《机械原理》（部分）223

第1章绪论1－1本课程研究的对象1－2本课程研究的内容1－3课程地位、性质和学习要点1－4机械科学史年鉴及学科发展趋势1－1本课程研究的对象顾名思义，本课程研究对象为━━机械（machine）

原理━━机械的组成原理、工作原理、分析和设计原理（方法）等。机械━━为了满足人类社会生产和生活需求而发明的，能完成特定作业动作，用来减轻或替代人类劳动的一类实物装置。机械原理━━人脑智力的延伸。传统机械━━人之体力的延伸。现代机械━━人之体力的延伸。原始的起重工具是：斜面你知道远古人类是利用什么机械装置提升重物的？机械的进化历程：简单

复杂斜面省力实验斜面省力应用实例起重机的进化历程：斜面省力之应用实例斜面省力应用实例三）机械的进化历程起重机的进化历程：斜面

杠杆给我一根足够长的杠杆和一个支点，我就能撬起地球阿基米德三）机械的进化历程起重机的进化历程：轱辘是杠杆的变形

斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组起重机的进化历程：

起重轱辘

手动(电动)葫芦斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

起重轱辘起重机的进化历程：平衡吊

斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机起重机的进化历程：简易起重机（悬臂吊）

现代起重机

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。鹤式起重机龙门式起重机起重机的进化历程：斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机16T汽车吊200T汽车吊

现代起重机

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。起重机的进化历程：斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机扶梯履带起重机

现代起重机

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。起重机的进化历程：斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机集装箱堆垛叉车小型叉车

现代起重机

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。起重机的进化历程：斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机剪差式升降机

现代起重机

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。起重机的进化历程：斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机现代化的电梯

现代起重机

（包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。起重机的进化历程：斜面

杠杆

起重轱辘

滑轮组

手动(电动)葫芦

简易起重机世界上最高、运行速度最快、载客量最大的张家界旅游观光电梯高335米、3米/秒，单台载客量47人，每小时载客人数达3000人。起重机的进化历程：机器━━根据某种具体使用要求而设计的多件实物的组合体。机械机构━━能够用来传递运动和力或改变运动形式的多件实物组合体。如：连杆机构

凸轮机构、齿轮机构等。种类有限机器的种类繁多，结构、性能和用途等各不相同，但具有相同的基本特征。实例：缝纫机洗衣机机床风力发电机农机典型机器的分析：实例一：内燃机内燃机组成：65438712910汽缸体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9、10工作原理：1.活塞下行，进气阀开启，混合气体进入汽缸；2.活塞上行，气阀关闭，混合气体被压缩，在顶部点火燃烧；3.高压燃烧气体推动活塞下行，两气阀关闭；4.活塞上行，排气阀开启，废气体被排出汽缸。循环运动的结果，使曲轴输出连续的旋转运动发动机虚拟装配工作原理仿真内燃机的动作时序：潘存云教授研制活塞的往复运动通过连杆转变为曲轴的连续转动，该组合体称为：内燃机各部分的作用：曲柄滑块机构凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀；称为：凸轮机构两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之间形成协调动作，称为：齿轮机构各部分协调动作的结果：化学能机械能实例二：螺栓冷镦机工艺过程包括：送料

切断

送坯

镦锻

卸料工作原理：1）送料：电动机1

带轮23

曲轴4

齿轮7

齿轮8

轴18

偏心轮20

连杆21

摆杆24

棘爪25

棘轮26

送料轮27

原料棒28

间歇送进。视频

123418202124252627287812341820212425262728工作原理：2）切料：齿轮7

偏心轮8

连杆9

凸轮10

切刀杆11

往复移动切断动作。3）送坯：凸轮12

推杆13

摆杆14

冲模架15

初冲头16

光冲头17

直线移动。初镦

精镦双工位模具切换动作。78910111213141516174）镦制：曲轴4

连杆5

滑块6

往复直线移动实现镦压。565）卸料:二轴18

凸轮19

推杆22

摇杆23

顶出器29

顶出工件31。完成工件卸料动作。192223293130各部分协调运动的结果即完成螺栓的镦制。机器的共有特征：通过分析上述两种不同类型的机器，不难得出机器具有以下特征①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③代替或减轻人类劳动完成有用功或实现能量的转换。

机器的分类：原动机－实现能量转换（如内燃机、蒸汽机、电动机）种类有限工作机－完成有用功（如机床等）。

种类繁多机械机器机构原动机工作机工作机的组成：原动部分－是工作机动力的来源，最常见的是电动机和内然机。

工作部分－完成预定的动作，位于传动路线的终点。传动部分－联接原动机和工作部分的中间部分。

控制部分－保证机器的启动、停止和正常协调动作。

其关系如下原动机传动工作控制控制器(控制)电动机(原动)带(传动)减速器(传动)波轮(工作)分析自动洗衣机的组成：━━本课程研究重点机构的共有特征：同理，通过对典型机构进行分析可知：①人造的实物组合体；②各部分有确定的相对运动；③用来传递力或实现运动的转换。专用机构━━只能用于特定场合，如钟表擒纵机构。机构分类通用机构━━用途广泛，如齿轮机构、连杆机构等。机械机器机构原动机工作机通用机构专用机构机器与机构的关系：由两个实例推广到一般

