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1、2-12-1 构件及其运动副构件及其运动副2-22-2 机构运动简图的绘制机构运动简图的绘制2-32-3 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算2-42-4 机构的组成原理及结构分析机构的组成原理及结构分析2-52-5 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代第二章 平面机构的结构分析2-1 2-1 构件及其运动副构件及其运动副一、构件二、运动副 两个构件直接接触且具有确定相对运两个构件直接接触且具有确定相对运 动的联接。动的联接。平面运动副分类:转动副转动副移动副移动副特点：特点：面接触、面接触、相对转动或相对移动相对转动或相对移动 低副低副 运动的单元运动的单元. .运动副元素运动副元素
2、两构件相互接触的点、线、面。两构件相互接触的点、线、面。 齿轮副齿轮副 凸轮副凸轮副特点：特点：点或线接触、点或线接触、沿接触点切线方向相对移动沿接触点切线方向相对移动 绕接触点的转动绕接触点的转动 高副高副螺旋副螺旋副 球面副球面副 三三、运动链、运动链 若干构件通过运动副联接而成的可动系统称若干构件通过运动副联接而成的可动系统称运动链运动链 若若将将运运动动链链中中的的一一个个构构件件相相对对固固定定，运运动动链链则则成为机构。成为机构。 四四、机构中构件的分类：机构中构件的分类： 1 1、机架（、机架（描述运动的参考系描述运动的参考系） 2 2、原动件（、原动件（运动规律已知的构件运动规
3、律已知的构件） 3 3、从动件、从动件2-2 2-2 平面机构运动简图的绘制平面机构运动简图的绘制机构运动简图机构运动简图 表示机构表示机构运动特征运动特征的一种工程用图的一种工程用图表达方式：表达方式： 用简单线条表示构件用简单线条表示构件 规定符号代表运动副规定符号代表运动副 按比例定出运动副的相对位置按比例定出运动副的相对位置与运动有关的因素：与运动有关的因素： 构件数目构件数目 运动副数目及类型运动副数目及类型 运动副之间的相对位置运动副之间的相对位置 转动副转动副一、运动副符号一、运动副符号 移动副移动副齿轮副齿轮副凸轮副凸轮副122122螺旋副螺旋副球面副球面副机构运动简图表 二、
4、构件 不管构件形状如何，简单线条表示，带不管构件形状如何，简单线条表示，带短剖面短剖面线线表示表示机架机架。带运动副元素的构件带运动副元素的构件三、机构运动简图的绘制方法与步骤：方法与步骤： 1.1.确定构件数目及原动件、输出构件；确定构件数目及原动件、输出构件； 2. 2.根据各构件间的相对运动确定运动副的种类和数目；根据各构件间的相对运动确定运动副的种类和数目； 3. 3.选定比例尺，按规定符号绘制运动简图；选定比例尺，按规定符号绘制运动简图； 4. 4.标明机架、原动件和作图比例尺；标明机架、原动件和作图比例尺； 5. 5.验算自由度。验算自由度。机架ABCABC1 12 23 34 4
5、ABC141223A14B12C2343 32 24 41 14例例2-1 2-1 绘制图示机构简图绘制图示机构简图A1234BCD例例2-2 2-2 颚式破碎机颚式破碎机v例2-3.绘制转动翼板式水泵机构运动简图v例2-4.绘制旋转泵机构运动简图v例2-5.绘制图示机构的机构运动简图例例2-6 2-6 活塞泵活塞泵运动副？运动副？例例2-7 2-7 小型压力机小型压力机1.1.分分析析机机构构的的组组成成及及运运动动情情况况，确确定定机机构构中中的的机机架架、原原动动部部分分、传传动动部部分分和和执执行行部部分分，以以确确定定运运动动副副的数目。的数目。2.2.循循着着运运动动传传递递的的路
6、路线线，逐逐一一分分析析每每两两个个构构件件间间相相对运动的性质，确定运动副的类型和数目对运动的性质，确定运动副的类型和数目; ;3.3.恰恰当当地地选选择择投投影影面面：一一般般选选择择与与机机械械的的多多数数构构件件的运动平面相平行的平面作为投影面。的运动平面相平行的平面作为投影面。4.4.选选择择适适当当的的比比例例尺尺, , 定定出出各各运运动动副副之之间间的的相相对对位位置置，用用规规定定的的简简单单线线条条和和各各种种运运动动副副符符号号, , 将将机机构运动简图画出来。构运动简图画出来。小结：小结：一、构件的自由度自由度构件所具独立运动的个数（确定构件位置所构件所具独立运动的个数
7、（确定构件位置所 需独立坐标数）。需独立坐标数）。一个完全自由的平面运动构件一个完全自由的平面运动构件具有三个具有三个自由度。自由度。xy21xyyx2-3 2-3 平面机构的自由度平面机构的自由度F=6F=3 不论形成运动副的两个构件是否其中有一个不论形成运动副的两个构件是否其中有一个相对固定，相对固定，运动副引入的约束数运动副引入的约束数S均相同均相同。二、平面运动副的约束条件 约束约束 限制限制 约束条件约束条件 约束数约束数运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度。运动副的形成引入了约束，使构件失去运动自由度。1. 1. 转动副转动副x0y0xy约束数约束数 S = 2F=F=1
