第1章 機構的組成原理
<br>1.1 基本要求
<br>（1）了解機構的組成要素。
<br>（2）掌握機構運動簡圖的繪制方法。能夠將實際機構或機構的結構圖繪制成機構運動簡
<br>圖；能看懂各種復雜機構的機構運動簡圖；能用機構運動簡圖表達自己的設計構思。
<br>（3）掌握運動鏈成為機構的條件。
<br>（4）熟練掌握機構自由度的計算方法。能自如地運用自由度計算公式計算機構自由度，
<br>尤其是平面機構的自由度。能準確識別出機構中存在的復合鉸鏈、局部自由度和虛約束，并作
<br>出正確處理。
<br>（5）掌握機構的組成原理和結構分析的方法。了解高副低代的方法；會判斷桿組、桿組的
<br>級別和機構的級別；學會將?級、?級機構分解為機架、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運動簡圖的繪制、機構具有確定運動的條件、平面機構自由度的計
<br>算和機構的結構分析，其中機構運動簡圖的繪制和平面機構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，將相關概念成組列出。讀者應通
<br>過比較，掌握各概念的定義、特點以及相關概念間的不同點和相互間的聯(lián)系。
<br>1.構件
<br>構件是機器中獨立的運動單元體，是組成機構的基本要素之一。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>運動副是由兩構件直接接觸構成的可動連接，是組成機構的又一基本要素。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）按構成運動副兩構件之間所能產(chǎn)生相對運動的形式分為轉動副（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件通過運動副連接而構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
<br>機構是一種用來傳遞運動和力的可動裝置。從運動的觀點來看，機構是具有確定相對運
<br>動規(guī)律的構件組合體。從機構的組成來看，機構是具有一個固定構件的運動鏈。
<br>機構中的固定構件或相對固定的構件稱為機架，它可以作為研究運動時的參考坐標系。
<br>機構中按給定的已知運動規(guī)律獨立運動的構件稱為原動件或主動件，而其余隨原動件運動的
<br>可動構件稱為從動件，從動件的運動規(guī)律取決于原動件的運動規(guī)律和機構的結構。
<br>1.2.2 正確繪制機構運動簡圖
<br>機構運動簡圖是設計者研究分析機構運動學和動力學問題的一個重要工具。因此，運動
<br>簡圖應能正確表達出機構的構件組成和構件間相連接的運動副，即表達出機構的組成形式，顯
<br>示出設計方案。要求準確表達出機構的運動特性和標注出相關的運動尺寸。
<br>1.繪制運動副時應注意的事項
<br>（1）繪制轉動副時，轉動副的位置是關鍵：代表轉動副小圓的圓心必須與回轉中心重合；
<br>兩個轉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動副的特殊形式。它們的繪制是易錯點。繪制時關鍵是要找出
<br>相對轉動中心，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）；轉動副到移動
<br>副導路間的距離要精確，若某一構件分別以轉動副和移動副與另兩個構件相連接，且轉動副的
<br>回轉中心不在移動副的導路上，則應標出轉動副到導路的距離，即偏心距e（見圖1.2）。
<br>2.繪制構件時應注意的事項
<br>（1）任意形狀的構件，當它只以兩個轉動副與其他構件相連接，且外形輪廓也不以高副與
<br>其他構件相接觸時，簡圖中只需以兩個轉動副幾何中心的連線代表此構件。
<br>（2）盡量減少構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件。當不便以焊接符
<br>號表示時，還可用構件編號來表達，即不同構件標不同編號，同一構件中的不同零件（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.繪制機構運動簡圖時應注意的事項
<br>1）機構運動簡圖與機構示意圖的區(qū)別
<br>當設計者只是為了表達機構的組成、討論初步的設計構思、表達機構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件的準確尺
<br>寸，只需繪制機構示意圖。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運
<br>動簡圖。
<br>2）機構運動簡圖的繪制
<br>機構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）分析機構運動，確定構件數(shù)目。首先要弄清機構的實際構造和運動情況，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，從而確定該機構是由多少個構件組成的。
<br>（2）確定運動副的類型和數(shù)目。根據(jù)各構件相對運動和接觸情況，確定構件間的運動副
<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。一般選擇機構中與多數(shù)構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中各構件的相互關系，應在機構運動循環(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)定符號表達構件。用簡單線條將同一構件上的運動副連接起來，即表達出各構
