任务四平面机构的组成与设计解析
平面机构的结构分析
平面机构的结构分析
平面机构是一种由多个连接体组成的机械结构，可以用来传递力和运动。
平面机构通常由连杆、转动副和滑动副组成，可以用来实现直线运动、旋转运动等。
在平面机构中，连杆是连接各个连接体的基本元素，它们可以是刚性的，也可以是柔性的。
转动副和滑动副则是连接连杆的关节，用来传递运动或者力的。
转动副能够使连杆产生相对转动运动，滑动副则能使连杆产生相对滑动运动。
根据不同的传动方式，平面机构可以分为平行四杆机构、串联四杆机构、曲柄摇杆机构等。
平行四杆机构由四个长度相等、平行的连杆组成，可以实现直线运动。
串联四杆机构则由多个连杆相互连接组成，可以使得最后一个连杆产生复杂的轨迹运动。
曲柄摇杆机构由一个转动副和一个滑动副组成，可以实现旋转运动。
在设计和分析平面机构时，需要考虑到各个连接体之间的角度关系、长度关系以及运动规律。
通过运用静力学、运动学和动力学等原理，可以对平面机构进行有效地分析和设计，来确定各个连接体之间的关系和运动规律，以实现所需的运动或者力传递。
总之，平面机构是一种重要的机械结构，通过对其结构和运动规律的分析，可以有效地实现力和运动的传递，被广泛应用于各种机械设备和工程中。
汽车机械基础教案单元4平面机构
主要教学内容及步骤模块二平面连杆机构Ⅰ新课导入四杆机构是平面连杆机构中最常见的形式，也是多杆机构的基础，广泛应用于各种机械和仪表中。
Ⅱ新课学习模块二平面机构的运动简图和自由度课题1 平面机构简介一、运动副及其分类1、低副2、高副二、机构的组成及分类1、组成：机架、原动件、从动件。
2、分类：按其运动看空间一般分为：平面机构、空间机构按运动副形式分：低副机构、高副机构。
课题2 铰链四杆机构的组成与分类任务描述与实施构件间的运动副均为转动副联接的四杆机构，称为铰链四杆机构。
由机架、连杆、连架杆组成。
一、曲柄摇杆机构在两连架杆中，一个为曲柄，另一个为摇杆的铰链四杆机构，称为曲柄摇杆机构。
主要教学内容及步骤牛头刨床横向进给机构，就是采用了曲柄摇杆机构。
应用实例：搅拌机、雷达天线二、双曲柄具有两个曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。
举例：惯性筛主要教学内容及步骤三、双摇杆机构具有两个摇杆的铰链四杆机构称为双摇杆机构。
举例：港口用起重机。
Ⅲ复习铰链四杆机构的基本形式。
Ⅳ作业P206课外作业教学后记主要教学内容及步骤Ⅰ新课导入四杆机构是平面连杆机构中最常见的形式，也是多杆机构的基础，广泛应用于各种机械和仪表中。
Ⅱ新课学习课题三铰链四杆机构的基本特性任务描述与实施一、铰链四杆机构曲柄存在的条件1．若铰链四杆机构中最短杆与与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和，则：（1）取最短杆为连架杆时，构成曲柄摇杆机构。
（2）取最短杆为机架时，构成双曲柄机构。
（3）取最短杆为连杆时，构成双摇杆机构。
2．若铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和大于其余两杆长度之和，则无曲柄存在，只能构成双摇杆机构。
二、急回特性机构有无急回特性，取决于急回特性系数K，K值愈大，急回特性愈显著，也就是从动件回程愈快；K=1时，机构无急回特性。
急回特性系数K与极位夹角有关， =0°时，K=1，机构无急回特性；＞0°时机构有急回特性，且愈大，急回特性愈显著。
机械设计基础-平面机构分析
平面机构分析
图2-10 闭式运动链及开式运动链
平面机构分析
4.一般机构中的构件的分类 一般机构中的构件可分为三类: (1)固定件(机架):用来支 承活动构件的构件。例如图1-1中的气缸体就是固定件, 用以支承活塞和曲轴等。在研究机构中活动构件的运动 时,常以固定件作为参考坐标系。 (2)原动件:运动规律已知的活动构件,它的运动规律是由 外界给定的。比如内燃机 中的活塞就是原动件。
平面机构分析
这样,该机构共有活动构件数n=5,低副数pL =7(其中滑块 5与机架构成移 动副,其余均为回转副),高副数pH =0。所以, 由式(2-1)得该机构自由度为
平面机构分析
图2-17 钢板剪切机构及其复合铰链
平面机构分析
2.局部自由度 机构中某些构件所具有的自由度仅与其自身的局部运动 有关,并不影响其他构件的运 动。计算自由度时,应除去局部 自由度,即设想把滚子与安装滚子的构件固结在一起视为 一 个构件。
平面机构分析 对于图2-16所示的构件组合,其自由度为
平面机构分析
三、 计算平面机构自由度时应注意的一些问题 1.复合铰链 复合铰链是由两个以上的构件通过回转副并联在一起所
构成的铰链。图2-17(a)为一 钢板剪切机的机构运动简图,B 处是由2、3和4三个构件通过两个轴线相重合的回转副并 联 在一起的复合铰链,其具体结构如图2-17(b)所示。因此,在统 计回转副数目时应根据 运动副的定义按两个回转副计算。 同理,当用 K 个构件组成复合铰链时,其回转副数应为 (K-1) 个。
平面机构分析
图2-1 平面机构
平面机构分析
任务实施 一、 平面机构的组成
