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BY YUSHEN
第四章　常用机械
　机械基础
【思维结构图引】
【考纲多维解读】
考纲要求 命题趋势 考向分析
一、机械知识概述
1.机器与机构
2.机器的组成
3.运动副概念、分类和计算
二、平面连杆机构
1.平面连杆机构简图的识读
2.铰链四杆机构的组成、基本形式、特点和应用
3.铰链四杆机构基本类型的判定
4.铰链四杆机构的运动特性
三、凸轮机构
1.凸轮机构的组成、特点及分类
2.凸轮机构的应用
3.凸轮机构的有关参数
四、间歇运动机构
1.棘轮机构的组成、常见类型、特点和应用
2.槽轮机构的组成、常见类型、特点和应用 1.考查学生对机器、机构、构件和零件概念的识记与区别，熟知机器的组成及机械的类型
2.考查学生对运动副、平面连杆机构的认知，熟知铰链四杆机构的组成、基本形式、类型的判别及应用，理解铰链四杆机构的运动特性及演变形式
3.要求学生掌握凸轮机构的组成、特点及分类，了解凸轮机构的应用，识记凸轮机构的有 关参数
4.要求学生了解间歇运动机构的常见类型及其工作原理、应用 【考查内容】
机器的组成、机械零件的材料和承载能力、运动副概念及其分类、平面连杆机构简图的识读、铰链四 杆机构及其演化形式、凸轮机构和间歇运动机构
【考查题型】
一般为填空题、单项选择题、多项选择题、简答与计算题
【分值】
一般为8～14分
【考点知识梳理】
一、机器与机构（识记）
1.机器
机器是人们根据使用要求而设计制造的一种执行机械运动的装置，用来变换 或传递能量、物料与信息，能代替或减轻人类的劳动。
机器具有三大特征：①机器是人为的实体组合；②各部分（实体）之间具有 确定的相对运动；③能够转换或传递能量，代替或减轻人类的劳动。
2.机构
机构是用来传递或转换运动或实现某种特定运动形式的构件系统。它具有机 器的前两项特征。
3.构件
构件是机械运动的基本单元。
4.零件
零件是机械制造的基本单元。零件分为通用零件和专用零件。
二、机器的组成（识记）
一台完整的机器主要由动力部分、执行部分、传动部分、操作或控制部分和 辅助部分（润滑、照明等）组成。
三、运动副概念和分类（掌握）
使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的连接称为运动副。
在工程上，常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。 平面运动副根据组成运动副的两构件的接触形式不同分为低副和高副。
1.低副
低副是指两构件之间为面接触的运动副，按两构件的相对运动特征可分为转 动副、移动副和螺旋副三种。
（1）转动副
两构件在接触处只允许做相对转动。
（2）移动副
两构件在接触处只允许做相对移动。
（3）螺旋副
两构件在接触处只允许做一定关系的转动和移动的复合运动。
低副一般是面接触，比较容易制造和维修，承受载荷时的单位面积压力较 小，较为耐用，传力性能好，但低副是滑动摩擦，摩擦大且效率较低。
2.高副
高副是指两构件之间为点或线接触的运动副。
高副单位面积压力较大，构件接触处容易磨损，制造和维修困难，但高副能 传递较复杂的运动，比较灵活，易于实现预定的运动规律。
一、平面连杆机构（识记）
平面连杆机构由若干个构件用转动副或移动副连接而成，各构件的相对运动 均在同一平面或相互平行的平面内。
由4个杆件组成的平面连杆机构称为平面四杆机构。其中，全部运动副都是 转动副的铰链四杆机构和含有一个移动副的四杆机构应用最广泛。
