第二篇机械创意机构设计基础

第二篇 机械创意机构设计基础

第三章 连接及夹紧机构 第一节 固定连接及其作用

一、铆接

在被铆接的零件的相应位置钻上适当的孔，穿上铆钉，将铆钉另一端用铆枪（或榔头）将铆钉挤压变形与相配孔挤紧和压紧端面，即可。图3-1所示为薄型型材间的铆接连接。

二、焊接

焊接主要是采用热熔的方法，将连接部分加热至相融合或焊缝间填以焊料进行连接。焊接有许多类型，如气焊、电弧焊、气体保护焊、摩擦焊等。焊接的基本形式及符号如图3-2所示。

三、销连接

利用一个销插入需要连接的零件。销是常用的标准零件，一般为圆锥形或圆柱形。固定连接一般用锥形销打入孔中。图3-3表示了几种销的画法。

活动连接的销一般为插销，如图3-4所示。

销连接还可用于机械零件的安全保护装置中，销的材料强度应该低于零件的强度。常见的

其他销有螺尾锥销、开口销等，如图3-5所示。

四、键连接

键是用于连接轴与轴上的零件，使它与轴能同时转动。如图3-6所示。

键的种类：如图3-7 （1）普通平键 （2）导向平键 （3）半圆键 （4）普通楔键 （5）花键

五、螺纹连接

螺纹连接可拆卸，主要用于紧固零件。 螺纹连接分为螺栓、螺柱和螺钉连接等。 （1）螺柱和螺栓连接

螺柱和螺栓如图3-8所示。

连接方法如图3-9所示。

（2）螺钉连接

螺钉一端有头，另一端为由小到大的锥形螺纹，这种螺钉叫自攻螺钉。如图3-10所示。

（3）差动螺纹连接

差动螺纹连接是一副套装的螺钉，靠内外两层螺钉互相嵌套进行连接。如图3-11所示。

第三节 活动连接及其应用

活动连接指两零件之间的连接是可使两零件相互转动或相互滑动连接。 一、杆与固定支点的连接

杆与固定支点的活动连接，依赖于一轴线固定的活动销———轴，连接的杆只能在一个平面内转动。另一种连接是活球连接，如图3-12所示.

二、滑动连接

两个零件之间可以相互滑动的连接方式，如图3-13所示。

三、滑动轴承

两个相互滑动的零件都变成一个环的时候，就成了轴承与轴，如图3-14所示。

四、滚动轴承

滑动轴承可演变成滚动轴承。图3-15介绍了常见的几种滚动轴承。 （1） 向心球轴承 （2） 滚子轴承 （3） 平底推力轴承

五、齿轮连接

用齿轮连接两个零件，既传递运动又传递力。 齿轮传动常用的基本形式有： 1、平面传动

主动轴和从动轴相互平行。大致分为以下几种： （1）直齿轮传动连接

直齿轮也叫圆柱齿轮，轮齿排列在圆柱体的外表面，分为外啮合和内啮合两种形式，如图3-16（a ）(b)。

为提高传动的承载能力以及传动的稳定性，并有效地减少噪声，可将齿轮作成斜齿、人字齿等，如图3-16（c ）、（d ）。若将另一齿轮的柱面展直，就成为图3-16（e ）所示的齿轮齿条传动，将转动变为直线运动。 （2）非圆齿轮传动连接

非圆齿轮传动如图3-17（a ）所示，是一对椭圆偏心齿轮。图3-17（b ）是非圆齿轮液体流量计的工作原理。

2、空间齿轮传动连接

主动轴和从动轴在空间相交或相错，如图3-18所示。

（1）圆锥齿轮传动，如图3-18（a ）所示。圆锥齿轮可分为直齿、斜齿和曲齿等，在传递速度较高时采用斜齿和曲齿，如图3-18（b ）所示。

（2）螺旋齿轮与另一交错的螺杆就构成了蜗杆蜗轮机构，如图3-18（c ）。

第三节 柔性连接及其应用

柔性连接是指在传递运动过程中两零件相互的位置、角度等可在一定范围内变化而不影响传递的效果的一类连接形式。常见的是弹簧连接、万向轴连接等。 一、弹簧连接

按弹簧受力的情况可以分为拉簧、压簧和扭簧等。按形状分类主要有以下几种，如图3-19所示。

（1） 螺旋弹簧。如图3-19（a ）所示。 （2） 涡卷弹簧

涡卷弹簧如图3-19（b ）所示，是一卷盘成蚊香状的弹簧钢片。图3-20所示为气压表的内部结构简图，卷簧是铜管卷成的，并与被测容器相通，当容器内的压力升高时，弹簧管里的压力也升高，迫使卷簧产生微小的伸直，连接到弹簧的指针也随之偏转一定的角度，从而指示出容器内的气体压力。

（1） 板簧

板簧也称叶片弹簧，如图3-19（c ）所示。 （4）扭簧

如图3-19（d ）所示，常用的文件夹子、晾衣服用的夹子等，都是利用扭簧的弹性作用，如图3-21所示。

二、万向轴连接

万向轴连接是联轴器中的活动连接的一种，它主要用于允许轴线轴向窜动以及角偏移的活动轴间的连接，图3-22所示为典型的万向接头。 图3-23所示为一种滑槽万向联轴器。 图3-24所示为球形万向联轴器。

