1.机构的结构分析(运动副)分析
机械原理第九版第2章机构的结构分析
表达方式：
用简单线条表示构件
规定符号代表运动副
按比例定出运动副的相对位置
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10
§2 平面机构运动简图的绘制
• 机构各部分的运动，取决于：
原动件的运动规律、各运动副的类型、机构的运动尺 寸(确定各运动副相对位图）
–用简单线条表示构件
–规定符号代表运动副
多一个约束, 超静定桁架
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28
2.机构(运动链)具有确定相对运动的条件
原动件数=1 F=3n－2PL－PH=3×4－2×5=2
→ F ＞原动件数 →机构运动不确定
欠驱机构
C 3
2 C'
B
1
1
D'
D
4 4
A
5
E
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29
K=4, n=K－1=3,原动件数=2 ，PL=4
2
→F=3n－2PL－PH=3×3－2×4=1
F =3n－2pl－ph
整理ppt = 3 4－2 5－ 1 = 1
27
2.机构(运动链)具有确定相对运动的条件
F=3n-2PL-PH
=32 -2 3 -0
=0(不能动)
F=0，静定结构
三个构件通过三个 转动副相连, 相当 于一个构件。
F=3n-2PL-PH
=33-2 5-0
= -1 (不能动)
F<0，超静定结构
• 运动副特性:运动副一经形成, 组成它的两个构件间的可能的相对 运动就确定。而且这种可能的相对运动, 只与运动副类型有关, 而与运动副的具体结构无关。
• 工程上常用一些规定的符号代表运动副
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9
§2 平面机构运动简图的绘制
机构的结构分析(运动副)
凸轮机构
总结词
凸轮机构是一种通过凸轮和从动件相互作用实现运动的机构，常用于实现间歇性或周期 性的运动。
机构的结构分析(运动副)
• 引言 • 机构的基本类型 • 运动副的分类 • 运动副的特性分析 • 运动副在机构中的应用实例 • 结论
01
引言
主题简介
01
机构的结构分析是机械工程中的 重要概念，主要研究机构中各个 构件之间的连接关系和运动传递 方式。
02
运动副是机构中实现运动传递的 关键部分，通过运动副的组合和 配合，机构可以实现预定的运动 轨迹和功能。
机构与运动副的关系
机构是由多个构件组成的，构件之间 的连接和配合通过运动副来实现。
运动副的种类和特性决定了机构的运 动特性和功能，因此，对运动副的分 析和研究是机构结构分析中的重要环 节。
02
机构的基本类型
连杆机构
总结词
连杆机构是一种通过连接杆件实现运动的机构，广泛应用于各种机械和设备中。
详细描述
运动副优化设计
进一步深入研究运动副的优化设计方 法，以提高机构的整体性能和效率， 例如通过有限元分析、多学科优化等 方法对运动副进行优化。
跨学科合作与交叉融合
加强不同学科领域之间的合作与交叉 融合，例如机械工程、材料科学、控 制工程等，以推动机构结构分析领域 的创新发展。
THANKS
感谢观看
刚度与阻尼
运动副的刚度和阻尼会影响机 构的动态性能。
效率与精度
机构的结构分析与运动分析总复习题及解答
机构的结构分析与运动分析总复习题及解答第⼀章机构的结构分析与运动分析⼀、考点提要（⼀）机构的结构分析1.机器与机构机器具有以下三⼤本质属性：（1）⼈为实物的组合体、（2）各实物（称为构件）间具有确定的相对运动，能够传递和变换运动。
（3）能对外完成有⽤的机械功或实现能量转换。
机器是由机构组成的，机构是具有各⾃特点的，能传递和变换运动的基本组合体。
机构只具有机器的前两个属性。
（1）从结构、运动⽅⾯看，机器、机构⽆区别,机构是机器的组成单元；机器可以有⼀个或多个机构组成。
（2）从功能⽅⾯看，机器、机构有区别。
机器实现能量转换或作机械功⽽机构是实现运动、动⼒的传递。
2.机械从结构和运动的⾓度看，机构和机器是相同的，⼀般统称为机械。
3.构件与零件构件是机构中的组成元件也是运动单元，零件是机械中的制造单元；构件是由⼀个或若⼲个零件固定连接组合⽽成的，各个零件间不能再有相对运动。
构件在图形表达上是⽤规定的最简单的线条或⼏何图形来表⽰的．但从运动学的⾓度看，构件⼜可视为任意⼤的平⾯刚体。
机构中的构件可分为三类：(1) 机架。
⽤来⽀承活动构件(运动构件)的构件，作为研宪机构运动时的参考坐标系。
每个机构都必须有机架，但尽管机构中的活动构件可以在多处和机架组成运动副，但每个机构仅有⼀个机架。
