第1章 機(jī)構(gòu)的組成原理
<br>1.1 基本要求
<br>（1）了解機(jī)構(gòu)的組成要素。
<br>（2）掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制方法。能夠?qū)��?shí)際機(jī)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡
<br>圖；能看懂各種復(fù)雜機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖；能用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖表達(dá)自己的設(shè)計(jì)構(gòu)思。
<br>（3）掌握運(yùn)動(dòng)鏈成為機(jī)構(gòu)的條件。
<br>（4）熟練掌握機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算方法。能自如地運(yùn)用自由度計(jì)算公式計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度，
<br>尤其是平面機(jī)構(gòu)的自由度。能準(zhǔn)確識別出機(jī)構(gòu)中存在的復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并作
<br>出正確處理。
<br>（5）掌握機(jī)構(gòu)的組成原理和結(jié)構(gòu)分析的方法。了解高副低代的方法；會判斷桿組、桿組的
<br>級別和機(jī)構(gòu)的級別；學(xué)會將?級、?級機(jī)構(gòu)分解為機(jī)架、原動(dòng)件和若干基本桿組的方法。
<br>1.2 重點(diǎn)與難點(diǎn)
<br>本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制、機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件、平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)
<br>算和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制和平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算是學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)和
<br>必須正確熟練掌握的內(nèi)容。
<br>1.2.1 基本概念
<br>根據(jù)本章的知識要點(diǎn)提出以下基本概念，為了便于掌握，將相關(guān)概念成組列出。讀者應(yīng)通
<br>過比較，掌握各概念的定義、特點(diǎn)以及相關(guān)概念間的不同點(diǎn)和相互間的聯(lián)系。
<br>1.構(gòu)件
<br>構(gòu)件是機(jī)器中獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元體，是組成機(jī)構(gòu)的基本要素之一。零件是機(jī)器中加工制造
<br>的單元體。一個(gè)構(gòu)件可以是一個(gè)零件，也可以是由若干個(gè)零件剛性連接在一起的一個(gè)獨(dú)立運(yùn)
<br>動(dòng)的整體。
<br>2.運(yùn)動(dòng)副
<br>運(yùn)動(dòng)副是由兩構(gòu)件直接接觸構(gòu)成的可動(dòng)連接，是組成機(jī)構(gòu)的又一基本要素。由運(yùn)動(dòng)副的
<br>定義可以看出運(yùn)動(dòng)副的基本特征如下：
<br>（1）兩構(gòu)件具有一定的接觸表面，而參與接觸的表面稱為運(yùn)動(dòng)副元素。
<br>（2）兩構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動(dòng)。
<br>因此，運(yùn)動(dòng)副可按下述情況分類：
<br>（1）根據(jù)兩構(gòu)件的接觸情況分為高副和低副，其中通過點(diǎn)或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副，以
<br>面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。
<br>（2）按構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件之間所能產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的形式分為轉(zhuǎn)動(dòng)副（又稱為鉸鏈）、移動(dòng)
<br>副、螺旋副和球面副等。
<br>3.運(yùn)動(dòng)鏈
<br>運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)莾蓚�(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副連接而構(gòu)成的相對可動(dòng)的系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)鏈可以
<br>是首末封閉的閉鏈，也可以是未封閉的開鏈。
<br>4.機(jī)構(gòu)
<br>機(jī)構(gòu)是一種用來傳遞運(yùn)動(dòng)和力的可動(dòng)裝置。從運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來看，機(jī)構(gòu)是具有確定相對運(yùn)
<br>動(dòng)規(guī)律的構(gòu)件組合體。從機(jī)構(gòu)的組成來看，機(jī)構(gòu)是具有一個(gè)固定構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)鏈。
<br>機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件或相對固定的構(gòu)件稱為機(jī)架，它可以作為研究運(yùn)動(dòng)時(shí)的參考坐標(biāo)系。
<br>機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為原動(dòng)件或主動(dòng)件，而其余隨原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的
<br>可動(dòng)構(gòu)件稱為從動(dòng)件，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
<br>1.2.2 正確繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖
<br>機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖是設(shè)計(jì)者研究分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題的一個(gè)重要工具。因此，運(yùn)動(dòng)
<br>簡圖應(yīng)能正確表達(dá)出機(jī)構(gòu)的構(gòu)件組成和構(gòu)件間相連接的運(yùn)動(dòng)副，即表達(dá)出機(jī)構(gòu)的組成形式，顯
<br>示出設(shè)計(jì)方案。要求準(zhǔn)確表達(dá)出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和標(biāo)注出相關(guān)的運(yùn)動(dòng)尺寸。
<br>1.繪制運(yùn)動(dòng)副時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
<br>（1）繪制轉(zhuǎn)動(dòng)副時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)副的位置是關(guān)鍵：代表轉(zhuǎn)動(dòng)副小圓的圓心必須與回轉(zhuǎn)中心重合；
<br>兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副中心連線的長度一定要精確。
<br>偏心輪和圓弧形滑塊是轉(zhuǎn)動(dòng)副的特殊形式。它們的繪制是易錯(cuò)點(diǎn)。繪制時(shí)關(guān)鍵是要找出
<br>相對轉(zhuǎn)動(dòng)中心，具體可見典型例題分析中的例題1.1。
<br>（2）繪制移動(dòng)副時(shí)，導(dǎo)路的方向和位置是關(guān)鍵。必須注意：代表移動(dòng)副的滑塊，其導(dǎo)路的
<br>方向必須與相對移動(dòng)的方向一致；導(dǎo)路間的夾角要精確，并要標(biāo)注（見圖1.1）；轉(zhuǎn)動(dòng)副到移動(dòng)
<br>副導(dǎo)路間的距離要精確，若某一構(gòu)件分別以轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副與另兩個(gè)構(gòu)件相連接，且轉(zhuǎn)動(dòng)副的
<br>回轉(zhuǎn)中心不在移動(dòng)副的導(dǎo)路上，則應(yīng)標(biāo)出轉(zhuǎn)動(dòng)副到導(dǎo)路的距離，即偏心距e（見圖1.2）。
<br>2.繪制構(gòu)件時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
<br>（1）任意形狀的構(gòu)件，當(dāng)它只以兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與其他構(gòu)件相連接，且外形輪廓也不以高副與
<br>其他構(gòu)件相接觸時(shí)，簡圖中只需以兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副幾何中心的連線代表此構(gòu)件。
<br>（2）盡量減少構(gòu)件前后重疊時(shí)虛線可能引起的誤會。例如，有時(shí)可變通地把小齒輪或外
<br>形小的凸輪等移至大齒輪的前面，即畫成實(shí)線，這在機(jī)械制圖中是絕對不允許的，但在繪制運(yùn)
<br>動(dòng)簡圖時(shí)，只要不影響表達(dá)機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)特性，這種變通是允許的。
<br>（3）當(dāng)同一軸上安裝若干零件時(shí)，必須明確表明哪些零件為同一構(gòu)件。當(dāng)不便以焊接符
<br>號表示時(shí)，還可用構(gòu)件編號來表達(dá)，即不同構(gòu)件標(biāo)不同編號，同一構(gòu)件中的不同零件（如固連于
<br>同一軸上的大、小齒輪或齒輪與凸輪）則標(biāo)以同樣的構(gòu)件編號，并在編號右上角加不同的撇號
<br>以示區(qū)別，如3?、3?。
<br>3.繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
<br>1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖與機(jī)構(gòu)示意圖的區(qū)別
<br>當(dāng)設(shè)計(jì)者只是為了表達(dá)機(jī)構(gòu)的組成、討論初步的設(shè)計(jì)構(gòu)思、表達(dá)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理而不需精
<br>確進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，可不必嚴(yán)格地按比例繪制運(yùn)動(dòng)副的精確位置和構(gòu)件的準(zhǔn)確尺
<br>寸，只需繪制機(jī)構(gòu)示意圖。在作定量的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析時(shí)，則必須嚴(yán)格按比例繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)
<br>動(dòng)簡圖。
<br>2）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制
<br>機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制是本章的一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)，一般可按下列步驟進(jìn)行：
<br>（1）分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，確定構(gòu)件數(shù)目。首先要弄清機(jī)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)情況，確定其原動(dòng)
<br>部分和工作部分（即直接執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)的部分和最后輸出運(yùn)動(dòng)的部分），然后再明確兩者之間
<br>的傳動(dòng)，從而確定該機(jī)構(gòu)是由多少個(gè)構(gòu)件組成的。
<br>（2）確定運(yùn)動(dòng)副的類型和數(shù)目。根據(jù)各構(gòu)件相對運(yùn)動(dòng)和接觸情況，確定構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副
