第1、2章 平面机构及其运动简图、平面连杆机构

——《机械设计基础》

第1章平面机构及其运动简图一、机械机器机构1、什么是机械？机械实例古代近代现代机械发展机械是机器和机构的总称机械种类繁多，其结构型式和用途功能各不相同，那机器、机构是否有各自共同特征呢？引例：内燃机（汽车发动机）观看视频，思考问题：1、实现功能？2、构造组成？3、工作原理？实现功能将燃气的热能转换为曲柄转动的机械能。内燃机构造组成由多种实物组合而成。3进气阀7凸轮8顶杆4排气阀2活塞1汽缸体5连杆6曲轴9齿轮10齿轮工作原理各实物部分之间具有相对运动,即“四冲程”：进气—压缩—做功—排气2、机器与机构结构运动功能机器人为的实物组合体各实物体之间具有确定的相对运动完成能量转换，代替人做机械功由此可见，内燃机是机器结构运动机构人为的实物组合体各实物体之间具有确定的相对运动曲柄滑块机构：活塞2+连杆5+曲轴6+机架1齿轮机构——齿轮9、10+机架1凸轮机构——凸轮轴7+推杆8+机架1

内燃机机构123运动结构功能机器运动结构机构机器存在动力源部分（电动机、内燃机）；机构不存在。机器有一个或几个机构组成。区别联系举例：内燃机构件——连杆螺母3、构件与零件举例：内燃机构件——齿轮构件组成机构的相互间具有确定运动的各个实物运动基本单元由一个或几个零件组成零件组成机构的彼此间没有确定运动的各个实物制造基本单元思考与练习下列各种机械产品是机器还是机构？（6）自行车（1）无心磨床（2）机械手表（3）缝纫机（4）洗衣机（5）仿真机器人思考：分析内燃机所含的构件与零件？3进气阀7凸轮8顶杆4排气阀2活塞1汽缸体5连杆6曲轴9齿轮10齿轮二、平面机构的运动简图（1）转动副特点：两构件只能绕公共轴线在同一平面内作相对转动。1、运动副及其分类运动副：是指直接接触的两个构件之间形成的可动连接。（2）移动副特点：两构件只能作相对移动。（3）凸轮副凸轮1从动件2特点：凸轮作等速转动时，驱使始终保持接触的从动件

作往复移动。（4）齿轮副齿轮1齿轮2特点：由一对齿轮的轮齿齿廓相互啮合带动齿轮传动。空间运动副球面副螺旋副高副低副（面与面接触）（点接触或线接触）移动副齿轮副凸轮副转动副自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动。用F表示。单个自由构件在平面内运动有3个自由度。即F=32、自由度与约束约束：两构件连接成运动副之后，对构件某一个独立运动的限制。用R表示。R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2运动副类型约束自由度低副转动副R=2F=1移动副高副凸轮副R=1F=2齿轮副3、运动链与机构运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。封闭形式开链闭链运动链运动链的各构件构成首尾封闭的系统运动链的各构件未构成首尾封闭的系统运动链成为机构一构件加以固定作为机架或参考构件给定另外一个或少数几个构件的运动规律其余构件随之做确定相对运动机架原动件从动件机构构件4机架1原动件2从动件3从动件某同学对手动抽水机进行升级改造，设计机构运动简图如图所示。分析该机构是否具有确定运动，实现抽水功能？213ACB4D手动抽水机该设计机构能否实现抽水功能？三、平面机构的自由度1、机构具有确定运动的条件机构的自由度数F=原动件数其中，原动件个数已知（在机构运动简图中已标定）。2、平面机构的自由度计算活动构件数

n构件总自由度低副约束数高副约束数3×n2×PL1

×PHF=

3n-2PL-PH注意:n为活动构件数，不包括机架。设机构总构件数为N，则n=N-1机构的自由度：机构相对于机架所具有的独立运动数目。例1：计算内燃机机构的自由度。解：活动构件数n=5低副数PL=6F=3n－2PL－PH

=3×5－2×6-2=1高副数PH=2例2：计算如图所示筛料机构的自由度。解：活动构件数n=8低副数PL=10F=3n－2PL－PH

=3×8－2×10-1=3高副数PH=1两个低副(1)复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副相联。计算方法：m个构件,有m－1转动副。3、平面机构自由度计算的特殊情况(2)局部自由度：构件局部运动所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。计算方法：去掉滚子和铰链，将局部自由度省略不计。123123出现场合：凸轮机构加装滚子。滚子作用：变滑动摩擦为滚动摩擦，减轻摩擦和磨损。(3)虚约束：机构中与其他约束重复，对机构不产生新的约束作用的约束。①重复运动副