机架并不⼀定是固定不动的构件，⽽是我们选做静参考系的构件，在分析机构时看作是不动的。
(2) 原动件(主动件)。
输⼊运动的构件，也是运动规律已知的活动构件，即作⽤有驱动⼒的构件。
每个机构⾄少有⼀个原动件。
(3) 从动件。
其余随主动件的运动⽽运动的活动构件，其中⾄少有⼀个是运动输出的构件。
4.运动副运动副是两个构件组成的可动联接。
两构件上能够参加接触⽽构成运动副的表⾯称为运动副元素。
运动副是约束运动的，因⽽⼀个运动副⾄少引⼊⼀个约束，也⾄少保留⼀个⾃由度。
⾄于两构件组成运动副后还能产⽣哪些相对运动，则与运动别的类型有关。
运动副按其接触⽅式分为⾼副(点线接触)和低副(⾯接触)，低副⼜可按相对运动形式分为转动副和移动副，判断依据是看两构件的相对运动轨迹是直线还是圆弧。
第二章 机构的结构分析
第一章绪论1 何谓机器，何谓机构？它们有什么区别与联系？2 参照内燃机的机构分析，试对机械手进行分解，说明它是由哪些机构组成的。
3 举例说明什么是构件、零件？第二章机构的结构分析1 什么是运动副、运动副元素、运动链？运动副是如何分类的？2 何谓“高副”和“低副”？在平面机构中高副和低副一般各带入几个约束？3 机构具有确定运动的条件是什么？4 既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机械中为什么又常常存在虚约束？5 杆组具有什么特点？如何确定机构的级别？选择不同的原动件对机构的级别有无影响？6 图所示机构在组成上是否合理？指出其错误所在，并针对错误处更改局部运动副和构件，使之成为合理的机构。
7 计算图示平面机构的自由度，指出复合铰链、局部自由度和虚约束，在进行高副低代后，分析机构级别。
8 计算图所示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度或虚约束，应予以指出，并进行高副低代，确定该机构的级别。
9试计算图所示凸轮-连杆组合机构的自由度。
10 在图所示机构中，AB EF CD,试计算其自由度。
11试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
12试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
13 试确定图所示机构的自由度；并将其中的高副换成低副，确定机构所含的杆组合机构的级别（当取凸轮为原动件时）。
14计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别15计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别16根据图示机构，画出去掉了虚约束和局部自由度的等效机构运动简图，并计算机构的自由度。
设标有箭头者为原动件，试判断该机构的运动是否确定，为什么？17计算图示机构的自由度。
如有复合铰链、局部自由度、虚约束，请指明所在之处。
ADECHGF IBK12345678918计算图示各机构的自由度。
19计算图示各机构的自由度。
20 计算机构的自由度，并进行机构的结构分析，将其基本杆组拆分出来，指出各个基本杆组的级别以及机构的级别。
机械基础原理笔记
机构分为 曲柄摇杆机构、双曲柄机构 和双摇杆机构 三种类型。
注 :(1) 曲柄 所联接的两个转动副均为整转副，而 摇杆 所联接的两个转动副均为摆动副。
(2) 倒置机构 : 通过转换机架而得的机构。依据是机构中任意两构件间的相对运动关系 不因其中哪个构件是固定件而改变。
2. 转动副转化成移动副的演化
3. 偏心轮机构 : 若将转动副 B的半径扩大到比曲柄 AB的长度还要大，则曲柄滑块机构转化 为偏心轮机构。 ( 扩大转动副 ) 注：在含曲柄的机构中， 若曲柄的 长度很短 ，在柄状曲柄两端装设两个转动副存在结构设计
组成该转动副的两个构件中必有一个为 构件的长度 满足杆长之和条件 。
3. 四杆铰链运动链成为曲柄摇杆机构的条件： 特例：若两个构件长度相等且均为最短时：
（ 1）若另外两个构件长度不等，则不存在整转副 （ 2）若另两个构件长度相等，则当两最短构件相
时有三个整转副，相对时有四个整转副。
注：成为曲柄滑块机构的条件为：
①铰链四杆机构： i31
3
; v P13
1
l 1 P13 P14
l 3 P13 P34
i31
3
1
注：两构件的角速度与其绝对速度瞬心至相对速度瞬心的距离成反比，
P14 的同一侧，因此 W1和 W3的方向相同；在之间时，方向相反。
P 13P 14 P P 13 34
P13 在 P34和
