机构简图分析与自由度计算
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第一节平面机构运动简图及自由度计算ppt课件
b）常见类型：凸轮机构中的滚子从动件及类似滑动摩擦改为滚 动摩擦处。
c)处理方法：自由度计算时应将局部自由度除去，可设想把滚 子与从动件固成一体。
d)自由度计算实例
d)实例：计算下列图示机构自由度。
3C 2 B 1
A
实例
a)概念：机构中与其他运动副所起的限制作用重复，对机构运动 不起新的限制作用的约束，称为虚约束。
学习提要
1.了解相关基本概念：机器、机构、构件、零件、机械、 平面机构、运动副、低副、高副、约束、平面机构运动简 图、平面机构示意图、自由度。 2.掌握平面机构运动简图的绘制。 3.掌握平面机构自由度计算。 4.掌握平面机构自由度计算时几种特殊情况的处理。
(1)复合铰链 （2）局部自由度 （3）虚约束
x
F=3n-2PL-PH
A O
式中：F-机构的自由度 n-机构中活动构件数目
PL-机构中低副的数目 PH-机构中高副的数目
y
低副和高副的约束各是多少？
移动副动画
转动副动画
5）例题：计算内燃机的自由度
F 8
A2
1
3
6
B
E
4
7D
C
5
内燃机运动简图
➢2.平面机构具有确定相对运动的
平面机构只有机构自由度大于零，才可能运动。 ♥ 平面机构具有确定相对运动的条件是：
撇开实际机构中与运动无关的因素，用简单的线条和符号表 示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置，表示机构各构 件间相对运动关系的图。
➢2.机构示意图
只是定性地表示机构的组成及运动原理，而不用严格按比例绘 制的简图，通常称为机构示意图。
机构运动简图
F 8
A2
平面机构及自由度计算
2.1.2 构件旳自由度
❖ 自由度是构件可能出现旳独立运动。对于一种作平 面运动旳构件，具有3个自由度。如图2-3所示旳平 面物体可沿x轴和y轴方向移动，以及在xOy平面内 旳转动。为了使组合起来旳构件能产生拟定旳相对 运动，有必要探讨平面机构自由度和平面机构具有 拟定运动旳条件。
图2-3 构件旳自由度
2.3.3 平面机构具有拟定运动旳条件
机构相对机构是由构件和运动副构成旳系统，机构要实 现预期旳运动传递和变换，必须使其运动具有可能性和拟 定性。
如图2-14(a)所示旳机构，自由度F=0；如图2-14(b)所 示旳机构，自由度F=-1，机构不能运动。
如图2-15所示旳五杆机构，自由度F=2，若取构件1为 主动件，当只给定主动件1 旳位置角1时，从动件2、3、 4旳位置既可为实线位置，也可为虚线所处旳位置，所以其 运动是不拟定旳。若取构件1、4为主动件，使构件1、4都 处于给定位置1、4时，才使从动件取得拟定运动。
由度，故平面机构旳自由度F为
F 3n 2PL PH
2.3.2 计算平面机构自由度时应注意旳事项
实际工作中，机构旳构成比较复杂，利用公式 计算 F 3n 2PL PH 自由度时可能出现差错，这是因为机构中经常存在某些特 殊旳构造形式，计算时需要特殊处理。
(1) 复合铰链 (2) 局部自由度 (3) 虚约束
1.1.3 课程任务
❖ 机构由若干个相互联接起来旳构件构成。机构中两构件之间 直接接触并能作拟定相对运动旳可动联接称为运动副。如图 2-1(b)所示旳内燃机旳轴与轴承之间旳联接，活塞与汽缸之 间旳联接，凸轮与推杆之间旳联接，两齿轮旳齿和齿之间旳 联接等。
❖ 两个构件构成运动副后，构件旳某些独立运动受到限制，这 种运动副对构件旳独立运动所加旳限制称为约束。运动副每 引入一种约束，构件就失去一种自由度。
第2章 平面机构运动简图及机构自由度的计算
第2章平面机构运动简图及机构自由度的计算机构由构件组成，各构件之间具有确定的相对运动。
然而，把构件任意拼凑起来不一定能运动；即使能够运动，也不一定具有确定的相对运动。
那么构件应如何组合才能运动？在什么条件下才具有确定的相对运动？这对分析现有机构或创新机构很重要。
所有构件的运动平面都相互平行的机构称为平面机构，否则称为空间机构。
本章仅讨论平面机构的情况，因为在生活和生产中，平面机构应用最多。
2.1 运动副2.1.1运动副分类机构由若干个相互连接起来的构件组成。
机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动连接，称为运动副。
例如轴与轴承之间的连接，活塞与汽缸之间的连接，凸轮与推杆之间的连接，两齿轮的齿和齿之间的连接等。
2.1.2运动副的分类在平面运动副中，两构件之间的直接接触有三种情况：点接触、线接触和面接触。
按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。
1．低副两构件通过面接触．．。
根据两构件间的相对运动形式，低副又分为．．．构成的运动副称为低副移动副和转动副。
当两构件间的相对运动为移动时，称为移动副，如图2.1所示；两构件间的相对运动为转动时，称为转动副或称为铰链副，如图2.2所示。
图2.1 移动副图2.2 转动副2．高副两构件通过点或线接触．．．．．构成的运动副称为高副．．。
