第一节 机构的组成

机构是多种实物的人为组合，各实物间具有确定的相对运动规律，其组成要素有构件和运动副。

一、构件

构件是组成机构的基本单元，具有独立的运动特性，称作独立的运动单元。机械零件是独立的制造单元。构件可以是一个零件，也可以是由若干个零件刚性连接在一起的一个整体。

例如，一个齿轮是一个单独制造的机械零件，可以抽象为一个具有独立旋转运动的构件，而图1-1所示的内燃机连杆机构则由多个机械零件组成。图1-1（a）所示的连杆由刚性的连杆体1、连杆盖2、轴瓦3、螺栓4、螺母5和轴瓦6等机械零件组成，这些零件间没有相对的运动，它们作为一个刚性的整体做独立的运动。在机构分析设计时，它可以抽象为一个刚性的具有独立运动的“杆”，见图1-1（b）。

依其在机构中的功能，构件分为原动件、从动件和机架。机构中按照给定的运动规律做独立运动的构件称为原动件（运动规律已知的构件）。除原动件以外的其余所有活动构件称为从动件，其运动规律取决于原动件的运动规律、机构结构和构件尺寸（运动规律由原动件主导的构件）。机架为固定不动的构件，相对于地面固定，一般用作描述运动的参考系，如机床床身、车辆底盘、飞机机身（作为参考系的构件）。

多数情况下，原动件也是驱动力所作用的构件，又称主动件或输入件，是输入运动和动力的构件。从动件又称为被动件或输出件，是直接完成机构运动要求，跟随原动件运动的构件。机架是机构中相对静止，支承各运动构件运动的构件。

构件在机构中的组成形式为一个或几个原动件、若干个从动件和一个机架。

二、运动副

机构中各构件之间的运动传递通过构件间的连接来实现，既要使两个构件保持直接接触，又能产生一定的相对运动。由两个构件直接接触而组成的可动连接称为运动副。例如，轴与轴承、轴承中的滚动体与内外圈的滚道、齿轮啮合中的一对齿廓、滑块与导轨，均保持直接接触，并能产生一定的相对运动，因而都构成了运动副。

运动副是能产生相对运动的两个构件的有机组合，是两个构件直接接触且具有确定相对运动的连接部分。形成运动副的条件是：两个构件、直接接触、有相对运动。三个条件，缺一不可。

组成运动副的两构件之间的接触几何特征，如点、线或面，称为运动副元素。

根据构成运动副的接触特性，通常把运动副分为低副和高副。两构件间面接触的运动副称为低副，而两构件间点、线接触的运动副称为高副。

（一）低副

图1-2所示的两种运动副都是以面接触而形成的平面低副，其共同特点是两运动件之间的运动副元素为面。不同之处在于一个运动副为相对转动，另一个为相对移动。前者称为低副中的转动副，后者称为低副中的移动副。

图1-2（a）为转动副，构成转动副的两构件只能在一个平面内相对转动。转动副常称为铰链，活动构件与机架组成的转动副称为固定铰链，两个活动构件组成的转动副称为活动铰链。若构件1固定，则构件2相对构件1沿x轴和y轴的两个相对移动受到限制，构件2只能绕其轴线z转动。

图1-2（b）为移动副，构成转动副的两构件只能在一个平面内相对移动。若构件1固定，则构件2只能相对构件1沿x轴方向移动，而构件2相对构件1沿y轴的相对移动和绕垂直于xOy平面的轴的转动受到限制。

转动副和移动副的运动副元素分别是圆柱面和平面，结构简单，易于获得较高的制造精度。低副为面接触，具有压强小、耐磨损和易于实现几何封闭的特点，但低副中存在间隙，数目较多的低副会引起运动累积误差，设计计算比较复杂，不易精确地实现复杂的运动规律。

