MECHANISMS AND MACHINE THEORY
Aurelian Vadean lowast;, Dimitri Leray , Jean Guillot
Adeapartment of Mechanical Engineering, Ecole Polytechnique de Montreal, P.O. Box 6079, Station Centre-Ville,Montreal, Queacute;bec, Canada H3C 3A7
bLaboratoire de Genie Mecanique de Toulouse - COSAM, INSA Toulouse, 135 Avenue de Rangueil,Toulouse Cedex 4,
Automotive sub-actuators tooth side clearance adjustment optimization techniques
1.Introduction to Mechanism：
The function of a mechanism is to transmit or transform motion from one rigid body to another as part of the action of a machine. There are three types of common mechanical devices that can be used as basic elements of a mechanism.
1、Gear system, in which toothed members in contact transmit motion between rotating shafts.
2、Cam system, where a uniform motion of an input member is converted into a nonuniform motion of the output member.
3、Plane and spatial linkages are also useful in creating mechanical motions for a point or rigid body.
A kinematic chain is a system of links, that is, rigid bodies , which are either jointed together or are in contact with one another in a manner that permits them to move relative to one another. If one of the links is fixed and the movement of any other link to a new position will cause each of the other links to move to definite predictable position, the system is a constrained kinematic chain. If one of the links is held fixed and the movement of any other link to a new position will not cause each of the other links to move to a definite predictable position then the system is an unconstrained kinematic chain,
A mechanism or linkage is a constrained kinematic chain, and is a mechanical device that has the purpose of transferring motion and/or force from a source to an output. A linkage consists of links (or bars), generally considered rigid, which are connected by joints, such as pin Cor revolute) or prismatic joints, to form open or closed chains (or loops). Such kinematic chains, with at least one link fixed, become mechanisms if at least two other links remain mobility, or structures if no mobility remains. In other words, a mechanism permits relative motion between its 'rigid links'; a structure does not. Since linkages make simple mechanisms and can be designed to perform complex tasks, such as nonlinear motion and force transmission they will receive much attention in mechanism study.
Mechanisms are used in a great variety of machines and devices. The simplest closed-loop linkage is the four-bar linkage, which has three moving links (plus one fixed link) and four pin joints. The link that is connected to the power source or prime mover and has one moving pivot and one ground pivot is called the input link. The output link connects another moving pivot to another ground pivot. The coupler or floating link connected the two moving pivots, thereby 'coupling' the input to the output link.
The four-bar linkage has some special configurations created by making one or more links infinite in length. The slider-crank (or crank and slider) mechanism is a four-bar chain with a slider replacing an infinitely long output link. The internal combustion engine is built based on this mechanism. Other forms of four-link mechanisms exist in which a slider is guided on a moving link rather than on a fixed link. These are called inversions of the slider-crank, produced when another link (the crank, coupler, or slider) is fixed link.
Although the four-bar linkage and slider-crank mechanism are very useful and found in thousands of applications, we can see that these linkages have limited performance level. Linkages with more members are often used in more demanding circumstances. However it is often difficult to visualize the movement of a multiloop linkage, especially when other components appear in the same diagram. The first step in the motion analyses of more complicated mechanisms is to sketch the equivalent kinematic or skeleton diagram. The skeleton diagram serves a purpose similar to that of the electrical schematic or circuit diagram .
Organization movement analysis second step: Draws a graphic chart, is must determine the organization the number of degrees of freedom. Based on degree of freedom, but Italy refers needs certain independent inputs the movement number, by determined organization all components are opposite in the ground position. The people have thousands of different types conceivably the link motion gear. You may imagine a bag containing massive link motion gear the component: Two pole groups, three pole groups, four pole groups and so on, as well as components, rotation, motion, cam follower, gear, tooth chain, chain wheel, leather belt, belt pulley and so on. (Sphere movement, screw vice-as well as the permission three dimensional relative motion other connections not yet includes, here, discusses in parallel planes merely plane motion). Moreover you conceivable put these components various types link motion gear possibility which forms in the same place. How exists helps the people to control forms these organizations the rule? In fact, the majority organization duty is requests a sole input to transmit to a sole output. Therefore the single degree of freedom organization uses most one kind of organization type. For example, namely may see by the intuition: Four pole organizations are a single degree of freedom link motion gear.
