機械基礎 課件 模塊2 平面機構

教學目標知識目標1.掌握運動副的類型與判別方法。2.掌握機構運動簡圖的繪制。3.掌握機構自由度的計算。能力目標1.能分析并繪制機構運動簡圖。2.能計算出機構的自由度并能判斷機構是否具有確定的相對運動。3.能對不具有確定相對運動的機構進行改進。素養(yǎng)目標1.培養(yǎng)學生標準意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學生嚴謹細心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊二平面機構

任務一平面機構運動簡圖及自由度【學習重點與難點】1.運動副的類型及判別。2.機構運動簡圖的繪制。3.平面機構自由度的計算及機構具有確定相對運動的條件。4.復合鉸鏈、局部自由度、虛約束等特殊情況下自由度的計算?！鞠嚓P知識】

本模塊只討論平面機構。平面機構是指組成機構的所有構件都在同一平面或相互平行的平面中運動。一、平面運動副的概念與分類、自由度和約束條件（一）運動副的概念

構件和構件之間這種直接接觸又產(chǎn)生相對運動的連接，稱為運動副。使兩構件之間保持接觸的點、線、面稱為運動副元素。如圖所示為常見的運動副。轉動副移動副凸輪副齒輪副（三）運動副的分類

兩構件一般通過點、線、面三種接觸形式連接起來，根據(jù)組成運動副兩構件之間的接觸幾何特征不同，運動副可分為低副和高副。1.低副

兩構件通過面接觸構成的運動副稱為低副。每個低副有兩個約束。按兩構件間的相對運動形式，低副又分為轉動副和移動副。移動副的符號轉動副的符號2.高副

兩個構件之間通過點或者線接觸的運動副稱為高副。高副時用兩構件在直接接觸處的輪廓表示，如圖所示。每個高副引入一個約束，保留兩個自由度數(shù)。凸輪副齒輪副平面運動構件的自由度（二）自由度與約束

構件相對于參考系所具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為構件的自由度。如圖所示，構件可隨其上任一點A沿x軸、Y軸移動和繞垂直于XOY平面的軸轉動。因此作平面運動的自由構件具有三個自由度，用三個獨立的參數(shù)

、

、

表示。

兩構件通過運動副連接后，其相對運動會受到限制，自由度數(shù)也隨之減少。運動副限制了兩個構件間的某些獨立運動的可能性，這種限制稱為約束。（四）構件的分類與表示法1.構件的分類

機構中的構件可分為三類：機架、原動件、從動件。2.構件的表示法

構件有兩運動副、三運動副構件，其運動副按如圖所示表示。二運動副構件三運動副構件二、平面機構的運動簡圖繪制平面機構運動簡圖步驟：1）分析機構運動的傳遞情況，找出機架、主動件和從動件；2）從主動件開始，按照運動的傳遞順序，確定構件和運動副的數(shù)目和類型；3）測量各運動副間的相對位置；4）選擇適當?shù)囊晥D平面（通常選擇與構件運動平行的平面作為平面機構的投影面）和主動件位置，合理表達各構件間的運動關系。5）選擇適當?shù)谋壤?，按照各運動副間的距離和相對位置，畫出機構運動簡圖。繪制如圖所示抽水唧筒機構運動簡圖。抽水唧筒機構運動簡圖三、平面機構自由度的計算及機構具有確定相對運動的條件1.平面機構自由度的計算機構能產(chǎn)生獨立運動的數(shù)目稱為機構的自由度。設平面機構中共有n個活動構件（機架不是活動構件），共有個

低副和

個高副，則機構的自由度數(shù)F為：2.平面機構具有確定相對運動的條件（a）F=0，機構都不能產(chǎn)生運動（b）F=-1，機構都不能產(chǎn)生運動（c）F=1，機構能產(chǎn)生確定的相對運動（d）F=2，運動不確定，不能成為機構如何使（d）能產(chǎn)生確定的相對運動？機構具有確定相對運動的充分必要條件是：

構件系統(tǒng)的自由度F必須大于零，且自由度必須等于原動件數(shù)W。四、機構自由度計算中幾種特殊情況的處理（一）復合鉸鏈

兩個以上的構件在同一軸線上用轉動副相連接就構成復合鉸鏈。如圖所示，三個構件組成復合鉸鏈，這三個構件共組成兩個轉動副。依次類推，m個構件組成的復合鉸鏈應具有m-1個轉動副。請找出復合鉸鏈？（二）局部自由度

