机械设计基础第四章
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最新机械设计基础课件第4章
4.2 从动件常用运动规律
• 4.2.2 从动件常用规律
简谐运动规律位移线图画法如上图中S2-δ1关系曲线所示。 （1）以从动件的升程h画半圆，将此半圆分成若干等分，得到1＇＇、 2＇＇…… 6＇＇。 （2）将代表凸轮推程运动角的横坐标线段分成相等的等分，并作垂线 11＇、22＇…… 66＇。 （3）将半圆上的等分点投影到相应的垂线上得1＇、2＇…… 6＇点。 （4）用光滑曲线联接1＇、2＇…… 6＇点，得到从动件大位移线图。 由图可知，在运动始末两点，加速度为有限突变，所以仍有柔性冲击 存在，因此，这种运动规律适用于中速中载的场合。
4.2 从动件常用运动规律
• 4.2.2 从动件常用规律
3.简谐运动规律 从动件的加速度按余弦规律 变化的运动规律称为简谐运 动规律。指质点在沿半径为R 的圆上作匀速圆周运动时， 其在这个圆上的投影所形成 的运动称为简谐运动。 其S2-δ1、v2-δ1、a2-δ1的关系曲 线如图所示。
图4-11 简谐运动规律
机械设计基础课件第4章
教学重点、难点
• 教学重点
本章主要介绍凸轮机构中从动件的常用运动规律； 按给定的从动件运动规律绘制凸轮轮廓曲线的方法以及凸 轮机构设计中应注意的几个问题。
• 教学难点
从动件的位移线图和尖顶对心直动从动件盘形凸轮轮廓 曲线的绘制。
4.2 从动件常用运动规律
• 4.2.1 凸轮机构的运图解法设计
1.作图原理 凸轮机构工作时，一般以凸轮为原动件， 凸轮是运动的，而绘在图纸上的凸轮是静 止的，因此绘制凸轮轮廓曲线是采用“反 转法”。根据相对运动原理，给整个机构 加上一个公共角速度ω绕凸轮轴心O转动 时，各构件间相对运动不变。若公共角速 度与凸轮的角速度ω1等值、反向，则凸轮 静止，而从动件随机架以-ω1转动，又沿 导路作相对移动；由于从动件始终与凸轮 接触，尖顶的运动轨迹就是凸轮的理论轮 廓。
机械设计基础课件第四章
§4.4 凸轮机构设计中应注意的问题
压力角允许值 （1）压力角选择原则 ：
αmax≤[α]
（2）压力角许用值 推程： 直动从动件凸轮机构：[α]≤30° 摆动从动件凸轮机构：[α]≤30°~45° 回程：[α]=70°~80°
§4.4 凸轮机构设计中应注意的问题
2．压力角的校核 校核目的: 确保良好的运动特性。
§4.1 凸轮机构的应用和分类
绕线机构
1—盘形凸轮；2—引线杆；3—绕线轴
§4.1 凸轮机构的应用和分类
由以上的例子可知，凸轮机构有如下基本特性： 当凸轮转动时，借助于本身的曲线轮廓或凹槽迫使从动 杆作一定规律的运动，即从动杆的运动规律取决于凸轮轮 廓曲线或凹槽曲线的形状。
优点： 只需设计出适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的 预期运动，且结构简单、紧凑、设计方便。 缺点： 凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只可用于传力 不大的场合；凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加 工；从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。
4.4.1滚子半径的选取 （1）当理论轮廓曲线内凹时：
ρ=ρ0+rT
ρ0：理论轮廓曲率半径； rT：滚子半径；
ρ：实际轮廓的曲率半径。
无论rT取何值，凸轮工作轮廓 总是光滑曲线，即rT的大小可不受 ρ0的限制。
§4.4 凸轮机构设计中应注意的问0，实际轮廓
（2）运动方程： 等加速段的运动方程为:
s
1 2
a0t 2
2h
2 t
2
v
a0t
4h
2 t
a
a0
4h 2
2 t
§4.2 从动件的常用运动规律
根据运动线图的对称性，可得等减速段的运动方程为
机械设计基础第四章
讲解了零件在静载荷和动 载荷作用下的强度与刚度 设计方法和步骤，包括许 用应力与安全系数的确定 、载荷分析与计算、应力 分析与计算等。
阐述了摩擦、磨损和润滑 的基本原理和影响因素， 以及减少摩擦和磨损、提 高润滑效果的方法和措施 。
机械设计领域发展趋势探讨
智能化设计
随着人工智能和大数据技术的发展 ，机械设计将越来越智能化，能够 实现自动化设计、优化设计和智能 决策等功能。
模型实验设计
对于尺寸巨大或结构复杂的重要零件，尤其是初次设计的新型结构零件，在初步设计阶段 ，有时要按初步设计图制成一定比例的小尺寸模型，或者根据相似性原理制成模拟真实工 作条件的模型进行实验。
机械设计流程与步骤
设计流程
根据用户订货、市场需要和新科研成果制定设计任务。
初步设计。包括确定机械的工作原理和基本结构形式，进行运动设计、结构设计并 绘制初步总图以及初步审查等。
机械设计中的材 料选择
零件的强度与刚 度设计
摩擦、磨损与润 滑
介绍了机械设计的基本定 义、目的和任务，以及机 械设计的主要特点和要求 。
详细阐述了机械设计的一 般过程，包括设计准备、 方案设计、技术设计和施 工设计等阶段，以及各阶 段的主要任务和方法。
介绍了材料选择的原则、 方法和步骤，以及常用机 械工程材料的特性和应用 。
案例二
销连接的优化设计，通过改进销轴形状、增加定 位结构、采用自锁装置等措施提高连接的定位精 度和可靠性。
案例三
焊接连接的优化设计，通过选择合适的焊接方法 、优化焊缝形状、控制焊接变形等措施提高焊接 质量和效率。
07 总结与展望
第四章重点内容回顾
01
02
03
04
05
机械设计基础第四章
对心尖端直动从动件 12 盘形凸轮机构
等速运动规律 等加速等减速运动规律 余弦加速度运动规律 正弦加速度运动规律
13
一、等速运动规律
h v2 常数 t1
