第1章 機構(gòu)的組成原理
<br>1.1 基本要求
<br>（1）了解機構(gòu)的組成要素。
<br>（2）掌握機構(gòu)運動簡圖的繪制方法。能夠?qū)�實際機構(gòu)或機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖繪制成機構(gòu)運動簡
<br>圖；能看懂各種復雜機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖；能用機構(gòu)運動簡圖表達自己的設(shè)計構(gòu)思。
<br>（3）掌握運動鏈成為機構(gòu)的條件。
<br>（4）熟練掌握機構(gòu)自由度的計算方法。能自如地運用自由度計算公式計算機構(gòu)自由度，
<br>尤其是平面機構(gòu)的自由度。能準確識別出機構(gòu)中存在的復合鉸鏈、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>級別和機構(gòu)的級別；學會將?級、?級機構(gòu)分解為機架、原動件和若干基本桿組的方法。
<br>1.2 重點與難點
<br>本章學習的重點是機構(gòu)運動簡圖的繪制、機構(gòu)具有確定運動的條件、平面機構(gòu)自由度的計
<br>算和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，其中機構(gòu)運動簡圖的繪制和平面機構(gòu)自由度的計算是學習中的難點和
<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、特點以及相關(guān)概念間的不同點和相互間的聯(lián)系。
<br>1.構(gòu)件
<br>構(gòu)件是機器中獨立的運動單元體，是組成機構(gòu)的基本要素之一。零件是機器中加工制造
<br>的單元體。一個構(gòu)件可以是一個零件，也可以是由若干個零件剛性連接在一起的一個獨立運
<br>動的整體。
<br>2.運動副
<br>運動副是由兩構(gòu)件直接接觸構(gòu)成的可動連接，是組成機構(gòu)的又一基本要素。由運動副的
<br>定義可以看出運動副的基本特征如下：
<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動副元素。
<br>（2）兩構(gòu)件能產(chǎn)生一定的相對運動。
<br>因此，運動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，其中通過點或線接觸的運動副稱為高副，以
<br>面接觸的運動副稱為低副。
<br>（2）按構(gòu)成運動副兩構(gòu)件之間所能產(chǎn)生相對運動的形式分為轉(zhuǎn)動副（又稱為鉸鏈）、移動
<br>副、螺旋副和球面副等。
<br>3.運動鏈
<br>運動鏈是兩個或兩個以上的構(gòu)件通過運動副連接而構(gòu)成的相對可動的系統(tǒng)。運動鏈可以
<br>是首末封閉的閉鏈，也可以是未封閉的開鏈。
<br>4.機構(gòu)
<br>機構(gòu)是一種用來傳遞運動和力的可動裝置。從運動的觀點來看，機構(gòu)是具有確定相對運
<br>動規(guī)律的構(gòu)件組合體。從機構(gòu)的組成來看，機構(gòu)是具有一個固定構(gòu)件的運動鏈。
<br>機構(gòu)中的固定構(gòu)件或相對固定的構(gòu)件稱為機架，它可以作為研究運動時的參考坐標系。
<br>機構(gòu)中按給定的已知運動規(guī)律獨立運動的構(gòu)件稱為原動件或主動件，而其余隨原動件運動的
<br>可動構(gòu)件稱為從動件，從動件的運動規(guī)律取決于原動件的運動規(guī)律和機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
<br>1.2.2 正確繪制機構(gòu)運動簡圖
<br>機構(gòu)運動簡圖是設(shè)計者研究分析機構(gòu)運動學和動力學問題的一個重要工具。因此，運動
<br>簡圖應(yīng)能正確表達出機構(gòu)的構(gòu)件組成和構(gòu)件間相連接的運動副，即表達出機構(gòu)的組成形式，顯
<br>示出設(shè)計方案。要求準確表達出機構(gòu)的運動特性和標注出相關(guān)的運動尺寸。
<br>1.繪制運動副時應(yīng)注意的事項
<br>（1）繪制轉(zhuǎn)動副時，轉(zhuǎn)動副的位置是關(guān)鍵：代表轉(zhuǎn)動副小圓的圓心必須與回轉(zhuǎn)中心重合；
<br>兩個轉(zhuǎn)動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)動副的特殊形式。它們的繪制是易錯點。繪制時關(guān)鍵是要找出
<br>相對轉(zhuǎn)動中心，具體可見典型例題分析中的例題1.1。
<br>（2）繪制移動副時，導路的方向和位置是關(guān)鍵。必須注意：代表移動副的滑塊，其導路的
<br>方向必須與相對移動的方向一致；導路間的夾角要精確，并要標注（見圖1.1）；轉(zhuǎn)動副到移動
<br>副導路間的距離要精確，若某一構(gòu)件分別以轉(zhuǎn)動副和移動副與另兩個構(gòu)件相連接，且轉(zhuǎn)動副的
<br>回轉(zhuǎn)中心不在移動副的導路上，則應(yīng)標出轉(zhuǎn)動副到導路的距離，即偏心距e（見圖1.2）。
<br>2.繪制構(gòu)件時應(yīng)注意的事項
