機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計申永勝

機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計申永勝2023/4/301第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)及簡圖一、構(gòu)件與自由度1.構(gòu)件構(gòu)件是機(jī)構(gòu)的最基本單元，用來傳遞運(yùn)動和力。凡是能傳遞運(yùn)動和力，并且在運(yùn)動時可視為一個整體的物理介質(zhì)都可以稱為構(gòu)件。構(gòu)件可以是剛體，也可以是撓性體(如帶、鏈、繩等)和流體(液體、氣體)。研究機(jī)構(gòu)的組成原理時，一般將構(gòu)件抽象為剛體。2.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)件位置所需的獨(dú)立變量的數(shù)目。第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一Oxzysxszsyyxz空間運(yùn)動剛體的自由度yxzOyz(x,y)xO平面運(yùn)動剛體的自由度sxsy作空間運(yùn)動的自由剛體：具有沿三個坐標(biāo)軸的移動(sx，sy，sz)及繞三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(θx，θy，θz)共六個獨(dú)立運(yùn)動的可能，即具有六個自由度。平面運(yùn)動構(gòu)件：具有sx，sy及θz等三個自由度的運(yùn)動。平面運(yùn)動構(gòu)件也是組成機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)件型式。自由構(gòu)件(空間)：F=6自由構(gòu)件(平面)：F=3第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一平面運(yùn)動剛體的標(biāo)線平面運(yùn)動剛體還可以用運(yùn)動平面上的一條直線PM作為“標(biāo)線”來代表平面運(yùn)動剛體，并以“基點(diǎn)”P的sx，sy及標(biāo)線繞P點(diǎn)轉(zhuǎn)動的角運(yùn)動參數(shù)θz來描述平面構(gòu)件的3個自由度。二、運(yùn)動副與約束兩個構(gòu)件之間直接接觸所形成的可動聯(lián)接，稱為運(yùn)動副。約束：運(yùn)動副對構(gòu)件間相對運(yùn)動自由度所施加的限制。不同的運(yùn)動副元素，構(gòu)成了不同的接觸形式，提供了不同的約束和相對運(yùn)動自由度。

第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一以f和s分別代表自由度和約束，則：1≤s

≤5，且s+f=6

實例：兩構(gòu)件組成的圓柱副保留的相對運(yùn)動：sz和z，自由度數(shù)f2。約束：sx，sy，x和y，約束數(shù)s4。兩構(gòu)件之間可以傳遞的力（力矩）：Px，Py，Mx，My兩構(gòu)件之間通過運(yùn)動副的聯(lián)接，實現(xiàn)了運(yùn)動和力的傳遞，并具有確定的相對運(yùn)動自由度。

zxyOzsz第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

運(yùn)動副的分類●按運(yùn)動副引入的約束數(shù)分類

I級副、II級副、III級副、IV級副、V級副?！癜催\(yùn)動副的接觸形式分類面與面接觸的運(yùn)動副—低副點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動副—高副●按兩構(gòu)件相對運(yùn)動的形式分類平面運(yùn)動副、空間運(yùn)動副●按接觸部分的幾何形狀分類圓柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圓柱副、圓柱–平面副等等。第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一球面–平面副空間I級高副圓柱–平面副空間II級高副球面副空間III級低副球銷副空間IV級低副第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一圓柱副空間IV級低副螺旋副空間V級低副第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)動副平面V級低副軸承鉸鏈移動副平面V級低副第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一點(diǎn)、線接觸的特點(diǎn)：1）具有較多的自由度，易于構(gòu)件自動調(diào)整，保持靜定特性。2）接觸應(yīng)力大，易變形、易磨損、承載能力低。3）制造比較困難。適用場合:點(diǎn)接觸，f5,s1線接觸f4,s2結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動精度要求較高，受力較小。面接觸特點(diǎn)：1）承載能力較高，應(yīng)用廣泛。2）運(yùn)動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以準(zhǔn)確確定，需要較高的制造精度。適用場合:盡量選擇易于精確制造的規(guī)則表面，如圓柱面、平面、球面等。