任意复杂的机器都是由若干组机构按一定规律组合而成的。实际机器的种类有成千上万种，但机构的种类确有限。它们之间的关系类同－化合物与化学元素

机械机器机构结构相同、运动相同仅作用不同1－2本课程的研究内容一、机构的结构分析a)研究机构运动的可能性;能否运动b)机构运动的确定性；下一个位置和运动方向是否唯一d)机构的组成原理和结构分类。二、机构的运动分析

a)确定机构上某些特殊点的位置；c)机构运动简图的绘制方法；用简单图形表示复杂机构

b)确定机构上某些特殊点的速度;

c)确定机构上某些特殊点的加速度;d)确定机构的运动规律；不考虑引起机构运动的力的作用，仅从几何的观点来研究三、机构的运动设计b)完成预定的动作位置;c)实现预定的运动轨迹；四、机构组合成复杂机械系统的方法研究a)拟定机械的工作原理；d)实现预定的运动特性。a)设计新机构的方法。按一定几何条件和运动条件b)进行运动分解并建立运动循环图；c)机构类型综合以及机构的组合方式；d)选择合适的原动机；e)拟定运动传递路线；f)机械系统运动方案评价方法。b)惯性力和惯性力矩进行平衡的方法;c)机械在外力作用下的运动规律；d)机械运转速度波动的调节与飞轮设计。a)惯性力的产生原因、分布规律、计算方法五、机器动力学分析与设计1－3课程地位、学习目的与要点、机械原理课程的地位作用：承前启后。高等数学普通物理机械制图理论力学机械原理技术基础课机械设计机械制造机床夹具机电工程……专业课程二、学习目的1）便于认知世界上现有丰富多样的机械产品，为机械设计工作积累经验。2）重点解决机械的共性问题，为后续学习专业机械课程奠定理论基础。3）培养创新思维，激发机械创新设计灵感。4）为现有机械产品的合理使用和革新改造打基础。三、学习要点1）兴趣好奇为首

要有对自然界的事物充满好奇的心理。没有兴趣做不好任何事情，名人名言：孔子：“知之者，不如好知者；好知者，不如乐知者”布鲁纳:“学习的最好刺激，乃是对所学材料的兴趣”爱因斯坦：“兴趣是最好的老师”。黑格尔：“要是没有热情，世界上任何伟大事业都不会成功。”2）自信而不自负，增强学好本课程的信心①世上无难事，只要肯攀登；②成功人士的体会：在走向成功的路上，可以缺乏任何东西，但就是不能缺少“自信”。③发明大王爱迪生名言：“自信是成功的第一秘诀”。三句至理名言：发明不仅是发明家的本事，人人都具有发明创新的潜能。发明来源于生产生活实际，处处存在着发明创造的机遇。发明不受时间与年龄限制，漫漫人生皆可完成发明创造。3）深入了解本课程特点，掌握科学的学习方法课程特点：（1）实践性强。（2）综合性强。本课程学习要综合运用已学过的知识，约有1/3的内容与理论力学有关。有些内容可以说是理论力学的延续与扩展（用理论力学的原理分析具体的机械）。因此，一定要复习号理论力学中的有关内容，如运动学、摩擦学等。（3）独立性强。各章内容彼此独立，前后联系不甚密切。因此，要经常复习前面已学过的内容，以免出现猴子扮苞米的现象。（4）本课程有四多：内容多、概念多、符号多、公式多。

不要求死记硬背，关键在于理解，重点在于应用。会用自然能记住。要点：a)搞清楚基本概念，理解基本原理，掌握基本方法。b)学以致用，掌握一般性原理和方法的具体运用。c)复习先修知识，特别是理论力学的相关知识。d)培养综合分析、全面考虑问题的能力。e)注意培养科学严谨、一丝不苟的工作作风。4）参与实验和完成作业，加深理论知识的理解5）充分利用网络教学资源，拓展个人知识面6）参加学科竞赛，全面培养机械创新设计综合素质机械创新设计大赛目的：(1)培养大学生的创新设计能力;(2)综合设计能力与团队协作精神；(3)加强学生动手能力的培养和工程实践的训练;(4)提高学生针对实际需求进行机械创新思维、设计和制作等实际工作能力。参赛要点▲激发兴趣，积极参与；▲明确方向、瞄准目标；▲制定方案，集思广益；▲强化技能，动手实践；▲善于总结、形成理论。创新型人才的座右铭：人类社会的需求永无止境，需要我们勇于探索、不断创新。世上万物不可能尽善尽美，需要我们不断完善、推陈出新。历史发展永远都不会停止，需要跟上时代步伐、与时俱进。身为技术人员的责任心，驱使我们勤奋工作、永不停歇的动力怀有浓厚兴趣的好奇心，吸引我们不断探索、勇于创新的源泉具备不断进取的好胜心，鞭策我们精益求精、尽善尽美的关键国防科技大学荣获全国一等奖作品简介行星轮式登月车国防科技大学荣获全国一等奖作品简介“神舟”航天员多姿态训练模拟器1－4机械科学史年鉴及学科发展趋势一、机械科学史年鉴（附录1，自学）二、机械学科发展趋势机械学科设计方法应用拓展数学工具机构创新学科融合极端环境人工智能高速、重载精密、微型二、机械学科发展趋势1）学科交叉融合明显，形成了多个交叉边缘新兴学科机械学科机械电子学电子学CADCAE……CAX计算机控制信息机器人学生物材料机械仿生学2）各种新概念、新理论、新工具不断涌现，促进了机构学各专业领域的快速发展。机械学科运动分析结构综合矢量法张量法矩阵法对偶数法四元数法旋量计算法应用图论网络理论线形几何学螺旋坐标3）新的机械设计手段日新月异。设计方法并行设计优化设计概率设计综合设计智能设计虚拟设计网络设计绿色设计多变量多约束设计机电耦合设计非线性动力学设计定制设计三次设计4）机械产品工作原理呈现多样化趋势。切割磨粒锯片切割机等离子体切割机刃具切削机床激光气化切割机水射流切割机超声波切割机电火花线切割机气体火焰切割机冷脆断切割机柔带切割机5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化美国研制的Ｘ－37B超音速实验飞机飞行速度2小时即能绕地球一圈5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化500公里时速高速列车━━中国5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化零高度飞行器━━磁悬浮列车运行速度高达550km/h。5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化