h s2 v2 t t t1
a2 0
刚性冲击
14
从动件的速度有突变，加速度理论上
发生无穷突变，产生巨大的惯性力， 从而对凸轮机构造成强烈冲击。
轮廓的设计方法及步骤
凸轮机构的基圆半径与许用压力角有什么关系？ 棘轮机构和槽轮机构各有什么特点？ 槽轮机构有哪些主要参数？如何选取？
76
作业
85～86页： 4-2，4-3，4-4，4-5，4-9，4-11
77
rk＜ρmin时，可画出完整的轮廓曲线β’
49
rk＝ρmin时， ρ′=0
β’出现尖点 易磨损，从而改变预定的从动件运动规律
50
rk>ρmin时， ρ’<0 β’将出现交叉，在交 叉点以上部分的曲线 加工时将被切去，致 使从动件不能实现预 期的运动规律而发生 运动失真。
51
外凸时，rk min ,
3
内 燃 机 的 凸 轮 配 气 机 构
4
绕线机的凸轮绕线机构
5
缝纫机的凸轮拉线机构
6
移动凸轮机构
7
分类
按凸轮的形状分
盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮
8
按从动件的结构型式分
尖顶从动件
构造简单、易磨损、用于仪表机构
滚子从动件
磨损小，应用广
平底从动件
受力小、润滑好，用于高速传动
9
按从动件的运动方式分
※ 从动件在反转时依次占据的位置均是偏距圆的切线55
机械设计基础课件第4章
机械设计的基本原则
• 技术性能准则：技术性能包括产品功能、制造和运行状况在内的一切性能，既 包含静态性能，也包含动态性能。例如，产品所能传递的功率、效率、使用寿 命、强度、刚度、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。技术性能原则 要求机械设计过程中的所有技术问题都必须得到圆满的解决。
• 经济性准则：经济准则是指以最低的成本获得最好的产品。经济准则要求机械 设计的成本尽可能的低，同时又能保证产品的必要功能和质量。
提高疲劳强度的措施
降低应力集中
采用高强度材料
通过改进零件结构形状，避免截面尺寸突变， 以及提高表面光洁度等措施，可以降低应力 集中，提高疲劳强度。
选用高强度材料，可以提高零件的承载能力， 从而提高疲劳强度。
表面强化处理
控制载荷
对零件表面进行喷丸、碾压等强化处理，可 以提高表面硬度，增加残余压应力，从而提 高疲劳强度。
• 可靠性准则：可靠性准则是指所设计的产品应能满足规定的可靠性要求。可靠 性原则要求机械设计的产品在规定的使用条件下，在规定的期限内，应具有完 成规定功能的能力。
• 安全性准则：安全性准则是指所设计的产品应能确保人的生命安全。安全性原 则要求机械设计的产品必须具有足够的强度、刚度、稳定性、耐磨性，在规定 的寿命期内能安全可靠地工作，能抵御各种有害因素的影响，有一定的安全裕 度，以防万一出现的危险情况。
预防性维护
建立预防性维护制度，定期对 机械零件进行检查、保养和维 修，确保其处于良好状态。
06
机械设计中的创新思维与方法
创新思维的定义与特点
定义
创新思维是指在解决问题或创造 新事物时，突破传统思维模式， 运用独特、新颖的思考方式和方
法。
独特性
创新思维不满足于常规解法，追 求独特、新颖的解决方案。
机械设计基础 第4章 齿轮机构
b. 模数的意义 ◆ 模数的量纲 mm m=
p ，确定模数 m 实际上就是确定周节 p ，也就是确
p
定齿厚和齿槽宽e。模数m越大，周节p越大，齿厚s和齿槽 宽e也越大。 模数越大，轮齿的抗弯强度越大。
c. 确定模数的依据 根据轮齿的抗弯 强度选择齿轮的 模数
一组齿数相同，模数不同的齿轮。
（3）分度圆压力角(齿形角)
p 0.5p 0.5p ha=m m c
上各点具有相同的
压力角，即为其齿 形角，它等于齿轮
F V
分度圆压力角。
b. 与齿顶线平行的任一直线上具有相同的齿距p= p m。
c. 与齿顶线平行且齿厚s等于齿槽宽e的直线称为分度线，
它是计算齿条尺寸的基准线。
三、参数间的关系
表5-5渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸公式表 名 称
式
齿根圆直径
周 节 齿 厚 基圆周节 中心距
df
p s pb a
P= p m s= p m/2
Pb= p m cosa
a=m(z1 ±z2)/2
注：上面符号用于外齿轮或外啮合传动，下面符号用于内齿轮或内啮合传动。
一对标准齿轮：
1 1 a ( d 2 d 1 ) m ( z 2 z1 ) 2 2 ①m、z决定了分度圆的大小，而齿轮的大小主要
取决于分度圆，因此m、z是决定齿轮大小的主要
参数 * ha ， ②轮齿的尺寸与 m，
c*
有关与z无关
③至于齿形， rb r cos
mz cos ，与m，z， 2
有关
可见，m影响到齿轮的各部分尺寸， ∴又把这种以模数为基础进行尺寸计算的齿轮称m制齿轮。 欧美：径节制 P
机械设计基础 第四章
(1) 盘形凸轮机构
盘形凸轮机构是最常见的凸轮机构， 其机构中的凸轮是绕固定轴线转动并具 有变化向径的盘形零件，如图4-2所示。
图4-2 内燃机配气机构
(2) 移动凸轮机构
当盘形凸轮的 回转中心趋于无穷 远时，凸轮不再转 动，而是相对于机 架作直线往复运动, 这种凸轮机构称为 移动凸轮机构(参见 图4-4)。
用光滑的曲线连接这些点便得到推程等加速段的位移线图，等
减速段的位移线图可用同样的方法求得。
等加速、等减速运动规律的位移、速度、加速度线图如图 4-10所示。由图4-10(c) 可知，等加速、等减速运动规律在运动 起点O、中点A 和终点B 的加速度突变为有限值，从动件会产生 柔性冲击，适用于中速场合。
4.3 盘形凸轮轮廓的绘制
凸轮轮廓的设计方法有作图法和解析法两种。其中，作图 法直观、方便，精确度较低，但一般能满足机械的要求；解析 法精确高，计算工作量大。本节主要介绍作图法。
4.3.1 凸轮轮廓曲线设计的基本原理
