(好资料)02_机构的结构分析(机械原理课程)

第二章 机构的结构分析 第二章 机构的结构分析 教学内容： 教学内容： 1.平面机构及其自由度计算 2.机构的组成 3.平面机构的高副低代 4.机构运动简图 教学重点与难点： 教学重点与难点： 1.运动副按约束分类方法; 2.机构的自由度、机构具有确定运动的条件、局部自由度、复合铰链、虚约束； 教学方法： 教学方法： 课堂教学为主，习题课为辅，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。采用 启发式教学法提高学生的注意力。并辅以设疑教学法加深概念的理解。 教学要求： 教学要求： 掌握主要概念：运动副、运动链、机构；运动副分类; 1.掌握掌握机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件、局部自由度、复合铰链、虚约束 等概念； 2.了解杆组、机构及其分类的方法。高副低代及其条件、方法。 主要内容与基本要求 主要内容与基本要求 一、本章主要内容 一、本章主要内容 1. 机构的组成机构的组成 （1）零件是制造的单元体，而构件是由一个或若干个零件固联在一起的一个独立运动 的整体（视为刚体） ，是机构运动的单元体，是组成机构的基本要素。构件可用最简单的线 条或几何图形来表示，如从运动学的角度来看，构件又可视为任意大的平面刚体。 （2） 运动副是组成机构的又一基本要素。 运动副是具有相对运动的两构件的接触组合。 运动副按其接触形式，可分为高副（即点或线接触的运动副）和低副（即面接触的运动副） ， 还可按所能产生相对运动的形式分为转动副，移动副，螺旋副及球面副等。运动副的基本特 征为：1.具有一定的接触形式，并把两构件参与接触的表面称为运动副元素；2.能产生一定 形式的相对运动。由于两构件的接触组合，使两构件之间的相对运动受到某些限制。组成运 动副的来年感构件之间可能产生的相对运动，就是运动副的自由度。在平面机构中，组成高 副的两构件间有两种可能的相对运动，故高副的自由度为 2；低副的运动副元素分别为圆柱 1 面和平面，其接触应力比较低，构成这种低副的构件间只有一种可能的相对运动，故低副的 自由度为 1。 （3）运动链是若干个构件通过运动副联接而成的相对可动的系统。闭式链是运动链中 各构件相对的首末封闭系统；开式链是运动链中各构件组成的首，末不封闭系统，其有平面 运动链和空间运动链之分。运动链如构成的是相对不可动的系统，则为桁架或结构体，即蜕 变成为一个构件。 （4）如果将运动链中某一构件视为固定，则另一构件或几个构件按给定的运动规律相 对于固定构件运动；则此运动链为机构。机构是具有确定相对运动规律的构件组合体，是一 种用来传递运动和力的可动装置，是具有固定构件的运动链。这种视为固定的构件，多指固 定在地面上的机架，但也可能是运动着的机架，如船的船体和飞机的机身等。将按给定已知 运动规律独立运动的构件称为原动件， 而其余活动构件称为从动件。 从动件的运动规律决定 于原动件的运动规律和机构的结构。 将能完成有用的机械功或转换机械能的机构组合系统称 为机器。从机构与运动并无区别。机器与机构的总称为机械。 2. 机构运动简图及其绘制机构运动简图及其绘制 机构的运动及与机构中运动副的结构情况（低副及高副等）和机构的运动学尺寸（由各 运动副的相对位置确定的尺寸）有关，而于构件的外形尺寸等因素无关。因此，根据机构的 运动学尺寸， 按一定的比例尺定出各运动副的位置， 再用规定的代表符号和简单的线条或几 何图形将机构的运动情况表示出来， 这种简单的图形就称为机构运动简图。 机构运动简图不 仅表示机构的组成和运动情况，而且可以被用来进行结构的运动分析和力分析。 3. 