第4章 常用机构

常用机构第四章机构是怎样组成的？运动单元：构件连接：运动副运动单元+连接运动链运动链+机架机构第一节机构运动简图及自由度计算一、机构的组成1.构件机械是机器和机构的总称，机器是由机构和零件组成的，机构是机器运动的基本组成部分，零件是机器制造的基本组成部分。从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为零件。气缸体连杆曲轴齿轮活塞从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。

构件是机器的运动单元。构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。运动副元素是两构件参与接触而构成运动副的表面。

运动副是两构件直接接触而构成的可动联接；2.运动副机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。转动副移动副齿轮副1）运动副定义3）按其相对运动形式分转动副（回转副或铰链）移动副螺旋副球面副2）按其接触形式分高副：点线接触的运动副低副：面接触的运动副2)运动副的分类1）按两个构件运动关系分为平面运动副和空间运动副平面运动副空间运动副低副：面接触的运动副（回转副、移动副）高副:点、线接触的运动副

3)运动副的表示（之一）转动副：移动副：凸轮副：齿轮副：3.运动链构件通过运动副联接而构成的相对可动的系统。闭式运动链（简称闭链）开式运动链（简称开链）平面闭式运动链空间闭式运动链平面开式运动链空间开式运动链平面运动链空间运动链按运动分按结构分运动链运动链成为机构的条件：将运动链的一个构件固定，当它的一个或几个构件作独立运动时，其余构件随之作确定的运动，这种运动链便成为机构。显然，不能运动或无规则乱动的运动链都不能成为机构。4.机构不能产生运动

给定构件1运动参数=(t)

构件2、3的运动是确定的

但当机构安装在运动的机械上时则是运动的。

——按给定已知运动规律独立运动的构件；机架原动件从动件——机构中的固定构件；

——机构中其余活动构件。机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛。一般机架相对地面固定不动，常以转向箭头表示。其运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构和构件的尺寸。平面铰链四杆机构机架原动件从动件机构的组成二、机构运动简图1.常用平面运动副符号2.一般构件的表示方法3.常用机构运动简图符号4.机构运动简图按一定比例绘制的表示机构运动情况的简单图形称为机构运动简图5.绘制机构运动简图的步骤1、搞清机械的实际构造、动作原理和运动情况，确定原动件、机架、传动部件和执行部件。2、沿运动传递路线，逐一分析每两个构件之间相对运动的性质，确定运动副的类型和数目。3、恰当选择运动简图的视图平面，通常选择机械中多数构件的运动平面为视图平面。

4、选择恰当的作图比例尺。5、确定各运动副的相对位置，用各运动副的代表符号、常用机构运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。6、在原动件上标出箭头以表示其运动方向。1234A32414绘制机构运动简图实例1试绘制内燃机的机构运动简图绘制机构运动简图实例2气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮10

1）分析运动，确定构件的类型和数量

2）确定运动副的类型和数目

3）选择视图平面

4）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置

5）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件分析:1.曲柄滑块机构

(1)气缸体与机架固联,是固定件;活塞在燃气推动下运动,是原动件.(2)活塞与气缸体组成移动副;活塞与连杆,连杆与曲(柄)轴,曲轴与机架都组成回转副上述构件是按照气缸体——活塞——连杆——曲柄——气缸体的顺序联接,独立形成一个封闭的构件组合,因此它形成一个独立的机构.内燃机是由

1)活塞,连杆,曲柄与气缸体组成曲柄滑块机构;2)齿轮10,9与气缸体组成齿轮机构;3)凸轮7,进气阀顶杆8与气缸体组成凸轮机构齿轮机构齿轮10与曲轴6固联,它的运动由曲轴决定,所以它是原动件.

齿轮10,9与气缸体之间的相对运动都是转动,都组成回转副;齿轮10,9之间的轮齿啮合是线接触,组成高副,从而独立形成另一封闭的构件组合,即齿轮机构.凸轮机构凸轮7与齿轮9固联,它的运动由齿轮9决定,所以它是原动件.