凸轮机构工作时，凸轮是运动的，而绘在图纸上的凸轮是静 止的。因此，绘制凸轮轮廓时可采用反转法。
s
2h
2 0
2
(4-2)
等加速、等减速运动规律的位移线图的画法为：
将推程角
0 两等分，每等分为
0 2
；
将行程两等分，每等分 h ，将 0 若干等分，
2
2
得点1、2、3、…，过这些点作横坐标的垂线。
将 h 分成相同的等分，得点1′、2′、3′、…，连01′、02′、
2
03′、…与相应的横坐标的垂线分别相交于点1″、2″、3″、…，
图4-5 平底从动件
3. 按从动件与凸轮保持接触的方式分
(1) 力锁合的凸轮机构
机械设计基础第4章
第四章凸轮机构在各种机器中，尤其是自动化机器中，为实现各种复杂的运动要求，常采用凸轮机构，其设计比较简便。
只要将凸轮的轮廓曲线按照从动件的运规律设计出来，从动件就能较准确的实现预定的运动规律。
本章将着重研究盘状凸轮轮廓曲线绘制的基本方法和凸轮设计中的相关问题。
§4—1 凸轮机构的应用与分类一、凸轮机构的应用凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。
凸轮通常作等速转动，但也有作往复摆动或移动的。
从动件是被凸轮直接推动的构件。
凸轮机构就是由凸轮、从动件和机架三个主要构件所组成的高副机构。
图4-1所示为内燃机配气凸轮机构。
当具有一定曲线轮廓的凸轮1以等角速度回转时，它的轮廓迫使从动作2（阀杆）按内燃机工作循环的要求启闭阀门。
图4-2为自动机床上控制刀架运动的凸轮机构。
当圆柱凸轮1回转时，凸轮凹槽侧面迫使杆2运动，以驱动刀架运动。
凹槽的形状将决定刀架的运动规律。
内燃机，配气机构凸轮一般作连续等速转动，从动件可作连续或间歇的往复运动或摆动。
凸轮机构广泛用于自动化和半自动化机械中作为控制机构。
但凸轮轮廓与从动件间为点、线接触而易磨损，所以不宜承受重载或冲击载荷。
凸轮机构的特点1)优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，且机构简单紧凑。
2)缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
二、凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，通常按凸轮和从动件的形状、运动形式分类。
⒈按凸轮的形状分类（1）盘形凸轮它是凸轮的最基本型式。
这种凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化半径的盘形零件，如图4-1。
（2）移动凸轮当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线运动，这种凸轮称为移动凸轮。
在以上两种凸轮机构中，凸轮与从动件之间的相对运动均为平面运动，故又统称为平面凸轮机构。
（3）圆柱凸轮(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，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。
精品文档-机械设计基础(宋敏)-第4章
N Bx
Ft1
100 Ft2 300
200
2.64100 3.96 200 300
1.76 kN
NAx=－Ft1+Ft2－NBx=－2.64+3.96－1.76=－0.44 kN
38
第4章 空 间 力 系
负号表示力的实际方向与假设方向相反。 说明：在Azx平面，力的投影图可以略去不画，其方程可 用空间受力图中所有的力对y轴取矩代替，由此所列出的方程 与根据Azx平面投影图列出的方程相同，即
N Bz
Fr1 100 Fr2 300
200
0.961001.44 200 300
1.28kN
NAz=Fr1+Fr2－NBz=0.96+1.44－1.28=1.12 kN
37
第4章 空 间 力 系
Axy平面： ∑MA(F)=0，－Ft1×100+Ft2×200－NBx×300=0
∑Fx=0， NAx+Ft1－Ft2+NBx=0 得
cos
Fx
, cos
Fy
, cos
Fz
F
F
F
其中, α、β、γ分别为力F与x、y、z轴之间所夹的锐角。
9
第4章 空 间 力 系
例4-1 已知圆柱斜齿轮所受到的啮合力Fn＝1410 N，齿 轮压力角α＝20°，螺旋角β＝25°， 如图4-3(a)所示。试 计算斜齿轮所受到的圆周力Ft、轴向力Fa和径向力Fr的 大小。
16
第4章 空 间 力 系
图4-5 力对轴之矩示例
17
第4章 空 间 力 系
解 (1) 将力F沿坐标轴分解为Fx和Fz两个分力： Fx=F sinα， Fz=F cosα
机械设计基础 第4章 螺纹连接
14
圆柱管螺纹
牙型角为=55的英制螺纹，内、外螺纹旋合后无径向间 隙。螺纹副本身不具密封性，连接要求密封时，可压紧被连接 件螺纹副外的密封面，也可在密封面间添加密封物。多用于压 力为1.568Pa以下的水、煤气管路，润滑和电线管路系统。
15
2.矩形螺纹
牙型角为0 ，传动效率高于其他螺纹，但牙根强度低，精 确制造困难，对中精度低，未标准化，逐渐被梯形螺纹代替。
第四章
连接的分类
螺纹连接
1.按机械工作时被连接零（部）件间是否有相对运动分 静连接 连接 动连接 2.按能否拆开分 可拆连接 螺纹连接、键连接，销连接、型面连接 焊接、粘接和铆接等
1
螺纹连接、键连接、花键连接、销连接 导向平键连接、导向花键连接及各种运动副
连接
不可拆连接
d2
4.1
螺纹的主要参数和常用类型 螺纹的形成及其分类
43
5.自攻螺钉——由螺标准，扁，厚
45
圆螺母+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入
轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧
46
7.垫圈
平垫圈
斜垫圈
h
d1 d2
47
4.4
螺栓连接的强度计算
螺栓连接强度计算的目的是：根据强度条件确定螺 栓直径或校核其强度 ，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各 部分尺寸均按标准选定。 普通螺栓连接在工作时，螺栓主要承受轴向力(包 括预紧力)，故又称受拉螺栓。 铰制孔用螺栓连接工作时，螺栓只承受横向力，又称 受剪螺栓。
受力时被连接件接合面间不 应相对滑移失效，预紧力F 的大 小根据板件的静力平衡条件可得 ：
F f s zm k f FR (即F
k f FR f s zm
圆柱管螺纹
牙型角为=55的英制螺纹，内、外螺纹旋合后无径向间 隙。螺纹副本身不具密封性，连接要求密封时，可压紧被连接 件螺纹副外的密封面，也可在密封面间添加密封物。多用于压 力为1.568Pa以下的水、煤气管路，润滑和电线管路系统。
15
2.矩形螺纹
牙型角为0 ，传动效率高于其他螺纹，但牙根强度低，精 确制造困难，对中精度低，未标准化，逐渐被梯形螺纹代替。
第四章
连接的分类
螺纹连接
1.按机械工作时被连接零（部）件间是否有相对运动分 静连接 连接 动连接 2.按能否拆开分 可拆连接 螺纹连接、键连接，销连接、型面连接 焊接、粘接和铆接等
1
螺纹连接、键连接、花键连接、销连接 导向平键连接、导向花键连接及各种运动副
连接
不可拆连接
d2
4.1
螺纹的主要参数和常用类型 螺纹的形成及其分类
43
5.自攻螺钉——由螺标准，扁，厚
45
圆螺母+止退垫圈——带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入
轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧
46
7.垫圈
平垫圈
斜垫圈
h
d1 d2
47
4.4
螺栓连接的强度计算
螺栓连接强度计算的目的是：根据强度条件确定螺 栓直径或校核其强度 ，而螺栓和螺母的螺纹牙及其他各 部分尺寸均按标准选定。 普通螺栓连接在工作时，螺栓主要承受轴向力(包 括预紧力)，故又称受拉螺栓。 铰制孔用螺栓连接工作时，螺栓只承受横向力，又称 受剪螺栓。
受力时被连接件接合面间不 应相对滑移失效，预紧力F 的大 小根据板件的静力平衡条件可得 ：
F f s zm k f FR (即F
k f FR f s zm
2024版机械设计基础课件第4章
机械设计基础课件第4章•机械设计概述•机械设计的基本原理•机械零件的设计•机械传动的设计目•液压与气压传动的设计•机械设计实践与应用录机械设计概述机械设计的定义与分类定义分类机械设计的重要性机械设计努力的目标是在各种限定的条件（如材料、加工能力、理论知识和计算手段等）下设计出最好的机械，即做出优化设计。
优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低的消耗和最少的环境污染。
机械设计的发展趋势绿色化智能化模块化网络化机械设计的基本原理经济性设计应考虑到制造成本、使用成本和维护成本，力求以最低的成本实现所需的功能。
实现预定功能设计应确保机械系统或设备能够实现预定的功能，满足使用要求。
可靠性机械系统或设备应具有足够的可靠性，能在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能。
安全性机械系统或设备应具有足够的安全性，能防止人员伤亡和财产损失。
环保性设计应考虑到环境保护的要求，减少对环境的污染和资源的浪费。
机械设计的基本要求明确设计任务了解用户需求，明确设计目标、限制条件和设市场调研与资料收集方案设计与评价详细设计制造与试验设计修改与完善机械设计的一般步骤机械设计中的创新思维01020304突破传统思维模式借鉴跨领域知识利用现代科技手段关注用户需求变化机械零件的设计机械零件的分类与功能根据结构和功能分类01根据运动形式分类02根据材料分类03机械零件的设计准则保证零件在机器中的使用性能，如传递动力、支撑载荷、保持运动精度等。
零件的结构形状应便于加工制造和测量，尽量采用标准件和通用件。
在满足使用要求的前提下，尽量降低制造成本和节约原材料。
保证零件在规定的使用条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
满足使用要求工艺性良好经济性合理可靠性高机械零件的强度与刚度设计强度设计刚度设计根据零件的受力情况和材料的弹性力学性能，进行零件的截面尺寸和形状设计，以保证零件在正常工作条件下不会发生过大的弹性变形。
《机械设计基础 》课件第4章
应用强度条件，可以解决下面三类强度问题： (1)校核强度。根据杆件的尺寸、材料及所受的载荷 (已知A、［σ］及FN)，应用强度条件来验证杆件强度是否 足够。 (2)设计截面。根据杆件的材料及所受的载荷(已知［σ］ 及FN)，应用强度条件的变换式来确定杆件的截面面积， 然后由实际情况选定截面的形状，最后计算出截面的具体 尺寸。
4.轴力图
为了直观地表明各截面的轴力的变化情况，我们用平 行于杆轴线的x坐标表示横截面的位置，用与之垂直的FN 坐标表示相应截面的轴力的大小。按选定的比例，正的轴 力画在x轴上方，负的轴力画在x轴下方。这样绘出的轴力 沿杆轴线变化的图形，称为轴力图。
例4-1 等截面直杆AD受力如图4-5(a)所示。已知F1＝
(取左侧) (取右侧) (取左侧) (取右侧) (取左侧) (取右侧)
4.1.2 拉伸与压缩时横截面上的应力
1.应力的概念
我们知道，相同的拉力作用在材料相同、粗细不等的
两根直杆上，随着外力的增加，总是较细的杆先被拉断。
可见，杆件是否破坏不仅与内力有关，还与杆横截面的面
