第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)

第二篇機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY2第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成一、機(jī)器、機(jī)構(gòu)與機(jī)械1、機(jī)器的概念第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成機(jī)器是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，用來變換或傳遞能量、物料或信息。機(jī)器的重要特征是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動和能量、信息的傳遞與變換。生活中常見的汽車、飛機(jī)、艦船、車床、印刷機(jī)、包裝機(jī)，盡管其功能外形等不同，但都是機(jī)器。因?yàn)樗麄兇蠖紙?zhí)行機(jī)械運(yùn)動，也有能量的變換。4第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成2、機(jī)構(gòu)的概念凡是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的重要特征是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動。在四沖程內(nèi)燃機(jī)中，活塞1的往復(fù)移動通過連桿2推動曲軸3連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這種把活塞移動轉(zhuǎn)化為曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動的機(jī)械運(yùn)動裝置為連桿機(jī)構(gòu)。凸輪7、7’轉(zhuǎn)動，驅(qū)動推桿8、8’往復(fù)移動，稱之為凸輪機(jī)構(gòu)。再通過杠桿機(jī)構(gòu)9、9’，驅(qū)動氣門10、10’的開啟，控制進(jìn)、排氣閥的運(yùn)動，保證缸體11內(nèi)按順序吸進(jìn)燃?xì)夂团懦鰪U氣。5第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)四沖程內(nèi)燃機(jī)中，活塞往復(fù)移動四次，曲軸轉(zhuǎn)動兩周，進(jìn)氣閥和排氣閥各啟閉一次，所以凸輪的轉(zhuǎn)數(shù)要比曲軸的轉(zhuǎn)數(shù)低一倍。也就是說，在曲軸和凸輪軸之間要設(shè)置減速齒輪4、5、6，稱之為齒輪機(jī)構(gòu)。齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動到減速轉(zhuǎn)動的運(yùn)動變換。其中，連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)都是執(zhí)行具體機(jī)械運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成工程中，常用簡單的線條和符號表示機(jī)構(gòu)的組成情況。一般情況下，機(jī)器中包含至少一個(gè)機(jī)構(gòu)。圖示內(nèi)燃機(jī)中包括連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)。6第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)3、機(jī)械的概念第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成機(jī)器和機(jī)構(gòu)都是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動的裝置，從運(yùn)動學(xué)觀點(diǎn)看，二者是一樣的，故把機(jī)器和機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為機(jī)械。談到具體的機(jī)械時(shí)，一般稱為機(jī)器（machine），如拖拉機(jī)、印刷機(jī)、飛機(jī)等。泛指時(shí)，一般稱為機(jī)械（machinery）如工程機(jī)械、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、建筑機(jī)械等。以后，當(dāng)不談到具體機(jī)器時(shí)，一般稱為機(jī)械。7第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)二、機(jī)器的組成第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成機(jī)器中含有原動機(jī)，為工作提供動力；還有機(jī)械運(yùn)動的傳動裝置和工作執(zhí)行裝置，還有控制裝置。其中運(yùn)動傳動裝置和工作執(zhí)行裝置有稱為機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)。8第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成圖示汽車中，發(fā)動機(jī)為原動機(jī)，為行駛提供動力；變速箱、傳動軸等為傳動系統(tǒng)，車輪為工作執(zhí)行裝置，變速桿及方向盤為控制系統(tǒng)；圖示牛頭刨床中，找出原動機(jī)和傳動系統(tǒng)。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)機(jī)械的基本概念及組成仿生機(jī)械中，經(jīng)常有多個(gè)原動機(jī)，這樣動作就更加靈活。圖示機(jī)械手，有腰關(guān)節(jié)電機(jī)、肩關(guān)節(jié)電機(jī)、肘關(guān)節(jié)電機(jī)和腕關(guān)節(jié)電機(jī)，夾持器是執(zhí)行裝置。圖示四足仿生機(jī)器人中，每條腿有三個(gè)驅(qū)動電機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制。10第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)一、零件與構(gòu)件第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)零件是指組成機(jī)器的最小制造單元，如一個(gè)齒輪、螺釘、螺母等。都是通過單一機(jī)械加工制造出來的，所以都是零件。構(gòu)件是指組成機(jī)器的最小運(yùn)動單元。圖示為內(nèi)燃機(jī)，其中箱體4、活塞3、連桿2和曲軸1都是構(gòu)件。構(gòu)件可能是一個(gè)零件，也可能是幾個(gè)零件的剛性組合。內(nèi)燃機(jī)中的連桿為一個(gè)構(gòu)件，由連桿體、連桿頭、螺栓、螺母、墊圈、軸瓦等幾個(gè)零件剛性組合在一起的。11第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)二、運(yùn)動副：1、運(yùn)動副的概念：兩個(gè)構(gòu)件之間具有相對運(yùn)動的連接，叫運(yùn)動副。運(yùn)動副的本質(zhì)是一種連接，但被連接構(gòu)件之間要有相對運(yùn)動，否則就是固接。圖中的構(gòu)件1和構(gòu)件2用凸球面和凹球面連接起來，可以實(shí)現(xiàn)看空間三維轉(zhuǎn)動，在運(yùn)動過程中，兩構(gòu)件需要保持接觸。12第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)2、運(yùn)動副的分類：按照兩構(gòu)件的相對運(yùn)動分類運(yùn)動副分類按照兩構(gòu)件之間的接觸方式分類按照兩構(gòu)件之間提供的約束數(shù)量分類兩個(gè)構(gòu)件之間用運(yùn)動副連接起來，彼此互相約束，必然保持接觸，而且可以相對運(yùn)動，因此運(yùn)動副可以按照構(gòu)件之間的約束數(shù)量、相對運(yùn)動形式、接觸形式進(jìn)行分類。13第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)（1）按照構(gòu)件間的相對運(yùn)動方式分類：（1）按照兩構(gòu)件的相對運(yùn)動分類轉(zhuǎn)動副：兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副移動副：兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為移動的運(yùn)動副圓柱副：兩構(gòu)件之間的相對運(yùn)動為移動和轉(zhuǎn)動的運(yùn)動副轉(zhuǎn)動副

