机械设计常用机构 (公开课专用)

移动导杆机构
平面连杆机构有曲柄的条件： 在铰链四杆机构中，如果最短杆与最长杆之和小 于或等于其它两杆长度之和，且
（1）以最短杆的相邻构件为机架，则最短杆为曲柄；
（2）以最短杆为机架，则两连杆均为曲柄，该机构为
双曲柄机构；
（3）以最短杆对边构件为机架，则无曲柄存在，该机 构为双摇杆机构。 若四杆机构中，最短杆与最长杆之和大于其它两 杆长度之和，则无论选哪一构件为机架，均无曲柄存
b
a
(2) 曲柄滑块机构 已知 K，滑块行程 H，偏距e，设计此机构 。
①计算 θ＝180°(K-1)/(K+1)； ②作C1 C2＝ H ；
③作射线C2M，
使∠C1C2M=90°－θ，
作射线C1N垂直于C1C2
两条射线交于P点 ； ④以C2P为直径作圆； ⑤作与C1 C2平行且偏距为 e的直线，交圆于A或A’，即为所求。
锁紧夹具
利用连杆2和连架杆3成一线，形成机构死点，
来锁紧工件5。
机车主动轮双曲柄联动机构
为了克服不稳定状态，除了采用惯性飞轮外，
还采用了平行连接副加构件BE。
旋转示水泵双曲柄机构
原动曲柄1通过连杆2带动曲柄3做变速运动， 从而使泵的体积发生变化，实现水泵的功能。
车门启闭反四边形机构
曲柄AB和曲柄CD同时转动使固联曲柄上的 车门同时打开或关闭。
下做往复运动。
其它常用连杆机构应用
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2-1-3.连杆机构设计
连杆机构设计的基本问题:
(1) 实现预定的运动规律；
(2) 实现预定的连杆位置（刚体导引问题） ；
(3)实现预定的轨迹。 连杆机构设计的基本方法： (1) 图解法，直观、概念清楚、简单易行，精度低； (2) 解析法，精度高、计算量大；
自由度：一个构件相对另一个构件可能出现的
独立运动。一个自由构件在空间具有6个自由度。
约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些
相对独立运动所受到的限制。 根据运动副对被联接的两构件相对运动约束的 不同，可将运动副分为Ⅰ至Ⅴ级，如：引入一个约 束的称为Ⅰ级副。球面副为Ⅲ级副，圆柱副、球销
副为Ⅳ级副，移动副、转动副、螺旋副为Ⅴ级副。
在“死点”位置，机构的传动角 γ＝0。
“死点”位置应用：
飞机起落架、钻夹具等
“死点”位置的过渡： 依靠飞轮的惯性（如内燃机、 缝纫机等）、两组机构错开 排列，如火车轮联动机构。
“死点”位置的过渡
“死点”位置的应用
2-1-2.实用示例 颚式碎石机
曲柄AB带动连杆BC和摇杆CD运动,固连在摇
杆上的动颚将矿石压碎。
起重机的双摇杆机构
ABCD组成的双摇杆机构的运动可以使悬吊 在E出的物体做平移运动。
上料机械手
通过连杆的上下运动，实现加紧与松开的动作。
手动抽水机中的定块机构
3为固定的机架（定块），通过手柄（1）的转 动使移动导杆（4）往复运动，实现抽水功能。
牛头刨床摆动机构
曲柄BC转动，带动AD摆动，EF在AD的作用
能确定机构的自由度数目。
机构运动简图：根据机构的运动尺寸, 按一定
的比例定出各运动副的位置, 并用国标规定的简单 线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运 动关系的简明图形。 机构的示意图：指为了表明机构结构状况, 不
要求严格地按比例而绘制的简图。 曲柄滑块机构示意图
常用机构运动简图
常用机构运动简图
主要有：四杆机构、六杆 机构、多杆机构等。 平面连杆机构的组成： 机架——固定不动的构件；
连架杆——与机架相联的构件；
连杆——连接两连架杆且作
平面运动的构件；
曲柄——作整周定轴回转的构件； 摇杆——作定轴摆动的构件。
平面四连杆机构的类型：
曲柄摇杆机构
特征：曲柄＋摇杆 作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。
在，该机构只能双摇杆机构。
平面连杆机构的压力角与传动角
压力角：作用在从动件上的驱动力F与力作用点 绝对速度之间所夹锐角α。 传动角（ γ ）：压力角的余角 切向分力 Ft= Fcosα = Fsinγ
法向分力 Fn=Fcosγ
γ↑ Ft↑ 对传
动有利，常用γ的大小
来表示机构传力性能的 好坏（越大越好）
平面连杆机构的急回特性 从动件作往复运动的平面连杆机构中，若从动
件工作行程的平均速度小于回程的平均速度，则称
该机构具有急回特性。
Ө(极位夹角):是摇杆处于两
极限位置线所夹的锐角 K为行程速度变化系数,即空 回行程和工作行程平均速度 的比值:
t1 C1C2 t2 V2 180 K t2 C1C2 t1 V1 180
人字齿轮
2.空间齿轮机构 — 用于传递空间两相交轴或两交错