<br>（1）任意形狀的構(gòu)件，當它只以兩個轉(zhuǎn)動副與其他構(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，簡圖中只需以兩個轉(zhuǎn)動副幾何中心的連線代表此構(gòu)件。
<br>（2）盡量減少構(gòu)件前后重疊時虛線可能引起的誤會。例如，有時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，即畫成實線，這在機械制圖中是絕對不允許的，但在繪制運
<br>動簡圖時，只要不影響表達機構(gòu)的組成和運動特性，這種變通是允許的。
<br>（3）當同一軸上安裝若干零件時，必須明確表明哪些零件為同一構(gòu)件。當不便以焊接符
<br>號表示時，還可用構(gòu)件編號來表達，即不同構(gòu)件標不同編號，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.繪制機構(gòu)運動簡圖時應(yīng)注意的事項
<br>1）機構(gòu)運動簡圖與機構(gòu)示意圖的區(qū)別
<br>當設(shè)計者只是為了表達機構(gòu)的組成、討論初步的設(shè)計構(gòu)思、表達機構(gòu)的動作原理而不需精
<br>確進行運動學、動力學計算時，可不必嚴格地按比例繪制運動副的精確位置和構(gòu)件的準確尺
<br>寸，只需繪制機構(gòu)示意圖。在作定量的運動分析和動力分析時，則必須嚴格按比例繪制機構(gòu)運
<br>動簡圖。
<br>2）機構(gòu)運動簡圖的繪制
<br>機構(gòu)運動簡圖的繪制是本章的一個重點，也是一個難點，一般可按下列步驟進行：
<br>（1）分析機構(gòu)運動，確定構(gòu)件數(shù)目。首先要弄清機構(gòu)的實際構(gòu)造和運動情況，確定其原動
<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動的部分），然后再明確兩者之間
<br>的傳動，從而確定該機構(gòu)是由多少個構(gòu)件組成的。
<br>（2）確定運動副的類型和數(shù)目。根據(jù)各構(gòu)件相對運動和接觸情況，確定構(gòu)件間的運動副
<br>類型。
<br>（3）選視圖、選位置、選比例，用規(guī)定符號表達運動副。首先，為了將機構(gòu)運動表示清楚，
<br>需要恰當?shù)剡x擇投影面，即選好視圖。一般選擇機構(gòu)中與多數(shù)構(gòu)件的運動平面相平行的面為
<br>投影面。必要時也可以就機械的不同部分選擇兩個或兩個以上的投影面，然后展到同一圖面
<br>上；其次，為了清楚地表示出機構(gòu)中各構(gòu)件的相互關(guān)系，應(yīng)在機構(gòu)運動循環(huán)中選擇一個最一般
<br>的位置來繪制；再次，選擇一個適當?shù)谋壤�尺；最后，按照�?guī)定的符號將構(gòu)件間所形成的運動副
<br>表達出來。
<br>（4）用規(guī)定符號表達構(gòu)件。用簡單線條將同一構(gòu)件上的運動副連接起來，即表達出各構(gòu)
<br>件。最后標示出機架（用斜線標示）和原動件（用箭頭標示）。
<br>1.2.3 機構(gòu)具有確定運動的條件
<br>機構(gòu)的自由度是機構(gòu)具有確定運動時所需的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。為了使機構(gòu)能按照一
<br>定的要求進行運動變換和力的傳遞，當機構(gòu)的原動件按照給定的運動規(guī)律運動時，該機構(gòu)中其
<br>余各構(gòu)件的運動也都應(yīng)是完全確定的，即機構(gòu)必須具有確定的運動，其運動確定的條件是機構(gòu)
<br>原動件的數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度，否則機構(gòu)的運動將不確定，或者就沒有運動的可能性。因
<br>此，在分析現(xiàn)有機械或設(shè)計新機械時，必須考察所設(shè)計的機構(gòu)是否滿足機構(gòu)具有確定運動的
<br>條件。
<br>1.2.4 平面機構(gòu)自由度的計算
<br>平面機構(gòu)自由度的計算公式為
<br>F =3n-2pL -pH （1.1）
<br>式中，F(xiàn) 為機構(gòu)的自由度；n 為機構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)目；pL 為機構(gòu)中低副的數(shù)目；pH 為機構(gòu)中
<br>高副的數(shù)目。
<br>為了使自由度F 計算正確，必須正確判斷機構(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.復合鉸鏈
<br>復合鉸鏈是指兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相連接時組成的運動副。準確識別復合
<br>鉸鏈的關(guān)鍵是要分清哪幾個構(gòu)件在同一處形成了轉(zhuǎn)動副。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與機架3組成兩個轉(zhuǎn)動副；圖1.3（b）中，桿1、2與滑塊3組成兩個轉(zhuǎn)
<br>動副；圖1.3（c）中，桿1、擺塊2與機架3組成兩個轉(zhuǎn)動副；圖1.3（d）中，桿1、滑塊2、滑塊3組
<br>成兩個轉(zhuǎn)動副；圖1.3（e）中，桿1、滑塊3、齒輪2組成兩個轉(zhuǎn)動副；圖1.3（f）中，齒輪1、擺塊2
<br>和機架3組成兩個轉(zhuǎn)動副。