平面机构是所有构件都在同一平面或相互平行的平面内 运动的机构。机构中的构件只 有通过一定的方式相互联接 起来,并且满足一定的条件才能传递确定的运动和动力,如图 2-1所示。
平面机构自由度计算及结构分析
平面机构自由度计算及结构分析在机械工程领域，平面机构是由一系列连接件和铰链组成的机械系统，在平面内进行运动。
平面机构的自由度指的是机构能够独立移动的自由度数量。
自由度的计算及结构分析是设计和优化机构的重要环节，下面将详细介绍平面机构自由度的计算及结构分析方法。
1.平面机构自由度计算的基本原理平面机构中常见的连接件包括滑动副、铰链副和齿轮副等。
根据这些连接件的类型和数量，可以确定机构的格式方程。
例如，如果机构中有n个滑动副，则格式方程的数量为2n，因为每个滑动副有两个约束方程（平移约束和转动约束）。
同样地，如果机构中有m个铰链副，则格式方程的数量为m。
确定格式方程后，我们需要计算机构的独立运动方程数量。
独立运动方程描述了机构中各连接件之间的相对运动关系。
对于平面机构，独立运动方程的数量等于机构中的自由度数量。
通过求解格式方程和独立运动方程，我们可以得到平面机构的总约束方程数量。
然后，通过公式自由度=3n-总约束方程数量，可以计算机构的自由度数量。
2.平面机构自由度计算方法（1）基于迎接方式的计算方法这是一种基本的自由度计算方法，其思想是通过分析机构中两个相邻部件之间的约束关系来计算自由度数量。
首先，确定机构的基本框架，并标记出机构的连杆、滑块等部件。
然后，根据机构的连杆相邻部件之间的连接方式和铰链类型，确定相邻部件之间的约束关系。
对于滑块，如果其只能实现平移运动，则约束数量为2；如果可以实现平移和转动，则约束数量为3、类似地，对于连杆，如果只能实现转动运动，则约束数量为1；如果可以实现平移和转动，则约束数量为2在计算约束数量时，需要注意对于普通铰链，其约束数量为2；对于直线铰链，其约束数量为1；对于齿轮铰链，其约束数量为0。
通过统计各部件之间的约束数量，可以得到机构的自由度数量。
（2）利用虚位移法的计算方法虚位移法是一种准确且广泛应用的方法，用于计算机构的自由度数量。
这种方法基于贝努利-克洛福特定理，即机构中任意一点的虚位移应符合约束条件。
《平面机构的》课件
设计原则与步骤
详细描述
平面机构的设计应遵循功能性、稳定性、效率性和经济性等原则。设计步骤通常包括需求分析、概念 设计、详细设计、优化改进和成品评估等环节，以确保设计出的平面机构能够满足使用要求。设计方法
详细描述
平面机构的优化设计方法主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多目标优化等。这些方法通过改进机构的结 构和参数，以提高机构的性能、降低能耗和减少制造成本。
02
平面机构的类型
平面连杆机构
总结词
由一系列刚性杆件通过铰链连接而成的机构，可以实现多种复杂的运动轨迹。
详细描述
连杆机构广泛应用于各种机械系统中，如缝纫机、搅拌机、飞机起落架等，通 过不同形状的连杆组合，可以实现各种复杂的运动轨迹，满足不同的工作需求 。
平面凸轮机构
总结词
由一个凸轮和一个或多个从动件组成 的机构，通过凸轮的轮廓控制从动件 的往复运动。
静力学分析意义
静力学分析是研究机构在静止或平衡 状态下，各构件所受的力和力矩，以 及机构的平衡条件。
为机构设计和优化提供基础数据，有 助于避免机构在工作过程中出现失稳 或损坏。
静力学分析方法
通过受力分析和平衡方程，求解各构 件所受的力和力矩，以及机构的平衡 条件。
平面机构的运动平衡分析
运动平衡分析定义
平面间歇运动机构的实例分析
总结词
通过实际应用案例，深入了解平面间歇运动 机构的特点和设计原理。
详细描述
介绍平面间歇运动机构在各种机械系统中的 应用，如棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮 机构等，分析其工作原理、运动特性和设计
方法。
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其他领域
如机床、夹具、自动化 生产线等。
平面机构创意组合及分析实验
5
平面机构创意组合及分析实验
四、实验方法和步骤
1、掌握实验原理。
2、熟悉实验设备的硬件组成及零件功用。使用方法请参 阅随机使用说明书。 3、自拟机构运动方案或选择实验指导书中提供的机构运 动方案作为机构组合（拼接）实验内容。
6
平面机构创意组合及分析实验
四、实验方法和步骤
4、将所选定的机构运动方案根据机构组成原理按杆组进 行正确拆分，并用机构简图表示出来。 5、找出有关零部件，将杆组按运动的传递顺序依次接到 原动件和机架上，正确拼装杆组机构运动方案。 6、机构安装完成之后，用手拨动机构，检查机构运动是 否正常。
12、完成实验报告。
9
平面机构创意组合及分析实验
五、杆组的概念、正确拆分杆组及拼 装杆组
1、杆组的概念： 由于平面机构具有确定运动的条件是机构原动 件数目与机构的自由度相等，因此机构均由机 架、原动件和自由度为零的从动件系统通过运 动副联结而成。 将从动件系统拆成若干个不可再分的自由度为 零的运动链，称为基本杆组，简称杆组。
