机械原理第一章
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机械原理 第一章 构件 约束 运动副
按在机械传动中的功能分类：
机 构件分成 活动构件 从动件 机 架：机架是指要被固定、而作为机构运动的参考 系的构件 。 原动件：作用有驱动力或驱动力矩的活动构件，又称主 动件。 从动件：在机构中除机架和原动件以外的其余构件则称 为从动件 。
动画链接1 2
架（或固定构件） 原动件（主动件）
机架 原动件
从动件
传动构件
从动件
输出构件
按照其几何和运动特征进行分类：
如齿轮、凸轮、摩擦轮、滑块、导槽、杆件等
滑块、导槽、杆件
动画链接
广义来讲，随着科学技术的不断发展，机构中的构件可 以是有形的，也可以是无形的，只要它在传递运动和力或在 运动的导引的过程中能完成一些确定的运动任务，我们都可 以将其视为一个构件。例如：液态介质或气态介质、可塑性 的颗粒状物质等等，只要这些物质能够充满所提供的空腔， 在运动的传递过程中起到了必不可少的作用，都可以看作为 压力构件；机械运动的计算机控制程序等也可以看作是一个 构件。
只有1个自由度
用平面和曲面构造约束：用四个平面构造的相对移动约束
只有1个自由度
约束中加入中间元件，改变接触处的摩擦状态 滑动摩擦
滚动摩擦
钢球
滑动摩擦
保持架
滚动摩擦
2-9(b)
2-9(c)
1.4
1.4.1
运动副及其分类
运动副
运动副：两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运 动的联接。
三个条件，缺一不可
第一章 构件、约束和运动副
1.2 构件及其分类
构件和零件是两个不同的概念：构件是运
动时的单元体，而零件是制造时的单元体。
构件是由一个或若干个零件组成。
这些零件之间没有任何的相对运动。
机械原理课件第一章
内燃机
③它用来代替或减轻人类劳动去完成有用的机械功、 转换机械能或处理信息。
机器和机构的概念(4/6)
2. 机构
机器的特征中，主要是这些人为的实物组 合体能实现预期的动作。
经过分析，可以知道：机器还不是能实现预 期动作的最基本的组合体。
内燃机中基本组合体：
活塞8－连杆3－曲轴4－机架9 曲柄滑块机构
黄帝十分着急，只好命令军队停止前进，原地பைடு நூலகம்动，并马上召集 大臣们商讨对策。大臣风后对黄帝说：“你看，为什么天上的北斗星， 斗转而柄不转呢? 我们能不能根据北斗星的原理，制造一种会指方向 的东西，有了这种东西就不怕迷失方向了。”黄帝把风后的这个想法 告诉众臣，大家议论了一番，都认为这是一个好办法。
然后，就由风后设计，大家动 手制作。经过几天几夜奋战，终于造 出了一个能指引方向的仪器。风后把 它安装在一辆战车上，车上安装了一 个假人，伸手指着南方。然后告诉所 有的军队，打仗时一旦被大雾迷住， 只要一看指南车上的假人指着什么方 向，马上就可辨认出东南西北。
速度的求法和机构的运动规律。
3. 机器动力学 a) 分析机器在运转过程中各构件的受力情况，以及这些力的
做功情况； b) 分析机器在已知外力作用下的运动； c) 对机器速度波动调节和不平衡惯性力的平衡问题。
4. 常用机构的分析与设计 分析研究连杆、凸轮、齿轮等常用机构的运动与工作特性，
以及相应的设计方法。
机械
机器是执行机械运动的装置，用来完成有用的机械功或转换机械能。
机器
原动机 －凡如将电其动他机形、式蒸的汽能机量等转。换为机械能的机器， 工作机 －凡用来完成有用机械功的机器，如起重机、发电机等。
工程中大多是工作机和原动机配合应用，有时再加上独立
第1章机械原理-绪论
的组合体。
2.零件 －独立的制造单元(制造的单元体) 零件 构件 －独立的运动单元(运动的单元体) 内燃机 曲柄滑块机构
一个构件是由一个零件如内燃机中活塞 或多个零件刚性组成。彼此之间无相对运动。 如内燃机中连杆
湘潭大学
套筒
螺栓
垫圈 螺母
连杆体 轴瓦
作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机 械，因此必须掌握机械方面的基础知识。
设计出满足功能与制造要求的机构和机械零件 任务 研究的内容：
（1）机械设计基础知识
（2）常用机构及传动设计 （3）通用零件设计 （4）有关机械总体设计中的一些问题 （5）机械现代设计方法与手段的概念和特点
内燃机
2.工件自动载送装置 含带传动、蜗杆传动、 凸轮机构、连杆机构等。
滑杆左移时，夹持器将 工件夹住。
滑杆带着工件右移时，夹 持器动爪受挡块的压迫将 工件松开，工件落入载送 器被传送到下一道工序。
动画
强调代替人类完成有用工作
机器的共有特征：
①人造的实物组合体；
工件 定爪 动爪 装配夹具 工件载送器
天然工具 ——→简单机器 ——→工业革命 ——→现代机器
人类在征服自然中
改革开放后：我国机械工业得到了长足发展。
