第一章 概 論 學習目標 1. 瞭解機件、機構及機械之定義。 2. 瞭解機件的種類及機構符號與簡圖判讀。 第一章 概 論 學習目標 1. 瞭解機件、機構及機械之定義。 2. 瞭解機件的種類及機構符號與簡圖判讀。 3. 瞭解運動傳達的方式及機件的各種運動。 4. 瞭解運動對與運動鏈分類之判別。 5. 瞭解由機件組成機構再組成機械的原理。

1-0 前言 機械工業是工業之母，舉凡能製造出來的產品都少不了機械的應用。例如生活用品中的紙張、桌椅、剪刀、鐘錶、電腦、汽車、飛機、船艦、太空梭等的製造都需用機械來完成。

機件原理的內涵 機件原理主要是介紹組成機械的機件之種類、用途，及相互間的關係與其原理的應用。 教學目標如下： 1.學生能瞭解各種機件之名稱、規格及用途。 2.學生能瞭解各種運動機構之原理。 3.學生能熟悉各種機件組成機構、機械之功用。

剛體 剛體：在研究機件原理時，假設機件本身均為剛體（rigid body）。所謂剛體就是受外力而不改變形狀的物體，或稱為抗力體。如圖1-1所示，物體內A、B兩點的距離不因外力F作用而伸長或縮短。 圖1-1 剛體

1-1 機件、機構、機械的定義 一、機件 機械中單獨的一件機械元件，稱為機件（machine parts）。機件是構成機械的基本元素，其種類繁多，如螺栓、螺帽、鍵、銷、齒輪…等。

二、機構 兩個或兩個以上的機件組合體，當動其一機件必迫使其他機件做預期的相對運動或限制運動者，稱為機構（mechanism）。如圖1-2車床中之刀座機構、尾座機構、變速機構、床台機構、自動進刀及車萷螺絲機構等皆為機構。

三、機械 多個機件或機構的組合體，可接受外來的能，而將能轉換為功，來作指定工作者稱為機械（machine）。如內燃機、蒸汽機：燃燒燃料產生機械能用以做功。如發電機：接受動能產生電能用以做功。如車床、汽車：利用機械能或電能用以做功。

車床 圖1-2 車床 (台中精機提供)

機械具備的條件 1.由兩個或兩個以上的機構組成。 2.機件間會產生一定的相對運動或限制運動。 3.可將接受的能轉變為輸出得功或其他效能。 以上所述可知機械為機件與機構的組合體，機構為機件的組合體。

機構、結構、機架之區別 機構：是機動學的研究範圍，研究機件間相互運動的情形或機件間運動的傳遞。如四連桿機構。 結構： 属於機械設計的研究範圍。根據機構中每一部份所受力的狀況，來決定各機件應有的大小和形狀。如呆鏈就是属於結構。 機架： 就是固定機件，包括在結構範圍內。

1-2 機件的種類 機件有許多的形狀及各種不同的作用。 但歸納起來，基本機件可分為下列五種： 一、固定機件 二、活動機件 三、結合機件 四、控制機件 五、流體機件

一、固定機件 在固定位置上支持活動機件或限制活動機件的運動。如圖1-2中之機架（座）、電動機馬達之軸承及汽車的底盤等。

二、活動機件 用來傳送動力、傳遞運動或改變運動方向。依運動的方式可分為下列兩種。 1.繞固定軸迴轉或擺動的機件。如軸連接器、帶輪、鏈輪、摩擦輪、齒輪、凸輪等。 2.作線運動的機件。如帶圈、繩圈、鏈圈及滑動機件（如車床之尾座組及鉋床之溜座對床軌之運動）。

三、結合機件 將兩個或兩個以上的機件連接起來，如鉚釘、螺栓（釘）、鍵及銷等。

四、控制機件 用於控制或緩衝運動之機件。如彈簧、制動器之來令片、調速器之機件等。

五、流體機件 用於輸送流體、控制流體之機件。如管子、閥、管接頭等。

1-3 運動傳達方法 一、常用符號： 在討論機件原理時以「運動」為主而不考慮「力」的問題，故機件之形狀與機件間之配合情形，僅以「點、細線或簡單符號」代表之。常用符號列舉如下。

表1-1 常用符號

二、主動件與從動件 主動件：或稱為原動件。在一機構中，首先受到外界賦予之動力，而最先運動的機件，稱之為主動件（driver）。 從動件：凡受主動件影響而產生運動的機件，稱為從動件（follower）。如圖1-3所示，凸輪為主動件，從動件接受凸輪推動而產生上下往復之直線運動。