二、铰链四杆机构的组成（理解）
如图1-4-1所示铰链四杆机构的简图，由4个在同一平面内的构件通过铰链 （转动副）连接而成的机构称为铰链四杆机构。在该机构中，固定不动的杆4称 为机架，与机架用转动副相连接的杆1和杆3称为连架杆，不与机架直接连接的杆 2（通常做平面运动）称为连杆。如果杆1或杆3能绕其回转中心A或D做整周转 动，则称为曲柄；若仅能在小于360°的某一角度内摆动，则称为摇杆。
图 1-4-1
三、铰链四杆机构基本类型的判定（综合运用）
铰链四杆机构主要有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。
铰链四杆机构三种基本形式的根本区别在于连架杆是否为曲柄。而连架杆能 否成为曲柄则取决于机构中各杆的相对长度关系和最短杆所处位置。可按下述方 法判别铰链四杆机构的类型。
1.当最短杆长度与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，有以下 三种情况：
①若取与最短杆相邻的任一杆为机架，则该机构为曲柄摇杆机构，且最短杆 为曲柄。
②若取最短杆为机架，则该机构为双曲柄机构。
③若取与最短杆相对的杆为机架，则该机构为双摇杆机构。
2.当最短杆长度与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，则无论取哪 一杆为机架，都无曲柄存在，机构只能为双摇杆机构。
四、铰链四杆机构的基本形式、特点和应用（理解）
1.曲柄摇杆机构
两连架杆分别为曲柄和摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。
如图1-4-2所示，曲柄AB为主动件，当曲柄AB连续等速整周转动时，从动摇 杆CD将在C1C2范围内往复摆动，C1、C2两个位置是摇杆摇摆的两个极限位置。 可见，曲柄摇杆机构能将主动件的整周回转运动转换成从动件的往复摆动。
图 1-4-2
2.双曲柄机构
两连架杆都为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。
如图1-4-3所示为双曲柄机构，曲柄AB为主动件时，从AB匀速转至AB1，转 过180°。此时，从动曲柄CD转到C1D，其转过的角度为φ1。主动曲柄AB继续匀 速转过180°时，从动曲柄CD转过的角度为φ2，很明显φ1＞φ2。可见，双曲柄机 构是当主动曲柄做等速转动时，从动曲柄随之做变速转动。
种类
a.一般形式（曲柄不等长），如图1-4-3所示。
当主动曲柄做等速转动时，从动曲柄随之做变速转动。如插床六杆机构、惯 性筛等。
图 1-4-3
b.平行四边形机构（两曲柄等长、同向），如图1-4-4所示。
平行四边形机构的两曲柄的旋转方向相同，角速度也相等。如平台升降 机构等。
图 1-4-4
c.逆平行四边形机构（两曲柄等长、反向），如图1-4-5所示。
逆平行四边形机构的两曲柄的旋转方向相反，且角速度不相等。如公共汽车 车门启闭机构等。
图 1-4-5
3.双摇杆机构
两连架杆都为摇杆的铰链四杆机构，称为双摇杆机构。
如图1-4-6所示，图中d1（d2）、b1（b2）是两摇杆的极点，则B、D杆都只 能摆动一定角度，即摇摆范围不超过这两极点。如港口用起重吊车、自卸载货汽 车的翻斗机构等。
图 1-4-6
4.含有一个移动副的四杆机构
①曲柄滑块机构
它是由曲柄、连杆、滑块和机架组成的机构。分为对心和偏置两种类型，如 图1-4-7所示。