螺旋副

移動副

圓柱副

14第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)（2）按照兩構(gòu)件間的接觸方式分類低副：兩構(gòu)件之間為面接觸的運(yùn)動副高副：兩構(gòu)件之間為點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動副（2）按照構(gòu)件間的接觸方式分類：15第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)（3）按照構(gòu)件間約束數(shù)量分類：（3）按照兩構(gòu)件間的約束數(shù)量分類

Ⅰ類副：提供一個(gè)約束的運(yùn)動副，稱為Ⅰ類副

Ⅱ類副：提供二個(gè)約束的運(yùn)動副，稱為Ⅱ類副

Ⅳ類副：提供4個(gè)約束的運(yùn)動副，稱為Ⅳ類副

Ⅲ類副：提供三個(gè)約束的運(yùn)動副，稱為Ⅲ類副

Ⅴ類副：提供五個(gè)約束的運(yùn)動副，稱為Ⅴ類副

16第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)4、五類運(yùn)動副符號如下：Ⅰ類副Ⅱ類副Ⅲ類副Ⅳ類副Ⅴ類副C=1,f=5少用C=2,f=4少用C=3,f=3常用C=4,f=2常用C=5,f=1常用C=2,f=4少用C=3,f=5少用C=4,f=2不常用C=5,f=1常用1217

5、常見運(yùn)動副動畫轉(zhuǎn)動副移動副齒輪副凸輪副球面副圓柱副球銷副螺旋副第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)18第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)名稱

圖形符號名稱

圖形符號桿件固定連接轉(zhuǎn)動副二副桿移動副三副桿電動機(jī)螺旋副深溝球軸承6、常見構(gòu)件與運(yùn)動副的表示方法19第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)名稱

圖形符號名稱

圖形符號單向推力軸承齒輪齒條機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)錐齒輪機(jī)構(gòu)帶傳動機(jī)構(gòu)蝸桿傳動機(jī)構(gòu)鏈傳動機(jī)構(gòu)棘輪機(jī)構(gòu)20第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)名稱