三、其他柔性连接

1、皮带、链条连接。如图3-25所示。

2、弹簧柔性连接

弹簧的特性是可以弯曲且具有伸缩性。可以传递较小的转矩，例如清洗下水道的电动或手动清理工具，如图3-26（b ）所示。图3-26（c ）直接利用了弹簧的中间空间作为输送球形物料的通道。

第四节 其他连接与夹紧方式

一、其他连接方式 1、多齿连接

两轴的端头是一对相互啮合的齿轮形状，可随时离合，常称为离合器，如图3-27(a）所示。

2、浮动连接

用一个两面各有一条凸起的圆盘为过渡，可以连接发生较小偏移的两轴，如图3-27(b）所示。

二、简易快捷的夹紧和握持机构

（1）带有正反螺纹杆的虎钳。螺杆的两端分别为左、右螺纹，转一周时虎钳两钳口的移近量等于两螺纹螺距之和。如图3-28（a ）所示。

（2）带杠杆式钳口的锻工用台虎钳，如图3-28（b ）所示。 （3）螺旋式钳（精工钳）。这种夹紧机构在螺纹套筒旋转时沿螺杆移动，同时使钳口靠

拢，如图3-28（c ）所示。

（4）管钳。如图3-28（d ）所示。

（5）建筑工人提砖用的砖瓦提爪，如图3-28（e ）所示。

（6）用于抓取表面上有口或槽的零件的抓取器，如图3-28（f ）所示。 （7）板材握紧器，如图3-28（g ）所示。

第四章 获得转动的机构 第一节 匀速转动机构

一、摩擦轮机构

用一个轮子紧靠动力机械的轮子就可以传动转动力矩，叫摩擦力传动。有时用几个轮子组合起来形成轮系。

图4-1中表示了平行轴之间的摩擦传动。如果两轮直接相靠磨损后压力减小，因此，在两轮之间加上一个过轮。

为了增大摩擦，可将轮子做成三角槽型，如图4-1（b ）所示。

皮带或绳索这类挠性件摩擦传动，可用于两轴距离较远时的传动，如图4-2。

二、齿轮机构

常用于以下场合：变速箱、换向机构、起重机构、操作机构等。图4-3是最简单的减速器。图4-4为滚齿机刀架的空间交错齿轮的机构示意图。

三、周转轮系传动

周转传动也叫行星齿轮传动。图4-5、图4-6是最简单行星轮系的示意图。

四、平面杆式机构实现转动的传递

图4-7、图4-8为平面杆式机构在缝纫机踏板机构、火车机车轮传动机构中的应用实例。

五、棘轮传动

棘轮机构由具有棘爪和带单向齿的齿轮构成，棘轮可以传递单向运动，如图4-9.

第二节 非匀速转动传动机构

一、双曲柄机构

图4-10所示为双曲柄机构简图。曲柄1匀速转过一周时，曲柄3转动前半周比后半周所用时间长。也就是说，曲柄3在连续转动时呈周期性的变速运动。可以将等速转动变为一种周期性的变速转动。

图4-11所示的惯性筛是双曲柄机构运用的一个例子，当主动曲柄1等速回转时，通过连杆2使曲柄3做变速运动，再通过连杆4使筛子5在往复运动开始时有较大的加速度，随即又突然减慢，使料块因惯性作用而达到筛分的目的。

二、曲柄滑块机构

滑块3所做的是直线往复运动，运动到两端必须停止返回，因此滑块的运动是一个变速运动。那么由滑块3推动的曲柄1所做的转动从严格意义上讲也是非匀速转动。为了获得匀速的转动必须配上飞轮以平衡转动过程的角速度同时克服曲柄1转动到与连杆成一直线时的死点，如图4-12所示。曲柄滑块机构的滑块动力通常是由内燃机提供的，因此原动件是滑块，从动件是曲柄。

三、转动导杆机构

图4-13是转动导杆机构。杆1为原动件，滑块2作为导路，导杆3是从动件，当杆1整周转动时，导杆也整周转动。当杆1回转一周时，导杆3也相应的转过一周，但是导杆各时间的转动角速度是变化的。主动杆1匀速转动时从动杆（导杆）3先快后慢，说明从动杆3具有急速回转的特性。一般常取导杆3加速转动的过程为空行程，以慢速转动过程为工作行程。特点是不存在死点位置和自锁情况。

图4-14为按转动导杆机构与曲柄滑块机构合成的简易刨床运动简图。

转动导杆机构还可以作为中间传动机构以适应主动轴与从动轴两轴距离可变的要求，图4-15所示为转动导杆机构作为联轴器的例子，它是一个变形的转动导杆机构。

四、非圆齿轮机构

以前所述的齿轮系，都是匀速的。非圆齿轮传动能达到变速转动目的。常用的非圆齿轮为椭圆齿轮，如图4-16(a)。图4-16（b ）为制造灯泡机的转位机构。

五、挠性件传动机构

挠性件是一种简单实用的传动形式，只要改变轮子的大小就可以改变传递转速。图4-17为常用的利用塔轮（阶梯轮）来改变传动速度的方法。图4-18是利用锥形体改变传递转速的示意图。

图4-19所示为在两轴间用非圆形轮的链传动，一个是偏心轮，一个是心形轮，当偏心轮O1 轴等速旋转时，O2就变速旋转。

第五章 获得往复运动的机构

往复运动机构也大量地应用于产品的功能设计中。例如，刨床上的刨刀的来回运动、发动机汽缸中的活塞的往复运动等。直线往复运动和往复摆动可以由多种方法获得。

第一节 获得直线运动的机构

直线往复运动在行程的两端有必然的减速和停止，再做回返的运动。通常提供原动力的机械是发动机或电动机，输出的是均匀旋转运动。因此，要获得直线往复运动就是如何将旋转运动转变为直线往复运动。 一、曲柄滑块机构

