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1、 第第第第第第1 1 1章章章章章章1、机器的共同特征1）由若干个实物组合而成2）各实物之间有确定的相对运动3）实现能量转换或完成有用的机械功机器一般由原动部分、传动部分和执行部分组成，具有前两个特征的称为机构，机构由构件组合而成，构件可以是一个或多个零件。工程上机构和机器总称为机械。指该机构中所有构件在任一瞬间的运动是完全确定的第十一章：平面机构运动简图及自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章2、机器的组成1）动力部分：驱动机械完成功能的动力源（原动部分）2）传动部分：在动力部分与工作部分之间传递运动的部分3）工作部分：完成预定功能、进行生产的部分（执行部分）4）控制部分：控制所有部分动
2、力系统传动系统执行系统操纵系统和控制系统 第第第第第第1 1 1章章章章章章构件可以是一个零件；也可以是由一个以上的零件组成。图示内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母、轴套等零件组成的。这些零件作为一个整体运动，相互之间不产生相对运动。气缸体气缸体活塞活塞连杆连杆曲轴曲轴 第第第第第第1 1 1章章章章章章3 构件和零件的比较1）构件:从运动角度来看，任何机器（或机构）从运动角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些都是由许多独立运动单元体组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。独立运动单元体称为构件。2）零件:从加工制造角度来看，任何机器（
3、或从加工制造角度来看，任何机器（或机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零机构）都是由许多独立制造单元体组合而成零件，这些独立制造单元体称为零件。件，这些独立制造单元体称为零件。 第第第第第第1 1 1章章章章章章4、机械的分类1）动力机械：将非机械能转换为机械能2）能量转换机械：将机械能转换为非机械能3）工作机械：利用机械能完成一定工作 第第第第第第1 1 1章章章章章章第一节第一节运动副及其分类运动副及其分类 一、自由度一、自由度 运动副运动副 约束约束 一个在平面内自由运动的一个在平面内自由运动的构件，有三个独立运动的可能构件，有三个独立运动的可能性。如图性。如图1-1所示，构件所示，构
4、件B可随可随该构件上一点该构件上一点A沿沿x轴移动、沿轴移动、沿y轴移动和绕轴移动和绕A点作转动。点作转动。 构件的自由度构件的自由度:构件作独立运构件作独立运动的可能性。一个在平面上作动的可能性。一个在平面上作自由运动的构件有三个自由度。自由运动的构件有三个自由度。 平面机构平面机构:机构中所有构件都在机构中所有构件都在同一平面或相互平行平面内运同一平面或相互平行平面内运动。动。 第第第第第第1 1 1章章章章章章为了使构件组成具有确定运动的机构，构件之为了使构件组成具有确定运动的机构，构件之间需要用某种方式联接起来。这种联接应保证构件之间需要用某种方式联接起来。这种联接应保证构件之间有一定
5、的相对运动。间有一定的相对运动。机构机构便是由若干个构件通过运动副联接而成的一个便是由若干个构件通过运动副联接而成的一个系统。系统。约束约束: :由于两构件直接接触，从而限制了两构件之由于两构件直接接触，从而限制了两构件之间的相对运动，运动副限制构件相对运动的作用，间的相对运动，运动副限制构件相对运动的作用，运动副：运动副：两个构件或者两个以上构件直接接触，并且构件之间能够产生一定的相对运动的连接称为运动副。第一节第一节运动副及其分类运动副及其分类 第第第第第第1 1 1章章章章章章五、运动副的分类：空间运动副空间运动按相对运动范围分：平面运动副平面运动球面副螺旋副 第第第第第第1 1 1章章
6、章章章章若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。螺旋副螺旋副球面副球面副第一节第一节运动副及其分类运动副及其分类 第第第第第第1 1 1章章章章章章平面运动副：两构件之间的相对运动为平面运动( (1 1) )低副低副两构件通过面接触构成的运动副，两构件通过面接触构成的运动副，根据两构件间的相对运动形式，低副又分为移动副和转动副。一个低副引入两个约束。移动副移动副 两构件间的相对运动为直线运动两构件间的相对运动为直线运动 第第第第第第1 1 1章章章章章章两构件间的相对运动为转动两构件间的相对运动为转动转动副（铰链）转动副（铰链
7、） 第第第第第第1 1 1章章章章章章（2 2）高副两构件通过点或线接触构成的运动副。一个高副引入一个约束凸轮高副（点接触）凸轮高副（点接触） 第第第第第第1 1 1章章章章章章齿轮副（线接触）齿轮副（线接触）第一节第一节运动副及其分类运动副及其分类 第第第第第第1 1 1章章章章章章二、绘制平面机构运动简图的方法和步骤二、绘制平面机构运动简图的方法和步骤无论对已有机构进行分析，还是设计新的无论对已有机构进行分析，还是设计新的机构，都要从分析机构运动着手，所以机构运动简图机构，都要从分析机构运动着手，所以机构运动简图是研究机构的重要工具。是研究机构的重要工具。撇开实际机构中与运动无关的因素撇开
