第六章　常见机构

第六章　常见机构 本章主要介绍的内容有：第一节　平面连杆机构第二节　凸轮机构第三节　间歇运动机构　　第四节　螺旋机构

第一节　平面连杆机构 本节主要介绍的内容有： ●　铰链四杆机构的基本形式及应用 ●　其他形式的四杆机构及应用　　●　平行四杆机构的特征参数　　 ●　平行多杆机构简介

慨述构件间只能做平面移动或回转运动的平面机构，称为平面连杆机构。常以其所含的构件（杆）数来命名，如四杆机构、五杆机构……，其中具有四杆以上的平面连杆机构称为多杆机构。　　平面四杆机构是平面机构的基础，按其构件的运动形式不同，可分为铰链四杆机构和滑块四杆机构两大类，前者是平面四杆机构的基本形式，后者由前者衍生而成。

一．铰链四杆机构的基本形式及应用 铰链四杆机构是指联接构件间，都是作回转运动的平面四杆机构。如图6-1所示，构件4固定不动，称为机架；构件1和3与机架相连，并绕A、D作定轴转动，称为连架杆，其中能绕机架作360°转动的连架杆称为曲柄，只能在一定角度内作摆动的连架杆称为摇杆；构件2与机架相对，称为连杆，一般而言，连杆的运动状态较为复杂。

１．曲柄摇杆机构 两连架杆中一个为曲柄另一个为摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构主要用以实现将曲柄的匀速转动变成摇杆的摆动，如图6-2所示的雷达天线俯仰角调整机构；或是将摇杆的往复摆动变成曲柄的整周转动，如图6-3所示的缝纫机脚踏板机构。

２．双曲柄机构 两连架杆均为曲柄的铰链四杆机构，称为双曲柄机构。双曲柄机构中，通常主动曲柄作匀速转动，从动曲柄作同向变速转动。如图6-4所示的惯性筛机构，当曲柄AB作匀速转动时，曲柄CD作变速转动，通过构件CF使筛子产生变速直线运动，筛子内的物料因惯性而来回抖动从而达到筛选的目的。

图6-5 平行双曲柄机构 在双曲柄机构中，若相对的两杆长度分别相等，则称为平行四边形机构。它有如图6-5a所示的正平行双曲柄机构和如图6-5b所示的反平行双曲柄机构两种形式。前者的运动特点是两曲柄的转向相同且角速度相等，连杆作平动；后者的运动特点是两曲柄的转向相反且角速度不等。

图6-6 机车驱动轮联动机构 图6-6所示的机车驱动轮联动机构是正平行双曲柄机构的应用实例。

图6-7 车门启闭机构 图6-7所示为车门启闭机构，是反平行双曲柄机构的一个应用，它使两扇车门朝相反的方向转动，从而保证两扇门能同时开启或关闭。

图6-８汽车前轮转向机构 在正平行双曲柄机构中，当各构件共线时，可能出现从动曲柄与主动曲柄转向相反的现象，即运动不梯形；当汽车转弯时，两摇杆摆过不同的角度，使两前轮转动轴线汇交于后轮轴线上的O点，以确保车辆转弯的每一瞬时，四个轮子与地面之间均绕O点作纯滚动，如图6-8所示。

二．其他形式的四杆机构及应用1．曲柄滑块机构二．其他形式的四杆机构及应用1．曲柄滑块机构将曲柄摇杆机构的摇杆长度取无穷大时，曲柄摇杆机构中的摇杆将转化为沿直线运动的滑块，成为曲柄滑块机构。曲柄滑块机构广泛用于回转运动与往复移动之间的转换。在如图6-9所示的汽车发动机活塞一连杆机构中，将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动，或是将活塞的往复运动转化为曲轴的回转运动。

２．导杆机构 若将图6-9所示的曲柄滑块机构的构件作为机架，则曲柄滑块机构就演化为导杆机构，连架杆对滑块的运动起导向作用，称为导杆，它包括转动导杆机构和摆动导杆机构两种形式。如图6-10所示，导杆均能绕机架作整周转动，称为转动导杆机构。

图6-11 插床主机构（摆动导杆机构） 如图6-11所示，导杆4只能在某一角度内摆动，称为摆动导杆机构。导杆机构具有很好的传力性能，常用于插床、牛头刨床和送料装置等机器中。

