实验一
机构认知实验
一、实验目的
通过观看机构的运动（10个陈列柜，77种机构），了解各种机构的基本结构、工作原理、特点、功能及应用，配合相关课程的学习。
二、实验设备
各类机器、机构模型陈列柜（10个陈列柜，77种机构）。
三、实验原理和内容
机构由机架、原动件和从动件三部分组成，其中固定不动的构件为机架，运动规律给定的构件为原动件，原动件由电动机驱动做等速运动，其余的活动构件则为从动件。
本实验所要研究的四种基本机构如下：
1、平面连杆机构
2、凸轮机构
3、齿轮机构
4、停歇和间歇运动机构
四、注意事项
1、不要用手人为地拨动构件。
2、不要随意按动控制面板上的按钮。
3、遵守实验室规则，规范操作，注意安全。
五、实验报告内容要求
1、实验报告用实验报告纸书写，写上姓名、学号、班级、实验日期。
2、写出实验目的
3、写出实验原理
4、实验设备中常用机构的类型：
5、思考题：
（1）机器是由 组成的，当有多个机构时，它们应当按照一定的 要求互相配合。 （2）在有曲柄存在的条件时，取不同的构件为机架，可以得到铰链四杆机构的 种形式。 （3）平面连杆机构的第一种应用类型是：实现给定的 。 （4）平面连杆机构的第二种应用类型是：实现给定的 。
（5）利用重力、弹簧力或其他外力，使从动件与凸轮始终保持接触的锁合方式称为 。若利用凸轮和从动件的高副几何形状，使从动件与凸轮始终保持接触的锁合方式称为 。
（6）斜齿轮圆柱齿轮机构的传动优点是 、、和 。缺点是因轮齿倾斜而产生 ，使轴承受到附加的轴向推力。
（7）当齿数无穷多时，渐开线齿廓变成 ，齿轮变成 。 （8）相同的齿数，模数大的齿轮轮齿周向尺寸和径向尺寸 。
（9）渐开线齿廓上各点的压力角是不同的，越接近基圆压力角越 ，渐开线在基圆处的压力角为 。国家标准规定齿廓上分度圆的压力角为20°与15°两种，常用的为 。
（10）谐波齿轮减速器的特点是： 大， 少， 小，同时啮合的齿数 。 （11）摆线针轮行星齿轮减速器优点是： 小， 轻，能力大， 高，平稳等。 （12）举例说明四大机构在日常生活中应用的实例。
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附：陈列柜内容简介（文前数字为陈列柜中相应机构的序号）
第一柜 序言
1．单缸汽油机模型
单缸汽油机把燃气的热能通过曲柄滑块机构转换成曲柄转动的机械能，采用齿轮机构来控制各气缸的点火时间，同时还采用凸轮机构来控制进气阀和排气阀的开与关。 2．蒸汽机模型
利用曲柄滑块机构，将蒸汽的热能转换为曲柄转动的机械能。用连杆机构来控制进气和排气的方向，以实现倒顺车。
3．家用缝纫机
为了达到缝纫目的，采用多种机构相互配合来实现这一工作要求。例如针的上下运动是由曲柄滑块机构的滑块来实现的，挑线动作是由圆柱凸轮机构来完成的。摆梭运动和送布运动都是由几组凸轮机构相互配合来实现的。
第二柜平面四连杆机构的基本知识
平面连杆机构是被广泛应用的机构之一。而最基本的是四连杆机构。通常把它们分为三大类：第一类基本形式是铰链四杆机构，它有3种运动形式。 4．曲柄摇杆机构
它是以最短杆相邻的杆作为机架，而最短杆能相对机架回转360°，故成为曲柄，在曲柄等速运转时，摇杆作变速摆动，在右面的机构中摆杆向右面摆动慢，而向左面摆动快，这种现象称为急回特性。在左面机构中的急回特性就不很明显。 5．双曲柄机构