世界上最大的游轮长360米，宽65米，高72米，2800间客房，近6000个床位，5个标准游泳池，4个大型超市，15个餐厅和酒吧，是一座名副其实的海上移动城市。

5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化

世界上最大的游轮长360米，宽65米，高72米，2800间客房，近6000个床位，5个标准游泳池，4个大型超市，15个餐厅和酒吧，是一座名副其实的海上移动城市。

5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化

世界上最大的游轮长360米，宽65米，高72米，2800间客房，近6000个床位，5个标准游泳池，4个大型超市，15个餐厅和酒吧，是一座名副其实的海上移动城市。

5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化超精密加工尺寸和位置精度：0.01~0.3μm形状和轮廓精度：0.002~0.005μm表面粗糙度：Ra<0.0001μm；磁流变抛光机床离子束抛光机床5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化微操作机器人能对细胞进行注射、染色体切割等操作5）机械产品发展方向:高速、重载、精密、微型化微型机器人微型飞行器6）各种新机构和新型传动装置不断涌现球齿轮机构变异剪叉式机构6）各种新机构和新型传动装置不断涌现动态组合螺旋7）仿生机械学发展迅速美国波士顿动力公司研制的仿生机器狗代表了目前步行机器人研究的最高水平神奇的大狗机器人7）仿生机械学发展迅速聪明的小狗研制：波士顿动力学工程公司用途：战场侦察。控制：自适应智能控制7）仿生机械学发展迅速神奇的大鸟──Smartbird7）仿生机械学发展迅速仿生壁虎7）仿生机械学发展迅速蛇形机器人7）仿生机械学发展迅速仿生鱼8）应用领域不断扩大，并向极端应用环境渗透和平号空间站国际空间站多种星际探测器8）应用领域不断扩大，并向极端应用环境渗透神舟七号载人飞船8）应用领域不断扩大，并向极端应用环境渗透空中客车A380的最大载客量为840人，是目前全球载客量最大的飞机。波音787梦幻客机是目前世界上航程最远的客机。8）应用领域不断扩大，并向极端应用环境渗透定向钻井新技术，可不用移动井架就能实现远距离水平钻探。

世界上最深的油井深度达12260m，钻了20年才完成。深井钻探设备8）应用领域不断扩大，并向极端应用环境渗透海底探索救助打捞海洋石油钻探平台8）应用领域不断扩大，并向极端应用环境渗透医疗机器人正辅助心脏病手术。人体器官内的微型机器人结束语

机械产品无处不在，机械学科范围深广，以上仅仅是对机械学科宏观发展趋势的若干方面作一简单介绍。随着以微处理器普及应用为标志的第三次信息工业革命时期的到来，机械学科进入了一日千里，飞速发展的快车道。一方面，社会生产力的快速发展迫使机械产品朝着高速化、重载化、精密化、专用化、柔性化、综合化、集成化、模块化、大型化微型化、自动化、智能化、数字化、网络化、绿色化等方向发展，生产的需要无疑成为推动学科发展的主要动力。另一方面，学科的发展丰富了基础理论、提出了新的研究方法、发明出新的机械产品，以满足社会生产力的不同需求，学科的发展反过来又促进了生产力的发展，提高了生产力的水平。可以预见，随着社会生产对技术现代化要求的不断提高，作为国民经济支柱产业的机械制造业将继续迎接各种挑战，机械学科必将迎来新一轮的快速发展时期。第2章机构的结构分析2－1机构结构分析的内容及目的2－2机构的组成2－3机构运动简图及其绘制2－4机构具有确定运动的条件及自由度的计算2－5计算平面机构自由度时应注意的事项2－6机构的组成原理、结构分类及结构分析2－1机构结构分析的内容及目的内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法3.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件4.研究机构的组成原理5.研究机构的结构分类目的:▲机构包含哪几个部分?▲各部分如何相联？▲如何把复杂的机构抽象成简单图形符号？为了便于研究2－1机构结构分析的内容及目的目的:▲机构是否能动?▲运动是否确定？▲运动确定应满足什么条件？内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法3.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件4.研究机构的组成原理5.研究机构的结构分类2－1机构结构分析的内容及目的目的:机构有简有繁，构件有多有少，而运动确定是它们的共同特征。研究的是搞清楚▲按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。对于设计新机构具有重要意义内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法3.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件4.研究机构的组成原理5.研究机构的结构分类2－1机构结构分析的内容及目的目的:不同的机构都有各自的特点，将机构按结构加以分类目的▲建立运动分析和机构综合的一般方法。内容：1.研究机构的组成要素及机构的符号表示方法3.研究机构的可动性以及具有确定运动的条件4.研究机构的组成原理5.研究机构的结构分类2－2机构的组成名词术语解释:1.构件(Link)━━独立的运动单元零件(part)━━独立的制造单元内燃机中的连杆作者：潘存云教授内燃机连杆套筒连杆体螺栓垫圈螺母连杆盖轴瓦2.运动副(Kinematicpair)a)两个构件、b)直接接触、c)有相对运动运动副━━两个构件直接接触组成的仍能产生相对运动的联接。三个条件，缺一不可

典型案例：运动副元素━━直接接触的部分（点、线、面）点接触运动副的分类：

1)按引入的约束数分有：

I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。I级副II级副III级副V级副IV级副2)按相对运动范围分有：平面运动副━━平面运动(Plannarkinematicpair)

