机械设计基础自由度的计算
机械设计基础第一章机构自由度计算
◆实际结构上为减小摩擦采用局部自由度，“除去”指计算中不 计入，并非实际拆除。
机械设计基础第一章机构自由度计 算
n = 4, Pl =6, Ph = 0
A
F = 3×4 -2×6 – 0 = 0
与实际不符
如图1-9所示的曲柄滑块机构，给定构件1 的位置时，其他构件的位置就被确定下来， 即只需要一个原动构件，机构就有确定的 相对运动。
机械设计基础第一章机构自由度计 算
• 机构的自由度也就是机构具有的独立运动的 个数。为了使机构具有确定的相对运动，这 些独立运动必须是给定的， 由于只有原动件才能作给定的独立运动， 因此机构的原动件数必须与其自由度相同。
§1-3 平面机构自由度的计算
• 一、机构具有确定运动的条件 • 机构要实现预期的运动传递和变换，必须
使运动具有可能性和确定性， 所谓运动的确定性，是指机构中的所有 构件，在任意瞬时的运动都是
完全确定的，可控的。
•那么，机构应具备什么条件，其运动才 是确定的呢？
机械设计基础第一章机构自由度计 算
• 下面举例来讨论。如图1—7所示，由三个 构件通过3个转动副联接而成的系统没有运 动可能性。
给定构件1运动参数 1 = 1 ( t )，
构件2、3、4的运动是不确定的
再给定构件4运动参数 4 = 4 ( t )，
构件2、3的运动是确定的
机械设计基础第一章机构自由度计 算
• 但如果给定构件1、4的位置参数φ1和φ4， 则其余构件的位置就被确定下来了。即需 要两个原动构件，五杆机构才有确定的相 对运动。
计算实例
Pl ：机构中低副数； F ：机构的自由度数；
机械设计基础IA--第一章平面机构的自由度及速度分析--习题与答案
第1章 平面机构的自由度和速度分析本章要点：1、理解运动副及其分类，熟识各种平面运动副的一般表示方法；了解平面机构的组成。
2、熟练看懂教材中的平面机构的运动简图。
3、能够正确判断和处理平面机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和常见的虚约束，综合运用公式F=3n-2P L -P H 计算平面机构的自由度并判断其运动是否确定。
第一节 平面机构的组成基本概念1、平面机构的定义：所有构件都在互相平行的平面内运动的机构2、自由度：构件所具有的独立运动个数3、运动副：两个构件直接接触组成的仍能产生某些相对运动的联接 第二节 平面机构的运动简图平时观察机构的组成及运动形式时，不可能将复杂的机构全部绘制下来观看，应该将不必要的零件去掉，用简单的线条表示机构的运动形式：机构的运动简图、机构简图 步 骤1、运转机械，搞清楚运动副的性质、数目和构件数目；2、测量各运动副之间的尺寸，选投影面（运动平面）；3、按比例绘制运动简图；简图比例尺：μl =实际尺寸 m / 图上长度mm4、检验机构是否满足运动确定的条件。
第三节 平面机构的自由度 一、平面机构自由度计算公式机构的自由度保证机构具有确定运动，机构中各构件相对于机架的独立运动数目 一个原动件只能提供一个独立运动 机构具有确定运动的条件为 自由度=原动件的个数平面机构的每个活动构件在未用运动副联接之前，都有三个自由度 经运动副相联后，构件自由度会有变化：自由度的计算公式 F=3n －(2PL +Ph )二、计算平面机构自由度的注意事项活动构件 构件总自由度 3×n 低副约束数 2 × P高副约束数1 × P h n1、复合铰链：两个以上的构件在同一处以转动副相联2、局部自由度：与输出件运动无关的自由度出现在加装滚子的场合，计算时应去掉Fp3、虚约束：对机构的运动实际不起作用的约束计算自由度时应去掉虚约束第四节速度瞬心及在机构速度分析上的应用机构运动分析的任务、目的和方法（1）任务：在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。
机械设计基础：自由度计算需要注意的几个问题
3
2
n=2
2
PL=2
1
1
PH=1
F=3n-2PL-PH=6-4-1=1
自由度计算注意事项
复合铰链 局部自由度 虚 约 束
已知：AB＝CD＝EF,计算图示平行四边形机构的自由度
B 2E
1
4
A
F
C n=4 3 PL=6
PH=0
D
F=3n-2PL-PH=12-12-0=0
自由度计算注意事项
复合铰链 局部自由度 虚 约 束
虚约束
对机构的运动实际不起作用的约束
处理办法
计算自由度时应去掉虚约束
自由度计算注意事项
复合铰链 局部自由度 虚 约 束
已知：AB＝CD＝EF,计算图示平行四边形机构的自由度
B 2E
1
4
A
F
C
∵ FE＝AB ＝CD 3 故增加构件4前后E点的轨迹都是圆弧。
D 增加的约束不起作用，应去掉构件4。
自由度计算注意事项
Thank You
成都航空职业技术学院机械基础教研室
自由度计算注意事项
复合铰链
2个转动副
计算如图惯性筛机构的自由度
2
C
4 3
E 5
B1
D
A
F=3n-2PL-PH=3x5-2x7-0=1
自由度计算注意事项Fra bibliotek复合铰链
计算图示锯床进给机构的自由度
B
E
A
C D
n=7 PL=10 PH=0
F
F=3n-2PL-PH=21-20=1
自由度计算注意事项
复合铰链 局部自由度
复合铰链 局部自由度 虚 约 束
机械设计基础复习总结
