第二章 機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

機械原理（第七版）2009年09月03日河南理工大學機械與動力工程學院普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材主講教師：呂寶占第二章機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2023/2/3§2-1機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的§2-2

機構(gòu)的組成§2-3

機構(gòu)運動簡圖§2-4

機構(gòu)具有確定運動的條件§2-5

機構(gòu)自由度的計算§2-6計算平面機構(gòu)自由度時應注意的事項§2-7

平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析主要內(nèi)容§2-1機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：研究機構(gòu)的組成及機構(gòu)運動簡圖的畫法；了解機構(gòu)具有確定運動的條件；研究機構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。

是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運動副的表面。

是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動連接；§2-2機構(gòu)的組成1.構(gòu)件（link）零件是機器中的一個獨立制造單元體；構(gòu)件是機器中的一個獨立運動單元體。從運動來看，任何機器都是由若干個構(gòu)件組合而成的。

任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞2.運動副（kinematicpair）運動副運動副元素例2-1軸與軸承、滑塊與導軌、兩輪齒嚙合。連桿是內(nèi)燃機中的一個構(gòu)件，它由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、開口銷8等零件構(gòu)成。

3）按其相對運動形式分轉(zhuǎn)動副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副運動副還可分為平面運動副與空間運動副兩類。2）按其接觸形式分高副：點、線接觸的運動副低副：面接觸的運動副3.運動副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分：Ⅰ級副、Ⅱ級副、……Ⅴ級副。(1)運動副的分類（3）運動鏈構(gòu)件通過運動副的連接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈（簡稱閉鏈）開式運動鏈（簡稱開鏈）平面閉式運動鏈空間閉式運動鏈平面開式運動鏈空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB4460－84）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表

但當機構(gòu)安裝在運動的機械上時則是運動的。

——按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件；（4）機構(gòu)具有固定構(gòu)件的運動鏈稱為機構(gòu)。機架原動件從動件——機構(gòu)中的固定構(gòu)件?！獧C構(gòu)中其余活動構(gòu)件。平面鉸鏈四桿機構(gòu)機構(gòu)常分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)兩類，其中平面機構(gòu)應用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機構(gòu)

一般機架相對地面固定不動，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機架原動件從動件機架從動件原動件不嚴格按比例繪出的，只表示機械結(jié)構(gòu)狀況的簡圖。根據(jù)機構(gòu)的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，§2-3

機構(gòu)運動簡圖在對現(xiàn)有機械進行分析或設計新機器時，都需要繪出其機構(gòu)運動簡圖。1.機構(gòu)運動簡圖

例2-2

內(nèi)燃機機構(gòu)運動簡圖。機構(gòu)運動簡圖

采用運動副及常用機構(gòu)運動簡圖符號和構(gòu)件的表示方法，將機構(gòu)運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構(gòu)示意圖內(nèi)燃機舉例：（2）選定視圖平面；（3）選適當比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構(gòu)的符號，最后用簡單線條連接，即得機構(gòu)運動簡圖。2.機構(gòu)運動簡圖的繪制繪制方法及步驟：（1）搞清機械的構(gòu)造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運動副的類別及其位置；內(nèi)燃機顎式破碎機機構(gòu)運動簡圖繪制機構(gòu)運動簡圖繪制顎式破碎機壓床曲柄滑塊機構(gòu)簡圖火車上驅(qū)動機構(gòu)簡圖練習一練習二§2-4

機構(gòu)具有確定運動的條件一個機構(gòu)在什么條件下才能實現(xiàn)確定的運動呢？兩個例子例2-3鉸鏈四桿機構(gòu)例2-4

鉸鏈五桿機構(gòu)若給定機構(gòu)一個獨立運動，則機構(gòu)的運動完全確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動，則機構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機構(gòu)一個獨立運動，則機構(gòu)的運動不確定；若給定機構(gòu)兩個獨立運動，則機構(gòu)的運動完全確定。

機構(gòu)的自由度機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。如果原動件數(shù)<F,如果原動件數(shù)>F,則機構(gòu)的運動將不確定；則會導致機構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。結(jié)論：

機構(gòu)具有確定運動的條件是：機構(gòu)原動件數(shù)目應等于機構(gòu)的自由度的數(shù)目F。當機構(gòu)的自由度大于機構(gòu)的原動件數(shù)時，不能說機構(gòu)就無用。機構(gòu)的運動也不一定是毫無規(guī)律的亂動，而要受到最小阻力定律的支配，即:當機構(gòu)的自由度大于機構(gòu)的原動件數(shù)時，機構(gòu)將優(yōu)先沿著阻力最小的方向運動。行星輪系爬樓機器人自由度F＝2兩自由度的剎車機構(gòu)可使兩片剎車片均勻地抱緊在輪轂上，自動調(diào)節(jié)剎車片的均載，剎車效果比單一剎車片（單自由度）的更好。絞車制動機構(gòu)，其自由度F＝2絞車制動機構(gòu)

