机械分析与应用_梁海峰主编_9787518001446_山东红枫叶教育发展有限公司

本教材以机械分析与应用为主线，同时兼顾学生的认知规律及职业成长规律来设计教学情境。以家用缝纫机、FA320A型并条机等完整设备为中心，以机械分析与应用为主线组织教学内容，构建了教材中前三个项目；以开口凸轮箱为载体组织机械拆装测绘与机械零件结构设计的知识内容，以及以机械结构改进及机械创新设计为载体组织机械创新设计相关知识内容，形成教材的第4、第5两个项目。

1?1?1平面连杆机构
连杆机构由若干构件用低副（转动副、移动副、球面副、螺旋副等）连接而成，故又称低副机构。根据机构中构件的相对运动情况，连杆机构可分为平面连杆机构、空间连杆机构和球面连杆机构。本章讨论平面连杆机构。根据平面连杆机构自由度的不同，又可将其分为单自由度、两自由度和三自由度平面连杆机构。根据机构中构件数的多少，平面连杆机构分为四杆机构、五杆机构、六杆机构等，一般将五杆及五杆以上的连杆机构称为多杆机构。
1?铰接四杆机构
所有运动副为转动副的平面四杆机构为铰接四杆机构，如图12所示。它是平面连杆机构的最基本的形式，其他形式的平面四杆机构都可看作是在它的基础上演化而成的。在此机构中，构件4为机架，图12铰接四杆机构
1、3—连架杆2—连杆4—机架构件1和3为连架杆，构件2为连杆。能整周回转的连架杆称为曲柄，不能整周回转的连架杆称为摇杆或摆杆。若两构件在某一点以转动副相连接并能绕该点作整周相对转动，则称该转动副为回转副，否则，称为摆动副。
根据平面铰链四杆机构中两连架杆的运动特点，对其进行命名。例如，当一连架杆为曲柄，另一连架杆为摇杆时，称其为曲柄摇杆机构；当两连架杆均为曲柄时，称其为双曲柄机构。当两连架杆均为摇杆时，称其为双摇杆机构。
2?曲柄摇杆机构
纺织机械中很多地方都应用到曲柄摇杆机构，如图13（a）所示，家用缝纫机的踏脚机构为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构的两个连架杆中，一个为主动件，另一个为从动件。曲柄为主动件时，曲柄摇杆机构将主动件曲柄的转动变换为从动件摇杆的摆动或摇动。图13（b）所示为织机的打纬机构，织机主轴转动，通过连杆变换为筘座的摆动。摇杆为主动件时，曲柄摇杆机构将主动件摇杆的摆动变换为从动件曲柄的转动。
图13机械中的曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构又可以分为正置曲柄摇杆机构、正偏置曲柄摇杆机构和负偏置曲柄摇杆机构。
如图14所示，曲柄1绕A点转动，曲柄转一转，摇杆绕D点往复摆动一个来回，摆角为∠C1DC2，C1D和C2D是摇杆的两个极限位置，将摇杆的两极限位置上的点C1和C2连线，并将连线C1C2延长，该延长线通过曲柄的转动中心，这样的曲柄摇杆机构称为正置曲柄摇杆机构。
如图15所示，将摇杆的两极限位置上的点C1和C2连线，并将连线C1C2延长，该延长线没有通过曲柄的转动中心，C1C2延长线距曲柄转动中心A的距离为e，e称为偏心距。TP500型剑杆织机、喷气织机的打纬机构均采用了正偏置曲柄摇杆机构。图14正置曲柄摇杆机构图15正偏置曲柄摇杆机构如图16所示，将摇杆的两极限位置上的点C1和C2连线，并将连线C1C2延长，该延长线没有通过曲柄的转动中心，C1C2延长线距曲柄转动中心A的距离为e，e称为偏心距。正偏置曲柄摇杆机构摇杆两极限位置连线的延长线通过机架AD外侧，负偏置曲柄摇杆机构摇杆的两极限位置连线通过机架连线。
项目1机械机构分析00机械分析与应用3?双摇杆机构
图17所示的铰接四杆机构，两个连架杆都不能作整周回转，故两个连架杆都是摇杆，这种铰接四杆机构称双摇杆机构。双摇杆机构的主动件和从动件都作摆动，图18为SOMET剑杆织机传剑机构中的双摇杆机构。
图16负偏置曲柄摇杆机构图17双摇杆机构4?双曲柄机构
图19所示的平面铰链四杆机构即为双曲柄机构，两连架杆1和3均能转整周，即两连架杆均为曲柄，这样的平面铰接四杆机构为双曲柄机构。一般情况下，主动曲柄与从动曲柄的传动比为变量，即主动曲柄匀速转动时，从动曲柄将作变速转动。双曲柄机构根据运动情况又可以分为正平行四边形双曲柄机构和反平行四边形双曲柄机构。
在图110所示的平面铰接四杆机构（正平行四边形机构）中，构件1和构件3的长度相等，构件2和构件4的长度相等，构件1和构件3的转向始终相同，这样的机构在运动过程中，四杆始终构成平行四边形，这样的平面铰接四杆机构称为正平行四边形机构。正平行四边形机构的两个连架杆不仅转向相同，它们的转速也恒相等，是连杆机构中能实现定传动比的一种机构。图111所示是机车车轮的传动机构，为一正平行四边形机构。为保证机构能按正确的方向运动，在机构中增加了另一连架杆（虚约束）5，这样可以使两个连架杆总能同向回转。
图18SOMET剑杆织机传剑机构中的双摇杆机构图19双曲柄机构图110正平行四边形机构图111机车车轮的传动机构在图112所示的平面铰接四杆机构（反平行四边形机构）中，构件1和构件3的长度相等，构件2和构件4的长度相等，构件1和构件3的转向始终相反，这样的平面铰接四杆机构称为反平行四边形机构。反平行四边形机构的两个连架杆的转向相反，而且它们的转速也恒相等，是连杆机构中能实现定传动比的另一种机构。图113所示的汽车车门开闭机构即使用的这种机构。图112反平行四边形机构图113车门开闭机构5?平面四连杆机构曲柄存在条件
若连架杆中与机架相连的转动副为回转副，该构件即为曲柄。所以，分析转动副为回转副的条件又称为曲柄存在条件分析。
图114平面铰链四杆机构回转副条件分析如图114所示，平面铰链四杆机构ABCD，设构件1、2、3和4的长分别为L1、L2、L3和L4。图中ABd和ABs为构件1运动至分别与机架线重合的两个位置。为了使构件1和4之间的转动副A0能成为回转副，只要构件1能通过ABd和ABs这两个关键位置。
设L1
L1+L4≤L2+L3（11）

