第2章机构结构

1、本章教学目的和内容本章教学目的和内容 了解机构的组成，了解机构的组成， 搞清运动副、运动链、自由度等概念搞清运动副、运动链、自由度等概念 能绘制常用机构的机构运动简图能绘制常用机构的机构运动简图 能计算平面机构的自由度能计算平面机构的自由度 了解平面机构组成的基本原理了解平面机构组成的基本原理 掌握机构结构分析的方法掌握机构结构分析的方法本章教学内容本章教学内容2-1 机构的组成机构的组成2-2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制2-3 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件2-4 机构自由度的计算机构自由度的计算2-5 计算平面机构自由度应注意事项计算平面机构自由度应注意事项2-6

2、平面平面机构的组成原理及结构分析机构的组成原理及结构分析一、构件一、构件从制造加工角度：机械由零件组成从制造加工角度：机械由零件组成 零件零件制造单元体制造单元体 从运动和功能实现角度：机械由构从运动和功能实现角度：机械由构件组成件组成 构件构件独立运动的单元体独立运动的单元体注意：注意：构件可以是单一零件，也可以是几构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性联接个零件的刚性联接套筒套筒连杆体连杆体螺栓螺栓垫圈垫圈螺母螺母轴瓦轴瓦连杆盖连杆盖内燃机内燃机连杆连杆一、构件一、构件二、运动副二、运动副 运动副定义：指两构件直接接触并运动副定义：指两构件直接接触并能产生相对运动的联接。能产生相对运动

3、的联接。 运动副元素定义：指两个构件直接运动副元素定义：指两个构件直接接触而构成运动副的部分。接触而构成运动副的部分。 作者：潘存云教授a)两个构件、两个构件、b) 直接接触、直接接触、c) 有相对运动有相对运动运动副元素直接接触的部分（点、线、面）运动副元素直接接触的部分（点、线、面）例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。三个条件，缺一不可三个条件，缺一不可作者：潘存云教授二、运动副二、运动副运动副元素不外乎为运动副元素不外乎为点、线、面。点、线、面。二、运动副二、运动副1. 构件的自由度：构件的自由度：指一个构件相对另指一个构件相对另一个构件可能出现的独立

4、运动。一个一个构件可能出现的独立运动。一个自由构件在空间具有自由构件在空间具有6个自由度。个自由度。2. 约束：约束：指通过运动副联接的两构件之间的某些相指通过运动副联接的两构件之间的某些相对独立运动所受到的限制。对独立运动所受到的限制。运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数运动副引入的约束数等于两构件相对自由度减少的数目。运动副引入的约束数：最多为目。运动副引入的约束数：最多为5个。个。二、运动副二、运动副1. 按运动副相对运动形式分按运动副相对运动形式分4种种 运动副分类（五种分类）运动副分类（五种分类）转动副转动副移动副移动副球面副球面副螺旋副螺旋副二、运动副二、运动副二、运动副

5、二、运动副 2. 按运动副引入的约束数分（运动副级别）按运动副引入的约束数分（运动副级别）n级运动副：指引入级运动副：指引入n个约束的运动副。个约束的运动副。级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副、级副级副级副级副级副级副级副级副级副级副二、运动副二、运动副 低副：两构件通过面接触而构成的运动副统称为低低副：两构件通过面接触而构成的运动副统称为低副（如转动、移动副）；副（如转动、移动副）； 高副：两构件通过点或线接触而构成的运动副统称高副：两构件通过点或线接触而构成的运动副统称为高副（如滚动副、凸轮副、齿轮副等）。为高副（如滚动副、凸轮副、齿轮副等）。低副低副高副高副3. 按运动副接触

6、形式分（最重要）按运动副接触形式分（最重要） 4. 按运动副的封闭方式分按运动副的封闭方式分 几何封闭副：指借助于构件的结构形几何封闭副：指借助于构件的结构形状所产生的几何约束来封闭的运动副状所产生的几何约束来封闭的运动副; 力封闭副：指借助于重力、弹簧力、力封闭副：指借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭的运动副。气液压力等来封闭的运动副。二、运动副二、运动副力封闭副力封闭副几何封闭副几何封闭副5. 按运动副的运动空间分按运动副的运动空间分 平面运动副：指构成运动副的两个构平面运动副：指构成运动副的两个构件之间的相对运动为平面运动的运动副件之间的相对运动为平面运动的运动副; 空间运动副：指构成

