第一章 平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

第一章平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析第一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四基本要求:

1、熟練掌握機構(gòu)運動簡圖的繪制方法。能夠?qū)嶋H機構(gòu)或機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制成機構(gòu)運動簡圖；能看懂各種復雜機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖；能用機構(gòu)運動簡圖表達自己的設(shè)計構(gòu)思。2、掌握運動鏈成為機構(gòu)的條件。

3、熟練掌握機構(gòu)自由度的計算方法。能準確識別出機構(gòu)中存在的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束，計算機構(gòu)自由度。4、掌握機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析的方法。了解高副低代的方法；會判斷桿組、桿組的級別和機構(gòu)的級別。

第二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四主要內(nèi)容：§1-1研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)§1-3平面機構(gòu)運動簡圖§1-4平面機構(gòu)的自由度§1-5平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析第三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-1研究機構(gòu)結(jié)構(gòu)的目的1、在于探討機構(gòu)運動的可能性及其具有確定運動的條件。2、將機構(gòu)按結(jié)構(gòu)加以分類，并按這種分類來建立運動分析和動力分析的一般方法。3、了解機構(gòu)組成原理，指出合理設(shè)計機構(gòu)和創(chuàng)造新機構(gòu)的途徑。第四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)一、運動副

運動副：兩構(gòu)件直接接觸所形成的可動聯(lián)接。運動副元素：兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成運動副的點、線、面部分。第五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)構(gòu)件的自由度：構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目。

約束：運動副對構(gòu)件的獨立運動所加的限制。二、運動副的分類：

1．按運動副的接觸形式分：

低副：構(gòu)件與構(gòu)件之間為面接觸，其接觸部分的壓強較低。高副：構(gòu)件與構(gòu)件之間為點、線接觸，其接觸部分的壓強較高。第六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)2．按相對運動的形式分

平面運動副：兩構(gòu)件之間的相對運動為平面運動。

空間運動副：兩構(gòu)件之間的相對運動為空間運動。

平面運動副空間運動副第七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)3．按運動副引入的約束數(shù)分類

引入1個約束的運動副稱為1級副，引入2個約束的運動副稱為2級副，引入3個約束的運動副稱為3級副，引入4個約束的運動副稱為4級副，引入5個約束的運動副稱為5級副。4.按接觸部分的幾何形狀分（如圖）第八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)5、自由度、運動副約束理論力學可知，構(gòu)件作任意復雜平面運動時，其運動可分解為三個獨立運動：沿x軸的移動，沿y軸的移動和繞垂直于XOY平面的軸A轉(zhuǎn)動。自由度：把構(gòu)件所具有的獨立運動的數(shù)目(或確定構(gòu)件位置的獨立參變量的數(shù)目)稱為自由度。作平面運動的自由構(gòu)件具有三個自由度第九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)運動副約束：把對獨立運動所加的限制稱為約束。每加上一個約束，構(gòu)件便失去一個自由度；加上兩個約束，構(gòu)件便失去兩個自由度。約束的多少和約束的特點完全取決于運動副的型式。移動副：具有兩個約束轉(zhuǎn)動副：具有兩個約束高副：具有一個約束第十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)三、運動鏈定義：兩個以上構(gòu)件以運動副聯(lián)接而成的系統(tǒng)稱為運動鏈。1、閉鏈——組成運動鏈的每個構(gòu)件至少包含兩個運動副元素，則構(gòu)件形成封閉系統(tǒng)，這種運動鏈稱為閉鏈。2、開鏈——如果運動鏈中有的構(gòu)件只包含一個運動副元素，便稱為開鏈。如圖所示第十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-2運動副、運動鏈和機構(gòu)四、機構(gòu)運動鏈中出現(xiàn)稱之為機架的固定(或相對固定)的構(gòu)件時，運動鏈被稱為機構(gòu)，平面機構(gòu)：組成機構(gòu)的各構(gòu)件都在同一平面或相互平行平面內(nèi)運動?？臻g機構(gòu)：組成機構(gòu)的各構(gòu)件至少有一個構(gòu)件不在同一平面或相互平行平面內(nèi)運動。構(gòu)成：1、機架——固定不動的構(gòu)件