一個構(gòu)件未用運動副與其它構(gòu)件連接之前，有三個自由度。

當用運動副連接后，構(gòu)件間的相對運動受到約束，失去一些自由度。運動副不同，失去的自由度數(shù)目和保留的自由度數(shù)目也不同。§2-5

機構(gòu)自由度的計算1.平面機構(gòu)自由度的計算（1）計算公式F＝3n－(2pl＋ph)式中：n為機構(gòu)的活動構(gòu)件數(shù)目；pl

為機構(gòu)的低副數(shù)目；ph為機構(gòu)的高副數(shù)目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）鉸鏈五桿機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝23）內(nèi)燃機機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1§2-6

計算平面機構(gòu)自由度時應注意的事項直線機構(gòu)（圓盤鋸機構(gòu)）

如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運動副?！?-6

計算平面機構(gòu)自由度時應注意的事項1.要正確計算運動副的數(shù)目

由m個構(gòu)件組成的復合鉸鏈，共有(m-1)個轉(zhuǎn)動副。（1）復合鉸鏈

（2）同一運動副

1）移動副，且移動方向彼此平行或重合；2）轉(zhuǎn)動副，且轉(zhuǎn)動軸線重合；

3）平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。

是指機構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的不影響其他構(gòu)件運動的局部運動的自由度，如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副，但各接觸點處的公法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當于一個低副（移動副或轉(zhuǎn)動副）。（3）復合平面高副2.要除去局部自由度局部自由度以F′表示。

滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動為一個局部自由度，

在計算機構(gòu)自由度時，應將F′從計算公式中減去，即例2-8滾子推桿凸輪機構(gòu)解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸輪機構(gòu)的自由度為F＝3×3－(2×3＋1)－1＝13.要除去虛約束

虛約束是指機構(gòu)中某些運動副帶入的對機構(gòu)運動起重復約束作用的約束，以p′表示。例2-9平行四邊形四桿機構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1當增加一個構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動副E、F，且BEAF，則∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×4－(2×6＋0)－0＝0原因：構(gòu)件5和兩個轉(zhuǎn)動副E、F引入的一個約束為虛約束。

在計算機構(gòu)的自由度時，應從機構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四邊形五桿機構(gòu)的自由度為F＝3×4－(2×6＋0－0)－0＝1（1）軌跡重合的情況

在機構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動副連接的是兩個構(gòu)件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入1個虛約束。

例如橢圓儀機構(gòu)就是這種情況（圖中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。

顯然，轉(zhuǎn)動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（2）用雙副桿連接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點的情況

在機構(gòu)運動過程中，如果兩構(gòu)件上兩點之間的距離始終保持不變，若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。4．機構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機構(gòu)就屬于此種情況。顯然，構(gòu)件5和轉(zhuǎn)動副E、F所聯(lián)接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（3）結(jié)構(gòu)重復的情況

在機構(gòu)中，不影響機構(gòu)運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。顯然，從機構(gòu)運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構(gòu)的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p′＝2。局部自由度虛約束

1.虛約束對機構(gòu)工作性能的影響（1）虛約束的作用（2）虛約束對機構(gòu)運動的影響虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構(gòu)的性能。例如平行四邊形機構(gòu)，若誤差較小，則機構(gòu)裝配困難，應力將增大，運動不靈活；

若誤差較大，則機構(gòu)無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。為了改善構(gòu)件的受力情況；增加機構(gòu)的剛度；保證機械通過某些特殊位置。

機構(gòu)中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。

結(jié)論從保證機構(gòu)運動靈活性和便于加工裝配方面來說，應盡量減少機構(gòu)的虛約束。因此，虛約束的多少是機構(gòu)性能的一個重要指標。

不能再拆的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組，稱阿蘇爾桿組，簡稱桿組?！?-7

平面機構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析1.平面機構(gòu)的組成原理1）基本桿組：

注意在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。

任何機構(gòu)都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構(gòu)成的。2）機構(gòu)組成原理：（1）基本桿組的條件3n－2pl－ph＝0式中n、pl及ph分別為基本桿組中的構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。全為低副桿組的條件3n－2pl＝0或n/2＝pl/3（2）桿組的基本類型1）Ⅱ級桿組由2個構(gòu)件和3個低副構(gòu)成的桿組。2）Ⅲ級桿組由4個構(gòu)件和6個低副構(gòu)成的桿組。3.平面機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）分析的目的了解機構(gòu)的組成，確定機構(gòu)的級別。（2）分析的方法1）先計算機構(gòu)的自由度，并確定原動件；

2）從遠離原動件的構(gòu)件先試拆Ⅱ級組，若不成；再拆Ⅲ級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構(gòu)的級別。（3）舉例破碎機機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析：1