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1、机构的结构分析机构的结构分析2-1 2-1 机构结构分析的内容及目的机构结构分析的内容及目的 主要内容和目的主要内容和目的1 1、机构的组成，运动简图的画法、机构的组成，运动简图的画法 2 2、机构具有确定运动的条件、机构具有确定运动的条件 3 3、机构的组成原理及结构分类、机构的组成原理及结构分类 运动副分类运动副分类：按运动副引入的约束数分类按运动副引入的约束数分类 I I级副、级副、IIII级副、级副、IIIIII级副、级副、IVIV级副、级副、V V级副级副 按两构件相对运动的形式分类按两构件相对运动的形式分类 平面运动副平面运动副 转动副转动副 空间运动副空间运动副 移动副移动副 按

2、运动副的接触形式分类按运动副的接触形式分类 低副低副面与面接触的运动副面与面接触的运动副 高副高副点、线接触的运动副点、线接触的运动副 由两个以上构件通过运动副联接由两个以上构件通过运动副联接而成的构件系统而成的构件系统运动链运动链A1234BCC1234ABD123456ABCDEFG4 4 运动链运动链闭式运动链闭式运动链开式运动链开式运动链各构件首尾封闭的运动链各构件首尾封闭的运动链各构件首尾不封闭的运动链各构件首尾不封闭的运动链1234ABCD 在运动链中，将某一个构件为机架，另一个在运动链中，将某一个构件为机架，另一个或若干个构件按给定运动规律相对于机架运动，或若干个构件按给定运动规

3、律相对于机架运动，若其余构件都具有确定的相对运动，则该运动链若其余构件都具有确定的相对运动，则该运动链为机构。为机构。机构机构2-3 2-3 机构运动简图机构运动简图 1.1.常用机构、运动副及构件的简图符号常用机构、运动副及构件的简图符号简图简图符号符号圆柱外齿轮机构圆柱外齿轮机构 圆柱内齿轮机构圆柱内齿轮机构简图简图符号符号圆锥齿轮机构圆锥齿轮机构简图简图符号符号带传动带传动蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构齿轮齿条机构齿轮齿条机构简图简图符号符号简图简图符号符号简图简图符号符号盘形凸轮机构盘形凸轮机构简图简图符号符号移动凸轮机构移动凸轮机构电动机电动机简图简图符号符号通用符号（不指明类型）通用符号

4、（不指明类型）电动机（一般符号）电动机（一般符号）装在支架上的电动机装在支架上的电动机 常见平面常见平面 运动副的简图符号运动副的简图符号机架和活动机架和活动构件通过转构件通过转动副联接动副联接 机架和活动机架和活动构件通过移构件通过移动副联接动副联接两个活动构件联接两个活动构件联接机架机架带两个移动带两个移动副的构件副的构件带一个转动副和一带一个转动副和一个移动副的构件个移动副的构件带一个转动副带一个转动副和一个平面高和一个平面高副的构件副的构件带两个转动带两个转动副的构件副的构件 常见构件的简图符号常见构件的简图符号注：点划线表注：点划线表示与其联接的示与其联接的其它构件其它构件三副构件三

5、副构件(一个构件和三个外副一个构件和三个外副)带三个转动副形带三个转动副形成封闭三角形的成封闭三角形的构件构件带三个转动副带三个转动副的杆状构件的杆状构件带两个转动副带两个转动副和一个移动副和一个移动副的构件的构件带一个转动副带一个转动副和两个移动副和两个移动副的构件的构件2.2.机构示意图机构示意图 内燃机内燃机用用构件和运动副构件和运动副代表符号代表符号表示的，只反映表示的，只反映机构结构状况、各构件相对运动情况，机构结构状况、各构件相对运动情况，不不要求严格按比例画要求严格按比例画的简图的简图 A1342CD颚式破碎机颚式破碎机3.3.机构运动简图机构运动简图 用用构件和运动副构件和运动

