过程机械设计基础：第五章 转变运动形式的传动.ppt
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1 由于实际工作的内容各异，要求机器工作构件的运动形式和运动规律也多种多样，例如转动、往复直线运动、摆动、间歇运动、按预定规律或轨迹运动等，因而机械中除应用连续回转传动外，还需应用变换运变换运动形式的传动动形式的传动第五章第五章 转变运动形式的传动转变运动形式的传动 2 平面连杆机构是由一些一些一些一些构件用低副构件用低副构件用低副构件用低副（转动副和移动副）联接组成的机构这些构件在同一平面或平行平面内运动 优点：优点：优点：优点： 1.能够实现多种运动形式的转换实现多种运动形式的转换，也可以实现各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹，容易满足生产中各种动作要求；2.构件间接触面上的比压小、易润滑、磨损轻、适用于传递较大载荷的场合；3.机构中运动副运动副的元素形状简单、易于加工制造和保证精度形状简单、易于加工制造和保证精度 缺点：缺点：缺点：缺点：1.只能近似地满足近似地满足给定的运动规律和轨迹要求，且设计比较复杂；2. 运动构件产生的惯性力难以平衡惯性力难以平衡，高速时会引起较大的振动，因此常用于速度较低的场合常用于速度较低的场合。
第一节第一节连杆传动连杆传动 基本型式：平面连杆机构的基本型式是平面连杆机构的基本型式是铰链四杆机构其余四杆机构均是由铰链四杆机构演化而成的二杆二杆三杆三杆, 不可能不可能.铰链四杆机构铰链四杆机构 Revolute Four-bar Mechanism 4四杆机构四杆机构——具有四个构件的平面连杆机构多杆机构多杆机构——具有四个以上构件的平面连杆机构 5一、铰链四杆机构的类型及应用一、铰链四杆机构的类型及应用一、铰链四杆机构的类型及应用一、铰链四杆机构的类型及应用 铰链四杆机构—各运动副都是铰链的四杆机构，见图5-1 图5-1 1234ABCD连杆连杆连架杆连架杆连架杆连架杆机架机架曲柄曲柄摇杆摇杆( (摆杆摆杆) )( (整转整转) )( (摆转摆转) )机架机架frame、连杆、连杆coupler、连架杆、连架杆side link机架－参考系（固定件）机架－参考系（固定件）连架杆－与机架相联连架杆－与机架相联连杆－不与机架相联连杆－不与机架相联基基本本构构件件曲柄曲柄crank：可回转：可回转360360°°的连架杆的连架杆摇杆摇杆rocker：摆角小于：摆角小于360360°°的连架杆的连架杆滑块滑块slider：作往复移动的连架杆：作往复移动的连架杆连连架架杆杆－全由－全由转动副转动副相联的平面四杆机构相联的平面四杆机构一一.铰链四杆机构铰链四杆机构 7平平面面四四杆杆机机构构基本形式基本形式 ( (全转动副全转动副) )演化形式演化形式(有移动副有移动副)曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 双摇杆机构双摇杆机构 曲柄滑块机构曲柄滑块机构 曲柄导杆机构曲柄导杆机构 曲柄摇块机构曲柄摇块机构 定块机构定块机构 四杆机构的基本形式及其演化四杆机构的基本形式及其演化 81 1、曲柄摇杆机构、曲柄摇杆机构 曲柄曲柄——能作整周回转的连架杆。
摇杆摇杆——只能在小于360°范围内摇摆的连杆架杆 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构——具有曲柄和摇杆的铰链四杆机构 曲柄摇杆机构应用广泛，它可将曲柄的连续转动转换成摇杆的往复摆动 9 102 2、双曲柄机构、双曲柄机构双曲柄机构双曲柄机构—具有两个曲柄的铰链四杆机构不等长双曲柄机构不等长双曲柄机构—特点：特点：两曲柄长度不相等，可将主动曲柄的等速转动转变成从动曲柄的变速转动 11图中杆件1为机架，从动曲柄4变速转动时，筛箱6差动移动，使物料能相对筛面输送惯性筛 (点击图片演示动画) 12等长、平行双曲柄机构等长、平行双曲柄机构等长、平行双曲柄机构等长、平行双曲柄机构（平行四边形机构）——特点：当主动曲柄等速转动时，从动曲柄也等速转动，而连杆平动 图5-11 平行四边形机构 13该机构保证铲斗中的土料不洒 铲土机构 (点击图片演示动画) 14该机构保证天平盘总是水平2 1 天平机构 (点击图片演示动画) 15平行四边形机构的缺点：平行四边形机构的缺点：当曲柄AB转动一周时，将出现两出现两出现两出现两次四杆共线的情况次四杆共线的情况次四杆共线的情况次四杆共线的情况，见图5-11（a）。
图中AB2C2D为一次四杆共线，另一次未画出，应在B点位于A点之左的关联位置在AB2C2D位置，当曲柄AB继续运动到AB3位置时，C点可能运动到C3′也可能运动到C3″，即运动不确定运动不确定运动不确定运动不确定图5-11（b）是在平行四边形机构中增加辅助构件，以消除机构的运动不确定现象，其运动确定原理是上、下两个平行四边形不会同时共线 16 反向平行双曲柄机构反向平行双曲柄机构——特点是连杆与机架等长、两曲柄等长、反向且平行见图5-12和图5-13 铰接的气缸推动曲柄AB转动（图中未画出），车门能同步同角行程开、关 图5-12 逆平行四边形机构图5-13 逆平行四边形机构(点击图片演示动画) 173 3、双摇杆机构、双摇杆机构双摇杆机构双摇杆机构——两连架杆都是摇杆的铰链四杆机构 图5-14 (点击图片演示动画) 图5-15 (点击图片演示动画) 18 图5-14为鹤式起重机，重物升降靠绳轮机构，绕机架轴线平移靠轮盘机构（图中均未画出）重物沿机架轴线的径向平移靠ABCDE双摇杆机构，E点轨迹为近似直线，这可避免径向平移重物时出现升降而改变其水平标高，从而增加司机操作量。
