高职《机械设计基础》、平面机构的运动简图和自由度,教案(精选.)

《机械设计基础》课程教案主题01平⾯机构的运动简图和⾃由度主题1 平⾯机构的运动简图和⾃由度⼀、教学⽬标熟悉运动副的分类⼆、课时分配本章绪论共 3 个单元，本章安排4 个学时。

其中理论学时3个学时，实践学时1 个学时。

三、教学重点运动副的分类，平⾯机构运动简图的绘制四、教学难点运动副的分类，⾃由度计算五、教学内容单元1 平⾯运动副⼀、运动副的概念机构是具有确定相对运动构件的组合体，为实现机构的各种功能，各构件之间必须以⼀定的⽅式联接起来，并且能具有确定的相对运动。

这种两构件通过直接接触，既保持联系⼜能做相对运动的联接，称为运动副，也可以说运动副就是两构件间的可动联接。

组成运动副的两构件在相对运动中可能参加接触的点、线、⾯称为运动副元素。

⼆、运动副的分类根据运动副各构件之间的相对运动是平⾯运动还是空间运动，可将运动副分成平⾯运动副和空间运动副。

1、平⾯运动副平⾯机构中的运动副称为平⾯运动副，根据组成平⾯运动副两构件间的接触特性，平⾯运动副可分为低副和⾼副。

单元2 平⾯机构运动简图⼀、机构运动简图的概念及其作⽤1、机构运动简图的概念机械的外形和结构都很复杂，为了便于进⾏分析和设计，在⼯程上通常不考虑构件的外形、截⾯尺⼨和运动副的实际结构，只⽤规定的简单线条和符号表⽰机构中的构件和运动副，并按⼀定的⽐例画出表⽰各运动副的相对位置及它们相对运动关系的图形，这种表⽰机构各构件之间相对运动关系的简单图形，称为机构运动简图。

实践中，有时只需表明机构运动的传递情况和构造特征，⽽不要求机构的真实运动情况，因此不必严格地按⽐例确定机构中各运动副的相对位置及其尺⼨。

像这种只表⽰机构的结构及运动情况，⽽不按⽐例绘制出各运动副间的相对位置的简图称为机构⽰意图，⼀般在新机器设计⽅案⽐较时使⽤。

2、机构运动简图的作⽤机构运动简图应与它所表⽰的实际机构具有完全相同的运动特性。

从机构运动简图可以了解机构的组成和类型，即机构中构件的类型和数⽬、运动副的类型和数⽬、运动副的相对位置。

归纳起来， 在下述场合中常出现虚约束：
（1） 运动轨迹重叠时， 如图2-16所示。
(2) 两构件同步在几处接触而构成多种移动副，且各移动副 旳导路相互平行时，其中只有一种起约束作用，其他都是虚约 束，如图2-15。
(3) 两构件同步在几处配合而构成几种回转副，且各回转副 轴线相互重叠时，这时只有一种回转副起约束作用，其他都是 虚约束。例如回转轴一般都有两个或两个以上同心轴承支持， 但计算时只取一种。
F=3n-2pL-pH=3×3-2×4-0=1
此成果与实际情况一致。
图2-15 机构中旳虚约束（两构件同步在几处接触
而构成多种移动副，且各移动副旳导路相互平行）
图2-16(a)、(b)所示为机车车轮联动装置和机构运动简图。图 中旳构件长度为lAB=lCD=lEF, lBC=lAD, lCE=lDF。该机构旳自 由度为
假如一种平面机构有N个构件，其中必有一种构件是机架( 固定件)，该构件受到三个约束而自由度自然为零。此时，机构 旳活动构件数为n＝N－1。显然，这些活动构件在未连接构成 运动副之前总共应具有3n个自由度。而当这些构件用运动副联 接起来构成机构之后，其自由度数即随之降低。若机构中共有 pL个低副和pH个高副，则这些运动副引入旳约束总数为 2pL+pH。 所以，用活动构件总旳自由度数减去运动副引入旳约 束总数就是机构旳自由度数。机构旳自由度用F表达，即:
件作为机架，运动链相对机架旳自由度必须不小于零，且 原动件数目等于运动链旳自由度数。
图2-12 刚性桁架
对于图2-12所示旳构件组合， 其自由度为
F 2n 2 pL pH 3 2 2 3 0 0
计算成果F＝0，阐明该构件组合中全部活动构件旳总自由度数 与运动副所引入旳约束总数相等，各构件间无任何相对运动旳 可能，它们与机架(固定件)构成了一种刚性桁架，因而也就不 称其为机构。但它在机构中，可作为一种构件处理。

