電子教案機(jī)械基礎(chǔ)(第4版)電子教案3.機(jī)械傳動(dòng)概述課件

1、02機(jī)械傳動(dòng)第二篇 機(jī)器是人類經(jīng)過長期生產(chǎn)實(shí)踐創(chuàng)造出來的重要工具。利用機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)可以減輕或代替體力勞動(dòng)，大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，便于對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行嚴(yán)格分工與科學(xué)管理，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使用機(jī)器進(jìn)行生產(chǎn)的水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家工業(yè)技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一。 機(jī)器在工作時(shí)，靠其內(nèi)部的各種機(jī)構(gòu)和零部件來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)采用機(jī)械方式來傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)。在生產(chǎn)實(shí)際中，機(jī)械傳動(dòng)是一種最基本的傳動(dòng)方式。因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)總是通過各種機(jī)構(gòu)和零部件的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，所以本篇將對(duì)機(jī)械及機(jī)械傳動(dòng)的一些基本概念，常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和零部件的結(jié)構(gòu)原理、性能特點(diǎn)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的分析方

2、法等作必要的敘述。 本篇主要介紹“ 經(jīng)典傳動(dòng)” 如齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、凸輪傳動(dòng)等，然而“現(xiàn)代傳動(dòng)”隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展日趨完善，應(yīng)用越來越廣泛?！艾F(xiàn)代傳動(dòng)” 如數(shù)控機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，基本上取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，其機(jī)械結(jié)構(gòu)得到極大的簡化，為此，對(duì)現(xiàn)代傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹。封面頁 （設(shè)計(jì)好之后可以刪掉這個(gè)文本框哦） 第三章機(jī)械傳動(dòng)概述機(jī)械基礎(chǔ)高等教育出版社目錄CONTENTS基本概念 3機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù) 32機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 33平面機(jī)構(gòu)的自由度 34復(fù)習(xí)題 31 基本概念3-13-1基本概念一、機(jī)器、機(jī)構(gòu)、機(jī)械 圖3-1所示的

3、單缸內(nèi)燃機(jī)是由氣缸體1、活塞2、進(jìn)氣閥3、排氣閥4、推桿5、凸輪6、連桿7、曲柄8 和大小齒輪9、10 等構(gòu)件所組成的?；钊纳舷峦鶑?fù)移動(dòng)通過連桿轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪和推桿是用來打開或關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥的。為了保證曲軸每轉(zhuǎn)兩周進(jìn)、排氣閥各開閉一次，在曲軸和凸輪之間安裝了齒數(shù)比為1:2的一對(duì)齒輪。這樣，當(dāng)燃?xì)馔苿?dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)、排氣閥有規(guī)律地開閉，把燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)換為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。圖單缸內(nèi)燃機(jī)3-1基本概念從這個(gè)例子可以看出，機(jī)器具有以下三個(gè)特征：第一，由多個(gè)構(gòu)件組成；第二，各構(gòu)件間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；第三，能夠完成有效的機(jī)械功（如金屬切削機(jī)床的切削加工）或進(jìn)行能

4、量轉(zhuǎn)換（如內(nèi)燃機(jī)把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能）。具有機(jī)器前兩個(gè)特征的多構(gòu)件組合體，稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。例如在圖3-1中，由曲軸、連桿、活塞和氣缸所組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以把往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)； 由大、小齒輪和氣缸體所組成的齒輪機(jī)構(gòu)可以改變轉(zhuǎn)速的大小和方向；由凸輪推桿和氣缸體所組成的凸輪機(jī)構(gòu)可以將連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橛幸?guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。3-1基本概念機(jī)構(gòu)和機(jī)器一般統(tǒng)稱為機(jī)械。機(jī)器的種類繁多，其結(jié)構(gòu)形式和用途各不相同。然而，一部完整的機(jī)器就其基本組成來講， 一般都有下面三個(gè)部分： （）原動(dòng)部分它是驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器完成預(yù)定功能的動(dòng)力源。各種機(jī)器廣泛使用的原動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)（交流和直流）、內(nèi)燃機(jī)等。（）執(zhí)行