第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相對運(yùn)動是否在同一平面或平行平面內(nèi)，將機(jī)構(gòu)分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)?？臻gRSRC機(jī)構(gòu)球面4R機(jī)構(gòu)空間RSSP機(jī)構(gòu)第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一平面機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的機(jī)構(gòu)，運(yùn)動副的約束數(shù)為1、2。點(diǎn)、線接觸的平面運(yùn)動副—平面高副滾動副、凸輪副、齒輪副面接觸的平面運(yùn)動副—平面低副轉(zhuǎn)動副、移動副平面機(jī)構(gòu)是我們的主要研究對象。第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一三、運(yùn)動副的封閉保持運(yùn)動副元素之間的接觸稱為運(yùn)動副的封閉?！駧缀畏忾]：依靠形狀、尺寸相同的幾何表面包容實現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)制性、可靠性

●力封閉：依靠重力、彈性力、摩擦力、慣性力等實現(xiàn)。單側(cè)約束，優(yōu)點(diǎn)：易于裝配和快速拆卸，在自調(diào)、自適應(yīng)機(jī)構(gòu)及“仿形”、“隨形”系統(tǒng)中廣泛采用力封閉運(yùn)動副。

彈簧力封閉重力封閉幾何封閉第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

四、運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)

1。運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈：兩個以上構(gòu)件用運(yùn)動副聯(lián)接的構(gòu)件系統(tǒng)。運(yùn)動鏈?zhǔn)菣C(jī)構(gòu)的一般初始結(jié)構(gòu)，運(yùn)動鏈設(shè)計只關(guān)注構(gòu)件數(shù)和聯(lián)接這些構(gòu)件的運(yùn)動副的數(shù)量和類型，又稱為機(jī)構(gòu)的“型數(shù)綜合”。閉式運(yùn)動鏈，開式運(yùn)動鏈單封閉回路閉鏈pN

（p為運(yùn)動副數(shù)，N為構(gòu)件數(shù)）多封閉回路運(yùn)動閉鏈kpN1(k為回路數(shù))第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一開式運(yùn)動鏈：開鏈的每兩個構(gòu)件之間都可作獨(dú)立的相對運(yùn)動，其運(yùn)動范圍大，運(yùn)動形式與運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜，特別是末端執(zhí)行構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械手和機(jī)器人中。N

p

1相同構(gòu)件數(shù)的閉鏈與開鏈比較，閉鏈系統(tǒng)顯然具有更多的約束，構(gòu)件之間的相對運(yùn)動具有更高的強(qiáng)制性，構(gòu)件運(yùn)動范圍較小，運(yùn)動形式與運(yùn)動規(guī)律比較簡單，確定各構(gòu)件之間的相對位置所需獨(dú)立變量數(shù)較少，其驅(qū)動與控制也比較簡單，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度和運(yùn)動確定性較高，是應(yīng)用最廣泛的運(yùn)動鏈。第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一其余構(gòu)件運(yùn)動是否確定？機(jī)構(gòu)滿足條件在另一個（或幾個）構(gòu)件上加上已知運(yùn)動21341432運(yùn)動鏈

4132固定一個構(gòu)件2.機(jī)構(gòu)第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)搖塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)431CAB21423ABC1432ABCAB2134原動件：機(jī)構(gòu)中按給定運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動的構(gòu)件。從動件：其余的可動構(gòu)件。具有預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為輸出構(gòu)件或執(zhí)行構(gòu)件。機(jī)架：固定不動的構(gòu)件。同一運(yùn)動鏈，取不同構(gòu)件為機(jī)架和原動件，不改變各構(gòu)件的相對運(yùn)動規(guī)律，可以得到不同運(yùn)動傳遞規(guī)律和用途的機(jī)構(gòu)。第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

