第01章 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

作業(yè)：1-3、1-4、1-5總結(jié)機(jī)械(machinery)是機(jī)器(machine)與機(jī)構(gòu)(mechanism)的總稱機(jī)器：是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)裝置:機(jī)構(gòu)：傳遞和變換運(yùn)動(dòng)的基本單元，具有機(jī)器的前兩個(gè)特征：實(shí)物組合體、確定運(yùn)動(dòng)構(gòu)件：組成機(jī)構(gòu)的各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部分，是獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元零件：獨(dú)立的制造單元，分為通用零件和專用零件。部件：獨(dú)立的裝配單元零件一般泛指零件和部件機(jī)械設(shè)計(jì)：創(chuàng)造性地規(guī)劃和設(shè)計(jì)具有預(yù)期功能的新機(jī)械或改進(jìn)原有機(jī)械的性能。第一章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析§1.1運(yùn)動(dòng)副§1.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制§1.3運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件§1.4計(jì)算自由度時(shí)的注意事項(xiàng)1.名詞術(shù)語解釋:構(gòu)件－獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元

內(nèi)燃機(jī)中的連桿§1.1運(yùn)動(dòng)副內(nèi)燃機(jī)連桿套筒連桿體螺栓墊圈螺母軸瓦連桿蓋零件－獨(dú)立的制造單元軸帶動(dòng)齒輪，通過鍵a)兩個(gè)構(gòu)件、b)直接接觸、c)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副元素——直接接觸的部分（點(diǎn)、線、面）例如：凸輪、齒輪齒廓、活塞與缸套等。定義：運(yùn)動(dòng)副——構(gòu)件與構(gòu)件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接分類：1）根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件的接觸情況②低副——面接觸，應(yīng)力小。例如：滾動(dòng)副、凸輪副、齒輪副等。例如：轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副）、移動(dòng)副。①高副——點(diǎn)、線接觸，應(yīng)力大。凡是以面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副；而以點(diǎn)或線相接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副螺旋副球面副空間運(yùn)動(dòng)副：組成運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件間作相對(duì)空間運(yùn)動(dòng)。如:分類：2）根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩元素間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間形式不同，運(yùn)動(dòng)副可分為：平面運(yùn)動(dòng)副：組成運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件間作相對(duì)平面運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)副類型.exe§1.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制1.2.1繪制運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的目的和表示運(yùn)動(dòng)副、構(gòu)件的畫法機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖——用規(guī)定的符號(hào)和簡(jiǎn)單的線條，按比例繪制的表示機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的圖形。作用：1.表示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)情況。機(jī)構(gòu)示意圖——不按比例繪制的簡(jiǎn)圖現(xiàn)摘錄了部分GB4460——84機(jī)構(gòu)示意圖如下表。2.作為運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析的依據(jù)。常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)

在機(jī)架上的電機(jī)齒輪齒條傳動(dòng)帶傳動(dòng)圓錐齒輪傳動(dòng)鏈傳動(dòng)圓柱蝸輪蝸桿傳動(dòng)凸輪傳動(dòng)外嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖應(yīng)滿足的條件：

1.簡(jiǎn)圖中構(gòu)件數(shù)目與實(shí)際相同

2.簡(jiǎn)圖中運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)、數(shù)目與實(shí)際相符

3.簡(jiǎn)圖中運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置以及構(gòu)件尺寸與實(shí)際機(jī)構(gòu)成比例。棘輪機(jī)構(gòu)內(nèi)嚙合圓柱齒輪傳動(dòng)常見運(yùn)動(dòng)副符號(hào)的表示:國標(biāo)GB4460－84轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副高副常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)運(yùn)動(dòng)副名稱運(yùn)動(dòng)副符號(hào)兩運(yùn)動(dòng)構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)副12121212121212121212121212兩構(gòu)件之一為固定時(shí)的運(yùn)動(dòng)副122121平面運(yùn)動(dòng)副平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運(yùn)動(dòng)副121212構(gòu)件的表示方法:一般構(gòu)件的表示方法桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件三副構(gòu)件

兩副構(gòu)件

一般構(gòu)件的表示方法注意事項(xiàng):圓圈、平行線畫構(gòu)件時(shí)應(yīng)撇開構(gòu)件的實(shí)際外形，而只考慮運(yùn)動(dòng)副的性質(zhì)。1.2.2繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的步驟步驟：1.確定機(jī)構(gòu)中的原動(dòng)件和工作件（一般位于傳動(dòng)線路末端），弄清運(yùn)動(dòng)傳遞路線，確定構(gòu)件數(shù)目及運(yùn)動(dòng)副的類型；4.確定各運(yùn)動(dòng)副之間的相對(duì)位置，用規(guī)定的符號(hào)畫出各類運(yùn)動(dòng)副5.將同一構(gòu)件上的運(yùn)動(dòng)副元素用簡(jiǎn)單線條連接起來，即為所繪的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。2.恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面。一般選擇機(jī)構(gòu)中與多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面相平行的面作為繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的投影面；3.選取適當(dāng)?shù)谋壤?/p>