任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程。 以起重机为例，它经历了： 斜面 →杠杆 →起重轱辘 →滑轮组→手动(电动)葫芦 →现代起重机 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。
典型机器的分析： 1.内燃机 活塞的往复运动通过连杆变位曲轴的连续 转动，该组合体称为：曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀； 称为：凸轮机构 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之 间形成协调动作， 称为：齿轮机构 各部分协调动作的结果，就将燃料中化 学能转化为曲轴旋转的机械能。
2.零件 －独立的制造单元(制造的单元体) 零件 构件 －独立的运动单元(运动的单元体) 内燃机 曲柄滑块机构
一个构件是由一个零件如内燃机中活塞 或多个零件刚性组成。彼此之间无相对运动。 如内燃机中连杆
湘潭大学
套筒
螺栓
垫圈 螺母
连杆体 轴瓦
作为一名工程技术人员，同学们在今后的工 作岗位上将会接触各种各样的通用或专用机 械，因此必须掌握机械方面的基础知识。
设计出满足功能与制造要求的机构和机械零件 任务 研究的内容：
（1）机械设计基础知识
（2）常用机构及传动设计 （3）通用零件设计 （4）有关机械总体设计中的一些问题 （5）机械现代设计方法与手段的概念和特点
内燃机
2.工件自动载送装置 含带传动、蜗杆传动、 凸轮机构、连杆机构等。
滑杆左移时，夹持器将 工件夹住。
滑杆带着工件右移时，夹 持器动爪受挡块的压迫将 工件松开，工件落入载送 器被传送到下一道工序。
动画
强调代替人类完成有用工作
机器的共有特征：
①人造的实物组合体；
工件 定爪 动爪 装配夹具 工件载送器
天然工具 ——→简单机器 ——→工业革命 ——→现代机器
人类在征服自然中
改革开放后：我国机械工业得到了长足发展。
任何机械都经历了：简单→复杂的发展过程。 以起重机为例，它经历了： 斜面 →杠杆 →起重轱辘 →滑轮组→手动(电动)葫芦 →现代起重机 （包括：龙门吊、鹤式吊、汽车吊、卷扬机、叉车、电梯－电脑控制）。
典型机器的分析： 1.内燃机 活塞的往复运动通过连杆变位曲轴的连续 转动，该组合体称为：曲柄滑块机构 凸轮和顶杆用来启闭进气阀和排气阀； 称为：凸轮机构 两个齿轮用来保证进、排气阀与活塞之 间形成协调动作， 称为：齿轮机构 各部分协调动作的结果，就将燃料中化 学能转化为曲轴旋转的机械能。
机械原理第一章绪论PPT课件
机构(machanism)：用来传递 运动和力或改变运动形式的构 件系统
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13
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14
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15
机械是机构与机器的总称。
机构和机器的区别：
•机构只是一个构件系统，而机 器除构件系统外，还包含电气、 液压等其它系统
• 机构只用来传递运动和力，而 机器除传递运动和力外，还具 有变换或传递能量、物料和信 息的功能
2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图 解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析的基本技能。
3)具有按已知的几何条件和运动条件对几种主要的平面 机构进行运动设计的某些基本知识和能力。
4)初步具有确定简单机械运动方案的能力。
-
21
第一章 绪 论
5)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本 知识。
-
1
第一章 绪 论 (Introduction) §1-1 本课程研究的对象及内容
机械原理又称为机器理论与机构学。 机械原理 Theory of Machines and Mechanisms
机械原理的研究对象是机械(machinery) 。 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及
机
是完成有用的机械功或者是搬运物品。
工作机器 例如：起重机、织布机、缝纫机、汽
器
车、飞机和金属切削加工机床等。
是用来获得和变换信息。例如：机械 信息机器 式积分仪、计帐机、机器人和绘图仪。
机器与其它装置的主要区别是：机器一定要作机械运动， 并通过运动来实现能量、物料和信息的变换
-
7
第一章 绪 论
现代机器通常由控制系统、信息测量和处理系统、动 力部分、传动部分及执行机构系统等组成。 机器的三个共同特点： 1、都是人为的实物组合； 2、各部分之间具有确定的相对运动； 3、用来变换或传递能量、物料和信息。
