机械基础（少学时第3版） 课件 第5单元 平面机构的结构分析

第5单元

平面机构的结构分析

项目背景

汽车与我们每天的出行息息相关，它是一种典型的交通运输机械，它的存在改变了我们的生活，使我们能够随时随地前往想去的地方。

图5-1a为汽车发动机的内部结构图。

本单元将以汽车发动机作为载体，学习正确分析平面机构的结构、绘制平面机构运动简图及判断平面机构的运动确定性，另外，还将通过大量的工程实际案例进行相关能力训练。图5-1汽车发动机内部结构图

第5单元

平面机构的结构分析

平面机构运动简图构件和运动副机构具有确定相对运动的条件内容CONTENTS综合项目分析第5单元平面机构的结构分析

知识目标

1.掌握构件、运动副的概念，能识别并掌握代表常用构件及运动副的简图符号，能根据实际机构画出其机构运动简图。2.熟练掌握自由度与约束的概念及平面机构自由度的计算，熟练掌握平面机构具有确定相对运动的条件，在计算平面机构自由度时，能正确判断并处理复合铰链、局部自由度、虚约束。

1.能分析平面机构的结构，正确识别构件和运动副的数目和类型。2.能正确绘制平面机构的运动简图，并准确判断平面机构运动的确定性。

能力目标

素质目标

1.培养工程思维和创新意识。2.学习中国空间站机械臂技术应用，树立科技报国的爱国情怀。

1.平面机构的运动副及其分类、平面机构运动简图的绘制、自由度与约束的概念、平面机构的自由度计算、平面机构具有确定相对运动的条件。2.机构运动简图绘制、机构的自由度计算。

学习重点和难点第5单元平面机构的结构分析

5.1构件和运动副

机械一般由若干常用机构组成，而机构是由两个以上且具有确定相对运动的构件组成的。

平面机构：若组成机构的所有构件都在同一平面或相互平行的平面中运动，则该机构称为平面机构。

图1汽车发动机测量仪表机构5.1.1构件的自由度

构件的自由度：构件作独立运动的可能性，称为构件的自由度。

一个在平面内自由运动的构件有三个自由度，可用x、y、φ表示。

5.1构件和运动副图5-2构件的自由度

5.1.2运动副和约束

1.运动副：由两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接，称为运动副。

2.约束：运动副限制了两个构件间的某些独立运动的可能性，这种限制就称为约束。

5.1构件和运动副图1汽车发动机测量仪表机构

5.1.3运动副的分类

平面运动副中，两构件之间的直接接触有三种情况：点接触、线接触和面接触。平面运动副按两构件接触的几何特征分为低副和高副。

1.低副：两构件通过面接触构成的运动副称为低副。每个低副有两个约束。

按两构件间的相对运动形式，低副又分为移动副和转动副。圆轴扭转变形

平面弯曲变形

图5-3低副-移动副图5-3低副-转动副5.1构件和运动副

（1）转动副：两构件只能做相对转动的运动副。

转动副的符号：用小圆表示，小圆中心代表转动轴线的位置。若构件代表机架则在构件上画上斜线。

5.1构件和运动副图5-4转动副的符号表示

（2）移动副：两构件只能做相对移动的运动副。

移动副符号：用直线表示移动导路或其中心线的位置。

5.1构件和运动副图5-5移动副的符号表示

2.高副

概念：两构件呈现点、线接触的运动副称为高副。高副用两构件在直接接触处的轮廓表示，每个高副有一个约束。

注意：画高副时，对于凸轮、滚子，习惯上画出全部的轮廓；对于齿轮，常画点画线画出其节圆。

5.1构件和运动副凸轮机构齿轮副高副符号表示图5-5平面高副☆基础能力训练

请判断图5-6所示汽车发动机的基本结构图中，凸轮轴1与进气门3、进气门3或排气门4与机体7、活塞8与气缸6、活塞8与连杆9、连杆9与曲轴10、齿形带13与张紧轮12，是采用何种运动副联接起来的？

5.1构件和运动副5.1.4构件的分类

1.机构中的构件可分为三类：

（1）固定件(机架)：是用来支承着活动构件的构件。（如缝纫机脚踏机构中的AD构件）

（2）原动件:原动件是运动规律已知的活动构件，它的运动是由外界输入的，故又称为输入构件。（如缝纫机脚踏机构中的CD构件）

5.1构件和运动副缝纫机脚踏机构

（3）从动件:从动件是机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构件。其中，输出机构为预期运动的从动件称为输出构件或执行件，其他从动件则起传递运动的作用。（如缝纫机脚踏机构中的CB、BA构件）

5.1构件和运动副缝纫机脚踏机构2.机构运动简图中构件的表示法

5.1构件和运动副图5-7运动简图中构件的表示法

1.机构运动简图的概念

（1）机构运动简图

撇开实际机构中与运动无关的因素，用简单的线条和符号表示构件和运动副，并按一定的比例定出各运动副的相对位置，表示机构各构件间真实运动关系的图，称为机构运动简图。执行件，其他从动件则起传递运动的作用。