<br>類型。
<br>（3）選視圖、選位置、選比例，用規(guī)定符號表達(dá)運(yùn)動(dòng)副。首先，為了將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)表示清楚，
<br>需要恰當(dāng)?shù)剡x擇投影面，即選好視圖。一般選擇機(jī)構(gòu)中與多數(shù)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)平面相平行的面為
<br>投影面。必要時(shí)也可以就機(jī)械的不同部分選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的投影面，然后展到同一圖面
<br>上；其次，為了清楚地表示出機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的相互關(guān)系，應(yīng)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中選擇一個(gè)最一般
<br>的位置來繪制；再次，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤�尺；最后，按照�?guī)定的符號將構(gòu)件間所形成的運(yùn)動(dòng)副
<br>表達(dá)出來。
<br>（4）用規(guī)定符號表達(dá)構(gòu)件。用簡單線條將同一構(gòu)件上的運(yùn)動(dòng)副連接起來，即表達(dá)出各構(gòu)
<br>件。最后標(biāo)示出機(jī)架（用斜線標(biāo)示）和原動(dòng)件（用箭頭標(biāo)示）。
<br>1.2.3 機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件
<br>機(jī)構(gòu)的自由度是機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。為了使機(jī)構(gòu)能按照一
<br>定的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變換和力的傳遞，當(dāng)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，該機(jī)構(gòu)中其
<br>余各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)也都應(yīng)是完全確定的，即機(jī)構(gòu)必須具有確定的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)確定的條件是機(jī)構(gòu)
<br>原動(dòng)件的數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度，否則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將不確定，或者就沒有運(yùn)動(dòng)的可能性。因
<br>此，在分析現(xiàn)有機(jī)械或設(shè)計(jì)新機(jī)械時(shí)，必須考察所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否滿足機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的
<br>條件。
<br>1.2.4 平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算
<br>平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式為
<br>F =3n-2pL -pH （1.1）
<br>式中，F(xiàn) 為機(jī)構(gòu)的自由度；n 為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目；pL 為機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目；pH 為機(jī)構(gòu)中
<br>高副的數(shù)目。
<br>為了使自由度F 計(jì)算正確，必須正確判斷機(jī)構(gòu)中n、pL 和pH 的數(shù)目，因此，應(yīng)特別注意處
<br>理好下列三種情況。
<br>1.復(fù)合鉸鏈
<br>復(fù)合鉸鏈?zhǔn)侵竷蓚�(gè)以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連接時(shí)組成的運(yùn)動(dòng)副。準(zhǔn)確識別復(fù)合
<br>鉸鏈的關(guān)鍵是要分清哪幾個(gè)構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動(dòng)副。圖1.3中列舉了一些較難辨別的情
<br>況。圖1.3（a）中，桿1、2與機(jī)架3組成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；圖1.3（b）中，桿1、2與滑塊3組成兩個(gè)轉(zhuǎn)
<br>動(dòng)副；圖1.3（c）中，桿1、擺塊2與機(jī)架3組成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；圖1.3（d）中，桿1、滑塊2、滑塊3組
<br>成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；圖1.3（e）中，桿1、滑塊3、齒輪2組成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副；圖1.3（f）中，齒輪1、擺塊2
<br>和機(jī)架3組成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。
<br>復(fù)合鉸鏈的正確處理方法：若有m 個(gè)構(gòu)件在同一處形成復(fù)合鉸鏈，則其轉(zhuǎn)動(dòng)副的數(shù)目應(yīng)
<br>為m-1個(gè)。
<br>2.局部自由度
<br>局部自由度是機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所具有的自由度，它僅僅局限于該構(gòu)件本身，而并不影響其
<br>他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。局部自由度常發(fā)生在為減小高副磨損而將滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦所增加的滾
<br>子處。圖1.4所示機(jī)構(gòu)中的滾子3繞其中心D 轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度就是局部自由度。若不作任何
