《机械设计基础》第一章平面机构的运动简图和自由度 ppt课件
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第一节平面机构运动简图及自由度计算ppt课件
b）常见类型：凸轮机构中的滚子从动件及类似滑动摩擦改为滚 动摩擦处。
c)处理方法：自由度计算时应将局部自由度除去，可设想把滚 子与从动件固成一体。
d)自由度计算实例
d)实例：计算下列图示机构自由度。
3C 2 B 1
A
实例
a)概念：机构中与其他运动副所起的限制作用重复，对机构运动 不起新的限制作用的约束，称为虚约束。
学习提要
1.了解相关基本概念：机器、机构、构件、零件、机械、 平面机构、运动副、低副、高副、约束、平面机构运动简 图、平面机构示意图、自由度。 2.掌握平面机构运动简图的绘制。 3.掌握平面机构自由度计算。 4.掌握平面机构自由度计算时几种特殊情况的处理。
(1)复合铰链 （2）局部自由度 （3）虚约束
x
F=3n-2PL-PH
A O
式中：F-机构的自由度 n-机构中活动构件数目
PL-机构中低副的数目 PH-机构中高副的数目
y
低副和高副的约束各是多少？
移动副动画
转动副动画
5）例题：计算内燃机的自由度
F 8
A2
1
3
6
B
E
4
7D
C
5
内燃机运动简图
➢2.平面机构具有确定相对运动的
平面机构只有机构自由度大于零，才可能运动。 ♥ 平面机构具有确定相对运动的条件是：
撇开实际机构中与运动无关的因素，用简单的线条和符号表 示构件和运动副，并按一定比例定出各运动副的位置，表示机构各构 件间相对运动关系的图。
➢2.机构示意图
只是定性地表示机构的组成及运动原理，而不用严格按比例绘 制的简图，通常称为机构示意图。
机构运动简图
F 8
A2
机械设计全套课件 ppt课件
凡具备上述（1）、（2）两个特征的实物组合体称为机构。 机器能实现能量的转换或代替人的劳动去做有用的机械功，而 机构则没有这种功能。
仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别，它们 都是构件的组合，各构件之间具有确定的相对运动。因此，通 常人们把机器与机构统称为机械。
ppt课件
7
机械设计基础
绪论
如图1-1所示的内燃机，
图1-5（a）闭式运动链
机械设计基础
ppt课件
图1-5（a）开式运动链
16
• 将运动链中的一个构件固定，并且它的一个 或几个构件作给定的独立运动时，其余构件 便随之作确定的运动，此时，运动链便成为 机构。
• 机构的组成:
• 机 架：固定不动的构件
• 原动件：输入运动的构件
• 从动件：其余的活动构件
1)运动副：两构件之间直接接触并能产生一定的相对
运动的连接称为运动副。
运动副元素：两构件上直接参与接触而构成运动副的部分— —点、线或面。
2) 运动副的分类
平面
运 运动副 动 副
空间 运动副
机械设计基础
高副：点、线接触 低副：面接触
球面副 螺旋副
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运动副 转动副
13
图1-2 转动副
图1-3 移动副
是由汽缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、 小齿轮5、大齿轮6、凸轮7、推杆8等系列 构件组成，其各构件之间的运动是确定的。
0.1.2 构件与零件
机构是由具有确定运动的单元体组成的，这 些运动单元体称为构件。
组成构件的制造单元体称为零件。 零件则是指机器中不可拆的一个最基本的 制造单元体。构件可以由一个或多个零件组成。
ppt课件
20
机械设计基础
《机械设计基础》课件 第1章 平面机构的自由度和速度分析
机构运动简图和原机构具有相同的运动特性。
13
§1-2 平面机构运动简图
机构示意图 —— 不按比例绘制
三、机构运动简图的作用
是机构分析和设计的工具
四、机构中构件的分类
分为三类：
1）固定构件（机架）：用来支承活动构件的构件。在研究机构
中活动构件的运动时，常以固定构件作为参考坐标系；
2）原动件（主动件）：运动规律已知（外界输入）的构件；
61
3. 直动从动件凸轮机构
求构件2的速度？
62
课后作业：
5、7、9、11、13、15
63
1
1
1
2）移动副
17
§1-2 平面机构运动简图
3）高副：应画出接触处的曲线轮廓
18
§1-2 平面机构运动简图
六、机构运动简图中构件的表示方法
轴、杆
机架
永久连接
固定连接，如轴和齿轮
19
§1-2 平面机构运动简图
参与组成两转动副的构件
一个转动副+一个移动副的构件
参与组成三个转动副的构件
20
§1-2 平面机构运动简图
4
3
2
2
1
4
32
§1-3 平面机构的自由度★
平面机构自由度：
所有活动构件相对于机架所能具有的独立运动数目之和。
作用：
讨论机构具有确定运动的条件。
C
C
D
B
A
B
D
A
E
F
33
§1-3 平面机构的自由度★
一、平面机构自由度计算公式
1. 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度
34
2. 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度
13
§1-2 平面机构运动简图
机构示意图 —— 不按比例绘制
三、机构运动简图的作用
是机构分析和设计的工具
四、机构中构件的分类
分为三类：
1）固定构件（机架）：用来支承活动构件的构件。在研究机构
中活动构件的运动时，常以固定构件作为参考坐标系；
2）原动件（主动件）：运动规律已知（外界输入）的构件；
61
3. 直动从动件凸轮机构
求构件2的速度？
62
课后作业：
5、7、9、11、13、15
63
1
1
1
2）移动副
17
§1-2 平面机构运动简图
3）高副：应画出接触处的曲线轮廓
18
