第二章 机构的结构分析
《机械原理》课件第二章平面机构的结构分
用规定的符号和线条代表构件和运动 副，按比例绘制出机构运动简图。
选择合适的投影面
一般选择机构的多数构件在同一平面 或相互平行的平面内运动的投影面作 为绘制运动简图的投影面。
自由度概念及计算公式
自由度概念
机构具有确定运动的独立参数数目称为机构的自由度。
自由度计算公式
F = 3n - 2PL - PH，其中F为机构自由度，n为活动构件数，PL为 低副数，PH为高副数。
《机械原理》课件第二章平面机构 的结构分析
目 录
• 平面机构基本概念与分类 • 平面机构运动简图及自由度计算 • 平面连杆机构结构分析与设计 • 凸轮机构结构分析与设计 • 齿轮传动系统结构分析与设计 • 其他常见平面机构介绍
01 平面机构基本概念与分类
平面机构定义及特点
定义
平面机构是指所有构件都在相互平行的平面内运动的机构，也称为平面连杆机 构。
采用多个连杆机构和关节组合而成，可实现 复杂的空间运动和操作任务。具有结构紧凑 、灵活性强等特点。
04 凸轮机构结构分析与设计
凸轮机构类型及特点
移动凸轮
凸轮相对机架作直线移动，适用于需要直 线往复运动的场合，如机床的进给机构等。
盘形凸轮
凸轮为绕固定轴线转动且有变化直 径的盘形构件，具有结构简单、紧 凑的特点，广泛应用于各种自动化
尺度和相对位置。具有直观、简便等优点，但精度较低。
02
解析法
通过建立机构的数学模型，利用数学方法求解机构的未知尺度和运动参
数。具有精度高、适用范围广等优点，但计算较复杂。
03
优化设计法
以机构的某项或多项性能指标为优化目标，通过计算机辅助设计软件进
行尺度综合和优化设计。可得到性能更优的机构方案，但需要较高的计
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。
2-Structure-Analysis(结构分析)
（Mechanisms Structural Analysis）
Main Content for Studying Mechanism Structure
Composing of Mechanism Layout of Mechanism Scheme Conditions to Move Determinately for a Mechanism Structure Classifying and Analysis of Planar Mechanism
Choose a drawing plane. Sometimes, a local view may be drawn to clarify the structure.
First, draw all fixed pair elements!!!!!!!
Draw the drivers first and then draw driven links according to route of transmission(传递路线).
Composing of Mechanism
平面
Revolute pair
Sliding pair or Prismatic pair
only relative rotation
only relative rectilinear(直线的) translation(平移)
Composing of Mechanism
平面 运动副分类：齿轮副和凸轮副
Cam pair(凸轮副)
Gear pair(齿轮副)
• It is necessary to draw the actual cam contour(凸轮 实际廓线) and the end profile (轮廓) of the
机械原理典型例题第二章机构分析
A
B
C
运动链能够成为机构的条件是，运动链相对于机架的自由度大于零，且等于原动件的数目。 平面机构的级别取决于机构能够分解出的基本杆组的级别。
Y
N
1
2
3
2.判断题：
作业评讲
2-8: 图示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮1输入，使轴A来连续回转，而固定在A轴上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构将使冲头4上下运动达到冲压的目的。试绘出机构运动简图，分析是否能实现设计意图，并提出修改方案。
例4：图示机构中，AB∥=EF ∥=CD，试计算机构自由度。
解： C处为复合铰链， m=3； G处为局部自由度；有一个虚约束。 I处有一个高副虚约束。 机构ABCDEF为平行四边形机构，构件EF及引入的约束为虚约束。 机构自由度F n=6, Pl=7, Ph=2 F=3n-2Pl- Ph =3×6-2×7-2 =2
F=3×8-2×10-2 =2
局部自由度
复合铰链
F=3×7-2×9-2 =1
虚约束
2-14(b):图示凸轮—连杆组合机构的自由度。在D处为铰接在一起的两个滑块。
虚约束
局部自由度
F=3×5+2×6-2=1
2-17: 试计算所示惯性筛机构的自由度，判断机构是否具有确定的运动（标箭头的构件为原动件）。