当取最短杆为机架时，这时与机架相联的两杆均成为曲柄。所以这个机构称为双曲柄机构。注意观察，当一个曲柄等速运转时，而另一个曲柄在右半周内转动慢，在左半周内转动快。双曲柄机构也具有急回特性。 6．双摇杆机构I 当取蓝色的杆为机架，则与机架相联的两杆均不能作整周回转，而只能来回摆动。所以此机构称为双摇杆机构。
7．双摇杆机构II 从外表看它与上面的铰链四杆机构相似，但它的红、蓝、白三杆长度是相等的。因此，同样由黑杆作为机架，但得不到曲柄，并且无论取哪个杆为机架均没有曲柄出现。平面四杆机构的第二类基本形式是带有一个移动副的四杆机构，它是以一个移动副代替铰链四杆机构中的一个转动副而演变得到的。简称为单移动副机构。 8．曲柄滑块机构
它是应用最多的一种单移动副机构，它可以将转动变为往复移动，或将往复移动变为转动。但是，当曲柄匀速转动时，滑块的速度则是非匀速的，取不同构件为机架，我们还可得到下面几种不同运动形式的单移动副机构。 9．曲柄摇块机构
蓝色的杆为机架，红杆称为曲柄。黑杆绕固定点作摆动，它也有急回特征。 10．转动导杆机构
以红杆为机架，其他两杆均为曲柄，黑杆称为导杆。 11．移动导杆机构
以滑块为机架，此机构没有曲柄。
平面连杆机构的第三类基本形式，是带有2个移动副的四连杆机构，简称双移动副机构。取不同构件为机架，可得到3种形式的四连杆机构。 12．曲柄移动导杆机构
黑色导杆作简谐移动，所以又叫做正弦机构。它常用于仪器仪表中。 13．双滑块机构
在机构上除连杆中点的轨迹为圆以外，连杆上其余所有点的轨迹均为椭圆。所以也叫做画椭圆机构。 14．转块机构
2 这种机构如果以某一转块作为等速回转的原动件，则从动转块亦作等速回转，而且转向相同。当2个相互平行的转动轴间的距离很小时，可采用这种机构。这种机构通常作为联轴器应用，称为十字滑块联轴器。
第三柜 机构运动简图及平面连杆机构的应用 15．泵模型I 泵体上右边的孔是进油孔，左边的孔是出油孔。 16．油泵模型II 它的工作原理与油泵模型I一样。 17．颚式破碎机
用来粉碎矿石，它是一个平面六杆机构。 18．“飞剪”
剪切钢板的工艺要求是：剪切区域内上、下2 个刀刃的运动，在水平方向的分速度相等，而且又等于钢板的运行速度。这里采用了曲柄摇杆机构，它是很巧妙地利用连杆上一点的轨迹和摇杆上一点的轨迹相结合来完成剪切工作。 19．压包机
冲头在完成一次压包冲程后有一段停歇时间，以便于进行上、下料工作。 20．铸造造型机翻转机构
它是一个双摇杆机构。当砂箱在震动台上造型震实后，利用该机构的连杆将砂箱由下面经过180º的翻转搬运到上面位置，然后取模，完成一次造型工艺。是实现2个给定的不同位置要求的机构。 21．电影摄影升降机
摄影机的工作台要求在升降过程中始终保持原有的水平位置。这里采用了一个平行四边形机构。工作台设在它的连杆上，这样就保证了工作台在升降过程中始终保持水平位置。 22．港口起重机
它是一个双摇杆机构。在连杆上的某一点有一段近似直线的轨迹，起重机的吊钩就是利用这一直线轨迹，使重物作水平移动，避免不必要的升高重物，而消耗能量。
第四柜 凸轮机构
凸轮机构常用于将主动构件的连续运动，转变为从动构件的往复运动。只要适当地设计凸轮廓线，便可使从动件获得任意的运动规律，由于凸轮机构结构简单而紧凑，因此，它广泛地应用于各种机械、仪器和操纵控制装置中。
凸轮机构的主要组成部分和基本形式： 23．凸轮机构主要由三部分组成 （1）凸轮：它有特定的廓线。
（2）从动件：它由凸轮廓线控制，按预期的规律作往复移动或摆动。
（3）锁合装置：使凸轮与从动件在运动过程中，始终保持接触而采用的装置。 24．移动凸轮机构
凸轮作直线往复运动，它可看成是转轴在无穷远处的盘形凸轮。 常用的锁合有以下几种： 25．槽凸轮机构