§1-2 平面机构运动简图
六、机构运动简图中构件的表示方法
轴、杆
机架
永久连接
固定连接，如轴和齿轮
19
§1-2 平面机构运动简图
参与组成两转动副的构件
一个转动副+一个移动副的构件
参与组成三个转动副的构件
20
§1-2 平面机构运动简图
4
3
2
2
1
4
32
§1-3 平面机构的自由度★
平面机构自由度：
所有活动构件相对于机架所能具有的独立运动数目之和。
作用：
讨论机构具有确定运动的条件。
C
C
D
B
A
B
D
A
E
F
33
§1-3 平面机构的自由度★
一、平面机构自由度计算公式
1. 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度
34
2. 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度
机械设计基础第1章平面机构运动简图及自由度(包含动画)
平面机构运动简图
一、机构运动简图及其作用 不考虑与运动无关的构件外形和运动副具体结构；只考 虑与运动有关的运动副的类型和构件的运动尺寸，用简 单的线条、规定的符号表示构件和运动副，确定出运动 副的位置并按比例画出的简图。 机构运动简图的作用： 运动副的相对位置 1. 了解机构的组成和类型 机构中构件的类型和数目 运动副的类型和数目
2. 机构运动简图表达一部复杂机器的传动原理，进行 机构的运动和动力分析。
平面机构运动简图
案例1-2 右图所示的四个构件形状迥异，请 分析它们在机构运动学上有何区别？ 做成不同形状的目的是什么？
二、机构运动简图的符号 1. 构件的表示方法
平面机构运动简图
2. 运动副的表示方法
平面机构运动简图
常用运动副的符号
相对运动。请大家思考为何高副和低副的接触应力大小不同？
两构件以点、线的形式接触而组成的运动副
常见的平面运动副：
转
移
动
动
副
副
平面机构的组成
高
高
副
副
常见的空间运动副：
转
柱
动
面
副
高
副
圆
线
柱
高
副
副
平面机构的组成
常见的空间运动副：
球
球
销
副
副
点
螺
高
旋
副
副
平面机构的组成
平面机构的组成
案例1-1分析
自行车机构中由人力直接驱动的构件是脚 踏，而它与大链轮是固连在一起的同一构 件，故大链轮是原动件；在分析自行车的 运动时，应该以车架为静参考系，故车架 是固定件；除大链轮和车架之外的其余构 件都是从动件。
机械设计平面机构的运动简图及自由度ppt课件
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
处理方法：
应除去局部自由度，即把滚 子和从动件看作一个构件。
N = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 3×2 - 2×2 – 1 = 1
与实际相符
一、平面机构的自由度
• 构件未用运动副与其他构件联接前，有 3个自由度
低副使构件失去 2个自由度 高副使构件失去 1个自由度
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
平面机构自由度的计算公式
• 平面机构的自由度：指机构中各活动构件相对机 架的可能独立运动数目；
给定构件1运动参数 1 = 1 (t)，构
件2、3、4的运动是不确定的
再给定构件4运动参数 4 = 4 (t)，
构件2、3的运动是确定的
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
结论：
•构件系统具有确定运动的条件为：
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
内燃机的机构运动简图：
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
§1-3 平面机构的自由度
• 机构的构件之间应具有确定的相对运动，不能产 生相对运动或无规则乱动的一堆构件是不能成为 机构的。要判断构件系统是否为机构，就必须研 究平面机构自由度的计算。
机械设计基础1平面机构的自由度和运动分析ppt课件
(齿轮或摆动从动件凸轮机构) P12 →过接触点的公法线上→三心定理求解
→角速度与连心线被轮廓接触点公法线 所分割的两线段长度成反比
n
→用在 (A)P13
(D)P12n
图1-23
(B)P23
1 LDB 2 LDA
3.直动从动件凸轮机构(同上)图1-24 K=3,N=3×(3－1) /2=3
合点→具同一瞬时绝对速度的重合点
→两刚体相对运动→绕瞬心的转动
┌绝对瞬心(其中一刚体静止) └相对瞬心(两刚体均运动)
V21 1 V12
2
(二)瞬2.心速在度速瞬度心分的析求上法的: 运用
P12
2.速度瞬心的求法
瞬心的数目: N=K(K-1)/2 (1-2)
瞬心的求法: ①知两个重合点的相对速度 →两向量垂线的交点
P24是构件2、4的瞬心 →两者 的同速点
P34
P23
3
4
P24
P12 2 1
P14
E
A
D
∴该点 构件2绝对速度：VE= ω2LEA 构件4绝对速度：VE= ω4LED
2 LED
L 结论：两构件的角速度与其绝对瞬心至相对瞬心的间隔成反比。 4
EA
2.滑动兼滚动接触的高副
3.直动从动件凸轮机构
2.滑动兼滚动接触的高副
2.机构具有确定运 动的条件
作业： P18 1-6, 1-7，1-10, 1-12
§1-4 速度瞬心及其在机构速度分析上的运用
－利用瞬心法求简单机构的速度(速度分析) (一)速度瞬心及其求法
1.速度瞬心的意作义相:对运动的两刚体, 任何时 间总有一点的绝对速度相等→相对速度=0
瞬心→相对运动两刚体上瞬时相对速度为零的重
→角速度与连心线被轮廓接触点公法线 所分割的两线段长度成反比
n
→用在 (A)P13
(D)P12n
图1-23
(B)P23
1 LDB 2 LDA