圖形符號名稱

圖形符號外嚙合齒輪機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器內(nèi)嚙合齒輪機(jī)構(gòu)離合器21第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)7、運(yùn)動副元素;兩構(gòu)件在運(yùn)動副處所參與接觸時(shí)形成的點(diǎn)、先、面部分，稱為運(yùn)動副元素。如內(nèi)燃機(jī)連桿和曲軸以轉(zhuǎn)動副連接，對曲軸而言，外圓柱面是運(yùn)動副元素，對連桿大端而言，連桿內(nèi)圓柱孔為運(yùn)動副元素；方形平面為運(yùn)動副元素齒廓曲線為運(yùn)動副元素凸輪輪廓曲線為運(yùn)動副元素第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)課程常用的構(gòu)件一般表示方法桿、軸構(gòu)件固定構(gòu)件同一構(gòu)件第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)在表示構(gòu)件時(shí)，僅關(guān)心構(gòu)件的長度尺寸，不關(guān)注構(gòu)件的材料、截面形狀及截面尺寸、強(qiáng)度等常用的帶副構(gòu)件的一般表示方法第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)兩運(yùn)動構(gòu)件構(gòu)成的運(yùn)動副轉(zhuǎn)動副移動副12121212121212121212121212兩構(gòu)件之一為固定時(shí)的運(yùn)動副1221212121平面高副25第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)1、運(yùn)動鏈的概念;若干個(gè)構(gòu)件用運(yùn)動副連接起來后，所組成的能做相對運(yùn)動的構(gòu)件系統(tǒng)，稱為運(yùn)動鏈。如圖a所示的四個(gè)構(gòu)件用四個(gè)轉(zhuǎn)動副連接起來,組成四桿鉸鏈型運(yùn)動鏈；圖b所示的四個(gè)構(gòu)件用3個(gè)轉(zhuǎn)動副一個(gè)移動副連接起來,也組成一個(gè)四桿運(yùn)動鏈；圖c為一個(gè)構(gòu)件，兩端圓圈代表運(yùn)動副元素。三、運(yùn)動鏈(a)(b)(c)26第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)2、運(yùn)動鏈分類;(1)按運(yùn)動鏈?zhǔn)欠袷孜卜忾]，分為閉鏈和開鏈。1）閉鏈：組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件形成一個(gè)首尾封閉的構(gòu)件系統(tǒng)。稱之為閉鏈。2）開鏈：組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件沒有形成一個(gè)首尾封閉的構(gòu)件系統(tǒng)。稱之為開鏈。圖中(a)、(b)、(c)為閉鏈，(d)、(e)為開鏈；開鏈中，首尾構(gòu)件只有一個(gè)運(yùn)動副元素。如構(gòu)件3、4.(a)(b)(c)（d）(e)27第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)(2)按各構(gòu)件的相對運(yùn)動分類，可分為平面運(yùn)動鏈和空間運(yùn)動鏈。1）平面運(yùn)動鏈：組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件在同一平面或平行平面內(nèi)運(yùn)動。稱為平面運(yùn)動鏈。2）空間運(yùn)動鏈：組成運(yùn)動鏈的各構(gòu)件不在同一平面或平行平面內(nèi)運(yùn)動。稱為空間運(yùn)動鏈。圖中(a)、(b)為平面運(yùn)動鏈，(c)、(d)、(e)為空間運(yùn)動鏈；其中，（e）為空間開鏈，空間在仿生機(jī)械中有廣泛應(yīng)用。(a)(b)(c)（d）(e)s28第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)四、機(jī)構(gòu)1、定義：把運(yùn)動鏈中的某一個(gè)構(gòu)件固定不動，該運(yùn)動鏈稱為機(jī)構(gòu)。2、機(jī)構(gòu)分類：同運(yùn)動鏈類似，機(jī)構(gòu)也可以按照是否封閉和運(yùn)動形式分類。（1）按構(gòu)件系統(tǒng)是否封閉，分為閉鏈機(jī)構(gòu)和開鏈機(jī)構(gòu)。圖中(a)(b)為平面閉鏈機(jī)構(gòu)。(c)為平面開鏈機(jī)構(gòu)。（2）按構(gòu)件運(yùn)動平面，分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)。(d)為空間開鏈機(jī)構(gòu)，（e）為空間閉鏈機(jī)構(gòu)。SS4321(a)(b)(c)（d）(e)29第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)運(yùn)動鏈與機(jī)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)齒輪機(jī)構(gòu)棘輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)不完全齒輪機(jī)構(gòu)凸輪式間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)一些簡單機(jī)構(gòu)30第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖一、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1、定義：用簡單的線條和圖形符號表示機(jī)構(gòu)組成情況的簡單圖形，稱為機(jī)構(gòu)簡圖。若按照比例尺畫出，稱為機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖；否則為機(jī)構(gòu)示意圖。

