机构简图：机械设计师的草图

机构简图的用处有两个：

1 ） 抽象&认知：把现实中有形有色的机械机构抽象到原理层面，认清其运动本质。练出一副带有透视的眼睛，看到能动的东西就在脑子里把它转化成连杆、齿轮、铰链、滑块等elements ，然后下意识的去计算它的自由度。这种下意识对机械设计工作是非常有帮助的，习惯的力量。

2 ） 概念设计：工业设计师设计产品从草图开始，机械师设计机械从简图开始。机构简图就是机械设计的草图，这是运动设计的起步点——先搞定简图再丰富实体形态。从机构简图到实体机械是个充满了各种细节的过程，我做了一个案例可以参考： 《机械运动机构设计 (2) ：从简图到实物》 。有时大师的全部价值就体现在一个简图中，后面的环节随便抓一个工程师就能搞定，简图里的创意和概念才是最有价值的。所以，好好学会画机构简图吧。

下面是一个最简单的平面四杆机构的简图：

2. 选择观察平面

首先解释一下 平面机构的概念。作为机械的初学者，一般都是从比较简单的平面机构入手学习。一般而言，符合如下两个条件的就是平面机构：

条件1 ：只需要一个平面视图就可以把机构中所有的运动关系表达清楚；

条件2 ：所有构件在运动过程中均不发生透视变形现象（齿轮除外）。

不符合这两个条件的就是空间机构，需要更复杂的原理去表达。平面机构是空间机构的特例，所以要简单一些。对工业设计而言，掌握平面机构就足够应付绝大多数情况了，如果真的用到空间机构，一般会有两种处理方案：

1 ） 分解：把空间机构拆解为几个平面机构的组合，对它们逐个进行分析；

2 ） 归纳：把空间机构归入一些常见的类型中，然后套用这些类型的已有解决方案，或者干脆找个差不多的改一改就行了——在机械设计中，这种原理层面的“抄袭”不算抄，因为大部分机械机构都是没有专利的，是全民共有财产，欢迎随便用。

对于一个平面机构，选择正确的观察平面是分析或设计的第一步工作。来看一个案例：

这是一个前后轮驱动的两用童车。第一个图是“正常”用法：孩子坐在座位上，踩前轮上的脚蹬前轮驱动前进。第二个图是个另类用法：把座位（连同下面的架子）掀起，变成一个比车把高出一些的扶手，然后脚踩两个后轮之间的曲轴样的脚蹬，通过后轮驱动让车子前进。

如果不知道曲轴是啥，看看下面这个图，发动机上的核心部件：

如果不考虑前轮转弯，这是个典型的平面机构。选择观察平面显然是从右下到左上的视线角度所对着的平面最合适，也就是让轮子看起来是圆的那个平面。从这个观察视角，所有的运动关系都能表达清楚：1 ）车座的起落；2 ）前轮和脚蹬的转动；3 ）后轮和曲轴的转动。并且车子前进过程中任何一个构件都没有发生透视变形——圆没有变成椭圆，杆没有缩成一个点。

三维空间中的形体肯定会有透视缩短现象，比如曲轴的回转轴缩成一个点，但它在这个小车的运动过程中，从头到尾都保持了这种样子，没有发生 透视变形。如果我们从正上方看这个小车，前轮和后轮脚蹬的颈部会随着转动看起来忽长忽短，这才是透视变形。所以俯视图平面不是正确的观察平面，侧视图才是。

3. 选择机架

学过中学物理的都知道，分析运动需要一个参考坐标系，所有物体的运动都以它为准。在分析一个机械产品时，也需要一个参考系，这个参考系就是“机架”，也就是 产品中假定不动的那个构件。

这里的关键词是“产品中”，就是说，机架是产品的一部分。所以研究笔记本电脑不要把桌面当机架，桌面不是笔记本的一部分；研究汽车不要把地面当机架，地面不是汽车的一部分。但是研究学校门口的伸缩闸门可以把地面当机架，因为伸缩门的门框是固定在地面上的，机架实际上是门框而不是地面。初学者把桌面、地面当机架的真不少，参见 《机械机构简图：观察、认知和表达中的问题》。

下面请看题：

这个简易削苹果机的机架是哪个？——那根白色的杆，或者，苹果。因为白杆是插在苹果上的，它们之间没有相对运动，应视作一个整体构件，所以机架是杆或苹果，都一样。

注意，一个机械中只能有一个机架，所有静止不动的构件都属于同一个机架。比如学校门口的伸缩闸门，它有左右两个门框，这两个门框属于同一个机架，它们算同一个构件，因为它们彼此之间没有相对运动。

4. 识别活动构件

还拿上面的两用童车为例，数一数它的活动构件有几个（不考虑前轮转向）：

——座椅上下翻起落下，这算一个活动构件，+1 ；

——轮和脚蹬实际上是一体的，这样才能通过脚蹬带动前轮转动，所以这算一个，+1 ；

——前轮脚蹬两侧的两个脚踏可以在脚蹬上自由转动，+2 ；

——后轮和上面的曲轴是一体的，相对于机架转动，+1 ；

——后轮曲轴上的两个脚踏可以在曲轴上字转动，+2 。

总共有6 个活动构件。

要注意的是，机架和活动构件的概念是相对的，在不同的分析对象中，机架和活动构件会有些差异。比如因为不考虑前轮转向，所以前叉和车架是一体的，它们是同一个构件。在分析前轮驱动运动时，座位和车架是一体的，它们是同一个构件；在分析后轮驱动运动时时，座位和车架也是一体的，只是座位的位置在上面；如果专门分析座位的起落运动，则前轮、后轮、脚踏都跟车架是一体的，因为它们之间没有相对运动——你不可能一边骑车一边调整座位。