曲柄滑块机构是一种典型的由转动变为直线往复运动的机构。图5-1是一个往复式给煤机的简图。图5-2所示是汽车车门启闭机构，气源进入气缸1，与活塞杆相铰接的角形摆杆3绕固定销轴心A 转动，滑块C 在滑道6内移动，两扇车门4做平面运动可由关闭位置I 到开启位置II 。图5-3为多曲柄滑块机构，大大地拓宽了运用范围。

二、齿轮齿条机构

当齿轮的轴心固定，成为主动轮，则齿条在齿轮的拨动下做直线运动。图5-4（a ）所示为一个钻双孔装置，两个钻头1、9的杆2、8分别作成齿条状，齿轮3、7分别与其啮合。在操作手柄8的控制下，通过一对啮合的扇形齿轮4、5使两齿条同时进给，在工件10上钻出轴线相互成90°的孔。齿轮齿条机构常用于机械设备的主传动系统、进给机构、自动生产线传送装置、仪器支架的升降装置等，如图5-4（b ）所示。

图5-5所示的印刷机大行程送纸机构中，原动力轮转动一转只能获得再加一齿轮，可使机件（上齿条）获得

的行程，称为行程倍增机构。

的送纸行程，

三、推杆凸轮机构

图5-6所示为凸轮机构原理及应用。凸轮转动时，推杆的行程由凸轮大小半径的差决定，推杆运动速度的变化由凸轮的轮廓曲线和转速决定。图5-7中列出了几个凸轮机构的简单例子。

四、斜面机构

图5-8所示为斜面机构原理图和简单运用的例子。

五、螺旋机构

由斜面形成的螺旋机构如图5-9所示。螺纹根据斜面形状不同分成若干种类。 1、三角螺纹

用于固定连接件。 2、方牙螺纹

用于传递大功率、精度要求不高的机械上，如千斤顶、压力机等。 3、梯形螺纹

用在传递较大功率的机械中。 4、锯齿形螺纹

用于单向受力的螺旋压力机等。

单头螺杆作为一种特殊情况使用时，就像一个单齿齿轮，如图5-10就是一个单齿齿轮与齿条啮合的模型。

六、挠性件传动

图5-11为挠性件将转动变为直线运动的应用实例。

第二节 获得摆动的机构

摆动可以由各种机构获得，如曲柄摇杆机构、摆动凸轮机构，齿条齿轮机构等。 一、曲柄摇杆机构

图5-12为插齿机插刀的往复运动机构简图。插下来（工作）时速度慢，提上去（空返）时速度快。

二、摆动导杆机构

摆动导杆如图5-13（a ）所示，杆3只能做左右摆动的运动。图5-13（b ）中，将滑块的转动中心固定，则成为摇块机构。见图2-17. 图5-14所示的摆动油泵便是利用摆动导杆机构的例子。

三、利用凸轮获得摆动的机构

图5-15（a ）是利用凸轮使连杆摆动的例子，图5-15（b ）中，凸轮的转动可使两平面

摆杆同时做开合的运动。

四、齿轮齿条摆动机构

可以利用齿条的往复运动在齿轮上得到一个往复的转动，当这个往复的转动不超过一周时就成为了往复摆动。如图

5-16.

第六章 扩大位移及倍力机构

第一节 扩大位移与行程的机构

一、杠杆机构

杠杆机构一般是用来增大力量的倍力机构，如剪刀、钳子等。根据杠杆原理，也可以用杠杆的长臂来扩大位移，如图6-1所示。利用光学反射镜也可以扩大角位移，如图6-2所示。

二、利用杆式机构获得行程放大

前面介绍的印刷机中的双倍行程送纸机构是一种曲柄滑块与齿轮齿条机构。再如图6-3所示的平面六杆机构由曲柄1，构件2、3、4、5和机架组成。当曲柄1绕轴O1 回转时，使得杆件5（代替滑块）实现预定的大行程往复运动。其行程大小取决于杆2的长度。

图6-4为利用凸轮连杆机构增大行程的例子。原动件为凸轮1，从动件为工作台5，调节构件4的长度可以调整工作台的往复行程。

在图6-5中，机构在凸轮1的驱动下，使推板7左右往复运动，调节杆5的长端的长度，可以调节机件7的行程。图6-6是一个比较紧凑的凸轮移动行程放大机构，摆动的凸轮通过轴销带动滑杆往复运动。由于齿条与扇形齿轮啮合，可以使与滑杆相连的扇形齿轮绕轴心摆动，扇形齿轮的上部摇臂可以带动上部的机件（未画出）往复运动。摇臂加长则可获得更大的行程放大比。

三、平行四边形机构的放大作用

图6-7是一平行四边形放大仪，O 点固定，C 、E 点可绘出相似图形来。图中b 就是利用此原理的一种几何图形和曲线转换器。反其应用可以缩小图形。

第二节 倍力机构

一、杠杆倍力机构

杠杆机构将主动力施加于杠杆长端，则在短端可以得到更大的力。图6-8所示复式杠杆，在A 点加力F ，则在B 点可以得到同方向的力F ’，由图中公式可以看出力量大了许多。