不同的原动件，组成机构的杆组与级别不相同。
例9：图示牛头刨机构设计方案图。设计者的意图是动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3做往复摆动，并带动滑枕4往返移动以达到刨削的目的。试分析此方案有无结构组成原理上的错误，若有，请说明原因并修改。（作业：补充修改方案）
解： 机构的自由度， n = 4, pl = 6, ph = 0 F = 3n - 2 pl - ph = 3×4－2×6－0 =0 F＜机构原动件数 不能运动。 修改： 增加机构自由度的方法是：在机构的适当位置添加一个活动构件和一个低副或者用一个高副代替原来机构中的一个低副。AEBDCFG
第二章 机构的结构分析
第一章绪论1 何谓机器，何谓机构？它们有什么区别与联系？2 参照内燃机的机构分析，试对机械手进行分解，说明它是由哪些机构组成的。
3 举例说明什么是构件、零件？第二章机构的结构分析1 什么是运动副、运动副元素、运动链？运动副是如何分类的？2 何谓“高副”和“低副”？在平面机构中高副和低副一般各带入几个约束？3 机构具有确定运动的条件是什么？4 既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机械中为什么又常常存在虚约束？5 杆组具有什么特点？如何确定机构的级别？选择不同的原动件对机构的级别有无影响？6 图所示机构在组成上是否合理？指出其错误所在，并针对错误处更改局部运动副和构件，使之成为合理的机构。
7 计算图示平面机构的自由度，指出复合铰链、局部自由度和虚约束，在进行高副低代后，分析机构级别。
8 计算图所示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度或虚约束，应予以指出，并进行高副低代，确定该机构的级别。
9试计算图所示凸轮-连杆组合机构的自由度。
10 在图所示机构中，AB EF CD,试计算其自由度。
11试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
12试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
13 试确定图所示机构的自由度；并将其中的高副换成低副，确定机构所含的杆组合机构的级别（当取凸轮为原动件时）。
14计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别15计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别16根据图示机构，画出去掉了虚约束和局部自由度的等效机构运动简图，并计算机构的自由度。
设标有箭头者为原动件，试判断该机构的运动是否确定，为什么？17计算图示机构的自由度。
如有复合铰链、局部自由度、虚约束，请指明所在之处。
ADECHGF IBK12345678918计算图示各机构的自由度。
19计算图示各机构的自由度。
20 计算机构的自由度，并进行机构的结构分析，将其基本杆组拆分出来，指出各个基本杆组的级别以及机构的级别。
机构的结构分析
2
§2-2运动副及其分类
一、基本概念
1.运动副 （1）运动副定义:由两个构件组成的可动联接。 （2）运动副元素：两个构件上能够参加接触而构
成运动副的表面。
编辑ppt
3
（3）运动 副的自由度： 构成运动副 的两构件相 对运动独立 参数的数目。
编辑ppt
4
编辑ppt
5
（4）运动副约束：两个构件组成运动副后对独立 的相对运动的限制。
F=3n-（ 2pL+pH） =3*3-(2*4+0) =1 正确
编辑ppt
36
判断机构中虚约束的方法：
（1）在机构中，如 果用转动副联接的是 两构件运动轨迹相重 合的点，则该联接将 带入一个虚约束。
F=3n-（ 2pL +pH ） =3*3-（2*4+0） =1
编辑ppt
37
（2）在机构中，如 果两构件上某两点 的距离始终保持不 变，用双转动副杆 将此两点联接，则 该联接将带入一个 虚约束。
三、平面机构的结构分析 1.机构结构分析的内容
（1）拆分基本杆组 （2）确定机构级别
编辑ppt
53
2.机构结构分析的步骤
（1）除去虚约束和局部自由度，计算机构的自由度，并确 定原动件；
（2）从远离原动件的构件开始拆组。先试拆n=2的杆组 （Ⅱ级组），如不可能，再依次试拆n=4或n=6的杆组。当 分出一个杆组后，第二次仍须从最简单（n=2）的杆组开始 试拆，直到剩下机架和原动件为止。
44
（3）直线与曲线轮廓组成的高副
编辑ppt
45
（4）两接触轮廓之一为一点
编辑ppt
46
§2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析
第二章 机构的结构分析分析
第二章机构的结构分析§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机构中各构件具有确定的相对运动。
