【文章內(nèi)容簡介】 我們已經(jīng)知道四桿機構(gòu)具有一個自由度。關于四桿機構(gòu)，有沒有要知道的有用的更多內(nèi)容呢？的確是有的！這些包括格拉肖夫準則，變換的概念，死點的位置（分歧點），分支機構(gòu)，傳動角，和他們的運動特征，包括位置，速度和加速度。四桿機構(gòu)可具有一種稱作曲柄搖桿機構(gòu)的形式，一種雙搖桿機構(gòu)，一種雙曲柄（拉桿）機構(gòu)，致于稱作哪一種形式的機構(gòu)，取決于跟機架（固定構(gòu)件）相連接的兩桿的運動范圍。曲柄搖桿機構(gòu)的輸入構(gòu)件，曲柄可旋轉(zhuǎn)通過360176。并連續(xù)轉(zhuǎn)動，而輸出構(gòu)件僅僅作搖動（即搖擺的桿件）。作為一個特例，在平行四桿機構(gòu)中，輸入桿的長度等于輸出桿的長度，連接桿的長度和固定桿（機架）的長度，也是相等的。其輸入和輸出都可以作整周轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)換成稱作反平行四邊形機構(gòu)的交叉結(jié)構(gòu)。格拉肖夫準則（定理）表明：如果四桿機構(gòu)中，任意兩桿之間能作連續(xù)相對轉(zhuǎn)動，那么，其最長桿長度與最短桿長度之和就小于或等于其余兩桿長度之和。應該注意：相同的四桿機構(gòu)，可有不同的形式，這取決于哪一根桿被規(guī)定作為機架（即作固定桿）。運動變換的過程就是固定機構(gòu)傳動鏈中的不同的桿件以產(chǎn)生不同的機構(gòu)運動過程。除了具備關于構(gòu)件回轉(zhuǎn)范圍的知識之外，還要具備如何使機構(gòu)在制造之前就能“運轉(zhuǎn)”的良好措施，那將是很有用的。哈登伯格（Hartenberg）說到：“運轉(zhuǎn)”是一個術(shù)語，其意義是傳給輸出構(gòu)件的運動的有效性。它意味著運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其中能在輸出構(gòu)件中產(chǎn)生一個力或扭矩的最大分力是有效的。雖然最終的輸出力或扭矩不僅是連桿幾何圖形的函數(shù)，而且一般也是動力或慣性力的結(jié)果，那常常是大到如靜態(tài)力的幾倍。為了分析低速運轉(zhuǎn)或為了易于獲得如何能使任一機構(gòu)“運轉(zhuǎn)”的指數(shù)，傳動角的概念是非常有用的。在機構(gòu)運動期間，傳動角的值在改變。傳動角0176?？砂l(fā)生在特殊位置上。在此特殊位置上輸出桿將不運動而與施加到輸入桿上的力多大無關。事實上，由于運動副摩擦的影響，一般根據(jù)實際經(jīng)驗，用比規(guī)定值大的傳動角去設計機構(gòu)。衡量連桿機構(gòu)傳遞運動能力的矩陣基礎的定義已經(jīng)研究出來。一個決定性因素的值（它含有對于某個給定機構(gòu)圖形，位置的輸出運動變量對輸入變量的導數(shù)）是該連桿機構(gòu)在具體位置中的可動性的一個尺度。如果機構(gòu)具有一個自由度（例如四桿機構(gòu)），則規(guī)定的一個位置參數(shù)，如輸入角，就將完全確定該機構(gòu)休止的位置（忽視分支機構(gòu)的可能性）。我們可研究一個關于四桿機構(gòu)構(gòu)件絕對角位置的分析表達式。