标题：上海市本科教育高地建设机械制造及其自动化系列教材：机械设计基础
图书信息
  
书名：机械设计基础
书号：9787302206842
作者：张永宇、陆宁 
定价：32元
出版日期：2009-11-1
出版社：清华大学出版社
内容简介
本书介绍了常用机构与机器动力学的基本知识，及连接、机械传动、轴系零部件、弹簧等典型机械零件的设计。
全书共分19章，第1章绪论；第2～7章常用机构的基本工作原理和应用；第8章和第9章机械运转和速度波动的调节及回转件的平衡；第10章机械零件设计概论；第11章常用连接；第12～14章机械传动；第15～18章轴系零部件；第19章弹簧。
本书可作为高等工科院校机械类、近机械类专业机械设计基础课程的教材，也可供职工大学、电视大学、业余及函授大学等有关专业的师生和工程技术人员参考。
前言
前言  本书以教育部对普通高等学校机械设计基础课程教学基本要求为依据，结合教学实践经验，执行标准化领域的相关标准与规范，按照最新国家标准进行编写。
本书内容新颖，教学难度和内容比较符合机械设计基础课程教学的实际情况；讲解通俗易懂，可使学生较好地理解、掌握本课程的重点与难点；适用面广，按照90～100授课学时编写，在实际教学中教师也可根据具体情况进行取舍。
本书遵循本科教学大纲的基本要求，以阐述、解释机械原理和机械设计的基本原理和基本知识为侧重点，将机械原理基础和机械设计基础各自作为独立部分来编写。机械原理部分主要讲述机构的基本组成原理及各种机构的类型、特点和运动设计方法，并介绍了机器动力学的基本知识。机械设计部分主要介绍连接、机械传动以及轴系零部件的基本设计方法。在编写过程中力求语言简练、条理清楚和便于自学。
本书由张永宇编写第1, 15～17章，樊江玲编写第2章，陆宁编写第3章和第5章，滕兵编写第4章和第6章，许勇编写第7章，韩丽华编写第8章和第9章，沙玲编写第10章和第11章，杭鲁滨编写第12～14章，张超编写第18章和第19章，全书由张永宇（负责第1、10～19章统稿工作）、陆宁（负责第2～9章统稿工作）担任主编。
限于水平和时间，书中难免会出现不妥甚至错误之处，恳请读者批评指正。
作 者2009年5月
目录
目录1 绪论1
1.1 “机械设计基础”课程的性质和内容1
1.2 “机械设计基础”课程在教学中的地位3
1.3 机械设计的基本要求和一般过程32 平面机构的自由度与速度分析6
2.1 研究机构结构及机构运动的目的6
2.2 构件、运动副、运动链和机构7
2.3 机构运动简图的绘制9
2.4 平面机构自由度分析12
2.4.1 平面机构自由度的计算12
2.4.2 机构具有确定运动的条件13
2.4.3 计算平面机构自由度时应注意的事项14
2.5 速度瞬心法在机构速度分析中的应用17
2.5.1 速度瞬心的概念17
2.5.2 机构瞬心的数目18
2.5.3 速度瞬心位置的确定18
2.5.4 速度瞬心法在机构速度分析中的应用20
习题213 连杆机构24
3.1 平面连杆机构的类型及演化24
3.2 平面四杆机构的曲柄存在条件和几个基本概念26
3.3 平面四杆机构的设计30
习题324 凸轮机构34
4.1 凸轮机构的应用和类型34
4.2 从动件的常用运动规律36
4.3 凸轮机构的压力角39
4.4 图解法设计凸轮轮廓41
4.4.1 直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制41
4.4.2 摆动从动件盘形凸轮轮廓的绘制43
4.5 解析法设计凸轮轮廓44
习题45目录机械设计基础5 齿轮机构47
5.1 齿轮机构的特点和类型47
5.2 齿廓啮合基本定律48
5.3 渐开线齿廓48
5.4 渐开线直齿圆柱齿轮的基本参数和几何尺寸51
5.5 渐开线直齿圆柱齿轮的啮合及连续平稳传动条件54
5.6 渐开线齿廓的加工及根切56
