教學(xué)課件-機(jī)械原理(朱龍英)

第1章緒論1.1機(jī)械原理課程的研究對(duì)象1.2機(jī)械原理課程的內(nèi)容和地位1.3機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)方法1.4機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展思考題及習(xí)題1.1機(jī)械原理課程的研究對(duì)象機(jī)械原理是一門以機(jī)械為研究對(duì)象的課程和學(xué)科。機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱，故機(jī)械原理又稱機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)。1.1.1機(jī)器機(jī)器是一種作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，它用來變換或傳遞能量、物料和信息，以代替或減輕人類的體力或腦力勞動(dòng)。機(jī)器的種類很多，根據(jù)用途不同，機(jī)器可分為動(dòng)力機(jī)器、工作機(jī)器和信息機(jī)器。

1.動(dòng)力機(jī)器動(dòng)力機(jī)器又稱原動(dòng)機(jī)，其功用是把其它形式的能量變換成機(jī)械能，或者把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成其它形式的能量，如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、渦輪機(jī)等。

2.工作機(jī)器工作機(jī)器是用來完成機(jī)械功的。工作機(jī)器可分為加工機(jī)器和運(yùn)輸機(jī)器兩類，如金屬切削機(jī)床、紡織機(jī)、包裝機(jī)、軋鋼機(jī)等屬于加工機(jī)器；汽車、拖拉機(jī)、起重機(jī)、輸送機(jī)等屬于運(yùn)輸機(jī)器。

3.信息機(jī)器信息機(jī)器的功用是完成信息的傳遞和變換，如計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、繪圖機(jī)、照相機(jī)等。機(jī)器的種類繁多，其構(gòu)造、性能、用途也各不相同，下面通過兩個(gè)實(shí)例來說明機(jī)器的組成和機(jī)器的特征。圖1-1所示為單缸內(nèi)燃機(jī)。它是汽車、飛機(jī)、輪船等流動(dòng)性機(jī)械最常用的動(dòng)力裝置。內(nèi)燃機(jī)的功能是將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其工作原理是(參見圖1-1(a))：活塞4在氣缸1中向下移動(dòng)時(shí)，排氣閥門5關(guān)閉，進(jìn)氣閥門7在凸輪8的控制下打開，將可燃?xì)怏w吸入氣缸，此過程稱為進(jìn)氣沖程。當(dāng)活塞4向上移動(dòng)時(shí)，進(jìn)、排氣閥門均關(guān)閉，可燃?xì)怏w被壓縮，此過程稱為壓縮沖程；壓縮沖程結(jié)束后，火花塞6利用高壓放電，使燃?xì)庠跉飧字腥紵?、膨脹，產(chǎn)生的壓力推動(dòng)活塞4向下移動(dòng)，此過程稱為爆炸沖程；活塞4向下移動(dòng)的同時(shí)，通過連桿3推動(dòng)曲軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，向外輸出機(jī)械運(yùn)動(dòng)和力（機(jī)械能）；當(dāng)活塞4再向上移動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥門7仍處于關(guān)閉狀態(tài)，而排氣閥門5在凸輪12的控制下打開，將廢氣排出，此過程稱為排氣沖程。以上各部分協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)，活塞上、下移動(dòng)兩次，曲軸轉(zhuǎn)兩圈。如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，便能把燃?xì)馊紵龝r(shí)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榍S轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。圖1-1單缸內(nèi)燃機(jī)圖1-2所示為牛頭刨床示意圖。它是將電動(dòng)機(jī)1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過皮帶傳動(dòng)，使齒輪2帶動(dòng)大齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)；大齒輪3帶動(dòng)滑塊4在桿5中滑動(dòng)，同時(shí)推動(dòng)桿5繞滑塊6的中心作往復(fù)擺動(dòng)；桿5推動(dòng)牛頭7在刨床床身的導(dǎo)軌中往復(fù)滑動(dòng)，帶動(dòng)刀架8往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作過程切削和空行程退回的動(dòng)作，從而代替人完成有用的機(jī)械功。工作臺(tái)的橫向進(jìn)給是由齒輪3通過連桿和棘輪（圖中未畫出）及螺桿10使工作臺(tái)9橫向移動(dòng)一個(gè)進(jìn)刀距離。圖1-2牛頭刨床從以上兩個(gè)實(shí)例可以看出，雖然機(jī)器的構(gòu)造、用途和性能各不相同，但從它們的組成、運(yùn)動(dòng)的確定性以及功能關(guān)系來看，都具有以下幾個(gè)共同的特征：

(1)機(jī)器是由若干個(gè)人為的實(shí)物（構(gòu)件）組成的；

(2)組成機(jī)器的各運(yùn)動(dòng)實(shí)物之間都具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；(3)機(jī)器能完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能。因此，同時(shí)具有以上三個(gè)特征的實(shí)物組合體就稱為機(jī)器。1.1.2機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合體，是用來傳遞與變換運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的可動(dòng)裝置，它是機(jī)器的重要組成部分。機(jī)構(gòu)具有機(jī)器的前兩個(gè)特征。常用的機(jī)構(gòu)有連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。在圖1-1(b)所示的單缸內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)簡圖中，曲軸2—連桿3—活塞4—?dú)飧?稱為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；從動(dòng)輪9—主動(dòng)輪10—?dú)飧?和主動(dòng)輪10—從動(dòng)輪11—?dú)飧?稱為齒輪機(jī)構(gòu)；進(jìn)氣閥門7—凸輪8—?dú)飧?和排氣閥門5—凸輪12—?dú)飧?稱為凸輪機(jī)構(gòu)。由以上分析可知，機(jī)器是由機(jī)構(gòu)組成的，它可以完成能量轉(zhuǎn)換、做有用功或處理信息；而機(jī)構(gòu)在機(jī)器中起著運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)換作用。一部機(jī)器可能由多個(gè)機(jī)構(gòu)組成，如內(nèi)燃機(jī)是由連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)組成的；一部機(jī)器也可能由一個(gè)機(jī)構(gòu)組成，如發(fā)電機(jī)是由定子與轉(zhuǎn)子雙桿機(jī)構(gòu)組成的。從實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)看，機(jī)構(gòu)和機(jī)器之間并無區(qū)別，故人們常用“機(jī)械”作為機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。一部完整的機(jī)器通常由以下幾部分組成。（1）原動(dòng)部分：機(jī)器動(dòng)力的來源，也稱為原動(dòng)機(jī)。常用的原動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、液壓缸或氣動(dòng)缸等。（2）執(zhí)行部分：處于整個(gè)傳動(dòng)路線的末端，以完成機(jī)械預(yù)期的動(dòng)作，如汽車的車輪、牛頭刨床的走刀部分等。（3）傳動(dòng)部分：介于原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行部分之間，用于把原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行部分，如汽車中從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪之間的變速器、差速器等，牛頭刨床中從電動(dòng)機(jī)到刨刀之間的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)等部分。1.2機(jī)械原理課程的內(nèi)容和地位1.2.1機(jī)械原理課程的內(nèi)容

1.機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)主要研究機(jī)構(gòu)的組成原理以及各種機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)、功用和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方法;通過機(jī)構(gòu)類型綜合，探索創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的途徑；闡述滿足預(yù)期運(yùn)動(dòng)和工作要求的各種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和方法。其主要內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)的組成和機(jī)構(gòu)分析，連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等一些常用的機(jī)構(gòu)及組合機(jī)構(gòu)等。

2.機(jī)械的動(dòng)力設(shè)計(jì)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)計(jì)主要介紹機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所出現(xiàn)的若干動(dòng)力學(xué)問題，以及如何通過合理設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)來改善機(jī)械動(dòng)力性能的途徑。其主要內(nèi)容包括求解在已知力作用下機(jī)械的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法，減少機(jī)械速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)問題、機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的平衡問題以及機(jī)械效率問題。

3．機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要介紹機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。其主要內(nèi)容包括機(jī)械總體方案設(shè)計(jì)、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)等。通過對(duì)機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)掌握對(duì)已有的機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析的方法，以及根據(jù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能方面的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)新機(jī)械的途徑和方法。1.2.2機(jī)械原理課程的地位機(jī)械原理以高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料力學(xué)和理論力學(xué)等基礎(chǔ)課程為基礎(chǔ)，研究各種機(jī)械所具有的共性問題，它又為以后學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)和有關(guān)機(jī)械工程專業(yè)課程以及掌握新的科學(xué)技術(shù)打好工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。因此，機(jī)械原理是機(jī)械類各專業(yè)的一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是基礎(chǔ)理論課與專業(yè)課之間的橋梁，是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)和素質(zhì)教育的最基本的課程，在教學(xué)中起著承上啟下的作用，占有非常重要的地位。1.3機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)目的和學(xué)習(xí)方法1.3.1機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)目的

(1)為學(xué)習(xí)機(jī)械類有關(guān)專業(yè)課打好基礎(chǔ)。機(jī)械原理課程中對(duì)機(jī)械的組成原理，各種機(jī)構(gòu)的工作原理、運(yùn)動(dòng)分析、設(shè)計(jì)理論和方法都作了介紹，這對(duì)于機(jī)械類專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)機(jī)械、了解機(jī)械和使用機(jī)械都會(huì)有很大幫助，而且這些有關(guān)機(jī)械的基本理論和知識(shí)將為學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械類相關(guān)專業(yè)課及掌握新的科學(xué)技術(shù)打好工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