8、1F=F=4 42. 2. 移动副移动副约束数约束数 S = 23. 3. 齿轮副齿轮副4. 4. 凸轮副凸轮副nn约束数约束数 S = 1nn 平面低副约束数平面低副约束数 S = 2 平面高副约束数平面高副约束数 S = 1三、平面机构的自由度三、平面机构的自由度机构的自由度机构的自由度 F= F= 3 3 活动构件数活动构件数-2-2 低副数低副数-1-1 高副数高副数计算公式计算公式F F 3n 3n 2P2PL L P PH H1.1.机构自由度的计算公式机构自由度的计算公式F F 3n3n 2P2PL L P PH H 3 3 2 2 3 34 4 0 0 1 1F F3n3n 2
9、P2PL L P PH H 3 3 2 2 4 45 50 0 2 2F F3n3n 2P2PL L P PH H 3 3 2 2 2 22 21 1 1 1F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=3 2 2- -2 2 3 3- -0 0= =0 0F=3n-2PF=3n-2PL L-P-PH H=3=3 3 3-2-2 5 5- -0 0= =-1-1 三个构件通过三个转动副相连三个构件通过三个转动副相连, , 相当于一个相当于一个构件。构件。F=3n-2 Pl Ph=34 - 25-0=2F=3n-2 pl ph=33 - 24-0=1四杆机构四杆机构五杆机五杆机构构2.2
10、.机构机构( (运动链运动链) )具有确定相对运动的条件具有确定相对运动的条件有一个机架有一个机架自由度大于零（自由度大于零（F0F0）原动件数原动件数 = =自由度数自由度数（通常，原动件为含低副构件且与机架相连（通常，原动件为含低副构件且与机架相连, , 只有一个自由度。）只有一个自由度。）3.3.注意事项注意事项复合铰链复合铰链 m m个构件个构件(m(m 3)3)在同一处构成在同一处构成共轴线的转动副共轴线的转动副412356F F 3n 3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 560 3 3F F 3n 3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 570 1 1m-1m-
11、1个低副个低副复复 计算在内计算在内5231）要正确计算运动副数目）要正确计算运动副数目F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 760 9F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 7100 1?复复复复复复复复例例2-7: 2-7: 圆盘锯机构圆盘锯机构F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 123F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 23 1- -1两构件间构成多个运动副两构件间构成多个运动副3.3.注意事项注意事项（续）（续）错错22 11对对移移动动副副导导路路平行平行转动转动副副轴线轴线重合重合平面高副接触点平面高
12、副接触点共法线共法线“转动副转动副”“移动副移动副”F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 33 1 23.3.注意事项注意事项（续）（续） 机构中某些构件所具机构中某些构件所具有的局部运动，并不影响有的局部运动，并不影响机构运动的自由度。机构运动的自由度。2 2）局部自由度局部自由度 排除F F3n3n2P2PL LP PH H-F-F 3 3 2 2 - - 33 1 11这时这时 F F3n3n2P2PL LP PH H- -F F 式中式中F F 为为局部自由度数局部自由度数目目 412351234F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 340 1F
13、 F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 46 0 0？对对3）虚约束）虚约束不产生实际约束效果的不产生实际约束效果的重复约束重复约束排除排除3.3.注意事项注意事项（续）（续）应用实例应用实例F F3n3n2P2PL LP PH H+ +P P 3 3 2 2 + + 46 0 11.轨迹重合轨迹重合转动副联接的两构件上联接点的轨迹重合转动副联接的两构件上联接点的轨迹重合1234BOAF F3n3n2P2PL LP PH H+P+P 3 3 2 2 + + 34 1 11F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 34 1 0错错对对虚约束常发生在下列情况虚约束常
14、发生在下列情况n4，PL4，PH0，P 1 F141235用一个构件两个运动副去联接则构成用一个构件两个运动副去联接则构成虚约束虚约束.两构件上某两点间的距离在运动过程中始终不变两构件上某两点间的距离在运动过程中始终不变虚约束虚约束F F3n3n2P2PL LP PH H+P+P 3 3 2 2 + + 46 0 11.对传递运动不起独立作用的重复部分对传递运动不起独立作用的重复部分1232虚虚F F3n3n2P2PL LP PH H+P+P 3 3 2 2 + + 44 4 11P P 2P2P l l +P+P h h 3n3n 2 2 + + 243 2 2F F3n3n2P2PL LP