五.機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

從原理方案設(shè)計的角度看，機(jī)構(gòu)能否實現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動和功能，是由原動件的運(yùn)動規(guī)律、聯(lián)接各構(gòu)件的運(yùn)動副類型與機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸(即各運(yùn)動副間的相對位置尺寸)來決定的，而與構(gòu)件及運(yùn)動副的具體結(jié)構(gòu)、斷面尺寸、組成構(gòu)件的零件數(shù)目及固聯(lián)方式等無關(guān)。用國標(biāo)規(guī)定的簡單符號和線條代表運(yùn)動副和構(gòu)件，并按一定的比例尺表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動尺寸，繪制出表示機(jī)構(gòu)的簡明圖形。這種圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖應(yīng)滿足的條件：⑴構(gòu)件數(shù)目與實際機(jī)構(gòu)相同；⑵運(yùn)動副的性質(zhì)、數(shù)目與實際機(jī)構(gòu)相符；⑶運(yùn)動副之間的相對位置以及構(gòu)件尺寸與實際機(jī)構(gòu)成比例。

機(jī)構(gòu)示意圖：不嚴(yán)格按比例繪制的簡圖，用于表達(dá)機(jī)械的結(jié)構(gòu)特征。第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一常用運(yùn)動副的符號運(yùn)動副符號兩運(yùn)動構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動副轉(zhuǎn)動副移動副121212121212212121平面運(yùn)動副兩構(gòu)件之一為固定時的運(yùn)動副121221211222112運(yùn)動副名稱第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運(yùn)動副122112平面運(yùn)動副21第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一構(gòu)件的表示方法

桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一三副構(gòu)件

兩副構(gòu)件

構(gòu)件的表示方法第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

畫構(gòu)件時應(yīng)撇開實際外形，只考慮運(yùn)動副的性質(zhì)。內(nèi)燃機(jī)連桿第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號（摘自GB/T4460-1984）在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動圓錐齒輪傳動帶傳動第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一鏈傳動圓柱桿蝸輪傳動凸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號（續(xù)）第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖符號（續(xù)）內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動棘輪機(jī)構(gòu)第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)的自由度計算

和機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制一、運(yùn)動鏈及機(jī)構(gòu)的自由度計算1。運(yùn)動鏈的自由度確定運(yùn)動鏈中各構(gòu)件相對于其中某一構(gòu)件的位置所需的獨(dú)立參變量的數(shù)目稱為運(yùn)動鏈的自由度。一個獨(dú)立的活動構(gòu)件在3維空間內(nèi)由6個自由度。若以pi代表i(i=1~5)級運(yùn)動副數(shù)，一個i級副有i個約束。若運(yùn)動鏈中有n個可動構(gòu)件，pi個i級副的運(yùn)動鏈，自由度F為

平面運(yùn)動鏈自由度計算公式為：F=3n-2pL-pHF=6n-(p1+2p2+3p3+4p4+5p5)第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一運(yùn)動鏈自由度計算舉例例1

縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)自由度計算例2

平面四桿運(yùn)動鏈自由度計算分析：n

3，p52，p41，p31計算：F63(314152)1分析：n3，q3，p54計算：F3n2pL

pH

332411432ABC124C3ADB縫紉機(jī)腳踏板運(yùn)動鏈運(yùn)動鏈自由度計算公式也就是機(jī)構(gòu)自由度計算公式，適用于所有運(yùn)動鏈和機(jī)構(gòu)的自由度計算，但在應(yīng)用使需要注意機(jī)構(gòu)中的一些特殊結(jié)構(gòu)，否則會得出錯誤結(jié)果。第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

2.

運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件判斷所設(shè)計的運(yùn)動鏈?zhǔn)欠衲艹蔀闄C(jī)構(gòu)，是提出新的設(shè)計方案時自行評價方案可行性的關(guān)鍵步驟。

F3n2pLpH33251運(yùn)動鏈約束過多，超靜定桁架。

F3n2pLpH32230運(yùn)動鏈為一剛性桁架，不能成為機(jī)構(gòu)。運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的首要條件：運(yùn)動鏈自由度必須大于零。AB12C3平面三構(gòu)件運(yùn)動鏈1243ADBCE平面四構(gòu)件運(yùn)動鏈第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一在F0的條件下，進(jìn)一步判斷運(yùn)動鏈?zhǔn)欠窬哂写_定的運(yùn)動。平面五桿運(yùn)動鏈

