第 8章 常用机构常用机构有平面连杆机构,凸轮机构,间歇运动机构和变速,
变向机构等 。
8.1 平面连杆机构
8.2 凸轮机构
8.3 间歇运动机构
8.4 变速机构和变向机构
8.5 常用机构的观察与分析
8.1.1 运动副所谓运动副是使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接。
根据运动副中两构件的接触形式不同，运动副又可分为低副和高副。
1．低副低副是指两构件之间作面接触的运动副。按两构件的相对运动情况，可分为：
(1)转动副 两构件在接触处只允许作相对转动。
(2)移动副 两构件在接触处只允许作相对移动。
(3)螺旋副 两构件在接触处只允许作一定关系的转动和移动的复合运动，
低副的接触表面一般是平面或圆柱面，易制造和维修，承受载荷时的单位面积压力较小，较为耐用，传力性能好。但低副是滑动摩擦，摩擦大而效率较低。
2．高副高副是指两构件之间作点或线接触的运动副。
高副由于是点或线的接触，单位面积压力较大，构件接触处容易磨损，制造和维修困难，但高副能传递较复杂的运动，比较灵活，易于实现预定的运动规律。
低副高副
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构。如图所示的铰链四杆机构中，杆 4是固定不动的，称为机架。与机架相连的杆 1和杆 3称为连架杆，
不与机架直接相连的杆 2，称为连杆。如果杆 1(或杆 3)能绕铰链 A(或铰链 D)作整周的连续旋转，则此杆称为曲柄。如果不能作整周的连续旋转，而只能来回摇摆一个角度，则此杆就称为摇杆。
铰链四杆机构铰链四杆机构中，机架和连杆总是存在的，因此可按曲柄存在情况，分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。
1．曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中的两连架杆，如果一个为曲柄，另一个为摇杆，那么该机构就称为曲柄摇杆机构。取曲柄 AB为主动件，当曲柄 AB作连续等速整周转动时，
从动摇杆 CD将在一定角度内作往复摆动。由此可见，曲柄摇杆机构能将主动件的整周回转运动转换成从动件的往复摆动。剪刀机是通过原动机驱动曲柄转动，通过连杆带动摇杆往复运动，实现剪切工作。
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用在曲柄摇杆机构中,当摇杆为主动件时,可将摇杆的往复摆动经连杆转换为曲柄的连续旋转运动 。 在生产中应用很广泛 。 缝纫机的踏板机构,当脚踏板 （ 相当于摇杆 ） 作往复摆动时,通过连杆带动曲轴 （ 相当于曲柄 ） 作连续运动,使缝纫机实现缝纫工作 。
2．双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为曲柄，则该机构称为双曲柄机构。两曲柄可分别为主动件。惯性筛中,ABCD为双曲柄机构，工作时以曲柄 AB为主动件，
并作等速转动，通过连杆 BC带动从动曲柄 CD，作周期性的变速运动，再通过 E点的联接，使筛子作变速往复运动。惯性筛就是利用从动曲柄的变速转动，使筛子具有一定的加速度，筛面上的物料由于惯性来回抖动，达到筛分物料的目的。
曲柄摇杆机构 剪刀机 缝纫机踏扳机构
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用双曲柄机构中,当两曲柄长度不相等时,主动曲柄作等速转动,从动曲柄随之作变速转动,即从动曲柄在每一周中的角速度有时大于主动曲柄的角速度,有时小于主动曲柄的角速度 。
双曲柄机构中,常见的还有平行双曲柄机构和反向双曲柄机构 。
双曲柄机构惯性筛
（ 1）当两曲柄的长度相等且平行时，称为平行双曲柄机构。
平行双曲柄机构的两曲柄的旋转方向相同，角速度也相等（图
a）。平行双曲柄机构应用很广，机车联动装臵中，车轮相当于曲柄，保证了各车轮同速同向转动。此机车联动装臵中还增设一个曲柄 EF作辅助构件，以防止平行双曲柄机构 ABCD变成为反向双曲柄机构。
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用
(2)当双曲柄机构对边都相等,但互不平行,则称其为反向双曲柄机构 。 反向双曲柄的旋转方向相反,且角速度也不相等 。 车门启闭机构中,当主动曲柄 AB转动时,通过连杆 BC使从动曲柄 CD朝反向转过,从而保证两扇车门能同时开启和关闭 。
3．双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆时，则该机构称为双摇杆机构。在双摇杆机构中，两杆均可作为主动件。主动摇杆往复摆动时，通过连杆带动从动摇杆往复摆动。
双摇杆机构在机械工程上应用也不少，汽车离合器操纵机构中,当驾驶员踩下踏板时，主动摇杆 AB往右摆动，由连杆 BC带动从动杆 CD也向右摆动，从而对离合器产生作用。
机车主动轮联动装臵 车门启闭机构
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用载重车自卸翻斗装臵中,当液压缸活塞向右伸出时,可带动双摇杆 AB和 CD
向右摆动,从而使翻斗车内的货物滑下 。 起重机中,在双摇杆 AB和 CD的配合下,起重机能将起吊的重物沿水平方向移动,以省时省功 。
汽车离合器操纵机构 起重机自卸翻斗机构
8.1.3 铰链四杆机构的曲柄存在条件从铰链四杆机构的三种基本形式可知，它们的根本区别在于连架杆是否为曲柄。而连架杆能否成为曲柄，则取决于机构中各杆的长度关系和选择哪个构件为机架有关。即要使连架杆成为能整周转动的曲柄，各杆必须满足一定的长度条件，这就是所谓的曲柄存在的条件。
下图所示的曲柄摇杆机构，其中 AB为曲柄,BC为连杆,CD为摇杆,AD为机架，它们的长度分别用 a,b,c,d来表示，在 AB转动一周中，曲柄 AB与机架 AD
两次共线。借助这两个位臵，可找出一些铰链四杆机构的几何关系。
当连杆在 B1点时，形成△ B1C1D。根据三角形两边之和必大于第三边的定理，得 b+c>d+a①
当连杆在 B2点时，形成△ B2C2D,得
(d-a)+c>b 即 d+c>b+a ②
(d-a)+b>c 即 d+b>c+a ③
考虑到四杆位于同一直线时，则①②③可写成如下形式
b+c≥ d+a ④
d+c≥ b+a ⑤
d+b≥ c+a ⑥
将式④、⑤、⑥分别两两相加，则得 c≥ a,b≥ a,
d≥ a，即 AB杆为最短杆。
曲柄摇杆机构
8.1.3 铰链四杆机构的曲柄存在条件在曲柄摇杆机构中，要使连架杆 AB为曲柄，它必须是四杆中的最短杆，且最短杆与最长杆长度之和应小于其余两杆长度之和，考虑到更一般的情形，可将铰链四杆机构曲柄存在条件概括为,(1)连架杆与机架中必有一个最短杆； (2)最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。
上述两条件必须同时满足，否则机构中无曲柄存在，根据曲柄条件，还可作如下推论：
(1)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则可能有以下三种情况：
①以最短杆的相邻杆为机架，则最短杆为曲柄，而与机架相连的另一杆为摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。
②以最短杆为机架，则其相邻两杆均为曲柄，故该机构为双曲柄机构。
③以最短杆相对杆为机架，则无曲柄存在，因此该机构为双摇杆机构。
(2)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无论以哪一杆为机架，均为双摇杆机构。
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用除了铰链四杆机构的上述三种形式外，人们还广泛采用其他形式的平面四杆机构。分析、研究这些平面四杆机构的运动特性可以发现：这些平面四杆机构是由铰链四杆机构通过一定途径演化而来的。
