機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件第二章

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)國家級精品課程教材電子工業(yè)出版社主編：唐林虎副主編：張亞萍等第二章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖及自由度第二章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖及自由度

§2.1運(yùn)動(dòng)副及其分類1

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖2§2.3

平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算346課后習(xí)題答案第二章平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖及自由度教學(xué)要求（1）掌握運(yùn)動(dòng)副的概念及表示方法，能繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，特別是原理示意圖；（2）掌握自由度的概念及其計(jì)算，判定機(jī)構(gòu)是否具有確定的相對運(yùn)動(dòng)；（3）能正確識(shí)別復(fù)合鉸鏈、局部自由度和常見的虛約束。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副的概念、自由度的概念及計(jì)算，平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件；難點(diǎn)：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制，自由度的計(jì)算。技能要求機(jī)構(gòu)簡圖的繪制。

§2.1運(yùn)動(dòng)副及其分類2.1.1運(yùn)動(dòng)副

兩構(gòu)件直接接觸并能保持一定相對運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副。

此概念包含三層意思：

（1）兩個(gè)構(gòu)件：由兩個(gè)構(gòu)件構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副，兩個(gè)以上的構(gòu)件則構(gòu)成多個(gè)運(yùn)動(dòng)副。

（2）直接接觸：兩個(gè)構(gòu)件只有直接接觸才能構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副，一旦構(gòu)件脫離接觸失去約束，它們所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副即不復(fù)存在。

（3）可動(dòng)聯(lián)接：兩個(gè)構(gòu)件之間要能存在一定形式的相對運(yùn)動(dòng)，形成一種可動(dòng)聯(lián)接。顯然，若兩構(gòu)件之間是無相對運(yùn)動(dòng)的靜聯(lián)接，則二者固結(jié)為一個(gè)構(gòu)件，它們之間不存在運(yùn)動(dòng)副。

§2.1運(yùn)動(dòng)副及其分類2.1.2運(yùn)動(dòng)副的種類根據(jù)兩構(gòu)件的相對運(yùn)動(dòng)分

（1）平面運(yùn)動(dòng)副

（2）空間運(yùn)動(dòng)副

根據(jù)兩構(gòu)件之間的接觸方式分

（1）低副

（2）高副

1．低副兩構(gòu)件通過面接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)副：兩構(gòu)件只能繞同一軸線作相對轉(zhuǎn)動(dòng)的低副。

（2）移動(dòng)副：兩構(gòu)件只能沿某一直線作相對移動(dòng)的低副。

§2.1運(yùn)動(dòng)副及其分類

2．高副

兩構(gòu)件通過點(diǎn)或線接觸而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副。

（1）凸輪副：凸輪與頂桿之間的聯(lián)接。

（2）齒輪副：兩齒輪間用齒廓構(gòu)成的聯(lián)接。轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副凸輪副齒輪副

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖2.2.1平面機(jī)構(gòu)的組成

組成平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)件按其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可分：（1）機(jī)架：用來支撐活動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)件。例如各種機(jī)床的床身、內(nèi)燃機(jī)中的氣缸體等，可用來支撐軸、齒輪等活動(dòng)構(gòu)件。

（2）原動(dòng)件：按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。該構(gòu)件輸入的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是已知的，如內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)中的活塞等。（3）從動(dòng)件：除機(jī)架和原動(dòng)件之外的其他構(gòu)件。如內(nèi)燃機(jī)中的連桿和曲軸等，

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖2.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖及作用定義

在工程上，用簡單的線條和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)副的符號來表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并按比例確定出各運(yùn)動(dòng)副之間的相對位置，且能準(zhǔn)確表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的簡單圖形稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。作用

它能反映出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動(dòng)本質(zhì)，通過簡圖可對機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，是研究機(jī)構(gòu)的重要工具。

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖2.2.3運(yùn)動(dòng)副及構(gòu)件的表示方法

1.運(yùn)動(dòng)副的表示方法

轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副高副

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖

2．構(gòu)件的表示方法參與形成兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件參與形成三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的構(gòu)件同一構(gòu)件上的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副位于一條直線的表示方法

