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第1章 平面机构及其运动简图
一、机械 机器 机构
1、什么是机械？
机械实例
古代
近代
现代
机械发展
机械是机器和机构的总称
机械种类繁多，其结构型式和用途功能各不相同，那机器、机构是否有各自共同特征呢？
引例：内燃机（汽车发动机）
观看视频，思考问题：
1、实现功能？
2、构造组成？
3、工作原理？
实现功能
将燃气的热能转换为
曲柄转动的机械能。
内燃机
构造组成
由多种实物组合而成。
3 进气阀
7 凸轮
8 顶杆
4 排气阀
2 活塞
1 汽缸体
5 连杆
6 曲轴
9 齿轮
10 齿轮
工作原理
各实物部分之间具有相对运动,即“四冲程”：
进气—压缩—做功—排气
2、机器与机构
机 器
人为的实物组合体
各实物体之间具有确定的相对运动
完成能量转换，代替人做机械功
由此可见，内燃机是机器
机 构
人为的实物组合体
各实物体之间具有
确定的相对运动
内燃机机构
1
2
3
区别
联系
举例：内燃机构件——连杆
螺母
3、构件与零件
举例：内燃机构件——齿轮
构件
组成机构的相互间具有确定运动
的各个实物
运动基本单元
由一个或几个零件组成
零件
组成机构的彼此间没有确定运动
的各个实物
制造基本单元
思考与练习
下列各种机械产品是机器还是机构？
（6）自行车
（1）无心磨床
（2）机械手表
（3）缝纫机
（4）洗衣机
（5）仿真机器人
思考：分析内燃机所含的构件与零件？
3 进气阀
7 凸轮
8 顶杆
4 排气阀
2 活塞
1 汽缸体
5 连杆
6 曲轴
9 齿轮
10 齿轮
二、平面机构的运动简图
（1）转动副
特点：两构件只能绕公共轴线在同一平面内作相对转动。
1、运动副及其分类
运动副：是指直接接触的两个构件之间形成的可动连接。
（2）移动副
特点：两构件只能作相对移动。
（3）凸轮副
凸轮1
从动件2
特点：凸轮作等速转动时，驱使始终保持接触的从动件
作往复移动。
（4）齿轮副
齿轮1
齿轮2
特点：由一对齿轮的轮齿齿廓相互啮合带动齿轮传动。
空间运动副
球面副
螺旋副
高副
低副
（面与面接触）
（点接触或线接触）
移动副
齿轮副
凸轮副
转动副
自由度：构件相对于参考系所具有的独立运动。用 F 表示。
单个自由构件在平面内运动有3个自由度。即F=3
2、自由度与约束
约束：两构件连接成运动副之后，对构件某一个独立运动的限制。用R表示。
R=2, F=1
R=2, F=1
R=1, F=2
运动副 类型 约束 自由度
低副 转动副 R=2 F=1
移动副 高副 凸轮副 R=1 F=2
齿轮副
3、运动链与机构
运动链:指两个以上的构件通过运动副联接而构成的系统。
封闭形式
开链
闭链
运动链
运动链的各构件构成首尾封闭的系统
运动链的各构件未构成首尾封闭的系统
运动链成为机构
一构件加以固定作为机架或参考构件
给定另外一个或少数几个构件的运动规律
其余构件随之做确定相对运动
机架
原动件
从动件
机构构件
4 机架
1 原动件
2 从动件
3 从动件
某同学对手动抽水机进行升级改造，设计机构运动简图如图所示。分析该机构是否具有确定运动，实现抽水功能？
2
1
3
A
C
B
4
D
手动抽水机
该设计机构能否实现抽水功能？
三、平面机构的自由度
1、机构具有确定运动的条件
机构的自由度数F = 原动件数
其中，原动件个数已知（在机构运动简图中已标定）。
2、平面机构的自由度计算
活动构件数
n
构件总自由度
低副约束数
高副约束数
3×n
2 × PL
1 × PH
F = 3n - 2PL - PH
注意: n为活动构件数，不包括机架。设机构总构件数为N，则n=N-1
机构的自由度：机构相对于机架所具有的独立运动数目。
例1：计算内燃机机构的自由度。
解：活动构件数n=5
低副数PL=6
F=3n－2PL－PH
=3×5－2×6-2
=1
高副数PH=2
例2：计算如图所示筛料机构的自由度。
解：活动构件数n=8
低副数PL=10
F=3n－2PL－PH
=3×8－2×10-1
=3
高副数PH=1
两个低副
(1)复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副相联。
计算方法：m个构件,有m－1转动副。
3、平面机构自由度计算的特殊情况
(2)局部自由度：构件局部运动所产生的自由度，并不影响整个机构的运动。
计算方法：去掉滚子和铰链，将局部自由度省略不计。
1
2
3
1
2
3
出现场合：凸轮机构加装滚子。
滚子作用：变滑动摩擦为滚动摩擦，减轻摩擦和磨损。
(3)虚约束：机构中与其他约束重复，对机构不产生新的约束作用的约束。
①重复运动副
②重复轨迹
③对称结构
作用：改善机构受力情况，提高机构的刚性。
计算方法：去掉虚约束，除去不计。
点击添加标题
变一变
对存在复合铰链、局部自由度和虚约束进行变身处理，画出新机构运动简图。
点击添加标题
数一数
数活动构件总数n；数低运动副数PL；数高运动副数PH；
算一算
带入公式F = 3n - 2PL – PH 进行计算
F计算技巧
三 步 法
例2：计算如图所示筛料机构的自由度。
解：活动构件数n=7
低副数PL=9
F=3n－2PL－PH
=3×7－2×9-1
=2
高副数PH=1
分析升级改造后的抽水唧筒机构是否具有确定运动，实现抽水功能？
2
1
3
A
C
B
4
D
原手动抽水唧筒
新设计抽水唧筒机构
F>0,机构能动
F = 原动件数
机构具有确定运动
F > 原动件数
机构乱动
F < 原动件数
机构在薄弱处破坏
F≤0,机构不能动
知识总结
1
2
3
1、如图所示加药泵加药机构，是否存在复合铰链、局部自由度和虚约束？并计算其自由度。
2、指出如图所示机构中的复合铰链、局部自由度和虚约束，并计算其自由度。

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