自由度计算小结自由度计算公式:F ＝3n －2Pl －Ph机构自由度＝3×活动构件数－(2×低副数+1×高副数)计算步骤:（1）确定活动构件数目（2）确定运动副种类和数目（3）确定特殊结构: 局部自由度、虚约束、复合铰链（4）计算、验证自由度例 计算图所示机构的自由度 (若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。
键联接和花键联接● 键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔键联接和切向键联接等。
1、平键联接键工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤压传递转矩。
成对使用:承载能力不够时采用, 按 180°布置两个键。
一对平键按1.5 个键计算。
2、半圆键联接工作原理: 两侧面是工作面，侧面挤压传递转矩。
3、楔键联接工作原理: 上下表面为工作面，靠摩擦力传递转矩。
4、切向键联接工作原理:键的窄面是工作面，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递转矩。
一个切向键只能传递单向力矩，双向力矩时，需要采用两个切向键，两键的夹角为︒︒130~120。
● 花键联接是有外花键和内花键组成。
花键联接可用于静联接或动联接。
按齿形不同可以分为矩形花键和渐开线花键两类，两种花键均已标准化。
矩形花键定心方式为小径定心，特点是定心精度高，定心稳定性好。
渐开线花键定心方式为齿形定心，具有自动定心作用，有利于各齿间的均匀承载。
螺纹联接1、螺栓联接按其受力状况不同，分为普通螺栓联接和铰制孔用螺栓联接。
2、普通螺栓，其主要失效形式为螺栓杆和螺纹部分发生断裂（受拉）；铰制孔用螺栓联接，其主要失效形式为螺栓杆和孔壁见压溃或螺栓杆被剪断（受剪）。
3、防松的根本问题是防止螺旋副的相对转动。
（1）摩擦防松 对顶螺母、弹簧垫圈、自锁螺母（2）机械防松 槽型螺母和开口销、圆螺母和带翘垫圈、止动垫圈、串联钢丝4、螺纹联接的预紧目的：在于增强联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被连接件间出现缝隙或发生相对滑移。
机械设计基础平面自由度计算
机械设计基础平面自由度计算在机械设计的基础中，平面自由度的计算是非常重要的一部分。
它不仅涉及到机械零件的设计，也影响到机械系统的整体性能。
因此，正确理解和计算平面自由度对于机械设计师来说是至关重要的。
一、平面自由度的定义在机械系统中，平面自由度是指物体在二维空间中可以独立移动的自由度数。
这些自由度包括沿x轴、y轴的移动以及绕z轴的旋转。
在机械设计中，我们通常考虑的是刚体在平面内的自由度，因为大多数机械系统中的运动都可以简化为平面运动。
二、平面自由度的计算在计算平面自由度时，我们需要考虑刚体上所有点的运动情况。
对于每一个点，我们都可以确定其在平面内的位置。
如果一个刚体上有n 个点，那么我们就可以确定n个位置。
这些位置的独立性就决定了刚体的自由度数。
例如，一个简单的机器臂，它由两个关节和两个长度相等的连杆组成。
如果我们只考虑它的平面运动，那么它的自由度就可以通过以下方式计算：1、第一个关节有2个移动自由度和1个旋转自由度（因为它在平面上），总共3个自由度。
2、第二个关节同样有2个移动自由度和1个旋转自由度，总共3个自由度。
3、连杆没有额外的自由度，因为它们只是在平面上运动。
所以，整个机器臂的总自由度是6个。
三、影响平面自由度的因素在机械设计中，影响平面自由度的因素有很多。
其中最重要的因素是机构的约束和机构的运动副。
约束可以限制物体的某些运动，从而影响其自由度。
而运动副则可以提供额外的自由度，例如滑动副可以提供2个移动自由度，转动副可以提供1个旋转自由度。
四、结论在机械设计中，正确计算平面自由度对于优化机械系统的性能至关重要。
通过理解平面自由度的概念和计算方法，以及考虑影响平面自由度的因素，我们可以更好地设计和控制机械系统的运动。
这也为我们提供了更准确的设计工具，使我们能够根据实际需要来调整和优化机械系统的性能。
在机械设计中，自由度的计算是非常重要的一部分。
它不仅可以帮助我们理解和分析机械系统的运动特性，而且还可以帮助我们优化设计，预测可能存在的问题，以及提高机械系统的效率和稳定性。
(完整版)机械设计基础1自由度
（约束了一个自由度）
此外，还有球面副和螺旋副，均属于空间相对运动。本课程不进行讨论。
§1-2.平面机构的运动简图
1．平面运动副的表示方法：
转动副表示方法
2．构件表示方法：
移动副表示方法
高副表示方法
两个转动副构件
一个转动副 一个移动副构件
5 F=3×5 - 2×7 = 1 ✓
(2) 局部自由度： 与整个机构运动无关的自由度。 计算机构自由度时应予排除。
F=3×3 - 2×3 -1 = 2 ×
F=3×2 - 2×2 -1 = 1 ✓
目的：变滑动磨擦为滚动磨擦，以减少磨损。计 算时应将该构件连同运动副一起除去。
(3) 虚约束： 对机构自由度是重复的约束。
第一章 平面机构的自由度 和速度分析
平面机构：所有的构件都在同一平面或在相互平行平 面内运动的机构。
§1-1.运动副及分类
自由构件：在平面内不受约束做自由运动的构件。
自由度：做平面运动的自由构件的独立的自由运动 数（三个自由度）X、Y、 。
Y
y
0
x
X
1．运动副（关节）：两构件间的可动联接
定义：使两构件直接接触并能产生一定相对运动的联接。
即该机构只有一个自由度，与原 动件数相同（齿轮3为原动件）。 所以,满足机构具有确定运动的条 件。
例题3. 已知一机构如图所示，求其自由度？
