機械設計基礎第1章平面機構運動簡圖及自由度(包含動畫)

機械設計基礎

（PPT課件）

卓越工程師教育培養(yǎng)機械類創(chuàng)新系列規(guī)劃教材2023最新整理收集do

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開門時，門把手和鎖芯相對于門是轉動，彈子相對于鎖芯是平行移動；撐開雨傘時，傘骨軸套相對于傘柄的運動為平行移動，傘骨各節(jié)之間是轉動。機構中各構件如何連接才能實現上述的移動或轉動呢？只要把構件連接到一起就能得到具有確定相對運動的機構嗎？如何方便的研究機構中各構件的相對運動關系呢？第1章平面機構的運動簡圖和自由度第1章平面機構的運動簡圖和自由度1.1平面機構的組成1.2平面機構運動簡圖1.3平面機構的自由度1.4工程應用案例—慣性篩本章重點平面機構、自由度、運動副、復合鉸鏈、局部自由度與虛約束的概念；能正確繪制簡單機械的機構運動簡圖；能正確計算平面機構的自由度；會判斷機構是否具有確定運動。興趣實踐觀察跑步機、錄音機、訂書機等的運動過程，找出原動件、從動件；認識轉動副、移動副、高副等。探索思考同樣功能的機械能否采用不同的機構來實現？第一章平面機構的運動簡圖和自由度案例1-1自行車的動力機構包括腳踏、大鏈輪、鏈條、小鏈輪、車輪、車架等構件，請分析這些構件分別屬于原動件、從動件和固定件中的哪一種？平面機構的組成運動副：構件和構件之間既要相互連接（接觸）在一起，又要有相對運動。而兩構件之間這種可動的連接（接觸）就稱為運動副。一、運動副的概念平面機構——機構中的所有構件均平行于同一固定平面運動

的機構。機構的組成：構件：

固定件（機架）

原動件

從動件聯接件（運動副）平面機構的組成很多情況下，固定件以多處分離的形式出現，看起來并沒有直接的連接關系。但是，不管機構中有幾個分離的固定件，在運動學分析中只能當做一個構件。常見的運動副如下所示：平面機構的組成兩構件組成的運動副，不外乎是通過點、線、面接觸來實現的。根據組成運動副兩構件之間的接觸特性，運動副可分為低副和高副。一、運動副的分類兩構件以面接觸的運動副根據構件相對運動形式的不同低副分為轉動副和移動副運動副高副低副移動副轉動副兩構件以點、線的形式接觸而組成的運動副—只能相對轉動的運動副，又稱鉸鏈—只能沿某一軸線作相對移動的運動副平面機構的組成

小思考1-1“副”的原意為“一對”，運動副的三要素為：兩個構件、直接接觸、相對運動。請大家思考為何高副和低副的接觸應力大小不同？常見的平面運動副：轉動副移動副高副高副平面機構的組成常見的空間運動副：轉動副柱面高副圓柱副線高副平面機構的組成常見的空間運動副：球銷副球副點高副螺旋副平面機構的組成案例1-1分析自行車機構中由人力直接驅動的構件是腳踏，而它與大鏈輪是固連在一起的同一構件，故大鏈輪是原動件；在分析自行車的運動時，應該以車架為靜參考系，故車架是固定件；除大鏈輪和車架之外的其余構件都是從動件。平面機構的組成不考慮與運動無關的構件外形和運動副具體結構；只考慮與運動有關的運動副的類型和構件的運動尺寸，用簡單的線條、規(guī)定的符號表示構件和運動副，確定出運動副的位置并按比例畫出的簡圖。一、機構運動簡圖及其作用1.了解機構的組成和類型機構運動簡圖的作用：機構中構件的類型和數目運動副的類型和數目運動副的相對位置2.機構運動簡圖表達一部復雜機器的傳動原理，進行

