(新)机械设计基础自由度的计算
机械设计基础自由度的计算
机械设计基础自由度的计算在机械设计的领域中，自由度的计算是一项至关重要的基础工作。
它就像是解开机械运动谜题的关键钥匙，能够帮助我们准确理解和预测机械部件的运动可能性与限制。
首先，让我们来搞清楚什么是自由度。
简单来说，自由度就是一个物体在空间中能够自由运动的独立方式的数量。
比如，一个在平面上自由运动的点，它可以沿着 x 轴和 y 轴方向移动，所以它有两个自由度。
而一个在三维空间中自由运动的点，则有三个自由度，分别是沿着 x、y、z 轴的移动。
那么在机械系统中，自由度又是如何计算的呢？这就需要引入一些基本的概念和公式。
我们通常使用的自由度计算公式是：F ＝ 3n 2PL PH 。
这里的 F 代表自由度，n 表示活动构件的数量，PL 表示低副的数量，PH 表示高副的数量。
低副是指两个构件之间通过面接触形成的运动副，比如转动副和移动副。
转动副限制了两个构件之间沿轴线方向的移动和绕其他轴的转动，只允许绕着轴线的相对转动，所以每个转动副提供一个约束，减少两个自由度。
移动副则限制了两个构件之间绕轴线的转动和沿其他方向的移动，只允许沿一个方向的相对移动，同样提供一个约束，减少两个自由度。
高副是指两个构件之间通过点或线接触形成的运动副，比如齿轮副和凸轮副。
高副提供一个约束，减少一个自由度。
为了更好地理解自由度的计算，让我们来看几个具体的例子。
假设我们有一个简单的平面机构，由两个杆件通过一个转动副连接在一起，并且其中一个杆件的一端固定在平面上。
在这个例子中，活动构件的数量 n 为 1（因为有一个杆件可以活动），低副的数量 PL 为1（转动副），高副的数量 PH 为 0。
将这些值代入公式 F ＝ 3n 2PLPH ，可得自由度 F ＝ 3×1 2×1 0 ＝ 1。
这意味着这个机构只有一个自由度，也就是绕着转动副的转动。
再来看一个稍微复杂一点的例子，一个平面四杆机构。
它由四个杆件通过四个转动副连接而成。
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》第五版自由度
F =3n－2pl－ph = 3 2－2 2－1 =1
C A
F =3n－2pl－ph = 3 3－2 4－ 0 = 1
F =3n－2pl－ph = 3 4－2 5－ 1 = 1
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
2 机构具有确定运动的条件
如图所示的平面三构件运动链，其自由度
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
本章要解决问题 构件组合具有确定相对运动的条件是什么? 怎样绘制机构运动简图、机构自由度的计算。 何谓速度瞬心？速度瞬心有哪些用途？ 基本要求 自由度、运动副、瞬心、复合铰链、局部自由度、 虚约束； 能正确计算平面机构的自由度； 能绘制简单机械的机构运动简图；能正确判定瞬心。 重点
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
平面副
y y x
n n
o
x
o
t
t
t n
低副：转动副、移动副 (面接触)
高副：齿轮副、凸轮副(点、 线接触)
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
空间副
了解
高副：点、线接触
球面副
螺旋副
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
三、运动链和机构
接触形式: 点、线、面
y
o
x
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
运动副分类
按接触形式分类
按相对运动分类
机械设计基础 —第1章平面机构的自由度和速度分析
按接触形式分类：
接触形式: 点、线、面 低副：面接触 高副：点、线接触
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》课件 第1章 平面机构的自由度和速度分析
13
§1-2 平面机构运动简图
机构示意图 —— 不按比例绘制
三、机构运动简图的作用
是机构分析和设计的工具
四、机构中构件的分类
分为三类：
1）固定构件（机架）：用来支承活动构件的构件。在研究机构
中活动构件的运动时，常以固定构件作为参考坐标系；
2）原动件（主动件）：运动规律已知（外界输入）的构件；
61
3. 直动从动件凸轮机构
求构件2的速度？
62
课后作业：
5、7、9、11、13、15
63
1
1
1
2）移动副
17
§1-2 平面机构运动简图
3）高副：应画出接触处的曲线轮廓
18
§1-2 平面机构运动简图
六、机构运动简图中构件的表示方法
轴、杆
机架
永久连接
固定连接，如轴和齿轮
19
§1-2 平面机构运动简图
参与组成两转动副的构件
一个转动副+一个移动副的构件
参与组成三个转动副的构件
20
§1-2 平面机构运动简图
4
3
2
2
1
4
32
§1-3 平面机构的自由度★
平面机构自由度：
所有活动构件相对于机架所能具有的独立运动数目之和。
作用：
讨论机构具有确定运动的条件。
C
C
D
B
A
B
D
A
E
F
33
§1-3 平面机构的自由度★
一、平面机构自由度计算公式
1. 每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度
34
2. 每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度
机械设计基础自由度
1/50
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
机械基础教研室
孙雅萍
CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
School of Mechatronics Engineering
23/50
机械基础教研室
孙雅萍
CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
School of Mechatronics Engineering
24/50
机械基础教研室
孙雅萍
CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
F 5
E
