一种新型的窗户——推拉-外开上悬窗设计 毕业论文.docx
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一种新型的窗户——推拉-外开上悬窗设计
目 录
摘要 I
绪论 1
第1章窗的简介 8
1.1窗的种类 8
1.1.1塑钢窗 8
1.1.2敞开全敞无框移动阳 9
1.1.3全能防盗卷帘窗 10
第2章材质选择 12
2.1窗常用材 12
2.1.1塑钢 12
2.1.2铝合 12
2.1.3木质 13
第3章不同种类窗的优劣 15
3.1平开窗 15
3.2推拉窗 15
3.3外开上悬窗 16
第4章两用窗的设计 17
4.1机构的简介 17
4.1.1构件的自由度 18
4.1.2运动副和约束 18
4.1.3构件的种类 19
4.2两用窗的设计 20
4.2.1窗的整体结构 20
4.2.2窗的开启状态 20
4.2.3局部结构 22
4.2.4连接部分的结构设计 25
4.2.5窗的启闭操作 25
3
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
绪论
1机械创新设计
机械创新设计（MechanicalCreativeDesign，MCD）是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（含理论、方法、技术、原理等）进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。
它包含两个部分：
（1）改进和完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、适用性等：
（2）创造设计出新机器、新产品，已满足新的生产或生活的需要。
由于MCD过程凝结了人们的创造智慧，因而MCD的产品无疑应是科学技术和艺术结晶的产物，具有美学性，反映出和谐统一的技术美。
MCD相对常规设计而言，它特别强调人在设计过程中（特别是在总体方案机构设计阶段）的主导性和创造性。
MCD的一般过程如图1所示。
MCD的一般过程大体可分为四个阶段：
（1）确定机械的基本原理；
（2）机构结构类型综合及优选；
（3）机构运动尺寸综合及其运动参数优选；
（4）机构动力学参数综合及其动力参数优选。
完成上述机械原理、结构学、运动学、动力学分析与综合的四个阶段，便形成了机械创新设计的优选方案。
MCD不是简单的模仿或技术改造，而是一个复杂的过程，为了了解这复杂的过程，需要理顺思维，充分利用MCD中一些常用的方法。
关于MCD中一些常用的方法，大致可总结为以下几种：
（1）群智集中法，这是一种发挥集体智慧的方法，又称头脑风暴法，是1938
年由美国人提出来的一种方法，我国的很多大型发明创造都使用了这种方法。
（2）仿生创新法，即是通过对自然界生物机能的分析和类比，创新设计新机器。
如仿人机械手，就是仿生设计的产物。
（3）功能设计创新法，即根据设计要求，确定功能目标后，再拟定实施技术方案，从中择优设计。
第三章“方案创新设计及其在双桶洗衣机传动方案设计中的应用”就是利用此方法进行创新设计研究。
（4）类比求优创新设计法，就是把同类产品相对比较，研究同类产品的优缺点，设计同类产品中性能最好、成本最低的优良产品。
第四章“机构创新设计及其在双桶洗衣机联接结构设计中的应用”就是利用此方法进行创新设计研究。
（5）反求设计创新法，是指在引入先进产品的基础上，加以分析、改进、提高，最终创新设计出新产品的过程。
第五章。
反求创新设计及其在双桶洗衣机刹车控制结构设计中的应用”就是利用此方法进行创新设计研究。
图1 MCD的一般过程
4
（6）移置技术创新方法，是把一个领域内的先进技术移置到另一个领域，或把一种产品内的先进技术应用到另一种产品中，从而获得新产品。
这类创新方法的应用很成功，例如人工神经网络的研究就是将生物学的研究创新地应用到其它领域。
