機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與其可動性分析

1、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與其可動性分析本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要 本章介紹機(jī)構(gòu)組成要素中的一些基本概念；繪制機(jī)構(gòu)本章介紹機(jī)構(gòu)組成要素中的一些基本概念；繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的方法和步驟；平面機(jī)構(gòu)的自由度計算及注運(yùn)動簡圖的方法和步驟；平面機(jī)構(gòu)的自由度計算及注意事項(xiàng)；機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可能性和確定性；平面機(jī)構(gòu)組成意事項(xiàng)；機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可能性和確定性；平面機(jī)構(gòu)組成原理和分類及結(jié)構(gòu)分析。原理和分類及結(jié)構(gòu)分析。 1-1 機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)動簡圖 1.1.1 機(jī)構(gòu)的組成機(jī)構(gòu)的組成 （一）（一）構(gòu)件構(gòu)件 (links) 構(gòu)件由一個或若干個零件組成。構(gòu)件由一個或若干個零件組成。 可以是剛體，也可以是柔體（如帶、繩、鏈等）和流體（液、

2、氣可以是剛體，也可以是柔體（如帶、繩、鏈等）和流體（液、氣）。）。 構(gòu)件構(gòu)件運(yùn)動的基本單元運(yùn)動的基本單元 。 零件零件制造的單元體。制造的單元體。（二）（二） 運(yùn)動副運(yùn)動副(kinematic pair)構(gòu)成運(yùn)構(gòu)成運(yùn)w動副的點(diǎn)、線、面。動副的點(diǎn)、線、面。 使兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對運(yùn)使兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對運(yùn)動的可動聯(lián)接。動的可動聯(lián)接。 1.1.基本概念基本概念 運(yùn)動副的定義運(yùn)動副的定義 運(yùn)動副元素運(yùn)動副元素 自由度自由度 構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目（或確定構(gòu)件瞬時位置所需要的獨(dú)構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目（或確定構(gòu)件瞬時位置所需要的獨(dú)立參變量數(shù)目）。立參變量數(shù)目）。 約束約束

3、 構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)結(jié)后，某些獨(dú)立運(yùn)動受到限制，自由度隨之減少構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)結(jié)后，某些獨(dú)立運(yùn)動受到限制，自由度隨之減少。對獨(dú)立運(yùn)動所加的限制，稱為約束。對獨(dú)立運(yùn)動所加的限制，稱為約束。 2 2運(yùn)動副的分類運(yùn)動副的分類 根據(jù)運(yùn)動副對被聯(lián)結(jié)的兩個構(gòu)件相對運(yùn)動約束數(shù)的不同，可將根據(jù)運(yùn)動副對被聯(lián)結(jié)的兩個構(gòu)件相對運(yùn)動約束數(shù)的不同，可將運(yùn)動副分為運(yùn)動副分為I I至至V V級副。級副。 根據(jù)組成運(yùn)動副兩構(gòu)件間的相對運(yùn)動是平面運(yùn)動還是空間運(yùn)動根據(jù)組成運(yùn)動副兩構(gòu)件間的相對運(yùn)動是平面運(yùn)動還是空間運(yùn)動，可以把運(yùn)動副分為平面運(yùn)動副和空間運(yùn)動副。下面主要討論平面，可以把運(yùn)動副分為平面運(yùn)動副和空間運(yùn)動副。下面主要討論平面運(yùn)動

4、副。運(yùn)動副。 具有面接觸的平面運(yùn)動副具有面接觸的平面運(yùn)動副 移動副移動副(sliding pair)轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)動副(revolute pair) 低副低副 具有點(diǎn)或線接觸的平面運(yùn)動副具有點(diǎn)或線接觸的平面運(yùn)動副 高副高副齒輪副齒輪副(gear pair)凸輪副凸輪副(cam pair)低副具有兩個約束，高副具有一個約束。低副具有兩個約束，高副具有一個約束。 （三）運(yùn)動鏈（三）運(yùn)動鏈(kinematic chain)兩個或兩個以上構(gòu)件以運(yùn)動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。兩個或兩個以上構(gòu)件以運(yùn)動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。 開式運(yùn)動鏈開式運(yùn)動鏈(open chain)閉式運(yùn)動鏈閉式運(yùn)動鏈(closed chain)組成