μl=實(shí)際尺寸m/圖上長(zhǎng)度mm舉例：繪制破碎機(jī)和偏心泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。DCBA1432繪制圖示鱷式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。0002例題－鄂式破碎機(jī)簡(jiǎn)圖繪制.swf1234繪制圖示偏心泵的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖偏心泵§1.3運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件給定θ1＝θ1（t）或S3＝S3(t)，其他兩構(gòu)件位置就可以唯一確定，該機(jī)構(gòu)只需要一個(gè)獨(dú)立參數(shù)。

若僅給定θ1＝θ1（t）,則θ2θ3θ4均不能唯一確定。若同時(shí)給定θ1和θ4

，則θ3θ2

能唯一確定，該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)。θ4S3123S’3θ11234θ1運(yùn)動(dòng)鏈：兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的系統(tǒng)。

1.3.1運(yùn)動(dòng)鏈閉式運(yùn)動(dòng)鏈(Closedkinematicchain)1.3.2構(gòu)件的自由度：可能出現(xiàn)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目作平面運(yùn)動(dòng)的剛體位置需要三個(gè)獨(dú)立的參數(shù)（x，y,θ）才能唯一確定。運(yùn)動(dòng)=隨基點(diǎn)的平動(dòng)+繞基點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)yxθ(x,y)基點(diǎn)F=3單個(gè)自由構(gòu)件的自由度為3自由構(gòu)件的自由度數(shù)運(yùn)動(dòng)副自由度數(shù)約束數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)副1（θ）+2（x，y）=3yx12Syx12xy12R=2,

F=1R=2,F=1R=1,F=2結(jié)論：平面機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)鏈）自由度＝3n－約束數(shù)＝自由構(gòu)件的自由度數(shù)－約束數(shù)移動(dòng)副1（x）+2（y，θ）=3高副2（x,θ）+1（y）

=3θ1.3.3約束對(duì)自由度的限制1.3.4平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算經(jīng)運(yùn)動(dòng)副相聯(lián)后，構(gòu)件自由度會(huì)有變化1.3.5運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件保證機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)稱為機(jī)構(gòu)的自由度（構(gòu)件：可能出現(xiàn)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目）。原動(dòng)件——能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件?！咭粋€(gè)原動(dòng)件只能提供一個(gè)獨(dú)立參數(shù)∴機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件為：自由度＝原動(dòng)件數(shù)若干1個(gè)或幾個(gè)1個(gè)定義：具有確定運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)架——作為參考系的構(gòu)件，如機(jī)床床身、車輛底盤、飛機(jī)機(jī)身。機(jī)構(gòu)的組成：機(jī)構(gòu)＝機(jī)架＋原動(dòng)件＋從動(dòng)件機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件經(jīng)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接而成的，很顯然，機(jī)構(gòu)歸屬于運(yùn)動(dòng)鏈，那么，運(yùn)動(dòng)鏈在什么條件下就能稱為機(jī)構(gòu)呢？即各部分運(yùn)動(dòng)確定。分別用四桿機(jī)構(gòu)和五桿機(jī)構(gòu)模型演示得出如下結(jié)論：在運(yùn)動(dòng)鏈中，如果以某一個(gè)構(gòu)件作為參考坐標(biāo)系，當(dāng)其中另一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）構(gòu)件相對(duì)于該坐標(biāo)系按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，其余所有的構(gòu)件都能得到確定的運(yùn)動(dòng)，那么，該運(yùn)動(dòng)鏈便成為機(jī)構(gòu)。

原（主）動(dòng)件——按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件。從動(dòng)件——其余可動(dòng)構(gòu)件。構(gòu)件＋運(yùn)動(dòng)副＝運(yùn)動(dòng)鏈≠機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)＝活動(dòng)構(gòu)件數(shù)

n

計(jì)算公式：

F=3n－(2PL+PH)要求：記住上述公式，并能熟練應(yīng)用。構(gòu)件總自由度

低副約束數(shù)

高副約束數(shù)

3×n

2×PL1

×Ph①計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3低副數(shù)PL=4F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1

高副數(shù)PH=0S3123推廣到一般：②計(jì)算五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的自由度解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=4低副數(shù)PL=5F=3n－2PL－PH