2、原動件——具有獨立運動的構(gòu)件（運動規(guī)律已知的構(gòu)件）

3、從動件——除機架和原動件以外的其余構(gòu)件第十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-3平面機構(gòu)運動簡圖一、機構(gòu)運動簡圖1、定義：用國家標準規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構(gòu)件，并按一定比例尺表示機構(gòu)的運動尺寸（各運動副之間的相對位置關(guān)系），繪制出表示機構(gòu)的簡明圖形。它與原機械具有完全相同運動特性。機構(gòu)示意圖：為了表明機械的組成狀況和結(jié)構(gòu)特征，不嚴格按比例繪制的簡圖。第十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-3平面機構(gòu)運動簡圖2、作用（1）現(xiàn)有機械分析（2）新機械總體方案的設(shè)計3、表示方法用規(guī)定的簡單符號和線條代表運動副和構(gòu)件，并按一定比例尺表示機構(gòu)的運動尺寸。二、運動副和構(gòu)件的符號第十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四兩構(gòu)件為活動構(gòu)件有一個構(gòu)件固定121212121221轉(zhuǎn)動副12第十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四兩構(gòu)件為活動構(gòu)件有一個構(gòu)件固定1212121212121212移動副第十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四齒輪的輪齒與輪齒接觸凸輪與從動件的接觸高副121212212121第十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四構(gòu)件和運動副的表示方法雙副三副構(gòu)件第十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-3平面機構(gòu)運動簡圖三、機構(gòu)運動簡圖的繪制方法：1、認清機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動情況（確定構(gòu)件的數(shù)目，運動副的數(shù)目和類型，找出主動件）

2、選擇適當?shù)耐队懊?/p>

3、選擇適當比例尺

4、用規(guī)定的符號和線條畫出圖形（從主動件開始畫）例1：繪制小型壓力機的機構(gòu)運動簡圖

第十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第二十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第二十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四移動副平面低副轉(zhuǎn)動副：構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件只能繞某一軸線作相對轉(zhuǎn)動。移動副：構(gòu)成運動副的兩構(gòu)件只能沿某一軸線作相對移動。轉(zhuǎn)動副第二十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四線接觸點接觸第二十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四圓柱副球面副球面與圓柱副螺旋副圓柱與平面副第二十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第二十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四原動件傳動部分執(zhí)行部分

1-->2-->3-->4-->7-->8

1‘-->6'-->5-->4-->7-->8工作原理第二十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四1、分析機械的動作原理、組成情況和運動情況

工作原理2、沿著運動傳遞路線，分析兩構(gòu)件間相對運動的性質(zhì)，以確定運動副的類型和數(shù)目轉(zhuǎn)動副：偏心輪1和桿件2桿件2和桿件3桿件3和桿件4滑塊7和壓桿8槽凸輪6—齒輪6‘和機座9桿件4和滾子5機座9和偏心輪1—齒輪1’移動副桿件3和機座9桿件4和滑塊7壓桿8和機座9高副齒輪1‘和齒輪6’滾子5和槽凸輪6第二十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四3.適當?shù)剡x擇運動簡圖的視圖平面4.選擇適當比例尺5.畫簡圖并從原動件開始，按傳動順序標出各構(gòu)件的編號和運動副的代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動方向。如圖第二十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第二十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-3平面機構(gòu)運動簡圖