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机械是机构与机器的总称。
机构和机器的区别：
•机构只是一个构件系统，而机 器除构件系统外，还包含电气、 液压等其它系统
• 机构只用来传递运动和力，而 机器除传递运动和力外，还具 有变换或传递能量、物料和信 息的功能
2)具有用瞬心法对高、低副机构进行速度分析，和用图 解法或解析法对Ⅱ级机构进行运动分析的基本技能。
3)具有按已知的几何条件和运动条件对几种主要的平面 机构进行运动设计的某些基本知识和能力。
4)初步具有确定简单机械运动方案的能力。
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第一章 绪 论
5)具有按已知动力学条件分析和设计机械的某些基本 知识。
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第一章 绪 论 (Introduction) §1-1 本课程研究的对象及内容
机械原理又称为机器理论与机构学。 机械原理 Theory of Machines and Mechanisms
机械原理的研究对象是机械(machinery) 。 机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，以及
机
是完成有用的机械功或者是搬运物品。
工作机器 例如：起重机、织布机、缝纫机、汽
器
车、飞机和金属切削加工机床等。
是用来获得和变换信息。例如：机械 信息机器 式积分仪、计帐机、机器人和绘图仪。
机器与其它装置的主要区别是：机器一定要作机械运动， 并通过运动来实现能量、物料和信息的变换
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第一章 绪 论
现代机器通常由控制系统、信息测量和处理系统、动 力部分、传动部分及执行机构系统等组成。 机器的三个共同特点： 1、都是人为的实物组合； 2、各部分之间具有确定的相对运动； 3、用来变换或传递能量、物料和信息。
机械原理第一章绪论CH01
机器和机构的概念(2/4)
机床用来变换物料的状态； 汽车、起重机用来传递物料； 计算机用来变换信息。 由于各种机器的主要组成部分都是各种机构，所以可以说， 机器乃是一种可用来变换或传递能量、物料与信息的机构组合。 机器按其用途可分为两类：凡将其他形式的能量转换为机械 能的机器称为原动机；凡利用机械能来变换和传递物料和信息的 机器称为工作机。
机器和机构的概念(4/4)
机构 1. 由各种材料制成的制造单元 （零件）经装配而成的组合体 2. 由零件组成的各运动单元 （构件）间有确定的相对运动
有关机械的基本理论
（1）机构的结构分析 1）研究机构是怎样组成的，其组成对运动的影响，以及机构 具有确定运动的条件。 2）研究机构的组成原理及机构的结构分类。
（1）机构
机器和机构的概念(1/4)
机构是指一种用来传递与变换运动和力的可动装置。如常 见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、 螺旋机构等。 这些机构一般认为是由刚性件组成的。而现代机构中除了刚 性件以外，还可能有弹性件和电、磁、液、气、声、光……等元 件。 故这类机构称为广义机构；而由刚性件组成的机构就称为狭 义机构。 （2）机器 机器是指一种执行机械运动装置，可用来变换和传递能量、 物料和信息。 例如： 电动机、内燃机用来变换能量；
（3）机器的结构
传统的机器由如下三个部分组成： 原动部分 传动部分 执行部分
机器和机构的概念(3/4)
现代机器一般由如下四个部分组成：
原动部分
传动部分 控制部分
执行部分
而现代先进的机器则由以下五个部分组成：
位形检测 控制系统 驱动-传动机构 智能系统 执行机构 工作系统
机器和机构的特征 机器 1. 由各种材料制成的制造单元 （零件）经装配而成的组合体 2. 由零件组成的各运动单元 （构件）间有确定的相对运动 3. 变换和传递能量、物料和信 息。
机械原理第一章 平面机构组成原理及其自由度分析
机构自由度与能运动的条件为：机构自由度数大于等于1。 （二）机构具有确定运动的条件为：机构输入的独立运动数目等 于机构的自由度数。 由于平面机构的每个驱动副一般只有一个自由度，此时，机 构具有确定运动的条件又可表述为：机构驱动副数应等于机构的 自由度数。对驱动副位于机架的机构，与驱动力相连的构件为主 动构件，或称为原动件。故这时该类机构具有确定运动的条件又 可表述为：机构原动件数应等于自由度数。
按运动副的运动空间分:
平面运动副——指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面 运动的运动副;
