第二章 机构的结构分析 1.本章的教学目的及教学要求 本课程研究的对象主要是各种机构，而研究的内容则主要集中在各种机构的分析和综合(设计)两个方面。为了对机构进行研究，首先要知道机构是如何形成的?其次在什么条件下机构才有确定的运动?最后在设计新的机构或对已有的机构进行分析时如何把要研究的机构用简单的图形表示出来?所以本章的教学目的在于使学生了解机构的组成及机构具有确定的运动的条件，了解能表征机构运动情况的简单图形(即机构运动简图)的画法，为已有机构进行分析或创造新的机构提供基本条件。 根据《机械原理课程教学基本要求》和《机械原理教学大纲》，本章的教学要求有以下几点: 1)了解机构的组成，搞清运动副、运动链、约束和自由度等基本概念; 2)能绘制常用机构的机构运动简图; 3)能计算平面机构的自由度; 4)对平面机构组成的基本原理有所了解。 ?2.本章教学内容的重点及难点 本章教学内容的重点是运动副和运动链的概念、机构运动简图的绘制、机构自由度的计算及机构具有确定运动的条件。至于平面机构的组成原理、结构分析及结构分类，以及高副低代等内容，则是属于拓宽知识面性质的。 本章教学内容的一个难点，是在机构自由度的计算中有关虚约束的识别及处理问题。但这个问题却不是本章教学的重点。所以，只要使学生对虚约束有一个明确的概念，并对机构中存在虚约束的一些比较常见的情况有所了解，在计算机构自由度时会处理虚约束就可以了，不宜花费过多的时间讲授。 ?3.本章教学工作的组织及学时分配 本章理论教学安排6个学时。用1学时讲授机构结构分析的内容及目的、机构的组成及机构运动简图的画法。2学时讲授机构具有确定运动的条件、平面机构自由度的计算及应注意的事项。2学时可用于讲授平面机构的组成原理，平面机构的结构及分析和分类，以及平面机构中的高副低代问题。 除理论教学外，本章安排实验课2学时，给学生一些机器模型，要求画出其机构运动简图，使学生具体练习机构运动简图的画法。 3.1第1讲(1学时) ??????? 1)教学内容 本节课要讲三部分内容，即机构结构分析的内容及目的、机构的组成及机构运动简图。 2)教学方法 在讲述内容及目的时可先提出:本课程研究的对象是各种机构，而研究的内容主要是各种机构的分析和综合两个问题。不论是分析还是综合首先要了解机构是如何组成的 ?其次机构的特征之一就是具有确定的相对运动，机构在什么条件下才具有确定的运动？为了便于对不同的机构进行分析和综合，需要研究机构的组成原理、结构分析和分类问题，并在最后提出机构运动简图的画法问题。 在讲机构的组成问题时先介绍构件及运动副的概念，强调运动副的三要素。至于运动副的构成、分类和代表符号可用挂图介绍。运动副介绍完后再介绍运动链及机构，并随之介绍机架、原动件、从动件等概念。 在介绍机构运动简图。只着重说明：什么是机构运动简图？机构各部分的相对运动只决定于各构件间组成的运动副的类型、各类运动副的数目、构件的数目和各构件的运动尺寸(构件的杆长尺寸、移动副导路的方向、高副的轮廓曲线)，而与构件的截面尺寸和形状、材料、运动副的具体形状和结构无关，故在绘制机构运动简图时，为了图形简单明了，需抛弃与运动无关的因素，以及绘制机构运动简图的步骤等概念。也可就一个简单机械的模型作为实例，介绍其运动简图的画法。而进一步介绍，可留待实验课上说明 。但要向学生强调，绘制和阅读机构运动简图是一项基本的技能要求，机构运动简图是对实际机器的科学抽象和合理简化，因而这种能力的培养，不可能通过一二个实例的练习就能完成，而要随时随地的注意日常生活和生产中所遇到的各种机械，多做绘制其机构运动简图的练习，以求逐渐熟练和掌握。也可以要求每个学生就自己所见到的各种简单机械绘制1～2个机构运动简图。 3.2第2讲(2学时) 1)教学内容 本节课也要讲三部分内容，即机构具有确定运动的条件、平面机构自由度计算，以及计算平面机构自由度时应注意的事项。第1、2两部分内容可用1个学时，第3部分内容用另1个学时。 2)教学方法 在讲授第1部分内容是可先提出：我们前面讲到，各种机构都是用来进行运动传递或改变运动形式的，显然，为了按照一定的要求进行运动的传递及变换，当机构的原动件按给定的运动规律运动时，该机构中其余构件的运动也都应是完全确定的，或从位置的角度理解确定运动的概念。但是，由各构件任意组成的构件组合体是否在任何条件下都能满足这一要求呢？下面可举平面五杆机构的例子，说明当其一个构件(取连架杆)按给定的运动规律运动时，其余构件的运动并不确定。那么机构在什么条件下才能具有确定的运动呢？从而引出小标题“机构具有确定运动的条件”。然后分别就平面四杆机构和平面五杆机构进行分析，给出机构自由度的概念，以及机构具有确定运动的条件是“机构原动件的数目应等于机构自由度的数目”的结论。 