7、运动副的两个构空间运动副：指构成运动副的两个构件之间的相对运动为空间运动的运动副。件之间的相对运动为空间运动的运动副。二、运动副二、运动副三、运动链三、运动链 运动链：指两个以上的构件通运动链：指两个以上的构件通过运动副联接而成的系统。过运动副联接而成的系统。 闭链闭链: 运动链运动链的各构件构成首的各构件构成首尾封闭的系统。尾封闭的系统。 开链开链: 运动链的运动链的各构件未构成首尾各构件未构成首尾封闭的系统。封闭的系统。作者：潘存云教授平面运动链：各构件间的相对运动为平面运动的平面运动链：各构件间的相对运动为平面运动的运动链。运动链。 空间运动链：各构件间的相对运动为空间运动空间运动链：各

8、构件间的相对运动为空间运动的运动链的运动链 。三、运动链三、运动链空间运动链空间运动链 四、机构四、机构机构机构:在运动链中将一构件在运动链中将一构件加以固定加以固定, 而其余构件都具有而其余构件都具有确定的运动，则运动链便成确定的运动，则运动链便成为机构。为机构。机架：机构中固定不动构件机架：机构中固定不动构件原动件原动件: 机构中按给定运动机构中按给定运动规律独立运动的构件规律独立运动的构件从动件从动件: 机构其余活动构件机构其余活动构件机架机架原动件原动件原动件原动件从动件从动件 平面机构平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。机构中各构件间的相对运动为平面运动。 空间机构空间机

9、构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。机构中各构件间的相对运动为空间运动。 四、机构四、机构 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：机构运动简图：指根据机指根据机构的运动尺寸构的运动尺寸, 按一定的按一定的比例尺定出各运动副的位比例尺定出各运动副的位置置, 并用国标规定的简单并用国标规定的简单线条和符号代表构件和运线条和符号代表构件和运动副，绘制出表示机构运动副，绘制出表示机构运动关系的简明图形。动关系的简明图形。为什么要画机构运动简图？为什么要画机构运动简图？机构的运动：与原动件运动规律、运动副类机构的运动：与原动件运动规律、运动副类型、机构运动尺寸有关。型、机构运动尺寸有关。机构的示意

10、图：机构的示意图：指为了表明机构结构状况指为了表明机构结构状况, 不要不要求严格地按比例而绘制的简图。求严格地按比例而绘制的简图。 机构示意图机构示意图 常用运动副和构件的表示方法常用运动副和构件的表示方法常见运动副符号的表示常见运动副符号的表示: 国标国标GB446084详见教材详见教材 P13 页。页。常用运动副的符号常用运动副的符号运动副运动副名称名称运动副符号运动副符号两运动构件构成的运动副两运动构件构成的运动副转转动动副副移移动动副副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副两构件之一为固定时的运动副122121平平面面运运动动副副平平面面高高副副

11、螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球销销副副121212空空间间运运动动副副121212构件的表示方法构件的表示方法一般构件的表示方法一般构件的表示方法 杆、轴构件杆、轴构件固定构件固定构件同一构件同一构件三副构件三副构件 两副构件两副构件 一般构件的表示方法一般构件的表示方法 注意事项注意事项: 画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质副的性质。常用机构运动简图符号常用机构运动简图符号 在在机机架架上上的的电电机机齿齿轮轮齿齿条条传传动动带带传传动动圆圆锥锥齿齿轮轮传传动动链链传传动动圆柱圆柱蜗杆蜗杆蜗轮蜗轮传动传动凸凸