空间运动副——指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间 运动的运动副。
按运动副对被联接的两构件相对运动约束数的不同分为： 低副——两构件通过面接触而构成的运动副； 高副——凡两构件系通过点或线接触而构成的运 动副。
4）选择适当的长度比例尺l（ l =实际尺寸/图示长度），定出 各运动副的相对位置，绘制机构运动简图。从原动件开始，按运 动传递路线，顺序标出各构件的编号和运动副的代号。在原动件 上标明箭头方向即其运动方向。
例1-1-1：绘制图示颚式破碎机的运动简图 分析：该机构有6个构件和7个转动副。
颚式破碎机构
机构运动简图
第二节 平面机构自由度分析及应用举例
一、运动副的自由度和约束
运动副对该两构件独立运动所加的限制称为约束。约束数目 等于被其限制的自由度数。组成运动副两构件间约束的特点和数 目取决于该运动副的型式。 （一）转动副
只能绕垂直于xoy平面的轴的相对转动 （二）移动副 只能沿x轴方向移动
（三）高副
绘制机构运动简图的步骤与方法：
1）对照实物或实物图，分析机构的动作原理、组成情况和运动 情况，确定其组成的各构件，哪些构件为原动件、哪一构件为机 架和哪些构件为从动件 。 2）沿着运动传递路线，从原动件开始，逐一分析每两个构件间 相对运动的性质，并确定运动副的类型和数目。
机械原理第一章
机构具有确定运动的条件： 机构自由度数目大于零并等于原动件数目。
若F >原动件数，则机构运动将不确定； 若F <原动件数，则导致最薄弱处损坏。
1.4.1 平面机构自由度的计算
每个自由构件的自由度：3 (x，y, q ) 设平面机构由N个构件、PL个低副和PH 个高副组成。 设N个构件中有一个构件为机架，则机 构中的活动构件数为：n=N – 1 O
例：计算颚式破碎机的自由度，并 判断机构是否有确定的运动。 解： n =5 PL=7 PH=0
6 F 5 4 C
O 1 A
2 3 B D E
F =3n –2PL –PH =3×5 –2×7 =1
机构原动件为1，∴ 机构运动确定。
例：判断牛头刨床主体机构是否 有确定的运动。 解： n =5 PL=7 PH=0
1 3
2
1
3
2
3
1
2
3 4
1
3 两个转动副
1 2
2
4 两个转动副
两个转动副
关键：分辨清楚哪几个构件在同一处形成了转动副。
2. 局部自由度
局部自由度：是指在机构中某些构件所产生的不影响其他构件 运动的局部运动的自由度。 F =3n–2PL–PH =3×3–2×3–1=2
B O
去除局部自由度后： F =3n–2PL–PH =3×2–2×2–1=1
C 5 D E 6
2 1
A
F
上图中C为复合铰链，由3个构件组成，转动副为2个，∴PL=7。 F =3n –2PL –PH =3×5 –2×7 =1 ， ∴ 机构运动确定。 若复合铰链由m个构件组成，则其转动副的数目为(m –1 )个。
正确识别复合铰链举例：
机械原理第1章绪论
4.机械原理学科的发展
应用领域扩大——上天(太空探险)、入地(水平钻探)、下海(深海勘
探、打捞作业)、甚至钻入人体内(血管清理)
与其他学科的交叉渗透作用增强——与电子工程、计算机科学、控
机械原 理学科 的发展
制工程、材料科学、生物医学等相互渗透，诞生了若干新学科。如 机械电子学、仿生机械学、机器人机械学、机械CAD
第
章 一
章
绪
节
论
一
二一 ．．
本内 章容 重提 点要 、及 难基 点本
概 念
单击此处添加大标题内容
1.1
内容提要及基本概念
机械原理又称机器理论与机构学。是机械工程各专业的一门重要的技术基础课程。本课程的理论知识对于机械的设计、制造、运行、维修等方面具有十分重要的作用。
1.1.1 内容提要
机械原理的研究对象
3）凸轮机 构
1 为了改善凸轮机构的动 力性能，凸轮曲线由等 加-等减速运动规律、 正弦加速度运动规律、 余弦加速度运动规律改 用改进正弦加速度运动 规律、改进梯形加速度 运动规律和代数多项式 运动规律。
2 寻找高速运转时具有良好动 力性能的凸轮曲线是一个重 要的研究内容。按动力学要 求设计凸轮廓线除了采用动 力多项式凸轮曲线外，现在 较多采用某些符合动力特性 要求的凸轮曲线。这种曲线 使凸轮从动件系统残留振动 的振幅在全部工作速度范围 内不超过某一极限值。
本章内容包括
机器的定义：由人为物体组成的具有确定机械运动的装置，完成一定的工作 过程，以代替人类的劳动。
实例：缝纫机、洗衣机、各类机床、运输车辆、农用机器、起重机等。
机器与机构之间的关系——机器是由机构组成的。例如图示单缸内燃机中就 包含了三种常用机构：连杆机构、齿轮机构、凸轮机构。
机械原理第1章
B A
§1-5平面机构的组成原理