2、机构的组成原理 根据如上所述，可将机构的组成原理概括为： 任何平面机构均可以用零自由度的杆组依次连 接到原动件和机架上去的方法来组成。这是本 实验的基本原理。
16
平面机构创意组合及分析实验
3、正确拆分杆组 正确拆分杆组的三个步骤：
1) 先去掉机构中的局部自由度和虚约束，有时还要将高 副加以低代。 2）计算机构的自由度，确定原动件。 3）从远离原动件的一端（即执行构件）先试拆分Ⅱ级杆 组，若拆分不出Ⅱ级杆组时，再试拆Ⅲ级组，即由最低 级别杆组向高一级杆组依次拆分，最后剩下原动件和机 架。
当n=1，PL =1，PH =1时，即可获得单构件高副 杆组，常见的有如下几种：
精密机械基础-第5章平面机构的结构分析
高副低代的替代条件
替代前后机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度保持不变.
高n 副 两 元 素 均 为 圆 弧
构件1和2为绕A和B回转的两圆盘, 其
圆心分别为K1, K2,半径为r1, r2, 在C点
4
构成高副. 当机构运动时, 两构件将通
过圆弧的接触来传递运动, 故K1, K2两
n 点连线为两圆弧在接触点处的公法线,
3）机构中对运动不起作用的对称部分出现虚约束。
行星轮系
在实际机构中，经常会有虚约束的存在。从机构的运动 观点来看，虚约束是多余的；但从改善某些构件的受力情况, 增加机构的刚度而言，有时则是必要的。
例题：计算图示机构自由度。
6
1
2 5
4
3
分析：该机构具有5个 活动构件，有7个转动 副，即低副，没有高副。 于是机构自由度为
动的联接。
转动副
齿轮副
构件之间的接触不外乎点、线、面三种。
移动副
构成运动副的点、线、面称为运动副要素。
运动副分类 根据构件间相对运动是平面的还是空间的，可
分为平面运动副和空间运动副。本课程研究平面副。
构件作任意平面运动时，其运动可分解为三个独立运动: 沿x轴的移动、沿y轴的移动和绕垂直于xOy平面的轴转动. 这 三个独立运动可用三个独立参变量(任一点A的坐标x和y，以
引入构件2 （x2，y2，2）
2
引入构件1 （x1，y1，1）
1 1
与机架4铰接形成转动副引入两个约 束，构件1相对于机架4的独立运动
数只剩一个1 。则F=3-2。
3 4
最后构件3与机 架4铰接形成转 动副再引入两个
约束，此时机构 的F=(3-2)+(32)+(3-2)-2＝1。
平面机构结构分析
甘肃工业大学专用
三、 机构具有确定运动的条件
1 θ1 2
3
S’3 S3
2 1 θ1
3 4 θ4
给定S3＝S3(t)，一个独立参数 θ1＝θ1（t）唯一确定，该机 构仅需要一个独立参数。
若 仅 给 定 θ1 ＝ θ1 （ t ） , 则 θ2 θ3 θ4 均不能唯一确定。若同 时给定θ1和θ4 ，则θ3 θ2 能 唯一确定，该机构需要两个独立
§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具有确定的相对运动？ 这对于设计新的机构显得尤其重要。
2.按结构特点对机构进行分类 不同的机构都有各自的特点，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。
甘肃工业大学专用
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。
I级副
甘肃工业大学专用
II级副
III级副
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。
=2
甘肃工业大学专用
③计算图示凸轮机构的自由度。
解：活动构件数n= 2
3
2
低副数PL= 2
高副数PH= 1
1
F=3n － 2PL － PH =3×2 －2×2－1
01-05 平面机构的组成原理和结构分析
由图可见，当机构运动时，距离 AO1 、O1O2 均保持不变，因 而此机构可用铰链四杆机构来替代，如1-26b所示。其时，高副C
在这用构件4和位于的两个低副代替了。
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
图1-26 高副机构
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
上述方法可推广到各种平面高副。例如图2-27a中的具有任 意曲线轮廓的高副机构，可通过接触点C作公法线n－n，在公法 线上找出两轮廓曲线在接触处的曲率中心 O1 和 O2 ，并作为 替代构件的两个转动副，再联接 AO1 和 BO 2 便可得到高副低代
级杆组；依次类推。一般机构中，Ⅱ、Ⅲ级杆最为普遍，其结
构型式如图1-20和1-21所示。
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
b
c
d
e a
f
g
h 图1-21 Ⅱ级杆组
i
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
a
b
c
d 图1-21 Ⅲ级杆组
e
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
