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1、机械结构分析与机械结构分析与设计设计目目 录录第第1章章 机械的组成机械的组成第第2章章 平面机构运动简图及自由度平面机构运动简图及自由度第第3章章 常用机构分析常用机构分析第第4章章 简单机械传动系统分析简单机械传动系统分析第第5章章 连接及轴系结构分析连接及轴系结构分析第第6章章 复杂机械传动系统分析复杂机械传动系统分析下一页 随着高等教育教学改革的不断深入，办学理念和教学目标的逐渐明随着高等教育教学改革的不断深入，办学理念和教学目标的逐渐明晰，目前机械设计基础课程的教学已经从晰，目前机械设计基础课程的教学已经从“理论十实践理论十实践(课程设计课程设计)”的的简单叠加模式转变为简单叠加模式

2、转变为“情境化情境化”和和“任务驱动任务驱动”模式，在内容上从单模式，在内容上从单一的机构、机械零件的讲授转变为从机械系统出发来认识机构和机械一的机构、机械零件的讲授转变为从机械系统出发来认识机构和机械零件，在机械零件设计中贯穿力学分析和强度计算理论知识的方式。零件，在机械零件设计中贯穿力学分析和强度计算理论知识的方式。因此，原来所使用的课程综合化教材是按学利一体系来编排的，内容因此，原来所使用的课程综合化教材是按学利一体系来编排的，内容之间缺乏内在的联系，没有能够从整体上来认识和分析机械系统的构之间缺乏内在的联系，没有能够从整体上来认识和分析机械系统的构成，已不能很好地指导教师及学生进行课程

3、的学习，必须根据新的教成，已不能很好地指导教师及学生进行课程的学习，必须根据新的教学目标和模式重新编写。本书适用于高等院校机械类、近机类机械设学目标和模式重新编写。本书适用于高等院校机械类、近机类机械设计基础课程教材，课内参考学时数为计基础课程教材，课内参考学时数为90120学时。学时。前前 言言下一页 本书的特点如下本书的特点如下:(1)本教材体现了基于工作过程的课程设计思想，设计了系列实践本教材体现了基于工作过程的课程设计思想，设计了系列实践项目贯穿课程教学。项目贯穿课程教学。(2)课程内容编排改变了原来按照机构、零件类型来分章节的模式，课程内容编排改变了原来按照机构、零件类型来分章节的模

4、式，而是按照机构认知、机械零件认知再到机械传动系统分析、传动装置而是按照机构认知、机械零件认知再到机械传动系统分析、传动装置及零部件设计的编排方式，符合从感性到理性的认知规律。及零部件设计的编排方式，符合从感性到理性的认知规律。(3)对于机构认知、机械零件认知及机械传动系统分析，均选用具对于机构认知、机械零件认知及机械传动系统分析，均选用具体的机械体的机械(机器机器)为载体，从机械系统整体上来进行学习，避免出现为载体，从机械系统整体上来进行学习，避免出现“只见树木，不见森林只见树木，不见森林”的弊端。的弊端。(4)对于机械零件设计，从静力学和材料力学作为切人点讲解，对于机械零件设计，从静力学和

5、材料力学作为切人点讲解，前前 言言下一页上一页前前 言言使力学知识有机融人零件设计，重在力学应用，而不是研究原理和推导，使力学知识有机融人零件设计，重在力学应用，而不是研究原理和推导，符合培养应用型人才的目标。符合培养应用型人才的目标。参加本书编写工作的有参加本书编写工作的有:韦林、邓海英、林泉、欧艳华、苏磊、梁永韦林、邓海英、林泉、欧艳华、苏磊、梁永江、莫文锋、陈勇棠江、莫文锋、陈勇棠;杨小红杨小红;黄小玲。其中，黄小玲编写第黄小玲。其中，黄小玲编写第1章、第章、第2章，章，韦林编写第韦林编写第11章，杨小红编写第章，杨小红编写第3章，邓海英编写第章，邓海英编写第4章，林泉、欧艳章，林泉、欧

6、艳华编写第华编写第5章，梁永江编写第章，梁永江编写第6章，陈新编写第章，陈新编写第7章、第章、第8章章;苏磊编写第苏磊编写第9章、第章、第10章，莫文峰、陈勇棠编写第章，莫文峰、陈勇棠编写第12章。全书由韦林统稿。章。全书由韦林统稿。林若森教授对本书进行了审稿，并在审阅过程中对书稿提出了许多林若森教授对本书进行了审稿，并在审阅过程中对书稿提出了许多宝贵的修改意见。宝贵的修改意见。由于编者的水平有限，疏漏之处在所难免，教材的完善尚需一个较由于编者的水平有限，疏漏之处在所难免，教材的完善尚需一个较长的过程，恳请广大读者批评指正。长的过程，恳请广大读者批评指正。返 回上一页第第1章章 机械的组成机械