②凸轮机构： 构件 1 ：vP 12 1 l P 13P 12 构件 2：vP 12 v2 构件1 ： vP 12 P P 1 l 13 12
动轨迹。 缺点 ：1）机构复杂 , 传动积累误差较大 ( 只能近似实现给定的运动规律； 2）设计计
算比较复杂； 3）作复杂运动和往复运动的构件的惯性力难以平衡，
武汉科技大学2023年《811机械原理》考研专业课考试大纲
811机械原理一、考试要求主要考察机构学和机构动力学基本理论、概念和方法，以及应用所学基本知识进行机构运动方案分析与计算的能力。
二、考试内容（包括但不仅限于以下内容）1.机构的结构分析机构的组成；高副低代；机构级别判断；机构具有确定运动的条件；机构自由度的计算。
2.平面机构的运动分析II级机构的运动分析；用速度瞬心法对机构的速度进行分析。
3.机构的力分析运动副中摩擦力的确定；不考虑摩擦的机构力分析；机械效率与自锁。
4.机构的型综合根据运动链的代号绘制运动链结构图；根据运动链结构图变换出所要求的机构方案。
5.平面连杆机构平面连杆机构的类型；平面连杆机构的运动特性；机构综合的代数式法。
6.凸轮机构凸轮机构的分类；从动件的运动规律；凸轮轮廓曲线的设计；凸轮机构的结构参数。
7.直齿圆柱齿轮机构齿轮机构的类型；渐开线及其特性；齿廓啮合基本定律；齿轮的基本参数；渐开线直齿圆柱齿轮的啮合传动；齿轮加工；齿轮机构的几何尺寸计算；齿轮传动设计。
8.其他齿轮机构斜齿圆柱齿轮机构；蜗杆蜗轮机构；直齿圆锥齿轮机构。
9.齿轮系齿轮系及其分类；定轴轮系的传动比计算；周转轮系的传动比计算；复合轮系的传动比计算。
10.组合机构及机构系统设计常见组合机构的运动设计；机构系统的方案设计。
11.机械运转调速机器运动的等效量及其动力学模型；机械系统周期性速度波动的调节。
12.机械的平衡刚性转子的平衡原理。
三、考试题型试卷采用客观题和主观题相结合的形式，题型主要包括选择题、判断题、填空题、作图分析设计题和计算题等。
参考书目811《机械原理》（第三版），廖汉元、孔建益，机械工业出版社，2013年。
《机械原理》（第七版），孙桓、陈作模、葛文杰，高等教育出版社，2013年。
机构的结构分析
2
§2-2运动副及其分类
一、基本概念
1.运动副 （1）运动副定义:由两个构件组成的可动联接。 （2）运动副元素：两个构件上能够参加接触而构
成运动副的表面。
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3
（3）运动 副的自由度： 构成运动副 的两构件相 对运动独立 参数的数目。
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4
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5
（4）运动副约束：两个构件组成运动副后对独立 的相对运动的限制。
F=3n-（ 2pL+pH） =3*3-(2*4+0) =1 正确
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36
判断机构中虚约束的方法：
（1）在机构中，如 果用转动副联接的是 两构件运动轨迹相重 合的点，则该联接将 带入一个虚约束。
F=3n-（ 2pL +pH ） =3*3-（2*4+0） =1
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37
（2）在机构中，如 果两构件上某两点 的距离始终保持不 变，用双转动副杆 将此两点联接，则 该联接将带入一个 虚约束。
三、平面机构的结构分析 1.机构结构分析的内容
（1）拆分基本杆组 （2）确定机构级别
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53
2.机构结构分析的步骤
（1）除去虚约束和局部自由度，计算机构的自由度，并确 定原动件；
（2）从远离原动件的构件开始拆组。先试拆n=2的杆组 （Ⅱ级组），如不可能，再依次试拆n=4或n=6的杆组。当 分出一个杆组后，第二次仍须从最简单（n=2）的杆组开始 试拆，直到剩下机架和原动件为止。
44
（3）直线与曲线轮廓组成的高副
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45
（4）两接触轮廓之一为一点
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46
§2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析
机构的结构分析运动副