5、運(yùn)動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件未構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng) （四）機(jī)構(gòu)（四）機(jī)構(gòu) 運(yùn)動鏈中某一構(gòu)件固定（或相對固定）成為機(jī)架，該運(yùn)動鏈則稱為機(jī)構(gòu)。運(yùn)動鏈中某一構(gòu)件固定（或相對固定）成為機(jī)架，該運(yùn)動鏈則稱為機(jī)構(gòu)。 原動件原動件從動件從動件按給定的已知運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件按給定的已知運(yùn)動規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件隨原動件而運(yùn)動的其余活動構(gòu)件隨原動件而運(yùn)動的其余活動構(gòu)件 機(jī)架（或固定構(gòu)件）機(jī)架（或固定構(gòu)件）活動構(gòu)件活動構(gòu)件1234ABCD輸入構(gòu)件輸入構(gòu)件 輸出構(gòu)件輸出構(gòu)件 運(yùn)動副、構(gòu)件的表示符號運(yùn)動副、構(gòu)件的表示符號 1

6、21212212121運(yùn)動副名稱轉(zhuǎn)動副移動副平面運(yùn)動副平面高副螺旋副球面副及球銷副空間運(yùn)動副1.1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖（Kinematic Diagram）（一）平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖和機(jī)構(gòu)示意圖（一）平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖和機(jī)構(gòu)示意圖 按照一定比例定出各運(yùn)動副的相對位置，僅用簡單的線條和規(guī)定的符按照一定比例定出各運(yùn)動副的相對位置，僅用簡單的線條和規(guī)定的符號來代表構(gòu)件和運(yùn)動副，以表示機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間相對運(yùn)動的圖形，稱為機(jī)號來代表構(gòu)件和運(yùn)動副，以表示機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間相對運(yùn)動的圖形，稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。構(gòu)運(yùn)動簡圖。 表示平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖稱為平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。表示平面機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖稱為平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

7、。 只是為了表明機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況，不按比例繪制簡圖，這種圖為機(jī)構(gòu)示只是為了表明機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況，不按比例繪制簡圖，這種圖為機(jī)構(gòu)示意圖。意圖。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖與原機(jī)械具有完全相同的運(yùn)動特性，可用于機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖與原機(jī)械具有完全相同的運(yùn)動特性，可用于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和力分析。的運(yùn)動和力分析。 （二）機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制（二）機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制 (1) 分清機(jī)械動作原理、組成情況和運(yùn)動情況分清，機(jī)架、原動件和從動件。分清機(jī)械動作原理、組成情況和運(yùn)動情況分清，機(jī)架、原動件和從動件。(2) 沿著運(yùn)動傳遞線路，逐一分析每兩個構(gòu)件間的相對運(yùn)動的性質(zhì)，以確沿著運(yùn)動傳遞線路，逐一分析每兩個構(gòu)件間的相對運(yùn)動的性質(zhì)，以確定運(yùn)動

8、副的類型和數(shù)目。定運(yùn)動副的類型和數(shù)目。(3) 恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。一般選擇平行于機(jī)構(gòu)中多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面作恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。一般選擇平行于機(jī)構(gòu)中多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面作為投影面。為投影面。 (4) 選定適當(dāng)?shù)谋壤哌x定適當(dāng)?shù)谋壤?= 實(shí)際長度（實(shí)際長度（m）圖示長度（）圖示長度（mm），定出各運(yùn)動副，定出各運(yùn)動副的相對位置并用規(guī)定符號將它們表示出來，用直線或曲線把同一構(gòu)的相對位置并用規(guī)定符號將它們表示出來，用直線或曲線把同一構(gòu)件上的各運(yùn)動副元素連接起來。件上的各運(yùn)動副元素連接起來。 舉例：舉例：CAB12344D556內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動簡圖：內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動簡圖：ECAB1DFG2345678HI小型壓力機(jī)

9、機(jī)運(yùn)動簡圖小型壓力機(jī)機(jī)運(yùn)動簡圖1-2 1-2 平面機(jī)構(gòu)的自由度平面機(jī)構(gòu)的自由度 機(jī)構(gòu)的自由度及計算機(jī)構(gòu)的自由度及計算F F3 3n n2 2P PL LP PH H 設(shè)某一平面機(jī)構(gòu)，共有設(shè)某一平面機(jī)構(gòu)，共有n個活動構(gòu)件，個活動構(gòu)件，PL個低副和個低副和PH個高個高副。副。 n n個活動構(gòu)件在還沒有用運(yùn)動副連接之前共有個活動構(gòu)件在還沒有用運(yùn)動副連接之前共有3n3n個自由度個自由度，用運(yùn)動副聯(lián)接后，一個低副引入二個約束，一個高副引入，用運(yùn)動副聯(lián)接后，一個低副引入二個約束，一個高副引入一個約束。平面機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為一個約束。平面機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為 （一）機(jī)構(gòu)自由度（一）機(jī)構(gòu)自由度(Degree of