（二）高副

图1-3所示的两种运动副都是以点、线接触而形成的平面高副，凸轮与推杆、两齿轮之间的运动副元素为点或线。

图1-3（a）为凸轮副，图1-3（b）为齿轮副。两构件接触时沿公法线nn的相对移动受到限制，两构件之间只能沿公切线tt相对移动，并且可在平面内相对转动，是具有一个运动限制和两个相对运动自由度的平面运动副。

平面高副的运动副元素是点和线，可精确地实现复杂的运动规律，主要用于精密机械或测试仪器中，但高副承受载荷时单位面积压力较高，构件接触处容易磨损，制造维护较为困难。

若机构中所有的运动副均为低副，则称为低副机构；若机构中至少有一个运动副是高副，则称为高副机构。

另外，在机械系统中常用图1-4所示的空间运动副。图1-4（a）所示的是由球面副构成的万向联轴器，图1-4（b）所示的是由螺旋副构成的螺旋机构。在这些运动副中，两构件间的相对运动都是空间运动，称它们为空间运动副。

平面运动副和空间运动副的相对运动特性不同，由于常用机构中多用平面运动副，因此，以下将主要讨论平面运动副。

平面机构的组成要素为构件（原动件、从动件、机架）及平面运动副（低副、高副）。

三、运动链和机构

两个或两个以上构件通过运动副连接而构成的可动系统称为运动链，如图1-5所示。图1-5（a）称为闭式运动链（简称为闭链），运动链中的各构件构成了首末封闭的系统。图1-5（b）、（c）称为开式运动链（简称为开链），运动链中的各构件未构成首末封闭的系统。闭式运动链是指组成运动链的每个构件至少包含两个运动副，组成一个首末封闭的系统。开式运动链的构件中有的构件只包含一个运动副，它们不能组成一个封闭的系统。在各种机械中，一般采用闭式运动链来传递运动和动力，而开式运动链多用在工业机械人、挖掘机等机械中。

一个构件为机架，且构件间有着确定相对运动的构件系统称为机构。机构要实现预期的运动传递和变换，必须使其运动具有可能性和确定性。当机构运动关系确定后，从动件的运动规律由原动件的运动规律主导。

运动链和机构都是由构件和运动副组成的系统。在运动链中，将某一个构件固定为机架，一般情况下，将机架作为参考坐标系。原动件为含低副构件且与机架相连，常以转向箭头表示，其运动规律已知。其余构件（从动件）相对于参考坐标系（机架）按给定的运动规律做独立运动时，如果除机架以外其余所有的构件都能得到确定的运动，该运动链就成为一个机构。

运动链在有确定运动的条件下才能成为机构，做无规则运动的运动链不能成为机构。显然，不能产生构件间的确定运动和不动的构件组合就不是机构。由此可见，无确定运动的构件组合或无规则乱动的运动链都不能实现预期的运动变换。

如图1-6所示，由4个杆件组成的闭式运动链，如果把构件1作为原动件，当构件1以参变量φ1相对于机架运动时，对于每一个确定的φ1值，从动件2、3便有一个确定的位置。由此说明，在具有一个原动件时，构件间的相对运动是确定的，这时运动链成了机构。当给定构件1的位置时，其他构件的位置也被相应地确定。此时，四杆运动链成为四杆机构。

如图1-7所示，由5个杆件组成的闭式运动链，取构件1（或构件4）为原动件，对于给定的φ1（或φ4）值，从动件2、3和构件4（或1）既可以处在实线位置，也可以处在虚线或其他位置，因此，其从动件的位置是不确定的，此种情况下的运动链不能成为机构。如构件1和4皆为原动件，对于每一组给定的φ1和φ4数值，从动件2和3便有一确定的位置。在这种情况下，该运动链的运动是确定的，即该运动链可以成为机构。所以，当五杆运动链有两个原动件时，即原动件数等于独立位置参数的数目时，该运动链有确定的相对运动，此时，五杆运动链即成为五杆机构。