2、按结构特点对机构进行分类不同的机构有各自的特点，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。
3、绘制机构运动简图研究机构特性的工具。
4.研究机构的组成原理研究按何种规律组成的机构能满足运动确定性的要求。
§2-2 机构的组成一、构件与运动副1、构件(Link) －独立的运动单元。
零件(part)－独立的制造单元，如齿轮。
如图2—1，连杆是由多个零件组成，即一个构件可是一个零件，也可是由多个构件组成的。
2、运动副运动副－两个构件直接接触组成的能产生某些相对运动的联接。
三个条件，缺一不可，如图2—2所示。
a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动运动副元素—直接接触的部分（点、线、面）图2—2运动副例如：滚动轴承（图2—3）、齿轮齿廓（图2—4）、活塞与缸套（图2—5）等。
图2—3滑动轴承图2—4齿轮齿廓图2—5活塞与缸套二、运动副的分类：1．按引入的约束数分类：I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副如图2—6所示。
图2—6按引入的约束数对运动副分类2．按相对运动范围分类：平面运动副－平面运动，空间运动副－空间运动。
例如：球铰链（图2—7）、拉杆天线、螺旋（图2—8）、动物关节。
图2—7球铰链图2—8螺旋平面机构－全部由平面运动副组成的机构，如图2—9。
空间机构－至少含有一个空间运动副的机构如图2—10。
3．按运动副元素分类：①高副—点、线接触（应力高），例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等，如图2—11所示。
图2—11高副②低副—面接触，应力低，例如：转动副（回转副）通过柱面接触、移动副通过平面接触，如图2—12所示。
常用构件和运动副的表示符号如下：图2—12低副图2—9平面机构图2—10空间机构图2—12运动副符号图2—13构件表示方法注意：如图画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。
结构力学第二章结构的几何组成分析
链杆法
链杆选取
选择适当的链杆，作为分析的基本单元。
约束条件分析
分析链杆的约束条件，确定结构的几何特性。
几何组成判定
根据链杆的几何特性和约束条件，判断结构 的几何组成。
混合法
1 2
方法选择
根据结构特点，选择刚片法或链杆法进行分析。
综合分析
综合运用刚片法和链杆法，对结构进行几何组成 分析。
3
结果判定
常变体系
在荷载作用下，体系的几何形状会发生变化，且这种变化是持续的。例如，一个由三个链杆连接的刚片，在荷载 作用下会持续发生变形。
03
几何组成分析方法
刚片法
刚片选取
选择适当的刚片，作为分析的基本单 元。
自由度计算
几何不变体系判定
根据约束条件，判断结构是否为几何 不变体系。
计算各刚片的自由度，确定约束条件。
结构力学第二章结构的几何组成分析
目录 Contents
• 几何组成分析基本概念 • 几何组成分析基本规则 • 几何组成分析方法 • 几何组成与结构性能关系 • 复杂结构几何组成分析示例 • 几何组成分析在工程应用中的意义
01
几何组成分析基本概念
几何不变体系与几何可变体系
几何不变体系
在不考虑材料应变的前提下，体 系的形状和位置都不会改变。
几何可变体系
在不考虑材料应变的前提下，体 系的形状或位置可以发生改变。
自由度与约束
自由度
描述体系运动状态的独立参数，即体系可以独立改变的坐标 数目。
约束
对体系运动状态的限制条件，即减少体系自由度的因素。
刚片与链杆
刚片
在力的作用下，形状和大小保持不变 的平面或空间图形。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
I
5
IV
2
II
4
V
1
III
3
移 动 副
V
1
IV
2
螺 旋 副
V
1
第二章 机构的结构分析
2）根据组成运动副的两运动副元素的接触情况分类 运动副元素以点或线接触的运动副称为高副，运动 副元素以面接触的运动副称为低副。
球面高副
柱面高副
第二章 机构的结构分析
球面低副
移动副
转动副
第二章 机构的结构分析
3）根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类 两构件之间的相对运动为转动的运动副称为转动 副（回转副、铰链），相对运动为移动的运动副称为 移动副，相对运动为螺旋运动的运动副称为螺旋副， 相对运动为球面运动的运动副为球面副。
第二章 机构的结构分析
构件与零件的区别： 零件是从制造加工角度提出的最小单元概念， 即零件是制造加工的最小单元，是组成机器最基本的、 不可再拆分的单元。 构件则是从运动和功能实现的角度提出的最小单元概 念，即构件是最小的独立运动单元，从运动角度讲， 构件是一个刚体。
第二章 机构的结构分析
2.运动副
第二章 机构的结构分析
基本内容：
(1)机构结构分析的内容及目的。 (2)机构的组成。 (3)机构运动简图。 (4)机构具有确定运动的条件。 (5)平面机构自由度的计算。 (6)计算平面机构的自由度时应注意的事项。 (7)机构的组成原理及平面机构的结构分类。