5、部分它是機(jī)器中直接完成工作任務(wù)的組成部分，如起重機(jī)的吊鉤、車床的刀架、磨床的砂輪、軋鋼機(jī)的軋輥等。（）傳動(dòng)部分它是機(jī)器中介于原動(dòng)機(jī)和執(zhí)行部分之間，用來完成運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)換的組成部分。利用它可以減速、增速、調(diào)速（如機(jī)床變速箱）、改變轉(zhuǎn)矩以及改變運(yùn)動(dòng)形式等，從而滿足執(zhí)行部分的各種要求。3-1基本概念二、零件、構(gòu)件、部件 任何機(jī)器都是由許多零件（如齒輪、螺釘?shù)龋┙M成的。所謂零件，是指機(jī)器中不可拆的每一個(gè)最基本的制造單元體。機(jī)械中的零件通常分為兩類：一類是通用零件，它們在各種類型的機(jī)械中都可能用到；另一類是專用零件，只用于某些類型的機(jī)械中。但是，當(dāng)分析機(jī)器的運(yùn)動(dòng)時(shí)可以看到，并不是所有的零件

6、之間都具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)和工藝上的需要，常常把幾個(gè)零件剛性地連接在一起，作為一個(gè)整體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。例如在圖3-1所示的單缸內(nèi)燃機(jī)中，運(yùn)動(dòng)件連桿7 就是由連桿體、連桿頭、螺栓和螺母等零件剛性連接在一起而構(gòu)成的（圖3-2）。在機(jī)器中，由一個(gè)或幾個(gè)零件所構(gòu)成的剛性單元體稱為構(gòu)件。圖2連桿3-1基本概念顯然，構(gòu)件和零件的區(qū)別就在于構(gòu)件是運(yùn)動(dòng)的單元，而零件是制造的單元。構(gòu)件按其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可分為固定件（又稱機(jī)架）、原動(dòng)件和從動(dòng)件，固定件是用來支承的活動(dòng)構(gòu)件的構(gòu)件。構(gòu)件可能是由多個(gè)零件剛性連接而成，也可能是一個(gè)單獨(dú)零件。還應(yīng)當(dāng)指出，構(gòu)件和通常所說的部件（或組件）是有區(qū)別的。部件是指機(jī)器中由若干零件所組成的裝配

7、單元體，部件中的各零件之間不一定具有剛性連接。把一臺(tái)機(jī)器劃分為若干個(gè)部件，其目的是有利于設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝和維修。3-1基本概念三、機(jī)械傳動(dòng)的組成與任務(wù) 由機(jī)器的組成可知，傳動(dòng)部分是機(jī)器的重要組成部分之一。常用的傳動(dòng)方式有機(jī)械傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)，其中以機(jī)械傳動(dòng)應(yīng)用最廣。機(jī)械傳動(dòng)通常是由各種機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置（以及各種零件配合完成的。機(jī)械傳動(dòng)的作用是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)的任務(wù)有： （1）將原動(dòng)機(jī)輸出的速度降低或提高，以適合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需要。 （2）用原動(dòng)機(jī)直接進(jìn)行調(diào)速不經(jīng)濟(jì)或不可能時(shí)，采用變速傳動(dòng)來滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常變速的要求。 （3）將原動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩變換為執(zhí)行

