第4章常用机构概述

第4章常用机构概述学习目标了解机构的组成；理解运动副的概念与分类；了解常用平面机构运动简图的绘制方法；掌握平面机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。

4．1机构的组成4．1．1 运动副使两个构件直接接触并产生一定相对运动的联接，称为运动副。

在图4—1中，轴承中的滚动体与内、外圈的滚道[图4—1(a)]，啮合中的一对齿廓[图4—1(b)]，滑块与导槽[图4—1(c)]，均保持直接接触，并能产生一定的相对运动，因而它们都构成了运动副。

根据运动副各构件之间的相对运动是平面运动还是空间运动，可将运动副分成平面运动副和空间运动副。

所有构件都只能在相互平行的平面上运动的机构称为平面机构。

本书仅就平面运动副和平面机构进行讨论。

4．1．2自由度和运动副约束一个空间自由构件，具有6个独立运动的参数，即沿3个坐标轴的移动和绕3个坐标轴的转动。

而对于一个作平面运动的构件而言，仅有3个独立运动的参数，即沿x轴、Y轴的83移动和绕x oy平面上任意点的转动，可用3个独立的参数x，y， (图4—2)来描述。

人们把构件具有的独立运动参数的数目称为构件的自由度。

图4—1运动副图4—2平面运动构件的自由度两个构件通过运动副联接以后，构件的相对运动会受到限制。

运动副对两构件间的相对运动所产生的限制称为约束。

引入约束的多少取决于运动副的形式。

1．转动副图4—3(a)所示的运动副，限制了构件2沿x轴和y轴的移动，只允许其绕轴承相对转动，这种运动副称为转动副。

转动副引入了2个约束，保留了1个自由度。

2．移动副图4—3(b)所示的运动副，构件之间只能沿x轴作相对移动，这种只沿1个方向相对移动的运动副称为移动副。

移动副也具有2个约束，保留了1个自由度。

‘转动副和移动副都是面接触，统称为低副。

3．高副如图4—3(c)(d)所示，在曲线构成的运动副中，构件2相对于构件1既可沿接触点处切线t - t方向移动，又可绕接触点A转动，运动副保留了2个自由度，引入了1个约束。

这种点接触或线接触的运动副称为高副。

（a）（b）（c）（d）图4—3运动副的类型4．1．3运动链和机构两个或两个以上的构件以运动副联接而构成的系统称为运动链。

首末相接的运动链称为闭链[图4—4(b)]，否则称为开链[图4—4(a)]。

各构件间具有确定相对运动的运动链就称为机构。

机构中输入运动的构件称为原动件，其余活动的构件称为从动件，固定不动的构件称为机架。

由此可见，（a）（b）机构是由原动、从动件和机架三部分组成的。

图4—4运动链4．2平面机构的运动简图对机构进行分析时，实际构件的形状和结构往往较复杂，在研究机构的运动时，为了使问题简化，可以撇开那些与运动无关的构件外形和运动副具体构造，仅用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例绘制出各运动副的位置。

这种表达机构各构件间相对运动关系的简化图形，称为机构运动简图。

简图中一般应包括下列内容：(1)构件数目。

(2)运动副的数目和类型。

(3)构件之间的联接关系。

(4)与运动变换相关的构件尺寸参数。

(5)主动件及运动特性。

图图4—5无副构件的表示方法4．2．1 运动副及构件的表示方法(a)杆、轴类构件；(b)固定构件；(c)同一构件1．构件构件均用线段或小方块等来表示，画有短斜线的表示机架。

如图4—5所示。

2．转动副两构件组成转动副时，其表示方法如图4—6所示。

图面垂直于回转轴线时，用图4—6 (a)表示；图面不垂直于回转轴线时，用图4—6(b)表示。

表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。

一个构件具有多个转动副时，则应在两条线交接处涂黑，或在其内画上斜线，85如图4—6(c)所示。

(a) (b)(c)图4—6转动副的表示方法3．移动副两构件组成移动副的表示方法如图4—6所示，其导路必须与相对移动方向一致。

图4—7 移动副的表示方法4．平面高副两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出该两构件接触处的曲线轮廓。