7、的组成1.1 机器与机构机器与机构1.2 构件与零件构件与零件 机械是工程中对机器与机构的统称。机械是工程中对机器与机构的统称。图图1-1所示为单缸内燃机，它的主要组成部分有所示为单缸内燃机，它的主要组成部分有:汽缸体汽缸体1、活塞、活塞2、连杆连杆3、曲轴、曲轴4,齿轮齿轮5和和6、凸轮、凸轮7、顶杆、顶杆8等。该内燃机的工作过程是等。该内燃机的工作过程是:活塞下行，进气阀打开，燃气被吸人汽缸活塞下行，进气阀打开，燃气被吸人汽缸;活塞上行，进气阀关闭，压活塞上行，进气阀关闭，压缩燃气点火后，燃气燃烧膨胀推动活塞下行，经连杆带动曲轴输出转缩燃气点火后，燃气燃烧膨胀推动活塞下行，经连杆带动曲轴输

8、出转动动;活塞上行，排气阀打开，排出废气。活塞的往复移动通过连杆活塞上行，排气阀打开，排出废气。活塞的往复移动通过连杆3转转变为曲轴变为曲轴4的连续转动。内燃机以燃料燃烧的化学能为动力，通过燃的连续转动。内燃机以燃料燃烧的化学能为动力，通过燃气在气缸内的进气、压缩、爆燃、排气过程，将燃料的化学能转换为气在气缸内的进气、压缩、爆燃、排气过程，将燃料的化学能转换为曲轴转动的机械能。曲轴转动的机械能。尽管机器种类繁多，形式多样，用途各异，但都具有如下共同的特征尽管机器种类繁多，形式多样，用途各异，但都具有如下共同的特征:1.1 机器与机构机器与机构下一页 (1)都是人为的实物组合都是人为的实物组合;

9、(2)机器各组成部分之间具有确定的相对运动机器各组成部分之间具有确定的相对运动;(3)能实现能量的转换或完成有用的机械功。能实现能量的转换或完成有用的机械功。凡具备上述三个特征的实物组合称为机器，仅具备前两个特征的凡具备上述三个特征的实物组合称为机器，仅具备前两个特征的组合体称为机构。组合体称为机构。从组成上看，机器是由机构组成的，一台机器可以含有一个机构，从组成上看，机器是由机构组成的，一台机器可以含有一个机构，也可以包含多个机构。也可以包含多个机构。图图1-1所示的内燃机中，就含有连杆机构、齿所示的内燃机中，就含有连杆机构、齿轮机构和凸轮机构等多个机构。从功能上讲，机器能完成有用的机械轮机

10、构和凸轮机构等多个机构。从功能上讲，机器能完成有用的机械功或完成能量形式的转换，而机构主要用于传递和转换运动。若单从功或完成能量形式的转换，而机构主要用于传递和转换运动。若单从运动观点来看，机器和机构并无区别。运动观点来看，机器和机构并无区别。1.1 机器与机构机器与机构下一页上一页 1.1 机器与机构机器与机构 从运动和动力传递的路线来对机械各个功能部分进行分析，机械由从运动和动力传递的路线来对机械各个功能部分进行分析，机械由以下几部分组成以下几部分组成:原动机部分、传动部分和工作机部分。原动机是机械原动机部分、传动部分和工作机部分。原动机是机械的动力来源，常用的原动机有电动机、内燃机、液压

11、机等。传动部分处的动力来源，常用的原动机有电动机、内燃机、液压机等。传动部分处于原动机和工作机之间，其作用是把原动机的运动和动力传递给工作机。于原动机和工作机之间，其作用是把原动机的运动和动力传递给工作机。工作机是完成工作、任务的部分，处于整个传动路线的终端。工作机是完成工作、任务的部分，处于整个传动路线的终端。图图1-2所示为牛头刨床，它由床身、滑枕、刨刀、工作台、齿轮带轮、所示为牛头刨床，它由床身、滑枕、刨刀、工作台、齿轮带轮、导杆、滑块等组成。电动机安装在床身上，电动机启动后，通过带传动导杆、滑块等组成。电动机安装在床身上，电动机启动后，通过带传动和齿轮传动，使偏心销跟随大齿轮一起转动，

12、通过偏心销及其上的滑块和齿轮传动，使偏心销跟随大齿轮一起转动，通过偏心销及其上的滑块带动导杆做往复运动，再通过铰链连接使滑枕沿床身的导轨做往复移动，带动导杆做往复运动，再通过铰链连接使滑枕沿床身的导轨做往复移动，完成切削工作。完成切削工作。下一页上一页 1.1 机器与机构机器与机构此例中原动机即电动机，传动部分包含带传动、齿轮传动、导杆机构此例中原动机即电动机，传动部分包含带传动、齿轮传动、导杆机构等，工作机即刀架。等，工作机即刀架。随着微电子技术的发展，现代机械又增加了检测部分和控制部分，随着微电子技术的发展，现代机械又增加了检测部分和控制部分，使机械的结构、功能达到了更高和更新的水平。使机