如图2.3所示，凸轮1与尖顶推杆2之间为点接触，构成高副；图2.4所示的两齿轮的轮齿啮合处是线接触，也构成高副。
图2.3 凸轮高副图2.4 齿轮高副低副因通过面接触而构成运动副，故其接触处的压强小，承载能力大，耐磨损，寿命长，且因其形状简单，所以容易制造。
低副的两构件之间只能作相对滑动；而高副的两构件之间则可作相对滑动或滚动，或两者并存。
2.2 机构运动简图实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，为了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉，保留与运动有关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例表示各种运动副的相对位置。
第三章机构运动简图及平面机构自由度
3. 机构运动简图中运动副的表示方法
机构运动简图中运动副(转动副、移动副 的表示方法如前面 机构运动简图中运动副 转动副、移动副)的表示方法如前面 转动副 所述。 所述。 需要注意的是：移动副的导路必须与相对移动方向一致。 需要注意的是：移动副的导路必须与相对移动方向一致。表 示机架的构件需画上阴影线（见书中表 示机架的构件需画上阴影线（见书中表3-3 ）。
机械设计基础
2、运动副按其所能产生相对运动形式分为转动副、移动副、 、运动副按其所能产生相对运动形式分为转动副、移动副、 螺旋副和球面副等。 螺旋副和球面副等。 3、如果构成运动副的两构件间相对运动是平面运动， 则称 、如果构成运动副的两构件间相对运动是平面运动， 为平面运动副； 为平面运动副；如果构成运动副的两构件间相对运动是空间 运动，则称为空间运动副。 运动，则称为空间运动副。 （一）低副——两运动副元素通过面接触所构成的运动副。 两运动副元素通过面接触所构成的运动副。 低副 两运动副元素通过面接触所构成的运动副 转动副和移动副都属于低副。 转动副和移动副都属于低副。 都属于低副 转动副——两构件间只能作相对转动的低副 称为 转动副 两构件间只能作相对转动的低副称为 ⑴ 转动副 两构件间只能作相对转动的低副 称为转动副 或铰链。转动副及其简图符号表示如下图所示。如果转动副 铰链。转动副及其简图符号表示如下图所示。 中的一个构件为固定构件，则该转动副又称为固定铰链， 中的一个构件为固定构件，则该转动副又称为固定铰链，否 固定铰链 则称为活动铰链。 则称为活动铰链面机构运动简图
五方面（定义、绘制机构运动简图的目的、运动副的表 五方面（定义、绘制机构运动简图的目的、 示方法、构件的表示方法、绘制机构运动简图的步骤） 示方法、构件的表示方法、绘制机构运动简图的步骤）
机构运动简图中运动副(转动副、移动副 的表示方法如前面 机构运动简图中运动副 转动副、移动副)的表示方法如前面 转动副 所述。 所述。 需要注意的是：移动副的导路必须与相对移动方向一致。 需要注意的是：移动副的导路必须与相对移动方向一致。表 示机架的构件需画上阴影线（见书中表 示机架的构件需画上阴影线（见书中表3-3 ）。
机械设计基础
2、运动副按其所能产生相对运动形式分为转动副、移动副、 、运动副按其所能产生相对运动形式分为转动副、移动副、 螺旋副和球面副等。 螺旋副和球面副等。 3、如果构成运动副的两构件间相对运动是平面运动， 则称 、如果构成运动副的两构件间相对运动是平面运动， 为平面运动副； 为平面运动副；如果构成运动副的两构件间相对运动是空间 运动，则称为空间运动副。 运动，则称为空间运动副。 （一）低副——两运动副元素通过面接触所构成的运动副。 两运动副元素通过面接触所构成的运动副。 低副 两运动副元素通过面接触所构成的运动副 转动副和移动副都属于低副。 转动副和移动副都属于低副。 都属于低副 转动副——两构件间只能作相对转动的低副 称为 转动副 两构件间只能作相对转动的低副称为 ⑴ 转动副 两构件间只能作相对转动的低副 称为转动副 或铰链。转动副及其简图符号表示如下图所示。如果转动副 铰链。转动副及其简图符号表示如下图所示。 中的一个构件为固定构件，则该转动副又称为固定铰链， 中的一个构件为固定构件，则该转动副又称为固定铰链，否 固定铰链 则称为活动铰链。 则称为活动铰链面机构运动简图
五方面（定义、绘制机构运动简图的目的、运动副的表 五方面（定义、绘制机构运动简图的目的、 示方法、构件的表示方法、绘制机构运动简图的步骤） 示方法、构件的表示方法、绘制机构运动简图的步骤）
自由度的计算(经典PPT)
由m个构件组成的复合铰 链，共有(m-1)个转动副。
1
复合铰链数=构件数-1
1
2
3
2
3
一、复合铰链
F 3n 2 pl ph
复合铰链——由个m构件在一处 组成轴线重合的转动副。
24
C
3
实际有(m-1)个转动副。 F=3×5-2×6=3 ？ F=3×5-2×7=1
B2
3 A1
D
4 E 5
6
如图所示F、B、D、C处是复合铰链
内燃机
键 轴
齿轮
机构的组成(2/16)
空间运动: 6个自由度 一个自由构件
平面运动: 3个自由度
2.运动副
机构的组成(3/16)
运动副 是两构件直接接触而构成的可动连接；
