1、2021/2/111構件構件 獨立的運動單元獨立的運動單元 內燃機內燃機中的連桿內燃機內燃機連桿連桿套筒套筒連桿體連桿體螺栓螺栓墊圈墊圈螺母螺母軸瓦軸瓦連桿蓋連桿蓋零件零件 獨立的制造單元獨立的制造單元第二章第二章 機構機構的自由度計算的自由度計算機構機構用來用來傳遞運傳遞運動和力或改變運動動和力或改變運動形式形式的可動裝置的可動裝置。一、機構的組成一、機構的組成2021/2/112二二. 運動副運動副a)兩個構件、兩個構件、b) 直接接觸、直接接觸、c) 有相對運動有相對運動運動副元素運動副元素:直接接觸的部分（點、線、面）直接接觸的部分（點、線、面）例如例如:滾子凸輪滾子凸輪、齒輪齒廓齒輪

2、齒廓、活塞與缸套活塞與缸套等。等。1. 運動副運動副:兩構件直接接觸而構成的可動的聯接。兩構件直接接觸而構成的可動的聯接。三個條件三個條件,缺一不可缺一不可2021/2/1132. 運動副的分類運動副的分類: 1)按引入的約束數分有按引入的約束數分有: I級副級副II級副級副III級副級副I級副、級副、II級副、級副、III級副、級副、IV級副、級副、V級副。級副。2021/2/114 2)按相對運動范圍分有按相對運動范圍分有: 平面運動副平面運動副平面運動平面運動平面機構平面機構全部由平面運動副組成的機構。全部由平面運動副組成的機構。IV級副級副例如例如:球鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關節。球

3、鉸鏈、拉桿天線、螺旋、生物關節。空間運動副空間運動副空間運動空間運動V級副級副1V級副級副2V級副級副3兩者關聯空間機構空間機構至少含有一個空間運動副的機構。至少含有一個空間運動副的機構。2021/2/115 3)按運動副元素分有按運動副元素分有: 高副點、線接觸高副點、線接觸,應力高。應力高。低副面接觸低副面接觸,應力低應力低例如例如:滾動滾動副副、凸輪副凸輪副、齒輪副齒輪副等。等。例如例如:轉動副轉動副（回轉副）、（回轉副）、移動副移動副 。2021/2/116常見運動副符號的表示常見運動副符號的表示: 國標國標GB4460842021/2/117常用運動副的符號常用運動副的符號運動副運動

4、副名稱名稱運動副符號運動副符號兩運動構件構成的運動副兩運動構件構成的運動副轉轉動動副副移移動動副副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副兩構件之一為固定時的運動副122121平平面面運運動動副副2021/2/118平平面面高高副副螺螺旋旋副副21121221211212球球面面副副球球銷銷副副121212空空間間運運動動副副1212122021/2/119構件的表示方法構件的表示方法:2021/2/1110一般構件的表示方法一般構件的表示方法 桿、軸構件桿、軸構件固定構件固定構件同一構件同一構件2021/2/1111三副構件三副構件 兩副構件兩副構件 一

5、般構件的表示方法一般構件的表示方法 2021/2/1112運動鏈兩個以上的構件通過運動副運動鏈兩個以上的構件通過運動副的聯接而構成的系統。的聯接而構成的系統。注意事項注意事項:畫構件時應撇開構件的實際外形畫構件時應撇開構件的實際外形,而只考慮運動副的而只考慮運動副的性質性質。閉式鏈閉式鏈、開式鏈開式鏈3. 運動鏈運動鏈 2021/2/1113若干若干1個或幾個個或幾個1個個4. 機構機構定義定義:具有確定運動的運動鏈稱為機構具有確定運動的運動鏈稱為機構 。機架機架作為參考系的構件作為參考系的構件,如機床床身、車輛底如機床床身、車輛底盤、飛機機身。盤、飛機機身。機構的組成機構的組成:機構機構機架