13、械的结构、功能达到了更高和更新的水平。返 回上一页 从运动的角度看，机器是由若干个运动的单元组成，这些运动单从运动的角度看，机器是由若干个运动的单元组成，这些运动单元称为构件。构件一般由若干个零件刚性连接而成，也可以是一个单元称为构件。构件一般由若干个零件刚性连接而成，也可以是一个单一零件。如一零件。如图图1-3所示的内燃机连杆构件，由连杆体所示的内燃机连杆构件，由连杆体1,螺栓螺栓2,螺母螺母3、开口销开口销4、连杆盖、连杆盖5、轴瓦、轴瓦6和轴套和轴套7刚性连接在一起组成，组成构件刚性连接在一起组成，组成构件的各元件之间没有相对运动，而是形成一个整体，与其他构件之间有的各元件之间没有相对运

14、动，而是形成一个整体，与其他构件之间有相对运动。组成构件的每一个实物称为零件。相对运动。组成构件的每一个实物称为零件。从制造的角度看，机器是由若干零件组装而成的，零件是构成机从制造的角度看，机器是由若干零件组装而成的，零件是构成机器的基本要素，是机器的最小制造单元。机器中的零件分为两类。一器的基本要素，是机器的最小制造单元。机器中的零件分为两类。一类是通用零件一在各类机器中普遍使用的零件，如螺钉、螺栓、螺母、类是通用零件一在各类机器中普遍使用的零件，如螺钉、螺栓、螺母、轴、齿轮、轴承、弹簧等轴、齿轮、轴承、弹簧等;另一类是专用零件一只在特定的机器中另一类是专用零件一只在特定的机器中下一页 1.

15、2 构件与零件构件与零件使用的零件，如内燃机的曲轴、连杆、活塞、汽轮机中的叶片、起重使用的零件，如内燃机的曲轴、连杆、活塞、汽轮机中的叶片、起重机的吊钩等。机的吊钩等。在机器中，对于一套协同工作来完成共同任务的零件组合，称为在机器中，对于一套协同工作来完成共同任务的零件组合，称为部件。部件也可分为通用部件和专用部件，例如，减速器、轴承、联部件。部件也可分为通用部件和专用部件，例如，减速器、轴承、联轴器等属于通用部件，而汽车转向器等则属于专用部件。轴器等属于通用部件，而汽车转向器等则属于专用部件。返 回上一页 1.2 构件与零件构件与零件图图1-1 单缸内燃机单缸内燃机返 回图图1-2 牛头刨床

16、牛头刨床返 回图图1-3 内燃机连杆内燃机连杆返 回第第2章章 平面机构运动简图及自由度平面机构运动简图及自由度2.1 运动副及其分类运动副及其分类2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度 2.1.1运动副的概念运动副的概念 机构中的每一构件都是以一定的方式与其他构件相互接触的，并形机构中的每一构件都是以一定的方式与其他构件相互接触的，并形成一种可动的连接，从而使这两个构件的运动受到约束。两构件的这成一种可动的连接，从而使这两个构件的运动受到约束。两构件的这种既直接接触又能做一定的相对运动的可动连接称为运动副。例如，种既直接接触又能做一定的相对运动的

17、可动连接称为运动副。例如，发动机中的气缸与活塞，既相互接触又允许活塞相对于气缸做往复直发动机中的气缸与活塞，既相互接触又允许活塞相对于气缸做往复直线运动，这种连接就是运动副。线运动，这种连接就是运动副。2.1.2运动副的分类运动副的分类根据平面运动副的两构件间的接触形式不同，可分为低副和高副两类。根据平面运动副的两构件间的接触形式不同，可分为低副和高副两类。1.低副低副2.1 运动副及其分类运动副及其分类下一页 两构件通过面接触所形成的运动副称为低副，低副通常又可分为移动两构件通过面接触所形成的运动副称为低副，低副通常又可分为移动副和转动副两种。副和转动副两种。1)转动副转动副 两构件只能产生

18、相对转动的运动副称为转动副。如两构件只能产生相对转动的运动副称为转动副。如图图2-1(a)所示，所示，转动副限制了轴颈转动副限制了轴颈2沿二轴与沿二轴与y轴的移动，只允许轴颈绕轴承相对转动。轴的移动，只允许轴颈绕轴承相对转动。2)移动副移动副 两构件只能产生相对移动的运动副称为移动副。如两构件只能产生相对移动的运动副称为移动副。如图图2-1(b)所示，所示，滑块与导向装置的连接，构件滑块与导向装置的连接，构件1与与2以棱柱面相接触，由构件以棱柱面相接触，由构件2观察，它观察，它限制构件限制构件1沿沿y方向相对移动，同时也限制了它相对于构件方向相对移动，同时也限制了它相对于构件2的转动，的转动，