2．机构的组成原理 把若干个基本杆组依次联接到原动件和机架上，就可组成 一个新的机构，其自由度数与原动件数目相等。这就是机构的 组成原理。
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1-28b所示。
图1-28 尖底从动件盘型凸轮
1.5 平面机构的组成原理和结构分析
（2）若高副两元素之一为一直线，如图1-29a所示，则因 直线的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1-29b或1-29c所示。
如图1-22中，将图b所示的Ⅱ级组2－3并接在图a所示原动
件1和机架4上便得到图c所示的四杆机构；再将图d所示Ⅲ级组5 －6－7－8并接在Ⅱ级组和机架上，即得图e所示八杆机构。
平面机构结构的分析
复合运动机构
此类机构的特点是同时具 有往复运动和回转运动， 常用于实现复杂运动轨迹。Leabharlann 按功能分类传动机构
平衡机构
主要功能是传递运动和力，如齿轮、 链条、带传动等。
主要功能是平衡力和扭矩，如飞轮、 平衡锤等。
导向机构
主要功能是引导运动方向，如导轨、 滑块等。
实例一：平面连杆机构的分析与设计
总结词
平面连杆机构是平面机构中最常见的类型之一，其通过不同形状的连杆组合实现特定的 运动轨迹。
详细描述
平面连杆机构的分析与设计主要涉及确定机构的运动学和动力学特性，如运动轨迹、速 度、加速度等。设计时需考虑连杆的形状、尺寸、连接方式等因素，以满足特定的运动
要求。
实例二：平面齿轮机构的分析与设计
广泛应用于机械、航空、汽车、 电子等工程领域，对提高机械系 统的性能和效率具有重要意义。
研究目的和意义
研究目的
通过对平面机构结构的深入分析，揭 示其内在的运动学和动力学规律，为 优化设计提供理论支持。
研究意义
有助于提高机械系统的性能和效率， 促进相关工程领域的技术进步和创新 发展。
02 平面机构的基本概念
平面机构结构的分析
contents
目录
• 引言 • 平面机构的基本概念 • 平面机构的分类 • 平面机构的结构分析 • 平面机构的设计与优化 • 平面机构的实例分析 • 结论与展望
01 引言
主题简介
平面机构结构
主要研究平面机构的基本组成、 运动学和动力学特性，以及机构 优化设计等方面的内容。
平面机构的应用
优化算法与实例分析
• 模拟退火算法：借鉴物理中的退火过程，通过随机搜索来寻 找最优解。
平面机构及运动简图
高性能材料的发展将为平面机 构的设计提供更大的灵活性， 如轻质高强材料可以减轻机构 重量，提高运动效率；耐磨耐 腐蚀材料可以增强机构的耐久 性和可靠性。
随着人工智能和自动化技术的 不断发展，未来平面机构的设 计、分析和优化将更加智能化 和自动化，提高设计效率和质 量。
平面机构的研究将越来越多地 与其他学科进行交叉融合，如 控制理论、计算机科学、生物 医学等，以拓展应用领域和推 动技术创新。
由至少一个导杆（即具有滑动副的杆 件）与其他杆件组成的连杆机构。具 有传动效率高、运动平稳等特点。
滑块四杆机构
由四个杆件和一个滑块组成，滑块可 以在某一杆件上滑动。具有结构紧凑、 设计灵活等特点。
连杆机构设计原则和方法
设计原则
满足运动学要求，实现预期的运动轨迹和速度；满足动力学要求，保证机构的 传力性能和效率；满足结构紧凑、制造简便等要求。
02 平面机构组成及运动副
组成要素
01
02
03
构件
平面机构中的运动单元体， 具有独立的运动特性。
运动副
连接两个构件并保持其相 对运动的装置，分为低副 和高副。
自由度
描述机构运动独立参数的 数目，决定机构运动的可 能性。
运动副类型与特点
转动副
允许两构件绕公共轴线作 相对转动的运动副，如铰 链。
移动副
07 总结与展望
平面机构研究现状总结
1 2 3
平面机构类型多样性
目前已知的平面机构类型非常丰富，包括连杆机 构、凸轮机构、齿轮机构等，每种机构都有其独 特的工作原理和应用场景。
运动简图分析方法
运动简图是平面机构分析和设计的重要工具，通 过绘制和分析运动简图，可以清晰地表达机构的 运动特性和力学特性。
平面机构的结构分析
按两构件间的相对运动形式，运动副分 为： 1）平面运动副：组成运动副两构件间 作相对平面运动，如转动副、移动副、 凸轮副、齿轮副。 2）空间运动副：组成运动副两构件间 作相对空间运动。如螺旋副，球面副 （见下页）。
按两构件间接触部分的几何形状，运动副 分为：
圆柱副、平面与平面副、球面副和螺旋副
O1
O1
(b)
(c)
也可将滑块中心移到O1
两接触轮廓 为一点
C
6 5
7 4
1
(c)
8
3
9
1
7
5 3 2’ 2
4
6
二、平面机构组成原理
０ 机 架
自 由 度
原 动 件
从 动 件
０
从动件系统的自由度必为零。
杆组：从动件还可分解为若干不可再分的、自由 度为零的运动链。 杆组需满足的条件： F=3n－2PL＝0 PL＝3n/2
所谓机构的自由度，实质上就是机构具 有确定位置时所必须给定的独立运动参数的 数目。机构的自由度数也就是机构应当具有 的原动件数目。 构件具有几个自由度，就需要几个控制 参数方可控制其运动。对机构来讲，可控的 参数正是机构的原动件数。
讨论：
