第1章機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)簡圖

26二月20241第1篇機(jī)構(gòu)的組成和機(jī)械設(shè)計(jì)概論第1章機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)簡圖1.1課程概論1.2平面機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)簡圖26二月202421.1課程概論1.1.1課程的研究對(duì)象本課程的研究對(duì)象是機(jī)械。

1.機(jī)械的概念

1)機(jī)器與機(jī)構(gòu)

機(jī)械是人們用以代替或減輕體力(腦力)勞動(dòng)、改善勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率的工具。

常把具體的機(jī)械叫做機(jī)器。如汽車、飛機(jī)、摩托車、起重機(jī)、挖掘機(jī)、電風(fēng)扇、縫紉機(jī)、洗衣機(jī)等。26二月20243

內(nèi)燃機(jī)、破碎機(jī)都是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置,用來變換或傳遞能量,以代替人的勞動(dòng)。盡管它們的形態(tài)、性能、結(jié)構(gòu)各異,但都稱為機(jī)器，具有以下共同特征:(1)是一種人為實(shí)體的組合；

(2)各實(shí)體之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；

(3)能進(jìn)行能量、物料或信息的變換與傳遞,并完成有用的機(jī)械功或?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

機(jī)械是機(jī)器和機(jī)構(gòu)的總稱。機(jī)器是由各種機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械系統(tǒng)。

如果只有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而不能代替人做有用的機(jī)械功的構(gòu)件組合，則稱為機(jī)構(gòu)。例如摩托車是機(jī)器，而自行車是機(jī)構(gòu)。26二月202442)構(gòu)件與零件、部件機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)單元稱為構(gòu)件。構(gòu)件在機(jī)構(gòu)中具有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)特性，在機(jī)械中形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)整體。從運(yùn)動(dòng)的角度看,機(jī)構(gòu)由具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組成。構(gòu)件可以是一個(gè)獨(dú)立的零件,也可以是由幾個(gè)零件剛性地連接組成的。

從制造的角度看,機(jī)器是由若干零件組成的,零件是最小的制造單元。較復(fù)雜的機(jī)器是先由零件組裝成部件,再由零件和部件組裝成機(jī)器。26二月20245

內(nèi)燃機(jī)中由活塞、連桿、曲軸和汽缸等構(gòu)件構(gòu)成的一個(gè)典型的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

連桿構(gòu)件是由單獨(dú)加工的連桿體、連桿蓋、螺栓和螺母等零件組成的。26二月202462.機(jī)械的分類(1)動(dòng)力機(jī)：又稱原動(dòng)機(jī),是一種將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械。如電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械，汽油機(jī)、蒸汽機(jī)等是將燃油、煤等燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)械。(2)工作機(jī)：是利用機(jī)械能來完成有用功的機(jī)械。大部分機(jī)械都是工作機(jī)，如起重機(jī)通過搬運(yùn)物料而做機(jī)械功；金屬切削機(jī)床通過對(duì)物料的傳遞和轉(zhuǎn)移而做機(jī)械功。(3)信息機(jī)：是通過各種復(fù)雜信息的傳遞來控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)械。它是一種特殊的工作機(jī)，如打印機(jī)是通過計(jì)算機(jī)的指令來傳遞信息并實(shí)現(xiàn)打印工作的。繪圖機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等都是信息機(jī)。26二月202473.機(jī)械的組成輔助系統(tǒng)，例如：潤滑、顯示、照明等原動(dòng)機(jī)部分傳動(dòng)部分控制系統(tǒng)執(zhí)行部分

從整體上看,機(jī)械是由原動(dòng)部分、執(zhí)行部分、傳動(dòng)部分、控制部分組成的。26二月20248

是驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器以完成預(yù)定功能的動(dòng)力源。它把其它形式的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出絕大多數(shù)呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，輸出一定的轉(zhuǎn)矩。

原動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了如下發(fā)展過程：人力、畜力——水力機(jī)、風(fēng)力機(jī)——蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)(1)原動(dòng)機(jī)26二月20249

是用來完成機(jī)器預(yù)定功能的組成部分。一部機(jī)器可以只有一個(gè)執(zhí)行部分，也可以把機(jī)器的功能分解成好幾個(gè)執(zhí)行部分。(2)執(zhí)行部分例：壓路機(jī)的壓輥橋式起重機(jī)的卷筒、釣鉤部分執(zhí)行上下吊放重物的功能牛頭刨床的刨刀26二月202410