(2)為機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)體制的建立，多數(shù)產(chǎn)品的商業(yè)壽命正在逐漸縮短，品種需求增多，這就使產(chǎn)品的生產(chǎn)要從傳統(tǒng)的單一品種大批量生產(chǎn)逐漸向多品種小批量柔性生產(chǎn)過渡。要使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在國際市場上具有競爭力，就需要設(shè)計(jì)和制造出大量種類繁多、性能優(yōu)良的新機(jī)械。機(jī)械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)首先是在運(yùn)動(dòng)方式和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)構(gòu)上創(chuàng)新，而這正是機(jī)械原理課程所研究的主要內(nèi)容。

(3)為現(xiàn)有機(jī)械的合理使用和革新改造打好基礎(chǔ)。對(duì)于使用機(jī)械的工作人員來講，要充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的潛力，關(guān)鍵在于了解機(jī)械的性能。通過學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程，應(yīng)掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的基本理論和基本技能，并具有擬定機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案、分析和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的能力，以合理使用現(xiàn)有機(jī)械和革新改造舊機(jī)械。1.3.2機(jī)械原理課程的學(xué)習(xí)方法

(1)學(xué)習(xí)機(jī)械原理知識(shí)的同時(shí),注重素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，應(yīng)把重點(diǎn)放在研究問題的基本思路和方法上，著重于創(chuàng)新性思維能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。(2)重視邏輯思維的同時(shí),加強(qiáng)形象思維能力的培養(yǎng)。從基礎(chǔ)課到技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)的內(nèi)容變化了，學(xué)習(xí)的方法也應(yīng)有所轉(zhuǎn)變。要理解和掌握本課程的一些內(nèi)容，解決工程實(shí)際問題，進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，單靠邏輯思維是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須培養(yǎng)形象思維能力。

(3)注意把理論力學(xué)的有關(guān)知識(shí)運(yùn)用于本課程的學(xué)習(xí)中。在學(xué)習(xí)本課程的過程中，要注意運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、物理、理論力學(xué)和工程制圖中的有關(guān)知識(shí)。

(4)注意將所學(xué)知識(shí)用于實(shí)際,做到舉一反三。機(jī)械原理來源于生產(chǎn)實(shí)踐，并應(yīng)用于工程實(shí)際。因此，本課程是一門與工程實(shí)際密切相關(guān)的課程，要更加注意理論聯(lián)系實(shí)際。如果能注意觀察、分析和比較，并把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，就能達(dá)到舉一反三的目的。這樣，當(dāng)你從事設(shè)計(jì)工作時(shí)，就有可能從日常的積累中獲得創(chuàng)造的靈感。1.4機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展生產(chǎn)的發(fā)展促進(jìn)了機(jī)械原理學(xué)科的發(fā)展，而學(xué)科的發(fā)展又反過來為生產(chǎn)的發(fā)展提供了有利條件，促進(jìn)了生產(chǎn)的發(fā)展。機(jī)械原理作為機(jī)械及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)學(xué)科，是機(jī)械工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，一直受到國內(nèi)外的重視。20世紀(jì)后期，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械原理的領(lǐng)域、內(nèi)容及研究方法都有了飛速的發(fā)展。目前，機(jī)械原理學(xué)科已經(jīng)和電子學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物科學(xué)及管理科學(xué)等相互滲透，相互結(jié)合，而成為一門嶄新的學(xué)科，充滿著生機(jī)與活力。它的研究領(lǐng)域已擴(kuò)展到航空航天、深海作業(yè)、生物工程、微觀世界、電子機(jī)械等。它的研究課題層出不窮，研究方法日新月異。1.4.1機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論由于機(jī)器人、步行機(jī)、人工假肢和新型機(jī)器的發(fā)展需要，以及機(jī)器的動(dòng)力源廣泛采用液壓與氣動(dòng)，因此近年來對(duì)于多自由度、多閉環(huán)的多桿機(jī)構(gòu)以及開式運(yùn)動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)理論有了較多的研究。在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論方面的研究，主要是機(jī)構(gòu)的類型綜合、桿數(shù)綜合和機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算。對(duì)平面機(jī)構(gòu)來說，雖然機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的分析與綜合研究比較成熟，但仍有一些新的發(fā)展。例如將關(guān)聯(lián)矩陣、圖論、拓?fù)鋵W(xué)、網(wǎng)絡(luò)理論等引入對(duì)結(jié)構(gòu)的研究；用拆副、拆桿甚至拆運(yùn)動(dòng)鏈的方法將復(fù)雜桿組轉(zhuǎn)化為簡單桿組，以簡化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和力學(xué)分析；仿照機(jī)構(gòu)組成原理對(duì)機(jī)構(gòu)功能原理的研究；關(guān)于機(jī)構(gòu)中虛約束的研究及無虛約束機(jī)制的綜合；組合機(jī)構(gòu)的類型綜合等。近年來對(duì)空間機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析與綜合的研究也有不少的進(jìn)展，特別是在機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)方面取得了較多成就。為了創(chuàng)造和設(shè)計(jì)出更好的機(jī)構(gòu)，開展機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方法的研究越來越得到重視。為了深入研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖設(shè)計(jì)的理論和方法，開展機(jī)構(gòu)分類方法、機(jī)構(gòu)類型知識(shí)庫建立和機(jī)構(gòu)選型的研究也日益受到重視。為了廣泛地應(yīng)用機(jī)電一體化技術(shù)，開展包括液壓、氣動(dòng)、電磁、電子、光電等非機(jī)械傳動(dòng)元件的廣義機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究已迫在眉睫。1.4.2平面與空間連桿機(jī)構(gòu)為了廣泛地采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行平面連桿機(jī)構(gòu)的各種復(fù)雜分析和綜合運(yùn)算，人們已開發(fā)出較為成熟的商業(yè)軟件，利用電子計(jì)算機(jī)來編制表示其主要參數(shù)與運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性之間關(guān)系的曲線圖譜。電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用也推動(dòng)了平面連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化綜合。用多自由度、多閉環(huán)、多桿平面連桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線來再現(xiàn)各種工作機(jī)械中工藝要求的軌跡已引起業(yè)界注意并加以研究，其中研究了提高機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能為目標(biāo)的綜合方法和多精確點(diǎn)的四桿機(jī)構(gòu)的綜合方法等。另外，近年來還開展了對(duì)具有可變長結(jié)構(gòu)、可變運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的機(jī)構(gòu)研究。空間連桿機(jī)構(gòu)分析與綜合的計(jì)算公式和運(yùn)算過程都比較繁復(fù)，常采用矢量、張量、矩陣、對(duì)偶數(shù)、四元數(shù)、旋量計(jì)算等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行研究。對(duì)于空間連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題也開始加以研究。近年來由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的需要，對(duì)多自由度空間機(jī)構(gòu)與開式空間運(yùn)動(dòng)鏈及特殊串聯(lián)和多環(huán)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的工作空間、運(yùn)動(dòng)分析與綜合，包括它們的動(dòng)力學(xué)已作了不少有效的研究。1.4.3凸輪機(jī)構(gòu)為了改善凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能，凸輪曲線由等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律、余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律改用為改進(jìn)型正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律、改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律和代數(shù)多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。尋找高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有良好動(dòng)力性能的凸輪曲線是一個(gè)重要的研究內(nèi)容，高速凸輪的彈性動(dòng)力學(xué)是一個(gè)受到普遍重視的研究課題，按動(dòng)力學(xué)要求設(shè)計(jì)凸輪廓線除了采用多項(xiàng)式凸輪曲線外，現(xiàn)在較多地采用具有某些符合動(dòng)力特性要求的凸輪曲線，這種曲線使凸輪從動(dòng)件系統(tǒng)殘留振動(dòng)的振幅在全部工作速度范圍內(nèi)不超過某一極限值。在凸輪—從動(dòng)件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題的研究中，對(duì)于凸輪—從動(dòng)件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立，動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)微分方程式及其求解方法，系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的分析，凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及其最優(yōu)化，凸輪廓線的動(dòng)力綜合等問題都取得了重要的研究成果。1.4.4其它機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)是一種常用的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了提高機(jī)器的運(yùn)行速度，改善動(dòng)力性能，近年來提出了改直線槽為曲線槽，將串聯(lián)槽輪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與槽輪機(jī)構(gòu)組合使用，采用鏈條式槽輪機(jī)構(gòu)以及行星鏈輪式槽輪機(jī)構(gòu)等。凸輪間歇分度機(jī)構(gòu)由于分度凸輪的加速度變化規(guī)律可以自由選擇，使沖擊與振動(dòng)現(xiàn)象大大減輕，因此工作平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度有較大提高。目前最高使用速度已達(dá)2000次分度每分鐘。近年來，對(duì)于凸輪間歇分度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪空間曲面設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)均有不少研究，凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM研究也受到重視。組合機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單且能實(shí)現(xiàn)單一基本機(jī)構(gòu)所無法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡，如能近似或精確地實(shí)現(xiàn)某些預(yù)期的軌跡或輸入—輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，?？捎米鲋本€、圓弧或平行導(dǎo)向，能實(shí)現(xiàn)有停歇期或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)等特殊工作要求，因此近年來在農(nóng)業(yè)機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、冶金機(jī)械中應(yīng)用得較為廣泛。對(duì)于組合機(jī)構(gòu)的組成原理、基本類型、功能等方面尚需作深入、系統(tǒng)的研究，其應(yīng)用領(lǐng)域也需要進(jìn)一步擴(kuò)展。英、美等國對(duì)組合機(jī)構(gòu)的分析和綜合是以復(fù)數(shù)矢量法等解析法為主的，德國則多采用簡化計(jì)算和圖表等實(shí)用方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于各種組合機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究也在不斷加強(qiáng)。1.4.5機(jī)械動(dòng)力學(xué)隨著機(jī)械裝置向高速、精密和重載方向發(fā)展，對(duì)于機(jī)械的精度和可靠性要求也日益提高，按動(dòng)力性能要求進(jìn)行機(jī)構(gòu)的分析與綜合也越來越受到重視。在凸輪機(jī)構(gòu)方面，高速凸輪的彈性動(dòng)力學(xué)是一個(gè)受到普遍重視的研究課題，在計(jì)入推桿系統(tǒng)和凸輪軸系的彈性阻尼的動(dòng)力學(xué)模型及其運(yùn)動(dòng)方程的建立和求解，以及綜合方法等方面均有不少成果。在機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡理論方面，擺動(dòng)力完全平衡一般理論的研究（完全平衡條件、總質(zhì)心位置、最少配重等）已比較深入；擺動(dòng)力和擺動(dòng)力矩完全平衡的一般理論研究已有突破性的進(jìn)展，為機(jī)器高速化和重載化奠定了有效的基礎(chǔ)，但實(shí)際問題的解決還有待進(jìn)一步研究和完善。在撓性轉(zhuǎn)子平衡理論與試驗(yàn)方面，研究成果應(yīng)用于大型燃汽輪機(jī)－發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場轉(zhuǎn)子平衡，有力地推動(dòng)了大型發(fā)電機(jī)組的研制與開發(fā)。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中比較廣泛地研究轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的振動(dòng)特性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等問題。對(duì)于大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的故障診斷和在線監(jiān)測、振動(dòng)主動(dòng)控制等問題也引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注和深入研究。構(gòu)件彈性的連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與綜合的研究已越來越深入；運(yùn)動(dòng)副間隙引起的沖擊動(dòng)載荷、振動(dòng)及疲勞失效等問題的研究已取得進(jìn)展；同時(shí)構(gòu)件彈性和運(yùn)動(dòng)副間隙，甚至彈流狀態(tài)的動(dòng)力分析已有初步的成果。對(duì)含有閉鏈部分的開式空間連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型及其參數(shù)作了成功的研究。對(duì)柔體機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)也進(jìn)行了多方面的研究。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要分支。機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，改善構(gòu)件慣性力所引起的彈性變形對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加影響，是提高機(jī)構(gòu)綜合精度的有效途徑，目前常采用有限元法這一結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法來進(jìn)行研究。對(duì)于運(yùn)動(dòng)彈性動(dòng)力綜合的研究，目前還限于用最優(yōu)化理論在機(jī)構(gòu)重量最輕的條件下來確定構(gòu)件的截面積，并保證彈性力和變形在允許范圍內(nèi)。對(duì)空間機(jī)構(gòu)平衡問題的研究，也得到了不少的成果。此外，還研究了具有變質(zhì)量構(gòu)件和在運(yùn)動(dòng)過程中結(jié)構(gòu)有變化的機(jī)構(gòu)的平衡問題，機(jī)構(gòu)在非穩(wěn)定狀態(tài)及瞬變過程中的時(shí)間、位移、速度和加速度等的動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算問題等。1.4.6機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)幾十年來，隨著機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的不斷深入，機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為機(jī)構(gòu)綜合中普遍適用的方法和主要發(fā)展方向。機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)大致包括以下幾點(diǎn)：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)變量；