6、副代表符号代表符号表示的表示的、严格按比例画严格按比例画的、的、说明机构中各构件之间的相对运动关系的说明机构中各构件之间的相对运动关系的简化图形简化图形B机构运动简图绘制的方法与步骤：机构运动简图绘制的方法与步骤：1.1.确定构件确定构件数目数目及及原动件原动件、输出构件输出构件；2.2.根据各构件间的根据各构件间的相对运动相对运动确定确定运动副运动副的的种类和数目种类和数目；3 3.选定选定比例尺比例尺，按规定符号按规定符号绘制运动简图；绘制运动简图；4.4.标明机架、原动件和作图比例尺；标明机架、原动件和作图比例尺；5.5.验算自由度。验算自由度。用规定简单用规定简单符号符号和和线条线条代

7、表运动副和构件，并代表运动副和构件，并按按比例比例表达机构的表达机构的运动尺寸运动尺寸，绘制出的表示机构运，绘制出的表示机构运动的简明图形称为机构运动简图动的简明图形称为机构运动简图机构运动简图的绘制机构运动简图机构运动简图机构运动简图的绘制直推式举升机构直推式举升机构机构运动简图机构运动简图机构运动简图的绘制直推式举升机构直推式举升机构连杆式倾卸机构连杆式倾卸机构连杆式倾卸机构连杆式倾卸机构12344556CABDEFGH内燃机机构内燃机机构2-4 2-4 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 机构机构(运动链运动链)具有确定相对运动的条件：具有确定相对运动的条件：机构原动件的数目应

8、等于机构自由度的数目机构原动件的数目应等于机构自由度的数目机构机构(运动链运动链)具有确定相对运动的定义：具有确定相对运动的定义：当机构的当机构的原动件按给定的原动规律运动原动件按给定的原动规律运动时，该机构中时，该机构中其其余构件的运动随之完全确定。余构件的运动随之完全确定。HLPPnF23042331原动件的数目原动件的数目机构自由度数机构自由度数机构自由度数机构自由度数各构件具有确定相对运动各构件具有确定相对运动运动干涉运动干涉机构机构(运动链运动链)具有确定相对运动的条件：具有确定相对运动的条件：机构原动件的数目应等于机构自由度的数目机构原动件的数目应等于机构自由度的数目HLPPnF2

9、3205243原动件的数目原动件的数目机构自由度数机构自由度数机构自由度数机构自由度数各构件具有确定相对运动各构件具有确定相对运动运动干涉运动干涉机构自由度数机构自由度数 各构件无确定运动（乱动）各构件无确定运动（乱动）应有两个起始构件应有两个起始构件012345123452-5 2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算 1 1 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算xy01 1）平面自由构件的自由度数目）平面自由构件的自由度数目-3-3个个2 2）运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度）运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度转动副引入转动副引入2 2个个约束约束移动副引入移动副

10、引入2 2个个约束约束高副引入高副引入1 1个个约束约束xyo21构件构件2 2，1 1只有绕只有绕o o 点的点的相对转动。相对转动。xyo21构件构件2 2、1 1只有沿只有沿x x 轴的轴的相对移动。相对移动。xyo1构件构件1 1有沿有沿x x 轴的移动轴的移动和绕和绕o 点的转动。点的转动。nntt2-5 2-5 机构自由度的计算机构自由度的计算 无论低副联接还是高副联接，引入几个约束，无论低副联接还是高副联接，引入几个约束，就同时失去几个自由度就同时失去几个自由度结论结论:平面低副引入平面低副引入2 2个个约束约束平面高副引入平面高副引入1 1个个约束约束 由此得出由此得出平面自由

