机械基础7-8章

第七章常用机构§7-1机构的基本知识机构是具有确定相对运动的构件的组合。所有构件都在同一平面内或平行平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。常见的机构多为平面机构，本章仅讨论平面机构。一、机构的基本概念1.运动副两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接，称为运动副。2.自由度和运动副约束一个作平面运动的自由构件有3个独立运动的可能性。构件所具有的这种独立运动的数目称为构件的自由度。一个作平面运动的自由构件有3个自由度。当这些构件之间以一定的方式联接起来成为构件系统时，各个构件不再是自由构件。两个相互接触的构件间只能作一定的相对运动，因此自由度减少。这种对构件独立运动所施加的限制称为运动副约束。二、运动副的类型按接触形式，运动副可分为低副和高副。§7-1机构的基本知识低副是两个构件通过面接触而构成的运动副。根据两个构件间的相对运动形式，低副又分为转动副和移动副。两个构件只能组成在一个平面内作相对转动的运动副，称为转动副（或铰链），如图7-1a所示。两个构件只能沿某一方向作相对移动的运动副，称为移动副，如图7-1b所示。高副是通过点或线接触组成的运动副，如图7-2所示。图7-1图7-2高副§7-2平面连杆机构一、铰链四杆机构由转动副联接4个构件而形成的机构，称为铰链四杆机构，如图7-3所示。图中固定不动的构件AD是机架；与机架相连的构件AB、CD称为连架杆；不与机架直接相连的构件BC称为连杆。连架杆中，能作整周回转的称为曲柄，只能作往复摆动的称为摇杆。1.铰链四杆机构的类型图7-3根据两连架杆中曲柄(或摇杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。（1）曲柄摇杆机构。两连架杆中一为曲柄、一为摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构，如图7-4所示。曲柄摇杆机构的作用是将曲柄的回转运动转换成摇杆的往复摆动。如图7-5所示，汽车前窗刮雨器与搅拌机均为曲柄摇杆机构的应用。图7-4曲柄摇杆机构图7-5§7-2平面连杆机构（2）双曲柄机构。两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构，如图7-6所示。如图7-7所示，惯性筛即为双曲柄机构的应用。双曲柄机构的从动曲柄为单向转动，所以没有急回特性。当主动曲柄匀速转动时，从动曲柄的瞬时角速度一般是变化的，这称为双曲柄机构的急转特性。图7-6双曲柄机构图7-7惯性筛双曲柄机构中，当两曲柄长度相等，连杆与机架的长度也相等时，称为平行双曲柄机构（平行四边形机构）。机车车轮联动机构，就是平行双曲柄机构的具体应用。它能保证被联动的各轮与主动轮作相同的运动。此外，还有反平行四边形机构，如公共汽车车门启闭机构。§7-2平面连杆机构(3）双摇杆机构。两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构，如图7-8所示。飞机起落结构（图7-9）就属于双摇杆机构。图7-8双摇杆机构图7-9飞机起落机构图7-10铸造用的大型造型机箱翻盖机构2.铰链四杆机构的应用（1）可以实现连杆的几个位置，图7-10为铸造用的大型造型机箱翻盖机构。（2）可以实现给定连杆上点的轨迹，如图7-11所示。图7-11§7-2平面连杆机构（3）实现连架杆（摇杆）的给定运动规律，如图7-12所示。图7-12图7-13曲柄滑块机构3.铰链四杆机构的曲柄存在条件铰链四杆机构存在一个曲柄的条件是：(1)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。(2)曲柄为最短杆。铰链四杆机构存在曲柄的条件是：(1)最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。(2)机架或连架杆为最短杆。二、铰链四杆机构的演变1.曲柄滑块机构图7-13b和图7-13c表明了曲柄滑块机构的两个极位。§7-2平面连杆机构2.偏心轮机构图7-14b和图7-14c表明了偏心轮机构的两个极位。图7-14偏心轮机构3.