1．偏心轮机构在图 a所示的曲柄摇杆机构中，杆 1为曲柄，杆 3为摇杆，若将转动副的销钉
B的半径逐渐扩大至超过曲柄的长度，便可得到如图 b所示的机构，这时曲柄演变成一几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称偏心轮，该两轮中心之间的距离称为偏心距，它等于曲柄长。曲柄为偏心轮的机构称偏心轮机构 。
偏心轮机构一般多用于曲柄销承受较大冲击载荷或曲柄较短的机构，
如剪床、冲床以及破碎机等。
销钉扩大 偏心轮的结构形式
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用
2．曲柄滑块机构在图 a所示的曲柄摇杆机构中，杆 1为曲柄，杆 3为摇杆，若在机架上作一弧形槽，槽的曲率半径等于摇杆 3的长度，把摇杆 3改成弧形滑块，如图 b所示，这样尽管把转动副改成了移动副，但相对运动的性质却完全相同。如果将圆弧形槽的半径增加到无穷大，则圆弧形槽变成了直槽，这样曲柄摇杆机构就演化成了偏臵的曲柄滑块机构 (图 c)，图中 P为曲柄中心 A至直槽中心线的垂直距离，称偏心距。当时，称为对心曲柄滑块机构，常简称为曲柄滑块机构 (图 d)。
因此，可以认为曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演化而来的。
曲柄滑块机构在机械中应用十分广泛。如内燃机、搓丝机、自动送料装臵以及压力机都是曲柄滑块机构。在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，可将曲柄的连续旋转运动，经连杆转换为从动滑块的往复直线运动，图所示的压力机，当曲柄连续旋转运动时，经连杆带动滑块实现加压工作；反之若滑块为主动件，经连杆转换为从动曲柄的连续旋转运动。
曲柄摇杆机构的演化压力机
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用
3．导杆机构若将曲柄滑块机构（图 1a）中的构件 1作为机架，就演化成导杆机构（图 1b）。
导杆机构可分转动导杆机构和摆动导杆机构。
（ 1）转动导杆机构 图 1b所示导杆机构，当时，机架 1为最短杆，它的相邻杆 2与导杆 4均能绕机架作连续转动，故称为转动导杆机构（图 2a）；图 2b所示为插床机构，
其中构件 1,2,3,4组成转动导杆机构，工作时，导杆 4绕 A点回转，带动构件 5及插刀 6往复运动，实现切削。
（ 2）摆动导杆机构 图 1b所示导杆机构，当时，机架 1不是最短杆，它的相邻构件导杆 4只能绕机架摆动，故称为摆动导杆机构（图 3a）。图 3b所示为刨床机构，其中构件 1,2,3,4组成摆动导杆机构，工作时，导杆 4绕 A点摆动，带动构件 5及刨刀 6
往复运动，实现刨削。
图 1 导杆机构转动导杆机构 摆动导杆机构
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用
4．定块机构若将曲柄滑块机构（图 1）中的构件 3作为机架，就演化成定块机构（图 2a)，此机构中滑块固定不动。图 2b所示的抽水机，就应用了定块机构。当摇动手柄 1时，在杆 2
的支撑下，活塞杆 4即在固定滑块 3（唧筒作为静件）内上下往复移动，以达到抽水的目的。
5．摇块机构若将曲柄滑块机构（图 1）中的构件 2作为机架，就演化成摇块机构（图 3a)，此机构中滑块相对机架摇动。这种机构常应用于摆缸式内燃机或液压驱动装臵。图 3b
所示的自卸翻斗装臵，也应用了摇块机构。杆 1（车厢）可绕车架 2上的 B点摆动。杆
4（活塞杆），液压缸 3（摇块）可绕车架上 C点摆动，当液压缸中的压力油推动活塞杆运动时，迫使车厢绕 B点翻转，物料便自动卸下。
图 1 曲柄滑块机构图 2 定块机构 图 3 摇块机构
8.1.5 平面四杆机构的运动特性
1．急回特性图所示为曲柄摇杆机构，设等速转动的曲柄 AB为主动件，它在回转一周的过程中，
与连杆 BC有两次共线位臵 ABl和 AB2，此时从动件摇杆 CD分别位于左、右两个极限位臵
ClD和 C2D，其夹角称为摇杆的摆角。主动曲柄与连杆在两共线位臵时所夹的锐角称为极位夹角。
图 1 曲柄摇杆机构
21
2 2 1 1
1 2 212
1
180
180
CC
v t tK
vtCC
t
当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度是不同的，
其空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种性质为机构的急回特性。为了表达这个特征的相对程度，
设该值称为从动件的行程速比系数。
K的大小表示急回的程度。由上式可知,K与 θ 有关，当 θ =0时,K=1，说明该机构无急回特性；当 θ >0，则机构具有急回特性,θ 越大,K值越大，
急回特性越明显。 θ 与 K的关系为
1180 1KK
8.1.5 平面四杆机构的运动特性
2．死点在曲柄摇杆机构中，如图所示，若取摇杆为主动件，当摇杆在两极限位臵时，连杆与曲柄共线，通过连杆加于曲柄的力 F经过铰链中心 A，该力对 A点的力矩为零，故不能推动曲柄转动，从而使整个机构处于静止状态。这种位臵称为死点。
平面四杆机构是否存在死点位臵，决定于从动件是否与连杆共线。凡是从动件与连杆共线的位臵都是死点。
图 1 死点位臵对机构传递运动来说，死点是有害的，因为死点位臵常使机构从动件无法运动或出现运动不确定现象。如图 1所示的缝纫机踏板机构（曲柄摇杆机构），当踏板 CD为主动件并作往复摆动时，机构在两处有可能出现死点位臵，致使曲柄 AB不转或出现倒转现象。为了保证机构正常运转，可在曲柄轴上装飞轮，利用其惯性作用使机构顺利地通过死点位臵。
在工程上，有时也利用死点进行工作，如图 2所示的铰链四杆机构中，就是应用死点的性质来夹紧工件的一个实例。当夹具通过手柄 1，施加外力 F使铰链的中心 B,C,D处于同一条直线上时，
工件 2被夹紧，此时如将外力 F去掉，也仍能可靠地夹紧工件，当需要松开工件时，则必须向上扳动手柄 1，才能松开夹紧的工件。
图 2 夹紧机构
8.2.1 凸轮机构的特点和应用凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成（图 1）。凸轮是主动件，从动件的运动规律由凸轮轮廓决定。凸轮机构是机械工程中广泛应用的一种高副机构。
图 1 凸轮机构凸轮机构常用于低速、轻载的自动机或自动机的控制机构。
图 2所示为汽车内燃机的配气机构，当凸轮 1转动时，依靠凸轮的轮廓，可以迫使从动件气阀 2
向下移动打开气门 (借助弹簧的作用力关闭 )，这样就可以按预定时间，打开或关闭气门，以完成内燃机的配气动作。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。它能控制从动件运动规律，因此凸轮通常作主动件并作等速转动，当凸轮运动时，借助它的曲线轮廓 (或凹槽 )，可使从动件作预期的运动。
凸轮机构的应用特点有：
(1)便于准确地实现给定的运动规律。（ 2）结构简单紧凑，易于设计；
(3)凸轮机构可以高速起动，动作准确可靠。
(4)凸轮与从动件为高副接触，不便润滑，容易磨损，为延长使用寿命，传递动力不宜过大。
(5)凸轮轮廓曲线不易加工。
图
2
汽车内燃机配汽机构图 3 自动车床的走刀机构
8.2.2 凸轮机构的 类型凸轮机构按凸轮的形状与从动件形式可分为不同类型。
1．按凸轮形状分
（ 1）盘形凸轮 凸轮的基本形式，应用最广。但从动件的行程不能太大，否则凸轮变化过大，
对凸轮机构的工作不利，所以一般应用于行程较短的场合。
（ 2）移动凸轮（板状凸轮） 可视为回转中心趋向于无穷远的盘形凸轮，它相对于机架作直线往复移动。图 1中用以车制手柄的靠模就是采用移动凸轮机构。移动凸轮机构在靠模仿形机械中应用较广。
