第一章第一章機構的結構設計主要研究內容構件間可動連接(Movableconnector)的型式及其運動和傳力特征。形成可動連接的構件系統成為機構應滿足的條件。獲取滿足自由度要求的機構的方法(即機構結構創新設計方法)。機構的結構分析與分類。第一節機構的組成

一、構件與自由度

1.構件(Link)

機器的運動單元，傳遞運動和力的載體。實例內燃機中的缸體、活塞、連桿、曲軸等。第一節機構的組成內燃機連桿構件的組成

一個構件也可以由幾個零件剛性聯接組成。

實例連桿由連桿體、軸瓦、連桿蓋、螺栓、墊圈、螺母、連桿襯套等相互剛性聯接組成。連桿體連桿蓋螺栓墊圈螺母連桿襯套軸瓦零件(Part)是機器的制造單元。剛體自由度空間運動剛體的自由度Oxzysxszsyyxz

一個完全獨立的剛體在空間直角坐標系下的自由度(Degreeoffreedom,Mobility)為sx，sy，sz，x，y，z

，即自由度數f6。

平面運動剛體的自由度為sx，sy，z，即自由度數f3。yxzO

2.自由度yz(x,y)xO平面運動剛體的自由度sxsy運動副與約束二、運動副與約束

運動副(Kinematicpair)

兩個構件以一定幾何形狀和尺寸的表面相互接觸所形成的可動聯接。運動副元素(Pairelement)—兩個構件上參與接觸而構成運動副的點、線、面部分。

約束(Constraint)—運動副對構件間的相對運動自由度所施加的限制。圓柱副

觀察圖示兩構件組成的圓柱副(Cylindricpair)

兩構件保留的相對運動sz和z，即自由度數f2。

兩構件之間受限制的相對運動sx，sy，x和y，即約束數s4。

兩構件之間可以傳遞的力（力矩）

Px，Py，Mx，My結論幾何約束與力約束本質上是一致的，是可以相互替代的。

zxyOzsz構件的不同接觸形式

特點具有較多的自由度，易于構件的自動調整，保持靜定特性。接觸應力大，易變形、易磨損、承載能力低。

制造比較困難。適用場合結構簡單，運動精度要求較高，受力較小。構件的不同接觸形式點接觸(Pointcontact)

點接觸，f5,s

1線接觸，f3,s3線接觸(Linecontact)面接觸

面接觸(Areacontact)特點相當于多點接觸，承載能力較高，應用廣泛。運動副的自由度一般較低，其接觸狀況對尺寸、形狀及相對位置誤差十分敏感，實際接觸及受力狀況難以準確確定，需要較高的制造精度。

保證運動副可靠工作的措施

●提高表面硬度●正確選用材料●添加潤滑劑●加入中間體,將滑動摩擦改為滾動摩擦運動副分類

運動副的分類●

按運動副引入的約束數分類

I級副(ClassIkinematicpair)、II級副、III級副、IV級副、V級副?！?/p>

按運動副的接觸形式分類面與面接觸的運動副—低副(Lowerpair)點、線接觸的運動副—高副(Higherpair)

●按兩構件相對運動的形式分類平面運動副(Planarkinematicpair)

空間運動副(Spatialkinematicpair)●

按接觸部分的幾何形狀分類圓柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圓柱副、圓柱–平面副等等。運動副舉例球面－平面副圓柱－平面副球面–平面副Sphere-planepair空間I級高副圓柱–平面副Cylinder-planepair空間II級高副運動副舉例運動副舉例球面副球銷副球面副Sphericalpair空間III級低副球銷副Sphere-pinpair空間IV級低副運動副舉例運動副舉例圓柱副螺旋副圓柱副Cylindricpair空間IV級低副螺旋副Helicalpair空間V級低副運動副舉例運動副舉例轉動副轉動副Revolutepair空間V級(平面II級)低副軸承Bearing鉸鏈Hingedjoint運動副舉例運動副舉例移動副移動副Prismaticpair,Slidingpair空間V級(平面II級)低副運動副舉例平面運動副的約束數

平面機構是應用最廣泛的機構。平面運動副的約束數為1

s

2。

點、線接觸的平面運動副—平面高副

滾動副

凸輪副

齒輪副

面接觸的平面運動副—平面低副

轉動副

移動副運動副的封閉

運動副的封閉保持運動副元素之間的接觸稱為運動副的封閉?！?/p>

幾何封閉(Geometricclosure)