The picture motion diagram and the determination organization degree of freedom process, is the movement analysis and the synthesis process first stage. In the movement analysis, adds on its characteristic according to the organization geometry shape which possibly knew (for example input angle, speed, angle acceleration and so on) studies the determination concrete organization. On the other hand, the movement synthesis is designs an organization to complete th
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机构和机器原理
1.机构介绍：
机构的功用是作为机械作用的一个部分从一个刚体到另一个刚体传送即传递运动。
一般能用作机构基本零件的机械装置有三种类型：
1．齿轮装置。那是在回转轴之间进行接触传动的啮合构件。
2．凸轮装置。把输入构件的均匀运动转换成输出构件的非均匀运动的装置。
3．平面机构和空间机构也是能使一个点或一个刚体产生机械运动的有用装置。
运动链是一个构件系统装置即若干个刚体，它们或者彼此铰接或者互相接触，方式上是允许它们彼此间产生相对运动。如果构件中的某一构件被固定而使任何其他一个构件运动到新的位置将会引起其他各个构件也运动到确定的预期的位置上的话，该系统装置就是一个可约束的运动链。如果构件中的某一构件仍保持固定而使任一运动到达一新的位置而不会使其他各个构件运动到一个确定的预期的位置上的话，则该系统装置是一个非约束运动链。
机构或连杆构件是一个可约束的传动链而且是一个从输入到输出以传递运动和（或）力为目的的机械装置。连杆机构是由通常被认为是刚体构件或杆组成的，它们是以销轴铰接的，例如用柱销（圆形的）或棱柱体销轴铰接，以便成形开式或闭式（回环式）的运动链。这样的运动链在至少有一个构件被固定的条件下：（1）如果至少有两个构件能保持运动，就变为机构，（2）如果没有一个构件能够运动，则就成为结构。换句话说，机构是允许其“刚性构件”之间相对运动，而结构则不能。由于连杆机构做成一简单机构而且能设定实现复杂的任务，例如非线性运动和力的传递运动。它们在机构学研究中将受到更多的关注。
机构被用于许多许多的机器和装置中。最简单的封闭式的连杆机构就是四杆机构，四杆机构有三个运动构件（加上一个固定构件）并且有四个销轴。连接动力源的构件即原动件，而具有一个移动铰和一个固定铰者叫做输入构件。输出构件将一个移动铰和另一个固定铰连系起来。连接构件即浮动构件将两个移动的铰（回转副）连系起来，因而连接构件就将输入传送到输出。
四杆机构若使一个或几个构件无限长而产生某些特殊的构造。曲柄滑块（即曲柄和滑块）机构就是一个四杆机构特例。其以一个滑块替换一个无限长的输出件。内燃机就是建立在这一机构基础上。有着另一种形式的四杆机构，其中滑块是在一运动的构件上导移运动而不是在一固定构件上。这些就被称为曲柄滑块机构的变换，它是其中一个构件（曲柄、连杆或滑块）被固定时形成的。