10、Freedom)(Degree of Freedom)平面平面機(jī)構(gòu)的自由度是該機(jī)構(gòu)相對機(jī)架的自由度，又稱機(jī)構(gòu)的自由度是該機(jī)構(gòu)相對機(jī)架的自由度，又稱為活動度。用符號為活動度。用符號F F表示。表示。 能動嗎？能動嗎？213ACB4D F F隨著構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動副的種類和數(shù)量變化而變化，也稱為平面隨著構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動副的種類和數(shù)量變化而變化，也稱為平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)公式。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)公式。 4321657 n=5 pn=5 pL L=7 P=7 PH H=0 =0 F=3n-2pF=3n-2pL L-P-PH H =3=35-25-27-0=1 7-0=1 1.2.2 1.2.2 機(jī)構(gòu)自由度計算中應(yīng)注意

11、的問題機(jī)構(gòu)自由度計算中應(yīng)注意的問題正確確定運(yùn)動副的數(shù)目正確確定運(yùn)動副的數(shù)目36253F？A2CB134DE56324 （一）（一）正確計算運(yùn)動副的數(shù)目正確計算運(yùn)動副的數(shù)目由個由個m m構(gòu)件在一處組成軸線重合的轉(zhuǎn)動構(gòu)件在一處組成軸線重合的轉(zhuǎn)動副。實(shí)際有（副。實(shí)際有（m-1)m-1)個轉(zhuǎn)動副。個轉(zhuǎn)動副。1、復(fù)合鉸鏈、復(fù)合鉸鏈(Compound Hinge)36253F如圖所示如圖所示F、B、D、C處是復(fù)合鉸鏈處是復(fù)合鉸鏈2 2、局部自由度、局部自由度(Passive DOF)左圖自由度為：左圖自由度為：F=3x3-2x3-1=2F=3x3-2x3-1=2計算右圖自由度為：計算右圖自由度為：F=3x

12、2-2x2-1=1F=3x2-2x2-1=1 若機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的自由度僅與其自身的局部運(yùn)動有關(guān)，并若機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的自由度僅與其自身的局部運(yùn)動有關(guān)，并不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動，則稱這種自由度為局部自由度。不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動，則稱這種自由度為局部自由度。 局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合局部自由度經(jīng)常發(fā)生的場合：滑動摩擦滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦?xí)r添加的滾子；軸承中變?yōu)闈L動摩擦?xí)r添加的滾子；軸承中的滾珠的滾珠。解決的方法解決的方法：計算機(jī)構(gòu)自由度時，設(shè)想將滾子與安裝滾子的構(gòu)計算機(jī)構(gòu)自由度時，設(shè)想將滾子與安裝滾子的構(gòu)件固結(jié)在一起，視為一個構(gòu)件。件固結(jié)在一起，視為一個構(gòu)件。21ACB4321ACB3AC

13、BD12323、兩構(gòu)件組成若干個軸線互相重合的轉(zhuǎn)動副、兩構(gòu)件組成若干個軸線互相重合的轉(zhuǎn)動副2CAB1344、兩構(gòu)件組成多個導(dǎo)路互相平行的移動副、兩構(gòu)件組成多個導(dǎo)路互相平行的移動副 5 5兩構(gòu)件在多處接觸構(gòu)成平面高副兩構(gòu)件在多處接觸構(gòu)成平面高副 當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的公法線平行時，相當(dāng)于一個移動副。當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的公法線平行時，相當(dāng)于一個移動副。 當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的公法線不平行時，相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)動副。當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的公法線不平行時，相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)動副。 若兩構(gòu)件各接觸點(diǎn)處的公法線相重合，視為一若兩構(gòu)件各接觸點(diǎn)處的公法線相重合，視為一個高副個高副 6 6齒輪副齒輪副 一對內(nèi)、外嚙合（或齒輪與齒條嚙合）的齒輪副，兩輪中

14、心的相對位置不一對內(nèi)、外嚙合（或齒輪與齒條嚙合）的齒輪副，兩輪中心的相對位置不變，則該齒輪副僅為一個高副（兩齒輪輪齒為單側(cè)接觸，且無論有幾對齒參變，則該齒輪副僅為一個高副（兩齒輪輪齒為單側(cè)接觸，且無論有幾對齒參與嚙合，都相當(dāng)于多個高副過各接觸點(diǎn)的公法線重合）。與嚙合，都相當(dāng)于多個高副過各接觸點(diǎn)的公法線重合）。 當(dāng)一對內(nèi)、外嚙合（或齒輪與齒條嚙合）的齒輪副，兩輪中心當(dāng)一對內(nèi)、外嚙合（或齒輪與齒條嚙合）的齒輪副，兩輪中心的相對位置不固定，則該齒輪副為兩個高副。的相對位置不固定，則該齒輪副為兩個高副。 齒輪齒輪4 4與與3 3、齒輪、齒輪3 3與齒條與齒條6 6，兩對齒輪傳動的中心距都未固定，輪齒兩

