項目四工程常用機構識別2025/1/141任務一平面機構的知識儲備任務二常用機構的識別2機械基礎

學習內容項目一工程材料選用學習目錄12345項目二金屬材料加工成型方法分析項目五工程常用機械傳動方式識別項目四工程常用機構識別項目三構件基本變行分析2025/1/143項目四工程常用機構識別

項目描述

通過本項目學習繪制平面機構的運動簡圖、計算機構自由度的方式來掌握平面機構的相關基礎知識及掌握平面機構具有確定運動的條件，并通過重點學習工程上常用機構的平面連桿機構、凸輪機構以及螺旋機構的運動規(guī)律和基本性質等，為工程上進行簡單的機構設計做好準備。。2025/1/144項目四工程常用機構識別

學習目標1.了解平面機構運動副的表示方法；2.掌握平面機構繪制步驟和能夠繪制常用機構的運動簡圖；3.了解平面機構自由度的計算方法，能夠確定機構運動條件；4.了解平面連桿、凸輪機構的基本常識；5.掌握鉸鏈四桿機構、平面四桿機構的基本機構形式及應用；6.掌握凸輪機構的應用條件、從動件的運動規(guī)律以及了解工程上凸輪機構及其所用材料；7.通過完成本項目的學習，使學生能夠初步識別出工程上常用的機構類別，逐步提升簡單機構設計的能力。2025/1/145任務一

平面機構的知識儲備

任務目標1.熟悉平面運動副表示方法；2.熟悉構件的表示方法；3.掌握機構運動簡圖的繪制步驟；42.能夠繪制機構的運動簡圖；5.能夠計算出個運動機構的自由度；6.會判斷機構是否具備確定的運動。2025/1/146

機器的種類繁多，其結構、功用各異，但從機器的組成來分析，它們有著共同之處：①都是人為的實體組合；②各實體間具有確定的相對運動；③能實現(xiàn)能量的轉換或完成有用的機械功。

同時具備這三個特征的稱為機器，僅具備前兩個特征的稱為機構。

任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2025/1/147任務一

平面機構的知識儲備

相關知識

機構就是多個實物通過可動連接實現(xiàn)的組合，能實現(xiàn)預期的機械運動。這種連接不同于焊接、鉚接之類的剛性連接，它既要對彼此連接的兩構件的運動加以限制，又允許其間產生相對運動。2025/1/148任務一

平面機構的知識儲備

相關知識

組成機械的各個相對運動的實體稱為構件，機械中不可拆的制造單元稱為零件。構件的分類包括：①機架機構中固定不動的構件，它支承著其他活動構件；②原動件機構中接受外部給定運動規(guī)律的活動構件；③從動件機構中隨原動件運動的活動構件。2025/1/149任務一

平面機構的知識儲備

相關知識一、平面機構的概述1.運動副兩個構件直接接觸又能產生一定相對運動的連接稱為運動副。運動副也分為平面運動副和空間運動副。兩構件通過面接觸而組成的運動副稱為低副，通過點或線的形式相接觸而組成的運動副稱為高副。2025/1/1410任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2.平面運動副的表示方法

兩構件組成轉動副時，轉動副的結構及簡化畫法如圖4-5所示，畫有斜線的構件代表機架。

兩構件組成移動副時，其表示方法如圖4-6所示，畫有斜線的構件代表機架。2025/1/1411任務一

平面機構的知識儲備

相關知識3.多個運動副的構件的表示方法2025/1/1412任務一

平面機構的知識儲備

相關知識某些特殊零件有其習慣表示方法。2025/1/1413任務一

平面機構的知識儲備

相關知識

2025/1/1414任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2025/1/1415任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2.繪制機構運動簡圖舉例例4-1繪制圖4-1所示內燃機的機構運動簡圖。解：（1）分析、確定構件類型。內燃機包括曲柄、凸輪、齒輪等3個機構，其運動平面平行，故可視為一個平面機構，活塞2為原動件，氣缸體1、8為機架，連桿2，曲軸3(包含小齒輪4)、大齒輪5（包含凸輪6）、頂桿7為從動件。（2）確定運動副類型。活塞與氣缸體構成移動副，活塞與連桿構成轉動副，連桿與曲軸構成轉動副，曲軸與機架構成轉動副，大齒輪和小齒輪構成齒輪高副，凸輪與氣缸體構成轉動副，凸輪與頂桿構成平面高副，頂桿與氣缸體構成移動副。（3）選定視圖方向。連桿運動平面為視圖方向。（4）選擇比例尺，繪制機構運動簡圖。2025/1/1416任務一