自由度：构件具有独立运动的数目。
平面运动构件具有三个自由度，有三个独立运动
。
约束：对独立运动的限制。
二、运动副
1、运动副：两构件间组成的可动联接（既保持直接接触，又能产生一定的相
对运动）。
2、分类
转动副
平面运动副
低副（面接触）
移动副
高副（点、线接触） 空间运动副：螺旋副、球面副
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机械设计基础
F＝3n－2PL－PH ＝37 －2 9 －1 = 2
机械设计基础
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The End
机械设计基础
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机构自由度计算的注意事项：
2.局部自由度 与机构运动无关的构件独立运动称为局部自由度
对于含有局部自由度的机构在计算自由度时，不考虑局部自由度（如图2 ） 实际结构中采用局部自由度是为了减小摩擦力，“除去”指计算中不计入 ，并非实际拆除
2
2
3
3
A
1
1
1
2
机械设计基础
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、线、面。
机械设计基础
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齿轮副
空间运动副
第一节 运动副及其分类
环副
机械设计基础
球面副
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螺旋副
第一节 运动副及其分类
运动副特点 低副： 制造容易，承载能力强，摩擦阻力大。 高副： 不能独立存在，制造困难，摩擦小。
低级别运动副通过组合或加中间元件形成高级副。
PL：低副数
PH：高副数
机构具有确定运动的条件：
2
原动件数 > F， 机构破坏 原动件数 < F， 机构运动不确定
1

例3-3
已知lBC=120mm,lCD=90mm,lAD=70mm,AD为机架。 (1)若该机构能成为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求lAB. (2)若该机构能成为双曲柄机构，求lAB. (3)若该机构能成为双摇杆机构，求lAB.
则lAB ≤40mm. (2) 有两种情况：lBC最长，或lAB最长；100mm ≤ lAB ≤140mm (3)有三种情况； Ⅰ、AB最短、BC最长 40mm＜ lAB ＜70mm
N=7, B、C、D处均为 复合铰链. F=3×7－2×10－0=1
2、局部自由度
与机构整体运动无关、局部的独立运 动。
滚子从动件凸轮机构 PL=2≠3，C处的转动 为局部自由度。 F=3×2-2×2-1=1 引入滚子3的目的是 减少摩擦。
3、虚约束
对机构运动不起限制作用的约束。 应除去不计。
常出现在下列场合： （1）两构件见组成多个移动副，且导路平行。只一个 起作用。
第二章
平面机构运动简图及 自由度
机构由构件组成． 平面机构:所有构件都在同一平面或相互 平行的平面内运动的机构．
二、运动副及其分类
运动副：两构件直接接触并能保持一定形 式相对连接。 如：活塞与缸体 ，活塞与连杆的连接。 不同的运动副对运动的影响不同。 运动副分类： 按接触形式分： 低副和高副。
1、低副
两构件以面接触。
（1）移动副
相对移动
（2）转动副
相对转动。
2、高副
高副：两构件以点或线接触。 接触处压强大。 相对运动为转动或转动兼移动。
高副举例
第二节 平面机构运动简图
机构运动简图：用最简单的线条和 规定的符号表示机构各构件间相对 运动关系的图形。
注意构件和运动副的表示方法