5.7 变位齿轮58
5.8 平行轴斜齿圆柱齿轮机构61
5.9 蜗杆机构65
5.9.1 蜗杆的形成65
5.9.2 蜗杆的主要参数和几何尺寸66
5.9.3 蜗杆传动的优缺点67
5.10 圆锥齿轮机构67
习题696 轮系71
6.1 轮系的类型71
6.2 定轴轮系及其传动比71
6.3 周转轮系及其传动比73
6.4 复合轮系及其传动比76
6.5 轮系的主要功能77
6.6 几种特殊的行星传动简介80
习题837 间歇运动机构86
7.1 棘轮机构86
7.2 槽轮机构89
7.3 不完全齿轮机构91
7.4 凸轮式间歇运动机构938 机械的平衡95
8.1 机械平衡的目的及分类95
8.2 刚性回转件的平衡计算96
8.3 回转件的平衡试验99
习题1019 机械运转和速度波动的调节102
9.1 研究机械运转及其速度波动调节的目的102
9.2 机械运转速度波动的调节103
习题10810 机械零件设计概论110
10.1 概述110
10.1.1 机械零件设计应满足的基本要求110
10.1.2 机械零件的设计方法111
10.1.3 机械零件设计的基本步骤113
10.2 机械零件的主要失效形式和设计计算准则114
10.2.1 机械零件的主要失效形式114
10.2.2 机械零件的设计计算准则114
10.3 机械零件的强度115
10.3.1 机械零件的载荷和应力116
10.3.2 静应力下机械零件的整体强度计算117
10.3.3 变应力下机械零件的整体强度计算118
10.3.4 机械零件的表面接触强度119
10.4 机械零件的常用材料及其选择120
10.4.1 金属材料120
10.4.2 非金属材料122
10.4.3 机械材料选用的原则122
10.5 机械零件的结构工艺性及标准化123
10.5.1 机械零件的结构工艺性123
10.5.2 机械零件设计中的标准化124
习题12411 连接125
11.1 螺纹125
11.1.1 螺纹的形成和主要参数125
11.1.2 机械制造中常用的螺纹127
11.2 螺纹连接128
11.2.1 螺纹连接的基本类型128
11.2.2 标准螺纹连接件129
11.2.3 螺纹连接的预紧129
11.2.4 螺纹连接的防松132
11.3 螺纹连接的强度计算133
11.3.1 松螺栓连接133
11.3.2 紧螺栓连接133
11.4 螺纹连接件的材料和许用应力136
11.4.1 螺纹连接件的材料136
11.4.2 螺栓连接的许用应力和安全系数137
11.5 螺纹连接设计时应注意的问题138
11.6 键连接141
11.6.1 键连接的类型、特点及应用141
11.6.2 平键连接的强度校核142
11.7 销连接及其他连接143
11.7.1 销连接143
11.7.2 铆接、焊接和粘接144
11.7.3 过盈连接145
11.8 螺旋传动146
11.8.1 螺旋传动的类型146
11.8.2 滑动螺旋传动147
11.8.3 滚动螺旋传动148
11.8.4 静压螺旋传动简介149
习题14912 齿轮传动151
12.1 齿轮传动的特点和类型151
12.2 直齿圆柱齿轮强度计算151
12.2.1 轮齿的主要失效形式151
12.2.2 设计准则152
12.2.3 齿轮材料153
12.2.4 直齿圆柱齿轮轮齿的受力分析和计算载荷154
12.2.5 轮齿的弯曲强度计算155
12.2.6 齿面接触强度计算157
12.3 斜齿圆柱齿轮传动159
12.3.1 斜齿圆柱齿轮的形成及啮合特性159
12.3.2 斜齿圆柱齿轮的几何参数和尺寸计算160
12.3.3 斜齿圆柱齿轮的当量齿数161
12.3.4 斜齿圆柱齿轮强度设计162
12.4 圆锥齿轮传动164
12.4.1 直齿圆锥齿轮传动的特性164
