机械原理 机构的结构分析

1、 第一讲 机构的结构分析知识点归纳：一 机构的组成1构件：机器中每一个独立的运动单元，任何机器都是由若干个（两个以上）构件组合而成。2零件：机器的独立制造单元。二、运动副及分类1.运动副：由两构件直接接触而组成的可动联接称为运动副。而把两构件上能够直接接触而构成运动副的表面称为运动副的元素。2.运动副的分类根据构成运动副的两构件的接触情况进行分类。高副：两构件通过点或线接触而构成的运动副。常见的高副：凸轮副 齿轮副低副：两构件通过面接触而构成的运动副。常见的低副有：回转副，移动副，球面副。3. 约束：平面高副引入的1个约束，自由度为2，低副引入2个约束，自由度为1.三、运动链1 定义：若干个构

2、件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统称为运动链。2 闭链：若运动链的各构件构成了首末封闭的系统，则称其为闭式运动链。3 开链：若运动链的各构件未构成首末封闭的系统，则称其为开式运动链。四、机构1机构：在运动链中，若将某一构件加以固定而成为机架，则这种运动链叫机构。2机架：机架是固定不动的构件3原动件：机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件。（一个工作着机构中，驱动机构的外力所作用的构件，又叫主动件）4从动件：运动链中除原动件外其余活动构件。五、机构运动简图思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。注意事项：1首先

3、要搞清楚实际构造和运动情况，弄清路线：原 传 执。2高副要绘制接触处的曲线轮廓。3选择机构的多数构件的运动平面为投影面。4比例尺表示方法。5机架间的相对位置很重要（如对心曲柄滑块机构和偏置曲柄滑块机构）。6转动副的转动中心，和移动副的移动导路方向。为了准确地反映构件间原有的相对运动，表示转动副的小圆必须与相对回转轴线重合；表示移动副的滑块，导杆或导槽，其导路必须与相对移动方向一致；表示平面高副的曲线，其曲率中心的位置必须与构件的实际轮廓相等。六、机构具有确定运动的条件为了使机构具有确定的运动规律，则机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。说明：（1）机构的自由度至少不小于1，即F1。（2）当原

4、动件数目小于机构的自由度时，机构的运动是不确定的。当原动件数目大于机构的自由度时，则将导致机构中最薄弱环节的损坏。（3）通常机构的原动件都是和机架相连的。七、 机构自由度的计算自由度：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。 F3n- (2Pl+ Ph -P¢)- F¢说明：n：指活动构件的个数，F¢ ¾局部自由度数 Ph ¾高副数n ¾ 活动构件数 P¢ ¾虚约束数 Pl ¾低副数 F¢ ¾局部自由度数计算平面机构自由度时应注意的事项（一）.复合铰链（二）要除

5、去局部自由度1定义：有些机构中，某些构件所产生的局部运动，并不影响其他构件的运动，这种构件产生的局部运动的自由度称为局部自由度。2特点：局部自由度不影响机构整体运动的自由度。3自由度的计算：法一： 局部自由度法二：将局部自由度除去不计。如将滚子焊在杆上，再进行计算。（常见的局部自由度也就是滚子，其作用是减少高副元素的磨损）。（三）、要除去虚约束1定义：在机构中有些运动副带入的约束，对机构的运动起重复约束作用，这类约束叫虚约束。在计算自由度时，应将虚约束除去不计。2常见的虚约束：（1）在机构中，若用转动副连接的是两个构件上运动轨迹相重合的点，则该连接将引入一个虚约束。（2）在机构的运动过程中，若

6、两构件上某两点之间的距离始终保持不变，则若用双转动副杆将此两点相连，也将引入一个虚约束。（3）在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所引入的约束为虚约束3虚约束作用：虽然不影响机构的运动，但能改善机构的受力状况，增加机构的刚度，或保证机构运动的顺利进行，所以在设计中有广泛的应用。例题：试确定图所示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度和虚约束，请指出。1.分析： 机构共有8个活动件，10个低副（G是铰链数为2的复合铰链），两个高副，1个局部自由度，没有虚约束。 题1 题2 题3解 （）机构的自由度的计算：（）×（×）2.解：机构共有6个活动件，两个局部自由度，分别将两滚