8、实际机构中与运动无关的因素( (例如例如构件的形状，组成构件的零件数目和运动副的具体结构件的形状，组成构件的零件数目和运动副的具体结构等构等) )，用简单线条和符号表示构件和运动副，并按一，用简单线条和符号表示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置，表示出机构各构件间相定比例定出各运动副的位置，表示出机构各构件间相对运动关系的图，称为对运动关系的图，称为机构运动简图机构运动简图。第二第二第二第二第二第二节节节 平面平面平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章一、构件的分类一、构件的分类机构中的构件可以分为
9、以下三类：(1)机架机架机架机架是机构中固定不动的构件，它支承着其他活动构件。如图1-6所示，构件4是机架，支承着曲柄1和连杆2等活动构件。当作机架时，应在该构件上打上剖面线。(2)原动件原动件原动件原动件是机构中接受外部给定运动规律的活动构件。图中构件1是原动件，它接受电动机给定的运动规律运动。(3)从动件从动件从动件从动件是机构中随原动件运动的活动构件。图中的连杆2和滑块3都是从动件，它们随原动件曲柄1的运动而运动。第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章第二节第二节第二节第二节 平面机构运动简图平面机构运动
10、简图平面机构运动简图平面机构运动简图构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法构件及运动副的表示方法1.1.1.1.构件构件构件构件构件均用直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。构件均用直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。 第第第第第第1 1 1章章章章章章第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章2.2.2.2.转动副转动副转动副转动副构件组成转动副时，如下图表示。构件组成转动副时，如下图表示。 图面垂直于回转轴线时用图图面垂直于回转轴线时用图a a表示；表示；图面不垂直于回转轴
11、线时用图图面不垂直于回转轴线时用图b b表示。表示。第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章2.2.2.2.转动副转动副转动副转动副表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。一个构件具有三以上个转动副时，则应在两条交一个构件具有三以上个转动副时，则应在两条交叉处涂黑，或在其内画上斜线。叉处涂黑，或在其内画上斜线。第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章3. 3. 3. 3. 移动副移动副
12、移动副移动副两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。向一致。第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章4. 4. 4. 4. 平面高副平面高副平面高副平面高副 两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。其全部轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简
13、图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章下面以图下面以图1-61-6所示的偏心轮冲床所示的偏心轮冲床机构为例，说明绘制机构运动简图机构为例，说明绘制机构运动简图的方法和步骤。的方法和步骤。1)1)分析机构的工作原理、组成情分析机构的工作原理、组成情况和运动情况，确定其组成的各构况和运动情况，确定其组成的各构件，何为原动件、机架、从动件。件，何为原动件、机架、从动件。本例中，偏心轮本例中，偏心轮1 1是原动件，由电是原动件，由电动机通过带传动来驱动；床身动机通过带传动来驱动；床身4 4为为机架；连杆机架；连杆2 2和冲头和冲头3 3都是从动件。都是从动件。例例例
14、例 题题 1 1第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章2)2)沿着运动传递路线，逐一分析每沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件之间相对运动的性质，两个构件之间相对运动的性质，以确定运动副的类型和数目。本以确定运动副的类型和数目。本例中，偏心轮与机架之间为转动例中，偏心轮与机架之间为转动副联接，连杆与偏心轮、连杆与副联接，连杆与偏心轮、连杆与冲头之间也都为转动副联接，而冲头之间也都为转动副联接，而冲头与机架之间则为移动副联接。冲头与机架之间则为移动副联接。例例例例 题题 1 1第二第二第二第二节节 平面平面平面平
15、面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章3)3)合理选择运动简图的视图平面。合理选择运动简图的视图平面。通常可选择机械中多数构件的运通常可选择机械中多数构件的运动平面为视图平面，必要时也可动平面为视图平面，必要时也可选择两个或两个以上的视图平面，选择两个或两个以上的视图平面，然后将其展到同一平面上。本例然后将其展到同一平面上。本例是以偏心轮运动平面作为投影面。是以偏心轮运动平面作为投影面。这时机构中构件的运动情况已能这时机构中构件的运动情况已能够表达清楚，不必再作辅助视图。够表达清楚，不必再作辅助视图。例例例例 题题 1 1第二第二第二第二节节 平
