第二章机构的结构分析要点
第一章绪论
1何谓机器，何谓机构？它们有什么区别与联系？
2参照内燃机的机构分析，试对机械手进行分解，说明它是由哪些机构组成的。
3举例说明什么是构件、零件？
第二章机构的结构分析
1什么是运动副、运动副元素、运动链？运动副是如何分类的？
2何谓"高副”和"低副”？在平面机构中高副和低副一般各带入几个约束？
3机构具有确定运动的条件是什么？
4既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机械中为什么又常常存在虚约束？
5杆组具有什么特点？如何确定机构的级别？选择不同的原动件对机构的级别有无影响？
6图所示机构在组成上是否合理？指出其错误所在，并针对错误处更改局部运动副和构件，使之成为合理 的机构。
9试计算图所示凸轮-连杆组合机构的自由度。
7计算图示平面机构的自由度
, 指出复合铰链、局部自由度和虚约束， 在进行咼副低代后， 分析机构级别。
8计算图所示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度或虚约束，应予以指出,
并进行高副低代，确
定该机构的级别。
11试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
12试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
13试确定图所示机构的自由度；并将其中的高副换成低副，确定机构所含的杆组合机构的级别（当取凸
轮为原动件时）。
10在图所示机构中
, AB^EF -CD,试计算其自由度。
14计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别
16根据图示机构，画出去掉了虚约束和局部自由度的等效机构运动简图，并计算机构的自由度。
设标有
箭头者为原动件，试判断该机构的运动是否确定，为什么？
17计算图示机构的自由度。
如有复合铰链、局部自由度、虚约束，请指明所在之处。
18计算图示各机构的自由度。
19
计算图示各机构的自由度。
15计算图示机构的自由度,
20计算机构的自由度，并进行机构的结构分析，将其基本杆组拆分出来，指出各个基本杆组的级别以及
机构的级别。
21计算机构的自由度，并进行机构的结构分析，将其基本杆组拆分出来，指出各个基本杆组的级别以及 机
构的级别。
23
试验算图示机构的运动是否确定。
如机构运动不确定请提出其具有确定运动的修改方案。
22计算机构的自由度，并分析组成此机构的基本杆组。
如果在该机构中改选
机构的基本杆组是否发生变化。
FG 为原动件，试问组成此
H
24填充题及简答题：
（1）平面运动副的最大约束数为_______ ，最小约束为_______ 。
（2）平面机构中若引入一个高副将带入_______ 个约束，而引入一个低副将带入_________ 个约束。
约束数与自由度数的关系是________ 。
（3）构件的自由度为_______ ，运动链的自由度为_______ ，机构的自由度为_____________ 。
（4）机构具有确定运动的条件是_____________ 。
25在图示机构中试分析计算该机构的自由度数，并判断该机构运动是否确定；若有复合铰链与局部自由度，虚约束则在图上明确指示（打箭头的为原动件）。
26在图示机构中，心止财1T-J-，试计算其自由度。
27已知机构的尺寸和位置如图所示，试求：
（1）计算机构的自由度F。
是否存在复合铰链，局部自由度和虚约束？若存在，指出其位置;
（2）画出高副低代的机构运动简图。
28计算图示机构的自由度，并作出它们仅含低副的替代机构。
29
30分析图示机构的杆组（凡是高副，应先进行高副低代），并确定杆组及机构的级别（图中有箭头的为原
动件）。
31试计算图示机构的自由度（若有复合铰链、局部自由度或虚约束，必须明确指出）。
并判断该机构的运动是否确定（标有箭头的构件为原动件）。
若其运动是确定的，要进行杆组分析，并显示出拆组过程，指
出各级杆组的级别、数目以及机构的级
别。
机械原理必考知识点
瞬心的表示：构件i 和 j 的瞬心用Pij表示。
2.三心定理: 三个相互作平面（平行）运动构件的三
个速度瞬心位于同一直线上。 其中一个瞬心将另外两个瞬心的联线分
成与各自角速度成反比的两条线段。
3. 用矢量方程图解法作机构的速度及加速度分析
+
3 i= 1
mi
vs2i w2
å Fe =
n i= 1
[Fi
cos
a
i
(
vi v
)
?