平面機構的知識儲備

相關知識三、平面機構的自由度計算1.自由度和約束1）自由度作平面運動的構件相對給定參考系所具有的獨立運動的數(shù)目，稱為構件的自由度。一個作平面運動的自由構件具有3個獨立的運動，如圖4-13所示的xOy坐標系中，沿x軸和y軸的移動，以及繞任一垂直于xOy平面的軸線A的轉動，因此作平面運動的自由度構件有3個自由度?；蛘哒f需用三個參數(shù)才能確定構件的位置。二個互相獨立的構件具有6個自由度（在平面坐標系中用6個參數(shù)才能表示清楚它們的位置）。2025/1/1417任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2）約束

當構件與構件用運動副連接后，它們之間的某些相對運動將不能實現(xiàn)，這種對相對運動的限制，稱之為約束。

在平面機構中，每引入1個低副，即引入兩個約束，構件失去了兩個自由度。每引入1個高副，即引入1個約束，構件失去了1個自由度。也就是說，平面低副具有兩個約束，保留一個自由度；平面高副引入一個約束，保留了兩個自由度。2025/1/1418任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2.機構自由度的計算

設一個平面機構由N個構件組成，其中必取一個構件作機架，則活動構件數(shù)為n=N-1。若一個平面機構中有n個活動構件，在未用運動副相聯(lián)之前，應有3n個自由度。

當用PL個低副和PH個高副連接成機構，則會引入（2PL+1PH）個約束，即減少（2PL+1PH）個自由度。如用F表示機構的自由度數(shù)，則計算公式為

F=3n-2PL-PH

機構的原動件數(shù)等于機構自由度，是機構具有確定運動的條件。多數(shù)時候機構只有1個原動件，這時機構的自由度為1，任何時候機構只有一種狀態(tài)（一個確定的位置）。2025/1/1419任務一

平面機構的知識儲備

相關知識3.平面機構具有確定運動的條件

平面機構具有確定運動的條件為：平面機構的自由度大于零，且等于原動件數(shù)，即F>0，且F=W。

當W<自由度數(shù)F時，機構無確定運動；當W>F時，機構在薄弱處損壞；當W=F=0時，機構不動。

在圖4-15所示的機構中，n=4，PL=5，PH=0，則F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-0=2。為了使該機構有確定的運動，需要兩個原動件。圖4-15具有兩個自由度的平面機構2025/1/1420任務一

平面機構的知識儲備

相關知識4.計算平面機構自由度時應注意的事項1）復合鉸鏈兩個以上的構件在同一處以同軸線的轉動副相聯(lián)，稱為復合鉸鏈。采用復合鉸鏈，可以使機構結構緊湊。2025/1/1421任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2）局部自由度

與機構運動無關的構件獨立運動，稱為局部自由度。

在計算自由度時，局部自由度應略去不計。圖4-17所示的凸輪機構中，凸輪l為主動件，滾子繞其軸線的自由轉動，不影響從動件2的運動，這種不影響機構輸出運動的自由度，即為局部自由度。

在計算該機構的自由度時，可將滾子與從動件看成一個構件，如圖4-17(b)所示，以消除局部自由度。局部自由度雖不影響機構的運動關系，但可以減少高副接觸處的摩擦和磨損。2025/1/1422任務一

平面機構的知識儲備

相關知識3）虛約束（1）兩構件在同一軸線上形成多個轉動副，如圖4-18(a)所示，輪軸1與機架2在A，B兩處組成兩個轉動副，從運動關系看，只有一個轉動副起約束作用，計算機構自由度時應按一個轉動副計算。（2）兩構件形成多個導路平行或重和的移動副，如圖4-18(b)所示，構件1與機架組成了A，B，C3個導路平行的移動副，計算自由度時應只算作一個移動副。（3）兩構件組成多處接觸點公法線重合的高副，如圖4-18(c)所示，同樣應只考慮一處高副，其余為虛約束。2025/1/1423任務一