运动副元素是两构件参与接触而构成运动副的表面。
约束 两构件上组成运动副时相对运动受到限制，这种对 独立运动的限制称约束
自由度减少数目等于约束数目。引入约束数目与运动副种 类有关。根据引入约束数目分Ⅰ、Ⅱ……Ⅴ级副。
构件与零件的区别： 构件是运动单元体 零件是加工制造单元体
构件——运动单元体。
零件——制造单元体。
构件是由一个或若干个零件组成刚性系统。
固定构件——机架
构件
活动构件 主动件 从动件
主动件（或原动件。）
作用有驱动力（矩）的活动构件称为
输入运动或动力的主动件称为输入件。 输出运动或动力的从动件称为输出件。
此机构能动，须给定一个原动件
4）
n=4 pl=5 ph=1 p’=0 F’=0
F=3n-(2pl+ph-p’)-F’ =3*4-(2*5+1-0)-0=1
复合铰链：A(2)
1
复合铰链数=构件数-1
1
2
3
2
3
一、复合铰链
F 3n 2 pl ph
复合铰链——由个m构件在一处 组成轴线重合的转动副。
24
C
3
实际有(m-1)个转动副。 F=3×5-2×6=3 ？ F=3×5-2×7=1
B2
3 A1
D
4 E 5
6
如图所示F、B、D、C处是复合铰链
内燃机
键 轴
齿轮
机构的组成(2/16)
空间运动: 6个自由度 一个自由构件
平面运动: 3个自由度
2.运动副
机构的组成(3/16)
运动副 是两构件直接接触而构成的可动连接；
运动副元素是两构件参与接触而构成运动副的表面。
约束 两构件上组成运动副时相对运动受到限制，这种对 独立运动的限制称约束
自由度减少数目等于约束数目。引入约束数目与运动副种 类有关。根据引入约束数目分Ⅰ、Ⅱ……Ⅴ级副。
构件与零件的区别： 构件是运动单元体 零件是加工制造单元体
构件——运动单元体。
零件——制造单元体。
构件是由一个或若干个零件组成刚性系统。
固定构件——机架
构件
活动构件 主动件 从动件
主动件（或原动件。）
作用有驱动力（矩）的活动构件称为
输入运动或动力的主动件称为输入件。 输出运动或动力的从动件称为输出件。
此机构能动，须给定一个原动件
4）
n=4 pl=5 ph=1 p’=0 F’=0
F=3n-(2pl+ph-p’)-F’ =3*4-(2*5+1-0)-0=1
复合铰链：A(2)
机构运动简图及平面机构自由度
第二章机构运动简图及平面机构自由度主讲：张祖涛机械设计教研室2314567,8实际工程设计问题一：优化设计汽车发动机使汽车油耗降低？通过机构运动图简化，抛开与运动无关的复杂外形，用简单的线条和标准化的符号，按照一定的比例，绘制机构的运动简图，以便于后续的优化设计！！机构运动简图C AB C DD工业设计问题二：分析简单四足步行机器人的运动？简单四足步行机器人1234平面机构自由度计算第二章机构运动简图与自由度§1 机构运动简图§2 平面机构自由度§1 机构运动简图一、机构的组成机构——若干构件以运动副相联接并具有相对运动的组合体。
构件运动副§1 机构运动简图术语：运动副由两个构件组成的可动联接。
运动副低副高副——点、线接触的运动副其他：空间运动副回转副移动副根据运动副两接触面情况不同，常如下分类：球面副n低副——面接触a ）回转副（铰链）——相对转动§1 机构运动简图b ）移动副——相对移动o高副——点、线接触零件构件静联接机构动联接机器协调组合2314567,8二、机构运动简图1、机构运动简图功用对现有机器进行运动分析和受力分析。
新机器的方案设计、方案比较及主要参数的确定。
§1 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：用简单线条、符号表达用简单的线条和符号等代表构件和运动副，并按照一定比例表示各种运动副的相对位置，保持原机构运动特征不变的图形，用于表达复杂机械中各构件的相互联系、运动特性。
机构运动简图中常用的符号：2、机械运动简图作图方法1)、分析机构的运动情况，辨别构件的类型（固定件、原动件和从动,并在构件上标上编号；2)、分析各构件的相对运动性质，确定运动副的种类和数目；3)、确定回转副转动中心位置和移动副中心线位置，选定适当的比例尺，绘出机构运动简图；4)、检查运动的可能性和确定性请画出图示缝纫机下针机构的机构运动简图§1 机构运动简图§1 机构运动简图例：鳄式破碎机1.构件：机架1，偏心轴2，动鳄3，衬板42.运动副：1—2：转动副；2—3：转动副；3—4：转动副；4—1：转动副。
《机械设计基础》平面机构运动简图及自由度
一、铰链四杆机构
铰链四杆机构：以铰 链连接的四杆机构。 AD为机架，AB、DC为 连架杆，BC为连杆。
1、曲柄摇杆机构
曲柄：能做360°整周转动的连架杆。 摇杆：只能做小于360°摆动连架杆。
1为曲柄， 3为摇杆， 2为连杆， 4为机架。
2、双曲柄机构
两个连架杆均为曲柄（均可作整周转动）。
振动筛机构
例3-3
已知lBC=120mm,lCD=90mm,lAD=70mm,AD为机架。 (1)若该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB. (2)若该机构能成为双曲柄机构，求lAB. (3)若该机构能成为双摇杆机构，求lAB.