15、，兩對齒輪傳動的中心距都未固定，輪齒兩側(cè)均接觸，且兩接觸點(diǎn)處的公法線相交，各有兩個高副，相當(dāng)于一個低副側(cè)均接觸，且兩接觸點(diǎn)處的公法線相交，各有兩個高副，相當(dāng)于一個低副。 （二）虛約束（多余約束）（二）虛約束（多余約束） 機(jī)構(gòu)中那些對構(gòu)件間的相對運(yùn)動不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束?；蚍Q消極機(jī)構(gòu)中那些對構(gòu)件間的相對運(yùn)動不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束?；蚍Q消極約束。約束。4F5ABCDEF123ADBCE06243F？123ADBCE平面機(jī)構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)在下列情況中：平面機(jī)構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)在下列情況中： 06243F？(1)(1)機(jī)構(gòu)中聯(lián)結(jié)構(gòu)件與被聯(lián)結(jié)構(gòu)件的軌跡重合機(jī)構(gòu)中聯(lián)結(jié)構(gòu)件與被聯(lián)結(jié)構(gòu)件的軌跡重合(2

16、)(2)在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動中，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變，若在在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動中，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變，若在兩點(diǎn)間加一個構(gòu)件和兩個轉(zhuǎn)動副，則機(jī)構(gòu)引入了一個虛約束。兩點(diǎn)間加一個構(gòu)件和兩個轉(zhuǎn)動副，則機(jī)構(gòu)引入了一個虛約束。 (3)(3)重復(fù)或?qū)ΨQ的部分重復(fù)或?qū)ΨQ的部分 在機(jī)構(gòu)中，有些形狀相同的構(gòu)件對運(yùn)動的傳遞有著相同的作用在機(jī)構(gòu)中，有些形狀相同的構(gòu)件對運(yùn)動的傳遞有著相同的作用，留下其中的一個構(gòu)件去掉其余的構(gòu)件后，對運(yùn)動的傳遞沒有影響，留下其中的一個構(gòu)件去掉其余的構(gòu)件后，對運(yùn)動的傳遞沒有影響，那么這些對運(yùn)動的傳遞沒有影響的構(gòu)件形成的約束為虛約束。，那么這些對運(yùn)動的傳遞沒有影響的構(gòu)件

17、形成的約束為虛約束。 21322O局部自由度局部自由度EABCDO FGH 試計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度。試計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度。 1234567 C C處為局部自由度、處為局部自由度、F F 處為局部自由度、處為局部自由度、E E處為虛約束。處為虛約束。 F=3n-2pF=3n-2pL L-P-PH H =3 =37-27-29-1=2 9-1=2 因自由度數(shù)因自由度數(shù)= =原動件個數(shù)，故機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動。原動件個數(shù)，故機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動。n=7 n=7 p pL L=9 =9 P PH H=1=11-3 1-3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動條件P5=4,P4=1,F=0n=3,

18、123ACB4Dn=2,P5=3, F=02311.3.1 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)條件 n=3,P5=5,F= =-1B2C4ADE13結(jié)論：結(jié)論： 機(jī)構(gòu)可能運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)可能運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)自由度數(shù)機(jī)構(gòu)自由度數(shù)F=1。F=21原動件數(shù)原動件數(shù)=2 機(jī)構(gòu)具有確定相對運(yùn)動的條件：機(jī)構(gòu)具有確定相對運(yùn)動的條件：機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目= =機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目 F0F01.3.2 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的力學(xué)條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的力學(xué)條件 （1 1）死點(diǎn)位置死點(diǎn)位置 ADBCF 搖桿搖桿CDCD為主動件，當(dāng)構(gòu)件為主動件，當(dāng)構(gòu)件AB和和BC重合或共線時，無論主