由△BdCdD，有：

L2≤(L4－L1)+L3（12）
L3≤(L4－L1)+L2（13）

整理后变为:
L1+L2≤L3+L4（14）
L1+L3≤L2+L4（15）
L1+L4≤L2+L3（16）

将上式两两相加后，得:

L1≤L2（17）
L1≤L3（18）
L1≤L4（19）

同理，当L1>L4时，可得到转动副A能成为回转副的条件为:

L4+L1≤L2+L3（110）
L4+L2≤L1+L3（111）
L4+L3≤L1+L2（112）
L4≤L1（113）
L4≤L2（114）
L4≤L3（115）

由式（14）~式（19）可以看出，组成回转副A的两个构件1和4中，必有一个构件是四个杆长中的最短杆，且该最短杆与四个杆长的最长杆长度之和必小于等于其他两杆长度之和。
综合上述分析，平面铰链四杆机构中，一个构件上的两个转动副能成为回转副的必要条件是：该构件的杆长是四个杆长中的最短杆，且该最短杆与四个杆长的最长杆长度之和必小于或等于其他两杆长度之和。该条件也称之为平面铰链四杆机构曲柄存在条件或称格拉霍夫定理。
例11TP500剑杆织机打纬机构，杆1与机架4的铰接点为A，杆3与机架4的铰接点为D，杆1与杆2的铰接点为B，杆2与杆3的铰接点为C，AD的水平距离为498，AD铅垂距离为150，杆1长度为75，杆2长度为110，杆3长度为520?2，判断此机构为何种机构？
解：