機構的運動和動力分析。平面機構運動簡圖案例1-2右圖所示的四個構件形狀迥異，請分析它們在機構運動學上有何區(qū)別？做成不同形狀的目的是什么？平面機構運動簡圖二、機構運動簡圖的符號1.構件的表示方法2.運動副的表示方法平面機構運動簡圖常用運動副的符號運動副名稱運動副符號兩運動構件構成的運動副轉動副移動副12121212121212121212121212兩構件之一為固定時的運動副122121平面運動副平面機構運動簡圖平面高副螺旋副21121221211212球面副球銷副121212空間運動副121212常用運動副的符號平面機構運動簡圖一般構件的表示方法桿、軸構件固定構件同一構件三副構件兩副構件平面機構運動簡圖案例1-2分析四個構件都是含有2個轉動副的構件，并且轉動副之間的距離相等，所以它們在運動學上是沒有區(qū)別的，在機構運動簡圖中的表達形式完全相同。之所以做成不同形狀，是零件強度和設計空間的要求。平面機構運動簡圖三、平面機構運動簡圖的繪制1.步驟—分析機構的運動情況，認清固定件、原動件和從動

件，確定構件數目。—從原動件開始，按運動的傳遞順序，分析各相鄰構

件之間相對運動的性質，確定運動副的類型和數目?！x機構的運動平面為投影面?！x擇適當的比例，確定出各運動副的相對位置，用

構件和運動副的符號繪出機構運動簡圖。繪制機構運動簡圖的比例尺μt為：平面機構運動簡圖例1-1試繪制內燃機的機構運動簡圖。平面機構運動簡圖氣缸體1活塞2進氣閥3排氣閥4連桿5曲軸6凸輪7頂桿8齒輪10解：1）分析運動，確定構

件的類型和數目2）確定運動副的類型和

數目3）選擇視圖平面4）選取比例尺，根據機

構運動尺寸，定出各

運動副間的相對位置5）畫出各運動副和機構

的符號，并表示出各

構件平面機構運動簡圖平面機構運動簡圖例2-1試繪制鄂式破碎機的機構運動簡圖。平面機構運動簡圖平面機構運動簡圖例2-2

試繪制縫紉機引線機構的運動簡圖。平面機構運動簡圖一、自由度與約束條件

一個構件未用運動副與其它構件連接之前，有三個自由度。

當用運動副連接后，構件間的相對運動受到約束，失去一些自由度。運動副不同，失去的自由度數目和保留的自由度數目也不同。低副引入兩個約束，保留一個自由度；高副引入一個約束，保留兩個自由度。平面機構的自由度二、平面機構自由度的計算設n：機構中活動構件數；Pl

：機構中低副數；Ph：機構中高副數；F：機構的自由度數；則

F=3n-2Pl-Ph

計算實例：解：n=3,Pl

=4,Ph=0F=3n-2Pl

-Ph

=3×3-2Pl-Ph=3×3-2×4-0=1平面機構的自由度

計算實例解：n=5,Pl

=7,Ph

=0F=3n–2Pl

–Ph=3×5–2×7–0=1平面機構的自由度三、自由度計算時應注意的幾種情況1.復合鉸鏈2.局部自由度3.虛約束兩個以上構件在同一軸線處用轉動副連接，就形成了復合鉸鏈。說明個別構件所具有的，不影響整個機構運動的自由度稱為局部自由度。說明重復出現的，對機構運動不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。說明4.虛約束常見情況及處理方法說明5.虛約束對機構的影響說明平面機構的自由度下圖一中黃色機械為慣性篩，是石料加工廠中對石料分級的設備。它以平面機構作為傳動部件，將電動機的轉動轉化為篩箱的平面運動。根據下圖二所示慣性篩三維圖繪制其機構運動簡圖，并計算自由度，判斷其有無確定運動。工程應用案例—慣性篩圖示為一手動沖床機構，試繪制其運動簡圖，并計算自由度。試分析是否可行，并提出修改方案。作業(yè)計算下列機構的自由度，指出機構中的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并判斷機構運動是否確定。要求抄畫機構簡圖，適當地標注構件號、運動副字符號。作業(yè)案例1-3下圖所示為活動毛巾桿，它是一種很典型的復合鉸鏈。在圖中能看出有幾個構件參與形成轉動副嗎？此復合鉸鏈共有幾個轉動副？復合鉸鏈三個構件在同一軸線處，兩個轉動副。推理：m個構件時，有m–1個轉動副。復合鉸鏈復合鉸鏈慣性篩機構C處為復合鉸鏈