图5-15为车辆前轮的转向机构，特点是两摇杆等长，这样在车轮转向时两车轮始终平行 19 存在曲柄的条件与四杆机构中各杆的相对长度有关1 1、曲柄存在条件、曲柄存在条件（推导过程自学，一般了解）（推导过程自学，一般了解）①① 最短杆与最长杆长度之和不大于其它两杆长度之和（杆长条件）②② 最短杆是连架杆连架杆连架杆连架杆或机架机架机架机架（最短构件条件）二、铰链四杆机构存在曲柄的条件二、铰链四杆机构存在曲柄的条件二、铰链四杆机构存在曲柄的条件二、铰链四杆机构存在曲柄的条件 202 2、铰链四杆机构类型判别、铰链四杆机构类型判别①① 在满足杆长条件时： (a)(a) 最短杆为机架是双曲柄机构双曲柄机构（平行四边形机构任一杆为机架都是双曲柄机构） (b) 最短杆的对杆为机架是双摇杆机构双摇杆机构 (c) 最短杆的邻杆为机架是曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构②② 不满足杆长条件时，不论哪一杆为机架，都是双摇机构双摇机构 211 1、、 转动副转化为移动副转动副转化为移动副三、铰链四杆机构的演化三、铰链四杆机构的演化三、铰链四杆机构的演化三、铰链四杆机构的演化 回转副化为移动副 (点击图片c或d演示动画)（（1 1）曲柄）曲柄滑块机构滑块机构 22 将图（a）中的铰链D下移至无穷远处，则铰链C的运动轨迹由曲线mm变为直线mm（参见图（b），图（a）所示的曲柄摇杆机构转变为图（c）、（d）所示的对心或偏置曲柄滑块机构。
曲柄滑块机构广泛用于压力机压力机压力机压力机、活塞泵活塞泵活塞泵活塞泵和冲床冲床冲床冲床等（以曲柄为原动件），广泛用于内燃机内燃机内燃机内燃机、蒸汽机蒸汽机蒸汽机蒸汽机、压缩机压缩机压缩机压缩机等（以活塞为原动件），如图所示 23 24（（2 2）双滑块机构）双滑块机构 如果把曲柄与连杆间的转动副（铰链）也演化成移动副，便成为双滑块机构 ①① 正弦机构及其应用——缝纫机下针机构图（b）中曲柄1转过φ角时，滑块3的位移S3按正弦规律变化：S3＝l1sinφ＝l1sinωt 25图中导杆1转过φ角时，立杆3的位移S3按正弦规律变化：②② 正切机构 26 图（a）中转块1相对机架4顺时针转动时，直角导杆2向左插进转块1、同时向下退出转块A，并带动转块A相对机架4也以相同顺时针转动即主、从动转块转速相等、转向相同 图（b）中左右轴不对中，但也能等速同向转动③③双转块机构及其应用——滑块联轴器双转块机构及其应用(点击图片演示动画) 27图中滑块1、3沿机架的滑槽移动时，除A、B两点及其中点外，连杆2上的各点能画出长、短轴不同的椭圆④④ 双滑块机构及其应用——椭圆仪 28图(a)、(b)所示的曲柄摇杆和曲柄机构中，当曲柄AB较短时，铰链A、B会连通，为满足结构尺寸需要，可将回转副B扩大到超过曲柄的长度，这时曲柄A就演化成偏心轮，偏心轮的回转中心为A、几何中心为B，见图(c)、(d)。
2 2、、 扩大回转副扩大回转副————偏心轮机构偏心轮机构 偏心轮机构与演化前的曲柄摇杆和曲柄滑块机构本质上相同，即运动特性未变 293 3、选取不同的构件为机架、选取不同的构件为机架图(a)为曲柄摇杆机构；图(b)为取杆1（最短杆）为机架后，得到的双曲柄机构；图(c)为取杆2或杆4（是短杆邻边）为机架后，得到的双曲柄摇杆机构；图(d)为取杆3（最短杆对边）为机架得到的双摇杆机构 30图（图（a a）是对心曲柄滑块机构）是对心曲柄滑块机构；；图（图（b））是取杆是取杆2为机架得到为机架得到的导杆机构，特点是的导杆机构，特点是l 2＜＜l 3，杆，杆3和杆和杆1均可整周回转，故称为均可整周回转，故称为转转动导杆机构动导杆机构 图5-20 曲柄滑块机构的演化d:定块机构C:摆动导杆机构 31图5-21是l 1 ＞ l 2的导杆机构，杆2可整周回转，杆4却只能往复摆动，故称为摆动导杆机构图5-21 曲柄摆动导杆机构(点击图片演示动画） 32 牛头刨床的主运动机构 (点击图片演示动画） 摆动导杆机构摆动导杆机构的应用的应用 33摇块机构的摇块机构的应用应用图5-20（C）是取杆3为机架得到的摇块机构。
34图5-20（d）是取杆（块）4为机架得到的定块机构定块机构的定块机构的应用应用手动抽水机 (点击图片演示动画) 351 1、急回运动、急回运动 1 1）极位夹角）极位夹角 四、平面四杆机构的基本特征四、平面四杆机构的基本特征四、平面四杆机构的基本特征四、平面四杆机构的基本特征 图中曲柄转 图中曲柄转1 1周与连杆两次共线，摇杆对应的处于两个极限周与连杆两次共线，摇杆对应的处于两个极限位置，曲柄对应的位置夹角（取锐角）位置，曲柄对应的位置夹角（取锐角）θθ 称为极位夹角称为极位夹角 图5-5 2 2、急回运动与行程速比系数、急回运动与行程速比系数 在图 在图4－－20中，曲柄一般匀速转动，中，曲柄一般匀速转动， ，， 对应的摇杆的摆速 对应的摇杆的摆速线速线速 这说明摇杆右摆慢、左摆快，这说明摇杆右摆慢、左摆快，或或去的慢、回的快去的慢、回的快，这种特性称为急回特性。