11、度计算公式平面自由度计算公式机构的自由度：机构的自由度：即即：F F 3 3n n 2 2P PL L P PH H3 3 2 2 低副数低副数1 1 高副数高副数F=机构自由度计算机构自由度计算三杆结构三杆结构HLppnF23四杆机构四杆机构（桁架结构）（桁架结构）桁架结构：不能产生相对运动的构件组合。桁架结构：不能产生相对运动的构件组合。F F 3 3n n 2 2P PL L P PH H例例：F F3 3n n 2 2P PL L P PH H 23413 3 2 4 01F3n 2PL PH3 2-2 2-11DAFCBE原动件12345矿石例：判断破碎机是否有确定运动。例：判断破碎

12、机是否有确定运动。DAFCBE原动件12345矿石F=3n-2pL-pHn =5;pL=7;pH=0;F=35-27-0=1.F=原动件数，故有确定运动。例：判断破碎机是否有确定运动。例：判断破碎机是否有确定运动。DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345DAFCBE2345五杆机构五杆机构F F 3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 4 2 2 5 0 2F3n 2PL PH3 3-

13、2 5-0 1约束过多，为超静定桁架约束过多，为超静定桁架F0 为桁架为桁架PL=4,PH=1F=0n=3,123ACB4D 例例 故该运动链不能成为机构故该运动链不能成为机构F F 3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 3 2 2 4 1 0F F3 3n n 2 2P PL L P PH HF F 3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 5 2 2 6 0 3错错F F 3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 5 2 2 7 0 1 对对因此，在自由度计算中还要注意某些问题因此，在自由度计算中还要注意某些问题1436523 4-2 5-112-6 2-

14、6 计算平面机构自由度时应注意的事项计算平面机构自由度时应注意的事项 F=3n-2PL-PH =3 5 5-2-2 7 7-0 0 =1 =1F=3n-2PL-PH =3 5 5-2-2 6 6-0 0 =3 =3m m个构件铰接在一起时，转动副数目为个构件铰接在一起时，转动副数目为m m-1-11.1.复合铰链复合铰链123三个杆件在一处构成三个杆件在一处构成转动副，其转动副数转动副，其转动副数目为：目为：PL=31=223561424356例例 圆盘锯机构圆盘锯机构F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 72 2 60 0 9 9 F F3 3n n2 2P PL LP

15、PH H 3 3 72 2 100 0 1 1?A,B,C,D处为复合铰链处为复合铰链ABCDEFF F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 52 2 70 0 1 1 2.2.局部自由度局部自由度 在计算时，应除去局部自度。在计算时，应除去局部自度。如不剔除局部自由度，计算的如不剔除局部自由度，计算的 结果将比正确值大。结果将比正确值大。F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 2 22 2 21 1=1=1所谓局部自由度：是指机构中某些构件所具有的所谓局部自由度：是指机构中某些构件所具有的不影响其他构件运动的自由度不影响其他构件运动的自由度F F3 3n n2

16、 2P PL LP PH H 3 3 32 2 31 1=2=221ACB4321ACB33.虚约束虚约束-不产生实际约束效果的不产生实际约束效果的重复约束重复约束 在特定的条件下，某些运动副所引入的约束可在特定的条件下，某些运动副所引入的约束可能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不能与其它运动副所起的限制作用是一致的。这种不起独立限制作用的重复约束称为虚约束。起独立限制作用的重复约束称为虚约束。虚约束虚约束经常出现经常出现在以下几种在以下几种情况情况中：中：（1）两构件间构成多个移动副，移动导路平行或重合两构件间构成多个移动副，移动导路平行或重合123123真实约束真实约束（2）两构件

17、构成转动副，转动轴线重合两构件构成转动副，转动轴线重合虚约束虚约束（3）两构件在多处构成高副，各接触点的公法线重合或平行两构件在多处构成高副，各接触点的公法线重合或平行两处高副两处高副（相当于一个移动低副）（相当于一个移动低副）一处高副一处高副虚约束虚约束BA 两活动构件上两动点的距离始终保持不变两活动构件上两动点的距离始终保持不变（4）新增的杆新增的杆EFEF为虚约束为虚约束 F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 460 0F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 32 2 4 40 0 1 1ABCDFECDABEF注意：注意：当不剔除虚约束时，当不剔除虚约束时

