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本课件讲解机构的结构分析与综合，从构件、运动副等组成要素出发，说明机构运动简图的绘制步骤，并系统给出平面机构自由度计算公式、复合铰链、局部自由度与虚约束的处理方法。
第二章 机构的结构分析和综合封面
1第二章机构的结构分析和综合
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§2-1结构分析和综合的基本内容
2§2-1结构分析和综合的基本内容2机械系统总体运动方案设计1设计机构机构的运动设计机构的动力设计机械原理课程对机械的研究主要有以下两个方面：一、对已有机械进行分析1机械的结构分析2机械的运动分析3机械的动力分析二、设计新的机械机构的选型。
本章主要研究内容：结构分析
本章主要研究内容:3机构的结构分析与综合主要包括:１、研究组成机构的要素及机构运动简图的绘制;2、研究机构的自由度及机构具有确定运动的条件3、研究机构的组成原理４、研究平面机构类型综合方法2。
§2-2机构的组成及其运动简图的绘制4一、机构的组成要素机构是由构件和运动副两个部分组成的１、构件作为一个整体参与机构运动的刚性单元体称为构件一个构件，可以是不能拆开的单一整体，也可能是由若干个不同零件组装起来的刚性体。
零件→制造的单元构件→运动的单元零件→构件→机构→机器机器、机构统称为机械轴齿轮键
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２、运动副由两个构件直接接触而产生一定相对运动的联接称为运动副。两构件上参与接触构成运动副的部分称为运动副元素。（１）运动副是一种联接；（２）运动副由两个构件组成；（３）组成运动副的两个构件之间有相对运动7
可以说：运动副
可以说：机构是由运动副逐一联接各个构件组成的。
8二、运动副的分类组成机构的运动副的类型决定机构的运动形式。
运动副有多种类型，对运动副进行正确的分类，在机构设计和综合中是非常重要的。
１、根据运动副所引入的约束数分类。
运动副与自由度
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表2-1常用运动副及其简图自由度副级简图符号图形名称自由度副级简图符号图形名称2IV圆柱套筒副5I球面高副1V转动副4II柱面高副1V移动副3III球面低副1V螺旋副2IV球销副9
说明：本页表格因源文件文字粘连未能还原为表格结构，数据按原文顺序呈现，未作任何数值改动。
运动副高副
２、根据组成运动副的两个运动副元素的接触情况分类球面高副柱面高副10运动副元素以点或线接触的运动副称为高副。
运动副元素以面接触的运动副称为低副。球面低副11移动副转动副
运动副与螺旋副
12３、根据组成运动副的两个构件的相对运动形式分类空间运动副球销副螺旋副圆柱套筒副。
平面运动副13移动副转动副
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三、运动链与机构运动链14机构
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四、机构运动简图的绘制15为了便于研究机构的运动，可以撇开构件、运动副的外形和具体构造，而只用简单的线条和符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副位置，表示机构的组成和传动情况。这样绘制出能够准确表达机构运动特性的简明图形就称为机构运动简图。只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，也可以不按比例来绘制运动简图，通常把这样的简图称为机构示意图。
表2-2常用机构构件
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表2-2常用机构构件、运动副代表符号16
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机构运动简图与原动件
绘制机构运动简图的步骤171.在绘制机构运动简图时，首先确定机构的原动件和执行件，两者之间为传动部份，由此确定出组成机构的所有构件，然后确定构件间运动副的类型。
2.为将机构运动简图表示清楚，恰当地选择投影面。
一般选择与多数构件的运动平面相平行的面为投影面，必要时也可以就机械的不同部分选择两个或两个以上的投影面，然后展开到同一平面上。
总之，绘制机构运动简图要以正确、简单、清晰为原则。
3.选择适当的比例尺，根据机构的运动尺寸定出各运动副之间的相对位置，然后用规定的符号画出各类运动副，并将同一构件上的运动副符号用简单线条连接起来，这样便可绘制出机构的运动简图。
绘制如图所示牛头刨床机构的运动简图
§2-319机构自由度的计算一、平面机构
§2-319机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算公式对于具有n个活动构件的平面机构，若各构件之间共构成了PL个低副和PH个高副，则它们共引入(2PL+PH)个约束。
机构的自由度F显然应为:F=3n－(2PL+PH)=3n－2PL－PH二、机构自由度的意义及具有确定运动的条件所谓机构的自由度，实质上就是机构具有确定位置时所必须给定的独立运动参数数目。
机构的自由度数也就是机构应当具有的原动件数目。
§2-3机构自由度的计算