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
(5) 机构中对运动起重复限制作用的对称部分引入 虚约束。
2 O1
3
F=3 3 - 2 3 – 2 = 1
2'
2"
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
(6 ) 如果两构件在多处 接触而构成平面高副，且各 接触点处的公法线彼此重合， 则只能算一个平 面高副，其 余为虚约束。
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
（4）机构运动过程中，其中某两构件上两点之间的距离始 终不变，则将两点以构件联接，则将会引入一个虚约束。
B2 1 5 A
E
C AB4
AE=DF。 F
F=3n-2p-p=3*4-2*6=0 ??? F=3n-2p-p=3*3-2*4=1
球面高副
转动副
齿轮副
运动副分类：
（3）按两构件之间的相对运动的不同分。 转动副或回转副、移动副、螺旋副、球面副、 平面运动副、空间运动副。
球销副
螺旋副
移动副
转动副
3、运动链
把两个以上的构件通过运动副的联接而构成
的相对可动的系统称为运动链。
开式运动链 闭式运动链
单闭环运动链 多闭环运动链
平面运动链 空间运动链
（2）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合 时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。
F=3 2 -2 2 – 1=1
F=3 3-2 4 =1
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
（3）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则 只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。
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机构的自由度F为：
F=3n－(2Pl+Ph)=3n－2Pl－Ph
§2—4 机构自由度的计算
二 机构具有确定运动的条件
1 2 B 1 A
3 n=2, P5=3,F=0 C B2 1 A 3 4 E
2 C 3 D 4
E
结论：
机构具有确定 运动的条件是：
n=3, P5=5, F= 1 B 1 1 A 2 C
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：(5)Fra bibliotek机构中对运动起重复限制作用的对称部分引入 虚约束。
2 O 2' 1 2"
3
F=3 3 - 2 3 – 2 = 1
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
(6 ) 如果两构件在多处 接触而构成平面高副，且各 接触点处的公法线彼此重合， 则只能算一个平 面高副，其 余为虚约束。
（2）合理选择投影面及原动件适当的投影瞬
时位置。 （3）选择适当的比例尺。 （4）用简单的线条和规定的符号绘图。
（5）检验。
§2—3 机构运动简图
例题：插齿机
§2—3 机构运动简图
例题：破碎机机构
§2—4 机构自由度的计算
一 平面机构自由度的一般公式
作空间运动的自由构件有6个独立运动（自由度）， 作平面运动的自由构件有3个独立运动（自由度） 。 若平面机构中有n个活动构件，各构件之间共构成了 Pl个低副和Ph个高副，则它们共引入(2Pl+Ph)个约束。
D
机构自由度数F1
3 4 D
且等于主动件数。
5 n=4, P5=5,F=2
n=3, P5=4,F=1
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
1. 复合铰链
由两个以上构件在 同一处构成的重合转动
1 2 3 1 3 2
如图所示F、B、D、C
副称为复合铰链。
由m个构件在一处组
处是复合铰链
成轴线重合的转动副。实
3、运动链
把两个以上的构件通过运动副的联接而构成 的相对可动的系统称为运动链。
开式运动链 闭式运动链
单闭环运动链 多闭环运动链 平面运动链 空间运动链
闭式运动链 简单运动链
开式运动链 复杂运动链
空间运动链
4、机构
运动链中，若固定某一构件（机架），并给 另一个或数个构件以确定的独立的运动（原动 件），使其余构件（从动件）的运动随之确定 的这种运动链(kinetic chain)称为机构。