②重复轨迹③对称结构作用：改善机构受力情况，提高机构的刚性。计算方法：去掉虚约束，除去不计。点击添加标题变一变对存在复合铰链、局部自由度和虚约束进行变身处理，画出新机构运动简图。点击添加标题数一数数活动构件总数n；数低运动副数PL；数高运动副数PH；算一算带入公式F=3n-2PL–PH进行计算F计算技巧三步法例2：计算如图所示筛料机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=9F=3n－2PL－PH

=3×7－2×9-1=2高副数PH=1分析升级改造后的抽水唧筒机构是否具有确定运动，实现抽水功能？213ACB4D原手动抽水唧筒新设计抽水唧筒机构F>0,机构能动F=原动件数机构具有确定运动F>原动件数机构乱动F<原动件数机构在薄弱处破坏F≤0,机构不能动机构的几个基本概念平面机构的自由度计算机构具有确定运动的条件知识总结1231、如图所示加药泵加药机构，是否存在复合铰链、局部自由度和虚约束？并计算其自由度。2、指出如图所示机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束，并计算其自由度。平面连杆机构

——《机械设计基础》

缝纫机雨刷器健身器材摇头风扇日常生活应用一、平面连杆机构及演化工程机械应用剪刀机鹤式起重机翻斗车牛头刨床平面连杆机构由若干个构件通过低副（转动副和移动副）连接而成的平面机构，又称平面低副机构。平面连杆机构平面四杆机构铰链四杆机构所有低副均为转动副的平面四杆机构。平面连杆机构的基础和典型机构。由四个构件通过低副（转动副和移动副）连接而成的平面连杆机构。平面连杆机构中最常见的形式，也是组成多杆机构的基础。1：铰链四杆机构的基本类型机架连架杆连杆机构中固定不动的部分与机架相联的构件不与机架直接连接的构件铰链四杆机构连架杆机架连杆连架杆连架杆连杆连架杆曲柄按连架杆的运动形式分摇杆能作整周回转的连架杆仅能在某一角度范围内往复摆动的连架杆按两构件相对转动形式分两构件能做整周360°相对转动的运动副只能作有限角度摆动的运动副。摆动副整转副机架铰链四杆机构按连架杆是否为曲柄及数量曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构曲柄存在，且只有1个曲柄存在，且有2个曲柄不存在（1）曲柄摇杆机构☆

两连架杆中一个为曲柄（整周转），另一个为摇杆（摆动）。

☆

曲柄为主动件时，可以实现由曲柄的整周回转运动到摇杆往复摆动的运动转换。☆摇杆为主动件时，则可以将摇杆的摆动转换为曲柄的整周回转运动。应用实例：雷达天线俯仰机构应用实例：脚踏缝纫机应用实例：搅拌机应用实例：刮雨器应用实例：剪刀机应用实例：剪切机（2）双曲柄机构☆两连架杆都是曲柄（整周转），主动曲柄匀速转，从动曲柄变速转。应用实例：惯性筛机构1）正平行双曲柄机构：对边平行且相等特点：主、从动曲柄匀速且相等；运动不确定现象应用实例：摄影平台升降机构应用实例：火车轮应用实例：公共车门自动启闭机构2）反平行双曲柄机构：对边相等但不平行特点：两曲柄旋转方向相反（3）双摇杆机构☆两连架杆都是摇杆（摆动）。应用实例：汽车转弯机构应用实例：飞机起落架机构应用实例：鹤式起重机应用实例：工件夹紧机构应用实例：造型机翻箱机构2、铰链四杆机构类型的判断（1）铰链四杆机构存在曲柄的条件L1L2L3L4B2C2C1B1L1L2L3L4当AB转至AB2时，三角形B2C

