机构的结构分析F-副本.ppt

第1章 机构的结构分析,引言 机器由机构组成，机构由构件组成 机构：具有确定运动的实物组合体 机构是一个构件系统，各构件之间具有确定的相对运动 1、构件是怎样组成机构的？ 构件之间是如何联接的？ 构件系统满足什么条件才能成为机构？,2、机构如何表示？,第1章 机构的结构分析,基本内容： 1.1 运动副 1.2 平面机构的运动简图绘制 1.3 运动链成为机构的条件 1.4 计算自由度时的注意事项 重点：平面机构自由度的计算,所有构件都在同一平面或在相互平行的平面内运动的机构称为平面机构，否则称为空间机构。 本章只讨论平面机构。,1.1 运动副,运动副： 构件与构件之间存在相对运动的联接 两个或两个以上构件的直接接触 两者之间允许一定的相对运动 每个构件至少和另外一个构件通过运动副联接 接触 点或线接触 面接触,运动副元素：点、线、面 两个构件上参与接触构成运动副的部分,运动副的元素不同，运动副种类也不同。,运动副类型,平面运动副,低副(面接触) 转动副 移动副 高副(点或线接触),运动副类型,、低副 运动副元素为面的运动副称为低副 （）转动副（铰链） 构成运动副的两构件只能 在一个平面内相对转动。 限制两个方向的相对移动 运动副元素为圆柱面 定铰：有一个构件固定 动铰：两个构件都未固定,（）移动副 构成运动副的两构件只能沿某一轴线相对移动 限制另一轴向的相对移动及相对转动。 运动副元素为平面,或圆柱面,、高副 两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副 运动副元素为点或线 构成高副的两构件间的相对运动是沿接触处切 线方向的相对移动和在平面内的相对转动 限制沿接触面法线方向上的移动 凸轮副 齿轮副 车轮与轨道的高副等,空间运动副-两构件的相对运动为空间运动,球面副空间转动 螺旋副螺旋运动，即同时作转动和移动的合成运动,标致推出极度前卫夸张概念车,第1章 机构的结构分析,引言 机器由机构组成，机构由构件组成 机构：具有确定运动的实物组合体 机构是一个构件系统，各构件之间具有确定的相对运动 1、构件是怎样组成机构的？ 构件之间是如何联接的？ 构件系统满足什么条件才能成为机构？,2、机构如何表示？,结构设计和运动、动力分析 表示机构中各构件之间相对运动关系 分析机构运动规律,撇开与运动无关的因素,构件形状,组成构件的零件数目,运动副具体结构,1.2 平面机构运动简图的绘制,机构运动简图： 撇开与运动无关的因素，如构件形状、组成构件的零件数目、运动副具体结构等。,1.2 平面机构运动简图的绘制,机构运动简图： 表示机构中各构件之间相对运动关系的简图。 绘制机构运动简图是对机构进行结构设计和运动、动力分析的基础。 作用：1. 表示机构的结构和运动情况。 2. 作为运动分析和动力分析的依据。 机构运动简图与原机械具有完全相同运动特性。 用国标规定的简单符号和线条代表组成机构的运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。 不严格按比例绘制-机构示意图,部分运动副和构件的表示方法（摘自GB4460）,1、转动副：圆圈（圆心=相对转动轴线） 动铰，定铰,、移动副： 导路应与相对移动方向一致,画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。,、构件（二副元素、三副元素、多副元素）,、机构（如齿轮机构、凸轮机构等）,高副：画出两构件接触处的曲线轮廓,构件还可按其运动性质分为： 固定构件（机架） 支承活动构件（运动构件）的构件 原动件（输入构件） 运动规律已知的活动构件（一个或几个） 从动件（其中有输出构件） 随着原动件的运动而运动的其余活动构件 注意相对性,绘制平面机构运动简图的步骤,（1）搞清机构各构件之间的相对运动关系，分清联接各构件的运动副类型，分清主动件，从动件，机架等； （2）选择合理的视图方向和主动件位置； （3）选取合适的比例尺，用规定的符号表示构件和运动副；,（4）绘出基准线，标出运动副、杆件编号、重要的尺寸、机架、原动件运动方向。