机械原理中自由度的概念

发布网友发布时间：2024-10-09 10:30

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热心网友时间：2024-10-28 21:17

机构自由度指的是机构独立运动的数量。当主动件的数量与自由度相同时，机构能够展现出确定的相对运动。这是确保机构运动确定的基本条件。以平面铰链四杆机构为例，当第二个构件按照给定的角位移规律θ2＝θ2(t)运动时，其他构件的运动也将随之确定，因此该机构的自由度为1。在这个机构中，构件2是接受外界独立运动的构件，也就是主动件，其余构件则为从动件。为了使机构具有确定的运动，主动件的数量必须等于机构的自由度。如果主动件的数量少于自由度，如平面铰链五杆机构，仅给定主动件2的角位移规律θ2＝θ2(t)时，其他构件3、4、5的运动并不能确定。反之，如果主动件的数量超过自由度，可能会导致一些主动件因驱动功率较小而变为从动件，或者机构可能会卡住不动，甚至损坏。然而，对于平面铰链五杆机构，如果再给定构件5的角位移规律θ5＝θ5(t)，即同时给定两个独立的运动参数，那么这个五杆机构的运动就完全确定了。
一般而言，机构的自由度可以通过经验根据其几何位置关系直接确定，但通常需要通过计算来验证或进行更深入的分析。在应用平面机构自由度的计算公式时，需要注意复合铰链、局部自由度和虚约束等情况。当几个转动副的轴线重合时，就形成了复合铰链，计算转动副数量时不能忽略这种情况。在凸轮机构中，如果从动件带有滚子，滚子的自转运动被视为局部自由度，计算机构自由度时应排除这种局部自由度。引入局部自由度的主要目的是为了减少磨损。虚约束是一种不起约束作用的约束，例如一根轴通过两个轴承形成两个轴线平行的转动副，其中一个就是虚约束。引入虚约束的目的是提高零件的刚度或帮助机构度过死点，但这也会提高制造和安装的要求；否则，虚约束可能变成实约束，导致机构卡住。