第2章机构的结构分析
1．判断题
（1）机构能够运动的基本条件是其自由度必须大于零。 （错误 ）
（2）在平面机构中，一个高副引入两个约束。 （错误 ）
（3）移动副和转动副所引入的约束数目相等。 （正确 ）
（4）一切自由度不为一的机构都不可能有确定的运动。 （错误 ）
（5）一个作平面运动的自由构件有六个自由度。 （错误 ）
2．选择题
(1) 两构件构成运动副的主要特征是（ D ）。
A ．两构件以点线面相接触 B ．两构件能作相对运动
C ．两构件相连接 D ．两构件既连接又能作一定的相对运动
(2) 机构的运动简图与（ D ）无关。
A ．构件数目 B ．运动副的类型
C ．运动副的相对位置 D ．构件和运动副的结构
(3) 有一构件的实际长度L =0.5m ，画在机构运动简图中的长度为20mm ，则画此机
构运动简图时所取的长度比例尺μl 是（ D ）。
A ．25 B ．25mm/m C ．1:25 D ．0．025m/mm
(4) 用一个平面低副连接两个做平面运动的构件所形成的运动链共有（B ）个自由度。
A ．3 B ．4 C ．5 D ．6
(5) 在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为（A ）。
A ．虚约束 B ．局部自由度 C ．复合铰链 D ．真约束
(6) 机构具有确定运动的条件是（ D ）。
A ．机构的自由度F ≥0 B ．机构的构件数N ≥4
C ．原动件数W ＞1 D ．机构的自由度F ＞0, 并且F =原动件数W
(7) 如图2-34所示的三种机构运动简图中，运动不确定是( C )。
A ．（a ）和（b ） B ．（b ）和（c ） C ．（a ）和（c ） D ．（a ）、（b ）和（c ）
(a)
(b)
(c)
图2-34
(8) Ⅲ级杆组应由（ B ）组成。
A ．三个构件和六个低副 B．四个构件和六个低副
C．二个构件和三个低副 D ．机架和原动件
(9) 有两个平面机构的自由度都等于１，现用一个有两铰链的运动构件将它们串成一个
平面机构，这时自由度等于（ B ）。
A ．0 B ．1 C ．2 D ．3
(10) 内燃机中的连杆属于（ C ）。
A ．机器 B ．机构 C ．构件 D ．零件
3．简答题
（1）何谓构件？何谓运动副及运动副元素？运动副是如何进行分类的？
解答：构件是机器中每一个独立运动的单元体，是组成机构的基本要素之一。
运动副是由两个构件直接接触而组成的可动连接，是组成机构的基本要素之一。 运动副元素是两构件能够参加接触而构成运动副的表面，如点线面等。
运动副分类：
a) 按两构件接触情况分为低副和高副；
b) 按两构件相对运动情况分为平面运动副和空间运动副；
c) 按两构件产生的相对运动分为转动副、移动副、螺旋副、球面副等；
d) 按引入约束的数目分为Ⅰ级副、Ⅱ级副、Ⅲ级副等；
e) 按运动副始终保持接触的方式分为形封闭运动副和力封闭运动副。
（2）机构运动简图有何用途？它能表示出原机构哪些方面的特征？
解答：方便了解机械的组成和对机械进行运动和动力分析，并表达了机械的简单结构及运动传递情况。
机构运动简图能表示出原机构的组成形式，包括构件情况和运动副情况。
（3）何谓机构运动简图？它与机构示意图的区别是什么？
解答：根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，用规定的运动副及常用机构运动简图的代表符号和一般构件的表示方法将机构的运动传递情况表示出来的简化图形称为机构运动简图。
只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，也可以不按严格的比例来绘制简图，通常把这样的简图称为机构示意图。
（4）机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？
解答：机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目等于机构的自由度数目。
当机构的原动件数少于机构的自由度时，机构的运动不确定；当机构的原动件数多于机构的自由度时，机构不能正常运转，严重时将损坏机构中最薄弱的环节。
（5）在计算平面机构的自由度时，何为复合铰链、局部自由度和虚约束？在计算自由度时如何处理？
解答：复合铰链指两个以上的构件在同一处以转动副相连接，在计算自由度时，若存在由m 个构件组成的复合铰链，则有（m-1）个转动副；
局部自由度是指在有些机构中，某些构件所产生的并不影响其他构件运动的局部运动，的自由度为局部自由度。在计算整个机构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度去除不计。
虚约束是指在机构中，对机构的运动起重复约束作用的约束称为虚约束。在计算机构的自由度时，应从机构的约束数中减去虚约束数。
（6）既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机构中为什么又常常存在虚约束?
