第1章机构认知
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杆等。
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5
1.2 机构、机器与机械
机构的两大特征：
（1）由多个构件组成。 （2）构件间有确定的相对运动。 构件间有确定的相对运动的条件是什么？（后面讲）
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6
1.2 机构、机器与机械
组成机构的构件按其运动性质分 •固定件（机架）：支撑活动构件的构件 。 固定件有且只有一个。 •原动件：已知运动规律的活动构件。原动件有一个 或几个。 •从动件：其余随原动件运动而运动的构件。
图1-13惯性筛机构
分析： （1） 机构在C处有一个复合铰链，旁边连接了三构件，存在2 个转动副，如图1-14所示。如果一个复合铰链旁边连接了K个构 件，存在K-1个转动副。 （点击看图） （2） 机构在H处有一个局部自由度，此处的转动副对 于机构的自由度并无约束与限制作用，与将滚子9焊死 在构件4上对运动的影响是一样的，计算自由度时滚子 就不计入活动构件数内。只不过焊死的时候，滚子9与 凸轮5形成的高副间是滑动摩擦，构件磨损严重一些； 没有焊死的时候，滚子9与凸轮5形成的高副间是滚动摩 擦，可减轻构件的磨损，如图1-15所示。 （点击看图）
29
平面机构的运动简图
下面以颚式破碎机为例，来说明绘制平面 机构的运动简图的方法。
30
平面机构的运动简图
画图步骤：（例如：颚式破碎机） 1. 从原动件入手分析机构运动，判别机构的类 型和数目 2. 分析构件间运动副的类型和数量。 3. 选择视图平面，一般选择绘制机构简图的视 图平面与各个构件运动平面相互平行。 4. 确定比例尺 μ=实际长度/图示长度 将构件与运动副按规定的符号和合适的比例 绘制机构运动简图。
解：在图1-13中1和5都是原动件，取其中任一个 开始，依次用数字表明构件，用大写字母标出运 动副。其中活动构件共有9个，活动构件n=9-1-1 个，低副有A、B、C（2个）、D、E、I、J、K， 即P1=9个，F是虚约束，G是局部自由度，都不应 计入低副。G处有一个高副，Ph=1. 则机构的自由度F为： F=3n-2P1-Ph=3×7-2×9-1=2 所以机构的自由度大于1，而自由度等于原动件。 故平面机构具有确定的相对运动。
从基本组成来看，机器一般都有三个部分组成： ① 原动机部分——是驱动整个机器完成预定功能的动力源，如交直流电 动机，内燃机等。一部分机器可以有一个或多个原动机，原动机的数 目及运动和运动参数对一部机器而言是确定的，如电动机。 ② 执行部分（又称工作部分）——是机器中直接完成工作任务的组成部 分。其运动形式可能是直线运动，回转运动或间歇运动等。如定颚板， 动颚板 ③ 传动部分——介于原动机与执行部分之间，用来完成运动形式，运动 和动力参数转换的组成部分。例如机床减速箱，鳄式破碎机中v传动， 由偏心轴、肋板及机架等组成的连杆机构
15
运动副的分类
低副:两构件 通过面接触 平面运动副
移动副
（点击看图）
转动副
（点击看图）
高副:两构件 通过点或 线接触.例: 凸轮副,齿 轮副（点击看图）
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16
1.低副——两构件间面接触的运动副为低副。
图1-5转动副的画法 图1-4转动副
图1-7移动副的画法
图1-6移动副
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17
1.低副——两构件间面接触的运动副为低副
（点击看图或藏图)
(2)用大写字母标出运动副，有PL=4 个低副（即A、C、D和E处），有 （点击看图或藏图) （ P3 ）为了清楚表达机构，选择平行于齿 个高副（即B处）。 H=1 轮端面的平面为视图平面，选择机构运动 （4）计算机构的自由度： 到图 1-13 所示位置时刻为作图位置，画出 F=3n-2 Pl -Ph=3×3-2×4-1=0 机构的运动示意图，如图 1-14。 （5）结论：由于机构的自由度小于 1，且自由度数不等于 原动件的个数，故机构没有确定的相对运动，说明此机构 设计不合理。
34
【例2】内燃机平面机构运动简图
（3）选择适当投影面， 这里选择齿轮的旋转平 面为正投影面，确定各 运动副之间的相对位置。 （4）选择恰当的比例 尺，按照规定的线条和 符号，绘制出该机构的 运动简图，并注明原动 件及标注构件号。
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35
1.3.5 应用举例
36
1.3.5 应用举例
【例1-1】 分析图1-13是惯 性筛机构，计算其自由度， 并判别机构是否有确定的 相对运动。
机构相对机架（固定构件）所具有的独立运动数目， 称为机构的自由度。
自由度计算公式：
F=3n-2PL-PH N——总构件数 n——自由构件数， n=N-1 PL——低副数 PH——高副数 F>0时机构才能运 动。否则，构件系统 为一个刚性桁架，而 不是机构。
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27
1.3.4 平面机构运动简图
空间球面副
21
齿轮副的画法
图1-10外啮合齿轮副的画法
图1-11内啮合齿轮副的画法
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22
约束
限制构件独立运动称为约束。 移动副约束限制了一个转动 和一个移动自由度，共约束 了两个自由度. 转动副使构件失去两个移动 自由度,只保留了一个转动 自由度. 高副：使构件失去一个移动 自由度,只保留了另两个自 由度.