(2)給出數(shù)學(xué)模型，確定設(shè)計(jì)約束，建立目標(biāo)函數(shù)；(3)探索最優(yōu)化途徑，優(yōu)選設(shè)計(jì)變量；

(4)確定最優(yōu)化方案。最優(yōu)化方法很多，機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題大多歸于非線性規(guī)劃問題，一般可以分為無約束最優(yōu)化方法和約束最優(yōu)化方法兩類。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，無約束最優(yōu)化方法主要有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法、鮑威爾法、共軛梯度法和變尺度法等；約束最優(yōu)化方法主要有懲罰函數(shù)法、隨機(jī)方向搜索法、復(fù)合形法和可行方向法等。機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于平面連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)綜合和動(dòng)力綜合，組合機(jī)構(gòu)中再現(xiàn)函數(shù)與軌跡的設(shè)計(jì)及使齒輪減速器體積最小的方法等，均采用了最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并取得了顯著的效果。另外，對(duì)于機(jī)構(gòu)的優(yōu)化平衡、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)彈性動(dòng)力綜合及空間連桿機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化問題也在不斷研究中。1.4.7仿生機(jī)構(gòu)學(xué)近年來，仿生機(jī)構(gòu)的研究受到很大重視，隨著仿生機(jī)械的迅速發(fā)展，創(chuàng)建了生物機(jī)構(gòu)學(xué)。生物機(jī)構(gòu)學(xué)是研究人和動(dòng)物體在運(yùn)動(dòng)和休止?fàn)顟B(tài)時(shí)內(nèi)力和外力所產(chǎn)生的效果的學(xué)科，不少學(xué)者積極開展對(duì)人的手指、手腕和手臂結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理和運(yùn)動(dòng)范圍的分析研究，研制出各種自由度的生物電和聲控的機(jī)械假手。由于步行機(jī)研究的迅速發(fā)展，已相繼研制出兩足、四足、六足和八足步行機(jī)，主要研究其行走機(jī)理、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)等。有些國家仿蟹和昆蟲的步行機(jī)已接近可組織工業(yè)生產(chǎn)的水平。人工脊椎、人工骨骼與人工關(guān)節(jié)已達(dá)實(shí)用階段。另外，人們通過研制蛇行機(jī)構(gòu)來探測煤氣管道的故障，通過魚游機(jī)構(gòu)來解決深水中的探測問題。隨著人們對(duì)各種各樣仿生機(jī)構(gòu)的深入研究，將會(huì)有利于創(chuàng)造出各種各樣新穎的、具有特殊功能的新機(jī)構(gòu)。1.4.8微型機(jī)械微型機(jī)械不是將傳統(tǒng)機(jī)械直接微型化，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇，微型機(jī)械在尺度、構(gòu)造、材料、制造方法和工作原理等方面都與傳統(tǒng)機(jī)械截然不同。微型機(jī)械具有體積小、重量輕、能耗低、集成度高和智能化程度高等特點(diǎn)，它與微電子學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)、液體力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)、自動(dòng)控制、仿生學(xué)、材料科學(xué)以及表面物理與化學(xué)等領(lǐng)域緊密結(jié)合。因此，微型機(jī)械是涉及多學(xué)科的綜合技術(shù)的應(yīng)用?？梢韵嘈牛⑿腿嗽煨l(wèi)星、在人體血管內(nèi)爬行的微型步行機(jī)器人以及進(jìn)行眼科手術(shù)的微型機(jī)械手等一定會(huì)在不遠(yuǎn)的將來研制出來，并付諸實(shí)際應(yīng)用。微型機(jī)械的出現(xiàn)推動(dòng)了處于機(jī)械原理學(xué)科前沿的微型機(jī)構(gòu)學(xué)分支的產(chǎn)生，開始了對(duì)微型機(jī)構(gòu)的尺寸效應(yīng)、精確度、運(yùn)動(dòng)變換和動(dòng)力傳遞以及運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)特性等方面的研究。1.4.9機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)面對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)品競爭日益加劇的挑戰(zhàn)，世界各國普遍重視提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，以增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)就是要?jiǎng)?chuàng)新產(chǎn)品，滿足市場需求和占領(lǐng)市場。人們越來越重視機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的智能化。方案設(shè)計(jì)在美、日等國被更廣義地稱為概念設(shè)計(jì)(ConceptualDesign)。它是根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的要求，進(jìn)行產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解及功能和子功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行滿足功能和要求的工作原理求解，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理載體方案的構(gòu)思和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)，工作原理載體方案就是進(jìn)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，我們不能將機(jī)械原理學(xué)科局限于孤立地研究典型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論。機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)新機(jī)器的工作過程要求，應(yīng)用機(jī)構(gòu)學(xué)知識(shí)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方法來進(jìn)行的。機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)械原理學(xué)科又一新的研究分支。目前已有不少學(xué)者正在進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、機(jī)構(gòu)類型和機(jī)構(gòu)分析知識(shí)庫的建立、機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的推理方法、建立機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法以及智能化機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究?？傊?，作為機(jī)械原理學(xué)科，其研究領(lǐng)域十分廣闊，內(nèi)涵非常豐富。在機(jī)械原理的各個(gè)領(lǐng)域，每年都有大量的內(nèi)容新穎的文獻(xiàn)資料涌現(xiàn)。但是，作為機(jī)械類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，根據(jù)教學(xué)要求，我們將只研究有關(guān)機(jī)械的一些最基本的原理及最常用的機(jī)構(gòu)分析和綜合的方法，這些內(nèi)容也都是進(jìn)一步研究機(jī)械原理新課題所必需的基礎(chǔ)知識(shí)。思考題及習(xí)題