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖2.2.4繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的步驟

繪制平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖可按以下步驟進(jìn)行：

（1）觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，分析機(jī)構(gòu)的具體組成，確定機(jī)架、原動(dòng)件和從動(dòng)件。

（2）由原動(dòng)件開始，沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，逐一分析每兩個(gè)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，確定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。

（3）正確選擇運(yùn)動(dòng)簡圖的視圖平面。通常選擇與各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)平面相互平行的平面作為視圖平面。

（4）繪制機(jī)構(gòu)簡圖。選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，確定出各運(yùn)動(dòng)副的相對位置，用簡單線條表示的構(gòu)件將運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接起來，即可繪出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

§2.2平面機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)簡圖

以單缸內(nèi)燃機(jī)為例，說明繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的方法和步驟。內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算2.3.1平面機(jī)構(gòu)的自由度

1．自由度

當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副之后，任一構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)將受到限制，相應(yīng)的自由度數(shù)目就隨之減小，這種限制稱為約束。

機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件相對于機(jī)架所能完成的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。

在未組成機(jī)構(gòu)之前的構(gòu)件，都是自由構(gòu)件，任一作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件的自由度為3。

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算（1）每個(gè)低副引入兩個(gè)約束，使構(gòu)件失去兩個(gè)自由度，剩下一個(gè)自由度。

（2）

高副只引入一個(gè)約束，剩下兩個(gè)自由度。動(dòng)態(tài)演示動(dòng)態(tài)演示動(dòng)態(tài)演示

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算

2．自由度的計(jì)算

設(shè)某平面機(jī)構(gòu)中有N個(gè)構(gòu)件，除去機(jī)架，活動(dòng)構(gòu)件有n=N–1，在不受約束時(shí)，自由構(gòu)件共有3n個(gè)自由度，用PL個(gè)低副和PH個(gè)高副進(jìn)行聯(lián)接組成機(jī)構(gòu)，則構(gòu)件共受到2PL+PH個(gè)約束。

平面機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目的計(jì)算公式為：

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算

試計(jì)算下列機(jī)構(gòu)的自由度N=4，n=3，PL=4，PH=0N=6，n=5，PL=6，PH=2

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算2.3.2機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件四桿機(jī)構(gòu)（1）若原動(dòng)件數(shù)目≥自由度數(shù)目：如四桿機(jī)構(gòu)：已知該機(jī)構(gòu)的自由度為1，若設(shè)定兩個(gè)原動(dòng)件，則兩個(gè)原動(dòng)件都按各自的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)?！皹?gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)相互干涉，很可能會(huì)使機(jī)構(gòu)卡住不動(dòng)，或在薄弱處損壞”

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算五桿機(jī)構(gòu)（2）若原動(dòng)件數(shù)目≤自由度數(shù)目：

如五桿機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)的自由度為2，若只設(shè)定一個(gè)原動(dòng)件（構(gòu)件1），則機(jī)構(gòu)中其余構(gòu)件既可能處于圖中實(shí)線位置，也可能處于虛線位置，或其他任意位置?！皺C(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)不確定”

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算（3）若自由度數(shù)目F≤0：

如三桿機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)自由度為零或負(fù)值?！案鳂?gòu)件之間不能產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)”靜定桁架超靜定桁架機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：

（1）機(jī)構(gòu)的自由度F＞0。（2）原動(dòng)件的個(gè)數(shù)與機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目相等。

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算2.3.3平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算中應(yīng)注意的問題

1．復(fù)合鉸鏈

兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一軸線上以轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接形成的運(yùn)動(dòng)副。若有k個(gè)構(gòu)件，在同一軸線上以復(fù)合鉸鏈進(jìn)行聯(lián)接，則構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目應(yīng)為k-1個(gè)?！霸谟?jì)算自由度時(shí)，應(yīng)注意機(jī)構(gòu)中是否存在復(fù)合鉸鏈，以免數(shù)錯(cuò)運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目”復(fù)合鉸鏈

