机械原理(第二版 邹慧君)第2章机构的组成原理和机构类型综合

2 2
2
1
1
1
机构运动简图应满足的条件： ①构件数目与实际相同;
②运动副的特点、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。 绘制机构运动简图的思路：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，
B 1
2
E 4
C 3 D
A
F
n=4，PL=6，PH=0
F = 3n － 2PL － PH = 3×4 －2×6 B 1 2 E C 作者：潘存云教授 4 3 F D
=0
事实上，该机构是可以运动的，老式的蒸 汽机火车头车轮驱动就采用了该机构。
A
因为 AB ＝CD＝ FE ，故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。增加了构件 4 ，带来3个自由度，同时多了2个转动副，带来了4个约束。但增加的约束 不起作用，应去掉构件4后变为下图，重新计算得 F=1。 特别注意：此例存在虚约束的几何条件是： AB＝CD＝EF
③按运动副元素分有
面接触（应力低）的运动副称为低副，例如转动副（回转副）、移 动副 ；点、线接触的运动副（应力高）称为高副，例如滚动副、凸轮副、 齿轮副等。
2）运动链和机构 运动链——两个以上的构件通过运动副的连接而构成的系统。 分为闭式运动链和开式运动链两种。
作者：潘存云教授
机构——将运动链中某一构件固定，而其余构件相对于它有确定 运动，此种运动链称为机构 。 机架——作为参考系的构件，如机床床身、车辆底盘、飞机机身。 主（原）动件——按给定运动规律相对于机架独立运动的构件。主 动件往往也是驱动力作用的构件，即原动件。
运动副元素——两构件构成运动副的直接接触的部分（点、线、面）
例如凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。
作者：潘存云教授
运动副的分类： ①按引入的约束数分有： I级副、II级副、III级副、IV级副、V级副。 构件受到约束后自由度减少，每加上一个约束，便失去一个自由度，自 由度与约束数之和为6。提供一个约束条件的，称为I级副。其余依此类推。
B n C 2
3
B 2
3
(O2)
O1 1 n
O2
4 1
O1
A
A
a)
b)
若高副两元素之一为一直线(如下图a)，则因其曲率中心在无穷远处，所 以这一端的转动副将转化为移动副，其瞬时代替机构如图b或图c：
O2 1 C
4 2 1 O1
C
O1
A
2
B
A
B
b)
3
3
a)
C 1 A
4
2
B
3
c)
2）平面机构的结构分析
平面机构中的高副均可以用低副来代替。
1 n A O1
2 r1
O2
r2
n A 3
4 1 B 2
B 3
a) 高副机构
b)
曲率圆
r2 C O2 2 B
n
O1 1 4
O2 2
B 3
1
r1 O1 A 3
A
n
a)
任意曲线轮廓高副机构
b)
若高副两元素之一为一点(如下图a)，则因其曲率半径为零，所以曲率中 心与两构件的接触点C重合，其瞬时代替机构如图b：
F＝3n－2PL－PH＝0
得 PL＝3n/2
(低副机构中PH＝0 )
因为 PL 为整数， 所以 n只能取偶数。
n ＝ 2
PL ＝ 3
4
6
n>4 已无实例了!
其中最简单的组合是n=2 ， PL=3。这种基本杆组称为II级组——应用最 广而又最简单的基本杆组。共有以下5 种类型：
数数构件是多少， 再看它们怎相连。
绘制机构运动简图的步骤： ①运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；
②测量各运动副之间的尺寸，选视图平面（通常选与运动平面平行的平
面），绘制示意图； ③按比例绘制运动简图；
④ 检验机构是否满足运动确定的条件。
举例：绘制破碎机的机构运动简图。 分析：该例题中各构件全部由转动副连接而成，其中O、E、F三处是与机架 相连的固定铰链，原动件为AC，作整周旋转。 难点：关键是搞清楚原动构件AC是一个作整周旋转的偏心轮，不容易看出。
作者：潘存云教授
I级副
II级副
III级副
两者关联
IV级副
V级副1
V级副2
V级副3
②按相对运动范围分有 平面运动副——平面运动(plannar kinematic pair) 空间运动副——空间运动(spatial kinematic pair ) 例如球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节。 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。
低副约束数 2 × PL
高副约束数
1 × Ph
计算公式： F=3n－(2PL +Ph )
要求：记住上述公式，并能熟练应用。
例题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
1
2 3
= 3×3 － 2×4
=1
例题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 1 2 3
第二章 机构的组成原理和机构类型综合
2.1 2.2
内容提要及基本概念 本章重点、难点
2.3
典型例题精解
2.1 内容提要及基本概念
2.1.1 内容提要
1. 掌握平面运动副的类型及其提供的约束条件、运动链成为机构的条件、 平面机构运动简图的绘制方法和步骤、平面机构自由度的计算方法。 了解机构的组成原理。
2.