3.直动从动件凸轮机构(同上)图1-24 K=3,N=3×(3－1) /2=3
合点→具同一瞬时绝对速度的重合点
→两刚体相对运动→绕瞬心的转动
┌绝对瞬心(其中一刚体静止) └相对瞬心(两刚体均运动)
V21 1 V12
2
(二)瞬2.心速在度速瞬度心分的析求上法的: 运用
P12
2.速度瞬心的求法
瞬心的数目: N=K(K-1)/2 (1-2)
瞬心的求法: ①知两个重合点的相对速度 →两向量垂线的交点
P24是构件2、4的瞬心 →两者 的同速点
P34
P23
3
4
P24
P12 2 1
P14
E
A
D
∴该点 构件2绝对速度：VE= ω2LEA 构件4绝对速度：VE= ω4LED
2 LED
L 结论：两构件的角速度与其绝对瞬心至相对瞬心的间隔成反比。 4
EA
2.滑动兼滚动接触的高副
3.直动从动件凸轮机构
2.滑动兼滚动接触的高副
2.机构具有确定运 动的条件
作业： P18 1-6, 1-7，1-10, 1-12
§1-4 速度瞬心及其在机构速度分析上的运用
－利用瞬心法求简单机构的速度(速度分析) (一)速度瞬心及其求法
1.速度瞬心的意作义相:对运动的两刚体, 任何时 间总有一点的绝对速度相等→相对速度=0
瞬心→相对运动两刚体上瞬时相对速度为零的重
机械设计基础课件01平面机构及自由度
移动副：是使构件的一个相对移动和相对转动受到约束， 而只有一个方向独立相对移动自由度的运动副。也称为棱 柱副。如汽缸与活塞、滑块与导轨等，如右图所示。
2 高副（平面高副）
平面高副：构件间沿公法线方向的移动受到约束，但可以 沿接触点切线的方向独立移动，还可以同时绕点独立转动， 是具有一个约束而相对自由度等于２的平面运动副。如齿 轮副、凸轮副等，如图所示。
为低副；点接触或线接触的运动副称为高副； • 按照组成运动副两构件的相对运动是平面运动还是空间
运动，可以把运动副分为平面运动副和空间运动副。
1 低副 （转动副、移动副）
转动副：是使两个构件的相对移动受到约束，而只有一个 独立相对转动自由度的运动副。也称为回转副或铰链。如 铰链、轴与轴承等，如左图所示。
第一章 平面机构及自由度
1.1 运动副及其分类 1.2 平面机构运动简图 1.3 平面机构的自由度及其计算 1.4 速度瞬心及其在机构速度分析上的应用
1.1 运动副及其分类
1.1.1 自由度 1.1.2 运动副
1.1.1 自由度
构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目（或确定构 件位置的独立参变量的数目）。
约 束：是对独立运动所加的限制。每加上一个约束，构 件便失去一个自由度。
一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动数。如图 所示，在Oxy坐标系中，构件S可随其上任一点A沿x轴、y轴 方向移动和绕A点转动。即一个作平面运动的自由构件具有 三个自由度。
1.1.2 运动副
运动副：在机构中由两构件直接接触形成的一种可动联接。 运动副对构件产生约束，约束的多少和特点取决于运动副 型式。 运动副分类： • 按照接触的特性，分为低副和高副。面接触的运动副称
• 机构示意图：仅以构件和运动副的符号表示机构而不按精 确比例绘制的简图称为机构示意图。
2 高副（平面高副）
平面高副：构件间沿公法线方向的移动受到约束，但可以 沿接触点切线的方向独立移动，还可以同时绕点独立转动， 是具有一个约束而相对自由度等于２的平面运动副。如齿 轮副、凸轮副等，如图所示。
为低副；点接触或线接触的运动副称为高副； • 按照组成运动副两构件的相对运动是平面运动还是空间
运动，可以把运动副分为平面运动副和空间运动副。
1 低副 （转动副、移动副）
转动副：是使两个构件的相对移动受到约束，而只有一个 独立相对转动自由度的运动副。也称为回转副或铰链。如 铰链、轴与轴承等，如左图所示。
第一章 平面机构及自由度
1.1 运动副及其分类 1.2 平面机构运动简图 1.3 平面机构的自由度及其计算 1.4 速度瞬心及其在机构速度分析上的应用
1.1 运动副及其分类
1.1.1 自由度 1.1.2 运动副
1.1.1 自由度
构件的自由度：构件所具有的独立运动的数目（或确定构 件位置的独立参变量的数目）。
约 束：是对独立运动所加的限制。每加上一个约束，构 件便失去一个自由度。
一个作平面运动的自由构件具有三个独立运动数。如图 所示，在Oxy坐标系中，构件S可随其上任一点A沿x轴、y轴 方向移动和绕A点转动。即一个作平面运动的自由构件具有 三个自由度。
1.1.2 运动副
运动副：在机构中由两构件直接接触形成的一种可动联接。 运动副对构件产生约束，约束的多少和特点取决于运动副 型式。 运动副分类： • 按照接触的特性，分为低副和高副。面接触的运动副称
• 机构示意图：仅以构件和运动副的符号表示机构而不按精 确比例绘制的简图称为机构示意图。
0 第1章(1-4)平面机构运动简图及自由度
相对运动。请大家思考为何高副和低副的接触应力大小不同？
两构件以点、线的形式接触而组成的运动副
常见的平面运动副：
转
移
动
动
副
副
平面机构的组成
高
高
副
副
常见的空间运动副：
转
柱
动
面
副
高
副
圆
线
柱
高
副
副
平面机构的组成
常见的空间运动副：
球
球
销
副
副
点
螺
高
旋
副
副
平面机构的组成
平面机构的组成
案例1-1分析
自行车机构中由人力直接驱动的构件是脚 踏，而它与大链轮是固连在一起的同一构 件，故大链轮是原动件；在分析自行车的 运动时，应该以车架为静参考系，故车架 是固定件；除大链轮和车架之外的其余构 件都是从动件。
卓越工程师教育培养机械类创新系列规划教材
机械设计基础
（PPT课件）
ppt包含大量高质量的动画如下
第1章 平面机构的运动简图和自由度
