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第3章 常用机构
一、教学目标
1. 了解运动副的概念。
2. 熟悉各种机构的运行方式。
3. 掌握各种机构的运动原理。
二、课时分配
本项目共5个任务，安排10课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生学习了解各种机构，熟悉各机构分类方式，在生活中如何使用这些机构方便。
四、教学难点
1．运动副的概念。
2. 连杆机构的运动方式与演化
3. 凸轮机构与间歇运动机构工作方式
五、教学内容
3.1运动副
一、运动副的概念
单缸内燃机的曲轴连杆机构中，曲轴与连杆的组合实现转动，活塞与缸体的组合实现往复运动。
单缸内燃机
这两者之间存在以下三个共同点：
（1）均由两构件组成。
（2）两构件是直接接触。
（3）构件是具有确定相对运动的可动连接。
因此，把两个构件直接接触并能保持确定的相对运动的可动连接称为运动副。
二、运动副的类型
在工程上，人们把运动副按其运动范围分为空间运动副和平面运动副两大类。在一般机器中，经常遇到的是平面运动副。平面运动副根据组成运动副的两构件的接触形式不同，可分为低副和高副两类。
1.低副
两构件通过面接触组成的运动副称为低副。平面机构中常见低副有转动副和移动副两种。
转动副
移动副
2.高副
两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。构成高副的两构件接触面积小，在承受荷载时单位面积压力较大，构件易磨损，寿命短，制造维修困难。但高副能传递较复杂的运动。
机构中所有运动副均为低副的机构称为低副机构，至少有一个运动副是高副的机构称为高副机构。
机构运动简图表
3.2平面连杆机构
平面连杆机构的各构件是用销轴、滑道(低副)等方式连接起来的，各构件间的相对运动均在同一平面或互相平行的平面内。
一、铰链四杆机构的组成
铰链四杆机构由四个杆件和四个转动副组成。其中,固定不动的杆件称为机架;与机架相连的杆件称为连架杆;不直接与机架相连的杆件称为连杆。连架杆中,能做整周回转运动的连架杆称为曲柄;只能绕机架在小于360°的范围内做往复摆动的连架杆称为摇杆。
铰链四杆机构
二、铰链四杆机构的基本类型
对于铰链四杆机构来说，可分为以下三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构
三、铰链四杆机构类型的判别
1.当最短杆长度lmin与最长杆长度lmax之和小于或等于其余两杆长度l′和l″之和(即lmin+lmax≤l′+ l″)，存在以下三种情况：
（1）若取最短杆的相邻杆为机架，则构成曲柄摇杆机构，且最短杆为曲柄
（2）若取最短杆为机架，则构成双曲柄机构
（3）若取最短杆的对边为机架，则构成双摇杆机构
2.当最短杆长度lmin与最长杆长度lmax之和大于其余两杆长度l′和l″之和（即lmin+lmax>l′+l″），则无论取哪个杆为机架，均构成双摇杆机构。
四、铰链四杆机构的应用
1.曲柄摇杆机构
曲柄摇杆机构
（1）曲柄摇杆机构的应用
缝纫机和汽车刮雨器
搅拌器和雷达天线调整机构
（2）曲柄摇杆机构运动特性
1）急回特性
曲柄摇杆机构
由图可以看出，曲柄相应的两个转角ψ1（即角C1DC）和ψ2（即角C2DC）为：
ψ1=180°+θ
ψ2=180°-θ
式中，θ为摇杆位于两极限位置时曲柄两位置所夹的锐角，称为极位夹角。为了表示工作件往复运动时的急回程度，用v2和v1的比值K来描述，称为行程速比系数K。
可知：θ増大，K值増大，急回特性越显著，这样会导致机器动载增加，冲击变大。但是四杆机构的急回特性可以节省时间，提高生产率。
2）死点
如下图曲柄摇杆机构中，设摇杆CD为主动件，则当机构处于图示的两个虚线位置之一时，连杆与曲柄在一条直线上。这时主动件CD通过连杆作用于从动件AB上的力恰好通过其回转中心，所以将不能使构件AB转动而出现“顶死”现象。机构的此种位置称为死点位置。四杆机构中是否存在死点位置，取决于从动件是否与连杆共线。