则lAB ≤40mm. (2) 有两种情况：lBC最长，或lAB最长；100mm ≤ lAB ≤140mm (3)有三种情况； Ⅰ、AB最短、BC最长 40mm＜ lAB ＜70mm
第二章
平面机构运动简图及 自由度
机构由构件组成． 平面机构:所有构件都在同一平面或相互 平行的平面内运动的机构．
二、运动副及其分类
运动副：两构件直接接触并能保持一定形 式相对连接。 如：活塞与缸体 ，活塞与连杆的连接。 不同的运动副对运动的影响不同。 运动副分类： 按接触形式分： 低副和高副。
1、低副
步骤：按给定K 算出 置几何关系 + 辅助条件 寸参数。 按极限位 确定机构尺
例：3-1 已知曲柄摇杆机构的摇杆CD的长度,摆 角 和行程速比系数K,设计该机构。
k 1 步骤:(1)求 : k 1 (2)任选D点,选比例,按CD长度和摆角， 作出摇杆的两极限位置C1D、C2D 。 （3）连接C1C2，并作C1C2的垂线C1M 。
本例 实质是确定曲柄转动中心A（有无穷多解）
机械设计基础 平面机构的简图及其自由度
和数目 ¾ 选择视图平面和
原动件位置
¾ 绘制机构简图
机械设计基础 东华大学 唐林
24
4
2.2 平面机构运动简图
2.3 平面机构自由度
示例2
机械设计基础 东华大学 唐林
绘图步骤
1 平面机构自由度
¾ 明确机构的组成
¾ 分析机构的运动 ¾ 确定运动副种类
和数目 ¾ 选择视图平面和
原动件位置
¾ 绘制机构简图
B
C
虚约束
3
E
2
4
5
A
D
F
机械设计基础 东华大学 唐林
2.3 平面机构自由度
求解机构自由度时，应去除构成虚约束的 构件和运动副。
机构实际自由度 F = 3 × (4 −1) − 2 × (6 − 2) = 1
B
C
3
E
2
4
5
A
D
F
49
机械设计基础 东华大学 唐林
50
2.3 平面机构自由度
2.3.2 虚约束常出现的场合 1) 两个构件组成多个轴线重合的转动副
机械设计基础 东华大学 唐林
57
机械设计基础 东华大学 唐林
58
10
解计：算活图动示构“件机n构=”2自由度 F 低副 pL = 3 高副 pH = 0
机构自由度 F = 3n − 2 pL − pH = 3×2 − 2×3 − 0 = 0
F = 0 时： 3n = 2 pL+ pH
B 23 A 1C
B
A
C
活动构件自由度总数 运动副引入的约束数
35
机械设计基础 东华大学 唐林
结论
保留两个自由度 一个高副
原动件位置
¾ 绘制机构简图
机械设计基础 东华大学 唐林
24
4
2.2 平面机构运动简图
2.3 平面机构自由度
示例2
机械设计基础 东华大学 唐林
绘图步骤
1 平面机构自由度
¾ 明确机构的组成
¾ 分析机构的运动 ¾ 确定运动副种类
和数目 ¾ 选择视图平面和
原动件位置
¾ 绘制机构简图
B
C
虚约束
3
E
2
4
5
A
D
F
机械设计基础 东华大学 唐林
2.3 平面机构自由度
求解机构自由度时，应去除构成虚约束的 构件和运动副。
机构实际自由度 F = 3 × (4 −1) − 2 × (6 − 2) = 1
B
C
3
E
2
4
5
A
D
F
49
机械设计基础 东华大学 唐林
50
2.3 平面机构自由度
2.3.2 虚约束常出现的场合 1) 两个构件组成多个轴线重合的转动副
机械设计基础 东华大学 唐林
57
机械设计基础 东华大学 唐林
58
10
解计：算活图动示构“件机n构=”2自由度 F 低副 pL = 3 高副 pH = 0
机构自由度 F = 3n − 2 pL − pH = 3×2 − 2×3 − 0 = 0
F = 0 时： 3n = 2 pL+ pH
B 23 A 1C
B
A
C
活动构件自由度总数 运动副引入的约束数
35
机械设计基础 东华大学 唐林
结论
保留两个自由度 一个高副
机构简图及自由度PPT课件
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
•28
出现虚约束的场合： 1.两构件构成多个移动副，且 导路平行。
2. 两 构 件 构 成 多 个 转 动 副 ， 且同轴。
3. 运 动 时 ， 两 构 件 上 的 两点距离始终不变。
•29
•10
注意事项:
画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副 的性质。
•11
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。
顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍，
数数构件是多少， 再看它们怎相联。
步骤
1.运转机械，搞清楚运动的传递情况
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。
