第2章 平面机构的结构分析

2.1 机构的组成

机器的重要特征是执行机械运动，工程中把机器中执行机械运动的装置称为机构。机器是由各种机构所组成的系统，如内燃机就包含曲柄滑块机构、控制阀门启闭的凸轮机构和齿轮机构等。

1．运动副

1）运动副的定义

机构是传递运动和动力的构件系统，由若干个构件通过一定连接方式组成，且各构件之间具有确定的相对运动。机构中两构件之间直接接触并能作一定相对运动的可动连接称为运动副。图2.1所示滑块1与导轨2的连接、图2.2所示轴1与轴承2的连接、图2.3所示两轮齿的啮合、图2.4所示凸轮1与从动件2接触等均为运动副。两构件上参与构成运动副的接触表面称为运动副元素，如图2.1中的平面、图2.2的圆柱面和圆柱孔面、图2.3所示的齿廓曲面、图2.4所示的凸轮曲面分别是它们的运动副元素。

2）运动副的分类

运动副的分类方法有许多，常见的分类方法有以下几种。

（1）根据组成运动副两构件间的相对运动空间形式分类

两构件之间的相对运动为平面运动的称为平面运动副。两构件之间的相对运动为空间运动的称为空间运动副。应用最多的是平面运动副，它有转动副、移动副（统称为低副）和平面高副三种形式。两构件之间只作相对转动的称为转动副。两构件之间只作相对移动的称为移动副。

（2）根据运动副所引入的约束数分类

构件所具有的独立运动的数目称为构件的自由度。两个构件构成运动副后，构件的某些独立运动受到限制，这种限制称为约束，即运动副对构件的独立运动所加的限制。运动副每引入一个约束，构件就失去一个自由度。引入1个约束的运动副称为Ⅰ级副，引入2个约束的运动副称为Ⅱ级副，引入3个约束的运动副称为Ⅲ级副，引入4个约束的运动副称为Ⅳ级副，引入5个约束的运动副称为Ⅴ级副，如表2.1所示。

（3）根据构成运动副的两构件的接触情况分类

在平面运动副中，面接触的运动副称为低副；点接触或线接触的运动副称为高副。

①低副

根据两构件间的相对运动形式，低副又分为移动副和转动副这两类。若两构件间的相对运动为直线运动，称为移动副，如图2.1所示；若两构件间的相对运动为转动，称为转动副，如图2.2所示。低副接触处的压强小，承载能力大，耐磨损，寿命长，且因其形状简单，容易制造。

②高副

如图2.3所示，两齿轮轮齿啮合处构成齿轮高副。如图2.4所示，凸轮1与尖顶推杆从动件2构成凸轮高副。高副接触处压强大，易磨损，寿命短，形状复杂，制造难。

2．运动链

若干个构件通过运动副连接组成的构件系统称为运动链。如果运动链中的各构件构成首末封闭的系统，则称为闭式链，如图2.5（a）、（b）所示，否则称为开式链，如图2.5（c）、（d）、（e）所示。在一般机械中，大多采用闭式链，开式链多用在机器人等机械中。

根据运动链中各构件的相对运动是平面运动还是空间运动，运动链分为平面运动链和空间运动链等两类。

3．机构

将闭式运动链中的一个构件固定为参考系，并使构件间具有确定的相对运动，则这种运动链就成为机构。机构中作参考系的构件称为机架，机架相对地面可以是固定的，也可以是运动的（如在汽车、飞机等中的机构）。机构中按给定的已知运动规律独立运动的构件称为主动件（原动件），其余随主动件运动的构件称为从动件。如果组成机构的各构件的相对运动在同一平面内或在相互平行的平面内，则称为平面机构；如果组成机构的各构件的相对运动不在同一平面内或不在相互平行的平面内，则称为空间机构。