7、子与相铰接的一构件看成一体。去除两个局部自由度，有5个活动件，2个高副，6个低副，没有虚约束。F=3×5-2×6-2×1=13.解：机构共有9个活动件，1个局部自由度，去除两个局部自由度，有8个活动件，1个高副，11个低副，没有虚约束。F=3×8-2×11-1=14. CH或DG、J处为虚约束，B处为局部自由度，应消除。，ph=1，pl=8。自由度 。5.6. 7.8.9.轮系自由度计算. 活动构件为6，各同轴关系的为一个构件，转动副为6，一处虚约束，高副为5个，去掉虚约束，F=3*6-2*6-5=1八、平面机构的组成原理、结构分类及结构分析（

8、一）、平面机构的组成原理1基本杆组（阿苏尔杆组）：把不能再拆的、最简单的、自由度为零的构件组称为基本杆组。2机构组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连于原动件和机架上而构成的。4原理应用：（1）拆分杆组，以便对相同的基本杆组以相同方法进行分析。（2）设计新机构：可选定一机架，并将数目等于机构自由度的F个原动件用运动副联于机架上，然后再将一个个基本杆组依次联于机架和原动件上。注意：在杆组并接时，不能将同一杆组的各外接运动副接于同一构件上，否则将起不到增加杆组的作用 (二)、平面机构的结构分类1级组常见型式（二杆三副）：2个构件，3个低副。2级组常见型式（四杆六副）： 4机构的级别：

9、同一机构中可以包含不同级别的基本杆组，其中最高级别的杆组的级别即为机构的级别。如：最高级别为级组的基本杆组的机构，称为级机构。另外，只由机架和原动件构成的机构叫级机构。三、平面机构的结构分析1目的：了解机构的组成，并确定机构的级别。2步骤：从远离原动件的构件开始拆组。（1）正确计算机构的自由度。（2）除去虚约束和局部自由度，将机构中的高副全部化为低副，改画机构的运动简图。（3）确定原动件，用箭头在其上作标志。（4）先试拆n2的杆组，如不能，再拆n3，n4，每拆出一个杆组后，留下的部分仍应是一个与原机构有相同自由度的机构，直至全部杆组拆出，只剩下原动件和机架为止。（5）至此可定出机构的级别。4说

10、明：拆组后，剩余机构不允许残存只属于一个构件的运动副和只有一个运动副的构件（原动件除外），因为前者将导入虚约束，而后者产生局部自由度。例题：拆杆组如图取连架杆1为原动件，拆杆分2，3杆组，7，8杆组，12，6杆组，4，11杆组及10，5杆组，5个基本杆组全为级杆组。机构的级别为级机构。八、平面机构中的高副低代高副低代后，机构的运动性能不能变，要求高副低代满足两个条件：代替前后机构的自由度完全相同；代替前后机构的瞬时速度及瞬时加速度完全相同。即一个高副 用二个低副 和一个活动构件来替代。在平面机构中进行高副低代时，为了使得在代替前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度都保持不变，只要用一个虚拟构件

11、通过两个低副分别联在高副两元素接触点的曲率中心处即可。几种常见情况：例题：练习题：1.2.3. 4.4. 图示为凸轮与连杆的组合机构。要求：计算机构自由度； 若有复合铰链、局部自由度或虚约束，请直接在图上指出其相应位置； 说明该机构的确定运动条件5. 计算机构自由度若有复合铰链、局部自由度或虚约束，请直接在图上指出其相应位置； 6.填空（1） 平面运动副的最大约束数为，最小约束数为，引入一个约束的运动副为，引入两个约束的运动副有。（2） 机构具有确定相对运动条件是；根据机构的组成原理，任何机构都可以看成是由、和组成。两构件通过面接触而构成的运动副为，它引入个约束；通过点、线接触而构成的运动副称

12、为，它引入个约束。（3） 在平面机构中若引入一个高副将引入个约束，而引入一个低副将引入个约束，约束数与自由度的关系是（4） 由M个构件组成的复合铰链应包括个转动副。（5） 机构要能够运动，自由度必须，机构具有确定相对运动的条件是。（6） 机构中的运动副是指，平面连杆机构是由许多刚性构件用联接而成的。（7） 机构中的相对静止件称为，机构中按给定运动规律的构件称为。(8) 运动副元素是指。(9) 运动链是指。(10) 局部自由度是指。(11) 虚约束是指。(12 )平面运动副按组成运动副两构件的接触特性，分为 和 两类。其中两构件间为面接触的运动副称为 ；两构件间为点接触或线接触的运动副称为 。7