18、，计算出的结果比正确值要小计算出的结果比正确值要小处理方法：去掉联结两点处理方法：去掉联结两点的构件及运动副的构件及运动副F=3n 2PL PH =33 24 =1(5(5）用运动副连接的是两构件上轨迹重合的点用运动副连接的是两构件上轨迹重合的点46 0F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 2 2 034F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 2 2 10CAD=BD=DC2AB13D4处理方法：将被联结构件及处理方法：将被联结构件及形成的运动副除去形成的运动副除去行星轮系行星轮系（6）机构中对运动不起作用的对称部分机构中对运动不起作用的对称部分 124F

19、21F212143F31F21F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 3-2 3-2 1 1在该机构中，在该机构中，齿轮齿轮3是是齿轮齿轮2的的对称部分对称部分，为虚约束，为虚约束计算时应将计算时应将齿轮齿轮3及其引入的约束去掉及其引入的约束去掉来计算来计算同理，若将同理，若将齿轮齿轮2当作虚约束去掉，完全一样当作虚约束去掉，完全一样123233F21322OH处理方法：去掉对称部分处理方法：去掉对称部分虚约束的作用虚约束的作用改善受力改善受力增加刚度增加刚度避免卡死避免卡死较高制造与安装精度较高制造与安装精度小结：小结：自由度自由度1.2.3.4.1、复合铰链复合铰链计算在

20、内计算在内2、局部自由度局部自由度排除排除3、虚约束虚约束排除排除例例2 2局1234567复41235789例例1F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 6 62 2 8 81 1 3 3 7 72 2 9 91 12 2F F3 3n n2 2P PL LP PH H1 1复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度虚约束虚约束局部自由度局部自由度虚约束虚约束例例3F F3 3n n2 2P PL LP PH H 3 3 2 2 8111 112345678A例例4 42CB13DE5647110273F局部自由度局部自由度虚约束虚约束118263F机构具有确定运动机构具有确定运

21、动,因为原动件数等于机构自由度数因为原动件数等于机构自由度数F F。EABCDO FGH复合铰链复合铰链ABCDEGF例例6计算图示机构的自由度计算图示机构的自由度4123解：解：该机构全由该机构全由移动副移动副组成，组成，其自由度计算公式为：其自由度计算公式为：例例7计算图示机构的自由度，并指出存在的复合铰链、局计算图示机构的自由度，并指出存在的复合铰链、局部自由度和虚约束处。并说明该机构是否具有确定的运动部自由度和虚约束处。并说明该机构是否具有确定的运动。HLPPnF23227263 解：解：1，两处虚约束：两处虚约束：凸轮处和导轨凸轮处和导轨E、F处；处；一处复合铰链一处复合铰链 A 处

22、。处。15322LPnF2，该机构，该机构没有确定运动。成为机构的没有确定运动。成为机构的 条件：应有两个起始构件条件：应有两个起始构件ABCDEF例例8 计算图示机构的自由度，并指出存在的计算图示机构的自由度，并指出存在的复合铰链复合铰链、局部局部自由度自由度和和虚约束虚约束处。并说明成为机构的条件。处。并说明成为机构的条件。115243HLPPnF23解：解：1，2,D处为处为局部自由度局部自由度，E、F处处 有一处为有一处为虚约束虚约束；3,应有一个起始构件应有一个起始构件123451234例例9如图所示为牛头刨床设计方案草图。如图所示为牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由设计思路为

23、：动力由曲柄曲柄1输入，使输入，使摆动导杆摆动导杆3往复摆动，并带动往复摆动，并带动滑枕滑枕4作作往复移动，以达到刨削的目的。试问往复移动，以达到刨削的目的。试问图示的构件组合是否能达到此目的？图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，应如何改进？如果不能，应如何改进？解解:1,HLPPnF23062432,该机构不能动，修改方案如下：该机构不能动，修改方案如下：题图题图12345a)12345b)12345d)思考：思考：如果计算出的机构自由度如果计算出的机构自由度 F=1 应增加一个什么样的构件？应增加一个什么样的构件？小结：小结：如果计算出的机构自由度如果计算出的机构自由度 F=0？12