上述两种凸轮组成机构时，凸轮与从动件的相对运动是平面运动，因此，上述两种凸轮机构称为平面凸轮机构，其凸轮称为平面凸轮。
（ 3）圆柱凸轮 在圆柱面上开有曲线凹槽，或在圆柱端面上制出曲线轮廓，可使从动件得到较大的行程。属于空间凸轮机构（图 2)。
图 1 移动凸轮机构 图 2 端面圆柱凸轮机构
8.2.2 凸轮机构的 类型
2．按从动件的形式分类根据从动件的运动形式和端部形状区分，基本类型列于表 1。
表 1 凸轮机构从动件的基本类型接触形式运动形式主要特点移动 摆动尖顶结构简单、紧凑，可准确地实现任意运动规律。但易磨损，适用于低速、传力小和动作灵敏的场合，如仪表机构中滚子滚子接触，摩擦阻力小，不易磨损，
承载能力较大，但运动规律有局限性，不宜于高速，故可用于传递较大的动力平底结构紧凑，润滑性能好，摩擦阻力小，适用于高速。但不能与内凹的轮廓接触，因此运动规律受到一定限制曲面 介于滚子和平底之间
8.2.3 凸轮机构的 基本参数
1.基圆半径在图 1所示的机构中，从动件 (杆 )在最低位臵时，尖顶在点 (图 1a)，以凸轮的最小半径所作的圆称为基圆，称为基圆半径。
图 1 凸轮机构的位移曲线图
2
凸轮机构的压力角
2．行程和转角当凸轮按逆时针方向转过一个角度 δ 时 (图 1b)，从动件将上升一段距离，即产生一段位移 s。
当凸轮转过 δ 0时，从动件到达最高位臵 (图 1c)，此时从动件的最大升距称为行程，用 h表示。
凸轮转动角度 δ,称为转角 (也称为动作角或运动角 )。
3．位移曲线如果将从动件的位移 s与凸轮转角 δ 的关系用曲线表示（图 1d），此曲线称为从动件 (杆 )
的位移曲线（ s-δ 曲线）。
4．压力角图 2所示的凸轮机构中，从动件 (杆 )与凸轮轮廓在 A点接触，凸轮给从动件一作用力 F，其方向为沿接触点的法线方向，我们把这个力的作用线与从动件运动方向之间的夹角，叫做凸轮机构在该点的压力角，用 α 表示。
8.2.4 从动件常用运动规律从动件的运动规律是指其位移、速度和加速度随时间变化的规律。从动件的运动规律是根据机器工作要求确定的。从动件不同的运动规律对应于不同的凸轮轮廓。在设计凸轮机构时，
首先选定从动件的运动规律，再根据运动规律设计凸轮轮廓。最常用的运动规律有以下两种。
1.等速运动规律当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程和回程的速度为常数，这种运动规律叫做等速运动规律 (图 1)。
图 1 等速运动规律
2.等加速等减速运动规律这种运动规律是从动件在一个推程或者回程中，前半段做等加速运动，后半段做等减速运动；而且前后两段加速度的绝对值相等。
图 2 等加速等减速运动规律
*8.2.5 凸轮机构轮廓曲线的画法当从动件运动规律选定后，即可根据该运动规律和其他给定条件（如凸轮转向、基圆半径等）
确定凸轮的轮廓曲线。确定凸轮轮廓曲线的方法有图解法和解析法。图解法的特点是简便、
直观，但不够精确，不过其准确度已足以满足一般机器的工作要求。
1．,反转法,作图方法凸轮轮廓曲线作图的方法是,反转法,。为了作图方便起见，可以看成凸轮在图纸上不转动，
而将从动件的位臵看成是相反于凸轮的旋转方向转动，并以此方向作图，这就是,反转法,。这种方法的优点是容易作图。
2．轮廓曲线画法步骤
(1)先画出从动件的位移曲线图。用凸轮转角作横坐标，以从动件的位移作纵坐标，由从动件的运动规律作出位移曲线，如图 b所示。
(2)再画凸轮轮廓曲线。在凸轮基圆上作等分角线，用,反转法,以与位移曲线相同的比例截取各对应点 (位移行程 )，连接各点，即可得凸轮轮廓曲线。如图 a所示。
尖顶式移动凸轮的画法
8.3.1 棘轮机构
1．棘轮机构的工作原理及应用典型的棘轮机构（图 1）是由棘轮 1、棘爪 2、机架以及止回棘爪 5等组成。弹簧 6使止回棘爪 5
和棘轮 1始终保持接触。当曲柄连续转动时，摇杆作往复摆动。当摇杆逆时针摆动时，棘爪便嵌入棘轮的齿槽中，棘爪被推动向逆时针方向转过一个角度；当摇杆顺时针摆动时，棘爪便在棘轮齿背上滑过，这时止回棘爪阻止棘轮顺时针转动，故棘轮静止不动。这样，当摇杆作连续摆动时，棘轮就作单向的间歇运动。
棘轮机构的类型很多，按照工作原理可分为齿啮式和摩擦式，按结构特点可分为外接式和内接式。下面介绍几种常用的棘轮机构。
(1)具有棘齿的棘轮机构
①单动式棘轮机构 (图 1),② 双动式棘轮机构 (图 2),③ 可变向棘轮机构 (图 3),
前述棘轮机构，棘轮的转角都是以棘轮的轮齿为单位的，即棘轮转角的改变都是有级的，
若要无级地改变棘轮的转角，可采用无棘齿的摩擦棘轮机构 (图 4），该机构是摩擦棘轮机构中的一种。摩擦式棘轮机构的使用优点是无噪声，多用于轻载间歇运动机构。
图
1
棘轮机构图 2 双动式棘轮机构 图 3 可变向棘轮机构 图 4 摩擦式棘轮机构
8.3.2 槽轮机构
1．槽轮机构的工作原理槽轮机构能把主动轴的等速连续运动转变为从动轴周期性的间歇运动，槽轮机构常用于转位或分度机构。图 1所示为一单圆外啮合槽轮机构，它由带圆柱销 2的主动拨盘 1、具有径向槽的从动槽轮 3和机架等组成。槽轮机构工作时，拨盘为主动件并以等角速度连续回转，从动槽轮作时转时停的间歇运动。
当圆销 2未进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘的外凸圆弧卡住，
故槽轮静止不动。图 1a所示为圆销 2刚开始进入槽轮径向槽的位臵。这时锁止弧刚好被松开，随后槽轮受圆销 2的驱使而沿反向转动。当圆销 2开始脱出槽轮的径向槽时
（图 1b），槽轮的另一内凹锁止弧又被曲柄的外凸圆弧卡住，致使槽轮又静止不动，
直到曲柄上的圆销 2进入下一径向槽时，才能重复上述运动。这样拨盘每转一周，槽轮转过两个角度。
图 1 槽轮机构
8.3.2 槽轮机构
2．槽轮机构的特点和应用构造简单，外形尺寸小，工作可靠。但槽轮的转角大小不能调节，圆销与轮槽间冲击较严重，尤其是在槽轮径向槽数目较少的情况下更为明显，因此在设计槽轮机构时不能将槽轮的槽数选得很少，在生产实际中用的槽轮机构，其槽数常取 4～ 8。
槽轮机构一般应用在转速不高、要求断续地转过某一特定角度的装臵中。例如：在自动机上，用以间歇地转动刀架或工作台；在化工厂管道系统中，用以启闭阀门；在电影放映机中，用作卷片机构（图 1），为了适应人们的视觉暂留现象，要求影片作间歇运动，
它采用四槽槽轮机构，当传动轴带动圆销每转过一周，槽轮相应地转过 90°,因此能使影片的画面作短暂的停留。图 2所示为六角自动车床的刀架转位机构，为了满足零件加工工艺要求自动变换所需刀具，采用六槽的槽轮机构，当圆销 1进、出槽轮一次，则可推动槽轮 2转过 60°,并且使下一工序的刀具转到工作位臵。
图 1 放映机的卷片机构 图 2 刀架转位机构
8.4.1 变速机构 和变向机构变速机构是指在输入转速不变的条件下，使从动轮 (轴 )得到不同转速的传动装臵。例如机床主轴的变速传动系统是将动力源 (主电动机 )的恒定转速通过变速箱变换为主轴的多级转速。
机床、汽车和其他机械上常用的变速机构有滑移齿轮变速机构、塔齿轮变速机构、倍增变速机构和拉键变速机构等。但无论哪一种变速机构，都是通过改变一对齿轮传动比大小，从而改变从动轮 (轴 )的转速。
1．塔齿轮变速机构如图所示为塔齿轮变速机构。导向键 14装在主轴 15的长键槽中，其上装有滑移齿轮 11
和拨叉 10，并可沿轴滑动。主轴 15可通过齿轮 11、中间齿轮 12将运动传给塔齿轮 1中的任意一个，使轴 2转动。由于塔齿轮由小到大，所以齿轮箱壳体上就制成斜形插孔板 8，用插销 9插入定位，以限制齿轮 11在运转时轴向移动。轴 2转动时，可通过离合器 3和 4传给丝杠
5，或通过齿轮 7传给光杆 6。它是通过滑移齿轮 11分别与塔形齿轮啮合，使丝杠或光杆得到不同的转速。
塔齿轮变速机构
8.4.1 变速机构
