作者：唐林虎
出版社：电子工业出版社
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机械设计基础试读：
前言
本书是根据教育部制定的“高职高专教育机械设计基础课程教学基本要求”和“高职高专教育专业人才培养目标及规格”的要求编写的。
编写过程中，不仅吸收了兰州工业学院国家级精品课程《机械设计基础》在建设与完善中积累的许多宝贵经验与成果，而且借鉴了诸多兄弟院校同仁的教学成果，可以说该书是一本面向21世纪、具有较大改革力度的机械设计基础教材。突出了高职高专教育以培养生产、服务、技术和管理第一线的高级应用型人才为目标的特点，从培养学生的初步设计与应用能力出发，重点培养学生的创新意识与工程实践能力。
本书有如下特点：（1）按课程内容本身的内在联系和模块教学要求，建立了“机构的组成和机械设计概论”、“常用机构”、“机械传动”、“轴系零部件”、“综合练习”5 个模块。书中打“*”号的部分内容是为了拓宽与该课程密切相关的知识面，供不同专业在教学中酌情取舍。（2）每章前面简要提出了教学要求、重点与难点及技能要求，使学生学习时能有的放矢。技能要求是为了培养学生的工程实践能力与创新意识而设置的同步实验项目，教师可根据本校资源及培养学生的要求酌情取舍。教材内容上力求突出应用、拓宽视野，尽量减少公式推演，讲求实用，方便教学，叙述简明扼要，全书均采用新颁布的国家标准规范。（3）每章选有实用性较强的工程实例进行详细讲解，以方便学生在课程设计过程中参考。选用的课后习题紧扣教学大纲，注重实战，以判断题、选择题、综合题的形式给出。（4）为配合广大师生使用本教材，编者制作了汇集图、文、声、视频，以及课后习题与综合练习答案等内容的电子课件，广大读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后进行下载。（5）为实时更新本教材相关的教学资源，广大师生可在兰州工业学院国家级精品课程网站下载《机械设计基础》课程相关的教学大纲、授课教案与计划、电子课件、试题等资料。
本书第1、10章由西北民族大学张季惠编写，第2～4章及附录A由兰州工业学院张玲编写，第5、13章由兰州工业学院李彦晶编写，内容简介，前言，第6、7章及附录B由兰州工业学院唐林虎编写，第8、9、11章由兰州工业学院张亚萍编写，第12章由张季惠与李彦晶共同编写。唐林虎担任主编并负责全书的统稿，张亚萍、张季惠担任副主编。
本书由兰州理工大学博士生导师黄建龙教授精心审阅，并提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。
本书编写过程中得到兰州工业学院国家级精品课程《机械设计基础》负责人郭攀成教授等老师的大力支持，谨向他们表示感谢。
恳请读者对书中的缺点和不妥之处进行指正。
编者第1章 总论
教学要求（1）明确学习本课程的目的、内容、特点及方法；（2）理解机械的组成；（3）掌握机器、机构、构件和零件等专业术语的含义及区别、联系；（4）了解机械设计的基本要求和设计步骤。
重点与难点
重点：机器、机构、构件和零件之间的区别与联系，机械设计的基本要求和一般步骤。1.1 机械设计的发展及机械系统的组成1.1.1 机械设计发展概述
机械设计是人类长期生产实践中一项重要的创造性活动，同时也是一门应用科学，是研究机械类产品的设计、开发、改造，以满足经济发展和社会需求的科学。机械发展的历史是一部创新的历史，机械设计的发展按时间可分为三个阶段：从古代社会至17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段；从17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计阶段；从第二次世界大战结束至今为现代机械设计阶段。
1.机械设计起源和古代机械设计
石器的使用标志着机械设计起源和古代机械设计阶段的开始。在浙江余姚河姆渡（见图1-1）、河南郑裴李岗等遗址中发现了七八千年以前制造相当精致的农具，如石铲（见图1-2）等。图1-1 余姚河姆渡遗址图1-2 石铲
在四千多年以前，我国已经发明了车、船、农具和许多生活用具，在我国古代文献中随处可见机械产品与人民生活的密切联系，如图1-3所示。图1-3 周易中记载的机械产品
此外，在武器、纺织机械等方面也有着许多发明。到秦汉时期，我国机械设计和制造已达到相当高的水平，在世界机械工程史上占有十分重要的位置，如图1-4所示。图1-4 秦汉时期的机械产品