第二章 机构的结构分析
教学基本要求：
(1)搞清运动副、运动链、约束和自由度等重 要概念。 (2)掌握平面机构自由度的计算方法及其具有 确定运动的条件。 (3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。 (4)明确机构组成的概念，了解平面机构的组 成原理。
研究机构的组成，绘制机构运动简图
研究机构的组成原理
第二章 机构的结构分析
第二节 机构的组成
机构分为两大类： 平面机构 空间机构
机构是由构件和运 动副两个要素组成的
第二章 机构Biblioteka 结构分析1.构件 构件是指作为一个整体参与机构运动的刚性单元 体。 一个构件，可以是不能拆开的单一零件，也可以 是由若干个不同零件装配起来的刚性体。
第二章 机构的结构分析
一个构件在三维空间自由 运动时，有6个自由度： 沿三个坐标轴的移动绕三 个坐标轴的转动。
两构件间的运动副所起的 作用就是限制构件间的某些相 对运动，这种相对运动的限制 作用称为约束。
。
若运动副的自由度用f表示，约束用s表示，则自由 度和约束的关系为： f 6 s
第二章 机构的结构分析
第二章 机构的结构分析
第三节 机构运动简图
第二章 机构的结构分析
在研究机构的运动时，只需按规定符号表示运动 副、常用机构、及一般构件，并按一定的比例尺表示 机构的运动尺寸和运动副的位置，绘制表示机构各构 件间相对运动关系的简化图形，将机构的运动传递情 况表示出来，这种图形被称为机构运动简图。
第二章 机构的结构分析
第二章 机构的结构分析
重点： (1)运动副及其分类。 (2)平面机构的自由度计算及具有确定运动的 条件 (3)掌握机构运动简图的概念及其绘制方法。 难点： 机构运动简图绘制、机构中的虚约束的判定问 题。
第二章 机构的结构分析
第一节 机构结构分析的内容及目的
机构运动的可能性及其具有确定运动的条件
第二章 机构的结构分析
例1：图示为一颚式破碎机，当曲柄1绕轴心O连续回转 时，动颚板5绕轴心F往复摆动，从而将矿石轧碎，试 绘制此破碎机的机构运动简图。
第二章 机构的结构分析
1
F O A
2 5 6 4
第二章 机构的结构分析
第二章 机构的结构分析
绘制机构运动简图的步骤：
1）确定机构的原动件和执行件，两者之间为传 动部份，确定出组成机构的所有构件，确定出构件间 运动副的类型。 2）恰当地选择投影面，将机构运动简图表示清楚。
3）选择适当的比例尺（μ＝实际尺寸/图示尺 寸），定出各运动副之间的相对位置，用规定的符号 画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简 单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。
闭式运动链 开式运动链
第二章 机构的结构分析
5.机构
如将运动链中的某个构件固 定，使之成为机架，而让另一 个或几个构件按给定的运动规 律相对于固定构件运动，其余 构件都随之具有确定的相对运 动，则这个运动链即成为机构。 机构中按给定运动规律运动的构件称为主动件， 随主动件运动的构件称为从动件。
3.运动副的分类 1）根据运动副所引入的约束数分类
引入一个约束称为Ⅰ级副，引入两个约束称为Ⅱ 级副，依次类推，还有Ⅲ级副、Ⅳ级副，最末为Ⅴ级副。
第二章 机构的结构分析 表2-1 常用运动副及其简图
名 称 球 面 高 副 柱 面 高 副 球 面 低 副 球 销 副 图 形 简图符号 副级 自由度 名 称 圆 柱 套 筒 副 转 动 副 图 形 简图符号 副级 自由度
螺旋副
第二章 机构的结构分析
两构件间相对运动的平面平行，则称为平面运动 副，否则称为空间运动副。 平面运动副，它只有转动副、移动副（统称为低 副）和平面高副三种形式。
第二章 机构的结构分析
平面高副是两构件以点或线的形式相接触而形成 的运动副，这种运动副允许两构件在接触点A绕垂直于 平面的Z轴作相对转动和沿切线t-t方向作相对移动， 而只约束掉沿着轮廓线接触点A公法线方向的移动自由 度。
两构件间的直接接触而又能产生一定相对运动 的活动连接称为运动副。
第二章 机构的结构分析
两构件上参与接触而构成运动副的部分称为运 动副元素。 构件之间的接触不外乎点、线、面三种形式，运 动副元素也不外乎是点、线、面。
第二章 机构的结构分析
对运动副的理解要把握以下三点： （１）运动副是一种联接（接触）； （２）运动副由两个构件组成； （３）组成运动副的两个构件之间有相对运动。 可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。
第二章 机构的结构分析
运动副必须始终保持接触。 若借助于构件的结构形状所产生的几何约束来封闭的 运动副称为几何封闭运动副。 若借助于重力、弹簧力、气液压力等来封闭的运动副 称为力封闭运动副，如凸轮机构。
第二章 机构的结构分析
4.运动链 两个以上构件通过运动副的连接而构成的 可相对运动的系统称为运动链。