开门时，门把手和锁芯相对于门是转动，弹子相对于锁 芯是平行移动；撑开雨伞时，伞骨轴套相对于伞柄的运动为 平行移动，伞骨各节之间是转动。机构中各构件如何连接才 能实现上述的移动或转动呢？只要把构件连接到一起就能得 到具有确定相对运动的机构吗？如何方便的研究机构中各构 件的相对运动关系呢？
= 3×5 -2×7 – 0 = 1
复合铰链
惯性筛机构
计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目， 出现计算错误。
复合铰链
案例1-3分析 活动毛巾杆中的立杆为连接件，它将4个横 杆和机架连接在一起，所以共有5个构件参 与形成复合铰链。图中可以数出共有4个转 动副，因而4个横杆均可独自转动。
两构件以点、线的形式接触而组成的运动副
常见的平面运动副：
转
移
动
动
副
副
平面机构的组成
高
高
副
副
常见的空间运动副：
转
柱
动
面
副
高
副
圆
线
柱
高
副
副
平面机构的组成
常见的空间运动副：
球
球
销
副
副
点
螺
高
旋
副
副
平面机构的组成
平面机构的组成
案例1-1分析
自行车机构中由人力直接驱动的构件是脚 踏，而它与大链轮是固连在一起的同一构 件，故大链轮是原动件；在分析自行车的 运动时，应该以车架为静参考系，故车架 是固定件；除大链轮和车架之外的其余构 件都是从动件。
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机械设计基础
（PPT课件）
ppt包含大量高质量的动画如下
第1章 平面机构的运动简图和自由度
开门时，门把手和锁芯相对于门是转动，弹子相对于锁 芯是平行移动；撑开雨伞时，伞骨轴套相对于伞柄的运动为 平行移动，伞骨各节之间是转动。机构中各构件如何连接才 能实现上述的移动或转动呢？只要把构件连接到一起就能得 到具有确定相对运动的机构吗？如何方便的研究机构中各构 件的相对运动关系呢？
= 3×5 -2×7 – 0 = 1
复合铰链
惯性筛机构
计算中注意观察是否有复合铰链，以免漏算转动副数目， 出现计算错误。
复合铰链
案例1-3分析 活动毛巾杆中的立杆为连接件，它将4个横 杆和机架连接在一起，所以共有5个构件参 与形成复合铰链。图中可以数出共有4个转 动副，因而4个横杆均可独自转动。
机械基础 教学最好的PPT 第一章平面机构运动简图及其自由度
常用机构运动简图符号（续）
内啮 合圆 柱齿 轮传 动
棘 轮 机 构
机械设计基础
第一章
2. 机构运动简图的绘制 步骤： ⑴ 分析机械的动作原理、组成情况和运动情况，确定 原动件、机架、执行部分和传动部分。 ⑵ 沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件间相对运 动的性质，确定运动副的类型和数目。 ⑶ 选择与机械多数构件的运动平面平行的平面，作为 机构运动简图的视图平面。 ⑷ 选择适当的机构运动瞬时位置和比例尺 l(mmm)， 定出各运动副的相对位置，并用各运动副的代表符号、常用 机构的运动简图符号和简单线条，绘制机构运动简图。 ⑸ 从原动件开始，按运动传递顺序标出各构件的编号 和运动副代号。在原动件上标出箭头以表示其运动的方向。
1. 局部自由度 2. 复合铰链 3. 虚约束 计算实例
机械设计基础
第一章
一、运动链的自由度计算 运动链的自由度 —确定运动链中各构件相对于其中某一 构件的位置所需的独立参变量的数目。 考察由N个构件组成的运动链，活动构件数 n=N-1。 空间运动
构件 I级副 总自由度 约束数 p1 6n II级副约 III级副约 束数 束数 2p2 3p3 IV级副 V级副 约束数 约束数 4p4 5p5
机械设计基础
第一章
平面机构运动简图绘制举例
3 2 1 4
偏心泵
机械设计基础
第一章
第三节 平面机构的自由度
机构的自由度：机构具有确定运动时所给定的独立运动参数的 数目。 一、运动链自由度计算公式
F 3 n 2 P P L H
n为活动构件个数;
PL 为低副个数;
PH 为高副个数。
二、运动链成为机构的条件 三、计算平面机构的自由度应注意的事项
《机械设计基础》第一章平面机构的运动简图和自由度 ppt课件
图1-3 移动副
平面机构中低副引入两个约束，仅保留一个
自由度。
6
机械设计基础
图1-4 （a）凸轮高副
图1-4 （b）齿轮高副
平面机构中高副引入一个约束，保留两个自பைடு நூலகம்
由度。 7
机械设计基础
1.1.3 运动链与机构
• 运动链：两个以上的构件以运动副连接而构 成的系统。
• 如图1-5所示，若运动链中各构件首尾相连， 则称之为闭式运动链，否则称为开式运动链。
图1-1 自由度
2
机械设计基础
3
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
34
机械设计基础
14
机械设计基础
（a）外啮合齿轮；
（b）内啮合齿轮；
（c）齿轮齿条；
（d）锥齿轮；
（e）蜗杆蜗轮
图1-9 齿轮高副的表示方法
15
机械设计基础
图1-10 凸轮副的表示方法
16
机械设计基础
1.2.2 平面机构运动简图的绘制
• 绘制机构运动简图的步骤：
• （1）分析机构的组成，观察相对运动关系，了解其工作原 理。
• 此机构为原动件偏心轴，从动件肋板、构件、 机架共同构成的曲柄摇杆机构。
• 按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定A、 B、C、D四个转动副的位置，即可绘制出机 构运动简图，最后标出原动件的转动方向， 如图1-11（b）所示。
机械设计平面机构运动简图与自由度课件
通过对平面机构运动简图的学习和分析，我们可以更好地理解机构的运动性质和设 计思路，为机械设计提供重要的基础。
03
平面机构的自由度计算
自由度的概念与计算方法
自由度的定义
自由度是指机械机构中独立运动的数目，反映机构运动灵活 性的指标。
自由度的计算方法