19、動件重合或共線時，無論主動件CD上上驅(qū)動力或驅(qū)動力矩有多大，從動件驅(qū)動力或驅(qū)動力矩有多大，從動件AB不能運(yùn)動。將這位置稱為死點(diǎn)位不能運(yùn)動。將這位置稱為死點(diǎn)位置。置。（2 2）歧動位置歧動位置 機(jī)構(gòu)處在機(jī)構(gòu)處在ABAB1 1C C1 1D D，當(dāng)構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件ABAB從從ABAB1 1轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到ABAB3 3時，時，C C有有C C3 3和兩個可能的位置和兩個可能的位置，運(yùn)動不確定。將，運(yùn)動不確定。將ABAB1 1C C1 1D D這種運(yùn)動不確定位置稱為歧動位置。這種運(yùn)動不確定位置稱為歧動位置。 （3 3）自鎖自鎖 當(dāng)當(dāng)ab/(2f)ab/(2f)時（時（f f為摩擦系數(shù)）為摩擦系數(shù)），無論凸輪作用

20、于推桿上的驅(qū)動力多，無論凸輪作用于推桿上的驅(qū)動力多大，推桿都會保持靜止（被卡?。?。大，推桿都會保持靜止（被卡?。?。將這種現(xiàn)象稱為自鎖。將這種現(xiàn)象稱為自鎖。 機(jī)構(gòu)是否運(yùn)動，是否具有確定運(yùn)動，不僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與主動件機(jī)構(gòu)是否運(yùn)動，是否具有確定運(yùn)動，不僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與主動件位置、運(yùn)動副的摩擦和運(yùn)動學(xué)尺寸有關(guān)，而與這些參數(shù)有密切聯(lián)系的恰好是位置、運(yùn)動副的摩擦和運(yùn)動學(xué)尺寸有關(guān)，而與這些參數(shù)有密切聯(lián)系的恰好是作用在機(jī)構(gòu)上的力。作用在機(jī)構(gòu)上的力。 （一）理想機(jī)構(gòu)（一）理想機(jī)構(gòu) 理想機(jī)構(gòu)是指不計構(gòu)件變形和運(yùn)動副摩擦力的機(jī)構(gòu)。理想機(jī)構(gòu)是指不計構(gòu)件變形和運(yùn)動副摩擦力的機(jī)構(gòu)。 在理想機(jī)構(gòu)中，不考慮各構(gòu)件的重

21、力和慣性力的影響，作用于從動在理想機(jī)構(gòu)中，不考慮各構(gòu)件的重力和慣性力的影響，作用于從動件上力的方向與該力作用點(diǎn)絕對速度方向之間所夾的銳角，稱為機(jī)構(gòu)件上力的方向與該力作用點(diǎn)絕對速度方向之間所夾的銳角，稱為機(jī)構(gòu)在此位置時的壓力角，用在此位置時的壓力角，用表示。表示。 壓力角的余角稱為傳動角，用壓力角的余角稱為傳動角，用表示。表示。 CBADFVc CBADFVc 有效分力有效分力cos2FF 無效分力無效分力sin1FF 壓力角（或傳動角）的大小反映出力的有效利用程度。壓力角（或傳動角）的大小反映出力的有效利用程度。 壓力角壓力角=90=900 0或傳動角或傳動角=0=00 0時，有效分力時，有效

22、分力F Ft t=0=0，則機(jī)構(gòu)的構(gòu)件間相，則機(jī)構(gòu)的構(gòu)件間相對靜止。對靜止。 理想機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動力學(xué)條件是機(jī)構(gòu)的最小傳動角大于零；理想機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動力學(xué)條件是機(jī)構(gòu)的最小傳動角大于零； 當(dāng)當(dāng) =00時，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)和歧點(diǎn)位置，應(yīng)采取相應(yīng)措施順利經(jīng)時，機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)和歧點(diǎn)位置，應(yīng)采取相應(yīng)措施順利經(jīng)過死點(diǎn)和防止運(yùn)動不確定現(xiàn)象。過死點(diǎn)和防止運(yùn)動不確定現(xiàn)象。 （二）計摩擦力的機(jī)構(gòu)（二）計摩擦力的機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)的自鎖與機(jī)構(gòu)的尺寸有關(guān)，可以通過改變運(yùn)動學(xué)尺寸，機(jī)構(gòu)的自鎖與機(jī)構(gòu)的尺寸有關(guān)，可以通過改變運(yùn)動學(xué)尺寸，運(yùn)動副的類型和摩擦參數(shù)來避免。運(yùn)動副的類型和摩擦參數(shù)來避免。 滿足確定運(yùn)動必要條件，且滿足確定運(yùn)動必