空间运动副━━空间运动(Spatialkinematicpair)平面机构━━全部由平面运动副组成的机构。空间机构━━至少含有一个空间运动副的机构。球铰链螺旋

平面机构

空间机构

例如：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。3)按运动副元素分有：①高副━━点、线接触，应力高(highpair)②低副━━面接触，应力低(lowerpair)例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。例如：转动副（回转副）、移动副。4)按运动副元素始终保持接触方式分类有：①几何形状封闭运动副(form-closedpair)②力封闭运动副(force-closedpair)常见运动副符号的表示:国标GB4460－84详见教材：P20表2-1转动副移动副12121212121212121212121212122121常用运动副的符号运动副名称运动副符号两运动构件构成的运动副两构件之一为固定时的运动副平面运动副12122112122121121212平面高副螺旋副球面副球销副空间运动副121212一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件三副构件两副构件一般构件的表示方法构件绘制简图要点:画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质！闭式链(Closechain)、开式链(Openchain)3.运动链(Kinematicchain)运动链━━两个以上的构件通过运动副的联接而构成的系统。作者：潘存云教授若干1个或几个1个机构的组成：机构＝机架＋原动件＋从动件4.机构机构━━具有确定运动的运动链。机架━━作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。原（主）动件━━按给定运动规律运动的构件。从动件━━其余可动构件。§2－3机构运动简图机构运动简图━━用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简单图形。作用：

1.表示机构的结构和运动情况。

2.作为运动分析和动力分析的依据。机动示意图━━不按比例绘制的简图P23表2－2摘录了部分GB4460－84机构示意图。在机架上的电机机构名称3D模型简图外啮合圆柱齿轮机构常用机构运动简图符号圆锥齿轮机构交错轴斜齿轮机构常用机构运动简图符号（续表）

机构名称3D模型简图内啮合圆柱齿轮机构齿轮齿条机构常用机构运动简图符号（续表）

机构名称3D模型简图常用机构运动简图符号（续表）

凸轮机构机构名称3D模型简图圆柱蜗杆蜗轮传动常用机构运动简图符号（续表）

棘轮机构机构名称3D模型简图槽轮机构常用机构运动简图符号（续表）

链传动机构名称3D模型简图带传动常用机构运动简图符号（续表）

机构名称3D模型简图摩擦传动机构运动简图应满足的条件：

1）构件数目与实际相同2）运动副的性质、数目与实际相符3）运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。绘制机构运动简图的思路与步骤：思路：机械的功用工艺动作执行构件原动件中间构件机架构件总数运动副类型运动副数量构件长度运动副位置绘制简图检验运动确定性绘图比例尺：μl=实际尺寸m/图上长度mm绘图平面运动副符号绘图比例尺绘制机构运动简图举例：例题一：绘制单缸内燃机运动简图。潘存云教授研制动画84235167ACBDE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。绘制机构运动简图举例：例题二：绘制偏心泵的运动简图。1234偏心泵作者：潘存云教授1234θ114θ123给定S3＝S3(t)，一个独立参数θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2θ3θ4均不能唯一确定。θ42－4机构具有确定运动的条件及自由度的计算一、机构具有确定运动的条件123S3θ1S’3若同时给定θ1和θ4

，则θ3θ2

能唯一确定，该机构需要两个独立参数。自由度━━保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数。（Freedom）原动件－能独立运动的构件。∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：自由度＝原动件数

作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y,θ）才能唯一确定。yxθ(x,y)F=3单个自由构件的自由度为3二、平面机构自由度的计算单个自由构件的自由度是多少？两个构件连接之后自由度有何变化？经运动副相联后，由于有约束，构件自由度会有变化：yx运动副自由度数约束数回转副1（θ）+2（x，y）=312Sxy12R=2,F=1R=2,F=1R=1,F=2结论：构件自由度＝3－约束数移动副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）=3yx12θθS自由构件的自由度数＝自由构件的自由度数－约束数活动构件数

n

计算公式：F=3n－(2PL+Ph)要求：记住上述公式，并能熟练应用。构件总自由度低副约束数高副约束数3×n2×PL1

×Ph例题①计算曲柄滑块机构的自由度。解：活动构件数n=3低副数PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副数PH=0123推广到一般：例题②计算五杆铰链机构的自由度。解：活动构件数n=4低副数PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×4=2

高副数PH=01

2

3

4

5例题③计算图示凸轮机构的自由度。解：活动构件数n=2低副数PL=2F=3n－2PL

－PH

=3×2－2×2－1=1高副数PH=11232－5计算平面机构自由度时应注意的事项例题④计算图示圆盘锯机构的自由度。解：活动构件数n=7低副数PL=6F=3n－2PL

－PH

高副数PH==3×7－2×6－0=9计算结果肯定不对！作者：潘存云教授12345678ABCDEF0结果正确吗？问题出在哪？1）复合铰链——两个以上构件在同一处以转动副相联复合铰链数：m个构件,有m－1转动副。注意：在B、C、D、E四处应各有2个运动副。解：活动构件数n=7低副数PL=10F=3n－2PL

－PH

=3×7－2×10－0=1可以证明：F点的轨迹为一直线。圆盘锯机构作者：潘存云教授12345678ABCDEF两个低副例题⑥计算图示两种滚子凸轮机构的自由度。解：n=3，PL=3，F=3n－2PL

－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1对于右边的机构，有：

F=3×2－2×2－1=1事实上，两个机构的运动相同，且对于左边的机构，有：F=1123122）局部自由度F=3n－2PL－PH－FP=3×3－2×3－1－1=1本例：FP=1或计算时去掉滚子和铰链：

F=3×2－2×2－1=1局部自由度——构件局部运动所产生的自由度。计算时应去掉Fp!出现在加装滚子的场合滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。12312解：n=4，PL=6，F=3n－2PL