根据机构的运动学特点，利用机构学的基础知识，通过计算 机构中活动构件的数目、确定机构的运动副类型和数目，从 而得到机构的自由度。
通过计算机软件进行机构的运动分析，可以得到 更精确的结果。
05
平面机构的优化设计
机构优化设计的基本原则
01
02
03
运动链的优化
选择合适的运动链，包括 基本杆组、复合杆组和并 联机构等，以实现所需运 动轨迹或运动规律。
运动副的优化
选择合适的运动副类型， 如转动副、移动副和螺旋 副等，以满足特定运动需 求。
平面机构的运动特性
机构在运动过程中，各构件之间的相对位置关系会发生变化，这些 位置变化可以由机构的位置方程来描述。
平面机构的运动分析实例
平面连杆机构的运动分析
01
通过分析连杆上各点的位置变化，可以得到机构的位移、速度
和加速度等运动参数。
齿轮机构的运动分析
02
通过分析齿轮上各点的位置变化，可以得到齿轮的转速、转矩
选择一个合适的投影面，将机构的运动链投 影在该面上。
标注尺寸和运动参数
根据需要，标注出机构的尺寸和运动参数， 如长度、角度、速度等。
机构运动简图的实例分析
实例1：以平面连杆机构为例，通过机构运动简图，可以清晰地表示出各杆件之间的 相对运动关系和连杆的轨迹。
实例2：以凸轮机构为例，通过机构运动简图，可以清晰地表示出凸轮的形状和从动 件的运动规律。
03
平面机构的自由度计算
自由度的概念与计算方法
自由度的定义
自由度是指机械机构中独立运动的数目，反映机构运动灵活 性的指标。
自由度的计算方法
根据机构的运动学特点，利用机构学的基础知识，通过计算 机构中活动构件的数目、确定机构的运动副类型和数目，从 而得到机构的自由度。
通过计算机软件进行机构的运动分析，可以得到 更精确的结果。
05
平面机构的优化设计
机构优化设计的基本原则
01
02
03
运动链的优化
选择合适的运动链，包括 基本杆组、复合杆组和并 联机构等，以实现所需运 动轨迹或运动规律。
运动副的优化
选择合适的运动副类型， 如转动副、移动副和螺旋 副等，以满足特定运动需 求。
平面机构的运动特性
机构在运动过程中，各构件之间的相对位置关系会发生变化，这些 位置变化可以由机构的位置方程来描述。
平面机构的运动分析实例
平面连杆机构的运动分析
01
通过分析连杆上各点的位置变化，可以得到机构的位移、速度
和加速度等运动参数。
齿轮机构的运动分析
02
通过分析齿轮上各点的位置变化，可以得到齿轮的转速、转矩
选择一个合适的投影面，将机构的运动链投 影在该面上。
标注尺寸和运动参数
根据需要，标注出机构的尺寸和运动参数， 如长度、角度、速度等。
机构运动简图的实例分析
实例1：以平面连杆机构为例，通过机构运动简图，可以清晰地表示出各杆件之间的 相对运动关系和连杆的轨迹。
实例2：以凸轮机构为例，通过机构运动简图，可以清晰地表示出凸轮的形状和从动 件的运动规律。
《机械设计基础》第1章 机构运动简图及自由度
F = 3× 4 − 2× 5 − 0 = 2
F = 3× 5 − 2× 7 − 0 = 1
关于虚约束的几点说明 机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的， 机构中的虚约束都是在一定的几何条件下出现的， 如果这些几何条件不满足， 如果这些几何条件不满足，则虚约束将变成有效约 而使机构不能运动。 束，而使机构不能运动。 采用虚约束是为了:改善构件的受力情况；传递较 采用虚约束是为了:改善构件的受力情况； 大功率；或满足某种特殊需要。 大功率；或满足某种特殊需要。 在设计机械时， 在设计机械时，若为了某种需要而必须使用虚约束 则必须严格保证设计、加工、装配的精度， 时，则必须严格保证设计、加工、装配的精度，以 满足虚约束所需要的几何条件。 满足虚约束所需要的几何条件。
4.运动副符号及构件的表示（国标GB4460－84） 4.运动副符号及构件的表示（国标 运动副符号及构件的表示 －
转动副
移动副
高副（齿 高副（ 轮副、 轮副、凸轮 副）
２
杆、轴类构件 机架 同一构件
两副构件
三副构件
四、机构中构件的分类及组成
构件
固定构件 机架（ 机架（相对不 动的构件） 动的构件）
步骤： 步骤： 1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件 运转机械，搞清楚运动副的性质、 运转机械 数目； 数目； 2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平 测量各运动副之间的尺寸，选投影面（ 测量各运动副之间的尺寸 ），绘制示意图 绘制示意图。 面），绘制示意图。 3.按比例绘制运动简图。 按比例绘制运动简图。 按比例绘制运动简图 简图比例尺： 实际尺寸m 图上长度mm 简图比例尺：µ = 实际尺寸 / 图上长度 4.检验机构是否满足运动确定的条件。 检验机构是否满足运动确定的条件。 检验机构是否满足运动确定的条件 注意：画构件时应撇开构件的实际外形， 注意：画构件时应撇开构件的实际外形，而只考 虑运动副的性质。 虑运动副的性质
机械设计平面机构运动简图与自由度课件
农业机械
用于播种、收割等环节的平面 机构设计。
平面机构设计的发展趋势与未来展望
01
智能化设计
利用计算机技术实现自动化、智能 化的机构设计。
人机交互设计
注重用户体验，实现人机友好、安 全可靠的机构设计。
03
02
轻量化设计
采用新型材料和优化设计方法，实 现机构轻量化。
绿色设计
考虑环保和可持续发展，实现节能 减排的机构设计。
平面机构的自由度数小于实际 可动数目时，机构将出现自锁 现象，无法实现预定运动；
平面机构的自由度数等于零时 ，机构处于平衡状态，无法实 现任何运动。
03
平面机构运动简图的实例分析
平面四杆机构的运动简图与自由度分析
平面四杆机构运动简图
通过简化四杆机构的形状和尺寸，绘 制出反映其运动特性的简单图形。
平面机构的自由度数