平面機構的知識儲備

相關知識例如畫破碎機（見圖4-19a)的運動簡圖并計算自由度。解：1)運動簡圖。

飛輪5繞機架1上的孔A轉動，飛輪上的偏心軸2與連桿3連接在孔B，因此飛輪起曲柄作用。連桿另一端與搖桿4連接于C，移動D位置可以調整破碎機的出口大小。這是一個曲柄搖桿機構。畫運動簡圖，如圖4-19b。2)自由度計算。機構中有3個運動件，4個轉動副，自由度為F=3x3-4x2=1。2025/1/1424任務二

常用機構的識別

任務目標1.能夠判斷四桿機構的類型；2.熟悉常見四桿機構在工程上的典型應用；3.能夠設計簡單的平面四桿機構；4.掌握凸輪機構的工作原理、類型及工程應用；5.能夠設計簡單的從動件凸輪工作輪廓；6.熟悉螺旋機構典型應用。2025/1/1425任務二

常用機構的識別

相關知識一、平面連桿機構1.鉸鏈四桿機構的基本結構及其應用

運動副都是轉動副的平面四桿機構稱為鉸鏈四桿機構，如圖4-20所示。連架桿中，能繞機架上的轉動副作整周轉動的構件（如1）稱為曲柄，只能在某一角度內繞機架上的轉動副擺動的構件（如3）稱為搖桿。根據(jù)兩連架桿是否成為曲柄或搖桿，鉸鏈四桿機構分為曲柄搖桿構、雙曲柄機構和雙搖桿機構三種形式。2025/1/1426任務二

常用機構的識別

相關知識（1）曲柄搖桿機構

在鉸鏈四桿機構的兩個連架桿中，若一個連架桿為曲柄，另一個連架桿為搖桿，則該機構稱為曲柄搖桿機構（見圖4-21)。2025/1/1427任務二

常用機構的識別

相關知識

曲柄搖桿機構可實現(xiàn)曲柄整周旋轉運動與搖桿往復擺動的互相轉換。當主動曲柄AB轉動時，從動搖桿CD作往復擺動，利用搖桿的延長部分實現(xiàn)刮水動作。在曲柄搖桿機構中，也可以以搖桿為主動件，曲柄為從動件，將主動搖桿的往復擺動轉化為從動曲柄的整行星動。2025/1/1428任務二

常用機構的識別

相關知識(2)雙曲柄機構

兩個連架桿都是曲柄的鉸鏈四桿機構稱為雙曲柄機構。通常主動曲柄等速轉動時，從動曲柄作變速轉動。如圖4-23所示的慣性篩機構，其中機構ABCD是雙曲柄機構。當主動曲l作等速轉動時，利用從動曲柄3的變速轉動，通過構件5使篩子6作變速往復的直線運動，達到篩分物料的目的。2025/1/1429任務二

常用機構的識別

相關知識

在雙曲柄機構中，如果對邊兩構件長度分別相等，則稱為平行雙曲柄機構或平行四邊形機構。

當兩曲柄轉向相同時，它們的角速度始終相等，連桿也始終與機加平行，稱為正平行雙曲柄機構。當兩曲柄轉向相反時，它們的角速度不等，稱為反平行雙曲柄機構。2025/1/1430任務二

常用機構的識別

相關知識（3）雙搖桿機構

兩連架桿均為搖桿的鉸鏈四桿機構，稱為雙搖桿機構。常用于操縱機構、儀表機構等。

在雙搖桿機構中，若兩搖桿長度相等，稱為等腰梯形機構。等腰梯形機構的運動特性是兩搖桿擺角不相等。2025/1/1431任務二

常用機構的識別

相關知識（4）鉸鏈四桿機構類型的判別

鉸鏈四桿機構中，如果最短桿與最長桿長度之和小于或等于其余兩桿長度之和，則：1)取與最短桿相鄰的桿作機架時，該機構為曲柄搖桿機構（見圖4-27a)。2)取最短桿為機架時，該機構為雙曲柄機構（見圖4-27b)。3)取與最短桿相對的桿為機架時，該機構為雙搖桿機構（見圖4-27c)。2025/1/1432任務二