23、要條件，且 =90=900 0。當(dāng)。當(dāng)a ab/(2f)b/(2f)時（時（f f為摩擦為摩擦系數(shù)），機(jī)構(gòu)有確定運(yùn)動。但當(dāng)系數(shù)），機(jī)構(gòu)有確定運(yùn)動。但當(dāng)a ab/(2f)b/(2f)時，出現(xiàn)自鎖，構(gòu)件間沒時，出現(xiàn)自鎖，構(gòu)件間沒有相對運(yùn)動有相對運(yùn)動 （三）機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的力學(xué)條件（三）機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的力學(xué)條件 機(jī)構(gòu)在不發(fā)生自鎖的條件下，機(jī)構(gòu)的最小傳動角大于零。機(jī)構(gòu)在不發(fā)生自鎖的條件下，機(jī)構(gòu)的最小傳動角大于零。 1.3.3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件 在保證自由度大于零和不自鎖的條件下，機(jī)構(gòu)的自由度等于原動在保證自由度大于零和不自鎖的條件下，機(jī)構(gòu)的自由度等于原動件的數(shù)目和機(jī)構(gòu)的

24、最小傳動角大于零。件的數(shù)目和機(jī)構(gòu)的最小傳動角大于零。 1-4 1-4 平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析 1.4.1 1.4.1 平面機(jī)構(gòu)中的高副低代平面機(jī)構(gòu)中的高副低代（一）（一）高副低代高副低代 為了使平面低副的運(yùn)動分析和動力分析方法能適用于所有平面為了使平面低副的運(yùn)動分析和動力分析方法能適用于所有平面機(jī)構(gòu)，研究在平面機(jī)構(gòu)中用低副代替高副的條件和方法（簡稱高副低機(jī)構(gòu)，研究在平面機(jī)構(gòu)中用低副代替高副的條件和方法（簡稱高副低代）。代）。 （二）（二）高副低代的條件高副低代的條件（1 1）代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同；）代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同；（2 2）代替前后機(jī)構(gòu)的

25、瞬時速度和瞬時加速度完全相同。）代替前后機(jī)構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。 （三）高副低代的方法（三）高副低代的方法 （1）當(dāng)兩接觸輪廓都為曲線時，用兩個轉(zhuǎn)動副和一個構(gòu)件來代）當(dāng)兩接觸輪廓都為曲線時，用兩個轉(zhuǎn)動副和一個構(gòu)件來代替一個高副，這兩個轉(zhuǎn)動副分別處在高副兩輪廓接觸點(diǎn)的曲率中替一個高副，這兩個轉(zhuǎn)動副分別處在高副兩輪廓接觸點(diǎn)的曲率中心。心。213B21AC321ACB321B21AC3B21AC32O1nn（2）當(dāng)兩接觸輪廓之一為直線時，因直線的曲率中心位于無窮遠(yuǎn)處，）當(dāng)兩接觸輪廓之一為直線時，因直線的曲率中心位于無窮遠(yuǎn)處，該處的轉(zhuǎn)動副演化為移動副該處的轉(zhuǎn)動副演化為移動副 。1.4.2

26、1.4.2 平面機(jī)構(gòu)的組成原理平面機(jī)構(gòu)的組成原理 平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件是機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目等于機(jī)構(gòu) 的自由度數(shù)，故平面機(jī)構(gòu)的從動系統(tǒng)的自由度數(shù)應(yīng)為零。的自由度數(shù)，故平面機(jī)構(gòu)的從動系統(tǒng)的自由度數(shù)應(yīng)為零。2134ABCDEF561A6F=1F=0F=0234BCDEF5F=1F=023BCDE4F5 任何機(jī)構(gòu)都可以看作是由若干個桿組依次聯(lián)接于原動件和機(jī)架任何機(jī)構(gòu)都可以看作是由若干個桿組依次聯(lián)接于原動件和機(jī)架上而構(gòu)成。上而構(gòu)成。機(jī)構(gòu)的組成原理：機(jī)構(gòu)的組成原理： 桿組定義：桿組定義： 把不可再分解的自由度為零的運(yùn)動鏈被稱為基本桿組，簡稱桿組。把不

27、可再分解的自由度為零的運(yùn)動鏈被稱為基本桿組，簡稱桿組。E4F523BCD61A1A623BCDE4F51.4.3 1.4.3 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（一）（一）桿組的分類桿組的分類 設(shè)桿組由設(shè)桿組由n個構(gòu)件和個構(gòu)件和pl個平面低副所組成，它們之間必須滿足個平面低副所組成，它們之間必須滿足 F=3n-2pL=0 或或 n/2= pL/3 因?yàn)闃?gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)都必須是整數(shù)，最簡單的組合為因?yàn)闃?gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)都必須是整數(shù)，最簡單的組合為n n2 2和和P PL L3 3，我們把這種由我們把這種由2 2個構(gòu)件和個構(gòu)件和3 3個低副構(gòu)成的基本組稱為個低副構(gòu)成的基本組稱為級組。級組。 n =

