了解平面机构相关概念

任务介绍

机械是人类进行生产劳动的工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。随着社会经济的发展，汽车制造业和汽车运输业发展迅速，我国汽车保有量大幅增加，汽车机械已经成为机械工业的重要组成部分。机械是人类在利用和转变机械能进行生产时所使用的工具，它的作用是 减轻体力劳动、提高生产效率、提高产品质量、便于大规模生产。

学习目标

1.掌握平面机构的基本概念。

2.了解运动副的类型。

3.认识平面机构运动简图

相关知识

一、机器和机构

1.机器

人们在日常生活和生产活动中已经见过或用过不少机器，如洗衣机、电动机、拖拉机、汽车发动机等。尽管机器种类繁多，构造、性能和用途各异，但它们之间存在着一些共同的特征。

1）任何机器都是人为的实物组合体，如图4-1所示的内燃机，它由气缸体8、活塞1、连杆2、曲轴3等部分组合而成。

2）组成机器的各部分（实物）之间，具有确定的相对运动，如图4-1所示的活塞1在气缸体8中做往复运动，曲轴3相对两端的气缸体8做连续转动。

3）所有机器都能做有效的机械功或可进行能量的转换。例如，内燃机把燃料燃烧产生的热能转换成机械能，最终通过传动系统将动力传给汽车车轮，驱动汽车行驶，完成机器功能的转换。又如，发电机是把其他形式的能转换为电能，电动机把电能转换成机械能。

图4-1　单缸内燃机

1—活塞；2—连杆；3—曲轴；4、5—齿轮；6—凸轮；7—顶杆；8—气缸体

综上所述，可得到机器的概念：机器是人为的实物组合体，它的各部分之间具有确定的相对运动，并能做有效的机械功或进行能量的转换，代替或减轻人类劳动。

2.机构

机构就是具有确定相对运动的实体的组合，它的主要作用在于传递或转换运动形式，但它不能做机械功，也不能转换能量，是机器中执行机械运动的装置。例如，图4-1所示内燃机中的活塞、连杆、曲轴及机体组合成一个机构，通常称为活塞连杆机构，它能将活塞的往复移动转换为曲轴的转动。机构是由若干个构件通过运动副连接而成的。

机构与机器的区别：机构只是具备了机器的前两个特征，因此，机构不能做机械功和进行能量转换，其主要作用在于传递或转换运动形式，而机器的主要作用在于为了某一生产目的而利用、转换能量或做机械功。如上述内燃机中活塞连杆机构，就是进行运动形式的转换，而整个内燃机为机器，因为它能把燃料的化学能转换成机械能。但是，在本课程中，我们并不研究机器的能量转换问题。因此，若拋开机器的第三个特征，机器和机构就没什么区别了。所以，无论谈到机器还是机构，都只用“机构”这一词，有时也用“机械”这一词。机器是由机构组成的，机械是机器和机构的总称。

3.零件

零件是指机械中每一个单独加工的单元体，或者说，零件是一个制造单元。零件又可分为两类：一类是在各种机器中都可能用到的零件，称为通用零件，如螺母、螺栓、齿轮、凸轮、链轮等；另一类则是在特定类型机器中才能用到的零件，称为专用零件，如曲轴、活塞等。

4.构件

若由一个或几个零件刚性地连接在一起，作为一个整体而运动，则这一个整体就称为一个构件。这些刚性地连接在一起的零件之间不能产生任何相对运动。显然，从运动的观念来看，构件是一个运动单元。如图4-2所示的连杆就是由连杆1、螺栓2、连杆盖3、螺母4等物体组成的，在机构的运动过程中，这一刚性连接体就是一个构件，就是一个独立的运动单元。注意，一个不与其他任何零件刚性连接的单独的零件，也可以说是一个简单的构件（如内燃机的曲轴等）。 构件与零件的区别是，构件是运动的单元，零件是机器中最小的制造单元。

图4-2　连杆

1—连杆；2—螺栓；3—连杆盖；4—螺母

二、运动副及其分类

两构件直接接触并能保持一定形式的相对运动的连接称为运动副。例如，活塞与气缸的连接（即两者相配合）等，即构成了运动副。机构中各个构件之间的运动和力的传递，都是通过运动副实现的。运动副中两构件间的接触形式不同，其限制的运动也不同，其接触形式有点、线、面3种形式。两构件间以面接触的运动副称为低副，两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。

根据组成运动副的两构件之间的相对运动是平面运动还是空间运动，运动副可分为平面运动副和空间运动副两种。

1.平面低副

根据两构件之间允许的相对运动形式不同，低副又分为转动副和移动副。

（1）转动副

组成运动副的两构件只能绕某一轴线做相对转动的运动副称为转动副。图4-3所示的铰链连接就是转动副的一种形式，即由圆柱销和销孔及其两端面组成的转动副。铰链连接的两构件只能绕Z轴自由转动，沿X轴和Y轴的自由移动则被限制（约束）。内燃机中曲轴与连杆、曲轴与机架、连杆与活塞之间都组成转动副。

图4-3　转动副

（2）移动副

若运动副只允许两构件沿接触面某一方向相对滑移，则称该运动副为移动副，如图4-4所示。内燃机中的活塞与气缸之间组成移动副。

图4-4　移动副

（a）燕尾滑板；（b）滑块与导轨

由于低副中两构件之间的接触为面接触，因此，承受相同载荷时，压强较低，不易磨损。

2.平面高副

高副是指两构件以点或线接触的运动副。图4-5所示为常见的几种高副接触形式，图 4-5（a）是车轮与钢轨的接触，图4-5（b）是齿轮的啮合，都属于线接触的高副；图4-5（c）是凸轮与从动的接触，属于点接触的高副。