M
i
(
wi v
)]
v3 me
3.周期性变速稳定运转速度波动的调节
（1） 机械运转不均匀系数
工程中常用角速度平均值ωm表示机械运转的角速度，
近似值为：
m
1 2
(max
min )
机械运转不均匀系数δ：
max min m
2）其偏斜的方向应与相对速度v12的方向相反。
FN21
φ
v12 1F G2
3.转动副总反力方向的确定
▪ 根据力的平衡条件，确定不计摩擦时总反力的方向；
▪ 计摩擦时的总反力应与摩擦圆相切；
▪ 总反力FR21 对轴心之矩的方向必与轴颈1相对轴承2的相对 角速度的方向相反。 G
ω12 ρ
Md
O
FR21
FN21
4.转动副自锁条件
结论 转动副发生自锁的条件为：作用在轴颈上的驱动力为
单力G， 且作用于摩擦圆之内，即a≤ ρ。
G ρ
O
FR21
a
第6章 机械的平衡
1.所谓刚性转子的不平衡，是指由于结构不对称、材 料缺陷以及制造误差等原因而使质量分布不均匀，致 使中心惯性主轴与回转轴线不重合，而产生离心惯性 力系的不平衡。根据平衡条件的不同，又可分为静平 衡和动平衡两种情况。
《机械原理》课件第二章平面机构的结构分
用规定的符号和线条代表构件和运动 副，按比例绘制出机构运动简图。
选择合适的投影面
一般选择机构的多数构件在同一平面 或相互平行的平面内运动的投影面作 为绘制运动简图的投影面。
自由度概念及计算公式
自由度概念
机构具有确定运动的独立参数数目称为机构的自由度。
自由度计算公式
F = 3n - 2PL - PH，其中F为机构自由度，n为活动构件数，PL为 低副数，PH为高副数。
《机械原理》课件第二章平面机构 的结构分析
目 录
• 平面机构基本概念与分类 • 平面机构运动简图及自由度计算 • 平面连杆机构结构分析与设计 • 凸轮机构结构分析与设计 • 齿轮传动系统结构分析与设计 • 其他常见平面机构介绍
01 平面机构基本概念与分类
平面机构定义及特点
定义
平面机构是指所有构件都在相互平行的平面内运动的机构，也称为平面连杆机 构。
采用多个连杆机构和关节组合而成，可实现 复杂的空间运动和操作任务。具有结构紧凑 、灵活性强等特点。
04 凸轮机构结构分析与设计
凸轮机构类型及特点
移动凸轮
凸轮相对机架作直线移动，适用于需要直 线往复运动的场合，如机床的进给机构等。
盘形凸轮
凸轮为绕固定轴线转动且有变化直 径的盘形构件，具有结构简单、紧 凑的特点，广泛应用于各种自动化
尺度和相对位置。具有直观、简便等优点，但精度较低。
02
解析法
通过建立机构的数学模型，利用数学方法求解机构的未知尺度和运动参
数。具有精度高、适用范围广等优点，但计算较复杂。
03
优化设计法
以机构的某项或多项性能指标为优化目标，通过计算机辅助设计软件进
行尺度综合和优化设计。可得到性能更优的机构方案，但需要较高的计
高等教育：机构的结构借点复习
本节课讨论的要点
1.构件的特征及和机构的关系； 2.运动副的概念； 1).按所受的约束数分Ⅰ级副、Ⅱ级副、Ⅲ级副
2).按相对运动形式分转动副、移动副、螺旋副
3.运动副的分类
⑴平面运动副 3)按相对运动平面分 ⑵空间运动副
4)按接触情况分 ⑴低副接触运动副 4.常用机构、运动副及构件的简图符号 ⑵高副接触运动副
k
J
m2 k m2b
S 2 /(
/( b k ) 动质量代换法的结果与一般 结果精确