－PH

=3×4－2×6=0PH=

03）虚约束(formalconstraint)虚约束——对机构的运动实际不起作用的约束。∵FE＝AB＝CD

，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。例题⑦已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形机构的自由度。作者：潘存云教授1234ABCDEF计算自由度时应去掉虚约束！增加的约束不起作用，应去掉构件4！n=3，PL=4，F=3n－2PL

－PH=3×3－2×4=1PH=

0作者：潘存云教授1234ABCDEF重新计算：4EF动画特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：AB＝CD＝EF出现虚约束的场合：（1）两构件联接前后，联接点的轨迹重合如平行四边形机构，火车轮椭圆仪等。(需要证明)（2）两构件构成多个移动副，且导路平行牛头刨床油压机立柱3）两构件构成多个转动副，且同轴机床进刀丝杠内燃机曲轴EF4）运动时，两构件上的两点距离始终不变天平5）对运动不起作用的对称部分多个行星轮6）两构件构成高副，两处接触，且法线重合如等宽凸轮W注意：法线不重合时，变成实际约束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2AA’虚约束的作用：①改善构件的受力情况，如多个行星轮。②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。③使机构运动顺利，避免运动不确定，如火车轮。注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的!分析：活动构件数n=10复合铰链:局部自由度:1个虚约束:2处去掉局部自由度和虚约束后：1处n=6PL=7PH=3HC’23145ILBAEGK678910FJ11CD例题⑧计算图示机构的自由度，已知：AB＝CD＝EFC’H723145ILBAEGK68910FJ11CDF=3n－2PL

－PH=3×6－2×7－3=12个低副作者：潘存云教授B2I9C3A1J6H87DE4FG5例题⑨计算图示包装机送纸机构的自由度分析：活动构件数n=9复合铰链:局部自由度2个虚约束:1处去掉局部自由度和虚约束后：I9A1B2C3J6H87DE4FG51处n=6PL=7F=3n－2PL

－PH=3×6－2×7－3=1PH=32个低副I9

2-6机构的组成原理、结构分类及结构分析一、机构的组成原理

1）基本机构由一个原动件和一个机架组成的双杆机构。a)原动件作移动(如油缸、气缸、直线电机等)b)原动件作转动(如电动机)21212）基本杆组基本杆组━━最简单的F＝0的构件组。机构具有确定运动的条件是:F=1F=0设想：将机构中原动件和机架断开，则原动件与机架构成基本机构，其F＝1。剩下的构件组必有F＝0将构件组继续拆分成更简单F＝0的构件组，直到不能再拆为止。原动件数＝自由度713245678举例：将图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。重要结论：该机构包含一个基本机构和两个基本杆组，换句话说，将两个基本杆组添加到基本机构上，构成了该八杆机构。推论：任何一个平面机构都可以认为是在基本机构的基础上，依次添加若干个杆组所形成的。机构的组成原理：机构＝基本机构＋基本杆组3）机构的组成原理设计新机构的原则：

1)结构最简性原则。即在满足机构运动要求的前提下，所设计的机构结构越简单、构件数和运动副数量越少越好。

2)运动不干涉原则。添加杆组时，必须保证构件组中所有的构件仍能运动。特别注意：杆组的各个外端副不可以同时加在同一个构件上，否则，构件将发生运动干涉而成为刚体。二、机构的结构分析

∵PL

为整数，∴n只能取偶数。

n＝24n>4已无实例了!PL

＝36

n=2的杆组称为Ⅱ级组━━应用最广而又最简单的基本杆组。共有5种类型设基本杆组中有n个构件，则由条件F＝0有：

F＝3n－2PL－Ph＝0PL＝3n/2(低副机构中Ph＝0)

n=4（PL＝6）的杆组有以下四种类型:

这三种形式称为Ⅲ级组。结构特点：其中一个构件有三个运动副。典型Ⅱ级组：第四种形式称为IV级组。结构特点：有两个三副杆，且4个构件构成四边形结构内端副━━杆组内部相联。外端副━━与组外构件相联。

机构按所含最高杆组级别命名，如Ⅱ级机构，Ⅲ级机构等。713245678图示八杆机构拆分成基本机构和基本杆组。

特别注意：机构的级别与原动件的选择有关Ⅲ级机构713245678或Ⅱ级机构Ⅱ级机构三、用低副代替机构中高副的方法目的━━便于工程上对含高副的机构也能像低副机构那样方便地进行结构分析高副低代━━把含高副机构虚拟地转化全低副机构（substitutehigherpairmechanismbylowermechanism）高副低代应满足的条件：2）运动特性一致━━转化机构和原机构的瞬时速度和瞬时加速度也应完全相同。1）自由度应一致━━虚拟转化所得全低副机构与原机构的自由度应一致。含高副机构的自由度：F=3n－(2PL+Ph)假设替代后所得全低副机构：活动构件数为：nL

低副数目为：PLL

，则有：转化机构的自由度：两者自由度相等：A1r1D2r2重要结论：为了保证替代前后机构的自由度不变，则每个高副需用一个活动构件和两个低副来替代。替代方法：对于圆弧轮廓，将两组铰链布置在高副接触点的两轮廓圆心处，杆长为轮廓半径之和。BCnnp自由度相等运动相同ADCBADCB对于任意曲线轮廓如何替换？ρ1ρ2推广到一般：对于任意曲线轮廓，可将两组铰链布置在高副接触点的两轮廓曲率中心处，杆长为轮廓曲率半径之和。12ADBCnnpADBCADBC

因为高副轮廓曲率随位置变化，故替代机构的结构形式不变，但三个活动构件长度会发生变化!nnN1N2A12CB∞pBACBAC平底高副机构O1O2齿轮高副机构N1N2O1O2N1N2O1O2━━替换机构始终相同!━━替换机构随位置变化!p本章重点：