運動副的封閉

運動副的封閉保持運動副元素之間的接觸稱為運動副的封閉。●

力封閉(Forceclosure)

彈簧力封閉重力封閉閉式運動鏈閉式運動鏈(Closedkinematicchain)單封閉回路閉鏈pN

（p為運動副數，N為構件數）多封閉回路運動閉鏈kpN1(k為回路數)

三、運動鏈(Kinematicchain)兩個以上構件用運動副聯接的構件系統。開式運動鏈開式運動鏈(Openkinematicchain)

開式運動鏈廣泛應用于機械手和機器人中。N

p

1機構其余構件運動是否確定？機構滿足條件1432運動鏈

4132固定一個構件在另一個（或幾個）構件上加上已知運動2134

四、機構同一運動鏈可以生成不同機構曲柄滑塊機構搖塊機構導桿機構

同一運動鏈可以生成的不同機構1423ABC431CAB21432ABC431CAB2

運動鏈的生成是創造、獲取新機構的重要手段。運動鏈的設計只關注構件數和聯接這些構件的運動副的數量和類型，所以又稱為機構的型數綜合(Typeandnumbersynthesis)。

構件的類型至少1個1個

構件的類型原動件(Drivinglink)—機構中按給定運動規律運動的構件，也稱為輸入構件(Inputlink)。從動件(Drivenlink,Follower)—其余的可動構件。具有預期的運動規律、對外完成某種工藝動作的從動件也稱為輸出構件(Outputlink)或執行構件(Executivelink)。機架(Fixedlink,Frame)—固定不動的構件。機構機架原動件從動件系統空間機構

平面機構是我們的主要研究對象。

根據機構中各構件的相對運動是否在同一平面或平行平面內，可將機構分為平面機構(Planarmechanism)和空間機構(Spatialmechanism)?？臻g機構第二節機構運動簡圖第二節機構運動簡圖

一、機構運動簡圖

機構運動簡圖(Kinematicsketch)是從運動學角度出發，將實際機械中與運動無關的因素加以抽象和簡化后，得到的反映實際機械的運動特性和運動傳遞關系的圖形。機構運動簡圖應滿足的條件：

(1)構件數目與實際機構相同；

(2)運動副的類型、數目與實際機構相符；

(3)運動副之間的相對位置以及構件尺寸與實際機構成比例。

機構示意圖為不嚴格按比例繪制的簡圖，用于表達機械的結構特征。常用運動副符號常用運動副的符號運動副符號兩運動構件構成的運動副轉動副移動副121212121212212121平面運動副兩構件之一為固定時的運動副121222112211222112運動副名稱常用運動副符號平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副1212空間運動副122112平面運動副21構件的表示方法構件的表示方法

桿、軸構件固定構件同一構件構件的表示方法三副構件

兩副構件

構件的表示方法

不考慮構件的外形畫構件時應撇開構件的實際外形，而只考慮運動副的類型。常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號（摘自GB/T4460-1984）在機架上的電機齒輪齒條傳動帶傳動圓錐齒輪傳動常用機構運動簡圖符號凸輪傳動常用機構運動簡圖符號（續）鏈傳動圓柱蝸桿蝸輪傳動外嚙合圓柱齒輪傳動常用機構運動簡圖符號常用機構運動簡圖符號（續）棘輪機構內嚙合圓柱齒輪傳動機構運動簡圖繪制步驟

二、機構運動簡圖的繪制

步驟：

(1)分析機構的動作原理、組成情況和運動情況，確定原動件、機架、執行部分和傳動部分。

(2)沿著運動傳遞路線，逐一分析每兩個構件間相對運動的性質，確定運動副的類型和數目。

(3)選擇與機械多數構件的運動平面平行的平面，作為機構運動簡圖的視圖平面。

(4)選擇適當的機構運動瞬時位置和比例尺l(mmm)，定出各運動副的相對位置，并用各運動副的代表符號、常用機構的運動簡圖符號和簡單線條，繪制機構運動簡圖。

(5)從原動件開始，按運動傳遞順序標出各構件的編號和運動副代號。在原動件上標出箭頭以表示其運動的方向。平面機構運動簡圖繪制舉例平面機構運動簡圖繪制舉例偏心泵1234ABCD運動鏈自由度計算一般公式