1-1什么是機(jī)器、機(jī)構(gòu)和機(jī)械？

1-2機(jī)器和機(jī)構(gòu)有何異同？機(jī)器和機(jī)構(gòu)的基本特征是什么？

1-3常見的典型機(jī)構(gòu)有哪些？

1-4機(jī)械原理課程研究的內(nèi)容是什么？

1-5學(xué)習(xí)機(jī)械原理課程時(shí)應(yīng)注意哪些問題？第2章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2.1機(jī)構(gòu)的組成2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度2.4平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析思考題及習(xí)題2.1機(jī)構(gòu)的組成2.1.1構(gòu)件機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、方向及形式的變換，而實(shí)現(xiàn)這些功能，就需要組成機(jī)構(gòu)的各個(gè)部分共同協(xié)調(diào)工作，即各部分之間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)確定，這些具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的單元體稱為構(gòu)件。與機(jī)器中的零件不同的是：零件是制造的基本單元體，而構(gòu)件則是機(jī)構(gòu)中的基本運(yùn)動(dòng)單元體。構(gòu)件可以是單一零件，如內(nèi)燃機(jī)中的曲軸，也可以是多個(gè)零件的剛性組合體，如圖2-1所示的內(nèi)燃機(jī)連桿是由連桿體1、連桿蓋5、螺栓2、螺母3、開口銷4、軸瓦6和軸套7等多個(gè)零件構(gòu)成的一個(gè)構(gòu)件。圖2-1內(nèi)燃機(jī)連桿2.1.2運(yùn)動(dòng)副機(jī)構(gòu)是具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的組合體，為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的各種功能，各構(gòu)件之間必須以一定的方式聯(lián)接起來，并且具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。相互聯(lián)接的兩構(gòu)件既要保持直接的接觸，又能產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。每兩個(gè)構(gòu)件間的這種直接接觸所形成的可動(dòng)聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副，也可以說運(yùn)動(dòng)副就是兩構(gòu)件間的可動(dòng)聯(lián)接。圖2-2所示的軸與軸頸間的接觸，圖2-3所示的滑臺(tái)與導(dǎo)軌間的接觸都構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)副。圖2-2軸與軸頸間的聯(lián)接圖2-3滑臺(tái)與導(dǎo)軌間的聯(lián)接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件間的接觸形式則有點(diǎn)、線、面三種，兩個(gè)構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)、線、面部分稱為運(yùn)動(dòng)副元素。運(yùn)動(dòng)副有許多分類方法，常見的分類方法有下列幾種：

(1)根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式分類。構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)若為平面運(yùn)動(dòng)，則稱為平面運(yùn)動(dòng)副；若為空間運(yùn)動(dòng)，則稱為空間運(yùn)動(dòng)副。進(jìn)一步分類，兩構(gòu)件之間只作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副或回轉(zhuǎn)副；兩構(gòu)件之間只作相對(duì)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副，稱為移動(dòng)副。（2）根據(jù)兩構(gòu)件接觸部分的幾何形狀分類。根據(jù)組成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件在接觸部分的幾何形狀，運(yùn)動(dòng)副可分為圓柱副、球面副、螺旋副等。

(3)根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件的接觸形式分類。以面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副；以點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。由于高副接觸的壓強(qiáng)較低副大，因此高副比低副易磨損。球面高副中兩運(yùn)動(dòng)副元素是點(diǎn)接觸，柱面高副為線接觸,相互嚙合的齒輪間為點(diǎn)或線接觸，故上述三種運(yùn)動(dòng)副都為高副。移動(dòng)副中的滑塊與導(dǎo)路之間、轉(zhuǎn)動(dòng)副中的兩運(yùn)動(dòng)副元素之間都是面接觸，故均為低副。

表2-1給出了常用運(yùn)動(dòng)副的所屬類型、表示符號(hào)及自由度。

(4)根據(jù)運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)目分類。構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為構(gòu)件的自由度。一個(gè)構(gòu)件在空間可產(chǎn)生6個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，分別是沿x軸、y軸、z軸的移動(dòng)，繞x軸、y軸、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說有6個(gè)自由度；一個(gè)構(gòu)件在xOy平面可產(chǎn)生3個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，分別是沿x軸及y軸的移動(dòng)和繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說有3個(gè)自由度。兩個(gè)構(gòu)件直接接觸構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副后，構(gòu)件的某些獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到限制。運(yùn)動(dòng)副對(duì)構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制稱為約束。運(yùn)動(dòng)副每引入一個(gè)約束，構(gòu)件便失去一個(gè)自由度。兩構(gòu)件間形成的運(yùn)動(dòng)副所引入的約束數(shù)目取決于運(yùn)動(dòng)副的類型。引入一個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅰ級(jí)副，引入兩個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅱ級(jí)副，依次類推，還有Ⅲ級(jí)副、Ⅳ級(jí)副、Ⅴ級(jí)副。常用運(yùn)動(dòng)副所引入的約束見表2-1。2.1.3運(yùn)動(dòng)鏈兩個(gè)以上構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而構(gòu)成的構(gòu)件系統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)鏈。如果組成運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件形成首尾封閉的系統(tǒng)(如圖2-4(a)所示)，則稱為閉式鏈；如果組成運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件未形成首尾封閉的系統(tǒng)(如圖2-4(b)所示)，則稱為開式鏈。在一般機(jī)械中，大多采用閉式鏈，而在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中大多采用開式鏈。圖2-4運(yùn)動(dòng)鏈2.1.4機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)鏈中，將某一構(gòu)件（作為參考系）加以固定，而讓另一個(gè)(或幾個(gè))構(gòu)件按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)于該固定構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，若運(yùn)動(dòng)鏈中其余各構(gòu)件都有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則此運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中固定不動(dòng)的構(gòu)件稱為機(jī)架；按照給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為原動(dòng)件，或稱為主動(dòng)件；其余活動(dòng)構(gòu)件稱為從動(dòng)件。如果組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均在同一平面內(nèi)或在相互平行的平面內(nèi)，則此機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)；如果組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不在同一平面(或平行平面)內(nèi)，則此機(jī)構(gòu)稱為空間機(jī)構(gòu)。2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖概述實(shí)際機(jī)構(gòu)往往是由外形和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜的構(gòu)件所組成的。但從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)來看，各種機(jī)構(gòu)都是由構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的，構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)取決于運(yùn)動(dòng)副的類型和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸（確定各運(yùn)動(dòng)副相對(duì)位置），而與構(gòu)件的外形、斷面尺寸以及運(yùn)動(dòng)副的具體結(jié)構(gòu)等無關(guān)。因此，為了便于研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可以撇開構(gòu)件的外形和具體構(gòu)造，而只用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的簡單符號(hào)和線條代表運(yùn)動(dòng)副和構(gòu)件，并按一定的比例尺表示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)簡圖，它完全能表達(dá)原機(jī)器具有的運(yùn)動(dòng)特性。有時(shí)為了表明機(jī)器的組成狀況和結(jié)構(gòu)特征，也可以不嚴(yán)格按比例來繪制簡圖，這樣的簡圖稱為機(jī)構(gòu)示意圖。表2-2給出了繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖時(shí)一些常用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的表示符號(hào)。機(jī)器中常見的凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)及原動(dòng)機(jī)的簡圖符號(hào)見表2-3。2.2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制在弄清楚機(jī)械的實(shí)際構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)情況的基礎(chǔ)上，可按照以下步驟來繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖：（1)分析機(jī)械的動(dòng)作原理、組成情況和運(yùn)動(dòng)情況，確定組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件，確定原動(dòng)件、機(jī)架、從動(dòng)件。（2)沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，逐一分析每兩個(gè)構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，以確定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。（3)恰當(dāng)?shù)剡x擇運(yùn)動(dòng)簡圖的視圖平面。一般選擇機(jī)械中多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面為視圖平面，必要時(shí)也可以就機(jī)械的不同部分選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的視圖平面，然后將其展到同一視圖上。（4)選擇適當(dāng)?shù)谋壤擀蘬(μl＝實(shí)際尺寸(m)／圖示長度(mm))，并根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸確定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，用運(yùn)動(dòng)副的代表符號(hào)、常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖符號(hào)和簡單線條繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。從原動(dòng)件開始，按傳動(dòng)順序標(biāo)出各構(gòu)件的編號(hào)和運(yùn)動(dòng)副的代號(hào)。在原動(dòng)件上標(biāo)出箭頭以表示其運(yùn)動(dòng)方向。下面通過具體例子來說明機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制方法。

例2-1繪制圖2-5所示牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)簡圖。

解（1)分析機(jī)構(gòu)的組成情況、動(dòng)作原理和運(yùn)動(dòng)情況。由圖2-5可知，牛頭刨床由7個(gè)構(gòu)件組成。運(yùn)動(dòng)由齒輪2輸入，經(jīng)齒輪3傳至滑塊4，經(jīng)桿5、桿6傳至滑枕7，實(shí)現(xiàn)刨刀左右動(dòng)作。由以上分析可知，齒輪2為原動(dòng)件，其余為從動(dòng)件。（2)分析各聯(lián)接構(gòu)件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，確定各運(yùn)動(dòng)副的類型。由圖2-5可知，齒輪2、3及桿5分別與機(jī)架1組成轉(zhuǎn)動(dòng)副A、C和E。構(gòu)件3與構(gòu)件4、構(gòu)件5與構(gòu)件6、構(gòu)件6與構(gòu)件7之間的聯(lián)接組成轉(zhuǎn)動(dòng)副D、F和G，構(gòu)件4與構(gòu)件5、滑枕7與機(jī)架1之間組成移動(dòng)副，齒輪2與齒輪3之間的嚙合為平面高副B。（3)選擇視圖投影面和比例尺μl，測量各構(gòu)件尺寸和各運(yùn)動(dòng)副間的相對(duì)位置，用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的規(guī)定符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，如圖2-6所示。在原動(dòng)件2上標(biāo)出箭頭以表示其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如圖2-6所示。