常用機構的識別

相關知識2.含有移動副的四桿機構凡含有移動副的四桿機構，稱為滑塊四桿機構，簡稱滑塊機構。（1）曲柄滑塊機構2025/1/1433任務二

常用機構的識別

相關知識曲柄滑塊機構的用途很廣2025/1/1434任務二

常用機構的識別

相關知識（2）曲柄導桿機構

導桿機構在對心曲柄滑塊機構中，如圖4-31(a)所示，如果以構件1作為機架，構件2和構件4為連架桿，其中構件2和4可以分別繞B，A點作整周運動，視為曲柄；滑塊3一方面與構件4一同繞A點轉動，另一方面與構件4之間作往復移動。由于構件4充當了滑塊3的導路，因此稱為導桿。由曲柄、導桿、滑塊和機架組成的機構，稱為曲柄導桿機構。由于導桿能作整周轉動，因此稱為轉動導桿機構，此時機架長度小于曲柄長度。2025/1/1435任務二

常用機構的識別

相關知識

若取機架長度大于曲柄長度，導桿4只能作往復擺動，形成擺動導桿機構，如圖4-31(b)所示。圖4-31(a)所示的這種機構常與其他構件組合，用于簡易創(chuàng)床、插床以及同轉泵、轉動式發(fā)動機等機械中，如圖4-32所示。2025/1/1436任務二

常用機構的識別

相關知識

（3）搖塊機構

如圖4-33a所示，曲柄滑塊機構中，如取原連桿構件為機架，原曲柄構件作整周運動時，原導路構件（圖中為構件2)就擺動，則滑塊成了繞機架上C點作往復擺動的搖塊，故稱為搖塊機構。2025/1/1437任務二

常用機構的識別

相關知識（4）定塊機構

如圖4-34a所示，曲柄滑塊機構中，如取滑塊3為機架，即得定塊機構。

2025/1/1438任務二

常用機構的識別

相關知識3.平面四桿機構的基本性質（1）急回特性

當主動件等速轉動時，作往復運動的從動件在返回行程中的平均速度大于工作行程的平均速度的特性，稱為急回特性。2025/1/1439任務二

常用機構的識別

相關知識2.壓力角和傳動角

在設計平面四桿機構時，不僅應使其實現(xiàn)預期的運動，而且應運轉輕便、效率高，即具有良好的傳力性能。1）曲柄搖桿機構最小傳動角γmin位置

在曲柄搖桿機構中，曲柄為原動件，搖桿為從動件時，γmin可能出現(xiàn)在曲柄與機架共線的兩個位置之一（搖桿與連桿的夾角），可通過計算或作圖械取此兩位置的傳動角（γ1，γ2），其中的小值即為γmin，如圖4-37所示。2025/1/1440任務二

常用機構的識別

相關知識2）曲柄滑塊機構最小傳動角γmin位置

在曲柄滑塊機構中，曲柄為原動件、滑塊為從動件時，當曲柄與滑塊的導路相垂直時，壓力角最大（傳動角最?。?。但對于偏置式曲柄滑塊機構，最小傳動角γmin出現(xiàn)在曲柄位于偏置方向相反一側的位置（曲柄與連桿的夾角），如圖4-38所示。圖4-38偏置曲柄滑塊的最小傳動角2025/1/1441任務二

常用機構的識別

相關知識3）導桿機構最小傳動角γmin位置

對于以曲柄為主動件的擺動導桿機構和轉動導桿機構，在不考慮摩擦時，由于滑塊對導桿的作用力總與導桿垂直，而導桿上力的作用點的線速度方向總與作用力同向，因此壓力角恒等于0°傳動角恒等于90°，如圖4-39(a)所示，所以導桿機構的傳動性能很好。

若以導桿為原動件，則其壓力角在0°~90°之間變化，如圖4-39(b)所示，傳動角也在0°~90°之間變化，γmin等于0°出現(xiàn)在導桿的極限位置。2025/1/1442任務二

常用機構的識別

相關知識3.死點位置

在圖4-40所示的曲柄搖桿機構中，若搖桿為主動件，當搖桿處于兩極限位置時，從動曲柄與連桿共線，主動搖桿通過連桿傳給從動曲柄的作用力通過曲柄的轉動中心，

此時曲柄的壓力角α=90°，傳動角γ=0°，因此無法推動曲柄轉動，機構的這個位置稱為死點位置。死點就是機構從動件無法運動的現(xiàn)象。2025/1/1443任務二