19、2.1 运动副及其分类运动副及其分类下一页上一页2.1 运动副及其分类运动副及其分类保留一个独立的沿二方向的相对移动。滑动件与导轨、发动机的活塞与保留一个独立的沿二方向的相对移动。滑动件与导轨、发动机的活塞与气缸的连接等都属于移动副。气缸的连接等都属于移动副。2.高副高副 两构件通过点或线接触所形成的运动副称为高副，常见的高副有凸两构件通过点或线接触所形成的运动副称为高副，常见的高副有凸轮副和齿轮副。如轮副和齿轮副。如图图2-2所示，所示，图图2-2(a)为点接触，为点接触，图图2-2(b)为线接为线接触。在触。在图图2-2(b)中，构件中，构件1可绕接触线转动且可沿切线可绕接触线转动且可沿切

20、线t-t方向移动，方向移动，但构件但构件2限制了构件限制了构件1沿法线沿法线n-n方向的移动。方向的移动。2.1.3自由度和运动副约束自由度和运动副约束 如如图图2-3所示，在坐标系所示，在坐标系xOy平面内，若构件平面内，若构件1是作平面运动的自由是作平面运动的自由构件，则它可随其上的任意一点构件，则它可随其上的任意一点A沿二轴和沿二轴和y轴方向移动，以及绕轴方向移动，以及绕A点点下一页上一页2.1 运动副及其分类运动副及其分类转动。其瞬时位置由转动。其瞬时位置由3个独立的参数个独立的参数xA，yA和转角和转角值来确定。把构值来确定。把构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为构件的自由度

21、。可见，件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为构件的自由度。可见，一个作平面运动的自由构件具有一个作平面运动的自由构件具有3个自由度。个自由度。若构件若构件1以某种方式与图中的构件以某种方式与图中的构件2(这里的构件这里的构件2与坐标系固连在与坐标系固连在一起一起)形成运动副，例如，它在形成运动副，例如，它在A点用铰链连接起来，则构件点用铰链连接起来，则构件1上点上点A的的移动参数移动参数xA，yA就不再变化，相对移动受到限制，只剩下一个转角甲就不再变化，相对移动受到限制，只剩下一个转角甲可自由变化，即构件可自由变化，即构件1只剩下绕只剩下绕n点相对于构件点相对于构件2转动的自由度。把运转

22、动的自由度。把运动副对两构件间的相对运动所加的限制称为约束。由此可见，两个构动副对两构件间的相对运动所加的限制称为约束。由此可见，两个构件通过运动副连接以后，引入了约束，减少了自由度，相对运动受到件通过运动副连接以后，引入了约束，减少了自由度，相对运动受到了限制。了限制。下一页上一页 运动副产生约束的数目和特点取决于运动副的类型。由前述分析可知，运动副产生约束的数目和特点取决于运动副的类型。由前述分析可知，一个低副引入一个低副引入2个约束，使构件失去了两个自由度个约束，使构件失去了两个自由度;一个高副引入一个一个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。约束，使构件失去一个自由度。返 回上一页2

23、.1 运动副及其分类运动副及其分类 如前所述，机械由机构组成，而机构又是由各构件通过运动副连如前所述，机械由机构组成，而机构又是由各构件通过运动副连接而成。虽然实际的机械及其构件的外形和结构比较复杂，但在对机接而成。虽然实际的机械及其构件的外形和结构比较复杂，但在对机构进行运动分析或在拟定新的机械传动方案时，并不需要知道各构件构进行运动分析或在拟定新的机械传动方案时，并不需要知道各构件的真实外形和具体结构，为此，只需要用规定的线条和符号来表示构的真实外形和具体结构，为此，只需要用规定的线条和符号来表示构件和运动副，并按比例确定各运动副的相对位置，从而把机构的组成件和运动副，并按比例确定各运动副

24、的相对位置，从而把机构的组成和相对运动关系表示出来，必要时还需标出那些与机构运动有关的尺和相对运动关系表示出来，必要时还需标出那些与机构运动有关的尺寸参数。这种表示机构的组成及各构件间的相对运动关系的简明图形寸参数。这种表示机构的组成及各构件间的相对运动关系的简明图形称为机构运动简图。有时只为了表示机械的组成和运动情况，而不需称为机构运动简图。有时只为了表示机械的组成和运动情况，而不需要用图解法具体确定出运动参数值时，也可以不严格按比例绘图，此要用图解法具体确定出运动参数值时，也可以不严格按比例绘图，此时称为机构运动示意图。时称为机构运动示意图。下一页2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简

