第2章 平面機構的結構分析

2.1 機構的組成

機器的重要特征是執行機械運動，工程中把機器中執行機械運動的裝置稱為機構。機器是由各種機構所組成的系統，如內燃機就包含曲柄滑塊機構、控制閥門啟閉的凸輪機構和齒輪機構等。

1．運動副

1）運動副的定義

機構是傳遞運動和動力的構件系統，由若干個構件通過一定連接方式組成，且各構件之間具有確定的相對運動。機構中兩構件之間直接接觸并能作一定相對運動的可動連接稱為運動副。圖2.1所示滑塊1與導軌2的連接、圖2.2所示軸1與軸承2的連接、圖2.3所示兩輪齒的嚙合、圖2.4所示凸輪1與從動件2接觸等均為運動副。兩構件上參與構成運動副的接觸表面稱為運動副元素，如圖2.1中的平面、圖2.2的圓柱面和圓柱孔面、圖2.3所示的齒廓曲面、圖2.4所示的凸輪曲面分別是它們的運動副元素。

2）運動副的分類

運動副的分類方法有許多，常見的分類方法有以下幾種。

（1）根據組成運動副兩構件間的相對運動空間形式分類

兩構件之間的相對運動為平面運動的稱為平面運動副。兩構件之間的相對運動為空間運動的稱為空間運動副。應用最多的是平面運動副，它有轉動副、移動副（統稱為低副）和平面高副三種形式。兩構件之間只作相對轉動的稱為轉動副。兩構件之間只作相對移動的稱為移動副。

（2）根據運動副所引入的約束數分類

構件所具有的獨立運動的數目稱為構件的自由度。兩個構件構成運動副后，構件的某些獨立運動受到限制，這種限制稱為約束，即運動副對構件的獨立運動所加的限制。運動副每引入一個約束，構件就失去一個自由度。引入1個約束的運動副稱為Ⅰ級副，引入2個約束的運動副稱為Ⅱ級副，引入3個約束的運動副稱為Ⅲ級副，引入4個約束的運動副稱為Ⅳ級副，引入5個約束的運動副稱為Ⅴ級副，如表2.1所示。

（3）根據構成運動副的兩構件的接觸情況分類

在平面運動副中，面接觸的運動副稱為低副；點接觸或線接觸的運動副稱為高副。

①低副

根據兩構件間的相對運動形式，低副又分為移動副和轉動副這兩類。若兩構件間的相對運動為直線運動，稱為移動副，如圖2.1所示；若兩構件間的相對運動為轉動，稱為轉動副，如圖2.2所示。低副接觸處的壓強小，承載能力大，耐磨損，壽命長，且因其形狀簡單，容易制造。

②高副

如圖2.3所示，兩齒輪輪齒嚙合處構成齒輪高副。如圖2.4所示，凸輪1與尖頂推桿從動件2構成凸輪高副。高副接觸處壓強大，易磨損，壽命短，形狀復雜，制造難。

2．運動鏈

若干個構件通過運動副連接組成的構件系統稱為運動鏈。如果運動鏈中的各構件構成首末封閉的系統，則稱為閉式鏈，如圖2.5（a）、（b）所示，否則稱為開式鏈，如圖2.5（c）、（d）、（e）所示。在一般機械中，大多采用閉式鏈，開式鏈多用在機器人等機械中。

根據運動鏈中各構件的相對運動是平面運動還是空間運動，運動鏈分為平面運動鏈和空間運動鏈等兩類。

3．機構

將閉式運動鏈中的一個構件固定為參考系，并使構件間具有確定的相對運動，則這種運動鏈就成為機構。機構中作參考系的構件稱為機架，機架相對地面可以是固定的，也可以是運動的（如在汽車、飛機等中的機構）。機構中按給定的已知運動規律獨立運動的構件稱為主動件（原動件），其余隨主動件運動的構件稱為從動件。如果組成機構的各構件的相對運動在同一平面內或在相互平行的平面內，則稱為平面機構；如果組成機構的各構件的相對運動不在同一平面內或不在相互平行的平面內，則稱為空間機構。