导杆机构（1）摆动导杆机构：如图7-15（应用：牛头刨床）（2）转动导杆机构：如图7-16（3）移动导杆机构：如图7-17（应用：手摇唧筒机构）（4）摇块机构：如图7-18（应用：油泵、翻斗车）图7-15摆动导杆机构图7-16转动导杆机构图7-17移动导杆机构图7-18摇块机构§7-2平面连杆机构三、平面四杆机构的基本特性1.急回特性摇杆来回摆动的摆角相同，但其往复运动快慢不相同的特性称为急回特性。图7-19所示为一曲柄摇杆机构，设曲柄AB为原动件，在其转动一周的过程中，有两次与连杆共线，这时，摇杆CD分别位于两极限位置C1D和C2D。曲柄摇杆机构所处的这两个位置，称为极位。曲柄与连杆两次共线位置之间所夹的锐角θ，称为极限夹角。当曲柄由位置AB1顺时针转到位置AB2时，曲柄转角φ1=180°+θ，这时，摇杆由C1D摆到C2D，摇杆摆角为φ；而当曲柄顺时针再转Ψ2=180°-θ时，摇杆由C2D摆到C1D，摆角仍为Ψ。虽然摇杆的摆角相同，但对应曲柄转角φ不同（φ1＞φ2）；当曲柄匀速转动时，对应的时间也不等（t1＞t2）。令摇杆自C1D摆至C2D为工作行程，这时铰链C的v1=c1c2/t1；摆杆自C2D摆至C1D为空行程，这时C点的平均速度是v2=c1c2/t2，即v1＜v2。曲柄摇杆机构的急回特性用行程速比系数K来表示，即摇杆回程的平均速度与工作行程的速度之比。K反映了机构急回运动特性的相对强度，K值越大，机构急回运动特性越明显。图7-192.传动角和压力角（如图7-20所示）压力角α指在不计运动副中摩擦和构件质量的情况下，机构从动件受力方向和受力点速度方向间所夹的锐角。传动角γ为压力角的余角，指的是锐角。§7-2平面连杆机构图7-20图7-21曲柄摇杆机构的死点图7-22夹紧机构为了保证四杆机构的传力性能，一般要求四杆机构运动过程中的最小传动角不小于许用值，即γmin≥［γ］。当曲柄为主动件时，γmin只可能发生在曲柄与机架共线的位置。3.死点当摇杆为主动件，且从动曲柄与连杆成一直线时机构处于死点位置，如图7-21所示。在平面四杆机构中，只要有作往复运动的构件，就有死点位置问题。§7-3凸轮机构一、凸轮机构概述1.凸轮机构的组成及工作原理凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，从动件是被凸轮直接推动的构件。凸轮机构就是由凸轮、从动件和机架3个主要构件所组成的高副机构。图7-23为典型的盘状凸轮及移动凸轮。图7-23凸轮机构2.凸轮机构的特点只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑。但是凸轮轮廓线与从动杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用于传递动力不大的场合。3.凸轮机构的分类及应用(1)按形状凸轮分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮。盘形凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。移动凸轮是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它作往复直线移动，可以分为移动从动杆、移动凸轮机构和摆动从动杆移动凸轮机构。圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件。(2)按端部形状从动杆分为尖顶从动杆、滚子从动杆和平底从动杆§7-3凸轮机构(2)按端部形状从动杆分为尖顶从动杆、滚子从动杆和平底从动杆(3)按运动形式从动杆分为移动从动杆和摆动从动杆二、凸轮与从动杆的运动关系先以一对心移动尖顶从动杆盘形凸轮机构为例来说明一些常用的名词。基圆是以凸轮的转动中心O为圆心，以凸轮的最小向径为半径（r0）所作的圆。r0称为凸轮的基圆半径。推程是当凸轮以等角速度（ω）逆时针转动时，从动杆在凸轮廓线的推动下，将由最低位置被推到最高位置时，从动杆运动的这一过程。而相应的凸轮转角（δ）称为推程运动角。远休是凸轮继续转动，从动杆将处于最高位置而静止不动时的这一过程。与之相应的凸轮转角（δo）称为远休止角。回程是凸轮继续转动，从动杆又由最高位置回到最低位置的这一过程。相应的凸轮转角（δ′）称为回程运动角。近休是当凸轮转过角δs′时，从动杆与凸轮廓线上向径最小的一段圆弧接触，而将处在最低位置静止不动的这一过程。