12、轮轮传传动动外啮外啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动棘棘轮轮机机构构内啮内啮合圆合圆柱齿柱齿轮传轮传动动机构运动简图应满足的条件机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目运动副的性质、数目 与实际相符与实际相符 3.运动副之间的相运动副之间的相 对位置以及构件对位置以及构件 尺寸与实际机构尺寸与实际机构 成比例。成比例。绘制机构运动简图绘制机构运动简图顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍，顺口溜：先两头，后中间，从头至尾走一遍， 数数构件是多少，再看它们怎相联。数数构件是多少，再看它们怎相联。思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线思路：先定

13、原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。动副的类型，并用符号表示出来。绘制运动简图的步骤绘制运动简图的步骤1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；4.检验机构是否满足运动确定的条件。检验机构是否满足运动确定的条件。2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。绘制示意图。3.按比例绘制运动简图。按比例绘制运动简图。 简图比例尺：简图比例尺： l = =实际尺寸实际尺

14、寸 m / m / 图上长度图上长度mmmm举例：绘制举例：绘制破碎机破碎机和冲床的机构运动简图。和冲床的机构运动简图。例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图例题一：绘制图示颚式破碎机的机构运动简图分析：该机构有分析：该机构有6个个构件和构件和7个转动副。个转动副。123456 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法例题二、图示为一冲床。绕固定中心例题二、图示为一冲床。绕固定中心A转动的菱形盘转动的菱形盘1为原动件，与滑块为原动件，与滑块2在在B点铰接，滑块点铰接，滑块2推动拨叉推动拨叉3绕固定轴绕固定轴C转转 动，拨叉动，拨叉3与圆盘与圆盘4为同一构件，当圆盘为同一构件，当圆盘4转动时，

15、通过连杆转动时，通过连杆5使冲头使冲头6实现冲压实现冲压运动。试绘制其机构运动简图。运动。试绘制其机构运动简图。 画机构运动简图的方法画机构运动简图的方法分析：分析：绘制简图：绘制简图：ABCDE1234566个构件，个构件，5个转动个转动副，副，2个移动副个移动副 1. 分析机构的组成及运动情况，确定机构中的分析机构的组成及运动情况，确定机构中的机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运机架、原动部分、传动部分和执行部分，以确定运动副的数目。动副的数目。 2. 循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件循着运动传递的路线，逐一分析每两个构件间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。间相对运动的

16、性质，确定运动副的类型和数目。 3. 恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数恰当地选择投影面：一般选择与机械的多数构件的运动平面相平行的平面作为投影面。构件的运动平面相平行的平面作为投影面。 4. 选择适当的比例尺选择适当的比例尺, 定出各运动副之间的相定出各运动副之间的相对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号对位置，用规定的简单线条和各种运动副符号, 将机将机构运动简图画出来。构运动简图画出来。小结：小结： 实例分析实例分析 给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：其余构件有确定运动。其余构件有确定运动。 机构中给定独立运动机构中给定独立运动参数的构件为原动件。参数的构件为原动件。 问

17、题：取运动链中某个构件为机架，其余问题：取运动链中某个构件为机架，其余构件在什么条件下才具有确定运动构件在什么条件下才具有确定运动？ 结论结论机构具有确定运动的条件为：机构具有确定运动的条件为： 机构原动件数机构原动件数=机构自由度数机构自由度数五杆机构五杆机构给定一个独立运动参数：给定一个独立运动参数：机构没有确定运动。机构没有确定运动。机构具有确定运动时所必机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的须给定的独立运动参数的数目称为机构的自由度。数目称为机构的自由度。给定两个独立运动参数：给定两个独立运动参数：机构有确定运动。机构有确定运动。自由度计算实例分析自由度计算实例分析 F=3n -

18、 2 Pl Ph=34 - 25 - 0=2F=3n - 2 pl ph=33 - 24 - 0=1四杆机构四杆机构五杆机构五杆机构 作平面运动的刚体在空间的作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（位置需要三个独立的参数（x x，y,y,）才能唯一确定。）才能唯一确定。yx(x , y)F = 3单个活动构件的自由度为单个活动构件的自由度为 3 32-4 机构自由度的计算机构自由度的计算 平面机构自由度的计算公式平面机构自由度的计算公式2-4 机构自由度的计算机构自由度的计算自由构自由构件的自件的自由度数由度数运动副运动副 自由度数自由度数 约束数约束数回转副回转副 1（） + 2（x