當分析若干位置和（或）若干不同機構(gòu)時候，這將是比幾何圖形分析程序要有用得多，因為該表達式將使自動化計算易于編程。實現(xiàn)機構(gòu)速度分析的相對速度法即速度多邊形是幾種有效的方法之一。這端（頂）點代表著機構(gòu)上所有的點，具有零速度。從該點到速度多邊形上的各點畫的線代表著該機構(gòu)上相應各點的絕對速度。一根線連接速度多邊形上的任意兩點就代表著作為該機構(gòu)上兩個對應的點的相對速度。另外的方法就是瞬時中心法，即瞬心法，該方法是非常有用的而且常常是在復雜連桿機構(gòu)分析時較快的方法。瞬心是一個點，該點在那一瞬間，機構(gòu)上的兩構(gòu)件之間不存在相對運動。為了找出已知機構(gòu)某些瞬心的位置，肯尼迪（Kennedy）三中心理論就非常有用。它是說：彼此相對運動的三個物體的三個瞬心必定是在一直線上。機構(gòu)各構(gòu)件的加速度是令人感興趣的，因為它影響慣性力，繼而影響機器零件的應力、軸承載荷、振動和噪音。由于最終的目的是機器和機構(gòu)慣性力的分析，所有加速度的各分量都應一次性地畫在同一坐標系中——機構(gòu)的固定構(gòu)件的慣性坐標系中表示出來。應注意的是：相對于固定回轉(zhuǎn)副的回轉(zhuǎn)剛體上的一點加速度分量通常有兩個。一個分力方向切于該點的軌跡，其指向與該物體的角加速度方向相同，并被稱為切向加速度。它的存在完全是由于角速度的變化率引起的。另一個分量，總是指向物體的回轉(zhuǎn)中心，被稱為標準的向心加速度，這個分量由于速度矢量的方向發(fā)生改變而存在。運動的綜合機構(gòu)是形成許多機械裝置的基本幾何結(jié)構(gòu)單元，這些機械裝置包括自動包裝機、打印機、機械玩具、紡織機械和其他機械等。典型的機構(gòu)要設計成使剛性構(gòu)件相對基準構(gòu)件產(chǎn)生所希望的運動。機構(gòu)的運動設計即運動的綜合，第一步常常是先設計整部機器。當考慮受力時，要提出動力學方面的問題，軸承的荷載、應力、潤滑等類似的問題，而較大的問題是機器結(jié)構(gòu)問題。運動學家把運動學定義為“研究機構(gòu)的運動和創(chuàng)建機構(gòu)的方法”。這個定義的第一部分就涉及運動學分析。已知一個機構(gòu)，其構(gòu)成的運動特性將由運動學分析來確定。敘述運動分析的任務包含機構(gòu)的主要尺寸、構(gòu)件間的相互連結(jié)和輸入運動的技術(shù)特性或驅(qū)動方法。目的是要找出位移、速度、加速度、沖擊或跳動（二階加速度），和可能發(fā)生的各構(gòu)件的高階加速度以及所描述徑跡和由某些構(gòu)件來實現(xiàn)的運動。定義的第二部分可用以下兩方面來解釋：1．研究借助機構(gòu)來產(chǎn)生給定運動的方法2．研究建造能產(chǎn)生給定運動機構(gòu)的方法，在兩個方案中，運動是給定的而機構(gòu)是創(chuàng)建的。這就是運動綜合的本質(zhì)。這樣運動綜合涉及到為給定性能的機構(gòu)的系統(tǒng)設計。運動綜合方面又可歸結(jié)為以下兩類：1．類型綜合。規(guī)定所要求的性能，怎樣一種類型的機構(gòu)才是合適的？（齒輪系，連桿機構(gòu)？還是凸輪機構(gòu)？）而機構(gòu)應具有多少構(gòu)件？需要多少個自由度？怎樣的輪廓結(jié)構(gòu)才是所希望的？等等。關于桿件數(shù)目和自由度的考慮通常被認為是類型綜合中被稱作為數(shù)量綜合的一個分支領域。