<br>復合鉸鏈的正確處理方法：若有m 個構(gòu)件在同一處形成復合鉸鏈，則其轉(zhuǎn)動副的數(shù)目應(yīng)
<br>為m-1個。
<br>2.局部自由度
<br>局部自由度是機構(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)件的運動。局部自由度常發(fā)生在為減小高副磨損而將滑動摩擦變成滾動摩擦所增加的滾
<br>子處。圖1.4所示機構(gòu)中的滾子3繞其中心D 轉(zhuǎn)動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算公式，則得
<br>F =3n-2pL -pH =3 5-2 6-1=2
<br>計算結(jié)果比機構(gòu)的實際自由度數(shù)大，產(chǎn)生了與事實不符的現(xiàn)象。正確的處理方法是，在計算自
<br>由度時，將滾子3視為與機架6固連為一體，預(yù)先將滾子這個構(gòu)件除去不計，然后再利用公式
<br>計算自由度，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>虛約束是機構(gòu)中所存在的不產(chǎn)生實際約束效果的重復約束。在計算自由度時，若對虛約
<br>束不加識別地處理，直接套用公式計算，則計算結(jié)果將比機構(gòu)的實際自由度數(shù)目少，導致與事
<br>實不符的現(xiàn)象。正確的處理方法是，在計算自由度時，首先將引入虛約束的構(gòu)件及其運動副除
<br>去不計，然后用自由度公式進行計算。
<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>移動副，但移動副導路互相平行；兩構(gòu)件組成若干轉(zhuǎn)動副，但轉(zhuǎn)動副的軸線互相重合；兩構(gòu)件組
<br>成若干平面高副，但各接觸點的公法線彼此重合；以及某些不影響機構(gòu)運動傳遞的重復部分等。
<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，則需通過嚴格
<br>的幾何證明才可識別虛約束。
<br>圖1.5 精壓機
<br>圖1.5所示為精壓機的機構(gòu)運動簡圖。如果僅僅從
<br>運動的傳遞來看，只需要右邊一套機構(gòu)（即ABCDEFG）
<br>就足夠了，這時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構(gòu)將因
<br>滑塊懸臂而引起偏載，使受力情況惡化，故在實際工作中，
<br>在左邊加了一套機構(gòu)DHJI，且DH =DE，JH =FE，HI=
<br>EG。因左邊增加的這套機構(gòu)與右邊原有機構(gòu)完全對稱而
<br>并不影響滑塊的運動，故增加部分引入的約束為虛約束。
<br>在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)將其除去不計。
<br>1.2.5 平面機構(gòu)的組成原理與結(jié)構(gòu)分析
<br>1.組成原理
<br>將機構(gòu)的機架及與機架相連的原動件從機構(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。任何一個機構(gòu)
<br>都是由若干個基本桿組依次連接到原動件和機架上構(gòu)成的，這就是機構(gòu)的組成原理。
<br>2.結(jié)構(gòu)分析
<br>機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析就是將機構(gòu)分解為機架、原動件和基本桿組，并由此確定機構(gòu)的級別�；�
<br>本桿組的最高級別為機構(gòu)的級別。構(gòu)型相同的機構(gòu)若取不同的構(gòu)件為原動件，則可能屬于不
<br>同級別的機構(gòu)。
<br>上述介紹是針對機構(gòu)中的運動副全部為低副的情況，如果機構(gòu)中含有高副，則須高副
<br>低代。
<br>1.2.6 平面機構(gòu)的高副低代
<br>將機構(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>進行高副低代的條件如下：
<br>（1）代替前后機構(gòu)的自由度完全相同。
<br>（2）代替前后機構(gòu)的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。
<br>在平面機構(gòu)中進行高副低代時，為了滿足高副低代的兩個條件，只要用一個虛擬構(gòu)件分別
<br>與兩高副構(gòu)件在過接觸點的曲率中心處以轉(zhuǎn)動副相連即可。對高副低代的機構(gòu)，可將其視為
<br>只含低副的平面機構(gòu)進行結(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)，則上述代換是瞬時代換。
<br>1.3 典型例題
<br>例題1.1 試繪制圖1.6（a）所示顎式破碎機主體的機構(gòu)運動簡圖。
<br>圖1.6 顎式破碎機
<br>解 （1）顎式破碎機的帶輪5和偏心軸2一起繞回轉(zhuǎn)中心A 轉(zhuǎn)動時，偏心軸2帶動動顎3
<br>運動。由于在動顎與機架1之間裝有肘板4，動顎運動時不斷挫擠礦石。由此分析可知，該機
<br>構(gòu)是由機架1、原動件偏心軸2、從動件動顎3和肘板4四個構(gòu)件組成的。
<br>（2）偏心軸2與機架1組成轉(zhuǎn)動副A，偏心軸2與動顎3組成轉(zhuǎn)動副B，動顎3與肘板4組
<br>