这种特性称为急回特性 37 行程速比系数： 行程速比系数： ， ， k 能表示急回程度，若能表示急回程度，若θ≠0，则，则k>1，有急回特性，有急回特性；； θ越大、越大、k 也越大，说明急回程度越大；若也越大，说明急回程度越大；若θ=0，则，则 k＝＝1，无急回特性，无急回特性 牛头刨具有急回特性，能节省空回时间、提高生产率 牛头刨具有急回特性，能节省空回时间、提高生产率 38２）压力角与传动角２）压力角与传动角 图中连杆为二杆，对于摇杆上的C点，其受力F方向线与其速度vc方向线所夹锐角α称为压力角 连杆与摇杆所夹锐角γ是与α角的余角，称为传动角传动角比压力角直观，也便于度量 αα角越小或角越小或γγ角越大，对传动就越有利角越大，对传动就越有利通常γmin≥40° ～50 ° 曲柄摇杆机构的压力角与传动角 394 4）最小传动角）最小传动角γγminmin出现的位置出现的位置 四杆机构的压力角和传动角都是变化的，在曲柄与机架共线的两个位置之一，传动角最小。
40 曲柄与连杆共线的两个位置，传动角γ=0，此时若以摇杆为主动件，通过连杆传给曲柄上的力通过曲柄回转中心，因此无论力有多大，都不能绕曲柄转动机构在γ=0的位置称为死点（参见5-７图）缝纫机踏板处于死点位置时就踩不动 ４）死点４）死点图5-7 缝纫机踏板机构 41 图5-8是利用死点的实例，夹紧工件时连杆BC与连架杆CD共线，去掉F后无论R多大，工件都不会松脱 对于传动机构，死点是有害的，通常借助机构的惯性“闯过”死点 五五五五 平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计平面四杆机构的设计 连杆机构设计的基本问题连杆机构设计的基本问题 机构选型机构选型－根据给定的运动要求选择机－根据给定的运动要求选择机 构的类型；构的类型；尺度综合尺度综合－确定各构件的尺度参数－确定各构件的尺度参数(长度长度 尺寸尺寸) 同时要满足其他辅助条件：同时要满足其他辅助条件：a)结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、结构条件（如要求有曲柄、杆长比恰当、 运动副结构合理等）运动副结构合理等）;b)动力条件（如动力条件（如γmin））;c)运动连续性条件等。
运动连续性条件等γγ ADCB飞机起落架飞机起落架B’C’三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律，满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构飞机起落架、函数机构函数机构函数机构要求两连架杆的转角要求两连架杆的转角满足函数满足函数 y=logxxy=logxABCD 三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律，满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构飞机起落架、函数机构前者要求两连架杆转角对应，后者要求急回运动2)满足预定的连杆位置要求，满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构如铸造翻箱机构要求连杆在两个位置要求连杆在两个位置垂直地面且相差垂直地面且相差180˚ C’B’ABDC QABCDE鹤式起重机鹤式起重机搅拌机构搅拌机构要求连杆上要求连杆上E点的轨点的轨迹为一条卵形曲线迹为一条卵形曲线要求连杆上要求连杆上E点的轨点的轨迹为一条水平直线迹为一条水平直线QCBADE三类设计要求：三类设计要求：1)满足预定的运动规律满足预定的运动规律，，两连架杆转角对应，如两连架杆转角对应，如: 飞机起落架、函数机构。
飞机起落架、函数机构2)满足预定的连杆位置要求，如满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构铸造翻箱机构3)满足预定的轨迹要求，如满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机鹤式起重机.exe等 给定的设计条件：给定的设计条件：1)几何条件几何条件（给定连架杆或连杆的位置）（给定连架杆或连杆的位置）2)运动条件运动条件（给定（给定K））3)动力条件动力条件（给定（给定γγminmin））设计方法：设计方法：图解法、解析法、实验法图解法、解析法、实验法 φE θ θ1、按给定的行程速比系数、按给定的行程速比系数K设计四杆机构设计四杆机构1) 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构①①计算计算θ＝＝180°(K-1)/(K+1);已知：已知：CD杆长，摆角杆长，摆角φ及及K，， 设计此机构步骤如下：设计此机构步骤如下：②②任取一点任取一点D D，作等腰三角形，作等腰三角形 腰长为腰长为CDCD，夹角为，夹角为φ;③③作作C2P⊥⊥C1C2，作，作C1P使使④④作作△△P P C1C2的外接圆，则的外接圆，则A A点必在此圆上点必在此圆上⑤⑤选定选定A A，设曲柄为，设曲柄为l1 ，连杆为，连杆为l2 ，则，则: :⑥⑥以以A A为圆心，为圆心，A A C2为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得： l1 =EC1/ 2 l2 = A = A C1－－EC1/ 2,A,A C2= =l2- - l1=> => l1 =( A A C1－－A A C2)/ 2 ∠∠C2C1P=90°°－－θ,θ,交于交于P;P; 90°-θP A A C1= = l1+ +l2DAC1C2 ADmnφ=φ=θθD2) 导杆机构导杆机构分析：分析： 由于由于θθ与与导杆摆角导杆摆角φφ相等，设计此相等，设计此 机构时，仅需要确定曲柄机构时，仅需要确定曲柄 a。