計算中注意觀察是否有復合鉸鏈，以免漏算轉動副數目，出現計算錯誤。n=5,Pl

=7,Ph

=0=3×5-2×7–0=1F=3n-2Pl

–Ph復合鉸鏈案例1-3分析活動毛巾桿中的立桿為連接件，它將4個橫桿和機架連接在一起，所以共有5個構件參與形成復合鉸鏈。圖中可以數出共有4個轉動副，因而4個橫桿均可獨自轉動。復合鉸鏈滾子的轉動自由度并不影響整個機構的運動，屬局部自由度。

計入局部自由度時n=3,Pl

=3,Ph

=1

F=3×3-2×3-1=2

與實際不符局部自由度應除去局部自由度，即把滾子和從動件看作一個構件。

處理方法

實際結構上為減小摩擦采用局部自由度，“除去”指計算中不計入，并非實際拆除。教材圖1-13b動畫n=2,Pl=2,Ph

=1,F=3×2-2×2–1=1與實際相符局部自由度案例1-4在車削長軸時，通常在軸中間部位加支撐，這樣，當軸旋轉時，卡盤、支撐、頂尖分別與軸形成3個轉動副，如下圖所示。這3個轉動副在機構運動學與結構強度方面分別起什么作用？虛約束n=4,Pl

=6,Ph

=0

構件5給機構引入三個自由度，四個約束。多出的一個約束對機構的運動不起獨立的限制作用，是虛約束。與實際不符F=3×4-2×6–0=0虛約束n=3,Pl

=4,Ph=0F=3×3-2×4–0=1

處理方法與實際相符應除去虛約束，即將產生虛約束的構件5及運動副除去不計。虛約束1.兩構件未組成運動副前，連接點處的軌跡已重合為一，組成的運動副存在虛約束。

計算中應將產生虛約束的構件及運動副一起除去不計。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

計算中只計入一個移動副。

2.兩構件組成多個移動副，且導路相互平行或重合時，只有一個移動副起約束作用，其余為虛約束。

虛約束常見情況及處理尖頂凸輪機構虛約束常見情況及處理3.兩構件組成多個轉動副，且軸線重合，只有一個轉動副起約束作用，其余為約束。

計算中只計入一個轉動副。

虛約束常見情況及處理軸系虛約束常見情況及處理

計算中應將產生虛約束的構件及運動副一起除去不計。4.兩構件兩點間未組成運動副前距離保持不變，兩點間用另一構件連接時，將產生虛約束。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

計算中應將對稱部分除去不計。5.機構中對運動不起獨立作用的對稱部分，將產生虛約束。

虛約束常見情況及處理虛約束常見情況及處理

機構中虛約束是實際存在的，計算中所謂“除去不計”是從運動觀點分析做的假想處理，并非實際拆除。虛約束是在一些特定的幾何條件下引入的，如“平行”、“重合”、“距離不變”等。如果幾何條件不滿足，虛約束會轉化為有效約束。機構中引入虛約束是為了受力均衡，增大剛度等，同時也提高了對制造和裝配精度的要求。

虛約束對機構的影響虛約束常見情況及處理1.實例分析不能產生運動四、機構具有確定運動的條件給定構件1運動參數構件2、3的運動是確定的。平面機構的自由度給定構件1運動參數，構件2、3、4的運動是不確定的。平面機構的自由度再給定構件4運動參數構件2、3的運動是確定的。2.結論機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目稱機構的自由度。平面機構具有