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算

試計(jì)算六桿機(jī)構(gòu)的自由度，并判斷該機(jī)構(gòu)是否具有確定的運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)中n=5。B點(diǎn)處是由構(gòu)件2、3、4構(gòu)成的兩個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)副，該復(fù)合鉸鏈計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)按2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副計(jì)算。

PL=7，高副數(shù)PH=0，則機(jī)構(gòu)的自由度為：

構(gòu)件1為原動(dòng)件，該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。帶復(fù)合鉸鏈機(jī)構(gòu)

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算

2．局部自由度

與機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)無關(guān)的自由度。n=3，PL=3，PH=1，F(xiàn)=2n=2，PL=2，PH=1，F(xiàn)=1“在分析機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，局部自由度不應(yīng)計(jì)算在內(nèi)”凸輪機(jī)構(gòu)1-凸輪2-推桿3-機(jī)架4-滾子

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算

3．虛約束

對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生實(shí)際約束效果的重復(fù)約束。

虛約束常出現(xiàn)于下列情況中：（1）兩構(gòu)件間形成多處具有相同作用的運(yùn)動(dòng)副（a）

（b）

兩構(gòu)件間形成多處運(yùn)動(dòng)副的虛約束

（a）圖中，輪軸2與機(jī)架1在A、B兩處形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，這里應(yīng)按一個(gè)運(yùn)動(dòng)副計(jì)算自由度。（b）圖中，在液壓缸的缸筒2與活塞1、缸蓋3與活塞桿4兩處構(gòu)成移動(dòng)副，實(shí)際上只有兩個(gè)構(gòu)件而并非四個(gè)構(gòu)件，這兩個(gè)構(gòu)件也只能構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)副。

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算（2）兩構(gòu)件上聯(lián)接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡重合F=3×3﹣2×4=1F=3×4﹣2×6=0？

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算（3）機(jī)構(gòu)中具有對運(yùn)動(dòng)起相同作用的對稱部分齒輪減速裝置

在齒輪減速裝置中，從運(yùn)動(dòng)的角度看，運(yùn)動(dòng)由齒輪1輸入，只要經(jīng)齒輪2、3就可以從齒輪4輸出。從力學(xué)的角度考慮，加入了齒輪6、7。

未引入對稱結(jié)構(gòu)時(shí)，n=3，PL=3，PH=2，則F=1；

引入對稱結(jié)構(gòu)后，n=4，PL=4，PH=4，則F=0，顯然是錯(cuò)誤的。在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，虛約束應(yīng)予以排除。虛約束對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)雖不起作用，但可增加構(gòu)件的剛性，改善其受力狀況。但必須指出，只有在特定的幾何條件下才能構(gòu)成虛約束。

§2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度及其計(jì)算試計(jì)算篩料機(jī)構(gòu)的自由度。復(fù)合鉸鏈局部自由度虛約束

機(jī)構(gòu)中標(biāo)有箭頭的凸輪6和曲軸1作為原動(dòng)件分別繞F點(diǎn)和A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使工作構(gòu)件5帶動(dòng)篩子抖動(dòng)篩料。

（1）構(gòu)件2、3、4三構(gòu)件在C點(diǎn)組成復(fù)合鉸鏈；

（2）滾子7繞E點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)為局部自由度；

（3）頂桿與機(jī)架在D′和D″處組成兩個(gè)導(dǎo)路平行的移動(dòng)副，其中有一處是虛約束。故n=7、PL=9、PH=1，計(jì)算得F=2，說明該機(jī)構(gòu)需要有兩個(gè)原動(dòng)件，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)才能確定。篩料機(jī)構(gòu)課后習(xí)題答案一、判斷題1.√

2.×

3.×4.√

5.×

6.×

7.×

8.×

9.×

10.√二、選擇題1.C

2.B

3.D

4.A

5.C

6.A

7.B

8.A

9.B

10.A三、綜合題1.（a）:解（1）繪制平面機(jī)構(gòu)簡圖1）機(jī)構(gòu)分析

牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)由大齒輪2、機(jī)架7、滑塊3、導(dǎo)桿4、搖塊5和滑枕6共6個(gè)構(gòu)件組成，轉(zhuǎn)動(dòng)的大齒輪為原動(dòng)件，移動(dòng)的滑枕6為從動(dòng)件。課后習(xí)題答案2）確定運(yùn)動(dòng)副類型