它可将主动滑块的往复直线运动转换成从动曲柄的连续转动，也可将主动曲 柄的连续转动转换成从动滑块的往复直线运动。
曲柄滑块机构应用于往复式气体压缩机、往复式液体泵等机械中。
对心曲柄滑块机构 偏置曲柄滑块机构图
图 1-4-7
②摇杆滑块机构
它由对心曲柄滑块机构演变而成（以对心曲柄滑块机构中的滑块为机架）， 常用于手摇唧筒或双作用式水泵等机械中。
③曲柄摇块机构
它由对心曲柄滑块机构演变而成（以对心曲柄滑块机构中的连杆为机架）， 常用于自卸翻斗装置中。
④导杆机构
它由对心曲柄滑块机构演变而成（以对心曲柄滑块机构中的曲柄为机架）。 它分为曲柄转动导杆机构和曲柄摆动导杆机构两种类型。曲柄转动导杆机构常与 其他构件组合，用于插床以及回转泵等机械中；曲柄摆动导杆机构常与其他构件 组合，用于牛头刨床等机械中。
五、铰链四杆机构的运动特性（掌握）
1.急回特性
曲柄摇杆机构中，当曲柄为原动件，在其转动一周的过程中，有两次与连杆 共线。这时摇杆分别位于两极限位置，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称为极位夹角θ。
当曲柄以等角速度转动时，摇杆往复摆动的速度不同，摇杆的返回速度较 快，称它具有“急回特性”。急回特性的程度用行程速比系数K的大小来表示， 有K＝（180°＋θ）/（180°-θ），K＞1时机构具有急回特性。
机械在工作中往往有工作行程和空回行程两个过程，可以利用曲柄摇杆机构 摇杆的急回特性来缩短机械空回行程的时间，提高机械的工作效率。
2.死点位置
曲柄摇杆机构中以摇杆为主动件，曲柄为从动件，当连杆与曲柄在一条 直线上时，主动件摇杆通过连杆作用于从动件曲柄上的力恰好通过其回转 中心，此力不产生力矩，不能使曲柄转动而出现“顶死”现象，此时机构 的位置称为死点位置。
为了使机构能够顺利地通过死点位置，继续正常运转，可以采用机构错位排 列和加大惯性的方法。
死点位置是有害的，但在某些场合却利用死点位置来实现工作要求。例如飞 机起落架机构和钻床工件夹紧机构。
一、凸轮机构的组成、特点及分类（识记）
1.凸轮机构的组成
凸轮机构是由凸轮、从动件（气门）和机架三个基本构件组成的高副机构。 凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，一般为主动件，做等速回转运动或往复移动。 与凸轮轮廓接触的构件一般做往复直线运动或摆动，称为从动杆。
2.凸轮机构的特点
凸轮机构的基本特点是能使从动件获得较复杂的运动规律。但由于凸轮机构 是高副机构，易磨损，所以只适用于传递力不大的场合。
3.凸轮机构的分类
（1）按凸轮的形状分
①盘形凸轮机构
盘形凸轮又称为圆盘凸轮，它是凸轮的最基本形式。盘形凸轮属于平面凸轮 机构。盘形凸轮的结构简单，应用最为广泛，但从动杆的行程不能太大，所以多 用于行程较短的场合。
②移动凸轮机构
移动凸轮又称为板状凸轮。盘形凸轮回转中心趋向无穷远时就变成移动凸 轮，可以相对机架做往复直线移动。它也属于平面凸轮机构。当凸轮移动时，可 推动从动杆得到预定要求的运动。
③圆柱凸轮机构
圆柱凸轮是在圆柱端面上作出曲线轮廓，或在圆柱面上开有曲线凹槽。从动 杆一端顶在端面上或夹在凹槽中，当凸轮转动时从动杆沿端面或沟槽做直线往复 运动或摆动。它是一种空间凸轮，可使从动杆得到较大的行程。它主要适用于行 程较大的机械。
④圆锥凸轮机构
在圆锥表面上制成合乎要求的封闭曲线槽，使从动杆沿一倾斜导轨移动。
（2）按从动杆的运动方式分