/( b k ) 力学方法的计算结果相等
m2b )
静质量代换法的结果与一般 力学方法的计算结果不等。 结果不精确
1）关于摩擦角φ，当量摩擦角φV
arctan f V arctan fV
1）旋转速度多边形求解
（1）将速度多边形逆时针或顺时针旋转90°； （2）所有外力加在转向速度多边形相应点上，并分别对速度
多边形极点取矩； （3）根据力矩平衡条件求出平衡力。
2）旋转各力求解 也可以不将速度多边形旋转90°，而将各外力旋转90°，求出 平衡力后，再反向转回90°，即得真实方向。
第五章 机械的效率和自锁
替代的结果: 原机构增加一个具有两个低副的构件
第三章 平面机构的运动分析
1.速度瞬心的概念？ 2.何为绝对瞬心？何为相对瞬心？当两构件之一为固定不动，另一构件为
活动时，他们的瞬心为什么瞬心？
3.当运动副为下列几种类型时，瞬心位置如何确定？ 1）移动副。2）转动副。3）高副（滚滑副、滚动副）
4.瞬心的数目如何确定？ 5.瞬心法是否可用来求加速度？ 6.当机构位置改变时，瞬心位置是否改变？（哪些改变？哪些不变？举四
特点：
机械原理—平面机构的结构分析
齿轮齿廓
作者：潘存云教授
活塞与缸套
§2-1 运动链与机构
按两构件之间相对运动方式分：
运动副
转动副——两构件之间的相对 运动为转动的运动副
移动副——两构件之间的相对 运动为平动的运动副
对于空间机构，还有螺旋副和球面副
§2-1 运动链与机构
按两构件之间接触方式分：
运动副
低副——两构件之间为面接触 的运动副
第二章 平面机构的结构分析
§2-1 运动链与机构 §2-2 机构运动简图 §2-3 机构自由度的计算 §2-4 机构分析与创新 §2-5 机构结构的拓展内容简介
§2-1 运动链与机构
机构是传递机械运动的装置，也就是传递机械运动、力 或者导引构件上的点按给定轨迹运动的机械装置。
机构的组成要素为构件和运动副。
在
机 架 上
齿 轮 齿
的 电 机
条 传 动
圆
带
锥
传
齿
动
轮
传
动
§2-2 机构的运动简图
链
圆柱
传
蜗杆
动
蜗轮
传动
外啮 合圆 柱齿 轮传 动
凸 轮 传 动
§2-2 机构的运动简图
内啮
棘
合圆
轮
柱齿
机
轮传
构
动
§2-2 机构的运动简图
（3）构件表示时的注意事项:
画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动 副的性质。
C D4
A1 1 B
3 2
5
E
6
冲床传动机构运动简图
§2－2 平面机构运动简图
§2－2 平面机构运动简图
§2－2 平面机构运动简图
机械原理复习提纲
第二章、机构的结构分析：1、机构结构分析研究的主要内容及目的有哪些？2、什么是构件、运动副、构件的自由度、约束？3、什么是高副、低副、平面运动副、空间运动副、铰链、移动副、运动链？4、机构中从动件的运动规律取决于什么？5、在机构中，怎样才能按照一定要求进行运动的传递和变换？6、什么是机构的自由度？与什么有关？7、作平面运动的自由构件有几个自由度？平面低副和高副分别提供几个约束？8、怎样判断机构运动链的可动性？第四章、平面连杆机构及其设计1、什么是低副机构、平面连杆机构、空间连杆机构？2、什么是机架、连架杆、曲柄、摇杆？3、铰链四杆机构有哪几种形式？对心曲柄滑块机构的演化形式有哪几种？1、正弦机构是什么机构形成的2、平面连杆机构中，是否存在曲柄，取决于什么？