机械设计3平面机构的结构分析.ppt

项目一 平面机构的结构分析 机构的组成 平面机构运动简图 平面机构的自由度 1、机构及运动副的概念、机构运动简图的绘制。 2、有虚约束、复合铰链、局部自由度时机构自由度的 计算。 （一）教学要求 1、了解机构组成；理解自由度、运动副、约束的概 念及三者的关系。 2、能根据实物绘制机构运动简图。 3、熟练掌握机构自由度计算，并判断机构运动是否 确定。 （二）教学的重点与难点 一、机构的组成 （一）运动副 使两个构件直接接触，同时又具有一定相对运动 的连接。 运动副： 滑块与导槽啮合中的一对齿廓轴承中滚动体与内外圈的滚道 （二）自由度和运动副约束 构件相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为构 件的自由度。 如图所示, 在xOy坐标系 中, 构件M可随其上任一点 沿x轴、 y轴方向移动，也 可在xOy平面转动，这三个 独立的运动称为该构件的自 由度。 平面机构的每个活动构件在未构成运动副之前都有 三个自由度。当两个构件直接接触组成运动副之后，它 们的相对运动就受到限制，自由度随之减少。运动副对 构件的独立运动所加的限制称为约束。不同类型的运动 副引入的约束数不同。每引入一个约束, 构件就减少一 个自由度。而约束的多少及约束的特点取决于运动副的 具体形式。 运动副可分为平面运动副和空间运动副两大类，本章 主要介绍平面运动副。 运动副的分类 按两构件接触的情况，平面运动副常分为低副、高副 两大类。 1、低副 两构件以面接触而形成的运动副。 (1) 转动副：若组成运动副的两个构件只能在一个平面内做 相对转动, 则称为转动副, 也称铰链。 (2) 移动副：若组成运动副的两个构件只能沿轴线相对移 动, 则称为移动副。 两构件中如有一个构件固定不动, 则称为固定铰链；二 者均能转动， 则称为活动铰链。 平面运动副的分类 (a)固定铰链 (b)活动铰链动画展示 移动副动画展示 转动副、移动副实例 转动副 移动副 2.高副 两构件以点或线接触而构成的运动副。 凸轮副 齿轮副动画展示 空间运动副 若两构件之间的相对运动均为空间运动，则称为空 间运动副。如：球面副、螺旋副。（螺旋副动画展示） 球面副 两个以上构件以运动副连接而成的系统称为运动链 。若组成运动链的各构件形成首尾封闭的系统，则称 为封闭运动链，简称闭链，如图(a)、(b)所示；若组成 运动链的各构件未形成首尾封闭的系统，则称为开式 运动链，简称开链，如图(c)所示。 （三）运动链 在运动链中，若将某一构件加以固定，且当一个或 几个可动构件按照给定的规律独立运动时，其余构件也 随之做一定的运动，这种运动链称为机构。 机构中固定不动的构件称为机架，它用来支承机构中 的可动构件；按照给定的运动规律独立运动的构件称为 原动件或主动件，它是机构中输入运动或动力的构件， 又称为输入构件。其余的可动构件称为从动件。 机构是由原动件、从动件和机架组成。 二、平面机构的运动简图 机构运动简图：撇开实际机构中与运动无关的因素 ，用简单的线条和规定的运动副代表符号表示构件和 运动副，并按一定的比例定出各运动副间的相对位置 ，表示出各构件间相对运动关系的简图。 机构运动简图中一般包括： （1）构件数目； （2）运动副的数目； （3）构件之间的连接关系； （4）与运动变换相关的构件尺寸参数； （5）主动件及运动特性。 构件可分为机架、原动件和从动件。 （1）机架 用来支承活动构件的构件。 （2）原动件(主动件) 接受外界给定运动规律的活动 构件。 （3）从动件 随着原动件的运动而运动的其余活动构 件。 （一）运动副及构件的表示方法 1、构件 构件均用线段或小方块表示，画有斜线的表示机架。 构件的表示 2.转动副 构件组成转动副时，其表示方法有： 图面垂直于回转轴线时用图a表示； 图面不垂直于回转轴线时用图b表示。 表示转动副的圆圈，其圆心必须与回转轴线重合。 一个构件具有多个转动副时，则应在两条交叉处涂黑， 或在其内画上斜线，如图c。 3.移动副 两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。 4.平面高副 两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件 接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯划出其全部 轮廓；对于齿轮，常用点划线划出其节圆。 凸轮副齿轮副 （二）绘制机构运动简图的步骤 （1）通过观察和分析机构的结构组成和运动传递情况， 首先认清机构的机架、原动件，按传动路线逐个分清各 从动件；然后循着传动路线仔细分析各构件之间的相对 运动性质，各构件间形成的运动副类别和数目；并测出 每个构件上各运动副之间的运动特性尺寸。 （2）恰当地选择投影面。选择时应以能简单、清楚地把 机构的运动情况表示出来为原则。一般选取与构件运动 平面相平行的平面作为投影面。 （3）把原动件固定在某一位置，选取适当的比例尺 。 （4）用规定的符号画出运动副，并用简单的线条或 图形联接，标出构件号数及运动副的代号字母，以 及原动件的转向箭头，并且注明绘图时的尺寸比例 尺或在图纸上列表说明各构件的运动特征尺寸，即 得机构运动简图。 