2.1.2 基本概念复习
1. 机构的组成及运动简图 1）构件与运动副 构件(link) ——独立的运动单元；零件(part) ——独立的制造单元 套筒 内燃机 连杆
螺栓
垫圈 螺母
连杆体
轴瓦
作者：潘存云教
连杆盖
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连接。 注意：三个条件缺一不可： a)两个构件，b) 直接接触，c) 有相对运动
构件和运动副的表示方法
双
副 构
件 三 副
转 动 副
两构 件为 活动 构件
1
1
2 2
1
2 1 2 2 1
有一 个构 件固 定
1
1
2
2
移 动 副
两构 件为 活动 构件
2 1
2
2 1
2
1
1
有一 个构 件固 定
2
1
2 1 1
2 1
2
齿轮 的轮 齿与 轮齿 高 接触
1
1
1
副
凸轮 与从 动件 的接 触
2 2 2
3. 机构的高副低代、结构分析和组成原理 1）平面机构中高副用低副代替的方法 高副低代：为了使平面低副机构的运动分析和动力分析方法能适用于所 有平面机构，因而要了解平面高副与平面低副之间的内在联系，研究在平 面机构中用低副代替高副的条件和方法（简称高副低代）。 为保证机构的运动保持不变，进行高副低代必须满足的条件是： a.代替机构和原机构的自由度必须完全相同。 b.瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同。 高副低代的方法：用一个带有两个转动副的构件来代替一个高副，这两 个转动副分别处在高副两元素接触点的曲率中心。
高副数PH = 0 F=3n － 2PL － PH
=3×4 － 2×5 =2
θ
4
1
例题③ 计算图示凸轮机构的自由度。 解：活动构件数n = 2 低副数PL = 2 2 3
高副数PH = 1
1
F=3n － 2PL － PH
=3×2 －2×2－1 =1
2）机构具有确定运动的条件 2 1 作者：潘存云教授 3 θ 1 1 S’3 S3 给定S3＝S3(t)，一个独立参数 θ 1＝θ 1（t）唯一确定，该机 若仅给定θ 1＝θ 1（t）,则θ 2 θ 3 θ 4 均不能唯一确定。若同时给定θ 1 和θ 4 ，则θ 3 θ 2 能唯一确定，该机 构需要两个独立参数 。 θ 2 3
3 8 A 圆盘锯机构
②局部自由度。
定义：构件局部运动所产生的自由度。
局部自由度常出现在加装滚子的场合，计算机构自由度时应去掉。 否则会出错。 例题⑥计算图示两种凸轮机构的自由度。 解：如果不考虑局部自由度，那么有 n=3 , PL = 3, PH = 1
3
2 1
3 2 1
F = 3n － 2PL － PH = 3×3 －2×3 －1 =2
F
O
A
B D
C
E
颚式破碎机
举例：绘制图示偏心泵的运动简图 分析：该例题中共有四个构件，三个转动副，一个移动副。原动件是 一个 偏心轮，其上有两个转动副。另外一个构件是摇块，其外形是圆柱，与机 架构成转动副，与深黄色构件（连杆）构成移动副 。 难点：弄清原动构件为一个偏心轮以及摇块上运动副的特点。
3
4
1
θ
4
构仅需要一个独立参数。
原动件——驱动力作用的，相对于机架能独立运动的构件。 因为一个原动件只能提供一个独立参数 所以机构具有确定运动的条件为 自由度＝原动件数
3）计算平面机构自由度时应注意的事项
① 复合铰链。 两个以上的构件在同一处以转动副相连。 每两个构件之间构成一个转动副，因此， 当有m个构件在同一处以转动副相连时， 有m－1转动副。 例题④ 求图示圆盘锯机构的自由度。
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=3
结论：构件自由度＝3－约束数＝自由构件的自由度数－约束数