①移动（直动）从动杆凸轮机构
②摆动从动杆凸轮机构
（3）按从动杆的端部结构形式分
①尖顶式从动杆凸轮机构
其构造简单、动作灵敏，但无论是从动杆还是凸轮轮廓都容易磨损，适用于 低速、传力小和要求动作灵敏等场合，如用于仪表机构中。（图1-4-8①）
②滚子式从动杆凸轮机构
滚子式从动杆中滚子与凸轮之间为滚动摩擦，所以凸轮接触摩擦阻力小，解 决了凸轮机构磨损过快的问题，故可用来传递较大的动力。（图1-4-8②）
① ② ③
图 1-4-8
③平底式从动杆凸轮机构
它的优点是凸轮对从动杆的作用力始终垂直于从动杆的底边，故受力比较平 稳，而且凸轮与从动杆底面接触面较大，容易形成油膜，减少了摩擦，但灵敏性 较差。（图1-4-8③）
① ② ③
图 1-4-8
二、凸轮机构的应用（理解）
1.内燃机配气机构：当凸轮转动时，推动与凸轮轮廊接触的从动件（气 门）向下移动打开气门，再借助弹簧的作用力关闭气门，实现按预定时间打开或 关闭气门，完成内燃机的配气动作。
2.自动车床横刀架进给机构：当凸轮转动时，依靠凸轮的轮廓使从动杆做 往复摆动，从动杆上装有扇形齿轮，通过它带动横刀架完成进刀和退刀动作。
3.车床仿形机构：移动凸轮，使从动杆沿凸轮轮廓运动，带动刀架进退， 完成与凸轮轮廓曲线相同的工件外形的加工。
4.绕线机：摇动手柄使轴转动，同时使固连于轴上的蜗杆和线轴一起转 动，通过蜗杆与蜗轮减速带动凸轮缓慢转动，靠凸轮轮廓与从动杆（摆杆）上尖 顶之间的接触推动从动杆绕固定点摆动，其端部拨叉使导线均匀地绕在线轴上。
5.分度转位机构：蜗杆凸轮转动时，推动从动轮间歇转动，完成高速、高 精度的分度动作。
三、凸轮机构的有关参数（理解）
1.基圆半径
以凸轮的最小半径所作的圆称为基圆，rb称为基圆半径。
2.升程和转角
当凸轮逆时针方向转过一个角度δ时，从动件将上升一段距离，即产生一段 位移s。当凸轮转过角度δ0时，从动件到达最高位置，此时从动件的最大行程称 为升程，用h表示。凸轮转动角度δ称为转角（也称为运动角）。
3.位移曲线
如果将从动件的位移s与凸轮转角δ的关系用曲线表示，此曲线称为从动件的 位移曲线（s-δ曲线）。
4.压力角
力的作用线与从动件运动方向之间的夹角称为凸轮机构在该点的压力角，用 α表示。为保证从动件顺利工作，一般规定压力角的范围如下：
对于移动从动件，推程时α≤30°，对于摆动从动件，推程时α≤45°，回 程时α≤80°。
四、从动件常用运动规律
1.等速运动规律
当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程和回程的速度为常数，这种运动规 律称为等速运动规律。从动件的位移曲线为一斜直线。等速运动规律从动件在运 动开始和停止的瞬间，速度由零变为v，由v突变到零。由于速度突变，使从动件 的瞬时加速度急剧增大，所以产生很大的惯性力，由此产生的冲击称为刚性冲 击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载或特殊需要的凸轮机构。
2.等加速等减速运动规律
从动件在一个推程或者回程中，前半段做等加速运动，后半段做等减速运 动，而且前后两段加速度的绝对值相等。等加速等减速运动规律的位移曲线为一 抛物线，由等加速、等减速两段抛物线连接而成。由于没有速度突变，所以避免 了刚性冲击。但在某些位置加速度有限突变，惯性力将为有限值，由此产生的冲 击称为柔性冲击。因此，这种运动规律只适用于中低速、轻载的场合。
五、凸轮轮廓曲线的画法
1.“反转法”作图