圖2-5牛頭刨床的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2-6牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)簡圖2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度2.3.1平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度是指機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對(duì)于機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)。由于平面機(jī)構(gòu)的應(yīng)用特別廣泛，所以下面僅討論平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算問題。在平面機(jī)構(gòu)中，各構(gòu)件只作平面運(yùn)動(dòng)。一個(gè)不受任何約束的構(gòu)件在平面中運(yùn)動(dòng)只有3個(gè)自由度。具有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件的平面機(jī)構(gòu)，若各活動(dòng)構(gòu)件完全不受約束，則整個(gè)機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)架共有3n個(gè)自由度。但在運(yùn)動(dòng)鏈中，每個(gè)構(gòu)件至少必須與另一構(gòu)件聯(lián)接成運(yùn)動(dòng)副，當(dāng)兩構(gòu)件聯(lián)接成運(yùn)動(dòng)副后，其運(yùn)動(dòng)就受到約束，自由度將減少。自由度減少的數(shù)目，應(yīng)等于運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)目。由于平面機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副可能是轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副或平面高副，其中每個(gè)平面低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副）引入的約束數(shù)為2，每個(gè)平面高副引入的約束數(shù)為1。因此，對(duì)于平面機(jī)構(gòu)，若n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件之間共構(gòu)成了PL個(gè)低副和PH個(gè)高副，那么這些運(yùn)動(dòng)副共引入2PL+PH個(gè)約束。機(jī)構(gòu)的自由度F可按下式計(jì)算:F=3n－2PL－PH（2-1）

例2-2計(jì)算圖2-6所示牛頭刨床機(jī)構(gòu)的自由度。

解由圖2-6所示的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖可以看出，該機(jī)構(gòu)共有6個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，分別為主動(dòng)齒輪2、從動(dòng)齒輪3、滑塊4、導(dǎo)桿5、連桿6和滑枕7；有8個(gè)低副，它們是A、C、

D、E、F、G等6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，還有分別由滑塊4與導(dǎo)桿5、滑枕7與機(jī)架1構(gòu)成的2個(gè)移動(dòng)副；1個(gè)高副B，即齒輪2和齒輪3構(gòu)成的高副。根據(jù)式（2-1），便可求得該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n－2PL－PH=3×6－2×8－1=12.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件下面通過幾個(gè)實(shí)例來說明機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件。對(duì)于圖2-7所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，

n=3，PL=4,PH=0,由式(2-1）得F=3n－2PL－PH=3×3－2×4－0=1此機(jī)構(gòu)的自由度為1，即機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對(duì)于機(jī)架所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目為1。通常機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件是用轉(zhuǎn)動(dòng)副（或移動(dòng)副）與機(jī)架相聯(lián)的，因此每一個(gè)原動(dòng)件只能輸入一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。設(shè)構(gòu)件1為原動(dòng)件，參變量φ1表示構(gòu)件1的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，由圖2-7可見，每給定一個(gè)φ1，從動(dòng)件2、從動(dòng)件3便有一個(gè)確定的相應(yīng)位置。由此可見，自由度等于1的機(jī)構(gòu)在具有一個(gè)原動(dòng)件時(shí)，所有構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是確定的。如果有兩個(gè)原動(dòng)件，設(shè)構(gòu)件1和3都作為原動(dòng)件，這時(shí)機(jī)構(gòu)會(huì)在構(gòu)件或者運(yùn)動(dòng)副強(qiáng)度薄弱處產(chǎn)生破壞。圖2-8所示為一鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)。其中，n=4，PL=5，PH=0,由式（2-1）得F=3n－2PL－PH=3×4－2×5－0=2如果只有一個(gè)原動(dòng)件，設(shè)構(gòu)件1為原動(dòng)件，則當(dāng)構(gòu)件1處于φ1位置時(shí)，由于構(gòu)件4的位置不確定，所以構(gòu)件2和3可以處在圖示的實(shí)線位置、虛線位置，或者處在其它位置，即從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)是不確定的。圖2-7鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)圖2-8鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)如果有兩個(gè)原動(dòng)件，設(shè)構(gòu)件1和4為原動(dòng)件，φ1和φ4分別表示構(gòu)件1和4的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。如圖2-8中實(shí)線所示，每當(dāng)給出一組φ1和φ4，從動(dòng)件2和3便有一個(gè)確定的相應(yīng)位置。由此可見，自由度等于2的機(jī)構(gòu)在具有兩個(gè)原動(dòng)件時(shí)，各構(gòu)件才有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在圖2-9所示的構(gòu)件組合中，n=4，PL=6，PH=0，由式（2-1）得F=3n－2PL－PH=3×4－2×6－0=0構(gòu)件組合的自由度F為0，所以是一個(gè)剛性桁架。在圖2-10所示的構(gòu)件組合中，n=3，PL=5，PH=0，由式（2-1）得F=3n－2PL－2PH=3×3－2×5－0=－1圖2-9剛性桁架圖2-10超靜定桁架綜合上述幾個(gè)實(shí)例可知：（1)若機(jī)構(gòu)自由度F≤0，構(gòu)件之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)蛻變?yōu)閯傂澡旒?。?)若機(jī)構(gòu)自由度F>0，而原動(dòng)件數(shù)小于自由度F，則構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)是不確定的。（3)若機(jī)構(gòu)自由度F>0，而原動(dòng)件數(shù)大于自由度F，則在機(jī)構(gòu)的薄弱處會(huì)遭到破壞。（4)若機(jī)構(gòu)自由度F>0，且原動(dòng)件數(shù)等于自由度F，則機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是確定的。因此，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。2.3.3計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的問題在利用式（2-1）計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，還需要注意以下三方面的問題，否則計(jì)算結(jié)果往往會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

1．復(fù)合鉸鏈兩個(gè)以上構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)接，所構(gòu)成的重合轉(zhuǎn)動(dòng)副稱為復(fù)合鉸鏈。圖2-11(a)表示構(gòu)件1和構(gòu)件2、構(gòu)件3組成復(fù)合鉸鏈，從圖2-11(b)所示的側(cè)視圖中可以看出，3個(gè)構(gòu)件組成了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。在計(jì)算自由度時(shí)，必須把它當(dāng)成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副來計(jì)算。圖2-11復(fù)合鉸鏈同理，若有k個(gè)構(gòu)件在同一處組成復(fù)合鉸鏈，則其構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目應(yīng)為k－1個(gè)。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)注意是否存在復(fù)合鉸鏈，以免把運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目搞錯(cuò)。

例2-3計(jì)算圖2-12所示搖篩機(jī)構(gòu)的自由度。

解由圖2-12可知，機(jī)構(gòu)中共有5個(gè)活動(dòng)構(gòu)件；構(gòu)件2、3、4同在C處組成復(fù)合鉸鏈，組成了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；A、B、D、E、F

處各有1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；無平面高副，即n=5，PL=7，

PH=0，故由式(2-1)可求出機(jī)構(gòu)的自由度為F=3n－2PL－PH=3×5－2×7=1圖2-12搖篩機(jī)構(gòu)

2.局部自由度如果機(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(dòng)有關(guān)，并不影響其它構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，則稱這種自由度為局部自由度。例如,在圖2-13(a)所示的平面凸輪機(jī)構(gòu)中，為了減少高副元素的磨損，在凸輪1和從動(dòng)件2之間安裝了一個(gè)滾子3。由圖2-13(a)可以看出，當(dāng)原動(dòng)件凸輪1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即可通過滾子3帶動(dòng)從動(dòng)件2作上下往復(fù)的確定運(yùn)動(dòng)，故該機(jī)構(gòu)是一個(gè)單自由度的平面高副機(jī)構(gòu)。但用式(2-1)計(jì)算其自由度為F=3n－2PL－PH=3×3－2×3－1=2得出了與事實(shí)不符的結(jié)論。這是因?yàn)榘惭b了滾子3后，引入了一個(gè)滾子3繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的局部自由度，滾子3的轉(zhuǎn)動(dòng)并不影響從動(dòng)件2的上下運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將該局部自由度除去不計(jì)。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，為了防止出現(xiàn)差錯(cuò)，也可設(shè)想將滾子3與安裝滾子的構(gòu)件2固結(jié)成一體，視為一個(gè)構(gòu)件(如圖2-13(b)所示，設(shè)想將滾子3與從動(dòng)件2焊成一體)，預(yù)先排除局部自由度，然后按自由度計(jì)算公式計(jì)算，即F=3n－2PL－PH=3×2－2×2－1=1從而得出了與事實(shí)相符的結(jié)論。圖2-13平面凸輪機(jī)構(gòu)

3.虛約束在運(yùn)動(dòng)副所加的約束中，有些約束所起的限制作用可能是重復(fù)的。這種不起獨(dú)立限制作用的重復(fù)約束稱為虛約束。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將虛約束除去不計(jì)。虛約束常發(fā)生在以下場合：

1)兩構(gòu)件間構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副

(1)兩構(gòu)件組成若干個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，但其軸線互相重合,如圖2-14(a)中的A、A′所示；

(2)兩構(gòu)件組成若干個(gè)移動(dòng)副，但其導(dǎo)路互相平行或重合,如圖2-14(b)中的B、B′所示；

(3)兩構(gòu)件組成若干個(gè)平面高副，但各接觸點(diǎn)之間的距離為常數(shù),如圖2-14(c)中的C、C′所示。圖2-14兩構(gòu)件間構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副

2)兩構(gòu)件上某兩點(diǎn)間的距離在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持不變在圖2-15所示的平面連桿機(jī)構(gòu)中，因?yàn)锳C∥BD，且AC=BD，A′C∥B′D，且

A′C=B′D，故在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中，構(gòu)件1上的A′點(diǎn)與構(gòu)件3上的B′點(diǎn)之間的距離將始終保持不變。此時(shí)，若將A′、B′兩點(diǎn)以構(gòu)件5聯(lián)接起來，則附加的構(gòu)件5和其兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)副A′、B′將提供F=3×1－2×2=－1的自由度，即引入了一個(gè)約束，而此約束對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不起實(shí)際的約束作用，故為虛約束。圖2-15平面連桿機(jī)構(gòu)

