的某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生自鎖，那么該機(jī)械必發(fā)生自鎖。自鎖時(shí)，驅(qū)動(dòng)力不超過它

產(chǎn)生的摩擦阻力，即此時(shí)驅(qū)動(dòng)力所做的功總小于或等于由它所產(chǎn)生的摩擦阻力所作的

功。此時(shí)機(jī)械的效率小于或等于零，即〃4°。故可借機(jī)械效率的計(jì)算式來判斷機(jī)械是否

自鎖和分析自鎖產(chǎn)生的條件。

系統(tǒng)任意環(huán)節(jié)自鎖那么系統(tǒng)自鎖，故在分析機(jī)械系統(tǒng)的自鎖特性時(shí)應(yīng)注意。機(jī)械通常

有正反兩個(gè)行程，它們的機(jī)械效率一般并不相等，反行程的效率小于零的機(jī)械稱為自鎖

機(jī)械。自鎖機(jī)械常用于卡具、螺栓連接、起重裝置和壓榨機(jī)械上。但自鎖機(jī)械的正行程

效率都較低,因而在傳遞動(dòng)力時(shí),只適用功率小的場合。

第五章連桿機(jī)構(gòu)

根本要求:

1.了解平面四桿機(jī)構(gòu)的根本型式，掌握其演化方法。

2.掌握平面四桿機(jī)構(gòu)的工作特性。

3.了解連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的特點(diǎn)及其功能。

4.了解平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本問題，熟練掌握根據(jù)具體設(shè)計(jì)條件及實(shí)際需要，選擇適宜

的機(jī)構(gòu)型式和合理的設(shè)計(jì)方法，解決具體設(shè)計(jì)問題。

教學(xué)內(nèi)容：

rvi.平面四桿機(jī)構(gòu)的類型及應(yīng)用:

2.平面四桿機(jī)構(gòu)的根本知識；

3.平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖解法；

4.平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的解析法。

5.1平面四桿機(jī)構(gòu)的根本型式

連桿機(jī)構(gòu)是由假設(shè)干個(gè)剛性構(gòu)件用低副聯(lián)接所組成。

平面連桿機(jī)構(gòu)假設(shè)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件均在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，那么稱為平面連桿機(jī)

構(gòu)。

空間連桿機(jī)構(gòu)假設(shè)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件不都在相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，那么稱為空間連桿

機(jī)構(gòu)。

平面連桿機(jī)構(gòu)較空間連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛，故著重介紹平面連桿機(jī)構(gòu)。

在平面連桿機(jī)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)最簡單的且應(yīng)用最廣泛的是由4個(gè)構(gòu)件所組成的平面四桿

機(jī)構(gòu)，其它多桿機(jī)構(gòu)可看成住此根底上依次增加桿組而組成。

1.平面四桿機(jī)構(gòu)的根本型式

所有運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)稱為較鏈四桿機(jī)構(gòu)。它是平面四桿機(jī)構(gòu)的根本型式。在

錢鏈四桿機(jī)構(gòu)中，按連架桿能否作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，可將四桿機(jī)構(gòu)分為3種根木型式.

⑴曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

定義:在錢鏈四桿機(jī)構(gòu)中，假設(shè)兩連架桿中有一個(gè)為曲柄，另一個(gè)為搖桿，那么稱為曲柄搖

桿機(jī)構(gòu)。

⑵雙曲柄機(jī)構(gòu)

定義:在錢鏈四桿機(jī)構(gòu)中，假設(shè)兩連架桿均為曲柄，稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。

傳動(dòng)特點(diǎn):當(dāng)主動(dòng)曲柄連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)曲柄一般不等速轉(zhuǎn)動(dòng)。雙曲柄機(jī)構(gòu)中有兩種特

殊機(jī)構(gòu)：平行四邊形機(jī)構(gòu)和反平行四邊形機(jī)構(gòu)

定義:在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，假設(shè)兩對邊構(gòu)件長度相等且平行，那么稱為平行四邊形機(jī)構(gòu)。

傳動(dòng)特點(diǎn)：主動(dòng)曲柄和從動(dòng)由柄均以相同角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。