•机构运动简图的测绘方法。

•自由度的计算（含复合铰链、局部自由度、虚约束等特殊情况）。

•机构的组成原理。第3章平面连杆机构分析与设计3－1连杆机构及其传动特点3－2平面四杆机构的类型3－3平面四杆机构的基本知识3－4平面连杆机构的运动分析3－5平面四杆机构的运动设计3－6多杆机构及应用3－1连杆机构及其传动特点连杆机构连杆机构━━由若干构件通过低副（转动副、移动副、球面副、球销副、圆柱副及螺旋副等）连接而成的，故又称为低副机构。分类平面连杆机构空间连杆机构━━至少含有一个空间运动副。实例特征：有一作平面运动的构件，称为连杆。特点：①采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损形状简单、易加工。②改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。③连杆曲线丰富。可满足不同要求。④构件呈“杆”状、传递路线长。缺点：①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。②产生动载荷（惯性力），不适合高速。③难以实现精确的轨迹。基本型式——铰链四杆机构，其它四杆机构都是由它演变得到的。名词解释：曲柄——作整周定轴回转的构件；连杆——作平面运动的构件；连架杆——与机架相联的构件；摇杆——作定轴摆动的构件；周转副——能作360˚相对回转的运动副；摆转副——只能作有限角度摆动的运动副。曲柄连杆摇杆3－2平面四杆机构的类型1.平面四杆机构的基本型式（1）曲柄摇杆机构特征：曲柄＋摇杆作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。如雷达天线。雷达天线俯仰机构曲柄主动ABDC1243ABDC1243作者：潘存云教授3124缝纫机踏板机构2143摇杆主动（2）双曲柄机构特征：两个曲柄作用：将等速回转转变为等速或变速回转。应用实例：如叶片泵、惯性筛等。作者：潘存云教授ADCB1234旋转式叶片泵作者：潘存云教授ADCB123ABDC1234E6惯性筛机构31耕地料斗DCAB作者：潘存云教授耕地料斗DCAB作者：潘存云教授ABCD特例：平行四边形机构AB=CD特征：两连架杆等长且平行，连杆作平动BC=ADABDCB’C’作者：潘存云教授播种机料斗机构实例：蒸汽机车摄影平台天平作者：潘存云教授ADBC作者：潘存云教授作者：潘存云教授反平行四边形机构——车门开闭机构反向F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCG平行四边形机构在共线位置出现运动不确定。采用两组机构错开排列。火车轮作者：潘存云教授ABDCEABDCE作者：潘存云教授ABDCEABDC风扇座蜗轮蜗杆电机电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆（3）双摇杆机构特征：两个摇杆应用举例：铸造翻箱机构特例：等腰梯形机构——汽车转向机构、风扇摇头机构B’C’作者：潘存云教授ABDC电机ABDC风扇座蜗轮蜗杆2.平面四杆机构的演化型式(1)改变构件的形状和运动尺寸偏心曲柄滑块机构对心曲柄滑块机构曲柄摇杆机构曲柄滑块机构双滑块机构

正弦机构φss=lsin

φ(2)改变运动副的尺寸(3)选不同的构件为机架偏心轮机构导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构摆动导杆机构转动导杆机构小型刨床牛头刨床应用实例ABDCE123456ABDC1243C2C1(3)选不同的构件为机架摇块机构314A2BC导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构ACB1234应用实例B234C1A自卸卡车举升机构应用实例B34C1A2应用实例4A1B23C应用实例13C4AB2φ应用实例A1C234Bφ(3)选不同的构件为机架摇块机构314A2BC导杆机构314A2BC314A2BC曲柄滑块机构314A2BC直动滑杆机构手摇唧筒这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的方法称为：━━机构的倒置BC3214AABC321441O1O22(4)平面连杆机构与平面凸轮机构的关联（高副低代）椭圆仪机构应用实例：双滑块机构的倒置正弦机构32141234a)组成高副的元素均为圆AB1O12O2b)组成高副的元素一为圆，另一个为直线AB1O123123O1AB4直动凸轮机构曲柄滑块机构摆动凸轮机构2O1AB3O21导杆机构AB2O1AB3O21abdcC’B’ADd+aC”abdcADB”作者：潘存云教授d-

aAD为最短杆连架杆a或机架d中必有一个是最短杆三角形任意两边之和大于第三边这说明：若有整周回转副，则最长杆与最短杆的长度之和≤其他两杆长度之和。

a+b≤c+d

a+c≤b+da+d≤b+c平面四杆机构具有周转副

可能存在曲柄。而且从该例可得以下结论由△B’C’D可得：由△B”C”D可得：AB为最短杆3－3平面四杆机构的基本知识1.平面四杆机构有曲柄的条件连架杆若能整周回转，必有两次与机架共线。若设a>d，同理有：将以上三式两两相加得：a≤b

a≤ca≤db≤(d–a)+cc≤(d–a)+b设a<dd≤a,d≤b,d≤c▲连架杆或机架之一为最短杆。结论：当满足杆长条件时，其最短杆参与构成的转动副都是周转副。曲柄存在的条件：▲最长杆与最短杆的长度之和≤其他两杆长度之和此时，铰链A为周转副。若取BC为机架，则结论相同，可知铰链B也是周转副。

称为杆长条件。作者：潘存云教授ABCDabcd

当满足杆长条件时，说明存在周转副，当选择不同的构件作为机架时，可得不同的机构。如：

曲柄摇杆1、曲柄摇杆2、双曲柄、双摇杆机构。作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABCD作者：潘存云教授B1C1AD

