《机械原理》课件第二章平面机构的结构分

用规定的符号和线条代表构件和运动 副，按比例绘制出机构运动简图。
选择合适的投影面
一般选择机构的多数构件在同一平面 或相互平行的平面内运动的投影面作 为绘制运动简图的投影面。
自由度概念及计算公式
自由度概念
机构具有确定运动的独立参数数目称为机构的自由度。
自由度计算公式
F = 3n - 2PL - PH，其中F为机构自由度，n为活动构件数，PL为 低副数，PH为高副数。
《机械原理》课件第二章平面机构 的结构分析
目 录
• 平面机构基本概念与分类 • 平面机构运动简图及自由度计算 • 平面连杆机构结构分析与设计 • 凸轮机构结构分析与设计 • 齿轮传动系统结构分析与设计 • 其他常见平面机构介绍
01 平面机构基本概念与分类
平面机构定义及特点
定义
平面机构是指所有构件都在相互平行的平面内运动的机构，也称为平面连杆机 构。
采用多个连杆机构和关节组合而成，可实现 复杂的空间运动和操作任务。具有结构紧凑 、灵活性强等特点。
04 凸轮机构结构分析与设计
凸轮机构类型及特点
移动凸轮
凸轮相对机架作直线移动，适用于需要直 线往复运动的场合，如机床的进给机构等。
盘形凸轮
凸轮为绕固定轴线转动且有变化直 径的盘形构件，具有结构简单、紧 凑的特点，广泛应用于各种自动化
尺度和相对位置。具有直观、简便等优点，但精度较低。
02
解析法
通过建立机构的数学模型，利用数学方法求解机构的未知尺度和运动参
数。具有精度高、适用范围广等优点，但计算较复杂。
03
优化设计法
以机构的某项或多项性能指标为优化目标，通过计算机辅助设计软件进
行尺度综合和优化设计。可得到性能更优的机构方案，但需要较高的计
凸轮轮廓曲线应平滑连续，避免出现 尖点、突变等，以保证凸轮机构工作 平稳、可靠。
考虑制造工艺性
凸轮轮廓曲线应尽量简单，便于加工 和检测。
满足强度、刚度要求
凸轮应具有足够的强度和刚度，以承 受工作过程中的载荷和变形。
凸轮机构基本参数确定方法
从动件运动规律选择
根据机械系统的工作要求，选择合适的从动件运动规律。
风电齿轮箱齿轮传动系统
分析风电齿轮箱中齿轮传动的可靠性、耐久性及维护策 略等。
06 其他常见平面机构介绍
间歇运动机构
棘轮机构
由棘轮和棘爪组成，通过棘爪的往复摆动推动棘 轮作单向间歇运动。
槽轮机构
由槽轮和销子组成，通过销子在槽轮槽中的运动 实现间歇运动。
不完全齿轮机构
由不完全齿轮和普通齿轮组成，通过不完全齿轮 的特定齿形实现间歇运动。
为运动副，简称副。
构件相对于参考系具有 的独立运动参数的数目。
对构件独立运动的限制。
平面机构分类方法
根据运动副类别分类
01
分为低副机构和高副机构。
根据机构中构件的相对运动性质分类
02
分为连架机构、周转机构和间歇机构。
根据机构的运动功能分类
03
分为匀速机构、变速机构、换向机构、间歇运动机构等。
应用领域与案例分析
应用领域
平面机构广泛应用于各种机械、仪器和装置中，如内燃机、缝纫机、牛头刨床、 汽车、自行车等。
案例分析
例如，在汽车发动机中，曲柄滑块机构将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转 运动；在自行车中，链轮机构将脚踏板的旋转运动传递给后轮，从而驱动自行车 前进。
02 平面机构运动简图及自由 度计算
运动副及其分类
机械中。
A
B
C
D
空间凸轮
凸轮形状为空间曲面，可实现复杂的空间 运动，适用于多自由度、高精度的机械系 统中。
圆柱凸轮
凸轮是圆柱体，可以看作是将移动凸轮卷 成圆柱体，常应用于空间凸轮机构中。
凸轮轮廓曲线设计原则
满足从动件运动规律
根据从动件所需运动规律（如等速、 等加速等减速等），反求凸轮轮廓曲 线。
保证凸轮机构工作性能
注意事项
在计算自由度时，需注意复合铰链、局部自由度和虚约束等特殊情 况的处理。
约束条件对自由度影响分析
约束概念
对机构中某些构件的运动所加的 限制称为约束。
约束对自由度影响
约束会减少机构的自由度，使机 构具有确定的运动。不同类型的 约束对自由度的影响不同，如几 何约束、运动约束和驱动约束等。
约束条件分析
在分析机构时，需根据机构的实 际情况确定约束条件，并考虑其
对机构自由度的影响。
03 平面连杆机构结构分析与 设计
连杆机构类型及特点
铰链四杆机构
由四个构件通过铰链连接而成，包括曲柄摇杆机构、双曲 柄机构和双摇杆机构。具有结构简单、易于制造和维护等 特点。
齿轮机构
由两个或多个齿轮组成，通过齿轮的啮合传递运动和动力 。具有传动比准确、效率高、寿命长等特点。
发动机配气机构
分析发动机配气机构中凸轮机构的工作原理、 结构特点以及设计要点。
自动机床进给机构
探讨自动机床进给机构中凸轮机构的选型、 设计计算以及优化方法。
缝纫机针杆机构
介绍缝纫机针杆机构中凸轮机构的运动传递 过程、轮廓曲线设计以及制造工艺等。
包装机械中的凸轮分度机构
分析包装机械中凸轮分度机构的工作原理、 结构类型以及设计要点等。