解：1. A、B、C、D处为复合铰 链
2. n=7 PL= 10 PH=0
F=3n-2PL-PH=37-2100=1
即该机构只有一个自由度，与原 动件数相同（杆8为原动件）。所 以,满足机构具有确定运动的条件
杨可桢《机械设计基础》(第6版)复习笔记及课后习题详解(含考研真题)-平面机构的自由度和速度分析
第1章平面机构的自由度和速度分析1.1复习笔记【通关提要】本章是本书的基础章节之一，主要介绍了平面机构自由度的计算和平面机构的速度分析。
学习时需要掌握平面机构运动简图的绘制、自由度的计算和速度瞬心的应用等内容。
本章主要以选择题、填空题和计算题的形式考查，复习时需把握其具体内容，重点记忆。
【重点难点归纳】一、运动副及其分类（见表1-1-1）表1-1-1运动副及其分类二、平面机构运动简图机构运动简图指用简单线条和符号来表示构件和运动副，并按比例定出各运动副的位置，来表明机构间相对运动关系的简化图形。
1．机构中运动副表示方法机构运动简图中的运动副的表示方法如图1-1-1所示。
图1-1-1平面运动副的表示方法2．构件的表示方法构件的表示方法如图1-1-2所示。
图1-1-2构件的表示方法3．机构中构件的分类（见表1-1-2）表1-1-2机构中构件的分类三、平面机构的自由度活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数称为机构自由度，以F表示。
1．平面机构自由度计算公式F＝3n－2P L－P H式中，n为机构中活动构件的数目；P L为低副的个数；P H为高副的个数。
机构具有确定运动的条件是：机构的自由度F＞0且F等于原动件数目。
2．计算平面机构自由度的注意事项（见表1-1-3）表1-1-3计算平面机构自由度的注意事项四、速度瞬心及其在机构速度分析上的应用（见表1-1-4）表1-1-4速度瞬心及其应用1.2课后习题详解1-1至1-4绘出图示（图1-2-1～图1-2-4）的机构运动简图。
图1-2-1唧筒机构图1-2-2回转柱塞泵图1-2-3缝纫机下针机构图1-2-4偏心轮机构答：机构运动简图分别如图1-2-5～图1-2-8所示。
1-5至1-13指出（图1-2-9～图1-2-17）机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算各机构的自由度。
解：（1）图1-2-9所示机构的自由度为F＝3n－2P L－P H＝3×7－2×10－0＝1（2）图1-2-10中，滚子1处有一个局部自由度，则该机构的自由度为F＝3n－2P L－P H＝3×6－2×9－0＝0（3）图1-2-11中，滚子1处有一个局部自由度，则该机构的自由度为F＝3n－2P L－P H＝3×8－2×11－1＝1（4）图1-2-12所示机构的自由度为F＝3n－2P L－P H＝3×8－2×11－0＝2（5）图1-2-13所示机构的自由度为F＝3n－2P L－P H＝3×6－2×8－1＝1（6）图1-2-14中，滚子1处有一个局部自由度，则该机构的自由度为F＝3n－2P L－P H＝3×4－2×5－1＝1（7）图1-2-15中，滚子1处有一个局部自由度，A处为三个构件汇交的复合铰链，移动副B、B′的其中之一为虚约束。
机械设计基础-平面机构运动简图及自由度
F=3n-2PL-PH
（1-1）
机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
式（1-1）就是平面机构自由度的 计算公式。由公式可知，机构自由度F 取决于活动构件的数目以及运动副的 性质和数目。
机构的自由度必须大于零，机构才 能够运动，否则成为桁架。
机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
图1-9 回转副约束 机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
2． 高副 如图1-10所示，只约束了沿接触
处公法线n-n方向移动的自由度，保 留绕接触处的转动和沿接触处公切线 t-t方向移动的两个自由度。
图1-10 高副约束 机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
结论：在平面机构中，
①每个低副引入两个约束，使机构失去 两个自由度；
例1-3 计算图1-6b）所示活塞泵自由度。
机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
解：除机架外，活塞泵有四个活动构件， n=4；
四个回转副和一个移动副共5个低副， PL=5； 一个高副，PH=1。
由式(1-1)得：
F=3n-2PL-PH=34-25-11=1
该机构的自由度等于1。
机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
例1-2 绘制图1-6a)所示活塞泵机构的运 动简图。
图1-6 活塞泵及其机构简图
机械设计基础-平面机构运动简图 及自由度
§1-3 平面机构的自由度
自由度是构件可能出现的独立运动。任何 一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度。
它可表达为在直角坐标系内沿着三个坐标 轴的移动和绕三个坐标轴的转动。
而对于一个作平面运动的构件，则只有 三个自由度，如图1-7所示。即沿x轴和y轴移 动，以及在Oxy平面内的转动。