MCD所涉及的主要内容有：
机械系统方案的创新设计，机构的创新设计，其包含机构组合创新、机构演化变异创新、机构再生运动链创新等，在第四章中将作详细理论分析和应用研究。
反求创新设计，在第五章中将作详细理论分析和应用研究。
综上所述，机械创新设计是建立在现有机械设计理论基础上，吸收科技哲学、认识学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关科学的有益成分，经过交叉而成的一种设计技术和方法。
2课题的国内外发展状况和研究的意义
（1）国外研究现状
创新理论是由美籍经济学家熊彼特（J．A．Scnumpter）在《经济发展论》一书中首次提出的，为科技与经济结合提供了比较系统的理论观点、思路、途径和方法。
之后各国的研究者针对倒新设计也开展了大量的研究工作，如ShenaoJuinnChioll，SridharKotu在1999年《MechanismandMachineTheor》y上发表了Automatedconceptualdesignofmechanism，进一步剖析创新设计理论，重点研究机械系统方案的
创新设计：
Hsiang-TangChing，JahauLewisChen在2004年《AdvancesinEngineeringSoftware））上发表了Theconflict-problemsolvingCADsoftwareintegratingTRIZintoeco．innovation，详细研究和指导如何应用TRIZ方法进行解决问题和创新设计等。
在世界进入知识经济的时代，世界各国都在调整经济政策、科技政策和发展战略，对高科技领域的创新给予了高度的重视。
未来世界的国家分成三种类型：
制造大国、发现大国、设计大国。
制造大国，在许多情况下使用廉价劳动力和资源就能做到，但这要付给发现大国和设计大国大量的专利权费（即知识产权费）。
发
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现大国是靠尖端科技人才发现自然和社会规律，从而改变人类命运，这需要超级入才和实验成本。
设计大国使用最聪明、最不受传统约束的头脑做事情，并使发现的价值最大限度地突现出来，最终决定制造大国出产产品能不能成为市场的卖点。
因此制造大国实际上很可能被发现大国和设计大国控制。
欧美各国，特别是美国凭借其强大的经济后盾，支持、激励和推进现代产品设计的创新发展，从审美、使用、技术、材料、工艺、装备、管理等方面进行设计创新，通过创新设计巩固其经济地位，把其占据优势的高新科技转变为产品占领全球市场。
1997年，英国首相布莱尔上任不久就制定了激励设计产业的政策，认为英国的设计产业对经济发展非常重要，曾在19世纪被誉为世界工厂的英国正期望成为21世纪的世界设计工作室。
日本在战后把设计作为国策之一，从政治、经济、文化、国家建设等一系列重大问题上引入“设计先导”的理念，强化设计教育，提倡创造学，提出了“科技创新立国”的新方针。
韩国借1988年的汉城奥运会提出“设计立国”口号，经过20多年的发展，目前在许多领域中的水平已接近日本。
（2）国内研究现状
古代有四大发明的中国，是一个长于发明和发现的国家，有能力有志气做自主创新的发现大国和设计大国。
我国是世界制造大国，还不是制造强国；制造技术基础薄弱，创新能力不强；产品以低端为主；制造过程资源、能源消耗大，污染严重。
我国企业的产品“创新能力”远低于“生产能力”。
产品创新已成为我国从“制造大国”走向“制造强国”的关键。
解决产品的产量之大和创新能力之低的矛盾，已成为我国经济发展的当务之急。
开展产品创新设计的研究，大力开发新产品，努力把高技术、高质量、最具发展前途的新产品推向市场是我国企业迫切需要解决的关键问题之一，也是我国产业结构优化升级和区域经济发展所提出的亟待解决的问题。