OxySASA自由度20一个作平面运动的自由构件具有几个自由度:三个§2-3机构自由度的计算。
一、平面机构自由度计算
一、平面机构自由度计算公式运动副低副移动副1、运动副和约束转动副约束两个移动自由度约束一个移动及转动自由度每个低副引入两个约束，失去两个自由度。
高副只约束沿接触处法线方向移动自由度每个高副引入1个约束，失去1个自由度。
自由度与运动副
2、自由度计算公式22（设K为机构中构件总数，PL个低副，PH个高副）机构自由度F为:F=3n—2PL—PH未加运动副之前活动构件数n为:n=K—1加运动副之后自由度总数为:3n。
自由度示意图
n=3PL=4=3n–2PL–PH=3×3–2×4=123PL=n=45F=3×4–2×5=2
上式给出本页各参数之间的计算关系，代入已知条件即可求得对应的机构参数，各符号含义可对照原课件图示确认。
原动件与自由度
F34–25–02原动件数<机构自由度数，机构运动不确定（任意乱动）1245AEBDφ1φ43、机构具有确定运动的条件机构的原动件的独立运动是由外界给定的。
若给出的原动件数不等于机构的自由度，则将产生如下影响：C324。
原动件数>机构自由度数
原动件数>机构自由度数，将杆2拉断。
1234ABCDF3X3–2X4–0125。
原动件自由度
F34–26–00机构自由度等于零时，各构件间不可能产生相对运动。
12345机构具有确定运动的条件是：26。
机构具有确定运动的条件
三、计算机构自由度时应注意的事项图2-8图2-928例1.复合铰链由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件汇集而成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。
29图2-10(a)图2-10(b)2.局部自由度对整个机构运动无关的自由度，称为局部自由度。在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。
局部自由度虚约束
虚约束与移动副
31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图2-10。
２）当两构件构成多个转动副
•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32图2-12。
转动副与虚约束
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。
图2-1333带虚约束的杆机构。
虚约束与行星轮系
４）机构中对运动起重复限制作用的对称部分也往往会引入虚约束。
带虚约束的行星轮系34图2-14。
§2-4平面机构的组成原理和结构分析
§2-4平面机构的组成原理和结构分析一、平面机构的组成原理机构都是由机架、原动件和从动件组构成的。
如：机构原动件从动件组机架35。
原动件与从动件
当把该机构的机架和原动件拆去后，则余下了从动件组为：这个从动件组的自由度为零，即：64,PLn02634–2PL3n–F这个从动件组还可以分解成若干个更简单的、自由度等于零的从动件组。
本页以机构图形为主，源文件仅提取到少量字符「分解37」，未形成完整文字说明。建议对照原课件图片补充本页要点。
这样的从动件组已经不能进一步分解成更简单、自由度为零的从动件组。通常把这样的从动件组称为：基本杆组38
基本杆组与原动件
基本杆组的概念基本杆组对具有确定相对运动的低副机构（原动件数=自由度数），将原动件和机架拆下，剩余的从动件系统就是一个自由度为零的运动链。
若将其进一步拆为不可再拆的自由度为零的运动链，即得到基本杆组。
简称“杆组”F=3X5-2X7=1F=3X4-2X6=0AODCBEF⇒AB+DCEFF=3X2-2X3=0。
组成原理与基本杆组
40机构的组成原理任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上所组成的。
如果基本杆组的运动副全为低副，则基本杆组自由度的计算公式为：F3n–2PL0L32nP由于活动构件数n和低副数PL都必须是整数，所以n应是２的倍数，PL应是３的倍数。
在一个基本杆组中，其构件数和低副数有以下关系：n=2,PL=3n=4,PL=6n=6,PL=9。
基本杆组
基本杆组的类型F=3n–2Pl=0由杆组的定义：3n=2PlⅡ级组Ⅲ级组Ⅳ级组名称构件数、低副数杆组的基本型n=2。
Pl=3n=4。
Pl=6n=4。
Pl=6杆组的级别按其中所含最大封闭形边数确定。
概念：杆组的外接副、内接副。
外接副内接副。
基本杆组（2）
最简单的平面基本杆组是由两个构件三个低副组成的杆组，称之为Ⅱ级杆组。
Ⅱ级杆组是机构中最常见的一类基本杆组Ⅱ级杆组有以下五种形式：（１）RRR杆组（２）RRP杆组42。
（３）RPR杆组（４）PRP杆组
（３）RPR杆组（４）PRP杆组43。
基本杆组（3）
44（５）RPP杆组除Ⅱ级杆组外，还有Ⅲ、Ⅳ级等较高级的基本杆组。
这是Ⅲ级杆组——由４个构件６个低副组成，具有一个３副构件，而每个内副所连接的分支是双副构件。
这是Ⅳ级杆组
45这是Ⅳ级杆组——由４个构件６个低副组成，有４个内副。
转动副与移动副
杆组的演化杆组的演化途径转动副变移动副杆长的变化n=2。
PL=3Ⅱ级组的基本型ACB12。
转动副与移动副（2）
杆组的演化杆组的演化途径转动副变移动副杆长的变化Ⅲ级组的基本型n=4。