AD=4982+1502=520?1
520?2+75≤520?1+110

答：以最短杆1的相邻杆4为机架，为曲柄摇杆机构。
6?平面四杆机构的演变形式
在生产机械中有各种形式的平面四连杆机构，这些平面四连杆机构都由铰接四连杆机构演变而得，演变的方式主要有将转动副变为移动副、扩大转动副元素、以不同的杆件为机架三种。
(1)将转动副变为移动副。铰链四杆机构中的移动副可以认为是由转动副演变而来的。图115（a）所示的曲柄摇杆机构中，1为曲柄，3为摇杆，C点的轨迹为以D点为圆心、杆长CD为半径的圆弧Kc。今在机架4上制作一同样轨迹的圆弧槽Kc，并将摇杆3做成弧形滑块置于槽中滑动，如图115（b）所示。这时，弧形滑块在圆弧形槽中的运动完全等同于转动副D的作用，圆弧槽Kc的圆心即相当于摇杆3的摆动中心D，其半径相当于摇杆3的长度CD。又若再将圆弧槽Kc的半径增加到无穷大，其圆心D移至无穷远处，则圆弧槽变成了直槽，置于其中的滑块3作往复直线运动，从而转动副D演变为移动副，曲柄摇杆机构演变为含一个移动副的四杆机构，称为曲柄滑块机构，如图115（c）所示。图中e为曲柄回转中心A到过C点的直槽中心线的距离，称为偏距。当e≠0时,称为偏置曲柄滑块机构；当e=0时,称为对心曲柄滑块机构，如图115（d）所示。
图115转动副演化为移动副图(2)扩大转动副元素。在图115（d）所示的曲柄滑块机构或其他含有曲柄的平面四杆机构中，如果曲柄长度很短，则在杆状曲柄两端设两个转动副将存在结构上的困难，而如果曲柄需要安装在直轴的两支撑之间，则将导致连杆与曲柄轴的运动干涉。为此，工程中常将曲柄设计成偏心距为曲柄长的偏心圆盘，此偏心圆盘称为偏心轮，如图116所示。曲柄为偏心轮结构的平面四杆机构，称为偏心轮机构。
图116偏心轮机构(3)以不同杆件为机架。当最短杆与四个杆长的最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和的铰接四连杆机构，以不同的杆件为机架，分别可以得到曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构，如图117所示。
图117铰接四杆机构以不同杆件为机架得到的机构将曲柄摇杆机构的一个转动副演变为移动副，如图118所示得到含一个移动副的机构。若以不同的杆件为机构架可得到曲柄滑块机构、转动导杆机构（L1L2）、曲柄摇块机构和移动导杆机构（又称定块机构）。
图118含一个移动副的平面四杆机构7?含有两个移动副的平面四连杆机构
图119（a）所示为曲柄滑块机构，若再将另一个转动副变为移动副，则演变为含有两个移动副的平面四连杆机构。图119(b)所示为将转动副C演变为移动副而得到含有两个移动副的机构，该机构有称为正弦机构的。在实际机械中应用较多，如图120所示的缝纫机的刺布机构、十字滑块联轴器、椭圆规。
图119转动副C演变为移动副及所得的正弦机构图120正弦机构应用实例1?1?2凸轮机构
1?凸轮机构的组成、应用和特点
凸轮机构是机械中的一种常用机构，主要由凸轮、从动件和机架组成。它可将凸轮的转动或移动变为从动件的移动或摆动。
凸轮机构能将主动件的连续等速运动变为从动件的往复变速运动或间歇运动。在自动机械、半自动机械中应用非常广泛。凸轮机构是机械中的一种常用机构。
图121所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转时，它的轮廓驱动从动件2（阀杆）按预期的运动规律启闭阀门。
图122所示为绕线机中用于排线的凸轮机构。当绕线轴3快速转动时，绕轴线上的齿轮带动凸轮1缓慢地转动，通过凸轮轮廓与尖顶A之间的作用，驱使从动件2往复摇动，因而使线均匀地绕在绕线轴上。
图121内燃机配气凸轮机构图122绕线机中排线凸轮机构图123所示为驱动动力头在机架上移动的凸轮机构。圆柱凸轮1与动力头连接在一起，它们可以在机架3上作往复移动。滚子2的轴固定在机架3上，滚子2放在圆柱凸轮的凹槽中。凸轮转动时，由于滚子2的轴是固定在机架上的，故凸轮转动时带动动力头在机架3上作往复移动，以实现对工件的钻削。动力头的快速引进、等速进给、快速退回、静止等动作均取决于凸轮上凹槽的曲线形状。
图124所示为应用于冲床上的凸轮机构示意图。凸轮1固定在冲头上，当冲头上下往复运动时，凸轮驱使从动件2以一定的规律作水平往复运动，从而带动机械手装卸工件。
图123动力头用凸轮机构图124冲床上的凸轮机构从以上所举的例子可以看出，凸轮机构主要由凸轮1、从动件2和机架3三个基本构件组成。从动件与凸轮轮廓为高副接触传动，因此理论上讲可以使从动件获得所需要的任意的预期运动。
凸轮机构的优点为：只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到所需的运动规律，并且结构简单、紧凑、设计方便。它的缺点是：凸轮轮廓与从动件之间为点接触或线接触，易于磨损，所以，通常多用于传力不大的控制机构。
2?凸轮机构的分类
凸轮机构的种类繁多，可以按凸轮的形状、从动件的形状及运动、从动件与凸轮的锁合方式分类，见表11。
表11凸轮机构的分类凸