F3n2pLpH3425

2原動件數(shù)F,運(yùn)動鏈內(nèi)部的運(yùn)動關(guān)系不確定。運(yùn)動鏈不能成為機(jī)構(gòu)。原動件數(shù)F,運(yùn)動鏈內(nèi)部各構(gòu)件運(yùn)動關(guān)系確定。運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)。第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一平面四桿運(yùn)動鏈

F3n2pLpH33241原動件數(shù)F，運(yùn)動鏈內(nèi)部的運(yùn)動關(guān)系將發(fā)生矛盾，其中最薄弱的構(gòu)件將會損壞。運(yùn)動鏈不能成為機(jī)構(gòu)。原動件數(shù)F，運(yùn)動鏈內(nèi)部各構(gòu)件運(yùn)動運(yùn)動關(guān)系確定。運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)。運(yùn)動鏈成為機(jī)構(gòu)的條件：取運(yùn)動鏈中一個構(gòu)件相對固定作為機(jī)架，運(yùn)動鏈相對于機(jī)架的自由度必須大于零，且原動件的數(shù)目等于運(yùn)動鏈的自由度數(shù)。第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

二、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的繪制

機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，是設(shè)計與分析機(jī)構(gòu)的常用基本圖形，必須掌握其繪制方法。繪制運(yùn)動簡圖時，主要應(yīng)注意：⑴根據(jù)機(jī)械的功能，仔細(xì)觀察機(jī)構(gòu)的工作原理。首先找到原動件、機(jī)架和從動件。⑵從原動件開始，按照運(yùn)動的傳遞過程，分析各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動性質(zhì)，確定活動構(gòu)件的數(shù)目、運(yùn)動副的類型和數(shù)目。⑶選擇與機(jī)械多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動平面平行的平面，作為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的視圖平面。⑷選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動瞬時位置和比例尺μl(m/mm)，定出各運(yùn)動副之間的相對位置，用規(guī)定的符號將各運(yùn)動副表示出來，用直線和曲線將同一構(gòu)件上各運(yùn)動副元素連接起來。⑸從原動件開始，按運(yùn)動傳遞順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號和運(yùn)動副代號。在原動件上標(biāo)出箭頭以表示其運(yùn)動的方向。

采用解析法進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和設(shè)計時，尺寸比例就不一定嚴(yán)格要求，這種圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖。第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制舉例偏心泵1234機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制是一項基本的能力訓(xùn)練，而這種能力的培養(yǎng)，需要隨時隨地注意日常生活和生產(chǎn)中所遇到的各種機(jī)械，多做繪制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的練習(xí)，才能逐漸熟練和掌握。第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

計算錯誤的原因：

三、計算機(jī)構(gòu)自由度時應(yīng)注意的問題

舉例飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)自由度計算

解

n5，pL6，pH0

F3n2pLpH35263錯誤的結(jié)果！兩個轉(zhuǎn)動副第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1。復(fù)合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副聯(lián)接所構(gòu)成的運(yùn)動副。k個構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，有(k-1)個轉(zhuǎn)動副。例計算圖示機(jī)構(gòu)自由度解：B、C、D、E處為復(fù)合鉸鏈，轉(zhuǎn)動副數(shù)均為2。12345678ABCDEF

n7，pL10，pH0

F3n2pLpH372101

機(jī)構(gòu)運(yùn)動演示第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一注意：識別復(fù)合鉸鏈，分辨清楚哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副123134212344132兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副兩個轉(zhuǎn)動副第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

1）機(jī)構(gòu)自由度計算1F3n2pLpH332312

未考慮局部自由度計算結(jié)果，不正確。2。局部自由度定義：機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的僅與其自身的局部運(yùn)動有關(guān)的自由度。計算時應(yīng)將局部自由度除去不計。