积有关。因此，要引入应力的概念。在截面m—m上围绕 任意点K取微面积ΔA(如图4-6(a)所示)，设ΔA上的内力为 ΔF，则比值
10 kN，F2＝20 kN，F3＝16 kN，试作AD杆的轴力图。
解 (1)外力分析。由AD杆的受力图(如图4-5(b)所示)建
立其平衡方程：
Fx 0, FA F1 F2 F3 0
得
FA F1 F2 F3 10 2016 6 kN
图4-5 等截面直杆的轴力图
(2)内力分析。用截面法求各段截面的内力。各截面 均假设为受拉，轴力为正。
(AB杆受压)
(3)设计直径。由式(4-6)得
机械设计基础第4章
• 1.对心直动尖顶凸轮轮廓绘制
如图4-25a所示，已知某对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的基圆
半径为r0，凸轮以角速度沿逆时针方向转动，行程为h，推程运
动角=〖120°〗^，远休止角s = 60°，回程运动角′=90°，
近休止角s′=90°，凸轮的位移曲线如图4-25b所示。下面用作
图法求凸轮轮廓。
高副接触的实例，用凸轮来控制进、排气阀门的启闭。
• 3.利用几何形状来维持接触
（1）槽凸轮机构：如图4-8a所示，凸轮轮廓曲线做成凹槽，从动件的
滚子置于凹槽中，依靠凹槽两侧的轮廓曲线使从动件与凸轮在运动过
程中始终保持接触。
（2）等宽凸轮机构：如图4-8b所示，从动件做成矩形框架形状，而凸
轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架上下两侧的宽度，因
（1）直动从动件
如图4-5所示，从动件作往复直线移动。
（2）摆动从动件
如图4-6所示，从动件作往复摆动。
• 三、凸轮与从动件维持高副接触的方式
• 1.利用重力维持接触
利用重力使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的凸轮机构，又称为
力封闭型凸轮机构。
• 2.利用弹簧力维持接触
如图4-7所示发动机凸轮机构的基本形式，它是利用弹簧力来维持
（2）滚子从动件
如图4-5b所示，示为平底从动件，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。
（4）球面从动件
如图4-5d所示，从动件为一球面。球面从动件
克服了尖底从动件的尖底易磨损的缺点。在工程中的应用也较多。
• 3.按从动件的运动形式分类
第四章
凸轮机构
第一节 凸轮机构概述
• 一、凸轮机构的组成和特点
• 1. 凸轮机构的组成
如图4-25a所示，已知某对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的基圆
半径为r0，凸轮以角速度沿逆时针方向转动，行程为h，推程运
动角=〖120°〗^，远休止角s = 60°，回程运动角′=90°，
近休止角s′=90°，凸轮的位移曲线如图4-25b所示。下面用作
图法求凸轮轮廓。
高副接触的实例，用凸轮来控制进、排气阀门的启闭。
• 3.利用几何形状来维持接触
（1）槽凸轮机构：如图4-8a所示，凸轮轮廓曲线做成凹槽，从动件的
滚子置于凹槽中，依靠凹槽两侧的轮廓曲线使从动件与凸轮在运动过
程中始终保持接触。
（2）等宽凸轮机构：如图4-8b所示，从动件做成矩形框架形状，而凸
轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架上下两侧的宽度，因
（1）直动从动件
如图4-5所示，从动件作往复直线移动。
（2）摆动从动件
如图4-6所示，从动件作往复摆动。
• 三、凸轮与从动件维持高副接触的方式
• 1.利用重力维持接触
利用重力使从动件与凸轮轮廓始终保持接触的凸轮机构，又称为
力封闭型凸轮机构。
• 2.利用弹簧力维持接触
如图4-7所示发动机凸轮机构的基本形式，它是利用弹簧力来维持
（2）滚子从动件
如图4-5b所示，示为平底从动件，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。
（4）球面从动件
如图4-5d所示，从动件为一球面。球面从动件
克服了尖底从动件的尖底易磨损的缺点。在工程中的应用也较多。
• 3.按从动件的运动形式分类
第四章
凸轮机构
第一节 凸轮机构概述
• 一、凸轮机构的组成和特点
• 1. 凸轮机构的组成
机械设计基础第四章
通常把 B1B2与 pb的比值εα称为齿轮的重合度， 故齿轮连续传 动的条件为
εα = B1B2 /pb ≥1
渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动(5/6)
而实际工程上，则要求 εα ≥[εα] 式中[εα]为许用重合度， 常用推荐值： 一般制造业 [εα]=1.4； 汽车、拖拉机 [εα]=1.1～1.2； 金属切削机床 [εα]=1.3； 重合度的意义 ① 用来衡量齿轮连续传动的条件； ② 代表同时参与啮合的轮齿对数的平均值。 增大重合度，同时参与啮合的轮齿对数增加， 故这对于提高 齿轮传动平稳性，提高承载能力都有重要意义。
结论 当两标准齿轮按标准中心距安装时，既能保证两轮顶隙 为标准值，又能保证齿侧间隙为零，即 c = c*m, c′= 0。
渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动(3/6)
（2）啮合角 渐开线齿轮传动的啮合角α′就等于其节圆压力角。 当两轮按标准中心距安装时，则实际中心距 a′= a； 当两轮实际中心距 a′与标准中心距 a 不同时，则： 若 a′＞a 时， r1′＞r1，r2′＞r2； c′＞0，c＞c*m；α′＞α。 若 a′＜a 时，两轮将无法安装。
（1）范成运动
什么是范成运动？
用齿轮插刀加工齿轮时 齿轮插刀的节圆与被加工齿轮的 节圆相切并作纯滚动，这种运动 称为范成运动。 插齿机床的传动系统使插齿刀与 被加工齿轮保持范成运动。