圖示曲柄活塞機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖為：機(jī)構(gòu)簡圖是機(jī)械設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖2、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖畫法1.找出主動件和從動件；繪制步驟：4.依據(jù)機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動副間的實(shí)際相對位置，按比例尺在相應(yīng)位

置處繪制各運(yùn)動副；2.沿運(yùn)動傳遞路徑，確定構(gòu)件數(shù)目和運(yùn)動副的類型與數(shù)目；3.選擇大多數(shù)構(gòu)件所在的平面為投影面，確定比例尺：ul

=實(shí)際尺寸(m或mm)/繪圖尺寸(mm)；5.依據(jù)機(jī)構(gòu)中構(gòu)件與運(yùn)動副的鏈接關(guān)系，用線條表示各構(gòu)件；6.在圖中標(biāo)出主動件，并為各構(gòu)件(1,2,3…)及運(yùn)動副(A,B,C…)

編號。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖3、例題1.找出主動件和從動件；例1.繪制圖示泵機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。2.沿運(yùn)動傳遞路徑，確定構(gòu)件數(shù)目和運(yùn)動副的類型與數(shù)目；構(gòu)件數(shù)：偏心盤1、連桿2、滑塊3,、外殼（機(jī)架）4運(yùn)動副：偏心盤1和轉(zhuǎn)軸4在A點(diǎn)以轉(zhuǎn)動副連接偏心盤1和連桿2在B點(diǎn)以轉(zhuǎn)動副連接連桿2和滑塊3在C點(diǎn)以轉(zhuǎn)動副連接滑塊3和機(jī)架4以移動副連接主動件從動件機(jī)架4321CBA

4第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖3.選擇大多數(shù)構(gòu)件所在的平面為投影面，確定比例尺：

μl

=實(shí)際尺寸(m或mm)/繪圖尺寸(mm)；6.各構(gòu)件(1,2,3…)及運(yùn)動副(A,B,C…)編號，并標(biāo)出主動件。4.依據(jù)機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動副間的實(shí)際相對位置，按比例尺

在相應(yīng)位處繪制各運(yùn)動副；5.根據(jù)構(gòu)件與運(yùn)動副的鏈接關(guān)系，用線條表示各構(gòu)件；4321CBA

41234ABC第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1.齒輪1為主動件，刨頭2為從動件；例2.繪制圖示牛頭刨床的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。2.沿運(yùn)動傳遞路徑，確定構(gòu)件數(shù)目和運(yùn)動副的類型與數(shù)目；構(gòu)件數(shù)：齒輪1、2，滑塊3,桿件4、5、6，為6個(gè)可動構(gòu)件，機(jī)架7為固定構(gòu)件。

