常见机构3D库

（节选自同志学副教授指导的本科生所作的研究性论文）

本文主要以各种典型机构与机构创新设计为设计目标，以SolidWorks 软件为设计工具，建立了一个机构创新设计库，并对每种机构建立三维模型、应用分析、机构特点或特性及必要的运动分析或动力学分析、组成原理分析等。

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1  机械设计库

3连杆机构

3.1 连杆机构及其传动特点

     连杆机构的应用十分广泛，它不仅在众多工农业机械中得到广泛应用。而且诸如人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构及人体假肢等也都有连杆机构。

3.1.1连杆机构的基本形式

一般连杆机构是由它所含的杆数命名，可分为四杆、六杆机构。常见的

形式有：

1.     曲柄滑块机构

2.     铰链四杆机构

3.     导杆机构

四杆机构一般又可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，在铰链四杆机构的两个连杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆，则为曲柄摇杆机构；若铰链四杆机构的两个连杆均为曲柄，则为双曲柄机构；若铰链四杆机构的两个连杆，则为双摇杆机构。

3.1.2连杆机构特点

连杆机构是用销轴（铰链）和滑道（导轨）的方式将构件连接而成，

其起作用是实现运动变换和动力传递。平面连杆机构的最大优点是结构简单，变换灵活，实用性强。

    连杆机构的共同特点是原动件的运动都要经过一个与机架直接相连的中间构件才能传到从动件。其传动特点为：

1. 连杆机构中的运动副一般均为低副，低副为面接触，压力较小，承载

能力较大，润滑好，磨损小；运动副元素的几何形状简单，故加工制造方便，成本低。

2. 构件多呈现杆的形状，加工制造简单，可实现扩大行程和远距离传动

等特点。

3.     可实现多种运动变换和运动规律。

4.     连杆曲线丰富，利用连杆曲线可满足不同运动轨迹的设计要求。

连杆机构的缺点为：

1.运动链长，累积误差大，效率大。

2.惯性力难以平衡，动载荷大，不易用于高速传动。

3.一般只能近似的满足运动规律的要求。

连杆机构类型不同相应的运动轨迹也不同，为了实现特定运动轨迹的机构，就须对各种机构的运动轨迹作细致的分析研究。

3.2常用机构应用设计

3.2.1自卸卡车举升机构

1. 工作原理

    自卸卡车举升机构主要是曲柄摇块机构，油缸可视为摇块，用压力油推动活塞使车厢翻转，完成自卸工作。自卸卡车是工程机械中最为常见的运输工具，它为人类节省了巨大的劳动力。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析 

运动仿真结果曲线如图3-6所示，由此可见，活塞和车斗速度先加速增大，再减速减小，当车斗转到最大角度时，速度减为零；在车斗下降过程中，速度同样先增大再减小。车斗在运动过程中，运动平稳，没有冲击。

3.2.2.曲柄压力机

1. 工作原理 

曲柄压力机是由偏心轮、曲柄，滑块等组成，其运动原理为曲柄滑块机构，曲柄做圆周运动，摆杆带动滑块做往复的上下运动，在运动过程中它能够承载很大的载荷，从而产生大的压力。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

滑块的线性速度和曲柄的角速度结果如图3-15所示。从运动图解可以看出曲柄做匀速转动，滑块在摆杆的带动下做往复直线运动，运动速度平稳，没有冲击。

3.2.3. 颚式破碎机

1. 运动原理  

颚式破碎机利用了多杆机构，它由曲柄、摆杆、动颚板、机架等构件组成，其中原动件为曲柄，执行件为动颚板，当曲柄绕轴心做连续转动时，动颚板绕轴心做往复摆动，从而产生较大的输出压力将矿石轧碎。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

对颚式破碎机进行仿真，得到曲柄角速度和动颚板角速度进行结果分析。

从运动图解可以看出曲柄做匀速转动，动颚板在摆杆的带动下做往复摆动，在一周期内速度有波动。

3.2.4曲柄滑块机构（双缸内燃机）

1. 运动原理

曲柄做整轴回转，滑块做往复滑动的机构为曲柄滑块机构，它广泛应用于机械行业，如双缸内燃机，它可以有效的克服死点问题。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3.2.5.飞机起落架

1. 运动原理

飞机起落架是利用连杆机构死点位置特性，当飞机在机轮着地时虽然受到很大的力，但由于机构处于死点位置，起落架不会反转，保持支撑状态；飞机起飞后，腿杆能够收拢起来。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