3)聯(lián)接構(gòu)件與被聯(lián)接構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合在圖2-16所示的橢圓儀機(jī)構(gòu)中，因?yàn)锽D=BC=AB，∠DAC=90°，所以連桿2上除B、C、D三點(diǎn)外，其余各點(diǎn)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡均為橢圓，而D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為沿y軸的直線。圖2-16橢圓儀機(jī)構(gòu)此時(shí)，若在D處安裝一個(gè)導(dǎo)路與y軸重合的滑塊4，使其與連桿2組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，并與機(jī)架5組成移動(dòng)副，即增加一個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)低副，則將提供的自由度為F=3×1－2×2=－1，即引入一個(gè)約束。由于滑塊4上的D點(diǎn)與加裝滑塊前連桿2上D點(diǎn)的軌跡重合，因此引入的這一約束對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不起實(shí)際的約束作用，故為虛約束。計(jì)算橢圓儀機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)將滑塊4和兩個(gè)運(yùn)動(dòng)低副除去。

4)機(jī)構(gòu)中對(duì)運(yùn)動(dòng)不起作用的對(duì)稱部分在圖2-17所示的行星輪系中，若僅從運(yùn)動(dòng)傳遞的角度看，只需要一個(gè)行星輪2就足夠了。這時(shí)，n=3，PL=3，PH=2,機(jī)構(gòu)自由度F=3×3－2×3－2=1。但為了使機(jī)構(gòu)受力均衡，采取三個(gè)行星輪2、2′和2″對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)。增加了兩個(gè)行星輪2′和2″、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副及四個(gè)平面高副，則將提供的自由度為F=3×2－2×2－4×1=－2，引入了兩個(gè)約束。由于添加的行星輪2′、2″和行星輪2完全相同，并不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，故引入的兩個(gè)約束為虛約束。圖2-17行星輪系在此需要特別指出，機(jī)構(gòu)中的虛約束都是在一些特定幾何條件下出現(xiàn)的。如果這些幾何條件不能滿足，則虛約束就會(huì)成為實(shí)際有效的約束，如圖2-14(b)中兩個(gè)移動(dòng)副B、B′。如果其導(dǎo)路不重合，如圖2-14(b)中的虛線所示，那么機(jī)構(gòu)就不能運(yùn)動(dòng)。所以，從保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和便于加工裝配等方面而言，應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)的虛約束。但為了改善構(gòu)件的受力，增加機(jī)構(gòu)的剛度，在實(shí)際機(jī)械中虛約束又被廣泛地應(yīng)用。圖2-14(a)中，若從運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)講，軸1和軸承2組成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副A就可以了，但是考慮到軸較長，載荷又很大，需要再增加轉(zhuǎn)動(dòng)副A′。為了保證兩個(gè)軸孔的同軸度，就要提高制造精度，否則，若兩個(gè)軸孔的同軸度太低，安裝后軸將產(chǎn)生變形，如圖2-14(a)中的虛線所示，則機(jī)構(gòu)也就不能運(yùn)動(dòng)了?？傊跈C(jī)械設(shè)計(jì)過程中，是否使用及如何使用虛約束，必須對(duì)加工成本、所設(shè)計(jì)的機(jī)器使用壽命和可靠性等進(jìn)行全面考慮。若由于某種需要而必須使用虛約束，則必須嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)、加工、裝配的精度，以滿足虛約束所需的特定幾何條件。圖2-18大篩機(jī)構(gòu)

例2-4計(jì)算圖2-18(a)所示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。

解

(1)檢查大篩機(jī)構(gòu)中有無復(fù)合鉸鏈、局部自由度或虛約束。由圖2-18(a)可知，構(gòu)件2、3、5在C處組成復(fù)合鉸鏈；滾子9繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)為局部自由度，可將其與活塞4視為一體；活塞4與機(jī)架8在E、E′兩處形成導(dǎo)路平行的移動(dòng)副，將E′處的移動(dòng)副作為虛約束除去不計(jì)；彈簧10對(duì)運(yùn)動(dòng)不起限制作用，應(yīng)略去。經(jīng)以上處理后得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2-18(b)所示。

(2)計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度。此機(jī)構(gòu)中的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7，平面運(yùn)動(dòng)低副數(shù)PL=9，平面運(yùn)動(dòng)高副數(shù)PH=1，按照式(2-1)可以求出機(jī)構(gòu)自由度數(shù)F為F=3n－2PL－PH=3×7－2×9－1=2由于原動(dòng)件數(shù)目與機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目相等，因此各構(gòu)件有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2.4平面機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析2.4.1平面機(jī)構(gòu)的高副低代為了使平面低副機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)分析的方法適用于所有平面機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)一定條件對(duì)機(jī)構(gòu)中的高副虛擬地以低副代替，這種以低副來代替高副的方法稱為高副低代。它表明了平面高副與平面低副的內(nèi)在聯(lián)系。

1．高副低代的條件為了不改變機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性及運(yùn)動(dòng)特性，高副低代的條件是：（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(shí)運(yùn)動(dòng)狀況（位移、速度、加速度）相同。

2．高副低代的方法以圖2-19中實(shí)線所示的高副機(jī)構(gòu)為例，構(gòu)件1和構(gòu)件2分別為繞A和B轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)圓盤，兩圓盤的圓心分別為O1、O2，半徑為r1、r2，它們在C點(diǎn)構(gòu)成高副，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，距離AO1、O1O2、O2B均保持不變。為此，設(shè)想在O1、O2間加入一個(gè)虛擬的構(gòu)件4，其長度為(r1+r2)，構(gòu)件4在O1、O2處分別與構(gòu)件1和構(gòu)件2構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，形成虛擬的四桿機(jī)構(gòu)，如圖2-19中虛線所示。用此機(jī)構(gòu)替代原機(jī)構(gòu)時(shí)，代替前后機(jī)構(gòu)中構(gòu)件1和構(gòu)件2之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完全一樣。圖2-19高副低代舉例1代替后機(jī)構(gòu)中雖增加了一個(gè)構(gòu)件（增加了三個(gè)自由度），但又增加了兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（引入了四個(gè)約束），僅相當(dāng)于引入了一個(gè)約束，與原來在C點(diǎn)處高副所引入的約束數(shù)相同，所以替代前后兩機(jī)構(gòu)的自自度完全相同?？傊?，機(jī)構(gòu)中的高副C完全可用構(gòu)件4和位于曲率中心O1、O2的兩個(gè)低副來代替。上述代替方法可以推廣應(yīng)用到各種高副。如圖2-20所示高副機(jī)構(gòu)，兩高副元素是非圓曲線，假設(shè)在某運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)高副接觸點(diǎn)為C，可以過接觸點(diǎn)C作公法線n-n，在公法線上找出兩輪廓曲線在C點(diǎn)處曲率中心O1和O2，用構(gòu)件4在O1、O2處將構(gòu)件4和構(gòu)件1、2通過轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接起來，便可得到它的代替機(jī)構(gòu)，如圖2-20中虛線所示。圖2-20高副低代舉例2需要注意的是，當(dāng)高副元素為非圓曲線時(shí)，曲線各處曲率中心的位置不同，故在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，隨著接觸點(diǎn)的改變，曲率中心O1和O2相對(duì)于構(gòu)件1、2的位置及O1和O2間的距離也會(huì)隨之改變。因此，對(duì)于一般的高副機(jī)構(gòu)，在不同位置有不同的瞬時(shí)替代機(jī)構(gòu)，但是替代機(jī)構(gòu)的基本形式是不變的。根據(jù)上述方法將含有高副的平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行低代后，即可將其視為平面低副機(jī)構(gòu)。因此，在討論機(jī)構(gòu)組成原理和結(jié)構(gòu)分析時(shí)，只需研究含低副的平面機(jī)構(gòu)。2.4.2桿組和平面機(jī)構(gòu)的組成原理任何機(jī)構(gòu)都包含機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件系統(tǒng)三部分。由于機(jī)架的自由度為0，一般每個(gè)原動(dòng)件的自由度為1，根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件可知，機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)與原動(dòng)件數(shù)應(yīng)相等，因此，若將機(jī)構(gòu)的機(jī)架以及和機(jī)架相連的原動(dòng)件與從動(dòng)件系統(tǒng)分開，則余下的從動(dòng)件系統(tǒng)的自由度數(shù)必然為0。

1.桿組機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件系統(tǒng)一般還可以進(jìn)一步分解成若干個(gè)不可再分的自由度為零的構(gòu)件組合，這種組合稱為基本桿組，簡稱為桿組。對(duì)于只含低副的平面機(jī)構(gòu)，若桿組中有n個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、PL個(gè)低副，因桿組自由度為0，根據(jù)式（2-1），有F=3n－2PL=0即(2-2)由于活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n和低副數(shù)PL都必須是整數(shù)，因此，根據(jù)式（2-2)，

n應(yīng)是2的整數(shù)倍，PL應(yīng)是3的整數(shù)倍。根據(jù)n的取值不同，桿組可分為以下幾種情況：

1)n=2，PL=3的Ⅱ級(jí)桿組

Ⅱ級(jí)桿組最簡單，也是應(yīng)用最多的基本桿組。平面低副中有轉(zhuǎn)動(dòng)副（常用R表示）和移動(dòng)副（常用P表示）兩種類型，對(duì)于由兩個(gè)構(gòu)件和三個(gè)低副組成的Ⅱ級(jí)桿組，根據(jù)其R副和P副的數(shù)目和排列不同，它有圖2-21所給出的五種形式。圖2-21