28、4 n =4，p pL L= 6= 6的桿組由的桿組由4 4個構(gòu)件和個構(gòu)件和6 6個低副所組成，并且包含一個低副所組成，并且包含一個個3 3個低副的構(gòu)件，這種桿組稱為個低副的構(gòu)件，這種桿組稱為IIIIII級組。的桿組有以下四種類級組。的桿組有以下四種類型型: :（二）機(jī)構(gòu)的級別（二）機(jī)構(gòu)的級別 同一機(jī)構(gòu)中可以包含不同級別的桿組；同一機(jī)構(gòu)中可以包含不同級別的桿組； 機(jī)構(gòu)的級別是由桿組的最高級別來確定的。機(jī)構(gòu)的級別是由桿組的最高級別來確定的。 如果機(jī)構(gòu)中包含桿組的最高級別是如果機(jī)構(gòu)中包含桿組的最高級別是IIII級，則為級，則為IIII級機(jī)構(gòu)；若最高級別級機(jī)構(gòu)；若最高級別是是IIIIII級，則為級，

29、則為IIIIII級機(jī)構(gòu)。把不包含桿組，僅由機(jī)架和原動件構(gòu)成的級機(jī)構(gòu)。把不包含桿組，僅由機(jī)架和原動件構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為機(jī)構(gòu)稱為I I級機(jī)構(gòu)。級機(jī)構(gòu)。 （三）結(jié)構(gòu)分析（三）結(jié)構(gòu)分析 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析就是把已知的機(jī)構(gòu)分解為機(jī)架、原動件和桿組機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析就是把已知的機(jī)構(gòu)分解為機(jī)架、原動件和桿組，并確定機(jī)構(gòu)的級別。，并確定機(jī)構(gòu)的級別。 結(jié)構(gòu)分析的步驟：結(jié)構(gòu)分析的步驟： （1 1）首先除去局部自由度和虛約束。）首先除去局部自由度和虛約束。（2 2）將機(jī)構(gòu)中的所有高副用低副代替。）將機(jī)構(gòu)中的所有高副用低副代替。（3 3）確定機(jī)構(gòu)的原動件。）確定機(jī)構(gòu)的原動件。（4 4）從遠(yuǎn)離原動件的構(gòu)件開始拆桿組。）從遠(yuǎn)離原動件

30、的構(gòu)件開始拆桿組。（5 5）所有桿組中最高的級別即為機(jī)構(gòu)的級別。）所有桿組中最高的級別即為機(jī)構(gòu)的級別。 每拆出一個桿組后，余下的部分必須是一個與原機(jī)構(gòu)有相同自由每拆出一個桿組后，余下的部分必須是一個與原機(jī)構(gòu)有相同自由度的機(jī)構(gòu)。度的機(jī)構(gòu)。 注意：注意： （1）計算機(jī)構(gòu)的自由度，去除虛約束、局部自由度，并高副低代，）計算機(jī)構(gòu)的自由度，去除虛約束、局部自由度，并高副低代，ABCDO EFGHABCDEFGO H（2 2）先試拆）先試拆II II 級組，若拆不出級組，若拆不出 IIII 級組，再試拆級組，再試拆 IIIIII 級組。級組。 （3 3）確定機(jī)構(gòu)的級別，以機(jī)構(gòu)桿組的最高級別命名機(jī)構(gòu)的級別。

31、）確定機(jī)構(gòu)的級別，以機(jī)構(gòu)桿組的最高級別命名機(jī)構(gòu)的級別。FABCDEGO HFGO ABCDHE注意：遠(yuǎn)離主動件的桿組先坼。注意：遠(yuǎn)離主動件的桿組先坼。內(nèi)容小節(jié)內(nèi)容小節(jié) （1）作機(jī)械運(yùn)動的單元稱為構(gòu)件，而機(jī)械制造的單元稱為零件。構(gòu)件可能是作機(jī)械運(yùn)動的單元稱為構(gòu)件，而機(jī)械制造的單元稱為零件。構(gòu)件可能是一個零件，也可能是多個零件聯(lián)接成的剛體，還有可能是柔體和流體。一個零件，也可能是多個零件聯(lián)接成的剛體，還有可能是柔體和流體。 （2）使兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對運(yùn)動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副，使兩構(gòu)件直接接觸而又能產(chǎn)生一定相對運(yùn)動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副，如果兩構(gòu)件脫離接觸，運(yùn)動副隨著消失；構(gòu)成運(yùn)動副的點(diǎn)、線、面