Pl=6CBA1234DEF。
二、平面机构的组成原理1、基本机构
二、平面机构的组成原理1、基本机构（原动件+机架）2、机构的组成（基本机构+杆组）按机构实际所需的自由度和原动件类型选择基本机构。
选择基本杆组搭接新机构。
（自由度数始终等于原动件数）要领杆组的外接副参与搭接，但必须搭在运动已确定处。
二、平面机构的组成原理1、基本机构（2）
二、平面机构的组成原理1、基本机构（原动件+机架）2、机构的组成（基本机构+杆组）3、平面机构的级别机构的级别按其中所含杆组的最高级别确定。
三、平面机构的结构分析机构的结构分析是机构组成的逆过程，也可称为机构的拆杆组。步骤及注意事项1。除去机构中的虚约束和局部自由度。计算自由度，明确原动件。2。拆杆组。一般是从远离原动件处开始拆，应首先试拆Ⅱ级组，若不成再试拆高一级杆组。重复进行直至原动件。56834123456789F=3X8-2X11=27
三、平面机构的结构分析机构的结构分析是机构组成的逆过程，也可称为机构的拆杆组。步骤及注意事项1。除去机构中的虚约束和局部自由度。计算自由度，明确原动件。2。拆杆组。一般是从远离原动件处开始拆，应首先试拆Ⅱ级组，若不成再试拆高一级杆组。重复进行直至原动件。123456789F=3X8-2X11=23。注意：1拆解杆组前后。自由度不应发生变化。剩余部分还应是机构。2复合铰链应按复合的次数拆多次。3原动
三、平面机构的结构分析例题：分别以2、6
三、平面机构的结构分析例题：分别以2、6构件为原动件，分析图示机构的组成。
356F=35-27=14若以构件2为原动件34562Ⅱ级机构121。
三、平面机构的结构分析例题：分别以（2）
三、平面机构的结构分析例题：分别以2、6构件为原动件，分析图示机构的组成。
356F=35-27=14若以构件6为原动件34516Ⅲ级机构221。
自由度与牛头刨床
54机构自由度计算举例例1图示牛头刨床设计方案草图。
设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动，已达到刨削加工目的。
试问图示的构件组合是否能达到此目的？如果不能，该如何修改？1234图1。
解：自由度
解：首先计算设计方案草图的自由度55F3n–2PL–PH34–260即表示如果按此方案设计机构，机构是不能运动的。
必须修改，以达到设计目的。
改进措施：1、增加一个低副和一个活动构件。
2、用一个高副代替低副。
图1-1 改进方案
图1-156图1-2。
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图1-3 改进方案
图1-357图1-4。
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图1-5 改进方案
图1-558图1-6。
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图1-7 改进方案
图1-759图1-8。
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例2如图2所示：自由度
例2如图2所示，已知：DE=FG=HI，且相互平行。
DF=EG，且相互平行。
DH=EI，且相互平行。
计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束A60DECHFIK请标出）。
B1234567G89图2。
局部自由度与复合铰链
ADECHFIBK1234567G89局部自由度复合铰链虚约束n8;PL11;PH1F3n–2PL–PH38–211–11图2-161
上式给出本页各参数之间的计算关系，代入已知条件即可求得对应的机构参数，各符号含义可对照原课件图示确认。
自由度与复合铰链
例3计算图3所示机构的自由度(若存在局7AC12B3部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。
D62EFHI456G图3。
局部自由度与虚约束
局部自由度虚约束7AC12B3DEFHI456Gn6;PL8;PH1F3n–2PL–PH36–28–1163
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自由度与局部
例4如图4所示,已知HG=IJ,且相互平行。
GL=JK，且相互平行。
计算此机构的自由度(若存在局部自由度、复合铰链、虚约束请标出）。
C21AB64EDF34567810GHIJ911KL图4。
局部自由度与复合铰链（2）
n8;PL11;PH1F3n–2PL–PH38–211–11C21AB67891011GHIJKLEDF345局部自由度复合铰链虚约束65
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计算机构自由度
66计算图示机构自由度。124567910F=3n–2PL–PH=3×9–2×12–2=1②③3④⑤⑥⑦⑧8⑩⑫①②
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计算机构自由度（2）
67计算图示机构自由度。1345678②④⑤⑥⑦⑧⑩①2F=3n–2PL–PH=3×8–2×11–1=1①⑨9⑪
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