解答：在实际机构中又常常引入虚约束为了用来改善机构的受力状况：使机构受力状态更合理、使机构平衡、 考虑机构在特殊位置的运动等。
（7）在图2-21所示的机构中，在铰链C 、B 、D 处，被连接的两构件上连接点的轨迹都是重合的，那么能说该机构有三个虚约束吗？为什么？
解答：不能。因为对于铰链C 、B 、D 处，被连接的两构件上连接点的轨迹重合都是由其它两处制约而形成的，所以只能算作一个虚约束。
（8）请说出自己身上腿部的髋关节、膝关节和踝关节分别可视为何种运动副？ 解答：髋关节和踝关节可视为球面副，膝关节可视为球销副。
（9）何谓机构的组成原理？何谓基本杆组？它具有什么特性？
解答：机构的组成原理：任何机构都可以看作是有若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上而构成。
基本杆组：不能再拆分的最简单的自由度为零的构件组，特性为不可再分、自由度为零。
（10）如何确定基本杆组的级别及机构的级别？
解答：基本杆组的级别：杆组中包含有最多运动副的构件的运动副数。
机构的级别：机构中最高级别基本杆组的级别。
4．计算题
（1）图2-35所示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮输入，使轴A 连续回转，而固定在轴A 上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构，将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图，分析其是否能实现设计意图，并提出修改方案。
3
2
4
A
1
5
图 2-35
解答：机构运动简图如解图2-35a 所示，因其活动构件数n =3，p L =4，p H =1，所以得机构自由度为
F =3n -(2P L +P H ) =3⨯3-(2⨯4+1) =0，故该设计者的设计意图不能实现。修改方案如解图2-35b 所示。
解图2-35a 解图2-35b
（2）在图2-36所示偏心轮机构中，1为机架，2为偏心轮，3为滑块，4为摆轮。试绘制该机构的运动简图，并计算其自由度。
B A 2
1
C
4 3
图2-36
解答：
绘制该机构的机构运动简图：题解图2-36a ）曲柄摇块机构；题解图2-36b ）摆动导杆块机构。
解题分析：偏心轮2绕固定铰链点A 转动，其几何中心B 与A 点之间距离AB 为偏心距，亦为曲柄长度。摆轮4绕其固定中心C 摆动，滑块在摆轮
4的滑槽中移动，故此机构看成4为摇块、3为导杆的曲柄摇块机构，也可看成4为摆动导杆、3为滑块的摆动导杆机构。
计算该机构的自由度：F =3n -(2P L +P H ) =3⨯3-(2⨯4+0) =1
（3）图2-37所示为冲床刀架机构，当偏心轮1绕固定中心A 转动时，构件2绕活动中心C 摆动，同时带动刀架3上下移动。B 点为偏心轮的几何中心，构件4为机架。试绘制该机构的机构运动简图，并计算其自由度。
1
B
4
A 2 3
C
图-37
解答：
绘制该机构的机构运动简图：题解图2-37（曲柄滑块机构）。解题分析：偏心轮1的回转中心A 与其几何中心B 点之间距离为偏心距，故AB 为曲柄。构件2(连杆) 绕活动中心C 摆动，并带动刀架3（滑块）在机架4的滑槽中上下移动。故该机构为曲柄滑块机构（连杆包括在加大了结构尺寸的滑块内）。 解图2-37
计算该机构的自由度：F =3n -(2P L +P H ) =3⨯3-(2⨯4+0) =1
（4）试计算如图2-38所示的各机构自由度，并明确指出复合铰链、局部自由度和虚约束。
(a) （b ）
（C ）
（d ）
（f ）
(e)
解答： 图2-38
(a) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯8-(2⨯11+1) =1
在C 处存在复合铰链；在F 处有局部自由度；在J 或I 处有虚约束。