2．倍增齿轮变速机构如图 1所示为倍增变速机构，它是由三根轴和滑移、空套、固定齿轮组成。轴 1是主动轴，其上装有三个二联齿轮 Z28～ 42，其中一个固定在轴 1上，其余两个是空套的。在轴上空套三个二联齿轮。 Z42～ 56，右端边上还有一个。 Z56齿轮空套在轴上。在轴 3上装有一个滑移齿轮，以便与轴上任意一个 Z56齿轮啮合。这样可以得到四种传动比。
第一级第二级第三级第四级
113
3
42 28 142 56 2ni n
113
3
56 28 128 56ni n
113
3
5 6 4 2 5 6 2 8 22 8 4 2 2 8 5 6ni n
113
3
5 6 4 2 5 6 4 2 5 6 2 8 42 8 4 2 2 8 4 2 2 8 5 6ni n
3.拉键变速机构图 2所示为拉键变速机构,Z1,Z3,Z5和 Z7四个齿轮固定在轴 2上,Z2,Z4,Z6和 Z8四个齿轮空套在套筒轴 3上，中间用垫圈隔开。套筒轴 3的孔中插入手柄轴 4，并在轴的前端设有弹簧键 1，可以从套筒轴 3的穿通的长槽中弹出，以便嵌入四个空套齿轮中的一个。在图 8.54所示位臵，键 1嵌在齿轮 Z8内孔的键槽中，这样轴 2的运动通过齿轮 Z7与 Z8的啮合传给轴 3。此时
Z2,Z4,Z6也以各自的转速空转。
图
1
倍增变速机构图
2
拉键变速机构
8.4.1 变速机构
4．滑移齿轮变速机构曾在前面轮系部分介绍过滑移齿轮变速的原理，故此处不再详述。
上面所讲的变速机构为有级变速机构，它们的变速可靠、传动比准确、结构紧凑。但所用的零件多、质量大、高速转动不平稳、变速时有噪声。
5．无级变速机构图所示，是摩擦盘式无级变速机构的传动原理结构图。锥形盘 1装在电动机轴上，电动机轴线倾斜一个角度。端面盘 2装在底板支架 6上，借弹簧 3的压力使其与锥形盘 1的斜面贴紧。当转动齿轮 5通过固定在底板上的齿条 4移动支架 6时，就可以改变接触半径，因而可得到不同的传动比。
摩擦盘无级变速机构
12
21
nRi
nR
式中,n1,n2—— 锥形盘 1和端面盘 2的转速,r／ min；
R1,R2—— 锥形盘 1和端面盘 2接触点半径。
8.4.1 变速机构
4．滑移齿轮变速机构曾在前面轮系部分介绍过滑移齿轮变速的原理，故此处不再详述。
上面所讲的变速机构为有级变速机构，它们的变速可靠、传动比准确、结构紧凑。但所用的零件多、质量大、高速转动不平稳、变速时有噪声。
5．无级变速机构图所示，是摩擦盘式无级变速机构的传动原理结构图。锥形盘 1装在电动机轴上，电动机轴线倾斜一个角度。端面盘 2装在底板支架 6上，借弹簧 3的压力使其与锥形盘 1的斜面贴紧。当转动齿轮 5通过固定在底板上的齿条 4移动支架 6时，就可以改变接触半径，因而可得到不同的传动比。
摩擦盘无级变速机构
12
21
nRi
nR
式中,n1,n2—— 锥形盘 1和端面盘 2的转速,r／ min；
R1,R2—— 锥形盘 1和端面盘 2接触点半径。
8.4.2 变向机构所谓变向机构是指在输入旋转方向不变的条件下，改变从动轮 (轴 )旋转方向的装臵。常用的有三星齿轮变向机构、滑移齿轮变向机构和圆锥齿轮变向机构等。
1．三星齿轮变向机构图 1所示，由 Z1,Z2,Z3和 Z4四个齿轮，以及三角形杠杆架组成。 Zl和 Z4两齿轮用键装在位臵固定的轴上，并可与轴一起转动 2和 3两齿轮空套在三角形杠杆架的轴上，杠杆架通过搬动手柄可绕齿轮 Z4轴心转动。在图示位臵，齿轮通过齿轮 Z3带动齿轮 Z4，使齿轮 z4按一定方向旋转，齿轮 Z2空转。若手柄向下搬动，这时 Z1和 Z3两齿轮脱开啮合,Z1和 Z2进入啮合，这样齿轮
Z1通过齿轮 2和 3而带动齿轮 4，由于多了一个中间齿轮 Z2，当齿轮 Z1的旋转方向不变，齿轮在
Z4的旋转方向就改变了。
2．滑移齿轮变向机构图 2所示为滑移齿轮变向机构。由 Z1,Z2,Z3,Z4和中间齿轮 2组成； Z1和 Z3为二联滑移齿轮，用导向键或花键与轴联接。 Z2和 Z4固定在轴上。在图示位臵，当齿轮 Z1的转动通过中间齿轮 Z带动齿轮 Z2转动时，则齿轮 Zl和 Z2的旋转方向相同。
图
1
三星齿轮变向机构图
2
滑移齿轮变向机构
8.4.2 变向机构若将二联齿轮 Z1和 Z3向右移动时，使齿轮 Zl与中间齿轮 Z脱开啮合，齿轮 Z3和 Z4进入啮合，因为少了一个中间齿轮在该变向机构中，所以齿轮 Z3和 Z4的旋转方向相反。在该变向机构中，若，
则只是一个变向机构；若则既是一个变向机构，又是一个变速机构，即可同时完成变向和变速要求。
3．圆锥齿轮变向机构图所示为圆锥齿轮变向机构。在图 a中，两个端面带有爪形齿的圆锥齿轮 Z2和 Z3，空套在水平轴上，这两个圆锥齿轮能与同轴上可滑移的双向爪形离合器啮合或分离，双向爪形离合器和水平轴用键联接。另一个圆锥齿轮 Z1固定在垂直轴上。当圆锥齿轮 Z1旋转时，带动水平轴上两个圆锥齿轮 Z2和 Z3，这两个齿轮同时以相反的方向在轴上空转。如果双向离合器向左移动，
与左面圆锥齿轮 Z2上的端面爪形齿啮合，那么运动由左面的圆锥齿轮 Z2通过双向离合器传给水平轴；若双向离合器向右移动，与圆锥齿轮 Z3端面爪形齿啮合，那么运动将由圆锥齿轮 Z3通过双向离合器传给水平轴，且旋转方向相反。
图 b所示为滑移齿轮式变向机构。通过水平轴上的滑移齿轮，使左或右齿轮与主动轮分别啮合，水平轴可得到转向相反的转动。
圆锥齿轮变向机构
8.5 常用机构观察与分析
1.实验目的
(1)初步了解,机械基础,课程所研究的各种常用机构的结构,类型,
特点及应用实例 。
(2)增强学生对机构与机器的感性认识 。
2.实验方法陈列室展示各种常用机构的模型,通过模型的动态展示,增强学生对机构与机器的感性认识 。 实验教师只作简单介绍,提出问题,供学生思考,
学生通过观察,对常用机构的结构,类型,特点有一定的了解,对学习机械基础课程产生一定的兴趣 。
3,实验内容
(1)对机器的认识通过实物模型和机构的观察,学生可以认识到：机器是由一个机构或几个机构按照一定运动要求组合而成的 。 所以只要掌握各种机构的运动特性,
再去研究任何机器的特性就不困难了 。 在机械原理中,运动副是以两构件的直接接触形式的可动联接及运动特征来命名的 。 如：高副,低副,转动副,移动副等 。
8.5 常用机构观察与分析
(2)平面四杆机构平面连杆机构中结构最简单,应用最广泛的是四杆机构,四杆机构分成三大 类：
即铰链四杆机构；单移动副机构；双移动副机构 。
① 铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,即根据两连架杆为曲柄,或摇杆来确定 。
② 单移动副机构,它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副演化而成的 。 可分为：曲柄滑块机构,曲柄摇块机构,转动导杆机构及摆动导杆机构等 。
③ 双移动副机构是带有两个移动副的四杆机构,把它们倒臵也可得到：曲柄移动导杆机构,双滑块机构及双转块机构 。
(3)凸轮机构凸轮机构常用于把主动构件的连续运动,转变为从动件严格地按照预定规律的运动 。 只要适当设计凸轮廓线,便可以使从动件获得任意的运动规律 。 由于凸轮机构结构简单,紧凑,因此广泛应用于各种机械,仪器及操纵控制装臵中 。
凸轮机构主要有三部分组成,即：凸轮 (它有特定的廓线 ),从动件 (它由凸轮廓线控制着 )及机架 。
凸轮机构的类型较多,学生在参观这部分时应了解各种凸轮的特点和结构,找出其中的共同特点 。
8.5 常用机构观察与分析
4,其他常用机构其他常用机构常见的有棘轮机构；摩擦式棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；
凸轮式间歇运动机构；万向节及非圆齿轮机构等 。 通过各种机构的动态演示学生应知道各种机构的运动特点及应用范围 。
5,机构的串,并联展柜中展示有实际应用的机器设备,仪器仪表的运动机构 。 从这里可以看出,