(1)齿轮机构齿轮机构的主要构件是齿轮，常用点划线的圆表示齿轮的节圆。

图4—8所示的是各种不同位置轴线的齿轮机构(未画出其中的轴承)。

图图4—8 平面高副的表示方法(a)外啮合圆柱齿轮机构；(b)内啮合圆柱齿轮机构；(c)齿轮一齿条机构；(d)圆锥齿轮机构；(e)蜗轮蜗杆机构(2)凸轮机构凸轮机构的主要构件是具有特定轮廓曲线的凸轮，常用粗实线画出其轮廓曲线。

图4—9所示的是盘形凸轮机构。

图4—9盘形凸轮机构4．2．2绘制机构运动简图的步骤(1)认真研究机构的结构及动作原理，分清固定件(机架)，确定原动件。

(2)循着运动传递的路线，搞清各构件问相对运动的性质，确定运动副的种类。

(3)测量出运动副间的相对位置。

(4)选择视图平面和比例尺，用规定的符号和线条表示其构件和运动副，绘制机构运动简图。

87根据图纸的幅面及构件的实际长度，选择适当的比例尺L μL μ=构件的实际长度构件的图示长度例4—1 试绘制图4—10(a)所示的颚式破碎机的主体机构的运动简图。

解：①构件分析本机构中由轮5输入的运动，使固联在其上的偏心轴2绕机架1上的轴A 转动，进而驱动动颚板3运动，最后带动肘板4绕机架l 上的轴D 摆动。

料块加在机架1和动颚板3之间，由作平面复杂运动的动颚板3将料块轧碎。

由此可知，该机构由机架1、偏心轴2、动颚板3和肘板4等共四个构件组成。

其中，偏心轴2为原动件，动颚板3和肘板4为从动件。

②运动副分析偏心轴2绕机架1上的轴A 转动，两者构成以A 为中心的转动副；动颚板3套在偏心轴2上转动，两者构成以B 为中心的转动副；动颚板3和肘板4构成以C 为中心的转动副；肘板4和机架l 构成以D 为中心的转动副。

整个机构共有四个转动副。

③测量运动尺寸选择机架1上的点A 为基准，测量运动副B 、C 和D 的定位尺寸。

④选择视图平面图4—10颚式破碎机的主体机构(a)结构图 (b)机构运动简图 1一机架；2一偏心轴；3—动颚板；4一肘板；5一轮本机构中各构件的运动平面平行，选择与它们运动平面平行的平面作为绘制机构运动简图的投影面。

图示瞬时构件的位置能够清楚地表明各构件的运动关系，可按此瞬时各构件的位置来绘制机构运动简图。

⑤确定比例尺根据图幅和测得的各运动副定位尺寸，确定合适的绘图比例尺地。

⑥绘制机构运动简图在图上适当的位置画出转动副A，根据所选的比例尺和测得的各运动副的定位尺寸，用规定的符号依次画出转动副D、B、C和构件1、2、3、4，最后在构件2上画出表明主动件运动种类的箭头，如图4—8(b)所示。

4．3平面机构的自由度4．3．1 机构具有确定运动的条件运动链和机构都是由构件和运动副组成的系统，机构要实现预期的运动，必须使其运动具有可能性和确定性。

如图4—11所示，由3个构件通过3个转动副联接而成的系统就没有运动的可能性。

又如图4—12所示的五杆系统，若取构件l作为原动件，当给定1ϕ时，构件2，3，4既可以处在实线位置，也可以处在虚线或其他位置，因此，其从动件的运动是不确定的；如果给定构件1，4的位置参数1ϕ和ϕ，则其余构件的位置就都可以被确定下来。