(b) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯5+1) =1，滚子为局部自由度；对称处看做虚约束。 (c) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯5+1) =1，滚子为局部自由度；有1处虚约束。 (d) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯5+1) =1，在1处存在复合铰链；没有局部自由度；没有虚约束。
(e) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯9-(2⨯12+2) =1
存在1处复合铰链；1处有局部自由度；1处有虚约束。
(f）F =3n -(2P L +P H ) =3⨯6-(2⨯7+3) =1在3处存在二副复合铰链；没有有局部自由度；没有虚约束。
(5) 如图2-39所示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动 ，以达到刨削加工目的。 试问图示的构件组合是否能达到此目的？ 如果不能，该如何修改？（试提出四种修改方案）。
4
1 2
3
解答：此方案有组成原理上的错误，因为它的自由度为零，不能运动。图2-39 F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯6+0) =0，修改方案如解图2-39a,b,c,d 。
解图2-39a 解图2-39b
解图2-39c 解图2-39d
第2章机构的结构分析
1．判断题
（1）机构能够运动的基本条件是其自由度必须大于零。 （错误 ）
（2）在平面机构中，一个高副引入两个约束。 （错误 ）
（3）移动副和转动副所引入的约束数目相等。 （正确 ）
（4）一切自由度不为一的机构都不可能有确定的运动。 （错误 ）
（5）一个作平面运动的自由构件有六个自由度。 （错误 ）
2．选择题
(1) 两构件构成运动副的主要特征是（ D ）。
A ．两构件以点线面相接触 B ．两构件能作相对运动
C ．两构件相连接 D ．两构件既连接又能作一定的相对运动
(2) 机构的运动简图与（ D ）无关。
A ．构件数目 B ．运动副的类型
C ．运动副的相对位置 D ．构件和运动副的结构
(3) 有一构件的实际长度L =0.5m ，画在机构运动简图中的长度为20mm ，则画此机
构运动简图时所取的长度比例尺μl 是（ D ）。
A ．25 B ．25mm/m C ．1:25 D ．0．025m/mm
(4) 用一个平面低副连接两个做平面运动的构件所形成的运动链共有（B ）个自由度。
A ．3 B ．4 C ．5 D ．6
(5) 在机构中，某些不影响机构运动传递的重复部分所带入的约束为（A ）。
A ．虚约束 B ．局部自由度 C ．复合铰链 D ．真约束
(6) 机构具有确定运动的条件是（ D ）。
A ．机构的自由度F ≥0 B ．机构的构件数N ≥4
C ．原动件数W ＞1 D ．机构的自由度F ＞0, 并且F =原动件数W
(7) 如图2-34所示的三种机构运动简图中，运动不确定是( C )。
A ．（a ）和（b ） B ．（b ）和（c ） C ．（a ）和（c ） D ．（a ）、（b ）和（c ）
(a)
(b)
(c)
图2-34
(8) Ⅲ级杆组应由（ B ）组成。
A ．三个构件和六个低副 B．四个构件和六个低副
C．二个构件和三个低副 D ．机架和原动件
(9) 有两个平面机构的自由度都等于１，现用一个有两铰链的运动构件将它们串成一个
平面机构，这时自由度等于（ B ）。
A ．0 B ．1 C ．2 D ．3
(10) 内燃机中的连杆属于（ C ）。
A ．机器 B ．机构 C ．构件 D ．零件
3．简答题
（1）何谓构件？何谓运动副及运动副元素？运动副是如何进行分类的？
解答：构件是机器中每一个独立运动的单元体，是组成机构的基本要素之一。