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
（2）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行或重合 时，则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。
F=3 2 -2 2 – 1=1
F=3 3-2 4 =1
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
（3）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时，则
运动副。而把两构件上能够参加接触
而构成运动副的表面称为运动副元素。
例：轴1与轴承2的配合
运动副元素：圆柱面、圆孔面
例：滑块1与导轨2的接触
运动副元素：棱柱面、棱孔面
例：两齿轮轮齿的啮合
运动副元素：两齿廓曲面
运动副分类：
（1）按引入约束的数目分。 I级副、Ⅱ级副、Ⅲ级副、Ⅳ级副、Ⅴ级副。
1
2
球面副（
目的
在综合新机构时，需要知道机构是怎样
组合起来的，而且在什么条件下，才能实现 确定的运动； 为新机构的创造提供途径。
为举一反三地研究机构的运动分析和动力
分析提供方便。
§2—2 机构的组成
1．构件(link) 构件— 机器中每一个独立的运动单元体。
2．运动副(kinetic pair)
两个构件组成的可动的联接称为
A 1
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项 3. 虚约束
虚约束——机构中那些对构件间的相对运动不起独 立限制作用的重复约束。或称消极约束。 常见的虚约束： （1）机构中联结构件与被联结构件的轨迹重合。 B 4 2 D 1 A AD=BD=DC C3
F = 3*4 - 2*6 = 0？
F = 3*3 - 2*4= 1
B 1 A
2
C 3 D
4
§2—3 机构运动简图
用简单的线条和规定的符号
表示组成机构的构件和运动副，
并按一定的比例尺表示运动副的
相对位置的简单图形称为机构运
动简图(Kinematical Diagrams) 。
§2—3 机构运动简图
步骤：
（1）分析机构的运动情况，定出其原动部
分、工作部分，搞清楚传动部分。
际上有(m-1)个转动副。
F = 3*7 - 2*10 = 1
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项 2. 局部自由度
局部自由度——机构中个别构件所具有的不影响 其它构件运动，即与整个机构运动无关的自由度。
在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。
C 3 B 2 A 1 C 3 B 2
4
F = 3*3 - 2*3 – 1 = 2？ F = 3*2 - 2*2 – 1 = 1
例 3 计算图所示机构的自由度 (若存在局
部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。
D
虚约束
5 F 6 G H
局部自由 度
2
4 C
B 1
3 E
n 6 ; PL 8 ; PH 1 F 3n 2 PL PH 3 6 2 8 1 1
只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
常见的虚约束：
（4）机构运动过程中，其中某两构件上两点之间的距离始
终不变，则将两点以构件联接，则将会引入一个虚约束。
B 2 1 5 A E D
C
4
AB=CD， BC=EF， 3 BE=CF， AE=DF。 F
F=3n-2p-p=3*4-2*6=0 ??? F=3n-2p-p=3*3-2*4=1
第二章 机构的结构分析
§2—1 机构结构分析的内容及目的
§2—2 机构的组成
§2—3 机构运动简图
§2—4 机构自由度的计算
§2—5 计算平面自由度时应注意的事项
§2—1 机构结构分析的内容及目的
机构结构分析的内容主要有以下几个方面： (1) 研究机构的组成及其具有确定运动的条件。 (2) 根据结构特点进行机构的结构分类。 (3) 研究机构的组成原理。
级副）
球销副（Ⅳ副）
转动副（副Ⅴ）
运动副分类：
（2）按两构件的接触情况进行分。 高副：点或线接触而构成的运动副； 低副：面接触而构成的运动副。
球面高副
转动副
齿轮副
运动副分类：
（3）按两构件之间的相对运动的不同分。
转动副或回转副、移动副、螺旋副、球面副、
平面运动副、空间运动副。
球销副
螺旋副
移动副
转动副