16、面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章4)4)选择适当的比例，定出运动副的相对选择适当的比例，定出运动副的相对位置，并用各种运动副的表示符号、常位置，并用各种运动副的表示符号、常用机构的符号和简单的线条，绘制机构用机构的符号和简单的线条，绘制机构运动简图。从原动件开始，按传动线路运动简图。从原动件开始，按传动线路标注各构件的编号和运动副的代号。在标注各构件的编号和运动副的代号。在原动件上标出箭头表示其运动方向。原动件上标出箭头表示其运动方向。本例根据图本例根据图1 16a6a，按照，按照1 1：1 1比例，绘比例，绘制偏心轮冲床机构的
17、运动简图，如图制偏心轮冲床机构的运动简图，如图1 16b6b所示。所示。例例例例 题题 1 1第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章例例例例 题题题题 2 2试绘制内燃机的机构运动简图试绘制内燃机的机构运动简图试绘制内燃机的机构运动简图试绘制内燃机的机构运动简图第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章例例例例 题题题题 2 2气缸体气缸体1活塞活塞2进气阀进气阀3排气阀排气阀4连杆连杆5曲轴曲轴6凸轮凸轮7顶杆顶杆8齿轮齿轮10解
18、：解：1）分析运动，确定构）分析运动，确定构件的类型和数量件的类型和数量2）确定运动副的类型和）确定运动副的类型和数目数目3）选择视图平面）选择视图平面4）选取比例尺，根据机）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运动副构运动尺寸，定出各运动副间的相对位置间的相对位置5）画出各运动副和机构）画出各运动副和机构符号，并表示出各构件符号，并表示出各构件第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1 1 1章章章章章章例例例例 题题题题 2 2第二第二第二第二节节 平面平面平面平面机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图 第第第第第第1
19、1 1章章章章章章一、自由度计算式 机构具有确定运动时所给定的独立运动参数的数目通常称为机构的自由度。 计算公式设n：机构中活动构件数；Pl：机构中低副数；Ph：机构中高副数；F：机构的自由度数；则F=3n-2Pl-Ph第三节第三节第三节第三节 平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章例1-1计算图1-6所示偏心轮冲床机构的自由度。解由其机构运动简图不难看出，此时机构共有三个活动构件(1、2、3)，4个低副(转动副A、B、C和移动副)，没有高副n = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =33 -
20、2Pl - Ph =33 - 24 - 0= 1 第三节第三节第三节第三节 平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度例例例例 题题 3 3 第第第第第第1 1 1章章章章章章第三节第三节第三节第三节 平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度平面机构的自由度n = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =33 - 2Pl - Ph =33 - 24 - 0= 1 例例例例 题题 4 4 第第第第第第1 1 1章章章章章章二、二、 机构具有确定相对运动的条件机构具有确定相对运动的条件机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目称
21、机构的自由度。平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于机构的自由度数目。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章三、计算自由度时应注意的几种情况三、计算自由度时应注意的几种情况三、计算自由度时应注意的几种情况三、计算自由度时应注意的几种情况 1.1.复合铰链复合铰链2.2.局部自由度局部自由度 两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。了复合铰链。 说说说说 明明明明 个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度个别构件所具有的，不影响整个机构运动
22、的自由度称为局部自由度。称为局部自由度。 说说说说 明明明明第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章三、计算自由度时应注意的几种情况三、计算自由度时应注意的几种情况三、计算自由度时应注意的几种情况三、计算自由度时应注意的几种情况 3.3.虚约束虚约束 重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。称为虚约束。 说说说说 明明明明4.4.虚约束常见情况及处理方法虚约束常见情况及处理方法 说说说说 明明明明5.5.虚约束对机构的影响虚约束对机构的影响说说说说 明明