①①计算计算θθ＝＝180180°°(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);②②任选任选D D作作∠∠mDnmDn＝＝φφ＝＝θθ，，③③取取 A A点点 ，， 使使 得得 AD=d, AD=d, 则则 : : a=dsin(a=dsin(φφ/2)/2)θθφ=φ=θθAd作角分线作角分线; ;已知：机架长度已知：机架长度d，，K，，设计此机构设计此机构 E2θ2θ2ae3) 曲柄滑块机构曲柄滑块机构H已已知知K K，，滑滑块块行行程程H H，，偏偏距距e e，设计此机构，设计此机构 ①①计算计算: θθ＝＝180180°°(K-1)/(K+1);(K-1)/(K+1);②②作作C1 C2 ＝＝H H③③作射线作射线C1O O 使使∠∠C2C1O=90°°－－θ,θ, ④④以以O O为圆心，为圆心，C1O O为半径作圆为半径作圆⑥⑥以以A A为圆心，为圆心，A A C1为半径作弧交于为半径作弧交于E,E,得：得：作射线作射线C2O O使使∠∠C1C2 O=90°°－－θθ ⑤⑤作偏距线作偏距线e e，交圆弧于，交圆弧于A A，即为所求即为所求C1C29090°°-θ-θo9090°°-θ-θAl1 =EC2/ 2l2 = A = A C2－－EC2/ 2 2、按预定连杆位置设计四杆机构、按预定连杆位置设计四杆机构a)给定连杆两组位置给定连杆两组位置有唯一解。
有唯一解B2C2AD将将铰铰链链A、、D分分别别选选在在B1B2，，C1C2连连线线的的垂垂直直平平分分线线上上任任意意位置都能满足设计要求位置都能满足设计要求b)给定连杆上铰链给定连杆上铰链BC的三组位置的三组位置有无穷多组解有无穷多组解A’D’B2C2B3C3ADB1C1B1C1 xyABCD12343、给定两连架杆对应位置设计四杆机构、给定两连架杆对应位置设计四杆机构给定连架杆对应位置：给定连架杆对应位置：构件构件3和和构件构件1满足以下位置关系：满足以下位置关系：δφψl1l2l3l4建立坐标系建立坐标系, ,设构件长度为：设构件长度为：l1 、、l2、、l3、、l4在在x,yx,y轴上投影可得：轴上投影可得：l1+l2=l3+l4机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角机构尺寸比例放大时，不影响各构件相对转角. . l1 coc φ + l2 cos δ = l3 cos ψ + l4 l1 sin φ + l2 sin δ = l3 sin ψ ψi i＝＝f (φi i ) i =1, 2, 3…n设计此四杆机构设计此四杆机构( (求各构件长度求各构件长度) )。
令：令： l1 =1 消去消去δ整理得：整理得：coscosφ ＝＝ l3 cosψψ －－ cos(ψψ- -φ) ＋＋l3l4l42+ l32+1- l222l4P2代入移项得：代入移项得： l2 cosδ = l4 ＋＋ l3 cos ψψ －－cos φ则化简为：则化简为：coccocφ＝＝P0 cosψψ ＋＋ P1 cos(ψψ－－ φ ) ＋＋ P2代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：代入两连架杆的三组对应转角参数，得方程组：l2 sinδ = l3 sin ψψ －－sin φ令: P0P1coccocφ1＝＝P0 cosψψ1 ＋＋ P1 cos(ψψ1－－ φ1 ) ＋＋ P2coccocφ2＝＝P0 cosψψ2 ＋＋ P1 cos(ψψ2－－ φ2 ) ＋＋ P2coccocφ3＝＝P0 cosψψ3 ＋＋ P1 cos(ψψ3－－ φ3 ) ＋＋ P2可求系数可求系数: :P0 、、P1、、P2以及以及: : l2 、、 l3、、 l4将相对杆长乘以任意比例系数，所得机构都能满足转角要求若给定两组对应位置，则有无穷多组解。
举例：举例：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置：设计一四杆机构满足连架杆三组对应位置： φ1 1 ψψ1 1 φ2 2 ψψ2 2 φ3 3 ψψ3 34545°° 50 50°° 90 90°° 80 80°° 135 135°° 110 110°°φ1 1ψψ1 1φ3 3ψψ3 3代入方程得：代入方程得： cos90cos90°°=P=P0 0cos80cos80°°+P+P1 1cos(80cos(80°°-90-90°°)+P)+P2 2 cos135cos135°°=P=P0 0cos110cos110°°+P+P1 1cos(110cos(110°°-135-135°°)+P)+P2 2解得相对长度解得相对长度: : P P0 0 =1.533, P =1.533, P1 1=-1.0628, P=-1.0628, P2 2=0.7805=0.7805各杆相对长度为：各杆相对长度为：选定构件选定构件l1的长度之后，可求得其余杆的绝对长度的长度之后，可求得其余杆的绝对长度 cos45cos45°°=P=P0 0cos50cos50°°+P+P1 1cos(50cos(50°°-45-45°°)+P)+P2 2B1C1ADB2C2B3C3φ2 2ψψ2 2l1= =1 1l4 =- - l3 / P1 =1.442l2 =(=(l42+ l32+1-2l3P P2 2 )1/2 = =1.7831.783 l3 = P P0 0 = = 1.553, 54图5-27 回转副结构五、连杆机构的结构五、连杆机构的结构五、连杆机构的结构五、连杆机构的结构 连杆机构运动简图的 几何尺寸确定后，须根据工艺性和强度条件确定各构件的结构形状、断面尺寸和材料，在设计回转副和移动副结构时还需考虑润滑问题。