虽然四杆机构和曲柄滑块机构是非常有用而且在成千上万的应用中都可找到。但是我们还看到，这些连杆机构其性能水平的发挥已经受到限制。具有更多构件的连杆机构常常用于更多要求的情况中。然而可以设想多回环的连杆机构的运动常常是更为困难的，特别是当其他零件出现在同一图中的时候，要进行更复杂机构的运动分析：第一步是绘制一等效运动图即示意图。这示意图用于电路图解类似的目的，即仅仅表示机构的主要本质的意图，然而它要体现影响其运动的关键的尺寸。运动图可用两种形式中的一种：一是草图（按比例画出，但放大比例不精确），二是比例准确的运动图（通常用于进一步分析其位置、位移、速度，加速度，力和扭矩传递等等）。为了便于参考，对构件进行顺序编号，（以静止构件编号为1开始编写），而回转副则以字母表示。
机构运动分析的第二步：画一个图解图，是要确定机构的自由度数。依据自由度，可意指需要若干个独立输入的运动的数目，以确定机构所有的构件相对于地面的位置。人们可以想象存在数以千计的不同类型的连杆机构。你可想象一个袋子包容大量的连杆机构的组元：二杆组，三杆组，四杆组等等，以及构件，回转副，移动副，凸轮随动件，齿轮，齿链，链轮，皮带，皮带轮等等。（球形运动副，螺旋副以及允许三维相对运动的其他连接尚未包括进去，这里，仅仅讨论平行平面内的平面运动）。而且你可以想象一下把这些组元放在一起而形成的各种类连杆机构的可能性。存在如何帮助人们控制所形成这些机构的规律吗？实际上，大多数机构的任务是要求一个单一的输入被传递到一个单一的输出。因此单一自由度的机构是使用最多的一种机构类型。例如，由直觉即可以看出：四杆机构就是一个单一自由度的连杆机构。
画运动图和确定机构自由度的过程，就是运动分析和综合过程的第一个阶段。在运动分析中，根据机构的几何形状加上可能知道的其特性（如输入角、速度，角加速度等）来研究确定具体的机构。另一方面，运动综合则是设计一个机构以完成一个所要求的任务的过程。于此，选择新机构的类型和尺寸是运动综合的一个部分。设想相对运动的能力，能推想出之所以这样设计一个机构的原因和对一个具体设计进行改进的能力是一个成功的机构学家的标志。虽然这些能力来自先天的创造性，然而更多的是因为掌握了从实践中提高的技术。
1.1运动分析：
最简单最有用的机构之一是四杆机构。以下论述中的大部分内容集中讨论连杆机构上，而该程序也适用于更复杂的连杆机构。
我们已经知道四杆机构具有一个自由度。关于四杆机构，有没有要知道的有用的更多内容呢？的确是有的！这些包括格拉肖夫准则，变换的概念，死点的位置（分歧点），分支机构，传动角，和他们的运动特征，包括位置，速度和加速度。
四杆机构可具有一种称作曲柄摇杆机构的形式，一种双摇杆机构，一种双曲柄（拉杆）机构，致于称作哪一种形式的机构，取决于跟机架（固定构件）相连接的两杆的运动范围。曲柄摇杆机构的输入构件，曲柄可旋转通过360°并连续转动，而输出构件仅仅作摇动（即摇摆的杆件）。作为一个特例，在平行四杆机构中，输入杆的长度等于输出杆的长度，连接杆的长度和固定杆（机架）的长度，也是相等的。其输入和输出都可以作整周转动或者转换成称作反平行四边形机构的交叉结构。格拉肖夫准则（定理）表明：如果四杆机构中，任意两杆之间能作连续相对转动，那么，其最长杆长度与最短杆长度之和就小于或等于其余两杆长度之和。
