第二章 機構結構分析

機械原理（第七版）2009年09月03日河南理工大學機械與動力工程學院普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材主講教師：呂寶占第二章機構的結構分析2023/2/3§2-1機構結構分析的內容及目的§2-2

機構的組成§2-3

機構運動簡圖§2-4

機構具有確定運動的條件§2-5

機構自由度的計算§2-6計算平面機構自由度時應注意的事項§2-7

平面機構的組成原理、結構分類及結構分析主要內容§2-1機構結構分析的內容及目的主要內容及目的是：研究機構的組成及機構運動簡圖的畫法；了解機構具有確定運動的條件；研究機構的組成原理及結構分類。

是兩構件參與接觸而構成運動副的表面。

是兩構件直接接觸而構成的可動連接；§2-2機構的組成1.構件（link）零件是機器中的一個獨立制造單元體；構件是機器中的一個獨立運動單元體。從運動來看，任何機器都是由若干個構件組合而成的。

任何機器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞2.運動副（kinematicpair）運動副運動副元素例2-1軸與軸承、滑塊與導軌、兩輪齒嚙合。連桿是內燃機中的一個構件，它由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、開口銷8等零件構成。

3）按其相對運動形式分轉動副（回轉副或鉸鏈）移動副螺旋副球面副運動副還可分為平面運動副與空間運動副兩類。2）按其接觸形式分高副：點、線接觸的運動副低副：面接觸的運動副3.運動副的分類1）按其引入的約束數目分：Ⅰ級副、Ⅱ級副、……Ⅴ級副。(1)運動副的分類（3）運動鏈構件通過運動副的連接而構成的相對可動的系統(tǒng)。閉式運動鏈（簡稱閉鏈）開式運動鏈（簡稱開鏈）平面閉式運動鏈空間閉式運動鏈平面開式運動鏈空間開式運動鏈（2）運動副符號運動副常用規(guī)定的簡單符號來表達（GB4460－84）。各種常用運動副模型常用運動副的符號表

但當機構安裝在運動的機械上時則是運動的。

——按給定已知運動規(guī)律獨立運動的構件；（4）機構具有固定構件的運動鏈稱為機構。機架原動件從動件——機構中的固定構件?！獧C構中其余活動構件。平面鉸鏈四桿機構機構常分為平面機構和空間機構兩類，其中平面機構應用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機構

一般機架相對地面固定不動，常以轉向箭頭表示。其運動規(guī)律決定于原動件的運動規(guī)律和機構的結構及構件的尺寸。機架原動件從動件機架從動件原動件不嚴格按比例繪出的，只表示機械結構狀況的簡圖。根據機構的運動尺寸，按一定的比例尺定出各運動副的位置，§2-3

機構運動簡圖在對現有機械進行分析或設計新機器時，都需要繪出其機構運動簡圖。1.機構運動簡圖

例2-2

內燃機機構運動簡圖。機構運動簡圖

采用運動副及常用機構運動簡圖符號和構件的表示方法，將機構運動傳遞情況表示出來的簡化圖形。機構示意圖內燃機舉例：（2）選定視圖平面；（3）選適當比例尺，作出各運動副的相對位置，再畫出各運動副和機構的符號，最后用簡單線條連接，即得機構運動簡圖。2.機構運動簡圖的繪制繪制方法及步驟：（1）搞清機械的構造及運動情況，沿著運動傳遞路線，查明組成機構的構件數目、運動副的類別及其位置；內燃機顎式破碎機機構運動簡圖繪制機構運動簡圖繪制顎式破碎機壓床曲柄滑塊機構簡圖火車上驅動機構簡圖練習一練習二§2-4

機構具有確定運動的條件一個機構在什么條件下才能實現確定的運動呢？兩個例子例2-3鉸鏈四桿機構例2-4

鉸鏈五桿機構若給定機構一個獨立運動，則機構的運動完全確定；若給定機構兩個獨立運動，則機構的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機構一個獨立運動，則機構的運動不確定；若給定機構兩個獨立運動，則機構的運動完全確定。

機構的自由度機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目，其數目用F表示。如果原動件數<F,如果原動件數>F,則機構的運動將不確定；則會導致機構最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。結論：

機構具有確定運動的條件是：機構原動件數目應等于機構的自由度的數目F。當機構的自由度大于機構的原動件數時，不能說機構就無用。機構的運動也不一定是毫無規(guī)律的亂動，而要受到最小阻力定律的支配，即:當機構的自由度大于機構的原動件數時，機構將優(yōu)先沿著阻力最小的方向運動。行星輪系爬樓機器人自由度F＝2兩自由度的剎車機構可使兩片剎車片均勻地抱緊在輪轂上，自動調節(jié)剎車片的均載，剎車效果比單一剎車片（單自由度）的更好。絞車制動機構，其自由度F＝2絞車制動機構