機構中不影響整個機構的輸出與輸入運動關系的局部的獨立運動，稱為局部自由度。在計算自由度時應將局部自由度除去。（三）虛約束

機構中與其它約束起重復限制運動作用的約束稱為虛約束。在計算機構自由度時應除去虛約束不計。虛約束出現(xiàn)的場合有以下幾種情況：1.兩個構件形成多個具有相同作用的運動副（1）兩個構件在同一軸線上形成多個轉動副處理方法：只保留一個轉動副。兩個構件在同一軸線上形成多個轉動副（2）兩構件形成多個導路平行或重合的移動副處理方法：只保留一個移動副。兩構形成多個導路平行或重合的移動副（3）兩構件在多處接觸形成高副處理方法：只保留一個高副。兩構件在兩處形成高副2.兩聯(lián)接構件在聯(lián)接點上的運動軌跡重合處理方法：去除虛約束及多余的構件。火車車輪聯(lián)動機構3.機構中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分處理方法：去除對稱部分的構件和形成的運動副。周轉輪系例：

計算如圖所示機構的自由度，指出并說明其中是否有復合鉸鏈、局部自由度、虛約束，并判斷該機構是否有確定的相對運動（圖中箭頭所示構件為原動件）？答案：（1）F=1（2）G處有復合鉸鏈，C處存在局部自由度，K、I處存在虛約束。（3）機構具有確定的相對運動。課堂練習：1.計算如圖所示的機構自由度，并判斷它是否具有確定的相對運動（圖中畫有箭頭的構件為原動件）。2.計算如圖所示的機構自由度，并指出其中的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束。并判斷它是否具有確定的相對運動（圖中畫有箭頭的構件為原動件）。課堂練習：教學目標知識目標1.掌握曲柄存在的條件；2.掌握判斷鉸鏈四桿機構類型的方法；3.掌握鉸鏈四桿機構演化的類型；4.掌握平面連桿機構的基本特性。能力目標1.具有分析和應用鉸鏈四桿機構演化各機構的能力；2.具有分析和應用各種機構運動特性的能力。素養(yǎng)目標1.培養(yǎng)學生標準意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學生嚴謹細心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊二平面機構

任務二鉸鏈四桿機構的類型及演化【學習重點與難點】1.鉸鏈四桿機構的基本類型及判別；2.曲柄滑塊機構、導桿機構等的演化；3.平面連桿機構的基本特性。【相關知識】一、平面連桿機構的特點、應用和基本類型

所有構件均作平行于某一平面運動的連桿機構，稱為平面連桿機構。如果所有低副均為轉動副，這種平面四桿機構稱為鉸鏈四桿機構。（一）鉸鏈四桿機構的基本類型及其應用

組成：機架、連架桿、連桿。

能繞固定鉸鏈中心作整周轉動的連架桿稱為曲柄；不能繞機架作整周轉動，只能在一定角度范圍內擺動的連架桿稱為搖桿。

按連架桿運動形式的不同，可將鉸鏈四桿機構分為三種基本形式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構。1.曲柄搖桿機構及其應用鉸鏈四桿機構的兩個連架桿中，若一個是曲柄，另一個是搖桿，則稱此四桿機構為曲柄搖桿機構，如圖所示。曲柄搖桿機構曲柄搖桿機構的應用：（a）雷達天線俯仰機構（b）攪拌機構（c）縫紉機踏板機構2.雙曲柄機構及其應用

在鉸鏈四桿機構中，若兩連架桿相對機架都是作整周回轉的曲柄，則此四桿機構稱為雙曲柄機構。雙曲柄機構及應用：平行雙曲柄機構及應用：機車車輪聯(lián)動機構慣性篩機構反向平行雙曲柄機構公共汽車的車門啟閉機構反向平行雙曲柄機構及應用：3.雙搖桿機構及其應用

在鉸鏈四桿機構中，若兩連架桿均為搖桿，則此四桿機構稱為雙搖桿機構，如圖所示。雙搖桿機構雙搖桿機構及應用：鶴式起重機飛機起落架（1）以最短桿的相鄰桿為機架時得到曲柄搖桿機構。（2）以最短桿為機架時得到雙曲柄機構。以最短桿的對邊桿為機架時得到雙搖桿機構。若機構不滿足桿長和條件，則無論以哪個構件為機架，都只能為雙搖桿機構。鉸鏈四桿機構不存在曲柄，即雙搖桿機構：（二）鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件及判斷方法

鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件：1.長度和條件：2.最短桿條件：連架桿和機架中必有一桿為最短桿。（1）以最短桿的相鄰桿為機架時得到曲柄搖桿機構。（2）以最短桿為機架時得到雙曲柄機構。二、平面四桿機構的演化（一）轉動副轉化成移動副曲柄滑塊機構的演化過程：（a）（c）對心曲柄滑塊機構（b）（d）偏置曲柄滑塊機構（二）取不同構件為機架1.導桿機構

如果將圖2-32（c）所示的曲柄滑塊機構中的構件AB作為機架，構件BC成為曲柄，滑塊沿導桿移動并做平面運動，則可得到導桿機構。（1）當AB＞BC，為擺動導桿機構，如圖所示。擺動導桿機構（2）當AB≤BC，為轉動導桿機構，如圖所示。轉動導桿機構2.搖塊機構