一、運動鏈的自由度計算運動鏈的自由度—確定運動鏈中各構件相對于其中某一構件的位置所需的獨立參變量的數目。

考察由N個構件組成的運動鏈，活動構件數

n=N1。

空間運動

運動鏈自由度：構件總自由度6nI級副約束數p1II級副約束數2p2III級副約束數3p3IV級副約束數4p4V級副約束數5p5第三節運動鏈成為機構的條件運動鏈自由度計算－公共約束

具有q個公共約束的運動鏈，其自由度計算公式為：

平面運動鏈q=3，其自由度計算公式為：自由度計算舉例運動鏈自由度計算舉例例1

縫紉機腳踏板運動鏈自由度計算

例2

平面四桿運動鏈自由度計算

分析：n

3，p52，p41，p31

計算：F6n(3p34p45p5)63(314152)

1

只要給定1個獨立位置參數，各構件間的相對位置關系就確定了。

分析：n3，q3，pL4，pH

0

計算：F3n2pL

pH

33241

只要給定1個獨立位置參數，各構件間的相對位置關系就確定了。

平面四桿運動鏈1432ABC124C3ADB縫紉機腳踏板運動鏈運動鏈成為機構的條件－F>0

F3n2pLpH33251

該運動鏈約束過多，成為超靜定桁架，不能成為機構。

F3n2pLpH32230

運動鏈為一剛性桁架，不能成為機構。

AB12C3平面三構件運動鏈1243ADBCE平面四構件運動鏈

二、運動鏈成為機構的條件判斷所設計的運動鏈是否能成為機構，是提出新的設計方案時自行評價方案可行性的關鍵步驟。

運動鏈成為機構的首要條件：運動鏈自由度必須大于零。運動鏈成為機構的條件－平面五桿運動鏈

F3n2pLpH3425

2

原動件數F,運動鏈內部各構件的運動關系不確定。

運動鏈不能成為機構。

原動件數F,運動鏈內部各構件運動關系確定。

運動鏈成為機構。

在F0的條件下，進一步判斷運動鏈是否具有確定的運動。

平面五桿運動鏈

運動鏈成為機構的條件－平面四桿運動鏈

F3n2pLpH33241原動件數F，運動鏈內部的運動關系將發生矛盾，其中最薄弱的構件將會損壞。

運動鏈不能成為機構。

原動件數F，運動鏈內部各構件運動關系確定。

運動鏈成為機構。

平面四桿運動鏈運動鏈成為機構的條件－結論

運動鏈成為機構的條件是：取運動鏈中一個構件相對固定作為機架，運動鏈相對于機架的自由度必須大于零，且原動件的數目等于運動鏈的自由度數。滿足以上條件的運動鏈即為機構，機構的自由度可用運動鏈自由度公式計算。機構自由度計算－圓盤鋸圓盤鋸

計算錯誤的原因

例題

圓盤鋸機構自由度計算

解

n7，pL6，pH0

F3n2pLpH37269錯誤的結果！12345678ABCDEF兩個轉動副復合鉸鏈12345678ABCDEF

正確計算

B、C、D、E處為復合鉸鏈，轉動副數均為2。

n7，pL10，pH0

F3n2pLpH372101

三、計算機構自由度時應注意的問題●復合鉸鏈(Compoundhinges)

兩個以上的構件在同一處以轉動副聯接所構成的運動副。

k個構件組成的復合鉸鏈，有(k-1)個轉動副。復合鉸鏈的識別12313424132兩個轉動副兩個轉動副兩個轉動副1234兩個轉動副1423兩個轉動副312兩個轉動副

準確識別復合鉸鏈舉例關鍵：分辨清楚哪幾個構件在同一處用轉動副聯接計算凸輪機構自由度例題計算凸輪機構自由度

F3n2pLpH332312

●局部自由度(Passivedegreeoffreedom)

機構中某些構件所具有的僅與其自身的局部運動有關的自由度。

考慮局部自由度時的機構自由度計算

設想將滾子與從動件焊成一體

F3n2pLpH322211

計算時減去局部自由度FP

F3n2pLpHFP

3323111？機車車輪聯動機構自由度？

例題

計算機車車輪聯動機構的自由度

F3n2pLpH36290虛約束定義●虛約束(Redundantconstraint,Passiveconstraint)機構中不起獨立限制作用的重復約束。計算具有虛約束的機構的自由度時，應先將機構中引入虛約束的構件和運動副除去。虛約束－兩構件構成多個運動副