,内燃机主机构,思路： 先定原动部分和工作部分，弄清运动传递路线，确定构件数目及运动副的类型，并用符号表示出来。再按比例绘出运动简图。,缝纫机踏板机构,A,1,2,3,4,B,C,D,颚式破碎机,活塞泵,偏心轮,机构 = 构件 + 运动副 活动 固定,机构运动简图： 用国标规定的简单符号和线条代表组成机构的运动副和构件，并按一定比例尺表示机构的运动尺寸，绘制出表示机构的简明图形。, 平面 低副 高副 转动副 移动副 齿轮副、凸轮副等, 空间 螺旋副 球面副, 原动 从动,1.3 运动链成为机构的条件,1.3.1、运动链 运动链：由运动副联接构件构成的系统 闭式运动链：运动链中，每一个构件至少有二个运动副的元素(构成首末封闭的系统) 开式运动链：运动链中，至少有一个构件只有一个运动副元素(未构成首末封闭系统),作者：潘存云教授,运动链：由运动副联接的构件系统 运动链满足什么条件才成为机构？ 需探讨机构自由度和运动链具有确定运动的条件 1.3.2 构件的自由度,构件可能出现的独立运动的数目称为自由度。 在平面机构中，一个构件有三个自由度(X、Y方向位移和转动)。,1.3.3 约束,约束：对构件自由度（运动）的限制 两个构件组成运动副后，相对运动受约束，自由度将减少，减少个数与运动副种类有关 低副：引入2个约束，减少2个自由度 转动副：约束两个移动自由度 移动副：约束一个移动、一个转动自由度 高副：引入1个约束，减少1个自由度 只约束沿接触处公法线方向的移动自由度,1.3.4 运动链的活动度计算,某运动链：n个活动构件构成， 具有 个低副， 个高副，,则运动链的活动度为：,机架,原动件,从动件,在运动链中，将某一个构件加以固定，而让另一个或几个构件按给定运动规律相对固定构件运动时，如果运动链中其余各构件都有确定的相对运动，则此运动链成为机构。,机构是具有确定运动的运动链。,机构的自由度F计算公式：,式中：-机构的自由度； n -活动构件数；,-机构中的低副数；,-机构中的高副数。,是否任意将构件连接起来就可形成运动链?运动链中固定一个构件是否就一定成为机构？,零件,构件,机构,静联接,动联接,(运动副),运动链,固定一个构件,（机架）,运动链? 机构？,(a) F = 32 - 23 = 0 (b) F = 33 - 25 = -1 约束过多，已成为桁架,F 0 不能运动，不成为机构,F = 34 - 25 = 2 1 个原动件,F 0，是运动链。 但原动件数目小于自由度数目，运动链运动不确定，不能成为机构。,F = 33 - 24 = 1 2 个原动件,F 0，但原动件数目大于自由度数目，运动链被破坏，不能成为机构。,运动链,具有确定的相对运动,机构,桁架,运动链,相对运动不确定,无相对运动,结论： 自由度0 不能成为运动链 自由度0 能成为运动链 运动链成为机构的条件： 原动件的数目等于运动链自由度数目 原动件数小于自由度时，运动不确定 原动件数大于自由度时，导致薄弱环节损坏,1.3.5 运动链成为机构的条件,要成为机构，运动链各构件间应该具有确定的相对运动 运动链成为机构必须满足如下条件： （1）取一个构件为机架； （2）各构件相对于机架的自由度不小于1，即； （3）原动件数等于自由度数。,活动构件数为： 5 低副数为： 7 高副数为： 0,自由度为：,一个原动件（偏心轮1），运动确定。,活塞泵机构 活动构件数为： 4 低副数为： 5 高副数为： 1 自由度数为：,一个原动件（曲柄），则运动确定,1.4 计算自由度时的注意事项,计算L型压缩机主机构的自由度,= 3 52 60 = 3,为什么？,1.4.1 复合铰链,例：,由两个以上构件在同一处构成的重合转动副称为复合铰链。由m个构件构成的复合铰链应当包含(m-1)个转动副。,1.4 计算自由度时的注意事项,计算L型压缩机主机构的自由度,= 3 52 70 = 1,一个原动件 运动确定,3 2 ,7,6,0, 9,3 2 ,7,10,0, 1,?,复,复,复,复,圆盘锯机构,1个原动件 (构件CF)，运动确定,凸轮机构 活动构件数为： 2 低副数为： 2 高副数为： 1 自由度数为：,一个原动件（凸轮），运动确定,计算滚子从动件凸轮机构的自由度 活动构件数为： 3 低副数为： 3 高副数为： 1 自由度数为：,一个原动件(凸轮) 运动确定 ?,1.4.2. 