8、機(jī)構(gòu)所需要的轉(zhuǎn)矩或力。 （4）將原動(dòng)機(jī)輸出的等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的，速度按某種規(guī)律變化的旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （5）實(shí)現(xiàn)由一個(gè)或多個(gè)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)若干個(gè)速度相同或不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （6）由于受到原動(dòng)機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)體外形、尺寸等的限制，或?yàn)榱税踩筒僮鞣奖?，?zhí)行機(jī)構(gòu)不宜與原動(dòng)機(jī)直接聯(lián)系，此時(shí)也需要用傳動(dòng)裝置來連接。 32 機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù)3-23-2機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù)簡述：機(jī)械傳動(dòng)是利用各種機(jī)構(gòu)（或傳動(dòng)裝置）來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性通常用轉(zhuǎn)速、速比、變速范圍等參數(shù)表示；動(dòng)力特性通常用功率、轉(zhuǎn)矩、效率等參數(shù)表示。一、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比及變速范圍 當(dāng)機(jī)械傳動(dòng)傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)（如一對(duì)

9、齒輪傳動(dòng)），主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速 與從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速 之比稱為該傳動(dòng)的傳動(dòng)比，用i12（或i）表示3-2機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù) 在傳動(dòng)比可調(diào)的機(jī)械傳動(dòng)中，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速 一定時(shí)，經(jīng)調(diào)速后能輸出的最高轉(zhuǎn)速nc，max 與最低轉(zhuǎn)速nc，min 之比稱為變速范圍，用Rb 表示3-2機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù)二、功率與轉(zhuǎn)矩 圖3-3 為卷揚(yáng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖。卷筒直徑為D（mm），起升質(zhì)量為m（kg），鋼絲繩的牽引力F=mg（N），卷筒軸上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T（Nm）為圖3-3卷揚(yáng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖3-2機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù)設(shè)卷筒的工作轉(zhuǎn)速為（r min），以速度v（ms）起升重物，略去摩擦阻力不計(jì)，起升載荷所需的驅(qū)動(dòng)功率P（kW）為3-

10、2機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù)三、機(jī)械效率 機(jī)器工作時(shí)，由于摩擦阻力消耗一部分功率，使輸入功率不能完全得到利用。為了度量機(jī)器輸入功率被利用的程度，必須引入機(jī)械效率的概念。機(jī)械效率用 表示，如機(jī)器的輸入功率為Pi，輸出功率為Po，則由于輸入功率總是大于輸出功率（因?yàn)橛幸徊糠州斎牍β室挠谀Σ粒?，所以機(jī)械效率 總是小于。機(jī)械效率的大小是衡量機(jī)器性能的一個(gè)很重要的指標(biāo)。在機(jī)械傳動(dòng)中，通過實(shí)驗(yàn)測定，一般常見機(jī)構(gòu)和軸承的機(jī)械效率大致數(shù)值為：一對(duì)齒輪傳動(dòng)， 0.920.985（包括軸承損失）；平帶傳動(dòng)， 0.920.98 （包括軸承損失）；V 帶傳動(dòng)， 0.900.94 （包括軸承損失）；一對(duì)滾動(dòng)軸承， 0.9

11、9；一對(duì)滑動(dòng)軸承， 0.940.98 ；滑動(dòng)絲杠， 0.300.60。3-2機(jī)械傳動(dòng)的特性與參數(shù) 機(jī)械傳動(dòng)效率顯示動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的有效利用程度，是反映機(jī)械傳動(dòng)裝置性能指標(biāo)的重要參數(shù)之一。 式中： 12、 34、 56 分別為第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)傳動(dòng)的機(jī)械效率。 33 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖3-33-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖簡述：機(jī)械傳動(dòng)離不開各種機(jī)構(gòu)，而所有構(gòu)件都在同一平面或相互平行的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)稱為平面機(jī)構(gòu)，否則稱為空間機(jī)構(gòu)。工程中應(yīng)用較多的是平面機(jī)構(gòu)。實(shí)際機(jī)構(gòu)的外形和結(jié)構(gòu)大都比較復(fù)雜，為了便于分析和研究，工程中常用簡單的線條和符號(hào)表示構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副來繪制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖。一、運(yùn)動(dòng)副的分類及其表示方法 使

