常用机械机构

第4章常用机构

4.1 平面连杆机构

4.1.1 平面连杆机构的组成

我们将机构中所有构件都在一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面机构。

1、构件的自由度

如图4－1所示，一个在平面内自由运动的构件，有沿X轴移动，沿y轴移动或绕A点转动三种运动可能性。我们把构件作独立运动的可能性称为构件的“自由度”。所以，一个在平面自由运动的构件有三个自由度。可用如图4－1所示的三个独立的运动参数x、y、θ表示。

2、运动副和约束

平面机构中每个构件都不是自由构件，而是以一定的方式与其他构件组成动联接。这种使两构件直接接触并能产生一定运动的联接，称为运动副。两构件组成运动副后，就限制了两构件间的部分相对运动，运动副对于构件间相对运动的这种限制称为约束。机构就是由若干构件和若干运动副组合而成的，因此运动副也是组成机构的主要要素。

两构件组成的运动副，不外乎是通过点、线、面接触来实现的。根据组成运动副的两构件之间的接触形式，运动副可分为低副和高副。

（1）低副两构件以面接触形成的运动副称为低副。按它们之间的相对运动是

转动还是移动，低副又可分为转动副和移动副。

①转动副组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转动的运动副。通常转动副的具体结构形式是用铰链连接，即由圆柱销和销孔所构成的转动副，如图4－2（a）所示。

②移动副组成运动副的两构件只能作相对直线移动的运动副，如图4－2（b）所示。

由上述可知，平面机构中的低副引入了两个约束，仅保留了构件的一个自由度。因转动副和移动副都是面接触，接触面压强低，称为低副。我们将由若干构件用低副连接组成的机构称为平面连杆机构，也称低副机构。由于低副是面接触，压强低，磨损量小，而且接触面是圆柱面和平面，制造简便，且易获得较高的制造精度。此外，这类机构容易实现转动、移动等基本的运动形式及转换，因而是在一般机械和仪器中应用广泛。平面连杆机构也有其缺点：低副中的间隙不易消除，引起运动误差，且不易精确地实现复杂的运动规律。

（2）高副两构件以点或线接触形成的运动副称为高副，如图4－3所示。这类运动副因为接触部位是点或线接触，接触部位压强高，故称为高副。

3、构件分类

机构中的构件可分为三类。

（1）机架它是机构中视作固定不动的构件，起支撑其他活动构件的作用。

（2）原动件它是机构中接受外部给定运动规律的活动构件。

（3）从动件它是机构中的随原动件运动的活动构件。

4.1.2平面机构的运动简图

为方便对机构进行分析，可以撇开机构匮与运动无关的因素（如构件的形状、组成构件的零件数目、运动副的具体结构等），用简单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，以简图表示出机构各构件间相对运动关系，这种简图为机构运动简图。它是表示机构运动特征的一种工程用图）

1、常用运动副的符号（如图4－4）

2、构件的表示法

不管构件形状如何，都用简单线条表示，带短线的线条表示机架，如图4－5（b）、（c）、（e）所示。

如图4－6（a）所示表示能组成两转动副的构件，图4－6（b）所示表示组成一个转动副和一个移动副的构件；如图4－6（c）、（d）所示表示能组成三个转动副

的构件。

3、绘制机构运动简图的方法

在绘制机构运动简图时，首先必须分析该机构的实际构造和运动情况，分清

机构中的主动件和从动件；然后从主动件开始，顺着运动传递路线，仔细分析各构

件之间的相对运动情况；从而确定组成该机构的构件数、运动副数及性质。并按一

定的比例，用特定的符号，正确绘制出机构运动简图。

下面以如图4－7所示颚式破碎机为例，说明绘制机构运动简图的步骤。

（1）分析机构，确定构件的相对运动

如图4－7（a）所示颚式破碎机中，运动由皮带轮5输入，通过偏心轴2带动

活动颚3及摇杆4运动，构件1为机架，起支撑作用。结构上，皮带轮5和偏心轴

2可以看做一个构件，其作用是将外部输入的旋转运动转变成偏心2绕A点旋转运

动。活动颚板2工作时可绕偏心轴2的几何中心B 点相对转动，摇杆4在C 、D 两点分别与活动颚板3的机架通过铰链连接。

（2）确定所有运动副的类型和数目

从上述运动分析及图中可以看出，偏心轴为主动构件，活动颚板、摇杆为从动件，机架为固定构件。各构件间均用转动副（共4个铰链）连接。

（3）测量各运动副的相对位置尺寸

逐一测量出四个运动副中心A 与B 、B 与C 、C 与D 、D 与A 之间的和长度L AB 、L BC 、L CD 、L DA 。

（4）选定比例尺，用规定符号绘制运动简图

根据测量出的各运动副的位置尺寸，选择恰当的视图方向，选定合适的绘图比例，给出各运动副的位置，并用规定的符号和线条绘出各构件。

（5）标明机架、构件序号、原动件、绘图比例等得到机构运动简图［如图4－7（b ）］。

4.1.3平面机构的自由度

1、平面机构自由度的计算

平面机构自由度就是该机构所具有的独立运动数目。平面机构自由度与组成机构的构件数目、运动副的数目及运动副的性质有关。

在平面机构中，每个平面低副（转动副、移动副）引入两个约束，使构件失去两个自由度，保留一个自由度；而每个平面高副（齿轮副、凸轮副等）引入一个

约束，使构件失去一个自由度，保留两个自由度。

如果一个平面机构中含含有N 个活动构件（机架为参考坐标系，相对固定而不计），未用运动副联接之前，这些活动构件的自由度总数为3N 。当各构件用运动副连接起来之后，由于运动副引入的约束使构件的自由度减少。若机构中P L 个低副和P H 个高副。则所有运动副引入的约束数为2P L ＋P H 。因此，自由度的计算可用活动

构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数。

基机构的自由度用F 表示，则有：

F ＝3N －（2P L ＋P H ）＝3N －2P L －P H （4-1）

例4-1试计算图4-8所示四个平面机构的自由度

解 图4-8（a ）的自由度：图中除机架以外的活动构件数为2，转动副数为3，没有高副，由式（4-1）得：

F ＝3N －2P L －P H ＝3×2-2×3-0＝0

该机构自由度为0，不能运动。

图4-8（b ）自由度：图中除机架以外的活动构件数为3，转动副数为4，没有高副，由式（4-1）得：

F ＝3N －2P L －P H ＝3×3－2×4-0＝1

该机构自由度为1，具有确定的相对运动。

图4-8（c ）自由度：图中除机架以外的活动构件数为3，转动副数为5，没有高副，由式（4-1）得：

F ＝3N －2P L －P H ＝3×3－2×5-0＝-1

该机构自由度为－1，不能运动。