常用機構的識別

相關知識

平面四桿機構是否存在死點位置，取決于從動件是否與連桿共線且哪個構件作為主動件。對于曲柄搖桿機構和曲柄滑塊機構，只有當曲柄為從動件且從動件連桿共線時才具有死點位置。2025/1/1444任務二

常用機構的識別

相關知識

在工程上，有時也需利用機構的死點位置來進行工作。例如，飛機的起落架、折疊式家具和夾具等機構，如圖4-42和4-43所示。2025/1/1445任務二

常用機構的識別

相關知識二、凸輪機構1.凸輪機構的應用和類型（1）凸輪機構的特點和應用凸輪機構是一種轉換運動形式的機構，它可以將主動件連續(xù)的轉動轉變?yōu)閺膭蛹B續(xù)的或間歇的往復移動或擺動。2025/1/1446任務二

常用機構的識別

相關知識凸輪機構的特點是：結構簡單、設計較方便，利用不同的凸輪廓線可以使從動件準確地實現(xiàn)各種預定的運動規(guī)律，故在機械自動化工程中應用廣泛。但凸輪與從動件為高副接觸，因此，接觸應力大，易磨損。2025/1/1447任務一

平面機構的知識儲備

相關知識2）凸輪機構的類型1）按凸輪的形狀和運動形式分類①盤形回轉凸輪。凸輪繞固定軸旋轉，其向徑（曲線上各點到回轉中心的距離）在發(fā)生變化，是凸輪的基本型式，如圖4-45的凸輪l。②平行移動凸輪。這種凸輪外形通常呈平板狀，如圖4-46所示，可以看作回轉中心位于無窮遠處的盤形凸輪。它相對于機架作直線往復移動。③圓柱回轉凸輪。凸輪是一個具有曲線凹槽的圓柱形構件。它可以看成是將移動凸輪卷成圓柱體演化而成的，如圖4-47所示的自動車床進刀機構中的凸輪1。2025/1/1448任務二

常用機構的識別

相關知識2）按從動件的結構形式分類①尖頂從動件。如圖4-48(a，d)所示

。②滾子從動件。如圖4-48(b，e)所示。③平底從動件。如圖4-48(c，f)所示。2025/1/1449任務二

常用機構的識別

相關知識2.從動件常用的運動規(guī)律（1）凸輪機構工作過程2025/1/1450任務二

常用機構的識別

相關知識

按照從動件在一個循環(huán)中是否需要停歇及停在何處等，可將凸輪機構從動件的位移曲線分成如下4種類型：升—?！亍Ｐ?、升—回—停型、升—停—回型、升—回型，如圖4-50所示。2025/1/1451任務二

常用機構的識別

相關知識（2）常用從動件常用運動規(guī)律①等速運動規(guī)律特點：從動件在推程或回程的速度為常數(shù)。從動件在推程中的運動方程為2025/1/1452任務二

常用機構的識別

相關知識

從動件的運動如圖4-51所示，在行程的開始和終止兩位置由于速度突然改變，其瞬時加速度趨于無窮大，因而產生無窮大的慣性力，致使機構發(fā)生強烈剛性沖擊。

等速運動規(guī)律只適用于低速的凸輪機構。2025/1/1453任務二

常用機構的識別

相關知識②等加速等減速運動規(guī)律

這種運動規(guī)律的特點是：從動件在前半行程作等加速運動，在后半行程作等減速運動，其加速度的絕對值相等。當初速度為零時，從動件在推程中的運動方程為：適用于中低速的凸輪機構。2025/1/1454任務二

常用機構的識別

相關知識③余弦加速度運動規(guī)律

從動件做簡諧運動，所引起的慣性力也是有限值，由此產生的沖擊稱柔性沖擊。這種運動規(guī)律適用于中速的凸輪機構。④正弦加速度運動規(guī)律

這種規(guī)律沒有加速度突變，則既不存在剛性沖擊，又不存在柔性沖擊，適用于高速輕載的場合。2025/1/1455任務二

常用機構的識別

相關知識3.凸輪的結構與材料

凸輪的結構形式及與軸的固定方式有整體式（見圖4-53a)、鍵聯(lián)接式（見圖4-53b)、銷聯(lián)接式（見圖4-53c)、彈性開口錐套螺母聯(lián)