运动副是由两个构件直接接触而组成的可动连接，是组成机构的基本要素之一。 运动副元素是两构件能够参加接触而构成运动副的表面，如点线面等。
运动副分类：
a) 按两构件接触情况分为低副和高副；
b) 按两构件相对运动情况分为平面运动副和空间运动副；
c) 按两构件产生的相对运动分为转动副、移动副、螺旋副、球面副等；
d) 按引入约束的数目分为Ⅰ级副、Ⅱ级副、Ⅲ级副等；
e) 按运动副始终保持接触的方式分为形封闭运动副和力封闭运动副。
（2）机构运动简图有何用途？它能表示出原机构哪些方面的特征？
解答：方便了解机械的组成和对机械进行运动和动力分析，并表达了机械的简单结构及运动传递情况。
机构运动简图能表示出原机构的组成形式，包括构件情况和运动副情况。
（3）何谓机构运动简图？它与机构示意图的区别是什么？
解答：根据机构的运动尺寸，按一定的比例尺定出各运动副的位置，用规定的运动副及常用机构运动简图的代表符号和一般构件的表示方法将机构的运动传递情况表示出来的简化图形称为机构运动简图。
只是为了表明机构的运动状态或各构件的相互关系，也可以不按严格的比例来绘制简图，通常把这样的简图称为机构示意图。
（4）机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？
解答：机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目等于机构的自由度数目。
当机构的原动件数少于机构的自由度时，机构的运动不确定；当机构的原动件数多于机构的自由度时，机构不能正常运转，严重时将损坏机构中最薄弱的环节。
（5）在计算平面机构的自由度时，何为复合铰链、局部自由度和虚约束？在计算自由度时如何处理？
解答：复合铰链指两个以上的构件在同一处以转动副相连接，在计算自由度时，若存在由m 个构件组成的复合铰链，则有（m-1）个转动副；
局部自由度是指在有些机构中，某些构件所产生的并不影响其他构件运动的局部运动，的自由度为局部自由度。在计算整个机构的自由度时，应从机构自由度的计算公式中将局部自由度去除不计。
虚约束是指在机构中，对机构的运动起重复约束作用的约束称为虚约束。在计算机构的自由度时，应从机构的约束数中减去虚约束数。
（6）既然虚约束对于机构的运动实际上不起约束作用，那么在实际机构中为什么又常常存在虚约束?
解答：在实际机构中又常常引入虚约束为了用来改善机构的受力状况：使机构受力状态更合理、使机构平衡、 考虑机构在特殊位置的运动等。
（7）在图2-21所示的机构中，在铰链C 、B 、D 处，被连接的两构件上连接点的轨迹都是重合的，那么能说该机构有三个虚约束吗？为什么？
解答：不能。因为对于铰链C 、B 、D 处，被连接的两构件上连接点的轨迹重合都是由其它两处制约而形成的，所以只能算作一个虚约束。
（8）请说出自己身上腿部的髋关节、膝关节和踝关节分别可视为何种运动副？ 解答：髋关节和踝关节可视为球面副，膝关节可视为球销副。
（9）何谓机构的组成原理？何谓基本杆组？它具有什么特性？
解答：机构的组成原理：任何机构都可以看作是有若干个基本杆组依次连接于原动件和机架上而构成。
基本杆组：不能再拆分的最简单的自由度为零的构件组，特性为不可再分、自由度为零。
（10）如何确定基本杆组的级别及机构的级别？
解答：基本杆组的级别：杆组中包含有最多运动副的构件的运动副数。
机构的级别：机构中最高级别基本杆组的级别。
4．计算题
（1）图2-35所示为一简易冲床的初拟设计方案。设计者的思路是：动力由齿轮输入，使轴A 连续回转，而固定在轴A 上的凸轮2与杠杆3组成的凸轮机构，将使冲头4上下运动以达到冲压的目的。试绘出其机构运动简图，分析其是否能实现设计意图，并提出修改方案。
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A
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图 2-35