通常情况下，曲柄可以做成圆盘销轴状（图b所示）、曲轴状（图c所示）或杆件状（图d所示）连杆和摇杆的结构相对简单，可以根据具体情况进行设计 57图5-29杆长调节机构（a）通过调节曲柄的长度改变摇杆CD的摆角，（b）通过调节连杆的长度调节滑块的起始位置图5-28移动副结构五、连杆机构的结构五、连杆机构的结构五、连杆机构的结构五、连杆机构的结构 其约束条件可其约束条件可利用利用重力封闭重力封闭或或形封闭形封闭图图a为常见的移为常见的移动副，图动副，图b重力重力封闭，图封闭，图c重力重力封闭与形封闭封闭与形封闭相结合图图d为重力封闭为重力封闭点接触式移动点接触式移动副，图副，图e为柱面为柱面移动副结构，移动副结构，图图f为带滑键的为带滑键的柱面移动副结柱面移动副结构，图构，图g为形封为形封闭点接触式移闭点接触式移动副的结构动副的结构 59第第二二节节 凸凸轮轮传传动动一、凸轮机构的应用、特点与类型一、凸轮机构的应用、特点与类型 应用：应用：图5-30走刀机构 60特点：特点：凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，只要改变只要改变凸轮轮廓的外形，就能使从动件实现不同的运动规律凸轮轮廓的外形，就能使从动件实现不同的运动规律。
与连杆机构比较，凸轮机构与连杆机构比较，凸轮机构结构简单紧凑结构简单紧凑、、设计容设计容易易，且，且能实现复杂的运动能实现复杂的运动但因凸轮轮廓与从动件之间但因凸轮轮廓与从动件之间系点、线接触，易磨损，故适用于有特殊要求的运动规系点、线接触，易磨损，故适用于有特殊要求的运动规律而传递动力不大的场合律而传递动力不大的场合 凸轮机构的类型凸轮机构的类型1、按凸轮形状分类、按凸轮形状分类①① 盘形盘形——见图见图5－－1②② 移动移动凸轮凸轮——见图见图5－－3③③ 圆柱形圆柱形——见图见图5－－22、按从动件的形式分类、按从动件的形式分类①① 尖顶尖顶②② 滚子滚子③③ 平底平底 尖顶从动件尖顶从动件滚子从动件滚子从动件平底从动件平底从动件 名称名称名称名称 图形 说明说明说明说明 尖尖端端从从动动件件 从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律这种从动件结构最简单，但尖端处易磨损，故只适用于速度只适用于速度较低较低和传力不大的传力不大的场合场合曲曲面面从从动动件件 为了克服尖端从动件的缺点，可以把从动件的端部做成曲面，称为曲面从动件这种结构形式的从动件在生产中应应用较多。
用较多 滚子从动件 为减小摩擦磨损，在从动件端部安装一个滚轮，把从动件与凸轮之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用来传递较大的动力传递较大的动力，故这种形式的从动件应用很广应用很广平底从动件 从动件与凸轮轮廓之间为线接触，接触处易形成油膜，润滑状况好此外，在不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于从动件的平底，受力平稳，传动传动效率高，常用于高效率高，常用于高速场合缺点是与之配合的凸凸轮轮轮廓必须全部为外凸形状轮廓必须全部为外凸形状 3、按保持接触的方式分类、按保持接触的方式分类①① 力封闭力封闭②② 形封闭形封闭 66 从动件的运动规律是机构设计的基本要求，凸轮的形状应使从动件能实现其运动规律二、从动件的常用运动规律二、从动件的常用运动规律 凸轮以ω1 顺时针转动时，在轮廓线AB段，顶杆上升，在CD段顶杆下降，在BC、DA两段，顶杆不动顶杆升降过程中其位移、速度、加速度随凸轮转角变化的规律称为从动件的运动规律 67CBDr0Aoδδδt凸轮的基圆初始位置CDB凸轮的基圆——以凸轮的最小向径r0所作的圆称为基圆行程Shδt推程运动角δs远休止角δh回程运动角δs' 近休止角推程运动角δt ——从动件推程过程，对应凸轮转角称为推程运动角近休止角δs ' — 推杆在最低位置静止不动，凸轮相应的转角远休止角δs——推杆在最高位置静止不动，凸轮相应的转角回程 —从动件从距离凸轮回转中心最远位置到起始位置，从动件移向凸轮轴线的行程，称为回程。
