机构的组成和结构

第1章 平面机构的结构分析
F= 1 1 个原动件：活塞 实现摇杆的往复摆动
第1章 平面机构的结构分析
1.3.3 计算机构自由度时应注意的问题
问题1：复合铰链
两个以上的构件在同一处以转动副 联接所构成的运动副。
F = 3×5 - 2×7 = 1
解决方案
m 个构件在同一处构成复合铰链，
实际上构成了 ( m-1 ) 个转动副。
运动链成为机构的条件：
运动链中取一个构件相对固定作为机架，运动链 相对于机架的自由度必须大于零，且原动件数目 等于运动链自由度数。 满足此条件的运动链即成为机构，机构自由度的 计算可采用运动链自由度的计算公式。
“机构”的定义：在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另 一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动 链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。
第1章 平面机构的结构分析
运动副的分类方法：
1 按照运动副的相对运动形式分类 平面运动副（平面运动）、空间运动副（空间运动）
例如：球铰链、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。
第1章 平面机构的结构分析
2 按照运动副的接触形式（运动副元素）分类 低副、高副
机构＝机架＋原动件＋从动件
1个
1个或几个
若干
第1章 平面机构的结构分析
运动链
具有确定的相对运动 机构
无相对运动
桁架
相对运动不确定 运动链
第1章 平面机构的结构分析
分析现有机构 新机械的运动方案设计
第1章 平面机构的结构分析
1.2 机构运动简图
用国标规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按 一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图 形。机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。
2 1
1
2
2 1
2 1
1 2
1 2
1 2
1
2
构件的表示方法:
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
常用机构运动简图符号
在 机 架 上 的 电 机
齿 轮 齿 条 传 动
圆
带
锥
传
齿
动
轮
传
动
链 传 动
外啮 合圆 柱齿 轮传 动
圆柱 蜗杆 蜗轮 传动
凸 轮 传 动
内啮
棘
合圆
轮
柱齿
机
轮传
构
动
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。
绘制机构运动简图
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。
机架1和活塞2：圆柱副（4级副） 活塞2和连杆3：转动副（5级副） 连杆3和摇杆4：球面副（3级副） 摇杆4和机架1：转动副（5级副）
P3 = 1 P4 = 1 P5 = 2
第1章 平面机构的结构分析
1 4
3
2
n=3
P3 = 1 P4 = 1 P5 = 2
第1章 平面机构的结构分析
1 4
3
2
F = 6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 - 2P2 – P1 = 6×3－5×2－4×1－3×1
机构是具有确定运动的运动链。
原动件
第1章 平面机构的结构分析
从动件
机架
在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按 给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都 有确定的相对运动，则此运动链成为机构。
第1章 平面机构的结构分析
机架－作为参考系的构件，如机床床身、车辆 底盘、飞机机身。 原（主）动件－按给定运动规律运动的构件。 从动件－其余可动构件。 机构的组成：
解决方案 计算机构自由度时，假想滚子和安装滚子 的构件固接为一个整体，成为一个构件
或在计算结果中去除局部自由度
计算时去掉滚子和铰链：
F=3×2 －2×2 －1
=1
3
2
2
1
1
滚子的作用：滑动摩擦滚动摩擦。
已知：AB＝CD＝EF，计算图示平行四边形
机构的自由度。