对飞机起落架进行仿真，对轮胎的质心速度进行结果分析，结果如图3-24所示。

从运动图解可以看出，在液压缸没有动作时，随地面给轮胎一向上的作用力，但由于机构处于死点位置，轮胎并没有运动；当液压缸动作时，轮胎才在液压缸的驱动下运动。结论得知飞机起落架是利用了连杆机构死点位置特性。

 3.2.6 摄影升降机

1. 运动原理

摄影升降机利用了平行四边形机构，在摄影过程中它能够保持摄影台始终平衡，它广泛应用于电视剧和电影拍摄中。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

在悬臂转动过程中，摄影平台始终保持水平上下移动，从而保证了摄影过程中的平稳性，它的运动规律符合平行四边形机构。

3.2.7前轮转向系统

1.运动原理

汽车机械转向机构是将转向器输出的力和运动传给转向桥两侧的转向节，是两侧转向轮偏转，并使转向轮偏转按照一定的变化关系，以保证汽车这轮与地面相对滑动尽可能的小。该转向机构主要运用了等腰梯形机构。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

对前轮转向系统进行仿真，得到左、右轮的旋转角位移曲线，如图3-31所示。

从左右两轮的旋转的俯视图以及它们输出的角位移看，两轮的旋转角度不同，其中左轮在8秒内旋转了12deg,右轮在8秒内旋转了22deg，两轮按照一定的关系旋转，从而保证了汽车顺利转向。

3.2.8剪式升降台

. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

4. 凸轮机构

4.1 凸轮机构的应用及分类

1. 凸轮机构的应用

在各种机械，特别是自动机和自动控制装置中，广泛采用各种形式的凸轮。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的一种高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常做连续的等速转动，从动件在凸轮的驱动下按照预定的运动轨迹作往复直线移动或摆动。

凸轮机构最大的优点是只要适当的设计出凸轮轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快，机构简单紧凑。正因为如此，凸轮机构不可能被数控、电控等装置完全代替。凸轮也存在着缺点，凸轮轮廓与推杆之间为点线接触，易磨损，凸轮制造较困难。

2. 凸轮机构的分类

凸轮机构的类型很多，常按凸轮和推杆的形状及其运动形式的不同来分

（1）按凸轮的形状分

1）盘形凸轮 这种凸轮是具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转。

2）移动凸轮 此凸轮可看作是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它作往复直线运动，又称移动凸轮。

3）圆柱凸轮 将移动凸轮卷绕成圆柱体即为圆柱凸轮，从动件与凸轮的相对运动是空间运动，因此属于空间凸轮机构。

 4）圆锥凸轮  将盘形凸轮的一扇形部分卷成圆锥体就得到圆锥凸轮。

（2）按推杆的形状分类

 1）尖端推杆 此种推杆机构简单，易磨损，适用于作用力不大速度较低的场合。

2）滚子推杆  这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，因此摩擦较小，可以传递较大的动力。

 3）平底推杆 这种推杆的优点是凸轮与平底接触面间易形成油膜，润滑较好，常用于高速传动。

（3）按从动件的运动形式分类

     1）直动推杆  推杆作往复直线运动的凸轮

     2）摆动推杆  推杆做往复摆动的凸轮

（4） 按凸轮与推杆保持接触的方法不同分类

1）力封闭凸轮机构 它利用推杆的重力、弹簧力来使凸轮与推杆保持接触。

2）几何封闭凸轮机构  它利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆保持接触。

4.2常用机构应用设计

4.2.1 单缸内燃机气门装置

1.运动原理

单杠内燃机主要由曲柄、活塞、缸体、齿轮，凸轮等组成，其气门的开闭主要由凸轮和齿轮机构控制，使进气门和出气门在合适的时间开启和关闭，保证内燃机的正常工作。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

对单缸内燃机气门装置进行仿真，分别对进气门和排气门的线性位移进行结果分析，输出结果如图4-16所示。

从气门的运动过程以及推杆的运动位移可以看出，在时间为零时，两气门同时关闭，时间为02.秒时排气门开启，1.15秒时进气门开启，1.8秒时排气门关闭，2.87秒进气门关闭，符合内燃机的排气门运动规律。