再如图4—13所示的曲柄滑块机构，当给定构件1的位置时，一其他构件的位置也被相应确定下来。

图4—11桁架图4—12五杆铰链机构图4—13曲柄滑块机构由此可见，无相对运动的构件组合或无规则乱动的运动链都不能实现预期的运动变换。

将运动链中的一个构件固定为机架，当运动链中一个或几个原动件位置确定时，其余从动件的位置也随之确定，这种运动链便成为机构，且机构具有确定的相对运动。

那么究竟取一个还是取几个构件做原动件，这取决于机构的自由度。

机构的自由度就是机构具有独立运动参数的数目。

因此，当机构的原动件数等于自由度数时，机构就具有确定的相对运动。

894．3．2平面机构自由度的计算设一个平面运动链包含N个构件，其中1个构件为机架，则有n=N-1个活动构件，另外设有P L个低副和P H个高副。

由于1个活动构件有3个自由度，1个低副引进2个约束，1个高副引进1个约束，因此该运动链的自由度，即机构的自由度F应为F=3n-2P L-P H(4—1)用式(4—1)计算图2—9所示运动链的自由度，则F=3×2—2×3=0，因此该运动链各构件间无相对运动。

计算图2—10所示运动链的自由度，则F=3×4—2×5=2，因此它需要2个原动件才能具有确定的相对运动。

按同样的方法计算出图2—11所示机构的自由度F=1，因此它只需要1个原动件便具有确定的相对运动。

4．3．3计算机构自由度的注意事项应用式(4—1)计算机构的自由度时，必须注意以下几个问题。

1．复合铰链3个以上的构件共用同一转动轴线所构成的转动副称为复合铰链。

如图4—12所示，构件1，2，3在同一处构成转动副，而从左视图可见，该机构包含2个转动副。

显然，如有m 个构件汇集在一处，应有m-1个转动副。

例4—2 计算图4—13所示机构的自由度。

图4—14复合铰链图4—15解：此机构B，C，D，E四处都是由3个构件组成的复合铰链，各具有2个转动副，所以对于这个机构可得：n=7，P L=10，P H=0，由式(4—1)得F=3×7-2×10-0=12．局部自由度机构中常出现一种与机构的主要运动无关的自由度，称为局部自由度。

如图4—14所示的凸轮机构中，滚子绕本身轴线的转动不影响其他构件的运动，该转动的自由度即为局部自由度。

计算时，先把滚子看成与从动件连成一体[图4—14(b)]，消除局部自由度后，再计算该机构的自由度。

3．虚约束对运动不起独立限制作用的约束称为虚约束。

在计算自由度时应先去除虚约束。

虚约束常在下列情况下发生：图4—16局部自由度(1)如果两相联接构件在联接点上的运动轨迹相重合，则该运动副引入的约束为虚约束。

如图4—15(b)所示，平行四边形机构中，连杆3作平动。

；如果盯平行并等于AB及CD，则杆5上E点的轨迹与杆3上E点的轨迹重合，因此，EF杆带进了虚约束，计算时先将其简化成图4—15(a)所示的形式。

如果不满足上述几何条件，则EF杆带进的约束为有效约束，如图4—15(c)所示，此时该机构的自由度等于0。

(a) (b) (c)图4—17虚约束1(2)机构运动时，如果两构件上两点间的距离始终保持不变，将此两点用构件和运动副联接，则会带进虚约束，如图4—17所示。

(3)如果两个构件组成多个移动方向一致的移动副(图4—17)，或两个构件组成多个轴线重合的转动副(图4—18)时，只需考虑其中一处的约束，其余各处带进的约束均为虚约束。

图4—18虚约束2 图4—19虚约束3 图4—20虚约束491(4)机构中对运动不起作用的对称部分引入的约束为虚约束。

如图4—19所示的差动轮系，只需要1个齿轮2便可传递运动。