19、，y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2结论：构件自由度结论：构件自由度3约束数约束数移动副移动副 1（x） + 2（y，）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：自由构件的自由度数约束数自由构件的自由度数约束数2-4 机构自由度的计算机构自由度的计算活动构件数活动构件数 n 计算公式：计算公式： F=3n(2Pl +Ph )构件总自由度构件总自由度 低副约束数低副约束数 高副约束数高副约束数 3n 2 Pl1 Ph推广到一般：推广到一般：

20、上述计算适合于平面机构！上述计算适合于平面机构！ 2-4 机构自由度的计算机构自由度的计算实例分析实例分析1 ：计算曲柄滑块机构的自由度。：计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 3低副数低副数Pl= 4F=3n 2Pl Ph =33 24 =1 高副数高副数Ph=0S31232-4 机构自由度的计算机构自由度的计算例题分析例题分析2 ：计算图示凸轮机构的自由度。：计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数解：活动构件数n= 2低副数低副数Pl= 2F=3n 2Pl Ph =32 221 =1高副数高副数Ph= 1123 复合铰链复合铰链实例分析实例分析3：计算图示直线机构自

21、由度：计算图示直线机构自由度解：解：F=3n-2 pl ph=37 - 26-0=9解：解：F=3n 2 pl ph=37 - 210-0=12-5 2-5 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项 两个以上构件同在一处以转动副相联接两个以上构件同在一处以转动副相联接即构成复合铰链。即构成复合铰链。m个构件以复合铰链联个构件以复合铰链联接所构成的转动副数为接所构成的转动副数为(m-1)个。个。实例分析实例分析4：计算图示凸轮机构自由度：计算图示凸轮机构自由度解：解：F=3n 2 pl ph =33 - 23-1=2F=3n 2 pl ph - F =33 - 23-1-1=1方法二

22、：假想构件方法二：假想构件2 2和和3 3成一体成一体F=3n 2 pl ph =32 22 1=1 2-5 2-5 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项注意：计算机构自由度时注意：计算机构自由度时, 应应将局部自由度除去不计。将局部自由度除去不计。方法一：方法一： 局部自由度局部自由度 2-5 2-5 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项 机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运动，把这种局部运动的自由度称为局他构件的运动，把这种局部运动的自由度称为局部自由度，数目用部自由度，数目用F表示。表示。 指机构在某些

23、特定几何条件或结构条件下，指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不有些运动副带入的约束对机构运动实际上起不到独立约束作用到独立约束作用, 这些对机构运动实际上不起约这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称虚约束，用束作用的约束称虚约束，用P表示。表示。2-5 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项 虚约束虚约束注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。注意：在计算自由度时，应将虚约束除去不计。将因虚约束而减少的自由度再加上。将因虚约束而减少的自由度再加上。 即：即： F=3n 2 pl ph + P 不计引起虚约束的附加构件和运动副数。不计引

24、起虚约束的附加构件和运动副数。 F=3n 2 pl ph去除虚约束的方法：去除虚约束的方法：F=3n-2 pl ph=34 - 26-0=0虚约束常出现的情况虚约束常出现的情况 1. 机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合机构中两构件未联接前的联接点轨迹重合, 则该联接引入则该联接引入1个虚约束个虚约束;2-5 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项正确计算：正确计算：将因虚约束而减少的自由度再加上将因虚约束而减少的自由度再加上 F=3n-2 pl ph + P =34 - 26 - 0+1=1不计引起虚约束的附加构件和运动不计引起虚约束的附加构件和运动副数副数F=3n 2 pl

25、ph=33 - 24-0=1F=3n 2 pl ph=33 - 24-0=1F=3n 2 pl ph=34 - 26-0=0 分析：分析：E3和和E5点的轨迹重合，引入一个虚约束点的轨迹重合，引入一个虚约束正确计算：正确计算：F=3n 2 pl ph + P =34 - 26-0+1=12-5 2-5 计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项两构件在几处接触两构件在几处接触而构成移动副且导路而构成移动副且导路互相平行或重合。互相平行或重合。两个构件组成在几处两个构件组成在几处构成转动副且各转动副构成转动副且各转动副的轴线是重合的。的轴线是重合的。只有一个运动副起约束作只有一个运动副