在讲授第二部分的内容时可先提出：既然机构具有确定运动的条件是原动件的数目等于其自由度数目，所以正确计算自由度数目就十分重要。那么机构自由度的数目又是如何确定呢？从而引出小标题“平面机构自由度的计算”。然后给出平面机构自由度的计算公式，并举几个简单的计算机构自由度的例子。 在讲授第三部分的内容时可提出：上面我们给出了平面机构自由度的计算公式，在应用该公式计算机构自由度时，有些需要注意的事项必须正确地加以处理才能得到正确的计算结果，否则计算结果将会出现错误。下面我们介绍这些需要注意的事项。写出小标题“计算平面机构自由度时应注意的事项”。 其一，要正确确定机构中构件的数目和运动副的数目。关于构件的数目，可指出，构件是机构运动中的运动单元体，所以，不论构件的结构如何复杂，只要是同一个运动单元体，它就是一个构件。这在绘制机构运动简图时已作过练习。关于各类运动副数目的确定，依次介绍以下三种情况: (a)复合铰链。要讲清什么是复合铰链、如何处理复合铰链，如转动副数为(m-1)个，m为构件数。 (b)当两构件同时在几处接触而构成移动副，且各接触处两构件相对移动的方向是一致的，或两构件在几处配合，且各配合处两构件相对转动的的轴线重合时，只算一个低副。因各处引入的约束是相同的或重复的。 (c)当两构件在几处接触而构成高副时，若各接触处高副两元素的公法线重合，则因各接触处提供同一个约束，故仍视为一个高副。如各接触处高副两元素的公法线不相重合，这时各接触处提供的约束已不再是同一约束，各提供了两个约束，即相当于两个平面高副。 其二，将机构中某些构件产生的并不影响其它构件运动的局部运动的自由度去掉。可先以滚子推杆盘形凸轮机构为例介绍局部自由度的概念和计算自由度时的处理方法。说明虽然按自由度公式算得该机构的自由度为2，但滚子绕其自身轴线的转动并不影响其它构件的运动，所以在一个原动件凸轮的作用下，机构的运动就是确定的。这说明机构的实际自由度为1，而滚子绕其自身轴线转动的自由度乃是局部自由度。因此，在计算机构的自由度时，如果机构中存在局部自由度，应将局部自由度减去，才是机构实际的自由度。最后说明为什么要采用局部自由度。 其三，应将各运动副提供的约束中，某些对机构的运动不起实际约束效果的“重复约束”去掉。可先以平行四边形机构为例，介绍“虚约束”的概念及其在计算自由度时的处理方法，然后介绍机构中存在虚约束的几种常见情况。最后提示一下:存在虚约束的机构，一般常具有相似或对称结构的特征。所以，如研究机构在结构上具有相似或对称部分时，就有可能存在虚约束，因而就要注意分析，以免发生错误。 要注意，我们讲述的重点是机构自由度的概念、机构具有确定运动的条件，以及平面机构自由度的计算方法。另外，对“复合铰链”、“局部自由度”和“虚约束”应有明确的概念，且应讲清楚计算自由度时如何处理和为什么采用“复合铰链”、“局部自由度”和“虚约束”，其中“虚约束”是一个难点，但不宜作为重点而花费过多的课时。 3.3第3讲(2学时) 1)教学内容 本章授课的最后2个学时要讲完平面机构的组成原理、平面机构的结构分析及分类、以及平面机构的高副低代等三部分内容。第一、三两部分内容可用2个学时，另1个学时讲授第二部分的内容。 2)教学方法 在讲授第一部分的内容时可先提出:我们知道机构是由若干构件通过运动副联接而成，其作用是进行运动的传递及变换， 而且机构要具有确定的相对运动。那么当由构件组成机构时，有什么规律可循呢?这就是机构组成原理所要研究的内容。从而引出小标题“平面机构的组成原理”。然后先给出基本杆组的概念，通过对一个已知机构的分析，最后得出结论:“机构是由若干个基本杆组依次联于原动件和机架上而构成的”。并指出机构组成原理对机构分析和综合新机构的指导意义。 在讲授第二部分的内容时可提出:既然机构是由若干个基本杆组依次联接在原动件和机架上而构成的，所以，当对现有机构进行分析时就可以把机构分解成原动件和机架及若干个基本杆组，从而对机构进行结构分类，然后，对同一类别的机构和同样的杆组，可以采用类似的方法进行运动分析和力分析。这就是机构分析要研究的内容和目的。引出小标题“平面机构的结构分析”，介绍各类杆组及机构的结构分类。举两个机构结构分析的例题，并通过例题说明同一机构若取不同的构件为原动件，则可能属于不同级别的机构。 在讲授第三部分内容时可提出:我们在介绍以上两部分内容时都是以全低副机构为例进行的，如果机构中有高副将如何处理呢?从而引出高副低代问题，并说明其要满足的两个条件和具体的替代方法。 ?4.教学手段 介绍构件、运动副、运动链及机构等概念及作为一个实例介绍机构运动简图的画法时，采用多媒体。也可带一个简单的机械模型如颚式破碎机、牛头刨床、内燃机。介绍运动副的构成、分类和代表符号时，采用多媒体。