4.2.2 冲压头控制装置

1. 运动原理

自动装配线的冲压头控制机构是由凸轮机构、连杆机构等组成，利用沟槽凸轮的轮廓控制冲压头的运动规律，工作时齿轮带动凸轮运动，再通过摇杆带动连杆臂使冲压头往复移动，对工件实行冲压。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

对冲压头控制装置进行仿真，分别对凸轮的加速度和冲头的线性位移进行结果分析，输出结果如图4-19所示。

从凸轮的转动角速度和冲压头的线性位移可以看出，凸轮做匀速转动，冲压头做往复移动，从而对工件冲压。

5 齿轮机构

5.1齿轮机构的特点及类型

齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。它依靠齿轮齿廓直接接触来传递空间任意两轴的运动和动力，并具有传递功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、工作可靠等优点；但也存在对制造和安装精度要求高以及成本较高等缺点。

齿轮机构的类型很多，根据一对齿轮在啮合过程中其瞬时传动比是否恒定，将齿轮机构分为圆形齿轮机构和非圆齿轮机构。应用最为广泛的是圆形齿轮机构，非圆齿轮一般只用于有特殊要求的机械中。

  依据齿轮两轴间相对位置的不同，圆形齿轮机构又可以分为以下几类。

1．用于平行轴间传动的齿轮机构

 一般有外啮合齿轮机构、内啮合齿轮机构、齿轮和齿条机构、斜齿轮机构、人字齿轮机构。

2. 用于橡胶轴间传动的齿轮机构

4.     用于交错轴间传动的齿轮机构

5.2齿轮系及其分类

在机械传动中，为满足不同的工作需要，仅用一对齿轮机构是不够的，往往需要一系列齿轮所组成的齿轮机构来传动，这种一系列的齿轮所组成的齿轮传动系统称为齿轮系，简称轮系。

根据轮系运转时各个轴线相对于机构的位置是否固定，将轮系分为三大类。1. 定轴轮系

在轮系运转时，其各个齿轮的轴线相对于机架的位置是固定的，这种轮系为定轴轮系。

2. 周转轮系

在轮系运转时，其中至少有一个齿轮轴线的位置并不固定，而是绕着其他齿轮的轴线回转，这种轮系为周转轮系。

（周转轮系-行星轮系-转化轮系，动画点此进入）

3. 复合轮系

   在实际机械中所用到的轮系往往既包含定轴轮系部分，又包含周转轮系部分，或者由几部分周转轮系组成，这种轮系为复合轮系。

5.3 常用机构应用设计

5.3.1 定轴轮系传动机构

1.运动原理

定轴轮系动机构是由多个固定轴齿轮啮合而成的传动系统，它能够获得较大的传动比，在齿轮系 中包括斜齿轮，斜齿轮可以抵消轴向力，使机械运转平稳。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

5.3.2 周转轮系传动机构

1. 运动原理

周转轮系传动机构是由一个或多个轴线不固定的齿轮啮合而成，通过用SolidWorks对周转轮系建模、仿真可以很容易得到齿轮间的传动比和各齿轮的转速。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

齿轮4为主动件。对周转轮系传动机构进行仿真，分别对齿轮4和行星架的角速度进行结果分析，输出结果如图5-19所示。从仿真结果可以看出，齿轮4的角速度为600deg/sec,行星架的角速度为100 deg/sec；根据周转轮系的传动比计算公式验证，与计算结果相符。

6.其他常用机构

6.1常用机构及其特点

在许多机械中，除杆机构、凸轮机构、齿轮机构外，还经常用到其它机构，如各类间歇运动机构、非圆齿轮机构、螺旋机构、组合机构及含有某些特殊元器件的广义机构等。

1.棘轮机构

棘轮机构是由摇杆、棘爪、棘轮和动爪等组成。它的运动特点是当摇杆连续往复摆动时，棘轮便得到单向的间歇运动。其优点是结构简单、制造方便、运动可靠；并且棘轮轴每次转过的角度的大小可以在较大的范围内调节；其缺点是工作时有较大的冲击和噪声，而且运动精度较差，一般用于低速和载荷不大的场合。棘轮机构可分为齿啮式和摩擦式棘轮机构

2.槽轮机构

槽轮机构主动拨盘、从动槽轮和机架组成。其中拨盘以等角速度做连续回转运动，槽轮做时停时动的简谐运动。槽轮机构的结构简单、外形尺寸小、机械效率高、并能平稳地、间歇的进行转位，但因传动时存在柔性冲击，故常用于速度不大的场合。

