第二章 机构运动简图和自由度计算

第2章平面机构运动简图及机构自由度的计算机构由构件组成，各构件之间具有确定的相对运动。

然而，把构件任意拼凑起来不一定能运动；即使能够运动，也不一定具有确定的相对运动。

那么构件应如何组合才能运动？在什么条件下才具有确定的相对运动？这对分析现有机构或创新机构很重要。

所有构件的运动平面都相互平行的机构称为平面机构，否则称为空间机构。

本章仅讨论平面机构的情况，因为在生活和生产中，平面机构应用最多。

2.1 运动副2.1.1运动副分类机构由若干个相互连接起来的构件组成。

机构中两构件之间直接接触并能作相对运动的可动连接，称为运动副。

例如轴与轴承之间的连接，活塞与汽缸之间的连接，凸轮与推杆之间的连接，两齿轮的齿和齿之间的连接等。

2.1.2运动副的分类在平面运动副中，两构件之间的直接接触有三种情况：点接触、线接触和面接触。

按照接触特性，通常把运动副分为低副和高副两类。

1．低副两构件通过面接触．．。

根据两构件间的相对运动形式，低副又分为．．．构成的运动副称为低副移动副和转动副。

当两构件间的相对运动为移动时，称为移动副，如图2.1所示；两构件间的相对运动为转动时，称为转动副或称为铰链副，如图2.2所示。

图2.1 移动副图2.2 转动副2．高副两构件通过点或线接触．．．．．构成的运动副称为高副．．。

如图2.3所示，凸轮1与尖顶推杆2之间为点接触，构成高副；图2.4所示的两齿轮的轮齿啮合处是线接触，也构成高副。

图2.3 凸轮高副图2.4 齿轮高副低副因通过面接触而构成运动副，故其接触处的压强小，承载能力大，耐磨损，寿命长，且因其形状简单，所以容易制造。

低副的两构件之间只能作相对滑动；而高副的两构件之间则可作相对滑动或滚动，或两者并存。

2.2 机构运动简图实际构件的外形和结构往往很复杂，在研究机构运动时，为了突出与运动有关的因素，将那些无关的因素删减掉，保留与运动有关的外形，用规定的符号来代表构件和运动副，并按一定的比例表示各种运动副的相对位置。

第2章平面机构运动简图及自由度计算机械是替代人类完成各项体力劳动甚至脑力劳动的执行者。

在各种新型机械的设计初期，首先需要采用机械系统运动简图来对比各种运动方案及工作原理，一边从中选出最佳的设计方案。

然后再按照运动要求确定及其各组成构件的主要尺寸，按照强度条件和工作情况确定机构个部分的详细结构尺寸。

机械系统的运动简图设计是设计机械产品十分重要的内容，正确、合理地设计机械系统简图，对于满足机械产品的功能要求，提高性能和质量，降低制造成本和使用费用等是十分重要的。

机械系统要完成比较复杂的运动，一般都需要将若干个机构根据机械系统的运动协调配合的要求组合起来，因此机械系统的运动简图也是机构系统的运动简图。

机械系统的运动简图是用规定的符号，绘出能准确表达机构各构件之间的相对运动关系及运动特征的简单图形。

一般某机构可分为平面机构和空间机构。

平面机构是指各运动构件均在同意平面或相互平行平面内运动的机构。

空间机构是指虽有的机构不完全是相互平行的平面内运动的机构。

本章将着重介绍机构的结构分析。

第一节机构的组成构件任何机器都是由若干个零件组装而成的。

构件是指组成机械的各个相对运动的单元。

构件和零件的概念是有区别的。

构件是机械中的运动单元体，零件则是机械中不可拆分的制造单元体。

构件可以是一个零件，也可以是由两个或两个以上的零件组成。

如图2-1所示的内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、轴套、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母等零件组成的，这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体在发动机内部作往复运动相互之间并不产生相对运动，因此连杆可以看做一个构件。