用齿条刀具加工齿轮时
齿条刀具的节线与被加 工齿轮的分度圆相切并 作纯滚动，这种运动称 为范成运动。
机床传动链应使齿条插 刀与被加工齿轮保持范 成运动。
一对齿轮传动是依靠它们的共轭齿廓来实现的。 所谓共轭齿廓是指两轮相互连续接触传动并能实现预定传动 比规律的一对齿廓。 1.齿廓啮合的基本定律 由瞬心概念知， 两轮的传动比为 i12=ω1／ω2=O2P／O1P
《机械设计基础》课件第4章
图4-7 飞机起落架
图4-8 鹤式起重机
图4-9 (a)转向机构工作原理图；(b)前轮转向机构
4.1.2平面连杆机构的传动特点
(1)组成平面连杆机构的低副为面接触，易于润滑，单位 面积所承受的力较小，摩擦及磨损较轻，因而可用来传递较 大的动力，满足重载机械要求；又由于转动副和移动副的接 触表面是圆柱面和平面，制造简单且易于获得较高的加工精 度。低副接触依靠自身几何形状来封闭，无需外载荷作用， 结构简单。
第4章 平面连杆机构及其设计
4.1 平面四杆机构的基本形式及特点 4.2 平面四杆机构的基本知识 4.3 平面四杆机构的设计 习题
所有构件全部用低副(转动副和移动副)联接而成的机构称
若连杆机构中各运动构件均在同一平面或相互平行的平面 内运动，则称为平面连杆机构,否则称为空间连杆机构。平面连 杆机构广泛应用于各种机器、仪表及操纵控制设备中。
特性。急回的程度用行程速比系数K表示，即
铰链四杆机构根据其两连架杆运动形式的不同，又可分为 3种形式。
图4-1 铰链四杆机构
1．曲柄摇杆机构 在铰链四杆机构中，若其两个连架杆一个为曲柄，另一
通常曲柄为原动件，且作匀速转动，而摇杆为从动件， 在一定范围内作变速往复摆动。如图4-2所示的雷达天线仰俯 机构就是此种机构。曲柄1缓慢地匀速转动，通过连杆2使摇 杆3
图4-21 正弦机构
图4-22 缝纫机下针机构
图4-23正弦机构演化之一 (a)双滑块机构；(b)椭圆仪
5.偏心轮机构 如图4-24(a)所示的曲柄滑块机构中，若增大转动副B的尺 寸，使其半径大于曲柄AB的长度尺寸，则曲柄将变为一个几 何中心与其回转中心不重合的圆盘，如图4-24(b) 所示，称此 圆盘为偏心轮。此偏心轮的回转中心A即为原曲柄的回转中心， 而其几何中心B则为铰链B的几何中心。A、B两中心的距离e 称为偏心距，此偏心距实际上就是原曲柄的长度。这种机构称 为偏心轮机构。显然，演化生成的偏心轮机构与图4-24 (a)所
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第四章
第一节 凸轮机构的应用和分类 第二节 从动件的常用运动规律 第三节 凸轮轮廓的设计 第四节 凸轮机构设计中应注意的问题
第一节 凸轮机构的应用和分类
一、凸轮机构的应用 二、凸轮机构的分类
一、凸轮机构的应用
图4-1 内燃机配气机构 1—凸轮 2—摆杆 3—气阀 4—弹簧
图4-2 缝纫机挑线凸轮机构 1—圆柱凸轮 2—滚子 3—挑线杆
第二节 从动件的常用运动规律
一、凸轮机构的工作原理和运动分析 二、从动件的常用运动规律 三、从动件运动规律的选择
一、凸轮机构的工作原理和运动分析
图4-6 凸轮机构的工作原理和运动分析
二、从动件的常用运动规律
1.等速运动规律 2.等加速等减速运动规律(抛物线运动规律) 3.简谐运动规律(余弦加速度运动规律) 4.摆线运动规律(正弦加速度运动规律)
二、凸轮机构的分类
1.按凸轮的形状分 2.按从动件的形式分 3.按凸轮与从动件保持高副接触(称为封闭或锁合)的方式分
1.按凸轮的形状分
(1)盘形凸轮(图4-1) 这种凸轮是一个具有变化半径的盘形构件，其从 动件在垂直于凸轮回转轴的平面内运动。 (2)移动凸轮(图4-3) 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，即成为移 动凸轮。 (3)圆柱凸轮 这种凸轮是在圆柱面上开有曲线凹槽(图4-2)，或者在圆 柱端面上作出曲线轮廓(图4-4)的圆柱体。
图4-13 对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
图4-14 对心直动滚子从动件 盘形凸轮轮廓的设计
图4-15 对心直动平底从动件 盘形凸轮轮廓的设计
2.对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)将滚子中心当作尖顶从动件的尖顶，按尖顶从动件盘形凸轮轮廓的作 图法，作出一条轮廓曲线η。 2)以轮廓曲线η上各点为圆心、以滚子半径rr为半径画一系列滚子圆(称 为圆族)，再作圆族的内包络线(包络线是指与圆族中所有滚子圆都相切 的曲线)，即为凸轮的轮廓曲线。
1.等速运动规律
图4-7 等速运动规律
2.等加速等减速运动规律(抛物线运动规律)
图4-8 等加速等减速运动规律
3.简谐运动规律(余弦加速度运动规律)
图4-9 简谐运动规律
图4-10 摆线运动规律
4.摆线运动规律(正弦加速度运动规律)
图4-11 用作图法绘制摆线运动规律位移图
第三节 凸轮轮廓的设计
一、凸轮轮廓设计的基本原理——反转法 二、凸轮轮廓的图解法设计 三、凸轮轮廓的解析法设计
一、凸轮轮廓设计的基本原理——反转法
图4-12所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构。当凸轮以等角速度ω1 逆时针方向绕轴心O转动时，凸轮轮廓将推动从动件相对其导路完成预期 的运动。现设想给整个凸轮机构附加一个公共角速度(-ω1)，绕轴心O反向 转动。这时凸轮与从动件的相对运动不变，但凸轮将静止不动，而从动件 则在其导路以角速度-ω1绕轴心O作反转运动的同时，又相对于导路按原来 的运动规律往复移动。由于从动件尖顶始终与凸轮轮廓接触，显然，从动 件在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。这种以凸轮 作为动参考系，按相对运动原理设计凸轮轮廓的方法称为“反转法”，它 是凸轮轮廓设计的基本原理。下面就介绍运用“反转法”设计凸轮轮廓的 具体方法。