3.選擇大多數(shù)構(gòu)件所在的平面為投影面，確定比例尺：

μl

=實(shí)際尺寸(m或mm)/繪圖尺寸(mm)；第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖4.依據(jù)機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動副間的實(shí)際相對位置，按比例尺在相應(yīng)位置處繪制各運(yùn)動副；5.依據(jù)機(jī)構(gòu)中構(gòu)件與運(yùn)動副的鏈接關(guān)系，用線條表示各構(gòu)件；6.在圖中標(biāo)出主動件，并為各構(gòu)件(1,2,3…)及運(yùn)動副(A,B,C…)編號。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖1.由活體大狗轉(zhuǎn)換為解剖大狗或骨骼結(jié)構(gòu)圖例3.繪制圖示大狗的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，僅考慮四肢系統(tǒng)。2.找出各肢體的連接部分以及肢體數(shù)量，肢體簡化為構(gòu)件，肢體連接簡化為運(yùn)動副。3.找出各肢體的連接部分以及肢體數(shù)量，肢體簡化為構(gòu)件，肢體連接簡化為運(yùn)動副。4.測量各運(yùn)動副之間尺寸，選擇比例尺和投影面，畫機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖和實(shí)用機(jī)構(gòu)圖。大狗透視圖骨骼結(jié)構(gòu)圖機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖簡化的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖仿生機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)的最重要之處就是學(xué)習(xí)繪制待模仿動物的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，然后加以簡化。例4.繪制圖示鴿子軀體的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。圖示為鴿子的軀體結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡圖。未畫出頭頸部。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖例5.繪制圖示人體上肢的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。人體上肢結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及各肢骨都很復(fù)雜，繪制機(jī)構(gòu)簡圖是要做必要的簡化?？梢韵葒L試運(yùn)動自己右臂，了解關(guān)節(jié)運(yùn)動、對照骨骼結(jié)構(gòu)圖簡化。肩關(guān)節(jié)為球面副；肘關(guān)節(jié)為球銷副或轉(zhuǎn)動副；腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動副；小臂簡化為1個(gè)構(gòu)件，手掌骨簡化為1個(gè)構(gòu)件。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算一、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算1.構(gòu)件自由度：自由構(gòu)件在平面內(nèi)的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)量2.運(yùn)動副的約束xOyAB自由構(gòu)件AB在平面內(nèi)有3個(gè)自由度兩個(gè)構(gòu)件由運(yùn)動副連接后，構(gòu)件運(yùn)動受到運(yùn)動副的約束；轉(zhuǎn)動副C=2,f=1平面高副C=1,f=2移動副C=2,f=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算3.運(yùn)動副的自由度：連接兩構(gòu)件的運(yùn)動副所提供的獨(dú)立運(yùn)動個(gè)數(shù)。

圖示轉(zhuǎn)運(yùn)動副中，只有1個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，

圖示移運(yùn)動副中，只有1個(gè)沿x軸移動的自由度，

圖示轉(zhuǎn)高副中，有1個(gè)繞接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動的自由度和1個(gè)沿公切線移動的自由度。轉(zhuǎn)動副C=2,f=1移動副C=2,f=1平面高副C=1,f=2第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算給定1個(gè)獨(dú)立運(yùn)動，則有確定運(yùn)動給定2個(gè)獨(dú)立運(yùn)動，則有確定運(yùn)動第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算在平面內(nèi)，1個(gè)活動構(gòu)件有3個(gè)自由度，設(shè)機(jī)構(gòu)中有n個(gè)活動構(gòu)件，則活動構(gòu)件自由度總數(shù)為3n.（2）機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式機(jī)構(gòu)自由度為各構(gòu)件自由度數(shù)減去各運(yùn)動副提供約束在總和xOyAB

F=3n-2Pl

-Phn:機(jī)構(gòu)中可動構(gòu)件的數(shù)目Pl

:機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目Ph

:機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)目第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（3）機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算例題例1.計(jì)算下圖所示5桿機(jī)構(gòu)的自由度5ABCDE54321例2.計(jì)算下圖所示凸輪機(jī)構(gòu)的自由度O231n=4Pl

=5Ph

=0F=3n

–

2Pl

–

Ph=12–

10

–0=2n=2Pl

=2Ph

=1F=3n

–

2Pl

–

Ph=6–4

–1=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（3）機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算例題例3.計(jì)算下圖所示機(jī)構(gòu)的自由度n=5Pl

=7Ph

=0公式：F=3n

–

2Pl

–

PhF=15–

14=1例3.2例3.1n=6Pl

=8Ph

=1F=18–

16

-1=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算二、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動的條件當(dāng)機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)等于機(jī)構(gòu)主動件個(gè)數(shù)時(shí)，該機(jī)構(gòu)有確定的相對運(yùn)動。自由度等于1，說明該機(jī)構(gòu)需要1個(gè)主動件，或一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動或機(jī)構(gòu)主動件個(gè)數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，該機(jī)構(gòu)有確定的相對運(yùn)動。自由度為2，說明該機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)主動件機(jī)構(gòu)自由度數(shù)是結(jié)構(gòu)固有屬性，機(jī)構(gòu)的主動件數(shù)是認(rèn)為選定的。第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算三、計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度注意事項(xiàng)

