第1章機構的組成和運動簡圖

26二月20241第1篇機構的組成和機械設計概論第1章機構的組成和運動簡圖1.1課程概論1.2平面機構的組成和運動簡圖26二月202421.1課程概論1.1.1課程的研究對象本課程的研究對象是機械。

1.機械的概念

1)機器與機構

機械是人們用以代替或減輕體力(腦力)勞動、改善勞動條件、提高勞動生產效率的工具。

常把具體的機械叫做機器。如汽車、飛機、摩托車、起重機、挖掘機、電風扇、縫紉機、洗衣機等。26二月20243

內燃機、破碎機都是執(zhí)行機械運動的裝置,用來變換或傳遞能量,以代替人的勞動。盡管它們的形態(tài)、性能、結構各異,但都稱為機器，具有以下共同特征:(1)是一種人為實體的組合；

(2)各實體之間具有確定的相對運動；

(3)能進行能量、物料或信息的變換與傳遞,并完成有用的機械功或實現(xiàn)能量轉換。

機械是機器和機構的總稱。機器是由各種機構組成的機械系統(tǒng)。

如果只有確定的相對運動，而不能代替人做有用的機械功的構件組合，則稱為機構。例如摩托車是機器，而自行車是機構。26二月202442)構件與零件、部件機構中的運動單元稱為構件。構件在機構中具有獨立的運動特性，在機械中形成一個運動整體。從運動的角度看,機構由具有確定的相對運動的構件組成。構件可以是一個獨立的零件,也可以是由幾個零件剛性地連接組成的。

從制造的角度看,機器是由若干零件組成的,零件是最小的制造單元。較復雜的機器是先由零件組裝成部件,再由零件和部件組裝成機器。26二月20245

內燃機中由活塞、連桿、曲軸和汽缸等構件構成的一個典型的曲柄滑塊機構。

連桿構件是由單獨加工的連桿體、連桿蓋、螺栓和螺母等零件組成的。26二月202462.機械的分類(1)動力機：又稱原動機,是一種將其他形式的能量轉換為機械能的機械。如電動機是把電能轉換為機械能的機械，汽油機、蒸汽機等是將燃油、煤等燃燒時產生的熱能轉換成機械能的機械。(2)工作機：是利用機械能來完成有用功的機械。大部分機械都是工作機，如起重機通過搬運物料而做機械功；金屬切削機床通過對物料的傳遞和轉移而做機械功。(3)信息機：是通過各種復雜信息的傳遞來控制機械運動的機械。它是一種特殊的工作機，如打印機是通過計算機的指令來傳遞信息并實現(xiàn)打印工作的。繪圖機、復印機、傳真機等都是信息機。26二月202473.機械的組成輔助系統(tǒng)，例如：潤滑、顯示、照明等原動機部分傳動部分控制系統(tǒng)執(zhí)行部分

從整體上看,機械是由原動部分、執(zhí)行部分、傳動部分、控制部分組成的。26二月20248

是驅動整個機器以完成預定功能的動力源。它把其它形式的能量轉換為機械能。原動機的動力輸出絕大多數(shù)呈旋轉運動的狀態(tài)，輸出一定的轉矩。

原動機經歷了如下發(fā)展過程：人力、畜力——水力機、風力機——蒸汽機、內燃機、汽輪機、電動機(1)原動機26二月20249

是用來完成機器預定功能的組成部分。一部機器可以只有一個執(zhí)行部分，也可以把機器的功能分解成好幾個執(zhí)行部分。(2)執(zhí)行部分例：壓路機的壓輥橋式起重機的卷筒、釣鉤部分執(zhí)行上下吊放重物的功能牛頭刨床的刨刀26二月202410

用來連接原動機部分和執(zhí)行部分，它將原動機的運動形式、運動及動力參數(shù)轉變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運動形式、運動及動力參數(shù)。(3)傳動裝置

例：旋轉運動轉換為直線運動；

高轉速變?yōu)榈娃D速；小轉矩變?yōu)榇筠D矩等。機器的傳動部分大多數(shù)采用機械傳動系統(tǒng)，有時也采用液壓或電力傳動系統(tǒng)。機械傳動系統(tǒng)是絕大多數(shù)機器不可缺少的重要組成部分。26二月202411(4)控制部分：是控制機械各組成部分運動的裝置,它使操作者能隨時實現(xiàn)或終止機械的各種預定功能。26二月202412機械零件可以分為兩大類通用零件：各種機械中經常用到的一般參數(shù)的零件。例如：螺釘、齒輪、鏈輪、軸等。專用零件：在特定類型的機器中才能用到的零件。例如：飛機螺旋槳、內燃機曲軸等。

