机械设计基础知识点

第二章平面机构的结构分析

§2.1 基本概念

构件：运动单元体

零件：制造单元体构件可由一个或几个零件组成。

•构件：由一个或几个零件组成的没有相对运动的刚性系统。机器或机构中最小的运动单元。

•零件：机器或机构中最小的制造单元。

•例如：曲轴——单一零件。

•连杆——多个零件的刚性组合体。

•注意：构件与零件联系与区别？

一、机构的组成

机架：机构中相对不动的构件

原动件：驱动力（或力矩）所作用的构件。→输入构件

从动件：随着原动构件的运动而运动的构件。→输出构件

在任何一个机构中，只能有一个构件作为机架。在活动构件中至少有一个构件为原动件，其余的活动构件都是从动件。

二、自由度、约束

自由度：构件具有独立运动参数的数目（相对于参考系）

在平面内作自由运动的构件具有3个自由度；在三维空间作自由运动的构件具有6个自由度。约束：运动副对构件间相对运动的限制作用

对构件施加的约束个数等于其自由度减少的个数。

三、运动副

使两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接成为运动副。运动副的作用是约束构件的自由度。

四、运动副类型及其代表符号

1. 低副——两构件以面接触而形成的运动副。

A.转动副：两构件只能在一个平面内作相对转动，又称作铰链。

自由度数1，只能转动；

约束数2，失去了沿X、Y方向的移动。

B.移动副：两构件只能沿某一轴线作相对移动。

自由度数1，只能X方向移动；

约束数2，失去Y方向移动和转动。

2. 高副—— 两构件以点或线接触而构成的运动副。

自由度数 2， 保持切线方向的移动和转动 约束数 1， 失去法线方向的移动。

五、运动链

运动链:若干个构件通过运动副联接而成的相互间可作相对运动的系统。 闭式运动链简称闭链：运动链的各构件首尾封闭 开式运动链简称开链：未构成首尾封闭的系统

§2.2 机构运动简图

定义：用运动副代表符号和简单线条来反映机构中各

构件之间运动关系的简图。

构件均用形象、简洁的直线或小方块等来表示，画有斜线的表示机架。

§2.3 平面机构的自由度计算

机构的自由度：机构中活动构件相对于机架所具有的独立运动的数目。（与构件数目，运动副的类型和数目有关）

一、机构自由度计算公式 H L 23P P n F --=

式中，n 为活动构件个数;

L P 为低副个数；H P 为高副个数。

(a)双曲线画规机构

F=3n- 2PL-PH=3×5-2×7-0=1 (b) 牛头刨床机构

F=3n- 2PL-PH=3×6-2×8-1=1

二、机构具有确定运动的条件

机构要能运动，它的自由度必须大于零。 F ≤0，构件间无相对运动，不成为机构。

原动件数W＝F，运动确定

F＞0 原动件数W＞F，运动不确定

原动件数W＜F，机构破坏

故机构具有确定运动的条件是：

原动件数目应等于机构的自由度数目。 W=F 且 F＞0

三、注意事项

1.复合铰链：两个以上个构件在同一条轴线上形成的转动副。由M个构件组成的复合铰链包含的转动副数目应为（M-1）个

2.局部自由度

在某些机构中，不影响其他构件运动的自由度称为局部自由度。

3. 虚约束

重复而不起独立限制作用的约束称为虚约束。计算机构的自由度时，虚约束应除去不计。平面机构的虚约束常出现于下列情况：

（1）不同构件上两点间的距离保持恒定……

（2）两构件构成多个移动副且导路互相平行

（3）两构件构成多个转动副且轴线互相重合……

（4）在输入件与输出件之间用多组完全相同的运动链来传递运动

学习重点

1. 搞清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念

2. 能读懂常用机构的机构运动简图

3. 能掌握平面机构的自由度计算

计算自由度

（先看有无注意事项，复合铰链……，再看有几个构件）

第三章平面连杆机构

§3.1 平面连杆机构的特点

一、平面连杆机构：用低副连接而成的平面机构。

二、平面连杆机构的特点：

1、能实现多种运动形式。如：转动，摆动，移动，平面运动

2、运动副为低副：

面接触：①承载能力大；②便于润滑。寿命长

几何形状简单——便于加工，成本低。

3、缺点：

①只能近似实现给定的运动规律；

②设计复杂；

③只用于速度较低的场合。

三、平面四杆机构的基本型式及其演化

铰链四杆机构：所有运动副均为转动副的平面四杆机构

图中固定不动的构件AD是机

架；与机架相连的构件AB、CD

称为连架杆；不与机架直接相连

的构件BC称为连杆。

连架杆中，能作整周回转的称为

曲柄，只能作往复摆动的称为摇

杆。根据两连架杆中曲柄(或摇

杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

铰链四杆机构的基本形式运动特点

1）曲柄摇杆机构运动形式的改变

2）双曲柄机构运动速度的改变

3）双摇杆机构摆角的改变

§3.2 平面四杆机构的基本特性

一、急回特性

曲柄等速转动时，摇杆往复摆动的平均速度不相同，反行程的平均速度较快，这种运动称为曲柄摇杆机构的急回运动特性。

概念： 摆角φ、极位夹角θ • 急回特性分析： • ω1 = C

• α1 = ω1 t1 =1800 + θ • α2 = ω1 t2 =1800 - θ

• t1 > t2 , v2 > v1

• 行程速比系数θ

θ

αα-+=

====00212112122112180180//t t t C C t C C v v K 1

1

180+-⋅

︒=K K θ • 若θ=0，K=1, 无急回特性 θ↑K ↑急回特征越显著

二、传力分析 压力角和传动角

1、压力角α

从动件上某点的受力方向与从动件上该点速度方向的所夹的锐角。

α

αsin cos t P P P P n ==

2、传动角γ，压力角的余角 （经常用γ衡量机构的传动质量）

压力角越小，传动角越大，机构传力性能越好

3、许用压力角［α］ 一般：［α］≤40º

4、传动角的计算 δ≤90° γ=δ

δ≥90° γ=180°－δ

曲柄摇杆机构在曲柄与机架共线的两位置出现最小传动角。即AB 1和 AB 2处。

三、死点

死点:传动角为零γ=0(连杆与从动件共线),机构顶死