12.4.2 直齿圆锥齿轮的齿廓曲线、背锥和当量齿数164
12.4.3 直齿圆锥齿轮传动的几何尺寸计算165
12.4.4 直齿圆锥齿轮的强度计算166
12.5 齿轮的结构设计168
12.6 齿轮传动的润滑170
习题17013 蜗杆传动172
13.1 蜗杆传动的正确啮合条件172
13.2 普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算173
13.2.1 模数?m?和压力角?α?173
13.2.2 蜗杆头数?z?1、蜗轮齿数z?2和传动比i?173
13.2.3 蜗杆直径系数?q和导程角γ?174
13.2.4 圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算174
13.2.5 蜗杆传动的滑动速度175
13.3 蜗杆传动的强度计算175
13.3.1 蜗杆传动的主要失效形式175
13.3.2 蜗杆传动的受力分析和计算载荷175
13.3.3 圆柱蜗杆传动的强度计算176
13.4 蜗杆传动的材料和结构177
13.4.1 蜗杆传动的材料177
13.4.2 蜗杆和蜗轮的结构177
13.5 蜗杆传动的效率、润滑和散热178
13.5.1 蜗杆传动的效率178
13.5.2 蜗杆传动的润滑178
13.5.3 蜗杆传动的热平衡计算178
习题18014 挠性传动182
14.1 带传动182
14.1.1 带传动概述182
14.1.2 带传动的工作能力分析185
14.1.3 普通V带传动设计188
14.1.4 V带轮的结构192
14.1.5 带传动的张紧装置及维护194
14.1.6 同步带传动简介195
14.2 链传动197
14.2.1 链传动概述197
14.2.2 链传动工作情况分析200
14.2.3 滚子链传动的设计202
14.2.4 链传动的布置和润滑206
习题20815 轴210
15.1 概述210
15.2 轴的材料211
15.3 轴的结构设计212
15.3.1 装配方案的拟订213
15.3.2 轴上零件的定位 213
15.3.3 各轴段直径和长度的确定 215
15.3.4 轴的结构工艺性216
15.3.5 提高轴的强度的措施216
15.4 轴的强度计算218
15.4.1 按扭转强度计算218
15.4.2 按弯扭合成强度计算219
15.5 轴的刚度计算220
15.5.1 轴的扭转刚度校核计算221
15.5.2 轴的弯曲刚度校核计算221
15.6 轴的临界转速简介222
习题22216 滑动轴承224
16.1 概述224
16.2 滑动摩擦的状态224
16.3 滑动轴承的类型和轴瓦的结构225
16.3.1 滑动轴承的类型225
16.3.2 轴瓦的结构227
16.4 滑动轴承的失效形式及材料228
16.4.1 滑动轴承的失效形式228
16.4.2 滑动轴承的材料229
16.5 滑动轴承的润滑剂及润滑方式230
16.5.1 润滑剂及其选择230
16.5.2 润滑方式235
16.6 不完全液体润滑滑动轴承设计计算236
16.6.1 径向滑动轴承的设计计算236
16.6.2 推力轴承的设计计算236
16.7 液体动力润滑滑动轴承设计计算237
16.7.1 液体动力润滑的基本原理237
16.7.2 液体动力润滑的基本方程--雷诺方程238
16.7.3 径向滑动轴承形成液体动力润滑的过程240
16.7.4 径向滑动轴承的主要几何关系240
16.7.5 径向滑动轴承的承载量系数和最小油膜厚度241
16.8 其他形式滑动轴承简介242
16.8.1 自润滑轴承242
16.8.2 多油楔滑动轴承243
16.8.3 液体静压轴承243
16.8.4 气体润滑轴承244
习题24517 滚动轴承246
17.1 概述246