n=2, PL=3, PH=0 F=3n－2PL－PH
n=3, PL=5, PH=0
1) 复合铰链(Compound Hinge) 由三个或三个以上构件组成的轴线重合 的转动副称为复合铰链。 由m个构件组成的复合铰链应含有(m-1)个转动副。 1 3
C2
C1
2
C
例2 计算原盘锯主体机构的自由度 ④
4 2 3
解
机构中活动构件有 n＝ 7 低副有 PL＝ 10
②
平面机构的组成原理、结构分类和结构分析分析解析
任何机构=原动件、机架（F个）+ 若干个基本杆组（F=0）
二、结构分类 机构的结构分类是根据杆组的不同组成形态进行的。 1、组成杆组的条件： F=3n -（2PL+PH）= 0 如在基本杆组中的运动副全部为低副（如有高副，可 用高副低代的方法），则： 3n -2PL =0 或 ∵ n、PL都须整数 ∴ n应是2的倍数，而PL应是3的倍数。即： n =2 /3 PL
III级杆组F=3*4-2*6=0 F E B C G D A D G 基本机构
B C A
E
F
Ⅲ级杆组有3种结构形式，如图2-33 所示 。
至于较Ⅲ级杆组更高级的基本杆组，因在实际机构中 很少遇到，此处就不再列举了。
3、机构的结构分类
机构的级别是根据所含杆组的最高级别来分类的。
1）Ⅱ级机构：由最高级别为Ⅱ级杆组的基本杆组构成的 机构； 2）Ⅲ级机构：由最高级别为Ⅲ级杆组的基本杆组构成的 机构；
§2—4 平面机构的组成原理、结构分类和结构分析
一、平面机构的组成原理
=
机构（F=1）
+
构件组（F=0）
机架、原动件
因为机构具有确定运动的条件：原动件数=F，所以如 将机构的机架和原动件（称为基本机构）与其余构件拆分 开，则由其余构件构成的构件组的F=0。 而这个F=0的构件组，有时还可以再拆分成更简单的 F=0的构件组。
3）Ⅰ级机构：只由机架和原动件而构成的机构，如杠杆、 斜面机构。 注意：根据机构的组成原理，在进行新机械方案设计时， 就可以按设计要求把杆组加到原有机构上，进行创 新设计。但设计中必须遵循一个原则：在满足相同 工作要求的前提下，机构的结构越简单、杆组的级 别越低、构件数和运动副的数目越少越好。
第8章第5讲平面四杆机构的设计——解析法
第8章第5讲平面四杆机构的设计——解析法平面四杆机构是机械工程中常用的一种机构，它由4个连接杆组成，通过连接杆与铰链的连接方式，能够实现不同形式的运动。
平面四杆机构的设计可以采用解析法，该方法通过解析机构的运动学性质和机构参数，来确定机构的设计参数和结构尺寸。
在平面四杆机构的解析法设计中，首先需要确定机构的运动类型。
根据机构的运动要求和工作环境，可以选择不同的运动类型，如平行移动、旋转、复杂曲线轨迹等。
运动类型的选择将对机构的结构设计和参数确定产生重要影响。
接下来，需要确定机构的工作原理和结构特点。
根据机构的运动类型，可以选择不同的结构形式，如平行四杆机构、向心四杆机构、菱形四杆机构等。
不同的结构形式具有不同的运动学特性和工作原理，需要根据实际需求进行选择。
确定机构的杆件长度和角度。
在机构设计中，杆件的长度和角度是关键的设计参数。
杆件的长度决定了机构的尺寸和工作范围，而杆件的角度决定了机构的运动轨迹和运动特性。
通过分析机构的运动学方程和几何方程，可以确定机构的杆件长度和角度。
确定机构的铰链位置。
铰链的位置决定了杆件之间的连接方式和机构的运动特性。
通过分析机构的力学平衡条件和运动学方程，可以确定机构的铰链位置，使机构能够实现所需要的运动要求。
最后，进行机构的参数优化和结构优化。
根据机构的运动学性能和工作要求，可以对机构的结构参数进行优化，使机构的运动特性更加优秀。
同时，还需要对机构的结构进行优化，提高机构的强度和刚度，确保机构在工作过程中的可靠性和稳定性。
通过解析法进行平面四杆机构的设计，可以使机构的结构和性能更加合理和可靠。
这种设计方法具有简单易行、工程实用性强的特点，是一种常用的机构设计方法。
在实际的机械设计中，可以根据具体的需求和实际情况，采用解析法进行平面四杆机构的设计，以提高机构的性能和工作效果。
平面机构的结构分析
运动链：由多个构件组成的运动系统 运动链的组成：主动件、从动件、固定件、运动副 运动链的运动：平移、转动、复合运动 运动链的分析方法：图解法、解析法、数值法
优化目标：提高 机构的效率、稳 定性和可靠性
优化方法：采用计 算机辅助设计 （CD）和计算机 辅助工程（CE） 技术
优化内容：包括 机构尺寸、形状、 材料、运动参数 等
Prt Six
装配：用于装配各种机械设 备和零部件
机械加工：用于加工各种零 件和工件
检测：用于检测机械设备的 性能和精度
维护：用于维护和保养机械 设备
飞机起落架：用于支撑飞机在地面和空 中的稳定
飞机舵面：用于控制飞机的飞行姿态和 方向
航天器太阳能电池板：用于收集太阳能 为航天器提供电力
航天器天线：用于接收和发送信号保证 航天器与地面的通信
添加标题
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添加标题
添加标题
凸轮机构的工作原理：凸轮与从动 件的接触运动