在我国古代，机械发明、设计者与制造者是统一的。如唐代的李皋对车船的改进起了承前启后的作用，北宋的苏颂和韩公廉等制成的木构水运仪象台，能用多种形式表现天体时空的运行，它由水力驱动，其中有一套擒纵机构。水运仪象台代表了当时的机械设计水平，是当时世界先进的天文钟。
唐代我国机械发展进入一个新时期，与许多国家开展了经济、文化和科学技术的交流。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展。如造纸、纺织、农业、矿业、陶瓷、印染、兵器等有了新的进展（见图1-5），这标志着我国的机械设计水平提高了一大步。图1-5 唐代的机械产品
在国外，这一时期以16世纪达·芬奇的创造活动为顶点，由于作为机械设计的基础知识——力学尚未成熟，因此这一阶段设计的最高水平就是达芬奇所构想的齿轮、螺旋（见图1-6）。而中国的记里鼓车和秦代出现的齿轮传动则比达·芬奇更早达到这个水平。
2.近代机械设计
到了近代，特别是从18世纪初到19世纪40年代，由于经济社会等诸多原因，我国的机械行业发展停滞不前，在这100多年的时间里，正是西方资产阶级政治革命和产业革命时期，机械科学技术飞速发展，远远超过了我国的水平。图1-6 达·芬奇的机械设计图
17世纪欧洲的航海、纺织、钟表等工业的兴起，提出了许多技术问题。1644 年英国组建了“哲学学院”，德国成立了实验研究会和柏林学会。1966年，法国、意大利也成立了研究机构。在这些机构中工作的意大利人伽利略提出了自由落体定律、惯性定律、抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验。英国人牛顿提出了运动的三大定律，并于1688年提出了计算流体黏度的阻力公式，奠定了古典力学的基础。1705年伯努利提出了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论，为18世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持。1764年英国人瓦特发明了蒸汽机，为纺织、采矿、冶炼、船舶、食品、铁路等工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速发展，从而进入产业革命时代。
近代机械设计这一时期，对机械设计提出了很多要求，各种机械的载荷、速度、尺寸都有了很大的提高，因此机械设计理论也在古典力学的基础上得到了迅速发展。材料力学、弹性力学、流体力学、机械力学、疲劳强度理论等都取得了大量的成果，建立了自己的学科体系。
3.现代机械设计
第二次世界大战之后，现代社会机械广泛应用于生产、生活等各个领域（见图1-7），并已成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志。作为机械设计理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发展。摩擦学、可靠性分析、机械优化设计、有限元运算，尤其是计算机在机械设计中迅速推广，使设计速度和质量都有了大幅提高，使现代机械设计具有明显的时代特色。图1-7 仿人机器人
我国在现代机械设计方面起步较晚，中国机械工程协会于1983年5月才召开了“第一次机械设计方法学讨论会”，但经过多年的努力，我国在现代设计方法的研究方面已经取得了可喜的成绩，现在的中国可以自豪地称为“世界的工厂”，“Made in China”已是世界闻名。但同世界上先进的国家相比，我国的机械设计还是相对落后的。
这一时期还没有结束，我国的机械科学技术还将向更高的水平发展。只要我们能够采取正确的方针、政策，用好科技发展规律并勇于创新，我国的机械工业和机械科技一定能够振兴，重新引领世界机械工业的发展潮流。1.1.2 机械系统的组成
一台轿车（见图1-8）由动力部分、传动部分、执行部分、控制系统和辅助系统五部分组成。图1-8 小型轿车的组成
由上述实例分析可知，一部完整的机器，从功能和系统的角度看，一般由动力部分、传动部分、执行部分组成。机器除了这三个基本部分外，还会根据需要，增加其他部分，如控制系统和辅助系统等，它们之间的关系如图1-9所示。图1-9 机械系统的组成
1.动力部分
动力部分是驱动整部机器以完成机器预定功能的动力源，包括动力机及其配套装置，如轿车中的发动机。
2.执行部分
执行部分包括执行机构和执行构件，其功能是驱动执行构件按给定的运动规律运动，以实现预期的工作，即为完成机器预定功能的组成部分，如轿车的车轮。