凸轮7与气缸体4组成回转副,又与进气阀顶杆8组成高副,气阀顶杆8与气缸体组成移动副,独立形成另一封闭的构件组合,即凸轮机构.一、平面机构自由度的计算二、机构具有确定运动的条件三、几种特殊结构的处理复合铰链局部自由度虚约束四、小结三平面机构的自由度一、平面机构自由度的计算1、平面运动构件的自由度(构件可能出现的独立运动)2、平面运动副引入的约束R(对独立的运动所加的限制)xyＯ21与其它构件未连之前：3用运动副与其它构件连接后,运动副引入约束,原自由度减少xyoxyottnnR=2R=2R=1结论：平面低副引入2个约束平面高副引入1个约束3、平面机构自由度计算公式如果：活动构件数：n

低副数：pl

高副数：phxyＯ21未连接前总自由度：3n连接后引入的总约束数：2pl+phF=3n-(2pl+ph)机构自由度F：F=3n-2pl-ph机构自由度举例：1234F=3n－2pl－ph

=3

－2

－340=

112345F=3n－2pl－ph

=3

－2

－450=

2F=3n－2pl－ph

=3

－2

－221=1BCAF=3n－2pl－ph

=3

－2

－340=

1F=3n－2pl－ph

=3

－2

－451=

1F=3n－2pl－ph

=3

4－2

5－0=2

F=3n－2pl－ph

=3

3－2

5－0=-1

F=3n－2pl－ph

=3

2－2

3－0=0

二、机构具有确定运动的条件F=0,刚性桁架，构件之间无相对运动原动件数小于F,各构件无确定的相对运动原动件数大于F,在机构的薄弱处遭到破坏结论：机构具有确定运动的条件：1机构自由度>02原动件数＝机构自由度数BCABCADEAEBCDm个构件(m>2)在同一处构成转动副m-1个低副1、复合铰链412356F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－560＝

3F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－570＝

1412356②错对—计算在内5232351m个构件,m-1个铰链三、几种特殊结构的处理F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－331＝

2F＝3n－2pl－ph

＝3

－2

－221＝

1错对—排除2、局部自由度定义：机构中某些构件所具有的独立的局部运动,不影响机构输出运动的自由度局部自由度经常发生的场合：滑动摩擦变为滚动摩擦时添加的滚子、轴承中的滚珠解决的方法：计算机构自由度时，设想将滚子与安装滚子的构件固结在一起，视作一个构件动画不影响机构运动传递的重复约束在特定几何条件或结构条件下，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一致，这种不起独立限制作用的运动副叫虚约束虚约束经常发生的场合处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其所带入的运动副）去掉结论F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－123F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－231＝-1错221＝1对—排除之一为虚约束3、虚约束虚约束经常发生的场合A两构件之间构成多个运动副时B两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时C联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时D机构中对运动不起作用的对称部分A两构件之间构成多个运动副时两构件组合成多个转动副，且其轴线重合两构件组合成多个移动副，其导路平行或重合两构件组合成若干个高副，但接触点之间的距离为常数123123目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－221＝1动画B两构件某两点之间的距离在运动中保持不变时在这两个例子中，加与不加红色构件AB效果完全一样，为虚约束计算时应将构件AB及其引入的约束去掉来计算412351234F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－460＝

0BA错对＝

1F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340＝1C两构件上联接点的轨迹重合在该机构中，构件2上的C点C2与构件3上的C点C3轨迹重合，为虚约束计算时应将构件3及其引入的约束去掉来计算同理，也可将构件4当作虚约束，将构件4及其引入的约束去掉来计算，效果完全一样BAC(C2,C3)D1234F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－340＝1D机构中对运动不起作用的对称部分在该机构中，齿轮3是齿轮2的对称部分，为虚约束计算时应将齿轮3及其引入的约束去掉来计算同理，将齿轮2当作虚约束去掉，完全一样目的：为了改善构件的受力情况F＝3n－2PL－PH