25、图 2.2.1运动副及构件的表示方法运动副及构件的表示方法 1.构件构件 构件均用线条或小方块来表示，画有斜线的表示机架。同一构件形构件均用线条或小方块来表示，画有斜线的表示机架。同一构件形成几个转动副时，在两条线的交角处涂黑或在其内画上斜线，成几个转动副时，在两条线的交角处涂黑或在其内画上斜线，图图2-4所示为常见的三副构件表示方法。所示为常见的三副构件表示方法。2.转动副转动副 两构件组成转动副时，通常用两构件组成转动副时，通常用图图2-5所示的符号表示，所示的符号表示，图图2-5(a)表示图面垂直于回转轴线，表示图面垂直于回转轴线，图图2-5(b)表示图面不垂直于回转轴线。表示图面不垂直

26、于回转轴线。3.移动副移动副 两构件组成移动副时，通常用两构件组成移动副时，通常用图图2-6所示的符号表示。所示的符号表示。下一页上一页2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图下一页上一页2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图4.平面高副平面高副两构件组成平面高副时，一般在机构运动简图中画出接触处的曲线轮两构件组成平面高副时，一般在机构运动简图中画出接触处的曲线轮廓。常用的齿轮副、凸轮副的表示方法如廓。常用的齿轮副、凸轮副的表示方法如图图2-7所示，所示，图图2-7(a)为齿为齿轮副，轮副，图图2-7(b)为凸轮副。为凸轮副。2.2.2机构的组成机构的组成 一个机构通常由原动件、从动

27、件和机架三部分组成，如一个机构通常由原动件、从动件和机架三部分组成，如图图2-8所示。所示。机构中固定的构件称为机架机构中固定的构件称为机架;按给定的已知运动规律独立运动的构件称按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件，通常在其上加箭头表示为原动件，通常在其上加箭头表示;其余的活动构件称为从动件。其余的活动构件称为从动件。2.2.3平面机构运动简图的绘制平面机构运动简图的绘制 绘制机械的机构运动简图时，通常可按下列步骤进行。绘制机械的机构运动简图时，通常可按下列步骤进行。(1)根据机械的功能来分析该机械的组成和运动情况。任何机械都具根据机械的功能来分析该机械的组成和运动情况。任何机械都具有

28、固定件或相对固定件有固定件或相对固定件(即机架即机架)、原动件、原动件(即输入构件即输入构件)、从动件、从动件(输输出构件出构件)，因此，需要先确定原动件和输出件，然后从原动件到输出，因此，需要先确定原动件和输出件，然后从原动件到输出件件(有时也可以从输出件到原动件有时也可以从输出件到原动件)，沿着运动传递路线，分析该机械，沿着运动传递路线，分析该机械的输出件的运动是怎样由原动件传过来的，从而搞清楚该机械是由哪的输出件的运动是怎样由原动件传过来的，从而搞清楚该机械是由哪些机构和构件组成的，各构件间形成了何种运动副，同时分清固定件些机构和构件组成的，各构件间形成了何种运动副，同时分清固定件和活动

29、件，这是正确绘制运动简图的前提。和活动件，这是正确绘制运动简图的前提。(2)选定视图平面。为将机构运动简图表达清楚，必须先选好投影选定视图平面。为将机构运动简图表达清楚，必须先选好投影面，为此可以选择机械的多数构件的运动平面作为投影面。面，为此可以选择机械的多数构件的运动平面作为投影面。2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图下一页上一页必要时也可就机械的不同部分选择两个或更多个投影面，然后扩展到必要时也可就机械的不同部分选择两个或更多个投影面，然后扩展到同一图面上，或者将主运动简图上难以表达清楚的部分另绘局部简图，同一图面上，或者将主运动简图上难以表达清楚的部分另绘局部简图，总之，以表达

30、清楚、正确为原则。总之，以表达清楚、正确为原则。(3)按适当的比例定出各运动副之间的相对位置，用简单的符号和按适当的比例定出各运动副之间的相对位置，用简单的符号和线条画出机构运动简图。线条画出机构运动简图。例例2-1 图图2-9所示为颗式破碎机，试绘制该机构的运动简图。所示为颗式破碎机，试绘制该机构的运动简图。解解:(1)找出各构件和选定视图平面找出各构件和选定视图平面 如图如图2-9(a)所示，颗式破碎机由机架所示，颗式破碎机由机架1、偏心轴、偏心轴2、动颗板、动颗板3、肋、肋板板4 4个构件组成。轴个构件组成。轴2是原动件，动是原动件，动PP板板3和肋板和肋板4都是从动件。都是从动件。2.