凸輪機構 凸輪機構：凸輪為主動件，從動件接受凸輪推動而產生上下往復之直線運動。 動畫1-3 圖1-3 凸輪機構

三、運動傳達種類 主動件與從動件間之傳動接觸方式可分為： 1.直接接觸（direct contact）傳動。 2.間接接觸（intermediate contact）傳動。 3.非接觸（non-contact）連接物傳動。

1.直接接觸傳動 直接接觸（direct contact）傳動可分為： (1)滾動接觸。(2)滑動接觸。 (1)滾動接觸： 主動件與從動件接觸點的切線速度相等，而無滑動發生，稱為滾動接觸。如圖1-4所示之摩擦輪。 動畫1-4 圖1-4 外接圓柱摩擦輪

(2)滑動接觸 滑動接觸：主動件與從動件接觸點的切線速度不相等，而產生滑動者，稱為滑動接觸。如車床床台上之床軌與刀具溜座(床鞍)的接觸傳動，如圖1-5。又如兩相嚙合齒輪(漸開線齒輪)，主動齒輪之齒面與被動齒輪之齒面之傳動。

床軌與刀具溜座之滑動接觸 圖1-5 滑動接觸 (台中精機提供)

2、間接接觸傳動 間接接觸（intermediate contact）傳動：主動件與從動件間必須藉中間連接物來傳動。依連接物之不同可分為： (1)剛體連接物。 (2)撓性體連接物。 (3)流體連接物。

剛體連接物：如圖1-6所示曲柄滑塊機構之連桿，能傳送推力及拉力。 (1)剛體連接物 剛體連接物：如圖1-6所示曲柄滑塊機構之連桿，能傳送推力及拉力。 動畫1-6 圖1-6曲柄滑塊機構

撓性體連接物：只能傳送拉力，而不能傳送推力。如圖1-7皮帶、繩索、鏈條等。 (2)撓性體連接物 撓性體連接物：只能傳送拉力，而不能傳送推力。如圖1-7皮帶、繩索、鏈條等。 圖1-7 撓性體中間聯接物

(3)流體連接物 流體連接物：將流體限制於密閉容器中，可傳送推力。如油壓、氣壓機構。

3、非接觸連接物 非接觸（non-contact）連接物：主動件與從動件間利用「超距力」而傳送動力或運動者，如利用電磁作用的磁浮列車、電磁離合器等。

1-4 運動對與運動鏈 一、運動對 (kinematic pair) 兩機件經組合而互相接觸並產生一定之相對運動者，稱為「運動對」，或稱為「對偶」或「副」。 二、運動鏈（kinematic chain） 由數個對偶組合而成的運動連鎖系統，稱為運動鏈。

一、運動對 運動對依維持接觸之方法不同，可分為自鎖對與力鎖對(不完全對)。 運動對依兩機件間接觸性質之不同，可分為低對與高對兩種。

自鎖對與力鎖對 1.自鎖對：是不藉外力作用既能維持接觸者。如螺栓與螺帽的接觸。 2.力鎖對：是須藉著外力作用才能維持接觸者。如車床床台上之床軌與床鞍、火車與鐵軌須藉著「重力」才能維持接觸。

低對與高對 1. 低對（lower pair）： 兩機件係以面接觸者稱為低對。低對又分為六種。 (1) 滑動對（sliding pair） (2) 迴轉對（turning pair） (3) 螺旋對（screw pair） (4) 球面對(globular pair) (5) 圓柱對(cylindrical pair) (6) 平面對(flat pair)

滑動對：兩機件間作直線運動者。如圖1-8所示。 (1) 滑動對 滑動對：兩機件間作直線運動者。如圖1-8所示。 動畫1-8 圖1-8 滑動對

迴轉對：兩機件間作迴轉運動者。如圖1-9所示。 (2) 迴轉對 迴轉對：兩機件間作迴轉運動者。如圖1-9所示。 動畫1-9 圖1-9 迴轉對

螺旋對：兩機件間直線運動與迴轉運動同時進行者。如圖1-10所示。 (3) 螺旋對 螺旋對：兩機件間直線運動與迴轉運動同時進行者。如圖1-10所示。 動畫1-10 圖1-10 螺旋對

球面對：兩機件以球面接觸一件靜止，另一件作球面運動者。如圖1-11所示。 (4) 球面對(globular pair) 球面對：兩機件以球面接觸一件靜止，另一件作球面運動者。如圖1-11所示。 動畫1-11 圖1-11 球面對

圓柱對：兩機件間作直線或迴轉運動或直線與迴轉運動同時進行者。如圖1-12所示。 (5) 圓柱對 圓柱對：兩機件間作直線或迴轉運動或直線與迴轉運動同時進行者。如圖1-12所示。 動畫1-12 圖1-12 圓柱對

