机构及机构运动简图解读

• 两构件之间构成多个运动副时
• 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不 变时
• 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时
• 机构中对运动不起作用的对称部分
– 虚约束的处理方法
• 计算自由度时将虚约束排除
– 虚约束的作用
• 改善构件的受力情况
6/5/2020 4:1•4 A传M 递较大功率 机械基础——第一章
– 实例一——内燃机
+
6/5/2020 4:14 AM
6
+
5'
6
= 5'
5
机械基础——第一章
1
2
1
3
4' 4
15
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构运动简图
– 实例二——颚式破碎机
1. 机架 2. 偏心轴
5. 带轮
3. 动颚板
6/5/2020 4:14 AM
4.肘板机械基础——第一章
16
2 机构及机构运动简图
能量转换
机械
总称
运动单元 固定件：机架
制造单元
原动件：主动件
从动件：随原动件运动的其余构件
– 机构中构件的分类 6/5/2020 4:14 AM
机械基础——第一章
4
2 机构及机构运动简图
2.3 运动副
– 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）
– 一个作平面运动的自由构件具有 三个独立运动数
D5
F n= 7
46 1E 7 C
PL= 6 PH= 0
因为存在复 合铰链！！
2
3
B
8A
F=3n － 2PL － PH =9

机构具有确定运动的条件： F＞0且当F=主动件数目。
三、计算自由度时应注意的问题
1.复合铰链——两个以上的构件在同一处用转动副连接。
2 1
k个构件用复合铰链连接， 则转动副数目为:（k-1)
3
1
2
3
例：计算n圆=7盘, 锯主体机构的自由度。 解： A、B、C、D处有复合铰链，
PL=10 F=3n-2 PL-PH =3×7-2×10-0
例：绘制冲床机构的运动简图。
§2-3 平面机构的自由度
一、机构的自由度 1.自由度及约束
自由度——机构或构 件所具有的独立运动参数的 数目。
约束——对独立运动的 限制。 一个作平面运动的 自由构件具有三个 自由度。
2.平面机构自由度计算
构件组成运动副后，其 独立运动受到约束，自由度 将减少。
移动副：引入两个约束 （一个移动、一个转动）
以图2.10 所示，一偏心轮曲柄滑块机构为例，说明机 构运动简图的绘制方法。
图2.10 偏心轮曲柄滑块机构 图2.11 对应的机构运动简图
例题2.12：绘制图示颚式破碎机的运动简图 分析：该机构有6个构件和7个转动副。
图2.12 颚式破碎机构
图2.13 对应的机构运动简图
例：绘制机构运动简图。
=1
2.局部自由度——与整 个机构运动无关的自由度（ 即多余的）。
计算时，应排 除局部自由度。
常见于凸轮机构滚子从动件以及类似将滑动摩擦变为滚 动摩擦的情况中。
3.虚约束——对机构的运动不产生实际约束效果的重复约 束。
计算时，应除取虚约束（包括有关的构件及运动副）
虚约束常见于以下情况(：虚约束）1'
1
（1）两构件之间形成多个导路平行的移动副。

图2.12 颚式破碎机构
图2.13 对应的机构运动简图
例：绘制机构运动简图。
技术教育
20
例：绘制冲床机构的运动简图。
§2-3 平面机构的自由度
一、机构的自由度
1.自由度及约束
自由度——机构或构 件所具有的独立运动参数的 数目。
约束——对独立运动的 限制。 一个作平面运动的 自由构件具有三个 自由度。
计算时，应排 除局部自由度。
常见于凸轮机构滚子从动件。
技术教育
30
3.虚约束——对机构的运动不产生实际约束效果的重复约 束。
计算时，应除取虚约束（包括有关的构件及运动副）
虚约束常见于以下情况(：虚约束）1'
1
（1）两构件之间形成多个导路平行的移动副。
1'
( 虚约束）
d
方案2：在机构的适当位置用一个高副代替一个低副，减
少一个约束。
a
b
c
d
例:图示牛头刨床设计方案
草图。设计思路为：动力由
曲柄1输入，通过滑块2使摆
动导杆 3 作往复摆动，并带
动滑枕4作往复移动 ，已达
到刨削加工目的。 试问图示
的构件组合是否能达到此目
1
的？ 如果不能，该如何修改？
4 2
3
方案1
H
G
（2）两构件间形成多个轴线重合的转动副。
带虚约束的曲轴
1'( 虚约束） （3）两构件间形成多个高副。
（4）轨迹重合（平行四边形机构） ( 虚约束）
（5）机构中对运动不起 独立作用的对称部分。
技术教育
带虚约束的行星轮系
34
例：计算自由度。 C
B
D