一个平面机构在给定位置和给定条件下，能够独 立运动的几何参数数目的总和。
3
平面机构的自由度数计算公式
$F = 3n - 2p_{r} - p_{h}$，其中$n$为活动构件 数，$p_{r}$为低副数，$p_{h}$为高副数。
平面机构的自由度的计算方法
确定活动构件数、低副数和高副数
自由度分析
计算平面凸轮机构的自由度，以评估其运动 能力。
从动件运动规律分析
研究凸轮机构中从动件的位移、速度和加速 度等运动参数的变化规律。
实例应用
介绍平面凸轮机构在各种机械装置中的应用 ，如内燃机、自动机床等。
平面齿轮机构的运动简图与自由度分析
平面齿轮机构运动简图
自由度分析
绘制齿轮机构的基本组成和运动关系，反 映其工作原理。
02
它通过抽象和简化真实机构的结 构和运动特性，以便于分析和研 究机构的运动学和动力学特性。
用于播种、收割等环节的平面 机构设计。
平面机构设计的发展趋势与未来展望
01
智能化设计
利用计算机技术实现自动化、智能 化的机构设计。
人机交互设计
注重用户体验，实现人机友好、安 全可靠的机构设计。
03
02
轻量化设计
采用新型材料和优化设计方法，实 现机构轻量化。
绿色设计
考虑环保和可持续发展，实现节能 减排的机构设计。
平面机构的自由度数小于实际 可动数目时，机构将出现自锁 现象，无法实现预定运动；
平面机构的自由度数等于零时 ，机构处于平衡状态，无法实 现任何运动。
03
平面机构运动简图的实例分析
平面四杆机构的运动简图与自由度分析
平面四杆机构运动简图
通过简化四杆机构的形状和尺寸，绘 制出反映其运动特性的简单图形。
平面机构的自由度数
一个平面机构在给定位置和给定条件下，能够独 立运动的几何参数数目的总和。
3
平面机构的自由度数计算公式
$F = 3n - 2p_{r} - p_{h}$，其中$n$为活动构件 数，$p_{r}$为低副数，$p_{h}$为高副数。
平面机构的自由度的计算方法
确定活动构件数、低副数和高副数
自由度分析
计算平面凸轮机构的自由度，以评估其运动 能力。
从动件运动规律分析
研究凸轮机构中从动件的位移、速度和加速 度等运动参数的变化规律。
实例应用
介绍平面凸轮机构在各种机械装置中的应用 ，如内燃机、自动机床等。
平面齿轮机构的运动简图与自由度分析
平面齿轮机构运动简图
自由度分析
绘制齿轮机构的基本组成和运动关系，反 映其工作原理。
02
它通过抽象和简化真实机构的结 构和运动特性，以便于分析和研 究机构的运动学和动力学特性。
机械设计基础机构运动简图及平面机构自由PPT课件
两个低副
计算：m个构件, 有m－1转动副。
37
第37页/共53页
上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。
④计算图示圆盘锯机构的自由度。
D
5
F
解：活动构件数n=7
低副数PL= 10 F=3n － 2PL － PH
=3×7 －2×10－0 =1
6
4
1
7
C
E
2
3
B
8A
可以证明：F点的轨迹为一直线。
BB 22
1处
C3
F5G
9 66
I
JJ
88 HH
杆9和运动副F、
I引入一个虚约
束
去掉局部自由度和虚约束
1
AA
n6，pL7，pH3
F3n2pLpH3627131
49
第49页/共53页
C 3
4 D
B 2 A1
n=3, PL=4, Ph=1, F=0
50
第50页/共53页
7 F
8
6
E4
H5
D 3
I
G
C
④计算图示圆盘锯机构的自由度。
解：活动构件数n= 7
低副数PL= 6
高副数PH=0
F=3n － 2PL － PH =3×7 －2×6 －0 =9
计算结果肯定不对！
D
5
F
6
4
1
7
C
E
2
3
B
8A
36
第36页/共53页
三、计算平面机构自由度的注意事项 1.复合铰链 ——两个以上的构件在同一处以转 动副相联。
2
链：
1
1
F=3×2 －2×2 －1
计算：m个构件, 有m－1转动副。
37
第37页/共53页
上例：在B、C、D、E四处应各有 2 个运动副。
④计算图示圆盘锯机构的自由度。
D
5
F
解：活动构件数n=7
低副数PL= 10 F=3n － 2PL － PH
=3×7 －2×10－0 =1
6
4
1
7
C
E
2
3
B
8A
可以证明：F点的轨迹为一直线。
BB 22
1处
C3
F5G
9 66
I
JJ
88 HH
杆9和运动副F、
I引入一个虚约
束
去掉局部自由度和虚约束
1
AA
n6，pL7，pH3
F3n2pLpH3627131
49
第49页/共53页
C 3
4 D
B 2 A1
n=3, PL=4, Ph=1, F=0
50
第50页/共53页
7 F
8
6
E4
H5
D 3
I
G
C
④计算图示圆盘锯机构的自由度。
解：活动构件数n= 7
低副数PL= 6
高副数PH=0
F=3n － 2PL － PH =3×7 －2×6 －0 =9
计算结果肯定不对！
D
5
F
6
4
1
7
C
E
2
3
B
8A
36
第36页/共53页
三、计算平面机构自由度的注意事项 1.复合铰链 ——两个以上的构件在同一处以转 动副相联。
2
链：
1
1
F=3×2 －2×2 －1
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《机械设计基础》
机械设计基础
第一章 平面机构的运动简图和自由度
1.1 机构的组成
1.1.1 自由度、运动副与约束
构件：机构中运动的单元体， 是组成机构的基本要素。
自由度：构件可能出现的独 立运动。
对于一个作平面运动的构件， 则只有三个自由度——构件 沿x轴、y轴方向移动和绕垂 直xoy平面的任意轴线的转 动，如图1-1所示。
• 3．移动副
• 如图1-8所示，注意移动副的导路应与两构件相对移动 的方向一致。
机械设计基础
Hale Waihona Puke 图1-8 移动副的表示方法