3.传动部分
传动部分是把动力部分的运动和力传递给执行部分的中间装置，如轿车中的离合器、变速箱、传动轴、差速器等。传动部分的质量往往决定了整个机器的质量。
4.控制系统
控制系统是使动力部分、传动部分、执行部分彼此协调工作，并准确可靠地完成整机功能的装置，如轿车中的转向盘、排挡杆、刹车、节气门等。
5.辅助系统
辅助系统使机器能更好地完成预定功能，包括照明灯、消音减震设备、冷却、润滑和降温设备等，如轿车中的仪表、车灯、刮水器等。1.1.3 机器、机构、零件、构件与部件
1.机器
人们在生产和生活中广泛使用着各种类型的机器，如内燃机、起重机、金属切削机床、汽车、洗衣机、缝纫机、电视机等。
如图1-10所示的单缸内燃机由气缸体1、活塞2、进气阀3、排气阀4、推杆5、凸轮6、连杆7、曲轴8、大齿轮9、小齿轮10等构件组成。活塞的往复直线运动通过连杆转变为曲柄的连续转动。凸轮和推杆是用来打开或关闭进气阀和排气阀的。为保证曲轴每转两周进、排气阀各开闭一次，在曲轴和凸轮之间安装了齿数比为1：2的一对齿轮。这样，当燃料在气缸内燃烧产生的燃气推动活塞运动时，进、排气阀有规律地开闭，不断将燃气的热能转换为曲轴的机械能。
由此可见，机器是人们根据使用要求设计的一种具有执行机械运动功能的装置，用来变换或传递能量、物料与信息，从而代替或减轻人类的体力劳动或脑力劳动。
各类机器都有着以下共同的特征：（1）由许多构件经人工组合而成。（2）这些构件之间具有确定的相对运动。（3）可代替人的劳动，转换机械能（如内燃机可将热能转换为机械能）或完成有用的机械功（如金属切削机床的切削加工）。图1-10 单缸内燃机1—气缸体；2—活塞；3—进气阀；4—排气阀；5—推杆；6—凸轮；7—连杆；8—曲轴；9—大齿轮；10—小齿轮
2.机构
具有机器前两个特征的多构件组合体称为机构。机构能实现一定规律的运动，例如在图1-10所示的单缸内燃机中主要包括以下三类机构：由曲柄、连杆、活塞和气缸体组成的曲柄滑块机构，可把往复直线运动转变为连续的转动；由大、小齿轮和气缸体组成的齿轮机构，可改变转速的大小和方向；由凸轮、顶杆和气缸体组成的凸轮机构，可将连续转动转变为预定规律的往复移动。
从功能上看，机器和机构的根本区别是：机构只能传递运动和动力，而机器除了能够传递运动和动力以外，还包含有电气、液压等控制装置，能够完成能量（信息）的传递、转换或做有用的机械功。因此机器由机构组成，一部机器可包含不同的机构，不同的机器可能包含相同的机构。
机器和机构一般总称为机械，即为本课程的研究对象。
3.零件
任何一台机器都是由零件组成的，如齿轮、螺钉、螺母等。所谓零件，就是指机器中每一个最基本的制造单元体。机械中的零件分为两类，一类是通用零件，即各种机械中普遍采用的零件，如齿轮、螺钉、键、链、轴、螺栓、螺母、轴承、弹簧（见图1-11）等；另一类是专用零件，只用于某些类型的机械中，并具有特殊的功能，如涡轮机的叶片、内燃机的曲轴（见图1-12）等。图1-11 通用零件图1-12 专用零件
4.构件
在分析机器的运动时可以看出，并不是所有的零件都能单独地影响机器的运动，而是常常由于结构上的需要，把几个零件刚性地连接在一起，作为一个整体而运动。如图1-13所示的单缸内燃机中的连杆，就是由连杆体、连杆盖、螺栓、螺母等零件刚性连接在一起组成的。在机器中，由一个或几个零件所构成的运动单元体称为构件。可见，构件可以是单一零件，也可以是几个零件的刚性连接。构件与零件之间的区别是：构件是运动的单元，而零件是制造的单元。图1-13 连杆1—连杆体；2—轴瓦；3—连杆盖；4—螺栓；5—垫片；6—定位销
5.部件
为实现一定的运动转换或完成某一工作要求，把若干构件组装到一起的组合体称为部件。部件与构件是有原则区别的，部件中的各零件之间不一定具有刚性联系。把一台机器划分为若干个部件，其目的是有利于设计、制造、运输、安装和维修。1.2 本课程的地位、内容与任务
1.本课程的地位
机械是现代社会进行生产和服务的五大要素（人、资金、能量、材料和机械）之一。任何现代产业和工程领域都需要应用机械，即使在人们的日常生活中，也越来越多地应用着各种机械，如汽车、自行车、钟表、照相机、洗衣机、冰箱、空调机、吸尘器等。所以，机械是现代化的一个基础，各专业的工程技术人员为了设计、正确使用、维护和保养这些机械，就必须具备一定的机械设计基础知识。从机械系统的整体来看，根据产业技术的不同，形成了不同的产业机械设计分支学科，但这些专业机械设计中有许多是共性技术，“机械设计基础”课程就是研究这些共性问题的。