二、连杆式倍力机构

连杆式机构是由若干杠杆组合而构成的。图6-9是一种钻床夹具，目的是压紧工件6，向

下压构件2，则构件5向下压，结果为图（b ）所示。这种机构有自锁性，图（b ）为锁紧的状态（B 、C 、D 成一直线），只有将构件2向上用力提起才能将自锁解开。

图6-10为连杆式机构增力的手动压力机简图。

三、螺旋倍力机构

图6-11中的两种千斤顶，多了一套蜗轮蜗杆机构，可以起到省力的作用。利用螺旋和斜面的配合，还可以获得增力机构，叫二次增力机构。如图6-12。

四、滑轮组倍力机构

滑轮组的功能和特性是它的倍力特性，利用滑轮组与其他机构组合也可以构成倍力机构，如图6-13。

五、齿轮倍力机构

图6-14是电动葫芦的传动示意图。电动机通过减速箱将较低的速度传递给予滚筒使其低速转动，从而获得大扭矩，产生较大的提升力。

第七章 间歇运动机构

在特殊情况下，要求机构做断续运动，也叫间歇运动或步进运动，一般原动力都是以转动输出的，怎样将转动变为间歇的运动是本章介绍的主要内容。

第一节 产生间歇转动与摆动的机构

间歇运动可以由棘轮、槽轮、凸轮、不完全齿轮、连杆等机构实现。

一、棘轮间歇机构

棘轮的基本构件为棘轮和棘爪，棘轮是具有单向齿的齿轮，棘爪是阻止棘轮回返或推动棘轮单方向转动的机件，如图7-1所示。棘爪是原动件，棘轮是从动件。棘爪2装在摆杆3上，当摆杆顺时针转动时，棘爪推动棘轮转动。摆杆在返回的过程中，棘爪从棘轮的单向齿上滑过，由于止回棘爪的止回作用，所以棘轮不会倒转。当摆杆再次向顺时针摆动时，开始第二个圆周运动。棘轮就以等角度间歇转动。棘轮机构在进给机构、送料机构中用得较多。

二、槽轮间歇机构

图7-2为一种最简单的规则四槽外槽轮机构。也叫马耳他机构，是分度、转位等步进、间歇传动中应用最普遍的一种机构。当轮2做连续转动时，由于转臂3的作用，当转臂上的柱销进入槽轮1的轮槽中时，推动轮1一起转动。当转到一定角度后柱销脱离槽轮1的槽，此时虽然轮2继续转动但轮1不转动。槽轮根据动作的要求有各种形状，可分为内槽轮、外槽轮、多柱销槽轮及不等臂长槽轮等。图7-3是几种槽轮的基本形状示意图。

三、凸轮间歇机构

由于凸轮的连续转动可以使从动件往复摆动（或往复直线运动）。稍加改进便能用以驱动槽轮或棘轮做间歇转动，如图7-4所示。

图7-5所示为柱式凸轮间歇机构，由凸轮直接驱动销轮完成间歇转动。柱式凸轮轮廓不是封闭的，也就是说它不绕圆柱一周，而是在圆柱上做成两端有头的凸轮轮廓。从动件是一个有很多销的圆盘，当柱式凸轮连续转动，就依次间歇性地拨动从动件的销。有凸轮轮廓的部分能拨到，断开的部分拨不到，就形成停顿，从而使从动圆盘完成间歇转动运动。

四、摩擦自锁式间歇机构

常用的摩擦自锁式间歇机构为圆棍式，如图7-6所示。图中1为开了多个单向缺口的星轮，每个缺口中嵌有圆棍2，小弹簧3的作用使圆棍常态下紧靠套筒4的内壁。当内星轮为主动轮并顺时针旋转时，圆棍将向狭缝运动。这时，如果转速加快则压力增大，摩擦力也随之增大，从而带动套筒一起转动。当星轮逆时针旋转时，圆棍将向宽缝运动，其产生的摩擦力不能带动套筒转动。若套筒为主动轮其结果与上述相反。由此可见，无论套筒和星轮哪一个做往复摆动，其另一机件则只能做单向的间歇摆动。当星轮带动外套筒做高速转动时，如果星轮的转速降低，则外套筒继续转动，此时外套筒的转速超越了星轮，互不

干扰，所以这种机构也叫做超越离合器。图7-7为一个较完整的摩擦式超越离合器无级传动装置。

五、欠齿轮间歇机构

齿轮有一部分没有齿，叫欠齿轮。图7-8（a ）中小轮只有一段弧有齿，另一段圆周没有齿，只有低于齿的圆弧。大轮每隔90°有一短齿，共有四个短齿，当它与小圆圆弧部分接触时，为主动轮的小轮转动但大轮不动。当小轮有齿部分转动到大圆短齿处又重新开始下一个重复的运动过程。

第二节 间歇直线移动机构

单向直线间歇运动的机构，也叫步进机构。步进机构是单方向、有规则的、时动时停的运动。如针式打印机和喷墨打印机的进纸机构，显然不是连续地将纸送出，因为打印时总是一行一行地打印，打完第一行，在打印头返回时送纸机构将纸再送进一行，打印头再进行第二行的打印，这就是单向直线移动式的步进机构。步进机构一般是由几种机构共同配合来执行这一过程，即将连续的转动或连续的重复运动转换成步进运动。间歇移动机构通常用连杆机构、凸轮机构、齿轮机构或者其他组合机构等来实现。