用來連接原動(dòng)機(jī)部分和執(zhí)行部分，它將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行部分所需的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)。(3)傳動(dòng)裝置

例：旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)；

高轉(zhuǎn)速變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速；小轉(zhuǎn)矩變?yōu)榇筠D(zhuǎn)矩等。機(jī)器的傳動(dòng)部分大多數(shù)采用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，有時(shí)也采用液壓或電力傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是絕大多數(shù)機(jī)器不可缺少的重要組成部分。26二月202411(4)控制部分：是控制機(jī)械各組成部分運(yùn)動(dòng)的裝置,它使操作者能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)或終止機(jī)械的各種預(yù)定功能。26二月202412機(jī)械零件可以分為兩大類通用零件：各種機(jī)械中經(jīng)常用到的一般參數(shù)的零件。例如：螺釘、齒輪、鏈輪、軸等。專用零件：在特定類型的機(jī)器中才能用到的零件。例如：飛機(jī)螺旋槳、內(nèi)燃機(jī)曲軸等。

機(jī)器的最小元素是——零件26二月2024131.2平面機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)簡圖

目的任務(wù)：理解平面機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)副、自由度等基本概念重點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副、自由度等基本概念難點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副26二月2024141.2.1機(jī)構(gòu)的組成構(gòu)件：運(yùn)動(dòng)單元體零件：制造單元體機(jī)架：機(jī)構(gòu)中相對(duì)不動(dòng)的構(gòu)件

原動(dòng)件：驅(qū)動(dòng)力（或力矩）所作用的構(gòu)件?！斎霕?gòu)件

從動(dòng)件：隨著原動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件?！敵鰳?gòu)件1.構(gòu)件和零件

機(jī)構(gòu)：能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各構(gòu)件（包括機(jī)架）的基本組合體稱為機(jī)構(gòu)。26二月2024152.運(yùn)動(dòng)副

運(yùn)動(dòng)副——兩構(gòu)件直接接觸（具有一定的約束）而又能產(chǎn)生一定形式的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接?！獦?gòu)件間的可動(dòng)聯(lián)接。

根據(jù)構(gòu)件間接觸形式的不同，平面運(yùn)動(dòng)副可分為低副和高副。兩構(gòu)件通過面接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。26二月202416常見的平面低副有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種轉(zhuǎn)動(dòng)副——兩構(gòu)件間只能產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。又稱回轉(zhuǎn)副或鉸鏈。移動(dòng)副——兩構(gòu)件間只能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。26二月202417兩構(gòu)件通過點(diǎn)或線接觸組成的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。凸輪1與頂桿2齒輪1與齒輪2

兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為接觸處切線t-t方向的相對(duì)移動(dòng)和在平面內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。26二月2024181.2.2平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖一、定義：二、繪制：1、運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)副：移動(dòng)副：

用規(guī)定的符號(hào)和線條按一定的比例表示構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，并能完全反映機(jī)構(gòu)特征的簡圖。26二月202419齒輪副凸輪副2.構(gòu)件（桿）：26二月202420機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖常用符號(hào)（摘自GB4460-85）26二月202421機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖常用符號(hào)（摘自GB4460-85）

26二月2024223.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制1）分析機(jī)構(gòu)，觀察相對(duì)運(yùn)動(dòng)，數(shù)清所有構(gòu)件的數(shù)目；2）確定所有運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目；3）選擇合理的位置（即能充分反映機(jī)構(gòu)的特性）；4）確定比例尺；5）用規(guī)定的符號(hào)和線條繪制成簡圖。（從原動(dòng)件開始畫)）26二月202423例1-1繪制圖示內(nèi)燃機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。解(1)分析、確定構(gòu)件類型內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)平面平行,故可視為一個(gè)平面機(jī)構(gòu)?；钊?為原動(dòng)件,缸體1為機(jī)架,連桿3、曲軸4、齒輪5、齒輪6、凸輪軸7、進(jìn)氣門頂桿8均為從動(dòng)件(其中頂桿8為執(zhí)行件,連桿3、曲軸4、齒輪5、齒輪6、凸輪軸7為傳動(dòng)件)。(2)確定運(yùn)動(dòng)副類型。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中活塞2與缸體1組成移動(dòng)副,活塞2與連桿3、連桿3與曲軸4、曲軸4與缸體1分別組成轉(zhuǎn)動(dòng)副。齒輪機(jī)構(gòu)中齒輪5與缸體1、齒輪6與缸體1分別組成轉(zhuǎn)動(dòng)副,齒輪5與齒輪6組成高副。

凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪軸7與缸體1組成轉(zhuǎn)動(dòng)副,頂桿8與缸體1組成移動(dòng)副,凸輪軸7與頂桿8組成高副。26二月202424(3)定視圖方向連桿運(yùn)動(dòng)平面為視圖方向。(4)選擇比例尺,繪制簡圖。先畫出滑塊導(dǎo)路中心線及曲軸中心位置,然后根據(jù)構(gòu)件尺寸和運(yùn)動(dòng)副之間的尺寸,按選定的比例尺和規(guī)定符號(hào)繪出，如圖所示。或26二月2024251.2.3平面機(jī)構(gòu)的自由度1構(gòu)件的自由度

一個(gè)做平面運(yùn)動(dòng)的自由構(gòu)件有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的可能性。

這三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)稱為該構(gòu)件的自由度。

如圖所示,在xOy坐標(biāo)系中,構(gòu)件M可隨其上任一點(diǎn)沿x軸、y軸方向移動(dòng)，也可在xOy平面(繞垂直于xOy平面的軸線z)轉(zhuǎn)動(dòng)。26二月2024262構(gòu)件的約束運(yùn)動(dòng)副對(duì)構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制稱為約束。低副：2個(gè)約束，1個(gè)自由度

轉(zhuǎn)動(dòng)副約束了x、y兩個(gè)方向的移動(dòng),只保留一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；移動(dòng)副約束了沿y軸方向的移動(dòng)和在xOy平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng),只保留沿x軸方向的移動(dòng)。高副:1個(gè)約束，2個(gè)自由度

高副只約束了沿接觸處公法線n-n方向的移動(dòng)。26二月202427

設(shè)一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由k個(gè)構(gòu)件組成,其中一個(gè)構(gòu)件為機(jī)架,則有n=k-1個(gè)活動(dòng)構(gòu)件。未構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副之前,這些活動(dòng)構(gòu)件應(yīng)有3n個(gè)自由度。假設(shè)構(gòu)成PL個(gè)低副和PH個(gè)高副,而一個(gè)低副引入兩個(gè)約束,一個(gè)高副引入一個(gè)約束,每引入一個(gè)約束構(gòu)件就失去一個(gè)自由度,故整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈相對(duì)機(jī)架的自由度應(yīng)為活動(dòng)件自由度的總數(shù)與運(yùn)動(dòng)副引入約束總數(shù)之差。以F表示機(jī)構(gòu)的自由度數(shù),則有F＝3n－2PL－PH26二月202428例1-2計(jì)算圖示內(nèi)燃機(jī)構(gòu)件系統(tǒng)的自由度。解：圖中,曲軸4和齒輪5、齒輪6和凸輪軸7皆固連在一起,故可視為一個(gè)構(gòu)件。因此

n=5

PL=6(兩個(gè)移動(dòng)副,四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副)

PH=2F＝3n－2PL－PH

＝3×5－2×6－2＝126二月2024293計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)的注意事項(xiàng)（1）復(fù)合鉸鏈

兩個(gè)以上構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副稱為復(fù)合鉸鏈。

如圖所示是三個(gè)構(gòu)件匯交成的復(fù)合鉸鏈,圖中構(gòu)件1分別與構(gòu)件2、構(gòu)件3構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。依此類推，m個(gè)構(gòu)件在一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連,應(yīng)具有m-1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。26二月202430解：由圖可知,n=5。

B處為復(fù)合鉸鏈,含兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，PL=7。

PH=0例如計(jì)算圖示鋼板剪切機(jī)的自由度。F＝3n－2PL－PH

＝3×5－2×7－0＝126二月202431（2）局部自由度

機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)的與輸出、輸入運(yùn)動(dòng)無關(guān)的自由度稱局部自由度。