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23
1.低副——两构件间面接触的运动副为低副。
图1-5转动副的画法 图1-4转动副
图1-7移动副的画法
图1-6移动副
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24
2.高副——两构件为点、线接触的运动副为高副。
图1-8齿轮副
图1-9凸轮副及画法
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25
1.3.3平面机构自由 度的计算
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26
平面机构自由度计算
39
【能力训练】
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40
1．问题提出
画出图1-13简 易冲床机构运 动示意图，然 后计算机构的 自由度，并判 别机构是否有 确定的相对运 动。
图1-13简易冲床
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41
2．解决方案
(1)在图1-13中用数字表明构件，其中 构件1凸轮是原动件，构件4是机架， 共有N=4个构件，活动构件n=N1=3个。
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33
【例2】内燃机平面机构运动简图
活塞4与机架 活塞4与连杆3 连杆3与曲柄2 小齿轮10与大齿轮9（两个） 凸轮8与滚子（两处） 滚子与推杆7 （两处） 推杆7与机架（两处） 曲柄、大、小齿轮、凸轮与机架（六处）
移动副
（2）确定运动副类型和数目
转动副 转动副 高副 高副
转动副
移动副 转动副 返回目录
图1-3 自由构件的自由度
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13
1.3.2 运动副与约束
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14
运动副的分类
构成机构的构件并不是独立存在，而是与 其他构件之间有一定的连接关系。两构件 间之间接触并产生一定相对运动的连接称 为运动副。 两构件只能在同一平面相对运动的运动副 称为平面运动副。 在平面运动副，两构件的接触特性有点、 线、面三种，由此平面运动副可以分为低 副和高副。
图1-13惯性筛机构
虚约束常常在一些对称或平行
机构中存在。如图 1-17中的构件 图1-18行星轮机构 5，图1-18中的构件2ˊ和2〞都引 入了虚约束。在计算自由度的过 程中都要将引入虚约束的构件及 运动副去掉不算。 （点击看图117）
（点击看图1-18）
图1-17机车车轮联动机构
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38
【例1-1】
第一章 机构认知
【能力目标】 【案例导入】 【知识要点】 1.1 零件与构件 1.2 机构、机器与机械 1.3 平面机构具有确定相对运动的条件与平面机构运动简图 1.3.1自由度 1.3.2运动副与约束 1.3.3平面机构自由度的计算 1.3.4平面机构运动简图 1.3.5 应用举例 【能力训练】 本章小结
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7
1.2 机构、机器与机械
机器由多个构件组成，且构件间具有确定的相对 运动外，还能完成有效的机械功或进行能量转换。 机器的三大特征： ①由多个构件组成。 ②构件间有正确的相对运动。 ③能够有效地完成机械功或进行能量转换。 机器的种类繁多，其结构形状和用途各不相同。
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8
1.2 机构、机器与机械
1
【能力目标】
1.
2. 3. 4.