当曲柄与连杆两次共线时，摇杆位于两个极限位置，简称极位。2.平面四杆机构的急回特征曲柄摇杆机构:180°＋θωC2B2此两处曲柄之间所夹锐角θ称为:θ极位夹角曲柄：转过180°+θ，摇杆：C1D

C2D，时间：t1,平均速度：V1，则有：所以，可通过分析机构中是否存在θ以及θ的大小来判断机构是否有急回运动或运动的程度。作者：潘存云教授B1C1ADC2曲柄：转过180°-θ，摇杆：C2D

C1D，时间：t2,平均速度：V2，则有：180°-θ因曲柄转角不同，故摇杆来回摆动的时间不一样，平均速度也不等。显然t1>t2V2>V1只要

θ

≠0

K>1设计新机械时，往往先给定K值，于是━━急回运动用以下比值表示急回程度且θ

K

急回性质越明显。行程速比系数θφθ作者：潘存云教授曲柄滑块机构的急回特性应用：节省返程时间，如牛头刨、往复式输送机等。作者：潘存云教授θ180°＋θ180°-θ导杆机构的急回特性180°＋θ180°-θ思考题：对心曲柄滑块机构的急回特性如何？对于需要有急回运动的机构，常常是根据需要的行程速比系数K,先求出θ，然后在设计各构件的尺寸。导杆机构很显然，当曲柄与连杆拉直共线时，滑块位于右侧极限位置；而当曲柄与连杆重叠共线时，滑块位于左侧极限位置；F’F”αFγABCD当∠BCD≤90°时，

γ＝∠BCD3.平面四杆机构的压力角和传动角压力角━━从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角设计要求:

γmin≥50°γmin出现的位置：当∠BCD>90°时，

γ＝180°-∠BCD切向分力:F’=Fcosα法向分力:F”=Fcosγ

对传动有利。=Fsinγ此位置一定是：主动件与机架共线两处之一当∠BCD最小或最大时，都有可能出现γminγ

F’

γ━━传动角。为了保证机构良好的传力性能作者：潘存云教授CDBAF”F’Fγ可用γ的大小来表示机构传动力性能的好坏,车门作者：潘存云教授d-

aC1B1abcdDA由余弦定律：(d-a)2

＝b2+c2-2bccos∠B1C1D

同理有：

∠B2C2D＝arccos{[b2+c2-(d+a)2]/2bc}若∠B1C1D≤90°,则若∠B2C2D>90°,

则γ1＝∠B1C1Dγ2＝180°-∠B2C2Dvγγ1γmin＝[∠B1C1D,180°-∠B2C2D]minαF可得：∠B1C1D＝arccos{

[b2+c2-(d-a)2]/2bc}请大家回忆余弦定律机构传动角一般在运动链最终一个从动件上度量。abcdDAC2B2γ2d+

a作者：潘存云教授F摇杆为主动件，且连杆与曲柄两次共线时，有：此时机构不能运动.避免措施：两组机构错开排列，如火车轮机构;称此位置为：“死点”γ＝0靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。F’A’E’D’G’B’C’ABEFDCGγ＝04.平面四杆机构的死点问题曲柄作主动件时，机构总是可以运动Fγ＝0ABCD1234PABCD1234工件PABDCABCD钻孔夹具也可以利用死点进行工作：起落架、钻夹具等。工件γ=0F飞机起落架Fγ=05.铰链四杆机构的运动连续性运动连续性━━机构能否连续实现给定的各个位置。可行域：摇杆的运动范围。不可行域：摇杆不能达到的区域。不能要求从一个可行域跳过不可行域进入另一个可行域称此为错位不连续。错序不连续设计连杆机构时，应满足运动连续性条件。DAB1C1B2C2B3C3DAB1C1B3C3B2C2C’C’1C’2C1C2CADB3－4平面连杆机构的运动分析作者：潘存云教授ACBED设计任何新的机械，都必须进行运动分析工作。以确定机械是否满足工作要求。位置分析：研究内容：位置分析、速度分析和加速度分析。①确定机构的位置（位形），绘制机构位置图。②确定构件的运动空间，判断是否发生干涉。③确定构件(活塞)行程，找出上下极限位置。从动构件点的轨迹原动件的运动规律内涵：④确定点的轨迹（连杆曲线），如鹤式吊。HEHD构件位置速度加速度速度分析：①通过分析，了解从动件的速度变化规律是否满足工作要求。如牛头刨②为加速度分析作准备。加速度分析：为确定惯性力作准备。方法：图解法——简单、直观、精度低、求系列位置时繁琐解析法——正好与以上相反。实验法——试凑法，配合连杆曲线图册，用于解决实现预定轨迹问题。CD一、矢量方程图解法的基本原理和方法

因每一个矢量具有大小和方向两个参数，根据已知条件的不同，上述方程有以下四种情况：设有矢量方程：D＝A+B+CD＝A+B+C大小：√？？√方向：√√√√DABCABD＝A+B+C大小：？√√√方向：？√√√BCBD＝A+B+C大小：√

√√√方向：√√？

？D＝A+B+C大小：√？√√方向：√√？√DACDAvBBAC1.同一构件上两点速度和加速度之间的关系1)速度之间的关系选速度比例尺μvm/s/mm，在任意点p作图使VA＝μvpa，ab相对速度：VBA＝μvabVB＝VA+VBA按图解法得：VB＝μvpb,p设已知大小：方向：⊥BA√√?√

?方向：p

b方向：a

b角速度：ω＝VBA/lBA＝μvab/μlAB方向：CWBACb’2)加速度关系求得：aB＝μap’b’选加速度比例尺:μam/s2/mm，在任意点p’作图使aA＝μap’a’b”设已知角速度ω，A点加速度和aB的方向AB两点间加速度之间的关系有：

aB＝aA+anBA+atBAatBA＝μab”b’方向:b”

b’aBA＝μab’a’方向:a’

b’