一、平面机构中的高副低代： 平面机构中的高副低代： 1、目的：使平面低副机构的结构、运动分析能适用于 一 、目的：使平面低副机构的结构、 切平面机构。 切平面机构。 2、条件：自由度不变；瞬时速度、加速度不变。 、条件：自由度不变；瞬时速度、加速度不变。 3、方法：两个转动副和一个构件代替一个高副，在两个转 、方法：两个转动副和一个构件代替一个高副， 动副分别处在两轮廓接触点的曲率中心。 动副分别处在两轮廓接触点的曲率中心。
§1-3：平面机构的运动简图
一、机构运动简图： 机构运动简图：
在研究机构运动时,不考虑那些与运动无关的因素， 在研究机构运动时,不考虑那些与运动无关的因素，仅用简单 的线条和符号来代表构件和运动副， 的线条和符号来代表构件和运动副，并按一定比例表示各运动副 的相对位置，来说明各构件相对运动关系的简单图形。 的相对位置，来说明各构件相对运动关系的简单图形。 1、构件：用线条 构件： 2、运动副：见表 运动副：
E C
3、按杆组的级别对杆组分类： 、按杆组的级别对杆组分类：
杆组 级别
决定 级别 的封 闭形
ⅱ
ⅲ
ⅳ
ⅴ
三、平面机构的机构分析 将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。 将已知机构分解为原动件、机架、杆组，并确定机构的级别。 机构的组装与拆分： 机构的组装与拆分： 1、机构的组装 、
6 5 1 4 3 2 2 7 6 8 1 5 4 3
C
D E E E
D E O
A
B
O
A
B
C E E
C
A
B
O
C
例：试计算图所示压床 机构的自由度。
机械原理 第一章
三、计算机构自由度时应注意的事项
1. 复合铰链: 两个以上的构件同时在一处以
转动副相联接, 就构成了复合铰链。若m 个构件以复合铰链相联接时, 其构成的转 动副数应等于(m-1)个。 图
例2－2： 图2-12
2. 局部自由度: 某些构件所产生的局部运动并 不影响其他构件的运动, 这种局部运动的自 由度称为局部自由度。 在计算机构自由度时, 应将机构中的局部 自由度除去不计。 处理方法： 把滚子焊死，成为一个构件。 图2-13 3. 虚约束: 对机构运动实际上不起约束作用的 约束称为虚约束。 （1）两构件间组成多个运动副 转动副：图 移动副：图 高 副：图
二、机构具有确定运动的条件 （1）F≤0时，机构蜕化成刚性桁架，构件间 不可能产生相对运动。 图 （2） F>0时，原动件数大于机构自由度， 机构遭到破坏；原动件数小于机构自由度， 机构运动不确定，只有当原动件数等于机 构自由度时机构才具有确定的运动。 机构具有确定运动的条件： F>0且原动件数等于机构的自由度。 例：判断是不是机构 图 例：图2－11 例：图
圆弧接触高副低代
任意曲线接触高副低代
直线与曲线接触高副低代
两构件形成多个转动副
两构件形成多个移动副
高副
两构件形成多个高副
计算自由度
点与曲线接触高副低代
结构分析
Ⅲ级杆组
Ⅱ级杆组
计算自由度，高副低代
计算自由度
n=4,PL=5,PH=1
拆杆组
机构的组成
机构的分解
五杆机构
汽车
连杆机构
运动副类型
齿轮机构
连杆
开闭式运动链
空间运动链
平面机构
空间机构
压力机
四杆机构
机械原理第一章(杨家军版)
机构的组成(2/4)
（1）运动副的分类
1）按其引入的约束数目分： Ⅰ级副、 Ⅱ级副、 ……Ⅴ级副。
2）按其接触形式分 高副： 点、线接触的运动副 低副： 面接触的运动副
3）按其相对运动形式分
转动副（回转副或铰链） 移动副 螺旋副 球面副
还可分为平面运动副与空间运动副两类。
机构的组成(3/4)
（2）运动副符号 运动副常用规定的简单符号来表达（GB4460－84）。 各种常用运动副模型 常用运动副的符号表 3.运动链 构件通过运动副的联接而构成的相对可动的系统。
常用机构构件、运动副代表符号
机构运动简图(2/2)
2.机构运动简图的绘制 绘制方法及步骤： （1）搞清机械的构造及运动情况，沿着运动传递路线，查明 组成机构的构件数目、运动副的类别及其位置；
（2）选定视图平面；
（3）选适当比例尺，作出各运动副的相对位置，再画出各运 动副和机构的符号，最后用简单线条连接，即得机构运动简图。 举例：
§2-1 机构结构分析的内容及目的
主要内容及目的是：
研究机构的组成及机构运动简图的画法； 了解机构具有确定运动的条件； 研究机构的组成原理及结构分类。
§2-1 概
述
平面机构：机构中所有构件均在一个或几个平面运动。
2 3 2 1 3
1
4
4
另有空间机构概念。
(avi)
§2-2 机构的组成
1.构件 活塞 任何机器都是由许多零件组合而成 的。 零件是机器中的一个独立制造单元体； 构件是机器中的一个独立运动单元体。 构件往往是由若干零件刚性地联接在一 起的独立运动的整体
两轮轮齿曲面
空间两构件构成的运动副，其自由度 f 和约束数 s 满足
机械原理教程 清华大学出版社第1章1.3
第1章典型例题
例2： 计算图示机构的自由度 ： 首先分析机构中有无局部自由度、 首先分析机构中有无局部自由度、复合 铰链和虚约束，而后计算机构自由度。 铰链和虚约束，而后计算机构自由度。
