第11篇 機構

第1章機構的基本知識和結構分析

1.1機構的定義和組成11-3

1.1.1機構相關名詞術語和定義11-3

1.1.2運動副及分類11-3

1.2機構運動簡圖11-5

1.2.1定義11-5

1.2.2構件運動的規範符號11-5

1.2.3構件及機構簡圖11-6

1.2.4機構運動簡圖的繪制11-17

1.3機構自由度計算11-18

1.3.1機構自由度的定義11-18

1.3.2平面機構自由度的計算11-18

1.3.3公共約束的意義和判定方法11-22

1.3.4單閉環空間機構自由度的計算11-22

1.3.5多閉環空間機構自由度的計算11-25

1.4平面機構高副低代11-29

1.4.1高副低代滿足條件11-29

1.4.2高副低代方法11-29

1.4.2.1曲線接觸的高副機構11-29

1.4.2.2曲線和直線接觸的高副機構11-30

1.5平面機構的組成原理和結構分析11-31

1.5.1平面機構的組成原理11-31

1.5.2平面機構基本杆組分類11-31

1.5.2.1無油缸和氣缸的基本杆組的分類11-31

1.5.2.2含油缸、氣缸基本杆組分類11-32

1.5.3平面機構級別的判定11-32

1.5.3.1不含油缸、氣缸機構的判別11-32

1.5.3.2含油缸、氣缸機構的判別11-36



第2章基於杆組解析法對平面機構的運動分析和受力分析

2.1機構運動分析11-38

2.1.1平面機構運動分析解析法基本方法簡介11-38

2.1.2杆組法運動分析數學模型和子程序11-38

2.1.2.1杆組法運動分析數學模型11-38

2.1.2.2杆組法運動分析子程序11-43

2.1.2.3應用實例11-47

2.1.3高級機構的運動分析11-49

2.1.4基於瞬心法對平面機構的速度分析11-51

2.1.4.1速度瞬心和機構中瞬心的數目11-51

2.1.4.2機構中瞬心位置的確定11-51

2.1.4.3速度瞬心在平面機構速度分析中的應用實例11-52

2.2平面機構的力分析11-53

2.2.1基於杆組解析法對機構的受力分析11-54

2.2.1.1杆組法受力分析數學模型11-54

2.2.1.2杆組法受力分析子程序11-55

2.2.1.3杆組法受力分析例題11-57

2.2.2計及運動副摩擦時機構的受力分析11-58

2.2.2.1移動副的摩擦受力分析法11-58

2.2.2.2轉動副的摩擦受力分析法11-59

2.2.2.3應用實例11-60



第3章連杆機構的設計及運動分析

3.1平面連杆機構的類型及其應用11-62

3.1.1平面四杆機構的結構形式11-62

3.1.2平面四杆機構的基本特性11-63

3.1.3平面四杆機構的應用示例11-64

3.2平面連杆機構的運動分析11-65

3.2.1速度瞬心法運動分析11-65

3.2.2解析法運動分析11-66

3.3平面連杆機構設計11-68

3.3.1剛體導引機構設計11-68

3.3.2函數機構設計（解析法）11-71

3.3.3軌跡機構的設計11-75

3.4氣液動連杆機構11-77

3.4.1氣液動連杆機構位置參數的計算和選擇11-77

3.4.2氣液動連杆機構運動參數和動力參數的計算11-78

3.4.3氣液動連杆機構的設計11-79



第4章齒輪機構設計

4.1基本概念11-80

4.1.1瞬心及瞬心線11-81

4.1.2齒輪副的節曲面11-83

4.1.3齒輪副的齒面11-84

4.2瞬心線機構11-86

4.2.1瞬心線機構數學模型11-86

4.2.2瞬心線機構連續運動的封閉條件11-86

4.2.3解析法設計瞬心線機構11-87

4.2.3.1已知中心距和一個構件的瞬心線函數11-87

4.2.3.2已知中心距和一個構件的運動規律11-89

4.3共軛曲線機構設計及應用實例11-91

4.3.1平面囓合共軛曲線機構11-91

4.3.1.1共軛曲面的定義及成形原理11-91

4.3.1.2平面囓合共軛曲線機構11-92

4.3.2共軛曲線機構設計相關數學基礎11-93

4.3.2.1常用矢量代數11-93

4.3.2.2坐標變換11-94

4.3.3平面共軛曲線機構設計11-98

4.3.3.1基於運動學法設計共軛曲線機構11-98

4.3.3.2基於包絡法設計共軛曲線機構11-102

4.3.3.3基於齒廓法線法設計共軛曲線機構11-104

4.3.4共軛曲線機構誘導法曲率的計算11-109