12、兩構(gòu)件直接接觸而又彼此有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副。只允許被聯(lián)接的兩構(gòu)件在同一平面或相互平行的平面內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副稱為平面運(yùn)動(dòng)副，平面機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副都屬平面運(yùn)動(dòng)副。 一個(gè)作平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有 個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的可能性沿x 軸、y 軸方向移動(dòng)和繞垂直xOy 平面的任意軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有 個(gè)自由度。當(dāng)構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接后，其獨(dú)立運(yùn)動(dòng)便受到約束，自由度也隨之減少。3-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 移動(dòng)副使構(gòu)件失去沿一軸線方向的移動(dòng)和在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度，只保留了沿另一軸線方向移動(dòng)的自由度（圖3-4）。轉(zhuǎn)動(dòng)副使構(gòu)件失去兩個(gè)移動(dòng)的自由度，只保留一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度（圖3-5）。移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副可以用圖3-6所示的符

13、號(hào)表示。通常把這種兩構(gòu)件由面接觸形成的運(yùn)動(dòng)副叫低副。圖3-4移動(dòng)副 圖3-5轉(zhuǎn)動(dòng)副圖3-6表示移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副的符號(hào)3-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 兩構(gòu)件通過點(diǎn)接觸或線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副，如圖3-7a中凸輪1 與從動(dòng)件2，圖3-7b 中齒輪1與齒輪2 在接觸點(diǎn)A處組成的運(yùn)動(dòng)副。這類運(yùn)動(dòng)副使構(gòu)件失去了沿接觸點(diǎn)公法線n-n 方向移動(dòng)的自由度，保留了繞接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和沿接觸點(diǎn)公切線t-t 方向移動(dòng)的兩個(gè)自由度。用符號(hào)表示時(shí)，一般需把兩構(gòu)件在接觸點(diǎn)處的曲線輪廓畫出（圖3-7a）。這種兩構(gòu)件由點(diǎn)或線接觸形成的運(yùn)動(dòng)副叫高副，如圖3-7 所示。圖3-7高副3-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 實(shí)際構(gòu)件的外形和結(jié)構(gòu)可以是各式各樣的。在繪制機(jī)構(gòu)

14、運(yùn)動(dòng)簡圖時(shí)，構(gòu)件的表達(dá)原則是撇開那些與運(yùn)動(dòng)無關(guān)的構(gòu)件外形和結(jié)構(gòu)，僅把與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的尺寸用簡單的線條表示出來。例如，圖3-8a中的構(gòu)件3 與滑塊2組成移動(dòng)副，構(gòu)件3的外形和結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，因此可用圖3-8b 所示的簡單線條來表示。圖3-9b 所示為偏心輪機(jī)構(gòu)中的偏心輪2 和連桿3，它們的外形和結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的只是A 與B 及B 與C 間的距離，因此構(gòu)件2、3 可以用圖3-9b 所示的簡單線條表示。圖3-8構(gòu)件的簡化示例 圖3-9偏心輪機(jī)構(gòu)3-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖二、平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的特定符號(hào)（附表）繪制的表示機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡單圖形，稱為機(jī)構(gòu)示意圖。按一定比例繪

15、制的機(jī)構(gòu)示意圖稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖不僅可以用來簡明地反映原機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，而且還可以用來對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制方法和一般步驟見例3-1。例3-1繪出圖3-10a所示抽水唧筒的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。圖3-10抽水唧筒及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖3-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 解（1）分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，判別構(gòu)件的類型及數(shù)目圖示抽水唧筒由手柄1、桿件2、活塞（圖中未畫出）及活塞桿3 和抽水筒4 等構(gòu)件組成，其中抽水筒4 是固定件，手柄1 是原動(dòng)件，其余構(gòu)件是從動(dòng)件。 （2）分析各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目手柄1 繞固定件4 上A 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，二者在A 點(diǎn)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。手柄1 和桿件2 在B 點(diǎn)以及桿件