=3×4－2×5=2

高副數(shù)PH=01234θ1③④計(jì)算圖示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=2低副數(shù)PL=2F=3n－2PL－PH

=3×2－2×2－1=1高副數(shù)PH=1123④取構(gòu)件3為原動(dòng)件，則該運(yùn)動(dòng)鏈即為機(jī)構(gòu)§1.4計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)的注意事項(xiàng)12345678ABCDEF⑤計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=6F=3n－2PL－PH高副數(shù)PH=0=3×7－2×6－0=9計(jì)算結(jié)果肯定不對(duì)！1.4.1.復(fù)合鉸鏈

——兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相聯(lián)。計(jì)算：m個(gè)構(gòu)件,有m–1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩個(gè)低副上例：在B、C、D、E四處應(yīng)各有

2

個(gè)運(yùn)動(dòng)副。⑤計(jì)算圖示圓盤鋸機(jī)構(gòu)的自由度。解：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7低副數(shù)PL=10F=3n－2PL－PH

=3×7－2×10－0=1可以證明：F點(diǎn)的軌跡為一直線。12345678ABCDEFL型壓縮機(jī)主機(jī)構(gòu)F=3n－2PL

－PH

=3×5－2×7－0=1⑥計(jì)算圖示兩種凸輪機(jī)構(gòu)的自由度。解：n=3，PL=3，F(xiàn)=3n－2PL－PH

=3×3－2×3－1=2PH=1對(duì)于右邊的機(jī)構(gòu)，有：

F=3×2－2×2－1=1事實(shí)上，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相同，且F=11231231.4.2.局部自由度

F=3×2－2×2－1=1定義：構(gòu)件局部運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的自由度，并不影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)在加裝滾子的場(chǎng)合，計(jì)算時(shí)應(yīng)去掉滾子和鉸鏈（固結(jié)）：滾子的作用：滑動(dòng)摩擦滾動(dòng)摩擦。123123解：n=4，PL=6，F(xiàn)=3n－2PL－PH

=3×4－2×6=0PH=01.4.3.虛約束

——對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上不起作用的約束。計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)去掉虛約束?！逨E＝AB＝CD，故增加構(gòu)件4前后E點(diǎn)的軌跡都是圓弧，。增加的約束不起作用，應(yīng)去掉構(gòu)件4。⑦已知：AB＝CD＝EF，計(jì)算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。1234ABCDEF重新計(jì)算：n=3,PL=4,PH=0F=3n－2PL－PH

=3×3－2×4=1特別注意：此例存在虛約束的幾何條件是：1234ABCDEF4F⑦已知：AB＝CD＝EF，計(jì)算圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)的自由度。AB＝CD＝EF虛約束出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合：

a.兩構(gòu)件連接前后，連接點(diǎn)的軌跡重合，b.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)移動(dòng)副，且導(dǎo)路平行。

如平行四邊形機(jī)構(gòu)，火車輪橢圓儀等。(需要證明)d.運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩構(gòu)件上的兩點(diǎn)距離始終不變。c.兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，且同軸。e.對(duì)運(yùn)動(dòng)不起作用的對(duì)稱部分。如多個(gè)行星輪。EFA’Af.兩構(gòu)件構(gòu)成高副，兩處接觸，且法線重合。如等寬凸輪W注意：法線不重合時(shí)，變成實(shí)際約束！AA’n1n1n2n2n1n1n2n2①改善構(gòu)件的受力情況，如多個(gè)行星輪。②提高機(jī)構(gòu)的剛度，如軸與軸承、機(jī)床導(dǎo)軌。③使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順利，避免運(yùn)動(dòng)不確定，如車輪。注意：各種出現(xiàn)虛約束的場(chǎng)合都是有作用的!（1）機(jī)構(gòu)虛約束的去除是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的問題，須在認(rèn)真分析許多實(shí)例的基礎(chǔ)上逐漸掌握。（2）機(jī)構(gòu)的虛約束對(duì)運(yùn)動(dòng)不起約束作用，但是對(duì)提高機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度具有重要意義。（3）存在虛約束的傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)制造精度的要求較高。CDABGFoEE’⑧計(jì)算圖示大篩機(jī)構(gòu)的自由度。位置C，2個(gè)低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度1個(gè)虛約束E’n=7PL=9PH=1F=3n－2PL－PH

=3×7－2×9－1=2CDABGFoEB2I9C3A1J6H87DE4FG5⑧計(jì)算圖示包裝機(jī)送紙機(jī)構(gòu)的自由度。分析：活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n：A1B2I9C3J6H87DE4FG592個(gè)低副復(fù)合鉸鏈:局部自由度2個(gè)虛約束:1處I8去掉局部自由度和虛約束后：

n=