2．尺寸綜合。運動綜合的第二個主要類型是通過目標法來確定的最佳方法。尺寸綜合試圖確定機構(gòu)的重要尺寸和起動位置，該機構(gòu)是為著實現(xiàn)規(guī)定的任務和預期的性能而事先設想的。所謂重要的尺寸意思是指關于兩桿、三桿等的長度或桿間距離，構(gòu)件數(shù)和軸線間的角度，凸輪輪廓尺寸，凸輪隨動件的直徑，偏心距，齒輪配額等等。預想機構(gòu)類型可能是曲柄滑塊機構(gòu)、四桿機構(gòu)，帶盤型從動件的凸輪機構(gòu)，或者是以拓撲學方法而非因次分析法所確定的具有某種結(jié)構(gòu)形狀更為復雜的連桿機構(gòu)。對于運動綜合，慣例上有三個任務：函數(shù)生成，軌跡生成和運動生成。在函數(shù)生成機構(gòu)中輸入和輸出構(gòu)件的轉(zhuǎn)動或移動必須是相互關聯(lián)的。對于一個任意函數(shù)y＝f（x），一個運動綜合的任務可能是設計一個連桿機構(gòu)使輸入和輸出建立起關系以便使得在xo＜x＜xn1的范圍內(nèi)輸入按x運動，而輸出按y＝f（x）運動。在輸入和輸出件回轉(zhuǎn)運動情況下，轉(zhuǎn)角φ和φ分別是x和y的線性模擬。當輸入件回轉(zhuǎn)到一個獨立x值時，在一個“黑箱”的機構(gòu)中，使輸出構(gòu)件轉(zhuǎn)到相對應的由函數(shù)y＝f（x）決定的數(shù)值上。這可被認為是機械模擬計算機的最簡單的情形。各種不同的機構(gòu)都可以包含在這個“黑箱”內(nèi)，然而對于任意函數(shù)的無誤差生成，四桿機構(gòu)是無能為力的，僅僅可能在有限精確度內(nèi)與之相匹配。它廣泛用于工業(yè)上，因為四桿機構(gòu)在構(gòu)建和維修上都是簡單的。在軌跡生成機構(gòu)中，在“浮動桿”上一個點要描畫一條相對于一個固定坐標系確定的軌跡。如果該軌跡點是既要與時間相關又要與位置相關，該任務被稱之為預定周期的軌跡生成。軌跡生成機構(gòu)的一個例子就是設計來投擲棒球或網(wǎng)球的四桿機構(gòu)。在這種情況下，點P的軌跡將是這樣：在預定的位置撿起一個球，并在預定的時間周期內(nèi)沿著預定的徑跡把球傳送出去，能達到合適的速度和方向。機械裝置設計中有著許多情形，在這些情形中既要導引剛體通過一系列規(guī)定的、受限制的獨立位置，又要在減少受限制而且獨立的位置的數(shù)目時，對運動體的速度和（或）加速度加以約束，那是必要的。運動生成或剛體導引機構(gòu)要求：一個完整的物體要被導引通過一預定的運動序列。作為被導引的物體通常是“浮動構(gòu)件”的一部分，那不僅是預定點P的軌跡，也是通過該點并嵌入該物體內(nèi)的線的轉(zhuǎn)動。例如，該線可能代表自動化機械中的一個載體件，那是在載體件上的一個點具有一個預定的軌跡而該載體件又具有一個預定的角度方位。預定方式裝料機的吊斗的運動是運動生成機構(gòu)的另一個例子。吊斗端的軌跡是有極限的。因為其端口必須實現(xiàn)挖掘的運動軌跡，緊跟著要實現(xiàn)提升和傾瀉的軌跡。吊斗的角度方位對保證斗中物料從正確的位置傾瀉（倒）同樣是重要的。凸輪和齒輪凸輪裝置是把一種運動改變成另一種運動的方便裝置。這種機器零件具有曲面或槽面，該曲面或槽面與從動件相配合并將運動傳給從動件。凸輪的運動（通常是轉(zhuǎn)動）被傳遞給從動件作搖動或移動，或兩者均有。