如圖(a)所示的凸輪機(jī)構(gòu)中,為了減少高副接觸處的磨損,在從動(dòng)件上安裝一個(gè)滾子,使其與凸輪輪廓線滾動(dòng)接觸。顯然,滾子繞本身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng),該轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度即局部自由度。計(jì)算時(shí)先把滾子看成與從動(dòng)件連成一體,消除轉(zhuǎn)動(dòng)副后再計(jì)算其自由度,如圖(b)所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)中

n＝2，PL＝2,PH＝1則F＝3n－2PL－PH＝3×2－2×2－1＝126二月202432（3）虛約束

在特殊的幾何條件下，有些約束所起的限制作用是重復(fù)的，這種不起獨(dú)立限制作用的約束稱為虛約束。平面機(jī)構(gòu)中的虛約束,常出現(xiàn)在以下情況中:(1)導(dǎo)路平行或重合的移動(dòng)副：兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)導(dǎo)路相互平行的移動(dòng)副時(shí),會(huì)出現(xiàn)虛約束。如圖18(a)所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,移動(dòng)副D和D′只有一個(gè)起約束作用,另一個(gè)則為虛約束。計(jì)算時(shí)按圖(b)處理。26二月202433(2)軸線重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副：兩構(gòu)件構(gòu)成多個(gè)軸線相互重合的轉(zhuǎn)動(dòng)副,會(huì)出現(xiàn)虛約束。如圖(a)所示的齒輪機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)副A和A′、B和B′只有一個(gè)起約束作用,另一個(gè)為虛約束。26二月202434(3)傳動(dòng)對(duì)稱：機(jī)構(gòu)中傳遞運(yùn)動(dòng)而不起獨(dú)立作用的對(duì)稱部分形成虛約束，如圖所示的差動(dòng)輪系。三個(gè)行星輪2，2′，2″對(duì)稱布置，且作用相同，故計(jì)算時(shí)只取其一，其余為虛約束。26二月202435(4)軌跡重合：連接構(gòu)件上的軌跡和機(jī)構(gòu)上連接點(diǎn)的軌跡重合時(shí),引入虛約束。如圖(a)所示的平行四邊形機(jī)構(gòu)中,連接構(gòu)件5上E點(diǎn)的軌跡與機(jī)構(gòu)連桿BC上E點(diǎn)的軌跡重合,構(gòu)件5引入了虛約束。計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí),應(yīng)按圖(b)處理,將構(gòu)件5及兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F去掉?；?6二月2024364.平面機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件

平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式F＝3n－2PL－PH，表明機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)、活動(dòng)構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)之間的關(guān)系。顯然，只有在自由度大于零時(shí)機(jī)構(gòu)才可能動(dòng)，而自由度等于零時(shí)，機(jī)構(gòu)是不可能產(chǎn)生任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)的。因此，機(jī)構(gòu)能具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件是F＞0。F＞0的條件只表明機(jī)構(gòu)能夠動(dòng)，并不能說明機(jī)構(gòu)是否有確定運(yùn)動(dòng)。因此，尚需進(jìn)一步討論在什么條件下機(jī)構(gòu)才有確定運(yùn)動(dòng)。

從動(dòng)件是不能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的,只有原動(dòng)件才能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。通常每個(gè)原動(dòng)件只有一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。因此,要使各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須使原動(dòng)件數(shù)等于構(gòu)件系統(tǒng)的自由度數(shù)。26二月202437

現(xiàn)從下面兩種情況分析:

左圖為一五桿機(jī)構(gòu)，其自由度為F＝3n－2PL－PH

＝3×4－2×5－0＝21.當(dāng)自由度大于0時(shí),如果原動(dòng)件數(shù)少于自由度數(shù),那么運(yùn)動(dòng)鏈就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象,不能成為機(jī)構(gòu)。

自由度為2,如果原動(dòng)件數(shù)為1（桿4）,那么就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象,不能成為機(jī)構(gòu),如左圖所示。26二月2024382.如果原動(dòng)件數(shù)大于自由度數(shù),則運(yùn)動(dòng)鏈中最薄弱的構(gòu)件或運(yùn)動(dòng)副可能被破壞,也不能成為機(jī)構(gòu)。

圖示為一四桿機(jī)構(gòu)。其活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=3；低副數(shù)pL＝4；高副數(shù)pH＝0。所以，機(jī)構(gòu)的自由度為26二月202439

所以,只有當(dāng)原