机械设计基础第1章平面机构运动简图及自由度(包含动画)

机械设计基础

（PPT课件）

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开门时，门把手和锁芯相对于门是转动，弹子相对于锁芯是平行移动；撑开雨伞时，伞骨轴套相对于伞柄的运动为平行移动，伞骨各节之间是转动。机构中各构件如何连接才能实现上述的移动或转动呢？只要把构件连接到一起就能得到具有确定相对运动的机构吗？如何方便的研究机构中各构件的相对运动关系呢？第1章平面机构的运动简图和自由度第1章平面机构的运动简图和自由度1.1平面机构的组成1.2平面机构运动简图1.3平面机构的自由度1.4工程应用案例—惯性筛本章重点平面机构、自由度、运动副、复合铰链、局部自由度与虚约束的概念；能正确绘制简单机械的机构运动简图；能正确计算平面机构的自由度；会判断机构是否具有确定运动。兴趣实践观察跑步机、录音机、订书机等的运动过程，找出原动件、从动件；认识转动副、移动副、高副等。探索思考同样功能的机械能否采用不同的机构来实现？第一章平面机构的运动简图和自由度案例1-1自行车的动力机构包括脚踏、大链轮、链条、小链轮、车轮、车架等构件，请分析这些构件分别属于原动件、从动件和固定件中的哪一种？平面机构的组成运动副：构件和构件之间既要相互连接（接触）在一起，又要有相对运动。而两构件之间这种可动的连接（接触）就称为运动副。一、运动副的概念平面机构——机构中的所有构件均平行于同一固定平面运动

的机构。机构的组成：构件：

固定件（机架）

原动件

从动件联接件（运动副）平面机构的组成很多情况下，固定件以多处分离的形式出现，看起来并没有直接的连接关系。但是，不管机构中有几个分离的固定件，在运动学分析中只能当做一个构件。常见的运动副如下所示：平面机构的组成两构件组成的运动副，不外乎是通过点、线、面接触来实现的。根据组成运动副两构件之间的接触特性，运动副可分为低副和高副。一、运动副的分类两构件以面接触的运动副根据构件相对运动形式的不同低副分为转动副和移动副运动副高副低副移动副转动副两构件以点、线的形式接触而组成的运动副—只能相对转动的运动副，又称铰链—只能沿某一轴线作相对移动的运动副平面机构的组成

小思考1-1“副”的原意为“一对”，运动副的三要素为：两个构件、直接接触、相对运动。请大家思考为何高副和低副的接触应力大小不同？常见的平面运动副：转动副移动副高副高副平面机构的组成常见的空间运动副：转动副柱面高副圆柱副线高副平面机构的组成常见的空间运动副：球销副球副点高副螺旋副平面机构的组成案例1-1分析自行车机构中由人力直接驱动的构件是脚踏，而它与大链轮是固连在一起的同一构件，故大链轮是原动件；在分析自行车的运动时，应该以车架为静参考系，故车架是固定件；除大链轮和车架之外的其余构件都是从动件。平面机构的组成不考虑与运动无关的构件外形和运动副具体结构；只考虑与运动有关的运动副的类型和构件的运动尺寸，用简单的线条、规定的符号表示构件和运动副，确定出运动副的位置并按比例画出的简图。一、机构运动简图及其作用1.了解机构的组成和类型机构运动简图的作用：机构中构件的类型和数目运动副的类型和数目运动副的相对位置2.机构运动简图表达一部复杂机器的传动原理，进行

机构的运动和动力分析。平面机构运动简图案例1-2右图所示的四个构件形状迥异，请分析它们在机构运动学上有何区别？做成不同形状的目的是什么？平面机构运动简图二、机构运动简图的符号1.构件的表示方法2.运动副的表示方法平面机构运动简图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平面运动副平面机构运动简图平面高副螺旋副21121221211212球面副球销副121212空间运动副121212常用运动副的符号平面机构运动简图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平面机构运动简图案例1-2分析四个构件都是含有2个转动副的构件，并且转动副之间的距离相等，所以它们在运动学上是没有区别的，在机构运动简图中的表达形式完全相同。之所以做成不同形状，是零件强度和设计空间的要求。平面机构运动简图三、平面机构运动简图的绘制1.步骤—分析机构的运动情况，认清固定件、原动件和从动

件，确定构件数目。—从原动件开始，按运动的传递顺序，分析各相邻构

件之间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。—选机构的运动平面为投影面。—选择适当的比例，确定出各运动副的相对位置，用

构件和运动副的符号绘出机构运动简图。绘制机构运动简图的比例尺μt为：平面机构运动简图例1-1试绘制内燃机的机构运动简图。平面机构运动简图气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10解：1）分析运动，确定构