凸轮轮廓曲线的作图方法是“反转法”。为了作图方便，可以看作凸轮不转 动，从动件相反于凸轮的旋转方向转动，并以此方向作图，这就是“反转法”。 这种方法的优点是作图容易。
2.凸轮轮廓曲线的作图步骤
①先画出从动件的位移曲线。以凸轮转角为横坐标，以从动件的位移为纵坐 标，由从动件的运动规律作出位移曲线。
②再画出凸轮轮廓曲线。在凸轮基圆上作等分角线，用“反转法”以与 位移曲线相同的比例截取各对应点（位移行程），连接各点，即可得到凸 轮轮廓曲线。
将主动件的连续转动转换为从动件时转时停的周期性运动的机构，称为间歇 运动机构。
一、棘轮机构的组成、常见类型、特点和应用（识记）
1.棘轮机构的组成
棘轮机构由棘轮、棘爪和机架等组成。
2.棘轮机构的常见类型
（1）棘轮机构按工作原理可分为齿啮式（图1-4-9）和摩擦式（图1-4-10） 两种。
　
图 1-4-9 图 1-4-10
（2）棘轮机构按结构特点可分为外接式（图1-4-11）和内接式（图1-4- 12）两种。
外接式 内接式
图 1-4-11 图 1-4-12
3.棘轮机构的特点
（1）优点
结构简单、制造方便、运动可靠，棘轮转角大小可方便地在一定范围内 调节。
（2）缺点
棘爪和棘轮开始接触的瞬间会发生冲击和噪声，传动平稳性较差。
4.棘轮机构的应用
常用于低速、轻载、转角小或转角需要调节的场合。
5.棘轮转角的调节方法
（1）通过调节曲柄摇杆机构中曲柄的长度来改变摇杆的摆角；
（2）在棘轮上加遮板。
二、槽轮机构的组成、常见类型、特点和应用（识记）
1.槽轮机构的组成
它由带圆柱销的主动拨盘与带径向槽的从动槽轮及机架组成。（图1-4-13）
图 1-4-13
2.槽轮机构的常见类型
（1）单圆柱销外啮合槽轮机构：曲柄旋转一周，槽轮转过一个槽口，完成 一次间歇运动，槽轮的转向与曲柄的转向相反。
（2）内啮合槽轮机构：槽轮的转向与曲柄的转向相同。
（3）双圆柱销外啮合槽轮机构：曲柄旋转一周，双圆柱销可使槽轮间歇转 动两次。
3.槽轮机构的特点
结构简单、外形尺寸小、工作可靠，但槽轮的转角大小不能调节，圆柱销与 轮槽间的冲击较严重。
4.槽轮机构的应用
槽轮机构一般应用在转速不高、要求断续转过某一特定角度的装置中。
【考法能力拓展】
　（2017年真题）汽车的变速箱属于机器的 　　　　部分。 （　　）
A.动力 B.传动 C.执行 D.操纵或控制
【参考答案】B
【答题分析】从功能角度看， 一台完整的机器主要由动力部分、执行部分、传动部分、操作或控制部 分和辅助部分（润滑、照明等）组成。
动力部分：也称原动机部分。将其他形式的能量转换为机械能，以驱动机器各部分运动。如内燃机、 电动机、空气压缩机等。
执行部分：也称工作部分（装置）。机器中直接完成工作任务的部分。如汽车的车轮、冲床的冲头、 工业机器人的手臂等。
传动部分：原动机到工作机构之间的传动机构，用以完成运动和动力的传递和转换，可实现减速、增 速，改变转矩及运动形式等，满足工作机构的要求。如汽车变速器、自行车的链传动与飞轮等。
操作或控制部分：显示和反映机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作。如电动机开关、离 合器、制动器等。
辅助部分：起润滑、照明、防护等作用。如润滑装置、照明灯、防护装置等。
　（2021年真题）下列机构中属于曲柄摇杆机构的是 　　　　。 （　　）
A.剪刀机 B.公共汽车车门启闭机构
C.机车主动轮联动机构 D.筛砂机
【参考答案】A