<br>處理就簡單地套用自由度計(jì)算公式，則得
<br>F =3n-2pL -pH =3 5-2 6-1=2
<br>計(jì)算結(jié)果比機(jī)構(gòu)的實(shí)際自由度數(shù)大，產(chǎn)生了與事實(shí)不符的現(xiàn)象。正確的處理方法是，在計(jì)算自
<br>由度時(shí)，將滾子3視為與機(jī)架6固連為一體，預(yù)先將滾子這個(gè)構(gòu)件除去不計(jì)，然后再利用公式
<br>計(jì)算自由度，即
<br>F =3n-2pL -pH =3 4-2 5-1=1
<br> 圖1.4 局部自由度
<br>3.虛約束
<br>虛約束是機(jī)構(gòu)中所存在的不產(chǎn)生實(shí)際約束效果的重復(fù)約束。在計(jì)算自由度時(shí)，若對虛約
<br>束不加識別地處理，直接套用公式計(jì)算，則計(jì)算結(jié)果將比機(jī)構(gòu)的實(shí)際自由度數(shù)目少，導(dǎo)致與事
<br>實(shí)不符的現(xiàn)象。正確的處理方法是，在計(jì)算自由度時(shí)，首先將引入虛約束的構(gòu)件及其運(yùn)動(dòng)副除
<br>去不計(jì)，然后用自由度公式進(jìn)行計(jì)算。
<br>虛約束都是在一定的幾何條件下出現(xiàn)的，這些幾何條件有些是暗含的，如兩構(gòu)件組成若干
<br>移動(dòng)副，但移動(dòng)副導(dǎo)路互相平行；兩構(gòu)件組成若干轉(zhuǎn)動(dòng)副，但轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線互相重合；兩構(gòu)件組
<br>成若干平面高副，但各接觸點(diǎn)的公法線彼此重合；以及某些不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞的重復(fù)部分等。
<br>對于暗含的幾何條件，需通過直觀判斷來識別虛約束；對于明確給定的幾何條件，則需通過嚴(yán)格
<br>的幾何證明才可識別虛約束。
<br>圖1.5 精壓機(jī)
<br>圖1.5所示為精壓機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。如果僅僅從
<br>運(yùn)動(dòng)的傳遞來看，只需要右邊一套機(jī)構(gòu)（即ABCDEFG）
<br>就足夠了，這時(shí)n=7，pL=10，pH=0，F(xiàn)=3n-2pL-pH =
<br>3 7-2 10-0=1。但是考慮到只有右邊一套機(jī)構(gòu)將因
<br>滑塊懸臂而引起偏載，使受力情況惡化，故在實(shí)際工作中，
<br>在左邊加了一套機(jī)構(gòu)DHJI，且DH =DE，JH =FE，HI=
<br>EG。因左邊增加的這套機(jī)構(gòu)與右邊原有機(jī)構(gòu)完全對稱而
<br>并不影響滑塊的運(yùn)動(dòng)，故增加部分引入的約束為虛約束。
<br>在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將其除去不計(jì)。
<br>1.2.5 平面機(jī)構(gòu)的組成原理與結(jié)構(gòu)分析
<br>1.組成原理
<br>將機(jī)構(gòu)的機(jī)架及與機(jī)架相連的原動(dòng)件從機(jī)構(gòu)上拆下，則其余剩下的構(gòu)件構(gòu)成的構(gòu)件組自
<br>由度必然為零，把不能再拆的、最簡單的、自由度為零的構(gòu)件組稱為基本桿組。任何一個(gè)機(jī)構(gòu)
<br>都是由若干個(gè)基本桿組依次連接到原動(dòng)件和機(jī)架上構(gòu)成的，這就是機(jī)構(gòu)的組成原理。
<br>2.結(jié)構(gòu)分析
<br>機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析就是將機(jī)構(gòu)分解為機(jī)架、原動(dòng)件和基本桿組，并由此確定機(jī)構(gòu)的級別�；�
<br>本桿組的最高級別為機(jī)構(gòu)的級別。構(gòu)型相同的機(jī)構(gòu)若取不同的構(gòu)件為原動(dòng)件，則可能屬于不
<br>同級別的機(jī)構(gòu)。
<br>上述介紹是針對機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副全部為低副的情況，如果機(jī)構(gòu)中含有高副，則須高副
<br>低代。
<br>1.2.6 平面機(jī)構(gòu)的高副低代
<br>將機(jī)構(gòu)中的高副根據(jù)一定條件虛擬地以低副加以代替，稱為高副低代。
<br>進(jìn)行高副低代的條件如下：
<br>（1）代替前后機(jī)構(gòu)的自由度完全相同。
<br>（2）代替前后機(jī)構(gòu)的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度完全相同。
<br>在平面機(jī)構(gòu)中進(jìn)行高副低代時(shí)，為了滿足高副低代的兩個(gè)條件，只要用一個(gè)虛擬構(gòu)件分別
<br>與兩高副構(gòu)件在過接觸點(diǎn)的曲率中心處以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連即可。對高副低代的機(jī)構(gòu)，可將其視為
<br>只含低副的平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
<br>如果高副兩構(gòu)件廓線的曲率半徑不為常數(shù)，則上述代換是瞬時(shí)代換。
<br>1.3 典型例題
<br>例題1.1 試?yán)L制圖1.6（a）所示顎式破碎機(jī)主體的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。
<br>圖1.6 顎式破碎機(jī)
<br>解 （1）顎式破碎機(jī)的帶輪5和偏心軸2一起繞回轉(zhuǎn)中心A 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心軸2帶動(dòng)動(dòng)顎3
<br>運(yùn)動(dòng)。由于在動(dòng)顎與機(jī)架1之間裝有肘板4，動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷挫擠礦石。由此分析可知，該機(jī)
<br>構(gòu)是由機(jī)架1、原動(dòng)件偏心軸2、從動(dòng)件動(dòng)顎3和肘板4四個(gè)構(gòu)件組成的。
<br>（2）偏心軸2與機(jī)架1組成轉(zhuǎn)動(dòng)副A，偏心軸2與動(dòng)顎3組成轉(zhuǎn)動(dòng)副B，動(dòng)顎3與肘板4組
<br>