31、2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图下一页上一页根据以上结构分析选取构件的运动平面作为绘制机构运动简图的平面。根据以上结构分析选取构件的运动平面作为绘制机构运动简图的平面。(2)找出各构件之间的联系找出各构件之间的联系运动副。运动副。当偏心轴绕轴线当偏心轴绕轴线A转动时，驱使动转动时，驱使动PP板板3作平面运动，从而将矿作平面运动，从而将矿石轧碎。偏心轴石轧碎。偏心轴2与机架与机架1绕轴线绕轴线A相对转动，故构件相对转动，故构件1,2组成以组成以A为中心的转动副。动颗板为中心的转动副。动颗板3与偏心轴与偏心轴2绕轴线召相对转动，故构件绕轴线召相对转动，故构件2,3组成以召为中心的转动副，肋

32、板组成以召为中心的转动副，肋板4与动颗板与动颗板3绕轴线绕轴线C做相对转动，做相对转动，所以构件所以构件3,4组成以组成以C为中心的转动副，肋板与机架绕轴线为中心的转动副，肋板与机架绕轴线D相对转相对转动，所以构件动，所以构件4,1组成以组成以D为中心的转动副。为中心的转动副。(3)测量各运动副间的相对位置测量各运动副间的相对位置 逐一测量运动副中心逐一测量运动副中心A与与B、B与与C,C与与D,A与与D之间的长度之间的长度下一页上一页2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图lAB,lBC,lCD和和lAD。(4)作机构运动简图作机构运动简图 选定长度比例尺选定长度比例尺，在确定的视图上按

33、比例画出运动副的符号和，在确定的视图上按比例画出运动副的符号和连线表示构件，注上运动副代号和构件号，对原动件要画上表示运连线表示构件，注上运动副代号和构件号，对原动件要画上表示运动方向的箭头，最后便绘成机构运动简图，如图动方向的箭头，最后便绘成机构运动简图，如图2-9(b)所示。比例所示。比例尺尽的计算如下尺尽的计算如下:返 回上一页2.2 平面机构的运动简图平面机构的运动简图 任何一个机构工作时，在原动件的驱动下，各个从动件都按一定的任何一个机构工作时，在原动件的驱动下，各个从动件都按一定的规律运动。但是并不是随意拼凑组合的构件都具有确定的运动而成为规律运动。但是并不是随意拼凑组合的构件都具

34、有确定的运动而成为机构。下面先讲述机构的自由度，再讨论机构的自由度符合什么要求机构。下面先讲述机构的自由度，再讨论机构的自由度符合什么要求才能实现机构具有确定的相对运动，即机构具有确定的相对运动的条才能实现机构具有确定的相对运动，即机构具有确定的相对运动的条件。件。2.3.1机构的自由度机构的自由度 所谓机构的自由度是指保证机构具有确定运动所需的独立运动参数所谓机构的自由度是指保证机构具有确定运动所需的独立运动参数的数目，称为机构的自由度。的数目，称为机构的自由度。如前所述，一个作平面运动的自由构件具有如前所述，一个作平面运动的自由构件具有3个自由度，通过运动个自由度，通过运动副可减少自由度的

35、数目。副可减少自由度的数目。下一页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度如果一个机构中有二个可动的构件，则构件的自由度总数为如果一个机构中有二个可动的构件，则构件的自由度总数为3n。当。当构件用运动副连接后，部分运动受到了限制，自由度减少。一个低副构件用运动副连接后，部分运动受到了限制，自由度减少。一个低副引入两个约束，一个高副引入一个约束，由此可得，平面机构的自由引入两个约束，一个高副引入一个约束，由此可得，平面机构的自由度应等于全部可动构件在自由状态下的全部自由度减去各运动副限制度应等于全部可动构件在自由状态下的全部自由度减去各运动副限制的自由度，用公式表示为的自由度，用公式表示为 F=

36、3n-2PL-PH (2.1)式中，式中，F表示机构的自由度表示机构的自由度;二为机构中的活动构件数二为机构中的活动构件数;P,为低副数为低副数;P为高副数。为高副数。由式由式(2.1)可知，机构自由度的数目取决于活动构件的数目及运可知，机构自由度的数目取决于活动构件的数目及运动副的类型和数目。动副的类型和数目。2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度下一页上一页 机构自由度的数目标志着需要的原动件的数目，即独立运动或输机构自由度的数目标志着需要的原动件的数目，即独立运动或输入运动的数目。入运动的数目。图图2-10所示三角杭架结构的自由度所示三角杭架结构的自由度F=0，不能运动。，不能运动。图

37、图2-11所示四杆机构的自由度所示四杆机构的自由度F=3n-2PL-PH=3X3-2X4=1，即要求原动件的数目为即要求原动件的数目为1，任取一个构件作为原动件，则机构中各构，任取一个构件作为原动件，则机构中各构件的运动是确定的。件的运动是确定的。图图2-12所示的机构自由度所示的机构自由度F=3X4-2X5=2，即要求有两个原动，即要求有两个原动件，机构的运动才能确定。若只用一个原动件，则各从动件的运动将件，机构的运动才能确定。若只用一个原动件，则各从动件的运动将不确定。不确定。综上所述，机构自由度反映了机构运动的可能性和确定性。综上所述，机构自由度反映了机构运动的可能性和确定性。下一页上一