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3.平面系统自由度的计算公式
F=3n-2PL-PH(n：活动构件数；PL：低副数；PH：高副数）
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计算下列平面系统的自由度
n=2, PL=3, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*2-2*3=0
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PH=1
n=6, PL=8, PH=1 F=3n－2PL－PH =3*6-2*8-1
=1
系统有一个原动 件时机构具有确 定的相对运动
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比较下面二图有何区别
2 Cn5=F 63 E
B A1
6 ,PL=84D, G
PH=1
F
B2 A1
Cn5=63 E 6,P7L=84D, G
PH=1
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第三节 平面机构的自由度
主要教学内容： 1.何谓自由度 2.机构自由度的计算 3.平面系统具有确定运动的条件 4. 平面系统自由度计算的注意事项 5.自由度计算举例
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n=5, PL=6, PH=1 F=3n－2PL－PH =3*5-2*6-1 =2
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n=4, PL=4, PH=2 F=3n－2PL－PH =3*4-2*4-2 =2
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３）如果机构中两活动构件上某两点的距离始终保持 不变，此时若用具有两个转动副的附加构件来连接这 两个点，则将会引入一个虚约束。
带虚约束的杆机构
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虚约束的本质是什么? 从运动的角度看,虚约束就是“重复的约束” 或者是“多余的约束”。
机构中为什么要使用虚约束?
a.使受力状态更合理 b.使机构平衡
c.考虑机构在特殊位置的运动
使用虚约束时要注意什么问题?
保证满足虚约束存在的几何条件，在机械设计 中使用虚约束时，机械制造的精度要提高。
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n=7, PL=10, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*7-2*10-0 =1
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n=6, PL=8, PH=1 F=3n－2PL－PH =3*6-2*8-1 =1
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2.局部自由度
定义：不影响系统整体运动的自由度，称 为局部自由度。
处理：在计算系统自由度时，局部自由度应
当舍弃不计。
n =2 PL=2 PH=1 F=3n－2PL－PH =3*2-2*2-1 =1
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自由度计算例：
计算说明下列平面系统运动是否确定，若不确定 ，如何改正。
F
2 Cn=5 6,3 E
n=5, PL=7, PH=1 F=3n－2PL－PH
B
D
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常见的虚约束有以下几种情况:
１）当两构件组成多个移动副，且其导路互相平行 或重合时，则只有一个移动副起约束作用，其余都 是虚约束。
带虚约束的凸轮机构
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一、自由度
自由度:机构具有确定运动时所必须给定的独立运动 参数的数目。
二、平面系统自由度的计算
1.平面自由物体具有三个自由度 沿X轴的移动、沿Y轴的移动、绕原点O的转动。
2.运动副对自由度的限定 平面低副：产生2个约束，具有1个自由度； 平面高副：产生1个约束，具有2个自由度。
n=3, PL=5, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*3-2*5=-1
n=3, PL=4, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*3-2*4=1 机械基础教研室 孙雅萍
n=4, PL=5, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*4-2*5=2
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２）当两构件构成多个转动副，且轴线互相重合时， 则只有一个转动副起作用，其余转动副都是虚约束。
带虚约束的曲轴
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