因此，机械设计基础是工科院校机械类、机电类和近机类专业的一门重要的技术基础课，实践性和综合性很强，涉及多门学科知识，如机械制图、理论力学、材料力学、工程材料等，对学生学习相关的基础课和专业课程起到承上启下的桥梁作用。
2.本课程的内容
本课程的基本内容包括机械原理和机械零件设计两部分。主要研究一般机械中的机械系统，分析常用机构和零件的工作原理、结构形式、运动特性、设计和计算方法，同时还扼要介绍与本课程有关的一些标准零部件的选用原则及简单机械传动装置的设计方法。
3.本课程的任务
通过对本课程的学习，使学生掌握常用机构和通用零部件的工作原理、结构特点、应用场合和运动设计的方法；具备正确选择常用机械零件的类型、代号等基础知识；获得正确使用和维护机械设备的基本知识；具有运用标准、规范、手册以及查阅有关技术资料的能力，为后续的专业课程及相关的技能训练奠定必要的基础。1.3 本课程学习的目的、方法与特点
1.本课程学习的目的
通过对本课程的学习，使学生对常用机械的传动原理、结构形式、运动特性有正确的了解，初步具备运用机械设计资料来设计常用的机械传动装置和简单机械的能力，为学生将来从事机械新型产品的设计与开发提供必要的理论基础，并使其具备正确使用、维护设备和分析其故障的能力。
2.本课程学习的方法
本课程的研究对象多，内容繁杂，所以在学习过程中，应具体注意以下几点：1）着重理解基本概念
对机械零件，除了对材料进行合理的选择之外，还必须对每个研究对象的基本知识、基本原理、基本设计思路进行归纳总结，并有意识地与力学联系相对照，找到理论基础，与其他研究对象进行比较，掌握其共性与个性，只有这样才能有效提高分析和解决设计问题的能力。
2）建立工程观点
注意理论与实验相结合的原则，不要死记硬背，对于公式中出现的各种因数、参数，要理解其物理意义和对设计结果的影响。同时还应注意，影响零件功能的因素是多种多样的，在确定其尺寸时，不能单纯依赖理论公式进行计算，应在掌握其主要观点的基础上，采用经验公式、半经验公式，甚至采用试算法进行推导。
3）将一般原理和方法与具体运用相结合
机械零件的选材不同、结构设计的差异等都会导致多种设计结果，因此还应具备较多的有关机械方面的一般常识。在日常生活和学习中，多观察、接触实物，尝试用机械设计基础课程中所学到的基本理论和方法进行分析，从而有助于加深对本课程内容的理解。
4）学会创新
学习机械设计不仅在于继承，更在于应用创新。机械科学产生与发展的历程，就是不断创新的历程。只有学会创新，才能不断地提高综合分析与解决工程问题的能力。
3.本课程学习的特点
本课程是从理论性很强的基础课向实践性很强的专业课过渡的一门重要的技术基础课。与基础课相比，更接近工程实际；与专业课相比，有更宽的研究面和更广的适应性。本课程主要分为理论教学、实验教学和实践教学（课程设计）三大环节。该课程专业跨度大、层次多、覆盖面广，是一门应用科学，涉及工程技术的各个领域，由于影响设计的因素不唯一，所以对于相同的设计要求，可能会出现多个设计理念和方案，故对其进行评价时，判断优劣的依据并不唯一。此外，机械设计是一项创造性的工作，是在继承原有优点的基础上进行的创新，而实验教学正是培养学生创新精神和实践能力的重要教学环节。1.4 机械设计的基本要求和一般步骤1.4.1 机械设计的基本要求
1.使用功能要求
设计的机器要保证预定的使用功能。这是机器首先要保证的要求，也是最基本的要求。
2.工作可靠性要求
可靠性是机器在预定的工作期限和规定的条件下，完成规定功能的能力。它是衡量机器质量的一个重要指标，提高机器可靠性的最有效方法是进行可靠性设计。从设计机械的角度看，为保证机械工作可靠，主要考虑强度、刚度、耐磨性、耐热性、稳定性等几方面的因素。
3.经济性要求
机器的经济性主要指设计、使用和维修时的经济成本，是一个综合指标。
为提高设计制造的经济性，在设计时应采用先进的设计理论和方法，力求使参数最优化，以提高设计制造效率，降低设计制造成本。合理地选用材料，确定零件的结构、尺寸，改善零件的结构工艺性，并最大限度地采用标准化、系列化和通用化零部件。
为提高机器使用的经济性，主要考虑提高机器的效率并合理确定机器的寿命。在方案设计及结构设计时，要从传动机构及执行机构的类型、自动化程度等方面充分考虑提高机器的效率。
机器的寿命有功能、技术和经济寿命三种。功能寿命是机器从开始使用至其主要功能丧失而报废所经历的时间；技术寿命是机器从开始使用至其因技术落后而被淘汰所经历的时间；经济寿命是机器从开始使用至其继续使用将导致经济效益显著降低所经历的时间。要提高机器的使用经济性，就要由经济寿命来确定机器更新的最佳时间。