目前国内有很多学者展开了产品创新设计的研究工作，并取得了一定的成绩，如中国科技大学孔凡让教授，其研究方向就有“创新与发明方法学的研究”，提出“创新语法学”和适合在计算机上实现的概念设计理论，把总的技术目标分解为多个小目标，把技术问题分解成一系列的基本问题，把解决问题的各种方法分解为基本方案库，各种方案被进一步按功能封装，利用过滤器、模糊数学的隶属度函数和专家经验规则帮助搜索、筛选。
（3）课题的意义
创新是人类社会文明进步的原动力，创新是一个国家一个民族的灵魂，国力的发展是创造出的，不是安排出来的。
新产品是设计出来的，不是模仿出来的。
当前，随着市场经济竞争机制渗透到各个领域，世界先进的制造业企业已经走过了以产量和质量占领市场的两个阶段，进入到了以创新占领市场的崭新阶段，如何创新，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策，如：
a大力提倡创造性。
包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。
对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题；
b研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的技术和方法，以便既快又好地设计出新型产品；
c把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程（预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等）中，以达到这些过程的一体化、智能化和自动化；
d研究反求工程理论及其应用，在高的起点上实现技术创新和产品创新。
另外，许多企业纷纷打出“成本制胜”的口号，在满足产品基本功能、品质、产品外观等诸多方面要求的前提下，尽可能地降低产品的设计制造成本。
企业，无论所有制形式如何，产权归属于谁，追求利润最大化是所有企业的宗旨。
利润=售价一成本一费用，由此可知利润的取得取决于产品的售价、设计制造成本、过程费用。
换言之，利润来源于销售经营、设计水平和制造成本。
成本的高低，是企业经营质量的集中反映。
把成本控制在较低水平是实现企业利益最大化的基础，是赢得市场份额的重要举措。
这也是每个常青企业永恒的管理主题。
增收节支，开源节流是撬动市场，开拓市场的支点，是参与市场竞争，确保企业生存发展的法宝。
“成由俭，败由奢”，“克勤于邦，克俭于家”古来有之。
一个企业的降成本最终都会汇聚到对细节的关注，关注细节降低成本不是企业一时兴起或是仅为了应付一时的竞争压力的行为，相反，降低成本时关注细节是一项长期的工程。
∶
第1章窗的简介
窗户的作用，不只是用来看一看外面风光的，在很大程度上，决定了我们生活的质量，但有时，
图1-1
许多问题我们根本不会注意得到。
图1-1窗的示意图。
家是我们的栖息之所，是我们自己营造的一个相对独立的小环境，挡风避雨，遮阳隔音，保护自己不受到任何来自外界的因素侵扰。
说是相对的独立，是因为我们不可能完全脱离外界的环境而独自生活，我们需要室内室外能有一个合理的交流与互换。
在这个小环境中，我们需要有合适的温度、湿度、空气和光线，还要有适合自己的声音环境。
我们需要窗户能透进光线吧，那么随着阳光而来的就会是多余的热量。
我们需要窗户能通风吧，那么随着流通的空气而来的，也许就是灰尘和
蚊虫。
问题往往会随着你的需要而来，所以，对于自家的窗户，千万马虎不得。
1.1窗的种类
1.1.1塑钢窗
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塑钢窗是近几年从木窗、钢窗、铝合金窗之后发展起来的，它具有节约能源和钢材、防腐蚀、隔音、密封性好、开启灵活、清洁方便、装饰性强等优点，为第四代新型门窗。
它与一般塑料制品有明显的区别,以聚氯乙烯（PVC）与氯化聚乙烯共混树脂为主体，加上一定比例的添加剂，经挤压加工成型材。
然后通过切割、钻孔、熔接等方法，制成窗框，装上五金配件等制品。