Ⅱ級(jí)桿組

2)n=4，PL=6的多桿組多桿組中最常見的是如圖2-22所示的Ⅲ級(jí)桿組，其特征是具有一個(gè)三副構(gòu)件，而每個(gè)運(yùn)動(dòng)副所聯(lián)接的分支構(gòu)件是雙副構(gòu)件。圖2-22

Ⅲ級(jí)桿組

2．平面機(jī)構(gòu)的組成原理根據(jù)上述分析，平面機(jī)構(gòu)的組成原理是：任何機(jī)構(gòu)都可以看做是由若干個(gè)基本桿組依次聯(lián)接于原動(dòng)件和機(jī)架上所組成的系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖時(shí)，可先選定機(jī)架，并將等于該機(jī)構(gòu)自由度數(shù)的若干個(gè)原動(dòng)件用低副聯(lián)接到機(jī)架上，然后再將若干個(gè)基本桿組依次聯(lián)接于原動(dòng)件和機(jī)架上，就可完成該運(yùn)動(dòng)簡圖的設(shè)計(jì)。圖2-23表示了根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理組成機(jī)構(gòu)的過程。先把圖2-23(a)所示的Ⅱ級(jí)桿組BC通過其運(yùn)動(dòng)副B、C聯(lián)接到圖2-23(a)所示的原動(dòng)件1和機(jī)架6上形成四桿機(jī)構(gòu)ABC。再把圖2-23(b)所示的Ⅱ級(jí)桿組DE通過運(yùn)動(dòng)副D、E依次與Ⅱ級(jí)桿組及機(jī)架聯(lián)接，組成圖2-23(c)所示的牛頭刨床主機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理，在進(jìn)行機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循這樣一個(gè)原則：在滿足機(jī)械工作要求的前提下，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)越簡單、桿組的級(jí)別越低、構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目越少越好。圖2-23牛頭刨床主機(jī)構(gòu)的組成原理2.4.3平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析為了對(duì)已有的機(jī)構(gòu)或已設(shè)計(jì)完畢的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析，常需要先對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，即將機(jī)構(gòu)分解為基本桿組、原動(dòng)件和機(jī)架。結(jié)構(gòu)分析的過程與由桿組依次組成機(jī)構(gòu)的過程正好相反，因此通常也把它稱為拆桿組。拆除桿組時(shí)應(yīng)遵循下述原則：首先從傳動(dòng)關(guān)系上離原動(dòng)件最遠(yuǎn)的部分開始試拆；每拆除一個(gè)桿組后，機(jī)構(gòu)的剩余部分仍應(yīng)是一個(gè)完整機(jī)構(gòu)，且自由度與原機(jī)構(gòu)相同；試拆時(shí)，先按Ⅱ級(jí)桿組試拆，若無法拆除，再試拆高一級(jí)別的桿組。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的目的是：通過分析機(jī)構(gòu)的組成來確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。通常以機(jī)構(gòu)中包含的基本桿組的最高級(jí)別來命名機(jī)構(gòu)的級(jí)別。由最高級(jí)別為Ⅱ的基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)；由最高級(jí)別為Ⅲ的基本桿組構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)；只由機(jī)架和原動(dòng)件構(gòu)成的機(jī)構(gòu)稱為Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的步驟是：（1)計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，確定原動(dòng)件。（2)從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的地方開始拆桿組。（3)確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。

例2-5試確定圖2-24(a)所示機(jī)構(gòu)的級(jí)別。

解(1)按圖2-24（a）所示的運(yùn)動(dòng)簡圖計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度。該機(jī)構(gòu)的n=7，PL=10，PH=0，由式（2-1）得F=3n－2PL－PH=3×7－2×10－0=1則該機(jī)構(gòu)以構(gòu)件1為原動(dòng)件。

(2)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的一端拆下構(gòu)件7與8這個(gè)Ⅱ級(jí)桿組，剩余部分桿1、2、3、4、5、6仍為一個(gè)自由度等于1的機(jī)構(gòu)。在這個(gè)剩下的新機(jī)構(gòu)中，繼續(xù)從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的地方先試拆Ⅱ級(jí)桿組，由于不能再拆出Ⅱ級(jí)桿組，所以試拆Ⅲ級(jí)桿組?？梢圆鹣掠蓸?gòu)件2、3、4、5組成的Ⅲ級(jí)桿組，這時(shí)只剩下由原動(dòng)件1及機(jī)架6所組成的Ⅰ級(jí)機(jī)構(gòu)，如圖2-24（b）所示。

(3)確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。由于該機(jī)構(gòu)是由一個(gè)Ⅱ級(jí)桿組、一個(gè)Ⅲ級(jí)桿組和原動(dòng)件1與機(jī)架6所組成的，基本桿組的最高級(jí)別為Ⅲ級(jí)桿組，所以該機(jī)構(gòu)為Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)。若將圖2-24（a）所示機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件由構(gòu)件1改為構(gòu)件8，可拆出圖2-25所示的基本桿組及原動(dòng)件與機(jī)架。圖2-25結(jié)構(gòu)分析由于該機(jī)構(gòu)是由三個(gè)Ⅱ級(jí)桿組和原動(dòng)件8與機(jī)架6所組成的，基本桿組的最高級(jí)別為Ⅱ級(jí)桿組，所以該機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。通過上述分析可知，同一機(jī)構(gòu)因所取的原動(dòng)件不同，有可能成為不同級(jí)別的機(jī)構(gòu)。如圖2-24（a）所示的機(jī)構(gòu)中，當(dāng)取構(gòu)件1為原動(dòng)件時(shí)，該機(jī)構(gòu)為Ⅲ級(jí)機(jī)構(gòu)；當(dāng)取構(gòu)件8為原動(dòng)件時(shí)，該機(jī)構(gòu)為Ⅱ級(jí)機(jī)構(gòu)。但當(dāng)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件確定后，該機(jī)構(gòu)的級(jí)別就唯一確定。思考題及習(xí)題

2-1什么是構(gòu)件?什么是運(yùn)動(dòng)副及運(yùn)動(dòng)副元素?運(yùn)動(dòng)副是如何進(jìn)行分類的?

2-2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖有何用處?它能表示出原機(jī)構(gòu)哪些方面的特征?

2-3機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是什么?當(dāng)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)少于或多于機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將發(fā)生什么情況?

2-4在計(jì)算平面機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)注意哪些事項(xiàng)?

2-5什么是機(jī)構(gòu)的組成原理?什么是基本桿組?基本桿組具有哪些特性?如何確定基本桿組的級(jí)別及機(jī)構(gòu)的級(jí)別?

2-6為什么要對(duì)平面高副機(jī)構(gòu)進(jìn)行“高副低代”?“高副低代”應(yīng)滿足的條件是什么?

2-7試指出圖2-26中直接接觸的構(gòu)件間所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副名稱。

圖2-26題2-7圖

2-8將圖2-27中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，標(biāo)出原動(dòng)件和機(jī)架，并計(jì)算其自由度。圖2-27題2-8圖

2-9試判斷圖2-28所示“機(jī)構(gòu)”能否成為機(jī)構(gòu)，并說明理由。圖2-28題2-9圖

2-10計(jì)算圖2-29所示各機(jī)構(gòu)的自由度，并指出其中是否含有復(fù)合鉸鏈、局部自由度或虛約束。

2-11圖2-30所示為一剎車機(jī)構(gòu)。剎車時(shí)，操作桿1向右拉，通過構(gòu)件2、3、4、5、6使兩閘瓦剎住車輪。試計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并就剎車過程說明此機(jī)構(gòu)自由度的變化情況。圖2-29題2-10圖圖2-30題2-11圖

2-12計(jì)算圖2-31所示各機(jī)構(gòu)的自由度，并在高副低代后，分析組成這些機(jī)構(gòu)的基本桿組及桿組的級(jí)別。

2-13說明圖2-32所示各機(jī)構(gòu)的組成原理，并判別機(jī)構(gòu)的級(jí)別和所含桿組的數(shù)目。對(duì)于圖2-32(f)所示機(jī)構(gòu)，當(dāng)分別以構(gòu)件1、3、7作為原動(dòng)件時(shí)，機(jī)構(gòu)的級(jí)別會(huì)有什么變化？圖2-31題2-12圖圖2-32題2-13圖

2-14繪制圖2-33所示機(jī)構(gòu)高副低代后的運(yùn)動(dòng)簡圖，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并確定機(jī)構(gòu)所含桿組的數(shù)目和級(jí)別以及機(jī)構(gòu)的級(jí)別。圖2-33題2-14圖

2-15試分析圖2-34所示刨床機(jī)構(gòu)的組成，并判別機(jī)構(gòu)的級(jí)別。若以構(gòu)件4為原動(dòng)件，則此機(jī)構(gòu)為幾級(jí)？圖2-34題2-15圖

2-16試計(jì)算圖2-35所示各平面高副機(jī)構(gòu)的自由度，并在高副低代后分析組成這些機(jī)構(gòu)的基本桿組。圖2-35題2-16圖第3章平面連桿機(jī)構(gòu)3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化3.2平面連桿機(jī)構(gòu)的工作特性3.3連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.4平面機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析思考題及習(xí)題3.1平面連桿機(jī)構(gòu)的類型及演化3.1.1平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型如圖3-1所示，全部運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)稱做鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，它是四桿機(jī)構(gòu)最基本的形式。在此機(jī)構(gòu)中，桿件AD稱為機(jī)架；與機(jī)架相聯(lián)接的桿件AB、CD稱為連架桿，其中能作整周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連架桿稱為曲柄；只能在一定范圍內(nèi)作往復(fù)擺動(dòng)的連架桿稱為搖桿；桿件BC稱為連桿。