•4
常见运动副符号的表示: 国标GB4460－84
•5
运动副 名称
常用运动副的符号 运动副符号
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
2
动
平副 1
要求：记住上述公式，并能熟练应用。
例①计算曲柄滑块机构的自由度
解：活动构件数n= 3 低副数PL= 4 高副数PH= 0
F=3n － 2PL － PH =3×3 － 2×4 =1
1
2
3
S3
•18
例②计算五杆铰链机构的自由度
解：活动构件数n= 4
低副数PL= 5
高副数PH= 0
F=3n － 2PL － PH =3×4 － 2×5 =2
特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：
AB＝CD＝EF
•28
出现虚约束的场合： 1.两构件构成多个移动副，且 导路平行。
2. 两 构 件 构 成 多 个 转 动 副 ， 且同轴。
3. 运 动 时 ， 两 构 件 上 的 两点距离始终不变。
•29
•10
注意事项:
画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副 的性质。
•11
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。
顺口溜：先两头，后中间， 从头至尾走一遍，
数数构件是多少， 再看它们怎相联。
步骤
1.运转机械，搞清楚运动的传递情况
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。
•4
常见运动副符号的表示: 国标GB4460－84
•5
运动副 名称
常用运动副的符号 运动副符号
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
2
动
平副 1
要求：记住上述公式，并能熟练应用。
例①计算曲柄滑块机构的自由度
解：活动构件数n= 3 低副数PL= 4 高副数PH= 0
F=3n － 2PL － PH =3×3 － 2×4 =1
1
2
3
S3
•18
例②计算五杆铰链机构的自由度
解：活动构件数n= 4
低副数PL= 5
高副数PH= 0
F=3n － 2PL － PH =3×4 － 2×5 =2
单元2-2.平面机构的运动简图及自由度计算.
《机构设计及制作》
建设院校： 成都航空职业技术学院 郑州铁路职业技术学院 成都电子机械高等专科学校
单元2-2.平面机构的运动简图及自由度计算
学习目标：
1.能绘制实际机构的运动简图 2.计算机构的自由度并判定其是否具备确定的运动
情境二 自动送料连杆机构设计
技能点：
1.计算复杂机构自由度 2.判断复杂机构是否具有确定相对运动
•如图所示机构中压板与架形成3处移动副， 且三移动副方向一致。
3.虚约束
（3）两个构件组成多个转动副其轴线重合时，只有 一个转动副起约束作用，其余都是虚约束。 例如一根轴上安装多个轴承时。
A B
•如图所示，齿轮轴两端由轴承支承，齿轮轴与机 架在A、B两处组成了轴线重合的转动副。
3.虚约束
（4）机构中对运动不起限制作用的对称部分。
F=3n-2PL-PH=3×5-2×7-0=1
惯性筛机构
三、复合铰链、虚约束、局部自由度运
动副结构
2．局部自由度
•机构中不影响其输出与输入运动关系的个别构件的独立运 动自由度，称为机构的局部自由度。 •在计算机构自由度时，局部自由度除去不计。
例3：如图所示为一滚子凸轮机构简 图，试计算其机构的自由度。 解：该机构中，n=2，PL=2， (C处为局部自由度)， PH=1 ，所以该机构的自由度：
任务2.2.1：绘制平面简单机构的运 动简图并计算自由度
能力要求
1. 能绘制实际机构的运动简图 2. 计算机构的自由度
一、 机构运动简图
工程中，由于机构是多种多样的，构件的结构和几何形状也千差万别。 在研究机构的运动时，通常撇开与运动无关的因素，而用一些简单的线条和 规定的符号表示构件和运动副，并按一定的长度比例尺确定运动副的相对位 置，这种简明表示机构中各构件间相对运动关系的图形称为机构运动简图。
建设院校： 成都航空职业技术学院 郑州铁路职业技术学院 成都电子机械高等专科学校
单元2-2.平面机构的运动简图及自由度计算
学习目标：
1.能绘制实际机构的运动简图 2.计算机构的自由度并判定其是否具备确定的运动
情境二 自动送料连杆机构设计
技能点：
1.计算复杂机构自由度 2.判断复杂机构是否具有确定相对运动
•如图所示机构中压板与架形成3处移动副， 且三移动副方向一致。
3.虚约束
（3）两个构件组成多个转动副其轴线重合时，只有 一个转动副起约束作用，其余都是虚约束。 例如一根轴上安装多个轴承时。
A B