17.2 滚动轴承的主要类型与代号247
17.2.1 滚动轴承的主要类型247
17.2.2 滚动轴承的代号249
17.2.3 滚动轴承的类型选择250
17.3 滚动轴承的载荷分布、失效形式及计算准则251
17.3.1 滚动轴承的载荷分布251
17.3.2 滚动轴承的失效形式252
17.3.3 滚动轴承的计算准则252
17.4 滚动轴承的寿命计算252
17.4.1 基本额定寿命和基本额定动载荷253
17.4.2 滚动轴承的寿命计算方法253
17.4.3 滚动轴承的当量动载荷254
17.4.4 向心推力轴承的轴向载荷计算256
17.4.5 滚动轴承的静承载能力257
17.5 滚动轴承的组合设计258
17.5.1 滚动轴承的配置设计259
17.5.2 滚动轴承的轴向紧固260
17.5.3 轴系部件的位置调整261
17.5.4 滚动轴承的配合与装拆261
17.5.5 滚动轴承的润滑与密封262
习题26518 联轴器与离合器267
18.1 联轴器267
18.1.1 联轴器的分类267
18.1.2 联轴器的选择271
18.2 离合器271
18.2.1 离合器的分类271
18.2.2 牙嵌离合器271
18.2.3 摩擦离合器272
18.2.4 超越离合器273
18.2.5 滚珠安全离合器27319 弹簧274
19.1 弹簧的功用和类型274
19.1.1 弹簧的功用274
19.1.2 弹簧的类型274
19.2 圆柱螺旋弹簧275
19.2.1 圆柱螺旋弹簧的结构形式275
19.2.2 圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力276
19.2.3 圆柱螺旋弹簧的制造278
19.3 圆柱螺旋弹簧的设计计算279
19.3.1 几何参数计算279
19.3.2 特性曲线280
19.3.3 圆柱螺旋弹簧受载时的应力及变形282
19.3.4 承受静载荷的圆柱螺旋弹簧的设计283
19.3.5 承受变载荷的圆柱螺旋弹簧的设计286
习题288附录A289参考文献291
部分章节
3  连 杆 机 构3.1 平面连杆机构的类型及演化平面连杆机构是由若干个刚性构件用低副连接而成的机构,所以也称为平面低副机构。它在各种机械中具有广泛的应用。平面连杆机构常用于:(1) 实现有轨迹、位置或运动规律要求的运动；(2) 实现从动件运动形式及运动特性的改变；(3) 实现较远距离的传动；(4) 调节或扩大从动件的行程。平面连杆机构之所以能具有广泛的应用，是因为低副连接而成的机构有着显著的优点。首先，由于两构件之间为面接触，使应力分散，从而具有较高的承载能力，且减小了磨损，便于润滑；其次，由于两构件之间的接触面为圆柱面或平面，制造简单，两构件的连接可靠。但是平面连杆机构也存在一些缺点： 不易精确地实现复杂的运动要求，高速运转时动平衡比较困难。在图3.1所示机构中，所有的运动副都是转动副，整个机构共由3个活动构件和机架组成，这样的机构称为铰链四杆机构。这一机构是平面连杆机构的最基本形式，其他平面四杆机构可视为是从铰链四杆机构演化而来的。图3.1 铰链四杆机构在此机构中，除机架4外共有3个活动构件，其中，和机架组成转动副的两个构件1和3称为连架杆，在这两个连架杆中，能够整周转动360. 的连架杆称为曲柄，不能够整周转动360. 的连架杆称为摇杆或摆杆。与机架没有运动副连接的构件2称为连杆。如果铰链四杆机构的两个连架杆都能够转动360. ，就称为双曲柄机构；如果铰链四杆机构的两个连架杆都不能够转动360. ，就称为双摇杆机构；如果铰链四杆机构的两个连架杆中一个能够转动360. 而另一个不能，就称为曲柄摇杆机构。铰链四杆机构可通过把转动副转化为移动副和取不同构件为机架的途径被转化为其他类型的平面四杆低副机构。