由于各種各樣的幾何體和大量的凸輪與從動件相結(jié)合，因此凸輪是一種極多功能的萬用的機械零件。雖然凸輪和從動件可以為運動、軌跡和功能生成而設計，但其主要是用于利用凸輪和從動件作為功能生成構(gòu)件。根據(jù)凸輪形狀，最普遍的凸輪種類是：盤形傳動凸輪（兩維的，即平面的）和圓柱形凸輪（三維的，即空間的）機構(gòu)。從動件可以用幾個方法分類：根據(jù)從動件的運動，例如移動或搖動來分類，根據(jù)平移式（直線）從動件運動是沿徑向的還是從凸輪軸中心偏心的和根據(jù)從動件接觸面的形狀（比如平面、輥子、點——刀尖式，球面，平面曲線或空間曲面）。對于一個對心直動滾子從動件盤形凸輪，可畫出的與凸輪表面相切且與輪軸同心的最小圓是基圓。隨動件的點就是產(chǎn)生節(jié)線的輥子中心的點。壓力角就是輥中心軌跡方向線和通過輥子中心的節(jié)線的法線之間的夾角而且是傳動角的余角。忽略摩擦影響，這法線方向跟凸輪與從動件之間接觸力方向是重合一致的。像在一連桿機構(gòu)中，壓力角在循環(huán)運轉(zhuǎn)過程中變化且是凸輪把運動作用力傳遞到從動件去的一種量度。大壓力角將產(chǎn)生施加到從動件桿上的側(cè)向力，因摩擦力存在，那將勢必把從動件限制在導槽中。在自動化機械中的許多應用需要間歇運動。一個典型的例子將要求一個含有上升一停歇一返回和可能另一個停歇的周期，每階段經(jīng)過一個指定的角度，伴隨著一個所要求的從動件的位移，這個位移以厘米或度來度量。設計者的工作就是相應地設計出該凸輪。首先要做的決策就是要選擇凸輪從動件的類型。規(guī)定的應用可能要求凸輪和從動件相結(jié)合。轉(zhuǎn)化為決策的某些因素有：幾何形狀條件，動力條件，環(huán)境條件和經(jīng)濟因素。一旦凸輪與從動件運動副類型被選定，則從動件運動就必定選定。因此，速度、加速度和在某些情況下，從動件位移的進一步的方案實屬極端重要。齒輪是借助于輪齒成功嚙合來傳遞運動的機器零件。齒輪從一根回轉(zhuǎn)軸到另一回轉(zhuǎn)軸傳遞運動或傳遞運動到一傳動齒條。多數(shù)應用中都以恒定角速比（或常定扭矩比）而存在。恒定角速比應用中必定是軸向傳動。在各種各樣有用的齒輪類型基礎上，輸入軸和輸出軸需要在一直線上或需要互相平行都不受什么限制。由于使用非圓齒輪，非線性角速比也是很有用的。為了保持恒定的角速度，各個齒輪齒廓必須服從齒輪嚙合的基本規(guī)律：為了一對齒能傳遞恒定角速比，他們接觸齒廓的形狀必須是要這樣：公法線通過兩齒輪中心連線上的固定點。滿足嚙合基本規(guī)律的兩嚙合齒廓被稱為共軛齒廓。盡管有著許多滿足相嚙合齒的可能齒形能被設計出來，以滿足基本嚙合規(guī)律，但一般僅有兩種在使用：擺線齒廓和漸開線齒廓。漸開線具有若干重要的優(yōu)點：它易于加工制造和一對漸開線齒輪之間的中心距可以變化而不改變速比，當使用漸開線齒廓時，可不要求精密的軸間公差。有幾種標準齒輪可供選用。為了在平行軸條件下應用，通常使用直齒圓柱齒輪，平行軸斜齒輪或人字齒齒輪。在相交軸的情況下使用直齒錐齒輪或螺旋齒輪。對于非相交軸和非平行軸齒輪傳動，交錯軸螺旋齒輪，蝸桿蝸輪，端面齒輪、斜齒圓錐齒輪或準雙曲面齒輪將被選用。對于直齒圓柱齒輪，相嚙合齒輪的節(jié)圓是彼此相切的。他們互相滾動而無滑動。齒頂高是輪齒伸出超過節(jié)圓的高度（也是節(jié)圓和齒頂圓之間在徑向的距離）。