局部自由度 虚约束
n = 6, P5 =8, P4 = 1 F = 3n－ 2P5－ P4 = 3×6－ 2×8－ 1＝1 × － × － ＝
解题思路: 解题思路 首先搞清设计者的意 图，画出机构运动简图、计算其自 画出机构运动简图、 由度，然后分析能否实现设计意图， 由度，然后分析能否实现设计意图， 最后提出修改方案。 最后提出修改方案。
第1章典型例题
1）绘制机构运动简图。选定一适当的比例尺和视图平面，并依次定出 ）绘制机构运动简图。选定一适当的比例尺和视图平面， 各转动副的位置和移动副导路的方位；画出各运动副的符号， 各转动副的位置和移动副导路的方位；画出各运动副的符号，并用线条 连接，即得该初拟方案的运动简图如图所示。 连接，即得该初拟方案的运动简图如图所示。
1.复合铰链 1.复合铰链
两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成复合铰链。 两个以上的构件在同一处以转动副联接，则构成复合铰链。
几种典型的复合铰链
1.3运动链成为机构的条件 1.3运动链成为机构的条件
1.3.3计算自由度时应注意的问题 1.3.3计算自由度时应注意的问题
2.局部自由度 2.局部自由度
1.3.1 平面运动链的自由度计算
在平面运动链中， 在平面运动链中，各构件相对于某一构件所需独立运动的 参变量数目，称为运动链的自由度。 参变量数目，称为运动链的自由度。它取决于运动链中活动构 件的数目以及连接各构件的运动副类型和数目。 件的数目以及连接各构件的运动副类型和数目。 平面运动链自由度计算公式： 平面运动链自由度计算公式：
机械原理第一章 绪论
§1-1 研究对象及内容1.研究对象：本课程研究的对象是机械。
所谓机械就是机构与机器的总称。
2.机构：用来传递与变换运动和力的可动装置。
它可以变换和传递机器之间的运动形式（比如往复移动变为转动）及速度（比如高速变低速）。
比如自行车要通过链条传动把脚踏的旋转运动变为后轮的旋转运动，链条就是一种机构；指针手表通过齿轮保持时、分、秒针之间的比例关系，齿轮也是一种机构；还有折叠式家具及门铰链大多采用的是连杆机构；还有一定功率下电机的输出力矩很小，不能直接使用，也是采用齿轮机构来获得所需的力矩。
常见的机构有带传动机构、链传动机构、齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、曲柄滑块机构、蜗轮蜗杆传动机构、螺旋机构。
3.机器：由原动部分、传动部分（机构）、执行部分和控制部分组成的、执行机械运动的装置，它可以转换和传递能量、物料和信息。
比如缝纫机可以缝合衣服，它是机器；汽车可以运送物料，它也是机器；打印机可以把电子信息变为纸上可见的信息，它还是机器；这些机器的共同点就是它们都是由多个机构组成的，且都是通过做有用功来完成机械运动的。
4.机器的分类：机器按其用途可分为两类：①原动机凡将其他形式的能量转换为机械能的机器称为原动机；②工作机凡利用机械能来完成有用功的机器称为工作机。
5.机器的结构：①传统的机器由如下三个部分组成：②现代的机器由如下四个部分组成：③现代先进的机器由如下五个部分组成：6.实例：①内燃机内燃机就是把燃油的热能（化学能）转换为机械能的机器。
它由活塞、连杆、曲轴组成的连杆机构进行动力驱动，并由一对大小齿轮机构、凸轮机构组成配气系统。
其原理如下：当气缸内的气体受热膨胀后，气体产生的压力会使活塞作上下往复运动，连杆把活塞的往复运动变为连续旋转的运动并传递给曲轴，使其对外输出动力，同时装在曲轴上的小齿轮又将曲轴的旋转传递给相邻的大齿轮，带动大齿轮轴上的凸轮按另一种速度旋转，进一步推动配气系统的阀杆上下往复运动，使阀门按一定的时间要求启闭实现配气，从而让活塞能周而复始地进行往复运动，机器能连续地实现能量的转换。
机械原理第1章
链 传 动
圆柱 蜗杆 蜗轮 传动
外啮 合圆 柱齿 轮传 动
凸 轮 传 动
内啮 合圆 柱齿 轮传 动
棘 轮 机 构
机构运动简图应满足的条件： 1.构件数目与实际相同 2.运动副的性质、数目与实际相符
3.运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构 成比例。
绘制机构运动简图 思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线 路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运 动副的类型，并用符号表示出来。
§1-3
机构自由度的计算
一、平面机构自由度的计算公式
(1)自由度与约束
构件独立运动的数目称为自由度 对构件运动的限制作用称为约束
y
y
x
x
z
z
(2)机构自由度
机构独立运动的数目称为机构的自由度
什么是独立运动?