会区分零件与构件，机构、机器与机械 等概念． 掌握机构运动简图的画法。 会分析机构中的构件与运动副。 会判别机构是否有确定的相对运动。
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2wk.baidu.com
【案例导入】
内燃机的机械运动部分由活 塞、连杆、曲轴、大带轮、 小带轮、正时皮带、凸轮、 进气阀、排气阀和机座等几 个部分构成。工作时首先是 点火线圈点火，使得气缸中 的气体膨胀，推动活塞运动， 活塞带动连杆运动，连杆带 动曲轴转动，从而带动正时 皮带机构运动，驱动凸轮轴 转动，凸轮推动气阀推杆上 下移动。
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28
平面机构的运动简图
平面机构的运动简图 在研究机构的运动时，为了简化问题，撇开那些 与运动无关的构件的外形和运动副的具体结构， 仅用一些简单的线条或符号来表达构件和运动副， 并按一定比例表达出运动副之间的相对位置，这 就是平面机构的运动简图。 平面机构的运动简图要表达出与原机构相同的构 件数、相同的运动副和相同的运动特性。
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42
2．解决方案
（6）机构改造： 在原机构中增加一个构件CD, 从而有N=5个构件，活动构件 n=N-1=4个。有PL=5个低副 （即A、C、D、E和F处）， 有PH =1个高副（即B处）。 改造后机构的自由度： F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=1 机构的自由度等于1，且自由 度数等于原动件的个数，故机 构有确定的相对运动，改造后 机构设计合理。
图1-15简易冲床改造后机构的运动示意图
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43
第1章小结
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44
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45
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31
【例1】平面机构的运动简图
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32
【例2】内燃机平面机构运动简图
（1）分清固定件（机架），确定
主动件、从动件及构件数目。
分析机构的传动路线： 活 塞 曲柄～小齿轮 滚子 推杆 大齿轮～凸轮
气缸体1是机架，缸内活塞4是主 动件，曲柄2、连杆3、推杆7（两 个）、凸轮8（两个）和齿轮9 （两个）、10是从动件。
图1-14复合铰链
图1-15局部自由度
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37
【例1-1】 （点击看图）
（3） 机构在E和F处各有一个 转动副，表达的都是构件4与 机架之间形成的转动副。由运 动副的概念可知，两个构件之 间相互接触有且只有一个运动 副。E和F处对机构的约束是重 复的，只能算一个转动副，我 们称这种重复的约束为虚约束。
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图1-1内燃机结构图
3
1.1 零件与构件
零件与构件有何区别呢？ 零件是制造的最基本的单元，是不可拆卸 的单元体。 构件是运动的最基本单元，它可以是一个 或多个零件构成，组成单一构件的零件之 间没有相对运动，而是一个运动的整体。
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4
零件的分类及举例
通用零件：螺栓、轴、齿轮、弹簧等。 专用零件：曲轴、活塞等零件。 部件 : 由多个零件构成，如轴承、连
转动副: 两构件间相对莫一轴线转动。 移动副：两构件间相对莫一直线移动。
18
1.低副——两构件间面接触的运动副为低副。
图1-5转动副的画法 图1-4转动副
图1-7移动副的画法
图1-6移动副
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2.高副——两构件为点、线接触的运动副为高副。
图1-8齿轮副
图1-9凸轮副及画法
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20
9
1.2 机构、机器与机械
机构与机器在组成、运动、受力等方面并无本质 区别，为使问题简化，将机构与机器统称为机械。 內燃机是由汽缸体、活塞、连杆、曲轴、正时皮 带、凸轮、进气阀、排气阀和机座等多个构件构 成，且构件间具有确定的相对运动，所以它是机 构。內燃机能够将热能转化成机械能，所以它又 是机器。由于机构与机器统称为机械，所以內燃 机的机械运动部分也是机械。
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10
机构、机器与机械举例
内燃机是由曲 柄滑块机构、 齿轮机构和凸 轮机构组成， 可以将热能转 换成机械能。
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11
1.3平面机构具有确定 相对运动的条件与平 面机构运动简图