頂隙是一個給定齒的齒根高（在節(jié)圓以下的齒高）大于與它相嚙合的齒輪的齒頂高的量（差值）。齒厚是沿著節(jié)圓圓弧上跨齒的距離，而齒間距（齒槽S）是沿著節(jié)圓圓弧上相鄰兩齒間的空間距離。而齒側(cè)間隙是在節(jié)圓上的齒槽寬度大于其相嚙合齒輪在節(jié)圓上的齒厚的差值。螺紋件、緊固件和聯(lián)接件固緊和聯(lián)接零件的典型方法包括利用諸如螺栓、螺帽、有頭螺釘、定位螺釘、鉚釘、鎖緊裝置和鍵。零件也可以用熔焊、銅焊和夾緊連接。在工程圖學和金屬加工工藝研究中常常包括關于各種連接方法的說明，在工程上對此很感興趣的，求知欲強的任何人自然會獲得關于固緊方法上良好的基礎知識。如果讓一個穿制服的人去選擇他能想象的機械設計方面最枯燥最不感興趣的學科的話，那么他就會選擇緊固件學科，即螺栓和螺帽。事實上，術(shù)語“螺栓和螺帽”是與艱苦、單調(diào)的工作同義。但是乏味的工作總是需要的。人們嚴肅設想能有一群螺栓螺帽制造者組成一個協(xié)會并在一起召開年會嗎？那樣的話，還有什么學科不能讓人感興趣呢？大型噴氣發(fā)動機客機像波音747和洛希德1011，需要250萬個緊固件，其中一些每個要花數(shù)美元。例如波音747，大約需要裝70000個鈦合金緊固件，全部大約要花150000美元；400000個具有精密公差的其他緊固件，大約要花250000美元；和30000個擠壓用鉚釘，價值每個50美分。為了保持低成本，波音和洛希德和他們的工程承包人常常重新審查緊固件的設計、安裝技術(shù)和加工工具。節(jié)省設計和加工工具費用將找到一個預備市場，那將像Jumbo噴氣發(fā)動機增值那樣而增長價值。緊固件是根據(jù)計劃并以如何使用他們來命名的，而不是根據(jù)其在具體例子中實際的應用。如果記住了這個基本事實，就將不難區(qū)別螺釘和螺栓。如果所設計的產(chǎn)品其主要目的是把它裝入到已攻絲的螺紋孔中，那就是螺釘。這樣螺釘是要在螺釘頭上施加扭矩來旋緊的。如果所設計的產(chǎn)品打算跟螺母配合使用，那就是螺栓。螺栓是靠在螺母上施加扭矩來旋緊的。雙頭螺栓就像刻了螺紋的桿，一端旋入螺紋孔中，另一端再裝上螺帽，那就是確定產(chǎn)品名稱的意義，并不是其實際使用。這樣，在各種場合用鉆頭去鉆孔穿過兩塊鋼板，人們就會用螺栓和螺帽來連接它們，這可能是人們所希望的。有四種形式的螺釘頭，最普遍使用四種帶帽螺釘是：六角頭螺釘，槽頭螺釘，平頭螺釘和內(nèi)六角沉頭螺釘。當想要一個可以被拆開又不破壞被聯(lián)接零件的聯(lián)接時，而且這個聯(lián)接又要有足夠的強度以承受外拉力和剪力或這兩種力的結(jié)合，使用淬火墊圈的簡單螺栓聯(lián)結(jié)是一個很好的方法。在這種連接中，首先把螺栓上緊以產(chǎn)生一預緊載荷初拉力，而后施加外拉力載荷和剪切載荷。預載荷的作用是使被聯(lián)接零件處于壓應力狀態(tài)以便更好地抵抗剪切載荷。螺栓預加載荷的重要性不能被過高地估計。較高預載荷能提高螺栓聯(lián)結(jié)的抗疲勞能力和改善鎖緊作用。已經(jīng)知到：高預載荷在重要的螺栓聯(lián)接中是非常希望的。下一步我們必須考慮，當要裝配零件時，實際研制預載的保險的辦法。如果具有橫截面積為A的螺栓總長度為L，當它被裝配時，實際上是可以用千分表來測量的。由于預載力F而使螺栓伸長為d,d可以利用公式d＝FL/AE來計算。式中E是螺栓材