2.1 机构的组成及运动简图

如绪论所述，机构是具有确定相对运动的构件的组合。做无规则运动或不能产生运动的机件组合都不能称为机构。了解机构的组成，并判断机构在什么条件下才具有确定的相对运动，对于分析现有机构或开发新机构都是非常重要的。

机构中所有构件都在同一平面或相互平行的平面内运动时，该机构称为平面机构；否则称为空间机构。工程中常见的是平面机构，因此本章主要讨论平面机构。

2.1.1 构件的运动形式

平面机构中各构件的运动可分为平动、定轴转动和平面运动三种形式。

1.构件的平动

构件运动时，若其上任一条直线始终与初始位置保持平行，则这种运动称为构件的平动或移动。例如，内燃机气缸中活塞的运动（图2-1）；摇摆式送料机料槽的运动（图2-2）。构件在平动时，其上各点的运动轨迹为直线时，称之为直线平动，如活塞的平动；其上各点的运动轨迹为曲线时，称之为曲线平动，如料槽的平动。

构件平动时的特征是：其上各点的轨迹形状相同；在同一瞬时其上各点的速度和加速度相同。例如，在图2-2中，料槽上A、B两点的轨迹A、均为圆弧形；A点的速度vA和加速度aA分别等于B点的速度vB和加速度aB，即vA=vB；aA=aB。可见，构件的平动问题可归结为其上任意一点的运动问题。

2.构件的定轴转动

构件运动时，其上（或其延伸部分）始终有且只有一条直线固定不动。构件的这种运动称为定轴转动或转动。这一固定不动的直线称为轴线或转轴。在工程实际中，定轴转动的构件应用非常广泛，如齿轮、凸轮、带轮、电动机转子、机床主轴等。

构件定轴转动时的特征是：除转轴上的点不动以外，其余各点都在垂直于转轴的平面内作圆周运动，圆心在转轴上，圆周的半径为点到转轴的距离。

3.构件的平面运动

平动和定轴转动是构件最简单的运动形式，在工程中常会遇到构件的运动既不是平动，也不是定轴转动，而是复杂的平面运动，例如，车轮沿直线轨道的滚动（图2-3）；内燃机连杆的运动（图2-1）。这类构件的运动特征是：构件运动时，其上任意一点始终在某一平面内运动，该平面平行于空间某一个固定平面。构件的这种运动称为平面运动。

理论分析表明，平动和定轴转动是平面运动的特殊情形。在一般情况下平面运动可视作平动和转动的合成。

2.1.2 运动副及其分类

如图2-4所示，一个做平面运动的自由构件S可有三个独立运动，即沿x轴和y轴方向的移动以及绕任意一点A转动。构件所具有的独立运动数目称为构件的自由度。显然，一个做平面运动的自由构件有三个自由度。

如前所述，组成机构的所有构件都应具有确定的相对运动。为此，机构中每一构件都以一定方式与其他构件相互连接，这种使两构件直接接触并能产生一定相对运动的连接称为运动副。各种运动副实例如图2-5所示。构件组成运动副后，使构件的某些独立运动受到限制，构件的自由度便随之减少。这种对构件独立运动的限制称为约束。显然，做平面运动的构件其约束不能超过2个，否则构件就不可能产生相对运动。

不同的运动副对构件自由度的约束是不同的，按两构件的接触情况，通常把运动副分为低副和高副。

1.低副

两构件以面接触构成的运动副称为低副。平面机构中的低副有转动副和移动副两种。

（1）转动副 构成运动副的两构件只能绕某一轴线作相对转动，这种运动副称为转动副，如图2-5a、b所示。由圆柱销和销孔构成的转动副常称为铰链（图2-5b）。

（2）移动副 构成运动副的两构件只能沿一个方向做相对移动，这种运动副称为移动副，如图2-5c、d所示。

2.高副

两构件以点或线接触构成的运动副称为高副，如图2-5e、f、g所示。组成平面高副两构件间的相对运动是沿接触处切线t—t方向的相对移动和绕接触点A（或接触线）的相对转动。

上述各类运动副两构件均在同一平面内相对运动，属于平面运动副。除此以外，机械中常见到螺旋副（图2-6）和球面副（图2-7）。这类运动副两构件间的相对运动是空间运动，故属于空间运动副，本章将不予介绍。

2.1.3 运动链与机构

1.运动链

两个或两个以上的构件通过运动副连接而成的系统称为运动链。在运动链中，若各构件构成首尾封闭的系统，称为闭式运动链，如图2-8a所示。若各构件未构成首尾封闭的系统，称为开式运动链，如图2-8b所示。传统的机械中多采用闭式运动链，但随着生产线中机械手和机器人的应用日趋普遍，机械中开式运动链也逐渐增多。

2.机构

在运动链中，固定某一构件，并让另一个（或几个）构件按给定运动规律相对于固定构件运动，若其余构件能随之做确定的相对运动，则此运动链就称为机构。其中固定的构件称为机架；按给定运动规律做独立运动的构件称为原动件（或主动件），而其余的活动构件则称为从动件。因此，也可以说机构是由机架、原动件和从动件组成的传递机械运动和力的构件系统。

2.1.4 平面机构运动简图

无论是分析现有机械或是开发新机械，为突出分析其运动关系，往往撇开那些与运动无关的因素，如构件的外形、断面尺寸、组成构件的零件数目以及运动副的具体结构，仅用简单的线条和符号来表示构件和运动副，并按一定比例确定各运动副的相对位置。这种表示机构中各构件间相对运动关系的简化图形称为机构运动简图。