16、2 和活塞及活塞桿3 在C 點(diǎn)也為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。活塞及活塞桿3與抽水筒4 之間則以移動(dòng)副連接。 （3）選擇視圖平面為了能清楚地表明各構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通常選擇平行于構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的平面作為視圖平面。圖3-10抽水唧筒及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖3-3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖 （4）確定比例尺比例尺應(yīng)根據(jù)實(shí)際機(jī)構(gòu)和圖幅大小來適當(dāng)選取。 （5）用規(guī)定的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副符號(hào)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖（圖3-10b）先畫出固定件4 和手柄1的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心A 和活塞及活塞桿3的移動(dòng)導(dǎo)路直線x 軸，然后按比例畫出手柄1 和桿件2 的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心B 及桿件2 和活塞及活塞桿 3的轉(zhuǎn)動(dòng)副中心C，最后用構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)把各點(diǎn)連接起來，并在原動(dòng)件上用箭頭

17、標(biāo)明運(yùn)動(dòng)方向。 在繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖時(shí)，選擇機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)位置不同，所繪出的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖位置也不同。若選擇不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件相互重疊或交叉的現(xiàn)象，使得簡圖既不易繪制也不易辨認(rèn)。因此，要想清楚地表示各構(gòu)件間的相互關(guān)系，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)位置。圖3-10抽水唧筒及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 34 平面機(jī)構(gòu)的自由度3-43-4平面機(jī)構(gòu)的自由度簡述：機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件之間應(yīng)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或雖能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)但運(yùn)動(dòng)無規(guī)律的一堆構(gòu)件不能成為機(jī)構(gòu)。為了使組合起來的構(gòu)件能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并具有運(yùn)動(dòng)確定性，有必要探討機(jī)構(gòu)自由度和構(gòu)件系統(tǒng)成為機(jī)構(gòu)的條件。一、平面機(jī)構(gòu)自由度及其計(jì)算公式 如圖3-11所示，一個(gè)作平

18、面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件具有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的可能性（兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)），這種可能出現(xiàn)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為構(gòu)件的自由度。當(dāng)兩個(gè)構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)副之后，它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到約束，自由度數(shù)目也隨之減少。圖3-11構(gòu)件的自由度3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 設(shè)平面機(jī)構(gòu)共有N 個(gè)構(gòu)件，低副和高副數(shù)目分別為PH 和PL， 如將機(jī)構(gòu)中某一構(gòu)件固定為機(jī)架，則機(jī)構(gòu)中的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為n=N-1。由于活動(dòng)構(gòu)件給機(jī)構(gòu)帶入3n個(gè)自由度，而機(jī)構(gòu)中全部運(yùn)動(dòng)副所引入的約束總數(shù)為2PLPH 。因此活動(dòng)構(gòu)件的自由度總數(shù)減去由運(yùn)動(dòng)副引入的約束總數(shù)就是該機(jī)構(gòu)的自由度，用F 表示，即 式（3-8）是平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式。由式（3-8）可知，機(jī)構(gòu)自由度的大小

19、取決于活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目以及高副和低副的數(shù)目。3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度二、構(gòu)件系統(tǒng)成為機(jī)構(gòu)的條件 機(jī)構(gòu)是具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)的自由度也就是機(jī)構(gòu)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)。為了使構(gòu)件系統(tǒng)成為機(jī)構(gòu)，即要使機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)使給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)目等于機(jī)構(gòu)的自由度。而給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由原動(dòng)件提供的，通常每個(gè)原動(dòng)件只具有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)規(guī)律（如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子具有一個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)燃機(jī)活塞具有一個(gè)獨(dú)立移動(dòng)）。所以構(gòu)件系統(tǒng)成為機(jī)構(gòu)的條件是：F0 且原動(dòng)件的數(shù)目等于構(gòu)件系統(tǒng)的自由度數(shù)。 當(dāng)構(gòu)件系統(tǒng)不具有以上條件時(shí)，則其運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可分析如下： （1）當(dāng)F0 且原動(dòng)件的數(shù)目小于機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，該構(gòu)件系統(tǒng)不具有確定