＝3

－2

－332＝112345动画虚约束——结论机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的，如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约束，而使机构不能运动采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较大功率；或满足某种特殊需要在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以满足虚约束所需要的几何条件123四、自由度计算小结自由度计算公式:F＝3n－2pl－ph机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)计算步骤:确定活动构件数目确定运动副种类和数目确定特殊结构:局部自由度、虚约束、复合铰链计算、验证自由度几种特殊结构的处理:1、复合铰链—计算在内2、局部自由度—排除3、虚约束--重复约束—排除例1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。解：分析局部自由度1个虚约束复合铰链

n=8F=3n-2Pl-Ph=3

8-2

11–1=1Pl=11Ph=1例2计算图所示机构的自由度（若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。局部自由度虚约束例3如图所示,已知HG=IJ,且相互平行；GL=JK，且相互平行。计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。

局部自由度复合铰链虚约束复局412356789练习4局12345678练习5

第二节平面连杆机构

定义：若干个刚性构件用平面低副联接而成的机构,也可称为平面低副机构。

优点：1.能够实现多种运动形式的转换，也可以实现各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹，容易满足生产中各种动作要求；2.构件间接触面上的比压小、易润滑、磨损轻、适用于传递较大载荷的场合；3.机构中运动副的元素形状简单、易于加工制造和保证精度。缺点：1.只能近似地满足给定的运动规律和轨迹要求，且设计比较复杂；2.运动构件产生的惯性力难以平衡，高速时会引起较大的振动，因此常用于速度较低的场合。命名:根据所含有构件的数目。如四杆机构，多杆机构(五杆机构、六杆机构)。本章主要研究平面四杆机构的类型、基本性质和设计方法。

平面四杆机构的类型及应用

平面四杆机构铰链四杆机构(全转动副)含有移动副的平面四杆机构曲柄摇杆机构

双曲柄机构

双摇杆机构

曲柄滑块机构

曲柄导杆机构

曲柄摇块机构移动导杆机构铰链四杆机构铰链四杆机构中，固定不动的构件为机架；与机架相联的构件为连架杆，连架杆中，能绕机架的固定铰链作整周转动的称为曲柄，仅能在一定角度范围内往复摆动的称为摇杆；联接两连架杆且不与机架直接相联的构件称为连杆。

根据两个连架杆能否成为曲柄，铰链四杆机构可分为三种基本形式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。曲柄摇杆机构特点是：既能将曲柄的整周转动变换为摇杆的往复摆动，又能将摇杆的往复摆动变换为曲柄的连续回转运动。双曲柄机构的特点是：能将等角速度转动转变为周期性的变角速度转动。

例如：搅拌机、缝纫机等。例如：惯性筛、挖掘机（平行四边形机构）、车门启闭机构（反平行四边形机构）等。双摇杆机构的特点是：两个连架杆均为摇杆。例如：起重机、电风扇摇头机构等。含有一个移动副的平面四杆机构

1.曲柄滑块机构：铰链四杆机构中，扩大转动副，使转动副变成移动副。根据滑块往复移动的导路中心线是否通过曲柄转动中心，曲柄滑块机构可分为对心曲柄滑块机构和偏置曲柄滑块机构。特点：可以实现转动和往复移动的变换。应用：活塞式内燃机、空气压缩机、冲床等机械等。2.曲柄导杆机构12343124应用实例：回转式油泵（转动导杆机构）牛头刨床的主体机构（摆动导杆机构）。取曲柄滑块机构的不同构件为机架而获得的。取构件2为机架，构件3为主动件，若，导杆1作整周运动，称为转动导杆机构；若，导杆1作往复摆动，称为摆动导杆机构。

2341取曲柄滑块机构中的连杆3为机架而得到的。当曲柄2为原动件绕点转动时，滑块4绕机架3上的铰链中心摆动，故称该机构为曲柄摇块机构或称为摆动滑块机构。

3.曲柄摇块机构应用于各种摆动式原动机和工作机中。摆缸式液压泵、卡车车箱自动翻转卸料机构。取曲柄滑块机构中的滑块4为机架而得到的。当曲柄2转动时，导杆1可在固定滑块4中往复移动，故该机构称为移动导杆机构（或定块机构）。4.移动导杆机构应用实例：手压抽水机、抽油泵等。铰链四杆机构存在曲柄的条件

1.最短杆与最长杆的长度之和，小于或等于其他两杆长度之和；2.连架杆和机架中必有一个是最短杆。

①铰链四杆机构中，若最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则取最短杆的相邻杆为机架时，得曲柄