机械结构和机械零件

（c） 第二章 机械结构和机械零件 2.1 机械机构 一、机构的定义 1）机构是有确定相对运动的构件组合体； 2）机构是机械系统的组成单元。 二、机构的分类 机构能传递、转换运动或实现某种特定的运动，不同的机构间有不同的 相对运动，形成不同的变换功能。常用的机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机 构、带传动机构、链传动机构、螺旋机构、步进机构等。 (一)连杆机构 连杆是联接两个及两个以上运动副（转动或移动副）的构件。用运动副按顺 序把几个构件联接起来则组成连杆机构（ connecting rod gear） 。其作用是传 递动力和完成一定规律的运动。连杆机构可分为平面连杆机构和空间连杆机构。 1、平面连杆机构 平面连杆机构（planar linkage）是由若干个互相作平面运动的刚性构件用 运动副联接起来的机构。 其运 动副多为面接触的低副， 所以 又称平面低副机构。 最常用的 平面连杆机构是四杆机构， 其 分类如见图 2.1-1 所示。 （1）曲柄摇杆机构 在图 2.1-1 （a） 所示机构中， 主动件杆 a 可作整周旋转称为曲柄。 杆 c 不作整周运动， 图 2.1-1 铰链四杆机构的类型 （a）曲柄摇杆机构； （b）双曲柄机构； （c）双摇杆机构； （d）曲柄滑块机构； （e）双滑块机构 只按某一角度往复转动称为摇杆。设 a、b、c、d 既是各杆的符 号，又代表各杆 的长度。当满足 最短杆和最长杆之和小于或等于其他两杆长度之和时， 若将最短杆或其邻杆固定 其一，则另一杆即为曲柄。这就是四杆机构有曲柄的条件。在满足曲柄存在的条 件下，铰接四杆取不同的构件为机架（固定件） ，即可得到不同特性的机构。 （2）双曲柄机构 如图 2.1-1（b）中，取 a 为机架，则 b 和 d 均为曲柄， 成为双曲柄机构。如其中两曲柄长度相等，连杆与机架长度也相等，则成为平行 四边形机构。它在机器中应用很广，如机车车轮的联动机构等。 （3）双摇杆机构 在图 2.1-1（c）中，取 c 为机架，若不满足曲柄存在的 条件，则两连架杆 b、d 均为摇杆，故称双摇杆机构。它应用也很广泛，如鹤式 起重机、飞机起落架等。在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则成为等腰梯形 机构，在汽车、轮式拖拉机中常用这种机构操纵前轮的转向。 （4）曲柄滑块机构 如图 2.1-1（d）中，将曲柄摇杆机构的摇杆长度增加 至无穷大、则转动副 B O转化为移动副，便成为曲柄滑块机构。这种机构广泛应 用在内燃机、蒸汽机、空气压缩机和冲床等机械中。 （5）双滑块机构 如图 2.1-1（e）为有两个移动副的四杆机构，应用这种 机构的有欧氏联轴节等。 在实际机器中，往往根据需要来改变某些杆件的形状和杆件的相对长度，改 变某些运动副的尺寸或选择 不同杆件作为机架。 2、空间连杆机构 空间连杆机构（spatial linkage）是由若干刚性构件通过低副联接，而各构件上 各点的运动平面互不平行的机构。又称 空间低副机构（见图 2.1-2） 。为了表明空间连杆机构的组成类型，用 R、P、C、 S、H 分别表示转动副、移动副、圆柱副、球面副、螺旋副。常用空间四杆机构 的组成类型有 RSSR、RRSS、RSSP 和 RSCS 机构。它与平面连杆机构相比，结 构紧凑、运动多样，工作灵活可靠等，但设计困难，制造复杂。空间连杆机构常 用于农业机械、轻工机械、交通运输机械、工业机器人、假肢和飞机起落架等。 