图3.2 (a）所示的曲柄摇杆机构中，构件1为曲柄，构件2为连杆，构件3为摇杆，构件4为机架。首先可等效地把构件3视为弧形滑块，如图3.2 (b）所示；随后扩大转动副?D?，使构件3的尺寸增加到转动副?D?位于无穷远，从而使转动副?D?演化为移动副，构件3演化成滑块，如图3.2 (c）所示，此时曲柄摇杆机构就演化成了偏置曲柄滑块机构；在图3.2 (d）中，曲柄的固定转动副?A?到滑块3滑槽中心线的垂直距离?e?称为偏距。当偏距?e?=0时，称为对心曲柄滑块机构，如图3.2 (e）所示。图3.2 曲柄滑块机构的演化3连杆机构机械设计基础同样的平面四杆机构，如果取不同构件为机架，也会得到不同类型的机构。常见的平面低副机构类型见表3.1. 表3.1 平面四杆机构的几种形式铰链四杆机构含有1个移动副的四杆机构含有2个移动副的四杆机构机架41续表铰链四杆机构含有1个移动副的四杆机构含有2个移动副的四杆机构机架233.2 平面四杆机构的曲柄存在条件和几个基本概念1. 平面四杆机构的曲柄存在条件  从前面的讨论可知,铰链四杆机构有3种基本形式,其区别在于机构中是否存在曲柄,而曲柄是否存在又与构件的尺寸相关。那么，尺寸间要满足怎样的条件才会存在曲柄呢？图3.3 曲柄存在的条件图3.3所示为一曲柄摇杆机构,其中,构件1为曲柄,4为机架,2为连杆,3为摇杆。如果1要绕转动副A整周转动,则它应能够到达与机架共线的两个位置,即AB与AD能够共线。从图3.3中可见，在这两个位置存在△B?1C?1D和△B?2C?2D。设构件1的长度为a,构件2的长度为b,构件3的长度为c,构件4的长度为d,且d>a. 根据三角形的性质可知，三角形任意两边长度之和大于第三边。则从△B?1C?1D得??a+d≤b+c?(a)???从△B?2C?2D得??a+b≤c+d?(b)?a+c≤b+d?(c)???把式?(a),(b),(c)?两两相加并整理得??a≤ba≤ca≤d(3.1)??  如果d<a,用同样的方法也可得到上述结论。同样，如果以构件2为机架，也可以得到同样的结论。由此可知，要使一个转动副成为能够整周转动的整转副，构成该转动副的两构件中必须有一个是四杆中的最短杆。或者说，只有最短杆连接的两个转动副可以成为整转副。从式?(a)～(c)?还可知，要使曲柄存在还需有一个先决条件，那就是在四杆中，最短杆与最长杆的长度之和必须小于或等于其他两杆长度之和，否则就不会有曲柄存在。在判断一个铰链四杆机构是否有曲柄存在时，首先要判断在四杆中最短杆与最长杆的长度之和是否小于或等于其他两杆长度之和。如果该条件不满足，则一定只能是双摇杆机构。如果该条件满足，则要视取哪一个构件为机架来确定是什么类型的机构：  (1)  若以最短杆为机架，则该机构为双曲柄机构； (2)  若以最短杆的邻杆为机架，则该机构为曲柄摇杆机构； (3)  若以最短杆的对杆为机架，则该机构为双摇杆机构。图3.4是曲柄滑块机构,构件1为曲柄,构件2为连杆,构件3为滑块,构件4为机架。构件1的长度为a,构件2的长度为b,偏距为e。要使构件1能够绕A点整周转动，就必须能使转动副B到达A, B, C 3个转动副共线的位置。从图3.4可见，在△AC?1E中，??b-a>e?(d)???在△AC?2E中，??b+a>e?(e)???从而有??b>a+e(3.2)??  也就是说，要使曲柄滑块机构存在曲柄，应确保连杆长度大于曲柄与偏距长度之和。图3.4 曲柄滑块机构的曲柄存在条件图3.5 曲柄摇杆机构的极位夹角2. 平面四杆机构的急回特性图3.5所示为曲柄摇杆机构。主动曲柄AB匀速转动并带动摇杆CD往复摆动。在从动摇杆摆动到两个极限位置C?1D和C?2D时，曲柄有两个相应的位置AB?1和AB?2,此时，A, B?1, C?13点和A, B?2, C?23点分别共线。对应于摇杆的两个极限位置，曲柄相应两位置所夹两个角度中较小角度的补角称为极位夹角。