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12
1.3.1自由度
如图1-3所示，在xoy坐标系 中，构件具有沿x、y方向的 移动、，以及绕着平面xoy的 垂直方向的转动，因此在平 面内的自由构件具有3个独立 的运动，称为3个自由度，即 自由度是作平面运动的构件 在指定参考系中所具有的独 立运动的数目。
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1.2 机构、机器与机械
机构的两大特征：
（1）由多个构件组成。 （2）构件间有确定的相对运动。 构件间有确定的相对运动的条件是什么？（后面讲）
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1.2 机构、机器与机械
组成机构的构件按其运动性质分 •固定件（机架）：支撑活动构件的构件 。 固定件有且只有一个。 •原动件：已知运动规律的活动构件。原动件有一个 或几个。 •从动件：其余随原动件运动而运动的构件。
图1-13惯性筛机构
分析： （1） 机构在C处有一个复合铰链，旁边连接了三构件，存在2 个转动副，如图1-14所示。如果一个复合铰链旁边连接了K个构 件，存在K-1个转动副。 （点击看图） （2） 机构在H处有一个局部自由度，此处的转动副对 于机构的自由度并无约束与限制作用，与将滚子9焊死 在构件4上对运动的影响是一样的，计算自由度时滚子 就不计入活动构件数内。只不过焊死的时候，滚子9与 凸轮5形成的高副间是滑动摩擦，构件磨损严重一些； 没有焊死的时候，滚子9与凸轮5形成的高副间是滚动摩 擦，可减轻构件的磨损，如图1-15所示。 （点击看图）
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平面机构的运动简图
下面以颚式破碎机为例，来说明绘制平面 机构的运动简图的方法。
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平面机构的运动简图
画图步骤：（例如：颚式破碎机） 1. 从原动件入手分析机构运动，判别机构的类 型和数目 2. 分析构件间运动副的类型和数量。 3. 选择视图平面，一般选择绘制机构简图的视 图平面与各个构件运动平面相互平行。 4. 确定比例尺 μ=实际长度/图示长度 将构件与运动副按规定的符号和合适的比例 绘制机构运动简图。
解：在图1-13中1和5都是原动件，取其中任一个 开始，依次用数字表明构件，用大写字母标出运 动副。其中活动构件共有9个，活动构件n=9-1-1 个，低副有A、B、C（2个）、D、E、I、J、K， 即P1=9个，F是虚约束，G是局部自由度，都不应 计入低副。G处有一个高副，Ph=1. 则机构的自由度F为： F=3n-2P1-Ph=3×7-2×9-1=2 所以机构的自由度大于1，而自由度等于原动件。 故平面机构具有确定的相对运动。
从基本组成来看，机器一般都有三个部分组成： ① 原动机部分——是驱动整个机器完成预定功能的动力源，如交直流电 动机，内燃机等。一部分机器可以有一个或多个原动机，原动机的数 目及运动和运动参数对一部机器而言是确定的，如电动机。 ② 执行部分（又称工作部分）——是机器中直接完成工作任务的组成部 分。其运动形式可能是直线运动，回转运动或间歇运动等。如定颚板， 动颚板 ③ 传动部分——介于原动机与执行部分之间，用来完成运动形式，运动 和动力参数转换的组成部分。例如机床减速箱，鳄式破碎机中v传动， 由偏心轴、肋板及机架等组成的连杆机构
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运动副的分类
低副:两构件 通过面接触 平面运动副
移动副
（点击看图）
转动副
（点击看图）
高副:两构件 通过点或 线接触.例: 凸轮副,齿 轮副（点击看图）
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1.低副——两构件间面接触的运动副为低副。
图1-5转动副的画法 图1-4转动副
图1-7移动副的画法
图1-6移动副
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1.低副——两构件间面接触的运动副为低副
（点击看图或藏图)
(2)用大写字母标出运动副，有PL=4 个低副（即A、C、D和E处），有 （点击看图或藏图) （ P3 ）为了清楚表达机构，选择平行于齿 个高副（即B处）。 H=1 轮端面的平面为视图平面，选择机构运动 （4）计算机构的自由度： 到图 1-13 所示位置时刻为作图位置，画出 F=3n-2 Pl -Ph=3×3-2×4-1=0 机构的运动示意图，如图 1-14。 （5）结论：由于机构的自由度小于 1，且自由度数不等于 原动件的个数，故机构没有确定的相对运动，说明此机构 设计不合理。
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【例2】内燃机平面机构运动简图
（3）选择适当投影面， 这里选择齿轮的旋转平 面为正投影面，确定各 运动副之间的相对位置。 （4）选择恰当的比例 尺，按照规定的线条和 符号，绘制出该机构的 运动简图，并注明原动 件及标注构件号。
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1.3.5 应用举例