3、曲柄摇杆机构中各杆长度应满足的条件是什么？4、满足杆长和的条件的铰链四杆机构，在什么情况下分别成为什么机构？8、曲柄滑块机构分别在什么条件下成为什么机构？9、什么是急回特性、压力角、传动角？10、什么是有效分力、径向压力？其作用分别是什么？11、什么是死点位置？会使机构出现什么问题？如何消除？12、死点位置在什么情况下有利，什么情况下有害？第五章、凸轮机构：1、什么是凸轮机构？2、什么是凸轮？凸轮机构是由哪些基本构件组成？3、凸轮机构有哪些类型？分别适用什么场合？4、什么是力封闭、几何封闭？5、常用的几何封闭方法有哪几种？6、什么是基圆、推程、推程运动角、远休止、远休止角、回程、回程角、近休止、近休止角？7、什么是从动件的运动规律？8、什么是从动件运动线图？9、如何设计凸轮机构？凸轮机构从动件的运动规律有哪几类？各种运动规律会产生什么冲击，分别适用于什么场合？10、在什么情况下可进行凸轮机构设计了？11、什么是反转法？12、凸轮机构的基本参确定的原则和方法需考虑哪些方面？13、压力角与作用力的关系是什么？第六章、齿轮机构及其设计：1、齿轮机构作用是什么？按照一对齿轮传动的传动比是否恒定，齿轮机构分为哪几类？2、平面齿轮机构分为哪几类？3、平面齿轮机构和空间齿轮机构分别用来传递什么样的运动和动力？1、什么是齿廓啮合基本定律？2、选择齿廓曲线要考虑哪些？3、渐开线的性质有哪些？4、渐开线齿廓啮合的特点有哪些？5、齿轮各部分名称有哪些？6、直齿圆柱齿轮的基本参数有哪些？10、渐开线标准直齿轮的特征有哪些？11、渐开线直齿圆柱齿轮与外齿轮不同点是什么？12、渐开线直齿圆柱齿轮传动正确啮合的条件是什么？13、要使一对齿轮以定传动比连续传动的条件是什么？14、为什么两轮的齿廓间必须留有一定的间隙？15、两齿轮传动无侧隙啮合的条件是什么？16、齿轮顶隙的作用是什么？17、当用插齿机加工齿轮时，插刀与轮坯之间的相对运动有哪些？18、为什么加工齿轮时应力求避免根切？19、与直齿轮传动相比较，平行轴斜齿轮传动主要具有哪些优点？20、蜗杆机构的特点有哪些？第七章、轮系及其设计：1、什么是轮系？分为哪几类？2、什么是定轴轮系、周转轮系？3、轮系的功用有哪些？。
2-Structure-Analysis(结构分析)
（Mechanisms Structural Analysis）
Main Content for Studying Mechanism Structure
Composing of Mechanism Layout of Mechanism Scheme Conditions to Move Determinately for a Mechanism Structure Classifying and Analysis of Planar Mechanism
Choose a drawing plane. Sometimes, a local view may be drawn to clarify the structure.
First, draw all fixed pair elements!!!!!!!
Draw the drivers first and then draw driven links according to route of transmission(传递路线).