为克服死点，可以采取下列措施使机构能顺利通过死点位置。
对于连续运转的机器，可以利用从动件的惯性来通过死点位置
采用机构错位排列的方法，即将两组以上的机构组合起来，而使各组机构的死点位置相互错开。
用同任何事物一样,死点位置既有它不利于传动的一面,也有它可利用的一面。
飞机起落架与夹紧装置
2.双曲柄机构
双曲柄机构的应用：
（1）两曲柄不等
惯性筛
（2）两曲柄长度相等，转向相同
在双曲柄机构中，若连杆与机架的长度相等，且两曲柄的长度相等、转向相同吋,则称为平行四边形机构其应用为机车车轮联动装置。
平行四边形机构
（3）两曲柄长度相等，转向相反
在双曲柄机构中，若连杆与机架的长度相等，且两曲柄的转向相反、长度相等吋,则称为反平行四边形机构。这时，主动曲柄做等速回转，从动曲柄做反向变速运动。反平行四边形机构的应用为汽车车门启闭装置。
汽车车门启闭装置
3.双摇杆机构
两连架杆均为摇杆的四杆机构称为双摇杆机构，起重机即为双摇杆机构应用实例。
起重机
3.3铰链四杆机构的演化
铰链四杆机构通过一定的途径演化成其他形式的平面四杆机构，并广泛用于生产实际中，其中最典型的两种机构是曲柄滑块机构和导杆机构。
一、曲柄滑块机构
1.曲柄滑块机构的类型
对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构
2.曲柄滑块机构的应用
内燃机气缸与冲压机
3.偏心轮机构
在曲柄滑块机构中，若要求滑块行程较小，则必须减小曲柄长度。由于结构和制造上的困难，往往采用转动中心与几何中心不重合的偏心轮来代替曲柄，形成偏心轮机构。
偏心轮机构
二、导杆机构
1.导杆机构的类型
导杆机构的类型
通过改变上图左一对心曲柄滑块机构的固定件，就可以演化出另外三种形式的导杆机构。以曲柄为机架，得到导杆机构（左二），以连杆为机架，得到曲柄摇块机构（右二），以滑块为机架，得到移动导杆机构（右一）。
2.导杆机构的应用
（1） 导杆机构常用于回转式油泵和牛头刨床等机械中。
（2） 移动导杆机构（或称定块机构），常用于抽水机和抽油泵中。
（3）曲柄摇块机构（简称摇块机构），广泛地应用于各种摆动式原动机和工作机中，如卡车车厢自动翻转卸料机构即是其应用实例。
3.4凸轮机构
凸轮机构主要由凸轮、从动杆和机架三个基本构件组成。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它能控制从动件的运动规律，因此凸轮通常做主动件并做等速转动或者往复移动。当凸轮运动时，借助它的曲线轮廓（或凹槽），可使从动件做预期的运动。
凸轮机构
一、 凸轮机构的特点
1.只要适当地设计凸轮轮廓的曲线形状，就可以使从动杆获得任意预定的运动规律。凸轮机构简单紧凑，可用在对从动杆运动规律要求严格的场合。
2.凸轮机构可以高速起动，动作准确可靠。
3.由于数控机床及电子计算机的广泛应用，凸轮的轮廓曲线加工较为方便。
4.凸轮机构在高副接触处，难以保持良好的润滑，故容易磨损，为了延长使用寿命，传递动力不宜过太。
5.在高速凸轮机构中，运动特性很复杂，要精确分析和设计凸轮轮廓曲线比较困难。
二、凸轮机构的类型
盘形凸轮与移动凸轮
圆柱凸轮
由于盘形凸轮与移动凸轮运动平面与从动件运动平面平行，故称平面凸轮，圆柱凸轮
我们就称为空间凸轮。
2.按从动件的端部形状分类
根据从动件与凸轮接触处结构形式的不同，从动件可分为三类。
顶尖从动件、滚子从动件与平底从动件
3.按从动件的运动形式分类
直动从动件与摆动从动件
三、凸轮机构的应用
（1）汽车内燃机的配气机构。当凸轮1连续转动时，迫使从动件2作连续地往复运动，气门就打开或关闭。
（2）自动车床上使用的走刀机构。当圆柱凸轮转动吋，依靠凸轮的轮廓(即曲线凹槽）迫使从动件做往复摆动，再通过从动杆上的扇形齿轮和齿条啮合传动，迫使刀架按一定规律运动，完成进刀或退刀动作。