(1)兩構件間構成多個運動副兩構件構成多個導路平行的移動副兩構件構成多個軸線重合的轉動副兩構件構成多個接觸點處法線重合的高副虛約束發生的場合虛約束－距離不變

(2)兩構件上某兩點間的距離在運動過程中始終保持不變

未去掉虛約束時F3n2pLpH34260

構件5和其兩端的轉動副E、F提供的自由度

F3n2pLpH31221即引入了一個約束，但這個約束對機構的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后?ABCDAEDF

F3n2pLpH332413241ACBDEF5虛約束－軌跡重合

(3)聯接構件與被聯接構件上聯接點的軌跡重合

構件3與構件2組成的轉動副E及與機架組成的移動副提供的自由度F3n2pLpH31221即引入了一個約束，但這個約束對機構的運動不起實際約束作用，為虛約束。去掉虛約束后橢圓儀機構構件2和3在E點軌跡重合3E4125ABCBEBC=ABEAC=90

F3n2pLpH33241

未去掉虛約束時F3n2pLpH34260

?虛約束－對稱部分1B342A

(4)機構中對傳遞運動不起獨立作用的對稱部分

對稱布置的兩個行星輪2和2以及相應的兩個轉動副D、C和4個平面高副提供的自由度F3n2pLpH3222142即引入了兩個虛約束。

行星輪系

去掉虛約束后F3n2pLpH33231211234ADBC22

未去掉虛約束時F3n2pLpH3525161虛約束的作用

虛約束的作用

(1)改善構件的受力情況，分擔載荷或平衡慣性力，如多個行星輪。

(2)增加結構剛度，如軸與軸承、機床導軌。

(3)提高運動可靠性和工作的穩定性。

注意機構中的虛約束都是在一定的幾何條件下出現的，如果這些幾何條件不滿足，則虛約束將變成實際有效的約束，從而使機構不能運動。包裝機送紙機構自由度計算EDFIGJ例3計算包裝機送紙機構的自由度

分析活動構件數n9復合鉸鏈虛約束運動副D1處

去掉局部自由度和虛約束局部自由度B2I9C3A1J6H87DE4FG5A1B2C3J6H89IFG57ED42個轉動副桿9和運動副F、I引入一個虛約束n6，pL7，pH3F3n2pLpH3627131滾子3、8繞自身軸線的轉動第四節平面運動鏈與機構結構設計第四節平面運動鏈與機構的結構設計

一、平面運動鏈的結構設計

機構的構件數n、運動副數pk與自由度數F之間存在著一定的關系。運動鏈結構設計（機構的型數綜合）的目的

確定在滿足一定自由度的前提下運動鏈的所有結構形式，從而獲得能滿足各種工作要求的機構。這是機構創新設計(Creativedesign)的基本途徑。假定所有運動副為單一轉動副。平面機構自由度計算公式簡化為F3n2pL3(N1)2p自由度F是機構型數綜合的目標。運動鏈結構公式推導法

p，N均應為正整數，因此●

當F為奇數時，構件N必為偶數；反之，當F為偶數時，構件數N必為奇數。●

當F1時，N必須大于2。

結論對于F=1的平面閉鏈機構構件數N必為4，6，8，10，…等；對應的運動副數p為4，7，10，13，…等。由kpN1可知，對于410桿運動鏈，對應的封閉回路數為1，2，3，4，……。

二、運動鏈結構公式推導法改寫前述公式F1的運動鏈自由度F1的6桿運動鏈的可能結構型N32，N24Watt鏈N41，N25等同于4桿鏈N32，N24等同于4桿鏈N32，N24與Watt鏈同構N32，N24Stephenson鏈

F=1的運動鏈N32N45N5N4NN2N3N4N5

式中，Nk表示k副構件的數目。第五節基本桿組法第五節按基本桿組的機構結構綜合與結構分析

一、機構結構綜合的基本桿組法

基本思路

驅動桿組(Drivinggroups)基本桿組(Basicgroups)機構由原動件和機架組成，自由度等于機構自由度不可再分的自由度為零的構件組合

核心問題：如何獲得各種F0的基本桿組？基本桿組條件－II級組基本桿組的構件數n2，4，6，…基本桿組的運動副數pL3，6，9，…

1.n2，pL3的雙桿組(II級組)內接運動副外接運動副R-R-R組R-R-P組R-P-R組P-R-P組R-P-P組

基本桿組應滿足的條件F3n2pL0

即

n(23)pL

III級組

結構特點有一個三副構件，而每個內副所聯接的分支構件是兩副構件。

2.n4，pL6的多桿組

(1)III級組IV級組

不同級別的桿組，其構形的難度和位置解的數量都很不相同，從而決定了由它們所構成的機構可能實現的運動規律，以及它們的運動與受力分析的難易程度都不相同。結構特點具有兩個三副構件，桿組的四個內副形成四邊形。