20、運(yùn)動(dòng)，故不能成為機(jī)構(gòu)。 （2）當(dāng)F0或者構(gòu)件系統(tǒng)的原動(dòng)件數(shù)大于構(gòu)件的自由度時(shí)，該構(gòu)件系統(tǒng)卡死，也不能成為機(jī)構(gòu)。3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 例3-2計(jì)算圖3-12所示顎式破碎機(jī)主機(jī)體的自由度。 解在顎式破碎機(jī)主體機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3，低副數(shù)PL=4，高副數(shù)PH=0。所以有 F=3n-2PL-PH=33-24=1 此構(gòu)件系統(tǒng)具有一個(gè)原動(dòng)件（曲軸1），故原動(dòng)件數(shù)與構(gòu)件系統(tǒng)自由度數(shù)相等，此構(gòu)件系統(tǒng)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖3-12顎式破碎機(jī)及其機(jī)構(gòu)簡圖3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度三、計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度注意的事項(xiàng) 應(yīng)用式（3-1）計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，要注意以下幾種情況。 1.復(fù)合鉸鏈 兩個(gè)以上的構(gòu)件在同一軸線上

21、用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接起來形成復(fù)合鉸鏈。圖3-13c 為三個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，圖3-13a為其俯視圖，圖3-13b 為其側(cè)視圖。從圖3-13b可以看出，復(fù)合鉸鏈具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。不難推算，由K 個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當(dāng)包含（K-1）個(gè)回轉(zhuǎn)副。圖3-13復(fù)合鉸鏈3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 例3-3計(jì)算圖3-14 所示圓盤鋸主體機(jī)構(gòu)的自由度。 解機(jī)構(gòu)中有7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，n =7；A、B、C、D四處都是三個(gè)構(gòu)件匯交成的復(fù)合鉸鏈，各有兩個(gè)回轉(zhuǎn)副，E、F 處各有一個(gè)回轉(zhuǎn)副，故PL =10。由式（3-1）可得 F=3n-2PL-PH=37-210=1 F與機(jī)構(gòu)原動(dòng)件個(gè)數(shù)相等。因此，當(dāng)原動(dòng)件8 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤中心E 將確定地

22、沿直線E E 移動(dòng)。圖3-14圓盤鋸主體機(jī)構(gòu)的自由度3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 2.局部自由度 在機(jī)構(gòu)中常出現(xiàn)不影響輸出構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系的個(gè)別構(gòu)件自由度，稱為局部自由度。在計(jì)算整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，局部自由度應(yīng)除去不計(jì)。 如圖3-15a所示的凸輪機(jī)構(gòu)中，滾子是平面機(jī)構(gòu)中局部自由度最常見的形式。為了減少高副接觸處的磨損，在原動(dòng)件凸輪和從動(dòng)件尖底之間安裝了圓柱形滾子。滾子繞軸線C 的自由轉(zhuǎn)動(dòng)絲毫不影響從動(dòng)件尖底的運(yùn)動(dòng)。為了防止計(jì)算錯(cuò)誤，在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，可以設(shè)想將滾子與從動(dòng)件焊成一體，如圖3-15b 所示，預(yù)先排除局部自由度，然后進(jìn)行計(jì)算。圖3-15局部自由度3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 3.虛約束 在某些機(jī)構(gòu)