为了增加型材的钢性、在塑料异型材内腔中填入增加拉弯作用的钢衬（加强筋）组成，所以称为塑钢窗。
因为它不仅具有塑料制品的特性，而且物理、化学性能、防老化能力大为提高。
它不仅具有窗的基本功能，其装饰性也可与铝合金门窗媲美，并且具有保温、隔热的特性，使居室更加舒适、清静，更具有现代风貌。
另外还具有耐酸，耐碱、耐腐蚀、防尘、阻燃自熄、强度高、不变形、色调和谐等优点，装置时无须防腐油漆，经久耐用，而且其气密性、水密性比一般同类门窗大2－5倍。
据有关专家推算，我国北方地区如有15％住宅建筑采用塑钢门窗，可节约煤14万吨、节约电1.3亿度，节约钢6.5万吨。
塑钢门窗的开启方式主要有推拉、外开、内开、内开上悬等，新型的开启方式有推拉上悬式。
不同的开启方式各有其特点，一般讲，推拉窗有立面简洁、美观，使用灵活，安全可靠，使用寿命长，采光率大，占用空间少，方便带纱窗等优点。
外开窗有开启面大、密封性、通风透气性、保温抗渗性能优良等优点。
目前用得较多的还是推拉式，其次为外开式。
敞开无框阳台窗：
现代人越来越重视居室的装潢。
在装修中把作为人们眺望外界景观和休息的阳台，一般都由住户封装起来的占了大多数，目的是为了挡风遮雨、防尘埃、噪音等，使阳台窗户更加整洁美观，增强阳台的实用性。
从早期的木窗、钢窗到铝合金窗，以及目前流行的塑钢窗，从窗的材料和式样都有了很大的发展。
但这样封装后的阳台，在很大程序上削弱了阳台作为敞开的休闲空间的特征和功能。
针对阳台这一特殊空间所具有的特性，现在又有了一种突破性的变化，那就是敞开无框阳台窗。
1.1.2敞开全敞式无框移动阳台窗
这种新型窗采用高强度钢化玻璃、相应的五金配件联结大截面铝合金结构制成，它的全新设计，使每扇窗户都既能左右移动，又能呈 90o~180o弧度
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开启逐块排列，而且整个阳台窗能根据住户的需要全面敞开，也可全部封闭，充分保留了阳台应有的特性和功能。
敞开无框阳台窗使阳台具有很强的实用性，它能非常有效地挡风遮雨，隔断尘埃和噪音；合理的结构使每扇窗都能够向内开启，不必把身体探出外面擦窗，清洗十分安全、简单；因为没有垂直窗框，关上窗户时视线也毫无阻挡，最大限度地透人光亮，接近自然，带给你融于自然的清新感受，使阳台成为充分休闲的阳光室；而且从整个建筑的外形看，无框阳台窗完全不破坏建筑立面，使建筑物外形更显美观。
安全防盗卷帘窗：
近年来，沿海大城市一些住宅小区、居民新村中住宅、别墅、公寓独门独户的家庭居室，为了防止小偷潜入居室，撬窗偷窃，纷纷在窗户外加装铁栅栏进行保护，以防发生意外，但给城市中住宅小区环境容貌，带来了不美观的印象。
1.1.3全能防盗卷帘窗
为了适合现代建筑物的配套，加强安全防范措施，采用全能防盗卷帘窗装置在窗户，能节省空间，又能起到安全防范作用。
这种新颖卷帘窗采用无线电遥控操纵，在30米距离内任意控制；窗框用U字型导轨，滑动时不会卡住，轻便无噪声；卷帘片采用铝合金和钢板制成双层圆弧形，有弹性、不反翘；中间空隙处内填充高密度泡沫聚胺脂隔音材料，可以防止阳光照射，兼有高效隔热、储热、节能、防晒、隔音、耐冷、耐热、耐撞击等效果。
并且还有两种功能，第一，有通风孔，当卷帘窗设到底部关闭，需要通风时不须将窗帘打开，只须将窗帘向上提升数厘米，有通风性能良好的通风孔，就能吹进阵阵凉风。
当陌生人敲窗门谈话，不打开卷帘窗也可通过通风孔看到对方面部进行谈话。
其次，使用的五金制品和门锁全部采用不锈钢和有色金属制成，在轴芯中配有防后退自锁控制机构，有效地控制防撬、燃烧导热后变形的膨胀变化，使盗窃者无法将其撬开，达到窗户外部不再需要另装栅栏进行安全防范保护。
由于该防盗卷帘窗广泛使用于各类建筑物，如新旧公寓、别墅、住宅、商住楼、旅游休闲房、车库等均可安装，并且其使用材料由传统铁质改为铝合金，有轻便坚固的骨架和卷扬机构，抗风性强，外表喷涂烤漆的颜色可与建筑物墙面协调配套，日晒雨淋不脱落、不龟裂、耐磨擦、易保养、易清洗、