24、345c)1234题图题图应增加应增加一个带有一个低副一个带有一个低副的构件。的构件。例例10 10 计算机构的自由度（若有虚约束、局部自由度和复合铰链须计算机构的自由度（若有虚约束、局部自由度和复合铰链须 指出），分析该该机构是否具有确定运动。并提出改进措施。指出），分析该该机构是否具有确定运动。并提出改进措施。32LHFnPP332 410 解：解：1）计算自由度）计算自由度2）改进措施）改进措施该题见教材该题见教材2-1211234机构简图机构简图35112453112411234题图题图32LHFnPP 3 42 5 111123451123432LHFnPP 3 42 5 1132L

25、HFnPP 3 32 32111234题图题图例例11 计算下列机构的自由度计算下列机构的自由度32LHFnPP 3 52 7132LHFnPP 3 52 711234512345课堂练习题课堂练习题2-8 2-8 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 、结构分类及、结构分类及结构分析结构分析 1.1.平面机构的组成原理平面机构的组成原理 任何机构都可以看成是由若干个任何机构都可以看成是由若干个基本杆组基本杆组依次连接于原动依次连接于原动件和机架而成的，这就是件和机架而成的，这就是机构的组成原理机构的组成原理基本杆组基本杆组一个机构被拆除基本机构后，所一个机构被拆除基本机构后，所剩下的、不能再

26、继续拆分的剩下的、不能再继续拆分的自由度为零自由度为零的杆组的杆组基本机构基本机构最简单的机构，即由一个原动件和相对最简单的机构，即由一个原动件和相对固定的机架所组成的机构。固定的机架所组成的机构。一般机构一般机构 =基本机构基本机构 +若干个若干个基本杆组基本杆组=1423123F=3n2PLPH =33 2 4 0 =1F=3n2PLPH =31 2 10 =1典型示例典型示例+F=3n2PLPH =32 2 30 =0基本基本机构机构基本基本杆组杆组注意：注意：基本杆组基本杆组自由度为零自由度为零 1基本杆组分类基本杆组分类级杆组级杆组级杆组级杆组级杆组的特征级杆组的特征具有具有三三个低

27、副的个低副的两两杆件组合杆件组合级杆组的特征级杆组的特征具有具有六六个低副的个低副的四四杆件组合杆件组合常见的常见的级杆组级杆组.平面机构的结构分类平面机构的结构分类级组特征：级组特征：(1)(1)四杆六低副；四杆六低副；(2)(2)具有一个自身带有具有一个自身带有三个外端低副三个外端低副的的中心构件中心构件；常见常见的级杆组的级杆组1423能将其拆成能将其拆成级组吗？级组吗？231414不是运动链不是运动链*级组并不是由两个级组并不是由两个IIII级组构成的！级组构成的！n=4；pL=6,是级组吗？14232拆开其级组43121423不是不是IIIIII级组，而是由两个级组，而是由两个级组构

28、成的运动链。级组构成的运动链。机构的级别取决于机构中的基本杆组的最高级别机构的级别取决于机构中的基本杆组的最高级别另一种说法：另一种说法：机构的级别与机构中最高级别基本杆组机构的级别与机构中最高级别基本杆组的级别一致的级别一致3.3.平面机构的结构分析平面机构的结构分析 结构分析的目的结构分析的目的 1 1）了解机构的组成了解机构的组成 2 2）确定机构的级别确定机构的级别 3 3）为机构受力分析提供简化方法为机构受力分析提供简化方法 2 2）从离原动件最远的杆组折起从离原动件最远的杆组折起 3 3）先试拆先试拆级杆组，不成再考虑按级杆组，不成再考虑按级组拆级组拆典型例题典型例题分析机构的过程