对应凸轮转角δh称为回程运动角推程——从动件从距离凸轮回转中心最近位置到距离凸轮回转中心最远位置的过程，称为推程相应移动的距离h称为行程 68 当凸轮匀速转动时，顶杆在上升和下降的过程中都作等速运动顶杆的位移、速度、加速度见右图 等速运动的凸轮机构加速度大、冲击力大，适用于低速、轻载的场合1 1、等速运动规律（刚性冲击）、等速运动规律（刚性冲击）图5-35 69 等加速运动： 等加速运动：顶杆上升或下降时，前半段时间作等加速运动等减速运动：顶杆上升或下降时，后半段时间作等减速运动顶杆的位移、速度、加速度见右图2 2、等加速、等减速运动规律、等加速、等减速运动规律 70149410’h142356o tδt等加速等减速运动规律从动件位移曲线绘制方法等加速等减速运动规律从动件位移曲线绘制方法因为当t=1,2,3时,则若已知h1”2”3”1’2’3’ 71顶杆作等加速或等减速运动的意义：V2=a0t s2=a0t2/2缩短运动时间，减小机构冲击与等速运动比较，等加速、等减速运动所产生的冲击较小（柔性冲击），适用于中速、轻载的场合适用于中速、轻载的场合 723 3、（余弦加速度）简谐运动规律、（余弦加速度）简谐运动规律 质点作匀速圆周运动时，在质点作匀速圆周运动时，在直线上投影点的运动规律直线上投影点的运动规律称为简谐运动规律。
如图5-37，质点从点O顺时针转到点6时，它在S2轴线上依次投影出若干个高度，把这些转角和对应的高度画在δ1—S2坐标系中，就得到简谐运动的位移曲线图5-37 余弦加速度运动规律 73由加速度曲线看出，质点运动半周的首尾有突变，但是当质点作连续圆周运动时，顶杆不停的升—降—升运动，加速度曲线就成为连续曲线（见虚线）这样简谐运动就消除了冲击，故尔可用于高速运动的场合可用于高速运动的场合 744 4、摆线运动规律（正弦加速度规律）、摆线运动规律（正弦加速度规律） 设有一半径为设有一半径为R的圆，沿纵坐标轴作匀速滚动的圆，沿纵坐标轴作匀速滚动，圆周上圆周上某点某点A在纵坐标轴上投影点的运动规律在纵坐标轴上投影点的运动规律，称为摆线运动规律，见图5－10 75 由摆线运动规律加速度图可见，顶杆在初始点和终止点的加速度均为零，说明机构运动平稳无冲击，可用于高速场合可用于高速场合 凸轮机构的设计程序：凸轮机构的设计程序：根据工作要求确定顶杆的运动规律，再据运动规律设计凸轮轮廓，轮廓设计有图解法（精度较低）和解析法（精度较高）两种 1.1.凸轮廓线设计方法的基本原理凸轮廓线设计方法的基本原理凸轮轮廓曲线的设计凸轮轮廓曲线的设计图解法设计凸轮的轮廓图解法设计凸轮的轮廓2.2.用作图法设计凸轮廓线用作图法设计凸轮廓线1)1)对心直动尖顶从动件盘形凸轮对心直动尖顶从动件盘形凸轮3)3)滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮4)4)对心直动平底从动件盘形凸轮对心直动平底从动件盘形凸轮2)2)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮偏置直动尖顶从动件盘形凸轮5)5)摆动尖顶从动件盘形凸轮机构摆动尖顶从动件盘形凸轮机构 一、凸轮廓线设计方法的基本原理一、凸轮廓线设计方法的基本原理反转原理：反转原理：依据此原理可以用几何作图的方法依据此原理可以用几何作图的方法设计凸轮的轮廓曲线，例如：设计凸轮的轮廓曲线，例如： 给给整整个个凸凸轮轮机机构构施施以以- -ωω时时，，不不影影响响各各构构件件之之间间的的相相对对运运动动，，此此时时，，凸凸轮轮将将静静止止，，而而从从动动件件尖尖顶顶复复合合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。
O O-ω-ω3 3’1 1’2 2’3 33 31 11 12 22 2ωω 60°rmin120°-ωω1’对心直动尖顶对心直动尖顶从动件从动件凸轮机构中，已知凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rmin，，角速度角速度ωω和从动和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线设计步骤小结：设计步骤小结：①①选比例尺选比例尺μμl作基圆作基圆r rminmin②②反向等分各运动角原则是：陡密缓疏反向等分各运动角原则是：陡密缓疏③③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置④④将各尖顶点连接成一条光滑曲线将各尖顶点连接成一条光滑曲线1.1.对心直动尖顶对心直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮1’3’5’7’8’2’3’4’5’ 6’7’ 8’9’10’11’12’13’14’90°90°A1876543214131211109二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制 60°°120°°90°°90°°1 3 5 7 8911 13 15sδδ9’11’13’12’14’10’ 911 13 151 3 5 7 8O OeA A偏置直动尖顶偏置直动尖顶从动件从动件凸轮机构中，凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rmin，，角速度角速度ωω和从动件的运动规律和偏心距和从动件的运动规律和偏心距e，，设计该凸轮轮廓曲线。