23、明明第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章三个构件在同一轴线处，两个转动副。三个构件在同一轴线处，两个转动副。推理：推理：m个构件时，有个构件时，有m1个转动副。个转动副。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章惯性筛机构惯性筛机构C处为复合铰链处为复合铰链计计算算中中注注意意观观察察是是否否有有复复合合铰铰链链，以以免免漏漏算算转转动动副副数数目目，出出现现计算错误。计算错误。n=5,Pl=7,Ph=0=35-270=1F=3n
24、-2PlPh第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属滚子的转动自由度并不影响整个机构的运动，属局部自由度局部自由度。计入局部自由度时计入局部自由度时n=3,Pl=3,Ph=1F=33-2-1=2与实际不符与实际不符第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章应应除除去去局局部部自自由由度度，即即把把滚子和从动件看作一个构件。滚子和从动件看作一个构件。处理方法处理方法 实际结构上为减小摩擦采用局部
25、自由度，实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去除去”指计算中不计入，并指计算中不计入，并非实际拆除。非实际拆除。N=2,Pl=2,Ph=1,F=32-221=1与与实际相符实际相符第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章n=4,Pl=6,Ph=0虚约束虚约束：构件构件5给机构引入三个自由度，四个约束。多出给机构引入三个自由度，四个约束。多出的一个约束对机构的运动不起独立的限制作用，是虚约束。的一个约束对机构的运动不起独立的限制作用，是虚约束。与实际不符与实际不符F=34-260=0第三第三第三第三节节 平面机
26、构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章n=3,Pl=4,Ph=0F=33-240=1处理方法处理方法与实际相符与实际相符应应除除去去虚虚约约束束，即即将将产产生生虚虚约约束束的的构构件件5及及运动副除去不计。运动副除去不计。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理计算中应将产生虚约计算中应将产生虚约束的构件及运动副一起束的构件及运动副一起除去不计。除去不计。1.两两构构件件两两点
27、点间间未未组组成成运运动动副副前前距距离离保保持持不不变变，两两点点间间用用另另一一构构件件连连接接时时，将将产产生生虚约束。虚约束。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理计算中只计入一个移动副。计算中只计入一个移动副。 2.两两构构件件组组成成多多个个移移动动副副，且且导导路路相相互互平平行行或或重重合合时时，只只有有一个移动副起约束作用，其余为虚约束。一个移动副起约束作用，其余为虚约束。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自
28、由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章 3. .两两构构件件组组成成多多个个转转动动副副，且且轴轴线线重重合合，只只有有一一个个转转动动副副起起约约束束作作用用，其其余余为为虚虚约约束。束。虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理计算中只计入一个转动副。计算中只计入一个转动副。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章 4. .两两构构件件组组成成多多个个平平面面髙髙副副，当当接接触触点点的的公公法法线线彼彼此此重重合合，只只有有一一个个平平面面髙髙副副起起约约束束作作用用，其其余余为为虚虚约束。约束。虚约束常见
29、情况及处理虚约束常见情况及处理计算中只计入一个平面髙副。计算中只计入一个平面髙副。ADCBFEGHI第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理虚约束常见情况及处理计算中应将对称部分除去不计。计算中应将对称部分除去不计。 5.机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。机构中对运动不起独立作用的对称部分，将产生虚约束。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度 第第第第第第1 1 1章章章章章章虚约束对机构的
30、影响虚约束对机构的影响机构中虚约束是实际存在的，计算中所谓机构中虚约束是实际存在的，计算中所谓“除去不计除去不计”是从运动观是从运动观点分析做的假想处理，并非实际拆除。点分析做的假想处理，并非实际拆除。虚虚约约束束是是在在一一些些特特定定的的几几何何条条件件下下引引入入的的，如如“平平行行”、“重重合合”、“距距离离不不变变”等等。如如果果几几何何条条件件不不满满足足，虚虚约约束束会会转转化化为为有有效效约束。约束。机机构构中中引引入入虚虚约约束束是是为为了了受受力力均均衡衡，增增大大刚刚度度等等，同同时时也也提提高高了了对对制制造造和和装装配配精精度的要求。度的要求。第三第三第三第三节节 平面机构的平面机构的平面机构的平面机构的自由度自由度自由度自由度