解答：机构运动简图如解图2-35a 所示，因其活动构件数n =3，p L =4，p H =1，所以得机构自由度为
F =3n -(2P L +P H ) =3⨯3-(2⨯4+1) =0，故该设计者的设计意图不能实现。修改方案如解图2-35b 所示。
解图2-35a 解图2-35b
（2）在图2-36所示偏心轮机构中，1为机架，2为偏心轮，3为滑块，4为摆轮。试绘制该机构的运动简图，并计算其自由度。
B A 2
1
C
4 3
图2-36
解答：
绘制该机构的机构运动简图：题解图2-36a ）曲柄摇块机构；题解图2-36b ）摆动导杆块机构。
解题分析：偏心轮2绕固定铰链点A 转动，其几何中心B 与A 点之间距离AB 为偏心距，亦为曲柄长度。摆轮4绕其固定中心C 摆动，滑块在摆轮
4的滑槽中移动，故此机构看成4为摇块、3为导杆的曲柄摇块机构，也可看成4为摆动导杆、3为滑块的摆动导杆机构。
计算该机构的自由度：F =3n -(2P L +P H ) =3⨯3-(2⨯4+0) =1
（3）图2-37所示为冲床刀架机构，当偏心轮1绕固定中心A 转动时，构件2绕活动中心C 摆动，同时带动刀架3上下移动。B 点为偏心轮的几何中心，构件4为机架。试绘制该机构的机构运动简图，并计算其自由度。
1
B
4
A 2 3
C
图-37
解答：
绘制该机构的机构运动简图：题解图2-37（曲柄滑块机构）。解题分析：偏心轮1的回转中心A 与其几何中心B 点之间距离为偏心距，故AB 为曲柄。构件2(连杆) 绕活动中心C 摆动，并带动刀架3（滑块）在机架4的滑槽中上下移动。故该机构为曲柄滑块机构（连杆包括在加大了结构尺寸的滑块内）。 解图2-37
计算该机构的自由度：F =3n -(2P L +P H ) =3⨯3-(2⨯4+0) =1
（4）试计算如图2-38所示的各机构自由度，并明确指出复合铰链、局部自由度和虚约束。
(a) （b ）
（C ）
（d ）
（f ）
(e)
解答： 图2-38
(a) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯8-(2⨯11+1) =1
在C 处存在复合铰链；在F 处有局部自由度；在J 或I 处有虚约束。
(b) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯5+1) =1，滚子为局部自由度；对称处看做虚约束。 (c) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯5+1) =1，滚子为局部自由度；有1处虚约束。 (d) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯5+1) =1，在1处存在复合铰链；没有局部自由度；没有虚约束。
(e) F =3n -(2P L +P H ) =3⨯9-(2⨯12+2) =1
存在1处复合铰链；1处有局部自由度；1处有虚约束。
(f）F =3n -(2P L +P H ) =3⨯6-(2⨯7+3) =1在3处存在二副复合铰链；没有有局部自由度；没有虚约束。
(5) 如图2-39所示牛头刨床设计方案草图。设计思路为：动力由曲柄1输入，通过滑块2使摆动导杆3作往复摆动，并带动滑枕4作往复移动 ，以达到刨削加工目的。 试问图示的构件组合是否能达到此目的？ 如果不能，该如何修改？（试提出四种修改方案）。
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1 2
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解答：此方案有组成原理上的错误，因为它的自由度为零，不能运动。图2-39 F =3n -(2P L +P H ) =3⨯4-(2⨯6+0) =0，修改方案如解图2-39a,b,c,d 。
解图2-39a 解图2-39b
解图2-39c 解图2-39d