5.2平面机构运动简图缝纫机脚踏机构

（2）机构示意图

没有按一定比例表示出各运动副间准确的相对位置，只能表示机构组合方式的机构图称为机构示意图。

5.2平面机构运动简图剪刀机构搅拌机构

2.平面机构运动简图的绘制

（1）比例尺的概念

（2）比例的概念

5.2平面机构运动简图

3.平面机构运动简图绘制的一般步骤

（1）分析机构运动的传递情况，找出机架、原动件和从动件。

（2）从原动件开始，按照运动的传递顺序，分析各构件间的运动形式，从而确定构件和运动副的数目和类型。

（3）测量各运动副间的相对位置。

（4）选择适当的视图平面和原动件位置，以便清楚地表达各构件间的运动关系。平面机构通常选择与构件运动平行的平面作为投影面。

（5）选择适当的比例尺μl，按照各运动副间的距离和相对位置，用简单的线条和运动副符号画出机构运动简图。

5.2平面机构运动简图

项目5-1

试绘出图5-8a所示抽水唧筒的平面机构运动简图。

5.2平面机构运动简图

☆基础能力训练

请画出汽车发动机罩壳（见图5-9a）、手摇打气筒（见图5-9b）、摆动座椅（见图5-9c）的机构示意图。

5.2平面机构运动简图图5-9工程应用案例

5.3.1平面机构具有确定相对运动的条件

机构自由度：是指机构相对于机架所具有的独立运动的数目。5.3机构具有确定相对运动的条件剪刀机构铰链五杆机构

1.平面机构自由度的计算

（式5-1）

式中：F—平面机构的自由度数

n—机构中活动构件个数

PL—机构中低副的个数

PH—机构中高副的个数5.3机构具有确定相对运动的条件剪刀机构

项目5-2

计算图5-8所示的抽水唧筒机构的自由度。。

5.3机构具有确定相对运动的条件

2.平面机构具有确定相对运动的条件

(1)请计算下列机构的自由度

(2)平面机构具有确定相对运动的条件:机构自由度F

等于原动件数W，由于机构必有接受外界运动的原动件，即

W>0

(式5-2）

5.3机构具有确定相对运动的条件

项目5-3

图5-11a所示为简易冲床，动力由齿轮1输入，带动同轴的凸轮2、推动杆3，使推杆4（冲头）上下移动以达到冲压的目的。1）试画出简易冲床的运动简图；2）通过自由度计算判断该机构是否有确定相对运动；3）如果不满足有确定相对运动的条件，请提出修改意见并画出机构运动简图。图5-11简易冲床及其机构运动简图5.3机构具有确定相对运动的条件

☆综合应用能力训练

对于图5-11a所示的简易冲床，除图5-11c、d所示的两种方案外，你是否还有其他的修改方案？图5-11简易冲床及其机构运动简图简易冲床修改方案5.3机构具有确定相对运动的条件

☆分析思考：

请计算下列机构的自由度，并判断机构是否有确定相对运动？请思考B点的转动副有几个？5.3机构具有确定相对运动的条件

5.3.2几种特殊情况的处理

1.复合铰链：

（1）概念：两个以上构件在同一处用同轴转动副相联接组成的运动副，称为复合铰链。

（2）处理方法：当由

m

个构件组成复合铰链时，则联接处就有（m-1）个转动副。在计算机构自由度时，应注意这种情况，以免漏算运动副的数目。5.3机构具有确定相对运动的条件图5-12复合铰链

项目5-4

试计算图5-13所示直线机构的自由度，并判断该机构是否具有确定的相对运动。5.3机构具有确定相对运动的条件图5-13直线机构

2.局部约束

（1）概念：不影响整个机构运动的局部的独立运动，称为局部自由度。

（2）出现的场合：将滑动摩擦改为滚动摩擦处。

（3）处理方法：计算自由度时将局部自由度除去，将滚子与杆件固结一体。5.3机构具有确定相对运动的条件图5-14局部自由度

3.虚约束

概念：机构中与别的约束起重复限制作用的约束，称为虚约束。

虚约束出现的场合：

（1）两个构件形成多个具有相同作用的运动副

1)两个构件在同一轴线上形成多个转动副。处理方法：只保留一个转动副，如图5-15a所示。5.3机构具有确定相对运动的条件图5-15多个运动副的虚约束

2）两构件形成多个导路平行或重合的移动副，只有一个移动副起作用，其余都是虚约束。处理方法：只保留一个移动副，如图5-15b所示。。

3）两构件在多处接触形成的高副。处理方法：只保留一个高副，如图5-15c所示。5.3机构具有确定相对运动的条件图5-15c两构件在多处接触形成的高副图5-15b两构件形成导路平行或重合的移动副

（2）被联接件上点的轨迹与机构上联接点的轨迹重合时，这种联接将出现虚约束。

处理方法：去除虚约束及多余的构件

5.3机构具有确定相对运动的条件图5-16平行四边形机构中的虚约束

（3）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分。

处理方法：去除对称部