2）機(jī)構(gòu)自由度計算2設(shè)想將滾子與從動件焊成一體

F322211

考慮局部自由度計算結(jié)果，正確?；蛘撸河嬎銜r減去局部自由度

F332311(局部自由度)1局部自由度常發(fā)生在為減小高副磨損而將滑動摩擦變成滾動摩擦所增加的滾子處第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.虛約束虛約束：機(jī)構(gòu)中不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束。計算具有虛約束的機(jī)構(gòu)的自由度時，應(yīng)先將機(jī)構(gòu)中引入虛約束的運(yùn)動副或運(yùn)動鏈部分除去。虛約束發(fā)生的場合⑴兩構(gòu)件間構(gòu)成多個運(yùn)動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個導(dǎo)路平行的移動副兩構(gòu)件構(gòu)成多個接觸點(diǎn)處法線重合的高副兩構(gòu)件構(gòu)成多個軸線重合的轉(zhuǎn)動副第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一52134EF5

⑵兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動過程中始終保持不變

未去掉虛約束時F3n2pLpH34260

3241EF

附加的構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動副E、F提供的自由度F31221即引入了一個約束，但這個約束對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F3n2pLpH33241?第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

⑶聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合一個構(gòu)件和兩個低副提供的自由度：F＝31221即引入了一個約束，但這個約束對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后F3n2pLpH332411234ABDFEC43125ABCD平行四邊形機(jī)構(gòu)橢圓機(jī)構(gòu)構(gòu)件2和4在E點(diǎn)軌跡重合構(gòu)件1和2在B點(diǎn)軌跡重合第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1B342A

⑷機(jī)構(gòu)中對傳遞運(yùn)動不起獨(dú)立作用的對稱部分

對稱布置的兩個行星輪2和2以及相應(yīng)的兩個轉(zhuǎn)動副D、C和4個平面高副提供的自由度F3222142即引入了兩個虛約束。未去掉虛約束時F3n2pLpH3525161行星輪系去掉虛約束后F3n2pLpH33231211234ADBC22行星輪系第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一虛約束的作用⑴改善構(gòu)件的受力情況，分擔(dān)載荷或平衡慣性力。⑵增加結(jié)構(gòu)剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。⑶提高運(yùn)動可靠性和工作的穩(wěn)定性，如機(jī)車車輪聯(lián)動機(jī)構(gòu)。注意：機(jī)構(gòu)中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成實際有效的約束，從而使機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動。第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一B2I9C3A1J6H87DE4FG5例3計算包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度

解：首先判斷機(jī)構(gòu)中有無復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束復(fù)合鉸鏈：局部自由度：虛約束：運(yùn)動副D1處n6，pL7，pH3F3n2pLpH3627131滾子3、8桿9和運(yùn)動副F、I引入一個虛約束第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一例計算圖示機(jī)構(gòu)的自由度

n=8，pL=11，pH

=1F=3×8-2×11－1=1第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一小結(jié)：

機(jī)構(gòu)自由度的計算錯誤會導(dǎo)致對機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可能性和確定性的錯誤判斷，從而影響機(jī)械設(shè)計工作的正常進(jìn)行。因此機(jī)構(gòu)自由度計算是本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)之一。在應(yīng)用該公式計算機(jī)構(gòu)的自由度時：

1)正確使用機(jī)構(gòu)自由度計其公式

首先正確判斷機(jī)構(gòu)是屬于平面機(jī)構(gòu)還是空間機(jī)構(gòu)。平面機(jī)構(gòu)一般采用公式來計算自由度，而空間機(jī)構(gòu)一般采用公式計算自由度。

F=6n-(p1+2p2+3p3+4p4+5p5)

F3n2pLpH

2)搞清構(gòu)件、運(yùn)動副、約束的概念

3)正確處理機(jī)構(gòu)中的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束

準(zhǔn)確識別復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并作正確處理，是自由度計算中的難點(diǎn)，是初學(xué)者容易出現(xiàn)錯誤的地方。第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析我們知道機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件通過運(yùn)動副聯(lián)接而成的，而且為了用來進(jìn)行運(yùn)動的傳遞及變換，機(jī)構(gòu)需要具有確定的運(yùn)動。那末當(dāng)由構(gòu)件組成機(jī)構(gòu)時，有什么規(guī)則可循呢?