定義：兩曲柄長度相同，而連桿與機(jī)架不平行的較鏈四桿機(jī)構(gòu)，稱為反平行四邊形機(jī)構(gòu)

⑶雙搖桿機(jī)構(gòu)

定義:在較鏈四桿機(jī)構(gòu)中，假設(shè)兩連架桿均為搖桿，那么稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

2.平面四桿機(jī)構(gòu)的演化

由于各種工程實(shí)際的需要，所用四桿機(jī)構(gòu)的型式是多種多樣的。這些四桿機(jī)構(gòu)可看作

是由較鏈四桿機(jī)構(gòu)通過不同方法演化而來的，并與之有著相同的相對運(yùn)動(dòng)特性。掌握這些

演化方法，有利于對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

當(dāng)取不同的構(gòu)件為機(jī)架時(shí)，會(huì)得到不同的四桿機(jī)構(gòu)。下面我們看一下表：

表2.1四桿機(jī)構(gòu)的幾種型式

錢鏈四桿機(jī)構(gòu)可以通過四種方式演化出其他形式的四桿機(jī)構(gòu)。即⑴取不同構(gòu)件為機(jī)架;

⑵轉(zhuǎn)動(dòng)副變移動(dòng)副；⑶桿狀構(gòu)件與塊狀構(gòu)件互換；⑷銷釘擴(kuò)大。在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或曲柄滑

塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)載荷很大而搖桿(或滑塊)的擺角(或行程)不大時(shí)，可將川I柄與連桿構(gòu)成

的轉(zhuǎn)動(dòng)副中的銷釘加以擴(kuò)大，演化成偏心盤結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在工程上應(yīng)用很廣。

5.2平面四桿機(jī)構(gòu)的根本知識

1.平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄存在的條件

周轉(zhuǎn)副:兩構(gòu)件能做360°相對轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。否那么稱擺轉(zhuǎn)副。

曲柄：與機(jī)架相較接能整周回轉(zhuǎn)的構(gòu)件。

下面以圖示的四桿機(jī)構(gòu)為例，說明

平面四桿機(jī)構(gòu)有曲柄存在的條件。

在圖中，設(shè)d〉a,在桿1繞轉(zhuǎn)動(dòng)副A

轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，較鏈點(diǎn)8與〃之間的距離

g是不斷變化的，當(dāng)夕點(diǎn)到達(dá)圖示點(diǎn)反

和5兩位置時(shí)，加值分別到達(dá)最大值

+a和最小值gmi產(chǎn)d

如要求桿1能繞轉(zhuǎn)動(dòng)副力相對桿

D4作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，那么桿1應(yīng)通過力6和1居

這兩個(gè)關(guān)鍵位置，即可以構(gòu)成三角形

和三角形AC。。根據(jù)三角形構(gòu)成原

理經(jīng)過公式推導(dǎo)可得出如下重要結(jié)論：

在錢鏈四桿機(jī)構(gòu)中，如果某個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副能成為周轉(zhuǎn)副，那么它所連接的兩個(gè)構(gòu)件中，必

有一個(gè)為最短桿，并且四個(gè)構(gòu)件的長度關(guān)系滿足桿長之和條件

我們考慮一下中選取不同的構(gòu)件作機(jī)架時(shí)，會(huì)得到什么樣的機(jī)構(gòu)？

(1)假設(shè)取最短桿為機(jī)架-----得雙曲柄機(jī)構(gòu)；

(2)假設(shè)取最短桿的任一相鄰的構(gòu)件為機(jī)架-----得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；

(3)假設(shè)取最短桿對面的構(gòu)件為機(jī)架-----得雙搖桿機(jī)構(gòu)。

(4)如果四桿機(jī)構(gòu)不滿足桿長之和條件，那么不管選取哪個(gè)構(gòu)件為機(jī)架，所得機(jī)構(gòu)