1、注意機(jī)構(gòu)中的冗余自由度123指機(jī)構(gòu)中不影響其他構(gòu)件運(yùn)動的自由度，叫冗余自由度，也叫局部自由度。F=3n–2Pl

–Ph=9–6

–1=2n=3Pl

=3Ph

=1該機(jī)構(gòu)具有1個(gè)獨(dú)立運(yùn)動既有確定運(yùn)動，滾子2繞自身軸線的轉(zhuǎn)動不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動，故稱為冗余自由度。應(yīng)該全去掉，可將滾子2與桿3固接。1234F=3n–2Pl

–Ph=6–4

–1=1n=2Pl

=2Ph

=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算2、復(fù)合鉸鏈兩個(gè)構(gòu)件只能用一個(gè)運(yùn)動副連接，若兩個(gè)以上構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副連接，則出現(xiàn)復(fù)合鉸鏈。212121兩個(gè)構(gòu)件的鉸鏈連接多個(gè)構(gòu)件的鉸鏈連接213213復(fù)合鉸鏈的個(gè)數(shù)：m個(gè)構(gòu)件在一起用轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)動副的個(gè)數(shù)為m-1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算3.冗余約束:

對機(jī)構(gòu)運(yùn)動不起限制作用的約束，叫冗余約束，也叫虛約束。123ABCD5E平行四邊形機(jī)構(gòu)ABCD中，自由度為1，若在連桿BC和機(jī)架AD之間用轉(zhuǎn)動副連接一個(gè)構(gòu)件EF，使EF=AB=CD,且相互平行，此時(shí)該機(jī)構(gòu)的自由度為零。這是因?yàn)樽鲌D中連桿E點(diǎn)的軌跡是以F為圓心，EF為半徑的圓，當(dāng)用EF桿件連接后，并沒有改變E點(diǎn)的運(yùn)動性質(zhì)，因此EF桿件引入的約束是多余的，沒有起約束作用。

F=3n-2Pl

-Ph=12-12

-0第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（1）

兩構(gòu)件在多處由轉(zhuǎn)動副連接，且各轉(zhuǎn)動副軸線重合，只計(jì)入一處轉(zhuǎn)動副，其余為冗余約束。12AB12AB3CD12AB3從運(yùn)動學(xué)觀點(diǎn)看，冗余約束是多余的，但從結(jié)構(gòu)學(xué)觀點(diǎn)看，冗余約束是必要的，可提高機(jī)構(gòu)的剛度。冗余約束的判斷較難，對出現(xiàn)在以下場合：第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（2）

兩構(gòu)件在多處由移動副連接，且各移動副導(dǎo)路平行，只計(jì)入一處移動副，其余為冗余約束。12AB12A圖示牛頭刨床機(jī)構(gòu)中，構(gòu)件6和機(jī)架7在E、F點(diǎn)兩處用移動副連接，且導(dǎo)路平行，只計(jì)入一處移動副，另一個(gè)為冗余約束。F=3n–2Pl

–Ph=18-16-1=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（3）

兩構(gòu)件在多處由高副連接，且各高副接觸點(diǎn)的公法線重合，只計(jì)入一處高副，其余為冗余約束。nnBA第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（4）不起約束作用的構(gòu)件導(dǎo)致冗余約束雙滑塊機(jī)構(gòu)中，A點(diǎn)的軌跡為以O(shè)A為半徑，O為圓心的圓。F=0DCBAOAB若以帶有兩個(gè)轉(zhuǎn)動副的構(gòu)件OA連接BC和機(jī)架，則產(chǎn)生冗余約束。處理方法：去掉帶有兩個(gè)轉(zhuǎn)動副的構(gòu)件。F=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算(5)機(jī)構(gòu)運(yùn)動中，若兩點(diǎn)之間距離保持不變，以構(gòu)件連接時(shí)，將產(chǎn)生冗余約束。ABAB