•如图所示，齿轮轴两端由轴承支承，齿轮轴与机 架在A、B两处组成了轴线重合的转动副。
3.虚约束
（4）机构中对运动不起限制作用的对称部分。
F=3n-2PL-PH=3×5-2×7-0=1
惯性筛机构
三、复合铰链、虚约束、局部自由度运
动副结构
2．局部自由度
•机构中不影响其输出与输入运动关系的个别构件的独立运 动自由度，称为机构的局部自由度。 •在计算机构自由度时，局部自由度除去不计。
例3：如图所示为一滚子凸轮机构简 图，试计算其机构的自由度。 解：该机构中，n=2，PL=2， (C处为局部自由度)， PH=1 ，所以该机构的自由度：
任务2.2.1：绘制平面简单机构的运 动简图并计算自由度
能力要求
1. 能绘制实际机构的运动简图 2. 计算机构的自由度
一、 机构运动简图
工程中，由于机构是多种多样的，构件的结构和几何形状也千差万别。 在研究机构的运动时，通常撇开与运动无关的因素，而用一些简单的线条和 规定的符号表示构件和运动副，并按一定的长度比例尺确定运动副的相对位 置，这种简明表示机构中各构件间相对运动关系的图形称为机构运动简图。
机构运动简图和自由度计算
1、复合铰链
两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。 两个低副
计算：K个构件，有K－1转动副。
惯性筛机构
C处为复合铰链
n = 5, Pl = 7, Ph = 0
F = 3n - 2Pl – Ph = 3×5 -2×7 – 0 =1
例：计算图示圆盘锯机构的自由度。
分析：在B、C、D、E四处应各有 2 个转动副。
1、弄清机构组成：构件数目、运动副数目类型、原动件、从 动件和机架分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；
2、确定与机构相关的的尺寸：中心距、构件尺寸、导路和 回转中心，高副轮廓
3、投影平面的选择
4、选择合理的比例尺：l
实际尺寸mm
图上尺寸(mm)
5、用规定的符号和线条绘制成简图，一般从原动件开始画。
二、空间运动副
若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。
螺旋副
球面副
§2.2 平面机构的组成及运动简图
一、构件的分类
固定件（机架）：固定不动的构件 原动件：输入运动规律的构件 从动件：其它的活动构件
二、机构运动简图
用代表构件和运动副的规定符号（表2-1），并根据机构和运动的有关尺寸， 按一定的比例绘制的机构图形。
B
例2：三杆机构（刚性桁架）
n＝ ２，ＰL＝３，ＰH＝０
Ｆ＝３×２－２×３－０＝０
A
（机构不能运动）
铰 链 四 杆 机 构
三 杆 机 C构
例 3：铰链五杆机构
n＝ ４，ＰL＝５，ＰH＝０ Ｆ＝３×４－２×５－０＝２
构件１为原动件，处于AB位置时，构 件234可处于BCDE 或 BC’D’E， 位置不确定。当取构件1或者4为原动 件，机构各构件的运动确定。
两个以上构件在同一轴线处用转动副连接，就形成了复合铰链。 两个低副
计算：K个构件，有K－1转动副。
惯性筛机构
C处为复合铰链
n = 5, Pl = 7, Ph = 0
F = 3n - 2Pl – Ph = 3×5 -2×7 – 0 =1
例：计算图示圆盘锯机构的自由度。
分析：在B、C、D、E四处应各有 2 个转动副。
1、弄清机构组成：构件数目、运动副数目类型、原动件、从 动件和机架分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数目；
2、确定与机构相关的的尺寸：中心距、构件尺寸、导路和 回转中心，高副轮廓
3、投影平面的选择
4、选择合理的比例尺：l
实际尺寸mm
图上尺寸(mm)
5、用规定的符号和线条绘制成简图，一般从原动件开始画。
二、空间运动副
若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空间运动副。
螺旋副
球面副
§2.2 平面机构的组成及运动简图
一、构件的分类
固定件（机架）：固定不动的构件 原动件：输入运动规律的构件 从动件：其它的活动构件
二、机构运动简图
用代表构件和运动副的规定符号（表2-1），并根据机构和运动的有关尺寸， 按一定的比例绘制的机构图形。
B
例2：三杆机构（刚性桁架）
n＝ ２，ＰL＝３，ＰH＝０
Ｆ＝３×２－２×３－０＝０
A
（机构不能运动）
铰 链 四 杆 机 构
三 杆 机 C构
例 3：铰链五杆机构
n＝ ４，ＰL＝５，ＰH＝０ Ｆ＝３×４－２×５－０＝２
构件１为原动件，处于AB位置时，构 件234可处于BCDE 或 BC’D’E， 位置不确定。当取构件1或者4为原动 件，机构各构件的运动确定。
平面机构运动简图及自由度
C 2
3
D
动定机 构
D
C