如果選連桿BC作為機架，滑塊只能繞C點轉動，則可得如圖所示的搖塊機構，常用于卡車車廂翻斗機構中。翻斗機構3.定塊機構

如果取滑塊C為機架，AB為主動件，導桿AC作往復移動，此機構稱為定塊機構，又稱移動導桿機構，如圖所示。三、平面四桿機構的基本特性（一）急回特性

在曲柄搖桿機構中，曲柄轉動一周的過程中，有兩次與連桿共線。這時搖桿分別處于左、右兩個極限位置DC1、DC2。DC1與DC2所夾的銳角稱為搖桿的擺角，記為Ψ；θ為搖桿處于兩極限位置時，曲柄兩對應位置所在直線間所夾的銳角，稱為極位夾角。

當曲柄等速轉動，搖桿來回擺動的快慢不同，返回時的速度較快，四桿機構的這種特性稱為機構的急回特性。機構的急回特性通常用行程速比系數(shù)K來表示，即：總結：只要θ＞0，則K＞1，機構就存在急回特性；極位夾角θ越大，K值也越大，急回特性也越顯著。當θ=0，即K=1時，機構沒有急回特性。急回特性應用之一：牛頭刨床（二）壓力角α和傳動角γ

作用于從動件CD的力F與CD桿上C點的速度vc之間所夾的銳角α稱為壓力角α。F的兩個分力中Fn是有害分力，F(xiàn)t是有效分力。壓力角α越小，有效分力越大，有害分力越小，機構越省力，效率越高，所以壓力角α是判斷機構傳力性能的重要參數(shù)。傳動角γ是壓力角α的余角，也是判斷機構傳力性能的參數(shù)。機構的傳動角γ越大，傳力性能越好。顯然傳動角γ愈大愈好，理想情況是γ=90°。鉸鏈四桿機構的壓力角α和傳動角γ為了保證機構的正常傳動，通常應使傳動角γ的最小值γmin大于或等于其許用值[γ]。最小傳動角的許用值與其受力情況、運動副間隙的大小、摩擦、速度等因素有關。一般機械中，推薦γ=40°～50

°。對于傳遞功率大的機構，如沖床、鄂式破碎機中的主要執(zhí)行機構，為使工作時得到更大效率，可取γmin=[γ]≥50

°。對于一些非傳力機構，如控制、儀表等機構，也可取=[γ]≤40

°，但不能過小。鉸鏈四桿機構的壓力角α和傳動角γ（三）機構的死點位置

如圖所示的曲柄搖桿機構中，如果搖桿CD為主動件，當機構運動到連桿BC與從動曲柄AB共線時，若不考慮慣性力、重力和運動副中的摩擦力，則主動件CD通過連桿作用于從動件曲柄AB上的力剛好通過其轉動中心而出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。此時無論怎樣加大驅動力，均不能僅靠驅動力的作用使從動件運動，這種特性稱為機構的死點位置。曲柄搖桿機構的死點位置

對傳動而言，死點的存在是不利的。為了順利通過死點位置，使機構繼續(xù)正常運轉，可采用以下方法：1.采用錯位排列的方法，將兩組機構的死點位置互相錯開，從而使曲柄始終獲得有效的驅動力矩，如圖所示機車車輪聯(lián)動機構兩組車輪的錯位裝置。2.在輸出件上安裝飛輪，利用其慣性通過死點位置，如縫紉機的踏板為主動件時，與曲柄固連的大帶輪即起飛輪的作用。車輪的錯位裝置

在實際機械中，也常利用死點位置來實現(xiàn)一定的工作要求。飛機起落架鉆床夾具教學目標知識目標1.掌握設計平面連桿機構的方法。能力目標1.能設計簡單的平面連桿機構。素養(yǎng)目標1.培養(yǎng)學生標準意識和規(guī)范意識；2.培養(yǎng)學生嚴謹細心、愛崗敬業(yè)、精益求精的工匠精神。模塊二平面機構

任務三平面四桿機構的設計【學習重點與難點】1.

設計平面連桿機構的圖解法；2.已知連桿位置設計四桿機構；3.已知行程速比系數(shù)設計四桿機構。平面四桿機構的設計是指其運動設計，即根據(jù)機構給定的運動要求，在滿足幾何條件和動力情況下，確定與機構有關的重要尺寸參數(shù)及各構件的相對位置，不涉及構件的具體結構。

平面四桿機構的設計方法一般可歸納為兩類基本問題：

1.實現(xiàn)給定的從動件運動規(guī)律：位置、速度和加速度

2.實現(xiàn)給定的運動軌跡。

平面四桿機構的設計方法有