应该注意：相同的四杆机构，可有不同的形式，这取决于哪一根杆被规定作为机架（即作固定杆）。运动变换的过程就是固定机构传动链中的不同的杆件以产生不同的机构运动过程。除了具备关于构件回转范围的知识之外，还要具备如何使机构在制造之前就能“运转”的良好措施，那将是很有用的。哈登伯格（Hartenberg）说到：“运转”是一个术语，其意义是传给输出构件的运动的有效性。它意味着运转平稳，其中能在输出构件中产生一个力或扭矩的最大分力是有效的。虽然最终的输出力或扭矩不仅是连杆几何图形的函数，而且一般也是动力或惯性力的结果，那常常是大到如静态力的几倍。为了分析低速运转或为了易于获得如何能使任一机构“运转”的指数，传动角的概念是非常有用的。在机构运动期间，传动角的值在改变。传动角0°可发生在特殊位置上。在此特殊位置上输出杆将不运动而与施加到输入杆上的力多大无关。事实上，由于运动副摩擦的影响，一般根据实际经验，用比规定值大的传动角去设计机构。衡量连杆机构传递运动能力的矩阵基础的定义已经研究出来。一个决定性因素的值（它含有对于某个给定机构图形，位置的输出运动变量对输入变量的导数）是该连杆机构在具体位置中的可动性的一个尺度。
如果机构具有一个自由度（例如四杆机构），则规定的一个位置参数，如输入角，就将完全确定该机构休止的位置（忽视分支机构的可能性）。我们可研究一个关于四杆机构构件绝对角位置的分析表达式。当分析若干位置和（或）若干不同机构时候，这将是比几何图形分析程序要有用得多，因为该表达式将使自动化计算易于编程。实现机构速度分析的相对速度法即速度多边形是几种有效的方法之一。这端（顶）点代表着机构上所有的点，具有零速度。从该点到速度多边形上的各点画的线代表着该机构上相应各点的绝对速度。一根线连接速度多边形上的任意两点就代表着作为该机构上两个对应的点的相对速度。
另外的方法就是瞬时中心法，即瞬心法，该方法是非常有用的而且常常是在复杂连杆机构分析时较快的方法。瞬心是一个点，该点在那一瞬间，机构上的两构件之间不存在相对运动。为了找出已知机构某些瞬心的位置，肯尼迪（Kennedy）三中心理论就非常有用。它是说：彼此相对运动的三个物体的三个瞬心必定是在一直线上。
机构各构件的加速度是令人感兴趣的，因为它影响惯性力，继而影响机器零件的应力、轴承载荷、振动和噪音。由于最终的目的是机器和机构惯性力的分析，所有加速度的各分量都应一次性地画在同一坐标系中——机构的固定构件的惯性坐标系中表示出来。
应注意的是：相对于固定回转副的回转刚体上的一点加速度分量通常有两个。一个分力方向切于该点的轨迹，其指向与该物体的角加速度方向相同，并被称为切向加速度。它的存在完全是由于角速度的变化率引起的。
另一个分量，总是指向物体的回转中心，被称为标准的向心加速度，这个分量由于速度矢量的方向发生改变而存在。
运动的综合：
机构是形成许多机械装置的基本几何结构单元，这些机械装置包括自动包装机、打印机、机械玩具、纺织机械和其他机械等。典型的机构要设计成使刚性构件相对基准构件产生所希望的运动。机构的运动设计即运动的综合，第一步常常是先设计整部机器。当考虑受力时，要提出动力学方面的问题，轴承的荷载、应力、润滑等类似的问题，而较大的问题是机器结构问题。
运动学家把运动学定义为“研究机构的运动和创建机构的方法”。这个定义的第一部分就涉及运动学分析。已知一个机构，其构成的运动特性将由运动学分析来确定。叙述运动分析的任务包含机构的主要尺寸、构件间的相互连结和输入运动的技术特性或驱动方法。目的是要找出位移、速度、加速度、冲击或跳动（二阶加速度），和可能发生的各构件的高阶加速度以及所描述径迹和由某些构件来实现的运动。定义的第二部分可用以下两方面来解释：
1．研究借助机构来产生给定运动的方法
2．研究建造能产生给定运动机构的方法，在两个方案中，运动是给定的而机构是创建的。这就是运动综合的本质。这样运动综合涉及到为给定性能的机构的系统设计。运动综合方面又可归结为以下两类：
1．类型综合。规定所要求的性能，怎样一种类型的机构才是合适的？（齿轮系，连杆机构？还是凸轮机构？）而机构应具有多少构件？需要多少个自由度？怎样的轮廓结构才是所希望的？等等。关于杆件数目和自由度的考虑通常被认为是类型综合中被称作为数量综合的一个分支领域。