一、连杆步进机构

步进机构的目的是要把某个工件或装置由一个工位送到下一个工位，在自动生产线中，使用这种机构的情况较多。图7-9（a ）中连杆机构上部有一排单向倾斜的爪齿，曲轴1带动连杆2做推送运动，其运动轨迹为一个倒“D ”形。图中所示为将工件推动一个行程时的状态。接下来推爪做向下的弧线运动而继续向后沿弧线轨迹返回初始态。然后再以水平运动的方式将工件向前推动一个行程。也可以用齿轮和连杆共同构成步进机构，如图7-9（b ）所示，其推爪的运动也是一个倒“D ”形。照相机上的自动卷片装置也是一个步进机构。当卷片轴转动一圈，带动与胶片孔相啮合的齿轮转动一定数量的齿，将胶片送进一张照片的进程。

二、凸轮步进机构

凸轮具有大小直径，其差叫凸轮的升程，利用这一升程可以获得往复运动。图7-10中，由凸轮的转动通过连杆的几个固定点的巧妙布置，此步进机构的送料器沿着一矩形轨迹运动。

三、齿轮齿条步进机构

如图7-11所示，欠齿轮在有齿部分与齿条啮合时，使齿条向左移动，当齿轮转到无齿部分 时，齿条不动，这样就实现了一走一停的动作。

第八章 实现特定轨迹的机构

利用常用的典型机构，可以组合成复合机构。通常是由两种简单机构进行组合，例如齿轮和凸轮、齿轮和连杆、凸轮和连杆等，最后输出的动作就是这两种形式运动的合成。

第一节 直线导向机构

若机构中构件上的某些点运动的轨迹近似地或完全地与直线重合，这种机构叫直线导向机构。图8-1是起重机起重臂的平移示意图。采用平移机构的目的是为了悬臂在伸展 的过程中货物重心保持一定的高度，否则就会增加动力机械的载荷。

图8-2所示为绳索垂直导向机构，该机构可以使机件保持水平状态平行上下移动。

图8-3所示是由两个平行四边形机构组成的导向机构。构件1、2保持水平状态作垂直方向的移动运动。平行线尺用了平移机构的原理。天平上也用了类似的机构，如图8-4所示。

第二节 曲线导向机构

在有些机械，特别是轻工业机械中，经常需要机件做一定规律的曲线运动，以完成一定的功能而返回时又沿不同的路径返回，形成一个封闭或交叉封闭的曲线轨迹。

图8-5所示为凸轮和齿轮导向机构，这是胶片洗印设备中移动胶片的钩子驱动机构。在胶片移动中钩子应沿直线等速运动，在钩子钩入和脱开时应与胶片保持垂直，并尽量没有冲击，那么钩子端点的运动轨迹如图中虚线所示。

该机构由一对齿轮1、2及一摆杆3构成，图中4为柱销，插入摆杆3尾部的导槽中。该机构就能完成前述的胶片的钩取过程。

图8-6所示为一轧钢机轧辊的驱动装置，它是一种齿轮连杆曲线导向机构，利用这种机构可以使轧辊的运动轨迹符合轧制工艺要求。这是一个五杆机构，在工作过程中F 点（轧辊

中心）的运动轨迹如图中虚线所示。

图8-7所示的机构由于大轮转一周，小轮转三圈，所以机构C 点轨迹经过三次循环才完成一个完整轨迹。也就是说此机构在整个曲线运动中有三次间歇，它比较适合有间歇的曲线运动机构。

图8-8所示的机构中，机件的M 点行程的轨迹是类似“柳条”的形状。这种机构是以曲柄摇杆机构为基础的，可用于实现缝纫机上挑线杆的运动。

一、具有椭圆轨迹的机构

在内行星轮系内滚动的行星齿轮，若它直径等于大圆直径的一半，则小圆上任意一点在小圆滚动的过程中形成的轨迹为一椭圆，小圆圆周上任意一点的轨迹为大圆的直径，圆心的运动轨迹为一个圆。这一对相对运动的圆叫卡丹圆。根据这一机构可以得到加工椭圆物品的机器，例如椭圆车床，如图8-9所示。图（a ）中，车床夹具上B 、C 点只能在导槽内滑动，夹具夹住工件，当工件转动时，则由于导槽的作用，工件上点的运动轨迹是一椭圆。如果在某一点（如A 点）上装上车刀，就可以将工件车出椭圆形状。

二、面积测量机构 图8-10中（a ）是面积测量机构原理图，（b ）是面积仪图，（c ）是读数器图。杠杆1的针尖2固定不动，针尖3绕行被测面积的轮廓，在读数轮, 上读出面积值。

第三节 空间机构

空间机构也叫立体机构，其构件上某些点的轨迹是空间曲线。 一、在两交错轴之间传递旋转运动的空间机构 如图8-12所示。

二、大齿轮及圆柱齿轮构成的传递装置

如图8-13所示，主动轴和从动轴可以互相平行、垂直或成任一角度。

三、三对蜗杆副组成的同轴蜗杆传动

这种机构可以得到很大的传动比，如图8-14所示。

四、搅拌器的传动和运动装置

搅拌器的搅拌杆在槽内的运动轨迹是球面。如图8-15所示，做这类球面运动的机构在生活中也比较常见，如挂在车厢内的电扇头，可以利用此原理使其作球面转动而增大送风范围。

