第二章机械原理

第二章机械原理

第一节平面机构概述

在现代生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段。机器的先进程度是衡量一个国家现代化程度的重要指标之一。

一、几个基本概念。

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。将其他形式的能量转换为机械能的机器成为原动机。如内燃机、电动机等。用机械能去变换或传递能量、物料、信息的机器成为工作机。如发电机、起重机等。

机器一般包含四个基本组成部分：动力部分、传动部分、控制部分、执行部分。传动部分和执行部分由各种机构组成，是机器的主体部分。

机器的主要特征：(1)由许多运动构件组成的；(2)能进行功能转换或代替人做功。一台机器可以包含一个或几个机构。如电动机就只有一个机构，而内燃机则包含曲柄滑块机构、凸轮机构、齿轮机构等。

图2-1-1所示为单缸四冲程内燃机，它是由气缸体、活塞、进气阀、排气阀、连杆、曲轴、凸轮、顶杆、齿轮、等组成。

机构是由运动构件组成的一个构件系统。

图2-1-1内燃机图2-1-2 连杆

机器与机构的区别：机构只用于传递运动和力，机器除了传递运动和力之外，还具有变换或传递能量、物料、信息的功能。但是，在研究构件的运动和受力情况时，机器和机构之间并无差别，因此，习惯上将机器与机构统称为“机械”。

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78 构件是组成机构的运动单元。它可以是一个整体，也可以是由几个零件组成的刚性结构。如图2-1-2连杆，就是由连杆体1、连杆盖4、螺栓2及螺母3等零件组成的一个构件。

零件是制造的单元。机械零件分为两类：通用零件，在各种机械中都要用到，如齿轮、螺钉、轴、弹簧等；专用零件，只在某些机械中用到，如内燃机中的曲轴、活塞等。

二、运动副及其分类

1．构件的自由度

组成机构的所有构件都在相互平行的平面内运动的

机构称为平面机构，否则称为空间机构。本章只讨论平

面机构。

构件具有的独立运动称为构件的自由度。一个作平

面运动的自由构件具有三个自由度。如图2-1-3，构件

AB 可沿x 轴、y 轴方向移动和绕任意点A 转动。

2．运动副的分类

构件组成机构要通过一定的方式联接。构件之间直

接接触并且能产生一定的相对运动的联接称为运动副。

两构件组成的运动副，不外乎通过点、线、面的接触形式来实现。按运动副元素接触形式,可将运动副分为低副和高副。运动副是约束运动的，构件组成运动副后，其独立运动将受到约束，自由度便随之减少。

(1)低副

两构件通过面接触组成的运动副，约束两个自由度。由于是面接触，故接触应力低,磨损低。平面低副有转动副和移动副两种。

转动副 两构件间只能产生相对旋转的运动副。如图2-1-4a ，又称回转副或铰链。 移动副 两构件间只能产生相对移动的运动副。如图2-1-4b 。

a)回转副或铰链 b) 移动副

图2-11-4

(2)高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副，约束一个自由度。高副接触应力大,磨损大。如图2-1-5中的滚动副、凸轮副、齿轮副等。用简图表示高副时，应将两构件接触处的几何形状绘出。

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a) 滚动副 b) 凸轮副 c) 齿轮副

图2-1-5

此外，机械中还常用到螺旋副和球面副。如图2-1-6所示。

a) 螺旋副 b) 球面副

图2-1-6

3．运动副的符号 (1)转动副画法 用圆圈表示，如图2-1-7a)、b)、c)。圆心代表转动中心。若其中一个构件为机架，在代表机架的构件上加阴影线。

d) e)

图2-1-7运动副的符号及高副的画法

(2)移动副画法移动副的导路必须与相对移动方向一致。如图2-1-7d)。

(3)高副画法必须画出接触处的曲线轮廓。如图

三、平面机构的运动简图绘制

(1)分析机构，观察相对运动，数清所有构件的数

目，确定主动件与机架；

(2)确定所有运动副的类型和数目；

(3)选择合理的位置（要能充分反映机构的运动特

性）；

(4)确定比例尺

；图2-1-8 内燃机主机构运动简图

l

(5)用规定的符号和线条绘制成简图。（从原动件开始画）

机构运动简图不仅能充分表示出机构的传动原理，而且还能表示出机构上各有关点的运动特性，它是分析和设计机构常用的一种简便而又科学的图形。

例1-1绘制图2-1-1内燃机主机构运动简图。如图2-1-8。

例1-2如图2-1-9a)所示为一偏心轮机构模型图，其机构运动简图如图2-1-9b)。

图2-1-9a) 一偏心轮机构模型图，图2-1-9b)机构运动简图

四、平面机构自由度的计算

1．平面机构自由度的计算公式

平面机构的自由度就是该机构中，各构件相对于机架的所能有的独立运动的数目。平面

机构自由度与组成该机构的构件数目、运动副的数目及运动副的类型有关。如前述可知：一个低副将约束两个自由度，保留一个自由度；一个高副将约束一个自由度，保留两个自由度。如果一个平面机构共有n个活动构件。在未用运动副联接前，则活动构件自由度总数为3n。当用运动副将这些活动构件与机架联接组成机构后，则各活动构件具有的自由度数就少了。若机构中有P L个低副，P H个高副，则机构中全部运动副所引入的约束总数为2P L+P H。因此，机构活动构件的自由度数与引入运动副减少的自由度数之差，就是该机构的自由度。以F表示。即

F=3n-2PL-PH

由上式可知，机构要能运动，它的自由度必须大于零。

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81 机构的自由度表明机构具有的独立运动数目。由于只有原动件可从外界接受独立运动规律（如内燃机的活塞具有一个独立的移动），因此，当机构的自由度为1时，只需有一个原动件；当机构的自由度为2时，则需有两个原动件。因此，机构的自由度必定与原动件数相等。

综上所述，机构具有确定运动的条件是：F >0,且F 等于原动件数。

2．计算机构自由度的注意事项

(1)复合铰链

两个以上的构件同时在一处用转动副相联接就构成

复合铰链。

图2-1-10(a)为构件2与构件1、3组成一个复合

铰链，由图(b)所示的侧视图可见，这三个构件组成2

个转动副。依次类推，m 个构件交汇而成的复合铰链，

应具有(m-1)个转动副。

(2)局部自由度

与机构整体运动无关的自由度称为局部自由度。计算机构自由度时应去除不计。

图2-1-12(a)中，构件3是滚子，它能绕A 点作独立转动，但不论该滚子转与不转，不影响从动件2的运动，故滚子属于局部自由度。计算机构自由度时，可设想将滚子3与杆2固接在一起，如图(b)所示。

局部自由度虽然不影响整个机构的运动关系，但可以减少高副处的摩擦和磨损。例如滚子、滚动轴承、滚轮等都是机械中常用的局部自由度。

(3)虚约束

在机构中，有时为了增加构件的刚性和使构件受力均衡，要引入一些对构件运动不起实际限制作用约束，这种约束称为虚约束。计算机构自由度时应去掉。

虚约束通常在如下情况出现：

图2-1-11局部自由度 图2-1-12 虚约束

a ．构件上某点轨迹与该点引入约束后的轨迹相同如图2-1-12；

b ．两构件组成多个导路平行的移动副；如图2-1-13。去掉右侧虚线框内的约束不影响机构的运动。

c ．在机构运动时，两构件上的两动点间的距离保持不变，两点以构件铰接。如图2-1-图2-1-10复合铰链