机构的结构分析
机构的结构分析
闭式链
开式链
机构：具有确定相对运动的运动链称为机构 。
§1－3 平面机构运动简图
机构运动简图：用规定的运动副符号和构件线条，按一定
的比例表示各构件和运动副的相对位置，并能完全反映机构 特征的图形。
机构示意图：不按比例绘制的简图。
一、运动副的规定符号
转动副：
2 1
2
2
2
2
1
1
1
移动副：
1 1
2 21 1
2 2
1 2
1 2
高副：
二、构件表示方法：
两副构件
三副构件
三、机构运动简图的绘制：
1. 绘制步骤：
（1）选择合适投影面:一般以它的运动平面为投影面。
（2）选取适当的比例尺，长度比例尺为
l 图 实上 际尺 尺 (m 寸 m寸 m )
（3）从原动件开始，沿着运动传递的线路，采用规定的符号， 依次分别绘出各构件和运动副。
机构中。
滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。
滚子凸轮机构.exe
例7:试计算下述凸轮机构的自由度。
解：n= 2， PL= 2， PH=1
3
3
F=3n － 2PL － PH
2
2
=3×2 －2×2 －1
1
=1
1
3.虚约束：起着相同作用的约束。 计算自由度时，应
去掉虚约束。
如机构中AB＝CD＝EF。 B 2 E
已知各杆件长度，各构件的运
动规律分别用参数θ1、……、θ4、
表示，若仅给定θ1＝θ1（t）,则 θ2 θ3 θ4 均不能唯一确定。
若同时给定θ1和θ4 ，则θ3 θ2 能唯一确定，故该机构需要 给定两个独立运动参数，其它各
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
第2章 机构的结构分析
2.两构件构成多个移动副，且 导路平行。
动画1, 2, 3
3. 两 构 件 构 成 多 个 转 动 副 ， 且同轴。
4. 运 动 时 ， 两 构 件 上 的 两点距离始终不变。
E
F
5.对运动不起作用的对称部 分。如多个行星轮。
6.两构件构成高副，两处接触，且法线重合。 如等宽凸轮
注意：
法线不重合时， 变成实际约束！
参数 。
定义：保证机构具有确定运动时所必须给定的 独立运动参数称为机构的自由度。
原动件——能独立运动的构件。 ∵一个原动件只能提供一个独立参数
∴机构具有确定运动的条件为：
自由度＝原动件数
• 2、机构自由度的意义及具有确定运动的条件
• 机构的自由度数目和机构原动件的数目与机构 的运动有着密切的关系：
机构的自由度。
B 2E
C
1
4
3
A
F
D 虚约束
重新计算：n=3, PL=4, PH=0
F=3n － 2PL － PH =3×3 －2×4 =1
特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：
AB＝CD＝EF
出现虚约束的场合： 1.两构件联接前后，联接点的轨迹重合，
如平行四边形机构，火车轮 椭圆仪等。(需要证明)
机构是组成机器的基础，任何一部机器都是由 若干机构组成的.