图4-16 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
5.摆动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)在φ—δ角位移线图上，将凸轮转角δ0和δ分别分成若干等份(图中δ0分 成6等份，δ分成4等份)，求出各等分点对应的角位移值φ1=μφ、φ2=μ φ、…(μφ为角位移比例尺)。 2)选取适当的比例尺μl，根据LOA定出凸轮和从动件中心O和A0，以O为 圆心，rb为半径作出基圆，再以A0为圆心，LAA′为半径画弧交基圆于A， 点A即为从动件的初始位置，角度φ0是初位角。 3)以O为圆心，OA0为半径作圆。 4)连接A、A、A、…成一光滑封闭曲线即为所求的凸轮轮廓。
图4-5 凸轮机构的基本类型 1—凸轮 2—从动件
3.按凸轮与从动件保持高副接触(称为封闭或锁合)的方式分
(1)力封闭 利用弹簧力、从动件自身的重力或其他外力使从动件与凸 轮轮廓始终保持接触，如图4-1(利用弹簧力)、图4-4(利用重力)所示。 (2)形封闭 利用凸轮和从动件的特殊结构形式使从动件与凸轮轮廓始 终保持接触，如图4-2(利用滚子与凸轮沟槽的配合)所示。
图4-3 用于冲床上的凸轮机构
图4-4 圆柱凸轮
2.按从动件的形式分
(1)尖顶从动件(图4-5a) 从动件2与凸轮1接触的一端几何形状尖锐像刀 口，故称为尖顶从动件。 (2)滚子从动件(图4-5b) 从动件2是通过其上带有可自由转动的滚子与 凸轮相接触，故称为滚子从动件。 (3)平底从动件(图4-5c) 从动件2与凸轮相接触的一端是平面，故称为 平底从动件。
图4-12 反转法原理来自二、凸轮轮廓的图解法设计
1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 2.对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计 3.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计 4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 5.摆动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 6.直动从动件圆柱凸轮轮廓的设计
1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)选取与位移线图相同的比例尺μl，以O为圆心，0=rb/μl为半径作基圆， 并定从动件的初始位置为A0。 2)在s—δ位移线图上，将凸轮推程运动角δ0和回程运动角δ分别分成若干 等份。 3)在基圆上，自OA0开始，沿(-ω)方向，依次取角度δ0、δs、δ、δ，并将 角度δ0和δ分成与图4-13b对应的相同的等份，从而在基圆上得相应的等 分点A1、A2、…A13。 4)先将点A、A、A…A连成光滑曲线，接着将点A、A、…A连成光滑曲 线，然后再将点A与A之间以及点A13与A0之间分别以O为圆心的圆弧相 连。
3.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)将从动件平底和从动件导杆的交点A0看作尖顶从动件的尖顶。 2)通过A、A、A、…作一系列代表从动件平底的位置线(平底与从动件导 杆垂直或成某一角度)，再作这一系列平底位置线的包络线，即得凸轮 的实际轮廓。
4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)以凸轮轴心O为圆心，以偏距e为半径作一圆(该圆称为偏距圆)。 2)连接OB0。 3)在各切线上截取从动件的位移，即A1A=11、A2A=22、…A9A=0，得点 A、A、…A，将此各点连成光滑的曲线，即得所求的凸轮轮廓。
第一节 凸轮机构的应用和分类 第二节 从动件的常用运动规律 第三节 凸轮轮廓的设计 第四节 凸轮机构设计中应注意的问题
第一节 凸轮机构的应用和分类
一、凸轮机构的应用 二、凸轮机构的分类
一、凸轮机构的应用
图4-1 内燃机配气机构 1—凸轮 2—摆杆 3—气阀 4—弹簧
图4-2 缝纫机挑线凸轮机构 1—圆柱凸轮 2—滚子 3—挑线杆
第二节 从动件的常用运动规律
一、凸轮机构的工作原理和运动分析 二、从动件的常用运动规律 三、从动件运动规律的选择
一、凸轮机构的工作原理和运动分析
图4-6 凸轮机构的工作原理和运动分析
二、从动件的常用运动规律
1.等速运动规律 2.等加速等减速运动规律(抛物线运动规律) 3.简谐运动规律(余弦加速度运动规律) 4.摆线运动规律(正弦加速度运动规律)
二、凸轮机构的分类
1.按凸轮的形状分 2.按从动件的形式分 3.按凸轮与从动件保持高副接触(称为封闭或锁合)的方式分
1.按凸轮的形状分
(1)盘形凸轮(图4-1) 这种凸轮是一个具有变化半径的盘形构件，其从 动件在垂直于凸轮回转轴的平面内运动。 (2)移动凸轮(图4-3) 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，即成为移 动凸轮。 (3)圆柱凸轮 这种凸轮是在圆柱面上开有曲线凹槽(图4-2)，或者在圆 柱端面上作出曲线轮廓(图4-4)的圆柱体。
图4-13 对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
图4-14 对心直动滚子从动件 盘形凸轮轮廓的设计