4
B
1
1A
5 平面图机构3运-动1简1图a及自由度
4 E
如图3-11(b)的四杆机构中，原动件数等于2， 构件自由度F=33-23=1。由于原动件数>F，因此 无法运动。
2 C
冗余驱
动机构
B
3 1
原动 件
图3-9 回转副约束
2．高副
n
如图3-10所示，只
约束了沿接触处公法线
n-n方向移动的自由度，
保留绕接触处的转动和
A
沿接触处公切线t-t方向 移动的两个自由度。
t
2 t 1
n
平面机构运动简图及自由图度3-10 高副约束
结论:
①每个低副引入两个约束，使机构失去两个自由度； ②每个高副引入一个约束，使机构失去一个自由度。
空平面间机构运运动动简链图及自由度
平面机构运动简图及自由度
平面机构运动简图及自由度
机构的组成：机架、主动件、从动件
主动件 机架
◆机构:在运动链中将一构件加以固 定, 而其余构件都具有确定的运动， 则运动链便成为机构。
◆固定件(机架)：固定不动构件。 ◆主动件(原动件): 机构中按给定的运 动规律独立运动的构件。
第3章 平面机构运动简图 及自由度
3.1 运动副 3.2 平面运动机构简图 3.3 平面机构的自由度
平面机构运动简图及自由度
基本概念
机构: 构件（杆） + 可动联接（运动副） 构件： 独立运动的单元体 零件: 制造单元体
！！ 构件可为单 一零件，也可以是 几个零件的刚性联 接
平面机构运动简图及自由度
轴移动，以及在 Oxy
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活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合， 在其汽缸内燃烧，释放出的热能使汽缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动 活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。
常见的有柴油机和汽油机，通过做功将实现内能转化为机械能。
原动件
图1内燃机及其 机构运动简图
图1所示的内燃机是由活塞1、连杆2、曲轴3与气缸体4组成的曲柄滑块机构；同曲轴3固 联的齿轮5，同凸轮轴7固联的齿轮6与气虹体4组成的齿轮机构；凸轮7、进气阀顶杆8与气 缸体4组成的凸轮机构(排气阀在图中未画出)共同组成的。气缸体4作为机架，是固定件；燃 气推动下的活塞1是原动件；其余构件都是从动件。
原动件
图3活塞泵机构及其机构运动简图
从主动件开始，即主动件(飞轮)1按顺时 针方向转动，通过连杆2带动构件3转动，从 动件3绕转动副D摆动，构件4作往复运动。故 配气机构由4个构件，4个转动副A、B、C、D， 一个移动副F和一个高副E组成。
F = 3n–(2Pl+Ph-p′) -F′
根据上面分析有n=4、Pl=5、Ph=1、p′=0、 F′=0.所以F=3×4-（2×5+1-0）-0=1
柴油发动机配气机构是柴油机的重要组成部分；配气机构的功用是按照发 动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸 的进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出；在 压缩与膨胀行程中，保证燃烧室的密封。
原动件
图2柴油发动机配气机构及其机构运动简图
从主动件开始，即主动件(凸轮)1按顺时 针方向转动，从动件(滚子)2绕转动副C转动， 从动件3绕转动副D摆动，构件4作往复运动。 故配气机构由4个构件，3个转动副A、C、D， 一个移动副F和两个高副B和E组成。其中滚子 2引入一个局部自由度，弹簧4引入1个虚约束。
活塞泵靠活塞往复运动，使得泵腔工作容积周期变化，实现吸入和排出液 体。当活塞向上运动时，进水阀开启，水进入泵缸，同时活塞上的水阀关闭， 活塞上部的水随活塞向上提升；当活塞向下运动时，进水阀关闭，活塞上的阀 门开启，同时使泵缸下腔的水压入上腔，并升入出水管，如此反复进水和提升， 使水不断从出水管排出。 活塞泵分为单、双作用式；单、双、多缸式；卧、立、 斜式；机动、手动、脚踏、畜力式。
机构简图分析 与自由度计算
小组成员：刘文杰 本PPT制作：刘文杰
2017.12
一、内燃机
内燃机是一种动力机械。它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的 热能直接转换为动力的热力发动机。
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活 塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的 内燃机是指活塞式内燃机。