均為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

得出錢鏈四桿機(jī)構(gòu)有曲柄存在的條件為：

(1)最短桿與最長桿長度之和小于或等于其它兩桿長度之和。

(2)邊架桿和機(jī)架中必有一桿是最短桿。

2.壓力角和傳動(dòng)角

在圖示的錢鏈四桿機(jī)構(gòu)中，如果不計(jì)慣

性力、重力、摩擦力，那么連桿2是二

力共線的構(gòu)件，由主動(dòng)件1經(jīng)過連桿2

作用在從動(dòng)件3上的驅(qū)動(dòng)力/的方向

將沿著連桿2的中心線比；力廠可分

解為兩個(gè)分力:沿著受力點(diǎn)C的速度乙

方向的分力/彳和垂直于乙方向的分力

Ao設(shè)力〃與著力點(diǎn)的速度L方向之間所夾的銳角為a,那么

其中，沿巴方向的分力片是使從動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)的有效分力，對從動(dòng)件產(chǎn)生有效回轉(zhuǎn)

力矩；而人那么是僅僅在轉(zhuǎn)動(dòng)副〃中產(chǎn)生附加徑向壓力的分力。由上式可知：a口越大，

徑向壓力兄也越大，故稱角a為壓力角。壓力角的余角稱為傳動(dòng)角，用Y表示，7二90-。o

顯然，Y角越大，那么有效分力片越大，而徑向壓力發(fā)越小，對機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)越有利。因

此，在連桿機(jī)構(gòu)中，常用傳動(dòng)角的大小及其變化情況來衡量一機(jī)構(gòu)傳力性能的優(yōu)劣。

在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，傳動(dòng)角的大小是變化的。當(dāng)曲柄四轉(zhuǎn)到與機(jī)架力〃重疊共線和

展開共線兩位置力6、4層時(shí)，傳動(dòng)角將出現(xiàn)極值y‘和y"［傳動(dòng)角總?cè)′J角）。這兩個(gè)

值的大小為

比擬這兩個(gè)位置時(shí)的傳動(dòng)角，即可求得最小傳動(dòng)角九2為了保證機(jī)構(gòu)具有良好的傳

力性能，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使九皿240°；對于高速和大功率的傳動(dòng)機(jī)械，應(yīng)使九由250°。

3.急運(yùn)動(dòng)和行程速比系數(shù)

在圖示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)主動(dòng)曲柄1位于8力而與連桿2成一直線時(shí)，從動(dòng)搖桿3

位于右極限位置C\D.當(dāng)曲柄1以等角速

度3逆時(shí)針轉(zhuǎn)過角劭而與連桿2重疊時(shí),

曲柄到達(dá)位置民力，而搖桿3那么到達(dá)其

左極限位置當(dāng)曲柄繼續(xù)轉(zhuǎn)過角色而

回到位置瓦4時(shí)，搖桿3那么由左極限位

置QD擺回到右極限位置G。。從動(dòng)件的

往復(fù)擺角均為“。由圖可以看出，曲柄

相應(yīng)的兩個(gè)轉(zhuǎn)角?和g為：

式中，〃為搖桿位于兩極限位置時(shí)曲

柄兩位置所夾的銳角，稱為極位夾角。介

紹急回運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，為了說明急回運(yùn)

動(dòng)的急回程度，通常用行程速度變化系數(shù)（或稱行程速比系數(shù)）K來衡量，即

機(jī)構(gòu)具有急回特性必有4>1,那么極位夾角6>0。

0=180°X(K-l)/(4+1)

有時(shí)某一機(jī)構(gòu)本身無急回特性，但當(dāng)它與另一機(jī)構(gòu)組合后，此組合后的機(jī)構(gòu)并不一定

也無急回特性。機(jī)構(gòu)有無急回特性，應(yīng)從急回特性的定義入手進(jìn)行分析工

4.死點(diǎn)位置

下面我們來看一下死點(diǎn)位置的形成：在圖示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)搖桿口為主動(dòng)件,