機器的最小元素是——零件26二月2024131.2平面機構的組成和運動簡圖

目的任務：理解平面機構、運動副、自由度等基本概念重點：運動副、自由度等基本概念難點：運動副26二月2024141.2.1機構的組成構件：運動單元體零件：制造單元體機架：機構中相對不動的構件

原動件：驅動力（或力矩）所作用的構件?！斎霕嫾?/p>

從動件：隨著原動構件的運動而運動的構件?！敵鰳嫾?.構件和零件

機構：能實現(xiàn)預期的機械運動的各構件（包括機架）的基本組合體稱為機構。26二月2024152.運動副

運動副——兩構件直接接觸（具有一定的約束）而又能產生一定形式的相對運動的聯(lián)接?！獦嫾g的可動聯(lián)接。

根據(jù)構件間接觸形式的不同，平面運動副可分為低副和高副。兩構件通過面接觸組成的運動副稱為低副。26二月202416常見的平面低副有轉動副和移動副兩種轉動副——兩構件間只能產生相對轉動的運動副。又稱回轉副或鉸鏈。移動副——兩構件間只能產生相對移動的運動副。26二月202417兩構件通過點或線接觸組成的運動副稱為高副。凸輪1與頂桿2齒輪1與齒輪2

兩構件間的相對運動為接觸處切線t-t方向的相對移動和在平面內的相對轉動。26二月2024181.2.2平面機構運動簡圖一、定義：二、繪制：1、運動副的符號轉動副：移動副：

用規(guī)定的符號和線條按一定的比例表示構件和運動副的相對位置，并能完全反映機構特征的簡圖。26二月202419齒輪副凸輪副2.構件（桿）：26二月202420機構運動簡圖常用符號（摘自GB4460-85）26二月202421機構運動簡圖常用符號（摘自GB4460-85）

26二月2024223.機構運動簡圖的繪制1）分析機構，觀察相對運動，數(shù)清所有構件的數(shù)目；2）確定所有運動副的類型和數(shù)目；3）選擇合理的位置（即能充分反映機構的特性）；4）確定比例尺；5）用規(guī)定的符號和線條繪制成簡圖。（從原動件開始畫)）26二月202423例1-1繪制圖示內燃機的機構運動簡圖。解(1)分析、確定構件類型內燃機機構,其運動平面平行,故可視為一個平面機構?；钊?為原動件,缸體1為機架,連桿3、曲軸4、齒輪5、齒輪6、凸輪軸7、進氣門頂桿8均為從動件(其中頂桿8為執(zhí)行件,連桿3、曲軸4、齒輪5、齒輪6、凸輪軸7為傳動件)。(2)確定運動副類型。

曲柄滑塊機構中活塞2與缸體1組成移動副,活塞2與連桿3、連桿3與曲軸4、曲軸4與缸體1分別組成轉動副。齒輪機構中齒輪5與缸體1、齒輪6與缸體1分別組成轉動副,齒輪5與齒輪6組成高副。

凸輪機構中凸輪軸7與缸體1組成轉動副,頂桿8與缸體1組成移動副,凸輪軸7與頂桿8組成高副。26二月202424(3)定視圖方向連桿運動平面為視圖方向。(4)選擇比例尺,繪制簡圖。先畫出滑塊導路中心線及曲軸中心位置,然后根據(jù)構件尺寸和運動副之間的尺寸,按選定的比例尺和規(guī)定符號繪出，如圖所示。或26二月2024251.2.3平面機構的自由度1構件的自由度

一個做平面運動的自由構件有三個獨立運動的可能性。

這三個獨立的運動稱為該構件的自由度。

如圖所示,在xOy坐標系中,構件M可隨其上任一點沿x軸、y軸方向移動，也可在xOy平面(繞垂直于xOy平面的軸線z)轉動。26二月2024262構件的約束運動副對構件的獨立運動所加的限制稱為約束。低副：2個約束，1個自由度

轉動副約束了x、y兩個方向的移動,只保留一個轉動；移動副約束了沿y軸方向的移動和在xOy平面內的轉動,只保留沿x軸方向的移動。高副:1個約束，2個自由度

高副只約束了沿接觸處公法線n-n方向的移動。26二月202427

設一個平面運動機構由k個構件組成,其中一個構件為機架,則有n=k-1個活動構件。未構成運動副之前,這些活動構件應有3n個自由度。假設構成PL個低副和PH個高副,而一個低副引入兩個約束,一個高副引入一個約束,每引入一個約束構件就失去一個自由度,故整個運動鏈相對機架的自由度應為活動件自由度的總數(shù)與運動副引入約束總數(shù)之差。以F表示機構的自由度數(shù),則有F＝3n－2PL－PH26二月202428例1-2計算圖示內燃機構件系統(tǒng)的自由度。解：圖中,曲軸4和齒輪5、齒輪6和凸輪軸7皆固連在一起,故可視為一個構件。因此

n=5

PL=6(兩個移動副,四個轉動副)