在机构运动简图中，运动副的表示方法见表2-1；一般构件的表示方法见表2-2。

在某些情况下，只是为了反映机构组成情况及其运动的传递方式，也可以不要求严格地按照比例绘图，这种简图称为机构示意图，例如，图1-1中的单缸四冲程内燃机示意图如图2-9a所示（图中各构件的序号与图1-1对应）；图1-2中的牛头刨床示意图如图2-9b所示（图中各构件的序号与图1-2对应）。

常用机构的示意图符号见表2-3。

绘制机构运动简图的一般步骤为：

1）分析机构的组成和运动原理。确定组成机构的机架、原动件和从动件，以及原动件的运动方向。

2）从原动件开始，沿着运动传递的路线，依次分析各构件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目。

3）选择机构运动的一般位置和运动所在平面，作为绘制简图的视图平面，并绘制机构草图，测量确定各运动副相对位置的实际尺寸。

4）选择合适的比例尺，按比例定出各运动副的相对位置，用构件和运动副的规定符号绘制出机构运动简图。并以箭头表示原动件的运动方向。常用的比例尺为

【例2-1】 试绘制图2-10a所示货车翻斗自动卸料机构的运动简图。

解（1）分析机构的组成和运动原理。图2-10a所示卸料机构是利用液压推动活塞杆3撑起翻斗2，使翻斗绕支点B翻转，物料便自动卸下。机构工作时，液压缸4能绕支点C摆动。因此该机构中车体1是机架；活塞杆3是原动件；翻斗2和液压缸4为从动件。

（2）依次确定运动副的类型。活塞杆3与液压缸4构成移动副D，活塞杆3与翻斗2、翻斗2与机架1、液压缸4与机架1分别构成转动副A、B、C。

（3）选择视图平面，绘制机构草图，并测量确定各运动副相对位置的实际尺寸。即以卸料机构的运动平面和图示运动位置为视图平面，目测并按规定的符号画出各运动副的位置图，再用简单线条连成机构草图，并测量lAB、lBC及BC连线与水平线的夹角。

（4）根据卸料机构的真实尺寸和图幅大小，确定长度比例尺μl=amm/mm，并绘制机构运动简图。步骤为：先画机架上两个转动副的中心B和C的位置（图中BC连线长度为lBC/μl）；以B为圆心，以lAB/μl为半径画圆弧，得A点运动轨迹；设活塞杆3与机架BC成30°角，则可过C点作活塞杆3的方向线，与弧交于A点。按构件和运动副的规定符号画出卸料机构的运动简图，如图2-10b所示。在图中注明构件序号（1、2、3、4）、运动副代号（A、B、C、D），并用箭头表示活塞杆3的运动方向。

【例2-2】 图2-11a所示为一液压泵。试绘制该液压泵的机构示意图。

解（1）分析机构的组成和运动原理。该液压泵运转时，偏心轴1的几何轴线B绕固定轴线A作圆周运动。套环2套在偏心轴1上，可相对转动。隔板3的下端呈圆弧状与构件2铰接，泵内空间被隔板3隔为Ⅰ、Ⅱ两个腔。随着液压泵的运转，Ⅰ、Ⅱ两腔的容积发生变化，从而形成吸液和排液过程。其中，泵体4为机架，偏心轴1为原动件，其余构件为从动件。

（2）依次确定运动副的类型。偏心轴1与泵体4构成转动副A；套环2与偏心轴1构成转动副B；套环2与隔板3构成转动副C；隔板3与泵体4构成移动副，移动路径通过转动副C的中心。

（3）选择视图平面后，目测各运动副的相对位置，按大致比例绘图。即以回转副A为基准，目测回转副A、B及C的相对位置，从偏心轴1开始依次画出各构件及运动副。该液压泵的机构示意图，如图2-11b所示。图中箭头表示原动件1的运动方向。

【例2-3】 试绘制图2-12a所示压力机的运动简图。

解 该压力机由多种机构组成，其运动简图的绘制仍可按上述步骤进行。

（1）图2-12a所示该压力机由偏心轮1、齿轮1′、连杆2、滑杆3、连杆4、滚子5、槽凸轮6、齿轮6′、滑块7、冲杆8和机座9所组成。其中，偏心轮1和齿轮1′及槽凸轮6和齿轮6′分别固连为一个构件。运动由偏心轮1输入，一路经连杆2和滑杆3传至连杆4；另一路由齿轮1′经齿轮6′、槽凸轮6、滚子5传至连杆4。两路运动经连杆4合成，由滑块7传至冲杆8，实现冲压动作。可见，机座9为机架；构件1—1′为原动件；其余为从动件，其中冲杆8为输出构件。

（2）由图2-12a可知，机架9与构件1—1′、构件1与2、2与3、3与4、4与5、6—6′与9、7与8之间分别构成转动副；构件3与9、8与9之间分别构成移动副；齿轮1′与6′、滚子5与槽凸轮6之间分别构成高副。

（3）选择视图平面和比例尺；测量各构件尺寸和各运动副间的相对位置；设偏心轮1相对机架9处于某一位置，并从偏心轮1开始，分别沿着两条运动路线，用规定的符号依次画出各个构件和运动副，即得压力机的运动简图，如图2-12b所示。图中箭头表示原动件1—1′的转动方向。