机械原理读书心得

名师工作室成员 杨志岗

机械原理

——平面连杆机构及其设计

连杆机构的应用十分广泛，其共同的特点是原动件的运动都要经过一个不与机架 直接相连的中间构件(称为连杆， couple) 才能传动从动件，故称之为连杆机构 (linkage mechanism)。

1 连杆机构的传动特点

1) 连杆机构中构件间以低副相连，低副两元素为面接触，在承受同样载荷的条 件下压强较低，因而可用来传递较大的动力。又由于低副元素的几何形状比较简单(如 平面，圆柱面),故容易加工。

2) 构件运动形式具有多样性。连杆机构中既有绕定轴转动的曲柄，绕定轴往复 摆动的摇杆，又有作平面一般运动的连杆，作往复直线运动的滑块等，利用连杆机构可 以获得各种形式的运动，这在工程实际中具有重要价值。

3) 在主动件运动规律不变的情况下，只要改变连杆机构各构件的相对尺寸，就 可以使从动件实现不同的运动规律和运动要求。

4) 连杆曲线具有多样性。连杆机构中的连杆，可以看作是在所有方向上无限扩 展的一个平面，该平面称为连杆平面。在机构的运动过程中，固接在连杆平面上的各点， 将描绘出各种不同形状的曲线，这些曲线称为连杆曲线。

2 连杆机构的缺点

1) 不能满足高精度运动要求。(累积误差大)

2) 不适宜高速场合。(运动复杂，惯性力难以平衡)

3 连杆机构设计的基本问题

1) 实现构件给定位置(刚体导引机构设计)

要求所设计的机构能引导一个刚体顺序通过一系列给定的位置。该刚体一般是机 构的连杆。

2) 实现已知运动规律(函数生成机构设计)

即要求主从动件满足已知的若干组对应位置关系，包括满足一定的急回特性要， 或者在主动件运动规律一定时，从动件能精确或近似地按给定规律运动。(如车门开 闭机构)

3) 实现已知运动轨迹(轨迹生成机构设计)

即要求连杆机构中作平面运动的构件上某一点精确或近似地沿着给定的轨迹运 动。

4 四杆机构的基本形式：

在铰链四杆机构中，如果某个转动副能成为整转副，则它所连接的两个构件中， 必有一个为最短杆，并且四个构件的长度关系满足杆长之和条件。

1) 若取最短杆为机架-------得双曲柄机构；

2) 若取最短杆的任一相邻的构件为机架------得曲柄摇杆机构；

3) 若取最短杆对面的构件为机架------得双摇杆机构；

4) 如果四杆机构不满足杆长之和条件，则不论选取哪个构件为机架，所得机构

均为双摇杆机构。

机械原理

—— 凸轮机构及其设计

凸轮机构的最大优点是只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使得推杆得到 各种预期的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑。缺点是凸轮廓线与推杆之间为 点、线接触，易磨损，凸轮的制造也比较困难。

凸轮设计的首要任务是，根据工作要求选定合适的凸轮机构的形式、推杆的运动 规律和有关的基本尺寸，然后根据选定的推杆运动规律设计出凸轮应有的轮廓曲线。 当根据凸轮机构的工作要求和结构条件选定了其机构的型式、基本尺寸、推杆的运动 规律和凸轮的转向之后，就可以进行凸轮轮廓曲线的设计了。

1 推杆常用的运动规律

1.1 多项式运动规律

推杆的多项式运动规律的一般表达式为：

s=CO+C1δ+C2δ2+ …+Cnδn

式中： δ为凸轮转角； s 为推杆位移； O,C1,C2,…Cn 为待定系数，可利用

边界条件等来确定。

1.2 三角函数运动规律(简谐运动规律)

推程时： s=h[1-cos(πδ/δ0)]/2, 在始、末两瞬时有柔性冲击。

1.3 组合型运动规律

组合原则：要保证在衔接点上运动参数保持连续；在运动的始末处满足边界条件。

2 凸轮廓线设计方法的基本原理

在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而其推杆相对凸轮作反转运动，同时 又在其导轨内作预期运动，作出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶的轨 迹就是所要求的凸轮廓线。这就是凸轮廓线设计方法的反转法原理。

3 总结

对于滚子推杆(或平底推杆)的盘形凸轮廓线的设计，只要先将其滚子中心点(或 推杆平底与其导路中心线的交点)视为尖顶推杆的尖顶，就可用尖顶推杆盘形凸轮廓 线的设计方法来确定出凸轮理论廓线上各点的位置；然后再以这些点为圆心作出一系 列滚子圆(或过这些点作一系列平底推杆的平底线),再作出此圆族(或直线族)的 包络线。即得所设计凸轮的工作廓线。

摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方 法基本类似，所不同的是将直动推杆的各位移方程中的位移 s 改为角位移φ,行程 h改为角行程φ,就可用来求摆动推杆的角位移了。

