机械设计常用机构

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
或
K 1 180 K 1
只要极位夹角θ ≠ 0 ， 就有 K>1 ；
θ越大，K值越大，机构的急回性质越明显。
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 连杆机构：由低副（转动副、移动副、球面
（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 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
“死点”பைடு நூலகம்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
“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。
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
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
实验法连杆机构设计
当原动件AB绕固定铰链A转动时，连杆平
面上的点各自描绘出不同形状的轨迹，称之为
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。
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。
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 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
（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。
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；
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;
常用机构运动简图
常用机构运动简图
常用传动机构简图
1-2.机构设计的原则
原则：利用机构组成原理进行机构设计时，在满
足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组
的级别越低、构件数和运动副数越少越好。
合理的机构设计是机器平稳实用的基础。机器特 定运动的实现，都是通过机构的协调运动来完成的。 一部较复杂的机器一般是由很多常用机构组成的，如 ：连杆机构、轮系机构、凸轮机构、间隙机构和其它
(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；
(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
平面机构具有急回特性的条件: (1)原动件等角速整周转动；
(2)输出件具有正、反行程的往复运动；
(3)极位夹角Ө>0。
应用：节省回程时间，提高生产率
平面连杆机构的死点
对于曲柄摇杆机构，当摇杆为主动件时，在
连杆与曲柄两次共线的位置，机构均不能运动。
机构的这种位置称为“死点”（机构的死点位置
） 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
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。
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。
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 （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
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
机械设计常用机构
一.机构组成 1-1.机构的概述 机器的主体是有一个或若干个机构组成，
通过不同机构的组合来实现特定的机械运动。
机构是机器不可缺少的部分。 机构：用来传递运动和力且有一个构件为 机架的用运动副联接而成的构件系统。 构件：运动单元体 机构 运动副：构件间的可动联接
常用的构件
构件名称 机架（参考构 件） 输入（主动） 件 从动件 输出件 传动件 导引件 原动件 构件的作用和要求 机构中视为不动的构件，用于支承和作为研究其他构件运动的 参考坐标 机构中运动规律为给定或已知的一个或几个构件 其运动规律取决于机构型式、机构运动尺寸或参数以及主动件 运动规律的构件；除主动件以外的所有可动构件均可视为从动 件 机构中具有期望运动规律或运动要求的从动件 在主动件和从动件间传递运动和动力的所有构件 在机构中具有给定位置或轨迹要求的所有构件 由外界输入驱动力或驱动力矩的构件
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
造精度； （2）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同；
④作△F C1C2的外接圆，
A点必在此圆上。
⑤选定A，连接AC1和AC2
b a
有a（曲柄），b(连杆）：
AC2 AB2 B2C2 AC1 B2C2 AB2 AC2 AC1 a AB2 2 AC2 AC1 b B2C2 2
(2) 曲柄滑块机构 已知 K，滑块行程 H，偏距e，设计此机构 。
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
（2）精度↓时 → 噪声和振动↑
（3）不宜用于中心距较大的传动
齿轮机构的分类
1.平面齿轮机构 — 用于传递两平行轴之间的运
动和动力。
* 根据轮齿的排列位置可分为：内齿轮、外齿轮和 齿条；
* 根据轮齿的方向可分为：直齿轮、斜齿轮和人字齿 轮。
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
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。
运动副的自由度=6-运动副所有的约束个数
轴间的运动和动力。 * 传递两相交轴间的运动 — 锥齿轮传动； 按照轮齿在圆锥体上的排列方向有直齿和曲线齿 两种。
连杆曲线。连杆曲线的形状和大小由各构件的 绝对尺寸和轨迹点在连杆平面上的位置这两个 条件来决定。
用实验法综合给定轨迹的连杆机构时，所要
实现的轨迹（如图中M点的轨迹）是已知的，要
求设计出的连杆机构（如铰链四杆机构）能使连 杆上的某点（如M点）沿着给定的轨迹运动，即 能复演轨迹。 一般可先初选曲柄
长度和曲柄固定铰链与
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
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
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 下做往复运动。
其它常用连杆机构应用
更多
动画
2-1-3.连杆机构设计 连杆机构设计的基本问题:
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
其它平面连杆机构
曲柄滑块机构
转动导杆机构
曲柄摇块机构
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；
常用运动副
常用运动副有：球面副、圆柱副、球销副、 移动副、转动副、螺旋副。
Ⅴ级副 Ⅲ级副
转动副 Ⅴ级副
球面副 Ⅴ级副
移动副
螺旋副
运动链：用运动副连接而成的相对可动的构件系统。
闭式链: 运动链的各构件构成首尾封闭的系统。
开式链: 运动链的各构件未构成首尾封闭的系统。
运动副中构件间的接触形式有三种：点、线、面。 自由度：一个构件相对另一个构件可能出现的
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
b a
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。
AC2 AB2 B2C2 AC1 B2C2 AB2
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 点，应改变初选参数重新演试，直到得出满意