F=3n－2PL－PH
=3*6-2*8-1
=1
PH=1
系统有一个原动 件时机构具有确 定的相对运动
机械基础教研室
孙雅萍
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16/50
机械基础教研室
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n=7, PL=10, PH=0 F=3n－2PL－PH =3*7-2*10-0 =1
机械基础教研室
n=6, PL=8, PH=1 F=3n－2PL－PH =3*6-2*8-1 =1
最全《机械设计基础》答案完整版.doc
《机械设计基础》作业答案第一章平面机构的自由度和速度分析1 —1自由度为：F =3n _(2P L +P H _P') _F' =3 7 -(2 9 1-0) -1二21-19 -1=1或：F =3n -2P L -P H=3 6 -2 8 -1-11-6自由度为F =3n _(2P L P H _P') _F' =3 9-(2 12 1 -0) -1 =1或：F =3n -2P L - F H=3 8-2 11-1=24-22 -1=11 —10自由度为：F =3n _(2P L +P H _P') _F' =3 10-(2 14 12 -2) -1 = 30 -28 -1=1或：F =3n-2P L - P H=3 9-2 12-1 2=27-24 -2=11 — 11F =3n -2P L -P H=3 4 -2 4 -2=21 — 13:求出题1-13图导杆机构的全部瞬心和构件R4 p 3 P34 R3 1、3的角速度比。
1 - 14：求出题1-14图正切机构的全部瞬心。
设 •= =10rad/s ，求构件3的速度v 3 。
v 3 =v P13 =叫 P 14P 3 =10^200 = 2000mm/s1- 15:题1-15图所示为摩擦行星传动机构，设行星轮2与构件1、4保持纯滚动接触，试用瞬心法求轮1与轮2的角速度比「1/「2。
构件1、2的瞬心为P 12P 24、P 14分别为构件2与构件1相对于机架的绝对瞬心⑷ 1 沃 P 14p 2 =切2 “ !~24 P 12 4-13 P3PP1 3创|P 24p 2| 2r 2 ⑷ 2 IR 4P 12I r i=10 AC tan BCA 916.565mm/s :2.9rad / s转中心的距离l AC =15mm , I AB = 90mm ,^10rad /s ，求『-00和『-1800时，从动件角速度-'2的数值和方向。
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
机械设计基础第一章机构自由度计算剖析
机械设计基础第一章机构自由度计算剖析机构是由零部件、连接件和机构件组成的。
在机械工程中，机构的自由度是指机构中可以独立变动的数量。
计算机构的自由度是机械设计的基础，对于机构设计有着重要的意义。
机构自由度的计算有多种方法，包括几何法、运动学法和力学法等。
其中，几何法是比较直观和简便的一种方法，适用于简单的机构。
几何法是通过分析机构的结构，计算机构中的关节点数量来确定机构的自由度。
关节点是指机构中连接零部件和连接部件的点。
计算机构的自由度时，首先要确定关节点的数量。
在机械设计中，关节点有两种类型：约束点和连接点。
约束点是指机构中没有自由度的点，包括固定点和约束点。
固定点是指机构中固定不动的点，通常用于固定机构的位置。
约束点是指机构中只能在一些方向上运动的点，不能自由移动。
连接点是指机构中可以自由移动的点，可以沿着一些方向或在一些平面内自由移动。
连接点是机构的自由度。
根据关节点的数量可以确定机构的自由度。
根据托马斯原理，一个静态平面机构的自由度等于机构中所有运动的理论连线数目减去机构中的支点数目。
运动的理论连线是指机构中可以自由移动的点的运动轨迹在空间中的连线。
根据以上原理，可以通过几何法计算机构的自由度。
首先，要确定机构中的关节点的数量，包括约束点和连接点。
然后，计算机构中所有运动的理论连线数目。
最后，将运动的理论连线数目减去机构中的支点数目，即可得到机构的自由度。
除了几何法，还可以使用运动学法和力学法计算机构的自由度。
运动学法是通过分析机构的运动学性质，计算机构的不可约自由度。
力学法是通过分析机构的力学行为，确定机构的不可约自由度。
这两种方法比几何法更复杂和繁琐，通常用于复杂的机构设计。
机构的自由度计算是机械设计中非常重要的一部分，对于机构设计的合理性和可行性有着重要的影响。
通过几何法或其他计算方法，可以准确地确定机构的自由度，为后续的机构设计和分析提供基础。
机构自由度的计算对于机械工程师而言是必备的基础知识，对于机械设计和分析都有着重要的意义。
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相关知识讲解（90min）
相关知识讲解出示凸轮机构
和曲柄机构模
型
一、自由度
1、一个物体的独立运动的数目。
2、一个物体不受任何限制时独立运动数为3个
α
包括沿X、Y方向的移动，以及绕轴线O的转动
二、约束
1、定义
对物体运动的限制
2、运动副引入
一个高副限制物体一个方向的运动，减少一个自由度
一个低副限制物体两个方向的运动，减少两个自由度
三、自由度计算
1、公式
F=3n-2P L-P H
n: 活动构件个数P L ：低副数P H ：高副数
2、注意问题
①复合铰链
两个以上的构件共用同一轴线所构成的转动副
K个构件形成复合铰链，形成k-1个转动副
②局部自由度
机构中不影响机构输入与输出运动关系的个别构件的独
立运动自由度
分析一
个物体
在一个
平面上
独立运
动数目
分析高
副、低
副对物
体运动
的限制
类型
理解
局部
复合铰链
（90min）
相关知识讲解（90min）出示滚子从动
件凸轮机构模
型
图片展示
处理方法：解除局部自由度，再进行计算
③虚约束
定义：对运动不起独立限制作用的约束
常见虚约束：
a 轨迹重合的虚约束
当D为BC中点时，构件AD对BC的限制的虚约束
b 如果两构件上两点之间的距离始终保持不变，将此两点
用构件和运动副连接，则会带来虚约束
c 如果两个构件组成多个移动方向一致的移动副或两个
构件组成多个轴线重合的转动副时，只需考虑其中一处的
约束，其余为虚约束
d 机构中对运动不起作用的对称部分
四、机构具有确定运动的条件
主动件数等于机构自由度数
自由
度
虚约束1
虚约束2。