高性能材料的发展将为平面机 构的设计提供更大的灵活性， 如轻质高强材料可以减轻机构 重量，提高运动效率；耐磨耐 腐蚀材料可以增强机构的耐久 性和可靠性。
随着人工智能和自动化技术的 不断发展，未来平面机构的设 计、分析和优化将更加智能化 和自动化，提高设计效率和质 量。
平面机构的研究将越来越多地 与其他学科进行交叉融合，如 控制理论、计算机科学、生物 医学等，以拓展应用领域和推 动技术创新。
由至少一个导杆（即具有滑动副的杆 件）与其他杆件组成的连杆机构。具 有传动效率高、运动平稳等特点。
滑块四杆机构
由四个杆件和一个滑块组成，滑块可 以在某一杆件上滑动。具有结构紧凑、 设计灵活等特点。
连杆机构设计原则和方法
设计原则
满足运动学要求，实现预期的运动轨迹和速度；满足动力学要求，保证机构的 传力性能和效率；满足结构紧凑、制造简便等要求。
02 平面机构组成及运动副
组成要素
01
02
03
构件
平面机构中的运动单元体， 具有独立的运动特性。
运动副
连接两个构件并保持其相 对运动的装置，分为低副 和高副。
自由度
描述机构运动独立参数的 数目，决定机构运动的可 能性。
运动副类型与特点
转动副
允许两构件绕公共轴线作 相对转动的运动副，如铰 链。
移动副
07 总结与展望
平面机构研究现状总结
1 2 3
平面机构类型多样性
目前已知的平面机构类型非常丰富，包括连杆机 构、凸轮机构、齿轮机构等，每种机构都有其独 特的工作原理和应用场景。
运动简图分析方法
运动简图是平面机构分析和设计的重要工具，通 过绘制和分析运动简图，可以清晰地表达机构的 运动特性和力学特性。

D C
4.肘板
D
C
1
17
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构运动简图
思考——如图所示的破碎机应如何绘制运动简图？？
A B
E
4/15/2020
DC
FG
18
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构运动简图
练习
4/15/2020
19
练习1解答
3
C23 4
2
B12
1
A14
C234
3
2
4
B12
1
4
A14
低副约束数
3×n
2 × PL
=>
F=3n-2PL-PH
高副约束数 1 × Ph
4/15/2020
21
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构的自由度
实例一：铰链四杆机构
n=3 pL=4 ph=0 F=3n-2pL-ph=1
4/15/2020
22
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构的自由度
实例二——颚式破碎机
2
＝-1 错！
1
实际自由度 为1，为什
么？？
存在虚约束！！
4/15/2020
32
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构的自由度
虚约束定义
对机构的运动实际不起作用的约束
B 2E
C
1
4
3
A
F
D
3 2
1
A
B
4/15/2020
33
2 机构及机构运动简图
2.4 平面机构的自由度
虚约束出现场合
两构件之间构成多个运动副时 两构件某两点之间的距离在运动过程中始终保持不变时 联接构件与被联接构件上联接点的轨迹重合时 机构中对运动不起作用的对称部分

