第01章 机构的结构分析

作业：1-3、1-4、1-5总结机械(machinery)是机器(machine)与机构(mechanism)的总称机器：是执行机械运动的可动装置:机构：传递和变换运动的基本单元，具有机器的前两个特征：实物组合体、确定运动构件：组成机构的各个相对运动部分，是独立的运动单元零件：独立的制造单元，分为通用零件和专用零件。部件：独立的装配单元零件一般泛指零件和部件机械设计：创造性地规划和设计具有预期功能的新机械或改进原有机械的性能。第一章机构的结构分析§1.1运动副§1.2平面机构运动简图的绘制§1.3运动链成为机构的条件§1.4计算自由度时的注意事项1.名词术语解释:构件－独立的运动单元

内燃机中的连杆§1.1运动副内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母轴瓦连杆盖零件－独立的制造单元轴带动齿轮，通过键a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动运动副元素——直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。定义：运动副——构件与构件之间存在相对运动的联接分类：1）根据构成运动副的两构件的接触情况②低副——面接触，应力小。例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副）、移动副。①高副——点、线接触，应力大。凡是以面接触的运动副称为低副；而以点或线相接触的运动副称为高副。转动副移动副螺旋副球面副空间运动副：组成运动副两构件间作相对空间运动。如:分类：2）根据构成运动副的两元素间相对运动的空间形式不同，运动副可分为：平面运动副：组成运动副两构件间作相对平面运动；运动副类型.exe§1.2平面机构运动简图的绘制1.2.1绘制运动简图的目的和表示运动副、构件的画法机构运动简图——用规定的符号和简单的线条，按比例绘制的表示机构中各构件之间的相对运动关系的图形。作用：1.表示机构的结构和运动情况。机构示意图——不按比例绘制的简图现摘录了部分GB4460——84机构示意图如下表。2.作为运动学分析和动力学分析的依据。常用机构运动简图符号

在机架上的电机齿轮齿条传动带传动圆锥齿轮传动链传动圆柱蜗轮蜗杆传动凸轮传动外啮合圆柱齿轮传动机构运动简图应满足的条件：

1.简图中构件数目与实际相同

2.简图中运动副的性质、数目与实际相符

3.简图中运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。棘轮机构内啮合圆柱齿轮传动常见运动副符号的表示:国标GB4460－84转动副移动副高副常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副122121平面运动副平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副121212空间运动副121212构件的表示方法:一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件三副构件

两副构件

一般构件的表示方法注意事项:圆圈、平行线画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。1.2.2绘制机构运动简图的步骤步骤：1.确定机构中的原动件和工作件（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；4.确定各运动副之间的相对位置，用规定的符号画出各类运动副5.将同一构件上的运动副元素用简单线条连接起来，即为所绘的机构运动简图。2.恰当地选择投影面。一般选择机构中与多数构件的运动平面相平行的面作为绘制机构运动简图的投影面；3.选取适当的比例尺

μl=实际尺寸m/图上长度mm举例：绘制破碎机和偏心泵的机构运动简图。DCBA1432绘制图示鳄式破碎机的运动简图。0002例题－鄂式破碎机简图绘制.swf1234绘制图示偏心泵的运动简图偏心泵§1.3运动链成为机构的条件给定θ1＝θ1（t）或S3＝S3(t)，其他两构件位置就可以唯一确定，该机构只需要一个独立参数。

若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。若同时给定θ1和θ4

，则θ3θ2

能唯一确定，该机构需要两个独立参数。θ4S3123S’3θ11234θ1运动链：两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。

1.3.1运动链闭式运动链(Closedkinematicchain)1.3.2构件的自由度：可能出现的独立运动数目作平面运动的刚体位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。运动=随基点的平动+绕基点的转动yxθ(x,y)基点F=3单个自由构件的自由度为3自由构件的自由度数运动副自由度数约束数转动副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,

F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：平面机构（运动链）自由度＝3n－约束数＝自由构件的自由度数－约束数移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）

=3θ1.3.3约束对自由度的限制1.3.4平面机构自由度计算经运动副相联后，构件自由度会有变化1.3.5运动链成为机构的条件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（构件：可能出现的独立运动的数目）。原动件——能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数若干1个或几个1个定义：具有确定运动的运动链称为机构。机架——作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件机构是由若干构件经运动副联接而成的，很显然，机构归属于运动链，那么，运动链在什么条件下就能称为机构呢？即各部分运动确定。分别用四杆机构和五杆机构模型演示得出如下结论：在运动链中，如果以某一个构件作为参考坐标系，当其中另一个（或少数几个）构件相对于该坐标系按给定的运动规律运动时，其余所有的构件都能得到确定的运动，那么，该运动链便成为机构。

原（主）动件——按给定运动规律运动的构件。从动件——其余可动构件。构件＋运动副＝运动链≠机构具有确定运动＝活动构件数

n

计算公式：

F=3n－(2PL+PH)要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度

低副约束数

高副约束数

3×n

2×PL1

×Ph①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副数PH=0S3123推广到一般：②计算五杆铰链机构的自由度解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×5=2

高副数PH=01234θ1③④计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副数PH=1123④取构件3为原动件，则该运动链即为机构§1.4计算平面机构自由度时的注意事项12345678ABCDEF⑤计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL－PH高副数PH=0=3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！1.4.1.复合铰链

——两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算：m个构件,有m–1个转动副。两个低副上例：在B、C、D、E四处应各有

2

个运动副。⑤计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。12345678ABCDEFL型压缩机主机构F=3n－2PL

－PH

=3×5－2×7－0=1⑥计算图示两种凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且F=11231231.4.2.局部自由度

F=3×2－2×2－1=1定义：构件局部运动所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。出现在加装滚子的场合，计算时应去掉滚子和铰链（固结）：滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。123123解：n=4，PL=6，F=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=01.4.3.虚约束

——对机构的运动实际上不起作用的约束。计算自由度时应去掉虚约束。∵FE＝AB＝CD，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧，。增加的约束不起作用，应去掉构件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。1234ABCDEF重新计算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：1234ABCDEF4F⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。AB＝CD＝EF虚约束出现虚约束的场合：

a.两构件连接前后，连接点的轨迹重合，b.两构件构成多个移动副，且导路平行。

如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明)d.运动时，两构件上的两点距离始终不变。c.两构件构成多个转动副，且同轴。e.对运动不起作用的对称部分。如多个行星轮。EFA’Af.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②提高机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有作用的!（1）机构虚约束的去除是一个实践性很强的问题，须在认真分析许多实例的基础上逐渐掌握。（2）机构的虚约束对运动不起约束作用，但是对提高机构的强度和刚度具有重要意义。（3）存在虚约束的传动系统对制造精度的要求较高。CDABGFoEE’⑧计算图示大筛机构的自由度。位置C，2个低副复合铰链:局部自由度1个虚约束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL－PH

=3×7－2×9－1=2CDABGFoEB2I9C3A1J6H87DE4FG5⑧计算图示包装机送纸机构的自由度。分析：活动构件数n：A1B2I9C3J6H87DE4FG592个低副复合铰链:局部自由度2个虚约束:1处I8去掉局部自由度和虚约束后：

n=