作業(yè)：P4981—1至1—4第三十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-4平面機構(gòu)的自由度6/21/2023第三十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四一、平面機構(gòu)自由度1、定義：機構(gòu)中各構(gòu)件相對于機架的所能有的獨立運動的數(shù)目稱為機構(gòu)中自由度。2、計算公式設(shè)某一平面機構(gòu)，除機架外共有n個活動構(gòu)件。通過PL個低副和PH個高副聯(lián)接各構(gòu)件。n個活動構(gòu)件在未用運動副聯(lián)接之前共具有3n個自由度，當用PL個低副和PH個高副聯(lián)接之后，便受到2PL+PH個約束。故機構(gòu)自由度，應(yīng)為活動構(gòu)件自由度的總數(shù)與運動副引入的約束總數(shù)之差，即

F=3n-2PL-PH第三十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四二、機構(gòu)具有確定運動的條件舉例：圖a所示：

n=2PL=3PH=0F=3n-2PL-PH=0各構(gòu)件間已無相對運動，只構(gòu)成了一個剛性桁架，因而不能成為機構(gòu)

圖b所示

n=3PL=5PH=0F=3n-2PL-PH=-1已成為超靜定桁架了，也不能成為機構(gòu)。

第三十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四圖c所示n=3PL=4PH=0F=3n-2PL-PH=1若取構(gòu)件1為原動件，則從動畫演示中可以看出，構(gòu)件1每轉(zhuǎn)過一個角度，構(gòu)件2和構(gòu)件3便有一個確定的相對運動，也就是說這個運動鏈能成為機構(gòu)。如果同時使構(gòu)件3也成為原動件，則從動畫演示可以看出，運動鏈內(nèi)部的運動關(guān)系將發(fā)生矛盾，最薄弱的構(gòu)件將損壞。

說明：要使自由度大于零的運動鏈成為機構(gòu)，原動件的數(shù)目不可多于運動鏈的自由度數(shù)。第三十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四圖(d)所示

n=4PL=5PH=0F=3n-2PL-PH=2若同時取構(gòu)件1和構(gòu)件4作為原動件，則由動畫演示可以看出，構(gòu)件2和構(gòu)件3具有確定的運動，即該運動鏈能成為機構(gòu)。如果只取構(gòu)件1作為原動件，則由動畫演示可以看出，其余三個活動構(gòu)件2、3、4的運動不能確定，只能作無規(guī)則的運動。

說明：要使自由度大于零的運動鏈成為機構(gòu)，原動件的數(shù)目不可少于運動鏈的自由度數(shù)。

第三十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四二、機構(gòu)具有確定運動的條件由上可知：

1）F<=0機構(gòu)蛻化成剛性桁架，無相對運動。

2）F>0如原動件數(shù)大于機構(gòu)自由度數(shù)——損壞如原動件數(shù)大于機構(gòu)自由度數(shù)——運動不確定綜上所述：機構(gòu)具有確定的運動條件是

機構(gòu)自由度數(shù)大于零，且原動件的數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。

第三十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四三、計算機構(gòu)自由度的注意事項1.復合鉸鏈例1：計算圖示搖篩機構(gòu)的自由度：

計算是否正確？搖篩機構(gòu)中，構(gòu)件2、3、4同在C處組成轉(zhuǎn)動副。因此此機構(gòu)的自由度為：

搖篩機構(gòu)

搖篩機構(gòu)C處側(cè)視圖第三十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四注意事項定義：兩個以上構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相連接，所構(gòu)成的運動副稱為復合鉸鏈。解決問題的方法：若有K個構(gòu)件在同一處組成復合鉸鏈，則其構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副數(shù)目應(yīng)為（K-1）個。2.局部自由度計算機構(gòu)自由度：(a)

F=2(b)

F=1圖aF=3X3-2X3-1=2圖b第三十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四注意事項定義：若機構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的自由度僅與其自身的局部運動有關(guān)，并不影響其他構(gòu)件的運動，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：滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦時添加的滾子；軸承中的滾珠。解決的方法：計算機構(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。

第三十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四注意事項3.虛約束定義：在特定幾何條件或結(jié)構(gòu)條件下，某些運動副所引入的約束可能與其他運動副所起的限制作用一致，這種不起獨立限制作用的重復約束稱為虛約束。

