第3章 机构结构的分析与设计
§3.1 本章例题
例3-1 绘制图3-1所示液压泵机构的机构运动简图。
解：该机构由机架1、原动件2和从动件3、4组成，共4个构件，属于平面四杆机构。 机构中构件1、2，构件2、3，构件4、1之间的相对运动为转动，即两构件间形成转动副，转动副中心分别位于A、B、C点处；构件3、4之间的相对运动为移动，即两构件间形成移动副，移动副导路方向与构件3的中心线平行。构件1的运动尺寸为A、C两点间距离，构件2的运动尺寸为A、B两点之间的距离，构件3从B点出发，沿移动副导路方向与构件4在C点形成移动副，构件4同时又在C点与构件1形成转动副。
选择与各构件运动平面平行的平面作为绘制机构运动简图的视图平面。
选择比例尺?l=0.001m/mm，分别量出各构件的运动尺寸，绘出机构运动简图，并标明原动件及其转动方向，如图3-1所示。
例3-2 绘制图3-2所示偏心泵的机构运动简图，写出机构的关联矩阵和邻接矩阵。
解：图示机构中已标明原动件，构件6为机架，其余构件为从动件。需要注意的是，在区分构件时应正确判断图中各构件都包括哪些部分，例如：构件3就包括两部分，如图所示。
该机构中构件1与机架以转动副连接，转动副中心位于固定轴的几何中心A点处；构件2除与构件1形成回转中心位于C点的转动副外，又与构件3形成移动副，移动副导路沿BC方向；构件3也绕固定轴上一点B转动，即构件3与机架形成的转动副位于B点，同时构件3与构件2形成移动副，又与构件4形成中心位于D点的转动副；构件4与构件5形
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成中心位于E点的转动副；构件5与机架6形成沿垂直方向的移动副。
该机构属于平面机构，因此选择与各构件运动平面平行的平面作为绘制机构运动简图的视图平面。
选择比例尺?l=0.001m/mm，量出各构件的运动尺寸，绘出机构运动简图，并标明原动件及其转动方向，如图3-2所示。
例3-3 计算图3-3所示压榨机机构的自由度。
解：机构为平面机构。
机构中构件1为偏心轮，构件2绕构件1的几何中心发生相对转动，即形成中心位于偏心轮几何中心的转动副，因此偏心轮相当于一个有两个转动副的构件，一个转动副是在点A与机架11形成的，另外一个是在偏心轮几何中心处与构件2形成的。
该机构中存在结构对称部分，构件8、9、10 和构件4、5、6。如果去掉一个对称部分，机构仍能够正常工作，所以可以将构件8、9、10以及其上的转动副G、H、I和C处的一个转动副视为虚约束；构件7与构件11在左右两边同时形成导路平行的移动
图3-3 压榨机机构
副，只有其中一个起作用，另一个是虚约束；构件4、5、6在D点处形成复合铰链。机构中没有局部自由度和高副。
去掉机构中的虚约束，则机构中活动构件数为n?7，机构中低副数Pl?10，得
F?3n?2Pl?Ph?3?7?2?10?1
例3-4 计算图3-4所示自动驾驶仪操纵机构的自由度。
解：自动驾驶仪操纵机构为空间机构，机构中
共有3个活动构件，其中构件1、2之间形成圆柱副，属Ⅳ级副；构件2、3形成转动副，属Ⅴ级副；构件3、4形成球面副，属Ⅲ级副；构件4、1形成转动副，属Ⅴ级副。
图3-4 自动驾驶仪操纵机构
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则机构自由度为:
F?6?3?5?2?4?1?3?1?1
例3-5 确定图3-5所示机构当构件８为原动件时机构的级别。
解：确定机构的级别关键是要拆出机构中所含的基本杆组。当构件８为原动件时，拆基本杆组首先应当从最远离原动件的构件1拆起，可以拆出Ⅱ级基本杆组ABC，然后，又依次可以拆出Ⅱ级基本杆组DEF和GHI。如下图示。所以该机构为Ⅱ级机构。
FCBADGEJ图3-5
HI§3.2 本章课后习题解答
3-1 说出机构运动简图与机械零件的零件图、装配图和机构示意图之间在表达主要内容上的区别，各种图一般应当在机械系统设计的哪个阶段完成？