件的类型和数目2）确定运动副的类型和

数目3）选择视图平面4）选取比例尺，根据机

构运动尺寸，定出各

运动副间的相对位置5）画出各运动副和机构

的符号，并表示出各

构件平面机构运动简图平面机构运动简图例2-1试绘制鄂式破碎机的机构运动简图。平面机构运动简图平面机构运动简图例2-2

试绘制缝纫机引线机构的运动简图。平面机构运动简图一、自由度与约束条件

一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有三个自由度。

当用运动副连接后，构件间的相对运动受到约束，失去一些自由度。运动副不同，失去的自由度数目和保留的自由度数目也不同。低副引入两个约束，保留一个自由度；高副引入一个约束，保留两个自由度。平面机构的自由度二、平面机构自由度的计算设n：机构中活动构件数；Pl

：机构中低副数；Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；则

F=3n-2Pl-Ph

计算实例：解：n=3,Pl

=4,Ph=0F=3n-2Pl

-Ph

=3×3-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1平面机构的自由度

计算实例解：n=5,Pl

=7,Ph

=0F=3n–2Pl

–Ph=3×5–2×7–0=1平面机构的自由度三、自由度计算时应注意的几种情况1.复合铰链2.局部自由度3.虚约束两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。说明个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称为局部自由度。说明重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。说明4.虚约束常见情况及处理方法说明5.虚约束对机构的影响说明平面机构的自由度下图一中黄色机械为惯性筛，是石料加工厂中对石料分级的设备。它以平面机构作为传动部件，将电动机的转动转化为筛箱的平面运动。根据下图二所示惯性筛三维图绘制其机构运动简图，并计算自由度，判断其有无确定运动。工程应用案例—惯性筛图示为一手动冲床机构，试绘制其运动简图，并计算自由度。试分析是否可行，并提出修改方案。作业计算下列机构的自由度，指出机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束，并判断机构运动是否确定。要求抄画机构简图，适当地标注构件号、运动副字符号。作业案例1-3下图所示为活动毛巾杆，它是一种很典型的复合铰链。在图中能看出有几个构件参与形成转动副吗？此复合铰链共有几个转动副？复合铰链三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：m个构件时，有m–1个转动副。复合铰链复合铰链惯性筛机构C处为复合铰链

计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目，出现计算错误。n=5,Pl

=7,Ph

=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl

–Ph复合铰链案例1-3分析活动毛巾杆中的立杆为连接件，它将4个横杆和机架连接在一起，所以共有5个构件参与形成复合铰链。图中可以数出共有4个转动副，因而4个横杆均可独自转动。复合铰链滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度。

计入局部自由度时n=3,Pl

=3,Ph

=1

F=3×3-2×3-1=2

与实际不符局部自由度应除去局部自由度，即把滚子和从动件看作一个构件。

处理方法

实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不计入，并非实际拆除。教材图1-13b动画n=2,Pl=2,Ph

=1,F=3×2-2×2–1=1与实际相符局部自由度案例1-4在车削长轴时，通常在轴中间部位加支撑，这样，当轴旋转时，卡盘、支撑、顶尖分别与轴形成3个转动副，如下图所示。这3个转动副在机构运动学与结构强度方面分别起什么作用？虚约束n=4,Pl

=6,Ph

=0

构件5给机构引入三个自由度，四个约束。多出的一个约束对机构的运动不起独立的限制作用，是虚约束。与实际不符F=3×4-2×6–0=0虚约束n=3,Pl

=4,Ph=0F=3×3-2×4–0=1

处理方法与实际相符应除去虚约束，即将产生虚约束的构件5及运动副除去不计。虚约束1.两构件未组成运动副前，连接点处的轨迹已重合为一，组成的运动副存在虚约束。

计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。

虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理

计算中只计入一个移动副。

2.两构件组成多个移动副，且导路相互平行或重合时，只有一个移动副起约束作用，其余为虚约束。

虚约束常见情况及处理尖顶凸轮机构虚约束常见情况及处理3.两构件组成多个转动副，且轴线重合，只有一个转动副起约束作用，其余为约束。

计算中只计入一个转动副。

虚约束常见情况及处理轴系虚约束常见情况及处理

计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起除去不计。4.两构件两点间未组成运动副前距离保持不变，两点间用另一构件连接时，将产生虚约束。

虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理

计算中应将对称部分除去不计。5.机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。

虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理

机构中虚约束是实际存在的，计算中所谓“除去不计”是从运动观点分析做的假想处理，并非实际拆除。虚约束是在一些特定的几何条件下引入的，如“平行”、“重合”、“距离不变”等。如果几何条件不满足，虚约束会转化为有效约束。机构中引入虚约束是为了受力均衡，增大刚度等，同时也提高了对制造和装配精度的要求。

虚约束对机构的影响虚约束常见情况及处理1.实例分析不能产生运动四、机构具有确定运动的条件给定构件1运动参数构件2、3的运动是确定的。平面机构的自由度给定构件1运动参数，构件2、3、4的运动是不确定的。平面机构的自由度再给定构件4运动参数构件2、3的运动是确定的。2.结论机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称机构的自由度。平面机构具有