• 4．高副 • 两构件组成高副时的相对运动与这两个构件在接触处的轮廓
形状有直接关系，因此，在表示高副时必须画出两构件在接 触处的曲线轮廓。如图1-8、图1-9所示为齿轮高副和凸轮高 副的表示方法。
• 活动构件数n=3
• 低副数 • 高副数
PL 4
PH 0
F 3n 2PL PH 33 240
1
图1-13 曲柄滑块机构
机械设计基础
• 【例1-3】如图1-14所示，计算图示凸轮机构的自由度。
• 解：活动构件数n=2
• 低副数
• 高副数
PL 2
PH 1
F 3n 2PL PH 32 221
n –活动构件数；Pl –低副数；Ph –高副数
机械设计基础
如图1-12（a）：
n = 3 Pl= 4 F = 3×3–2×4 = 1
如图1-12（b）：
n = 4 Pl = 5 F = 3×4–2×5 = 2
（a）
机械设计基础
图1-12 机构的自由度
（b）
• 【例1-2】如图1-13所示，计算曲柄滑块机 构的自由度。
机械设计基础
C 3 B A2 1
3 C
B A2 1
图1-17 局部自由度计算
• 【例1-4】计算如图1-16所示的复合杆机构的自由度。
• 解：活动构件数n=5
• 低副数
• 高副数
PL 7 PH 0
F 3n 2PL PH 35 27 0
1
图1-16 复合杆机构
机械设计基础
2)局部自由度
(1)、局部自由度：机构中个别构件不影 响其它构件运动，即对整个机构运动无 关的自由度。 (2)、处理办法：在计算自由度时，拿掉 这个局部自由度，即可将滚子与装滚子 的构件固接在一起。
机械设计基础
（a）外啮合齿轮；
（b）内啮合齿轮；
（c）齿轮齿条；
机械设计基础
（d）锥齿轮；
（e）蜗杆蜗轮
图1-9 齿轮高副的表示方法
机械设计基础
图1-10 凸轮副的表示方法
1.2.2 平面机构运动简图的绘制
• 绘制机构运动简图的步骤：
• （1）分析机构的组成，观察相对运动关系，了解其工作原 理。
1.3 运动确定性的概念
• 1.3.1 平面机构的自由度 • 机构的自由度：指机构中各构件相对于机架
所能有的独立运动的数目。 • 一个作平面运动的构件，可有三个自由度，
而每个低副会引入两个约束，每个高副会引 入一个约束。所以自由度的计算可用可动构 件的自由度总数减去约束的总数，即：
F=3n-2Pl-Ph
• 此机构为原动件偏心轴，从动件肋板、构件、 机架共同构成的曲柄摇杆机构。
• 按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定A、 B、C、D四个转动副的位置，即可绘制出机 构运动简图，最后标出原动件的转动方向， 如图1-11（b）所示。
机械设计基础
机械设计基础
（a）颚式破碎机的主体结构
（b）机构运动简图
图1-11 颚式破碎机的主体结构及其机构运动简图 1—机架；2—偏心轴；3—动颚板；4—肋板；5—轮
图1-5（a）闭式运动链
机械设计基础
图1-5（a）开式运动链
• 将运动链中的一个构件固定，并且它的一个 或几个构件作给定的独立运动时，其余构件 便随之作确定的运动，此时，运动链便成为 机构。
• 机构的组成: • 机 架：固定不动的构件 • 原动件：输入运动的构件 • 从动件：其余的活动构件
机械设计基础
图1-1 自由度
机械设计基础
1.1.2 运动副及其分类
1)运动副：两构件之间直接接触并能产生一定的相对
运动的连接称为运动副。
运动副元素：两构件上直接参与接触而构成运动副的部分— —点、线或面。
2) 运动副的分类
平面
运 运动副 动 副
空间 运动副
高副：点、线接触 低副：面接触
球面副 螺旋副
运动副 转动副
1
图1-14 凸轮机构
机械设计基础
1.3.2 计算机构的自由度时应注意的问题
1).复合铰链 由三个或三个以上构件组成的轴线重合
的转动副称为复合铰链。 • 如图1-15所示，三个构件在同一轴线
处形成两个转动副。 • 推理：N个构件时，有N – 1个转动副。
机械设计基础
机械设计基础
图1-15 复合铰链
§1-2 平面机构的运动简图
在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构 运动简图。
1. 机构运动简图的定义 为了便于分析，人们不考虑机器的复杂外形和结构，仅用规 定的线条和符号按一定的比例表示构件的尺寸和各运动副的位置， 这种将机构中各构件间相互运动关系表示出来并反映机构特征的 简图称为机构运动简图。
机械设计基础
图1-2 转动副
图1-3 移动副
平面机构中低副引入两个约束，仅保留一个自 由度。
机械设计基础
图1-4 （a）凸轮高副
图1-4 （b）齿轮高副
平面机构中高副引入一个约束，保留两个自由 度。
机械设计基础
1.1.3 运动链与机构
• 运动链：两个以上的构件以运动副连接而构 成的系统。
• 如图1-5所示，若运动链中各构件首尾相连， 则称之为闭式运动链，否则称为开式运动链。
• （2）确定所有的构件（数目与形状）、运动副（数目和类 型）。
• （3）选择合理的位置，能充分反映机构的特性。
• （4）确定比例尺
实际尺寸 m
• （5）用规定的符号和线条绘l 制图上成尺机寸构mm运 动简图。
机械设计基础
• 【例1-1】如图1-11（a）所示为颚式破碎机 的主体机构，试绘制其机构运动简图。
机械设计基础
1.2.1 运动副及构件的表示方法 • 1．构件 • 构件均用直线或小方块来表示，如图1-6示。
（a）一个构件上有两个运动副
（a）一个构件上有三个运动副
图1-6 构件的表示方法
机械设计基础
• 2．转动副
（a）图面与回转轴线垂直；
（b）图面与回转轴线共面
图1-7 转动副的表示方法
机械设计基础
机械设计基础
第一章 平面机构的运动简图和自由度
1.1 机构的组成
1.1.1 自由度、运动副与约束
构件：机构中运动的单元体， 是组成机构的基本要素。
自由度：构件可能出现的独 立运动。