局部自由度,在机构中，与整个运动链运动无关(不影响机构整体运动)的自由度称为局部自由度。(多余自由度),在计算机构自由度时，局部自由度应当舍弃不计。,滚子引入3个自由度， 2个约束，多引入1个局部自由度。,刚化处理,蒸汽机车的驱动轮联动机构,计算火车轮联动机构的自由度,活动构件数为：4 低副数为： 6 高副数为： 0 自由度数为：,一个原动件运动确定 ?,拆开E点，构件3和构件5上E点的轨迹都是以F为圆心的圆，即约束点和被约束点的轨迹完全重合。 有无构件5 ，不影响机构的运动。,构件5 (EF杆)引入3个自由度，4个约束，多引入1个约束,其对机构自由度的影响是重复的。,1.4.3. 虚约束 (消极约束),先将产生虚约束的构件和运动副去掉再进行计算。,在机构中，有些约束所起的限制作用可能是重复的，这种不起独立限制作用的约束称为虚约束。,虚约束经常发生的场合：,1、轨迹重合 2、对称部分(对传递运动不起独立作用) 3、两个构件之间形成多个运动副,组成多个轴线重合的转动副 组成多个导路平行的移动副 多处接触构成平面高副，且各接触点处的 公法线彼此重合(或接触点之间的距离为常数),轨迹重合,3 2 ,4,4,4, 0,3 2 ,3,3,2, 1,?,2、对称部分(对传递运动不起独立作用),1个原动件 (齿轮1)，运动确定,去掉虚约束 2,对称结构,两个构件之间组成多个轴线重合的转动副,F = 31 - 22 = -1,解决方案： 计算机构自由度时，不考虑虚约束的作用，认为 两个构件之间只形成一个运动副,3、两个构件之间形成多个运动副,只有一个转动副起作用 其余转动副都是虚约束,带虚约束的曲轴,两构件组成多个导路互相平行或重合移动副 则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束,两构件组成多个导路互相平行或重合移动副 则只有一个移动副起约束作用，其余都是虚约束。,带虚约束的凸轮机构,多处接触构成平面高副，且接触点处的公法线彼此重合(或接触点之间的距离为常数),注意：复合平面高副,如果两构件在多处接触而构成平面高副，但各接触点处的公法线方向并不彼此重合，这时高副将提供两个约束。 则为复合高副，相当于一个低副（移动副或转动副）。,图a,图b,虚约束只有在运动副的位置满足某一特定的几何条件或者结构条件时才存在 ，如果这些条件被破坏，将转化了实约束，影响机构运动； 机械设计中如果需要采用虚约束，必须保证设计、加工制造、装配精度，运动副之间的尺寸误差不能过大，以确保满足虚约束存在的条件。否则虚约束将成为有效约束，所以有虚约束的机构其加工成本将会提高。 机构中的虚约束主要是考虑到受力、强度、刚度及使机构平衡或者其它特殊需求等机器工作原理方面的要求而设置的，从这个观点出发，虚约束不能说是可有可无的多余的约束,例题：判断筛料机系统成为机构的条件,计算料筛机构的自由度 注意事项： C处复合铰链 F处局部自由度 E或E处虚约束,3 -2 -,7,9,1,2,构件AB和凸轮为原动件系统相对运动确定 该系统即成为机构,指出下列机构运动简图中的复合铰链、局部自由度和虚约束，计算各机构的自由度。,局部自由度、复合铰链、虚约束各1处 活动构件数为：n = 9 低副数为： P L = 12 高副数为： P H = 2 自由度数为： F = 3n - 2 P L - P H = 3 9 -2 12 -2 = 1 1个原动件，运动确定,活动构件数为：n = 4 低副数为： P L = 4 复合铰链1处 高副数为： P H = 2 自由度数为： F = 3n - 2 P L - P H = 3 4 -2 4 -2 = 2 2个原动件，运动确定,局部自由度、复合铰链、虚约束各1处 活动构件数为：n = 8 低副数为： P L = 11 高副数为： P H = 1 自由度数为： F = 3n - 2 P L - P H = 3 8 -2 11 -1 = 1 1个原动件，运动确定,自由度计算,1、确定活动构件数； 2、确定运动副类型及个数； 3、注意有无复合铰链、局部自由度 和虚约束