从动件端部嵌在凸轮的沟槽中，以保证从动件的运动。 26．等宽凸轮机构
凸轮的宽度始终等于平底从动件框架的宽度，因此凸轮与平底可始终保持接触。 27．等径凸轮机构
在任何位置时，从动件的两滚子中心到凸轮转动中心的距离之和都等于一个定值。 28．主回凸轮机构
它是用2个固结在一起的盘状凸轮来控制一个从动件。这2个凸轮一个称为主凸轮，它控制从动件的工作行程。另一个称为回凸轮，控制从动件的回程。 29．空间凸轮机构
3 凸轮和从动件的运动平面不是互相平行的，一般根据它们的外形分别给于命名，从左向右分别是球面凸轮、双曲面凸轮、圆锥体凸轮和圆柱凸轮。
第五柜 齿轮机构的类型
本陈列柜介绍齿轮机构的各种类型，若根据主动轮与从动轮的相对位置，可将齿轮 传动分为平行轴传动、相交轴传动和相错轴传动三大类。 第一种类型，传递两平行轴之间的运动和动力的齿轮机构： 30．外啮合直齿圆柱齿轮机构
它是齿轮机构中最简单最基本的一种类型。在学习上一般以它为研究重点，从中找出齿轮传动的基本规律，并以此为指导去研究其他类型的齿轮机构。 31．内啮合直齿圆柱齿轮机构
它的主、从动齿轮之间转向相同，在同样的传动比情况下，所占空间小。 32．齿轮齿条机构
它主要用在将转动转变为直线移动或者将移动变为转动的场合。 33．斜齿轮圆柱齿轮机构
它的轮齿沿螺旋线方向排列在圆柱体上，螺旋线方向有左旋和右旋之分。 34．人字圆柱齿轮机构
它可看成由左、右两排对称形状的斜齿轮机构组成。因轮齿左右两侧完全对称所以2个轴向力互相抵消。人字齿轮传动常用于冶金、矿山等设备中的大功率传动。 第二种类型，传递两相交轴之间的圆锥齿轮机构：
它的轮齿分布在一个截锥体上，两轴线的夹角θ可任意选择，一般常采用的是90°。因轴线相交，两轴孔难以达到很高的相对位置精度，而且其中一个齿轮为悬臂安装。故圆锥齿轮的承载能力和工作速度都较圆柱齿轮低。 35．左面是直齿圆锥齿轮机构，它制造容易，用途较广。右面是曲线圆锥齿轮机构，它比直齿圆锥齿轮机构传动平稳，噪声小，承载能力大。可用于高速重载的传动。
第三种类型，传递相错轴运动和动力的齿轮机构，它有以下几种形式：
36．面的机构是螺旋齿轮机构，它是由螺旋角不同的2个斜齿轮配对组成的，理论上两齿面为点接触，所以轮齿易磨损，效率低。故不宜用在大功率和高速传动中。
下面的机构是螺旋齿轮齿条机构，它的特点与螺旋齿轮机构相似。 37．圆柱蜗杆蜗轮机构
两轴夹角为90°，它的传动特点是传动平稳，噪声小，传动比大，一般单级传动比8~1000，因而结构紧凑。 38．弧面蜗杆蜗轮机构
弧面蜗杆的外形是圆弧回转体。蜗杆与蜗轮的接触齿数较多，降低了齿面的接触应力，其承载能力为普通圆柱蜗杆蜗轮传动的1.4~4倍。但是它的制造复杂，装配条件要求较高。
第六柜 齿轮机构参数 39．渐开线的形成 40．摆线的形成 41．齿形对比
第七柜 周转轮系
由多对齿轮组成的传动系统称为轮系。在轮系中有一个或几个齿轮的几何轴线绕固定轴线回转时，称为周转轮系。它分两大类：
42．第一类是差动轮系，在周转轮系中，大齿轮3和转臂H都是主动轮，所以它有两个活动度。这种周转轮系称为差动轮系。
43．第二类是行星轮系，大齿轮3固定不动，机构的活动度为1。此时周转轮系称为行星轮系。 44．如果把这个轮系中的转臂H 固定不动，这时周转轮系就变为定轴轮系。 45．获得大传动比的轮系。
该行星轮系全部由外啮合齿轮组成，当每一对啮合齿轮采用少齿差时，可获得很大的传动比。行星轮系传动
4 比越大、传动效率越低。 46．现特定运动的轮系