Composing of Mechanism
平面
Revolute pair
Sliding pair or Prismatic pair
only relative rotation
only relative rectilinear(直线的) translation(平移)
Composing of Mechanism
平面 运动副分类：齿轮副和凸轮副
Cam pair(凸轮副)
Gear pair(齿轮副)
• It is necessary to draw the actual cam contour(凸轮 实际廓线) and the end profile (轮廓) of the
第二章 机构的结构分析
第一章绪论1 何谓机器，何谓机构？它们有什么区别与联系？2 参照内燃机的机构分析，试对机械手进行分解，说明它是由哪些机构组成的。
3 举例说明什么是构件、零件？第二章机构的结构分析1 什么是运动副、运动副元素、运动链？运动副是如何分类的？2 何谓“高副”和“低副”？在平面机构中高副和低副一般各带入几个约束？3 机构具有确定运动的条件是什么？4 既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机械中为什么又常常存在虚约束？5 杆组具有什么特点？如何确定机构的级别？选择不同的原动件对机构的级别有无影响？6 图所示机构在组成上是否合理？指出其错误所在，并针对错误处更改局部运动副和构件，使之成为合理的机构。
7 计算图示平面机构的自由度，指出复合铰链、局部自由度和虚约束，在进行高副低代后，分析机构级别。
8 计算图所示机构的自由度，若有复合铰链、局部自由度或虚约束，应予以指出，并进行高副低代，确定该机构的级别。
9试计算图所示凸轮-连杆组合机构的自由度。
10 在图所示机构中，AB EF CD,试计算其自由度。
11试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
12试计算图所示齿轮-连杆组合机构的自由度。
13 试确定图所示机构的自由度；并将其中的高副换成低副，确定机构所含的杆组合机构的级别（当取凸轮为原动件时）。
14计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别15计算图示机构的自由度，并在高副低代后，分析组成这次机构的基本杆组及杆组的级别16根据图示机构，画出去掉了虚约束和局部自由度的等效机构运动简图，并计算机构的自由度。
设标有箭头者为原动件，试判断该机构的运动是否确定，为什么？17计算图示机构的自由度。
如有复合铰链、局部自由度、虚约束，请指明所在之处。
ADECHGF IBK12345678918计算图示各机构的自由度。
19计算图示各机构的自由度。
20 计算机构的自由度，并进行机构的结构分析，将其基本杆组拆分出来，指出各个基本杆组的级别以及机构的级别。
机构的结构分析
2
§2-2运动副及其分类
一、基本概念
1.运动副 （1）运动副定义:由两个构件组成的可动联接。 （2）运动副元素：两个构件上能够参加接触而构
成运动副的表面。
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3
（3）运动 副的自由度： 构成运动副 的两构件相 对运动独立 参数的数目。
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4
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5
（4）运动副约束：两个构件组成运动副后对独立 的相对运动的限制。
F=3n-（ 2pL+pH） =3*3-(2*4+0) =1 正确
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36
判断机构中虚约束的方法：
（1）在机构中，如 果用转动副联接的是 两构件运动轨迹相重 合的点，则该联接将 带入一个虚约束。
F=3n-（ 2pL +pH ） =3*3-（2*4+0） =1
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37
（2）在机构中，如 果两构件上某两点 的距离始终保持不 变，用双转动副杆 将此两点联接，则 该联接将带入一个 虚约束。
三、平面机构的结构分析 1.机构结构分析的内容
（1）拆分基本杆组 （2）确定机构级别
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53
2.机构结构分析的步骤
（1）除去虚约束和局部自由度，计算机构的自由度，并确 定原动件；