解：机构运动简图反映影响机构运动的因素，包括机构的原动件、运动副类型以及各个运动副相对位置的机构运动尺寸等，并且机构运动简图中各构件不一定反映原件的真实形状；机构运动简图必须要按一定比例绘制，否则只能称之为机构示意图。
零件图表达零件的形状、大小以及制造和检验零件的技术要求；装配图表达机械中所属各零件与部件间的装配关系和工作原理。
在一般的机械系统设计过程中，在确定了机械的运动方案之后，便可以画出机构的示意图，然后根据机构的运动要求确定机构的几何尺寸，在此基础上才能画出机构运动简图。再根据运动简图以及实际情况确定各个构件的形状等，即设计零件图，然后将各个零件装配在一起，进而得到装配图。
3-2 分析题3-2图所示的偏心泵的工作原理，画出机构的运动简图（图示比例0.002m/mm），写出机构的关联矩阵和邻接矩阵。
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题3-2图
解：该机构由机架4、原动件1和从动件2、3组成，共4个构件，属于平面四杆机构。 机构中构件1、4，构件1、2，构件3、4之间的相对运动为转动，即两构件间形成转动副，转动副中心分别位于A、B、C点处；构件2、3之间的相对运动为移动，即两构件间形成移动副，移动副导路方向与构件2的中心线平行。
原动件1相对机架4转动，带动从动件2转动的同时，从动件2相对从动件3发生移动。从动件2转动的同时也带动了从动件3相对机架的转动。因此，偏心轮1的转动进而使液压油完成从右边进口处进入并流向左边出口处的整个过程。
选择比例尺?l=0.002m/mm，分别量出各构件的运动尺寸，绘出机构运动简图，并标明原动件及其转动方向，如题图3-2所示。
其机构示意图和机构拓扑图如上图所示。
其关联矩阵为： 邻接矩阵为：
e1e2v1LM?v2v3v410011100e30110e40v10； AM?v21v31v4v1v201011010v30101v41010
3-3 题3-3图为外科手术用剪刀。其中弹簧的作用是保持剪刀口张开，并且便于医生单手操
41213e1v1e4v2e2e3v4v3题3-3图
机构示意机构的拓扑图
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作。忽略弹簧，并以构件1为机架，分析机构的工作原理，画出机构的示意图，写出机构的关联矩阵和邻接矩阵，并说明机构的类型。
解：若以构件1为机架，则该手术用剪刀由机架１、原动件２、从动件３、４组成，共４个构件。属于平面四杆机构。
当用手握住剪刀，即构件１(固定钳口)不动时，驱动构件２，使构件２绕构件１转动的同时，通过构件３带动构件４(活动钳口)也沿构件１(固定钳口)上下移动，从而使剪刀的刀口张开或闭合。其机构示意图和机构拓扑图如上图所示。
其关联矩阵为： 邻接矩阵为：
e1e2v1LM?v2v3v4
e30011e41v10； AM?v20v31v4v1v201011010v30101v410； 10110001103-4 简述机构自由度的基本概念和在机构结构设计中确定机构自由度的意义。
解：通常将确定机构相对机架位置的独立广义坐标数称为该机构的自由度。
首先，利用机构的自由度可以将机构和结构区分开来。结构的自由度必须小于或等于零，而机构的自由度必须大于零。
其次根据机构的自由度可以确定需要多少个输入运动来驱动和控制机构的运动。只有机构中原动件的数目与机构的自由度相等的时候，机构中各个机构才能够具有确定的运动规律。
3-5 题3-5图所示为牛头刨床一个设计方案的示意图。设计者的思路是：曲柄1为原动件，通过导块2使导杆3摆动，进而带动滑枕4往复移动以达到刨削的目的。图示系统能否满足设计的运动要求？若不能满足要求，应如何改进？
题3-5图
解：图示中的机构，活动构件数n?4，低副数PF中有一个为虚约束），l?6（其中E、没有高副，则该机构的自由度F?3?4?2?6?0，显然该系统不能满足设计的运动要求。
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机械原理谢进版第二版课后参考答案