解：n= 4，PL=6， PH=0
B 2E
=1
第1章 平面机构的结构分析
公共约束作用下的运动链自由度
平面运动链自由度
第1章 平面机构的结构分析
q=3 平面运动链的自由度
n 为活动构件数目
平面运动链中只有4 级副 和5级副（转动副、移动 副和平面高副）
F = 3n - 2P5 - P4
例：计算平面运动链自由度
第1章 平面机构的结构分析
2 1
第1章 平面机构的结构分析
副元素：两个构件上参与接触构成运动副的部分（点、线、面） 例如：凸轮、齿轮齿廓、活塞与缸套等。
作者：潘存云教授
作者：潘存云教授
第1章 平面机构的结构分析
自由度：构件所具有的独立运动的数目，或确定构件位置所
需的独立变量的数目
自由构件(空间)：F = 6 自由构件(平面)：F = 3 约束：运动副对构件独立运动所加的限制
第1章 平面机构的结构分析
用于现有机械或新机械原理方案的设计、分析与讨论
重点在于机构的运动分析 构件的具体结构、组成方式等在方案设计阶段并不影响 机构的运动特性 运动副类型表明了构件之间的联接关系和传动方式 构件的运动尺寸是运动分析的基础 不严格按比例可绘制机构示意图
第1章 平面机构的结构分析
国标规定的构件和运动副的表示符号 运动简图的绘制方法
第1章 平面机构的结构分析
按接触形式分类： 高副 按引入的约束数目分类：四级副 按相对运动形式分类：平面运动副 按接触部分的几何形状分类： 平面高副
第1章 平源自文库机构的结构分析
低副机构
高副机构
第1章 平面机构的结构分析
1.1.3 运动链 运动链：两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统
闭式运动链（闭链）
内燃机中的连杆
内燃机 连杆 螺栓
垫圈 螺母
套筒 连杆体
轴瓦
连杆盖
作者：潘存云教授
第1章 平面机构的结构分析
1.1.1 构件 1.1.2 运动副
运动副：两个构件之间直接接触所形成的可动联接
两个相邻构件直接接触 两者之间允许一定的相对运动 每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接
a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 三个条件，缺一不可
C
F=3n － 2PL － PH
1
4
3
=3×4 －2×6
=0
IV级副
V级副1
V级副2
第1章 平面机构的结构分析
R
按接触部分的几何形状分类：转动副 按接触形式分类： 低副 按引入的约束数目分类：五级副 按相对运动形式分类：平面运动副
第1章 平面机构的结构分析
P
按接触部分的几何形状分类：移动副 按接触形式分类： 低副 按引入的约束数目分类：五级副 按相对运动形式分类：平面运动副
K
级
机架1
运
动
F=0
副
活动构件 2
F=6
运动链的自由度
F=6-k
F = 6n - 5P5 - 4P4 - 3P3 - 2P2 – P1
n 为活动构件数目，Pk 表示 k 级副的数目
1.3.1 运动链的自由度计算
自动驾驶仪操作装置
第1章 平面机构的结构分析
1 4
3
2
构件数目：N = 4 活动构件数目：n = 3 运动副：
原动件的运动方向
第1章 平面机构的结构分析
第1章 平面机构的结构分析
运动链
具有确定的相对运动 机构
无相对运动
桁架
相对运动不确定 运动链
第1章 平面机构的结构分析
1.3 运动链成为机构的条件
运动链的自由度：确定运动链中各构件相对与其中某一构件 的位置所需要的独立参变量的数目。
第1章 平面机构的结构分析
双副构件 (一个构件和两个外副)
第1章 平面机构的结构分析
偏心轮
第1章 平面机构的结构分析
A B
1
2
2
A1 B
三副构件 (一个构件和三个外副)
第1章 平面机构的结构分析
三副构件 (一个构件和三个外副)
第1章 平面机构的结构分析
第1章 平面机构的结构分析
第1章 平面机构的结构分析
原动机
第1章 平面机构的结构分析
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，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；
2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）， 绘制示意图。
3.按比例绘制运动简图。 简图比例尺： μ l =实际尺寸 m/图上长度mm
4.检验机构是否满足运动确定的条件。