15、 PH H+P+P 3 3 2 2 + + 55 6 12虚虚平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式平面机构自由度计算公式F F3n- 2P3n- 2PL L- P- PH H + P+ P - - F F F F 局部自由度数局部自由度数 P PH H 高副数高副数n n 活动构件数活动构件数 P P 虚约束数虚约束数 P PL L 低副数低副数 F F 局部自由度局部自由度数数F F 3n3n 2P2PL L P PH H+ + P P - - F F 3 3 2 2 + - + - 791 1局复局F F 3n3n 2P2PL L P PH H+ + P P
16、- - F F 3 3 2 2 + - + - 8101 2例例2-9:2-9:例例2-8:2-8:412356781234567901801F F3n3n2P2PL LP PH H 3 3 2 2 8111 1例例2-10:2-10:小结小结计算机构自由度应注意的事项计算机构自由度应注意的事项存在于转动副处存在于转动副处正确处理方法：复合铰链处有正确处理方法：复合铰链处有m个构件则个构件则有有(m-1)个转动副个转动副 复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦常发生在为减小高副磨损而将滑动摩擦变成滚动摩擦所增加的滚子处。变成滚动摩擦所增加的滚子处。正确处理方法：
17、计算自由度时将局部自正确处理方法：计算自由度时将局部自由度减去。由度减去。 虚约束虚约束存在于特定的几何条件或结构条件下。存在于特定的几何条件或结构条件下。正确处理方法：将引起虚约束的构件和正确处理方法：将引起虚约束的构件和运动副除去不计。运动副除去不计。例例2-112-11：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该：计算图示某包装机送纸机构的自由度，并判断该机构是否有确定运动。机构是否有确定运动。解法解法2：复合铰链：复合铰链：D包含包含2个转动副个转动副局部自由度：局部自由度：F=2虚约束：杆虚约束：杆8及转动副及转动副F、I引引入入1个虚约束。个虚约束。计算自由度前直接去除虚约计算自由
18、度前直接去除虚约束和局部自由度：束和局部自由度：动画演示动画演示解法解法1：计算机构自由度典型例题分析计算机构自由度典型例题分析 n=6 pl=7 ph=3 F=3n-2pl-ph=1例例2-122-12：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由：计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。度和虚约束，需明确指出。画箭头的构件为原动件。复合铰链复合铰链解：分析解：分析局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链复合铰链复合铰链局部自由度局部自由度1 1个虚约束个虚约束复合铰链复合铰链一、机构的组成原理一、机构的组成原理机构具有确定
19、运动的条件：机构具有确定运动的条件：自由度数自由度数=原动件数原动件数基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为基本杆组：把机构中最后不能再拆的自由度为零的构件组称为机构的基本杆组。零的构件组称为机构的基本杆组。2-4 2-4 机构的组成原理及结构分类机构的组成原理及结构分类1. 1. 杆组杆组机架和原动件与从动件组分开：机架和原动件与从动件组分开： 从动构件组自由度为零。从动构件组自由度为零。可以再拆成更简单的可以再拆成更简单的自由度为零的杆组自由度为零的杆组对于全低副的杆组：对于全低副的杆组：n个构件、个构件、pl个低副个低副 基本杆组的分类基本杆组的分类 根据根据n的取值基本杆组分为以下几
20、种情况：的取值基本杆组分为以下几种情况：（1）n=2, pl=3的双杆组：又叫的双杆组：又叫级杆组级杆组 常见常见级杆组的形式为级杆组的形式为n和和pl为整数为整数n=2,4,6（2）n=4, pl=6的多杆组，又叫的多杆组，又叫 级杆组级杆组 特征为杆组中具有一个三副构件。特征为杆组中具有一个三副构件。常见的三种形式为常见的三种形式为（3）更高级别的杆组）更高级别的杆组 机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件机构组成原理指把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。和机架上，就可以组成自由度数与原动件数相等的新机构。2. 2. 机构的组成原理机