设计该凸轮轮廓曲线2.2.偏置直动尖顶偏置直动尖顶从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’-ωω6’1’2’3’4’5’7’8’15’14’13’12’11’10’9’设计步骤小结：设计步骤小结：①①选比例尺选比例尺μμl作基圆作基圆r rminmin; ; ②②反向等分各运动角反向等分各运动角; ; ③③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置; ; ④④将各尖顶点连接成一条光滑曲线将各尖顶点连接成一条光滑曲线1514131211109k9k10k11k12k13k14k1512345678k1k2k3k5k4k6k7k8 60°°120°°90°°90°°sδδ sδδ911 13 151 3 5 7 8rminA120°-ωω1’设计步骤小结：设计步骤小结：①①选比例尺选比例尺μμl作基圆作基圆r rminmin②②反向等分各运动角原则是：陡密缓疏反向等分各运动角原则是：陡密缓疏③③确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置④④将各尖顶点连接成一条光滑曲线将各尖顶点连接成一条光滑曲线。
1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’2’3’4’5’ 6’7’ 8’9’10’11’12’13’14’60°90°90°1876543214131211109理论轮廓理论轮廓实际轮廓实际轮廓⑤⑤作各位置滚子圆的内作各位置滚子圆的内( (外外) )包络线3.3.滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件盘形凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径的基圆半径rmin，，角速度角速度ωω和从动件的和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线运动规律，设计该凸轮轮廓曲线 60°°120°°90°°90°° ρρa－工作轮廓的曲率半径，－工作轮廓的曲率半径，ρρ－理论轮廓的曲率半径，－理论轮廓的曲率半径， rT－滚子半径－滚子半径ρρ
件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线设计步骤：设计步骤：①①选比例尺选比例尺μμl作基圆作基圆r rminmin②②反向等分各运动角原则是：陡密缓疏反向等分各运动角原则是：陡密缓疏③③确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置④④作平底直线族的内包络线作平底直线族的内包络线4.4.对心直动平底对心直动平底从动件从动件盘形凸轮盘形凸轮8’7’6’5’4’3’2’1’9’10’11’12’13’14’-ωωA1’3’5’7’8’9’11’13’12’14’123456781514131211109 60°°120°°90°°90°° 对平底推杆凸轮机构，也有失真现象对平底推杆凸轮机构，也有失真现象Ormin可通过增大可通过增大r rminmin解决此问题解决此问题rmin 三、摆动三、摆动从动件从动件盘形凸轮机构盘形凸轮机构180º120º60ºo1 2 3 4 5 67 8 910（（1））作出角位移线图；（（2））作初始位置；（（4））找从动件反转后的一系列位置AiBi，再按角位移规律得 C1、C2、…… 等点，即为凸轮轮廓上的点A1A2A3A5A6A7A8A9A10A40000000000（（3））按- 方向划分圆R得A0、 A1、A2等点；即得机架 反转的一系列位置；0rbB0L180°60°120°B1B2B3B4B5B6B7B8B9B101C12C23C3C4C5C6C7C8C9C10ROA0a-δ 凸轮机构的压力角与作用力的关系凸轮机构的压力角与作用力的关系图中：图中：VA2=V2是顶杆绝对速度；是顶杆绝对速度； VA1是凸轮上是凸轮上A点的速度，点的速度，又称牵连速度；又称牵连速度； VA2A1是顶杆相对凸轮的是顶杆相对凸轮的 速度，简称相对速度。
速度，简称相对速度 式中 均为顶杆运动规律参数，是设计的上游式中 均为顶杆运动规律参数，是设计的上游尺寸，只有基圆半径 是结构尺寸，即压力角与基圆半径有尺寸，只有基圆半径 是结构尺寸，即压力角与基圆半径有关 小，机构紧凑，但 大，传力性能差，适于受力小；小，机构紧凑，但 大，传力性能差，适于受力小； 大，机构庞大，但 小，传力性能好，适于受力大大，机构庞大，但 小，传力性能好，适于受力大 OA87测试题测试题1：图示为一偏置直动从动件盘形凸轮已知AB段为推程段廓线，试在图上标注推程运动角dtBABdt以O为圆心作圆并与导路相切，此即为偏距圆O特别强调：推程运动角并非推程廓线所对应的圆心角特别强调：推程运动角并非推程廓线所对应的圆心角过B点作偏距圆的下切线，此线为凸轮与从动件在B点接触时，导路的方向线图中为推程运动角的标法 882：图示为一偏置直动从动件盘形凸轮已知凸轮为以C为圆心的圆盘，问作图标示尖顶从动件与凸轮在D点接触时压力角DODOvFa延长导路方向线以延长导路方向线以O为圆心作圆并与导路相切，此即为偏距圆为圆心作圆并与导路相切，此即为偏距圆。