为降低机器的维修成本，在机器的设计阶段，就应从结构、防护、润滑与密封等方面进行考虑，以尽可能少的、方便的维修换取尽可能多的使用经济效益。
4.劳动保护及环境要求
在设计机械时，应考虑省时省力，降低工人的劳动强度，并按照人机工程的观点尽可能减小操作难度。设置完善的安全防护装置，减少噪声，改善机器周围及操作者的环境条件。
5.其他要求
机械设计除上述基本要求外，对不同的机器，还应有不同的特殊要求。如医药、食品、纺织等机械要求保证一定的清洁度，防止污染产品，对金属切削机床要保证一定的精度等。1.4.2 机械设计的一般步骤
机械产品的设计是一个具有创造性的、复杂的劳动过程。大致可分为以下几个阶段：
1.规划阶段
该阶段包括：提出需求，对社会需求进行调研及可行性论证，并制定设计技术任务书。
2.设计及论证阶段
该阶段包括方案设计、技术设计和施工设计。方案设计主要是进行功能原理分析，确定原理方案，对方案进行评价决策，采用最佳的原理方案，此阶段是机械设计的重要阶段。技术设计是指参数设计、总体设计、结构设计、人机工程设计、造型设计等，通过评价决策，拟出装配草图。施工设计包括零部件的设计以及编制各种技术文件，通过评价决策拟出零部件的工作图和总装配图。
3.试制鉴定阶段
该阶段包括试样的试制与检测、产品定型及批量生产。
4.售后服务阶段
该阶段包括维护、维修、报废、回收等。本章小结
本章主要介绍了机械设计的发展、机械系统的组成；机械的基本概念：机械、机器、机构、构件、零件、部件；本课程的地位、性质、内容和学习方法；机械设计的基本要求和一般步骤。单元习题
一、判断题（在每题的括号内打上相应的×或√）
1.构件是加工制造的单元，零件是运动的单元。（）
2.机构就是具有确定相对运动的构件的组合。（）
3.机械是机器与机构的总称。（）
4.减速器是机器。（）
5.螺栓、轴、轴承都是通用零件。（）
6.机构的作用，只是传递或转换运动的形式。（）
7.机构中的主动件和从动件，都是构件。（）
8.机构是机械装配中主要的装配单元体。（）
9.部件中的各零件之间一定具有刚性联系。（）
10.内燃机是直接用来完成一定工作任务的工作机器。（）
二、选择题（选择一个正确答案，将其前方的字母填在括号中）
1.在机械中属于制造单元的是_____。（）
A.零件B.构件C.部件
2.各部分之间具有确定的相对运动的构件的组合体称为_____。（）
A.机器B.机构C.机械
3.在机械中各运动单元称为_____。（）
A.零件B.构件C.部件
4.机构与机器的主要区别是_____。（）
A.机器能变换运动形式
B.各运动单元间具有确定的相对运动
C.机器能完成有用的机械功或转换机械能
5.部件是由机器中若干零件所组成的_____单元体。（）
A.运动B.装配C.制造
6.在电动机中的转子、内燃机中的曲轴、减速器中的齿轮和电风扇叶片中，有_____种是通用零件。（）
A.2 B.3 C.4
7.轿车中的方向盘属于机器的_____。（）
A.动力部分B.执行部分C.控制部分
8.起重机的吊臂和吊钩属于机器的_____。（）
A.动力部分B.执行部分C.控制部分
9.车床的刀架属于机器的_____。（）
A.动力部分B.执行部分C.控制部分
10.属于机床传动装置的是_____。（）
A.电动机B.齿轮机构C.刀架第一篇 常用机构第2章 平面机构运动简图及自由度
教学要求（1）掌握运动副的概念及表示方法，能绘制机构运动简图，特别是原理示意图；（2）掌握自由度的概念及其计算，判定机构是否具有确定的相对运动；（3）能正确识别复合铰链、局部自由度和常见的虚约束。
重点与难点
重点：运动副的概念、自由度的概念及计算，平面机构具有确定运动的条件；
难点：机构运动简图的绘制，自由度的计算。
技能要求
机构运动简图的绘制。2.1 运动副及其分类2.1.1 运动副
机构是由许多构件组合而成的，在机构中，每个构件都以一定的方式与其他构件相互连接，且两构件之间存在一定的相对运动，故这些连接都不是刚性的。这种使两构件直接接触并能保持一定相对运动的可动连接称为运动副。此概念包含三层意思：（1）两个构件：由两个构件构成一个运动副，两个以上的构件则构成多个运动副。（2）直接接触：两个构件只有直接接触才能构成运动副，一旦构件脱离接触失去约束，它们所构成的运动副即不复存在。（3）可动连接：两个构件之间要能存在一定形式的相对运动，形成一种可动连接。显然，若两构件之间是无相对运动的静连接，则二者固结为一个构件，它们之间不存在运动副。2.1.2 运动副的种类