這就是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合與結(jié)構(gòu)分析所要研究的內(nèi)容。第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

高副低代高副低代及其逆過程——低副高代，是機(jī)構(gòu)變異的重要方法之一，而機(jī)構(gòu)變異是進(jìn)行創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)汁的重要途徑，通過它可以構(gòu)筑新的機(jī)構(gòu)型式，產(chǎn)生多種設(shè)計方案。另外，將含有高副的平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行低代后，即可將其視為只含低副的平面機(jī)構(gòu)，就可以根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分析助方法對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類，并運(yùn)用低副乎面機(jī)構(gòu)的分析方法進(jìn)行分析和研究。進(jìn)行高副低代必須滿足的條件是：

1)代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同；

2)代替前后機(jī)構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。

替代方法：由于一個高副僅引人一個約束，而一個低副卻引入兩個約束，故不可能以一個低副末代替一個高副。第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一過接觸點(diǎn)C作兩輪廓曲線的公法線KlK2，并在其上定出兩廓線在接觸點(diǎn)C處的曲率中心O1及O2，然后再用一個虛擬的構(gòu)件分放在點(diǎn)O1和點(diǎn)O2與兩構(gòu)件1、2以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)即可?！愕母吒睓C(jī)構(gòu)，由于曲線各處曲率中心的位置不同，在不同位置有不同的瞬時替代機(jī)構(gòu)。

—個構(gòu)件和兩個低副也引入一個約束，從而可保證替代前后機(jī)構(gòu)自由度保持不變。

用—個虛擬構(gòu)件和兩個低副來代替一個高副。K1K2O1O2第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一組成高副的兩個運(yùn)動副元素的幾何形狀不問，所選擇的虛擬構(gòu)件的形狀和運(yùn)動副的類型也有所不同。第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的基本桿組法基本思路：任何機(jī)構(gòu)中都包含原動件、機(jī)架和從動件系統(tǒng)三個部分。由于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度，因此可以將一定自由度的機(jī)構(gòu)看成是由自由度等于機(jī)構(gòu)自由度的驅(qū)動桿組和不可再分的自由度為零的基本桿組所組成。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合的基本桿組法的核心就是如何獲得各種F=0的基本桿組。

驅(qū)動桿組包含原動件和機(jī)架。因為平面閉鏈機(jī)構(gòu)的自由度一般不大于2，原動件一般都選為與機(jī)架相連的低副構(gòu)件。

第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

一、基本桿組基本桿組的構(gòu)成條件：

1）必須有和原動件及機(jī)架相聯(lián)接的運(yùn)動副，這類運(yùn)動副引入的約束數(shù)應(yīng)計算在基本桿組中。

2）自由度F=0。外副:基本桿組中與原動件和機(jī)架相聯(lián)接的運(yùn)動副，稱為基本桿組的外接運(yùn)動副，簡稱外副；內(nèi)副:聯(lián)接桿組內(nèi)構(gòu)件的運(yùn)動副，稱為基本桿組的內(nèi)接運(yùn)動副，簡稱內(nèi)副。設(shè)桿組的全部運(yùn)動副都是低副，則基本桿組的結(jié)構(gòu)公式為:F=3n-2pL=0

或

n=(2/3)pL

n只能取為2，4，6，…等偶數(shù)

pL只能取為3，6，9，…等奇數(shù)。第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

1.Ⅱ級組（n=2，pL=3）

Ⅱ級組是最簡單，也是應(yīng)用最多的基本桿組，根據(jù)三個運(yùn)動副的不同情況，通常有圖示的五種形式。分別稱為第一類Ⅱ級組、第二類Ⅱ級組、第三類Ⅱ級組、第四類Ⅱ級組和第五類Ⅱ級組。內(nèi)接運(yùn)動副外接運(yùn)動副R-R-R組R-R-P組R-P-R組P-R-P組R-P-P組第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