机构由许多零件组合而成，零件是机构的制造 单元体。若干个零件的刚性联接体称为构件。
构件是机构中的刚性系统，机构中各构件之间 保持一定相对运动
• 独立运动构件的自由度：平面运动 3
•
空间运动 6
2.运动副 定义：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。
定义：最简单的F＝0的构件组，称为基本杆组。
第1章机构结构分析
图1-11a 铰链五杆机构
2．当构件组的自由度大于0且小于原动件数时，会发生运 动干涉或破坏。
如图2-11b所示的铰链四杆机构，其自由度为1，需提供一 个原动件。如果给定两个原动件，则此机构可能会遭到破坏。
图1-11b 四杆机构
第1章机构结构分析
1.3.1 运动副与构件的表示方法
为了能记录大量的现有机构，并便于改进原机构或构思 新机构方案，需要能够提供一种简单的、便于记录各种机构 特征的记录符号或图形。
从设计的角度来说，机构运动规律主要与原动件的输入 运动规律、联接各构件运动副的类型和机构的运动尺寸有关， 而与运动副的具体形式、构件的外形、断面尺寸、组成构件 的零件数目无关，因此，可以用统一规定的简单符号和线条 代表运动副和构件，并按一定比例表示各运动副的相对位置 和构件尺寸。
第1章机构结构分析
1.3.1 运动副与构件的表示方法
在机构运动简图中，常用运动副的表示方法见表1.1。常用 构件的表示方法见表1.2。其余运动副和构件的表示方法可参见 国家标准GB／T4460-1984。
第1章机构结构分析
1.3.1 运动副与构件的表示方法
第1章机构结构分析
1.3.1 运动副与构件的表示方法
第1章机构结构分析
1.3.1 运动副与构件的表示方法
能准确表达机构运动特性的简单图形称为机构运动简图。 仅仅以构件和运动副的符号表示机构，其图形未按照精确 比例绘制，而在于表达机构的结构特征，这种简图称为机构示 意图。 利用运动简图能对机构进行结构、运动和动力等的分析， 它是从事机构研究或机械设计工作要掌握的基本工具。
1 机构的结构分析
1.1 研究机构结构的目的和方法 1.2 机构的组成 1.3 平面机构运动简图 1.4 平面机构的自由度 1.5 平面机构的组成原理和结构分析
机构的结构分析
1、复合铰链—计算在内 2、局部自由度—排除
3、虚约束—排除
例1
复 复合铰链
2
7
1
3
8
例2
5
4
9
虚约束 局部自由度
5
F＝3n－2PL－PH
局部自由局度 4
6
7
＝37－29－1
3
＝2
虚约束
F＝3n－2PL－PH ＝36－2 8－1
2 1
＝1
例3
3 2
4
5 86
7
F＝3n－2PL－PH ＝3 8－2 11－ 1 ＝1
2
三个杆件在一处构成
转动副，其转动副数 1 目为：PL=3－1=2
3
22
44
33 1
F =3n-2PL-PH
=35-26-0
× 5
=3
5
66
F =3n-2PL-PH =35-27-0
=1 √
例 圆盘锯机构
F＝3n－2PL－PH ＝37－26－0
? ＝9 ×
A,B,C,D处为复合铰链
F＝3n－2PL－PH ＝37－210－0
＝1 √
A
F E B
D C
F＝3n－2PL－PH ＝35－27－0 ＝1
2.局部自由度
所谓局部自由度：是指机构中某些构件所具有的 不影响其他构件运动的自由度
C 3 4
C 3
F＝3n－2PL－PH ＝33－2 3－1=2
×
B
A
2
1
B F＝3n－2PL－PH
A 2 ＝32－2 2－1=1 √
常见构件的简图符号
带两个转动 副的构件
带一个转动副和一 个移动副的构件
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。
机构的机构分析
一、机构结构分析的内容及目的(1) 研究机构的组成及机构具有确定运动的条件。
目的是弄清机构包含哪几个部分，各部分如何相联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？这对于设计新的机构显得尤其重要。
(2) 研究机构运动简图的绘制方法。
如何用简单的图形表示机构的结构和运动状况，目的是为机构的运动分析和动力分析作准备。
一、机构结构分析的内容及目的(3) 研究机构的组成原理并按结构特点对机构进行分类。
把各种机构按结构加以分类，其目的是搞清楚按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求，并按其分类建立运动分析和动力分析的一般方法。
机构有简有繁，构件有多有少，不同的机构都有各自的特点，而运动确定是它们的共同特征。
名词术语:构件−独立运动的最小单元体组成机构的基本要素，本课程研究的基本单元单一零件或多个零件刚性联接而成的一个独立运动单元零件−加工制造的最小单元体运动副运动副元素a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 − 两个构件之间接触式的可动联接 三个条件，缺一不可 − 两构件直接接触的点、线、面 部分 名词术语:运动副作用是限制构件间的相对运动，使相对运动自由度的数目减少，这种限制作用称为约束运动副分类 （2）按相对运动的范围分−平面运动副、空间运动副凡是以面接触的运动副称为低副，而以点或线相接触的运动副称为高副（3）按运动副引入的约束数分 （4）按运动副接触部分的几何形状分如果运动副元素间只能相互作平面平行运动，则称之为平面运动副，否则称为空间运动副将引入一个约束数的运动副称为I 级副，引入两个约束数的运动副称为Ⅱ级副，依此类推点接触高副 线接触高副 球面副 球销副 圆柱副 螺旋副 平面高副 转动副 移动副 等2－1I 级副、II 级副、III 级副、IV 级副、V 级副机构的结构分析 2-1-1 二 机构的组成 （1）按运动副的接触方式分 − 高副、低副运动副是约束运动的，故一个运动副至少引入一个约束，也至少保留一个自由度常见运动副符号的表示:国标GB4460－84 (表2-1)2－2一般构件的表示方法杆、轴构件固定构件同一构件一般构件的表示方法两副构件三副构件一般构件的表示方法注意事项:画构件时，构件上与运动无关的因素（复杂形状等）应略去，只考虑与运动有关的因素。