解：1）分析运动，确定构件的类型和数量 2）确定运动副的类型和数目 3）选择视图平面 4）选取比例尺，根据机构运动尺寸，定出各运 动副间的相对位置 5）用简单线条和规定符号表示出各构件和运动 副，画出机构运动简图。 例1 试绘制内燃机的机构运动简图 气缸体 1 活塞2 连杆3 曲轴4 凸轮7 顶杆8 齿轮6 齿轮5 三、平面机构的自由度 1.实例分析 不能产生运动 给定构件1运动参数 构件2、3的运动是确定的 （一）机构具有确定运动的条件 给定构件1运动参数 ，构件2、3、4的运动是 不确定的。 若再给定构件4运动参 数 ，构件2、3的 运动是确定的。 结论结论 u机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目 称机构的自由度。 u平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等于 机构的自由度数目。 原动件数自由度数，机构无确定运动 原动件数自由度数，机构在薄弱处损坏 （三）平面机构自由度计算 一个构件未用运动副与其它构件连接之前，有三个 自由度。 机构自由度的计算公式 n：机构中活动构件数； Pl ：机构中低副数； Ph ：机构中高副数； F ：机构的自由度数； 3n2PPh 设 则机构自由度： F = 3n 2PlPh+（） 平面机构具有确定运动的条件：机构原动件个数应等 于机构的自由度数目，即W=F=3n-2Pl-Ph 3.计算实例 解：n = 3, Pl = 4, Ph = 0 F = 3n - 2Pl - Ph =33 - 24 - 0 = 1 计算实例 n =5, Pl = 7, Ph = 0 F = 3n 2Pl Ph = 35 27 0 = 1 解： 计算自由度时应注意的几种情况 由K个构件以复合铰链相联接时构成的转动副数为(K -1)个。 1、复合铰链 由两个以上的构件在 同一处以转动副相联而 成的铰链称为复合铰链 。 例2 计算图示钢板剪切机 的自由度 解 ： 由图可知, n=5, Pl=7, Ph=0(B处为复合铰链, 含两 个转动副)， 则： F3n2PlPh 35270 1 个别构件所具有的，不影响整个机构运动的自由度称 为局部自由度。 2、局部自由度 n = 2, Pl = 2, Ph = 1, F = 32 - 22 1 = 1 实际结构上为减小摩 擦采用局部自由度。 计算自由度时，应除去局部自由度，即把滚子和从动 件看作一个构件。 重复出现的，对机构运动不起独立限制作用的约束 称为虚约束。 3、虚约束 应除去虚约束， 即将产生虚约束的构 件MN及运动副除去 不计。 n = 3, Pl =4, Ph =0 F = 33 - 24 0 = 1 （1）轨迹重合： 连接构件上的轨迹和机构上连接点 的轨迹重合时, 引入虚约束。 虚约束常见情况及处理 计算时将虚约束去掉。 （a）（b） 计算中只计入一个移动副 。 （2）导路平行或重合的 移动副： 两构件构成多 个导路相互平行的移动 副时, 会出现虚约束。 （3）轴线重合的 转动副：两构件组 成多个转动副，且 轴线重合，只有一 个转动副起约束作 用，其余为虚约束 。 计算中只计入一个转动副。 计算中应将对称部分除去不计。 （4）传动对称：机构中对运动不起独立作用 的对称部分，将产生虚约束。 例 3.3 计算大筛机构自由度, 判断机构是否具 有确定相对运动。 解 ：C处为复合铰链； E和E其中之一为虚 约束； F处滚子为局部自由度。机构的可动构 件数n=7, 低副数Pl9, 高副数Ph=1。 F3n2PlPh 372912 此机构自由度数等于2, 与原动件数相等， 即W=F， 机构具有确定的相对运动。 一、运动副及其分类 高副 低副 转动副 移动副 二、构件自由度、运动副和约束的关系 总 结 1.平面内自由的构件，有3个自由度；空间内 自由的构件，有6个自由度。 2.构件自由度、运动副和约束的关系 （1）转动副：2约束，1自由度 （2）移动副：2约束，1自由度 （3）平面高副：1约束，2自由度 三、机构运动简图的绘制 1、找出组成机构的各构件 2、选择视图平面 3、绘制机构简图 四、机构自由度的计算 2.平面机构具有确定运动的条件：机构原动件 个数应等于机构的自由度数目，即 W=F=3n-2Pl-Ph F = 3n - 2Pl - Ph 1.机构自由度： 五、计算自由度时应注意的几种情况 1、复合铰链 2、局部自由度 3、虚约束 1、机构中原动件的数目小于机构的自由度数时，则此 机构( )。 A.具有确定的相对运动 B. 只能作有限的相对运动 C. 运动不能确定 D. 不能运动 2、平面机构中若引入一个高副将带入( )个约束，而引 入一个低副将带入( )个约束。约束数与自由度数的关系 是( )。 3、两个做平面平行运动的构件之间为( )接触的运动副 称为低副；而为( )或( )接触的运动副称为高副。 4、机构具有确定运动的条件是什么？ 5、机构运动简图有什么作用？如何绘制机构运动简图 ？ 6、何谓构件自由度和运动副的约束？ 7、在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？ 复习思考题复习思考题 1、画出图示平面机构的运动简图，并