造型坚固美观，表面光洁细腻，格调新颖高雅，是宾馆、商住楼、公寓、住宅等建筑物提高防盗、防撬能力的理想选择。
第2章材质选择
选一扇好窗户，不亚于选一个好房间，材质、工艺、结构、形式，以及一些细致入微的方方面面都要考虑得到。
如图2-1
图2-1
我们经常会首先注意到的第一个问题总会是——材质。
对于窗户的材质，并不难选择，总的来说，可分成三大类——木质、塑钢、铝合金。
三者各有所长。
2.1窗常用材质
2.1.1塑钢
因为是塑料材质，所以重量小，隔热性能好，而且价格相对较低。
因为经常要面对风吹雨打太阳晒，所以最让人关心的是塑钢窗的防老化问题。
实际上，高品质的塑钢窗的使用年限可达一百年左右。
2.1.2铝合金
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因为是金属材质，所以不会存在老化问题，而且坚固，耐撞击，强度大。
但铝合金窗最容易被攻击的一个弱点就是隔热性能，因为金属是热的良导体，外界与室内的温度会随着窗的框架传递。
但值得疑问的是，在一扇窗户上框架所占的比例并不很大，窗户并不是一块金属板，而是镶着框的玻璃，通过框架边条传递的热量究竟会对有着暖器、空调的室内温度产生多大的影响？
但还是有备无患的好，为了防止这个问题，在有的铝合金窗户上采用了
“断桥”技术，即在铝合金窗框中加一层树脂材料，彻底断绝了导热的途径。
2.1.3木质
相对来说，木质应该是最为完美的窗体框架材质，无论从隔热、隔音等角度来说都有明显的优势，而且与生俱来的质感和自然花纹更为让人心动。
虽然是木质，但实际上有的用于做窗框的实木已经经过了层层特殊的处理，不仅没有了水分，要求更高的甚至被吸去了脂肪，这样一来，所谓的木质实际
窗2-2
上已经如同化石一样，经过处理后的实木，只保留了木材的外表，品质却完全不一样了，不会开裂变形，更不用担心遭虫咬、被腐蚀，而且，强度也大大增加。
如图2-2
此外，还有一种框架结构被称作铝包木，木质框架的户外部分为一层铝合金结构，实际上，这是综合了木质框架的隔热性好以及铝合金强度高的优点，合二为一，扬长避短。
木质窗唯一的一个缺点就是造价太高。
综上比较成本及可塑性，本两用窗的设计用的材料为铝合金。
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第3章 各种类窗的优劣
3.1平开窗
平开窗是最为常见的一种窗，窗扇通过铰链与窗框结合，窗扇可以旋转开启。
这种窗的优点是构造简单，整扇窗可以100%打开，关闭时气密性好，建筑热工性能高，在建筑节能要求越来越高的今天，平开窗将成为市场的主流。
平开窗的缺点是窗扇开启后要占据一定的空间，在某些特别狭窄的位置没有足够的空间容纳开启的窗时不宜采用。
平开窗根据铰链的位置可以分为侧开窗和悬窗两种。
侧开窗水平方向开启，窗扇在开启过程中始终保持平衡，不必担心在重力影响下自行运动造成危险，一般用于面积较大的主窗；悬窗由于是垂直方向开启，开启角度受到限制，一般用于厨房、卫房间等的通风换气。
目前较新型的平开窗可以兼具侧开窗和悬窗两者于一身，允许双向开启。
小结
定义：
利用合页或铰链，使窗扇向外旋转打开。
优点：
结构简单、密封性好，不占用室内空间。
可使室内有较大的通风量。
缺点：
占用室外空间。
风大时，易发生窗扇坠落的事故。
使用在写字楼、酒
店等高层建筑时显得不是很美观。
3.2推拉窗
推拉窗采用装有滑轮的窗扇在窗框上的轨道滑行，这种窗的优点是窗无论在开关状态下均不占用额外的空间，构造也较为简单。
但由此带来的缺点是最多只有50%的窗扇可以打开，关闭时气密性差。
近年来有采用新技术的改进型推拉窗，可以将多个窗扇推至一侧折叠。
同时也有提高气密性的推拉
窗，但总体来说仍然无法达到平开窗的热工性能，能耗较高，所以在先进国家很少采用这种窗。