δs′称为近休止角。行程是从动杆在推程或回程中移动的距离（h）。位移线图是描述位移（s）与凸轮转角（δ）之间关系的图形。第八章机械传动§8-1带传动与链传动一、带传动1.带传动的工作原理和特点图8-1如图8-1所示，带传动是一种常用的机械传动形式，它通过环形曳引元件，在两个或两个以上的传动轮之间传递运动和动力，它的主要作用是传递转矩和改变转速。大部分带传动是依靠挠性传动带与带轮间的摩擦力来传递运动和动力的。带传动带传动的使用特点：（1）带传动的优点带传动属于挠性传动，其运行平稳，噪声小，有缓冲吸振作用；带会在带轮上打滑，有过载保护作用；带传动允许较大的中心距，适于远距离传动；而且带结构简单，制造、安装和维护较方便，且成本低廉。（2）带传动的缺点§8-1带传动与链传动由于带与带轮之间存在滑动，有弹性滑动使传动比不恒定；带的张紧力较大（与啮合传动相比），轴上压力较大；带的结构尺寸较大，不紧凑；带传动效率较低，带的寿命一般较短，不宜在易燃易爆场合下工作；带与带轮间会产生摩擦放电现象，不适宜高温、易燃和易爆的场合。2.带传动的类型和应用（1）带传动的类型。按传动原理带传动分为摩擦带传动和啮合带传动。摩擦带传动靠传动带与带轮之间的摩擦力实现传动，如V带传动、平带传动等；啮合带传动靠带内侧凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合实现传动，如同步带传动。按用途带传动分为传动带和输送带。传动带用来传递动力，输送带用来输送物品。按传动带的截面形状分平带、V带、多楔带、圆形带和齿形带（同步带）。平带如图8-2所示，平带的截面形状为矩形，内表面为工作面。V带如图8-3所示，V带的截面形状为梯形，两侧面为工作表面。多楔带如图8-4所示，多楔带是在平带基体上由多根V带组成的传动带，可以传递很大的功率。圆形带横截面为圆形，只用于小功率传动，如图8-5。齿形带（同步带）如图8-6所示。§8-1带传动与链传动图8-2平带图8-3V带图8-4多楔带图8-5圆形带图8-6齿形带（2）带传动的应用。带传动是一种应用广泛的机械传动方式，在精密机械、工程机械、矿山机械、化工机械、交通运输和农业机械等各个领域，它都得到广泛的应用，如图8-7。图8-7带传动的应用§8-1带传动与链传动3.V带的结构和标准（1）V带的结构。标准V带都制成无接头的环形带，其横截面结构如图8-8所示。强力层的结构形式有帘布结构和线绳结构。其中，顶胶和底胶由橡胶制成，包布由橡胶帆布制成，主要起耐磨和保护的作用。图8-8V带横截面结构（2）V带的标准。V带的种类：普通V带、窄V带、宽V带、大楔角V带、齿形V带、汽车V带、联组V带和接头V带等。其中普通V带应用最广。普通V带已标准化，按截面尺寸有Y、Z、A、B、C、D、E等7种型号（表8-1）。§8-1带传动与链传动4.V带轮的结构和材料选择(1)V带轮的结构。如图8-9所示，带轮由轮缘、腹板（轮辐）和轮毂3部分组成。轮缘是带轮的工作部分，制有梯形轮槽。轮毂是带轮与轴的联接部分，轮缘与轮毂则用轮辐（腹板）联接成一整体。图8-9V带轮的结构（2）V带轮的材料选择。带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢，(或用钢板冲压后焊接而成)；小功率时可用铸铝或塑料。§8-1带传动与链传动5.V带轮的安装、张紧和维护（1）V带轮的张紧①定期张紧法（两轮的中心距能够调整时）。如图8-13所示，采用定期改变中心距的方法来调节V带轮的预紧力，使V带轮重新张紧。②自动张紧法。如图8-14所示，将装有V带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用V带轮的自重，使V带轮随同电动机绕固定轴摆动，以自动保持张紧力。图8-13定期张紧法图8-14自动张紧法§8-1带传动与链传动③加张紧轮法图8-15加张紧轮法如图8-15所示，当中心距不能调节时，可采用张紧轮将V带轮张紧。张紧轮一般应放在松边内侧，使V带轮只受单向弯曲，同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过分影响小V带轮的包角。若张紧轮置于松边外侧，则应尽量靠近小V带轮。张紧轮的轮槽尺寸与V带轮的相同，且直径小于小V带轮的直径。（2）V带轮的安装与维护要求，为了保证安全，V带轮必须遵守一定