2.1　复习笔记

一、机构的组成及分类

1 机构的组成

（1）构件

①定义

机器中每一个独立的运动单元体称为一个构件。

②特征

a．构件是组成机构的基本要素之一；

b．任何机器都是由若干个（两个以上）构件组合而成的。

（2）运动副

①定义

a．由两个构件直接接触而组成的可动的连接称为运动副；

b．两构件上能够参加接触而构成运动副的表面称为运动副元素。

②特征

运动副也是组成机构的基本要素。

③自由度

a．定义

把描述一个机构的确定位置所需要的独立广义坐标的数目，称为该机构的自由度，常用F表示。空间中两个构件未构成运动副之前，有6个相对自由度。

b．计算方法

运动副的自由度：f＝6－s

式中，s——运动副所受的约束度。

c．特点

两构件构成运动副后所受的约束度最少为1，最多为5，因此空间运动副自由度最多为5，最少为1。

④运动副的分类

运动副的分类见表2-1-1。

⑤基本运动副

a．定义

将两构件之间的相对运动均为单自由度简单运动的转动副和移动副称为基本运动副。

b．特点

其他形式的运动副可看成是由转动副和移动副组合而成。

⑥复合运动副

由三个或三个以上的构件在同一处构成的运动副称为复合运动副。

⑦运动副的符号表示

常用运动副的模型及其符号见教材表2-1。

（3）运动链

①定义

构件通过运动副的连接而构成的可相对运动的系统称为运动链。

②分类

a．根据系统是否封闭分类

第一，闭式运动链

组成运动链的各构件构成首末封闭的系统，称为闭式运动链，简称闭链；

第二，开式运动链

组成运动链的构件未构成首末封闭的系统，称为开式运动链，简称开链。

b．根据运动链中各构件间的相对运动所处空间分类

第一，平面运动链

第二，空间运动链

（4）机构

①定义

在运动链中，将其中某一构件加以固定而成为机架，该运动链便成为机构。

②原动件和从动件

a．原动件

机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为原动件，又称主动件。

b．从动件

机构中原动件之外的其余活动构件称为从动件。

c．原动件和从动件的关系

从动件的运动规律决定于原动件的运动规律和机构的结构及构件的尺寸。

2 机构的分类

（1）根据机构中运动副的组成情况

①低副机构

②高副机构

（2）根据机构的运动情况

①平面机构

该机构应用最为广泛。

②空间机构

（3）根据组成机构的构件的情况和机构工作原理

分为：①连杆机构；②凸轮机构；③齿轮机构；④棘轮机构；⑤槽轮机构；⑥螺旋机构；⑦摩擦传动机构。

（4）根据组成机构的构件性质

分为：①刚性机构；②柔性机构；③挠性传动机构；④气动机构；⑤液压机构；⑥其他广义机构等。

二、机构运动简图

1 定义及特点

（1）定义

用以表示机构运动传递情况的简化图称为机构运动简图。

（2）特点

①根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置；

②用运动副及常用机构运动简图的代表符号和一般构件的表示方法将机构的运动传递情况表示出来。

（3）机构示意图

只表明机械的结构状况，不按严格的比例来绘制的简图称为机构示意图。

2 绘制机构运动简图的步骤

（1）清楚该机械的实际构造和运动传递情况

①找出该机械的原动件和执行构件；

②明确原动件的运动如何经过传动部分传递到执行构件；

③确定该机械的组成构件及各构件之间组成的运动副类型和相对位置。

（2）选定视图平面

①以能简单清楚地把机械的结构及运动传递情况正确地表示出来为原则；

②选择机械多数构件的运动平面为视图平面；

③把机械不同部分的视图展开到同一视图面上，或为难于表示清楚的部分另外绘制一个局部简图。

（3）绘制运动简图

①选择适当的比例尺，根据机械的运动尺寸，定出各运动副之间的相对位置；

②用运动副的代表符号、常用机构运动简图符号和构件的表示方法将各部分画出即可。

三、机构的运动

1 机构具有确定运动的条件

由自由度的定义可知，当机构给定独立运动参数等于机构自由度时，机构有确定运动。对于一般的机构，其原动件都是和机架相连，一般只能给定一个运动参数。因此机构具有确定运动的条件为：机构的原动件数目等于机构的自由度的数目。