在图3.5中，∠C?1AC?2称为极位夹角,用θ表示。从图3.5中可见，有两个∠B?1AB?2，一个大于180?. ?，另一个小于180?. ?，则极位夹角为??θ=∠C?1AC?2=|180?. ?-∠B?1AB?2| (3.3) ??  极位夹角可以是锐角也可以是钝角。例如，如果取图3.5所示曲柄摇杆机构中各杆的长度为: L?AB=30, L?BC=70, L?CD=70, L?AD=35，则∠C?1AC?2是钝角。由于极位夹角的存在，使曲柄摇杆机构中从动摇杆往复摇摆的平均速度不同。在图3.5中可见，当曲柄AB从AB?1开始顺时针方向转动时,摇杆CD从C?1D向C?2D摆动，这一过程中曲柄转动角度的φ?1为180?. ?+θ，由于该角度大于180?. ?，时间就比较长,从动摇杆转动较慢；而当曲柄继续转动，从AB?2转动到AB?1时,由于曲柄转过的角度φ?2<180?. ?，用时较短，从动摇杆从C?2D向C?1D摆动就较快。这种从动件往返有快慢区别的特性称为急回特性。为了表达这个特性的相对程度，将从动构件较快的空回行程平均速度与较慢的工作行程平均速度之比称为行程速比系数，用K表示。则??K=180?. ?+θ180?. ?-θ(3.4)??或??θ=180?. ?K-1K+1(3.5)??  通过上述讨论可知，如果要增加调整摇杆的摆角，可以通过改变曲柄和连杆的长度来得到。从图3.5可见:??L?AC?1=L?B?1C?1-L?AB?1(3.6)L?AC?2=L?B?2C?2+L?AB?2(3.7)??  如果加大曲柄长度L?AB,则L?AC?1减小而L?AC?2增加，摇杆摆动角度就增加，反之，则摆动角度就减小。要改变摇杆摆动的两个极限位置时，可以改变连杆的长度，加大连杆长度则极限位置向右偏移，反之则向左偏移。要求得机构的极位夹角，首先要根据几何条件确定从动件的两个极限位置。3. 平面四杆机构的传力特性一个构件在受力点的速度方向与该作用力方向所夹的锐角称为压力角。图3.6所示的两个α角就是压力角。压力角的余角称为传动角，如图3.6中的两个γ角。压力角和传动角的大小对机构受力的效果有直接影响。压力角越小或者传动角越大，驱动构件就越省力。如果传动角小到0?. ?，则无论用多么大的驱动力都不可能使构件被驱动，这时就称机构处于死点位置。在实际的机构中，由于还存在摩擦力，即使传动角不到0?. ?，只要传动角比较小就足以使机构出现死点。为了防止死点的出现，一般应使传动角不小于40?. ?，对于高速和大功率的传动机构应使传动角不小于50?. ?。为此，在设计机构时应校核最大压力角或最小传动角。图3.6 压力角和传动角的概念图3.7示出了曲柄摇杆机构的压力角α和传动角γ。在以曲柄为原动件的情况下，从动摇杆的最小传动角γ??min?出现在曲柄AB与机架AD共线的两个位置之一。在偏置曲柄滑块机构中，当曲柄处于垂直于滑块移动导路方向时会出现最小传动角γ??min?，如图3.8所示。图3.7 曲柄摇杆机构的最小传动角图3.8 曲柄滑块机构的最小传动角必须认识到,死点的出现并不都是要避免的。在需要使机构被“锁定”在某一位置的机构中，死点可以被巧妙地加以利用。例如，图3.9中的飞机起落架机构就利用了死点来确保飞机安全降落。当飞机降落时，AB杆将承受很大的冲击力,此时连杆BC和从动杆CD正好处于共线位置,C点受力沿BC方向,而CD杆上C点只能绕D点转动,其速度方向垂直于CD杆。显然，压力角为90?. ?，传动角为0?. ?，正好是死点位置，CD杆不可能转动,从而确保了起落架在冲力作用下不会意外收起。图3.9 飞机起落架的死点位置图3.10 摆动导杆机构【例3.1】 图3.10中实线所示为一个摆动导杆机构,构件1为曲柄,构件2为滑块,构件3是摇杆,构件4是机架。在曲柄为原动件的情况下：  (1)  画出图示机构的极位夹角θ;  (2)  求出从动件的传动角γ;  (3)  求出曲柄尺寸多长时能使构件3也成为曲柄（即转动导杆）. 