授课题目：第二章平面机构运动简图及其自由度
教学大纲要求：
运动副及其分类、运动副和构件的表示；
平面机构运动的组成及其简图的绘制。

教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：理解平面运动副的概念；
掌握平面机构运动简图的绘制方法。

熟练掌握平面机构的自由度计算方法；
掌握计算机构自由度时应注意的问题；
掌握机构具有确定运动的条件。

教学重点及难点：平面机构运动简图的绘制
平面机构的自由度计算方法
计算机构自由度时应注意的问题作业、讨论题、思考题：
思考题：1-1、1-2、1-3
习题：1-1、1-2
课后总结分析：
总结平面运动副的分类及其表示；
总结平面机构运动简图的绘制方法和步骤。

A B
C
D
E
1
2
2'。

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
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机械设计基础
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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……”
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机械设计基础
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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
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机械设计基础
图1-10 凸轮副的表示方法
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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。

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

三个自由度，如图1-7所示。即沿x轴和y轴移 动，以及在Oxy平面内的转动。
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
图1-7 构件的自由度
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
为了使组合起来的构件能产生确定的相对运动，有必要探讨平面机 构自由度和平面机构具有确定运动的条件。
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
解： 除机架外，活塞泵有四个活动构件，n=4；
四个回转副和一个移动副共5个低副， PL=5； 一个高副，PH=1。
由式(1-1)得： F=3n-2PL-PH=34-25-11=1
该机构的自由度等于1。
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
二、 机构具有确定运动的条件 机构的自由度也即是机构所具有的独立运动的个数。由前所述可知，
5、确定各运动副的相对位置，用各运动副的代 表 符号、常用机构运动简图符号和简单线条 绘制机构运动简图。
6、在原动件上标出箭头以表示其运动方向。
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
例1-1 试绘制图1-5a所示颚式破碎机的机构运动简图。
图1-5 颚式破碎机及其机构简图
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
表1-1 部分常用机构运动简图符号（GB446084）
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
机械设计基础-平面机构的运动简图及自由度
机构中的构件可分为三类：
（1）固定件 （2）原动件 （3）从动件
—用来支撑活动构件的构件。 又称机架。
—运动规律已知的活动构件。 它的运动是由外界输入的， 故又称为输入构件。
两构件间的相对运动为直线运动的，称为 移动副，如图1-1所示；

两个以上构件组成 多个共轴线的转动副， 即为复合铰链。
当由k个构件组成 复合铰链时，应当按照 k-1个转动副计算。
五、计算平面机构自由度的注意事项
2.局部自由度
机构中不影响其输出与输入运动关系的个别构件的独立 运动自由度。
五、计算平面机构自由度的注意事项
3.虚约束 在机构中与其他约束重复而对运动不起限制
机械设计基础
Basics of Mechanical Design
单元二 平面机构的运动简图及自由度
课题一 运动副及其分类 课题二 平面机构的运动简图 课题三 平面机构的自由度
导入：以颚式破碎机为例
实物图
示意图
机构运动简图
实物图看起来直观明了，但要分析破碎机的工作 原理和进行运动分析就很难进行，所以就需要一种能 说明机构运动原理的简单图形——机构运动简图。
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。
例1：
课题三 平面机构的自由度
一、构件的自由度
构件的自由度： 构件可能出现的独立运动的数目。 一个自由构件在作平面运
动时，有三种独立运动的可能
性。在xoy坐标系所示平面内， 构件S可沿x轴或y轴方向移动， 也可绕任意一点A转动
一个作平面运动的自由构件有3个自由度。
作用的约束为虚约束。
注意：计算自由度时应除掉虚约束。
（1）两构件组成多个移动方 向一致的移动副时，其中 只有一个是真实的约束， 其余都是虚约束。（右图 含两个虚约束）
3.虚约束
（2）两构件组成多个轴线重合的转动副时， 其中只有一个是真实约束，其余为虚约束。
3.虚约束
（3）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分所 引入的约束都是虚约束。