机器都是由一个或几个机构按照一定的运动要求串,并联组合而成的 。 所以在学习机械基础课程中一定要掌握好各类基本机构的运动特性,才能更好地去研究任何机构 (复杂机构 )特性 。
思考与分析：
1,在你所观察到的机械中所采用的铰链四杆机构是否有不足,如何加以改进？
2,哪些机械中的四杆机构利用了急回特性,有何实际意义？
3,凸轮机构中凸轮的轮廓曲线如何设计的？ 常用凸轮从动件的运动规律如何的？
4,在生活或生产实际中你还了解其它哪些常用机构的应用吗？
变向机构等 。
8.1 平面连杆机构
8.2 凸轮机构
8.3 间歇运动机构
8.4 变速机构和变向机构
8.5 常用机构的观察与分析
8.1.1 运动副所谓运动副是使两构件直接接触而又能产生一定相对运动的联接。
根据运动副中两构件的接触形式不同，运动副又可分为低副和高副。
1．低副低副是指两构件之间作面接触的运动副。按两构件的相对运动情况，可分为：
(1)转动副 两构件在接触处只允许作相对转动。
(2)移动副 两构件在接触处只允许作相对移动。
(3)螺旋副 两构件在接触处只允许作一定关系的转动和移动的复合运动，
低副的接触表面一般是平面或圆柱面，易制造和维修，承受载荷时的单位面积压力较小，较为耐用，传力性能好。但低副是滑动摩擦，摩擦大而效率较低。
2．高副高副是指两构件之间作点或线接触的运动副。
高副由于是点或线的接触，单位面积压力较大，构件接触处容易磨损，制造和维修困难，但高副能传递较复杂的运动，比较灵活，易于实现预定的运动规律。
低副高副
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用当平面四杆机构中的运动副都是转动副时，称为铰链四杆机构。如图所示的铰链四杆机构中，杆 4是固定不动的，称为机架。与机架相连的杆 1和杆 3称为连架杆，
不与机架直接相连的杆 2，称为连杆。如果杆 1(或杆 3)能绕铰链 A(或铰链 D)作整周的连续旋转，则此杆称为曲柄。如果不能作整周的连续旋转，而只能来回摇摆一个角度，则此杆就称为摇杆。
铰链四杆机构铰链四杆机构中，机架和连杆总是存在的，因此可按曲柄存在情况，分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构。
1．曲柄摇杆机构在铰链四杆机构中的两连架杆，如果一个为曲柄，另一个为摇杆，那么该机构就称为曲柄摇杆机构。取曲柄 AB为主动件，当曲柄 AB作连续等速整周转动时，
从动摇杆 CD将在一定角度内作往复摆动。由此可见，曲柄摇杆机构能将主动件的整周回转运动转换成从动件的往复摆动。剪刀机是通过原动机驱动曲柄转动，通过连杆带动摇杆往复运动，实现剪切工作。
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用在曲柄摇杆机构中,当摇杆为主动件时,可将摇杆的往复摆动经连杆转换为曲柄的连续旋转运动 。 在生产中应用很广泛 。 缝纫机的踏板机构,当脚踏板 （ 相当于摇杆 ） 作往复摆动时,通过连杆带动曲轴 （ 相当于曲柄 ） 作连续运动,使缝纫机实现缝纫工作 。
2．双曲柄机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为曲柄，则该机构称为双曲柄机构。两曲柄可分别为主动件。惯性筛中,ABCD为双曲柄机构，工作时以曲柄 AB为主动件，
并作等速转动，通过连杆 BC带动从动曲柄 CD，作周期性的变速运动，再通过 E点的联接，使筛子作变速往复运动。惯性筛就是利用从动曲柄的变速转动，使筛子具有一定的加速度，筛面上的物料由于惯性来回抖动，达到筛分物料的目的。
曲柄摇杆机构 剪刀机 缝纫机踏扳机构
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用双曲柄机构中,当两曲柄长度不相等时,主动曲柄作等速转动,从动曲柄随之作变速转动,即从动曲柄在每一周中的角速度有时大于主动曲柄的角速度,有时小于主动曲柄的角速度 。
双曲柄机构中,常见的还有平行双曲柄机构和反向双曲柄机构 。
双曲柄机构惯性筛
（ 1）当两曲柄的长度相等且平行时，称为平行双曲柄机构。
平行双曲柄机构的两曲柄的旋转方向相同，角速度也相等（图
a）。平行双曲柄机构应用很广，机车联动装臵中，车轮相当于曲柄，保证了各车轮同速同向转动。此机车联动装臵中还增设一个曲柄 EF作辅助构件，以防止平行双曲柄机构 ABCD变成为反向双曲柄机构。
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用
(2)当双曲柄机构对边都相等,但互不平行,则称其为反向双曲柄机构 。 反向双曲柄的旋转方向相反,且角速度也不相等 。 车门启闭机构中,当主动曲柄 AB转动时,通过连杆 BC使从动曲柄 CD朝反向转过,从而保证两扇车门能同时开启和关闭 。
3．双摇杆机构在铰链四杆机构中，若两个连架杆均为摇杆时，则该机构称为双摇杆机构。在双摇杆机构中，两杆均可作为主动件。主动摇杆往复摆动时，通过连杆带动从动摇杆往复摆动。
双摇杆机构在机械工程上应用也不少，汽车离合器操纵机构中,当驾驶员踩下踏板时，主动摇杆 AB往右摆动，由连杆 BC带动从动杆 CD也向右摆动，从而对离合器产生作用。
机车主动轮联动装臵 车门启闭机构
8.1.2 铰链四杆机构的基本类型及其应用载重车自卸翻斗装臵中,当液压缸活塞向右伸出时,可带动双摇杆 AB和 CD
向右摆动,从而使翻斗车内的货物滑下 。 起重机中,在双摇杆 AB和 CD的配合下,起重机能将起吊的重物沿水平方向移动,以省时省功 。
汽车离合器操纵机构 起重机自卸翻斗机构
8.1.3 铰链四杆机构的曲柄存在条件从铰链四杆机构的三种基本形式可知，它们的根本区别在于连架杆是否为曲柄。而连架杆能否成为曲柄，则取决于机构中各杆的长度关系和选择哪个构件为机架有关。即要使连架杆成为能整周转动的曲柄，各杆必须满足一定的长度条件，这就是所谓的曲柄存在的条件。
下图所示的曲柄摇杆机构，其中 AB为曲柄,BC为连杆,CD为摇杆,AD为机架，它们的长度分别用 a,b,c,d来表示，在 AB转动一周中，曲柄 AB与机架 AD
两次共线。借助这两个位臵，可找出一些铰链四杆机构的几何关系。
当连杆在 B1点时，形成△ B1C1D。根据三角形两边之和必大于第三边的定理，得 b+c>d+a①
当连杆在 B2点时，形成△ B2C2D,得
(d-a)+c>b 即 d+c>b+a ②
(d-a)+b>c 即 d+b>c+a ③
考虑到四杆位于同一直线时，则①②③可写成如下形式
b+c≥ d+a ④
d+c≥ b+a ⑤
d+b≥ c+a ⑥
将式④、⑤、⑥分别两两相加，则得 c≥ a,b≥ a,
d≥ a，即 AB杆为最短杆。
曲柄摇杆机构
8.1.3 铰链四杆机构的曲柄存在条件在曲柄摇杆机构中，要使连架杆 AB为曲柄，它必须是四杆中的最短杆，且最短杆与最长杆长度之和应小于其余两杆长度之和，考虑到更一般的情形，可将铰链四杆机构曲柄存在条件概括为,(1)连架杆与机架中必有一个最短杆； (2)最短杆与最长杆长度之和必小于或等于其余两杆长度之和。
上述两条件必须同时满足，否则机构中无曲柄存在，根据曲柄条件，还可作如下推论：
(1)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则可能有以下三种情况：
①以最短杆的相邻杆为机架，则最短杆为曲柄，而与机架相连的另一杆为摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。
②以最短杆为机架，则其相邻两杆均为曲柄，故该机构为双曲柄机构。
③以最短杆相对杆为机架，则无曲柄存在，因此该机构为双摇杆机构。
(2)若铰链四杆机构中最短杆长度与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无论以哪一杆为机架，均为双摇杆机构。