23、中，有些運(yùn)動(dòng)副帶入的約束對(duì)機(jī)構(gòu)自由度的影響是重復(fù)的。這些對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不起限制作用的重復(fù)約束稱為虛約束，在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)當(dāng)除去。常見的虛約束經(jīng)常出現(xiàn)在以下場合： （1）兩構(gòu)件構(gòu)成若干個(gè)移動(dòng)副，其導(dǎo)路均相互平行或重合時(shí)，則只有一個(gè)移動(dòng)副起約束作用，其余為虛約束。如圖3-16所示縫紉機(jī)引線機(jī)構(gòu)中，裝針桿3 在A、B 處分別與機(jī)架組成其導(dǎo)路重合的兩移動(dòng)副，計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)只能算一個(gè)移動(dòng)副，另一個(gè)為虛約束。圖3-16導(dǎo)路重合的虛約束3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 （2）兩個(gè)構(gòu)件之間組成多個(gè)軸線重合的回轉(zhuǎn)副時(shí)，只有一個(gè)回轉(zhuǎn)副起作用，其余都是虛約束。如圖3-17 所示，構(gòu)件1、2 在A、B 兩處組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中一

24、個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副是虛約束，應(yīng)按一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副對(duì)待。 （3）兩構(gòu)件組成多個(gè)高副且各高副接觸點(diǎn)處公法線重合時(shí)，只應(yīng)考慮一處高副所引入的約束，其余的為虛約束，如圖3-18所示。圖3-17兩構(gòu)件組成多個(gè) 轉(zhuǎn)動(dòng)副形成虛約束圖3-18兩構(gòu)件組成多個(gè) 高副形成虛約束3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 （4）“距離不變”引入的虛約束。若機(jī)構(gòu)中某活動(dòng)構(gòu)件上一點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中與機(jī)架上一定點(diǎn)間的距離始終不變，此時(shí)用一構(gòu)件和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副將該兩點(diǎn)連接，便引入虛約束。如圖3-19a 所示機(jī)構(gòu)中，lAD lBC ，lAB lCD lEF ，lBE lAF ，按活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n =4， =6 計(jì)算，則 F=3n-2PL-PH= 34260 0，表明該機(jī)構(gòu)不能運(yùn)

25、動(dòng)，顯然與實(shí)際不符。因?yàn)楫?dāng)該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)點(diǎn)E 與機(jī)架上點(diǎn)F 之間的距離始終不變，用構(gòu)件E F 及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副將E 、F 連接，其形成的約束并不影響該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，故為虛約束。計(jì)算自由度時(shí)應(yīng)解除點(diǎn)E 、F 間引入的虛約束，即 F=3n-2PL-PH= 33240 1，與實(shí)際相符。圖3-19“距離不變”引入的虛約束3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 當(dāng)用一個(gè)構(gòu)件和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接機(jī)構(gòu)中任意兩活動(dòng)構(gòu)件上距離不變的兩點(diǎn)時(shí)，也將引入虛約束。如圖3-19b所示機(jī)構(gòu)中，AB=CD、AB/CD、AE=DF、AE/DF。當(dāng)該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩動(dòng)點(diǎn)E 、F之間的距離始終不變，且等于AD。若用構(gòu)件EF（圖中虛線所示）及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副將E

26、、F 連接，其形成的約束并不影響該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，故為虛約束。圖3-19“距離不變”引入的虛約束3-4平面機(jī)構(gòu)的自由度 （5）對(duì)運(yùn)動(dòng)無影響的對(duì)稱部分引入的虛約束。如圖3-20所示的行星齒輪系中，從傳遞運(yùn)動(dòng)的要求來看，只要一個(gè)行星輪2 即可，行星輪圖3-20對(duì)稱結(jié)構(gòu)引入的虛約束2 、2 引入的約束為虛約束。圖3-20對(duì)稱結(jié)構(gòu)引入的虛約束 在實(shí)際機(jī)構(gòu)中，虛約束雖對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不起作用，但卻可以保證機(jī)構(gòu)順利運(yùn)動(dòng)，或增加機(jī)構(gòu)的剛性，改善機(jī)構(gòu)的受力，所以虛約束的應(yīng)用十分廣泛。虛約束都是在一定的幾何條件下形成的，如果幾何條件不能滿足，虛約束將成為約束，從而對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)起限制作用，所以此類機(jī)構(gòu)對(duì)工藝精度有較高的要求。 計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析機(jī)構(gòu)中是否存在虛約束，如存在則應(yīng)先去