13、，选择题（1）当机构的原动件数目小于或大于其自由度数时，该机构将（ ）确定运动。A.有； B.没有； C.不一定； （2）在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为（ ）。A.虚约束； B.局部自由度； C.复合铰链；（3）机构具有确定运动的条件是（ ）。A. 机构自由度数小于原动件数；机构自由度数大于原动件数；B. 机构自由度数等于原动件数；（4）用一个平面低副联二个做平面运动的构件所形成的运动链共有（ ）个自由度。A. 3；B4；C5；D6；（5）杆组是自由度等于（ ）的运动链。A. 0；B1；C原动件数。（6）平面运动副所提供的约束为（ ）。A.1；B2；C3；D1或2；（

14、7）某机构为级机构，那么该机构应满足的必要充分条件是（ ）。A. 含有一个原动件组；B. 原动件；C. 至少含有一个级杆组；D. 至少含有一个级杆组；（8）机构中只有一个（ ）。A. 闭式运动链；B原动件；C从动件；D机架。（9）具有确定运动的差动轮系中其原动件数目（ ）。A. 至少应有2个；B. 最多有2个；C. 只有2个；D. 不受限制。 8.计算自由度，若以1为主动件，拆分此机构。若以5为主动件如何拆分此机构。123456789. 计算自由度，若以1为主动件，拆分此机构。10问答题：1、两构件构成运动副的特征是什么？2、何谓自由度和约束？3、转动副与移动副的运动特点有何区别与联系？4、何

15、谓复合铰链？计算机构自由度时应如何处理？5、机构具有确定运动的条件是什么？6、什么是虚约束？虚约束的作用是什么？山东科技大学2004年招收硕士学位研究生入学考试机械原理试卷（共3页）一、（15分）计算下列机构的自由度： DCAB（a）其中三个圆为齿轮 （b）二、（20分）在图示的摆动导杆机构中，已知，曲柄以等角速度回转，试用矢量方程图解法求：机构在时，导杆3的角速度和角加速度.三、（15分）在某设备中，有一对渐开线标准外啮合直圆柱齿轮，已知齿宽B=50mm。在技术改造中，提高了原动机的转速，为了改善齿轮传动的平衡性，降低噪声，要求在不改变中心距和传动比，不增加齿轮几何尺寸的条件下，将直齿轮改为

16、斜齿轮，并希望将分度圆柱螺旋角限制在20之内，试确定斜齿轮的、mn、，并计算法面重合度。第1页四、（15分）在图示的缓冲器中，若已知各楔块接触面间的磨擦系数及弹簧的压力,试求当楔块2、3被等速推开及等速恢复原位时力F的大小、该机构的效率以及此缓冲器正、反行程均不至发生自锁的条件。五、（15分）已知一对渐开线标准外啮合圆柱直齿轮传动的模数m=5mm，压力角，中心距a=350mm，传动比i12=9/5，试求：两轮的齿数；小齿轮分度圆直径、齿顶圆直径、基圆直径、分度圆上的齿厚和齿槽宽；小齿轮齿廓曲线在齿顶圆上的曲率半径和齿顶圆压力角。六、（20分）在图示的变速传动轮系中，已知Z1=Z4=30,Z2=

17、Z5=30,Z3=Z6=90，A、B为两个制动器，分别计算固定齿轮3时的传动比i1H和固定齿轮6时的传动比i1H。第2页七、（15分）如图所示，设已知破碎机的行程速比系数K=1.2，颚板摆角，曲柄长度lAB=80mm，求连杆的长度。八、（15分）已知凸轮以等角速度逆时针回转，基圆半径r0=20mm；推杆运动规律为：凸轮转角时，推杆等加速等减速上升10mm；时，推杆远休；时，推杆等速回程10mm；时，推杆近休。试以作图法设计一个对心对动尖顶推杆盘形凸轮机构凸轮的轮廓曲线，并简述凸轮机构受到的冲击情况。C40NmC20NmMABMd0九、（20分）某内烯机的曲柄输出力距Md随曲柄转角的变化曲线如图