原動(dòng)件大齒輪2用軸通過軸承與機(jī)架7鉸接成轉(zhuǎn)動(dòng)副z；滑塊3通過銷子與大齒輪鉸接成轉(zhuǎn)動(dòng)副z1

；滑塊3與導(dǎo)桿4用導(dǎo)軌聯(lián)接為面接觸成移動(dòng)副Y1；搖塊5與機(jī)架鉸接成轉(zhuǎn)動(dòng)副z2；搖塊5與導(dǎo)桿4用導(dǎo)軌聯(lián)接，成移動(dòng)副Y2；導(dǎo)桿4與滑枕6鉸接成轉(zhuǎn)動(dòng)副z3；滑枕6與機(jī)架7用導(dǎo)軌聯(lián)接以面接觸成移動(dòng)副Y3。這里有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和3個(gè)移動(dòng)副共7個(gè)運(yùn)動(dòng)副。

3）恰當(dāng)選擇運(yùn)動(dòng)簡圖的視圖平面

4）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

①按各運(yùn)動(dòng)副間的圖示距離和相對位置，選擇適當(dāng)?shù)乃矔r(shí)位置，用規(guī)定的符號表示各運(yùn)動(dòng)副；

②用直線將同一構(gòu)件上的運(yùn)動(dòng)副連接起來，并標(biāo)上件號、鉸點(diǎn)名和原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向，即得所求的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。如圖所示。課后習(xí)題答案

（2）計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度

牛頭刨床執(zhí)行機(jī)構(gòu)共有6個(gè)構(gòu)件組成7個(gè)低副和0個(gè)高副，活動(dòng)構(gòu)件為n=5，則該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3×5－2×7=1。自由度為1，說明只要有一個(gè)原動(dòng)件，該機(jī)構(gòu)就能具有確定的相對運(yùn)動(dòng)。課后習(xí)題答案

（b）:解（1）繪制平面機(jī)構(gòu)簡圖

1）機(jī)構(gòu)分析

手搖唧筒由手柄1、桿件2、活塞桿3和抽水筒4等構(gòu)件組成，其中抽水筒4是機(jī)架，手柄1是原動(dòng)件，其余構(gòu)件是從動(dòng)件。

2）確定運(yùn)動(dòng)副類型

手柄1和活塞桿3、桿件2分別在A點(diǎn)和B點(diǎn)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。桿件2和抽水筒4在C點(diǎn)也為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，活塞桿3上的活塞與抽水筒4之間則以移動(dòng)副連接。

3）恰當(dāng)選擇運(yùn)動(dòng)簡圖的視圖平面

為了能清楚地表明各構(gòu)件間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常選擇平行于構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的平面作為視圖平面。

4）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。

①確定比例尺。

②用直線將同一構(gòu)件上的運(yùn)動(dòng)副連接起來，并標(biāo)上件號、鉸點(diǎn)名和原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向，即得所求的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。課后習(xí)題答案

如圖所示，先畫出抽水筒4和手柄1的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心A及活塞桿3的移動(dòng)路線直線AC，然后按比例畫出手柄1和桿件2的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心B及桿件2和抽水筒4的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心，最后用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的圖形符號把各點(diǎn)連接起來，并在原動(dòng)件上用箭頭標(biāo)明運(yùn)動(dòng)方向。

（2）計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度

手搖唧筒共有4個(gè)構(gòu)件組成4個(gè)低副和0個(gè)高副，活動(dòng)構(gòu)件為n=3，則該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3×3－2×4=1。

自由度為1，說明只要有一個(gè)原動(dòng)件，該機(jī)構(gòu)就能具有確定的相對運(yùn)動(dòng)。課后習(xí)題答案

（c）:做法步驟同上。（略）2.（a）無復(fù)合鉸鏈，無虛約束，滾子引入一個(gè)局部自由度。