平面對：兩機件間以平面與平面接觸，x軸與y軸作直線運動，z軸作迴轉運動者。如圖1-13所示。 (6) 平面對(flat pair) 平面對：兩機件間以平面與平面接觸，x軸與y軸作直線運動，z軸作迴轉運動者。如圖1-13所示。 動畫1-13 圖1-13 平面對

兩機件係以點或線接觸者。如滾珠、滾柱、凸輪等。如圖1-14所示。 2. 高對（higher pair）: 兩機件係以點或線接觸者。如滾珠、滾柱、凸輪等。如圖1-14所示。 動畫1-14 圖1-14 高對

3. 運動對的自由度 運動對(對偶)的「自由度」(degree of freedom)，是指運動對中一機件固定，而另一受約束機件之自由運動的空間，亦稱為可動度(mobility)。

(1)自由度為6 一個自由剛體未受任何約束，不論形狀為何，其自由度為6。即三個軸向(X、Y、Z軸)的平移及三個軸向(X、Y、Z軸)的旋轉。如圖1-15 (a)所示。 圖1-15 (a) 動畫1-15a

運動對受到彼此間的約束而喪失其中的一個或多個自由度。對偶的自由度最少為1，最多為5。如圖1-15 (b)所示。 (2)自由度為5 運動對受到彼此間的約束而喪失其中的一個或多個自由度。對偶的自由度最少為1，最多為5。如圖1-15 (b)所示。 圖1-15 (b) 動畫1-15b

螺旋對本身具有直線與迴轉之相對運動，但因直線運動受拘束，故其自由度只有1。如圖1-15 (c)所示。 (3)自由度為1 螺旋對本身具有直線與迴轉之相對運動，但因直線運動受拘束，故其自由度只有1。如圖1-15 (c)所示。 圖1-15 (c) 動畫1-15c

二、運動鏈 由數個對偶組合而成的運動連鎖系統，稱為運動鏈（kinematic chain）。構成運動鏈的各機件，稱為連桿（link）。 運動鏈的種類依其運動性質可分為三種： 1. 呆鏈（locked chain） 2. 拘束鏈（constrained chain） 3. 無拘束鏈（unconstrained chain）

呆鏈亦稱固定鏈，至少由三根連桿組成，各桿間無相對運動，僅能作整體運動。如圖1-16所示。 1.呆鏈（locked chain） 呆鏈亦稱固定鏈，至少由三根連桿組成，各桿間無相對運動，僅能作整體運動。如圖1-16所示。 圖1-16 三連桿

2.拘束鏈（constrained chain） 至少由四連桿所組成，其各連桿間有確切的相對運動。如圖1-17 圖1-17 四連桿

3.無拘束鏈（unconstrained chain） 凡連桿組中，各連桿間的相對運動無法確定者均為無拘束鏈。如圖1-18所示五連桿組為無拘束鏈。 圖1-18 五連桿

無拘束鏈之解說 如圖1-18所示之五連桿組，如固定1桿，使2桿以順時針方向移動，則3、4、5桿的位置無法確定，故稱之為無拘束鏈。無拘束鏈可固定多餘的連桿，使成為拘束鏈，以供應用。例如在圖1-18中固定3、4桿使成為一體，既為拘束鏈。

運動鏈的種類之判別 設N表運動鏈的連桿數，P 表對偶數，則運動鏈的種類可由下列公式判別之。 (1)若 時則為呆鏈。又稱結構。其自由度為0。 (1)若　　　時則為呆鏈。又稱結構。其自由度為0。 (2)若　　　時則為拘束運動鏈。其自由度為1。 (3)若　　　時則為無拘束運動鏈。其自由度大於1。

[例1] 如圖1-19所示之連桿組，試判別為何種運動鏈。 解：由圖中知：Ｎ＝5，Ｐ＝6 (圈號數字表示對偶數) 代入 則 ，判定為呆鏈 　　代入　　　　　　則　　　　　　，判定為呆鏈 圖1-19 連桿組

如圖1-20所示之連桿組，若四連桿不計在內，則對偶數增加3個，連桿數增加2個，試以觀察法判別，此系為何種運動鏈？ [例2] 如圖1-20所示之連桿組，若四連桿不計在內，則對偶數增加3個，連桿數增加2個，試以觀察法判別，此系為何種運動鏈？ 解：由圖中知：Ｎ＝6，Ｐ＝7 　代入　　　　　　　　則　　　　　　， 　判定為拘束鏈。 圖1-20 連桿組

[例3] 如圖1-21所示之連桿組，試以公式判別為何種運動鏈？ 解：由圖中知：Ｎ＝6，Ｐ＝7 代入 則 ， 所以判定是拘束鏈 　代入　　　　　　　　則　　　　　， 　 所以判定是拘束鏈 圖1-21 連桿組