2 欠驱机构或欠驱机械系统

（1）定义

原动件数少于机构自由度的机构或机械系统。

（2）最小阻力定理

对于欠驱机构或欠驱机械系统，机构或机械系统的运动遵循最小阻力定理，即优先沿阻力最小的方向运动。

3 冗驱机构或冗驱机械系统

（1）定义

原动件数多于机构自由度的机构或机械系统。

（2）危害

冗驱机构或冗驱机械系统将导致机构或机械系统中最薄弱环节的损坏，因此设计时应尽量避免这种情况。

四、平面机构自由度的计算

1 平面机构的特点

（1）在平面机构中每个自由构件具有三个自由度。

（2）每个平面低副提供两个约束，每个平面高副提供一个约束。

2 平面机构自由度的计算方法

设平面机构中共有n个活动构件（机架不是活动构件），p _l 个低副和p _h 个高副，则此平面机构的自由度为F＝3n－（2p ₁ ＋p _h ）。

五、计算平面机构自由度时应注意的事项

1 要正确计算运动副的数目

（1）复合铰链

①定义

由两个以上构件在同一处连接构成的转动副。

②特点

由m个构件组成的复合铰链，共有（m－1）个转动副。

（2）多处接触的运动副

下面三种情况作为一个运动副处理：

①两构件在多处接触而构成转动副，且转动轴线重合；

②两构件多处接触而构成移动副，且移动方向彼此平行；

③两构件构成为平面高副，且各接触点处的公法线彼此重合。

（3）复合高副

①定义

如果两构件在多处相接触构成平面高副，而在各接触点处的公法线方向彼此不重合，就构成了复合高副。

②特点

复合高副相当于一个低副。

2 要除去局部自由度

（1）局部自由度的定义

在有些机构中，某些构件所产生的局部运动不影响其他构件的运动，这种局部运动的自由度称为局部自由度。

（2）含有局部自由度的表示方法

设机构的局部自由度数目为F′，机构的实际自由度为F＝3n－（2p _l ＋p _h ）－F′

3 要除去虚约束

（1）虚约束的定义

在机构中，有些运动副带入的约束对机构的运动只起重复约束作用，这类约束称为虚约束。

（2）含有虚约束的自由度表示方法

设机构的虚约束数为p′，则机构的自由度为F＝3n－（2p ₁ ＋p _h －p′）－F′

（3）虚约束的一般存在情况

①用转动副连接的是两构件上运动轨迹相重合的点，则该连接将带入1个虚约束。

②如果用双转动副杆连接的是两运动构件上某两点之间的距离始终保持不变的两点，将带入1个虚约束。

③不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为虚约束。

六、平面机构的组成原理、结构分类及结构分析

1 平面机构的组成原理

（1）概念

任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上而构成的。

（2）杆组

把不能再拆的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组或阿苏尔杆组，简称杆组。

（3）平面机构组成原理的应用

①进行运动分析或动力分析

a．将机构分解为机架和原动件及若干个基本杆组；

b．对相同的基本杆组以相同的方法进行分析。

②设计一个新机构的机构运动简图

a．选定一个机架，将数目等于机构自由度数的F个原动件用运动副连于机架上；

b．将每个基本杆组依次连于机架和原动件上。

2 平面机构的结构分类

（1）基本杆组

①Ⅱ级组

a．定义

由2个构件和3个低副构成的最简单的基本杆组称为Ⅱ级组。

b．分类

Ⅱ级组有五种不同的类型，如图2-1-1（a）～（e）所示。

②Ⅲ级组

a．定义

由4个构件和6个低副所组成，包含一个3个低副的构件的基本杆组称为Ⅲ级组。

b．分类

Ⅲ级组的三种结构形式如图2-1-2（a）、（b）、（c）所示。

（2）机构的分类

①Ⅱ级机构

由最高级别为Ⅱ级组的基本杆组构成的机构；

②Ⅲ级机构

最高级别为Ⅲ级组的基本杆组构成的机构；

③Ⅰ级机构

只由机架和原动件构成的机构（如杠杆机构、斜面机构等）。

3 平面机构的结构分析

（1）目的

了解机构的组成，并确定机构的级别。

（2）步骤

①计算机构的自由度

②确定原动件

③拆杆组

a．从远离原动件的构件开始；

b．先试拆Ⅱ级组；

c．若不成，再拆Ⅲ级组，直至只剩下原动件和机架。

④确定机构的级别

a．同一机构因所取的原动件不同，有可能成为不同级别的机构。

b．若机构的原动件确定，杆组的拆法和机构的级别即为一定。

4 平面机构中的高副低代

（1）概念

将机构中的高副根据一定条件虚拟地以低副加以代替的方法称为高副低代。

（2）目的

便于对含有高副的平面机构进行分析研究。

（3）需满足的条件

①代替前后机构的自由度完全相同；

②代替前后机构的瞬时速度和瞬时加速度完全相同。

（4）方法

①用一个虚拟构件分别与两高副构件在过接触点的曲率中心处以转动副相连。

②如果高副元素之一为一直线，低代时虚拟构件这一端的转动副将转化为移动副。

七、机构结构的型综合及其设计

1 机构结构的型综合

（1）概念

按给定的机构自由度要求把一定数量的构件和运动副进行排列搭配，组成多种可能的机构类型，这一过程称为机构的型综合。

（2）步骤

①按机构自由度要求先定出其原动件个数和机架；

②按照预期实现的运动规律和机构构件数的要求选取基本杆组类型；

③按排列组合的方式将它们依次连接到原动件和机架上，每连接一次杆组就得到一种机构形式，从而获得各种机构形式。

（3）特点

这种方法规律性强、易掌握，但较难获得全部的机构构型。

（4）改进措施

①方法

以运动链为基本单元进行机构结构的型综合。

②原理

机构为具有固定构件的运动链，故机构结构的型综合实质上为其运动链结构的型综合。以运动链为基本单元进行型综合，能求得全部的机构构型。

（5）机构的构型

①定义

把由构件和运动副组成的基本运动链的结构形式，称为机构的构型或拓扑结构。

②性质

a．与机构的尺寸及形状无关，而仅决定于其构件及运动副的类型及数目，以及构件与运动副之间的邻接和附随关系。

b．在构件数目和运动副的类型及数目均相同的两个运动链中，如果它们具有相同的拓扑结构，则称它们为同构，否则，称它们为异构。

2 机构结构的设计

（1）虚约束的影响

虚约束的多少是一个机构性能好坏的重要指标。在机构设计的取舍中，应注意以下几点：

①为了保证机构运动灵活和便于制造加工和装配，降低尺寸参数的精度，减少制造成本，应尽量减少机构中的虚约束；

②为改善构件的受力情况，增加机构的刚度，或保证机械顺利通过某些特殊位置等，应广泛应用虚约束。

（2）机构结构的合理设计

在不影响机构其他性能的前提下，通过运动副类型的合理选择和配置来尽可能减少虚约束的问题称为机构结构的合理设计。 pGDffqBxCAO/xpSxjDlLRjL6AOzLesOvHDRTvlQpMLpsh4DjFeVVHGmXVIpBAhwV