2.Ⅲ級組

n=4，pL=6的桿組又分為Ⅲ級組和Ⅳ級組。最常見的為Ⅲ級組，其特征是具有一個三副構(gòu)件，而每個內(nèi)副所聯(lián)接的分支構(gòu)件是雙副構(gòu)件。第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.Ⅳ級組

Ⅳ級組也是n=4，pL=6的桿組。和Ⅲ級組比較，Ⅳ級組的特征是具有兩個三副構(gòu)件，其四個內(nèi)副形成四邊形。不同級別的桿組，不僅是構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)不同，而且更重要的是其構(gòu)形的難度和位置解的數(shù)量都很不相同，從而決定了由它們所構(gòu)成的機(jī)構(gòu)可能實現(xiàn)的運(yùn)動規(guī)律，以及它們的運(yùn)動與受力分析的難易程度都不相同。第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

二、機(jī)構(gòu)的組成原理

1。機(jī)構(gòu)的組成原理把若干自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機(jī)架上，就組成一個新的機(jī)構(gòu)，其自由度數(shù)與原動件數(shù)目相等。

例5機(jī)構(gòu)的組成舉例BC2D3EF45GIH67JA1871245683GEFJIHABCD第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

注意：桿組的各外接運(yùn)動副不能全部聯(lián)接在同一個構(gòu)件上。根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理，在進(jìn)行新機(jī)械方案設(shè)計時，就可以按設(shè)計要求由桿組組成機(jī)構(gòu)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。遵循原則：在滿足相同工作要求的前提下，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡單、桿組的級別越低、構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動副數(shù)越少越好。

2.基本桿組間的聯(lián)接與機(jī)構(gòu)的構(gòu)成基本機(jī)構(gòu)：將僅由一個基本桿組所形成的機(jī)構(gòu)，稱為基本機(jī)構(gòu)。復(fù)合機(jī)構(gòu)：把由兩個以上的基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為復(fù)合機(jī)構(gòu)。

1）基本桿組間的聯(lián)接串接：只將一個基本桿組的部分外接副聯(lián)接于前一個基本桿組的一個構(gòu)件上，稱為串接。特征：前一基本桿組構(gòu)成的基本機(jī)構(gòu)的輸出構(gòu)件，成為后一個基本組的輸入構(gòu)件，運(yùn)動和功率的流向是單向的依次傳遞。第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一兩個二級桿組串連二級桿組、三級桿組串連二級桿組、三級桿組串連組成機(jī)構(gòu)第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一并聯(lián)：一個基本桿組所有外接副均聯(lián)接于前一基本桿組的構(gòu)件上。

混聯(lián)：具有串、并聯(lián)兩者的特征。

3.機(jī)構(gòu)的級別

機(jī)構(gòu)中所包含的最高級別的桿組來確定機(jī)構(gòu)的類別，并將該高級組的級別作為該機(jī)構(gòu)的級別。

應(yīng)用最廣泛的是Ⅱ級機(jī)構(gòu)，也是本書研究的重點(diǎn)。第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

三、機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析：將機(jī)構(gòu)分解為基本桿組和驅(qū)動桿組。結(jié)構(gòu)分析的過程與由桿組組成機(jī)構(gòu)的過程正好相反，也稱為拆桿組。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟為：⑴正確計算機(jī)構(gòu)的自由度，以確定原動件數(shù)、機(jī)架和輸出構(gòu)件，并將產(chǎn)生虛約束和局部自由度的構(gòu)件和運(yùn)動副去掉。⑵如果機(jī)構(gòu)中有高副，應(yīng)將高副用低副替代。⑶從遠(yuǎn)離原動件最遠(yuǎn)的輸出構(gòu)件開始，依次進(jìn)行試拆。每拆除一個桿組后，機(jī)構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個完整機(jī)構(gòu)。試拆時，先按Ⅱ級組試拆，若無法拆除，再試拆高一級別的桿組。

遠(yuǎn)離原動件：指在傳動關(guān)系和傳動路線上遠(yuǎn)離原動件，不是空間距離。

第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

⑷按所有基本桿組中的最高級別桿組確定機(jī)構(gòu)的級別。

注意：