按照形成运动副两构件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。本章重点讨论平面运动副。在平面运动副中，根据两构件之间接触方式的不同，又可分为低副和高副两种。
1.低副
两构件通过面接触而构成的运动副称为低副，运动副元素为两接触面。根据两构件间的相对运动形式不同，低副又分为转动副和移动副。
若组成运动副的两构件只能绕同一轴线作相对转动，则称为转动副或铰链（见图2-1）。当两构件只能沿某一直线相对移动时，称为移动副（见图2-2）。如图1-10所示的内燃机中，活塞和连杆以及曲柄和连杆之间均以转动副相连，活塞与气缸体之间以移动副相连。图2-1 转动副的结构及画法
2.高副
两构件通过点或线接触而构成的运动副称为高副，运动副元素为接触点或接触线。高副中两构件之间的相对运动为沿公切线方向的相对滑动和相对转动。凸轮副和齿轮副均属于高副。凸轮与顶杆之间的连接称为凸轮副，如图2-3所示；两齿轮间用齿廓构成的连接称为齿轮副，如图2-4所示。图2-2 移动副图2-3 凸轮副图2-4 齿轮副2.2 平面机构及其运动简图2.2.1 平面机构的组成
组成平面机构的构件按其运动性质可分为机架、原动件和从动件三种类型。
1.机架
机架是用来支承活动构件的构件。例如各种机床的床身、内燃机中的气缸体等，可用来支承轴、齿轮等活动构件。机架是固定的，所谓固定是相对的，若机械安装在地基上，则机架相对于地面是固定的；若安装在活动的物体上，其机架相对于运动的物体则是固定的，而相对于地面是运动的，如在运动的车、船上等。在一个机构中，机架有且只有一个，它是研究机构运动时作为参考坐标系的构件。
2.原动件
原动件是按照给定的运动规律进行独立运动的构件。该构件输入的运动规律是已知的，如内燃机机构中的活塞，其运动规律取决于进气的时间、气体压力和气体流量等，均是由外界给定的，故又称为输入件。在一个机构中，必须有一个或几个原动件。
3.从动件
从动件是机构中除机架和原动件之外的其他构件，也就是说，该构件是随着原动件运动而运动的其余活动构件，如内燃机中的连杆和曲轴等，可传递和输出运动。2.2.2 平面机构运动简图及作用
在生产中，对已有机构进行分析或在设计新的机构时，需要把机构用图形表示出来。若画出各构件的具体结构来表示其运动情况（特别是对于具有复杂结构的构件），这是很困难的。从运动学的观点看，机构各部分的运动取决于该机构中原动件的运动规律、各运动副的类型和运动尺寸，而与构件的外形和运动副的具体结构无关。因此，为了便于分析，在研究机构的运动时，有必要撇开那些与运动无关的因素。在工程上，用简单的线条和规定的运动副符号来表示构件和运动副，并按比例确定出各运动副之间的相对位置，且能准确表达机构运动特性的简单图形称为机构运动简图。
因此，机构运动简图所表示的主要内容有：机构类型、构件数目、运动副的类型和数目以及运动尺寸等。它能反映出机构的结构特征和运动本质，通过简图可对机构进行结构、运动和动力分析，是研究机构的重要工具。
对于只为了表示机构的组成及运动情况，而不严格按照比例绘制的简图，称为机构示意图。2.2.3 运动副及构件的表示方法
1.运动副的表示方法
机构运动简图中运动副的表示方法如图2-5所示。图2-5（a）表示两个可动构件组成的转动副，图2-5（b），（c）表示两个构件中有一个构件是固定的转动副。
当两个构件组成移动副时，其表示方法如图2-5（d）～（i）所示。其中画有斜线的构件代表机架。
两个构件组成高副时，其表示方法如图2-5（j）所示，画高副简图时应画出两构件接触处的曲线轮廓。图2-5 运动副的表示方法
2.构件的表示方法
机构运动简图中常用构件的表示方法如图2-6所示。图2-6（a），（b）表示参与形成两个运动副的构件；图2-6（c）表示参与形成三个转动副的构件，如果为了表明这是一个构件，可将整个三角形画上斜线；如果同一构件上的三个转动副位于一条直线，其画法则如图2-6（d）所示。其他常用零部件的表示方法可参看附表B中“部分常用的机构运动简图符号”。图2-6 常用构件的表示方法2.2.4 绘制机构运动简图的步骤
绘制平面机构运动简图可按以下步骤进行：（1）观察机构的运动情况，分析机构的具体组成，确定机架、原动件和从动件。（2）由原动件开始，沿着运动传递路线，逐一分析每两个构件之间的运动性质，确定运动副的类型和数目。（3）正确选择运动简图的视图平面。通常选择与各构件运动平面相互平行的平面作为视图平面。（4）绘制机构简图。选择适当的比例，确定出各运动副的相对位置，用简单线条表示的构件将运动副连接起来，即可绘出机构运动简图。