图4-5　高副

低副是面接触的运动副，其接触表面一般为平面或圆柱面，容易制造和维修，承受载荷时单位面积压力较低（故称低副），低副比高副的承载能力大。低副属滑动摩擦，摩擦损失大，因而效率较低；此外，低副不能传递较复杂的运动。高副是点或线接触的运动副，承受载荷时单位面积压力较高（故称高副），两构件接触处容易磨损，寿命短，制造和维修也较困难。高副的特点是能传递较复杂的运动。

3.空间运动副

两构件在接触处只允许做螺旋运动的运动副称为螺旋副，如图4-6所示。两构件的接触为球面的运动副称为球面副，如图4-7所示。螺旋副和球面副属于空间运动副。

图4-6　螺旋副

图4-7　球面副

三、平面机构的运动简图(www.xing528.com)

分析已有机械或设计新机械时，为了便于研究机械的运动，工程上常用规定的符号和线条绘出能够表达各构件相对运动关系的图形，这种图形称为机构运动简图。在运动简图中常将运动副和构件用简单符号和线条来表示。

1.常见的运动副简图

常见的运动副简图如图4-8所示。

图4-8　常见的运动副简图

图4-8　常见的运动副简图（续）

（a）机架；（b）转动副；（c）移动副；（d）齿轮副；（e）凸轮副

2.平面机构的运动简图

机构运动简图的绘制方法和步骤如下：

1）观察机构的实际结构，分析机构的运动情况，找出机构的固定件（机架）、原动件和从动件。

2）从原动件开始，按运动传递路线，分清构件间相对运动的性质，确定运动副的类型。

3）以与机构运动平面平行的平面作为绘制运动简图的平面，用规定的符号和线条按比例绘制在此平面上，得到的图形即为机构运动简图。

例4-1　绘制图4-1所示内燃机的机构运动简图。

解：

1）分析结构，确定机架、原动件和从动件。

由图4-1可知，壳体和气缸体是一个整体，在内燃机中起机架的作用，气缸体内的活塞1是原动件，连杆2、曲轴3和与之相固定的齿轮4、齿轮5、凸轮6和顶杆7是从动件。

2）按运动传递路线和相对运动的性质确定运动副的类型

该机构的运动由活塞1输入，活塞1与气缸组成移动副；活塞1与连杆2、连杆2与曲轴3、曲轴3与壳体之间组成转动副。

运动经齿轮4传到齿轮5，它们之间是线接触，组成高副；齿轮5与气缸体8组成转动副；齿轮5与凸轮6连在一起为同一构件，凸轮6与顶杆7之间是点或线接触，组成高副；顶杆7与气缸体8组成移动副。

3）选择视图平面和比例，用规定符号和线条绘制机构运动简图。

由于内燃机的主运动机构是平面运动，故取其运动平面为视图平面，选择适当的比例用规定符号和线条画出所有构件和运动副，即可得到内燃机的机构运动简图（图4-9），图4-9中标有箭头的构件1表示原动件。

图4-9　内燃机机构运动简图

1—活塞；2—连杆；3—曲轴；4、5—齿轮；6—凸轮；7—顶杆；8—机架

任务小结

1）机器：机器是人为的实物组合体，它的各部分之间具有确定的相对运动，并能做有效的机械功或进行能量的转换，代替或减轻人类劳动。

2）机构：具有确定的相对运动的实体的组合，它的主要作用在于传递或转换运动形式，但它不能做机械功，也不能转换能量，是机器中执行机械运动的装置。

3）构件与零件的区别：构件是运动的单元，零件是机器中最小的制造单元。

4）低副：两构件间以面接触的运动副。

高副：两构件通过点或线接触组成的运动副。

拓展提高

机器组成及常用的传动形式

一部完整的机器，就其功能来讲，由以下4部分组成：

（1）动力部分

动力部分是驱动整个机器完成预定功能的动力源，如汽车的发动机。各种机器广泛使用的动力源有热力、电力、风力、液力、压缩气体、太阳能等。

（2）执行部分

执行部分是机器中直接完成工作任务的组成部分，如汽车的行驶系统、内燃机的活塞、机床的刀架等。

（3）传动部分

传动部分介于动力部分和执行部分之间，用来完成运动形式、运动和动力参数转换的组成部分。利用它可以减速、增速、调速、改变转矩及改变运动形式等，从而满足执行部分的各种要求，如汽车的传动系统、内燃机的连杆等。

常用的传动形式如下：

1）机械传动：利用传动机构作为工作介质，以实现机器的原动机与工作机构之间的转速（速度）、转矩（力）或运动形式的传递。

2）液压传动：采用液压元件，利用液体作为工作介质，以压力和流量实现机器的原动机与工作机构之间的转速（速度）、转矩（力）或运动形式的传递。

3）气压传动：采用气压元件，利用气体作为工作介质，以压力和流量实现机器的原动机与工作机构之间的转速（速度）、转矩（力）或运动形式的传递。

4）电气传动：采用电气设备和电子元件，利用调整其电压、电流及控制波等实现能量和控制的传递。

（4）控制部分

控制部分使以上3个部分彼此协调运作，并准确、安全、可靠地完成整机功能的组成部分，如汽车的转向系统、制动系统、内燃机的配气机构等。它包括机械控制、电气控制、液压控制和气压控制系统等。

以上4个部分中，执行部分和传动部分是机器的主体。