轮平板（盘形）凸轮圆柱凸轮圆锥凸轮续表从
动
件尖顶滚子平底直动平动凸轮与从动件保持接触的锁合方式利用弹簧力槽道凸轮等宽凸轮等径凸轮共轭凸轮内外凸轮
（1）按凸轮的形状分类，凸轮机构可以分为平板凸轮、圆柱凸轮、圆锥凸轮。
①平板（盘形）凸轮。其形状如表11中图（a）所示，这种凸轮是绕固定轴线转动并具有变化向径的盘形构件，这种凸轮是凸轮最基本的形式，在生产机械中应用最多，如喷水织机的夹纬器机构。
②圆柱凸轮。其形状如表11中图（b）所示，圆柱凸轮是在圆柱体上加工了槽而形成，这种凸轮机构其凸轮和从动件的运动平面不平行，是空间凸轮机构，这种凸轮机构在络筒机导纱机构上就被应用了。
③圆锥凸轮。其形状如表11中图（c）所示，圆锥凸轮是在圆锥体上加工了槽而形成，这种凸轮机构其凸轮和从动件的运动平面不平行，是空间凸轮机构。
（2）按从动件的形状分类，凸轮可以分为尖顶从动件凸轮、滚子从动件凸轮和平板从动件凸轮。
①尖顶从动件如表11中图（d）所示，它能与任何形状的凸轮保持接触，以实现从动件的运动规律，但尖顶易磨损，适用于作用力较小的低速凸轮机构。
②滚子从动件如表11中图（e）所示，在从动件上安装了个可以转动的滚子，减少了磨损，增大了承载能力，因此应用最广。
③平底从动件如表11中图（f）所示，从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为平面，受力平稳，利于润滑，但不能与凹形凸轮轮廓接触，常用于高速重载凸轮机构。
（3）按从动件的运动形式分类，可以分为直动从动件和摆动从动件两类。
如表11所示，摆动从动件凸轮机构，从动件相对机架做往复摆动。直动从动件凸轮机构，从动件相对于机架往复移动，若从动件的导路通过凸轮转动中心，称为对心直动从动件，如图125（a）所示。若从动件导路中心偏离转动中心一定距离e（e为偏心距），称为偏置直动从动件，如图125（b）所示。
图125直动从动件（4）按凸轮与从动件保持接触的锁合方式分类，可以分为力锁合和形锁合两类。
①力锁合凸轮机构。利用外力使从动件与凸轮保持接触，该外力可以是弹簧力、重力、压缩空气或蒸汽压力。
②形锁合凸轮机构。利用凸轮和从动件的特殊形状让从动件与凸轮始终保持接触。常见的有槽道凸轮、等径凸轮、等宽凸轮、共轭凸轮和内外凸轮。如片梭织机就应用了共轭凸轮打纬机构，自动小样机则应用了槽道凸轮机构作为打纬机构。
1?1?3螺纹联接
螺纹联接是利用螺纹零件构成的可拆卸联接。这种联接结构简单，拆装方便，应用范围广泛。
1?螺纹的类型和基本牙型
根据母体形状，螺纹分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。
根据螺纹牙型不同，螺纹分为三角形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、圆弧形螺纹和矩形螺纹，如图126所示。梯形螺纹多用于排污设备、水闸闸门等的传动螺旋及玻璃器皿的瓶口螺旋。矩形螺纹因牙根强度低，精确制造困难，对中性差，已逐渐被淘汰。
图126螺纹牙型根据螺旋线的绕行方向，螺纹分为右旋螺纹和左旋螺纹，如图127所示。其中右旋螺纹应用较为广泛，左旋螺纹只用于有特殊要求的场合。
图127螺纹的旋向根据螺旋线的线数，螺纹分为单线螺纹、双线螺纹和多线螺纹。联接多用单线螺纹。根据螺纹所处位置，螺纹可分为内螺纹和外螺纹。根据用途不同，螺纹分为联接螺纹和传动螺纹。
2?螺纹的主要参数
如图128所示，螺纹有以下主要参数。
图128螺纹的旋向(1)外径d:与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱面直径，亦称公称直径。
(2)内径d1:与外螺纹牙底相重合的假想圆柱面直径（危险剖面直径）。
(3)中径d2:在轴向剖面内，牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱面的直径。
(4)螺距P:相邻两牙在中径圆柱面的母线上对应两点间的轴向距离。
(5)导程L:同一螺旋线上相邻两牙在中径圆柱面母线上对应两点间的轴向距离。
(6)线数n:螺纹螺旋线数目，一般为便于制造，n≤4。
(7)螺旋升角ψ:中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋线轴线的平面的夹角。
(8)牙型角α:螺纹轴向平面内螺纹牙型两侧边的夹角。
(9)牙型斜角β:螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角。

d2≈0?5(d+d1)

螺距、导程、线数之间关系：L=nP

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