c) 齿轮副
d) 凸轮副
e) 螺旋副
f) 球面副
二、运动副的分类
平面运动副、空间运动副
两个构件组成的运动副，通常用三种接触形式联接起来：点 接触、线接触和面接触。
根据两构件接触情况，将平面运动副分为低副和高副两大类。
低副：两构件通过面接触组成的运动副。
分为转动副和移动副。
(1)转动副 两构件组成只能作相对转动的运动副。 (2)移动副 两构件组成只能沿某一轴线作相对移动的运 动副。
常见虚约束：
1）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分
两个小齿轮中，有一个为虚约束。
2)两构件在联接点上运动轨迹重合。
3）两个构件之间组成多个导路平行的移动副时，只有一个移 动副起作用，其余都是虚约束。
4）两个构件之间组成多个轴线重合的转动副时，只有一个转 动副起作用，其余都是虚约束。
要特别指出：
机构中的虚约束都是在特定几何条件下出现的，如果这些几 何条件不能满足，则虚约束就会成为实际有效的约束，从而使机 构卡住不能运动。
在计算平面机构自由度时，必须考虑是否存在复合铰链，并 应将局部自由度和虚约束除去不计，才能得到正确的结果。
【例1-9】 试计算图中发动机配气机构的自由度。
解: n=6， PL=8， PH=1， F=3n-2PL-PH =3×6-2×8-1=1
【例1-6】 计算如图所示活塞泵的机构自由度。
有四个活动构件，n =4； 包含五个转动副，PL=5； 包含一个高副，PH=1。 所以机构自由度 F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=1
2.机构具有确定运动的条件
机构具有确定运动的条件是： 自由度大于0且机构的原动件数W等于自由度数F， 即F=W>0。

科技信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2010年第25期1教材分析本节课选自河南省高等职业教育规划教材《新编机械设计基础》第五章第四节。

本章内容是机械设计基础课的重要章节，是学生掌握机械传动中一些常用传动机构的工作原理、性能特点及运动规律的基础。

总的来说，本章是机械设计基础这门课的重点，如果本章内容掌握不牢，将直接影响到后序课程的学习，很难达到融会贯通。

机械传动在工业生产中是一种最基本的传动方式。

一台工作机，无论是机床、水泵、采煤机等，电机和工作机直接相连的情况是很少见的，往往要在两者之间加入一些传递动力或改变运动情况的传动装置，从而实现工作机应有的传动规律。

因此，本章既是教学重点，也是教学难点。

就本节来讲它是研究机构运动的基础，又是机构设计正确性的理论保证。

学好平面机构运动简图及自由度计算将为后续内容及后续课程的学习打下坚实的基础。

2教学目标根据本节课教学内容和教学大纲的要求，确定本次课的教学目标为：1.让学生熟悉运动副的概念、分类及表示方法；2.让学生掌握平面机构运动简图的绘制及机构自由度的计算。

3教学重点及难点重点：运动副的分类及表示方法；难点：机构简图的绘制及自由度的计算。

从运动副的概念、类型及表示方法入手，步步分析，层层深入，紧抓重点，通过具体机构分析讲解，从而得出机构简图绘制的方法和技巧，分析引出自由度计算，由于机构简图分析透彻，故使难点———自由度计算得以突破。

4教学方法直观教学法，采用讲授、诱导、启发、讨论等。

5教具圆规、火柴盒、齿轮机构、雨伞、折叠椅等。

6教学设计根据教材内容，大纲要求和学生的实际情况，我主要采用“精讲多练”为主线，以启发式教学方法为主体，采用分析、启发、诱导相结合，通过“复习———观察———讲授———讲解———课堂练习———小结”等步骤，把整个教学过程串起来。

并以培养学生动手能力为目的，以日常生活中常见的平面机构为教具，把内容归结为两大部分，即平面机构运动简图和机构自由度计算，使思路比较清晰，学生容易理解和接受。