五、缝纫机的部分动作机构

在这种机构中，曲轴通过四杆机构带动摆杆做空间运动，有一螺母可调节机构的运动幅度，如图8-16所示。

第九章 其他典型应用装置

第一节 定位及调整机构

一、钢球定位装置

可以用来定位手柄、仪器仪表、按钮、家用电器旋钮等，实现功能和功能的分档调整。其定位的钢珠及机构可以安装于产品内部，手柄或旋钮可安装在产品外壳，对于分有若干挡位的旋钮特别适用。其中弹簧和钢珠也可换成弹簧和圆锥销，它的定位适用于不能随便改变的换挡旋钮上。换挡时要拉起手柄使圆锥销离开定位孔才能换位，如图9-1所示。

二、重力转换机构

在一些轻巧微型转换开关中，只要稍用一点力就可以使此装置的触点换向另一个位置，这种微型开关实际上是一种重力转换机构。此类机构适用于轻巧机构和玩具中，如图9-2所示。

三、 弹簧棘块转换机构

图9-3所示为一弹簧棘块转换机构。沿箭头方向按压时，棘块1顶在转换零件2的凸出部A 上，然后顶住凸出部B ，从而扳转零件2。按压停止，弹簧使棘块1回到原位中间位置，零件2由弹簧3固定在极限位置。反之，重复以上动作，但零件朝相反方向转动到极限位置。此机构常用在电器开关中，按一下接通，再按一下断开。

四、运动方向转换机构

图9-4所示为一接触开关或转变方向的推力机构。压下按钮1，导杆2使盘3转动，此时盘3的指销顶在棘轮5的轮齿上，棘轮5使三角形凸轮4旋转60°，进而使支架及支架上的杆移动。放开按钮1，机构又回到原起始位置。

图9-5中，按下按钮1，导杆2向下运动同时因斜面的作用，推动斜块3并使导杆4左右移动。

五、车轮转弯操纵机构

车轮正确转弯的条件如图9-6所示，所有车轮的轴线应交于作为回转中心的后轮的轴线或其延长线上一点。车轮在垂直平面内转动时，操纵轴和车轮都应当有一定程度的倾斜，操纵轴的倾斜应保证轴线通过车轮在地上的支点。使车轮操纵轻便，并能在停车时转动车轮，并使车轮有较好的稳定性。

六、交叉拉杆操纵机构

图9-7所示的简单机构可用于一些简单车辆的转弯机构上。

图9-8所示为机床进给箱单杆操纵简图。手柄1在垂直平面内转动时，通过轴2、扇形圆锥齿轮3、齿轮4、轴5和拔叉6使齿轮8和9与拔叉7一起轴向转动。手柄1在水平面内回转时，通过旋转卡环10, 、扇形轮11、齿轮12、拔叉13使拔叉14与滑动齿轮15和16一起进行轴向移动。

第二节 供给和分配装置

供给的材料是多种多样的，可以是长条形（棒）、板状、卷状、单个状和散状。 一、线材和板材的供给装置

长条和板状的材料通常都是制作成卷，例如钢筋卷、钢板卷等，以便储存和运输。图9-9是供给线材和板材的装置简图。

图9-9是一种连续供料的装置。图9-10所示的断续步进供给装置示意图。1和2为两个同样形状，同方向的、装有钢球的夹持机构。1固定不动，2在其他动力机构的带动下作往复运动。周而复始地执行供给材料的任务。

二、薄形材料的供给

薄型材料（如纸张）又薄又软的特性，在印刷设备中一般都要从一叠纸中逐一的送出每一张纸以供印刷，要求自动、准确、有节奏而且平稳。 1、利用摩擦力

图9-11中利用塑料或橡胶制成的摩擦块在摆动杆机构的驱动下逐一推送 最上面的一张纸。

2、利用吹气和空吸式送纸机构 如图9-12所示。

三、单体零件和材料的运送和供给装置 1、送料盘式上料机构

图9-13所示为盘式上料器上料器旋转时带动毛坯料一起运动。 2、由几个转子组成的上料器

如图9-14所示，零件依次由一个转子传送给另一转子，沿着复杂的路线自动连续运送。

3、往复式上料器

图9-15所示为两种往复式上料器

.

四、规则零件的运送 1、套筒形零件上料机构

当零件为套筒形时，可利用其孔导入运送带上的钉内进行运送，它的好处是运送的毛坯都具有统一的方向，如图9-16所示。

2、帽盖形零件上料机构

如图9-17所示，这种机构的旋转支架上带一个钩子，旋转钩在料斗下部钩住零件，并将零件抛入上料器。

3、圆柱形零件的运送机构

图9-18为圆柱形零件的运送机构。

图9-19为带摆动杠杆的上料器，也用于运送圆柱形零件。摆动杆1和2往复摆动将混乱的圆柱形零件理顺，再由挡料器3将料从下方逐一送出。

五、散状（粒状）原材料的输送 1、连续上料器

散状材料包括常见的砂石、煤等细粒状和粉末状的材料。图9-20所示为粒状材料连续动作的上料器。图9-21是皮带输送机的示意图。

2、计量上料器

图9-22所示为盘式的具有分配功能的计量上料器。图9-23所示为最常见的螺旋输送装置。

六、零件和材料的选分及整列

在零件和材料的选分或整列时，通常利用物质本身的物理特性，如重力、形状、比重、磁性等，根据加工要求也利用一些较复杂的，但平稳可靠、精度高的夹持机构。 1、零件的整列和输送