21、构的组成原理动画演示动画演示机构组成过程机构组成过程一、机构的组成原理（续）一、机构的组成原理（续） 机构创新设计应遵循的原则机构创新设计应遵循的原则 利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作利用机构组成原理进行机构创新时，在满足相同工作要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构要求的条件下，机构的结构越简单、杆组的级别越低、构件数和运动副数越少越好。件数和运动副数越少越好。二、平面机构的结构分类二、平面机构的结构分类 II级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆组的最高级别为II级的机构。级的机构。 III级机构级机构 指机构中基本杆组的最高级别为指机构中基本杆
22、组的最高级别为III级组的机级组的机构。构。级机构级机构 只由机架和原动件组成的机构称为只由机架和原动件组成的机构称为级的机级的机构。杠杆机构、斜面机构）构。杠杆机构、斜面机构） 机构结构分类的依据：机构结构分类的依据： 根据机构中基本杆组的级别进行分类。根据机构中基本杆组的级别进行分类。 结构分析目的结构分析目的 三、平面机构的结构分析三、平面机构的结构分析 了解机构的组成，确定机构的级别。了解机构的组成，确定机构的级别。把机构分解为基本杆组、机架和原动把机构分解为基本杆组、机架和原动件。件。 结构分析的过程结构分析的过程拆杆组拆杆组 从从离离原原动动件件最最远远的的构构件件开开始始试试拆拆
23、，先先拆拆II级级组组，若若不不成成，再再拆拆III级级组组，每每拆拆出出一一个个杆杆组组后后，机机构构的的剩剩余余部部分分仍仍应应是是一一个个与与原原机机构构有有相相同同自自由由度度的的机机构构，直直到到只只剩剩原动件为止。原动件为止。 杆组拆分原则杆组拆分原则 机构结构分析步骤机构结构分析步骤典型例题典型例题1：试确定图示机构级别。试确定图示机构级别。1、正确计算机构的自由度；、正确计算机构的自由度；2、根据机构拆分原则进行拆分、根据机构拆分原则进行拆分3、最后定出机构的级别。、最后定出机构的级别。杆组拆分示例杆组拆分示例 平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代的目的平面机构中高副低代
24、的目的平面机构中高副低代的目的 为为了了使使平平面面低低副副机机构构结结构构分分析析和和运运动动分分析析的的方方法法适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。适用于所有平面机构，需要进行平面机构的高副低代。 高副低代的含义高副低代的含义 根根据据一一定定条条件件对对平平面面高高副副机机构构的的中中高高副副虚虚拟拟地地用用低副来代替的方法。低副来代替的方法。 高副低代的条件：高副低代的条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。2-5 2-5 平面机构的高副低代平面机构的高副低代高副低代方法高副低
25、代方法 结论结论：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。分析：分析：高副：提供高副：提供1个约束个约束低副：提供低副：提供2个约束个约束不能直接用低副来代替，不能直接用低副来代替，如何进行高副低代？如何进行高副低代？高副两元素均为圆弧高副两元素均为圆弧高副元素为非圆曲线高副元素为非圆曲线高副两元素之一为直线高副两元素之一为直线高副两元素之一为一点高副两元素之一为一点因其曲率半径为零，其中一因其曲率半径为零，其中一个转动副就在该点处。个转动副就在该点处。
26、因其曲率中心在无穷远处，则其中因其曲率中心在无穷远处，则其中的一个转动副变为移动副；的一个转动副变为移动副； 典型例题：试确定图示高副机构的级别。典型例题：试确定图示高副机构的级别。 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件机构原动件数机构原动件数= =机构自由度数机构自由度数F=3n-(2 pl + ph)=3n-2 pl - ph 计算计算机构自由度应注意的事项机构自由度应注意的事项 复合铰链、局部自由度、虚约束复合铰链、局部自由度、虚约束 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 机构的组成机构的组成 机构运动简图机构运动简图构件、运动副、运动链、机构构件、运动副、运动链、机构本章小
27、结本章小结 平面机构的组成原理平面机构的组成原理 把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。把若干基本杆组依次联于原动件和机架上即为机构。 结构分类及结构分析结构分类及结构分析 注意杆组拆分原则注意杆组拆分原则 平面机构中的高副低代平面机构中的高副低代代替条件：代替条件：代替前后机构的自由度不变；代替前后机构的自由度不变；代替前代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。后机构的瞬时速度和瞬时加速度不变。代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高代替方法：用一个含有两个低副的虚拟构件来代替高副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲副，且两低副位置分别在两高副两元素接触点处的曲率中心。率中心。