那么當(dāng)機(jī)構(gòu)處于圖示的兩個(gè)虛線位置之一時(shí)，連桿與曲柄在一條直線上，出現(xiàn)了傳動(dòng)角Y

=0的情況。這時(shí)主動(dòng)件切通過連桿作用于從動(dòng)件業(yè)?上的力恰好通過其回轉(zhuǎn)中心，所以

將不能使構(gòu)件48轉(zhuǎn)動(dòng)而出現(xiàn)〃頂死〃現(xiàn)象。機(jī)構(gòu)的此種位置稱為死點(diǎn)位置。

提出問題：四桿機(jī)構(gòu)中是否存在死點(diǎn)位置，決定于什么？

答：從動(dòng)件是否與連桿共線。

對于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，機(jī)構(gòu)有死點(diǎn)是不利的，應(yīng)該采取措施使機(jī)構(gòu)能順利通過死點(diǎn)位

措，

a.對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，可以利用從動(dòng)件的慣性來通過死點(diǎn)位置；

b.采用機(jī)構(gòu)錯(cuò)位排列的方法，即將兩組以上的機(jī)構(gòu)組合起來，而使各組機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置相

互錯(cuò)開；

機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置的積極作用：在工程實(shí)際中，不少場合也利用機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)一定

的工作要求。夾緊工件用的連桿式快速夾具是利用死點(diǎn)位置來夾緊工件的。在連桿2的手

柄處施以壓力6將工件夾緊后，連桿勿與連架桿⑦成一直線。撤去外力尸之后，在工

件反彈力7作用下，從動(dòng)件3處于死點(diǎn)位置。即使此反彈力很大，也不會(huì)使工件松脫。當(dāng)

飛機(jī)起落架處于放下機(jī)輪的位置時(shí)，此時(shí)連桿勿與從動(dòng)件切位于一直線上。因機(jī)構(gòu)處于

死點(diǎn)位置，故機(jī)輪著地時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊力不會(huì)使從動(dòng)件反轉(zhuǎn)，從而保持著支撐狀態(tài)。

連桿式快速夾具飛機(jī)起落架

5.3平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖解法

1.平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩類根本問題

平面連桿機(jī)構(gòu)在工程實(shí)際中應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)工作對機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求，這

些范圍廣泛的應(yīng)用問題，通?？蓺w納為三大類設(shè)計(jì)問題。

(1)實(shí)現(xiàn)剛體給定位置的設(shè)計(jì)

在這類設(shè)計(jì)問題中，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)能引導(dǎo)一個(gè)剛體順序通過一系列給定的位置。

該剛體一般是機(jī)構(gòu)的連桿。

(2)實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)

在這類設(shè)計(jì)問題中，要求所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的主、從動(dòng)連架桿之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系能滿足某種

給定的函數(shù)關(guān)系。如車門開閉機(jī)構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角滿足大小相等而轉(zhuǎn)向相反的

運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)車門的開啟和關(guān)閉；又如汽車前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，工作要求兩連架桿的轉(zhuǎn)角

滿足某種函數(shù)關(guān)系，以保證汽車順利轉(zhuǎn)彎；再比方，在工程實(shí)際的許多應(yīng)用中，要求在主

動(dòng)連架桿勻速運(yùn)動(dòng)的情況下，從動(dòng)連架桿的運(yùn)動(dòng)具有急回特性，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法大致可分為圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法三類。

2.按給定連桿位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

如圖示，設(shè)工作要求某剛體在運(yùn)動(dòng)過程中能依次占據(jù)I,H,III三個(gè)給定位置，試設(shè)

t一一錢鏈四桿機(jī)構(gòu)，引導(dǎo)該剛體實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)要求。設(shè)計(jì)問題為實(shí)現(xiàn)連桿給定位置的設(shè)計(jì)。

首先根據(jù)剛體的具體結(jié)構(gòu)，在其上選擇活動(dòng)錢鏈點(diǎn)B,C的位置。一旦確定了B,C的位置,

對應(yīng)于剛體3個(gè)位置時(shí)活動(dòng)較鏈的位置劣6],BC，&G也就確定了。

設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：確定固定較鏈點(diǎn)力、〃的位置。

設(shè)計(jì)步驟:

因?yàn)檫B桿上活動(dòng)鐵鏈〃，c分別繞固定鐵鏈兒〃轉(zhuǎn)動(dòng)，所以連桿在3個(gè)給定位置

上的扁民和區(qū)點(diǎn)，應(yīng)位于以力為圓心，連架桿AB為半徑的圓周上；同理，C，C和&三

點(diǎn)應(yīng)位于以〃為圓心，以連架桿〃。為半徑的圓周上。因此，連接6、區(qū)和民、艮,再分別

作這兩條線段的中垂線外和儂，其交點(diǎn)即為固定較鏈中心人同理，可得另一固定較鏈中

心兒那么力即為所求四桿機(jī)構(gòu)在第一個(gè)位置時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

在選定了連桿上活動(dòng)錢鏈點(diǎn)位置的情況下，由于三點(diǎn)唯一地確定一個(gè)圓，故給定連

桿3個(gè)位置時(shí)，其解是確定的。改變活動(dòng)錢鏈點(diǎn)8C的位置，其解也隨之改變，從這個(gè)

意義上講，實(shí)現(xiàn)連桿3個(gè)位置的設(shè)計(jì)，解有無窮多個(gè)。如果給定連桿兩個(gè)位置，那么固定

較鏈點(diǎn)4〃的位置可在各自的中垂線上任取，故其解有無窮多個(gè)。設(shè)計(jì)時(shí)，可添加其他

附加條件（如機(jī)構(gòu)尺寸、傳動(dòng)角大小、有無曲柄等），從中選擇適宜的機(jī)構(gòu)。如果給定連

桿4個(gè)位置，因任一點(diǎn)的4個(gè)位置并不總在同一個(gè)圓周上，因而活動(dòng)錢鏈反C的位置就

不能任意選定。但總可以在連桿上找到一些點(diǎn)，它的4個(gè)位置是在同一圓周上，故滿足連

桿4個(gè)位置的設(shè)計(jì)也是可以解決的，不過求解時(shí)要用到所謂圓點(diǎn)曲線和中心點(diǎn)曲線理論。

關(guān)于這方面的問題，需要時(shí)可參閱有關(guān)文獻(xiàn)，這里不再作進(jìn)一步介紹。

綜上所述，剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就其本身的設(shè)計(jì)方法而言，一般并不更難，關(guān)鍵

在于如何判定一個(gè)工程實(shí)際中的具體設(shè)計(jì)問題屬于剛體導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3.按給定連架桿對應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)作為函數(shù)生成機(jī)構(gòu)，這類設(shè)計(jì)命題即通常所說的按兩連架桿預(yù)定的

對應(yīng)角位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。

如圖示，設(shè)四桿機(jī)構(gòu)中兩固定較鏈［和〃的位置，連架桿AB的長度，要求兩連架

桿的轉(zhuǎn)角能實(shí)現(xiàn)三組對應(yīng)關(guān)系。

設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵：求出連桿比上活動(dòng)較鏈點(diǎn)。的位置，一旦確定了。點(diǎn)的位置，

連桿BC和另一連架桿%的長度也就確定了。

設(shè)已有四桿機(jī)構(gòu)ABCD,當(dāng)主動(dòng)連架桿AB運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿上校鏈8相對于另一連架桿CD的

運(yùn)動(dòng)，是繞較鏈點(diǎn)C的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，以。為圓心，以砥長為半徑的圓弧即為連桿上校鏈

點(diǎn)6相對丁鐵鏈點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)軌跡。如果能找到錢鏈6的這種軌跡，那么較鏈。的位置就

不難確定了。主要采用機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)法

在函數(shù)生成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)幾組對應(yīng)位置，即設(shè)計(jì)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)使其兩連

架桿實(shí)現(xiàn)預(yù)定的對應(yīng)角位置時(shí)，可以用所謂的〃剛化-反轉(zhuǎn)〃法求此四桿機(jī)構(gòu)。這個(gè)問題是本

章的難點(diǎn)之一。

剛化-反轉(zhuǎn)法也適用于由柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但要注意曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的

關(guān)系，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)命題，分清楚什么情況〃反轉(zhuǎn)〃，什么情況〃反移〃。

從以上分析可知，在設(shè)計(jì)某個(gè)連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)分清什么，要設(shè)計(jì)什么，然后再選