凸轮机构的优缺点：优点是结构简 单、易于制造；缺点是运 应用领域：广泛应用于机械、汽车、航空等领域 结构特点：具有啮合传动、传递运动和动力的功能 实例分析：以某款汽车变速箱为例分析其齿轮机构的结构、工作原理和性能特点
平面内运动
运动分析：分 析平面机构的 运动规律包括 位移、速度、
加速度等
应用：用于设 计、优化和改 进平面机构提 高其性能和可
靠性
静力学分析的目的：研究机构在静 载荷作用下的受力情况
静力学分析的内容：包括机构各构 件的受力、变形和应力分布等
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静力学分析的方法：利用静力学平 衡方程求解
,
汇报人：
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陈立德第五版-机械设计基础 第3章 平面机构结构分析
注意：各种出现虚约束的场合都是有条件的 ! 虚约束的作用： ①改善构件的受力情况，如多个行星轮。 ②增加机构的刚度，如轴与轴承、机床导轨。 ③使机构运动顺利，避免运动不确定，如车轮。
第三章
平面机构结构分析
上节课重点内容回顾
机械：是机器和机构的总称
机器：根据使用要求而设计的一种执行机械运动的装置，可用 来变换或传递能量、物料和信息。包含另一个或多个机构。 机器的特征：
1. 人为装配组合而成的实物体； 2. 各实物体之间具有确定的相对运动； 3. 能完成有用的机械功或转化机械能。
a)两个构件、b) 直接接触、c) 有相对运动 三个条件，缺一不可
运动副元素——两构件上直接接触而构成运动副的表面。 (构成运动副的点、线、面)。
运动副元素不外乎
为点、线、面。
自由度——构件所具有的独立运动个数 。
空间构件：——6个
移动：X、Y、Z；转动：X、Y、Z
平面构件：——3个
在XOY平面，移动X、Y；转动Z
=0
2 3
1
4
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0
=1
3 2
1
4
5
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－0
=2
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 2－1
=1
B
C A
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0 = 1
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－ 1 = 1
3. 虚约束
是重复约束或对机构运动不起限制作用的约束， 又叫消极约束。
意义：
增加构件的刚度、使构件受力均衡； 要求制造精度高，加工误差大可能会将虚约束变成 实际约束。
平面机构的结构分析
凸轮副： 凸轮副： 用完整的轮廓曲线 表示凸轮。 表示凸轮。
机械原理
第2章 平面机构的结构分析 章
2、构件（杆）的表示－用最简单的线条直线表示 、构件（ 的表示－
构件和两个运动副联接时的表示方法: 构件和两个运动副联接时的表示方法
机械原理
第2章 平面机构的结构分析 章
一般来说，参与组成3个转动副的构件可用三角形表示。 一般来说，参与组成 个转动副的构件可用三角形表示。 个转动副的构件可用三角形表示
机械原理
第2章 平面机构的结构分析 章
机构： 机构：
用构件间能够相对运动的连接方式 组成的构件系统。 组成的构件系统。
平面机构： 平面机构：
各运动构件都在同一平面或相互平行 的平面内运动的机构。（ 。（常见的机构 的平面内运动的机构。（常见的机构 大多数为平面机构）。 大多数为平面机构）。
空间机构： 空间机构：
机构就是带有机架和原动件，具有确定相对运动的运动链。 机构就是带有机架和原动件，具有确定相对运动的运动链。
机械原理
第2章 平面机构的结构分析 章
机构中各构件的名称： 机构中各构件的名称： 机架 ——机构中的固定构件； ——机构中的固定构件； 机构中的固定构件 一般机架相对地面固定不动， 一般机架相对地面固定不动，但当机 构安装在运动的机械上时则是运动的。 构安装在运动的机械上时则是运动的。 原动件 ——按给定已知运动规律独立 ——按给定已知运动规律独立 运动的构件； 常以转向箭头表示。 运动的构件； 常以转向箭头表示。 ——机构中其余活动构件 机构中其余活动构件。 从动件 ——机构中其余活动构件。 其运动规律决定于原动件的运动规律 和机构的结构和构件的尺寸。 和机构的结构和构件的尺寸。
如何绘制平面机构运动简图？ 如何绘制平面机构运动简图？
平面机构及其运动简图
第一章平面机构及其运动简图案例导入：通过硬纸片是否钉在桌面上及常见的推拉门、活页等例子，引入自由度、铰链、铰接、约束条件和运动副、运动链、机构等概念，介绍运动副的分类；以牛头刨床为例子导入运动简图，介绍用简单的符号和图形表示机器的组成和传动原理。
第一节平面运动副一、平面运动构件的自由度平面机构是指组成机构的各个构件均平行于同一固定平面运动。
组成平面机构的构件称为平面运动构件。
两个构件用不同的方式联接起来，显然会得到不同形式的相对运动，如转动或移动。
为便于进一步分析两构件之间的相对运动关系，引入自由度和约束的概念。