一個構件未用運動副與其它構件連接之前，有三個自由度。

當用運動副連接后，構件間的相對運動受到約束，失去一些自由度。運動副不同，失去的自由度數目和保留的自由度數目也不同?！?-5

機構自由度的計算1.平面機構自由度的計算（1）計算公式F＝3n－(2pl＋ph)式中：n為機構的活動構件數目；pl

為機構的低副數目；ph為機構的高副數目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機構F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）鉸鏈五桿機構F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝23）內燃機機構F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1§2-6

計算平面機構自由度時應注意的事項直線機構（圓盤鋸機構）

如果兩構件在多處接觸而構成運動副，且符合下列情況者，則為同一運動副，即只能算一個運動副。§2-6

計算平面機構自由度時應注意的事項1.要正確計算運動副的數目

由m個構件組成的復合鉸鏈，共有(m-1)個轉動副。（1）復合鉸鏈

（2）同一運動副

1）移動副，且移動方向彼此平行或重合；2）轉動副，且轉動軸線重合；

3）平面高副，且各接觸點處的公法線彼此重合。

是指機構中某些構件所產生的不影響其他構件運動的局部運動的自由度，如果兩構件在多處接觸而構成平面高副，但各接觸點處的公法線方向并不彼此重合，則為復合高副，相當于一個低副（移動副或轉動副）。（3）復合平面高副2.要除去局部自由度局部自由度以F′表示。

滾子繞其軸線的轉動為一個局部自由度，

在計算機構自由度時，應將F′從計算公式中減去，即例2-8滾子推桿凸輪機構解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸輪機構的自由度為F＝3×3－(2×3＋1)－1＝13.要除去虛約束

虛約束是指機構中某些運動副帶入的對機構運動起重復約束作用的約束，以p′表示。例2-9平行四邊形四桿機構F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1當增加一個構件5和兩個轉動副E、F，且BEAF，則∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×4－(2×6＋0)－0＝0原因：構件5和兩個轉動副E、F引入的一個約束為虛約束。

在計算機構的自由度時，應從機構的約束數中減去虛約束數目p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四邊形五桿機構的自由度為F＝3×4－(2×6＋0－0)－0＝1（1）軌跡重合的情況

在機構中，如果用轉動副連接的是兩個構件上運動軌跡相重合的點，該連接將帶入1個虛約束。

例如橢圓儀機構就是這種情況（圖中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。

顯然，轉動副C所連接的C2、C3兩點的軌跡重合，將帶入一個虛約束。（2）用雙副桿連接兩構件上距離恒定不變的兩點的情況

在機構運動過程中，如果兩構件上兩點之間的距離始終保持不變，若用一雙副桿將此兩點相連，也將帶入一個虛約束。4．機構中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機構就屬于此種情況。顯然，構件5和轉動副E、F所聯接的兩點間的距離始終保持不變，故帶入一個虛約束。（3）結構重復的情況

在機構中，不影響機構運動傳遞的重復部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。顯然，從機構運動傳遞來看，僅有一個齒輪就可以了，而其余兩個齒輪并不影響機構的運動傳遞，故帶入了虛約束，且p′＝2。局部自由度虛約束

1.虛約束對機構工作性能的影響（1）虛約束的作用（2）虛約束對機構運動的影響虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時，它就將成為實際有效的約束，從而影響到機構的性能。例如平行四邊形機構，若誤差較小，則機構裝配困難，應力將增大，運動不靈活；

若誤差較大，則機構無法裝配，若勉強裝配，則傳動效率低，易損壞。為了改善構件的受力情況；增加機構的剛度；保證機械通過某些特殊位置。

機構中的虛約束數越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。

結論從保證機構運動靈活性和便于加工裝配方面來說，應盡量減少機構的虛約束。因此，虛約束的多少是機構性能的一個重要指標。

不能再拆的最簡單的自由度為零的構件組，稱阿蘇爾桿組，簡稱桿組?！?-7

平面機構的組成原理、結構分類及結構分析1.平面機構的組成原理1）基本桿組：

注意在桿組并接時，不能將同一桿組的各個外接運動副接于同一構件上，否則將起不到增加桿組的作用。

任何機構都可看作是由若干個基本桿組依次連接于原動件和機架而構成的。2）機構組成原理：（1）基本桿組的條件3n－2pl－ph＝0式中n、pl及ph分別為基本桿組中的構件數、低副數和高副數。全為低副桿組的條件3n－2pl＝0或n/2＝pl/3（2）桿組的基本類型1）Ⅱ級桿組由2個構件和3個低副構成的桿組。2）Ⅲ級桿組由4個構件和6個低副構成的桿組。3.平面機構的結構分析（1）分析的目的了解機構的組成，確定機構的級別。（2）分析的方法1）先計算機構的自由度，并確定原動件；

2）從遠離原動件的構件先試拆Ⅱ級組，若不成；再拆Ⅲ級組，直至只剩下原動件和機架為止；3）最后確定機構的級別。（3）舉例破碎機機構的結構分析：1