6、原動件從動件機架原動件從動件機構是由若干構件經運動副聯接而成的,很顯然,機構歸屬于運動鏈,那么，運動鏈在什么條件下就能稱為機構呢?即各部分運動確定。分別用四桿機構和五桿機構模型演示得出如下結論:在運動鏈中，如果以某一個構件作為參考坐標系，當其中另一個（或少數幾個）構件相對于該坐標系按給定的運動規律運動時，其余所有的構件都能得到確定的運動，那么，該運動鏈便成為機構。 原（主）動件原（主）動件按給定運動規律運動的構件按給定運動規律運動的構件。從動件從動件其余可動構件。其余可動構件。2021/2/1114 三三 平面機構運動簡圖平面機構運動簡圖機構運動簡圖機構運動簡圖用以說明機構中各構件之間的相對用

7、以說明機構中各構件之間的相對 運動關系的簡單圖形。運動關系的簡單圖形。作用作用: 1.表示機構的結構和運動情況。表示機構的結構和運動情況。機動示意圖機動示意圖不按比例繪制的簡圖不按比例繪制的簡圖現摘錄了部分現摘錄了部分GB446084機構示意圖如下表機構示意圖如下表。2.作為運動分析和動力分析的依據。作為運動分析和動力分析的依據。2021/2/1115常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號 在在機機架架上上的的電電機機齒齒輪輪齒齒條條傳傳動動帶帶傳傳動動圓圓錐錐齒齒輪輪傳傳動動2021/2/1116鏈鏈傳傳動動圓柱圓柱蝸桿蝸桿蝸輪蝸輪傳動傳動凸凸輪輪傳傳動動外嚙外嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動

8、動2021/2/1117機構運動簡圖機構運動簡圖應滿足的應滿足的條件條件: 1.構件數目構件數目與實際與實際相同相同 2.運動副運動副的性質、數目的性質、數目與實際與實際相符相符 3.運動副間運動副間的的相對位置相對位置以及以及構件尺寸構件尺寸與實際與實際成比例成比例。棘棘輪輪機機構構內嚙內嚙合圓合圓柱齒柱齒輪傳輪傳動動2021/2/1118繪制機構運動簡圖繪制機構運動簡圖順口溜順口溜:先兩頭先兩頭, ,后中間后中間, , 從頭至尾走一遍從頭至尾走一遍, , 數數構件是多少，數數構件是多少， 再看它們怎相聯。再看它們怎相聯。步驟步驟:1.運轉機械運轉機械,搞清楚運動副的性質、數目和構件數目搞清

9、楚運動副的性質、數目和構件數目;4.檢驗機構是否滿足運動確定的條件。檢驗機構是否滿足運動確定的條件。2.測量各運動副之間的尺寸測量各運動副之間的尺寸,選投影面（運動平面）選投影面（運動平面）, 繪制示意圖。繪制示意圖。3.按比例繪制運動簡圖。按比例繪制運動簡圖。 簡圖比例尺簡圖比例尺: l = =實際尺寸實際尺寸 m / m / 圖上長度圖上長度mmmm思路思路:先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路先定原動部分和工作部分（一般位于傳動線路末端）末端）,弄清運動傳遞路線弄清運動傳遞路線,確定構件數目及運動副的確定構件數目及運動副的類型類型,并用符號表示出來。并用符號表示出來。舉例舉例: :繪

10、制繪制破碎機破碎機和和偏心泵偏心泵的機構運動簡圖。的機構運動簡圖。2021/2/1119DCBA1432繪制圖示繪制圖示鱷式破碎機鱷式破碎機的運動簡圖。的運動簡圖。2021/2/11201234繪制圖示繪制圖示偏心泵偏心泵的運動簡圖的運動簡圖偏心泵偏心泵2021/2/1121四四 平面機構的自由度平面機構的自由度給定給定S S3 3S S3 3(t),(t),一個獨立參數一個獨立參數1 11 1（t t）唯一確定唯一確定, ,該機該機構僅需要一個獨立參數。構僅需要一個獨立參數。 若僅給定若僅給定1 11 1（t t）, ,則則2 2 3 3 4 4 均不能唯一確定。若同均不能唯一確定。若同時給