圖3-1鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)根據(jù)其兩連架桿的不同運(yùn)動(dòng)情況，又可分為以下三種類型。

1.曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩連架桿中一桿為曲柄，另一桿為搖桿，則稱該四桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3-2所示。此機(jī)構(gòu)可應(yīng)用于許多機(jī)械中，例如，圖3-3所示的縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)，圖3-4所示的攪拌器機(jī)構(gòu)，圖3-5所示的雷達(dá)天線調(diào)整機(jī)構(gòu)等。

圖3-2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖3-3縫紉機(jī)踏板機(jī)構(gòu)圖3-4攪拌器機(jī)

圖3-5雷達(dá)天線調(diào)整機(jī)構(gòu)

2．雙曲柄機(jī)構(gòu)在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，若兩個(gè)連架桿都是相對(duì)機(jī)架作整周回轉(zhuǎn)的曲柄，則稱此機(jī)構(gòu)為雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖3-6所示。在圖3-7所示的慣性篩中，當(dāng)原動(dòng)曲柄AB等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)曲柄CD作變速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使篩體6具有變化較大的加速度，利用加速度所產(chǎn)生的慣性力，使被篩材料達(dá)到理想的篩分效果。

圖3-6雙曲柄機(jī)構(gòu)圖3-7慣性篩機(jī)構(gòu)在雙曲柄機(jī)構(gòu)中，若相對(duì)兩桿平行且相等，則稱為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，如圖3-8所示。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是兩曲柄能以相同的角速度同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿作平行移動(dòng)，故此機(jī)構(gòu)也稱為正平行四邊形機(jī)構(gòu)。圖3-9所示的機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和圖3-10所示的攝影平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)均為正平行四邊形機(jī)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例。圖3-8正平行四邊形機(jī)構(gòu)圖3-9機(jī)車車輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-10攝影平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)在圖3-11所示雙曲柄機(jī)構(gòu)中，雖然其對(duì)應(yīng)邊長度也相等，但BC桿與AD桿并不平行，兩曲柄AB和CD轉(zhuǎn)動(dòng)方向也相反，故稱其為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。在圖3-12中，車門開閉機(jī)構(gòu)利用反平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)兩曲柄轉(zhuǎn)向相反的特性，達(dá)到兩扇車門同時(shí)敞開或關(guān)閉的目的。圖3-11雙曲柄機(jī)構(gòu)

圖3-12車門開閉機(jī)構(gòu)

3.雙搖桿機(jī)構(gòu)當(dāng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中的兩連架桿都是搖桿時(shí)，稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖3-13所示。圖3-14所示的鶴式起重機(jī)的雙搖桿機(jī)構(gòu)ABCD，可使懸掛重物作近似水平移動(dòng)。圖3-13雙搖桿機(jī)構(gòu)圖3-14鶴式起重機(jī)構(gòu)3.1.2四桿機(jī)構(gòu)的演化前面介紹的三種鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu)的三種基本類型，但它們還遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作機(jī)械的需要。在工程應(yīng)用中，還廣泛地采用著其它形式的四桿機(jī)構(gòu)，不過這些形式的四桿機(jī)構(gòu)，可認(rèn)為是由四桿機(jī)構(gòu)的基本形式演化而來的。四桿機(jī)構(gòu)的演化，不僅是為了滿足運(yùn)動(dòng)方面的要求，還是為了改善受力狀況以及滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的需要。雖然各種演化機(jī)構(gòu)的外形各不相同，但它們的性質(zhì)以及分析和設(shè)計(jì)方法常常是相同的或類似的，這就為連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了方便。下面介紹幾種四桿機(jī)構(gòu)演化方法及演化后的變異機(jī)構(gòu)。

1．改變構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)尺寸在圖3-15(a)所示的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄1繞鉸鏈A回轉(zhuǎn)時(shí)，鉸鏈C將沿著以D為圓心的圓弧作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如果把搖桿3做成滑塊形式(如圖3-15(b)所示)，使其沿圓弧導(dǎo)軌作往復(fù)滑動(dòng)，顯然其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)并未發(fā)生改變，但此時(shí)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)已演化為具有曲線導(dǎo)軌的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。圖3-15改變構(gòu)件的形狀對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行演化如果將圖3-15(a)中搖桿3的長度增至無窮大，則圖3-15(b)中的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，于是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)就演化成為常見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3-16所示。圖3-16(a)為具有偏距e的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；圖3-16(b)則為無偏距的對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在沖床、內(nèi)燃機(jī)等機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。圖3-16改變構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)尺寸對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行演化對(duì)于圖3-16(b)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如果將連桿2的長度增至無窮大，則曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可進(jìn)一步演化為圖3-17所示的雙滑塊四桿機(jī)構(gòu)。在圖3-17(b)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，從動(dòng)件3的位移與原動(dòng)件1轉(zhuǎn)角的正弦成正比，故稱為正弦機(jī)構(gòu)。由上所述可知，移動(dòng)副可認(rèn)為是由回轉(zhuǎn)中心在無窮遠(yuǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)副演化而來的。圖3-17雙滑塊四桿機(jī)構(gòu)

2.改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸在圖3-18(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)曲柄AB的尺寸較小時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的需要，常將曲柄改為如圖3-18(b)所示的偏心盤，其回轉(zhuǎn)中心A至幾何中心B的偏心距等于曲柄的長度，這種機(jī)構(gòu)稱為偏心輪機(jī)構(gòu)。其運(yùn)動(dòng)特性與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完全相同。偏心輪機(jī)構(gòu)可認(rèn)為是將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)副B的半徑擴(kuò)大，使之超過曲柄長度演化而成的。偏心輪機(jī)構(gòu)在鍛壓設(shè)備和柱塞泵等中應(yīng)用較廣。圖3-18改變運(yùn)動(dòng)副的尺寸

3.選用不同的構(gòu)件為機(jī)架選運(yùn)動(dòng)鏈中不同構(gòu)件作為機(jī)架以獲得不同機(jī)構(gòu)的演化方法稱為機(jī)構(gòu)的倒置。下面以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為例具體說明該演化方法。在圖3-19(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，若取構(gòu)件1為機(jī)架(如圖3-19(b)所示)，此時(shí)構(gòu)件4繞鉸鏈A轉(zhuǎn)動(dòng)，而滑塊3則以構(gòu)件4為導(dǎo)軌沿其相對(duì)移動(dòng)，構(gòu)件4稱為導(dǎo)桿，此機(jī)構(gòu)稱為導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3-19曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的演化在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果導(dǎo)桿能作整周轉(zhuǎn)動(dòng)，則稱為回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3-20所示小型刨床中的ABC部分即為回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，如果導(dǎo)桿僅能在某一角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，則稱為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3-21所示牛頭刨床的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)ABC即為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3-20小型刨床中的回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

圖3-21牛頭刨床中的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在圖3-19(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，如果改選構(gòu)件2為機(jī)架(如圖3-19(c)所示)，則演化成為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)。其中構(gòu)件3僅能繞點(diǎn)C搖擺。圖3-22所示的自卸卡車車廂的舉升機(jī)構(gòu)ABC就是曲柄搖塊機(jī)構(gòu)，其中搖塊3為油缸，用壓力油推動(dòng)活塞使車箱翻轉(zhuǎn)。在圖3-19(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，如果改選構(gòu)件3為機(jī)架(如圖3-19(d)所示)，則演化成為移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。圖3-23所示的手搖唧筒就是移動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例。經(jīng)過同樣的方法，可以獲得鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、雙滑塊機(jī)構(gòu)的倒置機(jī)構(gòu)，它們的具體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用歸納在表3-1中。圖3-22車廂舉升機(jī)構(gòu)中的曲柄搖塊機(jī)構(gòu)圖3-23手搖唧筒3.2平面連桿機(jī)構(gòu)的工作特性在工程應(yīng)用中，選用機(jī)構(gòu)的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)和力的傳遞及變換，必然涉及到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)問題和傳力問題。為了避免選用機(jī)構(gòu)時(shí)的盲目性，也就是需實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞必須是機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的。要做到這一點(diǎn)，必須先了解已有機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和傳力特性，它們是平面四桿機(jī)構(gòu)的基本特性。這些基本特性主要包括：曲柄存在的條件、急回特性、壓力角、傳動(dòng)角和死點(diǎn)位置等問題。3.2.1連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

1．曲柄存在的條件在圖3-24所示的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，設(shè)構(gòu)件1、2、3、4的桿長分別為a、b、c、d，并且a＜d。根據(jù)前面曲柄的定義可知，若桿1為曲柄，它必能繞鉸鏈A相對(duì)機(jī)架作整周轉(zhuǎn)動(dòng)（即360°），構(gòu)件1就能通過ＡＢ２和AB1這兩個(gè)關(guān)鍵位置，也就是鉸鏈B能轉(zhuǎn)過B2點(diǎn)（距離D點(diǎn)最遠(yuǎn)）和B1點(diǎn)（距離D點(diǎn)最近）兩個(gè)關(guān)鍵位置，此時(shí)桿1和桿4共線。圖3-24四桿機(jī)構(gòu)有曲柄的條件分析由△B2C2D，可得

a+d≤b+c

（3-1）由△B1C1D，可得b≤(d－a)+c或c≤(d－a)+b

即

a+b≤d+c

（3-2）a+c≤d+b

（3-3