下面以图1-10所示单缸内燃机为例，说明绘制机构运动简图的方法和步骤。
由前述可知，该单缸内燃机主要由三个机构组成，根据绘制机构运动简图的步骤，先找出机构的机架、原动件和从动件。在内燃机中，气缸体是机架，在燃气推动下的活塞是原动件，其余构件都是从动件。
各构件之间的可动连接方式为：活塞2和连杆7、连杆7和曲轴8、曲轴8（小齿轮10）和气缸体1、凸轮轴和气缸体1之间均组成回转副；活塞2和气缸体1、推杆5和气缸体1均组成移动副；小齿轮10和大齿轮9、凸轮6和推杆5组成高副。
选择图1-10所示的各构件运动的平面为视图平面，并按选定的比例尺和测得的尺寸，在图上先绘出轴线固定的两个回转副（曲柄和凸轮轴的回转中心）及两个移动副导路中心线的位置。然后使机构处于某一合适位置，再按各齿轮的节圆半径、凸轮轮廓形状及各构件的长度尺寸，用规定的符号绘出如图2-7所示的机构运动简图。图2-7 单缸内燃机机构运动简图2.3 平面机构的自由度及其计算2.3.1 平面机构的自由度
1.自由度
机构中各构件相对于机架所能完成的独立运动的数目称为自由度。
未组成机构之前的构件都是自由构件，任一作平面运动的自由构件的自由度为3。如图2-8所示，构件可沿任意一点A作X方向的运动、Y方向的运动和绕A点（在XOY平面内）的转动。机构由多个构件通过运动副连接而成，当两个构件组成运动副之后，任一构件的运动将受到限制，相应的自由度数目就随之减少，这种限制称为约束。约束增加，自由度相应减少，约束数目的多少取决于运动副的类型。如低副中的转动副（见图2-1）约束了构件沿X轴和Y轴方向移动的自由度，只剩下在XOY平面内转动的自由度。移动副（见图2-2）约束了构件沿某一轴（X或Y轴）方向移动的自由度和在XOY平面内转动的自由度，只剩下了沿另一轴（Y或X轴）方向移动的自由度。凸轮高副（见图2-3）和齿轮高副（见图2-4）约束了两构件在接触处的法向运动。可见，在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度，剩下一个自由度。高副只引入一个约束，剩下两个自由度。图2-8 平面自由构件的自由度
2.自由度的计算
整个机构的自由度数目可通过总的活动构件数目和机构中各类运动副的数目进行计算。设某个平面机构中有N个构件，除去机架，活动构件有n=N-1个，在不受约束时，即在组成机构之前，自由构件共有3n个自由度，若把这些构件及机架用 P 个低副和 P 个高副进行LH连接组成机构，则构件共受到2P+P个约束。因此平面机构自由度LH数目就等于机构中所有活动构件的自由度数目减去所有运动副引入的约束数目的差值，即平面机构自由度数目的计算公式为图2-9 铰链四杆机构运动简图【例2-1】求图2-9所示的铰链四杆机构的自由度。
解：该机构中共有3个活动构件（构件1、2、3），4个低副（转动副），没有高副，即n=3，P=4，P=0。代入式（2-1），得LH
F=3×3-（2×4+0）=1【例2-2】求图2-7中所示的内燃机机构的自由度。
解：从图2-7所示的单缸内燃机机构运动简图中可以看出，曲轴8和小齿轮10固联，大齿轮9与凸轮6固联，故分别只能看成一个构件。因此该机构共有5个活动构件，即n=5。组成4个回转副和2个移动副，P=6。两个高副（凸轮副和齿轮副），P=2。代入式LH（2-1），计算得
F=3×5-（2×6+2）=12.3.2 机构具有确定运动的条件
由例2-1可知铰链四杆机构的自由度为1，说明该机构所有活动构件相对机架只能有一个独立的运动，也就是该机构应当只有一个原动件。设与机架相连的构件1为原动件，若对其给定一个运动参数值φ，1则所有从动件（构件2和3）就有一个相应的确定位置。这说明当该机构具有一个原动件时，机构中各构件的运动是确定的。如果设定两个原动件，如构件3也是原动件，则当两个原动件都按各自的运动规律运动时，构件之间的运动相互干涉，很可能会使机构卡住不动，或在薄弱处损坏。图2-10 铰链五杆机构
图2-10所示为一铰链五杆机构。机构中共有4个活动构件（构件1、2、3、4），5个低副（转动副），没有高副。即n=4，P=5，P=0，LH代入式（2-1），计算得F=2。说明该机构应当有两个原动件。假设构件1和4为原动件，并分别以φ和φ表示两个原动件的运动参数，则14每给定一组φ、φ值，从动件2和3便具有相应的确定的位置。如果14只设定一个原动件（构件1），即φ给定，φ未给定，则构件2、3、414既可能处于图中实线位置，也可能处于虚线位置，或其他任意位置。由此可见，在此机构中，只设定一个原动件，则各构件的运动将是不确定的。只有设定两个原动件，且每个原动件只能有一个独立的运动参数时，机构中各构件的运动才是确定的。