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用除了铰链四杆机构的上述三种形式外，人们还广泛采用其他形式的平面四杆机构。分析、研究这些平面四杆机构的运动特性可以发现：这些平面四杆机构是由铰链四杆机构通过一定途径演化而来的。
1．偏心轮机构在图 a所示的曲柄摇杆机构中，杆 1为曲柄，杆 3为摇杆，若将转动副的销钉
B的半径逐渐扩大至超过曲柄的长度，便可得到如图 b所示的机构，这时曲柄演变成一几何中心不与回转中心相重合的圆盘，此圆盘称偏心轮，该两轮中心之间的距离称为偏心距，它等于曲柄长。曲柄为偏心轮的机构称偏心轮机构 。
偏心轮机构一般多用于曲柄销承受较大冲击载荷或曲柄较短的机构，
如剪床、冲床以及破碎机等。
销钉扩大 偏心轮的结构形式
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用
2．曲柄滑块机构在图 a所示的曲柄摇杆机构中，杆 1为曲柄，杆 3为摇杆，若在机架上作一弧形槽，槽的曲率半径等于摇杆 3的长度，把摇杆 3改成弧形滑块，如图 b所示，这样尽管把转动副改成了移动副，但相对运动的性质却完全相同。如果将圆弧形槽的半径增加到无穷大，则圆弧形槽变成了直槽，这样曲柄摇杆机构就演化成了偏臵的曲柄滑块机构 (图 c)，图中 P为曲柄中心 A至直槽中心线的垂直距离，称偏心距。当时，称为对心曲柄滑块机构，常简称为曲柄滑块机构 (图 d)。
因此，可以认为曲柄滑块机构是由曲柄摇杆机构演化而来的。
曲柄滑块机构在机械中应用十分广泛。如内燃机、搓丝机、自动送料装臵以及压力机都是曲柄滑块机构。在曲柄滑块机构中，若曲柄为主动件，可将曲柄的连续旋转运动，经连杆转换为从动滑块的往复直线运动，图所示的压力机，当曲柄连续旋转运动时，经连杆带动滑块实现加压工作；反之若滑块为主动件，经连杆转换为从动曲柄的连续旋转运动。
曲柄摇杆机构的演化压力机
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用
3．导杆机构若将曲柄滑块机构（图 1a）中的构件 1作为机架，就演化成导杆机构（图 1b）。
导杆机构可分转动导杆机构和摆动导杆机构。
（ 1）转动导杆机构 图 1b所示导杆机构，当时，机架 1为最短杆，它的相邻杆 2与导杆 4均能绕机架作连续转动，故称为转动导杆机构（图 2a）；图 2b所示为插床机构，
其中构件 1,2,3,4组成转动导杆机构，工作时，导杆 4绕 A点回转，带动构件 5及插刀 6往复运动，实现切削。
（ 2）摆动导杆机构 图 1b所示导杆机构，当时，机架 1不是最短杆，它的相邻构件导杆 4只能绕机架摆动，故称为摆动导杆机构（图 3a）。图 3b所示为刨床机构，其中构件 1,2,3,4组成摆动导杆机构，工作时，导杆 4绕 A点摆动，带动构件 5及刨刀 6
往复运动，实现刨削。
图 1 导杆机构转动导杆机构 摆动导杆机构
8.1.4 铰链四杆机构的演化及其应用
4．定块机构若将曲柄滑块机构（图 1）中的构件 3作为机架，就演化成定块机构（图 2a)，此机构中滑块固定不动。图 2b所示的抽水机，就应用了定块机构。当摇动手柄 1时，在杆 2
的支撑下，活塞杆 4即在固定滑块 3（唧筒作为静件）内上下往复移动，以达到抽水的目的。
5．摇块机构若将曲柄滑块机构（图 1）中的构件 2作为机架，就演化成摇块机构（图 3a)，此机构中滑块相对机架摇动。这种机构常应用于摆缸式内燃机或液压驱动装臵。图 3b
所示的自卸翻斗装臵，也应用了摇块机构。杆 1（车厢）可绕车架 2上的 B点摆动。杆
4（活塞杆），液压缸 3（摇块）可绕车架上 C点摆动，当液压缸中的压力油推动活塞杆运动时，迫使车厢绕 B点翻转，物料便自动卸下。
图 1 曲柄滑块机构图 2 定块机构 图 3 摇块机构
8.1.5 平面四杆机构的运动特性
1．急回特性图所示为曲柄摇杆机构，设等速转动的曲柄 AB为主动件，它在回转一周的过程中，
与连杆 BC有两次共线位臵 ABl和 AB2，此时从动件摇杆 CD分别位于左、右两个极限位臵
ClD和 C2D，其夹角称为摇杆的摆角。主动曲柄与连杆在两共线位臵时所夹的锐角称为极位夹角。
图 1 曲柄摇杆机构
21
2 2 1 1
1 2 212
1
180
180
CC
v t tK
vtCC
t
当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度是不同的，
其空回行程的平均速度大于工作行程的平均速度，这种性质为机构的急回特性。为了表达这个特征的相对程度，
设该值称为从动件的行程速比系数。
K的大小表示急回的程度。由上式可知,K与 θ 有关，当 θ =0时,K=1，说明该机构无急回特性；当 θ >0，则机构具有急回特性,θ 越大,K值越大，
急回特性越明显。 θ 与 K的关系为
1180 1KK
8.1.5 平面四杆机构的运动特性
2．死点在曲柄摇杆机构中，如图所示，若取摇杆为主动件，当摇杆在两极限位臵时，连杆与曲柄共线，通过连杆加于曲柄的力 F经过铰链中心 A，该力对 A点的力矩为零，故不能推动曲柄转动，从而使整个机构处于静止状态。这种位臵称为死点。
平面四杆机构是否存在死点位臵，决定于从动件是否与连杆共线。凡是从动件与连杆共线的位臵都是死点。
图 1 死点位臵对机构传递运动来说，死点是有害的，因为死点位臵常使机构从动件无法运动或出现运动不确定现象。如图 1所示的缝纫机踏板机构（曲柄摇杆机构），当踏板 CD为主动件并作往复摆动时，机构在两处有可能出现死点位臵，致使曲柄 AB不转或出现倒转现象。为了保证机构正常运转，可在曲柄轴上装飞轮，利用其惯性作用使机构顺利地通过死点位臵。
在工程上，有时也利用死点进行工作，如图 2所示的铰链四杆机构中，就是应用死点的性质来夹紧工件的一个实例。当夹具通过手柄 1，施加外力 F使铰链的中心 B,C,D处于同一条直线上时，
工件 2被夹紧，此时如将外力 F去掉，也仍能可靠地夹紧工件，当需要松开工件时，则必须向上扳动手柄 1，才能松开夹紧的工件。
图 2 夹紧机构
8.2.1 凸轮机构的特点和应用凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成（图 1）。凸轮是主动件，从动件的运动规律由凸轮轮廓决定。凸轮机构是机械工程中广泛应用的一种高副机构。
图 1 凸轮机构凸轮机构常用于低速、轻载的自动机或自动机的控制机构。
图 2所示为汽车内燃机的配气机构，当凸轮 1转动时，依靠凸轮的轮廓，可以迫使从动件气阀 2
向下移动打开气门 (借助弹簧的作用力关闭 )，这样就可以按预定时间，打开或关闭气门，以完成内燃机的配气动作。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。它能控制从动件运动规律，因此凸轮通常作主动件并作等速转动，当凸轮运动时，借助它的曲线轮廓 (或凹槽 )，可使从动件作预期的运动。
凸轮机构的应用特点有：
(1)便于准确地实现给定的运动规律。（ 2）结构简单紧凑，易于设计；
(3)凸轮机构可以高速起动，动作准确可靠。
(4)凸轮与从动件为高副接触，不便润滑，容易磨损，为延长使用寿命，传递动力不宜过大。
(5)凸轮轮廓曲线不易加工。
图
2
汽车内燃机配汽机构图 3 自动车床的走刀机构
8.2.2 凸轮机构的 类型凸轮机构按凸轮的形状与从动件形式可分为不同类型。
1．按凸轮形状分
（ 1）盘形凸轮 凸轮的基本形式，应用最广。但从动件的行程不能太大，否则凸轮变化过大，
对凸轮机构的工作不利，所以一般应用于行程较短的场合。
（ 2）移动凸轮（板状凸轮） 可视为回转中心趋向于无穷远的盘形凸轮，它相对于机架作直线往复移动。图 1中用以车制手柄的靠模就是采用移动凸轮机构。移动凸轮机构在靠模仿形机械中应用较广。
上述两种凸轮组成机构时，凸轮与从动件的相对运动是平面运动，因此，上述两种凸轮机构称为平面凸轮机构，其凸轮称为平面凸轮。