2D

满足L1+L4≤L2+L3①当AB转至AB1时，三角形B1C

1D设L1≤L4，则满足L2≤（L4-L1）

+L3或L3≤（L4-L1）

+L2

亦即L1+L2≤L4+L3②

L1+L3≤L4+L2③将式①②③分别两两相加得L1≤L3L1≤L2L1≤L4同理,当设L1≥L4时,亦可得出

L4+L1≤L2+L3①L4+L2≤L1+L3②L4+L3≤L1+L2③及L4≤L3L4≤L2L4≤L1存在曲柄的条件杆长条件：最短杆与最长杆之和应小于或等于其余两杆的杆长之和；最短杆条件：最短杆必须是机架或连架杆。双摇杆机构曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构最短杆为连架杆最短杆为机架最短杆为连杆NY（2）铰链四杆机构基本类型的判断应用1：判断机构类型铰链四杆机构ABCD的各杆长度如图所示。请根据基本类型判别准则，说明机构分别以AB、BC、CD、AD各杆为机架时属于何种机构。解：最短杆为AD＝40，最长杆为CD＝110，其余两杆AB＝70、BC＝90因为AD十CD＝40十110＝150AB十BC＝70十90＝160＞150故满足曲柄存在的第一个条件。（1）以AB或CD为机架时，即最短杆AD成连架杆，故为曲柄摇扦机构。（2）以BC为机架时，即最短杆成连杆，故机构为双摇杆机构。（3）以AD为机架时，即以最短杆为机架，机构为双曲柄机构。判定以下铰链四杆机构的具体基本类型（1）（2）（3）（4）双曲柄机构双摇杆机构曲柄摇杆机构双摇杆机构应用2：设计杆长例：已知在四杆机构中，机架长40mm，两连架杆长度分别为18mm和45mm。若设计此机构为曲柄摇杆机构，则连杆的长度在什么范围内？解：设连杆的长度为Xmm①当Ｘmm为最长杆时：即18+X≤40+45∴X≤67②当45mm为最长杆时：即18+45≤40+x∴X≥23∴当23≤X≤67时，该机构为曲柄摇杆机构3、铰链四杆机构的演化演化形式1：转动副转化为移动副（曲柄滑块机构）曲柄滑块机构☆一连架杆为曲柄，另一连架杆相对机架作往复移动而称为滑块。应用实例：内燃机应用实例：自动送料机构应用实例：画椭圆机构（双滑块机构）演化形式2：扩大运动副（偏心轮机构）结构简单，容易加工偏心轮轴颈的强度和刚度大，且易于安装整体式连杆，工作时轮滑条件和受力情况好。广泛用于曲柄长度要求较短、冲击载荷较重的机械中特点123偏心轮机构应用实例：鄂式破碎机演化形式3：取不同构件为机架

曲柄摇杆机构双曲柄机构曲柄摇杆机构双摇杆机构1.曲柄摇杆机构：选取不同构件为机架。演化形式3：取不同构件为机架曲柄滑块机构导杆机构摇块机构定块机构2.曲柄滑块机构：选取不同构件为机架。1）导杆机构——转动导杆、摆动导杆☆曲柄滑块机构中，当将曲柄改为机架时，就演化成导杆机构。转动导杆机构（L1<L2）摆动导杆机构（L1>L2）注：L1—机架长度，L2：曲柄长度应用实例：牛头刨床机构应用实例：简易刨床2）摇块机构☆曲柄滑块机构中，当将连杆改为机架时，就演化成摇块机构。应用实例：自卸卡车举升机构应用实例：柱塞式油泵3）定块机构☆曲柄滑块机构中，当将滑块改为机架时，就演化成定块机构。应用实例：手动抽水机总结铰链四杆机构的基本类型铰链四杆机构基本类型的判断铰链四杆机构的演化牛头刨床设备中采用牛头刨刀切削工件时，运动过程现象：空回行程的速度大于工作行程的速度。试分析其原因？二、平面四杆机构的工作特性1.确定从动输出件的极限位置；2.确定机构极位；3.确定极位夹角。急回运动特性极位夹角θ问题分解（1）极限位置曲柄摇杆机构C1C2左极限位置右极限位置摇杆摆角：摇杆两极限位置间的夹角。

1、运动特性从动输出件在两个极限位置时，整个机构所处位置。DB1C1B2C2（2）极位摇杆处于两极限位置时，对应的曲柄所夹的锐角。θ（3）极位夹角从动输出件的返回速度大于推进速度的现象。V2V1￠1￠2

（4）急回特性急回特性的判定条件1.若θ≠0，则K>1，机构有急回特性；且θ越大，K值越大，急回性质越明显；2.若θ=0，则K

=1，机构无急回运动。（K为行程速比系数）现实应用:生产实际单向工作场合。工作行程慢,空回行程快。

缩短非工作时间,提高工作效率。往复式运输机送料机插床1.确定从动输出件的极限位置；2.确定机构极位；3.确定极位