在中国建筑市场上推拉窗非常普遍，随着建筑节能要求的提高各地也相应出台了限制推拉窗的规定，如天津市就规定，从2006年8月1日起，新建、改建、扩建的公共建筑禁止使用推拉窗；新建、改建、扩建居住建筑的外窗禁止使用推拉窗。
小结
优点：
不占用室内外空间、随意控制开启面积、操作轻便。
特别适用在窗台。
缺点：
①最大开启度只能达到整个窗户面积的1／2；②在风雨天，窗户只能
关闭而无法换气；③清洗比较困难，要擦到玻璃朝外的一面很困难；④密封性差、湿气、灰尘容易进入。
窗框下滑轨来回滑动，上有较大的空间，下有滑轮间的空隙，形成较大的热损失。
3.3外开上悬窗
通过操作窗扇的执手手柄，带动五金件传动器的相应移动，使窗扇能向室内平开或向室内倾倒开启一定角度。
小结
优点：
能够防风防尘，在下雨天，又能防止雨水进入室内，同时保持室内良好的通过条件。
缺点：
开启度小，通风能力差。
外开的窗扇阻挡了人的视线。
以上就是生活常见的三种窗。
为了增强三种窗的优点,弥补其缺点,将三种窗的机构进行组合,就有推拉-外平开窗、推拉-外开上悬窗、外平-外开上悬窗。
第4章 两用窗的设计
任何一个设计,其首要工作应明确设计目的和设计任务以及设计出机构应实现的功能。
机械系统的功能分析是机构创新设计中非常重要的环节,是后续设计的基础。
最基本的功能分析是确定输入、输出运动形式和相关约束条件,从而总结出为实现所需功能所需的机构自由度、各类型构件数目、机构中各类运动副的分配情况等。
在进行机械装置的功能分析之后,可根据现有的单铰运动链图谱找出满足机构自由度要求和基本功能要求的单铰运动链,且这些仅含连杆与转动副的所有单铰运动链原型可作为下一步创新综合的基础。
现举一个实例说明。
要求设计一个能较精确地实现预期运动规律（将转动变换为移动）的传动系统———凸轮控制机构。
则可确定凸轮为原动件,滑块为输出构件,该凸轮要求恒速转动,以驱动滑块沿固定导轨移动,而滑块要按规定的行程作往复运动。
按以上要求分析,机构的自由度为1,应选择F=1的运动链,而满足需求的最简单运动链为平面四杆链。
假若要求有力（力矩）及运动的扩大（缩小）等功能,则必须增加主从动件间的中间传动系统。
机构从凸轮滑块机构扩大为凸轮-齿轮-滑块机构,此时机构至少应增加2个中间杆件,则机构至少为六杆运动链。
F=1的六杆单铰运动链仅有瓦特链与斯蒂芬森链2种,如图4-1。
图4-1
4.1机构简介
我们将机构中所有构件都在一平面或相互平行的平面内运动的机构称为平面
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机构。
4.1.1构件的自由度
如图4－2所示，一个在平面内自由运动的构件，有沿X轴移动，沿y轴移动或绕A点转动三种运动可能性。
我们把构件作独立运动的可能性称为构件的“自由度”。
所以，一个在平面自由运动的构件有三个自由度。
可用如图4－1所示的三个独立的运动参数x、y、θ表示。
图4-2 图4-3
4.1.2运动副和约束
平面机构中每个构件都不是自由构件，而是以一定的方式与其他构件组成动联接。
这种使两构件直接接触并能产生一定运动的联接，称为运动副。
两构件组成运动副后，就限制了两构件间的部分相对运动，运动副对于构件间相对运动的这种限制称为约束。
机构就是由若干构件和若干运动副组合而成的，因此运动副也是组成机构的主要要素。
两构件组成的运动副，不外乎是通过点、线、面接触来实现的。
根据组成运动副的两构件之间的接触形式，运动副可分为低副和高副。
（1）低副两构件以面接触形成的运动副称为低副。
按它们之间的相对运动是转动还是移动，低副又可分为转动副和移动副。
①转动副组成运动副的两构件之间只能绕某一轴线作相对转动的运动副。
通常转动副的具体结构形式是用铰链连接，即由圆柱销和销孔所构成的转动副，如图4－3（a）所示。
②移动副组成运动副的两构件只能作相对直线移动的
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