38、页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度如果机构的自由度等于零，则说明机构没有运动的可能性。只有当机如果机构的自由度等于零，则说明机构没有运动的可能性。只有当机构的自由度等于原动件的个数时，机构才不会随意乱动。换句话说，构的自由度等于原动件的个数时，机构才不会随意乱动。换句话说，机构具有确定运动的条件是机构具有确定运动的条件是:自由度数目自由度数目F0，且原动件数目必须等，且原动件数目必须等于自由度数目，不能多也不能少。以于自由度数目，不能多也不能少。以W表示原动件数，该条件可表示表示原动件数，该条件可表示为为:W=F=3n-2PL-PH0 (2.2)利用式利用式(2.1)可以计算或验算连杆

39、机构、凸轮机构、齿轮机构和它可以计算或验算连杆机构、凸轮机构、齿轮机构和它们的组合机构的自由度，尤其是在设计新的机构或拟定复杂的运动方们的组合机构的自由度，尤其是在设计新的机构或拟定复杂的运动方案时具有指导意义，但式案时具有指导意义，但式(2.1)不适用于带传动、链传动等具有挠性不适用于带传动、链传动等具有挠性件的机构。一般情况下也没有必要计算这些机构的自由度。件的机构。一般情况下也没有必要计算这些机构的自由度。下一页上一页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度式式(2.2)可以判断、检验或确定机构原动件的个数可以判断、检验或确定机构原动件的个数;同时说明活动构件、同时说明活动构件、低副、高

40、副个数如何分配，才能组成机构。低副、高副个数如何分配，才能组成机构。2.3.2计算平面机构自由度应注意的事项计算平面机构自由度应注意的事项 在计算机构的自由度时，往往会遇到按公式计算出的自由度数目与在计算机构的自由度时，往往会遇到按公式计算出的自由度数目与机构的实际自由度数目不相符的情况。这往往是因为在应用公式计算机构的实际自由度数目不相符的情况。这往往是因为在应用公式计算机构的自由度时，还有某些应该注意的事项未能正确考虑的缘故。现机构的自由度时，还有某些应该注意的事项未能正确考虑的缘故。现将应该注意的主要事项简述如下。将应该注意的主要事项简述如下。1.复合铰链复合铰链 两个以上的构件同时在一

41、处以转动副相连接，就构成了所谓的复合两个以上的构件同时在一处以转动副相连接，就构成了所谓的复合铰链。铰链。2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度下一页上一页如如图图2-13所示，它是三个构件在一起以转动副相连接而构成的复合所示，它是三个构件在一起以转动副相连接而构成的复合铰链。由铰链。由图图2-13(b)可以看出，这三个构件共同构成的是两个转动可以看出，这三个构件共同构成的是两个转动副。同理，若有副。同理，若有m个构件以复合铰链相连接时，其构成的转动副数应个构件以复合铰链相连接时，其构成的转动副数应等于等于(m-1)个。因此在计算机构的自由度时，应注意是否存在复合个。因此在计算机构的自由度时

42、，应注意是否存在复合铰链，以免将运动副数目计算错而得出错误的结果。铰链，以免将运动副数目计算错而得出错误的结果。例例2-2 计算计算图图2-14所示的直线机构的自由度。所示的直线机构的自由度。解解:图示机构中活动构件数为图示机构中活动构件数为n=7，低副数，低副数PL=10，其中，其中，P处是三处是三个构件组成的复合铰链，具有两个转动副，高副数个构件组成的复合铰链，具有两个转动副，高副数P =0，由式，由式(2.1)得得F=3n-2PL-PH=3X7-2X10=12.3 平面机构的自由度平面机构的自由度下一页上一页 2.局部自由度局部自由度 在有些机构中，其某些构件产生的局部运动并不影响其他构

43、件的在有些机构中，其某些构件产生的局部运动并不影响其他构件的运动。将这些构件所能产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度。运动。将这些构件所能产生的这种局部运动的自由度称为局部自由度。例如，在例如，在图图2-15(a)所示的滚子从动件凸轮机构中，为了减少高副所示的滚子从动件凸轮机构中，为了减少高副元素的磨损，在推杆和凸轮之间装了一个滚子。该机构的计算自由度元素的磨损，在推杆和凸轮之间装了一个滚子。该机构的计算自由度数为数为F=3n-2PL-PH=3X3-2X3-1=2，但实际上当该机构以凸轮，但实际上当该机构以凸轮一个构件为原动件时，便具有确定的运动。产生这种与平面机构具有一个构件为原动件时，

44、便具有确定的运动。产生这种与平面机构具有确定相对运动条件不相吻合的原因是确定相对运动条件不相吻合的原因是:滚子绕其自身轴线转动所形成滚子绕其自身轴线转动所形成的运动副不影响凸轮机构的运动规律，是一个多出来的局部自由度，的运动副不影响凸轮机构的运动规律，是一个多出来的局部自由度，它是否存在并不影响机构的运动规律。它是否存在并不影响机构的运动规律。下一页上一页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度局部自由度多见于变滑动摩擦为滚动摩擦以减少磨损的场合。排除局部局部自由度多见于变滑动摩擦为滚动摩擦以减少磨损的场合。排除局部自由度的方法是假想地将滚子与从动件固结