18、所示，其运动周期，曲柄的平均转速nm=620r/min。当用该内燃机驱动阻抗力为常数的机械时，如果要求其运转不均匀系数，试求：曲柄最大转速nmax和相应的曲柄转角位置；装在曲轴上的飞轮转动惯量JF（不计其余构件的转动惯量）。第3页山东科技大学2005年招收硕士学位研究生入学考试机械原理试卷（共3页）一、（15分）计算图示机构的自由度。（当机构含有复合铰链或局部自由度时，必须明确说明。）二、（20分）图示的正切机构中，已知当时，用矢量方程图解法求构件3的速度v3和加速度a3的值。三、（15分）一个重量Q=10N的滑块，在力P作用下沿斜面等速向上运动。已知：，滑块与斜面的磨擦系数，试求力P的大小及

19、斜面的机械效率。第1页四、（20分）已知曲柄摇杆机构的行程速度比系数K=1.2，摇杆长度lCD=300mm，摇杆摆角，曲柄长度lAB=80mm。求连杆的长度lBC的值。五、（20分）图示齿轮传动中，直齿轮：Z1=20，Z2=48，模数m=2mm；斜齿轮：Z3=18，Z4=36，法面模数mn=2.5mm，两对齿轮都是标准齿轮，齿轮1和齿轮4的轴线重合。试计算：（1）齿轮3、4的螺旋角为多大时，才能满足中心距要求；（2）斜齿轮3和4的分度圆直径和齿顶圆直径的数值。六、（20分）在图示提升机构中，已知各齿轮齿数：Z1=20，Z2=30，Z2/=17，Z3=34，Z3/=15，Z4=24，Z4/=16

20、，Z5=70，卷筒直径D=240mm，提升速度。试确定电动机的转速（转/分）和电动机的转向。第2页七、（20分）试以作图法设计一对心直动滚了推杆盘凸轮机构凸轮的轮廓曲线。已知凸轮以等角速度顺时针回转，基圆半径，滚子半径rr=10mm。推杆运动规律为：凸轮转角时，推杆等速上升16mm；时推杆远休；时推杆等加速等减速回程16mm；时推杆近休。简述作图步骤。八、（20分）在图示的刨床机构中，已知空程和工作行程中消耗于克服阻抗力的恒功率分别为P1=367.7w和P2=3677w，曲柄的平均转速n=100r/min，空程曲柄的转角为。当机构的运转不均匀系数时，试确定电动机所需的平均功率（功率为常数），并

21、分别计算在以下两种情况中的飞轮转动惯量JF（略去各构件的重量和转动惯量）：（1）飞轮装在曲柄轴上；（2）飞轮装在电动机轴上，电动机的额定转速nn=1440r/min。电动机通过减速器驱动曲柄。为简化计算，减速器的转动惯量忽略不计。第3页06年机械原理一、（15分）计算如图所示各机构的自由度。（图略）二、（20分）在图示凸轮机构中，已知凸轮1以等角速度rad/s转动。凸轮为一偏心圆，其半径，。试用图解法求构件2的角速度与角加速度。（提示：可先将机构进行高副低代，然后对其替代机构进行运动分析。）（图略）三、（20分）试证：若图示斜面机构的反行程自锁，则正行程的机械效率必定小于50% 。 注：（图略

22、）四、（20分）一对渐开线直齿圆柱齿轮传动。已知：传动比，模数mm，压力角。1.若按标准中心距安装，mm，试求：两齿轮齿数、；啮合角；节圆半径、。2.若实际中心距取mm，试求：啮合角；节圆半径、；写出应采取何种传动类型；若取大齿轮的变位系数，要使该对齿轮无侧隙啮合传动，求小齿轮的变位系数。注：1.无侧隙啮合方程；2.渐开线函数值自求。（取小数点后8位计算）五、（20分）图示为机床工作台的进给机构。已知：各齿轮的齿数，又知齿轮4的模数mm，试计算手柄（即H）转一周时齿条5的移动量L。六、（20分）图示为一脚踏轧棉机曲柄摇杆机构的示意图，AD垂直水平面。设定m，m，要求踏脚板CD在水平面上下各摆动

23、15°，试用图解法确定AB、BC两杆的长度。取比例尺m/mm。七、（20分）图示为对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构，凸轮逆时针转动。已知圆盘半径R = 25 mm，安装偏心e = 10 mm。求：1.凸轮的基圆半径是多少？ 2.从动件的行程是多少？3.推程运动角和回程运动角各为多少？4.按mm/mm画出该凸轮机构；按凸轮轮廓绘制从动件位移曲线；（注：将一周分为12等份，位移按mm/mm。） 5.在图中标出当凸轮从图示位置转过90°时的机构压力角。八、（15分）机组作周期变速稳定运转。以主轴为等效构件，其运动周期为，平均角速度rad/s，等效转动惯量为常数，等效阻力矩如图示，等效