解:   (1)  由几何条件可知，以曲柄的固定转动副A为圆心,以曲柄长度L?AB为半径作圆得转动副B的运动轨迹；从摆动导杆的转动中心D作转动副B轨迹圆的切线就得到从动导杆的两个极限位置，两个切点B?1和B?2到A点的连线就是曲柄相应的两个位置。这时得到两个∠B?1AB?2,作出其中较小的那个角度的补角就得到极位夹角θ.  (2)  由于滑块是二力杆，而滑块2与导杆3组成移动副，所以相互作用力的方向垂直于导杆。很明显可以看出，导杆上B点的受力方向和速度方向均垂直于导杆方向BC,压力角为0?. ?，传动角为90?. ?.  (3)  当曲柄长度L?AB大于机架长度L?AD时，B点可以从D点下方转动通过,此时导杆也成为曲柄,该机构成为转动导杆机构。3.3 平面四杆机构的设计平面连杆机构设计的基本问题是两类,即实现已知的运动规律和实现已知的运动轨迹。在具体设计中所给出的已知条件不外乎运动条件、几何条件和动力条件，其中运动条件是最主要的，而后两个条件是辅助的。在设计方法上有图解法、解析法和实验法。图解法虽然精确度较低，但具有简单明了和便于操作的优点，在生产实践中的许多场合，其精确度还是可以满足设计要求的。1. 平面四杆机构的图解法设计有许多设计问题是已知铰链四杆机构的摇杆长度c和摆角ψ以及行程速比系数K，要求设计该机构。设计的原理是利用“同一圆弧上的圆周角大小是圆心角的一半”，见图3.11,具体作图步骤如下： 图3.11 按行程速比系数设计 (1)  按式（3.2）计算出极位夹角； (2)  任意选定一点作为摇杆的固定转动副D的位置，并按摇杆CD的长度c和摇杆摆角ψ作出摇杆的两个极限位置，得C?1和C?2点； (3)  连接C?1C?2,并分别自C?1和C?2作与C?1C?2夹角90?. ?-θ的射线，这就确保了∠C?1OC?2=2θ,得C?2O和C?1O的交点O;  (4)  以O为圆心,C?1O为半径作圆C，则圆上任何一点都可以选为铰链四杆机构的另一个固定转动副A,由于“同一圆弧上的圆周角大小是圆心角的一半”,肯定可以满足∠C?1AC?2=θ. 如果是已知曲柄滑块机构的滑块行程s以及行程速比系数K，要求设计该机构，则设计的原理相同,直接取线段C?1C?2=s,以后的步骤同上述步骤（3) ,  (4) 。这里讨论的作图方法是O和D点在圆弧C的同一侧，称为I型机构。如果取在圆弧C的异侧就是II型机构。关于这两种机构各自的特点在此不作具体讨论。必须注意： 如果极位夹角是0?. ?，就不能用上面所讨论的方法设计。【例3.2】 图3.12 (a）所示为一曲柄摇杆机构的摇杆摆动的两个极限位置, 要求极位夹角是0. 。如果曲柄的固定转动副A在点画线上，要求设计该机构,求出各杆长度。图3.12 例3.2图解:  由于极位夹角是0?. ?，相当于图3.5中的A, B?1, B?2, C?1, C?2都在一条线上,这是在各杆长度取到某些值时才会出现的情况,此时机构正好没有急回特性。作C?1C?2的延长线，它与机架线的交点就是A点。根据式（3.3）和式（3.4) ，可解得曲柄和连杆长度，见图3.12? (b) ?.   2. 平面四杆机构的解析法设计平面连杆机构设计的解析法具有精度高，可以用计算机进行高速处理的优点。随着计算机技术的发展，解析法正日益成为设计工作的主角。图3.13 实现两连架杆对应位置要求的解析法在图3.13所示的铰链四杆机构中,已知两连架杆AB和CD的3对对应位置：φ?1, ψ?1; φ?2, ψ?2; φ?3, ψ?3。要求确定各构件的长度a, b, c, d。现以解析法求解，即以机构参数来表达各构件间的运动关系并按列出的方程来求解未知参数。由于铰链四杆机构两连架杆的运动关系取决于各杆的长度比例关系而不是每个杆的具体长度，为简化计算，设以构件AB的长度为基准，则得??      aa=1, ba=m, ca=n, da=p??  