（2）从远离原动件的构件开始拆组。先试拆n=2的杆组 （Ⅱ级组），如不可能，再依次试拆n=4或n=6的杆组。当 分出一个杆组后，第二次仍须从最简单（n=2）的杆组开始 试拆，直到剩下机架和原动件为止。
44
（3）直线与曲线轮廓组成的高副
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45
（4）两接触轮廓之一为一点
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46
§2-7平面机构的组成原理、结构分类及结构分析
机械原理复习要点
机械原理复习要点第一章：绪论1.机械的分类：从机械原理学科研究的内涵而言，一般认为机械包含机器和机构两个部分。
2.机器的定义：能实现预期运动并完成特定作业任务的机构系统。
特征：(1)机器是一种人造实物组合体，而非自然形成的物体(2)组成机器的各活动部分之间具有确定的相对运动关系(3)机器能够实现不同能量之间的转换或是代替人类完成特定的作业3.机构的定义：能实现预期运动并实现力传递的人为实物组合体。
特征；(1)机构是一种人造实物组合体，而非自然形成的物体(2)组成机构的各活动部分之间具有确定的相对运动关系(3)机构能够把一种运动形式转换成另外一种运动形式或者实现力的传递。
第二章：机构的结构分析1.机构的组成：构件(构成一个独立运动单元的实物组合体)；运动副(两个构件直接接触而又能实现相对运动的可动连接)；运动链(若干个构件经运动副连接而成的构建系统)2.机构的组成规律：机构是由一个机架与一个或几个原动件，再加上若干个从动件组成而成。
机架：作为参考系的固定构件。
主动件：按预定给定运动规律独立运动的构件。
从动件：除主动件外的活动构件。
3.零件：不能够再分拆的单个实物体4.运动副元素：两构件直接接触的表面5.约束：对运动的限制称为约束。
分类：按运动副产生约束数目可以分为I 级副、II 级副、III 级副等；按接触方式分为低副和高副；按相对运动形式分为移动副和转动副以及空间运动副；按始终保持接触的方式分为几何形状封闭运动副、力封闭运动副等6.运动链分类：如果组成运动链的所有构件依次连接形成首尾封闭的系统则称之为闭式运动链，反之则为开式运动链。
7.机构运动简图：表明机构的组成、运动传递过程以及各构件相对运动特征的简单图形；机动示意图：只需表明机构的组成状况和结构特点而不需要严格按照比例尺绘制的简图。
8.机构自由度：机构维持确定运动所必需的的独立运动参数。
平面机构自由度计算公式：)2(3H L P P n F +⨯-⨯=；其中n:活动构件数,P L :低副约束数,P h :高副约束数；空间机构自由度计算公式：)2345(612345P P P P P n F +⨯+⨯+⨯+⨯-⨯=9.机构具有确定运动的条件：机构的自由度等于原动件的数目第三章：平面连杆机构分析与设计1.平面连杆机构：由若干构件通过低副(转动副、移动副、球面副、球销副、圆柱副及螺栓副等)连接而成，又称为低副机构。
机构的结构分析和综合
特别注意：此例存在虚约束的几何条件是：
AB＝CD＝EF
4 平面机构中的虚约束常出现 下列场合： 1、两构件在多处构成移动副，
且导路重合或平行。
2、两构件在多处构成转动副， 且轴线重合
3、法线始终重合的高副
注意：
法线不重合时， 变成实际约束！
2 高副低代的方法 找出构成高副的两轮廓曲线在接触点处的曲率中心，然后 用一个构件和位于两个曲率中心的两个转动副来代替该高副。
如图2-17所示，构件1和构件2分别为绕Ａ和Ｂ转动的两个圆 盘，两圆盘的圆心分别为O1、O2，半径为R1、R2，它们在C点构成 高副，当机构运动时，替代机构如图中虚线所示。图2-18所示机构 的替代机构也如该图中虚线所示。
• 2)拆杆组。要从远离原动件处开始拆，尽量拆成 二级组，拆后剩余部分还应是一个完整的机构。
• 3)确定机构的级别。
• 例2-5计算图2-16所示机构的自由度，并确定机构 的级别。
解：该机构无虚约束和局部自由度， F=3×5－2×7=1
该机构为II级机构。
必须强调指出： 1)杆组的各个外端副不可以同时加在
④计算图示包装机送纸机构的自由度。 分析： 复合铰链: 位置D ，2个低副 局部自由度 2个 虚约束 1处, 去掉后 n= 6，PL= 7，PH= 3
F=3n － 2PL－ PH =3×6 －2×7 －3 =1
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
▲
四、空间机构自由度简述
若n个活动构件中有P1个一级副；有P2个 二级副；有P3个三级副；有P4个四级副；有 P5个五级副，则可得空间机构的自由度公式：
联？以及怎样的结构才能保证具有确定的相对运动？