24、驱动力矩也为常数。试求：1.该机器运转不均匀系数；2.主轴最大角速度与最小角速度。山东科技大学2007年招收硕士学位研究生入学考试机械原理试卷（共3页）一、（15分）计算图示机构的自由度。 二、（20分）在图示的导杆机构中，已知各构件的长度，原动件以等角速度转动，试以矢量方程图解法求导杆3在图示位置时的角速度和角加速度。三、（20分）一对渐开线外啮合直齿圆柱齿轮传动，已知：传动比，模数mm，压力角。（1）若按标准中心距安装，试求：两齿轮齿数、；啮合角；节圆半径、。（2）若实际中心距取，试求：啮合角；节圆半径、；若取大齿轮的变位系数，求小齿轮的变位系数。四、（20分） 如图所示为一压榨机的斜面机

25、构，F为作用于楔块1的水平驱动力，G为被压榨物体对滑块2的反力，即生产阻力，为楔块的倾斜角。设各接触面之间的摩擦系数均为，求：斜面压榨机反行程时发生自锁的条件。五、（20分）图示为偏置曲柄滑块机构的示意图。已知曲柄长度，连杆长度，滑块行程，试用图解法求：导路的偏距；极位夹角；机构的行程速比系数。六、（15分）在设计一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构中，已知凸轮以等角速度顺时针回转，基圆半径。推杆运动规律为：凸轮转角时，推杆等速上升15mm；时推杆远休；时推杆等加速等减速回程15mm；时推杆近休。按下列要求做题：画出推杆位移随凸轮转角变化的运动线图；说明所受冲击的情况及发生位置；绘出推杆上升阶段的凸

26、轮实际廓线。七、（20分）在图示的轮系中，已知各齿轮齿数：，。试求该轮系的传动比,并判断齿轮1与齿轮5的转向是否相同。八、（20分）已知某机械一个稳定运动循环内的等效阻抗力矩如图所示，等效驱动力矩为常数，等效构件的最大及最小角速度分别为：，。试求：等效驱动力矩；运转的速度不均匀系数；当要求速度不均匀系数在0.05范围内，并不计其余构件的转动惯量时，应装在等效构件上的飞轮的转动惯量。08机械原理一、（15分）计算图1所示平面机构的自由度，已知：，且分别相等。若存在复合铰链、局部自由度及虚约束，请用文字描述。图1二、（20分）在图2所示机构中，已知原动件1以等角速度转动，。试用矢量方程图解法求图示

27、位置时构件3的角速度和角加速度的值。图2三、（15分）如图3所示，1为平底推杆凸轮机构的推杆，在凸轮推动力的作用下，沿着导轨2向上运动，摩擦面间的摩擦系数为，为了避免发生自锁，试问导轨的长度应满足什么条件（不计推杆1的自重）？图3四、（20分）如图4所示，某机组作用在主轴上的阻力矩变化曲线。已知主轴上的驱动力矩为常数，主轴平均角速度，机械运转速度不均匀系数。若忽略各构件的等效转动惯量，只计装在主轴上的飞轮转动惯量，求：（1）驱动力矩；（2）最大盈亏功；（3）安装在主轴上的飞轮转动惯量。图4五、（20分）在图5所示的铰链四杆机构中，各杆的长度为，试求：（1）当取杆4为机架时，该机构的极位夹角、杆3的最大摆角、最小传动角和行程速比系数；（2）当取杆1为机架时，该机构将演化成何种类型的机构；（3）当取杆3为机架时，该机构又将演化成何种类型的机构；图5六、（15分）如图6所示为凸轮机构推程阶段的运动线图。设凸轮以等角速度转动，在推程时，凸轮的运动角为，推杆完成行程，该推杆运动规律为哪一种运动规律？试推导出该推杆推程的运动方程，并分析受到的冲击情况。图6七、（15分）如图7所示的渐开线标准圆柱齿轮传动装置（齿轮1、2为斜齿轮，齿轮3、4为直齿轮）,已知：斜齿轮，法面模数，法面压力角；直齿轮，模数，压力角