計算圖示機構(gòu)自由度：第四十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四注意事項虛約束經(jīng)常發(fā)生的場合：a.兩構(gòu)件之間構(gòu)成多個運動副時b.兩構(gòu)件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變時c.聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡重合時d.機構(gòu)中對運動不起作用的對稱部分第四十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四注意事項結(jié)論：

采用虛約束是為了改善構(gòu)件的受力情況；增加構(gòu)件的剛性；傳遞較大功率；或滿足某種特殊需要，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛使用。注意：機構(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，則虛約束將變成有效約束，而使機構(gòu)不能運動。第四十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四典型例題

在下圖所示機構(gòu)中，構(gòu)件AB,EF,CD相互平行且相等，試計算該機構(gòu)的自由度。

分析：注意機構(gòu)中的復合鉸鏈、局部自由度及虛約束。解：去掉機構(gòu)中的局部自由度和虛約束，則：第四十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四作業(yè)：P4981—1至

1—41—131—14第四十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第四十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第四十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四第四十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四§1-5平面機構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析第四十八頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四一、平面機構(gòu)的高副低代概念：用低副代替高副目的：為了使平面低副機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析和運動分析的方法適用于含有高副的平面機構(gòu)。高副低代必須滿足的條件：1.替代前后機構(gòu)自由度不變

2.替代前后瞬時速度、加速度不變

第四十九頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四方法：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的曲率中心。注意：對于一般的高副機構(gòu)，在不同位置有不同的瞬時替代機構(gòu)。經(jīng)高副低代后的平面機構(gòu)，可視為平面低副機構(gòu)。第五十頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四請高副低代下圖所示的機構(gòu)。第五十一頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四二、平面機構(gòu)組成原理任何機構(gòu)中都包含原動件、機架和從動件系統(tǒng)三部分。由于機架的自由度為零，每個原動件的自由度為1，而機構(gòu)的自由度等于原動件數(shù)，所以，從動件系統(tǒng)的自由度必然為零。1.桿組（阿蘇爾組）不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合稱為基本桿組，簡稱桿組。第五十二頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四若桿組中有n個活動構(gòu)件、pL個低副，則有：pL和n必須為整數(shù)。II級桿組：不包含封閉多邊形、只包含兩副構(gòu)件的桿組。第五十三頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四III級桿組:包含具有三個運動副元素的剛性構(gòu)件(或三個構(gòu)件組成的三角形)的桿組稱為Ⅲ級組。包含四個構(gòu)件組成的四邊形的桿組稱為Ⅳ級組；其余依此類推。Ⅳ級組Ⅲ級組機構(gòu)的級別由桿組的最高級別決定。第五十四頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四2.機構(gòu)的組成原理：把若干個自由度為零的基本桿組依次聯(lián)接到原動件和機架上，就可組成新的機構(gòu)，其自由度數(shù)目與原動件的數(shù)目相等。觀察八桿機構(gòu)的組成過程：

第五十五頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四三、機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析就是將已知機構(gòu)分解為原動件、機架、桿組，并確定機構(gòu)的級別。拆桿組時應(yīng)遵循的原則：（1）從遠離原動件的構(gòu)件開始拆組；（2）試拆時，按二級組試拆，若無法拆除，再試拆高一級別的桿組；（3）每拆除一個桿組后，機構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個完整的機構(gòu)。（流程圖）

第五十六頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四I級機構(gòu)：由一個原動件和一個相對固定的機架所組成的機構(gòu)。注意事項：同一個運動鏈，當原動件更換時，機構(gòu)的級別也有可能改變。例題：試計算圖示沖壓機構(gòu)的自由度，并分析在下列情況下組成機構(gòu)的基本桿組及機構(gòu)的級別：（1）當以構(gòu)件1為原動件時；（2）當以構(gòu)件6為原動件時。第五十七頁，共六十二頁，編輯于2023年，星期四解：

（1）機構(gòu)的自由度計算：第五十八頁，共六十二頁，編輯于20