(2)IV級組桿組的構形解

桿組的構形解

II級組有兩種裝配模式，為ABC或ABC。

III級組的裝配模式多達六種。

由不同級別的基本桿組組成的機構，其分析設計的復雜程度不一樣。為此，常根據機構中的桿組級別來確定機構的級別。

II級組的構形解ABCCDFECABDEFEDFIII級組的構形解def

桿組不同的構形解即各構件的相對位置解，又稱為桿組的裝配模式(Assemblemodes)。平面機構的高副低代二、平面機構的高副低代平面機構的高副低代二、平面機構的高副低代r1r2O1O2O2r2O1高副低代

接觸點處兩高副元素的曲率半徑為有限值

接觸點處兩高副元素之一的曲率半徑為無窮大高副低代虛擬構件虛擬構件機構的組成原理

三、機構的組成原理

基本概念

基本機構—僅由一個基本桿組構成的機構。

復合機構—由一個以上基本桿組構成的機構。

按基本桿組的機構結構綜合步驟●按自由度要求設計出驅動桿組；●將基本桿組依次聯接到原動件、機架上，或者機架和其它基本桿組的構件上，組成機構。機構結構組成舉例－一個原動件

注意桿組的各外接運動副不能全部聯接在同一個構件上。A18BC2D3EF45GIH67J

機構結構組成舉例機構結構組成舉例－兩個原動件

在進行新機械方案設計時，可以按設計要求由桿組組成機構，進行創新設計。A19B2C5463DEFGHJI87

機構結構組成舉例機構結構分析

四、機構的結構分析

在對已有的機構或已設計完畢的機構進行運動分析和動力分析時，通常需要對機構進行結構分析。

意義

基本桿組是組成機構的核心，具有自由度為零和不可再分拆的屬性以及運動和動力的確定性。通過機構的結構分析，可以將類型繁多的各種機構分析問題歸納為數量有限的幾種基本桿組的分析和求解問題，從而簡化了機構的分析。

問題核心正確劃分出機構的基本桿組機構的結構分析過程與機構的組成過程相反。

結構分析步驟

步驟

(1)計算機構的自由度，確定原動件。

(2)將機構中的高副用低副替代。

(3)從傳動關系上離原動件最遠的構件開始，依次進行試拆。試拆時，先按II級組試拆，若無法拆除，再試拆高一級別的桿組。

(4)每拆除一個桿組后，機構的剩余部分仍應是一個自由度不變的完整機構，直至只剩下驅動桿組。

(5)按所有基本桿組中的最高級別桿組確定該機構的類別，作為對機構進行運動分析和動力分析時，選擇相應方法的依據。結構分析例題

機構結構分析例題

第一次試拆

以構件1為原動件BAI2E14365798DHCGJF10結構分析例題

機構結構分析例題

第一次試拆

以構件1為原動件BAI2E14365798DHCGJF10結構分析例題

機構結構分析例題

錯誤！不是III級組。BA2E1435DCF10I6798HGJF結構分析例題

機構結構分析例題

錯誤！剩余部分不是完整機構，存在運動不確定構件。BAI2143798DHCJF10GE65FE65F結構分析例題

機構結構分析例題

正確！繼續拆分基本桿組。BA2E143657DHCGF10I98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

第二次試拆BA2E143657DHCGF10I98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

第二次試拆BA2E143657DHCGF10I98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

錯誤！不是III級組。BA213C10E4657DHGFI98JI98J14結構分析例題

機構結構分析例題

正確！繼續拆分基本桿組。BA2E35DCF1067HGFI98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

第三次試拆BA2E1435DCF1067HGFI98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

第三次試拆BA2E1435DCF1067HGFI98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

錯誤！不是III級組。A110B2E435DCF67HGFI98JI98J結構分析例題

機構結構分析例題

正確！繼續拆分基本桿組。BA213C1067HGFI98JI98J45DFE結構分析例題

機構結構分析例題

第四次試拆67HGFI98JI98JA110B23C45DFE結構分析例題

機構結構分析例題

拆桿組完成！67HGFI98JI98JA110B23CII級機構45DFE結構分析例題

機構結構分析例題

以構件5為原動件第一次試拆BA2E1435DCF67HGF98JI10結構分析例題

機構結構