（ 3）圆柱凸轮 在圆柱面上开有曲线凹槽，或在圆柱端面上制出曲线轮廓，可使从动件得到较大的行程。属于空间凸轮机构（图 2)。
图 1 移动凸轮机构 图 2 端面圆柱凸轮机构
8.2.2 凸轮机构的 类型
2．按从动件的形式分类根据从动件的运动形式和端部形状区分，基本类型列于表 1。
表 1 凸轮机构从动件的基本类型接触形式运动形式主要特点移动 摆动尖顶结构简单、紧凑，可准确地实现任意运动规律。但易磨损，适用于低速、传力小和动作灵敏的场合，如仪表机构中滚子滚子接触，摩擦阻力小，不易磨损，
承载能力较大，但运动规律有局限性，不宜于高速，故可用于传递较大的动力平底结构紧凑，润滑性能好，摩擦阻力小，适用于高速。但不能与内凹的轮廓接触，因此运动规律受到一定限制曲面 介于滚子和平底之间
8.2.3 凸轮机构的 基本参数
1.基圆半径在图 1所示的机构中，从动件 (杆 )在最低位臵时，尖顶在点 (图 1a)，以凸轮的最小半径所作的圆称为基圆，称为基圆半径。
图 1 凸轮机构的位移曲线图
2
凸轮机构的压力角
2．行程和转角当凸轮按逆时针方向转过一个角度 δ 时 (图 1b)，从动件将上升一段距离，即产生一段位移 s。
当凸轮转过 δ 0时，从动件到达最高位臵 (图 1c)，此时从动件的最大升距称为行程，用 h表示。
凸轮转动角度 δ,称为转角 (也称为动作角或运动角 )。
3．位移曲线如果将从动件的位移 s与凸轮转角 δ 的关系用曲线表示（图 1d），此曲线称为从动件 (杆 )
的位移曲线（ s-δ 曲线）。
4．压力角图 2所示的凸轮机构中，从动件 (杆 )与凸轮轮廓在 A点接触，凸轮给从动件一作用力 F，其方向为沿接触点的法线方向，我们把这个力的作用线与从动件运动方向之间的夹角，叫做凸轮机构在该点的压力角，用 α 表示。
8.2.4 从动件常用运动规律从动件的运动规律是指其位移、速度和加速度随时间变化的规律。从动件的运动规律是根据机器工作要求确定的。从动件不同的运动规律对应于不同的凸轮轮廓。在设计凸轮机构时，
首先选定从动件的运动规律，再根据运动规律设计凸轮轮廓。最常用的运动规律有以下两种。
1.等速运动规律当凸轮以等角速度转动时，从动件在推程和回程的速度为常数，这种运动规律叫做等速运动规律 (图 1)。
图 1 等速运动规律
2.等加速等减速运动规律这种运动规律是从动件在一个推程或者回程中，前半段做等加速运动，后半段做等减速运动；而且前后两段加速度的绝对值相等。
图 2 等加速等减速运动规律
*8.2.5 凸轮机构轮廓曲线的画法当从动件运动规律选定后，即可根据该运动规律和其他给定条件（如凸轮转向、基圆半径等）
确定凸轮的轮廓曲线。确定凸轮轮廓曲线的方法有图解法和解析法。图解法的特点是简便、
直观，但不够精确，不过其准确度已足以满足一般机器的工作要求。
1．,反转法,作图方法凸轮轮廓曲线作图的方法是,反转法,。为了作图方便起见，可以看成凸轮在图纸上不转动，
而将从动件的位臵看成是相反于凸轮的旋转方向转动，并以此方向作图，这就是,反转法,。这种方法的优点是容易作图。
2．轮廓曲线画法步骤
(1)先画出从动件的位移曲线图。用凸轮转角作横坐标，以从动件的位移作纵坐标，由从动件的运动规律作出位移曲线，如图 b所示。
(2)再画凸轮轮廓曲线。在凸轮基圆上作等分角线，用,反转法,以与位移曲线相同的比例截取各对应点 (位移行程 )，连接各点，即可得凸轮轮廓曲线。如图 a所示。
尖顶式移动凸轮的画法
8.3.1 棘轮机构
1．棘轮机构的工作原理及应用典型的棘轮机构（图 1）是由棘轮 1、棘爪 2、机架以及止回棘爪 5等组成。弹簧 6使止回棘爪 5
和棘轮 1始终保持接触。当曲柄连续转动时，摇杆作往复摆动。当摇杆逆时针摆动时，棘爪便嵌入棘轮的齿槽中，棘爪被推动向逆时针方向转过一个角度；当摇杆顺时针摆动时，棘爪便在棘轮齿背上滑过，这时止回棘爪阻止棘轮顺时针转动，故棘轮静止不动。这样，当摇杆作连续摆动时，棘轮就作单向的间歇运动。
棘轮机构的类型很多，按照工作原理可分为齿啮式和摩擦式，按结构特点可分为外接式和内接式。下面介绍几种常用的棘轮机构。
(1)具有棘齿的棘轮机构
①单动式棘轮机构 (图 1),② 双动式棘轮机构 (图 2),③ 可变向棘轮机构 (图 3),
前述棘轮机构，棘轮的转角都是以棘轮的轮齿为单位的，即棘轮转角的改变都是有级的，
若要无级地改变棘轮的转角，可采用无棘齿的摩擦棘轮机构 (图 4），该机构是摩擦棘轮机构中的一种。摩擦式棘轮机构的使用优点是无噪声，多用于轻载间歇运动机构。
图
1
棘轮机构图 2 双动式棘轮机构 图 3 可变向棘轮机构 图 4 摩擦式棘轮机构
8.3.2 槽轮机构
1．槽轮机构的工作原理槽轮机构能把主动轴的等速连续运动转变为从动轴周期性的间歇运动，槽轮机构常用于转位或分度机构。图 1所示为一单圆外啮合槽轮机构，它由带圆柱销 2的主动拨盘 1、具有径向槽的从动槽轮 3和机架等组成。槽轮机构工作时，拨盘为主动件并以等角速度连续回转，从动槽轮作时转时停的间歇运动。
当圆销 2未进入槽轮的径向槽时，由于槽轮的内凹锁止弧被拨盘的外凸圆弧卡住，
故槽轮静止不动。图 1a所示为圆销 2刚开始进入槽轮径向槽的位臵。这时锁止弧刚好被松开，随后槽轮受圆销 2的驱使而沿反向转动。当圆销 2开始脱出槽轮的径向槽时
（图 1b），槽轮的另一内凹锁止弧又被曲柄的外凸圆弧卡住，致使槽轮又静止不动，
直到曲柄上的圆销 2进入下一径向槽时，才能重复上述运动。这样拨盘每转一周，槽轮转过两个角度。
图 1 槽轮机构
8.3.2 槽轮机构
2．槽轮机构的特点和应用构造简单，外形尺寸小，工作可靠。但槽轮的转角大小不能调节，圆销与轮槽间冲击较严重，尤其是在槽轮径向槽数目较少的情况下更为明显，因此在设计槽轮机构时不能将槽轮的槽数选得很少，在生产实际中用的槽轮机构，其槽数常取 4～ 8。
槽轮机构一般应用在转速不高、要求断续地转过某一特定角度的装臵中。例如：在自动机上，用以间歇地转动刀架或工作台；在化工厂管道系统中，用以启闭阀门；在电影放映机中，用作卷片机构（图 1），为了适应人们的视觉暂留现象，要求影片作间歇运动，
它采用四槽槽轮机构，当传动轴带动圆销每转过一周，槽轮相应地转过 90°,因此能使影片的画面作短暂的停留。图 2所示为六角自动车床的刀架转位机构，为了满足零件加工工艺要求自动变换所需刀具，采用六槽的槽轮机构，当圆销 1进、出槽轮一次，则可推动槽轮 2转过 60°,并且使下一工序的刀具转到工作位臵。
图 1 放映机的卷片机构 图 2 刀架转位机构
8.4.1 变速机构 和变向机构变速机构是指在输入转速不变的条件下，使从动轮 (轴 )得到不同转速的传动装臵。例如机床主轴的变速传动系统是将动力源 (主电动机 )的恒定转速通过变速箱变换为主轴的多级转速。
机床、汽车和其他机械上常用的变速机构有滑移齿轮变速机构、塔齿轮变速机构、倍增变速机构和拉键变速机构等。但无论哪一种变速机构，都是通过改变一对齿轮传动比大小，从而改变从动轮 (轴 )的转速。
1．塔齿轮变速机构如图所示为塔齿轮变速机构。导向键 14装在主轴 15的长键槽中，其上装有滑移齿轮 11
和拨叉 10，并可沿轴滑动。主轴 15可通过齿轮 11、中间齿轮 12将运动传给塔齿轮 1中的任意一个，使轴 2转动。由于塔齿轮由小到大，所以齿轮箱壳体上就制成斜形插孔板 8，用插销 9插入定位，以限制齿轮 11在运转时轴向移动。轴 2转动时，可通过离合器 3和 4传给丝杠
5，或通过齿轮 7传给光杆 6。它是通过滑移齿轮 11分别与塔形齿轮啮合，使丝杠或光杆得到不同的转速。
塔齿轮变速机构
8.4.1 变速机构
2．倍增齿轮变速机构如图 1所示为倍增变速机构，它是由三根轴和滑移、空套、固定齿轮组成。轴 1是主动轴，其上装有三个二联齿轮 Z28～ 42，其中一个固定在轴 1上，其余两个是空套的。在轴上空套三个二联齿轮。 Z42～ 56，右端边上还有一个。 Z56齿轮空套在轴上。在轴 3上装有一个滑移齿轮，以便与轴上任意一个 Z56齿轮啮合。这样可以得到四种传动比。