图2-11（a）所示的构件系统中，n=2，P=3，P=0。由式LH（2-1），得 F=0，表明该机构所有活动构件相对机架没有独立的运动，也就是说，各构件之间不能产生相对运动。该构件系统称为静定桁架。
由图2-11（b）可知，在原三个构件的基础上多加了一个构件，即n=3，P=5，P=0。由式（2-1），得F=−1＜0，说明结构更不能动。LH因为增加一个构件，便增加3个自由度，同时引进2个低副，约束了4个自由度，多约束1个自由度，故自由度出现负数，这样使得结构更坚固，一般称为超静定桁架。图2-11 平面桁架
若在此构件系统的基础上，再增加R个构件，则结构就多-R个自由度，说明结构更为坚固，都称为超静定桁架。
综上所述：要使得机构能够运动，须有F＞0，否则构件系统将成为静定桁架或超静定桁架，而不是机构；当原动件的个数少于机构的自由度数目时，机构不具有完全确定的运动，此时，称这种机构为动定机构；当原动件的个数多于机构的自由度数目时，机构将在结构最薄弱处因作用力过大而损坏。
因此，机构具有确定运动的条件是：（1）机构的自由度数F＞0。（2）原动件的个数与机构的自由度数目相等。2.3.3 平面机构自由度计算中应注意的问题
由于实际机构比较复杂，在应用式（2-1）计算平面机构自由度时，还应注意以下几个问题：
1.复合铰链
两个以上的构件在同一轴线上以转动副连接形成的运动副称为复合铰链。如图2-12（a）所示为三个构件组成的复合铰链，这三个构件在同一轴线上共组成两个转动副（见图2-12（b））。以此类推，若有k个构件，在同一轴线上以复合铰链进行连接，则构成的转动副数目应为k-1个。因此在计算自由度时，应注意机构中是否存在复合铰链，以免数错运动副的数目。【例2-3】计算图2-13所示平面机构的自由度，并判断该机构是否具有确定的运动。
解：由图2-13（a）可知，这是一个六构件机构，其中构件6为机架，构件1为原动件，即n=5。B点处是由构件2、3、4构成的两个同轴转动副，如图2-13（b）所示。其中，构件4与构件2、3分别铰接构成转动副Z、Z，两个转动副均绕着轴线B转动。这个复合铰链计4243算自由度时应按2个转动副计算。故机构中共有6个转动副、1个移动副，即低副数P=7，高副数P=0，则机构的自由度为LH
F=3×5-（2×7+0）=1
构件1为原动件，该机构具有确定的运动。图2-12 复合铰链图2-13 带复合铰链机构
2.局部自由度
机构中常出现一种与机构的主要运动无关的自由度，称为局部自由度，在分析机构自由度时不应计算在内。
如图2-14（a）所示的凸轮机构，随着主动件凸轮1的顺时针转动，从动件2作上下往复运动，为了减小摩擦和磨损，在凸轮1和从动杆2之间加入滚子3。即n=3，P=3，P=1。则该凸轮机构的自由LH度F=3×3-2×3-1×1=2。说明该机构相对机架可以有两个独立的运动，即原动件凸轮1和滚子3的转动。但无论滚子3是否绕A点转动，都不会改变从动杆2的运动，因而滚子3绕A点的转动属于局部自由度，计算机构自由度时应将滚子和从动杆看成一个构件。对于此机构，应按n=2，P=2，P=1计算，计算得出F=1。LH图2-14 局部自由度
如图2-14（b）所示为滚动轴承的结构示意图。为减小摩擦，在轴承的内外圈之间加入了滚动体3，但是滚动体是否滚动对轴的运动毫无影响，滚动体的滚动也属于局部自由度，计算机构自由度时可将内圈1、外圈2、滚动体3看成一个整体。
3.虚约束
在机构中，对机构的运动不产生实际约束效果的重复约束称为虚约束。在计算机构自由度时亦应予以排除。由于虚约束在实际机构中的表现形式各不相同，因而与复合铰链和局部自由度相比，虚约束的鉴别要复杂一些。平面机构的虚约束常出现于下列情况中：
1）两构件间形成多处具有相同作用的运动副
如图2-15（a）所示，轮轴2与机架1在A、B两处形成转动副，其实两个构件只能构成一个运动副，这里应按一个运动副计算自由度。又如图2-15（b）所示，在液压缸的缸筒2与活塞1、缸盖3与活塞杆4两处构成移动副，实际上缸筒与缸盖、活塞与活塞杆是两两固联的，只有两个构件而并非四个构件，这两个构件也只能构成一个移动副。图2-15 两构件间形成多处运动副的虚约束
2）两构件上连接点的运动轨迹重合
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