5. 构件的简化表达

构件的表达有几种常见的形式。最简单的就是一条线，我们叫它“杆”。杆一般是直线，但也会照顾构件在现实中的真实形态，画成曲线或几何形状，如方块（滑块）、圆（齿轮等回转体）或不规则形状，比如上图那个苹果和竖杆一体的机架。

机架必须明确表达出来，让人一眼就看到哪个是机架。机架有几种常见的表达方法：

一是在构件上画一组表示固定的短斜线，这个构件就被固定了，变成了机架。

另一种是不把机架构件明确画出来，只画出它跟其他活动构件的接触部位，并在那里画出表示固定的短斜线。

下面是几何形状的构件：

上图是一个凸轮，虚线是凸轮转动一个角度后的位置。由于凸轮的形状对从动件的运动有影响，所以要画出来。

6. 相对转动：铰链

两个构件做相对转动时，它们在某一个点上始终保持重合状态，我们就称这个点处有一个铰链，它是两个构件接触的部位。现实中的铰链是这样的：

铰链的画法非常简单，就是一个小圆圈连着两个（或更多）构件。

上图是一个四杆机构，它有四个铰链。

有些著作把铰链画成下面的样子：

这种画法更形象化一些，不嫌麻烦也可以这么画。

注意， 机构简图中的“铰链”是一种结构，不是一个构件。上图中只有两个构件，就是两个杆。如果仔细观察门的合页铰链，会发现里面有根轴。机构分析中不把这根轴当做一个独立的运动构件，而是把他当做跟其中一个构件固定在一起，就像上图中的红色圆圈跟左侧的杆固定在一起。这是一种简化措施，因为这个轴是跟杆固定还是能独立转动，对机构的运动没有任何影响。

7. 相对移动：滑块

一个构件相对于另一个构件的运动方式是平移，我们就把运动的那个构件称为“滑块”。现实中的滑块可以有多种形式：

注意，跟铰链不一样， 滑块是一个构件。

滑块在简图中的表达方式比铰链要多样化，最简单的就是地面（机架）上一个方框：

如果明显是嵌在轨道里移动，可以把轨道两侧都画出来：

注意，上下两侧的轨道属于同一个机架，所有机架都属于同一个构件，所有一个机构里只有一个机架。

如果轨道是根杆，滑块套在轨道上移动，可以画成这样：

滑块也有可能不是一个方框，而是一根杆的形状：

再强调一遍，上面四个机架符号都属于同一个构件。可以去掉其中三个，机构简图完全没有区别，画出四个机架只是为了表达清晰直观，或者好看一些。

缸体是一种常见的滑块形式，气缸或液压缸：

挖掘机上三个液压缸是标配：

下图是常见的气缸产品，中间的轴可伸缩：

缸体的机构简图可以画得直观一些：

要注意的是：这是 两个构件，它们相对运动方式是平移。

“缸体”是一个统称，不一定都是气缸或液压缸。事实上，如果设计中需要一根长度可变的杆，都可以用缸体来表达：

“长度可变的杆”有很多，比如晾衣杆、折叠伞柄、自拍杆、拉杆箱等：

它们在机构简图中都可以用缸体符号来表达。

8. 相互接触：既非转动也非移动

两个构件之间的相互运动关系有时比较复杂，不是简单的相互转动或相互移动，或者说，既有转动也有移动。

看一下黄色的这个构件。作为一个机构，它必须一端与地面保持接触，另一端与滑块保持接触。在保持这两个条件的前提下，我们发现，它跟地面的相对位置关系不是简单的转动或移动，而是一种复合运动关系；同样，它跟滑块的相对位置关系也是如此。

对这种构件之间的相互运动关系，暂且就叫它“接触”。后面还会提到它，这是一种 高副。

在机构简图里，构件之间的运动关系必须清晰：相对转动、相对滑动、相互接触是平面机构里的三种典型情况，基本不会遇到其他（遇到了再单独讨论）。

这种清晰化的表达有时也需要一些简化和省略，比如上面的扳手、游标卡尺、导轨工作台等，都是滑块结构，但是有些局部不在平面视图里——扳手的调节螺旋、游标卡尺的锁紧螺钉、导轨工作台的丝杠。

这些驱动、锁紧、定位等用途的辅助机构有时在讨论机构整体运动是并不需要考虑，在简图中可以暂且忽略。它们通常是局部机构——可以切分出来的局部机构——并不影响整体运动状况，所以把它们单独拿出来研究也是可以的。

9. 构件是一体的还是分离的？

铰链有时不在杆的两端，而是在中间，这时要画清楚铰链和杆的关系，以及铰链两侧到底是一根杆还是两根杆。

上图是一种常见的表达方法，上面的铰链一看就知道是连着两根杆而不是三根，它上下两根杆属于同一个构件。有时在实物上看得很清晰且不会引起误解的结构（如上图），画成简图反而可能会产生歧义，所以一定要表达清楚。返回搜狐，查看更多