11、定時給定1 1和和4 4 , ,則則3 3 2 2 能能唯一確定唯一確定, ,該機構需要兩個獨立該機構需要兩個獨立參數參數 。4 4S3123S31 112341 12021/2/1122機構的自由度機構的自由度: :保證機構具有確定運動時所保證機構具有確定運動時所 必須給定的獨立運動參數的數目必須給定的獨立運動參數的數目。原動件原動件: :能獨立運動的構件。能獨立運動的構件。一個原動件只能提供一個獨立參數一個原動件只能提供一個獨立參數機構具有確定運動的條件為機構具有確定運動的條件為: :自由度原動件數自由度原動件數2021/2/1123（一）、（一）、 平面機構自由度的計算公式平面機構自由度

12、的計算公式作平面運動的剛體在空間的位置需作平面運動的剛體在空間的位置需要三個獨立的參數要三個獨立的參數（x,y, ）才能唯一確定。才能唯一確定。yx(x , y)F = 3單個自由構件的自由度為單個自由構件的自由度為 3 32021/2/1124自由構自由構件的自件的自由度數由度數運動副運動副 自由度數自由度數 約束數約束數回轉副回轉副 1（） + 2（x,y） = 3yx12Syx12xy12R=2, F=1R=2, F=1R=1, F=2結論結論:構件自由度構件自由度3約束數約束數移動副移動副 1（x） + 2（y,）= 3高高 副副 2（x,） + 1（y） = 3經運動副相聯后經運動副

13、相聯后, ,構件自由度會有變化構件自由度會有變化: : 自由構件的自由度數約束數自由構件的自由度數約束數2021/2/1125活動構件數活動構件數 n N N1 1 計算公式計算公式: F=3n(2PL +Ph )要求要求:記住上述公式記住上述公式,并能熟練應用。并能熟練應用。構件總自由度構件總自由度 低副約束數低副約束數 高副約束數高副約束數 3n 2 PL1 Ph計算曲柄滑塊機構的自由度。計算曲柄滑塊機構的自由度。解解:活動構件數活動構件數n=3低副數低副數PL=4F=3n 2PL PH =33 24 =1 高副數高副數PH=0S3123推廣到一般推廣到一般: :機構中有機構中有N N個構

14、件個構件 2021/2/1126計算五桿鉸鏈機構的自由度計算五桿鉸鏈機構的自由度解解:活動構件數活動構件數n=4低副數低副數PL=5F=3n 2PL PH =34 25 =2 高副數高副數PH=012341 12021/2/1127計算圖示凸輪機構的自由度。計算圖示凸輪機構的自由度。解解:活動構件數活動構件數n=2低副數低副數PL=2F=3n 2PL PH =32 221 =1高副數高副數PH=11232021/2/1128（二）、（二）、計算平面機構自由度的注意事項計算平面機構自由度的注意事項12345678ABCDEF計算圖示圓盤鋸機構的自由度。計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解解:活動構件數

15、活動構件數n=7低副數低副數PL=6F=3n 2PL PH 高副數高副數PH=0=37 26 0=9計算結果肯定不對計算結果肯定不對!2021/2/11291.復合鉸鏈復合鉸鏈 兩個以上兩個以上的構件在的構件在同一處同一處以以轉動副轉動副相聯。相聯。計算計算:m個構件個構件,有有m1轉動副。轉動副。兩個低副兩個低副2021/2/1130上例上例:在在B、C、D、E四處應各有四處應各有 2 個運動副。個運動副。計算圖示圓盤鋸機構的自由度。計算圖示圓盤鋸機構的自由度。解解:活動構件數活動構件數n=7低副數低副數PL=10F=3n 2PL PH =37 2100 =1可以證明可以證明:F:F點的軌跡