二、
机构具有确定运动的条件
◆问题：取运动链中某个构件为机架，其余 构件在什么条件下才具有确定运动？
其目的是：
１、研究组成机构的要素及机构具有确定运动的条件
２、研究机构的组成原理
３、研究机构运动简图的绘制 ４、研究机构结构的综合方法
§1-2 机构的组成 一、机构的组成要素
１、构件
作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件
一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若 干个不同零件组装起来的刚性体。
机构的种类可以根据其运动传递与转换的特征来进行区 分。 例如：
连续转动→往复直线移动
连续转动→双向摆动
连续转动→带停歇往复直线移动
连续转动→连续转动
连续转动→单向直线移动
连续转动→单向间歇转动
1-3
机构运动简图
为什么要画机 构运动简图？
机械原理_第1章 机构的组成和结构Thinsong
第1章 机构的组成和结构
辛声 xinsheng@
基本要求:
1、熟练掌握机构运动简图的绘制方法。 能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机 构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。 2、掌握运动链成为机构的条件。 3、熟练掌握机构自由度的计算方法。 能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束， 计算机构自 由度。 4、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。 了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别；
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§1-2 运动副、运动链和机构
一、运动副
运动副：由两个构件组成的可动的联接。 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。 运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。 例如轴与轴衬的配合(图1)，滑块与导轨的接触(图2)。
图1 回转副
图2 移动副
2、作用 （1）现有机械分析 （2）新机械总体方案的设计 3、表示方法
用规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运 动尺寸。
二、运动副和构件的符号
构件及其运动副相联接的表达法
机架
构件的永久联接
构件与轴的固定联接
可调联接
两活动构件以转动副联接
与机架以转动副相联接
两活动构件以移动副相联接
设某一平面机构，除机架外共有n个活动构件。通 过PL个低副和PH个高副联接各构件。n个活动构 件在未用运动副联接之前共具有3n个自由度，当 用PL个低副和PH个高副联接之后，便受到 2PL+PH个约束。故机构自由度，应为活动构件 自由度的总数与运动副引入的约束总数之差，即
二、机构具有确定运动的条件
辛声 xinsheng@
基本要求:
1、熟练掌握机构运动简图的绘制方法。 能够将实际机构或机构的结构图绘制成机构运动简图；能看懂各种复杂机 构的机构运动简图；能用机构运动简图表达自己的设计构思。 2、掌握运动链成为机构的条件。 3、熟练掌握机构自由度的计算方法。 能准确识别出机构中存在的复合铰链、局部自由度和虚约束， 计算机构自 由度。 4、掌握机构的组成原理和结构分析的方法。 了解高副低代的方法；会判断杆组、杆组的级别和机构的级别；
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§1-2 运动副、运动链和机构
一、运动副
运动副：由两个构件组成的可动的联接。 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。 运动副元素：两构件直接接触而构成运动副的点、线、面部分。 例如轴与轴衬的配合(图1)，滑块与导轨的接触(图2)。
图1 回转副
图2 移动副
2、作用 （1）现有机械分析 （2）新机械总体方案的设计 3、表示方法
用规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运 动尺寸。
二、运动副和构件的符号
构件及其运动副相联接的表达法
机架
构件的永久联接
构件与轴的固定联接
可调联接
两活动构件以转动副联接
与机架以转动副相联接
两活动构件以移动副相联接
设某一平面机构，除机架外共有n个活动构件。通 过PL个低副和PH个高副联接各构件。n个活动构 件在未用运动副联接之前共具有3n个自由度，当 用PL个低副和PH个高副联接之后，便受到 2PL+PH个约束。故机构自由度，应为活动构件 自由度的总数与运动副引入的约束总数之差，即
二、机构具有确定运动的条件
《机械原理》第一章平面机构的结构分析
依据机构的运动是平面运动还是空间运动分为：
◆ 平面机构: 机构中各构件间的相对运动为平面运动。 ◆ 空间机构: 机构中各构件间的相对运动为空间运动。
§1-3 机构运动简图
内燃机
一、 机构运动简图的定义及作用
1、机构运动简图：不考虑那些与运动无关的因素，仅 仅用简单的线条和规定的符号来代表构件和运动副，并 按一定比例表示运动副的相对位置。这种能准确表达机 构运动特性的简单图形称为机构运动简图。
目的：
对称机构1、2
为了传递较大功率，保持机构受力平衡。
5） 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处的 公法线重合,则只能算一个平面高副。若公法线方向不重合， 将提供2个约束。
有一处为虚约束 等径凸轮
此两种情况没有虚约束
小结
◆ 复合铰链 ◆局部自由度 ◆ 虚约束
存在于转动副处 正确处理方法：复合铰链处有m个构件 则有(m-1)个转动副
凸轮副
齿轮副
1个高副 带来1个约束
按运动副的运动空间分:
平面运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为平面
运动的运动副。
空间运动副：指构成运动副的两构件之间的相对运动为空间
运动的运动副。
只讲平面运动副。
球面副
二、运动链
运动链：指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。
★平面运动链：各构件间的相对运动为平面运动的运动链。 ★ 空间运动链：各构件间的相对运动为空间运动的运动链。
三、平面机构的结构分析
结构分析目的：了解机构的组成，确定机构的级别。
机构的结构分析：把机构分解为基本杆组、机架和原动件。