运动副概念
两个构件直接接触并能产生相对运动的连接称为运动副。
运动副分类
根据接触形式不同，运动副可分为低副和高副。低副包括转动副 和移动副，高副包括点接触和线接触。
运动副元素
构成运动副的两个构件及其接触部分称为运动副元素。
平面机构运动简图绘制方法
确定机构的构件和运动副
绘制机构运动简图
根据机构的实际运动情况，确定机构 的构件数目及构件间的运动副类型和 数目。
靠性等性能。
智能化
集成传感器、执行器和控制器于一体 的智能平面机构，可实现自主运动、 路径规划和环境适应等功能。
绿色化
注重环保和节能设计，降低平面机构 在使用过程中的能耗和环境污染。
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典型连杆机构应用案例分析
缝纫机踏板机构
内燃机配气机构
采用曲柄摇杆机构实现踏板的往复运动， 具有结构简单、运动平稳等特点。
采用凸轮机构控制气门的开闭，具有运动 准确可靠、动力传递效率高等特点。
牛头刨床横向进给机构
机器人手臂机构
采用齿轮机构和连杆机构的组合实现工件 的横向进给运动，具有传动比准确、运动 平稳等特点。
05 齿轮传动系统结构分析与 设计
齿轮传动类型及特点Βιβλιοθήκη 010203
平行轴齿轮传动
两齿轮轴线平行，传递功 率和速度范围广，应用广 泛。
相交轴齿轮传动
两齿轮轴线相交，适用于 相交轴之间的动力传递。
交错轴齿轮传动
两齿轮轴线交错，适用于 空间交错轴之间的动力传 递。
齿轮参数选择与计算方法
模数选择
根据齿轮所受载荷和传动比确 定模数，模数越大，齿轮承载
凸轮基圆半径确定
根据从动件运动规律和机构尺寸要求，确定凸轮的基圆半径。
凸轮转速与从动件运动参数关系
分析凸轮转速与从动件运动参数（如位移、速度、加速度）之间的关 系，为凸轮轮廓曲线设计提供依据。
机构压力角校核
校核凸轮机构的最大压力角是否满足工作要求，以保证机构的传力性 能和效率。
典型凸轮机构应用案例分析
组合式平面机构的类型
包括串联式、并联式和复合式等。
组合式平面机构的设计方法
根据运动要求和约束条件，选择合适的基本机构进行组合设计。
新型平面机构发展趋势
微型化
随着微纳技术的发展，微型平面机构在 微纳制造、生物医学等领域具有广阔的
应用前景。
高性能化
采用新材料、新工艺和新技术，提高 平面机构的承载能力、运动精度和可
凸轮机构
由凸轮、从动件和机架组成，通过凸轮的旋转或往复运动 推动从动件做规定的往复移动或摆动。具有结构紧凑、运 动准确可靠等特点。
组合机构
由上述基本机构组合而成，可实现更复杂的运动规律和功 能要求。
连杆机构传动性能评价指标
01
02
03
04
传动比
机构输出速度与输入速度的比 值，用于衡量机构的传动效率
。
压力角
输出构件所受正压力与其运动 方向所夹的锐角，用于评估机
构的传力性能。
行程速比系数
机构往返行程平均速度与最大 速度的比值，用于衡量机构的
运动平稳性。
最小传动角
机构在传动过程中出现的最小 传动角，用于评估机构的传力
能力和运动稳定性。
连杆机构尺度综合方法
01
图解法
利用几何作图的方法，根据机构的运动要求和已知条件，确定各构件的
能力越强。
齿数选择
在满足传动比的前提下，尽量 选择较多的齿数，以提高齿轮 传动的平稳性。
压力角选择
常用压力角为20°，也可根据特 殊需求选择其他压力角。
变位系数选择
通过变位系数的调整，可以改 善齿轮传动的性能。
齿轮啮合原理及失效形式
啮合原理
齿轮传动依靠轮齿的啮合来传递 运动和动力，要求轮齿具有正确 的形状和精确的尺寸。
螺旋传动机构
1 2
螺旋机构的基本形式
包括滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋等。
螺旋机构的传动原理
通过螺旋副的旋转运动转化为直线运动，或反之。
3
螺旋机构的特点及应用
具有传动平稳、承载能力大、精度高等特点，广 泛应用于机床、仪器等机械设备中。
组合式平面机构
组合式平面机构的概念
由两个或两个以上的基本机构组合而成的平面机构。
失效形式
齿轮传动的失效形式包括齿面磨 损、齿面胶合、齿面点蚀、轮齿 折断等。
典型齿轮传动系统应用案例分析
汽车变速箱齿轮传动系统
分析汽车变速箱中齿轮传动的结构、工作原理及设计要 点。
航空发动机齿轮传动系统
介绍航空发动机中齿轮传动的特殊要求、材料选择及制 造工艺等。
ABCD
工业机器人关节齿轮传动系统
探讨工业机器人关节中齿轮传动的精度要求、动力学特 性及优化设计方法。
特点
运动副为低副，面接触，压强小、磨损少、寿命长；低于6个自由度的平面机构 具有确定的运动；原动件数目等于机构自由度的机构具有确定的运动；机构中 作平面相对运动。
平面机构组成要素
构件
机构中的单个运动单元体， 简称件，一般是由若干个相
连的零件组合而成。
运动副
自由度
约束
两构件直接接触并能产 生相对运动的连接，称