4.3.5平面囓合的根切界限曲線條件方程11-112

4.4定軸齒輪機構的應用11-114

4.4.1齒輪傳動機構的類型及應用11-114

4.4.2定軸齒輪機構傳動比計算11-116

4.4.3齒輪結構設計11-117

4.5行星齒輪機構設計11-120

4.5.1行星輪繫基礎知識11-120

4.5.2行星輪繫各構件角速度之間的關繫11-121

4.5.3行星輪繫各輪齒數和行星輪數的選擇11-123

4.5.4行星輪繫的均載裝置11-125



第5章凸輪機構設計

5.1凸輪機構的基礎知識11-128

5.1.1凸輪機構的組成及常用名詞術語11-128

5.1.2凸輪機構的類型特點及封閉方式11-129

5.1.3凸輪機構設計的相關問題11-132

5.1.3.1凸輪機構的壓力角11-132

5.1.3.2基圓半徑Rb、圓柱凸輪小半徑Rmin和滾子半徑Rr11-134

5.1.3.3凸輪理論輪廓的小曲率半徑ρcmin與Rb的關繫11-137

5.1.3.4滾子半徑Rr的確定11-137

5.2從動件運動規律及數學模型11-138

5.2.1常用從動件運動規律分類11-138

5.2.2基本運動規律的參數曲線11-140

5.2.3常用組合運動規律應用11-145

5.3盤形凸輪工作輪廓的設計11-145

5.3.1作圖法11-145

5.3.2解析法11-149

5.4空間凸輪的設計11-152

5.5圓弧凸輪工作輪廓設計11-153

5.5.1單圓弧凸輪（偏心輪）11-153

5.5.2多圓弧凸輪11-153

5.6凸輪及滾子結構、材料、強度、精度、表面粗糙度及工作圖11-155

5.6.1凸輪及滾子結構11-155

5.6.2常用材料、熱處理及極限應力11-157

5.6.3凸輪機構強度計算11-158

5.6.4強度校核及許用應力11-158

5.6.5凸輪精度及表面粗糙度11-158

5.6.6凸輪工作圖11-158



第6章間歇機構設計

6.1棘輪機構11-160

6.1.1棘輪機構的常見形式11-160

6.1.2外囓合齒囓式棘輪機構運動設計11-161

6.2槽輪機構的設計11-163

6.2.1槽輪機構的常見形式11-163

6.2.2平面槽輪機構運動設計11-165

6.2.3球面槽輪機構運動設計11-167

6.2.4橢圓齒輪槽輪組合機構運動設計11-168

6.2.5行星齒輪槽輪組合機構運動設計11-169

6.3不完全齒輪機構設計11-174



第7章空間機構設計

7.1空間機構基礎知識11-179

7.1.1空間機構的組成原理11-179

7.1.2空間機構的數學基礎11-183

7.1.2.1回轉變換矩陣11-183

7.1.2.2多項式方程解法11-187

7.1.2.3非線性方程組解法(牛頓法)11-188

7.2空間機構的運動分析11-188

7.2.1運動分析基礎11-188

7.2.2空間機構的位移分析11-191

7.2.3空間機構的速度、加速度分析11-194

7.3空間機構的受力分析11-196

7.3.1空間閉鏈機構的受力分析11-196

7.3.1.1空間閉鏈機構的靜力分析11-196

7.3.1.2空間閉鏈機構的動力分析11-199

7.3.2空間開鏈機構的受力分析11-200

7.3.2.1空間開鏈機構的靜力分析11-200

7.3.2.2空間開鏈機構的動力分析11-201

7.4空間閉鏈機構設計11-201

7.4.1空間閉鏈機構設計基本問題11-201

7.4.1.1設計空間與約束條件11-201

7.4.1.2設計要求與可行方案數目11-202

7.4.1.3型綜合與尺寸綜合11-202

7.4.2空間閉鏈機構的設計方法11-202



第8章組合機構設計

8.1組合機構的組合方式及其特性11-207

8.2凸輪連杆組合機構11-213

8.2.1固定凸輪-連杆機構11-213

8.2.2轉動凸輪-連杆機構11-214

8.2.3聯動凸輪-連杆機構11-217

8.3齒輪-連杆組合機構11-218

8.3.1行星輪繫與Ⅱ級杆的組合機構11-218

8.3.2四杆機構與周轉輪繫的組合機構11-221

8.3.3五杆機構與齒輪機構的組合機構11-224

8.4凸輪-齒輪組合機構11-226

8.4.1周期變速運動的凸輪-齒輪機構11-226

8.4.2按預定軌跡運動的凸輪-齒輪機構11-227

8.4.3周期停歇運動的凸輪-齒輪機構11-228