如图所示 过过D点作偏距圆的下切线，此线为凸轮与从动件在点作偏距圆的下切线，此线为凸轮与从动件在D点接触时，点接触时，导路的方向线导路的方向线连接连接OD凸轮与从动件在凸轮与从动件在D点接触时的压力角如图所示点接触时的压力角如图所示从动件速度方向）从动件速度方向）正压力方向）（正压力方向） 89第三节 步进传动第三节 步进传动一、棘轮机构一、棘轮机构外接棘轮机构(点击图片演示动画)内接棘轮机构摩擦式棘轮机构(点击图片演示动画)1 1 、棘轮机构的工作原理和类型、棘轮机构的工作原理和类型 90２、棘轮机构的特点和应用２、棘轮机构的特点和应用优点：优点：结构简单、运动可靠、调整方便；缺点：缺点：有噪声和冲击、容易磨损应用：应用：低速、轻载下实现间歇运动 91工作台的横向进给——指垂直于刨刀运动方向图中：1、2 ——齿轮机构 2、3、4 ——曲柄摇杆机构 4、5、7 ——棘轮机构 6 ——丝杠齿轮1匀速转动，摇杆4带动棘爪往复运动，棘轮带动丝杠间歇单向转动，丝母（图中未画出）带动工作台及工件横向进给改变滑块A的位置可改进横向进给量牛头刨床工作台的横向进给机构(点击图片演示动画) 92 93二二 槽轮机构槽轮机构1 1、、 槽轮机构的工作原理和类型槽轮机构的工作原理和类型外啮合槽轮机构(点击图片演示动画)图5-44 内槽轮步进机构 942 2、槽轮机构的主要参数、槽轮机构的主要参数————自学，一般了解。
自学，一般了解 953 3、槽轮机构的特点及应用、槽轮机构的特点及应用 l特点：特点：结构简单、工作可靠、一个啮合周期内时而平稳，时而冲击，能准确控制转角，但不能调节转角l应用：应用：低速、间歇转动的装置中 96三、不完全齿轮机构三、不完全齿轮机构 锁止弧S——防止从动轮在停歇期间游动外啮合不完全齿轮机构 97不完全齿轮机构的特点和应用不完全齿轮机构的特点和应用特点：特点：结构简单、制造方便，工作可靠，运动时间与间歇时间之比不受结构的限制进入和脱离啮合时有冲击应用：应用：低速、轻载场合 98第四节 螺旋传动第四节 螺旋传动一一 、类型和应用、类型和应用基本用途：基本用途：将螺杆的回转运动转变为螺母的直线运动1 1、传力螺旋：、传力螺旋：如千斤顶、压力机2 2、传导螺旋：、传导螺旋：如机床刀架3 3、调整螺旋：、调整螺旋：如张紧螺旋 99 与滚动螺旋相比，滑动螺旋结构简单、便于制造、易于自锁，应用广泛，但阻力大、效率低、磨损快图（a）、（b）： 螺母固定、螺杆转动并移动；图（c）：螺母移动，螺杆转动图5-47 100一般螺杆选用一般螺杆选用：Q275、45、50钢重要螺杆选用重要螺杆选用：40Cr、65Mn、T12、9Mn2V合金钢螺母选用：螺母选用：一般用铸造铜合金，低速轻载用铸铁。
螺旋传动的主要失效形式失效形式：磨损螺旋传动的设计准则设计准则：限制工作压力以限制磨损速率螺旋传动的专门校核校核：受力大者校核螺杆和螺牙强度；细长螺杆校核稳定性和刚度；要求自锁者校核自锁性；高速螺杆校核临界转速二、滑动螺旋传动二、滑动螺旋传动 101普通螺旋传动：普通螺旋传动：螺母的位移与螺杆的转角关系：差动螺旋传动差动螺旋传动：螺母（旋向相同）的位移与螺杆的转角关系：差动螺旋传动：差动螺旋传动：螺母（旋向相反）的位移与螺杆的转角关系：二、滑动螺旋传动二、滑动螺旋传动 102滑动螺旋传动优点优点： 1）传力大，工作平稳，无噪声； 2）螺距小，降速传动比大，系统结构紧凑，传动精度高； 3）容易实现自锁滑动螺旋传动缺点缺点： 1）螺旋副间摩擦大，容易磨损； 2）传动效率低二、滑动螺旋传动二、滑动螺旋传动 103图5-50 螺旋千斤顶结构图5-51 螺母只转动螺杆移动的结构滑动螺旋传动结构滑动螺旋传动结构滑动螺旋传动结构滑动螺旋传动结构螺母不动，螺杆即传动又移动螺母不动，螺杆即传动又移动 104 螺杆和螺母的螺纹槽之间连续填装滚珠作为滚动体，使螺杆和螺母间滑动摩擦变成滚动摩擦。
螺母的出口与进口用导路联通三、滚珠螺旋传动三、滚珠螺旋传动 105滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动相比，具有以下滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动相比，具有以下优点优点：：1）摩擦系数小，传动效率高，一般可达90%以上；2）起动力矩小，传动灵敏平稳；3）磨损小，寿命长，能较长期保持使用精度；4）可用调整预紧的方法消除滚珠螺旋中的间隙，提高传动精度和轴向刚度 缺点：缺点： 1）不能自锁，传动具有可逆性，需采用防止逆转的措施； 2）结构、工艺比较复杂，成本较高，且一般均由专业厂制造 106一、连杆一、连杆——棘轮机构棘轮机构第五节 转变运动的机构组合第五节 转变运动的机构组合 实现由曲柄的等角速度回转运动转变为棘轮的步进运动 107二、凸轮二、凸轮——连杆机构连杆机构 实现由凸轮的等角速度回转运动转变为连杆上M点给定的轨迹运动 例例例例1 1 1 1 平板印刷机上的吸纸机构该机构由自由度为2的五杆机构和两个自由度为1的摆动从动件凸轮机构所组成两个盘形凸轮固结在同一转轴上，工作要求吸纸盘按图标虚线所示轨迹运动，以完成吸纸和送进等动作 例例例例2 2 2 2 印刷机械中常用的齐纸机构, 通过凸轮机构和连杆机构的组合，实现理齐纸张的功能。
109三、齿轮三、齿轮——连杆机构连杆机构 实现由曲柄1的等角速度回转运动转变为齿轮5按一定规律作变角速度回转运动 齿轮-连杆组合机构 齿轮-连杆机构是应用最广泛的一种组合机构，它能实现较复杂的运动规律和轨迹，且制造方便 齿轮齿轮- -连杆机构实现的间歇传送装置连杆机构实现的间歇传送装置, 常用于自动机的物料间歇送进，如冲床的间歇送料机构、轧钢厂成品冷却车间的钢材送进机构、糖果包装机的走纸和送糖条等机构 111 实现由两个凸轮协调控制十字滑块上M点的预定轨迹四、凸轮四、凸轮——凸轮机构凸轮机构 112 通过电机带动液压泵——液压系统，实现摇杆8的往复摆动的角速度，从而实现棘轮设定的间歇运动五、机五、机——电电——液组合步进机构液组合步进机构 。