▪ 零件
每一个单独加工的单元体(独立的加工单元)
▪ 构件
• 有相对运动的各个单元体(独立的运动单元)。可以是 单一的零件，也可以是多个零件固联成的内部没有相 对运动的刚性结构。
• 特点
– 不同构件间有相对运动 – 单一构件内部没有相对运动 – 可以是单一零件（如曲轴），也可以是多个零件组成（如
连杆）
机械
2
基
8/16/2020 3:04 PM
2 机构及机构运动简图
2.2 零件与构件
螺栓 垫圈 螺母
套 筒
连杆体 轴瓦
实体
机械
3
基
连杆盖 零件
8/16/2020 3:04 PM
构件
2 机构及机构运动简图
2.2 零件与构件 ▪ 零件、构件、机构与机器的联系
机器
一个或多个
做功或实现 能量转换
机构
确定的 相对运动
刚性联结 构件
零件
机械 总称
▪ 机构中构件的分类
运动单元
制造单元
固定件：机架 原动件：主动件 从动件：随原动件运动的其余构件
机械
4
基
8/16/2020 3:04 PM
2 机构及机构运动简图
2.3 运动副
▪ 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）
▪ 一个作平面运动的自由构件具有 三个独立运动数
▪ 运动副
• 使构件直接接触又能保持一定形式的相对运动的连接
点接触——高副(1个约束，2个自由度)
• 按接触方式分类 线接触——高副(1个约束，2个自由度)
面接触——低副(2个约束，1个自由度)
机械
6
基

A D
雷达天线的俯仰角调节 机构只是一个单独的平面 连杆机构。
§2-3 平面机构自由度的计算
构件具有独立运动的数目，称为构件的自由度。
y
构件2
O
构件1
x
空间构件在用运
z 动副联结前有六个
独立的相对运动。
转动副
y
构件2
O
x
平面自由构件具 有三个自由度。
用运动副联结后，彼此的相对运动受到某些约束 运动副对构件独立运动的限制，称为约束。
原动件 从动件
即运动规律已知的活动构件，它的 运动规律由外界给定，一般与机架 相连。用箭头标注。
机构中随原动件运动而运动的其余构件
2 从动件
1
4
原动件
机架
组成机构的各构件都在同一平面或 相互平行的平面内相对运动叫平面机构 •.
平面运动副的分类及其表示方法
1
1 1
1
2 1
2
2
2 转动副
2
移动副
2
高副（点低或副线（接面触接）触）
机构运动简图及平面 机构自由度
2.1 平面机构的组成
运动副 机构中两构件直接接触的可动连接 平面运动副 组成运动副的两构件只能作平面运动的运动副
运动链 构件之间用运动副连接所形成的系统
机构 具有机架的运动链称为机构。
固定件（机架）用来支承活动件，在机构 3
中相对固定不动的构件， 通常作为参考坐标系
一、复合铰链
2 1
复
3
5
2
6 1
3
2
1 3
4
(a)
(b)
F ＝ 3n－2PL－PH ＝ 3 5 －2 6 － 0
＝ 3

2
C: 复合铰链 M 和 N 、 E 虚约束 和F: G: 局部自由度
小结：
1、运动副的定义和分类 运动副：由两构件直接接触形成的可动联接
分类：高副(点或线接触的运动副)和低副(面接触的运动副)
2、能绘制机构运动简图 3、重点掌握平面机构的自由度计算及注意事项，明确复合铰链 局部自由度、虚约束等
1）平面机构自由度的计算公式： F 3n 2PL PH
F 3n 2PL PH 34 24 2
2
n7 PL 10 PH 0
F 3n 2PL PH 3 7 210 0
1
n4 PL 4 PH 2
F 3n 2PL PH 34 24 2
2
n7 PL 10 PH 0
F 3n 2PL PH 3 7 210 0
1
n9
用图形符号表示高副时，一 般需把两构件在接触点处的 曲线轮廓画出(图a)，但对于 齿轮机构，习惯上只画出两 齿轮的节圆(见表1-1)。
二、 构件的分类及其表示符号
1. 构件的分类
机 架 —机构中的固定构件； 支撑活动件，只有一个
原动件 主动件
—按给定已知运动规律独立运 动的构件；一般机构有一个
常在其上给出表示其运动形式 的箭头。
1）平行四边形结构
A
2）两构件之间构成多个转动轴线 重合的转动副；
3）两构件之间构成多个导路平行 的移动副；
虚约束常出现在下列场合：
1）平行四边形结构 2）两构件之间构成多个转动轴线重合的转动副； 3）两构件之间构成多个导路平行的移动副；
4）机构中对传递运动不起独立作用的对称部分
5）两构件多点接触形成平面高副，
5、给各构件和运动副编号，并在 原动件上用箭头表示其运动形式和 方向