處理方法：將帶有兩個(gè)轉(zhuǎn)動副的構(gòu)件AB去掉。AF=0F=1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算例題1：

計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)自由度3AC1245678BDEFn=7Pl

=10Ph

=0F=3n-2Pl

-Ph=21-20=1n=7Pl

=10Ph

=0F=3n-2Pl

-Ph=21-20

-0=11.23458ABC67ED兩個(gè)轉(zhuǎn)動副一個(gè)轉(zhuǎn)動副第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算例題2：

計(jì)算圖示機(jī)構(gòu)自由度8=3×7-2×9-2=1=3×4-2×4=2n=7Pl

=9Ph

=2n=4Pl

=4Ph

=2第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算四

、空間連桿機(jī)構(gòu)的自由度1、自由構(gòu)件在3維空間的自由度:每個(gè)自由構(gòu)件在空間有6個(gè)自由度，設(shè)機(jī)構(gòu)有n個(gè)構(gòu)件，則有6n個(gè)自由度。xzy第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算空運(yùn)動副分類表第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算空運(yùn)動副分類表第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算

2、空間連桿機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式:

第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算五

、空間連桿機(jī)構(gòu)的分類平面連桿機(jī)構(gòu)是按照桿件數(shù)目或運(yùn)動特性分類的，如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)等?？臻g連桿機(jī)構(gòu)是按照運(yùn)動副的排序分類的，一般從主動件開始。如：SPSR機(jī)構(gòu)，RSSR空間機(jī)構(gòu)4R機(jī)構(gòu)

（機(jī)械手機(jī)構(gòu)一般不計(jì)入腕部鉸鏈）S第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算四

、空間連桿機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算

n=5Ⅴ類副（R）=5F=6ⅹ5-(5ⅹ5)=55R機(jī)構(gòu)n=3Ⅴ類副（R）=1Ⅳ類副（C）=3F=6ⅹ3-(5ⅹ1+4ⅹ3)=1R3C機(jī)構(gòu)空間連桿機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算比較復(fù)雜，僅討論簡單機(jī)構(gòu)的自由度問題。例1：計(jì)算圖示空間連桿機(jī)構(gòu)的自由度第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算例2：計(jì)算圖示空間連桿機(jī)構(gòu)的自由度

n=4Ⅴ類副（R）=4F=6ⅹ4-5ⅹ4=4該機(jī)器人有4個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動n=3Ⅴ類副（R）=2Ⅲ類副（S）=2F=6ⅹ3-(5ⅹ2+3ⅹ2)-1=1（構(gòu)件2有一個(gè)繞自身軸線轉(zhuǎn)動的冗余自由度）第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析第五節(jié)平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析一、桿組的概念1、機(jī)構(gòu)的原動件：具有獨(dú)立運(yùn)動的構(gòu)件，也叫主動件；或給機(jī)構(gòu)提供原動力的構(gòu)件。

原動件常做定軸轉(zhuǎn)動或往復(fù)移動。大多數(shù)情況下，原動件與機(jī)架連接。2121定軸轉(zhuǎn)動的原動件往復(fù)移動的原動件多個(gè)原動件第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2、桿組一個(gè)機(jī)構(gòu)中，去掉原動件后剩余的桿件系統(tǒng)，稱為桿組。由于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)等于原動件數(shù)，去掉原動件后，剩余的桿組系統(tǒng)自由度一定為零。DBC23A14EF56DBC23EF56F=3n-2Pl

-Ph=3×4-2×6=0F=3n-2Pl

-Ph=3×5-2×7

-1第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析3、基本桿組自由度為零桿組有時(shí)還何以再分為若干自由度為零的桿組。

桿組中的構(gòu)件必為偶數(shù)。DBC23EF563n-2Pl=0

由于桿組自由度為零，則有：把自由度為零、且不能在進(jìn)行拆分的桿組稱為基本桿組?；緱U組基本桿組

第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析桿組內(nèi)部構(gòu)件連接的運(yùn)動副稱為內(nèi)接副，與外部構(gòu)件連接的運(yùn)動副為外接副。66內(nèi)接副外接副外接副外接副內(nèi)接副外接副第三章機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析Ⅱ桿組的基本類型