如图9-24是几种零件整列装置示意图。图9-25为六角螺母零件的上料器。

2、零件个别整列

图9-26为沿管子运送帽盖形零件时控制零件位置正确性的装置。由上道工序输送过来的零件的方向是不一致的，在下一道工序作业中又必须使底朝下一致排列输出以利于加工。 图9-26（b ）所示也是整列帽盖形零件的装置，这里零件是由水平方向运送过来的，具有一定的推力。

七、零件和材料的筛分

有些作业要求对合格与不合格的零件进行筛分。筛分就是找出零件之间的差别，主要是利用其形状、尺寸、表面粗糙度、摩擦系数、重量、电磁特性及其他物理特性等。同种零件

的筛分，可以利用零件的尺寸差别来进行。 1、按零件直径筛分

图9-27是在生产轴承的生产线中按直径筛分钢珠和锥形滚柱的装置的原理图。

2、根据零件高度筛分

图9-28为按高度挑选零件的装置。 3、按长度进行筛分

图9-29为按长度分选零件的装置。

4、按比重进行筛分

图9-30所示为一按比重挑选物体的装置，图中是一谷物、草秆分离机原理图，模仿了簸箕手工簸动分离谷物的原理。

第三节 行程控制及转向装置

要使机械完成规定的动作，还涉及工作构件行程的控制、调整、自动停止和自动转向等问题。

一、自动卸料装置

图9-31为矿山料车自动倒料的装置。料车的前后轮轮距不一样宽，分别行驶在宽窄不同的轨道上，后轮的轨道到终点时向上形成一段弧形，使料车向前翻倒卸料。

图9-32所示为自动卸载的卷扬机的铲斗。铲斗1沿着导路5和2向上移动，且其侧面的孔被闸板4盖住。当滚子3沿弧形导路运动时，闸板打开，铲斗自动卸载。

图9-33所示为自动装卸的矿车。

二、可调行程的机构

在机构设计时，经常要求作业物件能在某种范围内调整，以适应不同原材料的加工或达到某种特定的目的。为了满足能够调整的目的，必需附加可以调整个别机件长短、改变连接位置等的附加机械。其中，调整机构的行程是最普遍的。

图9-34所示为长度可从a~b范围改变的曲柄。曲柄与其他连杆轴的连接点为可调点A 。 图9-35所示为一摆动圆盘，它本身是倾斜于旋转轴安装的，当轴旋转时圆盘作摆动旋转。在轴与圆盘加装了可以调整倾斜程度的杆和可调螺母，从而改变圆盘摆动旋转的姿态。

图9-36所示为缝纫机的导布器机构。转动杠杆2即可改变齿块1的左右行程，从而改变和调整针迹的疏密。

图9-37所示为内燃机的配气机构。转动杠杆2可以调节气门1的行程。

三、转向和换向机构

这里所说的转向和换向，是指机件在工作过程中需要根据任务而改变运动方向，或因外界条件的变化而改变运动方向，其中不包括往复运动的倒向。例如，家用电器或玩具中的某些机件的工作按直线往复运动，按要求需要在规定的时间改换一个方向（比如90度）再作往复运动。另外，如果当运动物体碰触到一障碍时，需要倒退或者转换方向前进，此时也需要自动换向装置。

图9-38所示为具有正反螺纹的自动换向装置。在图中，螺杆1具有正反交叉螺纹槽，交叉螺纹槽的上部空间装有自动换向器3，它是一三角形状的杠杆装置。当轴转动时，滑块2沿右螺纹槽向上滑动，当滑动到一圈返回后在上部位置继续滑动时，使换向器向右边倾斜，随即打开了左螺纹的螺纹槽。再转一圈回来就进入左螺纹槽并向上滑动，图9-38给出了滑块2从右螺纹转到左螺纹的3个依次位置。

图9-39为一变换转动方向的换向装置。

图9-40是一个可倒向的玩具汽车的原理图。此小车前端为圆弧形，便于避开和摆脱障碍物，两前轮其中一轮为驱动轮，另一轮是套在轴上的自由轮，当小车碰见障碍物时，驱动轮则继续滚动，并使安装驱动轮的圆板旋转，弹簧的回位作用使圆盘复位，反复几次，直到小车脱离障碍物。复位弹簧使圆盘复原位，驱动轮也回到初始位置，小车继续沿直线前进。

图9-41是利用惯性使玩具小车转向的原理图。柱状齿轮转动经端面齿轮使车轮转动，小车

沿直线前进。柱状齿轮的轴两端伸出车体外，是一个可滑动的轴。当前进的小车碰及障碍物时，由于惯性的作用小车体向前撞击障碍，同时柱状齿轮相对向后滑动，而此时飞轮仍在转动，由于柱状齿轮改换了位置，所以端面齿轮向相反方向转动，使小车后退。

在皮带和绳索等柔性转动中，可以很容易地改变从动轮的方向。图9-42所示为利用交叉皮带转向的原理。其中1为主动轮，2、3为从动轮，轮2、3在同一轴上，但是通过一可以滑动的键连接其中的一个（如轮2），另一个空转。需要换向时，利用拔叉将轴滑向另一个轮（如轮3），使轮2空转。此时从动轮作反向转动。