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件 机构的自由度是机构具有确定运动时所需的独立运动参数的数目。 为了使机构能按照一 定的要求进行运动变换和力的传递， 机构必须具有确定的运动。 机构具有确定运动的条件是： 运动链的自由度等于给定规律相对于机架的原动构件数。 若自由度数多于原动件数， 则运动 链中活动构件相对于机架的运动不确定；若少于原动件数，则机构在运动过程中，某些构件 将损坏。 在分析现有机械或设计新机械时， 必须考虑所设计的机构是否满足机构具有确定运 动的条件。机构只有在具有确定的运动时，才能对其进行结构分析，运动分析和力分析等。 4. 平面机构自由度的计算平面机构自由度的计算 1）平面机构自由度的计算公式 F=3n-2- l p h p 式中 n-机构中活动构件的数目； l p-机构中低副的数目； h p-机构中高副的数目。 2）计算机构自由度时应注意的问题 （1）机构中某些构件具有不影响其他构件运动的自由度，称为局部自由度。平面机构 2 的局部自由度主要出现在需要变滑动摩擦为滚动摩擦而设置的滚子和轴承的滚珠上。 计算机 构的自由度时， 可将产生局部运动的构件与其相联接的构件视为焊接在一起， 以达到除去构 件中的局部自由度的目的。 （2）正确确定运动副的数目，在有些情况下，如果不作分析，可能将机构中所包含的 运动副的数目弄错。如有 3 个构件在一处组成轴线重合的转动副，如果不加分析，往往容易 把它看作为 1 个转动副。这种由 3 个或 3 个以上构件组成轴线重合的转动副称为复合铰链。 一般，由 m 个 构件组成的复合铰链应含有(m-1)转动副。 (3)机构中不起实际作用的重复约束称为虚约束。计算机构的自由度时，虚约束应该除 去。 5. 平面机构的组成原理与结构分析平面机构的组成原理与结构分析 自由度为零的运动链， 称为杆组。 机构是由若干个基本杆组依次联接于原动件和机架上 构成的，其方法称为机构的组成原理。高副低代是将机构运动简图中原有高副用低副取代。 方式是：先找到高副的两个副元素（即组成高副的两曲线）在接触处的曲率中心，再用直线 将这两曲率中心连起来， 作为假想的低副构件的两铰链中心。 这种替代并不改变原机构的自 由度， 对替代后的低副机构进行组成分析和机构运动分析时要比直接按原高副机构来分析简 单得多。但必须指出，高副低代法不能应用于机构力分析中。 二、本章基本要求 二、本章基本要求 、主要概念：运动副、运动链、机构；运动副分类; 、掌握机构的自由度计算及机构具有确定运动的条件、局部自由度、复合铰链、虚约 束等概念； 解杆组、机构及其分类的方法。高副低代及其条件、方法。 重点与难点分析 重点与难点分析 本章重点与难点 本章重点与难点 1.运动副按约束分类方法; 2.机构的自由度、机构具有确定运动的条件、局部自由度、复合铰链、虚约束； 一、本章重点内容分析 一、本章重点内容分析 本章的重点是机构具有确定运动的条件和平面机构自由度的计算， 以及机构的组成分析 和机构的级别判断。 要注意机构的级别是以机构中所含杆组的最高级别来定义的， 而同一机 构当取不同构件为原动件时，机构的级别有可能发生变化。 二、本章难点内容分析 二、本章难点内容分析 由于虚约束出现在特定几何条件下，而且具体情况又较复杂，故需要仔细分析，甚至 3 需要通过几何证明来加以判别，因此，虚约束的判别是本章的难点。 要正确判别机构中存在的虚约束，应注意以下几点： 1） 虚约束的概念 在机构中，两构件构成运动副所引入的约束是用来限制某些相对运动的。但在机构中， 某些运动链所引入的约束可能与机构所受的其他约束想重复， 即对相对运动的限制产生了重 复，因而对机构运动实际上起不到约束作用，这种约束就是虚约束