大小：方向：?⊥BA?√√√B

Aω2lABaAaBa’p’角加速度：α＝atBA/

lAB方向：CCW＝μab”b’/μlABB132AC12BB122.两构件重合点的速度及加速度的关系

1)回转副①速度关系

vB1=vB2

aB1=aB22)高副和移动副vB3＝vB2+vB3B2b3

vB3B2的方向:b2

b3

角速度：ω3=μvpb3/lCB大小：方向：?√√√?∥BC公共点ω3ω1

vB1≠vB2

aB1≠aB2具体情况由其他已知条件决定仅考虑移动副方向：CWpb2pb2b3akB3B2②加速度关系aB3＝μap’b3’,结论：当两构件构成移动副时，重合点的加速度不相等，且移动副有转动分量时，必然存在哥氏加速度分量。+akB3B2

大小：方向：b’2k’b’3α3akB3B2的方向：vB3B2顺ω3转过90°α3＝atB3/lBC＝μab3’’b3’/lBCarB3B2＝μak’b3’

B

C??ω23lBC

B

C?√l1ω21B

A?∥BC2VB3B2ω3

√提问：此方程对吗？b”3p’图解得：B132ACaB3=anB3+atB3=aB2+arB3B2ω1作者：潘存云教授ABCD1234重合点的选取原则，选已知参数较多的点（一般为铰链点）应将构件扩大至包含B点！如选B点：VB4=VB3+VB4B3如选C点：vC3=vC4+vC3C4tt

不可解！

可解！大小：?方向：??√?√大小：?方向：√

√

√?√(a)作者：潘存云教授作者：潘存云教授ABCD4321图(b)中取C为重合点，有:

vC3=vC4+vC3C4大小：?？

?方向：?√

√

不可解！(b)tt

不可解！大小：?方向：√

方程可解√

√?

√同理可列出构件3上C、B点的关系：大小：?方向：?vC3=vB3+vC3B3√√?√当取B点为重合点时:

vB4=vB3+vB4B3

提问：图(C)所示机构重合点应选在何处？作者：潘存云教授1ABC234B点!(c)作者：潘存云教授3.正确判哥式加速度的存在及其方向无ak

无ak

有ak

有ak

有ak

有ak

有ak

有ak

▲动坐标平动时，无ak

判断下列几种情况取B点为重合点时有无ak

当两构件构成移动副：

▲且动坐标含有转动分量时，存在ak

B123B123B1231B23B123B123B123B123

作者：潘存云教授1xy2VA2A1二、速度瞬心法作平面机构的运动分析绝对瞬心━━重合点绝对速度为零:P21相对瞬心━━重合点绝对速度不为零:

VB2B1Vp2=Vp1≠0

Vp2=Vp1=0

两个作平面运动构件上速度相同的一对重合点，在某一瞬时两构件相对于该点作相对转动，该点称瞬时速度中心。1)速度瞬心的定义A2(A1)B2(B1)特点：①该点涉及两个构件。2）瞬心数目

∵每两个构件就有一个瞬心∴根据排列组合有:P12P23P13构件数4568123若机构中有n个构件，则N＝n(n-1)/2②绝对速度相同，相对速度为零。③相对转动中心。瞬心数6101528121212tt123）机构瞬心位置的确定1.直接观察法

适用于求通过运动副直接相联的两构件瞬心位置nnP12P12P12∞2.三心定律V12定义：三个彼此作平面运动的构件共有三个瞬心，且它们位于同一条直线上。此法特别适用于两构件不直接相联的场合。作者：潘存云教授123P21P31A2VA2VB2A’2E’3P32结论：P21、P31、P32

位于同一条直线上。B2E3VE3D3VD3作者：潘存云教授3214举例：求曲柄滑块机构的速度瞬心。∞P141234P12P13P24P23解：瞬心数为：1.作瞬心多边形圆2.直接观察求瞬心3.三心定律求瞬心N＝n(n-1)/2＝6连接四边形的对角线，该线是左右两边三角形的公共边，右边三角形三边代表的三个瞬心在同一条直线上，左边三角形三边代表的三个瞬心也在同一条直线上，他们的交点就是瞬心P13P34n=4ω11234）速度瞬心在机构速度分析中的应用（1）求线速度已知凸轮转速ω1，求推杆的速度。P23∞解：①直接观察求瞬心P13、P23

V2③求瞬心P12的速度V2＝VP12＝μl(P13P12)·ω1长度P13P12直接从图上量取。P13②根据三心定律和公法线

n－n求瞬心的位置P12

。nnP12P24P13ω2（2）求角速度解：①瞬心数为6个②直接观察能求出4个余下的2个用三心定律求出。③求瞬心P24的速度VP24＝μl(P24P14)·ω4

ω4

＝ω2·

(P24P12)/P24P14a)铰链机构已知构件2的转速ω2，求构件4的角速度ω4

。

VP24＝μl(P24P12)·ω2方向:CW,

与ω2相同。相对瞬心位于两绝对瞬心的同一侧，两构件转向相同VP24作者：潘存云教授2341ω4P12P23P34P14312b)高副机构已知构件2的转速ω2，求构件3的角速度ω3

。ω2解:

用三心定律求出P23

。求瞬心P23的速度:VP23＝μl(P13P23)·ω3

∴ω3＝ω2·(P12P23/P13P23)P12P13方向:CCW,与ω2相反。VP23VP23＝μl(P12P23)·ω2相对瞬心位于两绝对瞬心之间，两构件转向相反。nnP23ω3（3）求传动比定义：两构件角速度之比传动比。ω3/ω2

＝P12P23

/

P13