因此，从运动角度来看，任何机器都是许多独立运动单元组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。

从加工制造角度来看，任何机器都是由许多独立制造单元体组合而成的，这些独立制造单元体称为零件。

通常，为了完成同一使命而在结构上组合在一起并协同工作的零件称为部件，如联轴器、减速器等。

第二章机构运动简图及平面机构自由度主讲：张祖涛机械设计教研室2314567,8实际工程设计问题一：优化设计汽车发动机使汽车油耗降低？通过机构运动图简化，抛开与运动无关的复杂外形，用简单的线条和标准化的符号，按照一定的比例，绘制机构的运动简图，以便于后续的优化设计！！机构运动简图C AB C DD工业设计问题二：分析简单四足步行机器人的运动？简单四足步行机器人1234平面机构自由度计算第二章机构运动简图与自由度§1 机构运动简图§2 平面机构自由度§1 机构运动简图一、机构的组成机构——若干构件以运动副相联接并具有相对运动的组合体。

构件运动副§1 机构运动简图术语：运动副由两个构件组成的可动联接。

运动副低副高副——点、线接触的运动副其他：空间运动副回转副移动副根据运动副两接触面情况不同，常如下分类：球面副n低副——面接触a ）回转副（铰链）——相对转动§1 机构运动简图b ）移动副——相对移动o高副——点、线接触零件构件静联接机构动联接机器协调组合2314567,8二、机构运动简图1、机构运动简图功用对现有机器进行运动分析和受力分析。

新机器的方案设计、方案比较及主要参数的确定。

§1 机构运动简图机构运动简图机构运动简图：用简单线条、符号表达用简单的线条和符号等代表构件和运动副，并按照一定比例表示各种运动副的相对位置，保持原机构运动特征不变的图形，用于表达复杂机械中各构件的相互联系、运动特性。

机构运动简图中常用的符号：2、机械运动简图作图方法1)、分析机构的运动情况，辨别构件的类型（固定件、原动件和从动,并在构件上标上编号；2)、分析各构件的相对运动性质，确定运动副的种类和数目；3)、确定回转副转动中心位置和移动副中心线位置，选定适当的比例尺，绘出机构运动简图；4)、检查运动的可能性和确定性请画出图示缝纫机下针机构的机构运动简图§1 机构运动简图§1 机构运动简图例：鳄式破碎机1.构件：机架1，偏心轴2，动鳄3，衬板42.运动副：1—2：转动副；2—3：转动副；3—4：转动副；4—1：转动副。

第2讲 机构运动简图，机构自由度计算2.3机构运动简图2.3.1 机构运动简图机构运动简图：用国家标准规定的简单符号和线条代表运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。

它与原机械具有完全相同运动特性。

机构示意图：为了表明机械的组成状况和结构特征，不严格按比例绘制的简图。

作用：1、表示机构的结构和运动情况。

2、作为运动分析和动力分析以及判断是否是创新机构的依据。

机构运动简图应满足的条件：1、构件数目与实际相同2、运动副的性质、数目与实际相符3、运动副之间的相对位置以及构件尺寸与实际机构成比例。

2.3.2 运动简图的绘制思路：先定原动部分和工作部分（一般位于传动线路末端），弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。

举例：绘制破碎机机构运动简图。

步骤：1.运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；2.测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面），绘制示意图。

3.按比例绘制运动简图。

比例尺：μl =实际尺寸 m / 图上长度mm4.检验机构是否满足运动确定的条件。

举例：绘制如图所示偏心泵的运动简图，分析过程同上，这里只给出简图。

2.4机构具有确定运动的条件如图可知：给定S3＝S3(t)，一个独立参数θ1＝θ1（t）唯一确定，该机构仅需要一个独立参数。

若仅给定θ1＝θ1（t）,则θ2、θ3、θ4均不能唯一确定。

若同时给定θ1和θ4，则θ3、θ2能唯一确定，该机构需要两个独立参数。

自由度：保证机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数称为机构的自由度。

原动件：能独立运动的构件。

∵一个原动件只能提供一个独立参数∴机构具有确定运动的条件为：机构自由度＝原动件数2.5 机构自由度计算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称为运动链的自由度。

如2所示，作平面运动的刚体在空间的位置需要三个独立的参数（x，y, θ）才能唯一确定。

1、单个自由构件的自由度为 32、构成运动副构件的自由度如图所示：运动副自由度运动副自由度数约束数回转副 1（θ） + 2（x，y） =3移动副 1（x） + 2（y，θ） =3高副 2（x,θ） + 1（y） =3结论：构件自由度＝3－约束数3、机构的自由度一个机构由N个构件组成，则活动构件有n=N-1个活动构件数构件总自由度低副约束数高副约束数 n 3×n 2 × P L 1× P h(低副数) (高副数)计算公式： F=3n－(2P L +P h )计算图中1）曲柄滑块机构的自由度。