1、 第二章 机构的结构分析题 2-11 图 a 所示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮 1 输入，使轴 A 连续回转；而固装在轴 A 上的凸轮 2 与杠杆 3 组成的凸轮机构使冲头 4 上下运动，以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图（各尺寸由图上量取） ，分析是否能实现设计意图，并提出修改方案。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。 (图 2-11a)2)要分析是否能实现设计意图,首先要计算机构的自由度。尽管此机构有 4 个活动件，但齿轮 1和凸轮 2 是固装在轴 A 上，只能作为一个活动件，故 3nlp1h014233hlpnF原动件数不等于自由度数，此简易冲床不能运动，即
2、不能实现设计意图。分析：因构件 3、4 与机架 5 和运动副 B、C 、D 组成不能运动的刚性桁架。故需增加构件的自由度。3)提出修改方案：可以在机构的适当位置增加一个活动构件和一个低副，或用一个高副来代替一个低副。(1) 在构件 3、4 之间加一连杆及一个转动副( 图 2-11b)。(2) 在构件 3、4 之间加一滑块及一个移动副( 图 2-11c)。(3) 在构件 3、4 之间加一滚子( 局部自由度)及一个平面高副(图 2-11d)。11(c)题 2-(d)54364(a)5325215436426(b)321讨论：增加机构自由度的方法一般是在适当位置上添加一个构件（相当于增加 3 个自由
3、度）和1 个低副（相当于引入 2 个约束） ，如图 2-1（b） （c）所示，这样就相当于给机构增加了一个自由度。用一个高副代替一个低副也可以增加机构自由度，如图 2-1（d）所示。题 2-12 图 a 所示为一小型压力机。图上，齿轮 1 与偏心轮 1为同一构件，绕固定轴心 O 连续转动。在齿轮 5 上开有凸轮轮凹槽，摆杆 4 上的滚子 6 嵌在凹槽中，从而使摆杆 4 绕 C 轴上下摆动。同时，又通过偏心轮 1、连杆 2、滑杆 3 使 C 轴上下移动。最后通过在摆杆 4 的叉槽中的滑块 7 和铰链 G 使冲头 8 实现冲压运动。试绘制其机构运动简图，并计算自由度。解：分析机构的组成：此机构由偏
4、心轮 1（与齿轮 1 固结） 、连杆 2、滑杆 3、摆杆 4、齿轮 5、滚子 6、滑块 7、冲头8 和机架 9 组成。偏心轮 1与机架 9、连杆 2 与滑杆 3、滑杆 3 与摆杆 4、摆杆 4 与滚子 6、齿轮 5与机架 9、滑块 7 与冲头 8 均组成转动副，滑杆 3 与机架 9、摆杆 4 与滑块 7、冲头 8 与机架 9 均组成移动副，齿轮 1 与齿轮 5、凸轮(槽)5 与滚子 6 组成高副。故解法一： n9lp2h17323hlF解法二： 局部自由度 810lh 1F2083)2(3 Fpnhl题 2-13 如图 a 所示为一新型偏心轮滑阀式真空泵。其偏心轮 1 绕固定轴 A 转动，与外
5、环 2 固连在一起的滑阀 3 在可绕固定轴心 C 转动的圆柱 4 中滑动。当偏心轮 1 按图示方向连续转动时，可将设备中的空气按图示空气流动方向从阀 5 中排出，从而形成真空。由于外环 2 与泵腔 6 有一小间隙，故可抽含有微小尘埃的气体。试绘制其机构的运动简图，并计算其自由度。 解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。 (如图题 2-3 所示)2) 3n4lp0h 104232hlpnF题 2-14 图 a 所示是为高位截肢的人所设计的一种假肢膝关节机构，该机构能保持人行走的稳定性。若以颈骨 1 为机架，试绘制其机构运动简图和计算其自由度，并作出大腿弯曲 90 度时的机构运动简图。解：1)取比例
6、尺,绘制机构运动简图。大腿弯曲 90 度时的机构运动简图如虚线所示。( 如图 2-5所示)2) 5n7lp0h12323lF弯曲 90 时的机构运动简图题 2-15 使绘制图 a 所示仿人手型机械手的食指机构的机构运动简图（以手指 8 作为相对固定的机架） ，并计算其自由度。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。 (如图 2-4 所示)2) 7n10lph1027323lF题 2-16 试计算如图所示各机构的自由度。图 a、d 为齿轮 -连杆组合机构；图 b 为凸轮-连杆组合机构（图中在 D 处为铰接在一起的两个滑块） ；图 c 为一精压机机构。并问在图 d 所示机构中，齿轮3 与 5 和齿条