机构的结构分析
机构是传递运动和力或者导引构件上的点按给定轨迹运动的 机械装置。机构的组成要素为构件和运动副
• • • •
一、构件 二、运动副 三、运动链（区分运动链和机构） 四、机构
一、构件
从制造加工角度： 从制造加工角度：机械由零件组成 零件——制造单元体 制造单元体 零件 从运动和功能实现角度： 从运动和功能实现角度： 构件——独立运动的单元体 独立运动的单元体 构件
图示机构的两 个移动副即属 此种情况。计 算其自由度时， 只按一个移动 ▲两构件在几处接触 而构成移动副且导路 副计算
互相平行或重合。 互相平行或重合。
只有一个运动副起约 束作用,其它各处均为 束作用 其它各处均为 虚约束; 虚约束
3. 若两构件在多处相接触构成平面高副，且各接触点处 若两构件在多处相接触构成平面高副， 的公法线重合,则只能算一个平面高副 则只能算一个平面高副。 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，将提供各2个约束。 重合，将提供各 个约束。 个约束
★ 局部自由度
机构中某些构件所产生的局部运动并不影响其他构件的运 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用f′表示 表示. 动, 把这种局部运动的自由度称为局部自由度。数目用 表示
★ 虚约束
指机构在某些特定几何条件或结构条件下 指机构在某些特定几何条件或结构条件下，有些运动 特定几何条件或结构条件 副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用, 副带入的约束对机构运动实际上起不到独立的约束作用 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束， 这些对机构运动实际上不起约束作用的约束称为虚约束， 表示。 用P′表示。 表示 注意：在计算自由度时，应将机构中构成虚约束的 注意：在计算自由度时， 构件连同其所附带的运动副全都除去不计。 构件连同其所附带的运动副全都除去不计。
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17
蜗轮蜗杆 传动
约束、自由度及运动链等重要概念，能绘
§2－3 机构运动简图制比较简单的机构运动简图，能正确计算 平面机构的自由度并判断是否具有确定的 运动，对平面机构的组成原理有所了解。
§2－4 机构具有确定运动的条件
§2－5 平面机构自由度的计算
§2－6 自由度计算中的特殊问题
§2－7 机构的组成原理及其结构分类
作用： 1.表示机构的结构和运动情况。 2.作为运动分析和动力分析的依据。
机构示意图(kinematic scheme)——不按比例绘制的简图。
现摘录了部分GB4460－84机构示意图如下表。
2021/3/6
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13
以下是一些常用的高副，请同学们记住这些 高副的表示方法。
外啮合圆 柱齿轮传 动 Outer-meshed Cylindrical Gear Drive
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14
内啮合行 星齿轮传 动
Inner-meshed Cylindrical Gear Drive
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15
Rack and pinion
齿轮齿条传动
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ectric Motor
锥齿轮传动
Cone Gear Drive
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移动副 (sliding pair)。
例如：转动副
(revolute pair)
（回转副
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②高副(high pair)——点、线接触，应力大。 例如：滚动副(rolling pair)、凸轮副(cam pair)、齿轮副 (gear pair)等。
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常用运动副的符号
运动副
运动副符号
名称 两运动构件构成的运动副 两构件之一为固定时的运动副
2 转 动 平副 1 面 运 动 副移 动 副
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2
1
2 1
2 1
V级付几何封闭
2
2
1
1
2
1 2
1
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22