第一级第二级第三级第四级
113
3
42 28 142 56 2ni n
113
3
56 28 128 56ni n
113
3
5 6 4 2 5 6 2 8 22 8 4 2 2 8 5 6ni n
113
3
5 6 4 2 5 6 4 2 5 6 2 8 42 8 4 2 2 8 4 2 2 8 5 6ni n
3.拉键变速机构图 2所示为拉键变速机构,Z1,Z3,Z5和 Z7四个齿轮固定在轴 2上,Z2,Z4,Z6和 Z8四个齿轮空套在套筒轴 3上，中间用垫圈隔开。套筒轴 3的孔中插入手柄轴 4，并在轴的前端设有弹簧键 1，可以从套筒轴 3的穿通的长槽中弹出，以便嵌入四个空套齿轮中的一个。在图 8.54所示位臵，键 1嵌在齿轮 Z8内孔的键槽中，这样轴 2的运动通过齿轮 Z7与 Z8的啮合传给轴 3。此时
Z2,Z4,Z6也以各自的转速空转。
图
1
倍增变速机构图
2
拉键变速机构
8.4.1 变速机构
4．滑移齿轮变速机构曾在前面轮系部分介绍过滑移齿轮变速的原理，故此处不再详述。
上面所讲的变速机构为有级变速机构，它们的变速可靠、传动比准确、结构紧凑。但所用的零件多、质量大、高速转动不平稳、变速时有噪声。
5．无级变速机构图所示，是摩擦盘式无级变速机构的传动原理结构图。锥形盘 1装在电动机轴上，电动机轴线倾斜一个角度。端面盘 2装在底板支架 6上，借弹簧 3的压力使其与锥形盘 1的斜面贴紧。当转动齿轮 5通过固定在底板上的齿条 4移动支架 6时，就可以改变接触半径，因而可得到不同的传动比。
摩擦盘无级变速机构
12
21
nRi
nR
式中,n1,n2—— 锥形盘 1和端面盘 2的转速,r／ min；
R1,R2—— 锥形盘 1和端面盘 2接触点半径。
8.4.1 变速机构
4．滑移齿轮变速机构曾在前面轮系部分介绍过滑移齿轮变速的原理，故此处不再详述。
上面所讲的变速机构为有级变速机构，它们的变速可靠、传动比准确、结构紧凑。但所用的零件多、质量大、高速转动不平稳、变速时有噪声。
5．无级变速机构图所示，是摩擦盘式无级变速机构的传动原理结构图。锥形盘 1装在电动机轴上，电动机轴线倾斜一个角度。端面盘 2装在底板支架 6上，借弹簧 3的压力使其与锥形盘 1的斜面贴紧。当转动齿轮 5通过固定在底板上的齿条 4移动支架 6时，就可以改变接触半径，因而可得到不同的传动比。
摩擦盘无级变速机构
12
21
nRi
nR
式中,n1,n2—— 锥形盘 1和端面盘 2的转速,r／ min；
R1,R2—— 锥形盘 1和端面盘 2接触点半径。
8.4.2 变向机构所谓变向机构是指在输入旋转方向不变的条件下，改变从动轮 (轴 )旋转方向的装臵。常用的有三星齿轮变向机构、滑移齿轮变向机构和圆锥齿轮变向机构等。
1．三星齿轮变向机构图 1所示，由 Z1,Z2,Z3和 Z4四个齿轮，以及三角形杠杆架组成。 Zl和 Z4两齿轮用键装在位臵固定的轴上，并可与轴一起转动 2和 3两齿轮空套在三角形杠杆架的轴上，杠杆架通过搬动手柄可绕齿轮 Z4轴心转动。在图示位臵，齿轮通过齿轮 Z3带动齿轮 Z4，使齿轮 z4按一定方向旋转，齿轮 Z2空转。若手柄向下搬动，这时 Z1和 Z3两齿轮脱开啮合,Z1和 Z2进入啮合，这样齿轮
Z1通过齿轮 2和 3而带动齿轮 4，由于多了一个中间齿轮 Z2，当齿轮 Z1的旋转方向不变，齿轮在
Z4的旋转方向就改变了。
2．滑移齿轮变向机构图 2所示为滑移齿轮变向机构。由 Z1,Z2,Z3,Z4和中间齿轮 2组成； Z1和 Z3为二联滑移齿轮，用导向键或花键与轴联接。 Z2和 Z4固定在轴上。在图示位臵，当齿轮 Z1的转动通过中间齿轮 Z带动齿轮 Z2转动时，则齿轮 Zl和 Z2的旋转方向相同。
图
1
三星齿轮变向机构图
2
滑移齿轮变向机构
8.4.2 变向机构若将二联齿轮 Z1和 Z3向右移动时，使齿轮 Zl与中间齿轮 Z脱开啮合，齿轮 Z3和 Z4进入啮合，因为少了一个中间齿轮在该变向机构中，所以齿轮 Z3和 Z4的旋转方向相反。在该变向机构中，若，
则只是一个变向机构；若则既是一个变向机构，又是一个变速机构，即可同时完成变向和变速要求。
3．圆锥齿轮变向机构图所示为圆锥齿轮变向机构。在图 a中，两个端面带有爪形齿的圆锥齿轮 Z2和 Z3，空套在水平轴上，这两个圆锥齿轮能与同轴上可滑移的双向爪形离合器啮合或分离，双向爪形离合器和水平轴用键联接。另一个圆锥齿轮 Z1固定在垂直轴上。当圆锥齿轮 Z1旋转时，带动水平轴上两个圆锥齿轮 Z2和 Z3，这两个齿轮同时以相反的方向在轴上空转。如果双向离合器向左移动，
与左面圆锥齿轮 Z2上的端面爪形齿啮合，那么运动由左面的圆锥齿轮 Z2通过双向离合器传给水平轴；若双向离合器向右移动，与圆锥齿轮 Z3端面爪形齿啮合，那么运动将由圆锥齿轮 Z3通过双向离合器传给水平轴，且旋转方向相反。
图 b所示为滑移齿轮式变向机构。通过水平轴上的滑移齿轮，使左或右齿轮与主动轮分别啮合，水平轴可得到转向相反的转动。
圆锥齿轮变向机构
8.5 常用机构观察与分析
1.实验目的
(1)初步了解,机械基础,课程所研究的各种常用机构的结构,类型,
特点及应用实例 。
(2)增强学生对机构与机器的感性认识 。
2.实验方法陈列室展示各种常用机构的模型,通过模型的动态展示,增强学生对机构与机器的感性认识 。 实验教师只作简单介绍,提出问题,供学生思考,
学生通过观察,对常用机构的结构,类型,特点有一定的了解,对学习机械基础课程产生一定的兴趣 。
3,实验内容
(1)对机器的认识通过实物模型和机构的观察,学生可以认识到：机器是由一个机构或几个机构按照一定运动要求组合而成的 。 所以只要掌握各种机构的运动特性,
再去研究任何机器的特性就不困难了 。 在机械原理中,运动副是以两构件的直接接触形式的可动联接及运动特征来命名的 。 如：高副,低副,转动副,移动副等 。
8.5 常用机构观察与分析
(2)平面四杆机构平面连杆机构中结构最简单,应用最广泛的是四杆机构,四杆机构分成三大 类：
即铰链四杆机构；单移动副机构；双移动副机构 。
① 铰链四杆机构分为：曲柄摇杆机构,双曲柄机构,双摇杆机构,即根据两连架杆为曲柄,或摇杆来确定 。
② 单移动副机构,它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副演化而成的 。 可分为：曲柄滑块机构,曲柄摇块机构,转动导杆机构及摆动导杆机构等 。
③ 双移动副机构是带有两个移动副的四杆机构,把它们倒臵也可得到：曲柄移动导杆机构,双滑块机构及双转块机构 。
(3)凸轮机构凸轮机构常用于把主动构件的连续运动,转变为从动件严格地按照预定规律的运动 。 只要适当设计凸轮廓线,便可以使从动件获得任意的运动规律 。 由于凸轮机构结构简单,紧凑,因此广泛应用于各种机械,仪器及操纵控制装臵中 。
凸轮机构主要有三部分组成,即：凸轮 (它有特定的廓线 ),从动件 (它由凸轮廓线控制着 )及机架 。
凸轮机构的类型较多,学生在参观这部分时应了解各种凸轮的特点和结构,找出其中的共同特点 。
8.5 常用机构观察与分析
4,其他常用机构其他常用机构常见的有棘轮机构；摩擦式棘轮机构；槽轮机构；不完全齿轮机构；
凸轮式间歇运动机构；万向节及非圆齿轮机构等 。 通过各种机构的动态演示学生应知道各种机构的运动特点及应用范围 。
5,机构的串,并联展柜中展示有实际应用的机器设备,仪器仪表的运动机构 。 从这里可以看出,
机器都是由一个或几个机构按照一定的运动要求串,并联组合而成的 。 所以在学习机械基础课程中一定要掌握好各类基本机构的运动特性,才能更好地去研究任何机构 (复杂机构 )特性 。
思考与分析：
1,在你所观察到的机械中所采用的铰链四杆机构是否有不足,如何加以改进？
2,哪些机械中的四杆机构利用了急回特性,有何实际意义？
3,凸轮机构中凸轮的轮廓曲线如何设计的？ 常用凸轮从动件的运动规律如何的？
4,在生活或生产实际中你还了解其它哪些常用机构的应用吗？