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1.3.5 应用举例
【例1-1】 分析图1-13是惯 性筛机构，计算其自由度， 并判别机构是否有确定的 相对运动。
机构相对机架（固定构件）所具有的独立运动数目， 称为机构的自由度。
自由度计算公式：
F=3n-2PL-PH N——总构件数 n——自由构件数， n=N-1 PL——低副数 PH——高副数 F>0时机构才能运 动。否则，构件系统 为一个刚性桁架，而 不是机构。
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1.3.4 平面机构运动简图
空间球面副
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齿轮副的画法
图1-10外啮合齿轮副的画法
图1-11内啮合齿轮副的画法
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约束
限制构件独立运动称为约束。 移动副约束限制了一个转动 和一个移动自由度，共约束 了两个自由度. 转动副使构件失去两个移动 自由度,只保留了一个转动 自由度. 高副：使构件失去一个移动 自由度,只保留了另两个自 由度.
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1.低副——两构件间面接触的运动副为低副。
图1-5转动副的画法 图1-4转动副
图1-7移动副的画法
图1-6移动副
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2.高副——两构件为点、线接触的运动副为高副。
图1-8齿轮副
图1-9凸轮副及画法
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1.3.3平面机构自由 度的计算
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平面机构自由度计算
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【能力训练】
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1．问题提出
画出图1-13简 易冲床机构运 动示意图，然 后计算机构的 自由度，并判 别机构是否有 确定的相对运 动。
图1-13简易冲床
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2．解决方案
(1)在图1-13中用数字表明构件，其中 构件1凸轮是原动件，构件4是机架， 共有N=4个构件，活动构件n=N1=3个。
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【例2】内燃机平面机构运动简图
活塞4与机架 活塞4与连杆3 连杆3与曲柄2 小齿轮10与大齿轮9（两个） 凸轮8与滚子（两处） 滚子与推杆7 （两处） 推杆7与机架（两处） 曲柄、大、小齿轮、凸轮与机架（六处）
移动副
（2）确定运动副类型和数目
转动副 转动副 高副 高副
转动副
移动副 转动副 返回目录
图1-3 自由构件的自由度
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1.3.2 运动副与约束
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运动副的分类
构成机构的构件并不是独立存在，而是与 其他构件之间有一定的连接关系。两构件 间之间接触并产生一定相对运动的连接称 为运动副。 两构件只能在同一平面相对运动的运动副 称为平面运动副。 在平面运动副，两构件的接触特性有点、 线、面三种，由此平面运动副可以分为低 副和高副。
图1-13惯性筛机构
虚约束常常在一些对称或平行
机构中存在。如图 1-17中的构件 图1-18行星轮机构 5，图1-18中的构件2ˊ和2〞都引 入了虚约束。在计算自由度的过 程中都要将引入虚约束的构件及 运动副去掉不算。 （点击看图117）
（点击看图1-18）
图1-17机车车轮联动机构
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【例1-1】
第一章 机构认知
【能力目标】 【案例导入】 【知识要点】 1.1 零件与构件 1.2 机构、机器与机械 1.3 平面机构具有确定相对运动的条件与平面机构运动简图 1.3.1自由度 1.3.2运动副与约束 1.3.3平面机构自由度的计算 1.3.4平面机构运动简图 1.3.5 应用举例 【能力训练】 本章小结
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1.2 机构、机器与机械
机器由多个构件组成，且构件间具有确定的相对 运动外，还能完成有效的机械功或进行能量转换。 机器的三大特征： ①由多个构件组成。 ②构件间有正确的相对运动。 ③能够有效地完成机械功或进行能量转换。 机器的种类繁多，其结构形状和用途各不相同。
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1.2 机构、机器与机械
1
【能力目标】
1.
2. 3. 4.