对于一个作平面运动的构件， 则只有三个自由度——构件 沿x轴、y轴方向移动和绕垂 直xoy平面的任意轴线的转 动，如图1-1所示。
• 3．移动副
• 如图1-8所示，注意移动副的导路应与两构件相对移动 的方向一致。
机械设计基础
Hale Waihona Puke 图1-8 移动副的表示方法
• 4．高副 • 两构件组成高副时的相对运动与这两个构件在接触处的轮廓
形状有直接关系，因此，在表示高副时必须画出两构件在接 触处的曲线轮廓。如图1-8、图1-9所示为齿轮高副和凸轮高 副的表示方法。
• 活动构件数n=3
• 低副数 • 高副数
PL 4
PH 0
F 3n 2PL PH 33 240
1
图1-13 曲柄滑块机构
机械设计基础
• 【例1-3】如图1-14所示，计算图示凸轮机构的自由度。
• 解：活动构件数n=2
• 低副数
• 高副数
PL 2
PH 1
F 3n 2PL PH 32 221
n –活动构件数；Pl –低副数；Ph –高副数
机械设计基础
如图1-12（a）：
n = 3 Pl= 4 F = 3×3–2×4 = 1
如图1-12（b）：
n = 4 Pl = 5 F = 3×4–2×5 = 2
（a）
机械设计基础
图1-12 机构的自由度
（b）
• 【例1-2】如图1-13所示，计算曲柄滑块机 构的自由度。
机械设计基础
C 3 B A2 1
3 C
B A2 1
图1-17 局部自由度计算
• 【例1-4】计算如图1-16所示的复合杆机构的自由度。
• 解：活动构件数n=5
• 低副数
• 高副数
PL 7 PH 0
F 3n 2PL PH 35 27 0
1
图1-16 复合杆机构
机械设计基础
2)局部自由度
(1)、局部自由度：机构中个别构件不影 响其它构件运动，即对整个机构运动无 关的自由度。 (2)、处理办法：在计算自由度时，拿掉 这个局部自由度，即可将滚子与装滚子 的构件固接在一起。
机械设计基础
（a）外啮合齿轮；
（b）内啮合齿轮；
（c）齿轮齿条；
机械设计基础
（d）锥齿轮；
（e）蜗杆蜗轮
图1-9 齿轮高副的表示方法
机械设计基础
图1-10 凸轮副的表示方法
1.2.2 平面机构运动简图的绘制
• 绘制机构运动简图的步骤：
• （1）分析机构的组成，观察相对运动关系，了解其工作原 理。
1.3 运动确定性的概念
• 1.3.1 平面机构的自由度 • 机构的自由度：指机构中各构件相对于机架
所能有的独立运动的数目。 • 一个作平面运动的构件，可有三个自由度，
而每个低副会引入两个约束，每个高副会引 入一个约束。所以自由度的计算可用可动构 件的自由度总数减去约束的总数，即：
F=3n-2Pl-Ph
• 此机构为原动件偏心轴，从动件肋板、构件、 机架共同构成的曲柄摇杆机构。
• 按图量取尺寸，选取合适的比例尺，确定A、 B、C、D四个转动副的位置，即可绘制出机 构运动简图，最后标出原动件的转动方向， 如图1-11（b）所示。
机械设计基础
机械设计基础
（a）颚式破碎机的主体结构
（b）机构运动简图
图1-11 颚式破碎机的主体结构及其机构运动简图 1—机架；2—偏心轴；3—动颚板；4—肋板；5—轮
图1-5（a）闭式运动链
机械设计基础
图1-5（a）开式运动链
• 将运动链中的一个构件固定，并且它的一个 或几个构件作给定的独立运动时，其余构件 便随之作确定的运动，此时，运动链便成为 机构。
• 机构的组成: • 机 架：固定不动的构件 • 原动件：输入运动的构件 • 从动件：其余的活动构件
机械设计基础
图1-1 自由度
机械设计基础
1.1.2 运动副及其分类
1)运动副：两构件之间直接接触并能产生一定的相对
运动的连接称为运动副。
运动副元素：两构件上直接参与接触而构成运动副的部分— —点、线或面。
2) 运动副的分类
平面
运 运动副 动 副
空间 运动副
高副：点、线接触 低副：面接触
球面副 螺旋副
运动副 转动副
1
图1-14 凸轮机构
机械设计基础
1.3.2 计算机构的自由度时应注意的问题
1).复合铰链 由三个或三个以上构件组成的轴线重合
的转动副称为复合铰链。 • 如图1-15所示，三个构件在同一轴线
处形成两个转动副。 • 推理：N个构件时，有N – 1个转动副。
机械设计基础
机械设计基础
图1-15 复合铰链
§1-2 平面机构的运动简图
在对现有机械进行分析或设计新机器时，都需要绘出其机构 运动简图。
1. 机构运动简图的定义 为了便于分析，人们不考虑机器的复杂外形和结构，仅用规 定的线条和符号按一定的比例表示构件的尺寸和各运动副的位置， 这种将机构中各构件间相互运动关系表示出来并反映机构特征的 简图称为机构运动简图。
机械设计基础
图1-2 转动副
图1-3 移动副
平面机构中低副引入两个约束，仅保留一个自 由度。
机械设计基础
图1-4 （a）凸轮高副
图1-4 （b）齿轮高副
平面机构中高副引入一个约束，保留两个自由 度。
机械设计基础
1.1.3 运动链与机构
• 运动链：两个以上的构件以运动副连接而构 成的系统。
• 如图1-5所示，若运动链中各构件首尾相连， 则称之为闭式运动链，否则称为开式运动链。
• （2）确定所有的构件（数目与形状）、运动副（数目和类 型）。
• （3）选择合理的位置，能充分反映机构的特性。
• （4）确定比例尺
实际尺寸 m
• （5）用规定的符号和线条绘l 制图上成尺机寸构mm运 动简图。
机械设计基础
• 【例1-1】如图1-11（a）所示为颚式破碎机 的主体机构，试绘制其机构运动简图。
机械设计基础
1.2.1 运动副及构件的表示方法 • 1．构件 • 构件均用直线或小方块来表示，如图1-6示。
（a）一个构件上有两个运动副
（a）一个构件上有三个运动副
图1-6 构件的表示方法
机械设计基础
• 2．转动副
（a）图面与回转轴线垂直；
（b）图面与回转轴线共面
图1-7 转动副的表示方法
机械设计基础