轴间的运动和动力。
* 传递两相交轴间的运动 — 锥齿轮传动；
造精度；
（2）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同；
（3）连杆曲线丰富，可满足不同要求。 连杆机构的缺点： （1） 构件和运动副多，累积误差大，运动精 度和效率较低； （2）产生动载荷（惯性力），不适合高速； （3） 设计较复杂，难以实现精确的轨迹。
平面连杆机构能够实现多种运动轨迹和运动规
律，广泛应用于各种机械于仪表中。
点，应改变初选参数重新演试，直到得出满意
的解为止。
二、齿轮机构 2-1.概述 齿轮机构传递的运动平稳可靠，且承载 能力大、效率高、结构紧凑，使用寿命长是 现代机械中应用最广泛的一种传动机构。 应用： （1）传递任意两轴之间的运动和动力
（2）变换运动方式
（3）变速
优点：
（1）瞬时传动比恒定 （2）适用的载荷和速度范围广 （3）结构紧凑 （4）传动效率高，= 0.94 ~ 0.99
连杆机构：由低副（转动副、移动副、球面
副、球销副、圆柱副及螺旋副等）将若干构件连 接而成的，故又称为低副机构。 常见应用：折叠伞、公共汽车开关门、折叠 椅、开窗户支撑、内燃机、牛头刨床、机械手爪
等。 平面连杆机构
分类:
空间连杆机构
连杆机构的优点： （1）采用低副，面接触、承载大、便于润滑、
不易磨损形状简单、易加工、容易获得较高的制
但解析法平面连杆机构设计的步骤一般如下：
（1）选定精确点，或者由设计问题本身给定
精确点; （2）根据设计的问题对每一个精确点列出一 个方程，使得对于每一个精确点上的自变量x, 设计机构实际实现的函数值都等于预期给定的
函数值,f(x)=F(x), F(x)中包含了所以的待求的设
计参数;
（3）在计算机上解方程,求出变量值
AC2 AB2 B2C2 AC1 B2C2 AB2
b a
AC2 AC1 2 AC2 AC1 b B2C2 2 a AB2
解析法平面连杆设计
解析法连杆机构设计可分为四类问题:
1、按预定的两连架杆对应位置设计
2、按期望函数设计
3、按预定的连杆位置设计四连杆机构
4、轨迹生成机构的设计
一般可先初选曲柄
长度和曲柄固定铰链与
已知轨迹的相对位置，
然后在连杆平面上选取 若干点（如图中M、C、 C’、C”等）。当令M点
沿已知轨迹运动时，连杆平面上的其余各点便
画出不同轨迹。找出轨迹最接近圆弧的点（如 图中C点）作为连杆上的另一个活动铰链，则可 得到能满足要求的铰链四杆机构。 若在连杆平面上找不出轨迹最接近圆弧的
运动副的自由度=6-运动副所有的约束个数
机构可动的运动学条件：输入的独立运动数目等 于机构的自由度数。 机构的自由度的计算：
F=6n-(5*P5+4*P4+3*P3+2*P2+P1)
但做平面运动的自由构件只有3个自由度，故平
面机构自由度计算也可用以下公式：
F=3n-2P5-P4（n为机构的活动构件数） P1,P2,P3,P4,P5为Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ级副的个数 在自由度的计算中，要注意公共约束和虚约束对 机构自由度的影响，去除多余的约束和局部自由度才
：连杆机构、轮系机构、凸轮机构、间隙机构和其它
机构，它们之间的相互组合，为实现不同的运动方案 提供了基础 ，而这使机械设计更加丰富与更富有挑战 性，使设计更加趋向合理实用。
二.机械设计常用机构
2-1.连杆机构
2-2.齿轮机构
2-3.齿轮系机构
2-4.凸轮机构
2-5.其它机构
2-1.连杆机构 2-1-1.概述
(3) 实验法，用于运动要求较复杂的设计或初步
设计。
用图解法设计四连杆机构
图解法设计时,可将连杆机构分为三类分别为:刚体 引导机构设计、函数生成机构的设计和急回机构的设 计。下面以急回机构为例，列出其详细步骤： (1) 曲柄摇杆机构
已知：CD杆长，摆角φ及K，综合此机构。
步骤如下：①计算θ＝180°(K-1)/(K+1);
②任取一点D，作腰长为CD的等腰三角形，夹角为φ;
③作C1F⊥C1C2，作C2F使∠C1C2F=90°－θ,两线 交于P;
④作△F C1C2的外接圆，
A点必在此圆上。 ⑤选定A，连接AC1和AC2 有a（曲柄），b(连杆）：
AC2 AB2 B2C2 AC1 B2C2 AB2 AC2 AC1 2 AC2 AC1 b B2C2 2 a AB2
雷达天线俯仰机构
搅拌机构
缝纫机踏板机构
双曲柄机构 特征：两个曲柄 作用：将等速回转转变为等速或变速回转。
机车车轮联动机构
惯性筛
双摇杆机构
特征：无曲柄，有两个摇杆 作用：一杆摆动可以影响另一杆的摆动幅度，实 现特定运动轨迹。
起重机
汽车换向机构
其它平
曲柄摇块机构
（5）工作可靠和寿命长
缺点：
（1）对制造和安装精度要求较高，成本高