PH=2F＝3n－2PL－PH

＝3×5－2×6－2＝126二月2024293計算平面機構自由度時的注意事項（1）復合鉸鏈

兩個以上構件在同一處以轉動副相連接構成的運動副稱為復合鉸鏈。

如圖所示是三個構件匯交成的復合鉸鏈,圖中構件1分別與構件2、構件3構成兩個轉動副。依此類推，m個構件在一處以轉動副相連,應具有m-1個轉動副。26二月202430解：由圖可知,n=5。

B處為復合鉸鏈,含兩個轉動副，PL=7。

PH=0例如計算圖示鋼板剪切機的自由度。F＝3n－2PL－PH

＝3×5－2×7－0＝126二月202431（2）局部自由度

機構中出現(xiàn)的與輸出、輸入運動無關的自由度稱局部自由度。

如圖(a)所示的凸輪機構中,為了減少高副接觸處的磨損,在從動件上安裝一個滾子,使其與凸輪輪廓線滾動接觸。顯然,滾子繞本身軸線的轉動不影響其他構件的運動,該轉動的自由度即局部自由度。計算時先把滾子看成與從動件連成一體,消除轉動副后再計算其自由度,如圖(b)所示。此時機構中

n＝2，PL＝2,PH＝1則F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－1＝126二月202432（3）虛約束

在特殊的幾何條件下，有些約束所起的限制作用是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。平面機構中的虛約束,常出現(xiàn)在以下情況中:(1)導路平行或重合的移動副：兩構件構成多個導路相互平行的移動副時,會出現(xiàn)虛約束。如圖18(a)所示的曲柄滑塊機構中,移動副D和D′只有一個起約束作用,另一個則為虛約束。計算時按圖(b)處理。26二月202433(2)軸線重合的轉動副：兩構件構成多個軸線相互重合的轉動副,會出現(xiàn)虛約束。如圖(a)所示的齒輪機構中，轉動副A和A′、B和B′只有一個起約束作用,另一個為虛約束。26二月202434(3)傳動對稱：機構中傳遞運動而不起獨立作用的對稱部分形成虛約束，如圖所示的差動輪系。三個行星輪2，2′，2″對稱布置，且作用相同，故計算時只取其一，其余為虛約束。26二月202435(4)軌跡重合：連接構件上的軌跡和機構上連接點的軌跡重合時,引入虛約束。如圖(a)所示的平行四邊形機構中,連接構件5上E點的軌跡與機構連桿BC上E點的軌跡重合,構件5引入了虛約束。計算機構自由度時,應按圖(b)處理,將構件5及兩個轉動副E、F去掉?；?6二月2024364.平面機構具有確定運動的條件

平面機構自由度的計算公式F＝3n－2PL－PH，表明機構的自由度數(shù)、活動構件數(shù)和運動副數(shù)之間的關系。顯然，只有在自由度大于零時機構才可能動，而自由度等于零時，機構是不可能產生任何相對運動的。因此，機構能具有相對運動的條件是F＞0。F＞0的條件只表明機構能夠動，并不能說明機構是否有確定運動。因此，尚需進一步討論在什么條件下機構才有確定運動。

從動件是不能獨立運動的,只有原動件才能獨立運動。通常每個原動件只有一個獨立運動。因此,要使各構件之間具有確定的相對運動，必須使原動件數(shù)等于構件系統(tǒng)的自由度數(shù)。26二月202437

現(xiàn)從下面兩種情況分析:

左圖為一五桿機構，其自由度為F＝3n－2PL－PH

＝3×4－2×5－0＝21.當自由度大于0時,如果原動件數(shù)少于自由度數(shù),那么運動鏈就會出現(xiàn)運動不確定現(xiàn)象,不能成為機構。

自由度為2,如果原動件數(shù)為1（桿4）,那么就會出現(xiàn)運動不確定現(xiàn)象,不能成為機構,如左圖所示。26二月2024382.如果原動件數(shù)大于自由度數(shù),則運動鏈中最薄弱的構件或運動副可能被破壞,也不能成為機構。

圖示為一四桿機構。其活動構件數(shù)n=3；低副數(shù)pL＝4；高副數(shù)pH＝0。所以，機構的自由度為26二月202439

所以,只有當原