32、稱為如果兩構(gòu)件脫離接觸，運(yùn)動副隨著消失；構(gòu)成運(yùn)動副的點(diǎn)、線、面稱為運(yùn)動副元素。按運(yùn)動副元素把平面運(yùn)動副分成低副和高副，凡是為面接運(yùn)動副元素。按運(yùn)動副元素把平面運(yùn)動副分成低副和高副，凡是為面接觸的運(yùn)動副稱為低副，凡是為點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動副稱為高副。低副包括觸的運(yùn)動副稱為低副，凡是為點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動副稱為高副。低副包括回轉(zhuǎn)副和移動副，只具有一個獨(dú)立相對轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副稱為回轉(zhuǎn)副，只具回轉(zhuǎn)副和移動副，只具有一個獨(dú)立相對轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副稱為回轉(zhuǎn)副，只具有一個獨(dú)立相對移動的運(yùn)動副稱為移動副；對獨(dú)立運(yùn)動所加的限制稱為有一個獨(dú)立相對移動的運(yùn)動副稱為移動副；對獨(dú)立運(yùn)動所加的限制稱為約束，一個作平面運(yùn)動的構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動數(shù)與

33、約束數(shù)等于。約束，一個作平面運(yùn)動的構(gòu)件獨(dú)立運(yùn)動數(shù)與約束數(shù)等于。 （3）若干個構(gòu)件以運(yùn)動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈，運(yùn)動鏈可若干個構(gòu)件以運(yùn)動副聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)稱為運(yùn)動鏈，運(yùn)動鏈可分成閉鏈和開鏈。組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)稱為閉分成閉鏈和開鏈。組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首尾封閉的系統(tǒng)稱為閉鏈，反之，稱為開鏈；運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件是，運(yùn)動鏈中某一構(gòu)鏈，反之，稱為開鏈；運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件是，運(yùn)動鏈中某一構(gòu)件固定（或相對固定）成為機(jī)架。件固定（或相對固定）成為機(jī)架。 （2）僅用規(guī)定的符號來代表構(gòu)件和運(yùn)動副，并按一定比例表示各運(yùn)僅用規(guī)定的符號來代表構(gòu)件和運(yùn)動副，并按一定比例表示各運(yùn)動副的相對位置

34、，這種表示平面機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間相對運(yùn)動的簡化圖形動副的相對位置，這種表示平面機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間相對運(yùn)動的簡化圖形，稱為平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。只是表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，不按比例繪，稱為平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。只是表明機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，不按比例繪制的圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。制的圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。（3 3）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖步驟：）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖步驟：(1) (1) 分清機(jī)械動作原理、組成情況和運(yùn)動情況分清機(jī)械動作原理、組成情況和運(yùn)動情況，確定其組成的各構(gòu)件，何為機(jī)架、原動件和從動件。，確定其組成的各構(gòu)件，何為機(jī)架、原動件和從動件。(2) (2) 沿著運(yùn)動傳遞線沿著運(yùn)動傳遞線路，逐一分析每兩個構(gòu)件間的相對運(yùn)動的性質(zhì)，以確定運(yùn)動副

35、的類型和數(shù)路，逐一分析每兩個構(gòu)件間的相對運(yùn)動的性質(zhì)，以確定運(yùn)動副的類型和數(shù)目。目。(3) (3) 恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。一般選擇平行于機(jī)構(gòu)中多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面作恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。一般選擇平行于機(jī)構(gòu)中多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面作為投影面。為投影面。(4) (4) 選定適當(dāng)?shù)谋壤?，定出各運(yùn)動副的相對位置并用規(guī)選定適當(dāng)?shù)谋壤?，定出各運(yùn)動副的相對位置并用規(guī)定符號將它們表示出來，用直線或曲線把同一構(gòu)件上的各運(yùn)動副元定符號將它們表示出來，用直線或曲線把同一構(gòu)件上的各運(yùn)動副元素連接起來。素連接起來。 （3）機(jī)構(gòu)的自由度是）機(jī)構(gòu)的自由度是該機(jī)構(gòu)相對機(jī)架的自由度，又稱為活動度。用符該機(jī)構(gòu)相對機(jī)架的自由度，又稱為活動度。用符號號F F表示表示，計算自由度時，要注意復(fù)合鉸鏈處的運(yùn)動副數(shù)、去掉局部自由，計算自由度時，要