如图1-1所示，假设有一个构件2，当它尚未与其它构件联接之前，我们称之为自由构件，它可以产生3个独立运动，即沿x方向的移动、沿y方向的移动以及绕任意点A的转动，构件的这种独立运动称为自由度。
可见，作平面运动的构件有3个自由度。
如果我们将硬纸片（构件2）用钉子钉在桌面（构件1）上，硬纸片就无法作独立的沿x或y方向的运动，只能绕钉子转动。
这种两构件只能作相对转动的联接称为铰接。
对构件某一个独立运动的限制称为约束条件，每加一个约束条件构件就失去一个自由度。
图1-1 自由构件二、运动副的概念机构是具有确定相对运动的若干构件组成的，组成机构的构件必然相互约束，相邻两构件之间必定以一定的方式联接起来并实现确定的相对运动。
这种两个构件之间的可动联接称为运动副。
例如两个构件铰接成运动副后，两构件就只能绕轴在同一平面内作相对转动，称为转动副，见图1-2a)、b)所示。
又如图1-2d)所示，一根四棱柱体1穿入另一构件2大小合适的方孔内，两构件就只能沿轴线X作相对移动，称之为移动副；图1-2c)所示为车床刀架与导轨构成的移动副。
我们日常所见的门窗活叶、折叠椅等均为转动副，推拉门、导轨式抽屉等为移动副。
图1-2 平面低副三、运动副的分类两构件只能在同一平面作相对运动的运动副称为平面运动副。
构成运动副的点、线或面称为运动副元素，根据运动副元素的不同，平面运动副可分为低副和高副。
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任务四 平面机构的组成与设计
实例： 内燃机气缸中活塞的运动：直线平动
活塞的平动
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任务四 平面机构的组成与设计
工程实例：
内燃机气门机构 构件平动时的特征：
车轮联动机构中连杆
① 其上各点的轨迹形状相同；
② 在同一瞬时其上各点的速度和加速度相同。
2020/11/4
（2）移动副（Prismatic pair, Sliding pair） 构成移动副的两构件只能沿一个方向作相对移动。
活塞与气缸
2020/11/4
任务四 平面机构的组成与设计
移动副的表示方法
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移动副
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任务四 平面机构的组成与设计
转动副和移动副的工程应用
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任务四 平面机构的组成与设计
2、 运动副（Kinematic pair）——两构件直接接触 并能产生确定相对运动的 联接。
约束(Constraint)——对构件独立运动的限制。 作平面运动的构件，其约束不能超过2个，否则就
不可能产生相对运动。 按两构件的接触情况，运动副分类：低副(Lower pair)和高副(Higher pair)。
机械设计基础
机电学院 周建波
2020/11/4
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任务四 平面机构的组成与设计 任务四 平面机构的组成与设计 知识内容及要求 单元一 平面机构的组成 单元二 平面连杆机构及其设计 单元三 凸轮机构及其设计
本任务总学时12，理论10学时，实验2学时
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任务四 平面机构的组成与设计 单元一 平面机构的组成
的平面内作圆周运动； 圆心在转轴上，圆周的半径为点到转轴的距离。
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任务四 平面机构的组成与设计
3．构件的平面运动 构件作平面运动时，其上任一点始终在某一平面内
运动。
实例： 内燃机连杆的运动。
平动和定轴转动是平面运动 的特殊情形。平面运动可视作 平动和转动的合成。
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圆柱销与销孔
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任务四 平面机构的组成与设计
固定铰链（一件固定，另一件活动）
活动铰链（两件均活动）
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任务四 平面机构的组成与设计
转动副的表示方法
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转动副
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任务四 平面机构的组成与设计
3、低副（具有2个约束，1个自由度，即只能做一 种运动）
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任务四 平面机构的组成与设计