45、为一体，如自由度的方法是假想地将滚子与从动件固结为一体，如图图2-15(b)所所示，这样，在计算机构自由度时就不会出现错误。按示，这样，在计算机构自由度时就不会出现错误。按图图2-15(b)计算计算出的凸轮机构的自由度数为出的凸轮机构的自由度数为F=3n-2PL-PH=3X2-2X2-1=1，与实，与实际情况吻合。际情况吻合。由此可见，在计算机构的自由度时，应将机构中的局部自由度除去。由此可见，在计算机构的自由度时，应将机构中的局部自由度除去。3.虚约束虚约束 在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动实际上起不到约在机构中，有些运动副带入的约束，对机构的运动实际上起不到约束作用。将这类对机

46、构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束。虚束作用。将这类对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束。虚约束常出现在以下场合约束常出现在以下场合:下一页上一页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度 1)导路平行或重合导路平行或重合 如如图图2-16所示的机构，在所示的机构，在A,P两处形成的移动副导路重合，其两处形成的移动副导路重合，其中之一为虚约束，计算时只取其一，其自由度为中之一为虚约束，计算时只取其一，其自由度为F=3n-2PL-PH=3X5-2X7-1X0=1。2)轨迹重合轨迹重合 在在图图2-17所示的平行四边形机构中，机构运动时，构件所示的平行四边形机构中，机构运动时，构件5上

47、上E点点的轨迹与构件的轨迹与构件3上上E点的轨迹完全重合，从运动的角度看，构件点的轨迹完全重合，从运动的角度看，构件5对对机构的约束是重复的，属于虚约束，计算时应除去，即把构件机构的约束是重复的，属于虚约束，计算时应除去，即把构件5及其及其与机架与机架1、构件、构件3形成的转动副一起除去。因此，该机构的自由度形成的转动副一起除去。因此，该机构的自由度F=3X3-2X4-0=1。下一页上一页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度3)对称结构对称结构 如如图图2-18所示的轮系，中心轮所示的轮系，中心轮1经过两个对称布置的小齿轮经过两个对称布置的小齿轮2驱驱动内齿轮动内齿轮3，其中有一个小齿轮对

48、传递运动不起独立作用引入了虚约，其中有一个小齿轮对传递运动不起独立作用引入了虚约束。将其中一个小齿轮束。将其中一个小齿轮2去掉，不会影响其他构件的运动，故计算自去掉，不会影响其他构件的运动，故计算自由度时，由度时，n=3。如果在机构运动的过程中，某两构件上两点之间的距离始终保持如果在机构运动的过程中，某两构件上两点之间的距离始终保持不变，那么若将此两点以构件相连，因此也将带入不变，那么若将此两点以构件相连，因此也将带入1个虚约束。如个虚约束。如图图2-19所示，在平行四边形机构所示，在平行四边形机构ABCD的运动过程中，构件的运动过程中，构件1上的上的E点点与构件与构件3上的上的F点之间的距离

49、始终保持不变，故当将点之间的距离始终保持不变，故当将E,F两点与构件两点与构件5相连接时也必将带入一个虚约束。相连接时也必将带入一个虚约束。下一页上一页2.3 平面机构的自由度平面机构的自由度图图2-17所示的情况，也可以说是属于这种情况。所示的情况，也可以说是属于这种情况。由上述可见，机构中的虚约束都是在一些特定的几何条件下出现由上述可见，机构中的虚约束都是在一些特定的几何条件下出现的。如果这些几何条件不能满足，则原认为是虚约束的约束就将变成的。如果这些几何条件不能满足，则原认为是虚约束的约束就将变成为实际有效的约束，而使机构的自由度减少。故从保证机构运动和便为实际有效的约束，而使机构的自由

50、度减少。故从保证机构运动和便于加工装配等方面来说，应尽量减少机构中的虚约束。但在各种实际于加工装配等方面来说，应尽量减少机构中的虚约束。但在各种实际机械中，为了改善构件的受力情况，增加机构的刚度，或保证机械顺机械中，为了改善构件的受力情况，增加机构的刚度，或保证机械顺利运动等目的，虚约束往往是存在的。利运动等目的，虚约束往往是存在的。例例2-3 试计算试计算图图2-20所示大筛机构机构的自由度，并判断该机所示大筛机构机构的自由度，并判断该机构是否具有确定的相对运动构是否具有确定的相对运动(图中标有箭头的是原动件图中标有箭头的是原动件)。解解:由图可知，该机构在由图可知，该机构在C处形成复合铰链