杆组拆分要领（原则）： 1）首先…… 2）从离原动件最远的构件开始试拆，先拆II级组，若不成， 再拆III级组，每拆出一个杆组后，机构的剩余部分仍应是一 个与原机构有相同自由度的机构，直到只剩原动件为止。 3）杆组的增减不应改变机构的自由度。
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§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
二、机械原理课程的主要内容 （1）机构的组成和类型综合 （2）机构设计
（3）机构系统设计
（4）机构动力学
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
（1）机构的组成和类型综合
研究机构组成原理是为了分析机构运动的
可能性及确定性，也为了对组成机构的杆组
进行分类，便于系统地建立机构运动分析和
的设计理论和设计方法。
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
（3）机构系统设计
机构系统设计是机械运动方案设计的主要 内容，本课程将介绍机械运动方案设计步骤、 功能分析、机构创新、执行机构的运动规律和 机构系统运动协调设计等的基本原则和方法。
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。 如汽车、机床、起重机、内燃机、电话机和计算机等。 机器的组成大致包括：
润滑、显示、照明等辅助系统 原动机部分
传感器
传动部分
传感器
执行部分
传感器
机器的基本 组成部分
控 制 系
统
原动机部分：驱动整部机器以完成预定功能的动力源。 传动部分：解决运动形式、运动及动力参数的转变。 执行部分：用来完成机器预定功能的组成部分。 传动部分和执行部分是机器的主体部分，是由许多运动构件组成的。 机器根据其工作类型的不同，分为三类。
第一章 绪论
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
§1.2
§1.3 §1.4 §1.5
机械原理课程的地位和作用
机械原理课程的学习目的和方法 机械设计概述 机械原理学科的发展动向
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
机械原理是研究机构和机器的运动及动力特性，
以及机械运动方案设计的一门技术基础学科。是机械 设计及理论学科的重要内容之一。
内燃机
内燃机
工作原理：
燃气由进气管通过进气 阀3被下行的活塞2吸入气缸， 然后3关闭，2上行压缩燃气， 点火使燃气在气缸中燃烧， 膨胀产生压力，推动2下行， 通过连杆5带动曲柄6转动向 外输出机械能。当2再次上 行时，排气阀4打开，废气 由排气管排出。图中，凸轮 7和顶杆8是用来启、闭进气 阀的；齿轮9，9’，10是用 来保证进气阀、排气阀和活 塞之间形成一定规律的运动。 以上各部分的协同配合动作， 便能把燃气燃烧时的热能变 为曲轴转动时的机械能。
力分析的方法。通过机构类型综合可以探索
创新机械的某些设计方法。
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
（2）机构设计
机器虽然种类繁多，然而构成各种机器 的机构类型却是有限的，它们是齿轮机构、 凸轮机构、连杆机构、间歇运动机构、其他
用途机构及广义机构等一些常用的机构。
本课程的多数内容是介绍这些常用机构
机构 是指具有确定运动的构件系统，能按预定
的方式转换和传递力和运动。
机构中的构件可分为三大类：举例说明如内燃机。 固定构件（机架）：指机构中的固定构件，它是用来支承 活动构件（运动构件）的。 原动件（主动件）： 指机构中运动规律已知的活动构件 （或者说机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件）。 它的运动通常是由外界输入的，故又称为输入构件。 从动件：指机构中随着原动件的运动而运动的其余活动构 件（或者说机构中除原动件、机架以外的其余活动构件）。 其中输出预期运动的从动件称为输出构件(执行构件)，其余从 动件则起传递运动的作用。从动件的运动规律取决于原动件 的运动规律和机构的结构。
起重机
牛头刨床
包装机
构件与零件
构件(Links)是指机器中具有独 立运动的单元体。 构件可以是单一的零件，也 可以是由几个零件组成的刚性结 构。 零件是制造的单元。
构件与零件
例如：右图的连 杆构件由连杆体 , 大端盖, 螺母 , 螺栓等多个零 件组成。
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
参考教材：
1. 中文教材：机械原理 李瑞琴主编，国防 工业出版社，2008
2. 英文教材：Mechanisms and Machine Theory（机械原理）. Ye Zhonghe, Lan Zhaohui, M.R.Smith, 2001, Higher Education Press
3. 美国原版教材：机械设计（Design of Machinery）－机器和机构综合分析（An Introduction to the Synthesis and Analysis of Mechanisms and Machines） .（英文版， 原书第二版）（含光盘） ，2002
一、机械原理的研究对象 二、机械原理课程的主要内容
§1.1 机械原理的研究对象和研究内容
一、机械原理的研究对象
机械原理的研究对象是机械。
机械（Machinery ）：是机构( Mechanisms) 与机
器 (Machines)的总称。 机器：是一种由人为物体组成的具有确定机械运 动的装置，它用来完成一定的工作过程， 以代替人类的劳动。
常用机构
连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、螺旋机构等
常用机构
常用机构
常用机构
机构只是一个构件系统，而机器除构 件系统外还有电气、液压等其他装置；
机构只用于传递运动和力，机器除传 递运动和力之外，还应当具有变换或传 递能量、物料、信息的功能。
“机构”和“机器”的区 别
但是，就构件的运动和力的研究来 说，机器和机构并无区别。
机器的分类 1.动力机器
将任何一种能量变换成机械能，或将机械能变 换成其他形式的能量。
例如：内燃机、压气机、涡轮机、电动机、发电机等。
2.工作机器
例如：金属切削机床、织布机、印刷机、包装机、缝纫设 备、汽车、飞机、起重机、输送机等。
完成有用的机械功或搬运物品。
3.信息机器
完成信息的传递和变换。
教材：
4. 英国原版教材：R.S.KHURMI, J.K.GUPTA. Theory of Machines. First Multicolor Revised and Updated Edition, published by Eurasia Publishing House Ltd., 2005. 5. 邹慧君等主编. 机械原理学习与考研指导. 北京: 科学出版社, 2004.6.