3、低副（具有2个约束，1个自由度，即只能做一 种运动） ——两构件以面接触(Area contact)构成的运动副。
（1）转动副（Revolute pair）（铰链Hinged joint ）
构成转动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动。
铰链——由圆柱销和销孔构成的转动副。
凸轮与顶杆
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两齿轮啮合
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任务四 平面机பைடு நூலகம்的组成与设计
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任务四 平面机构的组成与设计
平面运动副(Planar kinematic pair) ——两构件在同一 平面内作相对运动构成的运动副。
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任务四 平面机构的组成与设计
空间运动副(Spatial kinematic pair)——空间运动。
任务四 平面机构的组成与设计
4．高副（具有1个约束，2个自由度，即可以做两种运动）
——两构件以点接触(Point contact)或线接触(Line contact)构成的运动副。
凸轮和顶杆之间
两个齿轮啮合处
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任务四 平面机构的组成与设计
组成平面高副的两构件可沿接触点切线tt方向 的相对移动和绕接触点A的相对转动。
螺旋副
球副
应用：球铰链、拉杆天线、螺旋、生物关节等。
现在将运动副进行如下小结：jb010102.swf
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- 任务四 平面机构的组成与设计
二、运动链与机构
1．运动链(Kinematic chain)
——两个或两个以上的构件通过运动副联接而 成的系统。 闭式运动链(Closed kinematic chain)——各构件 构成首末封闭的系统。 应用：传统的机械中多采用闭式运动链。
一、构件的运动及运动副 二、运动链与机构 三、平面机构运动简图 四、平面机构具有确定运动的条件
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任务四 平面机构的组成与设计
任务：理解平面机构、运动副、自由度等基本概念， 掌握机构运动简图绘制的基本方法和自由度的计算， 掌握机构具有确定运动的条件 重点：运动副、自由度基本概念，机构具有确定运动 的条件。 难点：运动副的概念
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任务四 平面机构的组成与设计
（二）运动副及其分类 1、构件的自由度(Degree of freedom, Mobility)——构 件所具有的独立运动数目。
一个作平面运动的自由构件S 可有三个独立运动 ，即：
沿x轴方向的移动； 沿y轴方向的移动； 绕任意点A的转动。
可见，一个作平面运动的自由构件有三个自由度。
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任务四 平面机构的组成与设计
平面机构(Planar mechanism)——所有构件都 在同一平面或相互平行的平面内运动的机构。
本单元主要讨论平面机构（工程中常见，比如在前 面力学学习中有许多这样的例子）的组成。 一、构件的运动及运动副 （一）构件的运动形式
1．构件的平动（或移动）
构件（Link）作平动（或移动）时，其上任一条 直线始终与初始位置保持平行。
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任务四 平面机构的组成与设计
2．构件的定轴转动
构件作转动时，其上（或其延伸部分）有唯一的一条直线 固定不动。 转轴——构件转动时，其上固定不动的直线。 例如：齿轮、凸轮、带轮、电机转子、机床主轴等。
齿轮
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任务四 平面机构的组成与设计
构件定轴转动时的特征： 除转轴上的点不动外，其余各点都在垂直于转轴
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任务四 平面机构的组成与设计
• 机器从运动的角度来分析是由各种机构组成的。机 构是人为的实物组合，其主要作用是传递运动和变 换运动形式或运动速度。
• 机构是具有确定相对运动的构件组合。在机构中， 组成机构的构件之间需要用一定的方式连接起来， 才能使构件获得需要的相对运动。凡两构件直接接 触并能产生相对运动的连接称为运动副。机构就是 由若干构件通过运动副的连接而组成的。若组成机 构的各构件间的相对运动是在同一个平面或平行平 面内，则称此机构为平面机构，否则，则称为空间 机构。