图4-15 对心直动平底从动件 盘形凸轮轮廓的设计
2.对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)将滚子中心当作尖顶从动件的尖顶，按尖顶从动件盘形凸轮轮廓的作 图法，作出一条轮廓曲线η。 2)以轮廓曲线η上各点为圆心、以滚子半径rr为半径画一系列滚子圆(称 为圆族)，再作圆族的内包络线(包络线是指与圆族中所有滚子圆都相切 的曲线)，即为凸轮的轮廓曲线。
1.等速运动规律
图4-7 等速运动规律
2.等加速等减速运动规律(抛物线运动规律)
图4-8 等加速等减速运动规律
3.简谐运动规律(余弦加速度运动规律)
图4-9 简谐运动规律
图4-10 摆线运动规律
4.摆线运动规律(正弦加速度运动规律)
图4-11 用作图法绘制摆线运动规律位移图
第三节 凸轮轮廓的设计
一、凸轮轮廓设计的基本原理——反转法 二、凸轮轮廓的图解法设计 三、凸轮轮廓的解析法设计
一、凸轮轮廓设计的基本原理——反转法
图4-12所示为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构。当凸轮以等角速度ω1 逆时针方向绕轴心O转动时，凸轮轮廓将推动从动件相对其导路完成预期 的运动。现设想给整个凸轮机构附加一个公共角速度(-ω1)，绕轴心O反向 转动。这时凸轮与从动件的相对运动不变，但凸轮将静止不动，而从动件 则在其导路以角速度-ω1绕轴心O作反转运动的同时，又相对于导路按原来 的运动规律往复移动。由于从动件尖顶始终与凸轮轮廓接触，显然，从动 件在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。这种以凸轮 作为动参考系，按相对运动原理设计凸轮轮廓的方法称为“反转法”，它 是凸轮轮廓设计的基本原理。下面就介绍运用“反转法”设计凸轮轮廓的 具体方法。
图4-16 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
5.摆动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)在φ—δ角位移线图上，将凸轮转角δ0和δ分别分成若干等份(图中δ0分 成6等份，δ分成4等份)，求出各等分点对应的角位移值φ1=μφ、φ2=μ φ、…(μφ为角位移比例尺)。 2)选取适当的比例尺μl，根据LOA定出凸轮和从动件中心O和A0，以O为 圆心，rb为半径作出基圆，再以A0为圆心，LAA′为半径画弧交基圆于A， 点A即为从动件的初始位置，角度φ0是初位角。 3)以O为圆心，OA0为半径作圆。 4)连接A、A、A、…成一光滑封闭曲线即为所求的凸轮轮廓。
图4-5 凸轮机构的基本类型 1—凸轮 2—从动件
3.按凸轮与从动件保持高副接触(称为封闭或锁合)的方式分
(1)力封闭 利用弹簧力、从动件自身的重力或其他外力使从动件与凸 轮轮廓始终保持接触，如图4-1(利用弹簧力)、图4-4(利用重力)所示。 (2)形封闭 利用凸轮和从动件的特殊结构形式使从动件与凸轮轮廓始 终保持接触，如图4-2(利用滚子与凸轮沟槽的配合)所示。
图4-3 用于冲床上的凸轮机构
图4-4 圆柱凸轮
2.按从动件的形式分
(1)尖顶从动件(图4-5a) 从动件2与凸轮1接触的一端几何形状尖锐像刀 口，故称为尖顶从动件。 (2)滚子从动件(图4-5b) 从动件2是通过其上带有可自由转动的滚子与 凸轮相接触，故称为滚子从动件。 (3)平底从动件(图4-5c) 从动件2与凸轮相接触的一端是平面，故称为 平底从动件。
图4-12 反转法原理来自二、凸轮轮廓的图解法设计
1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 2.对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计 3.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计 4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 5.摆动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计 6.直动从动件圆柱凸轮轮廓的设计
1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)选取与位移线图相同的比例尺μl，以O为圆心，0=rb/μl为半径作基圆， 并定从动件的初始位置为A0。 2)在s—δ位移线图上，将凸轮推程运动角δ0和回程运动角δ分别分成若干 等份。 3)在基圆上，自OA0开始，沿(-ω)方向，依次取角度δ0、δs、δ、δ，并将 角度δ0和δ分成与图4-13b对应的相同的等份，从而在基圆上得相应的等 分点A1、A2、…A13。 4)先将点A、A、A…A连成光滑曲线，接着将点A、A、…A连成光滑曲 线，然后再将点A与A之间以及点A13与A0之间分别以O为圆心的圆弧相 连。
3.对心直动平底从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)将从动件平底和从动件导杆的交点A0看作尖顶从动件的尖顶。 2)通过A、A、A、…作一系列代表从动件平底的位置线(平底与从动件导 杆垂直或成某一角度)，再作这一系列平底位置线的包络线，即得凸轮 的实际轮廓。
4.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮轮廓的设计
1)以凸轮轴心O为圆心，以偏距e为半径作一圆(该圆称为偏距圆)。 2)连接OB0。 3)在各切线上截取从动件的位移，即A1A=11、A2A=22、…A9A=0，得点 A、A、…A，将此各点连成光滑的曲线，即得所求的凸轮轮廓。