从图3.13可见，机构在任意位置时各构件的长度关系。取各构件在坐标上的投影得??a?cos??φ+b?cos??δ=d+c?cos??ψa?sin??φ+b?sin??δ=c?sin??ψ (3.8) ??引入基准长度比例关系得??m?cos??δ=p+n?cos??ψ-?cos??φm?sin??δ=n?sin??ψ-?sin??φ (3.9) ??把式（3.9）中两式的两边平方后相加并令??P?0=nP?1=-npP?2=p?2+n?2+1-m?22p(3.10)??则得???cos??φ=P?0?cos??ψ?1+P?1?cos?(ψ?1-φ?1)+P?1 (3.11) ??把3对对应转角关系代入式（3.11）得???cos??φ?1=P?0?cos??ψ?1+P?1?cos? (ψ?1-φ?1)+P?2?cos??φ?2=P?0?cos??ψ?2+P?1?cos? (ψ?2-φ?2)+P?2?cos??φ?3=P?0?cos??ψ?3+P?1?cos? (ψ?3-φ?3)+P?2(3.12)??  由此可解出参数P?0, P?1, P?2，随后代入式（3.10) 即可求得各构件杆的相对长度，从而完成设计。如果在设计中仅有两个对应位置的要求，设计者可自行定义第3个位置并按上述方法设计以得到唯一解。3. 平面四杆机构的实验法设计如果给定连架杆的对应位置有3组以上，就不可能有精确解，只能求最优的近似解。这时可以采用几何实验法试凑。如图3.14所示，要求实现两连架杆5组对应位置。这时可先在纸上任选A点和AB杆长，如图3.14? (a) ?所示;再在透明纸上任选D点和一系列以CD杆长为半径的圆弧，如图3.14? (b) ?所示;随后把透明纸覆盖在画了AB杆的纸上试凑，选择不同的BC杆长，直到C点能落在同一个圆弧上, 如图3.14? (c) ?所示。图3.14 几何实验法设计四杆机构对于要实现连杆上某点按给定运动轨迹运动的问题，常采用图谱法。为了满足工程设计的需要，可以从出版的《连杆曲线图谱手册》中寻找最接近给定曲线轨迹的机构尺寸。例如，图3.15就是一幅图谱。图3.15 图谱法设计习  题3.1 在图3.16所示铰链四杆机构中，已知最短杆a=100??mm?，最长杆b=300??mm?, c=200??mm?. 图3.16 题3.1图 (1)  若此机构为曲柄摇杆机构，试求d的取值范围。 (2)  若以a为原动件，用作图法求该机构的最小传动角γ??min?.  (3)  该机构是否有急回特性?如果有，请画出极位夹角。3.2 设计一曲柄滑块机构。已知曲柄长L?AB=20??mm?，偏心距e=15??mm?，其最大压力角α=30?. ?。试用作图法确定连杆长度L?BC、滑块的最大行程H，并标明其极位夹角θ，求出其行程速比系数K. 3.3 图3.17所示为曲柄滑块机构的运动简图。当曲柄1等速转动时，试用作图法确定（尺寸在图中量取）: 图3.17 题3.3图 (1)  机构的行程速比系数K.  (2)  最小传动角γ??min?=？ (3)  滑块3往复运动时向左的平均速度大还是向右的平均速度大？ (4)  当滑块3为主动时，机构是否出现死点?为什么？3.4 画出图3.18中各个机构的极位夹角。图3.18 题3.4图3.5 画出图3.19中各个机构在图示位置的压力角。   图3.19 题3.5图图3.20 题3.6图3.6 在图3.20所示的铰链四杆机构中，已知L?BC=50??mm?,L?CD=35??mm?,L?AD=30??mm?,AD为机架。 (1)  若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求L?AB的最大值。 (2)  若此机构为双曲柄机构，求L?AB的最小值。 (3)  若此机构为双摇杆机构，求L?AB的数值范围。