３．摇块机构 若将图6-9所示曲柄滑块机构的构件作为机架，则曲柄滑块机构就演化为如图6-12所示的摇块机构。

图6-13 自动货车翻斗机构 构件l作整周转动，滑块3只能绕机架往复摆动。这种机构常用于摆缸式原动机和气、液压驱动装置中，如图6-13所示的自动货车翻斗机构。

４．定块机构 若将图6-9所示曲柄滑块机构的滑块作为机架，则曲柄滑块机构就演化为如图6-14所示的定块机构。

图6-15 手摇唧筒 这种机构常用于抽油泵和手摇抽水唧筒（图6-15）。　　解：　　①分析：最短杆与最长杆长度之和=50+20=70<其余两杆长度之和=30+45=75。最短杆为AD。　　②以AB或CD为机架，则最短杆AD为连架杆，机构为曲柄摇杆机构；以BC为机架，则最短杆AD为连杆，机构为双摇杆机构；以最短杆AD为机架，机构为双曲柄机构。

三．平行四杆机构的特征参数1．铰链四杆机构存在曲柄的条件三．平行四杆机构的特征参数1．铰链四杆机构存在曲柄的条件机构中有无曲柄、有几个曲柄是铰链四杆机构的重要特征。有无曲柄的存在必须满足以下两个条件：　　（1）最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。　　（2）最短杆为机架或连架杆。　　根据以上条件，我们可得进行铰链四杆机构基本类型的判别，方法如下： 1）当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时：　　①若最短杆为连架杆，则机构为曲柄摇杆机构；　　②若最短杆为机架，则机构为双曲柄机构；　　③若最短杆为连杆，则机构为双摇杆机构。 2）当最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和时，则不论取何杆为机架，机构均为双摇杆机构。

图6-16 双曲柄机构 例：铰链四杆机构ABCD的各杆长度如图6-16所示。现分别以AB、BC、CD和AD各杆为机架时，试判别其各属何种机构? 　　解：　　①分析：最短杆与最长杆长度之和=50+20=70<其余两杆长度之和=30+45=75。最短杆为AD。　　②以AB或CD为机架，则最短杆AD为连架杆，机构为曲柄摇杆机构；以BC为机架，则最短杆AD为连杆，机构为双摇杆机构；以最短杆AD为机架，机构为双曲柄机构。

２．平面四杆机构的极限位置 曲柄摇杆机构、摆动导杆机构和曲柄滑块机构中，当曲柄为原动件时，从动件作往复摆动或往复移动，存在左、右两个极限位置，如图6-17所示。内燃机活塞连杆机构中活塞的上止点和下止点即曲柄滑块机构的两极限位置。

图6-18 曲柄摇杆机构的压力角和传动角 在图6-18中，主动曲柄AB顺时针匀速转动，从动摇杆CD在两个极限位置间作往复摆动，当曲柄从AB1转到AB2时，从动摇杆从CD1摆动到CD2；当曲柄从AB2转到AB1时，从动摇杆从CD2摆动到CD1；在实际生产中，常把CDl到CD2设为工作行程，CD2到CD1设为空回行程，空回行程比工作行程需要的时间短，返回速度比工作行程快，这就是平面四杆机构的急回特性。它能满足某些机械的工作要求，如牛头刨床和插床，其工作行程要求速度慢而均匀以提高加工质量，空回行程要求速度快以缩短非工作时间，提高工作效率。

３．压力角和传动角 在不计摩擦力，惯性力和重力时，从动件上受力点的速度方向与所受作用力方向之间所夹的锐角，称为机构的压力角，用a表示。　　在图6-18所示曲柄摇杆机构中，由于不计摩擦，连杆BC为二力杆，任一瞬时曲柄通过连杆作用于从动件上的驱动力F均沿BC方向，受力点C的瞬时速度方向垂直于CD杆。力F与瞬时速度ωr之间所夹的锐角。即为机构该位置的压力角。力F可分解为沿ωc方向的有效分力F=Fcosa和有害分力Fn=Fsina。显然，压力角。越小，有效分力F，越大，对机构传动越有利。　　衡量机构传力性能的特性参数是压力角。但在具体应用中，为了直观的从机构运动简图中以连杆和从动件所夹的锐角δ来判别机构传力性能的优劣，引入传动角λ。它是压力角的余角。 λ=90°- a=180°- δ 　　传动角λ越大，机构的传力性能越好。在机构运动过程中，压力角和传动角的大小是随机构位置而变化的。为保证机构传力良好，设计时须限定最小传动角λmin≥40°~50°。曲柄摇杆机构的最小传动角λmin必出现在曲柄AB与机架AD两次共线位置之一。　　在平面四杆机构中，导杆机构具有最好的传力性能。

４．死点 图6-18所示的曲柄摇杆机构中，摇杆CD为原动件，曲柄AB为从动件。当摇杆摆到极限位置C1D和C2D时，连杆与从动曲柄共线，机构两位置的压力角a=90°，λ=0°，此时有效驱动力矩为零，不能使从动曲柄转动，机构处于“卡死”或运动不确定状态（即工作件在该位置可能向反方向转动），这个位置称为死点位置。　　对传动而言，死点的存在是不利的。例如，脚踏式缝纫机（图6-3），有时出现踩不动或倒转现象，就是踏板机构处于死点位置的缘故。为克服这种现象，使机构正常运转，一般可在从动件上安装飞轮，利用其惯性顺利通过死点位置，如缝纫机上的大带轮即起了飞轮的作用。