机械原理

— — 槽轮机构及其设计

由槽轮和圆柱销组成的单向间歇运动机构，又称马尔他机构。它常被用来将主动 件的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动。槽轮机构有外啮合和内啮 合以及球面槽轮等。外啮合槽轮机构的槽轮和转臂转向相反，而内啮合则相同，球面 槽轮可在两相交轴之间进行间歇传动。

槽轮机构结构简单，易加工，工作可靠，转角准确，机械效率高。但是其 动程不可调节，转角不能太小，槽轮在起、停时的加速度大，有冲击，并随着 转速的增加或槽轮槽数的减少而加剧，故不宜用于高速。

普通槽轮机构的运动系数为 ,因为运动系数 k 应大于零，所以槽数

z 应大于或等于3。槽轮的槽数越少，柔性冲击越大。在设计计算中，首先应根 据工作要求确定槽轮的槽数 z 和主动拨盘的圆销数n; 再按照受力情况和实际机 械所允许的安装空间尺寸，确定中心距 L 和圆销半径r。

机械原理

——直齿锥齿轮传动

锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动，两轴交角 S 称 为轴角，其值可根据传动需要确定， 一般多采用90°。锥齿轮的轮齿排列在截 圆锥体上，轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小，如下图所示。由于这一特 点，对应于圆柱齿轮中的各有关"圆柱"在锥齿轮中就变成了"圆锥",如分度锥、 节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。直齿和 斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单，但噪声较大，用于低速传动(小于5m/s); 曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点，用于高速重载的场 合。 一般使用 S=90° 的标准直齿锥齿轮传动。

直齿锥齿轮传动是以大端参数为标准值的。在强度计算时，则以齿宽中点处的当 量齿轮作为计算的依据。对轴交角Z=90°的直齿锥齿轮传动，其齿数比u、锥距 R(图< 直齿锥齿轮传动的几何参数>)、分度圆直 di,d₂、平均分度圆直径 dml,dm₂、当量齿轮 的分度圆直径dvi,dv₂ 之间的关系分别为：

-------------(c)

为使锥齿轮不至发生根切，应使当量齿数不小于直齿圆柱齿轮的根切齿数。标准 直齿圆锥齿轮不发生根切的最少齿数 Zmin 与当量齿轮不发生根切的最少齿数 Zyvmin 的 关系： Zmin=Zymin COSδ。

机械设计

——齿轮传动

1 齿轮传动的特点

齿轮传动是机械传动中最为重要的一种传动形式；齿轮传动的型式很多，适 用范围很广，在实际机器中应用的也最多，传递功率可高达数万千瓦，圆周速度

可达150m/s, 目前最高可达300m/s, 齿轮的直径能做到10m 以上，单级传动比

可达8或更大。

2 齿轮传动的失效形式与计算准则

齿轮传动的失效一般是指轮齿的失效；大体分为轮齿折断和齿面损伤两类；齿面 损伤又有齿面接触疲劳磨损(点蚀),胶合，磨粒磨损和塑性流动等。轮齿折断：在正常 情况下，主要是齿根弯曲疲劳折断。折断一般发生在齿根部位。折断有两种： 一种是由 多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；另一种是因短时过载或冲击载荷而 产生的过载折断。两种折断均起始于轮齿受拉应力一侧。

3 齿轮材料

齿轮材料应具备下列条件：齿面具有足够的硬度，以获得较高的抗点蚀，抗磨粒 磨损，抗胶合和抗塑性流动的能力；在变载荷和冲击载荷下有足够的弯曲疲劳强度； 具有良好的加工和热处理工艺性；价格较低。

4 齿数和模数的选择

齿数 z1 的选择：对于软齿面闭式传动，传动尺寸主要取决于接触疲劳强度，而 弯曲疲劳强度往往比较富裕。这时，在传动尺寸不变并满足弯曲疲劳强度要求的前提 下，齿数宜取多些(模数相应减小)。对于硬齿面闭式传动，传动尺寸有可能要取决于 轮齿弯曲疲劳强度，故齿数不宜过多。开式传动的尺寸主要取决于轮齿弯曲疲劳强度， 齿数不宜多。对于标准齿轮，应使 zl≥17, 以免根切。

模数的初步计算：在进行齿轮强度计算过程中， 一般的计算顺序和原则为：

1) 对于闭式传动， 一般先按接触疲劳强度进行计算，求出齿轮直径和齿宽，再 校核其弯曲疲劳强度。齿面硬度很高的闭式传动，也可以按弯曲疲劳强度确定齿轮模 数，再校核其接触疲劳强度。

2) 对于开式传动，只需进行弯曲疲劳强度计算，求取齿轮模数。为了补偿磨粒 磨损，计算出来的模数应增大10%-15%。