【答题分析】曲柄摇杆机构的应用：剪刀机、搅拌机、颚式破碎机、雷达天线俯仰角摆动机构、汽车 雨刮器、缝纫机踏板机构等。
（1）若此机构为曲柄摇杆机构且AB为曲柄，求AB杆长a的最大值；
【参考答案】解：（1）若此机构为曲柄摇杆机构且AB为曲柄， 则AB为最短杆。根据杆长和条件：
Lmax＋Lmin≤L'＋L″ 　有：a＋50≤35＋30　则：a≤15 mm
所以a的最大值为15 mm。
　　 （2021年真题）在图示铰链四杆机构中，已知b＝50 mm， c＝35 mm，d＝30 mm，AD为机架：
（2）若此机构为双曲柄机构，求AB杆长a的最小值。
【参考答案】解：（2）若此机构为双曲柄机构，则AD为最 短杆。
若a不为最长杆，根据杆长和条件：
Lmax＋Lmin≤L'＋L″　有：30＋50≤a＋35　则：a≥45 mm
若a为最长杆有：30＋a≤50＋35　则：a≤55 mm
所以a的最小值为45 mm。
【答题分析】铰链四杆机构三种基本形式的根本区别在于连 架杆是否为曲柄。而连架杆能否成为曲柄则取决于机构中各杆的相对长度关系和最短杆所处位置。可按下述方法判别铰链四杆机构的类型。
当最短杆长度与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和（即Lmax＋Lmin≤L'＋L″） 时，有以下三种情况：
① 若取与最短杆相邻的任一杆为机架，则该机构为曲柄摇杆机构，且最短杆为曲柄。
② 若取最短杆为机架，则该机构为双曲柄机构。
③ 若取与最短杆相对的杆为机架，则该机构为双摇杆机构。
当最短杆长度与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和（即Lmax＋Lmin＞L'＋L″）时，则无论 取哪一杆为机架，都无曲柄存在，机构只能为双摇杆机构。
凸轮机构按从动杆的端部结构形式可分为哪几种类型？简述它们各自的特性和应用场合。
【参考答案】凸轮机构按从动杆端部的形状可分为尖顶式、滚子式和平底式三种类型。
（1）尖顶式从动杆凸轮机构
其构造简单、动作灵敏，但无论是从动杆还是凸轮轮廓都容易磨损，适用于低速、传力小和要求动作 灵敏等场合，如用于仪表机构中。
（2）滚子式从动杆凸轮机构
滚子与凸轮之间为滚动摩擦，所以凸轮接触摩擦阻力小，解决了凸轮机构磨损过快的问题，故可用来 传递较大的动力。
（3）平底式从动杆凸轮机构
它的优点是凸轮对从动杆的作用力始终垂直于从动杆的底边，故受力比较平稳，而且凸轮与从动杆底 面接触面较大，容易形成油膜，减少了摩擦，但灵敏性较差。
【答题分析】本题考查学生对凸轮机构的分类、特性及应用的准确领悟。
　如图所示槽轮机构，当主动拨盘转动一圈，从动槽轮转过 　　　　。（填角度）
【参考答案】180°
【答题分析】图示为双圆柱销外啮合槽轮机构，主动拨盘旋转一周，双圆柱销可使槽轮间歇转 动两次。
　　 将主动件的连续转动转换为从动件时转时停的周期性运动的机构称为 　　　　运动机构，如牛头刨床工作台的横向进给运动机构是 　　　　机构的应用、电影放映机的卷片机构是 　　　　机构的应用。
【参考答案】间歇　棘轮　槽轮
【答题分析】牛头刨床工作台的横向进给运动，实际上是棘轮机构将滑枕的往复直线运动（通过中间 传动转换为棘爪的摆动）转化为工作台丝杆的间歇转动，进而转化为工作台的间歇直线移动。电影放映机 的卷片机构通常采用的是槽轮机构（也称为马尔他机构）。

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