29、分析机构的过程：1 1）先将机架、原动件与其它构件分离先将机架、原动件与其它构件分离2314567ABCDEFGHIJ1A23BCD6754EFGHIJ例例7 分别以构件分别以构件2、4、8为原动件，确定机构的杆组及机构的级别。为原动件，确定机构的杆组及机构的级别。12A78GH6CEF543BDa)12345678ABCDEFGH注意：注意：已拆过的杆和运动副不能重复再拆已拆过的杆和运动副不能重复再拆解解:以以2为原动件为原动件题图题图12345678ABCDEFGH题图题图b)解解:以以4为原动件为原动件42D3BAH87G56CEF12345678ABCDEFGH题图题图67FGH823

30、45ABCDEc)解解:以以8为原动件为原动件例例8 计算机构的自由度，并确定机构的杆组及机构的级别。计算机构的自由度，并确定机构的杆组及机构的级别。1A12345678910ABCDEFGHIJK23BCE89IJH7F456DGHK解解:1.计算机构的自由度计算机构的自由度hlPPnF2310132932.拆分杆组拆分杆组该机构为三级机构该机构为三级机构 2-9 2-9 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代高副低代的目的高副低代的目的高副低代必须满足的条件高副低代必须满足的条件 便于机构的组成分析便于机构的组成分析 便于机构的运动分析便于机构的运动分析 替代前后机构的替代前后机构的自由

31、度不变自由度不变 替代前后机构的替代前后机构的瞬时速度瞬时速度、瞬时加速度瞬时加速度不变不变 替代的结果替代的结果:原机构增加原机构增加一个一个具有具有两个低副的构件两个低副的构件 具体替代的方法具体替代的方法 1.1.两高副两高副运动副元素运动副元素为圆弧（或曲为圆弧（或曲线）线）新增杆件新增杆件是是两圆弧（或曲两圆弧（或曲线）几何中心连线表示的杆线）几何中心连线表示的杆。两低两低副副为为转动副转动副，其位置在两弧（或曲，其位置在两弧（或曲线）线）几何中心几何中心。示意图示意图1231 2ABr1r2K1K24ABK2K121 123321BAO1O2o1o21232.机构中高副两元素为机构

32、中高副两元素为非圆弧曲线非圆弧曲线k1k2124o1o2k2k1321O1O233.3.高副两元素高副两元素之一为直线之一为直线直线的曲率中心在过接触点所作直线的曲率中心在过接触点所作公法线方向公法线方向的的无穷远处无穷远处，用一个移动副代替，用一个移动副代替K1K24K121O1O2341KK4.4.高副两元素之一为高副两元素之一为一个点一个点，新增构件用接触点和过接触点，新增构件用接触点和过接触点曲线的曲率中心连线来表示。曲线的曲率中心连线来表示。K212O1341K22O1341K1KK1例例9 计算下列机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别计算下列机构自由度，并将高副低代，判断机构的

33、级别。1234K1K2解解:1.计算机构的自由度计算机构的自由度hlPPnF 231122232.高副低代高副低代3.判断机构的级别判断机构的级别该机构为二级机构该机构为二级机构4K22K113AC1A4K22K1C对有局部自由度的机构进行高副低代时，先不剔除局部自由度对有局部自由度的机构进行高副低代时，先不剔除局部自由度例例10 计算图示机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别计算图示机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别。解：解：1.计算机构自由度计算机构自由度12345678hlPPnF231292732.高副低代高副低代3.判断机构的级别判断机构的级别A91234567810109FT例例11 计算图示机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别计算图示机构自由度，并将高副低代，判断机构的级别。（c）11524323HLPPnF解：解：12 高副低代；高副低代；3 杆组拆分如（杆组拆分如（c）图所示）图所示该机构为该机构为3级级机构，机构，（a）（b）612345123456105 结束语结束语