8.5鏈-連杆組合機構11-229



第9章機構選型範例

9.1勻速轉動機構11-231

9.1.1定傳動比勻速轉動機構11-231

9.1.2有級變速機構11-236

9.1.3無級變速機構11-238

9.2非勻速轉動機構11-240

9.3往復運動機構11-243

9.4急回運動機構11-251

9.5行程放大機構11-252

9.6可調行程機構11-256

9.7間歇運動機構11-259

9.8超越止動及單向機構11-269

9.9換向機構11-271

9.10差動補償機構11-275

9.11氣、液驅動機構11-279

9.12增力及加持機構11-284

9.13實現預期軌跡的機構11-292



參考文獻11-300

《現代機械設計手冊》版自2011年3月出版以來，贏得了機械設計人員、工程技術人員和高等院校專業師生廣泛的青睞和好評，榮獲了2011年全國優秀暢銷書（科技類）。同時，因其在機械設計領域重要的科學價值、實用價值和現實意義，《現代機械設計手冊》還榮獲2009年國家出版基金資助和2012年中國機械工業科學技術獎。

《現代機械設計手冊》版出版距今已經8年，在這期間，我國的裝備制造業發生了許多重大的變化，尤其是2015年國家部署並頒布了實現中國制造業發展的十年行動綱領——中國制造2025，發布了針對“中國制造2025”的五大“工程實施指南”，為機械制造業的未來發展指明了方向。在國家政策號召和驅使下，我國的機械工業獲得了快速的發展，自主創新的能力不斷加強，一批高技術、高性能、高精尖的現代化裝備不斷湧現，各種新材料、新工藝、新結構、新產品、新方法、新技術不斷產生、發展並投入實際應用，大大提升了我國機械設計與制造的技術水平和國際競爭力。《現代機械設計手冊》第二版重要的原則就是緊密結合“中國制造2025”國家規劃和創新驅動發展戰略，在內容上與時俱進，全面體現創新、智能、節能、環保的主題，進一步呈現機械設計的現代感。鋻於此，《現代機械設計手冊》第二版被列入了“十三五國家重點出版物規劃項目”。

在本版手冊的修訂過程中，我們廣泛深入機械制造企業、設計院、科研院所和高等院校進行調研，聽取各方面讀者的意見和建議，終確定了《現代機械設計手冊》第二版的根本宗旨：一方面，新版手冊進一步加強機、電、液、控制技術的有機融合，以全面適應機器人等智能化裝備繫統設計開發的新要求；另一方面，隨著現代機械設計方法和工程設計軟件的廣泛應用和普及，新版手冊繼續促進傳動設計與現代設計的有機結合，將各種新的設計技術、計算技術、設計工具全面融入傳統的機械設計實際工作中。

《現代機械設計手冊》第二版共6卷35篇，它是一部面向“中國制造2025” ，適應智能裝備設計開發新要求、技術先進、數據可靠、符合現代機械設計潮流的現代化的機械設計大型工具書，涵蓋現代機械零部件及傳動設計、智能裝備及控制設計、現代機械設計方法及應用三部分內容，具有以下六大特色。

1.權威性。《現代機械設計手冊》陣容強大，編、審人員大都來自設計、生產、教學和科研線，具有深厚的理論功底、豐富的設計實踐經驗。他們中很多人都是所屬領域的知名專家，在業內有廣泛的影響力和知名度，獲得過多項國家和省部級科技進步獎、發明獎和技術專利，承擔了許多機械領域國家重要的科研和攻關項目。這支專業、權威的編審隊伍確保了手冊準確、實用的內容質量。

2.現代感。追求現代感，體現現代機械設計氣氛，滿足時代要求，是《現代機械設計手冊》的基本宗旨。“現代”二字主要體現在：新標準、新技術、新材料、新結構、新工藝、新產品、智能化、現代的設計理念、現代的設計方法和現代的設計手段等幾個方面。第二版重點加強機械智能化產品設計（3D打印、智能零部件器件）、智能裝備（機器人及智能化裝備）控制及繫統設計、數字化設計等內容。

（1）“零件結構設計”等篇進一步完善零部件結構設計的內容，結合目前的3D打印（增材制造）技術，增加3D打印工藝下零件結構設計的相關技術內容。

“機械工程材料”篇增加3D打印材料以及新型材料的內容。

（2）機械零部件及傳動設計各篇增加了新型智能零部件器件及其應用技術，例如“滑動軸承”篇增加了新型的智能軸承，“潤滑”篇增加了微量潤滑技術等內容。

（3）全面增加了工業機器人設計及應用的內容：新增了“工業機器人繫統設計”篇；“智能裝備繫統設計”篇增加了工業機器人應用開發的內容；“機構”篇增加了自動化機構及機構創新的內容；“減速器、變速器”篇增加了工業機器人減速器選用設計的內容；“帶傳動、鏈傳動”篇增加並完善了工業機器人適用的同步帶傳動設計的內容；“齒輪傳動”篇增加了RV減速器傳動設計、諧波齒輪傳動設計的內容等。