图6-19 钻床夹具（死点的应用） 在工程实践中，也常常利用机构的止点来实现一些特定的工作要求。如图6-19所示的钻床夹具就是利用死点位置夹紧工件，并保证在钻削加工时工件不会松脱。

四．平行多杆机构简介 平面四杆机构的运动形式和传动特性比较单一，不能实现较复杂的运动和综合的动力特性。为此，在生产实际中，常以四杆机构为基础增加一些构件和机构，形成五杆或五杆以上的平面连杆机构，称为多杆机构。如五杆机构、六杆机构等。其主要作用是用以实现改变动力源、改善运动特性、扩大行程、增大力量等工作要求。　　如图6-20所示的手动冲床机构就是由双摇杆机构ABCD和滑块机构DCEG组成，这两个四杆机构共有一个机架，实际上只有六个构件，称为六杆机构。

第二节　凸轮机构 本节主要介绍的内容有： ●　凸轮机构的组成和应用 ●　凸轮机构的分类

一．凸轮机构的组成和应用 如图6-21所示，凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。其中，凸轮是主动件，通过凸轮的连续匀速转动（也有作往复移动的），使从动件在凸轮轮廓的驱动下，按预定运动规律作往复直线运动或摆动。

图6-22 内燃机配气机构 图6-22所示为内燃机配气机构。当凸轮匀速转动时，由于凸轮轮廓径向尺寸的变化，迫使从动件（气门推杆）上、下往复移动，从而实现气门开启或闭合的控制。气阀开启或闭合时间的长短取决于凸轮轮廓的形状。　　凸轮机构的特点是：通过合理设计凸轮轮廓，易于实现从动件预期的运动规律，结构简单、紧凑，工作可靠。但由于凸轮与从动件间为点或线接触，易于磨损，因而凸轮机构多用于传递动力不大的自动机械、仪表、控制机构及调节机构中。

二．凸轮机构的分类1．按凸轮形状分类（1）盘形凸轮二．凸轮机构的分类1．按凸轮形状分类（1）盘形凸轮盘形凸轮是一种外缘或凹槽具有变化半径的盘形构件，是凸轮的基本形式，通过凸轮的转动，推动从动件作往复直线运动，如图6-22所示的内燃机配气机构。

（2）圆柱凸轮 圆柱凸轮是一种在圆柱面上开有曲线凹槽或在圆柱端面上制出曲线轮廓的构件，当圆柱凸轮旋转时，圆柱体上的凹槽迫使从动件作往复移动或绕定点摆动，如图6-23所示为缝纫机拉线机构。当圆柱凸轮1转动时，嵌在槽内的滚子迫使从动件绕轴摆动，从而在A处拉动缝线工作。

（３）移动凸轮 凸轮外形呈平板状，并作往复直线运动，从而推动从动件作往复运动。如图6-24所示为自动机床靠模机构，靠模的直线运动，迫使从动件带动刀架进退，实现复杂外形的加工。　　盘形凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面运动，属于平面凸轮机构；而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动不在平行平面内，属于空间凸轮机构。

２．按从动件形式分类（1）尖顶从动件 如图6-25所示，这种从动件结构最为简单，且尖顶能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而保证从动件实现复杂的运动规律。但尖顶易于磨损快，只适用于传力不大的场合。

（２）滚子从动件 如图6-25所示，滚子从动件与凸轮的接触为线接触，且滚子与凸轮间为滚动摩擦，摩擦磨损小，能用来传递较大的动力，在机械中应用最为广泛。　　（3）平底从动件　　如图6-25所示，从动件的平底与凸轮轮廓间形成的楔形油模，有利用减小摩擦磨损，且从动件所受到的作用力始终垂直于平底，故受力平稳，常用于高速凸轮机构。

表6-1 凸轮机构的常见基本类型

第三节　间歇运动机构 本节主要介绍的内容有： ●　棘轮机构 ●　槽轮机构

一．棘轮机构1．棘轮机构的组成及工作原理 如图6-26所示，棘轮机构由棘轮、棘爪及机架组成。当摇杆顺时针摆动时，与摇杆铰接的主动棘爪啮入棘轮l的齿槽中，从而推动棘轮顺时针转动；当摇杆逆时针摆动时，主动棘爪在棘轮的齿背上滑动，此时，棘轮在止退棘爪的止动下停歇不动，扭簧3的作用是将棘爪贴紧在棘轮上。随着摇杆的往复摆动，棘轮作单向时动时停的间歇运动。