3.擒纵机构

   擒纵机构是由擒纵轮、擒纵叉及游丝摆轮组成，擒纵轮受发条驱动而转动，同时又受擒纵叉上的左、右卡瓦阻挡而停止，并通过游丝摆轮系统控制动停时间，从而实现周期性的单向间歇运动。常用于计时器、定时器等中。

4.凸轮式间歇运动机构

  凸轮式间歇运动机构由主动凸轮和从动盘组成，主动凸轮作连续传动，从动轮作间歇分度运动。

5.不完全齿轮机构

不完全齿轮机构是由齿轮机构演变而成的一种间歇运动机构当主动轮作连续回转运动时，从动轮作间歇回转运动。不完全齿轮机构的结构简单，制造容易，工作可靠，但其有较大的冲击，只用于低速、轻载荷场所。

6.万向铰链机构

万向铰链机构可用于传递两相交轴的运动，在传动过程中两轴之间的夹角可以变动，是一种常用的变角传动机构。它广泛用于汽车，机床等机械传动系统中。

对于单万向铰链机构，主动轴以匀速转动，从动轴的转速在范围内变化。

对于双万向铰链机构，主、从动轴角速度可以实现恒相等，但必须满足：

1). 主、从动轴和中间轴位于同一平面；

2). 主、从动轴和中间轴的轴线之间的夹角相等；

3). 中间轴两端的叉面应位于同一平面。

6.2 常用机构应用设计

6.2.1.电影放映机送片机构

1.运动原理

电影放映机送片机构是由销轮、槽轮、胶片、片框等组成，当主动销轮做连续转动，并且拨动槽轮转动，在运转过程中，槽轮做单向间歇运动，胶片也随之移动，一系列静态图片就会因视觉暂留而造成一种连续的视觉印象，产生逼真的动感。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

3. 运动仿真分析

对电影放映机送片机构进行仿真，对销轮的角速度和胶片的位移进行分析，输出结果如图6-17所示。

从仿真曲线结果可以看出，销轮作匀速转动，胶片作间歇移动，当通过两格之间的时候速度较大；在槽轮静止不动时，保持速度为零，从而达到放映的目的。

7 综合机构应用设计

工程上对机械的运动形式、运动规律的要求是复杂多样的，在很多应用场合采用一种基本机构往往是不能满足要求的，因此需要把几个机构联合起来使用，以下是连个采用多个基本机构组成的机械。

7.1工作台控制机构

1.工作原理

工作台控制机构是由齿轮机构和凸轮-连杆组合机构所组成的，大齿轮与凸轮固连在一根轴上，它们的转速相同。摇杆与连杆的铰接点的滚轮插在沟槽凸轮中。当沟槽凸轮通过齿轮机构的驱动连续转动时，带动连杆使工作台做往复直线运动。工作台的运动特性取决于沟槽凸轮的轮廓。当共工作台的运动规律比较复杂时，可采用这种机构来控制。

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3. 运动仿真分析

对工作台控制机构进行仿真，分别对滑块的线性位移和线性速度进行分析，输出结果如图7-3所示；

从仿真曲线结果可以看出，在小齿轮的带动下，通过大齿轮、凸轮以及连杆的传动，滑块作往复直线运动，其速度在0-20mm/sec之间波动，速度波形与凸轮沟槽的形状有关。

7.2.自动装载机构

1.工作原理

   自动装载机构主要由皮带、涡轮、凸轮以及连杆等机构组成，它是由电机带动，通过皮带、蜗杆、凸轮、连杆将动力穿给动爪，从而达到控制工件的目的。

2. 三维模型与运动仿真（动画点此进入）

8机器中的机构

8.1牛头刨床

三维模型与运动仿真（动画点此进入）

8.2 鄂式破碎机

三维模型与运动仿真（动画点此进入）

参考文献

孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理(第七版) [M].北京：高等教育出版社 2006.

杨黎明,杨志勤.机构选型与运动设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

赵满平,马星国.机械原理课程设计(电子版)[M].沈阳：东北大学出版社，2005.

李瑞琴.机构系统创新设计[M].北京：国防工业出版社，2008.

陈国华. 机械机构及应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

张晋西等.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

赵罘,龚堰珏,张云杰.中文版SolidWorks 2009从入门到精通[M].北京：科学出版社.2009.3

本文由张西仲同学整理。在此表示感谢。

2010.7