定設(shè)計(jì)參考位置，用剛化反轉(zhuǎn)或反移法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

這種運(yùn)動(dòng)倒置的方法是一種帶有普遍性的方法，如在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中用的反轉(zhuǎn)法，在

輪系的傳動(dòng)比計(jì)算中的轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法等，均是運(yùn)動(dòng)倒置的原理。

3.按給定行程速比系數(shù)K設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿長切和其擺角夕以及行程速比系數(shù)片要求設(shè)計(jì)該四桿機(jī)

構(gòu)。

設(shè)計(jì)步驟：

首先，根據(jù)行程速比系數(shù)長，計(jì)算極位夾角即

其次，任選一點(diǎn)〃作為固定錢鏈，如下圖，并以此點(diǎn)為頂點(diǎn)作等腰三角形〃CG,

使兩腰之長等于搖桿長切，/C\DC尸中.然后過G點(diǎn)作,再過C點(diǎn)作NGQ"二

90°-（h得到直線卬V和QV的交點(diǎn)為P。最后以線段至為直徑住處JR么期I周上任

一點(diǎn)與G,C連線所夾之角度均為。。而曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心/堂圓畫正或冠上任取。

由圖可知，曲柄與連桿重疊共線和拉直共線的兩個(gè)位置為樂和樂，那么

由以上兩式可解得曲柄長度__

巡段畫可由以A為圓心、礪為半徑作

圓弧與樂的交點(diǎn)E來求得，而連桿長疣為

由于曲柄軸心力位置有無窮多，故滿足設(shè)

計(jì)要求的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)有無窮多個(gè)。如未給出其

他附加條件，設(shè)計(jì)時(shí)通常以機(jī)構(gòu)在工作行程中具

有較大的傳動(dòng)角為出發(fā)點(diǎn)，來確定曲柄釉心的位

置。如果設(shè)計(jì)要求中給出了其它附加條件，那么

A點(diǎn)的位置應(yīng)根據(jù)附加條件來確定。

如果工作要求所設(shè)計(jì)的急回機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊

機(jī)構(gòu)，那么圖中的G,C點(diǎn)分別對應(yīng)于滑塊行程

的兩個(gè)端點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法與上述相同。

5.4平面四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的解析法

圖解法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)形象直觀、思路清晰，但作圖麻煩且誤差較大。而解析法設(shè)計(jì)四

桿機(jī)構(gòu)是建立機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的解析關(guān)系式，從而按給定條件求出未知結(jié)構(gòu)參數(shù),

求解準(zhǔn)確。

1.按給定連架桿對應(yīng)位置設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

如圖示，較鏈四桿機(jī)構(gòu)中兩連架桿48和切的三組對應(yīng)轉(zhuǎn)角，即知5,6、必，

6、必（以供，弘表示）。設(shè)計(jì)此四桿機(jī)構(gòu)。

首先，建立坐標(biāo)系，使X軸與機(jī)架重合，各

構(gòu)件以矢量表示，其轉(zhuǎn)角從X軸正向沿逆時(shí)針方

向度量。根據(jù)各構(gòu)件所構(gòu)成的矢量封閉形，可寫

出以下矢量方程式：

ll+12=L+，3

將上式向坐標(biāo)軸投影，可得

Vicos（@+@）+72COS8,=7I+ACOS（心一必）

/isin（0+@）+/2sin6L，3sin（紇+%）

如取各構(gòu)件長度的相對值，

將上兩式等式兩邊平方后相加，整理后得

為簡化上式，再令

Gcpn

Gi=~n/p

可得

上式含有C,C,QS），九5個(gè)待定參數(shù)，由此可知，兩連架桿轉(zhuǎn)角對應(yīng)關(guān)系最多只

能給出5組，才有確定解。如給定兩連架桿的初始角利，依，那么只需給定3組對應(yīng)關(guān)系

即可求出進(jìn)而求出初，，外最后可根據(jù)實(shí)際需要決定構(gòu)件力8的長度，這樣其余

構(gòu)件長度也就確定了。相反，如果給定的兩連架桿對應(yīng)位置組數(shù)過多，或者是一個(gè)連續(xù)函

數(shù)片認(rèn)0）（即從動(dòng)件的轉(zhuǎn)角冰口主動(dòng)的轉(zhuǎn)角濰續(xù)對應(yīng)），那么因。和必勺每一組相應(yīng)值即可