图6-27是双棘爪机构。

2．棘轮机构的类型 棘轮机构按其工作原理可分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。按啮合部位可分为外啮合和内啮合两种形式；按驱动方向可分为单向驱动和双向驱动棘轮机构，单向驱动棘轮机构的棘轮多为锯齿形，双向驱动棘轮机构的棘轮多为矩形。如图6-28所示为自行车后轮飞轮中的内啮合单向驱动棘轮机构。链轮与有内齿的棘轮为同一构件，逆时针蹬动脚踏，链条带动链轮转动时，通过棘爪带动与其固连的轮毂驱动后轮转动。但当脚不蹬踏时，链轮不转，轮毂由于惯性仍按原来的转向飞快的转动，此时棘爪便在棘背上滑动，轮毂与链轮脱开，各自以不同的速度运动，这种从动件超越主动件转动的特性称为超越。利用超越性设计的超越离合器已在汽车上得到广泛的应用。

图6-28 内啮合棘轮机构

图6-29 双向式棘轮机构 图6-29是控制牛头刨床工作台进与退的棘轮机构，属于双向棘轮机构，棘轮齿为矩形齿，棘轮可双向间歇转动，从而实现工作台的往复移动。需变向时，只要提起棘爪，并将棘爪转动180°后再放下就可以了。

图6-30 摩擦式棘轮机构 图6-30所示为摩擦式棘轮机构，主动棘爪1通过摩擦力的作用带动棘轮2逆时针转动，3为止动棘爪。摩擦式棘轮机构可以减少棘轮机构的冲击和噪声，并实现转角大小的无级变换。但摩擦力不够时易产生滑动。

二．槽轮机构 槽轮机构由带销的主动拨盘、具有径向槽的从动槽轮和机架组成。拨盘为主动件作连续匀速转动，通过主动拨盘上的圆销与槽的啮入啮出，推动从动槽轮作间歇转动。为了防止从动槽轮在生产阻力下运动，拨盘与槽轮之间设有止锁弧。当圆销未进入槽轮的径向槽内时，由于槽轮上的内凹止锁弧被拨盘上的外凸止锁弧卡住，此时槽轮静止不动。槽轮机构的停歇时间和运动时间取决于槽轮的槽数和拨销数。

槽轮机构的分类 槽轮机构可分为外槽轮机构和内槽轮机构，如图6-31、图6-32。

图6-33 刀架转位机构 槽轮机构结构简单，工作可靠，转位方便，能精确控制转角，但转角大小不可调节，且有冲击，只能用于低速机构或分度机构中。如图6-33所示为转塔车床的刀架转位机构。刀架3的六个孔中装有六种刀具，与刀架固连的槽轮开有六个径向槽，当需要更换刀具时，转动拨盘一周，圆销A驱使槽轮（刀架）转过60°，将下一工序的刀具转到工作位置。

第四节　螺旋机构 本节主要介绍的内容有： ●　螺纹及其主要参数 ●　滑动螺旋传动机构　　●　滚动螺旋传动机构

螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成（一般把螺杆和螺母之一作成机架），其主要功用是将旋转运动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，是机械设备和仪器仪表中广泛应用的一种传动机构。螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成（一般把螺杆和螺母之一作成机架），其主要功用是将旋转运动变换为直线运动，并同时传递运动和动力，是机械设备和仪器仪表中广泛应用的一种传动机构。　　按用途和受力情况，螺旋机构又可分为传递运动、动力和用于调整等三种类型；按螺旋副的摩擦性质，螺旋机构可分为滑动螺旋机构、滚动螺旋机构和静压螺旋机构三种类型。螺旋机构具有结构简单、工作连续平稳、传动比大、承载能力强、传递运动准确，易实现自锁等优点，故应用广泛。　　螺旋机构的缺点是摩擦损耗大、传动效率低。随着滚珠螺纹的出现，缺点已得到很大的改善。

一．螺纹及其主要参数 螺纹是指在圆柱或圆锥的内或外表面上，用不同形状的刀具沿螺旋线切制出的具有相同断面的连续凸起和沟槽。在圆柱（或圆锥）外表面上的螺纹叫外螺纹；在零件内表面上的螺纹称为内螺纹。　　螺纹有右旋和左旋之分。当螺纹按顺时针旋进的称为右旋螺纹，反之称为左旋螺纹。判别旋向时，可将外螺纹按轴线垂直放置，若螺纹可见部分为左低右高，则为右旋螺纹，反之为左旋螺纹。标准螺纹的主要参数如下：

1．直径 螺纹的直径有大径（公称直径）、小径、中径。如图6-34所示。

2．线数n 螺纹的螺旋线的数量，有单线和多线之分。如图6-35所示。

3．螺距P及导程Ph 螺纹相邻两牙上对应点间的轴向距离称为螺距。同一条螺旋线上相邻两牙上对应点间的轴向距离称为导程。Ph=nP。如图6-35所示。

第六章 常见机构