这个轮系是采用了3个大小相等的齿轮串联起来组成一个行星轮系，这样齿轮3的转速为零，作平动。 47．差动轮系
差动轮系可将一个运动分解为2 个运动，同样也可将2个运动合成为一个运动。 48．旋轮线
在周转轮系中，行星轮上某点的运动轨迹称为旋轮线。 49．用于传动的轮系
这一类形式适合于传递功率，因此可做成行星减速器。它结构紧凑，效率也不低，其一级传动比为1.2~12，现在这个行星轮系的传动比为7。 50、51．汽车差速器
当需要将一个主动件的转动按所需比例分解为2个从动件的转动时，可采用差动轮系。现在看到的是汽车后轮的差速转动装置。当汽车沿直线行驶时，左、右两轮转速相等。当汽车转弯时，如向左转弯，左轮转动慢，右轮转动快。
52．谐波齿轮减速器
谐波齿轮减速器的最大特点是，它有一个柔轮。柔轮是一个弹性元件，利用它的变形来实现传动。 53．线针轮行星齿轮减速器
第八柜 停歇和间歇运动机构 54．齿式棘轮机构
机构运动可靠，结构简单，棘轮运动角只能作有级调整。回程时，棘爪在齿面上滑过，引起噪声和齿尖磨损。通常用于低速和传动精度要求不高的场合。 55．摩擦式棘轮机构
结构简单，制造方便，棘轮运动角可作无级调整。由于是摩擦传动，所以棘瓜与轮的接触过程无噪声，传动平稳，但很难避免打滑，因此运动的准确性较差，该结构常用于超越离合器。 56．外啮合槽轮机构
槽轮机构也具有构造简单、制造容易、工作可靠和机械效率高等特点。但它在工作时有冲击，随着转速的增加及槽轮数的减少而加剧。故不宜用于高速，适用范围受到一定的限制。外啮合槽轮机构是槽轮机构中用得最多最广的。
57．内啮合槽轮机构
当要求槽轮停歇时间短，传动较平稳，占用空间尺寸小和要求槽轮机构主、从动件的转动方向相同时，可采用内啮合槽轮机构。 58．面槽轮机构
上面两种槽轮机构，都是传递平行轴之间的间歇运动。现在运转的机构传递的是相交轴之间的间歇运动。由于槽轮做成半球形，所以叫做球面槽轮机构。 59．渐开线不完全齿轮机构
下面再向大家介绍齿轮式间歇运动机构。现在运转的是渐开线不完全齿轮机构，各种不同的齿轮式间歇运动机构，都是由齿轮机构演变而成的。它的外形特点是，轮齿不布满于整个圆周上。 60．摆线针轮不完全齿轮机构
它的轮齿也不布满于整个圆周上，不论哪种齿轮式间歇运动机构，其特点都是运动时间与停歇时间之比不受机构的限制，工位数可任意配置。从动件在进入啮合和脱离啮合时有速度突变，冲击较大。一般适用于低速、轻载的工作条件。 61．凸轮式间歇机构
它利用凸轮与转位拨销的相互作用，将凸轮的连续转动转换为转盘的间歇运动。结构简单、运转可靠、传动平稳，适用于高速间歇传动的场合。 62．停歇曲柄连杆机构
它利用连杆上某点所描绘的一段圆弧轨迹，将从动的另一连杆与此点相连，取其长度等于圆弧的半径，这样当每一循环到此段圆弧时从动滑块停歇。
5 63．停歇导杆机构
导杆槽中线的某一部分用圆弧做成，其圆弧半径等于曲柄的长度，这样机构在左边极限位置时具有停歇特性。
第九柜 组合机构
组合机构是由几个基本机构组合而成的。基本机构有一定的局限性，无法满足多方面的要求。组合机构扩大了基本机构的使用范围，综合了基本机构的优点，因此得到广泛的应用。 64．程扩大机构
它由连杆机构与齿轮机构组合，滑块与扇形齿轮相联，通过扇形齿轮的往复摆动扩大了滑块的行程。我们可以看到扇形齿轮上指针的行程大于滑块的行程。 65．换向传动机构
它由凸轮机构和齿轮机构组成。这里采用了逆凸轮，只要设计不同的凸轮廓线就可得到不同的输出运动规律，而且从动件还有急回特征。 66．齿轮连杆曲线机构