2．尺寸综合。运动综合的第二个主要类型是通过目标法来确定的最佳方法。尺寸综合试图确定机构的重要尺寸和起动位置，该机构是为着实现规定的任务和预期的性能而事先设想的。
所谓重要的尺寸意思是指关于两杆、三杆等的长度或杆间距离，构件数和轴线间的角度，凸轮轮廓尺寸，凸轮随动件的直径，偏心距，齿轮配额等等。预想机构类型可能是曲柄滑块机构、四杆机构，带盘型从动件的凸轮机构，或者是以拓扑学方法而非因次分析法所确定的具有某种结构形状更为复杂的连杆机构。对于运动综合，惯例上有三个任务：函数生成，轨迹生成和运动生成。
在函数生成机构中输入和输出构件的转动或移动必须是相互关联的。对于一个任意函数y＝f（x），一个运动综合的任务可能是设计一个连杆机构使输入和输出建立起关系以便使得在xo＜x＜xn-1的范围内输入按x运动，而输出按y＝f（x）运动。在输入和输出件回转运动情况下，转角phi;和phi;分别是x和y的线性模拟。当输入件回转到一个独立x值时，在一个“黑箱”的机构中，使输出构件转到相对应的由函数y＝f（x）决定的数值上。这可被认为是机械模拟计算机的最简单的情形。各种不同的机构都可以包含在这个“黑箱”内，然而对于任意函数的无误差生成，四杆机构是无能为力的，仅仅可能在有限精确度内与之相匹配。它广泛用于工业上，因为四杆机构在构建和维修上都是简单的。
在轨迹生成机构中，在“浮动杆”上一个点要描画一条相对于一个固定坐标系确定的轨迹。如果该轨迹点是既要与时间相关又要与位置相关，该任务被称之为预定周期的轨迹生成。轨迹生成机构的一个例子就是设计来投掷棒球或网球的四杆机构。在这种情况下，点P的轨迹将是这样：在预定的位置捡起一个球，并在预定的时间周期内沿着预定的径迹把球传送出去，能达到合适的速度和方向。
机械装置设计中有着许多情形，在这些情形中既要导引刚体通过一系列规定的、受限制的独立位置，又要在减少受限制而且独立的位置的数目时，对运动体的速度和（或）加速度加以约束，那是必要的。运动生成或刚体导引机构要求：一个完整的物体要被导引通过一预定的运动序列。作为被导引的物体通常是“浮动构件”的一部分，那不仅是预定点P的轨迹，也是通过该点并嵌入该物体内的线的转动。例如，该线可能代表自动化机械中的一个载体件，那是在载体件上的一个点具有一个预定的轨迹而该载体件又具有一个预定的角度方位。预定方式装料机的吊斗的运动是运动生成机构的另一个例子。吊斗端的轨迹是有极限的。因为其端口必须实现挖掘的运动轨迹，紧跟着要实现提升和倾泻的轨迹。吊斗的角度方位对保证斗中物料从正确的位置倾泻（倒）同样是重要的。
凸轮和齿轮：
凸轮装置是把一种运动改变成另一种运动的方便装置。这种机器零件具有曲面或槽面，该曲面或槽面与从动件相配合并将运动传给从动件。凸轮的运动（通常是转动）被传递给从动件作摇动或移动，或两者均有。由于各种各样的几何体和大量的凸轮与从动件相结合，因此凸轮是一种极多功能的万用的机械零件。虽然凸轮和从动件可以为运动、轨迹和功能生成而设计，但其主要是用于利用凸轮和从动件作为功能生成构件。
根据凸轮形状，最普遍的凸轮种类是：盘形传动凸轮（两维的，即平面的）和圆柱形凸轮（三维的，即空间的）机构。从动件可以用几个方法分类：根据从动件的运动，例如移动或摇动来分类，根据平移式（直线）从动件运动是沿径向的还是从凸轮轴中心偏心的和根据从动件接触面的形状（比如平面、辊子、点——刀尖式，球面，平面曲线或空间曲面）。
对于一个对心直动滚子从动件盘形凸轮，可画出的与凸轮表面相切且与轮轴同心的最小圆是基圆。随动件的点就是产生节线的辊子中心的点。压力
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