图9-43为利用惰轮的换向机构。

新原理及机构的创意

设计人员应具备的基本的物理、化学知识也是我们创造开发新产品的重要源泉。

第一节 物理、化学现象与新原理

一、重力的利用

图10-1为很巧妙地运用重力设计而成的趣味玩具。它可以自动从上面第一根横杆向下翻转直到落到最下面。

图10-2为一个能向上爬坡的轮子。在轮子制作时使轮子的重心偏离圆心，放置时取重心高位放置，轮子就在重力作用下向斜面的高处滚动。

图10-3中同样是利用了势能降低的原理，图中的锥形滚子的材料是均匀的，但是其支承的轨道是一“人”字形，低端较窄，高端较宽，将锥体放置在低端，锥体便会沿着轨道向高第十章

端滚动。

二、惯性的利用

任何运动的物体，在没有其他外力作用的情况下，它将以现在的运动状态继续运动下去，这就是物体的惯性。当对运动的物体施加外力，使它改变运动状态则必须克服它的惯性，这就使得所加的外力产生启动滞后的现象。

图10-4所示为利用惯性的一个例子。将一玻璃球或钢球装入一纸袋中，端口封死将纸袋放置于斜面上，纸袋会翻滚。其原理是由于钢球在纸袋中滚动的惯性作用。

图10-5所示为利用惯性的夯土机。电动机带动具有惯性块的皮带轮转动，惯性块转到图示位置时因惯性力（离心力）的作用又会加大夯头向下的力度，以较大的冲击力来夯实土壤。

图10-6是利用惯性的手动剃须刀的工作原理图。飞轮作为能量的储存机件。用手按动推杆，通过内部齿轮齿条的传动关系使轴转动。当手回复时，依靠飞轮的惯性作用提供继续 旋转的动力。

图10-7所示为利用物体在做圆周运动时产生离心力的原理设计的火车车厢自动平衡装置。车厢的底部呈弧面形，装在底盘的可转动的轮上，当转弯较急时，由于惯性的作用使车厢的下部向外摆动，向内倾斜。此原理利用于汽车上，特别是重心较高的双层客车上，可以提高转弯时的安全可靠性。

图10-8所示为利用惯性控制转速的装置。活动叶片与轴之间有弹簧连接，使常态下的叶片是闭合的。当轴高速旋转时，叶片由于惯性的作用而张开，同时产生阻力，轴速越快，叶片张开越大，阻力也越大，相互制约达到控制转速的目的。

三、弹性的利用

图10-9为一副利用弹簧作蜗杆的蜗轮蜗杆传动装置。可以安装一杠杆使弹簧蜗杆弯曲而与

蜗轮脱离，就可以成为蜗杆连续转动而蜗轮可以任意控制其转动与停止的传动装置或间歇性装置。

物体的振动也是属于弹性物理性能的范畴，特别是较大幅度的振动。大家熟悉的音响喇叭，也是由于不同电磁信号使纸盒振动而发出声音的。图10-10为喇叭的断面形状，它是一个有许多沟槽的皱纹膜，具有很大的变形能力。

图10-11为一个具有50到100圈弹簧的简易玩具。它可以在斜坡上柔软地伸缩翻转而下，也可以在阶梯上翻转而下。

图10-12所示为利用橡皮圈绕性的能爬上坡的小车。

第二节 其他物理现象及应用

一、毛细现象

图10-13为利用毛细管制作的饮水鸟，在鸟身体内部是一毛细管，水槽的水由饮水鸟的嘴尖吸入而上，又由毛细管顺流而下，在鸟尾部排出。当水在毛细管内向下流动时，由于微小的重力差别，使鸟头抬起，鸟尾下降，当水排到一定程度时，鸟头又向下，形成小鸟饮水的动作。关键之处是鸟身质量尽量轻巧，而重心位置要精确。

二、光热辐射原理

图10-14所示为利用光和热使其旋转的辐射仪。在封闭的玻璃壳体内装有一个叶片轮，叶片的一面是白色，另一面是黑色，在受到光照的情况下，由于叶片两面颜色不同而导致吸热程度不同，所产生的压力差可使其自动转动。

三、气压原理

图10-15所示为利用大气压力原理设计成的供油自动停止装置。

四、磁力原理

图10-16为利用磁铁的吸引力制作的瓢虫爬杆的玩具。

第三节 复杂运动及作业装置

一、具有复杂动作的机械装置

图10-17（a ）为人手放唱片的动作过程，将垂直放置的唱片抽出，再翻转90°水平放置在唱盘上。图10-17（b ）为一机械动作的过程，由一顶杆将竖直放置的某张唱片顶出，再由卡钳卡住唱片外圆圈，翻转90°放在唱盘上。还可以将唱片水平放置，进行水平分离取出唱片，省去了一个翻转90°的动作。

机械作业与人的手动作业由于其特点在程序上有些不同。图10-18所示为加工一根针的程序，手工操作是先将线材切断，再通过冲压成一定的外观形状，打孔、单端针尖加工等工序。而机械作业则是首先进行线材的模压成型，再打孔、切断、单端加工针尖至完成。可见顺序有交换，因此设计机械的加工作业应当考虑有利于机械动作的特点。

图10-19所示为一糖果包装的过程。人手包装一般是对折再对折的三折形，而机械确适合于用胶纸或填压封口的操作程序，而且事先将包装材料制作成长筒状。

二、机械手的结构与动作

工业机器人是代替人类进行作业操作的机器，以完成人所不能精确完成的、重复性的或者是对人体有害的劳动。机器人的工作手臂通常的结构都是模块化的组合，分段旋转等。如图10-20所示，机械手的握持部分一般为两到三指，便能完成动作。