它由齿轮和连杆组成，可以实现较复杂的运动轨迹，轨迹的形状取决于连杆机构的尺寸和齿轮的传动比。这种轨迹不是单纯的连杆曲线，也不是单纯的摆线。因此，称它为齿轮连杆曲线，它比连杆曲线更复杂、更多样化。 67．实现给定的运动轨迹的机构
它由凸轮机构和连杆机构组成。选取一个两自由度的平面五杆机构，然后根据给定的轨迹设计凸轮廓线。这种组合机构设计方法比较容易，因此被广泛采用。 68．变速运动机构
它由凸轮机构和差动轮系组成。凸轮的摆杆设在行星轮上。当轮系的转臂H旋转时，摆杆沿固定凸轮表面滑动，使行星轮产生附加的绕自身轴线的转动。这样中心轮的运动为两个旋转运动的合成。改变凸轮轮廓，则可得到从动件极其多样的运动规律。 69．同轴槽轮机构
曲柄主动，连杆上的圆销拨动槽轮转动，槽轮转动结束后，滑块的一端进入槽轮的径向槽内，将槽轮可靠地锁住。这个机构的特点是槽轮启动时无冲击，从而改善了槽轮机构的动力特性，从而可以提高槽轮的旋转速度。 70．误差校正装置
它是精密滚齿机的分度校正机构。当蜗轮副精度达不到要求时，可设计这套校正机构。这里采用了凸轮机构，凸轮与蜗轮同轴，凸轮转动便推动摆杆去拨动蜗杆轴向移动。这时蜗轮得到了一个附加运动，从而校正了蜗轮的转动误差。
71．电动马游艺装置
锥齿轮运载着曲柄摇块机构，曲柄摇块机构完成马的高低位置和马的俯仰动作，锥齿轮起运载作用的同时完成马的前进动作。这3个运动合成后，马就显示了飞奔前进的生动形象。
第十柜 空间连杆机构
它常用于传递不平行轴间的运动，使从动件得到预期的运动规律或轨迹。与平面连杆机构相比，有结构紧凑、运动多样化等特点。因此，空间连杆机构在农业机械、轻工业机械，飞行器、机械手以及仪表等器械中已得到大量应用。
本陈列柜将介绍一些基本的空间连杆机构以及它们的应用。空间连杆机构中的四杆机构是最常用的。空间连杆机构的运动特征，在很大程度上与运动副的种类有关，所以常用运动副排列次序来作为机构的代号。 72．RSSR空间机构
该机构由2个转动副R和2个球面副S组成，常用于传递交错轴间的运动。这里是曲柄摇杆机构，若改变构件的尺寸，可设计成双曲柄或双摇杆空间机构。 73．RCCR联轴节
此联轴节含有2个转动副和2个圆柱副所组成特殊空间四杆机构，它一般应用于传递夹角为90°的两相交轴之间的转动；在实际应用中，连接两转盘的连杆可采用多根，以改善传力状况，此机构常应用在仪表的传动机构中。 74．4R万向节
它有四个转动副且转动副的轴线都汇交于一点，具有球面机构的结构特点。万向联轴节用来传递相交轴间的转动，两轴的夹角α可在0～40°内选取，故得到万向联轴节的美名。它是一种常见的球面四杆机构，两轴的中
6 间连杆常制成受力状态较好的盘状或十字架形状，而两轴端则制成叉状，一个万向节传动时，主动轴与从动轴之间转速是不等的，而采用双万向节时可以得到主动轴与从动轴之间相等速度的传动。 75．4R揉面机构
空间机构中连杆的运动比平面机构复杂多样，因此空间机构适宜在搅拌机中应用，在这个4R揉面机构中，请注意观察连杆的摇晃运动和连杆端部的轨迹，再配合容器的不断转动，从而达到揉面目的。 76．RRSRR角度传动机构
这是含有一个球面副和4 个转动副的空间五杆机构，机构的特点是输入与输出轴的空间位置可任意安排，此机构也是一种联轴节，当球面副两侧的构件采用对称布置时可获得两轴转速相同的传动。 77．萨勒特机构
它是一个空间六杆机构，其中一组构件的平行轴线通常垂直于另一组构件的轴线，当主动构件作往复摆动时，机构中顶板相对固定底板作平行的上下移动。