7、7 与齿轮 5 的啮合高副所提供的约束数目是否相同？为什么？解： a) 4n5lp1hA 处为复合铰链2323hlFb) 解法一： 6lh15hlpn解法二： 虚约束 局部自由度 78l 2h0p2F2、4 处存在局部自由度1)28(73)2(3 FFhlc) 解法一： 5nlph102hl解法二： 17lh虚约束 局部自由度 26301232nphl 0FC、F、K 处存在复合铰链1)7()(3 FnFld) 67lh1372632lp齿轮 3 与齿轮 5 的啮合为高副（因两齿轮中心距己被约束，故应为单侧接触）将提供 1 个约束。齿条 7 与齿轮 5 的啮合为高副（因中心距未被约束，故应为双
8、侧接触）将提供 2 个约束。题 2-18 图示为一刹车机构。刹车时，操作杆 1 向右拉，通过构件 2、3、4、5、6 使两闸瓦刹住车轮。试计算机构的自由度，并就刹车过程说明此机构自由度的变化情况。 （注：车轮不属于刹车机构中的构件。 ）解：1)未刹车时，刹车机构的自由度6n8lp0h286323lF2)闸瓦 G、J 之一刹紧车轮时，刹车机构的自由度5n7lp0h1725323l3)闸瓦 G、J 同时刹紧车轮时，刹车机构的自由度4n6lp0h0624323lF题 2-20 试绘制图 a 所示凸轮驱动式四缸活塞空气压缩机的机构运动简图。并计算其机构的自由度（图中凸轮 1 原动件，当其转动时，分别推
9、动装于四个活塞上 A、B、C、D 处的滚子，使活塞在相应得气缸内往复运动。图上 AB=BC=CD=AD） 。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。 (如图 2-7(b)所示)2) 此机构由 1 个凸轮、4 个滚子、 4 个连杆、4 个活塞和机架组成。凸轮与 4 个滚子组成高副，4 个连杆、4 个滚子和 4 个活塞分别在 A、B、C、D 处组成三副复合铰链。4 个活塞与 4 个缸（机架）均组成移动副。解法一：13n7lp4h虚约束：因为 ，4 和 5，6 和 7、8 和 9 为不影响机构传递运动的重复部分，与连ADCBA杆 10、11、12、13 所带入的约束为虚约束。机构可简化为图 2-7（b）
10、重复部分中的构件数 低副数 高副数 局部自由度10n1lp3hp3F437232phl局部自由度 4F1)172()( nhl解法二：如图 2-7（b）局部自由度 1 )03()2(3FpFhl题 2-21 图 a 所示为一收放式折叠支架机构。该支架中的件 1 和 5 分别用木螺钉联接于固定台板 1和活动台板 5上，两者在 D 处铰接，使活动台板能相对于固定台板转动。又通过件 1、2、3、4 组成的铰链四杆机构及连杆 3 上 E 点处销子与件 5 上的连杆曲线槽组成的销槽联接使活动台板实现收放动作。在图示位置时，虽在活动台板上放有较重的重物，活动台板也不会自动收起，必须沿箭头方向推动件 2，使
11、铰链 B、D 重合时，活动台板才可收起（如图中双点划线所示） 。现已知机构尺寸lAB=lAD=90mm,lBC=lCD=25mm，试绘制机构的运动简图，并计算其自由度。解：1)取比例尺,绘制机构运动简图。 (如图 2-11 所示)2) E 处为销槽副，销槽两接触点公法线重合，只能算作一个高副。4n5lp1h1524323lF题 2-23 图示为以内燃机的机构运动简图，试计算自由度，并分析组成此机构的基本杆组。如在该机构中改选 EG 为原动件，试问组成此机构的基本杆组是否与前者不同。 图 2-3(a)A1EB2D3FG654CH41572(c)23b67514763解：1)计算此机构的自由度7n
12、10lph1027323lF2)取构件 AB 为原动件时机构的基本杆组图 2-10（b）所示。此机构为二级机构。3)取构件 GE 为原动件时机构的基本杆组图 2-10（c）所示。此机构为三级机构。题 2-24 试计算如图所示平面高副机构的自由度解：1）计算自由度F = 3n - ( 2Pl +Ph p )-F =35 - (26+1 -0)-1 =1高副低代：拆组:级组解：1）计算自由度F = 3n - ( 2Pl +Ph p )-F =37 - (29+1 -0)-1 =1高副低代:拆组:级组 级组题 2-26 试确定图示各机构的公共约束 m 和族别虚约束 p，并人说明如何来消除或减少共族别
13、虚约束。 解：(a) 楔形滑块机构的楔形块 1、2 相对机架只 能在该平面的 x、y 方向移动，而其余方向的相对独立运动都被约束，故公共约束数 ,为 4 族平面机构。m35pi 51 135266miipnF将移动副改为圆柱下刨，可减少虚约束。320ip(b) 由于齿轮 1、2 只能在平行平面内运动，故为公共约束数 ,为 3 族平面机构。m54 51 123236mi hli pnpnF将直齿轮改为鼓形齿轮，可消除虚约束。420 ip(c) 由于凸轮机构中各构件只能在平行平面内运动，故为 的 3 族平面机构。m3514F 51 451366mii FppnF将平面高副改为空间高副，可消除虚约束。214360 pi