<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 機構具有確定運動的條件
<br>機構的自由度是機構具有確定運動時所需的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。為了使機構能按照一
<br>定的要求進行運動變換和力的傳遞，當機構的原動件按照給定的運動規(guī)律運動時，該機構中其
<br>余各構件的運動也都應是完全確定的，即機構必須具有確定的運動，其運動確定的條件是機構
<br>原動件的數(shù)目應等于機構的自由度，否則機構的運動將不確定，或者就沒有運動的可能性。因
<br>此，在分析現(xiàn)有機械或設計新機械時，必須考察所設計的機構是否滿足機構具有確定運動的
<br>條件。
<br>1.2.4 平面機構自由度的計算
<br>平面機構自由度的計算公式為
<br>F =3n-2pL -pH （1.1）
<br>式中，F(xiàn) 為機構的自由度；n 為機構中活動構件的數(shù)目；pL 為機構中低副的數(shù)目；pH 為機構中
<br>高副的數(shù)目。
<br>為了使自由度F 計算正確，必須正確判斷機構中n、pL 和pH 的數(shù)目，因此，應特別注意處
<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件在同一處以轉動副相連接時組成的運動副。準確識別復合
<br>鉸鏈的關鍵是要分清哪幾個構件在同一處形成了轉動副。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組成兩個轉動副；圖1.3（b）中，桿1、2與滑塊3組成兩個轉
<br>動副；圖1.3（c）中，桿1、擺塊2與機架3組成兩個轉動副；圖1.3（d）中，桿1、滑塊2、滑塊3組
<br>成兩個轉動副；圖1.3（e）中，桿1、滑塊3、齒輪2組成兩個轉動副；圖1.3（f）中，齒輪1、擺塊2
<br>和機架3組成兩個轉動副。
<br>復合鉸鏈的正確處理方法：若有m 個構件在同一處形成復合鉸鏈，則其轉動副的數(shù)目應
<br>為m-1個。
<br>2.局部自由度
<br>局部自由度是機構中某些構件所具有的自由度，它僅僅局限于該構件本身，而并不影響其
<br>他構件的運動。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所示機構中的滾子3繞其中心D 轉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>計算結果比機構的實際自由度數(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，預先將滾子這個構件除去不計，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，則計算結果將比機構的實際自由度數(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，如兩構件組成若干
<br>移動副，但移動副導路互相平行；兩構件組成若干轉動副，但轉動副的軸線互相重合；兩構件組
<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（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DHJI，且DH =DE，JH =FE，HI=
<br>EG。因左邊增加的這套機構與右邊原有機構完全對稱而
<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>在計算機構自由度時，應將其除去不計。
<br>1.2.5 平面機構的組成原理與結構分析
<br>1.組成原理
<br>將機構的機架及與機架相連的原動件從機構上拆下，則其余剩下的構件構成的構件組自
<br>由度必然為零，把不能再拆的、最簡單的、自由度為零的構件組稱為基本桿組。任何一個機構
<br>都是由若干個基本桿組依次連接到原動件和機架上構成的，這就是機構的組成原理。
<br>2.結構分析
<br>機構的結構分析就是將機構分解為機架、原動件和基本桿組，并由此確定機構的級別。基
<br>本桿組的最高級別為機構的級別。構型相同的機構若取不同的構件為原動件，則可能屬于不
<br>同級別的機構。
<br>上述介紹是針對機構中的運動副全部為低副的情況，如果機構中含有高副，則須高副
<br>低代。
<br>1.2.6 平面機構的高副低代
<br>將機構中的高副根據(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）代替前后機構的自由度完全相同。
<br>（2）代替前后機構的瞬時速度和瞬時加速度完全相同。
<br>在平面機構中進行高副低代時，為了滿足高副低代的兩個條件，只要用一個虛擬構件分別
<br>與兩高副構件在過接觸點的曲率中心處以轉動副相連即可。對高副低代的機構，可將其視為
<br>只含低副的平面機構進行結構分析。
<br>如果高副兩構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2一起繞回轉中心A 轉動時，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4四個構件組成的。
<br>（2）偏心軸2與機架1組成轉動副A，偏心軸2與動顎3組成轉動副B，動顎3與肘板4組
<br>