其中5和6， 7和8之间构成高副； 1和4，8和4之间构成移动ห้องสมุดไป่ตู้；7和4， 2和1， 2和3， 3 和4之间均为相对转动， 构成回转副。
F=3n-(2Pl+Ph)
根据上面分析有n=5、Pl=6、Ph=2.所以F=3×5-（2×6+2）=1
二、柴油发动机配气机构
柴油发动机配气机构是按照发动机各个汽缸所进行的工作循环和点火次序 的要求，按时开启和关闭各缸的进排气门，将新鲜充量吸入汽缸，并将燃烧后 的废气从汽缸内排出的装置。
F = 3n–(2Pl+Ph-p′) -F′
根据上面分析有n=4、Pl=4、Ph=2、p′=1、 F′=1.所以F=3×4-（2×4+2-1）-2=1
三、活塞泵
活塞泵又叫电动往复泵，从结构分为单缸和多缸，其特点是扬程较高。适 用于输送常温无固体颗粒的乳化液等。用于油田、煤层注水、注油、采油；膛 压机水压机的动力泵，化肥厂输送氨液等。若过流部件为不锈钢时，可输送腐 蚀性液体。另外根据结构材质的不同还可以输送高温焦油、矿泥、高浓度灰浆、 高粘度液体等。
常见的有柴油机和汽油机，通过做功将实现内能转化为机械能。
原动件
图1内燃机及其 机构运动简图
图1所示的内燃机是由活塞1、连杆2、曲轴3与气缸体4组成的曲柄滑块机构；同曲轴3固 联的齿轮5，同凸轮轴7固联的齿轮6与气虹体4组成的齿轮机构；凸轮7、进气阀顶杆8与气 缸体4组成的凸轮机构(排气阀在图中未画出)共同组成的。气缸体4作为机架，是固定件；燃 气推动下的活塞1是原动件；其余构件都是从动件。
原动件
图3活塞泵机构及其机构运动简图
从主动件开始，即主动件(飞轮)1按顺时 针方向转动，通过连杆2带动构件3转动，从 动件3绕转动副D摆动，构件4作往复运动。故 配气机构由4个构件，4个转动副A、B、C、D， 一个移动副F和一个高副E组成。
F = 3n–(2Pl+Ph-p′) -F′
根据上面分析有n=4、Pl=5、Ph=1、p′=0、 F′=0.所以F=3×4-（2×5+1-0）-0=1
柴油发动机配气机构是柴油机的重要组成部分；配气机构的功用是按照发 动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸 的进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出；在 压缩与膨胀行程中，保证燃烧室的密封。
原动件
图2柴油发动机配气机构及其机构运动简图
从主动件开始，即主动件(凸轮)1按顺时 针方向转动，从动件(滚子)2绕转动副C转动， 从动件3绕转动副D摆动，构件4作往复运动。 故配气机构由4个构件，3个转动副A、C、D， 一个移动副F和两个高副B和E组成。其中滚子 2引入一个局部自由度，弹簧4引入1个虚约束。
活塞泵靠活塞往复运动，使得泵腔工作容积周期变化，实现吸入和排出液 体。当活塞向上运动时，进水阀开启，水进入泵缸，同时活塞上的水阀关闭， 活塞上部的水随活塞向上提升；当活塞向下运动时，进水阀关闭，活塞上的阀 门开启，同时使泵缸下腔的水压入上腔，并升入出水管，如此反复进水和提升， 使水不断从出水管排出。 活塞泵分为单、双作用式；单、双、多缸式；卧、立、 斜式；机动、手动、脚踏、畜力式。
机构简图分析 与自由度计算
小组成员：刘文杰 本PPT制作：刘文杰
2017.12
一、内燃机
内燃机是一种动力机械。它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的 热能直接转换为动力的热力发动机。
广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活 塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的 内燃机是指活塞式内燃机。
其中5和6， 7和8之间构成高副； 1和4，8和4之间构成移动ห้องสมุดไป่ตู้；7和4， 2和1， 2和3， 3 和4之间均为相对转动， 构成回转副。
F=3n-(2Pl+Ph)
根据上面分析有n=5、Pl=6、Ph=2.所以F=3×5-（2×6+2）=1
二、柴油发动机配气机构
柴油发动机配气机构是按照发动机各个汽缸所进行的工作循环和点火次序 的要求，按时开启和关闭各缸的进排气门，将新鲜充量吸入汽缸，并将燃烧后 的废气从汽缸内排出的装置。
F = 3n–(2Pl+Ph-p′) -F′
根据上面分析有n=4、Pl=4、Ph=2、p′=1、 F′=1.所以F=3×4-（2×4+2-1）-2=1
三、活塞泵
活塞泵又叫电动往复泵，从结构分为单缸和多缸，其特点是扬程较高。适 用于输送常温无固体颗粒的乳化液等。用于油田、煤层注水、注油、采油；膛 压机水压机的动力泵，化肥厂输送氨液等。若过流部件为不锈钢时，可输送腐 蚀性液体。另外根据结构材质的不同还可以输送高温焦油、矿泥、高浓度灰浆、 高粘度液体等。