第一章 机构的组成和结构 (第二版)

1、 在绪论一章中已经讲过，本课程研究的对象主要是各种在绪论一章中已经讲过，本课程研究的对象主要是各种机构，研究的主要内容是各种机构的分析和综合问题。为机构，研究的主要内容是各种机构的分析和综合问题。为了对机构进行研究，需要弄清楚以下问题：了对机构进行研究，需要弄清楚以下问题： 1.1.构件间可动联接的型式及其运动、传力特征构件间可动联接的型式及其运动、传力特征 2.2.在什么条件下机构才能具有确定的运动在什么条件下机构才能具有确定的运动? ? 3. 3.如何用简单的图形把机构表示出来如何用简单的图形把机构表示出来?机构运动简机构运动简图绘制图绘制 4.4.机构的结构分析与分类机构的结构分析与分类

2、机构组成原理和结构分析机构组成原理和结构分析 一、构件与自由度一、构件与自由度 1. 构件构件 构件是机构的最基本单元，用来传递运动和力。构件是机构的最基本单元，用来传递运动和力。 凡是能传递运动和力，并且在运动时可视为一个整体的凡是能传递运动和力，并且在运动时可视为一个整体的物理介质都可以称为构件。物理介质都可以称为构件。 构件可以是刚体，也可以是挠性体和流体。构件可以是刚体，也可以是挠性体和流体。 研究机构的组成原理时，一般将构件抽象为刚体。研究机构的组成原理时，一般将构件抽象为刚体。 2. 自由度自由度 构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所需的构件所具有的独立运动的数目，或确定构

3、件位置所需的独立变量的数目。独立变量的数目。Oxzysxszsy y x z空间运动刚体的自由度空间运动刚体的自由度y x z O y z(x , y)xO平面运动刚体的自由度平面运动刚体的自由度sxsy二、运动副与约束二、运动副与约束运动副：运动副：两个构件之间两个构件之间直接接触直接接触所形成的所形成的可动联接可动联接。运动副元素：运动副元素：构件上参与接触的几何元素。构件上参与接触的几何元素。运动副作用：运动副作用：提供约束。提供约束。不同的运动副元素，构成了不同的接触形式，提供了不同不同的运动副元素，构成了不同的接触形式，提供了不同的约束和相对运动自由度。的约束和相对运动自由度。zxy

4、O zsz球面球面平面副平面副空间空间I 级高副级高副圆柱圆柱平面副平面副空间空间II 级高副级高副球面副球面副空间空间III 级低副级低副球销副球销副空间空间IV 级低副级低副圆柱副圆柱副空间空间IV 级低副级低副螺旋副螺旋副空间空间V 级低副级低副 点接触，点接触，f f 5,s 5,s 1 1线接触线接触f 4, ,s 2空间空间RSRC机构机构球面球面4 4R机构机构空间空间RSSP机构机构 平面机构是我们的主要研究对象。平面机构是我们的主要研究对象。单封闭回路闭链单封闭回路闭链p N （p为运动副数，为运动副数，N为构件数）为构件数）多封闭回路运动闭链多封闭回路运动闭链k p N 1

5、( (k为回路数为回路数) )N p 1其余构件运动其余构件运动是否确定？是否确定？机构机构满足条件满足条件在另一个（或几个）在另一个（或几个）构件上加上已知运动构件上加上已知运动21341432运动链运动链 4132固定一个构件固定一个构件曲柄滑块机构曲柄滑块机构摇块机构摇块机构导杆机构导杆机构431CAB21423ABC1432ABCAB2134常用运动副的符号常用运动副的符号运动副符号运动副符号两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副转转动动副副移移动动副副121212121212212121平平面面运运动动副副两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副1212212112

6、22112运动副运动副名称名称平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副1212空空间间运运动动副副122112平平面面运运动动副副21构件的表示方法构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件三副构件三副构件 两副构件两副构件 构件的表示方法构件的表示方法 画构件时应撇开实际外形，只考虑运动副的性质。画构件时应撇开实际外形，只考虑运动副的性质。内燃机连杆内燃机连杆常用机构运动简图符号（摘自常用机构运动简图符号（摘自GB/T4460-1984）在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动带带传传动动链