（4）“氣壓傳動與控制”“液壓傳動與控制”篇重點加強並完善了控制技術的內容，新增了氣動繫統自動控制、氣動人工肌肉、液壓和氣動新器件及新產品等內容。

（5）繼續加強第5卷機電控制繫統設計的相關內容：除增加“工業機器人繫統設計”篇外，原“機電一體化繫統設計”篇充實擴充形成“智能裝備繫統設計”篇，增加並完善了智能裝備繫統設計的相關內容，增加智能裝備繫統開發實例等。

“傳感器”篇增加了機器人傳感器、航空航天裝備用傳感器、微機械傳感器、智能傳感器、無線傳感器的技術原理和產品，加強傳感器應用和選用的內容。

&ldquo器件和”篇和“電動機”篇全面更新產品，重點推薦了一些新型的智能和節能產品，並加強產品選用的內容。

（6）第6卷進一步加強現代機械設計方法應用的內容：在3D打印、數字化設計等智能制造理念的倡導下，“逆向設計”“數字化設計”等篇全面更新，體現了“智能工廠”的全數字化設計的時代特征，增加了相關設計應用實例。

增加“綠色設計”篇；“創新設計”篇進一步完善了機械創新設計原理，全面更新創新實例。

（7）在貫徹新標準方面，收錄並合理編排了目前頒布的國家和行業標準。

3.實用性。新版手冊繼續加強實用性，內容的選定、深度的把握、資料的取舍和章節的編排，都堅持從設計和生產的實際需要出發：例如機械零部件數據資料主要依據國家和行業標準，並給出了相應的設計實例供設計人員參考；第5卷機電控制設計部分，完全站在機械設計人員的角度來編寫——注重產品如何選用，摒棄或簡化了控制的基本原理，突出機電繫統設計器件、傳感器、電動機部分注重介紹主流產品的技術參數、性能、應用場合、選用原則，並給出了相應的設計選用實例；第6卷現代機械設計方法中簡化了煩瑣的數學推導，突出了終的計算結果，結合具體的算例將設計方法通俗地呈現出來，便於讀者理解和掌握。

為方便廣大讀者的使用，手冊在具體內容的表述上，采用以圖表為主的編寫風格。這樣既增加了手冊的信息容量，更重要的是方便了讀者的查閱使用，有利於提高設計人員的工作效率和設計速度。

為了進一步增加手冊的承載容量和時效性，本版修訂將部分篇章的內容放入二維碼中，讀者可以用手機掃描查看、下載打印或存儲在PC端進行查看和使用。二維碼內容主要涵蓋以下幾方面的內容：即將被廢止的舊標準（新標準一旦正式頒布，會及時將二維碼內容更新為新標準的內容）；部分推薦產品及參數；其他相關內容。

4.通用性。本手冊以通用的機械零部件器件設計、選用內容為主，主要包括機械設計基礎資料、機械制圖和幾何精度設計、機械工程材料、機械通用零部件設計、機械傳動繫統設計、液壓和氣壓傳動繫統設計、機構設計、機架設計、機械振動設計、智能裝備繫統設計器件和等，既適用於傳統的通用機械零部件設計選用，又適用於智能化裝備的整機繫統設計開發，能夠滿足各類機械設計人員的工作需求。

5.準確性。本手冊盡量采用原始資料，公式、圖表、數據力求準確可靠，方法、工藝、技術力求成熟。所有材料、零器件、產品和工藝方面的標準均采用公布的標準資料，對於標準規範的編寫，手冊沒有簡單地照抄照搬，而是采取選用、摘錄、合理編排的方式，強調其科學性和準確性，盡量避免差錯和謬誤。所有設計方法、計算公式、參數選用均經過長期檢驗，設計實例、各種算例均來自工程實際。手冊中收錄通用性強、標準化程度高的產品，供設計人員在了解企業實際生產品種、規格尺寸、技術參數，以及產品質量和用戶的實際反映後選用。

6.全面性。本手冊一方面根據機械設計人員的需要，按照“基本、常用、重要、發展”的原則選取內容，另一方面兼顧了制造企業和大型設計院兩大群體的設計特點，即制造企業側重基礎性的設計內容，而大型的設計院、工程公司側重於產品的選用。因此，本手冊力求實現零部件設計與整機繫統開發的和諧統一，促進機械設計與控制設計的有機融合，強調產品設計與工藝技術的緊密結合，重視工藝技術與選用材料的合理搭配，倡導結構設計與造型設計的完美統一，以全面適應新時代機械新產品設計開發的需要。

經過廣大編審人員和出版社的不懈努力，新版《現代機械設計手冊》將以嶄新的風貌和鮮明的時代氣息展現在廣大機械設計工作者面前。值此出版之際，謹向所有給過我們大力支持的單位和各界朋友表示衷心的感謝！





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