B
曲柄 曲柄
连杆
C
A
机架
D
双曲柄机构
常见双曲柄机构类型
不 等 长 双 曲 柄 机 构
平 行 双 曲 柄 机 构
反 向 双 曲 柄 机 构
1）、不等长双曲柄机构
惯性筛中，ABCD为双曲柄机构，工作时以曲柄AB 为主动件，并作等速转动，通过连杆BC带动从动曲柄 CD，作周期性的变速运动，再通过E点的联接，使筛子 作变速往复运动。惯性筛就是利用从动曲柄的变速转 动，使筛子具有一定的加速度，筛面上的物料由于惯 性来回抖动，达到筛分物料的目的。
从铰链四杆机构的三种基本形式可知，它们的根本区别在于连架杆是否 为曲柄。而连架杆能否成为曲柄，则取决于机构中各杆的长度关系和选择哪 个构件为机架有关。即要使连架杆成为能整周转动的曲柄，各杆必须满足一 定的长度条件，这就是所谓的曲柄存在的条件。 下图所示的曲柄摇杆机构，其中AB为曲柄，BC为连杆，CD为摇杆，AD为 机架，它们的长度分别用a、b、c、d来表示，在AB转动一周中，曲柄AB与机 架AD两次共线。借助这两个位置，可找出一些铰链四杆机构的几何关系。 当连杆在B1点时，形成△AC1D。根据三角形两 边之和必大于第三边的定理， 得b-a+c>d 即b+c>d+a ① d+b-a>c即 d+b>c+a ② c b 当连杆在B2点时，形成△AC2D, 得 d+c>b+a ③ 考虑到四杆位于同一直线时， a 则①②③可写成如下形式 d b+c≥d+a ④ d+c≥b+a ⑤ d+b≥c+a ⑥ 曲柄摇杆机构 将式④、⑤、⑥分别两两相加，则得c≥a,b≥a, d≥a，即AB杆为最短杆。 曲柄存在的条件是最短杆长加最长杆之和必须小于或等于其余两杆之和。

I 8 J 9 11
H 7 G 10 C 2 K L E 4 F 5 3 D 1 A 6 B
虚约束
I 8 J 9 11 10 H 7 G
动画
＝2
＝1
错
对
3、 虚约束

—排除



不影响机构运动传递的重复约束 在特定几何条件或结构条件下，某些运动副所引入的约束 可能与其它运动副所起的限制作用一致，这种不起独立限 制作用的运动副叫虚约束 虚约束经常发生的场合 处理方法：计算自由度时，将虚约束（或虚约束构件及其 3 所带入的运动副）去掉 之一为 结论
1
B C A
F =3n－2pl－ph = 3 3 －2 4 －0 = 1 F =3n－2pl－ph = 34－25－ 1 = 1
二、机构具有确定运动的条件
B C B
C
D
D
A
E
A
C
B A E
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 3－0=0
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 5－0= -1
2.运动副
1）运动副定义 机构中各个构件之间必须有确定的相对运动，因此， 构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的 相对运动，这种直接接触的活动连接称为运动副。 运动副是两构件直接接触而构成的可动联接；
转动副
移动副
齿轮副
2) 运动副的分类 1）按两个构件运动关系分为平面运动副和空间运动副

例1 计算图示机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度和虚约束，需明确 指出。画箭头的构件为原动件。
复合铰链 局部自由度
1个虚约束
解：分析
n=8
Pl = 11 Ph = 1
F=3n-2Pl-Ph =38-211– 1 =1