详见教材 P15 页。
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
转 动 平副 面 运 动 副移 动 副
22
1
1
2
1 2 1
2
2
1
1
2
1 2 1
22
22
1
1
1
1
2
2
1 2 1
1 2
1
平
面
2
高
副
1
2
螺 旋
1
空副 2
间
1
运
动球 副面
1
副
球 销
2
副
2 1
①高副(high pair)－点、线接触，应力高。 例如：滚动副、凸轮副、齿轮副等。
②低副(lower pair)－面接触，应力低。 例如：转动副（回转副）、移动副 。
3 按照运动副引入的约束数目分类 n 级副 n = I, II … V
第1章 平面机构的结构分析
I级副
II级副
III级副
第1章 平面机构的结构分析
第1章 平面机构的结构分析
第1章 机构的组成和结构
机构：具有确定运动的实物组合体 1.1 机构的组成 1.2 机构运动简图 1.3 机构具有确定运动的条件 1.4 机构的组成原理和结构分析
第1章 平面机构的结构分析
1.1 机构的组成
零件(Part)：独立的制造单元体 构件（Link）：独立的运动单元 一个构件可以由一个或多个零件组成。
第1章 平面机构的结构分析
1. 分析整个机构的工作原理
2. 沿着传动路线，分析相邻构件之间的相对运动 关系，确定运动副的类型和数目
3. 选择适当的视图平面
4. 绘图
选择机架 提取构件的运动尺寸
确定比例尺 选择机构运动中的一个状态
确定各运动副位置，绘图
编号：A、B、C …表示运动副
1、2、3 …表示构件 O1、O2…表示固定转轴
计算图示两种凸轮机构的自由度。
解：n=3， PL=3，PH=1
3
F=3n － 2PL － PH
2
2
=3×3 －2×3 －1
1
=2
1
对于右边的机构，有： F=3×2 －2×2 －1=1
事实上，两个机构的运动相同，且F=1
第1章 平面机构的结构分析
问题2：局部自由度
某些构件具有的只影响自身局部运动而不影响其它构件运动的自 由度，经常发生在将滑动摩擦变为滚动摩擦的场合。
运动链的各构件构成首末封闭的系统
开式运动链（开链）
运动链的各构件未构成首末封闭系统
第1章 平面机构的结构分析
1.1.4 机构 机 构：在运动链中，如果将某一个构件加以固定，而让另一
个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链 中其余各活动构件都有确定的相对运动，则此运动链称为机构。
压头8
2. 沿着传动路线，分析相 邻构件之间的相对运动关系， 确定运动副的类型和数目。
第1章 平面机构的结构分析
转动副
移动副
平面高副
3. 选择适当的视图平面
第1章 平面机构的结构分析
选择原则
1 清楚表达机构的主体部分； 2 尽可能反映机构的全面运动； 3 可以选择其他视图平面作为补充。
1.2.2 运动简图的绘制
3 4
5
n=4 P4 = 1 P5 = 5 F = 3×4 – 2×5 – 1 = 1
1.3.2 运动链成为机构的条件
第1章 平面机构的结构分析
Fa = 3×2 - 2×3 = 0 Fb运= 3动×链3的- 2自×由5度= -F1= ?
F 0 运动链运不动能链的运运动动，情不况成如为何机? 构
第1章 平面机构的结构分析
1.2.2 运动简图的绘制 小型压力机
第1章 平面机构的结构分析
1. 分析整个机构的工作原理
机构组成 动作原理和运动情况
原动件 偏心轮1
齿轮1`
编号原杆则件：2注意区分位齿置轮重叠6`的不
同构件和杆同件轴3刚性联接槽的凸多轮个零6 件。
前者分别编号，后者采用一个编号，
加`以示区别。 杆件4
滑块7
执行构件
第1章 平面机构的结构分析
1.2.1 构件与运动副的表达方法 现摘录了部分GB4460－84机构示意图如下表。 机架
A B
机架和活动构件通过转动副联接 (内副)
机架和活动构件通过移动副联接
两个活动构件联接
第1章 平面机构的结构分析
双副构件 (一个构件和两个外副)
第1章 平面机构的结构分析
注：点划线表示与其联 接的其他构件
F = 3×4 - 2×5 = 2 1 个原动件
F > 0，但原动件数目小 于自由度数目，运动链 运动不确定，不能成为 机构。
第1章 平面机构的结构分析
F = 3×3 - 2×4 = 1 2 个原动件
F > 0，但原动件数目大 于自由度数目，运动链 被破坏，不能成为机构。
第1章 平面机构的结构分析