会区分零件与构件，机构、机器与机械 等概念． 掌握机构运动简图的画法。 会分析机构中的构件与运动副。 会判别机构是否有确定的相对运动。
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【案例导入】
内燃机的机械运动部分由活 塞、连杆、曲轴、大带轮、 小带轮、正时皮带、凸轮、 进气阀、排气阀和机座等几 个部分构成。工作时首先是 点火线圈点火，使得气缸中 的气体膨胀，推动活塞运动， 活塞带动连杆运动，连杆带 动曲轴转动，从而带动正时 皮带机构运动，驱动凸轮轴 转动，凸轮推动气阀推杆上 下移动。
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平面机构的运动简图
平面机构的运动简图 在研究机构的运动时，为了简化问题，撇开那些 与运动无关的构件的外形和运动副的具体结构， 仅用一些简单的线条或符号来表达构件和运动副， 并按一定比例表达出运动副之间的相对位置，这 就是平面机构的运动简图。 平面机构的运动简图要表达出与原机构相同的构 件数、相同的运动副和相同的运动特性。
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2．解决方案
（6）机构改造： 在原机构中增加一个构件CD, 从而有N=5个构件，活动构件 n=N-1=4个。有PL=5个低副 （即A、C、D、E和F处）， 有PH =1个高副（即B处）。 改造后机构的自由度： F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=1 机构的自由度等于1，且自由 度数等于原动件的个数，故机 构有确定的相对运动，改造后 机构设计合理。
图1-15简易冲床改造后机构的运动示意图
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【例1】平面机构的运动简图
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【例2】内燃机平面机构运动简图
（1）分清固定件（机架），确定
主动件、从动件及构件数目。
分析机构的传动路线： 活 塞 曲柄～小齿轮 滚子 推杆 大齿轮～凸轮
气缸体1是机架，缸内活塞4是主 动件，曲柄2、连杆3、推杆7（两 个）、凸轮8（两个）和齿轮9 （两个）、10是从动件。
图1-14复合铰链
图1-15局部自由度
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【例1-1】 （点击看图）
（3） 机构在E和F处各有一个 转动副，表达的都是构件4与 机架之间形成的转动副。由运 动副的概念可知，两个构件之 间相互接触有且只有一个运动 副。E和F处对机构的约束是重 复的，只能算一个转动副，我 们称这种重复的约束为虚约束。
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图1-1内燃机结构图
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1.1 零件与构件
零件与构件有何区别呢？ 零件是制造的最基本的单元，是不可拆卸 的单元体。 构件是运动的最基本单元，它可以是一个 或多个零件构成，组成单一构件的零件之 间没有相对运动，而是一个运动的整体。
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零件的分类及举例
通用零件：螺栓、轴、齿轮、弹簧等。 专用零件：曲轴、活塞等零件。 部件 : 由多个零件构成，如轴承、连
转动副: 两构件间相对莫一轴线转动。 移动副：两构件间相对莫一直线移动。
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1.低副——两构件间面接触的运动副为低副。
图1-5转动副的画法 图1-4转动副
图1-7移动副的画法
图1-6移动副
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2.高副——两构件为点、线接触的运动副为高副。
图1-8齿轮副
图1-9凸轮副及画法
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1.2 机构、机器与机械
机构与机器在组成、运动、受力等方面并无本质 区别，为使问题简化，将机构与机器统称为机械。 內燃机是由汽缸体、活塞、连杆、曲轴、正时皮 带、凸轮、进气阀、排气阀和机座等多个构件构 成，且构件间具有确定的相对运动，所以它是机 构。內燃机能够将热能转化成机械能，所以它又 是机器。由于机构与机器统称为机械，所以內燃 机的机械运动部分也是机械。
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机构、机器与机械举例
内燃机是由曲 柄滑块机构、 齿轮机构和凸 轮机构组成， 可以将热能转 换成机械能。
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1.3平面机构具有确定 相对运动的条件与平 面机构运动简图
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1.3.1自由度
如图1-3所示，在xoy坐标系 中，构件具有沿x、y方向的 移动、，以及绕着平面xoy的 垂直方向的转动，因此在平 面内的自由构件具有3个独立 的运动，称为3个自由度，即 自由度是作平面运动的构件 在指定参考系中所具有的独 立运动的数目。