7、链传传动动圆圆柱柱杆杆蜗蜗轮轮传传动动凸凸轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）常用机构运动简图符号（续）内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动棘棘轮轮机机构构1234一、机构自由度计算一、机构自由度计算例例 平面四杆机构自由度计算平面四杆机构自由度计算分析分析：n 3，pL=4计算：计算：F 3n 2pL pH 3 3 2 4 11432ABC机构自由度计算公式也就是运动链自由度计算公式，适用机构自由度计算公式也就是运动链自由度计算公式，适用于所有运动链和机构的自由度计算。于所有运动链和机构的自由度计算。A

8、B12C3平面三构件运动链平面三构件运动链1243ADBCE平面四构件运动链平面四构件运动链 计算错误的原因：计算错误的原因：三、计算机构自由度时应注意的问题三、计算机构自由度时应注意的问题举例举例飞机起落架飞机起落架机构自由度计算机构自由度计算两个转动副两个转动副12345678ABCDEF123134212344132两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副两个转动副1243两构件构成多个两构件构成多个导路平行的移动副导路平行的移动副两构件构成多个接触两构件构成多个接触点处法线重合的高副点处法线重合的高副两构件构成多个两构件构成多个轴线重合的转动副轴线重合的转

9、动副52134EF53241EF? 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合1234ABDFEC43125ABCD平行四边形机构平行四边形机构椭圆机构椭圆机构1B342A 机构中对传递运动不起独立作用的对称部分机构中对传递运动不起独立作用的对称部分 对称布置的两个行星轮对称布置的两个行星轮2 和和2 以及相应的两个转动副以及相应的两个转动副D、C和和4个平面高副提供的自由度个平面高副提供的自由度F 3 2 2 2 1 4 2即引入了两个虚约束。即引入了两个虚约束。 未去掉虚约束时未去掉虚约束时F 3n 2pL pH 3 5 2 5 1 6 1行星轮系行星轮系

10、 去掉虚约束后去掉虚约束后1234ADBC2 2 行星轮系行星轮系B2I9C 3A1J6H87DE4FG5例例3 计算包装机送纸机构的自由度计算包装机送纸机构的自由度 解：首先判断机构中有无解：首先判断机构中有无复合铰链、局部自由度和复合铰链、局部自由度和虚约束虚约束复合铰链：复合铰链：局部自由度：局部自由度：虚约束：虚约束：运动副运动副D1处处滚子滚子3、8杆杆9和运动副和运动副F、I引入一引入一个虚约束个虚约束 n = 8， pL = 11， pH = 1 F=38-2111=1K1K2O1O2替代构件替代构件：1 1杆杆2 2低副低副替代方法替代方法 在高副两个曲率中心之间画出替代构件；

11、在高副两个曲率中心之间画出替代构件； 替代构件分别与组成高副的两个构件相联；替代构件分别与组成高副的两个构件相联； 组成高副的两个构件应去掉组成高副的两个构件应去掉高副高副、简化成杆。、简化成杆。 尖顶尖顶特殊情况特殊情况nnp 尖顶尖顶特殊情况特殊情况 平底平底p 平底平底 平底平底例：计算图示机构自由度，并高副低代例：计算图示机构自由度，并高副低代 n = 7， pL = 9， pH= 2 F=37-292=1内接运动副内接运动副外接运动副外接运动副R-R-R组组R-R-P组组R-P-R组组P-R-P组组R-P-P组组 BC2D3EF45GIH67JA1871245683GEFJIHABC

12、D注意：注意：杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。杆组的各个外端副不允许联在同一个构件上。一个构件一个构件 【例】对图示机构进行高副低代和结构分析。【例】对图示机构进行高副低代和结构分析。ACBDIFGHJP【解】【解】1. 高副低代：高副低代：ACBDIFGHJP【解】【解】1. 高副低代：高副低代：ACBDIFGHJP【解】【解】 2. 结构分析结构分析：（：（1）除去虚约束：）除去虚约束：ACBDIFGHJPA【解】【解】 2. 结构分析结构分析：（：（2）拆出原动件和机架：）拆出原动件和机架：CBDIFGHJP（3）拆组：）拆组：级机构级机构H【解】【解】 以以GH为原动件进行为原动件进行 结构分析：结构分析：ACBIGJDFP级机构级机构EF45GIH67J BC2D3A1871245683GEFJIHABCDIII级组级组II级组级组5IH7G BC2A171245683GEFJIHABCDD3EF468J II级组级组II级组级组II级组级组216DK O3457CBA109HGFEIJ8例例4 对图示电锯机构进行结构分析。对图示电锯机构进行结构分析。解解n 8pL 11pH 1F 3n 2pL pH 3 8 2 11 1 1 1机构