第2章 平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 機(jī)構(gòu)的組成

機(jī)器的重要特征是執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)，工程中把機(jī)器中執(zhí)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)器是由各種機(jī)構(gòu)所組成的系統(tǒng)，如內(nèi)燃機(jī)就包含曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、控制閥門啟閉的凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)等。

1．運(yùn)動(dòng)副

1）運(yùn)動(dòng)副的定義

機(jī)構(gòu)是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的構(gòu)件系統(tǒng)，由若干個(gè)構(gòu)件通過一定連接方式組成，且各構(gòu)件之間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件之間直接接觸并能作一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)連接稱為運(yùn)動(dòng)副。圖2.1所示滑塊1與導(dǎo)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(dòng)件2接觸等均為運(yùn)動(dòng)副。兩構(gòu)件上參與構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的接觸表面稱為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)副元素。

2）運(yùn)動(dòng)副的分類

運(yùn)動(dòng)副的分類方法有許多，常見的分類方法有以下幾種。

（1）根據(jù)組成運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)空間形式分類

兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)的稱為平面運(yùn)動(dòng)副。兩構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)的稱為空間運(yùn)動(dòng)副。應(yīng)用最多的是平面運(yùn)動(dòng)副，它有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副（統(tǒng)稱為低副）和平面高副三種形式。兩構(gòu)件之間只作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩構(gòu)件之間只作相對(duì)移動(dòng)的稱為移動(dòng)副。

（2）根據(jù)運(yùn)動(dòng)副所引入的約束數(shù)分類

構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為構(gòu)件的自由度。兩個(gè)構(gòu)件構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副后，構(gòu)件的某些獨(dú)立運(yùn)動(dòng)受到限制，這種限制稱為約束，即運(yùn)動(dòng)副對(duì)構(gòu)件的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)所加的限制。運(yùn)動(dòng)副每引入一個(gè)約束，構(gòu)件就失去一個(gè)自由度。引入1個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅰ級(jí)副，引入2個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅱ級(jí)副，引入3個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅲ級(jí)副，引入4個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅳ級(jí)副，引入5個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副稱為Ⅴ級(jí)副，如表2.1所示。

（3）根據(jù)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的兩構(gòu)件的接觸情況分類

在平面運(yùn)動(dòng)副中，面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副；點(diǎn)接觸或線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。

①低副

根據(jù)兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，低副又分為移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副這兩類。若兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，稱為移動(dòng)副，如圖2.1所示；若兩構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為轉(zhuǎn)動(dòng)副，如圖2.2所示。低副接觸處的壓強(qiáng)小，承載能力大，耐磨損，壽命長(zhǎng)，且因其形狀簡(jiǎn)單，容易制造。

②高副

如圖2.3所示，兩齒輪輪齒嚙合處構(gòu)成齒輪高副。如圖2.4所示，凸輪1與尖頂推桿從動(dòng)件2構(gòu)成凸輪高副。高副接觸處壓強(qiáng)大，易磨損，壽命短，形狀復(fù)雜，制造難。

2．運(yùn)動(dòng)鏈

若干個(gè)構(gòu)件通過運(yùn)動(dòng)副連接組成的構(gòu)件系統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)鏈。如果運(yùn)動(dòng)鏈中的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉的系統(tǒng)，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(jī)械中，大多采用閉式鏈，開式鏈多用在機(jī)器人等機(jī)械中。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)鏈中各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)鏈分為平面運(yùn)動(dòng)鏈和空間運(yùn)動(dòng)鏈等兩類。

3．機(jī)構(gòu)

將閉式運(yùn)動(dòng)鏈中的一個(gè)構(gòu)件固定為參考系，并使構(gòu)件間具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則這種運(yùn)動(dòng)鏈就成為機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中作參考系的構(gòu)件稱為機(jī)架，機(jī)架相對(duì)地面可以是固定的，也可以是運(yùn)動(dòng)的（如在汽車、飛機(jī)等中的機(jī)構(gòu)）。機(jī)構(gòu)中按給定的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為主動(dòng)件（原動(dòng)件），其余隨主動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件稱為從動(dòng)件。如果組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在同一平面內(nèi)或在相互平行的平面內(nèi)，則稱為平面機(jī)構(gòu)；如果組成機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不在同一平面內(nèi)或不在相互平行的平面內(nèi)，則稱為空間機(jī)構(gòu)。