22
1
1
1
1
2
2
1 2 1
1 2
1 9
IV级副力封闭
平
面
2
2
高
副
1
1
2
2
V级副几何封闭
上一节课的学习重点是“机械原理课程研究的对象及内容”介绍了机械，机构和机器等名 词，并通过实例说明各种机器的主要组成部分是何种机构，从而明确了机构是本课程研究
第二章 的主要对象。 机构的结构分析
（Structural Analysis of Mechanisms）
§2－1 机构结构分析的内容及目的 §2－2 机构的组成 本章的学习内容包括1搞清构件、运动副、
轴套 连杆体
垫圈 螺母
轴瓦
2021/3/6
整理p连pt 杆盖
3
2.运动副(kinematic pairs) 机械和机构的定义——各部分如何相联？ 定义：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。
a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动
三个条件，缺一不可
运动副元素(pairing element)——直接接触的部分 （点、线、面）
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1
§2－1 机构结构分析的内容及目的
1.研究机构的组成及其具有确定运动的条件目的是 ▲弄清机构包含哪几个部分; ▲各部分如何相联？ ▲以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？
2.绘制机构运动简图 目的是为运动分析和动力分析作准备。
3.研究机构的组成原理和结构分类 目的是搞清楚按何种规律组成的复杂机构能
例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。
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4
运动副的分类：解相释对约自束由—度——两—构而件之在后未，构它成们运之动间付的之相前对，运它动们会共受有到6约个 1)按引入的约束束，数而分自由有度：f=6-s
I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。
两构件构成运动付后所要受到的约束数最少为1，最多为5
I级副
2021/3/6
II级副
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III级副
5
两者关联
IV级副
V级副1
V级副
V级副3
2)按相对运动范围分有：
把构成运动副的两构件之间的相对运动为平 面运动的运动副统称为平面运动副。
平面运动副——平面运动 (Planar kinematic pair)
空间运动副——空间运动 (Spatial kinematic pair)
例如：球铰链(spherical pair)、拉杆天线、螺旋(screw pair)。
平面机构——全部由平面运动副组成的机构。
空间机构——至少含有一个空间运动副的机构。
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6
运动付还常根据构成运动副的两构件的接触情
3)按运动副元素分有：况进行分类
①低副(lower pair)——面接触， 应力低。
螺
旋
1
空副 2
间
1
运
动球 副面
1
副
球 销
2
副 2021/3/6
1
2
2 1
1
1 III级副几何封闭 1
2 2
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ห้องสมุดไป่ตู้
1 2
1 2
2 1
10
3. 运动链 (Kinematic chain) 运动链——两个以上的构件通过 运动副的联接而构成的系统。
如果组成运动链的各构件构成了首末封闭的系统
开式链(Open
满足运动确定性的要求。
不同的机构都有各自的特点，把各种机构按结
构加以分类，其目的是按其分类建立运动分析和动
力分析的一般方法。
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2
§2－2 机构的组成
名词术语解释: 1.构件(Link) ——独立的运动单元
零件(part) ——独立的制造单元
内燃机 连杆
(coupler ) 螺栓
chain)
闭式链(Close
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11
4. 机构 定义：在运动链中，如果将其中某一构件加以 固定而成为机架，那么该运动链便成为机构
机架(frame)——作为参考系的构件，如机床床身、车辆底
只是相对于参考系固定不动
盘、飞机机身。
原(主)动件(driving link)——按给定运动规律运动的构 件。 从动件(driven link)——其余可动构件。
输出从动件(output link)
机构的组成：
机构＝机架＋原动件＋从动件
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§2－3 平面机构运动简图
机构运动简图(The kinematic diagram of a mechanism)
—— 撇开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，并按比例定出各运动副的位置， 用以说明机构中各构件之间的相对运动关系的简图形。