所有转动副轴线汇交一点的球面四杆机构，应用较广，如万向联轴节机构。 (二) 凸轮机构 凸轮机构（cam mechanism） 是由凸轮的回转或往复运动推动从动件作一定的往复移动或摆动的高副机构， 如 表 2.1-1。凸轮具有曲线轮廊或凹槽，有平面凸轮和空间凸轮等。从动件（推杆） 与凸轮作点接触或线接触，其接触端的形状有尖头式、滚子式和平底式等。为了 保持推杆与凸轮始终相接触，可采用弹簧或依靠重力。 表 2.1-1 凸轮机构的类型 图 2.1-2 空间四杆机构的类型 不同类型的凸轮与推杆组合起来， 即可得到各种类型的凸轮机构， 通常凸轮是主 动件，但有时可作从动件使用。 1、推杆的运动规律 推杆的运动规律取决于凸轮的外形，常用的运动规律有等速、等加速、等减 速、余弦加速度和正弦加速度等几种。等速运动规律因有速度突变，会产生强烈 的刚性冲击，故只用于低速传动。等加速、等减速和余弦加速度也存在加速度突 变，会产生柔性冲击，只适用于中、低速传动。正弦加速度曲线是连续的，不存 在任何冲击，可用于高速传动。 2、凸轮机构的特点与应用 凸轮机构的特点是结构紧凑，运动可靠。但制造要求高，易磨损、有噪声。 它最适用于从动件作间歇运动的场合。所以，它在自动机床、内燃机、印刷机、 纺织机械中应用广泛。 (三) 间歇运动机构 间歇运动机构（intermittent motion mechanism）是将主动件的连续运 动变成从动件有停歇的周期性运动的机构。它可以分为单向运动和往复（双向） 运动两类。 1、单向间歇运动机构 （1）棘轮机构（ratchet and pawl）它可将连续转动或往复运动变成单向 的步进运动。主要由棘轮和棘爪等组成（见图 2.1-3） 。棘轮轮齿为单片齿，棘 爪铰接于摇杆上， 在曲柄的带动下， 摇杆作反复摆动， 当摇杆逆时针方向摆动时， 驱动棘爪便插入棘轮齿，推动棘轮同向转动；相反，摇杆向顺时针方向摆动时， 棘爪在棘轮上滑过，棘轮便停止转动。棘轮每次转动的角度称为动程， 其大小可 利用改变遮齿罩的位置等 方法调节。为防止棘轮反转，在固定构件上装有止逆棘爪。棘轮机构常伴有噪声 和振动，故工作频率不易过高。 棘轮机构常用在各种机床和自动机构的间歇进给或回转工作台的转位上， 也 常用在千斤顶中。自行车中的棘轮用于单向驱动。在手动铰车中，棘轮机构常用 来防止向某个方向转动。 （2）槽轮机构（geneva gear）它有外啮合和内啮合两种形式。工程中最常见 的是单臂外啮合槽轮机构，如图 2.1-4（a） 。它由带圆柱销的转臂、具有四条径 向槽的槽轮和机架组成。当连续转动的转臂上的圆柱销切向进入径向槽时，便拨 动槽轮转 2ф角；在圆柱销转出径向槽后，槽轮便停止转动。在转臂上固接一缺 口圆盘，其圆周边与槽轮上的凹周边相配，以防止槽轮停歇时转动。为使槽轮能 完成周期性转停运动，其径向槽数不能少于 3。槽轮机构应用在转速不高，要求 间歇地转过一定角度的分度装置中，如转塔车床上的刀架转位机构，电影放映机 中用以间歇移动胶片见图 2.1-4（b）等。 （3）不完全齿轮机构 它是由齿轮机构演变而来的间歇机构，如图 2.1-4 （c） 。主动轮 1 只在一段圆周上有 4 个齿，从动轮 2 共有 16 个齿间，当主动齿 轮作等速转动时，从动轮转动一周可有 4 次间歇运动，轮 2 停歇期间，两轮的 锁止弧起定位作用。不完全齿轮机构多用在专用机床中，如专用靠模铣床。 此外，单向间歇运动机构还有凸轮式单向间歇运动机构和擒纵机构等。 2、往复（双向）间歇运动机构往复间歇运动机构应用最多的是凸轮机构，其次 是往复摆动与往复移动间歇运动机构，如图 2.1-5。 （1）往复摆动间歇运动机构 它利用连