16、為一直線。點的軌跡為一直線。12345678ABCDEF圓盤鋸機構圓盤鋸機構2021/2/1131計算圖示兩種凸輪機構的自由度。計算圖示兩種凸輪機構的自由度。解解:n= 3,PL=3,F=3n 2PL PH =33 23 1 =2PH=1對于右邊的機構對于右邊的機構,有有: F=32 22 1=1事實上事實上,兩個機構的運動相同兩個機構的運動相同,且且F=11231232021/2/11322.局部自由度局部自由度F F=3n （2PL + PH ）F =33 23 1 1 =1本例中局部自由度本例中局部自由度 F F=1=1或計算時去掉滾子和鉸鏈或計算時去掉滾子和鉸鏈: F=32 22 1

17、=1定義定義:構件構件局部運動局部運動所產生的自由度。所產生的自由度。出現在加裝滾子的場合出現在加裝滾子的場合, ,計算時應去掉計算時應去掉F F 。滾子的作用滾子的作用:滑動摩擦滑動摩擦滾動摩擦。滾動摩擦。1231232021/2/1133解解:n= 4,PL=6,F=3n 2PL PH =34 26 =0PH=03.虛約束虛約束 對機構的運動實際上不起約束作用的約束。對機構的運動實際上不起約束作用的約束。計算自由度時應計算自由度時應去掉虛約束。去掉虛約束。 FE FEAB AB CD ,CD ,故增加構件故增加構件4 4前后前后E E點的軌點的軌跡都是圓弧跡都是圓弧, ,。增加的約束不起作

18、用增加的約束不起作用,應去掉構件應去掉構件4。已知：已知：ABCDEF，計算圖示平行四邊形，計算圖示平行四邊形 機構的自由度。機構的自由度。 1234ABCDEF火車輪火車輪2021/2/1134重新計算重新計算:n=3, PL=4, PH=0F=3n 2PL PH =33 24 =1特別注意特別注意:此例存在虛約束的幾何條件是此例存在虛約束的幾何條件是:1234ABCDEF4F已知：已知：ABCDEF，計算圖示平行四邊形，計算圖示平行四邊形 機構的自由度。機構的自由度。 ABCDEF2021/2/1135出現虛約束的場合出現虛約束的場合: 1）.兩兩構件構件連接前后連接前后,連接點連接點的的

19、軌跡重合軌跡重合, 則該連接引入則該連接引入1個虛約束個虛約束;如如:平行四邊形機構平行四邊形機構,火車輪火車輪橢圓儀橢圓儀等。等。(需要證明)2）.運動時運動時,兩構件上兩構件上的的兩點距離始終不變兩點距離始終不變, 將此兩點以構件相連將此兩點以構件相連, 則將帶入則將帶入1個虛約束。個虛約束。1234ABCDEF2021/2/11363）兩兩構件構件多處接觸多處接觸構成運動副構成運動副. 移動副移動副,且且導路平行導路平行。 （只計算一個移動副）（只計算一個移動副） . 轉動副轉動副,且且同軸同軸。 （只計算一個轉動副）（只計算一個轉動副） . 高副高副,兩處接觸兩處接觸,且且法線重合法線

20、重合。 （只計算一個高副）（只計算一個高副） 2021/2/1137.兩構件構成兩構件構成高副高副,多處接觸多處接觸,且且接觸點法線重合接觸點法線重合。 （只計算一個高副）（只計算一個高副） 如如等寬凸輪等寬凸輪W注意注意:法線不重合時法線不重合時,變變成實際約束成實際約束!AAn1n1n2n2n1n1n2n2AA有一處為虛約束有一處為虛約束此兩種情況沒有虛約束此兩種情況沒有虛約束2021/2/11384).對運動不起作用的對運動不起作用的重復或重復或對稱部分。對稱部分。 如如 多個行星輪多個行星輪。nppphl32/pppnFhl23虛約束虛約束:1）計算公式）計算公式2）從機構運動簡圖中先）從機構運動簡圖中先去掉產生虛約束部分去掉產生虛約束部分,再計算再計算202