（3）车床仿形机构中的靠模切削机构,工件回转,凸轮作为靠模被固定在床身上,刀架在弹簧的作用下与凸轮轮廓保持接触。当拖板纵向移动时,刀架在靠模板(凸轮)曲线轮廓的推动下做横向移动,从而切削出与靠模板曲线一致的工件。
（4）绕线机的工作流程，摇动手柄使轴1转动，同时使固联于轴上的齿轮2和线轴1一起转动；通过齿轮2与齿轮3减速带动凸轮4，缓慢转动，靠凸轮轮廓与从动杆（摆杆）5上尖顶d之间的接触，推动从动杆5绕B点摆动，其端部拨叉使导线均匀地绕在线轴上。
3.5间歇运动机构
在现代机械中，往往需要某些机构作这样的运动：主动件作连续运动时，从动件跟随着作周期性的间歇运动，或者按照某种“运动——停止——运动”规律运动。能实现这样运动的机构就称为间歇运动机构。
一、棘轮机构
1.棘轮机构的组成
典型的棘轮机构是由棘轮、棘爪、主动摆杆和止回棘爪等组成。
棘轮机构
2.棘轮机构的工作原理
当摇杆逆时针摆动时，摇杆带动棘爪推动棘轮转过一定的角度，此时制动棘爪在棘轮的齿背上划过；当摇杆顺时针摆动时，止动棘爪嵌入棘轮齿内阻止棘轮顺时针转动，棘爪在棘轮的齿背上划过。这样，在摇杆做连续往复摆动时，棘轮做单向的间歇转动。摇杆的摆动可曲柄摇杆机构、凸轮机构等实现。
2.棘轮机构的类型与应用
按照结构特点，常用的棘轮机构可以分为两类。
（1）齿啮式棘轮机构
齿啮式棘轮机构是靠棘爪和棘轮齿之间的啮合来传递运动。这种棘轮机构的结构简单、制造方便、转角准确、运动可靠。但棘轮转角只能有级调节，且棘爪在齿背上滑行易引起噪声、冲击和磨损，所以不能用于高速场合。
齿啮式棘轮机构可分为：
单动式棘轮机构
直头棘轮与钩头棘轮（两者也称为双动式棘轮机构）
可变向棘轮机构
（2）摩擦式棘轮机构
该机构是摩擦棘轮机构中的一种。棘轮是通过与棘爪之间的摩擦来传递运动的，止动棘爪是用来制动的。为了増大摩擦力，常在棘轮上做成梯形的槽。摩擦式棘轮机构的使用优点是无噪声，汽车自动变速器中的单向超越离合器大多属于摩擦式棘轮机构的装置。
3.棘轮转角的调节方法
根据棘轮机构的使用要求，常需要调节棘轮的转角，常用的方法有：
（1）调节摇杆摆动角度的大小来控制棘轮的转角
（2）用遮板调节棘轮转角
二、槽轮机构
1.槽轮机构的组成
槽轮机构又称马尔他机构是由带圆柱销的主动拨盘与带径向槽的从动槽轮以及机架组成。
2.槽轮机构的工作原理
如上图所示拨盘以等角速度作连续回转，槽轮时而转动，时而静止。当圆柱销未进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹弧被拨盘的外凸圆弧卡住，故槽轮静止不动。图示为圆柱销刚开始进入槽轮径向槽时的位置。这时槽轮的内凹弧也刚好开始被松开。此后，槽轮受圆柱销的驱使而转动。当圆柱销在另一边离开径向槽时，内凹弧又被卡住，槽轮又静止不动，直至圆柱销再一次进入槽轮的另一个径向槽时，重复上述的运动。
3.槽轮机构的类型
槽轮机构根据啮合方式分：
外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构
4.槽轮机构的特点与应用
特点：构造简単，工作可靠，在进入和脱离啮合时，运动比较平穏。但槽轮的转角大小不能调节，且在运动过程中加速度变化较大，曲柄圆销与轮槽间冲击较严重，尤其是在槽轮径向槽数目较少的情况下更为明显。因此在设计槽轮机构时不能将槽轮的槽数选得很少，在生产实际中用的槽轮机构，其槽数常取为4~8根。
由于上述特点，所以槽轮机构一般应用在转速不高、要求连续地转过某一特定角度的装置中。
如上图所示为电影放映机中，槽轮机构用作卷片机构。为了适应人们的视觉暂留现象，要求影片作间歇运动，它采用四槽槽轮机构。当传动轴带动圆销每转过一周，槽轮相应地转过90°，因此能使影片的画面作短暂的停留。
上图为一个六角自动车床的刀架转位机构，为了能满足零件加工工艺，要求车床自动变换所需刀具，采用六槽的槽轮机构能达到这一目的。当曲柄（带圆销的拨盘）转动一周，槽轮相应地转过60°并且使下一道工序的刀具转到工作位置上来。
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