構(gòu)成一個(gè)方程式，因此方程式的數(shù)目將比機(jī)構(gòu)待定尺度參數(shù)的數(shù)目多，而使問題成為不可

解。在這種情況下，設(shè)計(jì)要求僅能近似地得以滿足。

2.按給定連桿某點(diǎn)軌跡設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)作為軌跡生成機(jī)構(gòu)，此類設(shè)計(jì)命題即通常所說的按給定的運(yùn)動(dòng)軌跡

設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)。

在圖中，藍(lán)色實(shí)線所示為工作要求實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，今欲設(shè)計(jì)一較鏈四桿機(jī)構(gòu)，使其

連桿上某一點(diǎn)"的運(yùn)動(dòng)軌跡與該給定軌跡相符。

設(shè)計(jì)步驟：

為了確定機(jī)構(gòu)的尺度參數(shù)和連桿上"點(diǎn)的位置,

首先需要建立四桿機(jī)構(gòu)連桿上M點(diǎn)的位置方程，亦即連

桿曲線方程。

設(shè)在坐標(biāo)系My中，連桿上.V點(diǎn)的坐標(biāo)為（工,力,

該點(diǎn)的位置方程可如下求得。

由四邊形赫也可得

由四邊形〃，監(jiān)可得

將前兩式平方相加消去化后兩式平方相加

消去也可分別得

根據(jù)九+八二Y的關(guān)系，消去上述兩式中的二和九，即可得連桿上〃點(diǎn)的位置方

程

(6.23)

該式又稱為連桿曲線方程。

式中

上式中共有6個(gè)待定尺寸參數(shù)a,c,de,f丫，故如在給定的軌跡中選取6組坐標(biāo)

值（均必），分別代入上式，即可得到6個(gè)方程，聯(lián)立求解這個(gè)6個(gè)方程，即可解出全部

待定尺寸。這說明連桿曲線上只有6個(gè)點(diǎn)與給定的軌跡重合。

設(shè)計(jì)時(shí)，為了使連桿曲線上能有更多點(diǎn)與給定軌跡重合，可再引入坐標(biāo)系

如下圖，即引入了表示機(jī)架在坐標(biāo)系中位置的3個(gè)待定參數(shù)g","。然后用坐標(biāo)

變換的方法將式（6.23）變換到坐標(biāo)系/勿'中，即可得到在該坐標(biāo)系中的連桿曲線方程。

Fix',y\a,c,d,e,f,g,h,y,仰）=0

（2.64）

式中共含有9個(gè)待定尺寸參數(shù)，這說明較鏈四桿機(jī)構(gòu)的連桿上的一點(diǎn)最多能精確地通

過給定軌跡上所選的9個(gè)點(diǎn)。假設(shè)在給定的軌跡上選定的9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為1%,必），代入

式（2.64）,即可得到9個(gè)非線性方程，利用數(shù)值方法解此非線性方程組，便可求得所要

設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的9個(gè)待定尺寸參數(shù)。

第六章凸輪機(jī)構(gòu)

根本要求:

1.了解凸輪機(jī)構(gòu)的類型及各類凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和適用場合，學(xué)會(huì)根據(jù)工作要求和使用場合

選擇凸輪機(jī)構(gòu)的類型。

2.掌握從動(dòng)件幾種常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)和適用場合以及不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移曲線的拼接方

法，學(xué)會(huì)根據(jù)工作要求選擇或設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.掌握凸輪機(jī)構(gòu)根本尺寸確定的原那么，學(xué)會(huì)根據(jù)這些原那么確定移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸

輪機(jī)構(gòu)的基圓半徑、滾子半徑和偏置方向以及移動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的基圓半徑、

平底寬度和偏置方向。

4.熟練掌握并靈活運(yùn)用反轉(zhuǎn)法原理，學(xué)會(huì)根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)各類凸輪的廓線。

5.掌握凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)