26、起约束作用，其它各处均为虚约束用，其它各处均为虚约束2. 两构件在几处接触而构成运动副两构件在几处接触而构成运动副3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的公法线重合，则只能算一个平面高副。若公点处的公法线重合，则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合，将提供各法线方向不重合，将提供各2个约束。个约束。有一处为虚约束有一处为虚约束此两种情况没有虚约束此两种情况没有虚约束5. 某些不影响机构运某些不影响机构运动的对称部分或重复动的对称部分或重复部分所带入的约束为部分所带入的约束为虚约束。虚约束。4. 机构运动过程中机构运动过程中, 某两某两构

27、件上的两点之间的距离构件上的两点之间的距离始终保持不变始终保持不变, 将此两点将此两点以构件相联以构件相联, 则将带入则将带入1个个虚约束。虚约束。小结小结 存在于转动副处，存在于转动副处， 正确处理方法：复合铰链处有正确处理方法：复合铰链处有m个构件则有个构件则有(m-1)个转动副个转动副 复合铰链复合铰链 局部自由度局部自由度 常发生在为减小高副磨损常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。所增加的滚子处。 正确处理方法：计算自由正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。度时将局部自由度减去。小结小结 虚约束虚约束 存在于特定的几何条件存在于特

28、定的几何条件或结构条件下。或结构条件下。 正确处理方法：将引起正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除虚约束的构件和运动副除去不计，或加上因虚约束去不计，或加上因虚约束而减少的自由度。而减少的自由度。小结小结例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，例题一：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。并判断该机构是否有确定运动。复合铰链：复合铰链：D包含包含2个转动副个转动副局部自由度：局部自由度：F=2虚约束：虚约束：杆杆8及转动副及转动副F、I引入引入1个虚约束。计算自由度前直接个虚约束。计算自由度前直接去除虚约束和局部自由度：去除虚约束和局部自由度：计算机构自由度典型

29、例题分析计算机构自由度典型例题分析 n=6， pl=7， ph=3 F=3n-2pl-ph=36-27-3= 11 1、2 2、4 4、5 5、7 7、9 9 共共6 6个个A A、B B、D D、D D、E E、G G、J J 共共7 7个个1-21-2、2-32-3、2-6 2-6 共共3 3个个活动构件活动构件低副低副高副高副例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自例题二：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。复合铰链复合铰链解：分析解：分析局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚

30、约束复合铰链复合铰链计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析复合铰链：复合铰链：D D、E E分别包含分别包含2 2个转动副个转动副局部自由度：局部自由度：F=1F=1虚约束：虚约束：FGFG杆引入杆引入1 1个虚约束个虚约束计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析1111283231118hlhlppnFppn例题二例题二一、机构的组成原理一、机构的组成原理 机构具有确定运动的条件：机构具有确定运动的条件： 自由度数自由度数=原动件数原动件数1. 杆组杆组机架和原动件与从动件组分开：机架和原动件与从动件组分开：从动构件组自由度为零。从动构件组自由度为零。可以再拆成更简

31、单的可以再拆成更简单的自由度为零的杆组自由度为零的杆组基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。为零的构件组称为机构的基本杆组。npl23对于全低副的杆组：对于全低副的杆组：n个构件、个构件、pl个低副个低副2. 基本杆组的分类基本杆组的分类n和和pl为整数为整数n=2,4,6023lpn 根据根据n的取值基本杆组分为以下几种情况：的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n=2, pl=3的双杆组：又叫的双杆组：又叫级杆组级杆组 特征：杆组中均为特征：杆组中均为2副构件，常见的形式有副构件，常见的形式有（2）n=4, pl=6的多杆组，又叫的多杆组，又叫 级杆组级杆组 特征：杆组中有一个三副构件，特征：杆组中有一个三副构件， 常见的形式有常见的形式有npl23（3）更高级别的杆组）更高级别的杆组